一、简约的外表与内心

钻杆，现代汉语词典的解释是钻孔工具中连接钻头、用以传递动力的杆件（见图1）。顾名思义，钻杆柱就是由钻杆首尾连接组成的管柱。从外形上看，钻杆柱的结构无非就是圆管和螺纹，而实际上，圆管的材质、尺寸及螺纹参数的选配，是经过提炼形成的精约简省的结构组合，以胜任于“拉、压、弯、扭、冲蚀、高压、高温”井下复杂工况而保持结构完整性与密封性。

图1 钻杆示意图（局部剖视）

二、不简单的钻井利器

作为科学超深井中应用的钻杆柱，为了联通地表至几千甚至上万米的孔底，需要由成百上千根的钻杆首尾连接组成，不仅连接钻头、传递钻压和扭矩，还是泥浆循环通道的重要组成部分，以及承受自身的重量。

1.传递动力

钻井成孔是通过钻头破碎地层实现的，而这一过程需要回转扭矩和钻压，钻杆柱作为地表连接井底的唯一连续介质，承担着这一重任。由于大长径比的结构，导致钻杆柱如同面条，在传递扭矩和钻压的过程中，将发生自身扭转和弯曲，在钻井狭小空间内，钻杆柱受到扭转、拉压的同时，承受着弯曲和井壁摩擦，自转的同时发生公转，在如此复杂的动力行为下而保证自身不失效是一门高深的技术。

图2 钻杆柱工作示意图

2.循环通道

如果把泥浆比喻成钻井工程的“血液”，钻杆柱就是钻井工程的“大动脉”。钻井过程中，钻杆柱置于地表到井底的钻孔之中，是泥浆循环的物理通道（见图2）。如果发生钻杆柱刺漏，就好比血管破裂，人体微循环将出现问题，“血液”将无法循环流通到亟需部位而造成“烧”钻头等事故。

图3 泥浆循环与血液循环对比图

3.承受自重

为了实时传递扭矩和输送钻井液，钻杆柱使用长度需要随着井深增加而逐渐增加，孔口钻杆承受钻杆柱自重越来越大。当井深从上千米增加到上万米时，自重将从几十吨增长到几百吨，这将大大增加对钻杆强度的要求，限制了钻井深度。

三、如何“打磨”钻杆柱这一钻井利器

在钻井过程中，这根又长又细（大长径比）的“大动脉”还要传递动力的同时，还要保证“血管”的密封性和强度？这就是钻杆柱技术的关键所在。通过“血管”的材质、结构和工作过程中的力学行为分析，可有效提高其整体强度与密封性，保障“血液循环”的安全和效率。

1.材质的选择

钻杆柱材质的选择，直接影响自身的重量和强度。钻杆柱材质有钢、铝合金、钛合金及复合材料。其中，钢制管材因其工艺成熟、价格便宜而被广泛应用于钻杆制造中；铝合金管材密度小、比强度高、能耗低、耐腐蚀性好，是深井、超深井钻杆柱优选配置方案，但其耐温性、耐磨性差，这成为制约其推广应用的瓶颈；钛合金管材密度小，强重比高，耐腐蚀性能优异，中高温力学性能好，具有优良的抗疲劳和蠕变性能，虽然制造成本高，但对于万米科学钻探、海洋科学钻探等钻探风险、技术和资金密集型工程，具有巨大的应用潜力。

材质的选择也直接决定了钻杆的使用极限长度。通过设定安全系数为2、泥浆密度为1100kg/m3，并结合管材性能参数，可对不同钢、铝合金、钛合金等材料管柱的可钻深度进行对比分析，如图4。

图4 不同材质管材钻深能力对比

2.结构的设计

既然每种规格管材的悬挂长度有限，有没有办法在保证结构强度的前提下，继续延伸钻杆柱的可钻深度呢？答案是肯定的，那就是复合钻杆柱技术。复合钻杆柱技术采用排队选用多种规格、材质或钢级的钻杆组合成复合钻杆柱(如图5a)，通过减轻下部钻杆柱重力而降低上部钻杆柱负重、提高上部钻杆柱强度而减小下部钻杆柱强度，实现钻杆柱安全性与经济性的改善。好比迪拜塔的塔式结构与倒挂人梯的杂技表演 (如图5b、5c)，通过分段的减重提强实现整体结构的轴向延伸。

图5 摩天大楼、倒挂人梯与钻杆柱的塔式结构对比图

除了材质，钻杆接头结构也是保证钻杆柱整体强度的关键。钻杆接头承担着将单根钻杆串联成柱的作用，与螺栓螺母旋紧结构类似（如图6）采用旋转台肩式螺纹结构，作为变截面异构体，应力分布集中、受力复杂，是钻杆柱的薄弱环节。越靠近台肩面的螺纹所在横截面与台肩面之间的管段应变越大，即受到的轴向力越大（如图7），这种现象加剧了螺纹受力复杂程度和工作过程中的疲劳失效。因此，螺纹结构的优化是提高钻杆柱整体性能的重要环节。

图6 钻杆螺纹结构与螺栓螺母结构对比

图7 螺纹轴向应力分布不均原理示意图

3.力学行为分析

管柱力学行为分析的研究已有七十多年的历程, 其取得的诸多理论研究成果为钻杆柱结构优化、井下钻杆柱行为控制、钻杆柱失效原因分析奠定了坚实的理论基础。

在钻井过程中，由于井眼约束、工作环境复杂、工艺参数需求等因素，作用在钻杆柱上的扭矩、磨阻、弯矩、重力等外加载荷不同程度的交变，导致钻杆柱发生机械振动，这是导致钻杆柱失效的主要原因。科学超深井钻杆柱作为大长径比柔性杆，在上万牛米扭矩、数百吨的自重等载荷、自身几十转每分钟的自转、井下高温、高压环境作用下，其受力后的运动规律变得十分复杂，对其进行建模与动力学方程组求解，揭示钻杆柱在狭长井眼内的复杂力学行为，是优化钻井工程设计控制方法和提前预防井下复杂情况发生的理论基础。

通过以上论述，外形结构看似简单的钻杆柱，却隐藏着大学问。为保证钻杆柱在科学超深井内的结构强度与密封性能，我们需要兼顾管材与结构，优选高强、高韧、大强重比的管材的同时，权衡钻杆柱总重、成本、规格数量、安全系数、拉力余量的需求程度，梳理钻杆柱井下力学行为与钻井参数的关系，这将大大提高钻杆柱在深部科学钻探与大洋科学钻探工程中应用的安全性和稳定性。