定向井及工具综述
定向井常用井下工具概要
定向井常⽤井下⼯具概要油⽥技术－定向井⼯程师序列培训讲义（T2－21）第⼀部分定向井常⽤井下⼯具的分类1、泥浆马达（PDM）2、旋转导向⼯具3、扶正器（STB）4、⾮磁钻铤（NMDC）5、悬挂短节（HOS）6、短⾮磁钻铤（SNMDC）7、浮阀（F/V）8、定向接头（O/S）9、挠性短节（F/J）10、震击器（JAR）11、加重钻杆（HWDP）12、短钻铤13、弯接头14、套管开窗⼯具15、其它定向井⼯具第⼆部分定向井常⽤井下⼯具的现场检查测绘及使⽤⼀、泥浆马达1、泥浆马达的主要组成部分1) 旁通阀总成2) 马达总成3) 万向轴总成4) 驱动轴总成2、泥浆马达的⼯作原理:马达是⼀种螺杆钻具（SCREW DRILLS），它是以泥浆作为动⼒的⼀种井下动⼒钻具。
马达⼯作原理：泥浆泵产⽣的⾼压泥浆流，经旁通阀进⼊马达时，转⼦在压⼒泥浆的驱动下，绕定⼦的轴线旋转，马达产⽣的扭矩和转速，通过万向轴和传动轴传递给钻头，来实现钻井作业。
3、旁通阀结构及⼯作原理：旁通阀有旁通和关闭两个位置，在起下钻时位于旁通位置，下钻时允许环空的泥浆由旁通阀阀体侧⾯的阀⼝孔流向钻杆(钻具)内孔，起钻时使钻杆内孔的泥浆从阀体侧⾯的阀⼝流⼊环空，减少井台溢出泥浆，当泥浆流量及压⼒达到⼀定值时，旁通阀关闭，泥浆流经马达，将泥浆能量转换为机械能。
4、马达总成的结构及⼯作原理：马达总成由转⼦和定⼦两部分组成。
定⼦与转⼦之间形成若⼲个密封腔，在泥浆动⼒作⽤下，密封腔不断的形成与消失，完成能量交换从⽽推动转⼦在定⼦中旋转。
马达可形成⼏个密封腔就称⼏级马达。
5、万向轴总成的⼯作原理：万向轴总成位于转⼦下端，其作⽤是把马达产⽣的扭矩和转速传递到传动轴上。
由于转⼦作的是偏⼼运动，因此要求万向轴具有较好的挠性功能，能将偏⼼运动转换成传动轴的定轴转动。
6、传动轴总成(drive shaft assembly) 的⼯作原理：它的作⽤是将马达的旋转动⼒（扭矩和转速）传递给钻头，同时承受钻压所产⽣的轴向和径向负荷。
第五章定向井综述
二．轨迹的计算参数
(7) 井眼曲率K（“狗腿严重度”、“全角变化率”）： 指井眼轨迹曲线的曲率。平均曲率 Kc=30γ/ΔDm “狗腿角”或“全角变化”（γ ）： 上、下二测点的两条方向线之间的夹角(空间夹角)。 狗腿角的计算： Lubinski公式： cosγ =cosα A· cosα B+sinα A· sinα B· cos(φ B-φ A) 钻井行业标准计算公式： γ =(Δ α 2+Δ φ 2· sin2α c)0.5 α c=(α A+α B)/2 γ ——该测段的狗腿角，(°)； Ｋc——该测段的平均井眼曲率，(°)/30m； α c——该测段的平均井斜角，（°）。
三．井眼轨迹的图示法
对一条空间曲线可以有不同的表示方法。 • 三维坐标法： • 投影图示法：垂直投影图+水平投影图 –不能反映出真实的井深和井斜角。 • 柱面图示法：垂直剖面图（柱面展开图）+水平投影图 柱面：设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线， 所有这些铅垂线构成的曲面称为柱面。将柱面展平， 就形成了垂直剖面图。 –可以反映出真实的井身参数，如：井深、井斜角、 垂深； –作图简便。
(3) 井斜方位角φ ： 井斜方位角的另一种表示方式： 象限角：指井斜方位线与 正北方位线或与正南方位 线之间的夹角。 象限角的变化范围： 0～90之间。 磁偏角： 磁北方位与正北方位 之间的夹角。 磁偏角校正： 真方位角＝磁方位角＋东磁偏角 真方位角＝磁方位角－西磁偏角
二．轨迹的计算参数
由基本参数计算得到的参数。 (1) 垂直深度Ｄ（垂深）：轨迹上某点至井口所在水平 面的距离。垂深增量称为垂增（Δ Ｄ）。 (2) 水平投影长度Lp（水平长度、平长）： 井眼轨迹上某点至井口 的长度在水平面上的投影， 即井深在水平面上的投影长 度。 水平长度的增量称为平增 （Δ Lp）。
定向井及工具
中联煤层气有限责任公司 ChinaUnitedCoalbedMethaneCo.,Ltd.
定向井简介
高边工具面角1——是指 以高边方向为始边，顺时 针转到工具面与井底圆平 面的交线所转过的角度。 又称为重力工具面角 磁工具面角2 ——是指以 磁北为始边，顺时针转到 工具面与井底圆平面的交 线在水平面上的投影线所 转过的角度
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定向井简介
1.井深L——指井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼 长度，也有人称之为斜深，国外称为测量井(MeasureDepth)。 井深是以钻柱或电缆的长度来量测。井深既是测点的基本参 数之一，又是表明测点位置的标志。 2.垂深D——测点的垂直深度。 3.井斜角 —测点处井眼方向线（切线）与重力线间的 夹角。 4.方位角θ —正北方向至测点处井眼方向线在水平面投 影线间夹角。 5.水平位移—测点至井口所在的铅垂线的距离。(闭合距)
高边工具面角；磁工具面角。
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定向井简介
3）高边——定向井的井 底是个呈倾斜状态的圆平面。 称为井底圆。井底圆上的最 高点称为高边。 从井底圆心至高边之间的 连线所指的方向，称为井底 的“高边方向”。 高边方向在水平面上的投 影称为高边方向线。即井底 的方位 。
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定向井简介
2.地下地质条件的要求： 对于断层遮挡油藏，定向 井比直井可发现和钻穿更 多的油层；对于薄油层， 定向井和水平井比直井的 油层裸露面积要大得多。 另外，侧钻井，多底井， 分支井，大位移井，侧钻 水平井，径向水平井等等 定向井的新种类，显著地 扩大了勘探效果，增加了 油气产量，提高了油气藏 的采收率。
定向井工具简介解析
若需要更强的稳斜组合， 可使用双扶正器串联起来 作为近钻头扶正器。
类型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
L1
L2
L3
L4
L5
强稳斜 组合
中稳斜 组合
弱稳斜 组合
0.8～1.2 1.0～1.8 1.0～1.8
4.5～6.0 3.0～6.0 4.5
9.0
9.0
9.0
9.0
～ 9.0
～
-----
18.0
27.0
9.0
-----
-----
单位名称－序号
单位名称－序号
15
二、转盘扶正器组合（4）
此类工具不能用于改变井眼方位，仅能在已有一定斜度的井眼内改变井斜，即进 行增斜、降斜或稳斜。
此类工具是在转盘钻的基础上，利用靠近钻头的钻铤部分，巧妙地使用扶正器，得 到各种性能的组合。
20世纪80年代以来，国内外对扶正器钻具组合的研究逐步深入。运用数学、力学和 计算机工具，出现了微分方程法、有限元法、纵横连续梁法、加权余量法等等 方法，且都需要使用较复杂的计算机程序。
定向井常用工具简介
－定向井服务中心－
海洋钻井平台
单位名称－序号
2
定向井常用井下工具
一、马达（PDM）
八、挠性短节（F/J）
二、扶正器（STB）
九、震击器（JAR）
三、非磁钻铤（NMDC）
十、加重钻杆（HWDP）
四、悬挂短节（HOS）
十一、短钻铤（SDC）
五、短非磁钻铤（SNMDC） 六、浮阀（F/V） 七、定向接头（O/S）
钻井技术概述
第一章定向井（水平井）钻井技术概述第一节定向井、水平井的基本概念1．定向井丛式井发展简史定向井钻井被（英）T.A.英格利期定义为：“使井筒按特定方向偏斜，钻遇地下预定目标的一门科学和艺术。
”我国学者则定义为，定向井是按照预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。
定向井相对与直井而言它具有井斜方位角度而直井是井斜角为零的井，虽然实际所钻的直井它都有一定斜度但它仍然是直井。
定向井首先是从美国发展起来的，在十九世纪后期，美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。
当时没有考虑控制井身轨迹的问题，认为钻出来的井必定是铅垂的，但通过后来的井筒测试发现，那些垂直井远非是垂直的。
并由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造成被起诉的案例。
最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。
早在1895年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。
有记录定向井实例是美国在二十世纪三十年代初在加利福尼亚享廷滩油田钻成的。
第一口救援井是1934年在东德克萨斯康罗油田钻成的。
救援井是指定向井与失控井具有一定距离，在设计和实际钻进让救援井和失控井井眼相交，然后自救援井内注入重泥浆压死失控井。
目前最深的定向井由BP勘探公司钻成，井深达10，654米；水平位移最大的定向井是BP勘探公司于己于1997年在英国北海的RytchFarm油田钻成的M11井，水平位移高达1，0114米。
垂深水平位移比最高的是Statoil公司钻成的的33/9—C2达到了1:3.14；丛式井口数最多，海上平台：96口；人工岛：170口；我国定向井钻井技术发展情况我国定向井钻井技术的发展可以分为三个阶段，50—60年代开始起步，首先在玉门和四川油田钻成定向井及水平井:玉门油田的C2—15井和磨三井，其中磨三井总井深1685米，垂直井深表遗憾350米，水平位移444.2米，最大井斜92°，水平段长160米；70年代扩大实验，推广定向井钻井技术；80年代通过进行集团化联合技术攻关，使得我国从定向井软件到定向井硬件都有了一个大的发展。
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外径（mm）内径（mm）连接螺纹弯曲角度（°）长度(mm)备注母扣公扣196.85 80 630 531 1.25760 衬套内径50mm 1.501.752.002.252.502.75158.75 70 4A10 431 1.25500 衬套内径50mm 1.501.752.002.252.502.75107.95 57 310 331 1.25450 衬套内径35mm 1.501.752.002.252.502.75三、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1-12．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。
定向井工具面基础知识
定向井工具面基础知识定向井工具是石油工业中常用的一种工具，它可以帮助钻井工程师在钻井过程中改变井眼的方向和角度。
定向井工具可以实现垂直井眼的转换为水平井眼，或者将水平井眼转换为斜井眼，这样可以帮助钻井工程师从一个位置到达另一个位置，以便更有效地勘探和开采石油储藏层。
定向井工具通常包括测斜仪、导向钻头和悬挂物等部件。
测斜仪可以测量井眼的方向和角度，导向钻头可以改变井眼的方向和角度，而悬挂物则可以将这些工具悬挂在钻杆上，以便在钻井过程中使用。
测斜仪是定向井工具中最重要的部件之一，它可以测量井眼相对于地球表面的方向和角度。
测斜仪通常由一个或多个加速度计组成，这些加速度计可以测量井眼相对于重力的方向和角度。
通过对这些数据进行处理，钻井工程师可以了解井眼的位置和方向，以便调整导向钻头的位置和方向。
导向钻头是定向井工具中最重要的部件之一，它可以改变井眼的方向和角度。
导向钻头通常由一个或多个导向翼组成，这些导向翼可以产生侧向力，将井眼向所需方向偏转。
导向钻头通常由钻头、传感器和控制装置组成，控制装置可以控制导向钻头的运动，以便实现所需的井眼方向和角度。
悬挂物是定向井工具中的重要部件，它可以将测斜仪和导向钻头悬挂在钻杆上，以便在钻井过程中使用。
悬挂物通常由上、下两个部分组成，上部分可以固定在钻杆上，下部分可以固定测斜仪和导向钻头。
在钻井过程中，钻杆可以旋转和推进，测斜仪和导向钻头可以根据所需方向和角度进行调整，以便实现井眼的转向和调整。
总的来说，定向井工具是石油钻井工程中至关重要的一种工具，它可以帮助钻井工程师在钻井过程中实现井眼的转向和调整，以便更有效地勘探和开采石油储藏层。
定向井工具的面基础知识包括测斜仪、导向钻头和悬挂物等部件，以及它们的功能和使用方法。
定向井水平井概述
Da
αa
D
b
O1
O2
Dt
d
O
S
St
αt
c
t
αb
f
二定向井设计
上述公式中符号代表意义 H0——过度参数，m； H——全井总垂深，m； ΔHXZ——自降斜终点到目标点处的垂增，m； HZ——造斜点的深度，m； a，——降斜终点的井斜角，m； S0——过度参数，m； S——井口到目标点的水平位移，m； ΔSXZ、ΔLXZ——分别为降斜终点到目标点的水平位移和段长，m；
磁极
地理北极
磁极
磁偏角
地理方位
磁方位
磁偏角：它是指地磁北极方向线与地理北极方向线之间的夹角。随着地理位置和时间不同其数值也不同。有正负值之分。
a
专业名词
地理方位角：以地理北极为基准的方位角。
添加标题
地理方位角=磁方位角+磁偏角
添加标题
井斜变化率：单位井段内井斜角的改变速度。以两测点间井斜角的变化量与两测点井段的长度的比值表示。
设计轨道
靶区
水 平 位 移
α-井斜角
定向井垂直投影图
垂 深
定向井是使井筒沿特定方向 钻达地下预定目标的油气井
什么是定向井？
定向井水平投影图
β
01
北
02
东
03
靶点
04
N
05
E
06
β-方位角
07
井口
08
设计轨道
09
实钻轨迹
10
为什么要钻定向井？
绕开地面地下障碍物 地下地质条件要求：由于地质构造特点采用直井不能有效地开发油气藏时 钻井技术的需要：遇到井下事故或复杂情况无法处理或者不易处理时。
常见钻具组合及定向井
一、满眼钻具组合又称刚性配合钻具或刚性满眼钻具,是一种安装在钻柱下部的刚度较大而且井径与钻柱外径之间间隙较小的防止井斜角和井眼曲率变大的一种钻具组合。
刚性满眼钻具一般是由几个外径与钻头直径相近的扶正器与一定长度外径较大的钻铤所组成。
它的防斜原理是在钻头以上的下部钻柱上安装一定数量的扶正器，以扶正合钻铤；提高下部钻柱的刚度，减少其弯曲程度，以消除钻头的严重倾斜，使其能减小和限制由于钻柱弯曲而产生的增斜力，同时扶正器能支撑在井壁上，抗衡地层自然造斜力，以达到控制井斜在最小范围内变化的目的。
为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有三个稳定点，除在靠近钻头处有一个扶正器外，其上面应再安放两个扶正器才能保持有三点接触井壁。
如果只有两点接触，钻柱就能循沿一条曲线，不能保证井眼的直线性。
如果有三点接触，就能保证井眼的直线性和限制钻头的横向移动。
具体如下：1.在垂直或接近垂直的井眼中钻具的防斜作用：当钻具在垂直或接近垂直的井眼中工作时，它的作用是保持井眼沿直线方向加深。
上扶正器能抵消由于上扶正器以上的钻柱弯曲所产生的横向力，使上扶正器以下的钻柱居中，同时也帮助下扶正器抵消地层横向力。
下扶正器的作用抵消地层横向力，限制钻头的横向移动，当地层造斜力不大时，满眼钻具能保持刚直居中状态，使钻头沿铅直方向钻进。
2. 增斜时钻具的防斜作用：当钻进时井斜较大的地层时，满眼钻具能有力地抵抗地层横向力，减小井斜的变化。
在地层横向力的作用下，下扶正器和钻头靠向井壁高的一侧，抵抗地层横向力，限制钻头横向移动。
同时地层横向力势必要扭弯下扶正器上的短钻铤，由于钻铤刚度大，能有力地抵抗此地层的横向力。
中扶正器也帮助中扶正器以下的钻柱抵抗地层横向力。
因此，限制了钻头的横向移动和侧斜。
在已斜井眼内，钻具还有一个纠斜作用，这是由于上扶正器以上的钻铤因自重的作用靠在井壁低侧，并以上扶正器为支点将力下传，作用于上扶正器下的一根钻铤上有一个弯矩，此弯矩使中扶正器靠井壁高的一侧，再以中扶正器为支点将力下传使钻头趋向于井壁低的一侧，产生一个纠斜力。
(一)定向井钻井技术概述
短曲率半径水平井的优缺点
第二节
井眼轨迹的基本概念
目的：掌握有关参数的概念及这些参数之间的关系。
一．轨迹的基本参数
测量方法：非连续测量，间断测量。“测段”，“测点”。 井深、井斜角和井斜方位角----轨迹的三个基本参数。 (1) 井深（或称为斜深、测深）
井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度。
以字母L表示，单位为米(m)。 井深增量（井段）：下测点井深与上测点井深之差。
长曲率半径水平井的优缺点
中半径弯曲井段所需要的垂直深度比长半径系统的深度小得多， 许多复杂的井段能够在中曲率半径水平井的垂直井段顺利通过。并 且能在钻弯曲井段和水平井段之前下入套管将其封固。当然，这样 做可能因为增加下套管井深而多一些费用，但是在比较短的弯曲井 眼中钻进能够节省时间和减少潜在的井眼复杂情况。 但是与长半径相比，中半径水平井也有一些缺点。这主要是中 半径水平井造斜率较大，所以接头的弯曲力矩、管串本体的材料应 力必须引起工程作业的重视；并且在比较松软的地层中钻进，中半 径水平井的大曲率所造成的侧向力在井壁上产生键槽并可能钻出新 井眼。 从经济方面考虑，与长半径水平井相比较，中半径水平井垂直 井段要长这段费用较低；虽然中半径水平井自造斜后开始，其单位 费用率高，但它减少了弯曲井段的进尺。国外有资料说明了这方面 的比较，认为总的费用大致与长半径水平井相当。
•为什么要钻定向井？
用于山丘、沙漠、河流等油田开发
•为什么要钻定向井？
地 下 油 层 的 需 要
•什么是丛式井？
丛式井就是一个平台上钻多口 井（两口或两口以上），可能有直 井、定向井、水平井或其它井。 丛式井可分为： 陆地平台丛式井 海洋钻井平台丛式井
•什么是多目标井？ 多目标井就是靶点在两口或两口以上， 可以是定向井、水平井或其它井。
定向井专用工具介绍
常规定向井工具的发展与现状
4．传动轴总成
定向井公司
袁俊国
第一部分
常规定向井工具的发展与现状
传动轴的作用
传动轴的作用是将 马达的旋转动力传递给 钻头，同时承受钻压所 产生的轴向和径向负荷。
定向井公司 袁俊国
第一部分
常规定向井工具的发展与现状
最大允许轴向轴承间隙说明：见图及表2
定向井公司
袁俊国
第一部分
定向井公司
袁俊国
第一部分
常规定向井工具的发展与现状
二、动力钻具(螺杆钻具) 工作原理
螺杆钻具是以泥浆为动力的一种井下 动力钻具。泥浆泵泵出的泥桨液流经旁通 阀进入马达，在马达进出口处形成一定压 差推动马达的转子旋转，并将扭矩和转速 通过万向轴和传动轴传递给钻头。
螺杆钻具的性能主要取决于螺杆马达 的性能参数。
螺 杆 钻 具 型 号 说 明
企业标志
D-表示弯钻具弯角形式： D-单弯（单弯壳体或弯接头）： P-大偏移距同向双弯（弯接头+单弯壳体）： T-同向双弯： S-异向双弯： 无-直钻具：
K-表示可调弯壳体钻具结构形式：
W-表示稳定器： H-表示可换稳定器： F-表示转子中空分流（省略-转子非中空）： G-表示钻具耐温特性（G-耐温150℃；省略-耐温120 ℃ ）： 防掉形式（SF-双防结构、省略-为单防） 产品改进次数（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ……） 钻头最大水眼压降（Mpa） 螺杆钻具规格（外径mm） 螺杆钻具产品代号 转子头数 马达形式（JC-加长马达、C-长导程马达、D-短马达、K-空气或泡 沫马达、Y-油基泥浆、省略-常规）
定向井公司 袁俊国
第一部分
常规定向井工具的发展与现状
2．马达总成
定向井工具简介
4
一、马 达（2）
马达内部结构图：
旁通阀总成
马达总成
万向轴总成 传动轴总成
单位名称－序号
5
一、马 达（3）
马达外型结构：
Á «
Á «
AKO
Á «
单位名称－序号
6
马达的工作原理（4）
马达是一种 螺杆钻具（SCREW DRILLS），它是以 泥浆作为动力的一种井下动力钻具。 马达工作原理：泥浆泵产生的高压泥浆流，经旁 通阀进入马达时，转子在压力泥浆的驱动下，绕定 子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速，通过万向 轴和传动轴传递给钻头，来实现钻井作业。
单位名称－序号
24
五、短非磁钻铤
短非磁钻铤的作用： 与非磁钻铤的作用类似，只是长度不同。
Hale Waihona Puke 短非磁钻铤尺寸、内外径及扣型：
8 "短非磁钻铤： 扣型：631*630 外径：8 " （203.2mm）
内径：3-1/4 " （82.55mm）
6-1/2 "短非磁钻铤：
扣型：411*410
外径：165.1mm
内径：3-1/4 “ 或 2-13/16 ” （71.4mm）
单位名称－序号
25
六、浮阀和定向接头（1）
浮阀的作用：
主要作用是防止泥浆倒流损害井下测量工具， 以及防止钻头水眼被堵。
定向接头的作用：
主要作用是为定向仪器（陀螺等）提供一个稳 定的座封环境，便于准确地知道马达等井下工具 的方向，保障下部作业顺利进行。
单位名称－序号
7
旁通阀总成---马达（5）
旁通阀结构及工作原理：
旁通阀有旁通和关闭两个位置，在起下钻时位于旁 通位置，下钻时匀许环空的泥浆由旁通阀阀体侧面的阀 口孔流向钻杆内孔，起钻时使钻杆内孔的泥浆从阀体侧 面的阀口流入环空，减少井台溢出泥浆，当泥浆流量及 压力达到一定值时，旁通阀关闭，泥浆流经马达，将泥 浆能量转换为机械能。
第三章---定向井主要钻井工具介绍
第三章---定向井主要钻井工具介绍第三章定向井主要钻井工具介绍3.1 泥浆马达介绍泥浆马达由：驱动头、轴承总成、万向接头、转子、定子和旁通阀组成。
其马达部分由定子和转子组成，泵入钻具的钻井液流经马达推动转子转动后再流经钻头，转子的旋转力传递给钻头带动钻头旋转。
图3-1，井下马达的主要部件。
图3-1井下马达的主要部件下面以纳维钻具为例分别介绍泥浆马达的各主要部件：3.1.1旁通阀旁通阀是为了使循环液绕过马达，因此，下钻时可让循环液灌入钻柱；起钻或接钻杆时可让管内液体泻出。
当无循环或低泵量循环时，弹簧使活塞处于上部位置，此时，孔道开启，泥浆可流入钻柱或自钻柱流出。
活塞的动作取决于排量，相当于推荐最大排量的30%时活塞被下推座于活塞座上，于是孔道被封闭，钻井液径直流经马达如果停泵，弹簧再将活塞顶回到原来上部位置，孔道又被开启。
图3-2 旁通阀示意图3.1.2 多级马达目前各类井下马达多为容积式马达，基本由以下两部分组成：①具有螺旋形内腔的橡胶硫化定子。
②螺旋形的钢转子，其表面镀有硬度材料以减少磨损并防止腐蚀。
在定子橡胶和转子抗磨及抗腐蚀金属表面间是连续密封的，所以当泥浆经马达时转子就转动(如图3-3所示)。
图3-3 容积式马达转子和定子剖视图这种马达最大优点是：①钻井扭矩直接和马达产生的压降成正比。
②转子的转速只取决于排量，不受扭矩的影响，因此，当进行钻井作业时，在钻台上就可以确定并控制转速和扭矩。
3.1.3 万向轴转子下端和万向轴总成相连,万向轴可把转子的非同心转动转变为驱动接头的同心转动。
万向轴总成由两个万向接头组成，每个万向接头均以抗油强力橡胶套密封并充满黄油，橡胶套密封的作用旨在使万向接头不受泥浆污染。
3.1.4 轴承总成和驱动接头用轴承支撑的驱动接头将马达的转动和扭矩传给钻头。
约有2%的泥浆排量通过并润滑轴承，绝大部分钻井泥浆经径向轴承上面的水槽进入驱动轴并经钻头流出。
3.1.5 泥浆马达的类型目前大多数泥浆马达都是按螺杆原理工作。
【钻井精品】34.定向井造斜方法与原理
2．射流钻头
钻头上安装1个大 喷嘴和2个小喷嘴。 依靠大喷嘴的射流 冲击力冲出斜井眼， 如图所示。
3．下部钻具组合
一般用于已有一定井斜角眼进行增斜、稳斜或降斜。
⑤∠QAB1即为增斜扭方位的装置角ω1；∠QAB2即为降斜扭方位的 装置角ω2； ⑥OB1长度（换算成角度），即为增斜扭方位之后的井斜角α2； OB2长度（换算成角度），即为降斜扭方位之后的井斜角α2。
增斜 增方位
ห้องสมุดไป่ตู้
（二）定向方位角的确定
1．反扭矩与反扭角的概念 当使用井底动力钻具驱动钻头破碎岩石时，钻柱受到 与钻头转动方向相反的反扭矩作用。 由于钻柱存在弹性，在反扭矩作用下，钻柱向钻头转 动方向的反方向产生扭转变形，该扭转变形的角度称 为动力钻具的反扭角（反扭角就是启动前的工具面与
定向角是定向工具面角的简称，在定向或扭方位钻进时工具面 所处的位置，用工具面角表示。工具面的位置有工作位置与非 工作位置之分， 工作位置是指启动井下动力钻具正常钻进的 工具面角，非工作位置是指不启动井下动力钻具时的工具面角。 高边 井眼在斜井段处的任一个横截面都是一个倾斜的圆（井眼轨迹 实际上是一个具有一定直径的圆柱体），该圆上存在一个最高 点，其圆心与最高点的连线称为井眼的高边。高边方位就是井 眼方位。
目前国内常用的两种定向接头：定向直接头和定向弯接头。 定向直接头用于弯壳体螺杆钻具定向钻进，定向弯接头用于 直壳体螺杆钻具定向钻进。
定 向 直 接 头
定 向 弯 接 头
定向接头的定向方法
2．可变径稳定器
可变径稳定器是一种在钻井过程中控制和 调整井眼井斜角的工具。可变径稳定器有3 个翼片，每个翼片上有4~5个活塞，可以伸 缩。活塞通过凸轮筒控制进退。通过调整 稳定器外径的大小，改变下部钻具的井斜 控制能力，从而控制井眼的井斜角。
定向井测量仪器简介1
第一编基本知识第一章名词解释1、井斜角：该测点处井眼切线（方向线）同铅垂线之间的夹角。
2、井斜方位角：以真方位线为始边，顺时针旋转至井眼方位线所转过的角度。
3、高边工具面：仪器工具面同井眼高边工具面之间的夹角叫高边工具面角4、磁性工具面：仪器工具面同磁北极工具面之间的夹角叫磁性工具面角。
5、测深：仪器传感器位臵所在的深度。
6、定向井：井眼按照预定方向（设计方向）钻达目的层的井叫做定向井。
7、磁偏角：地理北极同磁北极之间的夹角叫磁偏角。
第二章基本概念定向钻井测量仪器是定向工作者的眼睛，是控制井眼轨迹必不可少的工具。
定向钻井测量仪器和定向钻井工艺是相辅相成的，二者缺一不可。
现在随着越来越多的定向钻井实践证明，定向钻井技术的发展，主要依赖于先进的测量仪器和先进的工具，只有先进的仪器和工具才能打出高质量高难度的井来。
定向井测量是为定向井服务的，目前定向井测量仪器包括单多点测量、陀螺测量、随钻测量三种，随钻测量又分有线随钻测量和无线随钻测量两种类型。
单多点仪器测量主要利用浅井定向和施工井完成井段轨迹测量，主要有照相单多点和电子单多点两种；陀螺测量主要用于有磁干扰环境下的定向和轨迹测量，分为框架陀螺和挠性陀螺，主要有地面记录陀螺、电子陀螺、框架式挠性陀螺和动调式自寻北陀螺；随钻测量主要应用于深井定向和水平井测量施工，主要有有线随钻仪器（SST、MS3、DST、RST、YST 等）和无线随钻仪器。
有线随钻测量主要通过电缆分别同井下仪器（探管）和地面接收处理设备连接，地面设备包括地面供电装臵、地面处理仪、打印机、司钻阅读器、电缆排放缠绕设备（车装设备、撬装设备）以及其他配套设备组成，井下仪器包括探管，外筒总成等组成。
无线随钻包括泥浆脉冲（正脉冲、负脉冲）无线随钻和电磁波无线随钻两种类型。
第三章仪器分类照相单多点磁性仪器：电子单多点：ESS、YSS、RSS电磁仪器：随钻类：有线类：SST、MS3、RSS测 YST、DOT、DST量无线类：泥浆 SPERRY-SUN仪脉冲类：SCIENCE DRILLING器 GEOLINK QDTYST-48X电磁波： SPERRY-SUNSCIENCE DRILLING非磁性框架陀螺 SRO地面记录陀螺仪器： BOSS电子陀螺挠性陀螺 KEEPER 陀螺TLCX动调式自寻北陀螺斯伦贝谢第二编仪器介绍第一章通用部分注意事项1 凡是进口的ESS,SST,MS3（美国SPERRY-SUN公司产）等测量仪器，其电源都是110伏，绝对不能误用220伏电源为这类测量仪器供电。
定向井专用工具介绍螺杆知识分享
定向井专用工具介绍一、用途螺杆钻具是造斜、扭方位、侧钻施工必不可少的工具。
直井作业也常用到。
二、结构螺杆钻具由旁通阀、马达、万向轴、传动轴和旋转钻头短节组成。
近几年，研制岀了不同弯曲角的弯螺杆，有单弯、同向双弯、异向双弯等。
三、工作原理螺杆钻具是靠循环钻井液的动能转化为旋转钻头破碎岩石的机械能的一种井下动力钻具。
钻井泵排除的钻井液流经旁通阀进入马达，在马达的进岀口形成一定的压力差，推动马达的转子旋转，并将扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，实现钻进的目的。
四、技术参数（以北石厂螺杆为例）1、螺杆钻具型号表示方法（表22）C 5 LZ 172 * 7.0 II -D K W F G2、螺杆钻具技术参数(表23多头，以北石厂螺杆为例)3、螺杆钻具技术参数(表24单头，以北石厂螺杆为例)钻具型号外径(mm) 流量冲空流量钻头钻速(r/min)马达压降(MPa)工作扭矩(N.m)最大扭矩(N.m)推荐钻压(kN)最大钻压(kN)最大功率(kW)长度(m)连接螺纹(API正规)上端下端LZ127*3.5 127 9.5〜18.5 355 〜560 2.5 576 1152 20 40 33.78 5.8 31/2 31/2 LZ165*3.5 165 12.6 〜22 275 〜480 2.5 935 1870 29 55 47 6 41/2 41/2 LZ197*3.5 197 19 〜28.4 275 〜415 2.5 1532 3064 54 83 66.6 6.2 51/2 65/8 LZ244*3.5 244 25.2 〜44 215 〜375 2.5 2632 5246 49 102 103 7.87 65/8 75/8 LZ100*7.0 100 4.7 〜11 280 〜700 5.17 650 1300 35 57 47.65 6.4 27/8 27/8 LZ120*7.0 120 6.33 〜15 245 〜600 4.0 790 1580 35 70 50 6.4 31/2 31/2 LZ127*7.0 127 9.5 〜19 345 〜690 3.1 712 1424 47 110 51.5 6.6 31/2 31/2 LZ165*7.0 165 15.8~25.2 350 〜550 4.1 1817 3634 80 160 104.7 7.3 41/2 41/2 LZ197*7.0 197 19 〜31.6 230 〜390 4.1 2928 5856 120 240 120 7.8 51/2 65/8 LZ244*7.0 244 38 〜63 240 〜400 4.1 6236 12472 213 329 261.2 9 65/8 75/84、螺杆钻具技术参数(表25空气或泡沫)钻具型号外径(mm) 流量/中空流量钻头钻速(r/min)马达压降(MPa)工作扭矩(N.m)最大扭矩(N.m)推荐钻压(kN)最大钻压(kN)最大功率(kW)长度(m)连接螺纹(API 正规)上端下端K5LZ95*7.0 95 5〜10 60 〜130 2 1000 1600 30 60 13.61 5.82>7/8 27/8K7LZ120*7.0 120 10 〜20 50 〜100 1.8 2770 4430 55 100 29.0 6.2 31/2 31/2 K7LZ172*7.0 172 22 〜38.5 50 〜100 2.4 6000 9600 150 300 62.8 6.7 41/2 41/2 K7LZ197*7.0 197 33.5〜56.7 50 〜80 2.4 11000 17600 200 38092.2 6.9 51/2 65/8四•螺杆钻具使用方法1.地面检查(1)螺杆上、下接头(旋转钻头短节)是否有松扣或松动现象，如有松扣现象进行紧扣。
定向井专用工具介绍-无磁
（1）无磁钻铤使用长度要根据井斜和方位的不同情况进行合理选择；
（2）测量时，测斜仪位置必须按要求放在无磁钻铤中下部；
（3）由于无磁钻铤比普通钻铤硬度高，上扣时注意不要错扣。
二、无磁承压钻杆
1、ห้องสมุดไป่ตู้义
无磁承压钻杆又叫无磁加重钻杆，它的壁厚介于钻杆和钻铤之间，能承受拉伸载荷，也允许承受压缩载荷。
2、用途
替代无磁钻铤的功用，使具有磁通门或磁性测量仪器不受钻具磁场的影响，确保磁性测量仪器数据准确。
3、规格（表27）
外径（mm）
内径（mm）
连接螺纹
重量（kg）
长度9300mm
紧扣扭矩
KN·m
88.9
52.40
NC38
345
13.4
127.0
76.2
NC50
673
40.0
4、使用要求
（1）无磁承压钻杆使用长度要根据井斜和方位的不同情况进行合理选择；
2、规格（表26）
外径（mm）
内径（mm）
连接螺纹
重量（kg）
长度7620mm
长度7620mm
88.9
38.10
NC26
302
362
120.65
57.15
NC35
531
662
158.75
71.44
NC46
947
1178
158.75
57.15
NC46
1034
1245
165.1
71.44
NC46
1043
（2）测量时，测斜仪位置必须按要求放在无磁承压钻杆中下部；
（3）由于无磁承压钻杆比普通加重钻杆硬度高，上扣时注意不要错扣。
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定向井简介
1）井斜变化率——以Ｋα表 示，严格地讲，井斜变化 率是井斜角α对井深Ｌ的 一阶导数，可写为： 以增量代替微分，以相邻 二测点间的井斜角变化值 （Δα）与二测点间井段 长度（ΔL）的比值来表示 井斜变化率的。 求得的乃是该测段的平均 井斜变化率
da K dL
K L
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定向井简介
2）方位变化率——以Ｋφ表 示。严格地讲，方位变化 率是方位角φ 对井深Ｌ的 一阶导数，可写为： 以增量代替微分，以相邻 二测点间的方位角变化值 （Δφ ）与二测点间井段 长度（ΔL）的比值来表示 方位变化率的。 求得的乃是该测段的平均 方位变化率
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定向井简介
2.地下地质条件的要求： 对于断层遮挡油藏，定向 井比直井可发现和钻穿更 多的油层；对于薄油层， 定向井和水平井比直井的 油层裸露面积要大得多。 另外，侧钻井，多底井， 分支井，大位移井，侧钻 水平井，径向水平井等等 定向井的新种类，显著地 扩大了勘探效果，增加了 油气产量，提高了油气藏 的采收率。
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定向井简介
1.井深L——指井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼 长度，也有人称之为斜深，国外称为测量井(MeasureDepth)。 井深是以钻柱或电缆的长度来量测。井深既是测点的基本参 数之一，又是表明测点位置的标志。 2.垂深D——测点的垂直深度。 3.井斜角 —测点处井眼方向线（切线）与重力线间的 夹角。 4.方位角θ —正北方向至测点处井眼方向线在水平面投 影线间夹角。 5.水平位移—测点至井口所在的铅垂线的距离。(闭合距)
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定向井及工具
王瑞城 2013-7
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主要内容
定向井简介 定向工具 测量工具
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定向井简介
2.井斜角的大小范围定向井又可分为： 常规定向井 ——井斜角＜55 ° 大斜度井 ——井斜角55 ° ～85° 水平井 ——井斜角＞85°
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定向井简介
• 井身基本参数
所谓井眼轨迹，实指井眼轴线。 一口实钻井的井眼轴线乃是一条空间曲线。为了进行轨 迹控制，就要了解这条空间曲线的形状，就要进行轨迹 测量（常说的测斜）。目前常规定向井是每隔一定长度 的井段测一个点。这些井段被称为“测段”，这些点被 称为“测点”。水平井使用随钻测量。 测斜仪器在每个点上测得的参数有三个，即井深、井斜 角和井斜方位角。这三个参数就是轨迹的基本参数。
d K dL
K L
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定向井简介
3）全角变化率——从一点到另一点，井眼前进方向变化的 角度（两点处井眼前进方向线之间的夹角），既反映了井 斜角的变化，又反映了井斜方位角的变化。人们将此角度 称为全角变化值，或称为狗腿角，通常以γ表示。 井段长度不变，狗腿角越大，则井眼前进方向变化的越快， 井眼弯曲越厉害，井眼曲率越大。 全角变化率也称为井眼曲率，又称狗腿严重度(简称为狗 腿度)，都是同一个概念，是指单位长度井段内狗腿角的 大小。 井眼曲率计算方法: 有公式计算法、查图法、图解法、查 表法和尺算法等五种。后四种皆来源于公式计算法。公式 计算法又可分为三套。
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定向井简介
• 定向井分类
1.常规剖面类型主要有两种： 一种是“直-增-稳”剖面， 在我国现场上称为三段制剖 面; 另一种是“直-增-稳-降稳”剖面，现场上称为“S” 形井眼或“五段制剖面”。
O
AB
C D
A B
dMethaneCo.,Ltd.
定向井简介
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定向井简介
6.水平长度—井深在水平面上的投影长度。 7.闭合方位角—在水平投影图上测点处正北方向与闭合 方位线间的夹角。 8.视平移—测点水平位移在设计方位线上的投影。又称 投影位移。 9.井斜变化率—单位井段内井斜角的变化速度。 10.方位变化率—单位井段内方位角的变化速度。 11.全角变化率—单位井段内井眼钻进的方向在三维空 间内角度的变化，它既包括井斜角的变化也包括方位角的变 化，俗称“狗腿度”。
定向井简介
• 定义
定向钻井是使井眼沿预先 设计的井眼轴线（井眼轨迹） 钻达预定目标的钻井过程。
定向井—— “按预定设计的具有井斜和方 位变化轨道钻进的井”。
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• 定向井用途（为什么打 定向井？）
1.地面环境条件的限制：当 地面上是高山，湖泊，沼 泽，河流，沟壑，海洋， 农田或重要的建筑物等， 难以安装钻机，进行钻井 作业时，或者安装钻机和 钻井作业费用很高时，为 了勘探和开发它们下面的 油气田，最好是钻定向井。 （征地难度大，为节约井 场）
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定向井简介
3.处理井下事故的特殊手 段：当井下落物或断钻事 故最终无法捞出时，可从 上部井段侧钻打定向井； 特别是遇到井喷着火常规 方法难以处理时，在事故 井附近打定向井(• 称作救援 井)，与事故井贯通，进行 引流或压井，从而可处理 井喷着火事故。