工程钻探技术：钻杆柱工作状态

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。

在直孔中起下钻时，钻杆柱基本不接触孔底，整个钻杆柱处于悬挂状态，在自重作用下，钻杆柱处于受拉伸的直线稳定状态。

在正常钻进时，由于钻杆柱自身的偏心和由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，更加促使钻杆柱弯曲。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重量，多余的部分由钻机提拉而减压；如果不足，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3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。如图5-2所示。

图5-2　钻杆柱在孔内的波形弯曲

钻杆柱中心线和钻孔的轴线相交两点间的一段纵向长度称为半波长，以l表示。根据萨尔基索夫的理论推导，距零断面（零断面的概念见本节后续内容）距离为Z处的半波长可按式（5-1）计算。

式中：q——冲洗液中单位长度钻杆柱的质量，kg/m；

ω——钻杆柱转速，r/min；

Z——所求断面距零断面的距离，以零断面以下压缩部分取负号，反之取正号，m；(www.xing528.com)

J——钻杆柱横断面的轴惯性矩，cm4。

萨尔基索夫公式的前提条件是理想的钻杆柱在孔壁完整的钻孔中以钻孔的轴线为中心作公转运动，并呈平面弯曲状态，该公式仅表示了钻杆柱在孔内弯曲的基本状态。

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3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。