石油钻井设备与工具-王镇全第一节钻柱

第四章钻具系统前言钻具系统是钻头以上、水龙头以下部分一系列钻井工具组合的总称。包括：钻柱、井下动力钻具以及其它一些辅助钻井工具。典型的钻具组合如下:(Φ215.9mmPDC钻头)＋（0.75º）172mm螺杆＋Φ158.8mm(无磁钻铤)NDC×1根＋Φ215mm稳定器＋Φ158.8mm(钻铤)DC×11根＋Φ127mm(加重钻杆)HWDP×20根＋Φ127mm(钻杆)DP+方钻杆钻柱是钻井的重要工具，它是连通地下与地面的枢纽。在转盘钻井时，靠它来传递破碎岩石所需要的能量，给井底施加钻压，以及循环钻井液等。在井下动力钻井时，井下动力钻具是用钻柱送到井底并靠它来承受反扭矩，同时钻头和动力钻具所需的液体能量也是通过钻柱输送到井底的。井下动力钻具为井底发动机，可在井底驱动钻头旋转,是井身轨迹的定向控制的必备工具，同时可与转盘复合，实现复合钻井，不仅可以实现旋转或滑动钻井，还可提高钻头转速，提高钻井速度。随着钻井深度的增加，几千米甚至上万米的钻柱，在井下的工作条件十分恶劣，它往往是钻井设备与工具中的薄弱环节。时常导致井下复杂情况甚至导致井下事故。为避免或便于处理井下复杂情况，在钻具组合中还需要其它一些辅助钻井工具，以实现快速优质钻井及顺利完成各种井下作业。第一节钻柱钻柱是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称。它包括方钻杆、钻杆、钻铤、各种接头及稳定器等井下工具一、钻柱的作用1、钻柱在钻井过程中的主要作用(1)为钻井液由井口流向钻头提供通道；(2)给钻头施加适当的压力(钻压)；(3)把地面动力(扭矩等)传递给钻头；(4)起下钻头；(5)根据钻柱的长度计算井深。2、钻柱的特殊作用(1)通过钻柱可以观察和了解钻头的工作情况、井眼状况及地层情况等;(2)进行取心、挤水泥、打捞井下落物、处理井下事故等特殊作业;(3)对地层流体及压力状况进行测试与评价。二、钻柱的组成钻柱由方钻杆、钻杆段和下部钻具组合三大部分组成。钻杆段包括钻杆和接头，下部钻具组合主要是钻铤，也可能安装稳定器、减震器、震击器、扩眼器及其他特殊工具。钻柱的具体组成随不同的目的、要求而不同。井段钻具组合直井段Ф165PDC钻头+Ф120钻铤(14根)+Ф88.9钻杆造斜段Ф165钻头+单弯螺杆+Ф120无磁钻铤(1根)+Ф120钻铤(13根)+Ф88.9钻杆增斜段Ф165钻头+Ф120短钻铤(1根)+Ф161螺旋扶正器(+Ф120无磁钻铤(1根)＋Ф120钻铤(15根)+Ф88.9钻杆缓降斜段Ф165钻头+Ф120钻铤(14根)+Ф88.9钻杆或者：Ф165钻头++Ф161螺旋扶正器＋Ф120钻铤(1根)+Ф161螺旋扶正器+Ф120无磁钻铤(1根)＋Ф120钻铤(15根)+Ф88.9钻杆1、钻杆钻杆是钻柱的基本组成部分。它是用无逢钢管制成，壁厚一般为9~11mm。其主要作用是传递扭矩和输送钻井液，并靠钻杆的逐渐加长使井眼不断加深。因此，钻杆在石油钻井中占有十分重要的地位。(1)钻杆结构与规范钻杆由钻杆管体与钻杆接头两部分组成。钻杆管体与接头的连接有两种方式：一种是用细丝扣连接，即管体两端都车有细公扣，与接头一端的母细扣相连接，称这种钻杆为有细扣钻杆；另一种是管体与接头用摩擦焊对焊在一起，称这种钻杆为对焊钻杆。有细扣钻杆目前已基本淘汰，我国现在生产或进口的钻杆全部为对焊钻杆(无细扣钻杆)。为了增强管体与接头的连接强度，管体两端加厚。常用的加厚形式有内加厚、外加厚、内外加厚三种。根据美国石油学会（AmericanPetroleumInstitute）（简称API）的规定，钻杆按长度分为三类：第一类:5.486一6.706m(18一22ft);第二类:8.230-9.144m(27-30ft);第三类:11.582一13.716m(38一45ft)。常用钻杆的尺寸：88.9，114.3，127mm（31/2″4½″5″）三种。(2)钻杆的钢级与强度钻杆的钢级是指钻杆钢材的等级，它由钻杆钢材的屈服强度决定。API将钻杆钢材等级分为五级：D、E、95(X)、105(G)、135(S)。钻杆钢级越高，管材的屈服强度越大，钻杆的各种强度也就越大。在钻柱的强度设计中，推荐采用提高钢级的方法来提高钻柱的强度，而不采用增加璧厚的方法。（3）钻杆接头及丝扣钻杆接头是钻杆的组成邪分，分公接头和母接头，连接在钻杆管体的两瑞。接头上车有丝扣（粗扣），用以连接各单根钻杆。在钻井过程中，接头处要经常拆卸，按头表面受到相当大的大钳咬合力的作用，所以钻杆接头壁后较大，接头外径大于管体外径，并采用强度更高的合金钢。丝扣的连接必须满足的三个条件：①尺寸相等；②丝扣类型相同；③公母扣相匹配。为便于接头选用，API制订了接头类型的标准（石油工业普遍采用）：APl钻杆接头有新、旧两种标准，旧标准是针对早期的有细扣钻杆接头，分为三种形式：①内平式(IF)；②贯眼式(FH)；③正规式(REG）。内平式接头适用于外加厚钻杆，贯眼式接头适用于内加厚钻杆，正规式接头适用于内加厚钻杆。三种形式接头螺纹形状皆为“V”型，但扣型、扣距、锥度不同。NC型接头标准(新标准）：随着对焊钻杆代替有细扣钻杆，API制订了新的钻杆接头NC型接头标准，也称数字型接头。NC型接头以字母NC和两位数字表示，如NC50，NC26，NC31。NC—美国标准粗牙螺纹；两位数字—丝扣基面节圆直径大小（英制单位）×10例如：NC26表示接头为NC型，基面丝扣节圆直径为2.668in。新旧标准的对应关系见下表：2、钻铤钻铤处在钻柱的最下部，是下部钻具组合的主要组成部分。特点：壁厚大（一般为38-53mm，为钻杆的4-6倍），具有较大的重力和刚度。钻铤两端管体上直接车接头，不另加接头。作用：①给钻头施加钻压；②保证压缩条件下的必要强度；③减轻钻头的振动、摆动和跳动，使钻头工作平稳；④控制井斜。钻铤形状及特点：钻铤形状有多种，如圆形、方形、三角形和螺旋形。常用的有圆形和螺旋形两种。螺旋形钻铤上有浅而宽的螺旋槽，可减少与井壁的接触面积，减少发生压差卡钻的可能性。API钻铤标准：API钻铤规范见表，钻铤类型代号由两部分组成，第一部分为NC型螺纹代号，第二部分数字为钻铤外径大小（英制单位）×10，中间用短线分开。3、方钻杆方钻杆位于钻柱的最上端，有四方和六方两种。钻进时，方钻杆与补心、转盘补心配合，将地面旋转扭炬传递给钻杆，以带动钻头旋转。工作时，方钻杆上端始终处于转盘面以上，下部则处于转盘面以下。4、稳定器稳定器又称扶正器，是满眼、钟摆和造斜钻具组合的比备工具，在钻具组合中通过调整稳定器的位置、数量和直径达到不同使用要求。作用：防止井斜；控制井眼轨迹；提高钻头稳定性。5、其它钻具除上述钻具外，根据需要在钻柱中还会有其它钻具，常见的钻具有：①减振器作用：减震器是利用工具内部的减震元件或可压缩液体吸收或减小钻井过程中对钻头和钻具的冲击和振动负荷。一般安装在靠近钻头的部位。原理：液压减震器的作用是通过具有可压缩的硅油实现的。钻井作业中钻头和钻具受到冲击和震动时，其作用力使工具以极快的速度向上运动，此时油腔内的液压油受到压缩，一部分将以极高的流速经阻尼孔流入缸套腔内，从而起到吸能及缓冲的作用。钻头头的冲击和震动负荷减小或消失时液体膨胀，下接头以下钻具在自身重力的作用下向下运动。②震击器作用：在钻井作业中，下落的钻屑、地层的膨胀缩径、井下落物、压差或其他原因都可能引起钻柱被卡，为卡钻时解卡，常在钻柱中安放震击器。种类：震击器的结构类型很多，既有液力向上震击和机械向下震击特性的，又有机械锁紧，以进行长期的随钻作业的。原理：震击器内有液力震击系统，其震击力通过超拉钻柱悬重而储存在钻柱中，经一定时间，超拉达到一定值时，震击器释放能量迅速作用在被卡钻柱上而发生震击。