第6章 定向井专用井下工具

第 6章 定向钻井专用井下工具 6磁钻铤 6螺杆钻具 6其它工具 本章主要内容 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。 6无磁钻铤 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。 材料 ：蒙乃尔合金（ 铜、镍、铬等）； 弹性模量 ： 26*106（钢材： 29 *106 2、无磁材料及其性能 与普通钢钻铤相比，无磁钻铤的价格昂贵，强度较低，使用时应特别小心防止损坏。 6无磁钻铤 无磁钻铤的使用长度、测量时罗盘所处的位臵与井斜角、方位角及井位所处的地理位臵（纬度）有关。 3、使用长度 6无磁钻铤 磁罗盘仅能测量地磁场的水平分量（水平磁场强度） 3、使用长度 曲线 使用长度为 9m（ 1个单根），罗盘位于下 1/3处； 曲线 使用长度为 18m（ 2个单根），罗盘位于中部 1/2处 ; 曲线 之间： 无磁钻铤以下 仅有一个近钻头稳定器时，使用长度为 9m；有多个稳定器或动力钻具时，使用长度为 18m。 6无磁钻铤 以 与钻具组合形式有关， 要尽可能靠近钻头。 4、安放位臵 6无磁钻铤 降斜钻具：直接与钻头连接（ 钻头双母接头无磁钻铤 ）； 增斜钻具：接在近钻头稳定器上方； 稳斜钻具：接在中钻头稳定器上方； 动力钻具组合：接在定向接头之上 （ 钻头动力钻具定向接头无磁钻铤 ） 。 螺杆钻具： 根据 莫依诺 （ 原理制造的， 容积式 井下动力机械， 。 作用： 把钻井液的水力能转化为机械能供给钻头。 应用领域： 主要用于定向井、水平井的定向造斜及扭方位施工，也用于直井反扣或侧钻作业中，是目前使用最广泛的一种井下动力钻具。 生产商： 纳钻具（ 维钻具（ 北京石油机械厂、大港中成石油机械厂、天津立林公司。 6螺杆钻具 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。 1、基本结构 6螺杆钻具 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。 A、旁通阀总成 旁通阀是螺杆钻具的辅助部件。 结构： 由阀体、阀芯、弹簧、筛板等组成。 6螺杆钻具 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。 6螺杆钻具 作用： 把钻井液的水力能转化为机械能。 B、马达总成 结构： 由转子和定子两部分组成。 转子是一根表面镀有耐磨材料的钢制螺杆，其上端是自由端，下端与万向轴相连。 定子包括钢制外筒和硫化在外筒内壁的橡胶衬套，橡胶衬套内孔为一个螺旋曲面的型腔。 马达是螺杆钻具的动力部件。 6螺杆钻具 工作原理： 万向轴约束了转子的轴向运动，所以高压钻井液在流过马达副时，不平衡的水压力驱动转子作平面行星运动，转子的自转转速和力矩经万向轴传给传动轴和钻头。 B、马达总成 6螺杆钻具 作用： 将马达的行星运动转变为传动轴的定轴转动，将马达产生的扭矩及转速传递给传动轴和钻头。 C、万向轴总成 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。 6螺杆钻具 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。 D、传动轴总成 结构及工作原理： a) 由壳体、传动轴、上部推力轴承、下部推力轴承、径向扶正轴承组及其它辅助零件总装组成。 b) 上、下推力轴承用来承受钻具在各种工况下产生的轴向力。径向扶正轴承组用于对传动轴进行扶正，保证其正常工作位置。 6螺杆钻具 D、传动轴总成 结构及工作原理： c) 传动轴总成的推力轴承是螺杆钻具最易损坏的部位 （上部推力轴承）。 d) 常规螺杆钻具的传动轴外壳上不带稳定器（水平井用的螺杆钻具除外）。 e) 对干中曲率造斜用的螺杆钻具，为了保证有足够的造斜率，要求压缩万向轴壳体弯点至钻头的距离，需要设计轴向尺寸较小的传动轴总成。 6螺杆钻具 2、工作原理 当高压流体从钻柱内孔进入螺杆钻具时，液体迫使旁通阀活塞下行并密封旁通阀筛孔，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推动转子转动，经万向轴的转换把行星转动变为轴心转动，带动钻头旋转，即把钻井液的液力能通过螺杆转换成机械能。 6螺杆钻具 3、分类方法 L Z 轴承结构形式 最大允许钻头水眼压降 ( 钻具直径 ( m m ) 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 以“ 5例 ： 5马达转子为 5头； 杆钻具；165外径为 16561/2 B第二次改进（为中空转子） 。 6螺杆钻具 3、分类方法 6螺杆钻具 (1)按螺杆马达的结构特征分类 a) 按螺杆马达转子端面线型的“头数” N（ 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（ 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。 根据螺杆马达的结构特征及其结构参数进行分类。 3、分类方法 6螺杆钻具 (2)按螺杆钻具（马达）的公称外径分类 便于使用者根据所钻井眼尺寸来选择相应直径的螺杆钻具，或生产者根据井眼尺寸系列来开发螺杆钻具的系列与规格。 216165172 244311197203 311244 152井眼）： 120100958954用于套管开窗侧钻和修井作业，及地质勘探和其他地下工程的钻小孔作业。 3、分类方法 6螺杆钻具 (3)按螺杆钻具万向轴壳体结构特征分类 根据万向轴壳体是否带有结构弯角，将螺杆钻具划分为常规的 直螺杆钻具 （无结构弯角）和 弯壳体螺杆钻具 （带结构弯角）。 直螺杆钻具上方加配弯接头主要用于钻常规定向井。 弯壳体螺杆钻具主要用于钻水平井、大位移井、多分支井等。 随着钻井技术发展及弯壳体螺杆钻具品种规格的增加，弯壳体螺杆钻具的应用更加普遍。 导向螺杆钻具 6螺杆钻具 结构特点： 弯壳体稳定器中空转子 类型： 单弯、同向双弯、异向双弯 用途： 配合 牙轮钻头）组成导向钻具组合，完成定向造斜，在不更换钻具组合情况下实现稳斜段及水平井段的钻井。 单弯、同向双弯： 造斜率高、造斜效果好，水平井必备工具； 异向双弯钻具： 水平段钻进，有微增、降斜功能，稳斜、稳平效果好，可配合旋转方式钻进，控制轨迹方便。 技术关键： 各弯点的选择及弯角加工精度的控制 N 马达理论扭矩 、功率 ； T 钻头理论角速度； 钻头理论转速，即马达输出的自转转速； p 马达进出口的压力降； Q 流经马达的流量，即“排量”； q 马达每转排量，是一个结构参数，仅与线型和几何尺寸有关 。 4、工作特性（外特性） (1)理论工作特性： T /6021 6螺杆钻具 包括理论工作特性和实际工作特性 螺杆钻具为容积式马达，马达的输入流量和作用于两端的压力降差决定了钻具的基本性能。 转速只与排量 Q 和结构有关，而与工况（钻压、扭矩等）无关； 工作扭矩与压降 P 和结构有关，而与转速无关； 转速和力矩是各自独立的两个参数； 具有硬转速特性（不因负载 M 增大而降低转速）和良好的过载能力（p增大可导致工作转矩 M 变大）； 泵压表可作为井底工况的监视器，由 P 变化来判断和显示井下工况（ M T 和钻压 P B ）； 转速 n 随排量 Q 的变化而线性变化，因此可通过调节排量 Q 很容易地进行转速调节； 工作扭矩 M T 与转速 n T 均与结构（ q ）有关，增大马达的每转排量，可获得适合于钻井作业时的低速大扭矩特性。 （ 1）理论工作特性 6螺杆钻具 (2)实际工作特性 螺杆钻具的转子与定子之间存在摩擦阻力和密封腔间的漏失，其它部分也存在机械和水力损失（如传动轴的轴承节），造成实际工作特性与理论工作特性差异很大。 螺杆钻具存在机械效率m和水力效率v； 其总效率为： 6螺杆钻具 (2)实际工作特性 M 马达实际转矩； n 钻头实际转速； 0N 马达实际输出功率； p 马达总压降，12 1p 马达起动压降（约 0 1 MP a ） ； 2p 马达负荷压降，也称为工作压降。 C 马达的转矩系数，2211 2212160 6螺杆钻具 由于马达定子橡胶衬套在压降 p 作用下产生变形和漏失， 导致实际转速 n 随 压降 p 的增大而降低；转矩 M 仍 随 压降 p 的增大而线性增加，表明螺杆钻具实际上仍有良好的过载能力 。 (2)实际工作特性 6螺杆钻具 (2)实际工作特性 L曲线 负荷效率曲线 2 负荷效率 ： 不计马达起动阶段的压降和有关损失，只计工作阶段输出机械能与有用水力能（ 2）间比值关系的一种计算效率 。 6螺杆钻具 (2)实际工作特性 螺杆钻具的制动现象： 当钻压致钻头阻力矩增加，此时马达压降p增大导致马达转矩 M 增大以克服阻力矩，但同时引起相应的转速降低。当压降p逐渐增大到临界值钻头转速为零而出现制动，此时转矩 M 达到m a 为制动力矩。 制动工况对螺杆钻具危害甚大，应予避免 ！ 在操作时应缓慢施加钻压，一旦发生制动工况（泵压表数值突增），应立即将钻具提离井底循环钻井液，待泵压表的数值下降后再下放钻具缓慢施加钻压。 6螺杆钻具 (3)额定工作参数的确定 6螺杆钻具 负荷效率最大的工况为螺杆钻具的工作点，与此对应的工作参数应是螺杆钻具的最优工作参数。 如产品说明书上推荐的额定排量、额定钻压、额定扭矩、额定转速和额定功率。 应尽量使螺杆钻具工作在其工作点附近。 在这一范围内，螺杆钻具仍具有很强的转速硬特性，这是涡轮钻具与之无法相比的。 5、导向螺杆钻具的选型原则 根据图示的思路和方法，具体确定导向螺杆钻具的结构与工作参数，再从产品目录中选定所需的型号和规格。 6螺杆钻具 5、导向螺杆钻具的选型原则 (1)根据井眼尺寸确定钻具的公称尺寸 上述对应关系主要是为了保证工具外径和井壁间留有一定的环隙， 1右，以防止井下遇卡和出现事故时进行打捞作业。 6螺杆钻具 (2)根据设计造斜率确定工具造斜率 6螺杆钻具 “ 造斜率原则 ” ： 所选工具的造斜率（或称造斜能力）应满足 定向井、 水平井钻井要求，这是导向钻具的首选原则。 导向钻具的造斜率 高 10 20 ，以便有足够余地应付钻井过程中意外出现的造斜率不足问题 。 )据螺杆钻具产品说明书中推荐的产品造斜能力值确定产品规格。若说明书中缺少造斜能力值这一指标 ， 可用限曲率法）计算。 (3)根据钻头水眼压降确定传动轴类型 6螺杆钻具 型号说明中， “许用钻头水眼压降”与传动轴类型对应 。 先根据设计的钻头水眼核算其压降值，再确定相应的传动轴类型级别。 现有产品分 a（ 500 10002000种。该值越大，说明传动轴的承力承压性能越好，成本就越高。 (4)根据排量需求选择转子类型 6螺杆钻具 螺杆钻具的转速与工作排量成正比，增大排量必然增大转子、万向轴、传动轴的转速和万向轴的载荷循环频率，故排量的大幅度增长必将会导致螺杆钻具的非正常工作，容易造成破坏。 水平井钻井过程中，要求有较高的钻井液返速来满足携带岩屑需要，要求有较大的工作排量，可能会成倍高于螺杆钻具的额定排量。 在这种情况下，应该选择带有中空转子马达的螺杆钻具 马达转子的中心钻有通孔，通孔上端装有一个固定喷嘴。流入马达的钻井液排量将分成两部分，一部分进入转子中孔旁路，另一部分进入转子与定子间使钻具马达产生旋转。 6、现场使用方法 6螺杆钻具 (1)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。 b) 考虑反扭角时，要注意上部钻具的刚性及装置角与高边的关系。 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，如钻铤数量多或者使用了加重钻杆等，反扭角就会小些。 c) 钻进排量要符合生产厂家推荐的数值范围，以免造成螺杆钻具的先期损坏。 d) 控制好钻井液的含砂量。钻井液的含砂量高，会加速动力钻具的定子、转子、轴承及万向轴节的磨损，造成钻具提前大修或报废。 (1)现场使用注意事项 6螺杆钻具 e) 注意钻井液中不要有铁屑。 f) 考虑井下温度不要超过动力钻具允许使用的温度极限。 普通定子：额定温度为 95 ； 耐高温定子：额定温度 135 。 g) 钻头压降要求控制在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。 h) 加钻压时要考虑井斜产生的摩阻力的影响。 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。 可以通过控制动力钻具压差（压力降）的形式进行钻进。 (2)下钻 6螺杆钻具 检查旁通阀活塞是否上下活动灵活。 检查轴向间隙是否超过标准。 接牙轮钻头、方钻杆，开泵试运转。 （严禁接 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。 距离到底 12泵记录钻具空转泵压。 上下大幅度活动钻具数次，消除钻具扭矩，确保定向准确。 如何检查螺杆钻具的轴向间隙？ 检查步骤： 先将动力钻具立在转盘面上，测量驱动短节和轴承壳体的间隙 然后提起动力钻具，测量驱动短节和轴承壳体的间隙 工具外径 最大间隙 D 1 D 2 4 3/4 6 1/4 6 3/4 8 9 1/2 4 6 6 8 8 0 . 157 0 . 236 0 . 236 0 . 315 0 . 315 (3)钻进 6螺杆钻具 上提钻具，钻头离井底 12泵启动螺杆钻具。当排量达到正常排量时，纪录立管泵压。 慢慢加压钻进，立管压力不断升高，该升高值不能大于螺杆钻具推荐最大压差。如果压力升高太大应提起钻具，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。 螺杆钻具在钻进过程中的故障判断及处理方法见下表。 螺杆钻具在钻进过程中的故障判断及处理方法 6螺杆钻具 故障类型 发生原因 解决方法 泵压突然升高 马达压死 上提钻具，重新启动（重新开泵）并降低钻压 马达轴承卡死 提起钻具重新启动。 若启动无效，可采用转盘启动（加压 30 50慢转动转盘，使卡死轴承活动开）。 若上述办法均无效，则起钻更换马达。 马达堵塞 起钻更换马达 泵压慢慢增加 钻头磨损 小心钻进，如果机械钻速太慢，起钻更换钻头 地层变硬 改变钻进参数钻进 泵压慢慢降低 循环漏失 检查钻井液总量 钻柱刺坏 起钻检查钻具 旁通阀损坏 起钻更换 无进尺 钻头严重磨损 起钻更换钻头 地层变化 改变钻进参数。 若无效则起钻，改变钻头型号，以适宜地层情况。 钻具卡死 处理办法同上 无压差 马达严重磨损或万向节断，起钻更换 (4)起钻 6螺杆钻具 在决定起钻后，不能和涡轮钻具一样压死循环泥浆。 起钻过程中严禁转盘卸扣。 再一次测量 2，决定该钻具是否能够继续使用。 使用转盘排出钻具内钻井液，旁通阀注入润滑油。 7、新型螺杆钻具及其应用 (1)串联多级马达（ ： 6螺杆钻具 动力段总成增加了一节动力段，中间用一钛挠性轴相连，使马达输出的扭矩和功率增加，但其需要的驱动排量、转速与单一动力段马达是一样的。 设计与制造材料方面的改进，使串联马达具有极好的耐用性，在南得克萨斯、北海加拿大和阿拉斯加很快得到推广。 在加拿大的一口水平井中，用 126 618 均钻速 h，是单一动力段马达的两倍。 (2)加长马达 6螺杆钻具 把动力段加长，使马达的输出扭矩增加。加长马达装备有改进的加强的轴承组合，设计时用有限元分析法评估了各部件的性能，能满足输出大扭矩、高负载的需要。 贝克 休斯公司：在奥斯汀白云岩的一口双分支水平井中，使用 P/ 计循环时间 383h，钻速达 h，与常规马达相比，工作寿命和机械钻速都有大幅提高。 (3)中空转子马达 6螺杆钻具 大斜度井和水平井需要大排量洗井