第三章---定向井主要钻井工具介绍
定向井常用工具简介
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。
单位名称－序号 12
二、扶正器（1）
扶正器的分类
扶正器的作用
扶正器的形状 使用扶正器的
一些技巧
单位名称－序号
13
二、螺旋扶正器结构（2）
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Hale Waihona Puke IDö Õ · ý Æ ÷ Stabilizer
单位名称－序号
14
二、扶正器（3）
扶正器作用
在现场作业中，无论是在转盘钻具组合中，还 是在导向钻具中，扶正器都具有很大的作用。 在增斜钻具组合和降斜钻具组合中，扶正器起 支点作用，通过改变扶正器在下部钻具组合中的 位置，可改变下部钻具组合的受力状态，从而进 行增斜、稳斜或者降斜来达到控制井眼轨迹的目 的,还可以增加下部钻具组合的刚性，修整井眼， 防止粘卡等。
单位名称－序号
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
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5
一、马 达（3）
马达外型结构：
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AKO
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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。
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
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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）
T3讲义_定向井钻具组合
油田技术－定向井工程师序列培训讲义（T3－21）――――――定向井常用钻具组合第一部分定向井常用钻具组合的分类一、常规钻具组合1、造斜钻具组合1）斜向器（也叫变向器）造斜2）井下马达造斜2、增斜钻具组合3、稳斜钻具组合4、降斜钻具组合二、导向钻具组合三、旋转导向钻具组合第二部分定向井常规钻具组合一、造斜钻具组合1、斜向器（也叫变向器）造斜斜向器的结构如图所示。
这是最早使用的造斜工具，由于工艺繁杂，现在仅用于套管内开窗侧钻，或不适宜用井下马达造斜的井段。
2、井下马达造斜目前，我国海洋定向井一般采用井下马达造斜，常用造斜钻具组合为：钻头十井下马达十定向弯接头（或：弯接头＋定向接头）十非磁钻铤十普通钻铤（0～30 米）十挠性接头十震击器十配合接头＋加重钻杆＋钻杆。
这种造斜钻具组合是利用弯接头使下部钻具产生一个弹性力矩，迫使井下动力钻具驱动钻头侧向切削，使钻出的新井眼偏离原井眼轴线，达到定向造斜或扭方位的目的。
造斜钻具的造斜能力主要与弯接头的弯角和动力钻具的长度有关。
弯接头的弯角越大，动力钻具长度越短，造斜率也越高。
弯接头的弯角应根据井眼大小、井下动力钻具的规格和要求造斜率的大小选择。
现场常用弯接头的弯角为1.5～2.5 度，一般不大于2.5 度。
常用弯接头的造斜率预测见表1－2：造斜钻具组合使用的井下动力钻具型号应根据造斜井段或扭方位井段的井眼尺寸和井深及井温来选择。
使用井段在2000 米以内或井温在125°C以内，一般采用普通螺杆钻具，深井或井温超过125°C的井段造斜或扭方位应使用耐高温的多头螺杆钻具。
钻井参数和钻头水眼应根据厂家推荐的钻井参数设计。
由于井下动力钻具的转速高，因此，使用的牙轮钻头应选用适应高转速的金属密封滚动轴承钻头，在浅层、可钻性好的软地层应使用铣齿钻头或合适的PDC 钻头。
根据测斜仪器的种类不同，分为五种定向方式：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。
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。
定向方法与定向专用工具介绍
1．单点定向此方法只合用造斜点较浅的状况，往常井深小于 1000 米。
因为造斜点较深时，反扭角很难控制，且定向时间较长。
施工过程以下：（l〕下入定向造斜钻具至造斜点地点〔注意：井下马达一定按厂家要求进行地面试验〕。
〔2〕单点测斜，丈量造斜地点的井斜角，方向角，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：设计方向角十反扭角〕。
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，依据丈量的井斜角和方向角实时修正反扭矩的偏差，并调整工具面；〔6〕当井斜角抵达8～10 度和方向适合时，起钻换增斜钻具，用转盘钻进。
在单点定向作业中要注意：①在确立了反扭角和钻压后，要严格控制钻压的变化范围，往常在预约钻压±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地点至预约地点；③假如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〕，以便钻杆扭矩快速传达。
第六节方向调整段轨迹控制一、什么时候需要下动力钻具调整井眼轨迹（1〕井眼的方向角不切合设计要求时。
（2〕利用转盘钻已经达不到合理调整井眼井斜角和方向角的要求时。
〔 3〕井眼的井斜角不切合设计要求时〔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：依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 米之间能够下入弯接头的钻具组合来达成。
造斜率在15°～ 30° /100 米之间能够下入单弯的钻具组合来达成。
造斜率在30°～ 45° /100 米之间能够下入双弯的钻具组合来达成。
〔当前改进了的单弯造斜率已有所提高〕三、如何确立钻具反扭角造斜点深度0 ～～～～～～ 3000 (m)5001000150020002500反扭角 ( °)2030507090110一般状况： 30° /1000米左右，但也有其余状况，反扭角不不过是遇到钻压的影响，还遇到井目圆滑程度的影响等等。
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。
定向井专用工具介绍螺杆
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。
(2) 下接头固定螺栓是否有松扣现象，若有进行紧扣。
(3) 旁通阀是否能关闭，若不能关闭，可采用机油浸泡活动，直到能关闭为止。
(4) 要注意观察弯螺杆上部弯方的标记与下部弯接头弯曲的方向是否一致。
(5) 螺杆钻具上、下钻台必须使用绷绳绷，防止碰撞损坏螺杆钻具。
(6) 用游车吊起螺杆钻具，测量轴承壳体与旋转短节间的轴向间隙，在下放游车让螺杆钻具触到转盘，再测量轴承壳体与旋转短节间的轴向间隙，两者间隙差6-1/2"螺杆不大于6mm，7-3/4"和9-5/8"螺杆不大于8mm，否则应更换螺杆。
(6) 让螺杆钻具与方钻杆相接，把扣上紧，将螺杆钻具的旁通阀下放到转盘面以下，开泵，小排量使钻井液流进马达，应能看见钻井液从旁通阀的旁通孔流出；随着排量加大，马达开始转动，旁通阀关闭；如一切正常，停泵卸方钻杆，接钻头下钻。
2．钻具下井(1) 下放钻具及其组合应小心地控制下放速度。
下钻遇阻，应开泵循环，慢慢划眼通过。
若带有弯接头或弯壳体的钻具遇阻时应间歇性地转动钻具，慢慢通过，以防止划出新眼。
(2) 对深井和高温井，下放钻具建议周期性地进行中途循环。
(3) 在井内，若钻井液不能迅速通过旁通阀阀口流进钻柱中，应减慢下放速度或不时停下来充罐泥浆。
3．启动(1) 钻具达到预先确定的位置，可以开泵循环。
，(2) 定向前充分清洗井底。
4．钻进(1) 下钻完，接方钻杆前把钻杆滤子放入钻杆；钻头离井底1米以上开泵，开泵正常后方能下放钻进，缓慢均匀加压。
(2) 钻进中要随时注意泵压变化情况（当排量给定的前提下）、钻时、岩性变化情况，防止意外事故发生。
(3) 对于弯螺杆要注意选择弯曲角的大小，以满足钻井工程设计的要求。
(4) 钻进中几种异常情况的处理：◆指重表摆动不停。
将钻头提离井底，循环几分钟，待指重表稳定后再钻进。
第三章 井上工具
第三章井口工具井口工具是指钻台上用来起下和上卸钻具的工具，如吊钳、吊卡、卡瓦等，本章着重对平台钻井常用的井口工具种类、制造厂家、性能、常用规范以及现场检查的方法作以介绍。
第一节钻杆吊卡钻杆吊卡是石油钻井作业中起升和下降钻杆之必备工具，按其悬持钻杆接头型式又分为直角台肩吊卡和锥度台肩（18°）吊卡。
我公司海上钻井平台现用的钻杆接头为18°锥面接头，与之相匹配的钻杆吊卡也都是18°锥度台肩吊卡。
目前在用钻杆吊卡多数为VARC0 BJ制造的, 随着工具、配件的逐步国产化，江苏如东通用机械厂制造的DD型系列钻杆吊卡近几年来使用也比较多。
常用的5" × 18°和 3 1/2" × 18°钻杆吊卡负荷分别为 350 吨和250 吨。
一、BJ 18°对开门钻杆吊卡参数；二、国产DDZ型为对开式吊卡18度锥台肩钻杆吊卡参数注：锥度吊卡在其型号DD后加注Z，即为DDZ型三、钻杆吊卡检验项目与标准1、装配后活门及销销安全可靠，动作灵活，无卡阻现象。
2、18°锥面的吊卡的锥度不得小于15°。
3、两侧吊耳受力面高度差不大于3.175MM。
4、受力部分探伤检验，润滑部分加油保养，本体除锈刷漆。
5、在用吊卡每年必须探伤检查一次，并记录建档。
四、钻杆吊卡日常保养和检查1、每次起下钻前，应该润滑吊卡的所有活动部位，同时检查锁销、弹簧等所有机械部件工作是否正常。
2、检查铰链销的磨损情况（铰链销的磨损会导致锁销松懈，抱住工具接头时会损坏接头），检查这些部件有无裂纹和大的坑点。
在吊卡使用中，如果铰链销或销紧销松动，就应换下吊卡送到厂家修理。
3、固定吊卡在吊耳内的螺栓应定期更换，现场上必须在螺栓两端拧好螺帽，并经常检查。
第二节吊环吊环是钻柱不可缺少的提升工具，分为单臂吊环，双臂吊环。
一、规格（直径×长度×负荷）1、一般钻柱吊环为直径2-3/4"，长108"或132"，350吨负荷(吊环的长度是指两受力部位的长度)。
定向井专用工具
(3)启动钻具
• a.钻具达到预先计划的井深时，可以开泵循环， 这时，由于钻头侧向力的影响，压力表数值可 能超过计算值。 • b.定向钻进前，应充分地冲洗井底，清除井底 岩屑、沉淀或堵积物，消除循环不彻底对定向 的影响，最好用正常的钻井液循环清理，清理 时，可慢慢转动钻具或把钻具整周分级(每次 30°～45°)依次把堆积在井底的物体清理干 净，清理完毕后，上提钻具0.3～O．6米进行 循环，校对压力值。
（5）对钻头水眼的要求
• 钻头水眼的大小要适宜，过大，钻具承 受钻压能力降低，轴承得不到良好的润 滑；过小，泵压达到额定值时，排量可 能相对过小，此时马达不易发挥最大效 能，另外，水眼过小，排量达到额定值 时，系统压力增高，造成轴承上、下液 流压力过高，从而影响推力轴承及径向 轴承的寿命
（6）对井底温度的要求
(4)钻进
• a.钻具悬离井底进行空循环时，立管压力表所显 示的是整个系统的空载循环泵压，即离井底泵压。 螺杆钻具为容积式马达，马达的输出扭矩与两端 的压力降成正比，因此，在整个系统结构没有改 变的情况下，马达输出扭矩也与系统压力的变化 成正比，钻进时，随钻压的升高，工作扭矩的加 大，马达两端的压力降也成正比例增加，压力表 读数减去空载循环泵压就是钻具的压力降，即压 力增值。钻具压力降是用钻机给进系统控制钻压 进行调节的，打钻时，把表压增值控制在所选钻 具的推荐范围内就会产生最佳效能。
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。
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。
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。
钻井设备和工具PPT课件
PDC钻头破岩机理
➢ PDC主要以切削方式破碎岩石。
➢ 切削刃在钻压作用下吃入地层，刃前岩石在 旋转力作用下发生剪切破碎。
➢ 切削塑性岩石和脆性岩石的过程类似于刮刀 钻头，由于多个切削齿同时工作，井底岩石 自由面多，因此破碎效率高。
➢ 金刚石切削刃耐磨性高，钻头寿命长，单只 钻头进尺高。
50
PDC钻头的正确使用
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牙轮钻头
牙轮钻头的结构
牙轮钻头由钻头体、牙爪（巴掌）牙 轮及牙齿、轴承、储油润滑密封系统、 喷嘴等部分组成。
巴掌
钻头体
水眼
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牙轮钻头牙齿：铣齿、镶齿
铣齿（钢齿）—在牙轮锥面上直接铣出，楔形
镶齿（硬质合金齿）—镶装在牙轮锥面的孔中，有多种齿形适用不同地层。
40
41
牙轮钻头的工作原理
牙轮钻头在井底的运动
3. 副锥、超顶，移轴， 用于软地层 43
44
45
牙轮钻头的工作原理
工作原理：
牙轮钻头在钻压和钻柱旋转的作用下，牙齿压碎并吃入 岩石，同时产生一定的滑动而剪切岩石。
当牙轮在井底滚动时，牙轮上的牙齿依次冲击、压入地 层，这个作用可以将井底岩石压碎一部分，同时靠牙轮滑动 带来的剪切作用削掉牙齿间或齿圈间残留的另一部分岩石， 使井底岩石全面破碎，井眼得以延伸。
24
6、井控系统
(1)组成： 防喷器组、节流管汇、压井管线以及液、气压控制 机构组成。
(2)功能： 控制井内的压力，防止地层流体无控制地流入井中。
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6、井控系统
国内防喷器产品
闸板防喷器 环形防喷器
分Байду номын сангаас器
旋转防喷器
电缆防喷器 带压作业装置
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
袁俊国
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
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
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
录
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 «
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
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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。
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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。