第三章---定向井主要钻井工具介绍
定向井及工具综述
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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)
定向井及工具
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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）
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图卜h井下马达询主要部件F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%寸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旁通阀示意图图3四旁通阀示憲图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37 容联式马达赫子和定子剧视图图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。
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。
定向钻井常用工具及仪器
3-1 无磁钻铤 3-2 螺杆钻具 3-3 测斜仪器
3-1 无磁钻铤
1、作用：为磁性测斜仪提供一个没有局部磁场干扰的工作 环境，防止磁罗盘读数失真。
磁性测斜仪测量井眼数据时，磁罗盘必须与地磁场相符合， 所在的钻柱处不能有使罗盘读数失真的局部磁场。
普通钢钻铤容易被磁化，尤其在接头处还会形成“磁极”， 由此产生的局部磁场会使磁罗盘的读数失真。
3-2 螺杆钻具
1、基本结构
由四部分组成，从上至下依次为： • 旁通阀总成； • 马达总成； • 万向轴总成； • 传动轴总成。
3-2 螺杆钻具 1、基本结构
A、旁通阀总成
• 作用：停泵时使钻柱内空间与
环空沟通，避免起下钻和接单根 时钻柱内钻井液溢出污染钻台， 影响正常工作。
旁通阀是螺杆 钻具的辅助部
结构及工作原理：壳体和万向轴。
a) 直螺杆钻具的万向轴壳体无弯角，而弯壳体 螺杆钻具式，普遍采用瓣 型连接轴和挠性连接轴。
3-2 螺杆钻具 1、基本结构
D、传动轴总成
作用：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。
结构及工作原理：
件。
• 结构：由阀体、阀芯、弹簧、筛 板等组成。
3-2 螺杆钻具 1、基本结构
A、旁通阀总成
工作原理：
a. 开泵时，钻井液压力迫使阀 芯向下运动，造成弹簧压 缩并关闭阀体上的通道 （内装筛板过滤异物）， 此时螺杆钻具可循环钻井 液或正常钻进。
b. 停泵时，钻井液压力消失，被压缩的弹簧上举阀芯，旁通阀 开启，使钻柱内空间与环空沟通。
磁性测斜仪的保护筒、测量时仪器所在的钻铤都必须 使用不能被磁化的无磁材料制成。
3-1 无磁钻铤
定向井专用工具解读
(7)、导向总成
导向钻具有单弯钻具和双弯钻具两种。 导向单弯钻具，是在马达下部设置一带角度的短 节，从而使弯曲点尽可能靠近钻头，提高造斜率。 导向双弯钻具，是在单弯钻具的基础上增加一弯 接头，以提高造斜性能，根据其弯曲方向、度数 及联接部位可有多种组合方式。
2、钻具规格及技术参数
(1)钻具表牌说明 (2)技术参数
（7）钻具轴承间隙要求
钻具经过一段时间的使用，必须进行检修，否则 将影响钻具的再次下井使用，判断钻具能否继续 下井使用的一般方法是：钻具除在井口试验正常 外，还要看其推力轴承的磨损程度，可测量主轴 的轴向窜动量，窜动量要在额定范围之内，否则， 钻具必须进行维修。测试方法如下：(如下图)
首先，将钻具用吊卡吊起来，测量并记录不转 动部分的最下端一下径向轴承的下端和驱动接 头之间的间隙尺寸D1。 然后，将钻具座在转盘上，用钻具自身重量压 缩轴承总成，测 量并记录不转动部分的最下 端和驱动接头之间的间隙尺寸D2。 D1—D2即为推力轴承间隙值，见表1。
d.地面检查结束后，用吊钳卡住驱动接头，用 钻头盒将钻头和钻具上紧扣，卸下方钻杆，按 设计的钻具组合把各联接件上紧，要防止粘扣、 错扣，应保证传动轴驱动接头相对于上面的壳 体反时针转动，以防止钻具内部的零件松扣或 脱扣。 使用定向弯接头时，定向弯接头带的定位键必 须和工具面对正，如果在钻头和传动轴之间加 转换接头，建议其长度不超过 250mm 长，否则 将影响轴承寿命及造斜效果，甚至损坏传动轴。
a．组合推力轴承：
用以承受工作状态时的钻压，马达、钻头水眼压 降产生的轴向力及转子、万向轴、传动轴、钻头 重量等各轴向力的合力。
b．径向滑动轴承
它分为上、下两组，主要作用是承受转子作行星 运动引起的弯曲载荷和钻头转动时产生的侧向力， 上径向轴承对钻井液起限流作用，它允许马达流 出钻井液的 5—10％通过轴承组件，起着冷却和润 滑轴承的作用。
【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。
第3章 定向钻井常用工具及仪器
3-2 螺杆钻具
3、分类方法
(1)按螺杆马达的结构特征分类
根据螺杆马达的结 构特征及其结构参 数进行分类。
a) 按螺杆马达转子端面线型的“头数”N（Lobe，又称波瓣数）， 可分为单头钻具（N=1）和多头钻具（N2）。单头马达具有高转 速、小扭矩特性。多头马达具有低转速、大扭矩特性。 b) 按马达转子与定子头数的关系进行分类。原理上讲，只要二者头 数相差1均可构成螺杆马达，可分为N/（N+1）型N/（N－1）型两 种。 目前油气井作业中普遍采用N/（N+1）型螺杆钻具。 c) 按马达“级数”进行分类。螺杆马达的定子－转子运动副的长度 与定子导程长度的比值，即定子－转子运动副所包含的定子导程 的整倍数，称为螺杆马达的级数（Stage）。实际用于钻井作业的 螺杆钻具马达，单头的多在3级以上，多头的多在2级以上。级数 越多，马达可输出的工作力矩值越大。
• 北京石油机械厂、大港中成石油机械厂、天津立林公司。
3-2 螺杆钻具
1、基本结构
由四部分组成，从上至下依次为：
• 旁通阀总成；
• 马达总成； • 万向轴总成； • 传动轴总成。
3-2 螺杆钻具 1、基本结构
A、旁通阀总成
• 作用：停泵时使钻柱内空间与
环空沟通，避免起下钻和接单根
旁通阀是螺杆 钻具的辅助部 件。
结构及工作原理：壳体和万向轴。
a)直螺杆钻具的万向轴壳体无弯角，而弯壳体 螺杆钻具的万向轴壳体带有弯角。
b)万向轴有几种不同的结构形式，普遍采用瓣
型连接轴和挠性连接轴。
3-2 螺杆钻具 1、基本结构
D、传动轴总成
作用：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。
定向井常用井下工具
定向井常⽤井下⼯具油⽥技术－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。
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。
随钻测井仪器介绍
钻井过程中测量的方法、参数和基准
地理北极
磁北极
栅极北极
子午线 收敛角
磁偏角
S O
性质和特点
石油钻井过程中的测量需要借助三种媒介, ——大地的重力场、大地磁场、天体坐标系
测量仪器分类
适用范围
1. 磁罗盘单、多点照相测斜仪 这类仪器适用于普通定向井和无邻井磁干扰的丛式井中与无磁钻铤配合使用, 为井下钻具组合定向或测取 井身轨迹数据。 2. 有线随钻测斜仪 有线随钻测斜仪适用于较深的定向井、无邻井磁干扰的丛式井或大斜度井、水平井中与无磁钻铤配合使用, 为井下钻具组合定向。 3. 无线随钻测斜仪 无线随钻测斜仪适用于超深定向井、大斜度井、水平井中或海洋钻井平台上与无磁钻铤配合使用, 为井下 钻具组合定向或测取井身轨迹数据。 4. 电子多点测斜仪 电子多点测斜仪适用于精度要求较高的定向井、无邻井磁干扰的丛式井、大斜度井、水平井中或海洋钻井 平台上与无磁钻铤配合使用, 为井下钻具组合定向或测取井身轨迹数据。 5. 照相单、多点陀螺测斜仪 这类仪器适用于已下探管的井眼中测取井身轨迹数据, 或在丛式井、套管开窗井中为井下钻具组合定向。 6. 电子陀螺测斜仪 电子陀螺测斜仪适用于已下探管的井眼中测取较高精度的井身轨迹数据, 或在丛式井、套管开窗井中为井 下钻具组合定向。
元件为测角器、罗盘重锤或重力加速度计等。这类仪器的测 量基准是测点与地心的连线, 即铅垂线。
钻井过程中测量的方法、参数和基准
1、测量方法：间接测量 2、测量参数：大地的重力场、 3、基本测量单元：重力测量仪
性质和特点
石油钻井过程中的测量需要借助三种媒介, ——大地的重力场、大地磁场、天体坐标系
3定向井设备
7 定向井培训材料—邢忠玺 5/8"REG 9700 3 1/2"REG 966~1242
3.1.6.3 各种工具的上扣扭矩
ID(in) 6"BIT 8 1/2"BIT 9 1/2"BIT 12 1/4"BIT 17 1/2"BIT 9"NMDC 8"NMDC 7"NMDC 6 1/2"NMDC 4 1/2"NMDC 11 1/2"MILL 8 1/4"MILL 5 1/2"MILL 4 1/2"MILL 5LZ244 5LZ197 7LZ172 5LZ165 5LZ120 1ft1b=0.138255kgM 3" 2 13/16" 2 13/16" 2 13/16" 2 1/2" T hread 3 1/2"REG 4 1/2"REG 6 5/8"REG 6 5/8"REG 7 5/8"REG 7 5/8"REG 6 5/8"REG 4 1/2"IF 4 1/2"IF 2 7/8"IF 6 5/8"REG 4 1/2"REG 3 1/2"REG 2 7/8"REG 6 5/8"REG 6 5/8"REG 4 1/2"IF 4 1/2"IF 3864~4466 4692~5520 9080 6320 3840 3520 800 3600 2900 1050 600 6100 500 2500 2500 27948~32303 33937~39926 65676 45713 27775 25460 5788 26039 20976 7595 4340 44121 3617 18083 18083 9403 285.7 222.7 163.2 146.4 daN-m 966~1242 1656~2208 ft-1b 6987~8983 11978~15970 Weight
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。
定向井专用工具介绍
图1-8
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
马达定子一个导程组成一个密封腔， 也称为一级。每级额定工作压降为0.8Mpa, 最大压降为额定工作压力的1.3倍，如四 级马达，额定压降应为3.2Mpa，最大压降 为4.2Mpa。压降超过此值马达就会产生泄 漏，转速很快下降，严重时会完全停止转 动，甚至造成马达损坏，使用时应特别注 意。
定向井公司
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第一部分
常规定向井工具的发展与现状
螺杆钻具的结构及其作用
螺杆钻具主要由以下几部分组成： 1、旁通阀总成 2、马达总成 3、万向轴总成 4、传动轴总成
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第一部分
常规定向井工具的发展与现状
1、旁通阀总成
旁通阀设置在马达的上部，它由阀体、阀芯、阀座、弹簧、滤套等组成， 其功用如下： a．下钻时，井眼中的钻井液由旁通阀引入钻杆柱内，减小下钻过程的阻 力，平衡钻杆内外液柱压力。 b．起钻时，钻井液由钻杆柱内经旁通阀侧孔流入环空，不致使钻井液溢 于井台。 c．钻具工作时，高压钻井液流经旁通阀，推动阀芯，压缩弹簧，关闭旁 通阀侧孔，所有钻井液流经马达，把压力能转换为机械能。
目
录
目
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第一部分 常规定向井工具的发展与现状
第二部分 开窗（断铣）定向工具的发展与现状 第三部分 旋转导向工具的发展简介 第四部分 大位移延伸井井下专用工具简介
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
第一部分 常规定向井工具的发展与现状
一、定向接头 （一）、类型 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钻具定向钻进，定向弯接头用于直 壳体螺杆钻具定向钻进。 （二）、基本结构 1、定向直接头的基本结构，包括壳体、扶正套、定向键和定 位螺钉。如图1-1所示：
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 «
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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。
定向方法与定向专用工具介绍
1．单点定向此方法只适用造斜点较浅的情况，通常井深小于1000米。
因为造斜点较深时，反扭角很难控制，且定向时间较长。
施工过程如下：（l）下入定向造斜钻具至造斜点位置（注意：井下马达必须按厂家要求进行地面试验）。
（2）单点测斜，测量造斜位置的井斜角，方位角，弯接头工具面；（3）在测斜照相的同时，对方钻杆和钻杆进行打印，并把井口钻杆的印痕投到转盘面的外缘上，作为基准点；（4）调整工具面（调整后的工具面是：设计方位角十反扭角）。
锁住转盘、开泵钻进；（5）定向钻进。
每钻进2～4个单根进行一次单点测斜，根据测量的井斜角和方位角及时修正反扭矩的误差，并调整工具面；（6）当井斜角达到8～10度和方位合适时，起钻换增斜钻具，用转盘钻进。
在单点定向作业中要注意：①在确定了反扭角和钻压后，要严格控制钻压的变化范围，通常在预定钻压±千牛（2吨）内变化；②每次接单根时，钻杆可能会转动一点，注意转动钻杆的打印位置至预定位置；③如果调整工具面的角度较大（＞90度），调整后应活动钻具2～3次（停泵状态），以便钻杆扭矩迅速传递。
第六节方位调整段轨迹控制一、什么时候需要下动力钻具调整井眼轨迹（1）井眼的方位角不符合设计要求时。
（2）利用转盘钻已经达不到合理调整井眼井斜角和方位角的要求时。
（3）井眼的井斜角不符合设计要求时（转盘钻钻具组合已经达不到要求）。
二、下入什么样的钻具组合进行井身轨迹调整：根据井眼轨迹调整所需要的造斜率来决定下入的钻具组合，一般来说需要按造斜率的大小来选择钻具组合：造斜率在10°～15°/100米之间可以下入弯接头的钻具组合来完成。
造斜率在15°～30°/100米之间可以下入单弯的钻具组合来完成。
造斜率在30°～45°/100米之间可以下入双弯的钻具组合来完成。
（目前改进了的单弯造斜率已有所提高）一般情况：30°/1000米左右，但也有其他情况，反扭角不仅仅是受到钻压的影响，还受到井眼光滑程度的影响等等。
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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。
根据定子和转子的螺旋角和凸瓣数(头数)决定其扭矩和转速。
根据转子/定子头数关系的不同，可分为低转速高扭矩马达和高转速低扭矩以及中转速中扭矩马达。
如1/2转子和定子关系的马达是高转低矩马达，而7/8头关系的马达是低转速高扭矩马达。
一般来说，转度低的马达对钻头磨损小，岩屑颗粒较大；而高度低扭矩马达，对钻头磨损较严重，切削的岩屑细。
由于水平钻进的发展，泥浆马达的结构有了许多改进，以满足水平钻井的要求。
如泥浆马达的壳体做成弯角形式，甚至不止一个弯角，这相当于把造斜时马达上方的弯接头下移到马达本身壳体上。
根据弯角搭配可分为：单弯、同向双弯、异向双弯角马达，这些马达往往还配扶
正器。
带扶正器的异向双弯角马达就是所谓的导向马达，它既能转盘稳斜，又能定向造斜。
单弯壳体和同向双弯马达的造斜率可满足中曲率半径(8°～20°/30m)水平井的造斜要求。
并且其中一些马达的弯角还可调，有的通过遥控进行，有的在钻台进行。
图3-4：水平井马达系统示意图
3.1.6 泥浆马达的操作和故障排除
①泥浆马达入井前,应在钻台进行试验：检查轴承间隙、检查旁通阀弹簧的复位能力、小排量启动马达，看马达是否工作并记下该排量和泵压。
泥浆马达一般配合弯接头造斜或纠方位，因此下井后要缓慢下钻。
完成作业后，则要清洗马达，如有可能，应以清洗液(如海水、淡水等)清洗。
②泥浆马达故障排除
3.2 马达钻进时的主要工具
常规定向井作业时，马达钻进主要用于造斜和纠方位。
一套典型的造斜钻具组合的工具包括：钻头+泥浆马达+弯接头+单流阀+定向接头+无磁钻铤等。
根据测量方式的不同，仪器部分的结构也有所不同。
比如Speny-sun MWD，测量仪器的坐入需要一根无磁长钻铤和一个无磁悬挂短节。
如果是SST测斜，由于SST的信号传递是靠电缆，因此还需要一个旁通头或循环头，其作用是通过它把电缆送入钻具直至井底。
下面分别简单介绍上述主要工具的作用：
①弯接头。
它是造斜钻具产生侧向力的原因。
弯接头壳体上有高边标志线，所谓高边即弯接头的弯曲方向。
②单流阀。
它不允许泥浆倒流。
因为井底砂子较多，岩屑颗粒较大，如果不加单流阀，当停泵测斜时，从井底经钻头涌入的砂子有可能堵死马达或测量仪器。
③定向接头。
其作用是支撑和固定测量仪器，使仪器测出准确的工具面。
④无磁钻铤。
无磁钻铤的作用一是避免由于使用钢钻铤而对测量仪器产生的磁影响；二是屏蔽上下钻具及井壁周围的磁场，以保证磁性测量仪器测量结果的准确性。
⑤循环头。
当测量仪器是SST时，它被装在水龙带与方钻杆连接处，电缆由它进入钻杆。
造斜钻进时，用高压油闭封电缆入口，避免泥浆外泄。
每打完一工作立柱，接下一立柱时，必须把测量仪器从井底提进工作立柱。
接好立柱后，再把测量仪器送到井底。
⑥旁通头。
其作用也是使用SST仪器时，使电缆通过它进入钻具直至井底。
但它比循环头好，因为每次测斜完毕，不必上提仪器，而可以直接接一立柱。
旁通头被安装在钻具上。
3.3 转盘钻进时的主要工具
转盘钻进时的主要定向井工具有：扶正器、短钻铤、非磁钻铤以及方位变向器。
下面分别简单介绍上述工具。
①直井和定向井的钻具组合都使用扶正器，但扶正器的形状、尺寸和位置对定向井轨迹控制尤其重要。
一般来说，螺旋型翼片的扶正器适合于定向井，特别是近钻头扶正器。
②短钻铤用于不同的钻具组合(增斜、降斜、稳斜)，使钻具组合获得不同的刚性及井斜和方位变化率，以达到轨迹控制的要求。
③方位变向器。
故名思义，方位变向器就是用来控制和改变定向井井眼方位大小的工具(钻具)。
在转盘钻井工艺中，可用通过改变钻具组合的方法控制井斜角的变化率。
但对方位的变化通常是无能为力的。
常用的解决方位漂移的方法是：预留提前角和用井下动力钻具进行“扭方位”作业。
人们一直在试图找到能用于转盘钻调方位的工具和方法。
方位变向器正是这样开发出来的。
目前，有两种方位变向器：一是美制的滑动叶板变向器；二是套筒型方位控制器。
二者工作原理类似，但后者更合理，实际效果更好一些。
方位变向器的原理是：方位变向器紧换钻头，随钻具一起旋转。
每旋转一周，方位变向器使钻头受到一个与地层漂移方向相反的水平侧向力的作用，从而使井眼方位向地层漂移力的反方向漂移，或者通过抵消地层漂移力，使井眼方位不再漂移。
由于方位变向器没有得到广泛使用，因此不再详述。
④如果使用单点测斜仪跟踪轨迹，还需要承托环。
承托环装在钻头上或非磁钻铤下端，用以支撑单点测斜仪。