钻柱是指钻头以上、水龙头以下部分管柱的总称,主要由方钻杆、钻杆、钻铤和稳定器、减振器、震击器等各种特殊用途的井下工具及各种配合接头等组成。也称为钻具。钻柱将地面钻井装备与井下钻头连接起来,钻井过程中,钻机中转盘或顶驱等提供的地面旋转动力通过钻柱传递到井下钻头,给井底施加钻压,破碎岩石,同时提供循环钻井液通道等。在井下动力钻具钻井时,钻柱将井下动力钻具送入井底,输送驱动井下动力钻具的循环钻井液,并承受井下动力钻具旋转破岩时产生的反扭矩。可以说,钻柱是传递钻井动力的纽带。
方钻杆位于钻柱的最上端,它上部连接水龙头,下部连接钻杆。在转盘钻井钻进时,方钻杆及方补心与转盘补心配合,将地面转盘扭矩传递给钻柱,带动钻头旋转,并承受钻柱悬重重量。方钻杆有四方形和六方形两种,需要较高的强度,因此,它的壁厚一般为钻杆的3倍左右,需用高强度的合金钢制造。在顶驱钻井的钻柱中,则可以省去方钻杆。
钻杆是钻柱的基本部分,一根钻杆就像一根两端带有特殊螺纹的圆形空心钢管,一般长9米左右,两端连接螺纹也称钻杆接头,一端为外螺纹接头,另一端为内螺纹接头,在钻井过程中通过不断利用钻杆接头的特殊螺纹将一根根钻杆连接起来(也称接单根)来加深井眼,同时传递扭矩和输送钻井液。钻杆的本体是轧制的无缝钢管,本体与接头是采用对焊方法连接在一起的,为了增加接头连接处的强度,对焊部分是加厚的。钻杆有加重钻杆、厚壁钻杆、铝合金钻杆、钛合金钻杆、高强度轻质钻杆、超高强度薄壁钢钻杆、抗腐蚀钻杆、耐超高温钻杆、高钢级特殊螺纹钻杆、射频识别钻杆等多种。其中,加重钻杆之所以叫“加重钻杆”,是因为它的长度和结构与常规钻杆相同,但是,其壁厚是常规钻杆的2~3倍,单根重量比常规钻杆重;加重钻杆一般连在常规钻杆与钻铤之间,主要为了减少钻柱中钻柱截面突然变化造成应力集中引起的疲劳破坏,它还可以替代一部分钻铤的作用。而抗腐蚀钻杆、耐超高温钻杆等则是针对不同的井下作业环境研发的,可以有效地提高作业效率。
钻铤位于钻杆的下面、钻头的上面,两端带有特殊螺纹,壁厚是钻杆的4~6倍,具有较大的重量和刚度。其作用是给钻头提供钻进时的压力(也称钻压),同时使钻具的下部组合具有较大的刚度,保持井底钻头工作时的稳定性,防止井斜。钻铤一般可分为圆钻铤、螺旋钻铤和无磁钻铤,常用的为圆钻铤。由于所有磁性测量仪器在测量井眼的方向时,感应的是井眼的大地磁场,因而测量仪器必须在一个无磁环境;然而,在钻井过程中,钻具往往具有磁性,具有磁场,影响磁性测量仪器,不能得到正确的井眼轨迹测量信息数据,无磁钻铤为一种特殊低碳高铬锰合金钢制成的钻铤,具有良好的低磁导率、高强度和耐磨性,可以为磁性测量仪器创造一个无磁环境,保证磁性测量仪器测到数据的准确性和真实性。
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,钻柱连接是薄弱环节,时常发生井下复杂情况甚至井下事故。为避免和有效处理井下复杂情况,提高钻井速度,保证钻井工程质量,特别是井身质量,常常在钻柱连接其他辅助钻井工具以及各种配合接头等。例如,用于稳定井下钻柱,减少振动,起防斜、稳定钻进方向的稳定器,有直、螺旋、辊子稳定器三种形式;用于减少和吸收井下振动的减振器,有橡胶、碟簧、液压、双向、空气减振器等类型;能产生向上或向下震击力,用于解卡的震击器,有卡瓦机械、液压、上击、下击、空气震击器等类型;用于扩大井眼的扩眼器,分为机械、水力、随钻、钻后扩眼器等类型。