定向井、水平井专用工具

第章定向井、水平井专用工具

第一节定向接头

一、定向接头类别

目前国内常用的定向接头有两种：定向直接头和定向弯接头，定向直接头用于弯壳体螺杆定向钻进，而定向弯接头则用于直壳体螺杆定向钻进。定向弯接头因其具有制造简单、使用方便、成本低廉等特点，目前使用较为普遍。

二、技术规格

定向弯接头规格表表1-1

三、基本结构

1、直接头的基本结构，包括壳体、扶正套、定向键和定位螺钉，如图1-1所示：

图1-1

2．定向弯接头的基本结构，包括壳体、扶正套、定向键、定位螺钉如图1-2所示：

定向弯接头结构示意图

图1-2

弯接头弯曲度数的计算公式：

α=57.3(a-b)/d

式中：α——弯曲角度（o）

a——长边长度（mm）

b——短边长度（mm）

d——外径（mm）

四、弯接头性能

不同螺杆钻具使用弯接头在不同井眼的造斜率表1-2

第二节无磁钻铤

一、作用

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，因而测量仪器必须是一个无磁环境。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，利用无磁钻铤可实施无磁环境，并且具有钻井中钻铤的特性。国外已有相当数量的无磁钻铤产品于1990年列入API标准。我国根据国外产品和产品样本制订了SY/T 5145-86《无磁钻铤》标准。

二、工作原理

无磁钻铤工作原理如图2-1所示：

无磁钻铤的作用原理示意图2-1

注：①地磁场线；②磁性测量仪；③钢钻铤；④干扰磁场线；⑤钻头接头；⑥无磁钻铤

无磁钻铤上下的干扰磁场线对测量仪器部位没有影响，因而无磁钻铤为磁性测量仪器创造了一个无磁环境，保证了磁性测量仪器测到的数据为真实大地磁场信息。

三、无磁钻铤材料

1、蒙乃尔合金

（1）、化学成分及机械性能见表2-1

（2）、蒙乃尔合金的特点

蒙乃尔合金虽然具有不易腐蚀的优点，但是由于镍含量高而存在以下缺点：

a.价格昂贵。

b.易磨损。

2、铬-镍合金

这种合金钢约含18%的铬和镍。易于塑性变形导致螺纹过早损坏，特别对需要上紧扭矩高的大钻铤更为不利。其化学成分见表2-2。

3、以铬和锰为基础的奥氏体合金

其制造方法为半热锻形变强化方法，这种钢的缺点是对盐水钻井液应力腐蚀很敏感。其化学成分见表2-2。

4、铍铜合金

用铍铜巴氏合金25制造的无磁钻铤钻井液腐蚀性好，尤其对硫化物应力破坏抵抗性更好。磁化率低，接头不易磨损，机加工性能好，由于其成分为重量百分数铜占98%，铍占2%，所以价格很贵。

5、SMFI无磁钢

SMFINM钻铤采用高抗腐蚀、高磁特性的优质无磁材料制造。SMFIN-MDC无磁材料化学成分见表2-3

6、国产锰铬镍钢

这种钢含锰16.59%，含铬13.12%,含镍1.91%,相对导磁率小于1.01rцr,化学成分见表2-4

四、技术规格

五、无磁钻铤长度的选择

为了保证磁性测量仪器测量结果准确，必须合理选择无磁钻铤的长度。应根据测量井段的井斜角和井斜方位角的大小来选定无磁钻铤的长度。井斜角大时，要加长无磁钻铤的长度。见图2-2，3

图2-2

图2-3

关于磁性测量仪器在无磁钻铤中的位置，推荐如下：

Ⅰ区：6m钻铤中心以下，0.3～0.6m；

8m钻铤中心以下，0.6～1.0m；

10m钻铤中心以下，1.0～1.3m；

Ⅱ区：10m钻铤中心以下，1.0～1.3m；

20m钻铤中心以下，2.3～3.0m；

30m钻铤中心。

Ⅲ区：20m钻铤中心（曲线A）；

20m钻铤中心以下，2.3～3.0m（曲线B）；

30m钻铤在中心。

当无磁钻铤中间需用扶正器时，必须注意扶正器对磁性测量仪器的影响，最好的办法是扶正器制造成无磁钻铤芯子加钢套筒配合，这样既可以降低对磁性测量仪器的影响，又可以节省价格昂贵的非磁钢材。

Ⅰ区—18m钻铤曲线A下；25m钻铤曲线B下; 30m钻铤曲线C下;串联18m+25m钻铤曲线C上

Ⅱ区-- 30m钻铤曲线A下；60m钻铤曲线B下（加找中稳定器）; 60m钻铤曲线C下（加近钻头稳定器）；90m钻铤曲线C上

Ⅲ区-- 60m钻铤曲线A下（加找中稳定器）；60m钻铤曲线B下（加近钻头稳定器）; 90m钻铤曲线C下

第三节AGS可调变径稳定器

一、作用

可调变径稳定器是一种在钻进过程中，用于控制或调整井眼的井斜角的一种工具。它通过调整稳定器的尺寸大小，改变下部钻具的井斜控制能力，从而较准确地控制井眼的井斜角。这是美国Sperry-Sun公司生产的可调变径稳定器Adjustable Gsuge Stabilizer，简称AGS。

二、结构示意图3-1

AGS可调变径稳定器示意图3-1

三、AGS可调变径稳定器的工作原理

AGS的每一个翼片有四个或五个活塞，如有五个活塞，就有五个活动斜面体，每一个斜面体调节三个活塞，每一个活塞有一个斜面．所有的斜面体是一起活动．当压差作用在活塞下部的斜面体上时，活塞向外伸展．活塞的伸缩，是通过凸轮筒控制的．活塞通过压差保持工作状态．当带有斜面的心轴通过作用在自身的压差向下移动时，斜面同时作用所有活塞,活塞从自由状态向外移动，并通过压差控制，在凸轮筒保持固定．当停泵消除压差时，内部弹簧回弹，心轴恢复原位，活塞收缩，并引导凸轮筒到达下一个位置．

重新开泵将引导AGS工具从自由状态到另一个工作状态，这时活塞通过压差在凸轮筒中保持固定．当压差如上减小，活塞重新恢复下一个状态．活塞将一直保持伸展状态,直到在停泵时才收缩。钻压不对工具或活塞产生影响。

通过记录钻柱在一定排量的压力，然后停泵、开泵，记录在同样排量下的新的压力值，来确立AGS的位置（工作状态）。如果新的压力值高，这时活塞全部伸展，反之亦然。压力升高=尺寸增大。只有当信号清晰时，信号的压力值才不重要。当再一次停泵、开泵时，活塞又将从一种工作状态转到另一种工作状态。由于这种工具可以通过泵简单且快速的调节，所以能够对井斜进行精确的控制。在水平段，通过调节每一个立柱的进尺，可以精确的控制ＴＶＤ（垂深）。一旦司钻、定向井工程师、MWD工程师建立交流，那么这种工具就非常简单和安全。

四、AGS可调变径稳定器的技术规格

五、操作方法

1、AGS可调规径稳定器的组装与地面测试

（1）在BHA中组装AGS。活塞处于静止位置，在齐平位置以下。

（2）接钻头。AGS下的压降必须至少400psi，确保仪器顺利工作。

（3）接方钻杆或顶驱。

（4）开泵并且提高流量直至活塞运动。压力越高效果越好。允许设定压力并记录冲程。

（5）测量AGS。

（6）如果活塞处于齐平位置，下一个位置它将伸出。

（7）关泵：AGS仪器将恢复静止时的压降。

（8）开泵。按照第四步记录的数据设定冲程。

（9）AGS仪器将从静止状态循环到下一操作位置。

（10）再测量一次AGS仪器。

（11）记录齐平与伸出位置系统的不同压力。

（12）AGS仪器在齐平与伸出状态交替循环。

2、检测AGS活动压力

记录最低压力值为450psi(31bar)，最高压力为3500psi(240bar)。

3、检测活塞位置信号

（1）确保至少有400psi的压降。

（2）确保安装在工作室的孔板（尺寸印在仪器的表面上）能够接收到稳定的信号，通常为150—250psi，越高越好。

（3）要与所用钻具一致，检查连通孔，底部接头的连接，管线的塞子等，确保密封，谨防刺漏危险。（4）将仪器向上放到BHA里，通过两次完全循环进行地面测试（开—关，开—关）。

（5）当开泵循环一次后AGS将改变规径，并且当泵再次循环时规径将恢复到最初位置。

（6）在开始钻进之后，尽可能快地确定地面压力/活塞的延伸或齐平位置。并且记录下来，建议保留规范的泵冲数和压力记录。

（7）依据钻井要求，建立一日常的联结，如果能够与MWD符合，开泵传递测量数据，然后关掉它并与MWD联结好，这样在再次开始时AGS将恢复到原来位置。

4、关闭

（1）当通过转盘时，用水龙带循环清洗伸出的活塞直至冲掉泥浆与固体。

（2）尽可能快的放下AGS仪器，将外部擦干净并用水将内部冲洗干净。

5、注意事项

（1）要严格按操作规程进行使用。

（2）使用后要及时进行维修保养。

第四节非旋转钻杆保护器

一、作用

在延伸钻大位移井中，摩擦阻力过大，使钻柱扭矩过高和套管严重磨损，是必须解决的重点问题之一。钻柱扭矩过高，超过驱动系统的驱动能力或钻柱所能承受的扭矩，将会导致钻具事故，甚至无法钻进。为此，在大位移井中，常常采用非旋转钻杆保护器，它的主要作用是降低钻柱的扭矩和防止套管的严重磨损。

二、工作结构

非旋转钻杆保护器采用自由旋转式固定在钻杆上，即钻杆保护器相对于钻杆可自由旋转，而相对于套管内壁则不转或几乎不转。结构如图所示，保护器由两个铝制止推箍和一个橡胶或塑料滑套组成。滑套分为两半，由加强型金属销钉锁定。止推箍为铰链结构由螺栓紧固。滑套位于两个止推箍之间，中间留有足够的间隙允许滑套自由转动。止推箍与滑套之间的接触面有一个彼此吻合的锥面，能确保整个接触面均匀接触，使滑套居中。保护器通常安装在距钻杆公接头0.6m的地方。如图4-1所示。

非旋转钻杆保护器装备示意图

图4-1

三、工作原理：

由于保护器滑套的外径大于钻柱接头的外径，在井内滑套接触套管壁，而钻杆接头与套管壁不接触，当钻柱旋转时，保护器相对于钻柱可自由转动，而相对于套管壁几乎无转动。由于钻柱本体外径小，在钻柱旋转过程中摩擦面相对减少了，即以钻柱与保护器滑套之间的摩擦代替了钻柱接头与套管壁间的摩擦。通常扭矩与钻柱的有效外径成正比，使用保护器就减少了接触点的旋转扭矩阻力。

保护器滑套的内径表面经特别处理，当钻井液经过保护器与钻杆本体之间的间隙时，钻井液能起到液体润滑作用，当钻杆在套管内旋转时，有效地降低了钻杆在套管内转动时的摩擦系数，达到了降低扭矩的目的。

四、技术规格：

依据钻杆外径而定，规格可分为：5-1/2”,6-1/2,7”等。

第五节液力加压器

一、作用

液力加压器具有将钻头处的压力降转换成轴向钻压传递给钻头，改善了井下钻柱的受力状态，并能在钻井过程中起到良好的减震作用，对提高机械钻速、防止钻柱损坏发挥重要作用。

二、主要结构：见图5-1

SL－100两级液力加压器结构示意图图5-1

注：1-上接头 2—上液缸 3—密封圈Ⅰ 4—密封圈Ⅱ 5—上加压杆6—密封圈Ⅲ 7—下加压杆8—下液缸 9—垫圈 10—密封圈Ⅳ 11—下接头

三、工作原理

如图5-1所示：钻井液从上接头流入，从钻头喷嘴流出，由于钻头喷嘴的节流作用，在缸套内形成高压区，而活塞下腔由于有阻尼孔与环空相通，是低压区，活塞在压差的作用下产生轴向推力，推动加压杆轴向移动，给钻头加压，其反作用力作用在外筒上，使悬重减少，并在指重表上显示出钻压。

液力加压器实现钻柱与钻头的柔性连接，当钻井条件突然变化引起纵向震动时，迫使阻尼腔内的钻井液体积发生变化，从而起到液力减震作用，保护钻头和钻具。

液力加压器的推进力由下式可得：

F=PA

F为液力加压器的推进力（转换为钻压）；P为液缸内压力；A为活塞横截面积。上式表明，推进力与液力加压器密封系统横截面积和液力加压器的内外压差成函数关系，即在液力加压器内部或加压器以下所有能产生压力降的工具都将对系统的最终钻压起作用。液缸内产生的压力作用在活塞上，产生推进力。推进力的大小取决于液缸内的压力及液缸横截面积的大小。只要液缸保持在悬浮状态（即不是完全压缩状态，也不是完全伸出来的状态，但可以在两个极限位置之间自由运动），则该工具就可阻尼掉震动和冲击力。只要液缸不是完全压缩状态，就将产生推进力，而推进力的大小与活塞的行程无关。

四、技术规格：