水平井钻井专用工具

水平井钻井专用工具

水平井钻井技术是指在一定钻井工艺的控制下使井眼由垂直状态变为水平状态或近似水平状态，这种钻井原理同定向钻井极为类似，也可以说，水平井钻井即是一种难度较大的特殊定向钻井。水平井要求在产层或某一指定的地层钻成有一定长度延伸的水平段，这就决定了其工艺上固有的特殊性。而工具的选择与使用必须能够保证钻头（或钻柱）按照设计的井眼轨迹准确运行。

水平井、特别是中半径水平井井身轨迹的特殊性，需要造斜工具必须具有较高的造斜能力，这是钻成水平井的基本保障；其次，在满足高造斜率要求的基础上还必须使工具有较好的稳定性。要想使井眼有一定的偏斜并不困难，以往的定向钻井工艺早已解决了这方面的问题，但当井斜角大到一定程度后，继续增斜、至使井斜角接近或超过90°，这就存在着很大的难度，这是常规的定向钻井工具所不能完成的。另外，水平井段的钻进也是我们前未遇的新问题，钻柱在这种特殊状态下的延伸必须有特殊的工具辅以维持。

为了满足水平井钻井施工的需要，设计制造出钻各种大、中曲率半径水平井的井下专用工具，通过现场试验使用进一步改进完善，总结出适合水平井钻井的工具模式。一般说来，水平井钻井的生产工序环节，大致上分为造斜，增斜、稳斜或稳平，有时根据地质要求需另附加水平取芯段。水平井井身轨迹的控制要求严格，各阶段使用的工具不尽相同，各种工具的研究技术难点也各不相同。

水平井钻井工具主要包括水平井钻井常用井下工具和地面工具两部分，该章主要介绍的井下工具是稳定器、无磁钻铤、螺旋钻铤、加重钻杆、定向接头、弯接头、定向弯接头、定向造斜专用PDC钻头、井底动力钻具(螺杆动力钻具、涡轮钻具)?和水平井取心工具等。地面工具主要包括转盘量角器、钻杆量角器、钻铤量角器、方钻杆标定尺、钻杆划线规、定向键调节扳手。

稳定器

一、概述

稳定器用途最为广泛，不论是增斜降斜段，还是稳斜稳平段，都是不可缺少的工具之一。根据不同生产段的需要和水平井自身的特点，有着不同稳定器的形状及几何尺寸。综合考虑各种客观因素，确定稳定器在钻具组合中的最佳位置。

1.稳定器的种类：

按稳定器的结构可将稳定器分为以下几种类型：螺旋稳定器、直条稳定器、无磁稳定器、可换片稳定器、滚子稳定器、偏心稳定器、近钻头稳定器(双母稳定器)等。

2.各种稳定器的特点：

(1)?直条稳定器有结构简单起钻较容易的特点，对井壁切削最严重，稳定器效果不如螺旋稳定器好。

(2) 螺旋稳定器稳定器效果好，但起钻困难，易泥包。

(3)?滚子稳定器扭矩最小，稳定效果好，方位不易右漂，但存在结构复杂、价格高、更换滚子困难等缺点。

(4) 无磁稳定器用于无磁钻铤之间需要使用稳定器的情况下。

(5)?近钻头稳定器(双母稳定器)直接接钻头，不需要配合接头，缩小了钻头到稳定器中点的距离。

3.稳定器的用途特点

井底钻具组合通过在不同部位接入稳定器，可以有效的改变钻具与井壁的触点，使得钻具成为增斜组合、稳斜组合、降斜组合等。稳定器与钻具组成不同钻具组合用以完成各井段的施工，其基本工作原理在水平井中同样得到了充分利用，水平井稳定器应具有如下几个方面的特点：

a)在大斜度或水平井段使用旋转方式钻进时必须具有更好的保径性能及耐磨性能。

b) 在大斜度或水平段使用时，要有利于传递钻压、减少摩阻。

c)在钻具组合中能更好地起到单点支撑作用，有利于控制井身轨迹达到设计要求。

d)在各类地层中都有良好的扶正效果，并使井径扩大率控制到最小。

e) 减少泥浆流动的环空阻力，保证井眼畅通，起下顺利。

f）在测量对磁性干扰有特殊要求的场合，稳定器应采用无磁材料。

二、水平井稳定器的结构

稳定器在水平井中的作用效果与其本身的形状和外形尺寸有密切关系。为了满足水平井钻井过程中控制增斜，稳斜或降斜等的需要，设计了短螺旋稳定器、球形稳定器，锥形稳定器、偏心稳定器和动力钻具稳定器。

1. ＰＷＺ锥形稳定器

PWZ 型锥形稳定器主要用于近钻头的钻具扶正。设计扶正翼较短、取三棱螺旋状结构，螺旋槽在转动时能使泥浆以较小的阻力流过，有利于清洗井壁，扶正翼与本体间以30°倒角过渡，螺旋条凸起表面及倒角背锥加密镶装硬质合金以增加其耐磨性。为在软地层中加强稳定效果并能有效地控制井径扩大率，螺旋体取圆锥外形增加了与井壁接触面积。

2. ＰＷＤ型短螺旋稳定器

PWD 型外螺旋稳定器为钻柱型稳定器，?在钻具组合中通常加于PWZ之上，与一般螺旋稳定器相比，其主要特点是减少了扶正面积，可降低磨擦阻力，其他设计要求与 PWZ基本相同。

3. ＰＷＱ球形稳定器

PWQ 形稳定器表面设计近似球形，主要是为了减小磨阻，容易通过造斜井段。在旋转钻井钻具组合中通常配接在 PWD之上，用于稳直段；有时，该稳定器也替代 PWD与 PWZ配合用于增斜或降斜。

4. ＰＷＬ型动力钻具稳定器

PWL 型动力钻具稳定器用于弯壳体动力钻具的近钻头扶正，主要作用为增斜。?基于减少磨阻和便于钻压传递的考虑，PWL型稳定器初始设计为五棱鼓形结构，由于在使用中发现因块正条翼间距较大，条翼凸部与动力钻具的背弯不易准确对正，难以实现与井壁稳定地支撑，而凸、凹部位做为支点所产生的造斜效果却相差较大，为此在设计上做了如下的改进：将其中两扶正条间填平加工成一个宽条，其宽度约为原在单扶正条的３倍，宽块正条安装在动力钻具的背弯方向，在井内支撑于下井壁。这一改进较好地解决了稳定扶正和有效控制造斜率的问题，在以后水平井的施工中得到了满意的效果。

5. ＰＷＰ型偏心稳定器

PWP 型偏心稳定器通常加接在紧靠在动力钻具的上面，有利于增强动力钻具的刚性，?从而使造斜率均匀一致并保证方位稳定。PWP偏心稳定器的加入可与动力钻具组配成更有利于造斜的钻具结构。安装时应使其偏心距最大的部位与动力钻具弯向一致，使之与上井壁接触，从而迫使稳定器的背部成为钻具在下井壁的一个稳定支点。PWP与近钻头稳定器相互作用，使动力钻具的倾斜、钻头偏移量和侧向力的方向都将更有利于井身轨迹沿增斜趋势延伸。

三、稳定器在定向井、水平井钻具组合中的作用原理

稳定器在钻具组合中的安放位置不同，钻具组合所表现的性质就不同，一般地将，近钻头稳定器离钻头越近，钻头的增斜力就越大，反之钻头的增斜力则越小。对于用两只以上稳定器的钻具组合来讲，一号稳定器和二号稳定器之间的距离在有效范围内越大，钻头的增斜

力越大，反之钻头的增斜力越小。下边应用力学理论对稳定器的作用原理进行分析。

图5-1 底部钻具组合示意图

设a.井壁是刚性的;

b.稳定器与井壁之间无摩擦;

c.钻柱旋转无影响;

d.钻具组合中共有n 个稳定器。

根据纵横连续梁理论，那么第i （i=1,2,…,n ）个稳定器的三弯矩方程为：

式 中：

S i 第i 段钻柱的轴向力 N M i 第i 个稳定器处的钻柱内弯矩 N 2M R i 第i 个稳定器处的井壁反力 N R 0 钻头处的井壁反力 N Q i 第i 段钻柱的横向载荷 N/m I i 第i 段钻柱的惯性矩 m4 E 钻柱的弹性模量 N/m2 P i 第i 段钻柱在空气中单位长度重量 N/m ρc 钢材密度 g/cm3 ρm 钻井液密度 g/cm3 α 井斜角 （°） Δr i 第i 个稳定器与井壁之间的半径差值 m

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Y i 第i 段钻柱的最大挠度 m θφ 钻头转角 rad

切点处的辅助方程：

第i 个稳定器处的井壁反力

式 中：

由上述三式可以求得钻头处的侧向力Pc ：

式中 Δr I =D i -D 井眼

D I 为稳定器的外径， D 井眼 为井眼直径。

上式表明了稳定器的安放位置、外径对钻头的侧向力起着重要作用。当井径一定时，稳定器外径在有限范围内越大，钻头的增斜力越大。安放位置离钻头越远，钻头增斜力越小。

四、稳定器在定向井、水平井轨迹控制中的应用实践

稳定器在钻具组合中的工作原理，早已在一般直井和定向井的钻井实践中得到了认识。由于水平井和大位移井在世界各油田的普及与发展，使得人们对稳定器的工作原理及其作用下的造斜规律取得了更为深刻的认识，虽然理论推导和公式计算与实际有一定差距，但也正确地反映了其作用规律。下边针对多年来的钻井实践，通过对部分井使用情况的统计分析，?可以看出稳定器在钻具组合中影响造斜性能的一般规律。

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稳定器间距与造斜率的相关关系

注：表中 L1 为钻头与第一稳定器的间距， L2、L3 分别为第一、

第二和第二、三稳定器的间距。

统计结果表明，在以转盘钻方式钻进过程中，稳定器间距在水平井钻具组合中对造斜率的影响基本上与普通井的规律相吻合：

a)当Ｌ1＜1.15m，Ｌ2＜10m，Ｌ3＜10m时，该工具组合有稳斜、稳平作用。

b)当Ｌ1＜1.15m，Ｌ2≈20m，工具组合有增斜效果，且造斜率随着Ｌ2的增大而增大。

c)?当Ｌ1＞4m，Ｌ2≈20m，工具组合有降斜效果，且降斜率随着L1的增大而提高。

应当指出，以上规律仅为胜利油田范围内部分水平井的统计结果，现场操作者的实际经验、操作水平以及地质情况对工具造斜性能的影响都是非常重要的，因此所提供的数据只能作为使用者在设计钻具组合时的参考。

水平井特殊管具

一、无磁钻铤

1. 无磁钻铤的材料及性能

无磁钻铤使用无磁材料制成，目前现场使用无磁钻铤的材料多为孟乃尔合金(monels)?，它的弹性模量为：E=26*106磅/英寸 ，普通钢钻铤弹性模量为：E=29*106磅/英寸 ，铝为∶E=11*106磅/英寸 。由于无磁钻铤的机械性能不同于普通钻铤，弹性模量较小，且费用高，因此使用应特别小心防止损坏。

2.无磁钻铤的作用

当使用磁性单多点测斜仪测量井眼数据时，磁罗盘必须与地球磁场相符合，因此罗盘所在的钻柱处不能有使罗盘读数失真的局部磁场。普通钢钻铤是可以磁化的，尤其在接头处还会形成"磁极"。为了防止罗盘失真，必须将罗盘放置在无磁环境中，所以仪器保护筒和测量时仪器所在的钻铤必须都使用不能磁化的无磁材料制成。一般使用铜、镍、铬和其他金属合金制成。

3．无磁钻铤的安放位置及长度的确定

无磁钻铤在钻具组合中的安放位置。使用降斜钻具组合时，无磁钻铤直接与钻头连接;使用增斜钻具组合时，无磁钻铤安放在近钻头稳定器上方;使用井底动力钻具组合时，无磁钻铤应安放在动力钻具或弯接头之上。

图5-2 无磁钻铤长度选择图

无磁钻铤长度的确定及测量时罗盘所处的位置是和井斜角度、井斜方位角及井位所处的地理位置有关系的。

a.在曲线A以下，无磁钻铤选用9米（一单根）

b.在曲线B以上，无磁钻铤选用18米（两单根）

c.在曲线A与B之间，钻具组合使用一个近钻头稳定器时，无磁钻铤选用9米，无磁钻铤以下是多个稳定器或动力钻具时，无磁钻铤选用18米。

二、螺旋钻铤和加重钻杆

螺旋钻铤和加重钻杆是定向井施工中必不可少的井下工具，螺旋钻铤和加重钻杆除起到加重和钻具稳定之外，还能够有效的防止粘附卡钻事故。

钻铤或加重钻杆重量的确定

常规定向井钻铤重量的确定，应根据设计的最大钻压，计算确定所需钻铤的总重量，在

确定各种尺寸钻铤的长度。所需钻铤在空气中的总重量按下式计算：

式中：G t ----钻铤在空气中的总重量，t p----设计的最大钻压，KN k----安全系数;

f----钻井液浮力校正系数; α----井斜角，（°）

常规定向井的安全系数，一般应取1.4以上。以保证中和点始终处于钻铤或加重钻杆之上。

在大位移井、水平井中或复杂井中，为了减少钻柱的旋转扭矩、摩擦阻力以几高密度钻井液引起的粘附卡钻，一般采用钻杆（加重钻杆、普通钻杆、铝合金钻杆等）代替钻铤施加钻压。在采用钻杆代替钻铤时，应对钻杆进行稳定性分析计算。钻杆开始弯曲时的临界压缩载荷按下式计算：

式中：F max ----钻杆开始弯曲时的临界压缩载荷，kN f ----钻井液浮力校正系数 E ----管材的弹性模量，Pa

I ----管材的截面惯性矩，m 4

ρ ----管材密度，kg/cm 3

α ----井斜角，（°） r ----钻杆与井眼之间的间隙值，mm 。 钻杆稳定性设计所需要的条件按下式计算：

F max >p-wcos α

式中：p----设计的最大钻压，kN; w----井底钻具组合的浮重，kN.

三、定向接头、弯接头、定向弯接头

1. 定向接头、弯接头、定向弯接头的结构

定向接头是由定向接头本体、内套、定向键、密封圈及固定螺钉组成构成。

弯接头和普通接头的区别在于它的公扣轴线和本体轴线有一个夹角α，α就是弯接头的弯曲角度。

定向弯接头是定向接头和弯接头的组合。它用一个接头代替了两个接头，但随着单双弯动力钻具的推广使用单独的定向接头也是必不可少的。

2. 定向接头、弯接头、定向弯接头的用途及使用方法

定向接头必须和弯接头或单双弯动力钻具配合使用，使用时在地面使用定向键调节扳手将定向键调整到弯接头或单双弯动力钻具的弯曲方向，并用固定螺钉固定紧，不能转动，才能使斜口管鞋测量出正确的工具面角。

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四、定向造斜专用PDC钻头

1.定向造斜专用PDC钻头的结构特点定向造斜专用PDC钻头的结构和普通全面钻进PDC 相比具有以下几方面的特点∶

(1).保径短，易于造斜;

(2).使用水眼较大，防止钻头回压太大，泥浆刺坏动力钻具的轴承;

(3).切削齿布置较稀，以防止泥包;

2.定向造斜专用PDC钻头使用方法及注意事项

(1).根据钻进时排量的大小选择好水眼尺寸，使钻头回压小于动力钻

具要求回压。

(2).下钻时不要接上PDC钻头进行动力钻具试运转，以防止在井口将

钻头切削齿碰坏。

(3).下钻迂阻不能硬砸。

(4).不能使用PDC钻头长井段划眼。

(5).开始钻进时钻压不宜太大，等小钻压造好井底后在加标准钻压钻

进。

3.常用定向造斜PDC钻头有：川石-克利斯坦森的∶R433、R435，江汉-休斯的∶B15M―B18M、BST1M，胜利石油管理局钻井研究院的D215型PDC钻头。

动力钻具简介及现场应用

一、井底动力钻具的种类

井底动力钻具大体可以分为电动钻具、涡轮钻具和正排量螺杆动力钻具三大类。由于电动钻具需要建立地面和井下的电力通道，所以应用起来很麻烦。涡轮动力钻具结构复杂、检修困难、造价高。由于螺杆动力钻具结构简单(总共有40多个零件)、造价低、检修容易，所以目前应用最为广泛的正排量螺杆动力钻具。加拿大生产单线(头)螺杆动力钻具配合行星减

速器(油浴密封)，寿命长，效率高。前苏联设计制造了涡轮和螺杆相结合的复式井下动力钻具，涡轮部分在螺杆部分的上面，涡轮钻具转速高扭矩小，而螺杆钻具转速较涡轮低但扭矩大，两者相互配合使得井下动力钻具的性能更加优越。由于电动动力钻具已经淘汰，我们主要介绍涡轮钻具和杆动力钻具。

二、涡轮钻具

1.涡轮钻具的组成

涡轮动力钻具由外壳、止推轴承、定子、转子、径向轴承和下部轴承等组成。

图5-3 涡轮钻具结构示意图

2.涡轮钻具的性能特征

涡轮钻具是一种把轴向流动的泥浆能量转换成转子轴转动能力的装置。下面通过分析涡

扭矩

速度

图5-4 涡轮钻具的扭矩与转速的关系

转速

图5-5 涡轮钻具的特性

当泥浆流过涡轮而涡轮转子不受阻力时转速最大?(这个速度被称为失控速度)?，这时输出扭矩为零。另一个极端情况是转子制动时，这时的转速为零，但扭矩最大(制动扭矩)。速度和扭矩之间近似直线关系。

从涡轮钻具的特性曲线可以看出，涡轮的压降不受转速和扭矩的影响，也就是说，涡轮的压降只与排量有关。功率和效率都按曲线形式变化，实际应用中通过控制钻压来控制涡轮钻具主轴的扭矩的大小，使其工作在最大功率区和最高效率区(工作区，图中斜线部分)。

3.涡轮钻具的现场使用方法和注意事项

A.检查涡轮钻具的外观，注意上下连接丝扣和推荐扭矩等参数。

B.检查涡轮钻具转子和定子之间的轴向间隙。

C.进行涡轮钻具试运转，试运转时用吊钳卡住外壳，防止外壳转动，

并且将涡轮钻具下入井口内，防止泥浆外溅到钻台上。

D.注意控制泥浆含砂量，因为泥浆含砂量高不仅会降低机械钻速，还

会加速涡轮叶片和轴承的磨损。

E.泥浆排量在满足需要的同时使其尽量符合生产厂家的规定排量。

F.钻压的大小通过试钻进行确定，钻压太小涡轮转速高，这样会加速

涡轮和钻头的磨损速度；钻压太大造成涡轮钻具制动而无法钻进。

通过试钻选择机械钻速最高的钻压。

三、螺杆动力钻具

由于我国定向井钻井现场大部分是应用的螺杆动力钻具，下面较为详细的介绍螺杆动力钻具。

1.螺杆动力钻具的发展概况

螺杆动力钻具是根据Rene Moineau 原理制造而成的。Moineau是一位法国工程师，?他在1930年~1948年研究了多种螺旋装置并获得了专利。第一台工业螺杆动力钻具是根据W.?Clark1957年上报的专利在美国生产出来的，这就是取名为Dyna-Drill的i=1/2的单波齿动力钻具。

1962年~1964年，?苏联钻井技术科学研究所对螺杆马达进行了一系列的研究，并于1966年生产出了i=9/10的多线螺杆动力钻具。

1975年，Schlumberger公司生产由技术协调局(BTC)研制的外径为10-1/4″，i=5/6的螺杆动力钻具，取名为georotor。同时美国的Baker 公司开始研究i=3/4的螺杆动力钻具。西德的Christensen公司生产了一系列单头螺杆动力钻具，?取名为Navi-Drill。Eastman-Whipstock公司也在美国生产自己的单头螺杆动力钻具。

Dyna螺杆动力钻具钻具的工作压差从1765、2452、3432kPa(18、25、35 kgf/cm２)?达到了4707kPa(48kgf/cm２)，新型Delta1000系列从1-3/4″到12″。Navi螺杆动力钻具使用多级球推力轴承和WC径向轴承使得螺杆动力钻具寿命大大提高。?11-1/4″Navi螺杆动力钻具功率超过220KW。下表是国外几家大公司螺杆动力钻具发展情况。

国外几家大公司螺杆动力钻具发展

2.螺杆动力钻具的构造及各部分的功能

A.旁通阀总成----是起下钻作业和接但根时的泥浆进出的通道。在

钻进过程中旁通阀关闭。

B.马达总成----由钢制转子和固结在外筒的橡胶定子组成。在钻井

液的推动下转子转动并带动钻头旋转。

C.万向连轴节总成----上端连接转子，下端连接驱动轴。其作用是

将转子的偏心运动转化为驱动轴的同心运动。

D.轴承总成----Navi-Drill钻具有三套轴承，两套径向轴承，一套推力轴承。上下径向轴承起驱动轴的扶正和稳定作用及限制钻井液的溢流量的作用。推力轴承承受上下的轴向载荷。

E.驱动轴总成----上端接万向连轴节，下端接钻头。起驱动钻头转动的作用。

3.螺杆动力钻具的工作特性及应用范围

A.螺杆动力钻具的工作原理

螺杆动力钻具是多级模诺泵的逆用。当高压流体从钻柱眼进入螺杆动力钻具时，液体迫使旁通阀活塞下行并密封旁通阀筛孔。此时整个钻具变形成了一个高压密封系统。当液体通过转子和定子间组成的连续密封腔时，就推动转子转动。从而带动钻头旋转。

图5.3 螺杆动力钻具构造示意图

由于螺杆动力钻具是正排量动力钻具，其工作原理和特性和涡轮钻具是不同的。

B.螺杆动力钻具的特性

Δ

螺杆钻具的工作特性曲线涡轮钻具的工作特性曲线

图5-6 螺杆钻具与涡轮钻具工作曲线对比

图5-7 螺杆动力钻具结构示意图

C.螺杆动力钻具与涡轮钻具的特性对比∶由于螺杆动力钻具是正排量动力钻具，其工作原理和特性和涡轮钻具是不同的

a.螺杆动力钻具的转速和排量成正比。当排量一定时，其转速是基本不变的，所以控制好螺杆动力钻具的排量也就较准确的控制了螺杆动力钻具的转速。涡轮钻具的转速和排量的平方成正比，而且排量一定时，转速是随负荷的的变化而变化的，其变化范围相当大(从制动到速度失控)。所以涡轮钻具很难控制钻头转速。

b.当排量一定时，螺杆动力钻具的压力降是随钻头负荷的增加而增加的。所以，从泵压的变化可以较准确的掌握钻头在井底工作状况。而钻头负荷的变化对涡轮钻具的压力降基本不影响。所以在地面很难掌握钻头工作状况。

c.螺杆动力钻具的效率较涡轮钻具高，如单线螺杆动力钻具的效率可达到80%左右。而涡流钻具只有50%左右。

D.螺杆动力钻具的应用范围

a.应用于常规钻井作业

b.定向井、丛式井、水平井的定向造斜和轨迹控制

c.取芯作业

d.修井及特殊作业

4.螺杆动力钻具的现场使用注意事项

A.根据井眼尺寸和地层硬度合理选择螺杆动力钻具在选择使用动力钻具时，要结合施工井情况，按照各类型钻具的性能规范，选择相适应的钻具，避免动力钻具超负荷工作。地层硬度大时，应选择尺寸较大的动力钻具。

B.考虑反扭角时，要注意上部钻具的刚性及装值角与高边的关系使用刚性小的钻杆(如铝合金钻杆)?反扭角就大些;使用刚性强的钻具反扭角就会小些，例如钻铤数量多或者使用了加重钻杆等。

C.钻进排量要符合生产厂家推荐的数值范围，以免造成动力钻具的先期损坏。

D.控制好钻井液的含砂量钻井液的含砂量高，会大大加速动力钻具的定子、转子、轴承及万向连轴节的磨损，造成钻具的提前大修或报废。

E.注意钻井液中不要有铁屑。

F.加钻压时要考虑由于井斜产生的摩阻力的影响定向井中钻进时，由于上部钻具不转动，送钻时会产生钻具与井壁之间的摩擦，造成指重表显示钻压不准(指重表显示的是钻压和摩阻力之合)。这是可以通过上下活动钻具求出摩擦阻力的大小，指重表显示钻压减去摩擦阻力就是实际钻压。这是也可以通过控制动力钻具压差(压力降)的形式进行钻进。因为摩擦阻力不会增加动力钻具的压降)。

G.考虑井下温度不要超过动力钻具允许使用的温度极限

H.钻头压力降要求钻具性能规范的范围以内，以免造成钻具的轴承严

重磨损或烧毁。

5.螺杆动力钻具的现场使用

A.下钻

a.检查旁通阀活塞是否上下活动灵活;

b.接方钻杆试运转;

c.?检查轴向间隙是否超过标准;检查方法是首先将动力钻具立在转盘面上(方钻杆接在上面)，测量驱动短节和轴承壳体的间隙D2，然后提起动力钻具再测量驱动短节和轴承壳体

的间隙D1，?D1-D2要小于厂家推荐最大轴承间隙值。

螺杆钻具允许磨损表

d.下钻过程中严禁猛冲猛砸，在通过防喷器、套管鞋和裸眼井段时，注意下钻速度防止突然迂阻而损坏钻具。

e.下钻至到底1～2米时，开泵记录钻具空转泵压。

f.上下大幅度(7～9米)活动钻具数次，消除钻具扭矩，确保定向准确。

B.钻进

a.?离井底1～2米时，开泵启动钻具，当排量达到正常排量时，纪录立管钻压。

b.慢慢加压钻进，这是立管压力不断升高，立管压力升高值不能大于动力钻具推荐最大压差。如果压力升高太大提起钻具，待压力恢复后再慢慢加压钻进，钻进过程中注意选择进尺较快的钻压。

c.螺杆动力钻具在钻进过程中的故障判断及处理方法

C.起钻

a.在决定起钻后，螺杆动力钻具不能和涡轮钻具一样压死循环泥浆。

b.起钻过程中严禁转盘卸扣。

c.再一次测量D1和D2，并计算轴承间隙决定该钻具是否能够继续使用。

d.使用转盘排出钻具内钻井液，旁通阀注入润滑油。

表4-4 螺杆动力钻具在钻进过程中的故障判断及处理方法表

━━━━┳━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━故障类型┃发生原因┃解决方法

━━━━╋━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━泵压突然┃马达压死┃上提钻具，重新启动并降低钻压

┣━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

┃马达┃马达卡死主要由轴承卡死造成，提离井底重新启动，如果启动无效

┃轴承┃可以采用转盘启动的方法，加压30~50Kn，慢慢转动转盘，使卡死

┃卡死┃轴承活动开。提起钻具重新启动，如无效起钻更换马达。

┣━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━升高┃马达堵塞┃起钻更换马达

━━━━╋━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━泵压慢慢┃钻头磨损┃小心钻进，如果机械钻速太慢，起钻更换钻头

┣━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━增加┃地层变硬┃改变钻进参数钻进

━━━━╋━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━泵压慢慢┃循环漏失┃检查钻井液总量

┣━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

┃钻柱刺坏┃起钻检查钻具

┣━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━降低┃旁通阀损坏┃起钻更换

━━━━╋━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━无┃钻头严重┃

┃磨损┃起钻更换钻头

┣━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━进┃地层变化┃改变钻进参数，如果无效，起钻改变钻头型号，以适宜地层情况┣━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

┃钻具卡死┃处理办法同上

尺┣━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┃无压差┃马达严重磨损或万向节短，起钻更换

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钻具形式及应用

大港-迪纳钻具适用于各种钻井条件和参数要求。?其产品分类、结构特征和应用如下：１、3.5型系列钻具

2传动轴总成能承受有限的轴向载荷，马达部分相对较短，提供中等动力能力，但具有足够的侧向载荷能力。适用于周期较短的定向井作业。

2全尺寸钻进，无需扩孔器。

2连续钻井，井眼光滑无狗腿。

2侧向力稳定，有利进行侧钻。

２、7型系列钻具

2功率大，轴承负荷高，可用于深井长直井段的钻进和周期较长的定向井造斜。

2钻头水眼压降高达7MPa，提供了极佳的清洗井眼动力。

2转子为单头的钻具，?因转速高适宜于PDC和天然金刚石钻头匹配，转子为多头的钻具因转速低，是配带牙轮钻头及PDC钻头的理想工具。

３、14型系列钻具

2可用于导向钻井系统，一次下井可边连续进行直井段钻进和斜井段造斜作业。

2使用先进的金刚石滑动磨擦轴承，其寿命长，允许较高的钻头水眼压降，可承受高钻压，可进行喷射钻井。

2高速钻具可用来与新一代金刚石钻头、PDC或TSD钻头匹配，低速钻具可用来与牙轮钻头和PDC钻头匹配。

使用要求及注意事项：

2推荐最大含砂量不超过1％。

2应根据推荐工作流量和钻头水眼压降进行操作，否则会降低钻具工作效率和使用寿命。

2为获得最佳工作效率和工作寿命，应严格把钻具马达两端压降控制在推荐值范围内。

2不允许泥浆长时间流过制动状态的钻具，以免损坏钻具马达。

注：□ LZ □3□□─轴承结构形式

││└───最大允许钻头水眼压降(MPa)

│└─────钻具直径(mm)

└────────转子瓣数(单头省略)

C：船用橡胶轴承

Y：硬质合金轴承

J：金刚石轴承

0：转子中空 1：改进型

2：挠性轴 3：弯壳体

4：双弯壳体 5：稳定器

6：稳定器＋弯壳体 7：稳定器＋双弯壳体

弯壳体动力钻具

1.概述

水平井动力钻具包括直马达加螺旋稳定器动力钻具和各种型号的单弯、同向双弯、异向双弯导向动力钻具，不同的动力钻具在水平井钻井过程中，各自起着不同的作用。

直马达加螺旋稳定器动力钻具组合，是根据水平井钻井的需要在直马达的基础上改造而成，这类工具的主要研究的问题是螺旋稳定器位置的确定和螺旋稳定器直径的选择。

导向动力钻具是近年发展起来的一种新型的钻井工具，单弯、同向双弯动力钻具有造斜率高、造斜的效果好的特点，是水平井钻井必备工具之一；异向双弯导向动力钻具，常用于水平井段钻进，有微增、降斜的功能，稳斜、稳平效果好，可配合旋转方式钻进，控制轨迹方便。导向动力钻具的技术关键是各弯点的选择及弯角加工精度的控制。

2.导向动力钻具的种类

(1) 单弯螺杆钻具

单弯螺杆钻具的设计是根据弯接头配接普通直马达钻具组合用于造斜的基本原理，按照动力钻具在水平井中的工作要求，在现有直螺杆钻具结构基础上改制而成的。它可以获得较高的造斜率，为达到更好的稳定效果使用中通常配以上下两个稳定器，设计主要需要解决三项关键技术：

a）弯壳体及弯点的确定

螺杆钻具马达部分在普通直壳体中具有良好的工作条件，但为了水平井高造斜率施工的需要，增斜钻具的弯点必须下移，这就要求将马达的直壳体改为弯壳体。壳体弯点的选定应不影响其它全部件的工作、不影响矩扭功率的输出，从螺杆钻具的结构分析可以看出，钻具的最低弯曲部位只能选择在万向轴壳体上。

螺杆钻具的万向轴依靠两只反向装配的万向节构成柔性联接，将转子的行星运动转化成传动轴的定轴转动，使马达产生的扭矩传至钻头。由于万向轴的运动形式是以下万向节为锥尖的倒园锥运动，为避免在外壳上选取弯点位置时可能引起的万向轴与壳体相互干涉，本项设计中弯壳体弯点选在下万向节相应的部位、即运动锥尖处。实际使用证明这种选择是正确的，并取得了良好的效果。

弯壳体角度的设计是根据钻具造斜能力的计算和实际使用要求确定的。其系列范围选在

0.75～2°之内，级差为 0.25°，精度公差＜ 0.1°。

b ）近钻头稳定器位置的确定

对动力钻具近钻头稳定器的设计考虑，前面已作过论述。近钻头稳定器的位置，直接影响到单弯动力钻具组合的造斜能力，本设计是根据“七2五”期间有关定向井技术研究的成果，并参考国外部分样机资料确定的，即稳定器中心位置距动力钻具的钻头接头端面的0.85 米。

按上述原则确定的位置，稳定器应装于动力钻具传动轴壳体部位。从安装工艺考虑，我们先后设计过套装式和整体式两种形式的结构。套装式稳定器采用焊接方式组装，便于扶正条与钻具背弯方向的对正；整体式是将传动轴与稳定器加工成一体，结构强度可靠，加宽扶正翼与钻具背弯方向的对位在工厂完成，互换性较差。

c）采用中空分流马达

原有动力钻具许用排量范围较小，使提高环空返速和携屑能力受到限制，为适应大斜度及水平井段钻进施工中需要较大排量的要求，将钻具的转子设计成中空形式、增加了分流孔道，并在上部装有限流喷嘴。限流喷嘴采用普通钻头所用的喷嘴，来源广泛，其孔径可根据需要的分流量进行选择。

(2) 同向双弯动力钻具

同向双弯动力钻具的基本结构与单弯动力钻具相同，所不同之处是在单弯钻具的旁通阀和马达定子之间增加了一个弯向与万向节弯外壳方向一致的弯接头。在这样两个同向弯度的作用下，钻具的造斜能力将有增加，并且在无稳定器工作条件下，上下两个弯点与井壁接触可以保持钻具有较稳定的造斜率。为便于制造和使用管理，我们把同向双弯动力钻具的上弯角统一确定为１°，下弯角按需要作成 1.25～2°，系列差值为 0.25° ；上下两个弯度在工厂装配时对正、使之弯向相同，弯向偏差＜±2.5°。 (3) 异向双弯导向动力钻具（ＤＴＵ）

异向双弯动力钻具是在单弯的基础上改制的，主要用于水平段的稳平钻进。其万向节外壳上设有两个弯点，位置分别与万向节的两个节点对应，两个弯点所形成的钻具弯曲方向各互相异。这种组合，与单弯钻具相比钻头偏移量减少，动力钻具各部分所受应力降低，可使钻出的井眼更趋平滑，在需要时能以转盘方式钻进，使轨迹控制达到要求。设计确定上下两个弯度的比值为 1∶2 ，差值分别为0.32°、0.48°、0.64°，这一差值即ＤＴＵ动力钻具之公称角度。

3.（弯壳体）动力钻具造斜率的几何分析及公式推导

对井底钻具组合的造斜能力及井眼轨迹预测方面，国内外已有很多研究成果，然而在理论上精确的分析计算十分复杂，并且由于地层因素、井眼条件等参数在现场施工中难以确定，预测的造斜率与实际总有相当的误差。因此，以简单的解析方法预测计算工具的造斜能力，仍有一定的实用意义。在一般资料中通常介绍有“三点定圆”的计算方法，即以钻头、上稳定器、下稳定器三点之间的几何关系来确定工具的造斜能力，因水平井钻井中所使用的工具种类较多，不同工具的结构参数各不相同、且对造斜率都有很大影响，而上述计算的约束条件与实际相差很多，因此不能满足对工具造斜能力预测的要求。为此，我们结合现场实际情况对这一计算方法进行了修正，以同向双弯动力钻具为基本模型、以综合弯角代替原公式的角度，推导出下面一种水平井动力钻具造斜率的计算公式： 200Ｃ2δ

造斜率 ＢＵＲ＝--------- 单位 度／100米 L1+L2 L1+L2

曲率半径 Ｒ＝------------ 单位 米 2sin(c 2δ)

式中：Ｃ—修正系数?(与地层条件、钻井参数、井眼状况有关，其值可按使用者的经验取0.75-1.0。

δ—综合弯角 单位 度

其 中：

A

2

4

22322arccos cos arccos L D D arctg

B A L B A A L L fs fx c -+?-+++=δδc

L L L L A δcos 2332?++=)

cos(2442ψδ+??++=e L A L A B A

L L c δψcos arccos

3?+=

L1、L2、L3、L4——钻具结构尺寸，单位米

Ｄfs、Ｄfx—分别为钻具上、下稳定器直径，单位米

δe、δc—同向双弯动力钻具钻具上、下弯角单位度

此式同样可以用于单弯或异向双变动力钻具组合的计算，由公式

不难看出：

a）取δe＝0 L4＝0 时，钻具即为单弯组合；

b）取δe为负值，钻具即为异向双弯组合。

需要说明的是，在运用上述公式进行计算、设计时，应注意对L1值的选取。L1即近钻头稳定器与钻头间的距离，是影响钻具组合造斜能力的重要参数之一，不限定L1的长度则难以保证计算准确合理，L1值的选定一般在1-1.5m较为合适。

从已钻水平井的实践说明，以此计算钻具组合的造斜率与实际结果基本相符，可以满足水平井设计和指导实际施工的需要，有一定实用价值。