钻杆什么材质

尽管石油钻探技术不适合于连续取心钻进，但前苏联以及现在的俄罗斯在进行科学深钻时都采用了以这种技术为基础的钻探技术。他们对常规石油钻探技术进行了改进，形成了具有鲜明特色的前苏联科学深钻技术，并用改进后的技术施工了大量科学深孔和超深孔，其中最深的是孔深12262m的科拉超深孔，为世界第一深孔。

2.1.1 钻探设备

SG-3井采用的钻探设备为常规石油天然气钻井设备。由于钻探深度超深，为了减少钻杆柱与孔壁的摩擦，钻头由孔底马达（主要是涡轮马达）驱动。同时为了提高扭矩，降低转速，前苏联研制了一套完善的带减速器的井底涡轮马达技术。

2.1.2 取心钻探技术

SG-3井采用全孔连续取心钻进方式，提钻打捞岩心。由于钻孔超深，钢钻杆的强度已不足以承受自身的重量。所以前苏联开发了轻质铝合金钻杆技术。由于铝合金螺纹联结强度低，所以开发的铝合金钻杆钻杆体为轻质铝合金，接头部位仍采用高强度钢材。SG-3井使用的钻杆与钻杆体如图2.1所示。

SG-3井取心钻进采用的钻头为牙轮取心钻头。牙轮取心钻头钻进取心质量低，岩心采取率低，但钻进深度快。

SG-3井使用的牙轮取心钻头如图2.2所示。

2.1.3 前苏联科学深钻技术优缺点

前苏联科学深钻技术的优点：

1）牙轮钻头取心钻进效率高，如在科拉超深孔的片麻岩、角闪岩和花岗岩层中，牙轮钻头的平均钻进效率为1.8m/h。

图2.1 铝合金钻杆（上图）和钻杆体（下图）

图2.2 科拉超深钻牙轮取心钻头

2）孔底马达驱动有利于减轻钻柱磨损、功率消耗和增强孔壁稳定。

3）技术上容易实现，实施过程中的风险性较小，钻杆柱的尺寸设计有足够的空间，可保证钻杆柱强度，增加施工的安全性。

4）铝合金钻杆重量轻，大大降低了对设备能力的要求，并增大了钻杆柱本身的安全性。

前苏联科学深钻技术的缺点：

1）施工速度慢。这些钻孔都是全孔取心，并都是通过提钻回收岩心，提钻次数太多，起下钻时间在整个施工时间中占的比例很大，钻孔深度加大后尤其如此。

2）岩心采取率低，这是牙轮钻头取心钻进的通常弱点，科拉超深孔的平均岩心采取率仅为40%左右。

3）牙轮钻头取心钻进只适合于直径较大的钻孔（一般不小于），否则岩心直径太小，而较大的钻孔直径导致较高的施工成本。

3.2.1 钻柱可下深度计算

当井深达到一定深度时，由于钻柱自身具有一定的重量，在提升或钻进过程中，所受重力将超过其自身的极限强度。因此，该深度我们将其定义为钻柱的可下深度。图3.2为不同材质同一规格尺寸钻杆的可下深度图。从图中可以看出，随着钻井液密度的增大，各材质钻杆的可下深度均有所提高，但与XJY850等钢钻杆相比，7E04铝合金钻杆可下深度提高较为明显，也就是说，铝合金钻杆可下深度受钻井液密度影响较大，即其浮力系数随钻井液密度变化明显，见图3.3；图中数据同时表明，V-150钢钻杆最大可下深度不足万米。

图3.2 不同材质钻杆可下深度

因此，科学超深井13000m钻柱全部使用同一规格尺寸的钢钻杆不可实现，全部使用7E04铝合金钻杆理论上可以实现，但考虑到井内高温环境的影响，还需研制耐高温的轻合金钻杆。在后续的钻柱设计中，同时应考虑钢、铝组合钻柱以及不同规格尺寸的复合钢钻柱设计。

图3.3 不同材质钻柱浮力系数变化曲线

3.2.2 伸长量计算

钻柱的伸长量问题在深井、超深井钻探施工过程中是一个不可忽视的问题。以往计算井深相对简单，未考虑钻柱伸长量问题。图3.4是在不同钻井液密度下，钢钻柱和铝合金钻柱各自伸长量随钻柱长度变化对比图。钻柱在自身重力和钻井液浮力的共同作用下，伸长量的大小与钻柱的截面尺寸无关，只与钻柱的密度、长度以及钻井液密度有关。从图中可以获知，与铝合金钻柱相比，同样长度的钢钻柱伸长量较大；随着钻柱的增长，其伸长量呈非线性迅速增加趋势，也就是说，如未考虑伸长量问题，那么随着井深的增加我们预算出的井深与实际井深值偏差将逐渐增大，必将造成送钻精度下降，使取心钻具、井底动力机具和钻头的使用寿命降低。

图3.4 不同材质钻柱伸长量

3.2.3 解卡上提力对抗扭强度的影响

当钻具井内遇卡、阻时，为解卡有时采取上提拉力后在进行钻柱的扭转动作，此时钻柱在拉、扭复合工况受力状态下，其自身抗扭强度将有一定的衰减，钻柱的抗扭强度变化见图3.5。从图中可以看出，钻柱在一定的抗拉力作用下，随着解卡上提力的不断增大，其抗扭强度显著降低。因此，在处理卡、埋钻事故时，应禁止强拉、强扭操作，在预知解卡拉力的情况下，可通过该图进行钻柱剩余抗扭强度的估算。

图3.5 解卡上提力对抗扭强度的影响

3.2.4 允许扭转圈数计算

在确定卡点深度的前提下，计算钻柱最大扭转圈数，以保证其在允许荷载范围内及时、有效地解除事故是十分必要的，以防止盲目操作引起事故的进一步恶化。图3.6是钻柱允许扭转圈数与卡点深度关系图，图中曲线表明，钻柱允许扭转的圈数与卡点深度成正比关系；随着钻杆屈服强度的增大，其允许扭转圈数相应增加；与钢钻柱相比，在同样的卡点深度时，铝合金钻柱允许扭转圈数较大。

3.2.5 弯曲应力计算

钻柱的弯曲应力在钻柱的上部是由离心力引起的，在下部则是由钻柱受压弯曲和离心力共同作用的结果。钻柱下部受压弯曲半波长较短，弯曲应力较大；在扭矩和旋转阻力不够大的情况下，钻柱上部拉伸段不形成弯曲螺旋线，即无弯曲应力。图3.7中数据表明，两种材质钻柱在同一弯曲半波长度条件下，钢钻柱所受弯曲应力相对较大；同时，钻柱的弯曲应力随着弯曲半波长的增大而减小。

图3.6 钻柱允许扭转圈数

图3.7 不同材质钻柱弯曲应力

3.2.6 钻柱的摩擦阻力计算

在垂直井钻进过程中，由于井斜角和方位角的变化致使钻柱与井壁（或套管）相互接触，产生较大的滑动摩擦阻力。因此，对钻柱的摩擦阻力和轴向拉力进行计算，以保证其顺利的上提和下放。

在某假定前提条件下，即摩擦系数为0.4，井斜角在3°内变化，方位角在5°内变化，钻井液密度为1.2g/cm3时，图3.8数据表明，在提钻过程中，钻柱的滑动摩擦阻力随着井深的不断增加而显非线性增大；且在同一井深条件下，钢钻柱的滑动摩擦阻力要比铝合金钻柱大得多，即井深在13000m时，铝合金钻柱的上提滑动摩擦阻力为130kN，钢合金钻柱的上提滑动摩擦阻力为356kN，两者摩擦阻力比值为36.6%。

图3.8 钻柱的上提滑动摩擦阻力

3.2.7 固有振动周期计算

钻柱的受力情况和工作条件极为复杂和恶劣，在钻进过程中可能出现纵向振动、扭转振动以及横向摆振等状况。其振动大小决定于弹性系统的固有振动周期以及外作用力的周期。图3.9表明，固有纵向振动和固有扭转振动的周期取决于钻井井深，与其成正比关系；同时，固有纵向振动与扭转振动周期不等，也不互成倍数，两者不能相互加强，只有当固有振动周期与振动力周期一致或成倍数时，将产生共振现象。

图3.9 固有振动周期

钻杆柱是钻探施工中非常关键的一个环节，对于超深井钻进施工更是如此。钻杆柱在钻进中要承受拉伸、扭矩、振动、摩擦引起的附加阻力和温度等多项载荷的复合作用，工作条件十分恶劣。当钻井超过某一深度后，单是钻杆柱的自重就可能使钻杆柱发生破坏。可能用于科学超深井的钻杆柱有两种，即铝合金钻杆柱和钢钻杆柱。

3.4.1 铝合金钻杆柱的性能

如果不考虑温度限制的话，铝合金钻杆柱比钢钻杆柱具有更大的钻深能力。前苏联在施工科学超深井时广泛采用了铝合金钻杆柱，表3.8是几种超深井施工常用的铝合金钻杆材料，它们具有不同的机械性能和耐温能力，施工时可分别用于不同的井段。

表3.8 科拉超深井用铝合金材料

与通常采用的钢质钻柱相比，采用铝合金钻柱钻井有一系列优点，主要优点如下：

1）降低对钻机负荷的要求。反之，当钻机负荷一定时，可达的钻孔深度更大，相当于加大了钻机能力。例如，前苏联用铝合金钻柱施工15000m超深井，采用的钻机大钩负荷为4000～5000kN；而德国设计用钢钻柱施工的12000m超深井时，采用的最大大钩负荷为8000kN。这是因为铝合金材料的密度比钢的密度小得多，用于8.5in（215.9mm）口径的超深井铝合金钻杆（带钢接头）比钢钻柱有更大的钻深能力。铝合金的密度为2.8t/m3，钢的密度为7.8t/m3。即使带钢接头的铝合金钻杆也比钢钻杆轻得多，钻柱中由其自重产生的应力比钢钻柱中的也小得多。所以尽管铝合金的屈服强度比钢的要低，但铝合金钻柱比钢钻柱显示出更强的钻深潜力。目前，世界上大直径和小直径钻孔的深度记录都是铝合金钻柱创造的。前者是深度12262m的科拉超深井，钻孔直径8.5in；后者是深度5422m的南非金矿勘探孔，终孔直径为80mm。

2）可加速起下钻过程。试验结果表明，采用铝合金钻柱比钢钻柱，可节省起钻时间35%、节省下钻时间17%。

3）铝合金钻柱对套管的磨损比钢钻柱轻。

4）铝合金钻柱表面的液体阻力系数比钢钻柱的低15%～20%，因此可减少钻柱部分的流体压力损失。

5）钢质钻柱在含硫化氢的介质中极易受腐蚀损坏。铝合金材料对硫化氢不敏感，在此条件下用铝合金钻柱更为适宜。

然而，铝合金钻杆的使用具有一定的局限性。现有的铝合金钻杆可承受的最高温度是200℃，相当于7000m井深。超过此温度后，铝合金的强度迅速降低。因此现有的铝合金材料不能满足13000m超深井（最高井底温度350℃左右）钻进施工的要求。

3.4.2 钢钻杆柱的性能

德国KTB主孔的设计井深是12000m，实际上以9101m的深度完钻。该井施工采用钢钻杆，钢级为U160，是当时强度最高的钻杆钢级。KTB主孔的钻杆柱设计见表3.9。

表3.9 KTB主孔钻杆柱设计

国内的超深井钻杆柱研发工作的进展如下：宝钢、渤海能克等公司组织相关技术人员克服设备问题和工艺难题，进行了多次的热处理工艺试验后，钻杆性能参数已经达到了 V-150 钢级的要求，钻杆研发获得成功，填补了国内空白。同时，渤海能克公司的U170钻杆项目也处于前期的项目开发阶段；宝钢也研制出BGDS高抗扭接头，其采用双台肩设计，可与API接头互换使用，且强度比API接头提高30%左右，又要用于定向井、水平井、深井、超深井等苛刻井的钻探施工。相关技术参数见表3.10至表3.12。

表3.10 V-150钢级钻杆性能参数

表3.11 U-170钢级钻杆预研指标

表3.12 非标钻杆接头性能指标

3.4.3 13000m超深井钻杆柱方案

由理论计算可知，单一尺寸钻柱的许下深度是有限的，往往不能满足深井和超深井的要求。要使钻柱有更大的许下深度，可对上部和下部钻柱采取不同规格、（上大下小）、不同壁厚（上厚下薄）和不同钢级（上高下低）的措施，形成复合钻柱，以减轻钻柱的总重量。复合钻柱结构比起单一规格尺寸的钻柱来说优点众多，其既能满足强度要求，又能减轻整个钻柱重量，也可在现有钻机负荷能力下钻达更大的井深。作用于钻柱上的力较为复杂，如拉力、压力、弯曲力矩、扭矩等，但其中经常作用且数值较大的力为拉力。因此，在组合钻柱设计中，应以拉伸计算为主，再通过一定的设计安全系数来考虑起下钻时的动载荷以及其他应力的作用。

复合钻柱由数段组成，每段钻柱长度按以下原则确定：

（1）钻铤长度的确定

一般的钻柱是由钻铤柱和上部钻柱两部分组成。在确定各段钻柱长度之前，要先确定钻铤柱的长度，其原则是中和点位于钻铤柱内，可用下式计算：

科学超深井钻探技术方案预研究成果报告

式中：Lc为钻铤的长度，m；Pmax为最大钻压，N；Sn为安全系数；qc为钻铤空气中单位长度的重量，N/m；Kf为浮力系数。

（2）各段钻杆长度的确定

各段钻柱长度应自下而上地进行确定。钻铤上面第一段钻柱的最大长度L1可由下式确定：

科学超深井钻探技术方案预研究成果报告

式中：L1为第一段钻柱的最大长度，m；Pa1为第一段钻柱的最大允许静拉负荷，N；q1为第一段钻杆的每米重量，N/m；α为质量增加系数。

对于复合钻柱，每种钻杆都有其最大设计长度，那么第二段、第三段、第四段的长度可按下式计算：

科学超深井钻探技术方案预研究成果报告

式中：Pa2，Pa3，Pa4分别为第二、三、四段钻柱的最大允许静拉负荷，N；q2，q3，q4分别为第二、三、四段钻柱的每米重量，N/m；α为考虑连接件后钻杆质量增加的系数，对接头连接α=1.05，对接箍α=1.1。

（3）13000m科学超深井复合钻柱的设计

假设最深井段的钻井参数为：井深13000m；钻井液密度1.50g/cm3；钻头尺寸215.9mm；最大钻压200kN；钻柱组合为：Ф158.8mm钻铤+Ф127.0mm（或Ф139.7mm）钢钻杆+Ф152.4mm方钻杆。采用V150钢级时，设计的塔式钻柱组合见表3.13。采用U170钢级时，设计的塔式钻柱组合见表3.14。

表3.13 使用V150材料时的13000m钻柱方案

表3.14 使用U170材料时的13000m钻柱方案

1.采用伸缩式桅杆

采用伸缩式桅杆可增加立根长度，减少起下 钻辅助 时间。美 国 雷姆 公司 研 制的T130×D型伸缩桅杆式全液压钻机，是一款具有大提升力、大转矩的车载钻机。该钻机采用先进的伸缩桅杆技术，使得钻机在具备大行程和大工作高度能力的同时，还使钻机更加小巧，运输更加方便。

动力头由液压桅杆直接升举，当动力头提升时，第二级桅杆以1∶2的行程进行提升，直到动力头到达顶部。动力头行程为15.24m。

2.液压缸升降式液压钻机

液压缸升降式液压钻机的理念与传统钻机不同，它以液压缸作为提升机构，取代传统的卷扬机，减轻了重而大的井架，取消了天车、游动滑车等装置。这种钻机结构简单，系统质量小，承载能力大，功率利用率高，钻探成本低，安全性更好，它移动快且容易实现自动化作业。

瑞典山特维克 ONRAM1000/3型金刚石岩心钻机，不设主卷扬机，只有取心卷扬机，用液压缸提升钻具，NQ 钻杆钻进深度600m。钻机具有质量轻，便于使用和维护等特点，可在地表或地下坑道内使用。

美国2006年推出首台无绞车型动力头钻机，分三个型号，提升能力分别为400.5kN、578.5kN、801.0kN。

2007年德国 HerrenKnecht GmbH 公司研制深部钻进取心钻机InnovaRig，为双液压缸提升系统，行程22m，功率2000kW。

挪威在20世纪90年代末已将该种钻机用于海洋钻井船，钻深能力达10058m。挪威MH 公司研制的 RamRig钻机，已基本形成系列，提升载荷为1500～10000kN，其中提升载荷为3000kN的钻机，顶驱行程为30m，最高提升速度为2m/s。RamRig钻机由2个液压缸的活塞杆上端共同支承游动滑轮组，一端有2个或4个滑轮，钢丝绳死端固定在底座上，钢绳绕过滑轮固定在顶驱装置上，构成液压缸—钢丝绳倍速机构。顶驱的运动速度是活塞运动速度的2倍，顶驱的载荷是两个液压缸载荷的一半。如提升载荷为3000kN 的钻机，其2个液压缸最大推力为6000kN，活塞杆伸出行程为15m，顶驱运动行程为30m。顶驱上下运动就实现了钻孔、起下钻柱、下套管等作业。

意大利Drilmec公司于1994年成功开发了液压缸升降式液压钻机，其 HH300型最大提升能力为2720kN，已批量生产，产品表现出良好的性能，使用该钻机可大幅度的减少井队人员。

3.深孔、超深孔液压钻机

深孔、超深孔岩心钻机是大陆科学钻探研发的课题。按孔深分类：小于2000m 的钻机为浅钻，中深钻为2000～5000m，深钻为5000～8000m，超深钻大于8000m。

大陆科学钻探要求钻探设备对地层适应性强，环境适应性强，满足多种钻进工艺要求，根据地质要求岩样直径不小于100mm，要求岩心具有原样性、连续性和完整性。

目前，我国深孔、超深孔施工均使用石油钻井设备。在石油钻井设备中顶驱装置和卷扬机多采用交流变频电驱动方式。

近年来，加拿大、德国、意大利、美国和挪威等国以液压技术见长的公司，研制出多种类型液压顶驱钻机。如加拿大 Tesco公司生产 HS750/1100顶驱装置提升能力5000/6000kN，额定功率805.5kW，最大钻井转矩61.73kNA·Am。美国 NOV 公司生产的TD350P型顶驱装置提升能力为3500kN，功率385.9kW，最大钻井转矩37.26kN·m。挪威 MH 公司研究开发 Ramrig液压驱动石油钻机，钻深15000m，额定载荷为10000kN。

液压驱动与交流变频电驱动相比，其特点是：

（1）尺寸小，质量轻，运移性非常好，井架、起升系统、底座等用一个拖车运输，与传统钻机相比可减少拆装运输费用。

（2）能在较大范围内实现无级调速和自动恒功率调节，具有运转平稳、无冲击、运动惯量小、易防止过载、操纵性好的优点。

（3）液压驱动钻机，采用液压缸进行加减压钻进，并可自动送钻。

（4）自动化程度高，钻柱的排放、连接和上卸扣全部自动化，降低了劳动强度，减少了操作人员。

（5）模块化程度高，安装拆卸工作量小，速度快。

（6）更符合环保要求，液压钻机安全可靠、噪音低，对环境污染小。

4.向智能化钻机方向发展

当今生产过程多用机械人来完成，智能钻孔系统最终发展目标是 “地下钻掘机器人”，它是由孔内执行机构、测量系统和控制系统三部分组成。孔内执行机构 （底部钻具组成）好比机器的手，控制系统好比机器的大脑，而测量系统好比机器人的眼睛和感觉器官。

在钻进过程中，孔内执行机构的动作应根据控制系统的指令来完成，而控制系统所发出的指令则应根据设计钻孔的要求及实钻测量反馈信号来确定。

钻掘机器人必须能够在地下复杂的地质环境及非常恶劣的环境下进行有效的工作，它必须能够精确地探测前方和周围的地质环境及本身的状态，进而作出正确分析和决策，并且能自动适应周围的工作环境。这种机器人是自动化钻进的核心，是高端科技技术集成的产品，代表着未来钻机的发展趋势。

5.选用铝合金或碳纤维材料钻杆

铝合金钻杆是一种轻合金钻杆，由于这类钻杆在钻进中具有明显的优越性，20多年来在国外得到迅速发展。这种钻杆与钢钻杆相比，有以下三个优点：

（1）在强度相同的情况下，质量轻得多。相同规格的钻杆，铝合金钻杆为钢钻杆质量的一半。因而可以减少动力头回转器的转矩及主卷扬机的提升负载，即节约动力。而且由于铝合金钻杆壁厚的增加，使其耐磨性增强，寿命延长。铝合金钻杆的寿命几乎是普通薄壁钢钻杆的两倍多。

（2）铝合金钻杆有较大的回弹力，因而其抗冲击能力增加，从而改善了金刚石钻头在孔底的工作条件，使其寿命延长。

（3）铝合金钻杆抗腐蚀性强，除不易氧化外，还不易受酸性物质的侵蚀。可节省管材费用。

国外资料表明，使用铝合金钻杆，一般可增加钻机钻进能力20％～50％，提高生产率35％～40％ （这是由于机械钻速提高了10％～30％），同时钻杆寿命延长一倍多，金刚石钻头寿命延长20％～30％。用铝合金钻杆代替钢质钻杆，每吨铝合金钻杆可取得可观的经济效益。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的密度比铝小，不到钢的1/4，碳纤维增强树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7～9倍，比不锈钢还耐腐蚀，比耐热钢还耐高温。碳纤维将成为深井超深井钻杆新兴材料。

6.钻机要适应创新的钻进工艺要求

技术创新的核心内容是科学技术的发明与创造，其直接结果是推动科学技术进步，提高社会生产力的发展水平，进而促进社会经济的增长。通过技术创新可实现技术跨越式发展，可使钻探技术领域取得显著成效。例一：前苏联科拉超深钻，完成了世界唯一一口深度超过万米的钻井———12262m。这口井之所以能钻进成功，起决定性作用的重大创新是：超前孔裸眼钻进方法；铝合金钻杆；带减速器的涡轮马达井底驱动。例二：我国大陆科学钻探工程科钻一井，在坚硬的结晶岩中施工5000m 连续取心钻孔，由于采用螺杆马达—液动锤—金刚石取心钻进方法，使机械钻速提高50％以上，回次长度由3m 提高到8～9m，大大节省了施工时间和成本。研发新型钻机，要充分满足创新的钻进工艺要求，并要有超前意识。

成分：

铜Cu：3.80%~4.00%

锰Mn：0.70%~0.90%

镁Mg：1.4%~1.6%

铁

Fe：≤0.50

%

硅

Si：≤0.50

%

除上述成分外，其余都为铝Al。

钻具在钻井中除必须配备一整套的地面钻井设备外，还要配备一系列井下钻井工具。包括钻井时下入井内的钻头、钻柱、井下动力钻具、取心工具以及一些辅助钻井工具(如事故处理工具)等。井下钻井工具简称为钻具。

钻柱是从钻头到地面全部管柱的总称。钻柱是连通地面与地下的枢纽，是实现优质快速钻井的重要手段和工具。随着钻井深度的不断增加，钻井工艺技术不断发展，对钻柱的性能要求也越来越高。目前，已广泛使用具有防斜、防震、防卡等作用，由一种或数种钻具组合而成的复合钻柱。这种复合钻柱与不同的工艺措施相互配合，可以控制井斜的变化、改善钻头的工作状态、减少卡钻事故，进而获得多方面的综合效益。

钻柱的使用贯穿于钻井作业的全过程，因此钻柱的作用有：

(1)起下钻头；

(2)施加钻压；

(3)传递动力；

(4)输送钻井液。钻柱在井下工况复杂、环境恶劣，往往是钻井设备和工具中的薄弱环节。正确选配钻柱、合理使用好钻柱，对于提高钻井速度、降低钻井成本有着不可忽视的重要意义。

钻柱由多种不同的钻具组成。其组成方式随钻井条件和钻井方法不同而有区别。组成钻柱的基本钻具包括钻铤、钻杆、方钻杆和配合接头。

1.钻铤钻铤又叫做加重钻杆。在钻井时，钻铤下面与钻头相连，用自身的重力给钻头施加压力。钻铤的特点是壁厚、强度和刚度大，受压后不易弯曲，因而有利于钻直井眼。

2.钻杆钻杆连接在钻铤和方钻杆之间。钻杆的两端装有相互连接用的接头。钻井工人习惯称单根钻杆为“单根”，2～3根钻杆连在一起时称之为“立根”。

钻杆的壁厚比钻铤薄。钻杆在井内旋转时与井壁摩擦而不断磨损，在拉、压与扭转力的作用下有时会出现折断事故。近年来，已广泛使用对焊接头钻杆和高强度铝合金钻杆等，从而减轻了钻柱重力，减少了钻杆的折断事故。

3.方钻杆方钻杆连接在钻柱的最上部，它的多边形截面与转盘中的方补心内孔相配合。方钻杆进入转盘后只能上下移动，因此在转盘旋转时，就能带动钻杆、钻铤和钻头旋转钻进。为了避免接单根后方钻杆入不了转盘，方钻杆的长度一般比钻杆长2～3m。

4.配合接头由于组成钻柱的钻具种类、尺寸和扣型不同，因此一般不能直接相互连接，需要使用配合接头才能连接成统一和谐的钻柱。

综上所述，钻铤、钻杆、方钻杆和配合接头等几种钻具构成了基本的钻柱。随着钻井工艺技术的发展，在钻井中除使用上述基本钻柱外，还研究开发出一系列能进一步提高钻井工作指标的复合钻柱。使用最广泛的是基本钻柱加三器(扶正器、减振器和震击器)构成的复合钻柱。钻具组成如图5-4所示。

图5-4　钻具组成示意

1—水龙头；

2—配合接头；

3—方钻杆；

4—保护接头；

5—钻杆；

6—钻铤；

7—配合接头；

8—钻铤；

9—钻头

5.扶正器要用好钻头、提高钻速，就要强化钻井措施。一般情况下，钻压加得过大就会引起井斜。在钻井实践中往往根据地层的不同性质和防斜要求，用扶正器构成多种防斜钻柱。通常要使用好几个扶正器：下扶正器紧接在钻头之上，中扶正器距钻头约十几米。钻进时，扶正器与井壁接触，对钻头起扶正和导向作用。为了保证扶正器能较好地接触与支承井壁，其外径要尽可能接近钻头直径。

加用扶正器构成的防斜钻柱若设计和使用恰当，可以防斜，使井眼规则，保证钻头平稳工作，提高工作指标。实践证明，这些防斜措施是行之有效的。

6.减振器减振器能吸收钻井过程中所产生的冲击和振动负荷，从而提高钻头的使用寿命，减轻钻铤以及其他井下钻具的疲劳。减振器一般都装在靠近钻头的地方。

减振器的最主要构件是减振元件。有各种类型的减振元件：不锈钢网柱、橡胶筒、钢蝶形盘、钢弹簧及可压缩介质(水垫或气垫)等。有些减振器只能吸收垂直振动，而另一些减振器可以同时吸收垂直和扭转振动。

4.3.1 钻柱组合设计

由理论计算可知，单一尺寸钻柱的许下深度是有限的，往往不能满足深井和超深井的要求。要使钻柱有更大的许下深度，可采取改变钻柱的组成，即减轻下部钻柱重量的方法。深井、超深井复合钻柱一般是由不同规格（上大下小）、同种规格不同壁厚（上厚下薄）、不同钢级（上高下低）或不同材质（上钢下铝）的钻杆组成。该种钻柱结构比起单一规格尺寸的钻柱来说优点众多，其既能满足强度要求，又能减轻整个钻柱重量，也可在现有钻机负荷能力下钻达更大的井深。作用于钻柱上的力较为复杂，如拉力、压力、弯曲力矩、扭矩等，但其中经常作用且数值较大的力为拉力。因此，在组合钻柱设计中，应以拉伸计算为主，再通过一定的设计安全系数来考虑起下钻时的动载荷以及其他应力的作用。

4.3.1.1 设计参数

对于科学超深井13000m钻柱的设计来讲，以依托现有技术开展相关设计为主；以钻杆材料深化、深度研究及铝合金钻柱设计为辅；并结合关键技术问题给出合理的建议，钻柱设计方案多样化，即备选方案的提出。“科学超深井钻探技术方案预研究”项目总体技术方案如下：

1）目标井深：13000m；

2）终孔直径≥152mm，岩心直径≥70mm；

3）全孔取心比例：5%；

4）地层：

5）最高井温：400℃；

6）岩心采取率：牙轮取心40%，金刚石取心80%；

7）超深井井身结构和套管程序，见表4.13。

4.3.1.2 各段钻柱长度的确定

（1）钻铤长度的确定

一般的钻柱是由钻铤柱和上部钻柱两部分组成。在确定各段钻柱长度之前，要先确定钻铤柱的长度，其原则是中和点位于钻铤柱内，可用下式计算：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

式中：Lc为钻铤的长度，m；Pmax为最大钻压，N；Sn为安全系数；qc为钻铤空气中单位长度的重量，N/m；Kf为浮力系数。

（2）各段钻杆长多的确定

各段钻柱长度应自下而上地进行确定。钻铤上面第一段钻柱的最大长度L1可由下式确定：

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式中：L1为第一段钻柱的最大长度，m；Pa1为第一段钻柱的最大允许静拉负荷，N；q1为第一段钻杆的每米重量，N/m。

对于复合钻柱，每种钻杆都有其最大设计长度，那么第二段、第三段、第四段的长度可按下式计算：

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式中：Pa2，Pa3，Pa4分别为第二、三、四段钻柱的最大允许静拉负荷，N；q2，q3，q4分别为第二、三、四段钻柱的每米重量，N/m；α为考虑连接件后钻杆质量增加的系数，对接头连接α=1.05，对接箍α=1.1。

4.3.1.3 科学超深井钻柱的设计

科学超深井设计井深13000m、钻井液密度1.50g/cm3、钻头尺寸215.9mm、设计最大钻压200kN，钻柱组合为：158.8mm钻铤+127.0mm（或139.7mm）钢钻杆+152.4mm方钻杆，钻杆性能参数见表4.14。

本设计有四套方案，以方案一为例。该设计方案钻柱为类外平结构，钻杆规格选择立足于API标准，即在现有成熟技术条件下进行的钻柱设计。

（1）确定钻铤长度

158.8mm钻铤，内径为71.4mm，qc=1210.89N/m，，按中和点方法计算Lc。

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（2）第一段钻柱长度

钻铤上面用127.0mm，壁厚7.52mm，qc=221.6N/m，按设计系数计算最大允许静拉负荷为P1，按设计拉力余量Kδ=800kN计算最大允许静拉负荷为P2（均按钻杆最小屈服强度计算）。

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因为P1>P2，因此，第一段127.0mm钻杆可下长度由P2确定，即：

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（3）第二段钻柱长度

第一段钻柱上面用127.0mm，壁厚9.19mm，qc=267.0N/m，按设计系数计算最大允许静拉负荷为P1，按设计拉力余量Kδ=800kN计算最大允许静拉负荷为P2（均按钻杆最小屈服强度计算）。

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因为P1>P2，因此，第二段127.0mm钻杆可下长度由P2确定，即：

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（4）第三段钻柱长度

第二段钻柱上面用127.0mm，壁厚10.92mm，qc=312.6N/m，按设计系数计算最大允许静拉负荷为P1，按设计拉力余量Kδ=800kN计算最大允许静拉负荷为P2（均按钻杆最小屈服强度计算）。

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因为P1>P2，因此，第三段127.0mm钻杆可下长度由P2确定，即：

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（5）第四段钻柱长度

第三段钻柱上面用127.0mm，壁厚12.70mm，qc=358.0N/m，按设计系数计算最大允许静拉负荷为P1，按设计拉力余量Kδ=800kN计算最大允许静拉负荷为P2（均按钻杆最小屈服强度计算）。

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因为P1

2，因此，第四段127.0mm钻杆可下长度由P1确定，即：

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（6）第五段钻柱长度

第四段钻柱上面用139.7mm，壁厚12.70mm，qc=397.8N/m，按设计系数计算最大允许静拉负荷为P1，按设计拉力余量Kδ=800kN计算最大允许静拉负荷为P2（均按钻杆最小屈服强度计算）。

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因为P1

2，因此，第五段139.7mm钻杆可下长度由P1确定，即：

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1300m超深井钢钻柱设计方案一至方案四详见表4.15至表4.18。

表4.13 13000m超深井井身结构和套管程序

表4.14 钢钻杆性能参数表

表4.15 13000m超深井钢钻柱设计（方案一）

表4.16 13000m超深井钢钻柱设计（方案二）

表4.17 13000m超深井钢钻柱设计（方案三）

表4.18 13000m超深井钢钻柱设计（方案四）

4.3.2 组合方案有限元优化分析

相关文献可以看出，对于钻柱的整体力学性能分析有两种途径，即三维杆单元，主要用于计算钻柱整体与井壁的碰撞接触分析；三维管单元，主要用于分析考虑钻柱整体在井下承受内、外钻井液静水压力时整体的应力和变形。而无论是其那一种，都属于包含两个节点的一维单元，即空间上的一维线单元，每个单元包含两个节点，每一个节点具有6个自由度（图4.9是一个2节点空间管单元的节点位移和节点力），即6个广义位移和6个广义力：

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式中：ui，vi，wi分别为节点i在局部坐标系中三个方向的线位移；θxi，θyi，θzi分别为节点i在处截面绕三个坐标轴的转动角位移；θxi为横截面的扭转；θyi，θzi分别为横截面在xz，xy坐标面内的转动；Nxi为节点i的轴向力；Nyi，Nzi为节点i在xy，xz面内的剪力；Mxi为节点i处横截面上的扭矩；Myi，Mzi分别为节点i在xz，xy面内的弯矩。

图4.9 二节点空间管单元

假设管单元横截面积为A，在xz面内横截面惯性矩为Iy，在xy面内横截面惯性矩为Iz，单元的扭转惯性矩为J。因此，长度为l，材料弹性模量和剪切模量分别为E、G的2节点空间杆单元在单元局部坐标系内的刚度矩阵Ke可以表示为：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

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4.3.2.1 组合方案静力学有限元分析

针对四种钻柱组合方案（见表4.15～4.18）进行拉伸、扭转、拉扭、弯曲等性能有限元分析，确定不同工况下各钻柱的变形和应力分布情况，并确定钻柱使用极限的深度，综合各因素优选出最佳钻柱组合方案。

（1）基本假设

在对钻杆柱进行建模时，做了如下基本假设：①钻柱始终保持圆形截面形式，其材料性质保持不变；②忽略钻柱上螺纹连接接头的影响。

（2）单元选取

在Abaqus中选择Pipe31单元，即三维线性管单元作为钻柱的单元类型。Pipe31是三维线性（即一次）管单元，是一类特殊的梁单元，也是一维单元。这类单元不仅可以模拟拉伸、压缩、扭转和弯曲，而且还能够模拟管的内、外压及摩擦阻力等。

（3）钻柱模型

下面以方案一中的组合钻柱模型为例加以说明。

图4.10中，由下往上依次为Φ158.8×43.70mm钻铤（红色，245m）、Φ127.0×7.52mm钻杆（蓝色，7029m）、Φ127.0×9.19mm钻杆（绿色，2135m）、Φ127.0×10.92mm钻杆（紫色，1831m），Φ127.0×12.70mm钻杆（红色，1322m）、Φ139.7×12.70mm钻杆（绿色，438m）。单元尺寸为2m，单元总数为6502。

（4）边界条件

实际工作状态下，井口装置对于整个钻柱而言有两个作用：传动及固定。因为，只有在一些方向上限制了其相应的移动或转动，才能在其他方向上获得较好的传动效果，故最上端钻柱的上端横截面的边界条件简化为空间固定端约束较为合适，即约束端点处的三个平动自由度ux，uy，uz和三个绕坐标轴旋转的转动自由度Rx，Ry，Rz。

处于井眼中的钻铤，无论是钻进还是起下钻，其最底端横截面的横向位移始终很小，而其他自由度不受约束，故在钻铤端面的边界条件简化为只约束其横截面内的自由度ux，uz（图4.10）。

图4.10 复合钻柱模型图

（5）初始载荷

无论复合钻柱是在那种工况条件下，都必须受到自身重力、钻井液浮力、钻井液对内、外壁的静水压力作用。

1）重力［图4.11（a）］：重力密度ρg（ρ为钻杆密度，g为重力加速度，9.8m/s2）、方向沿y轴负向；

2）浮力［图4.11（b）］：压力集度ρfgh（ρf为钻井液密度，1.5g/cm3；h-局部坐标系（R，T，Z）中Z的值），作用于不同横截面钻杆柱连接的截面处；

3）内、外压力［4.11（c）］：压力集度ρfgh，作用于钻柱的内、外表面。

图4.11 载荷示意图

（6）工况条件

抗拉，使钻杆整体施加向上6m/s2的加速度，即施加向下的惯性力；在钻杆施加沿y轴向下的阻力。

扭转，钻铤底端横截面施加5000N·m的扭矩。

拉扭，钻铤底端横截面施加5000N·m的扭矩；钻头压力200kN。

弯曲，在钻铤底端横截面施加z方向的力偶矩5000N·m。

（7）分析结果

起下钻对于钻柱的破坏危险性最大；从静力学的角度而言，钻进过程中碎岩所需的扭矩载荷对于钻柱的破坏而言，可以忽略；钻柱最危险部位是螺纹接头连接处，尤其对于不等横截面处的螺纹。

从钻柱的实际工况而言，组合钻柱的中下部钻杆可以选择强度较小的管材，以及横截面积较小的钻杆；但是，从动力学角度考虑，下端选用横截面积较大的管材可以减小钻柱在涡动过程中所产生的最大横向位移，从而减轻钻柱与井壁碰撞过程中的正压力和摩阻，进而改善钻柱的横向受力情况。

从四种钻柱组合方案的极限深度分析我们可以发现，四种钻柱的极限深度的差值在1%左右以及综合受力值十分相近，故应将四种方案中对材料的耗费作为判断其是否为最佳的一个方面；同时，从井口机械的功耗和起下钻的提升效率两方面考虑，方案四为最佳选择（表4.19；图4.12～图4.19）。

表4.19 提钻时组合钻柱极限加速度及提升力

图4.12 提钻时各截面轴向力随加速度的变化

图4.13 5000N·m扭矩作用下的切应力分布

图4.14 15rad/s旋转时钻杆等效应力分布

图4.15 200kN钻压时钻杆等效应力分布

图4.16 5000N·m力偶矩、50kN钻压下横向位移曲线

图4.17 5000N·m力偶矩、100kN钻压下横向位移曲线

图4.18 5000N·m力偶矩、150kN钻压下横向位移曲线

图4.19 5000N·m力偶矩、200kN钻压下横向位移曲线

4.3.2.2 钻柱立根长度优化

以Φ127×7.52mm规格钻杆为例，分别对1m和2m立根组成钻柱进行拉、扭、弯曲三种工况下的受力特征分析，获得不同工况下的钻杆柱的应力分布情况，以此考察在三种基本荷载作用下，钻柱的应力分布随钻杆长度的变化情况，并以此为依据进而确定单根定尺长度的基本依据。从有限元分析可以看出：

1）从图4.20～图4.22中可以看出，无论是在拉伸、扭转还是弯曲载荷作用下，1m长单根和2m长单根的应力分布状态完全一致；

2）螺纹是钻柱连接必不可少的部分，也是最薄弱环节，应使螺纹接头尽量的少；

3）钻杆的立根长度应以运输、装卸、使用方便等因素作为其选择标准；

4）对于选定的钻杆立根长度，应对其螺纹副进行优化，尽量提升螺纹接头性能。

图4.20 拉伸状态下等效应力分布

图4.21 扭转状态下等效应力分布

图4.22 弯曲状态下等效应力分布

4.3.2.3 钻柱多场耦合分析

（1）有限元模型

在继承和使用4.3.2.1所用模型（包括材料、边界条件、载荷、网格）的基础上，有两处需要做相应变化：

1）材料部分考虑钢材的热膨胀系数，1.2×10-5m/℃；

2）在初始载荷步增加温度场的设定，即井口温度20℃，由此向下温度梯度设定为3℃/100m。

（2）结果分析

从表4.20和图4.23中可以看出，井下温度的变化，对钻柱整体的应力分布影响不大，对于不同钻柱连接面上轴向拉伸力的影响也可以忽略；同时，温度对钻柱的最大提钻加速度的影响也很小［考虑温度时是5.12m/s2，见图4.24；忽略温度时是5.16m/s2，见图4.12（d）］。

温度对于钻柱的影响仅仅体现于钻柱沿轴向长度的变化，见表4.20。这种额外伸长量的意义在于，在钻柱的钻进过程中，钻铤底端获得的钻进压力要明显大于理论上的预期值。而这种过大的钻压，给钻杆整体的稳定性和振动特征造成的影响是不容忽视的。

图4.23 钻杆柱等效应力分布

表4.20 各种载荷作用下钻杆柱伸长量

图4.24 考虑温度条件下拉伸力随提钻加速度变化