一、钻杆的功用。

　 钻具和钻塔是钻进（井）设备中重要的组成部分钻具一般是指钻头以上，水接头以下的全部钢管柱，它由岩心管、异径接头、取粉管、扶正器（或扩孔器）、钻铤、钻杆和主动钻杆等组成。钻杆是钻具组成中的主要成员，多根钻杆借助接头或接箍连接成相当于孔深长度的钻杆柱。钻塔的主要任务是升降钻具和套管。钻塔的高度应与钻杆立根的长度相匹配。

　 钻杆柱是连通地面钻进设备与地下破岩工具的枢纽。钻杆柱把钻压和扭矩传递给钻头，实现连续给进；钻杆柱为清洁孔底和冷却钻头提供输送冲洗介质的通道；钻杆柱还是更换钻头、提取岩心管和进行事故打捞的工作载体。同时，在绳索取心钻进和水力反循环连续取心钻进中，钻杆柱还是提取岩心的通道；用孔底动力机钻进时，靠钻杆柱把动力机送至孔底，输送高压液体或气体并承担反扭矩。

　 随着钻井深度的增加，对钻杆柱的要求也越来越高。例如，当用ф50钻杆钻进孔深达1 000m的钻孔时，钻杆柱是一根细长比（直径与长度之比）达1∶20 000的细长轴。它在非常恶劣的孔内工作条件下承受着复杂的交变应力，因此往往是钻进设备与工具中最薄弱的环节。在日常生产中，钻杆脱扣、刺漏、折断是常见的孔内事故，并常导致孔内情况进一步复杂化。因此研究钻杆柱在孔内的工作条件与工艺要求，合理地设计和使用钻杆柱，对于预防恶性事故，实现快速优质钻进具有重要的意义。

二、钻杆柱的材质

　 常规的钻杆是由不同成分的合金无缝钢管制成，现用合金成分有Mn、MnSi、MnB、MnMo、MnMoVB等，并且限制磷、硫等有害成分不得大于0.04%，按照GB3423-82的规定，用作钻杆柱的钢管力学性能如表2-1所列，钻杆的钢级越高，其屈服强度越大。 

表2-1 钻杆钢管的力学性能(不小于表中数据)表

　 为了确保钻杆质量，轧制的钢管必须经正火、回火处理或调质处理。由于钻杆柱在回转过程中，经常与孔壁摩擦，为了强化其表面抗磨能力，必须对钻杆表层进行高频淬火。但是为了不影响钻杆抗疲劳破坏的性能，淬火加硬的表层深度必须控制在1mm以内。

　 钻杆连接螺纹是钻杆柱中最薄弱的部位。为了克服该弱点，常常须把钻杆端部管壁向外或向内镦厚，成为外加厚或内加厚的钻杆。但是在镦厚的过程中对钻杆会造成热损伤，所以镦厚的钻杆必须进行正火、淬火和高温回火处理。钻探管材螺纹是专门设计的，并已定为国家标准（GB3423-82）。一般钻杆采用螺距4～8mm每边倾斜5°的梯形螺纹，为了防止应力集中，螺纹根部有规定的圆弧角。螺纹部分承受着交变应力，所以它既要有足够的强度，又要能在经常拧卸中耐磨。同时钻管中承受着冲洗液流的高压作用，要求在钻杆接头端部有专门的端面密封。

三、钻杆柱的结构

 1. 主动钻杆

>。 　 主动钻杆（又称机上钻杆）位于钻杆柱的最上部，由钻机立轴或动力头的卡盘夹持，或由转盘内非圆形卡套带动回转，向其下端连接的孔内钻杆传递回转力矩和轴向力。主动钻杆上端连接水笼头，以便向孔内输送冲洗液。主动钻杆的断面尺寸大，便于卡盘夹持回转，不易弯曲，其断面形状有圆形、两方、四方、六方和双键槽形。主动钻杆的长度应比钻杆的定尺长度与回转器通孔长度之和略长一些，常用的长度是4.5m或6m。

2. 钻铤

　 在大口径钻进中常会用到钻铤。钻铤直径大于钻杆，位于钻杆柱的最下部。其主要特点是壁厚大（相当于钻杆壁厚的4～6倍），具有较大的质量、强度和刚度。钻铤的主要作用是：① 给钻头施加钻压；② 保证复杂应力条件下的必要强度；③ 减轻钻头的振动，使其工作定；④ 控制孔斜。 

3. 钻杆柱的连接方式（图2-1）

　 3.1 内丝钻杆

　 用接头连接的内丝钻杆两端内壁车有扁梯形螺纹。>。 我国金刚石岩心钻进（非绳索取心）均采用内丝钻杆，这是金刚石钻进的特点所决定的。因为金刚石钻进孔径小、转速高，必须使钻杆外径和孔壁之间的环状间隙很小。因此要求整个钻杆柱的外表面基本是平滑一致的，从而决定了其只能用内丝钻杆连接方式。

　 3.2 外丝钻杆

　 用接箍连接的外丝钻杆两端管壁有内、外加厚，并车有带锥度的三角螺纹。接箍外径较钻杆大，可减少钻杆磨损和其在孔内的弯曲程度，但却占用了较大的钻杆外环状间隙。在合金和钻粒钻进中，基本是采用外丝钻杆。

　 3.3 用焊接接头连接

　 这种钻杆的两端与钻杆接头之间用焊接的方法连接起来，接头之间再用螺纹。在水井、地热井钻进中常采用烘装焊接连接方式的钻杆，在金刚石绳索取心钻进中则采用对焊连接的钻杆。

　 为减少升降工序中拧卸钻杆的次数与时间，由2～4根钻杆连接成立根，一次升降一个立根，在钻孔过程中不再卸开。为便于拧卸，立根之间用两个一组的公母锁接头连接（图2-1），其外径与接箍相同。为了升降钻具拧卸与挂提引器方便，公母锁接头上均开有方切口。公母锁接头上的连接螺纹锥度大、螺距大，自动对中好，拧卸省力又省时。

　 常用的普通钻杆及其连接件的规格如表2-2所列，用于大口径工程施工的钻杆可查阅原石油部的规范，而金刚石岩心钻探用的钻杆规格可查阅GB3423-82。

　 目前国外已推广铝合金钻杆，国内也在试制。使用铝合金钻杆可以减小钻杆柱的质量，减少回转和提升钻杆柱所消耗的功率，所以在同样的条件下可以增大钻机的可钻深度，提高转速，同时可以减少升降钻杆柱的时间。

四、钻杆柱的工作状态

　 钻杆柱在孔内的工况随钻进方法、钻进工序的不同而异。钻杆柱主要是在起下钻和钻进这两种条件下工作。

　 在起下钻时，钻杆柱不接触孔底，整个钻杆柱处于悬持状态，在自重作用下，钻杆柱处于受拉伸的稳定状态。 

 　 在正常钻进时，由于钻杆柱自身的偏心和由于自重失稳而产生的某些弯曲，造成钻杆柱有一定的质量偏离回转中心。这些偏心质量在回转运动中则产生离心力，更促使钻杆柱弯曲。与此同时，钻杆柱给孔底工作的钻头传送所需钻压主要依赖于钻杆柱自身的质量，多余的部分由钻机提拉而减压；如果压力不足，则需靠钻机补充（即所谓加压钻进）。因此，钻杆柱上还有由自重、钻机给进力及摩擦力合成的纵向压力。在离心力、纵向压力和扭矩的联合作用下，钻杆柱轴线一般呈变节距的空间螺旋弯曲曲线形状。弯曲程度取决于这三种力作用的大小。由于钻杆柱愈往下，所受重力愈大，因此，弯曲的钻杆柱轴线在孔底螺距最小，往上逐渐加大。

　 　 螺旋弯曲的钻杆柱在孔内是怎样旋转的呢?这是一个极为复杂的问题。钻杆柱在孔内的旋转运动可能有三种形式。

　 （1）钻杆柱围绕自身弯曲轴线旋转（自转）。钻杆柱自转时在整个圆周上与孔壁接触，产生均匀的磨损，但受到交变弯曲应力的作用。

　 （2）钻杆柱围绕钻孔轴线旋转并沿着孔壁滑动（公转）。钻杆柱公转时不受交变弯曲应力的作用，但产生一边偏磨。

　 （3）钻杆柱围绕钻孔轴线旋转，但不是沿着孔壁滑动而是沿着孔壁反向滚动（公转与自转的结合），钻杆柱同时围绕自身轴线和钻孔轴线旋转。其磨损均匀，也受到交变弯曲应力的作用，但循环次数比第一种形式低得多。

　 从理论上讲，如果钻杆柱的刚度各方向是均匀一致的，那么钻杆柱以何种形式旋转就取决于外界阻力的大小，按照常规是以消耗能量最小的形式转动。当钻杆柱自转时，旋转经过的行程比其他运动形式都小，克服泥浆阻力及孔壁摩擦力所消耗的能量也较小。因此，一般认为呈半波弯曲的钻杆柱的主要形式是自转，但也可能产生两种形式的结合，即有时以自转为主+公转，有时以公转为主+自转。

五、钻孔结构

　 钻孔结构是指，钻孔由开孔至终孔，孔身剖面中各孔段的深度和口径的变化情况。一般来说，钻孔换径次数越多，钻孔结构越复杂。

　 当钻孔在含砾石、卵石和漂砾的砂质粘土质岩土中施工时，孔壁可能坍塌，在水敏性地层中钻孔可能缩径，在流砂层中则成孔非常困难，所以在复杂地层中必须加固孔壁。如果用泥浆或专门配制的处理剂护壁无效的话，则必须用套管来隔离不稳定的孔壁。有时虽然钻孔不深，也需要下一层、二层甚至三层套管，形成多级台阶形的钻孔结构。所以开孔直径将比终孔直径大好几级。

　 开孔前根据以下资料来设计钻孔结构：

　 (1) 所钻岩石的物理力学性质，尤其是它们的硬度、稳定性和水敏性等；

　 (2) 钻孔的设计深度和倾角；

　 (3) 在该钻孔中拟采用的钻进方法，钻探设备的技术参数和孔内测量仪器的外径尺寸；

　 (4) 与钻孔目的有关的终孔直径，如果属找矿勘探孔，则取决于矿产类型是否对岩心的最小直径有特殊要求。

　 通常采用自下而上的方法设计钻孔结构，即首先确定所需的终孔直径。一般规律是：金刚石钻进推荐的终孔直径为46mm或59mm；钢粒钻进为不小于91mm；硬质合金钻进常用59mm、76mm、91mm的钻头终孔，但用于煤系地层时应不小于76mm，用于无机盐勘探时应不小于91mm；用于工程地质勘查的终孔直径一般应不小于110mm，用于水井和工程施工的孔径可达300～500mm以上。确定了终孔直径以后，根据地层剖面找出需要加固的危险孔段，再设计对应孔段下入套管的直径和深度。

　 为了降低生产成本，应尽量简化钻孔结构，少下或不下套管。因为每下一层套管钻孔便缩小一级口径，套管柱的上下端固定与密封、套管间的丝扣连接强度及保持钻孔方向等方面都会出现一系列技术问题。往往钻孔结构越复杂，套管层数越多，则孔内事故隐患越多。有下列情况之一者必须下套管：

　 (1) 下孔口管，以保护孔口处岩土层不被冲坏，并将冲洗液导向循环槽，孔口管的另一个重要作用是导正钻孔方向； 

　 (2) 加固很难用泥浆护壁的不稳定地层；

　 (3) 隔离漏水层与涌水层；

　 (4) 当设备负荷能力不足或处理孔内异常需要缩小一级孔径，而上覆地层又有坍塌块、缩径危险时。

　 在设计钻孔结构时（尤其在新区）通常要留一级备用口径，万一出现无法处理的孔内复杂情况，还可以补下一层套管，以保证工程结束时能达到终孔直径的设计要求。

六、套管柱

>。 　 套管柱的连接方法主要有三种。

1. 直接连接

　 直接连接时单根套管的一端有外丝扣，另一端是内丝扣，连接后具有光滑的内外表面，便于下放和起拔套管柱，也便于升降钻具，适用于浅孔，我国金刚石钻进均用此种套管柱。

2. 接头连接

　 采用接头将单根套管连接成套管柱，连接后外表面光滑，有利于下放套管，所有规格套管均可采用接头连接，我国合金和钢粒钻进用的套管都采用接头连接。

3. 接箍连接>。

　 采用接箍将单根套管连接成套管柱，连接后的内表面是光滑的，保证有足够的强度，但不利于下放或起拔套管柱，多用于石油钻，而在岩心钻中基本不用此种连接方式。 

单根套管一般长3～6m。丝扣采用牙距4mm或6mm的梯形螺纹。由于套管柱在孔内承受着很大的应力，故必须用优质无缝钢管制成。

 在下套管柱之前，应根据自重和最大起拔力的实际需要对其抗拉强度、丝扣连接强度进行校核。以防长套管柱有可能断裂或因丝扣损坏而脱开。此外，在钻开气层或向孔内压注水泥时，套管柱会受到较大的内压力；在软而松散的地层中，或遇到含有液体和气体的地层时，套管柱会受到较大的外压力；在弯曲的钻孔中下套管时，套管柱上会产生很大的弯曲应力。因此，在往深孔中下套管时，应通过强度验算来确定套管的最大允许下入深度。

七、钻塔的结构

钻塔的主要功能是：起下钻具（套管）、减压钻进时悬挂钻具、处理孔内事故并为空中作业提供平台。为了提高效率，保证施工安全，要求钻塔必须具有足够的强度和刚度，有合理的高度和方便的工作空间，并便于安装拆卸与运输。

　 按结构特点可把钻塔分为：四脚钻塔、三脚钻塔、A型钻塔和桅杆四种类型。

1. 四脚钻塔

　 四脚钻塔是由4个桁架面构成的空间桁架。其内部具有较大的空间，承载能力和稳定性均较好。按其用途可分为直塔和斜塔两类，分别用于钻进直孔和斜孔。

　 四脚钻塔已经形成产品系列。原地质矿产部系统生产的钻塔，以钻塔的名义高度作主要参数规划产品，如四脚金属管子斜钻塔的代号为SGX-□，其中：S代表四脚，G代表管子，X代表斜塔（直塔无此符号），□为钻塔名义高度数字。比如SG-18、SG-23型号分别指的是塔高为18m和23m的四脚管子直塔；SGX-13、SGX-17型为塔高13m和17m的管子四脚斜塔；SGZ-23型则指的是塔高为23m的重型直塔。

2. A型钻塔

　 A型钻塔是一种结构简单、质量轻、可整体竖立和安装、运移方便的轻便钻塔。广泛应用于石油钻井设备中。现在已开始应用于地质和工程钻探中。

　 A型钻塔的两根塔腿有管式和桁架式两种，可用于钻进直孔和斜孔。使用中钻塔用四根钢绳对角绷住。绷绳是保持钻塔整体稳定性的关键，其固定必须牢靠。

3. 三脚钻塔

　 三脚钻塔塔高9～12m，提升高度6～9m。底脚呈等边或等腰三角形放置。根据塔高不同，可设置一组或两组横拉手和斜拉手以加固塔腿，构成三棱锥状空间桁架体。一般适用于深度300m以内90°～70°的钻孔。三脚钻塔结构简单，拆、迁、安装均简易。 

4. 桅杆

　 桅杆式钻塔的使用日益广泛，其结构形式也日渐增多。从其结构特点来看，大致可以分为三种形式：① 小断面桁架式；② 板式结构封闭式；③ 适应动力头运行的前面敝开式。桅杆可用于钻进不同深度倾角为90°～70°的钻孔。与同级承载能力的钻塔相比，其自重较轻，拆装零件少，可以整体竖立、折叠竖立或伸缩竖立，安装拆卸方便。