对于直井，与井斜角有关的系数C=18.8×10-5；对于斜井，25o 时C=18×10-5，15o 时C=38.5-5-5×10，6o 时C=31×10。
2．危险断面的强度校核
为了合理使用钻柱和保证安全钻进，在使用前对所设计或选用的钻柱进行强度校核。对于钻柱受拉部分，一般校核最上截面。当钻柱是由不同尺寸的钻杆组成时，还应校核不同尺寸、不同壁厚和不同钢级的过渡面。对于钻柱受压部分，一般是校核下部断面。在校核时，用上面所列出的公式计算钻柱各校核断面的应力，并求出合成压力。
上部钻柱：
σr=(?T??b)2?4?2 Pa （3-23） 下部钻柱：
σr=(?c??b)2?4?2 Pa （3-24）
各断面的合成压力均应小于材料的屈服强度YP。
一般钻井条件取n（n=YP/σr）=1.4，复杂钻井条件取n=1.5。
如果安全强度不够，则应重新选用壁厚较大或钢级较高的钻柱，再进行校核直到强度满足为止。
（三）、下部钻具组合设计
严格地说，钻柱中钻杆段以下钻铤、钻头以及其他钻井工具（稳定器、减震器、震击器等）都包含在下部钻具组合范围之内，但一般常说的下部钻具组合主要是指钻头以上30～40m内对钻头工作特性有直接影响的一段钻柱。
1．钻柱组合的基本要求
常用钻柱的基本组合是由方钻杆、钻杆、钻铤及配合接头组成的，有时为了满足其他的特殊功用，还使用一些诸如稳定器、减震器和震击器等附件。对一口井的钻柱具体组合时，除满足力学强度条件外，还与钻头类型、套管尺寸、钻机能力以及管子站的库存等具体条件有关。
钻柱组合的基本要求有以下五点：
（1）方钻杆尺寸应比钻杆尺寸大一级（参看表3-1-3-2）；
表3-2 常用钻柱尺寸组合
钻 头，mm（in） 304.8（12）以上 254（10）～355.6（14） 203.2（8）～254（10） 152.4（6）～228.6（9） 127（5）～177.8（7） 钻 铤，mm（in） 203.2（8）～228.6（9） 177.8（7）～228.6（9） 152.4（6）～203.2（8） 101.6（4）～152.4（6） 76.2（3）～101.6（4） 钻 杆，mm（in） 方钻杆，mm（in） 152.4（6） 152.4（6），127（5） 127（5），101.6（4） 101.6（4），76.2（3） 76.2（3），50.8（2） 5） 89127（5），141.3（5） 161114.3（4），127（5） 2188.9（3） 2773（2） 8168.3（6
（2）钻铤尺寸与钻杆接头外径一致或相近；
（3）为了使套管能顺利下入，允许的最小钻铤外径Dcmin=2倍套管接箍外径 － 钻头直径； （4）复合钻铤中相邻钻铤的抗弯刚度比值应小于2.5，一般情况下，相邻钻铤外径差值不大小25.4mm；
（5）方钻杆长度应比所用最长钻杆长2～3m。 2．下部钻具组合设计的基本原则
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（1）能有效地控制井斜全角变化率及井斜角，从而保证井身质量； （2）钻头工作的稳定性高，并能施加较大的钻压，有利于提高钻速； （3）为了起下钻顺利并降低费用，在可能的条件下尽量简化钻具组合；
（4）对于定向井斜井段的下部钻具组合则主要应满足井眼轨迹控制的特别要求。 3．钟摆钻具组合设计
钟摆法实质是通过使用专门的防斜钻具组合和相应的技术措施来增大钟摆减斜力以平衡和克服使井斜的地层力。
（1）光钻铤钟摆钻具：设计光钻铤钟摆钻具，就是选择最下面1～2柱钻铤的尺寸，应尽量采用安全的大外径厚壁钻铤。这不仅可以增加钟摆力，并可减小钻铤的挠度，有利于钻头工作稳定。
（2）单稳定器钟摆钻具组合：在钻头上面适当高度处安放稳定器作支点，可以增加有效的钟摆长度，这是增加钟摆力的有效方法。
设计单稳定器钟摆钻具组合主要是确定稳定器的安放高度（与钻头的间距），计算方法有查图法和解析计算法。这里只介绍解析计算法，查图法参看教材有关内容。
?b?b2?4acLs= （3-25）
2aa=π2qsina
e2e2b=184.6ω（0.0667+0.333）（r-0.42e-0.08）
rr c=-184.6πEI（r-0.42e-0.08
2
e2） r式中 Ls ——稳定器的理想安放高度，m；
q——单位长度钻铤在钻井液中的质量，kN/m； a——井斜角，度； ω——钻压，kN；
e——稳定器与井壁间的间隙值，即井眼直径与稳定器直径的差值之半，m； r——钻铤与井眼间的视半径差值，即井眼直径与钻铤外径的差值之半，m；
2
EI——抗弯刚度，kN·m
当稳定器与井壁间的间隙值较小时，可以不计其影响，即令其值为零，则
2
a=πqsina b=82ωr
2
c=-184.6πrEI
稳定器的实际安放高度与计算的理想安放高度的差值一般应小于计算高度的10%。
在钻井现场，要完全按理论的高度安放稳定器并随意调整其位置一般是很困难的。在通常情况下，可以根据钻铤单根的实际长度把稳定器安放在一合理的高度范围内，表3-1-3-3是推荐的常用钟摆组合。
表3-1-3-3 推荐的常用钟摆组合
井眼直径，mm（in） 339.72（13/8）及以上 51244.47（9/8）～311.15（12/4） 55193.67（7/8）～244.47（9/8） 152.40（6）及以下 注：每根钻铤单根长度按9m左右计。
3稳定器高度，m ≈36（四根钻铤，单根） ≈27（三根钻铤，单根） ≈18（两根钻铤，单根） ≈9（一根钻铤，单根） 22
（3）多稳定器钟摆钻具组合：为了增加下部钻柱的刚性及提高防粘卡能力，可以采用多稳定的钟摆钻具组合，即在单稳定器钟摆组合支点稳定器之上间隔一定长度（一般是一根钻铤单根）安放一只或多只稳定器。
（4）塔式钻具：塔式钻具就是在钻柱下部使用几段变径的钻铤，紧接钻头处的钻铤直径最大，往上直径递减。塔式钻具也属于钟摆钻具，在设计塔式钻柱时应满足以下三个要求：
①塔式钻具的重心应低于全部钻铤长度的三分之一； ②钻井中钻压应控制在全部钻铤重量的75%～80%内； ③相邻钻铤外径差值不大于25.4mm。 4．满眼钻具组合设计
这种防斜钻具组合由几个外径与钻头尺寸相近的稳定器和外径较大的钻铤组成。 1）设计要求
（1）稳定器外径DS接近于钻头尺寸Db： △=Db－DS→0
现场资料统计分析，△取值依Db不同而不同。 ①Db＜254mm时，△≤0.79mm；
②254mm＜Db＜381mm时,△≤1.58mm； ③Db≥381mm时，△≤2.38mm。
（2）为了保证钻具居中,满眼钻具长度一般在18～27m之间； （3）稳定器应该有足够大的支承面。 2）稳定器安放位置计算
（1）近钻头稳定器：近钻头稳定器采用井井底型稳定器并紧接钻头，其间不应加装配合接头或其他工具。
在中等易斜地层应采用有效长度较长的近钻头稳定器，也可以在有效长度较短的近钻头稳定器上直接接一只钻柱型稳定器。
在严重易斜地层则应采用有效稳定器长度更长的近钻头稳定器，或者在近钻头稳定器上直接接两只钻柱型稳定器。
（2）中稳定器与上稳定器：中稳定器的理想安放高度主要取决于钻铤尺寸、稳定器与井壁间隙、井斜角及钻井液密度等。
L=416EI?e （3-26） qsina2
式中 EI——短钻铤的抗弯刚度，kN·m； e——中稳定器与井眼的间隙值，m；
q——单位长度短钻铤在钻井液中的质量，kN·m； a——井斜角，度。
应根据实际情况，尽可能选用适当的短钻铤，使中稳定器的实际安放高度接近理想高度。上稳定器放在中稳定器的上部，一般相距一根钻铤单根，长度约9m。
5．满眼一种摆钻具
满眼钻具的特点是在直井内防斜效果好，而在斜井内自身无减斜作用；钟摆钻具在斜井内有较好的纠斜效果，兼用两者的优点来更有效地防止井斜。
在井斜严重的地层，当井斜角未接近最大允许值时，用满眼钻具重压快速钻进，此时井斜角会逐渐增大，当其接近或达到设计允许极限值时，必须改用钟摆钻具并控制钻压，使井斜角慢慢降下来。如果预先考虑降斜之后还要使用满眼钻具组合钻进，则应使用满眼—钟摆组合防斜技术，以免满眼钻具在钟摆组合钻进井段发生组卡。
在使用满眼—钟摆组合中，钟摆长钻铤应接在常规满眼钻具组合之下。当井斜角已降至允许
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的限制范围之内时，拆除钟摆钻具并把原来的满眼钻具接在钻头之上。唯一必要的是在重新开始正常满眼钻进之前要对钟摆钻铤长度井段进行划眼。
6．震击器与减震器的安放位置及计算 1）震击器的安放位置
随钻震击器结构复杂，其壁厚受到限制，不能长期处于压缩弯曲状态。所有的震击器都应安放钻柱受拉部位。从发挥震击器作用来看，如果能准确预测钻柱可能被卡的部位，震击器的理想位置是直接安放在这个部位之上，一般情况下是安放在钻铤柱顶部是最好的。
在确定安放位置时，还应考虑到保证在钻井过程中，使震击器处于关闭状态的安全因素，当震击器处于零轴力点以上受控部位，震击器的拉伸载荷保持在30kN为宜，如果这个量考虑太大，安放位置必然过高而影响震击效果。
2）根据钻柱的震动特点和减震器的工作特性，直接安放在钻头之上其效果最佳。
由于减震器自身的抗弯刚度较钻铤小，在满眼钻具组合中，为了避免增加钻头的倾斜，宜安放在中稳定器之上。
3）减震器的选用
减震器的刚度K应满足
K＜
50.32106Wn2 （3-27）
式中 K——减震器的刚度，kN/cm； W——钻压，kN；
n——转盘转速，r/min
要使减需器在井下达到减震效果，其刚度必须小于上式计算的值，小得越多，减震效果越好。现场一般选用刚度在19.61～58.84kN/cm范围内的减震器。在选用及使用时还应注意以下几点：
（1）钻压较大，转速转高时，选用刚度大的； （2）在低钻速下工作时，应采用小刚度的；
（3）装有减震器的钻具，尽可能在高于80～100r/min的转速下工作。 7．用金刚石钻头的下部钻具组合 1）钻头特性及对下部组合的要求
金刚石钻头的切削元件——天然金刚石、人造聚晶金刚石复合片及热稳定性人造金刚石聚晶块的耐磨性很高，但脆性较大，在冲击载荷作用下易碎断。保证钻头工作稳定对提高使用寿命意义极大。
钻头的稳定性对钻头的磨损也有十分直接的关系，钻头的倾斜不仅会因部分切削刃过载而引起早期不正常磨损，而且破坏钻头面上钻井液的均匀流动，这就造成一部分金刚石切削元件不能充分冷却而烧损，最终使钻头报废。
综上所述，采用合理的下部组合，尽量减小钻头的倾斜和震动，以保证钻头工作平稳，对使用金刚石钻头的技术经济效果是十分重要的。
2）下部钻具组合
为了保证金刚石钻头的稳定性，使用满眼钻具无疑是必要的，特别是对于天然金刚石钻头和热稳定性人造聚晶金刚石钻头。组合型式及设计方法与满眼钻具组合设计相同。当井斜问题不突出时，用三个稳定器的满眼组合即可，近钻头稳定器可只用一只短型稳定器，但必须与钻头直接连接，并充分“填满”井眼，即其外径应与钻头外径基本一致。
相对来说，稳定性以人造聚晶金刚石复合片（PDC）钻头的工作性能的影响要小些，这种钻头不仅在软或极软的地层使用，而且还可以采用加两个稳定器的钟摆钻具，但不应采用光钻铤组合。
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三、设计实例
江汉油田某井的钻柱及下部钻具组合的部分内容设计。 （一）、基本参数
1．井身结构
一开：υ450mm×163m井眼；
υ339.7mm×160m表层套管； 水泥返至井口。
二开：υ311.2mm×1905m井眼； υ244.5mm×1900m技术套管； 水泥返深1000m。
三开: υ215.9mm×3370m井眼； υ139.7mm×3350m油层套管； 水泥返深2600m； 阻流环位置3330m。 2．井身质量要求
在钻井工作中，不仅要求钻进速度，而且要求有高的井身质量。井斜是井身质量的一个重要指标，一般用井斜角和方位角等来表示井斜的情况。
表3-1-3-4 地层分层表
设计分层 层 位 第四系平原组 上第三系广华寺组 荆河镇组 潜江组 荆沙组 下 上段 第 新大膏层 沟三 Ⅰ油组 嘴下 Ⅱ油组 组 段 系 泥隔层 Ⅲ油组 沙市组 底深 m 150 880 1870 2820 1550 3055 2150 3240 3265 3370 厚度 m 150 730 990 950 170 20 95 90 25 105 岩 性 简 述 黄色粘土、流砂、砾石层 杂色粘土岩、砂砾岩 盐岩、石膏质泥岩、油浸泥岩组成的韵律层 棕红色泥岩夹石膏质泥岩 上部以棕色泥岩为主，夹石膏泥岩，下部棕紫色泥岩与石膏质泥岩互层、间夹灰色泥岩 灰白色泥膏岩、灰色石膏质泥岩 灰色、棕紫色泥岩夹粉砂岩 灰色泥岩夹石膏泥岩 深灰色泥岩夹石膏泥岩 灰色、棕紫色泥岩夹粉砂岩 棕紫色泥岩、灰色泥岩夹粉砂岩 地层 倾角
表3-1-3-5 本井井身质量标准
井 段 m 0～1000 2000 3000 3265 井 斜 m 水平位移 m ≤30 ≤50 ≤80 ≤100 全角变化率要求 ≤1 ≤1 15′ ≤2 10′ ≤2 30′ 备 注
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