一、钻柱的组成与功用
（一）钻柱的组成
钻柱(Drilling String)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(DrillPipe)、钻铤(Drill Collar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。
（二）钻柱的功用
(1)提供钻井液流动通道；
(2)给钻头提供钻压；
(3)传递扭矩；
(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。
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，一般是9.19mm。
外径：根据各种钻杆情况而定，如常用的127，140等。
长度：一般在9.5m左右。
常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）
（2）接头及螺纹
螺纹连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母螺纹相匹配。
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
内平式：主要用于外加厚钻杆。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。
这种类型接头均采用V型螺纹，但扣型、扣距、锥度及尺寸等都有很大的差别。
NC型系列接头
NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77等。
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, 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。
数字型接头与旧API接头的区别
2、钻铤
结构特点：管体两端直接车制丝扣，无专门接头；壁厚大(38-53毫米）， 重量大，刚度大。
主要作用：
(1)给钻头施加钻压;
(2)保证压缩应力条件下的必要强度;
(3)减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳；
(4)控制井斜。
类 型：光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。
常用尺寸：6-1/4〃，7 〃，8 〃，9 〃。
3.方钻杆
类 型：四方形、六方形
特 点：壁厚较大，强度较高
主要作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量。
常用尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm (4.5英寸)，133.4mm (5.5英寸)。
4.稳定器
类型：刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器。
作用：
1）防斜；
2）控制井眼轨迹。
二、钻柱的工作状态及受力分析
（一）钻柱的工作状态
1.起下钻工况下
直井：直的拉伸、滑动。
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。
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，同时围绕自身轴线运动。
（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。
一般认为，弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但也可能产生公转或两种运动形式的结合。由于在转动过程中受到阻力的作用，钻具的转动是不平稳的。
三、钻柱的受力分析
1. 概述
（1）自重产生的拉力
（2）钻压产生的压力
（3）钻井液的浮力
（4）摩擦阻力
（5）循环压降产生的附加拉力
（6）起下钻时产生的动载荷
（7）扭矩
（8）弯曲应力
（9）离心力
（10）外挤力
（11）振动产生的交变应力。
2、钻柱受力最严重的部位：
1）井口断面： 拉力最大，扭矩最大；
2）下部受压弯曲部分： 交变轴向应力、弯曲应力、扭剪应力
3）中性点：（钻柱上轴向力等于零的点(Ｎ点，亦称中和点，Neutral Point )
拉压交变载荷。
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。
四、钻柱设计
1、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。
2、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。
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
2. 经验配合关系
五、选择的基本原则1.钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供应可能的情况下，应尽量选用大尺寸方钻杆,应比钻杆尺寸大一级；2.钻机提升能力允许的情况下，选择大尺寸钻杆是有利的。因为大尺寸钻杆强度大，水眼大，钻井液流动阻力小，且由于环空较小，钻井液上返速度高，有利于携带岩屑。入井的钻柱结构力求简单，以便于起下钻操作。国内各油田目前常用127mm(5 in)钻杆。3、钻铤尺寸决定着井眼的有效直径，为了保证所钻井眼能使套管或套铣筒的顺利下入，钻铤中最下部一段（一般应不少一立柱）的外径应不小于允许最小外径，其允许最小钻铤外径为：允许最小钻铤外径＝2×套管接箍外径－钻头直径当钻铤柱中采用了稳定器，可以选用稍小外径的钻铤。钻铤柱中选用的最大外径钻铤应以保证在可能发生的打捞作业中能够被套铣为前提。 在大于241.3mm的井眼中，应采用复合钻铤结构。但相邻两段钻铤的外径一般以不超过25.4mm为宜。4．钻铤尺寸一般选用与钻杆接头外径相等或相近的尺寸，有时根据防斜措施来选用钻铤的直径。近些年来，在下部钻具组合中更多的使用大直径钻铤，因为使用大直径钻铤具有下列优点：（1）用较少的钻铤满足所需钻压的要求，减少钻铤，也可减少起下钻时连接钻铤的时间；（2）提高了钻头附近钻柱的刚度，有利于改善钻头工况；（3）钻铤和井壁的间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏；（4）有利于防斜
六、钻杆下井前注意事项 1.钻杆在下井使用前，应按规格并将内螺纹接头朝着钻台方向整齐摆放在距地面0.3m以上且拥有足够架墩的活动钻杆管架上，防止水、湿气、泥土等对钻杆造生锈蚀;钻杆管架要保持平行并在同一水平面上，以防止钻杆产生弯曲变形;位于管架两头的钻杆要用塞块予以卡紧，防止钻杆滚动、跌落。 2.钻杆上钻台前，应首先对钻杆接头螺纹及台肩密封面进行彻底清理、检查，确认完好后，方可下井使用。在钻杆上、下钻台过程中，钻杆接头一定要佩戴好护丝（建议使用钢制护丝），以防止接头螺纹及台肩面在提拉过程中产生磕碰、损伤。 3.钻杆在沿滑道上钻台的起吊过程中，绞车应尽可能保持匀速，在钻杆离开滑道时，要用软绳索进行人工拦阻，防止发生磕碰。 4.在井口进行接单根作业前，要再次对接头螺纹和台肩密封面进行清洗和检查，在确认没有问题后，再将含有60%细金属铅粉或40～60%细金属锌粉的石油钻具专用丝扣油足量、均匀地涂抹到接头螺纹及密封台肩面上（孔口母接头的螺纹和台肩面也要足量、均匀涂抹专用丝扣油），同时要防止沙尘及其它异物混入丝扣油中，影响护丝油性能或划伤螺纹及台肩密封面。
七、钻杆使用中的注意事项 1.新钻杆初次下井使用时，建议在井口以稍低于规定值的扭矩对接头进行两次拧卸操作，确认接头螺纹及密封面完好后，再足量、均匀涂抹好丝扣油并按规定扭矩将接头螺纹上紧，随后下井使用。这种磨合扣的操作有利于强化螺纹表面硬度，增强螺纹的抗粘扣性能，延长钻杆的使用寿命。 2.井口对接钻杆时，要进行人工扶正引扣，防止公接头冲击到母接头端面或螺纹，造成损伤;随后用链钳进行人工认扣，引入不低于两扣后再用液压动力钳按规定扭矩将钻杆接头螺纹上紧（钢级、规格、水眼大小不同，所需要的上扣扭矩也不一样，一定要认真加以区别对待）。 3.每次下井前，都要对钻杆立柱进行倒换卸扣，使得每对接头都能够在三次起下钻过程中得到一次上卸扣操作，以使每件接头螺纹都能够得到及时检查，减少粘扣、脱扣、刺漏等问题的发生。同时，也要定期对上、下部钻具位置进行倒换，以改变钻具的受力状态，使整套钻具各部分的受力趋于一致，以此提高钻具的使用寿命，减少钻具早期失效事故的发生。 4.钻进过程中，要根据地层、井径、下部钻具配置等情况，选择合理的转速和钻压，以保证钻具处于理想的工作状态，收到满意的鉆进效率。当钻杆的旋转速度达到临界转速，钻杆旋转产生的纵向、横向、扭转三种形式的振动频率与钻杆自身的固有频率相吻合时，会引发共振，使孔内整个钻柱处于严重失稳状态，并使之承受额外的疲劳应力，从而加速钻具的疲劳失效;钻压越大，井底钻头受到的阻力也越大，容易发生蹩卡钻情况，当所加钻压超过钻具的临界钻压时，钻具便会产生弯曲，造成井斜及下部钻具螺纹疲劳断裂等后果。 5.钻杆在具有腐蚀性的环境中进行作业时，可采取在钻井液中加入除氧剂和缓蚀剂;提高钻井液的PH值，使其达到10以上;选用抗硫钻杆;使用含有内涂层的钻杆;在满足强度要求的前提下，尽可能地选用低钢级钻杆等相应措施，来降低腐蚀因素对钻具的影响。 6.在井口对钻杆进行拆卸螺纹操作时，起初要使用低速档，同时大钩弹簧要保持一定的拉力，以保证两接头螺纹表面间不承受压力。接头螺纹完全脱开后再上提大钩，以防拉伤螺纹，这样也可防止上部钻杆在弹簧力的作用下与井口的母接头发生冲击、磕碰。 | 
