第二节 钻柱与下部钻具组合设计
一、钻柱设计与计算
合理的钻柱设计是确保优质、快速、安全钻井的重要条件。尤其是对深井钻井，钻柱在井下的工作条件十分复杂与恶劣，钻柱设计就显得更加重要。
钻柱设计包括钻柱尺寸选择和强度设计两方面内容。在设计中，一般遵循以下两个原则：
第一， 满足强度（抗拉强度、抗击强度等）要求，保证钻柱安全工作； 第二， 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
具体对一口井而言，钻柱尺寸的选择首先取决于钻头尺寸和钻机的提升能力。同时，还要考虑每个地区的特点，如地质条件、井身结构、钻具供应及防斜措施等。常用的钻头尺寸和钻柱尺寸配合列于表2-21供参考。
表2-21 钻头尺寸与钻柱尺寸配合
钻头直径/mm(in) >299(11/4) 248~299(9/4~11/4) 197~248(7/4~9/4) 146~216(5/4~8/2)
3133333钻铤外径/mm(in) 203(8) 178~203(7~8) 152~178(6~7) 146(5/4) 3钻杆外径/mm(in) 168(6/8) 140(5/2) 114,127(4/2,5) 89(3/2) 1115方钻杆方宽/mm(in) 152(6) 133,152(5/4,6) 108,133(4/4,5/4) 89,108(3/2,4/4) 11111从上表可以看出，一种尺寸的钻头可以使用两种尺寸的钻具，具体选择就要依据实际条件。选择的基本原则是：
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。
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。入境的钻柱结构力求简单，以便于起下钻操作。国内各油田目前大都用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） 高了钻头附近钻柱的刚度，有利于改善钻头工况； 3） 铤和井壁的间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏； 4） 利于放斜。
（二）钻铤长度的确定
钻铤长度取决于钻压与钻铤尺寸，其确定原则是：保证在最大钻压时钻杆不承受压缩载
1
荷，即保持中性点始终处在钻铤上。由（2-7）式可得钻铤长度计算公式：
LC =
SNWmax （9-12）
qcKBcos?式中：LC ——钻铤长度，m；
Wmax ——设计的最大钻压，kN ；
SN ——安全系数，防止遇到意外附加力（动载、井壁摩擦力等）时，中性点移到较弱的钻杆上，一般取SN=1.15~1.25；
qc——每米钻铤在空气中的重力，kN/m； KB——浮力系数；
α——井斜角度数，直井时，α= 0o （三）钻杆柱强度设计
由钻柱的受力分析可知，不论是在起下钻还是在正常钻进时，经常作用于钻杆且数值较大的力是拉力。而且，井越深，钻杆柱越长，钻杆柱上部受到的拉力越大。但对某种尺寸和钢级的钻杆，其抗拉强度是一定的，即按抗拉强度确定其可下深度。在一些特殊作业（如 钻杆测试等）中，也需要对抗挤及抗内压强度进行校核。
在以抗拉伸计算为主的钻杆柱强度设计中，主要考虑由钻柱重力（浮重）引起的静拉载荷，其他一些载荷（如动载、摩擦力、卡瓦挤压力的影响及解卡上提力等）通过一定的设计系数考虑）。
1．钻杆柱设计的强度条件
钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷应满足以下条件：
Ft ≤ Fa (9－) 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。
钻杆柱所能承受的最大安全静拉力的大小取决于钻杆材料的屈服强度、钻杆尺寸以及钻柱的实际工作条件。
1）钻杆在屈服强度下的抗拉力Fy：钻杆所承受的拉伸载荷必须小于钻杆材料的屈服强度下的抗拉力Fy：
Fy = 0.1σyAp (9－) 式中：σy——钻杆钢材的最小屈服强度，Mpa； Ap——钻杆的横截面积，cm2；
Fy——最小屈服强度下的抗拉力，kN。Fy可以计算，也可以从表2-14中查出。 2）钻杆的最大允许拉伸力Fp：如果钻杆所受拉伸载荷达到Fy时，材料将发生屈服而产生轻微的永久伸长。为了避免这种情况的发生，一般取Fy的90%作为钻杆的最大允许拉伸力Fp，即：
Fp = 0.9Fy （2-15）
式中：Fp——钻杆的最大允许拉伸力，kN。
3）钻杆的最大安全静拉力Fa：最大安全静拉力是指允许钻杆所承受的由钻柱重力（浮重）引起的最大载荷。考虑到其他一些拉伸拉伸载荷，如起下钻时的动载及摩擦力、解卡上提立及卡瓦挤压的作用等，钻杆的最大安全静拉力必须小于其最大允许拉伸力，以确保安全。目前，用于确定钻杆的最大安全静拉力的方法有三种：
一是安全系数法。考虑起下钻时的动载及摩擦力，一般取一个安全系数St，以保证钻柱的工作安全，即：
Fa = Fp / St （2-16）
2
式中：St——安全系数，一般取1.30 二是设计系数法（考虑卡瓦挤压）。对于深井钻柱来说，由于钻柱重力大，当它坐于卡瓦中时，将受到很大的箍紧力。当合成应力（大于纯拉伸应力）接近或达到材料的最小屈服强度时，就会导致卡瓦挤毁钻杆。为了防止钻杆被卡瓦挤毁，要求钻杆的屈服强度与拉伸应力的比值不能小于一定数值。此值可根据钻杆抗挤毁条件得出，由下式确定：
?y?dpKS?dpKS??1????2L?t?2LSS??????2?? （2-17） ??12式中：σy——钻杆材料的屈服强度，Mpa；
σt——有悬挂在吊卡下面钻柱重力引起的拉应力，Mpa； dp——钻杆外径，cm；
Ks——卡瓦的侧压系数（以平均值计算，Ks=4）；Ks=1/tan（α+φ） Ls——卡瓦长度，cm；
α——卡瓦锥角，一般为9o27’45”；
φ——摩擦角，φ=arctanμ, μ为摩擦系数（≈0.08）。
为便于应用，现将Ks 值和σy/σt比值计算结果列入表2-22中，设计时可直接查表。 考虑卡瓦挤压的影响，要限制钻杆的拉伸载荷，使屈服强度σy与拉伸应力σt的比值不能小于表2-22中的数值，并以此值作为设计系数，确定钻杆的最大安全静拉力，即：
??Fa= Fp?y???t横向负载系数(Ks) 4.35 4.00 3.68 3.42 3.18 4.36 4.00 3.68 3.42 3.18 1.27 1.25 1.22 1621 1.19 1.20 1.18 1.16 1.15 1.14 1.34 1.31 1.28 1.26 1.24 1.24 1.22 1.20 1.18 1.17 60.3 73.0 ?????1 (2-18)
表2-22 防止卡瓦挤毁钻杆的σy/σt比值 卡瓦长度/mm 摩擦系数(μ) 0.06 0.08 304.8 0.10 0.12 0.14 0.06 0.08 406.4 0.10 0.12 0.14 钻杆尺寸/mm 88.9 104.6 108.0 127.0 139.7 最小比值(σy/σt) 1.43 1.39 1.35 1.32 1.30 1.30 1.28 1.25 1.23 1.21 1.50 1.45 1.41 1.38 1.34 1.36 1.32 1.29 1.27 1.25 1.58 1.52 1.47 1643 1.40 1.41 1.37 1.34 1.31 1.28 1.66 1.59 1.54 1.49 1.45 1.47 1.42 1.38 1.35 1.32 1.73 1.66 1.60 1.55 1.50 1.52 1.47 1.43 1.39 1.365 注：摩擦系数0.08用于正常润滑的情况。
三是拉力余量法。考虑钻柱被卡时的上体解卡力，钻杆住的最大允许静拉力应小于其最大安全拉伸力一个合适的数值，并以它作为余量，称为“拉力余量”（记为MOP），以确保钻柱不被拉断。
Fa = Fp－MOP （2-19）
式中：MOP——拉力余量，一般取200~500 kN。
在采用拉力余量法设计钻柱时，必须使钻柱每个断面上的拉力余量相同，这样在提拉钻柱时就不会因某个薄弱面影响和限制总的提拉载荷的大小。
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