水平井钻井工具
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F力一阶导数等于零，即：
2P dF 2 PL U 0 3 3 dLL ( LL ) ( L LL )
令：wenku.baidu.com3
3
可得：
LL L
PL P U
PL K PU
K 则： LL L 1 K
PL 1 3 P U
这就是计算罗盘在无磁钻铤中最佳位置的公式。
3.2 无磁钻铤
3. 磁罗盘在无磁钻铤内的最佳位置 计算例题:
右边为正 常工作区
»
排量恒定时 螺杆钻具实际特性曲线
3.3 动力钻具
3. 动力钻具造斜率计算
– 三点定圆法
» 三点定圆法是美国H. Karisson等人提出的一
种计算带有双稳定器单弯壳体动力钻具组合
造斜率的方法。 » 他们认为，钻头和两个稳定器这三点肯定与 下井壁相接处，由于不共线的三点可以确定 一个圆弧，因此这三点确定的圆弧的曲率就 是实钻井眼的曲率。
»
3.3 动力钻具
2. 螺杆钻具
– 螺杆钻具的工作特性
» » 螺杆钻具的转速：只与排量有 关，排量恒定时转速保持不变； 螺杆钻具的负载特性：钻具的 转速不随负载扭矩的变化而变 化，负载扭矩的大小只决定压 降大小； 螺杆钻具的转速和扭矩是独立 的，前者取决于排量，后者决 定了压降的大小，理论上互不 干扰。
»
3.2 无磁钻铤
2. 影响无磁钻铤使用长度 的因素
– 方位角大小的影响：
» 井铁对罗盘磁针方向的影 响，还与井斜方位角的大 小有关。 井斜方位与N或S方位的 夹角越小，井铁影响越小， 需要的无磁钻铤长度越短； 井斜方位与N或S方位的 夹角越大，井铁影响越大， 需要的无磁钻铤长度越长；
»
»
3.2 无磁钻铤
3.3 动力钻具
3. 动力钻具造斜率计算
– 三点定圆法
» 假设单弯壳体动力钻具的弯
角为2 ，第一个稳定器到钻 头的距离为L2，第二个稳定 器到第一个稳定器的距离为 L1，则有：
L1 / 2 sin 1 L2 / 2 sin 2 R 1 2 2
由于1、2和2都 是小角度，因此：
3.2 无磁钻铤
2. 影响无磁钻铤使用长度的因素
– “井铁”质量的影响：
» 钻柱上所有的铁磁物质，都是“井 铁”；质量越大，距离罗盘越近，则 磁性影响强度越大； 无磁钻铤以上的“井铁”很长，距离 越远，影响越小；可用一个位于无磁 钻铤顶端的当量井铁代替；
»
»
无磁钻铤以下的“井铁”影响强度， 变化较大：
输出 功率
扭矩
转速
»
压降
排量恒定时 螺杆钻具理论特性曲线
3.3 动力钻具
2. 螺杆钻具
– 螺杆钻具的工作特性
» » 螺杆钻具的实际工作特 性与理论特性基本一致； 在扭矩较大时，由于压 降较大，导致漏失，损 失部分排量，使得即使 输入排量恒定，转速也 有所下降； 由于压降只取决于扭矩， 因此可以根据压力表判 断钻头扭矩和钻压大小
例1. 对于常规钻具组合（左图），
PU=3000emu， PL=500emu；则得：
K 3 500 0.5503 3000
LL L
0.55 0.3550 L 1 0.55
例2. 对于带动力钻具的组合（右图），
PU=3000emu， PL=2000emu；则得：
0.87 2000 0.4663 L K 3 0.8736 LL L 1 0.87 3000
»
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。
马达 总成
3.3 动力钻具
2. 螺杆钻具
– 螺杆钻具的组成
» 万向轴总成 ：其作用是 将转子的偏心运动转化 为传动轴的同心运动。 传动轴总成：上端接万 向轴，下端接钻头，承 受来自钻头的各种载荷， 避免作用到万向轴上。 传动轴 总成 万向轴 总成
L1 L2 R 2 2
3.3 动力钻具
3. 动力钻具造斜率计算
– 三点定圆法
三点定圆法的缺点：
1) 只能用于带有双稳定器单弯壳体动力钻具组
合造斜率的计算； 2) 未考虑钻柱受力及变形对工具造斜率的影响；
3) 未考虑井眼扩大对工具造斜率的影响
3.3 动力钻具
3. 动力钻具造斜率计算
– 平衡曲率法
» 平衡曲率法是美国M. Birades和R. Fenoul 首先提出的一种计
算任意底部钻具组合造斜率的方法。
» 平衡曲率法原理：对于任意一套底部钻具组合，在将其放入 一定曲率的井眼中时钻头侧向力要么为零，要么指向井眼轴
线内法线方向或外法线方向，只要钻头侧向力不为零井眼曲
率就要变化，最后都会趋向于使钻头侧向力为零的一个井眼 曲率而稳定下来，平衡曲率法就是以钻头侧向力为零时的井
3.2 无磁钻铤
2. 影响无磁钻铤使用长度的因素
– 地磁水平磁场强度的影响：
3.2 无磁钻铤
3. 磁罗盘在无磁钻铤内的最佳位置
将上井铁简化为PU，下井铁简化为PL。 他们分别距罗盘的距离为LU和LL。 上井铁PU对磁针的吸引力为FU，下井 铁PL对磁针的排斥力为FL。
PU FU 2 LU
PL FL 2 LL
第3讲 水平井钻井的工具
• 3.1 稳定器
• 3.2 无磁钻铤 • 3.3 动力钻具 • 3.4 其它工具
3.1 稳定器
1. 稳定器的种类
– 螺旋稳定器 – 直条稳定器
– 无磁稳定器
– 滚子稳定器 – 偏心稳定器 – 近钻头稳定器
3.1 稳定器
2. 稳定器的主要作用
– 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。
» 钻头； » 钻头+动力钻具 后者需要更长的无磁钻铤；
»
3.2 无磁钻铤
2. 影响无磁钻铤使用长度 的因素
– 井斜角大小的影响：
» » 井铁对罗盘磁针方向的影 响，与井斜角的大小有关。 罗盘磁针只能在水平方向 转动，所以井铁磁力在水 平方向分量越大，对罗盘 影响就越大。 井斜角越大，井铁水平分 量越大，对罗盘磁针影响 越大，需要的无磁钻铤长 度越长；
扭矩
压降 效率 转速 输出功率
» »
排量恒定时 涡轮钻具工作特性曲线
3.3 动力钻具
2. 螺杆钻具
– 螺杆钻具的组成
» » » » 旁通阀总成 马达总成 万向轴总成 传动轴总成
3.3 动力钻具
2. 螺杆钻具
– 螺杆钻具的组成
» 旁通阀总成：其作用是在 停泵时使钻柱内空间与环 空沟通，以免起下钻和接 单根时钻柱内钻井液溢出， 污染钻台。 旁通阀 总成
钻杆屈曲 EIqm sin 校核公式： Fcrit 2 r
1 2
Fcrit：钻杆发生正弦屈曲的临界压力，kN； E：钻杆 材料的弹性模量,N/m2 ；I：钻杆惯性矩,m4 ；qm ：钻杆 在泥浆中每米重量,N/m；：井斜角，°；r：钻杆与井 眼直径差值之半，mm。
3.4 其它工具
emu-----绝对电磁单位
3.2 无磁钻铤
4. 无磁钻铤使用长度的选择
Ⅰ
3.2 无磁钻铤
4. 无磁钻铤使用长度的选择
Ⅱ
3.2 无磁钻铤
4. 无磁钻铤使用长度的选择
Ⅲ
井斜角不变，方位越靠向东西， 需要NMDC越长。
井斜方位不变，井斜角越大， 需要NMDC越长。
3.2 无磁钻铤
4. 无磁钻铤使用长度的选择
3. 可变弯接头、可调弯角的动力钻具 4. 可变径稳定器
2. 影响无磁钻铤使用长度的因素
– 地磁水平磁场强度的影响：
» » » » 地磁水平磁场强度越大，井铁的影响相对就小；需要的无 磁钻铤长度就较短； 在南、北极，地磁方向几乎与水平面垂直，所以地磁的水 平磁场强度最小，需要的无磁钻铤长度最长； 而在赤道，地磁方向与水平方向平行，该处地磁的水平磁 场强度最大，需要的无磁钻铤长度最短； 随着纬度的增大，需要的无磁钻铤长度随之增大；
眼曲率作为工具的造斜率。
3.3 动力钻具
3. 动力钻具造斜率计算
– 平衡曲率法
» 平衡曲率法的关键是计算一定曲率井眼中的钻头侧向力。
P0 y1 q1 L1 M 1 Pc L 2 L 1 1
3.4 其它工具
1. 加重钻杆、承压钻杆
– 在大斜度井中，为了减少钻柱的 旋转扭矩、摩擦阻力以及高密度 钻井液引起的粘附卡钻，一般采 用钻杆代替钻铤施加钻压。
2. 定向接头、弯接头和定向弯接头
3.4 其它工具
3. 反向双弯螺杆钻具、同向双弯螺杆钻具
3.4 其它工具
4. 导向钻井系统
利用导向造斜工具、随钻测量仪和高效能钻头联合 组成的钻井系统对井眼轨迹进行随钻监控、适时调 整的钻井方式。
5. 可变弯接头、可调弯角的动力钻具 6. 可变径稳定器
3.4 其它工具
– 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。
3.2 无磁钻铤
1. 无磁钻铤的性能特点及作用
– 普通钢钻铤等“井铁”是可以磁化的，其磁化后形 成的磁场与地磁场叠加使得其附近的空间区域内磁
场方向与原始的地磁场方向不一致，使得以地磁场
方向作为基准的磁性测斜仪失真。 – 无磁钻铤的主要作用是使各种“井铁”远离磁性测 斜仪，保证磁性测斜仪附近的地磁场方向不受“井 铁” 影响或影响较小。
以吸引力为正，排斥力为负。对磁针的 总力为：
P PL U F FU FL 2 2 LU LL
3.2 无磁钻铤
3. 磁罗盘在无磁钻铤内的最佳位置
罗盘在无磁钻铤中的最佳位置，应该使罗盘磁针受到的井铁力F最小。 根据高等数学原理，F力最小值出现在L对 F的一阶导数等于零时，即：
P PL U F力的表达式可变为： F 2 2 ( L LL ) LL
3.3 动力钻具
井底动力钻具主要包括：电动 钻具、涡轮钻具和螺杆钻具。 1. 涡轮钻具
– 涡轮钻具的结构
» 涡轮钻具由外壳、定子、主轴、转子、 止推轴承、扶正轴承、径向轴承等组 成； 涡轮钻具的定子和转子都是由特殊的 叶片组成。
»
3.3 动力钻具
1. 涡轮钻具
– 涡轮钻具的工作特性
» 涡轮钻具的压降：只与排量 有关，排量恒定时压降保持 不变，所以涡轮钻具的输入 功率只取决于排量； 涡轮钻具的负载特性：钻具 所受扭矩越大，转速越低； 在输入功率恒定的情况下， 输出功率和效率存在一个最 优值；
L1：1.0m~1.8m L1：1.0m~1.8m L2：4.5m~6.0m L3：9m L4：9m
L1：9.0m~27m
3.1 稳定器
2. 稳定器的主要作用
– 稳定器可以装在动力钻具上，使动力钻具的造斜特 性更为稳定。
3.2 无磁钻铤
1. 无磁钻铤的性能特点及作用
– 目前现场使用无磁钻铤的材料多为孟乃尔合金 (monel)• ； – 它的弹性模量为：E=26*106磅/英寸2，普通钢钻铤 弹性模量为：E=29*106磅/英寸2，铝弹性模量 为∶E=11*106磅/英寸2 。
2P dF 2 PL U 0 3 3 dLL ( LL ) ( L LL )
令：wenku.baidu.com3
3
可得：
LL L
PL P U
PL K PU
K 则： LL L 1 K
PL 1 3 P U
这就是计算罗盘在无磁钻铤中最佳位置的公式。
3.2 无磁钻铤
3. 磁罗盘在无磁钻铤内的最佳位置 计算例题:
右边为正 常工作区
»
排量恒定时 螺杆钻具实际特性曲线
3.3 动力钻具
3. 动力钻具造斜率计算
– 三点定圆法
» 三点定圆法是美国H. Karisson等人提出的一
种计算带有双稳定器单弯壳体动力钻具组合
造斜率的方法。 » 他们认为，钻头和两个稳定器这三点肯定与 下井壁相接处，由于不共线的三点可以确定 一个圆弧，因此这三点确定的圆弧的曲率就 是实钻井眼的曲率。
»
3.3 动力钻具
2. 螺杆钻具
– 螺杆钻具的工作特性
» » 螺杆钻具的转速：只与排量有 关，排量恒定时转速保持不变； 螺杆钻具的负载特性：钻具的 转速不随负载扭矩的变化而变 化，负载扭矩的大小只决定压 降大小； 螺杆钻具的转速和扭矩是独立 的，前者取决于排量，后者决 定了压降的大小，理论上互不 干扰。
»
3.2 无磁钻铤
2. 影响无磁钻铤使用长度 的因素
– 方位角大小的影响：
» 井铁对罗盘磁针方向的影 响，还与井斜方位角的大 小有关。 井斜方位与N或S方位的 夹角越小，井铁影响越小， 需要的无磁钻铤长度越短； 井斜方位与N或S方位的 夹角越大，井铁影响越大， 需要的无磁钻铤长度越长；
»
»
3.2 无磁钻铤
3.3 动力钻具
3. 动力钻具造斜率计算
– 三点定圆法
» 假设单弯壳体动力钻具的弯
角为2 ，第一个稳定器到钻 头的距离为L2，第二个稳定 器到第一个稳定器的距离为 L1，则有：
L1 / 2 sin 1 L2 / 2 sin 2 R 1 2 2
由于1、2和2都 是小角度，因此：
3.2 无磁钻铤
2. 影响无磁钻铤使用长度的因素
– “井铁”质量的影响：
» 钻柱上所有的铁磁物质，都是“井 铁”；质量越大，距离罗盘越近，则 磁性影响强度越大； 无磁钻铤以上的“井铁”很长，距离 越远，影响越小；可用一个位于无磁 钻铤顶端的当量井铁代替；
»
»
无磁钻铤以下的“井铁”影响强度， 变化较大：
输出 功率
扭矩
转速
»
压降
排量恒定时 螺杆钻具理论特性曲线
3.3 动力钻具
2. 螺杆钻具
– 螺杆钻具的工作特性
» » 螺杆钻具的实际工作特 性与理论特性基本一致； 在扭矩较大时，由于压 降较大，导致漏失，损 失部分排量，使得即使 输入排量恒定，转速也 有所下降； 由于压降只取决于扭矩， 因此可以根据压力表判 断钻头扭矩和钻压大小
例1. 对于常规钻具组合（左图），
PU=3000emu， PL=500emu；则得：
K 3 500 0.5503 3000
LL L
0.55 0.3550 L 1 0.55
例2. 对于带动力钻具的组合（右图），
PU=3000emu， PL=2000emu；则得：
0.87 2000 0.4663 L K 3 0.8736 LL L 1 0.87 3000
»
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。
马达 总成
3.3 动力钻具
2. 螺杆钻具
– 螺杆钻具的组成
» 万向轴总成 ：其作用是 将转子的偏心运动转化 为传动轴的同心运动。 传动轴总成：上端接万 向轴，下端接钻头，承 受来自钻头的各种载荷， 避免作用到万向轴上。 传动轴 总成 万向轴 总成
L1 L2 R 2 2
3.3 动力钻具
3. 动力钻具造斜率计算
– 三点定圆法
三点定圆法的缺点：
1) 只能用于带有双稳定器单弯壳体动力钻具组
合造斜率的计算； 2) 未考虑钻柱受力及变形对工具造斜率的影响；
3) 未考虑井眼扩大对工具造斜率的影响
3.3 动力钻具
3. 动力钻具造斜率计算
– 平衡曲率法
» 平衡曲率法是美国M. Birades和R. Fenoul 首先提出的一种计
算任意底部钻具组合造斜率的方法。
» 平衡曲率法原理：对于任意一套底部钻具组合，在将其放入 一定曲率的井眼中时钻头侧向力要么为零，要么指向井眼轴
线内法线方向或外法线方向，只要钻头侧向力不为零井眼曲
率就要变化，最后都会趋向于使钻头侧向力为零的一个井眼 曲率而稳定下来，平衡曲率法就是以钻头侧向力为零时的井
3.2 无磁钻铤
2. 影响无磁钻铤使用长度的因素
– 地磁水平磁场强度的影响：
3.2 无磁钻铤
3. 磁罗盘在无磁钻铤内的最佳位置
将上井铁简化为PU，下井铁简化为PL。 他们分别距罗盘的距离为LU和LL。 上井铁PU对磁针的吸引力为FU，下井 铁PL对磁针的排斥力为FL。
PU FU 2 LU
PL FL 2 LL
第3讲 水平井钻井的工具
• 3.1 稳定器
• 3.2 无磁钻铤 • 3.3 动力钻具 • 3.4 其它工具
3.1 稳定器
1. 稳定器的种类
– 螺旋稳定器 – 直条稳定器
– 无磁稳定器
– 滚子稳定器 – 偏心稳定器 – 近钻头稳定器
3.1 稳定器
2. 稳定器的主要作用
– 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。
» 钻头； » 钻头+动力钻具 后者需要更长的无磁钻铤；
»
3.2 无磁钻铤
2. 影响无磁钻铤使用长度 的因素
– 井斜角大小的影响：
» » 井铁对罗盘磁针方向的影 响，与井斜角的大小有关。 罗盘磁针只能在水平方向 转动，所以井铁磁力在水 平方向分量越大，对罗盘 影响就越大。 井斜角越大，井铁水平分 量越大，对罗盘磁针影响 越大，需要的无磁钻铤长 度越长；
扭矩
压降 效率 转速 输出功率
» »
排量恒定时 涡轮钻具工作特性曲线
3.3 动力钻具
2. 螺杆钻具
– 螺杆钻具的组成
» » » » 旁通阀总成 马达总成 万向轴总成 传动轴总成
3.3 动力钻具
2. 螺杆钻具
– 螺杆钻具的组成
» 旁通阀总成：其作用是在 停泵时使钻柱内空间与环 空沟通，以免起下钻和接 单根时钻柱内钻井液溢出， 污染钻台。 旁通阀 总成
钻杆屈曲 EIqm sin 校核公式： Fcrit 2 r
1 2
Fcrit：钻杆发生正弦屈曲的临界压力，kN； E：钻杆 材料的弹性模量,N/m2 ；I：钻杆惯性矩,m4 ；qm ：钻杆 在泥浆中每米重量,N/m；：井斜角，°；r：钻杆与井 眼直径差值之半，mm。
3.4 其它工具
emu-----绝对电磁单位
3.2 无磁钻铤
4. 无磁钻铤使用长度的选择
Ⅰ
3.2 无磁钻铤
4. 无磁钻铤使用长度的选择
Ⅱ
3.2 无磁钻铤
4. 无磁钻铤使用长度的选择
Ⅲ
井斜角不变，方位越靠向东西， 需要NMDC越长。
井斜方位不变，井斜角越大， 需要NMDC越长。
3.2 无磁钻铤
4. 无磁钻铤使用长度的选择
3. 可变弯接头、可调弯角的动力钻具 4. 可变径稳定器
2. 影响无磁钻铤使用长度的因素
– 地磁水平磁场强度的影响：
» » » » 地磁水平磁场强度越大，井铁的影响相对就小；需要的无 磁钻铤长度就较短； 在南、北极，地磁方向几乎与水平面垂直，所以地磁的水 平磁场强度最小，需要的无磁钻铤长度最长； 而在赤道，地磁方向与水平方向平行，该处地磁的水平磁 场强度最大，需要的无磁钻铤长度最短； 随着纬度的增大，需要的无磁钻铤长度随之增大；
眼曲率作为工具的造斜率。
3.3 动力钻具
3. 动力钻具造斜率计算
– 平衡曲率法
» 平衡曲率法的关键是计算一定曲率井眼中的钻头侧向力。
P0 y1 q1 L1 M 1 Pc L 2 L 1 1
3.4 其它工具
1. 加重钻杆、承压钻杆
– 在大斜度井中，为了减少钻柱的 旋转扭矩、摩擦阻力以及高密度 钻井液引起的粘附卡钻，一般采 用钻杆代替钻铤施加钻压。
2. 定向接头、弯接头和定向弯接头
3.4 其它工具
3. 反向双弯螺杆钻具、同向双弯螺杆钻具
3.4 其它工具
4. 导向钻井系统
利用导向造斜工具、随钻测量仪和高效能钻头联合 组成的钻井系统对井眼轨迹进行随钻监控、适时调 整的钻井方式。
5. 可变弯接头、可调弯角的动力钻具 6. 可变径稳定器
3.4 其它工具
– 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。
3.2 无磁钻铤
1. 无磁钻铤的性能特点及作用
– 普通钢钻铤等“井铁”是可以磁化的，其磁化后形 成的磁场与地磁场叠加使得其附近的空间区域内磁
场方向与原始的地磁场方向不一致，使得以地磁场
方向作为基准的磁性测斜仪失真。 – 无磁钻铤的主要作用是使各种“井铁”远离磁性测 斜仪，保证磁性测斜仪附近的地磁场方向不受“井 铁” 影响或影响较小。
以吸引力为正，排斥力为负。对磁针的 总力为：
P PL U F FU FL 2 2 LU LL
3.2 无磁钻铤
3. 磁罗盘在无磁钻铤内的最佳位置
罗盘在无磁钻铤中的最佳位置，应该使罗盘磁针受到的井铁力F最小。 根据高等数学原理，F力最小值出现在L对 F的一阶导数等于零时，即：
P PL U F力的表达式可变为： F 2 2 ( L LL ) LL
3.3 动力钻具
井底动力钻具主要包括：电动 钻具、涡轮钻具和螺杆钻具。 1. 涡轮钻具
– 涡轮钻具的结构
» 涡轮钻具由外壳、定子、主轴、转子、 止推轴承、扶正轴承、径向轴承等组 成； 涡轮钻具的定子和转子都是由特殊的 叶片组成。
»
3.3 动力钻具
1. 涡轮钻具
– 涡轮钻具的工作特性
» 涡轮钻具的压降：只与排量 有关，排量恒定时压降保持 不变，所以涡轮钻具的输入 功率只取决于排量； 涡轮钻具的负载特性：钻具 所受扭矩越大，转速越低； 在输入功率恒定的情况下， 输出功率和效率存在一个最 优值；
L1：1.0m~1.8m L1：1.0m~1.8m L2：4.5m~6.0m L3：9m L4：9m
L1：9.0m~27m
3.1 稳定器
2. 稳定器的主要作用
– 稳定器可以装在动力钻具上，使动力钻具的造斜特 性更为稳定。
3.2 无磁钻铤
1. 无磁钻铤的性能特点及作用
– 目前现场使用无磁钻铤的材料多为孟乃尔合金 (monel)• ； – 它的弹性模量为：E=26*106磅/英寸2，普通钢钻铤 弹性模量为：E=29*106磅/英寸2，铝弹性模量 为∶E=11*106磅/英寸2 。