第二节 钻 柱—工作状态与受力
3. 钻柱的旋转运动形式：
（1）自转—钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。均匀磨损，易发生疲劳破坏。 （2）公转—钻柱象一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动。产生偏磨。 （3）公转与自转的结合
弯曲钻柱围绕井眼轴线旋转，同时围绕自身轴线转动，即不是沿着井壁滑动而 是滚动。钻柱磨损均匀，但受交变应力的作用，循环次数比自转时低得多。 （4） 纵向振动—钻头振动引起，产生交变应力。 （5）扭转振动—由井底对钻头旋转阻力的变化引起，产生交变扭剪应力。 （6）横向摆振—达到某一临界转速，可能产生无规则摆动，产生交变弯曲应力。
（一）钻柱的作用
(1)提供钻井液流动通道； (2)给钻头提供钻压； (3)传递扭距； (4)起下钻头； (5)计量井深。 (6)观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）； (7)进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）； (8)钻杆测试 ( Drill-Stem Testing),又称中途测试。
第二节 钻 柱—工作状态与受力
2 . 轴向力和中性点
（1）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）：
F
F0 = q p L p + q c L c
（2）浮重产生的轴向力：
Fm = K B (q p L p + qc Lc ) = K B F0
称为“浮力减轻系数”
式中：
K B = 1− ρd ρ s
（3）正常钻进时的轴向力：
第二节 钻 柱—作用和组成
NC型系列接头 NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44， NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77
NC—National Coarse Thread，（美国）国家标准粗牙螺纹。 xx—表示基面丝扣节圆直径，用英寸表示的前两位数字乘以10。 如：NC26表示的节圆直径为2.668英寸。 NC螺纹也为V型螺纹,具有0.065 英寸平螺纹顶和0.038英寸圆螺纹底, 用V0.038R表示扣型,可与V-0.065 型螺纹连接。表2-17所列的几种NC型接头与旧 API标准接头有相同的节圆直径、锥度、螺距和螺纹长度，可以互换使用。 表2-17 可以互换使用的接头
第二节 钻 柱—作用和组成
（二）钻柱组成
方钻杆 钻杆 钻铤 稳定器 配合接头和保护接头 其它井下工具： 减震器、震击器、 扩眼器、键槽破坏器
第二节 钻 柱—作用和组成
1. 钻杆
（1）作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。 （2）结构：管体+接头
（3）规范：壁厚：9 ～ 11mm 外径：60.3，73.0，88.9，101.6，114.3，127.0，139.7 长度： 18～22ft ，27～30ft， 38～45ft
⎛σ y Fa = F p ⎜ ⎜σ ⎝ t
③ 拉力余量法
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
−1
Fa = Fp − MOP
式中：MOP—拉力余量，一般取200～500KN。
第二节 钻 柱—设计
2. 钻杆柱强度设计
按最大安全静拉力F a设计钻杆柱的最大允许下深（长度）。。 （1）单一钻杆柱设计 强度条件：
Fa = ( Lq p + Lc qc ) K B
移
SN
qc 动较弱的钻杆上，一般取
K αB
—浮力系数；
=1.15 ～1.25；
—每米钻铤在空气中的重力，kN/m；
α
第二节 钻 柱—设计
（三）钻杆柱强度设计 1.强度条件
Ft ≤Fa
Fti = ( Li q pi + ∑ L j q pj + ∑ Lck qck ) K B
j =1 k =1
i −1
第二节 钻 柱—作用和组成
（4）钢级与强度
物 理 性 能 最小屈 服强度 最大屈 服强度 最小抗 拉强度 钻 杆 钢 级
MPa lb/in2 MPa lb/in2 MPa lb/in2
D 379.21 55000 586.05 85000 655.00 95000
E 517.11 75000 723.95 105000 689.48 100000
第二节 钻 柱—工作状态与受力
二、钻柱的工作状态及受力
（一）钻柱的工作状态
1. 起下钻工况下：
（1）直井：直的拉伸、滑动 （2）斜井：随井眼倾斜和弯曲，滑动。
2. 正常钻进工况下
上部受拉伸，下部受压弯曲；在扭矩作用下旋转运动。 下部钻柱弯曲的原因： 钻压的作用使下部钻柱受压缩，当压力达到钻柱的临界 压力，钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲并与井壁接触。 压力较大时可能发生多次弯曲。
L = Fqc
qp
（2）复合钻杆柱设计（深井） 思路：由下而上，所受拉伸载荷逐渐增大，强度应逐渐增大。故由钻 铤上面第一段钻杆开始，先选择强度较低的钻杆，确定其许用长度；再逐段 向上选择强度更高的钻杆进行设计。这样设计出来的钻杆柱，由下而上强度 逐级增大以满足抗拉强度的要求。 每段钻杆满足强度条件：Fa = ( Li q pi + ∑ L j q pj + ∑ Lck qck ) K B i
丝扣连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。 钻杆接头特点：壁厚较大，外径较大，强度较高。 钻杆接头类型：内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG）； NC系列
第二节 钻 柱—作用和组成
内平式：主要用于外加厚钻 杆。其特点是钻杆通体内径相同， 钻井液流动阻力小；但外径较大， 容易磨损。 贯眼式：主要用于内加厚钻 杆。其特点是钻杆有两个内径， 钻井液流动阻力大于内平式，但 其外径小于内平式。 正规式：主要用于内加厚钻 杆及钻头、打捞工具。其特点是 接头内径<加厚处内径<管体内径， 钻井液流动阻力大，但外径最小， 强度较大。 三种类型接头均采用V型螺纹， 但扣型、扣距、锥度及尺寸等都 有很大的差别。
第二节 钻 柱—设计
（2）钻杆的最大允许拉伸力Fp：
F
p
= 0 .9 F
y
式中： p —钻杆的最大允许拉伸载荷，kN。 F （3）钻杆的最大安全静拉力Fa： ① 安全系数法（考虑起下钻时的动载及摩擦力）
Fa = Fp / S t
S 式中： t —安全系数，一般取1.30。
② 设计系数法（考虑卡瓦挤压）
设计内容：
（1）尺寸选择 （2）钻铤柱长度计算 （3）钻杆柱强度设计及较核。
设计原则：
（1）满足强度（抗拉、抗挤强度等）要求，保证钻柱安全工作； （2）尽量减轻整个钻柱的重力，以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井。
第二节 钻 柱—设计
（一）、钻柱尺寸选择 1. 依据：
（1）钻机的提升能力； （2）井眼尺寸； （3）地质条件； （4）工艺要求； （5）供货情况。
m
式中：Ft —钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷，kN； Fa—钻杆柱的最大安全静拉力，kN。 （1）钻杆在屈服强度下的抗拉载荷： 钻杆材料的屈服强度所允许的最大抗拉载荷。
Fy = 0.1σ y Ap
式中： y —钻杆钢材的最小屈服强度，MPa； σ Ap —钻杆的横截面积，cm2； Fy —最小屈服强度下的抗拉载荷，kN。 可以计算,也可以从表2－14中查出。
j =1 k =1 i −1 m
第二节 钻 柱—设计
L1 = F a1 q p1 K −
B
qcLc q p1
L2 =
Fa 2 q p2K
Fa3 q p3K
−
B
q c L C + q p1 L p1 q p2
qc Lc + q
p1
L3 =
−
B
L1 + q
p3
p2
L2
q
L4
Fa4 = q p4K
−
B
qcLc + q
第二节 钻柱
一、钻柱的作用与组成 二、钻柱的工作 状态与受力分析 三、钻柱设计
第二节 钻 柱—作用和组成
一、钻柱的作用与组成
概念：钻柱(Drill Stem)是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称。
它包括方钻杆(Square Kelly)、钻杆(Drill Pipe)、钻挺(Drill Collar)、 各种接头 (Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。
Δpi = ps − pb
Δpb = pb − pbot
（5）起下钻时钻柱轴向力：
Ft = K B (q p L p + qc Lc ) ± F f + Fd
pbot
pb
第二节 钻 柱—工作状态与受力
（5）中性点
钻柱上轴向力等于零的点(Ｎ点) (亦称中和点，Neutral Point )。 垂直井眼中钻柱的中性点高度：
p1
L1 + q q
p3
p2
L2 + q
p3
L3
L1， L 2， L 3， L 4
钻铤上面第一、二、三、四段钻杆的长度 相应各段钻杆的最大安全静拉力 相应各段钻杆在空气中的单位长度重力
压力
0
拉力
FW
(-)
(+)
LN =
W qcK
B
L 式中：N —中性点距井底的高度，m。
N
重要意义： 1）设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤 上。为什么？ 2）指导松扣、造扣等特殊作业。 3）中性点附近钻柱受交变应力作用，易疲 劳破坏。
LN
w
w
钻柱轴向力分布与中性点
第二节 钻 柱—设计
三、 钻柱设计
95（X） 655.00 95000 861.85 125000 723.95 105000
105（G） 723.95 105000 930.79 135000 792.90 115000
135（S） 930.70 135000 1137.64 165000 999.74 145000