定向井专用工具

1、定向井专用工具 2010年7月 一、螺杆钻具一、螺杆钻具 p螺杆钻具为容积式井下动力钻具，其规格有直体 螺杆钻具、单弯螺杆钻具、双弯螺杆钻具。螺杆 钻具具有低转速、大扭矩、大排量的特点，适用 于直井、定向井、丛式井、水平井中的钻井、定 向造斜、扭方位等各项钻井作业的一种理想的井 下动力钻具，其中，小直径螺杆钻具还适用于套 管开窗侧钻及修井。 p 螺杆钻具的常规耐热工作温度为120，根据 深井的特殊需要，高温螺杆钻具还可耐温150。 1、螺杆钻具工作原理及结构、螺杆钻具工作原理及结构 p (1) 、螺杆钻具的工作原理、螺杆钻具的工作原理 螺杆钻具是一种把液体的压力能转换为机械能 的能量转换装置。

2、当高压液体进入钻具时，迫使 转子在定子中滚动，马达产生的扭矩和转速通过 万向轴传递到传动轴和钻头上，达到钻井的目的。 p螺杆钻具作为井底动力钻具，有许多突出的优点： 1增加了钻头扭矩和功率，因而提高了进尺率。 2减少了钻杆和套管的磨损和损坏。 3可准确地进行定向、造斜、纠偏。 4在水平井、丛式井及修井作业中，可显著提高 钻井经济效益， 5由于结构的先进，提高了钻具的寿命，可用于 延深钻井或直井钻进。 (2)、螺杆钻具的结构及其作用、螺杆钻具的结构及其作用 p螺杆钻具主要由以下几部分组成： p旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总 成、导向总成(导向钻具专有部件) (3)(3)、旁通阀总成、

3、旁通阀总成 p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。 (4)、马达总成、马达总成 p马达是由转子和定子两部分组成的，下图为钻具 马达截面轮廓。 (5)(5)、万向轴、万向轴 p万向轴总成的作用是将马达的偏心运动变换为传 动轴的定轴旋转，同时传递扭矩给传动轴，以达 到钻井的目

4、的，螺杆钻具有挠式万向轴(见图)和 花瓣万向轴(见图)两种结构。 (6)(6)、传动轴总成、传动轴总成 p传动轴总成的作用是将马达的旋转扭矩传递给钻 头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。传 动轴总成的设计既要考虑到转动的灵活和平稳， 同时根据钻压、钻井液的性质及钻头的侧面载荷、 转速、钻头水眼压降来设计，因此设计为组合推 力轴承和径向滑动轴承共同作用的型式。 a组合推力轴承： p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 p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

5、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510通过轴承组件，起着冷却和润 滑轴承的作用。 (7)(7)、导向总成、导向总成 p导向钻具有单弯钻具和双弯钻具两种。 p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。 p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 2、钻具规格及技术参数、钻具规格及技术参数 p(1)(1)钻具表牌说明钻具表牌说明 p(2)(2)技术参数技术参数 (1)(1)钻具表牌说明钻具表牌说明 LZ 厂家代号或改型次数 钻头最大水眼压降 规格

6、 代号 螺杆头数 (2)(2)技术参数技术参数 3 3、螺杆钻具的使用要求、螺杆钻具的使用要求 p（1 1）钻井液要求）钻井液要求 p螺杆钻具为容积式马达，决定钻具性能的主要因 素是马达的输入流量和作用其两端的压力降，而 不是钻井液的类型，使用各种钻井液均能有效的 工作。 p钻井液的比重和粘度对钻具的性能影响甚微， 但在满足洗孔要求的前提下，应尽可能降低钻 井液的比重和粘度，因为比重和粘度愈高，螺 杆钻具的压力降就会愈大，容积效率降低，同 时也增加了整个循环系统的阻力。 p钻具使用钻井液的固相含量应控制在1之内，因 较高的固相含量，会影响钻具的使用寿命。同时 应注意到钻井液中有害气体会损坏定子

7、中的橡胶。 （2 2）钻井液流量要求）钻井液流量要求 p螺杆钻具的输出转速与输入液体流量成正比，每 一种钻具都有一定的流量使用范围，建议按推荐 值使用，否则将降低钻具的工作效率和使用寿命。 （3 3）钻井液压力及钻压的要求）钻井液压力及钻压的要求 p钻具在空运转时，若钻井液流量保持不变，液流 通过钻具和钻头产生的压力降为一常数值，该值 随钻具型式和规格的不同而不同。 p钻具工作时，随着钻压的逐渐增加，钻井液的循 环压力也逐渐增加，这增加的压力与附加钻压或 钻井扭矩成正比这即是通常的马达压力降，当达 到最大推荐工作压力降时，产生最佳扭矩。 p继续增加钻压，当循环钻井液在马达两端产生 的压力降超过

8、最大设计值时，钻具发生制动。 正常工作时，泵压随钻压的增减而升降。若泵 压突升几兆帕，继续增加钻压，泵压不再增加， 说明钻具发生了制动，此时，钻具定子与转子 间密封被冲开，钻井液通过不转的马达从钻头 水眼流出，这是钻具的过载保护功能，应迅速 将钻具提离井底，降低钻压，若钻井液长时间 流过不转的马达会使钻且严重损坏。 p为使钻具获得最佳工作效率和工作寿命，应将 钻具两端压差控制在推荐范围内。 （4 4）扭矩）扭矩 p钻具输出扭矩与钻井液流过马达产生的压力降成 正比，扭矩的增减对钻具输出转速基本无影响。 性能较好的马达，钻具从空载到最大有效工作载 荷区其速度降低一般不超过10。 p钻具带动钻头作顺

9、时针旋转工作时，同时在钻具 壳体上产生一反作用扭矩，大小为输出扭矩和磨 擦损失扭矩之和，该扭矩通过钻具壳体传递到钻 柱上，从而引起螺杆钻具以上各联结丝扣紧扣， 螺杆钻具马达以下各联结丝扣松扣，反扭矩随钻 压的增加而增加，当钻具制动时达最大。反扭矩 在定向作业时，会影响定向方位的变化。因此， 反扭矩要引起高度重视。 （5 5）对钻头水眼的要求）对钻头水眼的要求 p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

10、力轴承及径向轴承的寿命 （6 6）对井底温度的要求）对井底温度的要求 p温度直接影响着马达的性能，温度过高会使各种 不利因素加剧作用于定子橡胶，降低马达使用寿 命。为使钻具可在较高温度下正常工作，可采用 分段下井，间歇循环，使用带分流孔的中空转子， 以加速钻井液循环或改善钻井液散热性能及其它 性能的方法，以保证定子的工作温度低于极限值。 p螺杆钻具常规耐热温度为120，深井、高温井常 常采用耐温达150的高温螺杆钻具。 （7 7）钻具轴承间隙要求）钻具轴承间隙要求 p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

11、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) p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。 p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。 pD1D2即为推力轴承间隙值，见表1。 4 4、螺杆钻具的正确使用、螺杆钻具的正确使用 p螺杆钻具除旁通阀外，其它部分的壳体联接部位 均涂上螺纹粘结剂，并按API标准紧扣扭矩上紧， 使用时不需再次上紧（但经管子站检修的必须认 真检查

12、）。 （1 1）钻具下井前的地面检查）钻具下井前的地面检查 pa.用提升短节将钻具提起座入转盘卡瓦内，使旁 通阀位于转盘之上，以便于观察，装上安全卡瓦， 卸去提升短节。 pb.检查旁通阀，用木棒向下压旁通阀阀芯，至下 死点，从上部注满水，此时旁通阀应不漏，水面 无明显下降，然后松开阀芯，阀芯应能复位，即 认为旁通阀正常。 pc.接上方钻杆，卸去安全卡瓦，提出卡瓦，下 放钻具使旁通阀阀口处于转盘下易于观察的位 置，启动泥浆泵，当排量的大小不足使旁通阀 关闭时，应有钻井液从旁通孔流出，加大排量 直到旁通阀关闭、马达起动为止，不停泵上提 钻具至能观察到驱动接头为止，观察钻具是否 运转，然后下放钻具后

13、停泵，观察旁通阀是否 再次打开。 pd.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。 p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。 （2 2）钻具下井）钻具下井 pa.下放钻具及其组合，应小心的控制下放速度， 防止过快时马达倒转，使内部联接丝扣脱扣，同 时防止撞到砂桥、井壁台阶和套管鞋上，使钻具

14、损坏。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，应周期地 转动钻具组合，慢慢通过，以防划出新井眼。 pb.对于深井或进入高温井段，下放钻具建议周 期性地进行中途循环，防止由于高温而堵塞或 损坏定子内衬橡胶。 pc.如果下钻时泥浆返过多，可能是泥浆过稠或 旁通阀被堵，造成钻井液不能迅速流进钻柱中， 应减慢下钻速度或不时停下来充灌钻井液。 p注意：下钻时，切不可顿钻或将钻具直接座人 井底。 (3)(3)启动钻具启动钻具 pa.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。 pb.定向钻进前，应充分地冲洗井底，清除井底

15、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3045) 依次把堆积在井底的物体清理干净，清理完毕后， 上提钻具0.3O6米进行循环，校对压力值。 (4)(4)钻进钻进 pa.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

16、，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。 pb.开始钻进时应缓慢加钻压，待正常钻进时， 司钻可用下列公式控制操作： p打钻泵压离井底泵压十钻具负载压降 p离井底泵压随钻具组合、井深、钻井液性能的 变化而变化。 pc.开始钻进的一段时间内钻进速度不要太快，因 为此时钻具和钻头都很紧，易产生钻头泥包。 pd.施加钻压不要太猛，均匀送钻能保证斜井段的 曲线光滑和定向精度，判断钻具工作情况的主要 依据是泵压，对于使用时间较长的马达，还要以 进尺率为依据。 5.5.螺杆钻具的现场保养螺杆钻具的现场保养 p钻具每用完一

17、井次，都要进行井口保养，若轴承 间隙超过允许值(见上表)，应回收管子公司进行 维修。 一般的现场保养主要有以下几步 p a卸下旁通阀以上各件，用清水冲洗旁 通阀，上、下活动阀芯，使其活动无阻，清洗 完毕，拧上提升短节。 p b将钻头放入钻头盒内用大钳夹紧钻具， 反时针旋转钻头，使钻具中剩余钻井液流出， 然后卸去钻头。 p c从传动轴驱动接头孔中冲洗钻具，然 后平放钻具，维护保养后待用，若钻具长时间 搁置不用，建议向钻具内注入少量的矿物油以 防止锈蚀，但不允许加柴油。 6 6螺杆钻具故障分析及排除螺杆钻具故障分析及排除 p 从现场观察钻井液的压力变化和进尺情况， 可发现和分析判断钻进过程中的许多

18、问题，根据 正确的分析，采用相应的措施来解决，将可节省 起下钻的时间和费用(见下表) 7 7螺杆钻具与定向接头角差的测量螺杆钻具与定向接头角差的测量 方法方法(如下图) 钻具的周长为L 角差=L1/L360 例题：已知在95的单弯螺杆 本体上，测量其周长为298mm， 从单弯高边到定向键的弧长为 200mm，求角差。 解：角差 =100/298360=120.8 8 8、螺杆钻具在钻井中对应转盘速度、螺杆钻具在钻井中对应转盘速度 p 转盘以高于80rpm的速度使马达旋转会损伤定 子的合成橡胶。高转盘速度可以使转子和传动机 构产生的离心力增大，引起定子、传动机构、径 向轴承和内连接螺纹磨损增大。

19、 转盘速度与弯外壳角度的关系如下： 二、弯接头二、弯接头 p 弯接头是定向钻井中定向造斜、扭方位的一 种井下专用工具。 p 弯接头又分为固定角度弯接头，可调角度弯 接头两种。目前，现场常用的是固定角度类型， 如图所示 p它由接头体、循环套、定向键和固定螺丝组成。 弯接头的弯曲角一般为1、1.5、2、 2.5、3。弯曲角超过4时，钻出的井眼 曲率太大，也不易下井，常规定向井一般不用。 p可调角度弯接头是一种较为先进的井眼轨迹控 制工具。根据调节方式和工作原理的不同可分 为电动式、机械式、液压式等几种类型。它们 的共同特点是不起钻，通过地面控制把弯接头 调到需要的角度(包括零度)。可连续进行定向、

20、 增斜、稳斜和扭方位。 p可调角度弯接头的主要优点是：提高井眼轨迹 控制的精度、减少起钻次数、加快钻井速度、 降低钻井成本。有利于安全、优质、快速钻井。 现场除了检查接头的丝扣以现场除了检查接头的丝扣以 外，还应注意定向键的位置是否外，还应注意定向键的位置是否 正确，定向键是否能保证正常作正确，定向键是否能保证正常作 键，滑套是否松动。键，滑套是否松动。 三、非磁钻铤三、非磁钻铤 p非磁钻铤是一种由蒙乃尔合金或不锈钢制成的不 易磁化的钻铤。 p非磁钻铤用途:是为磁性测斜仪提供一个不受钻柱 磁场影响的测量环境。 四、稳定器四、稳定器 p 定向钻井中，常用的稳定器有螺旋稳定器和 滚子稳定器两种。

21、稳定器在定向钻井中的用途如下： p 在增斜钻具组合和降斜钻具组合中，稳定器起 支点作用，通过改变稳定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，达到控 制井眼轨迹的目的。 p在增斜钻具中，近钻头稳定器为支点，稳定器上 部的钻铤受压后向下弯曲，迫使钻头产生斜向力 来达到增加井斜的目的。 p 在降斜钻具中，稳定器离钻头的距离般为 1020m。稳定器下面的钻具靠自身重力，以稳定 器为支点产生向下的钟摆力，达到降斜的目的。 p 增加下部钻具组合的刚性达到稳定井斜和方位 的目的。稳斜钻具组合，是减小钻头与稳定器之 向，以及稳定器与稳定器之间的相对距离，增强 下部钻具的刚性，以限制下部钻具受

22、压变形，收 到稳斜效果。 p 修整井眼，使井眼曲率变化平缓，圆滑。 有利于减少井下复杂情况。 p 稳定器下井前，应认真检查稳定器的外径， 磨损情况和稳定器在钻具组合中的安放位置。 稳定器的外径磨损应不大于2mm。 五、随钻震击器五、随钻震击器 p 震击器的种类按震击器的工作方式和用途可 分为：地面震击器、上击器、下击器和随钻震击 器。 六、键槽破坏器六、键槽破坏器 p键槽破坏器的几何形状与螺旋稳定器相似，外形 尺寸与相应井眼使用的稳定器相等。它与螺旋稳 定器不同的是上下斜台肩都用硬质合金焊条堆焊 成锥形，具切削、扩孔、破坏键槽的性能。 键槽破坏器在钻柱中的位置： p 1专门用于破坏键槽的钻具组

23、合：钻头 十小尺寸钻铤(5060m)十键槽破坏器十随钻 震击器十加重钻杆。 p 对于长井段键槽的破坏，可采用：钻头十 小尺寸钻铤1柱十键槽破坏器十小尺寸钻铤1柱 十随钻震击器十加重钻杆。 p 钻柱中小尺寸钻铤的外径应与钻进时钻杆 的接头外径一样。下钻至预计键槽井段以上 100m左右，控制下放速度，发现遇阻遇卡开始 划眼。严格控制钻压，均匀送钻，钻压一般不 大于5t，以防扭坏钻具。 2随钻破坏键槽 p在定向钻井中，根据已钻井眼的井眼曲率大小和 地层岩性，对于容易形成键槽的井段，采取预防 措施，分井段，定期把键槽破坏器接在预先计算 好的拐弯井段，边钻进边划眼，以防形成键槽。 七、变向器七、变向器

24、p变向器的用途 p对于因地层因素影响，容易发生方位漂移的井 段，采用变向器可以克服井眼轨迹自然漂移，保 持方位不变。 p地层倾角小的地层，使用变向器可以在小范围 调整方位。 八、旁通接头、高压循环头八、旁通接头、高压循环头 p 1 1用途用途 p 采用有线随钻测斜仪进行定向造斜，扭方位 时，电缆通过旁通接头或高压循环头进入钻具水 眼，把测斜仪器送至井底。 2 2结构、特点结构、特点 p（1 1）旁通接头）旁通接头 p由接头体，电缆密封总成和电缆卡子组成，其 特点是： p (i)结构简单，使用方便。 p (ii)使用旁通接头进行随钻定向、扭方位 施工，中途不需要起下电线，节省时间。 p由于旁通接

25、头以上的电缆在井口以下的钻杆环 形空间里，井口作业应特别注意不要挤坏电缆 和防止电缆打扭。 （2 2）高压循环头。）高压循环头。 p主要由循环头、密封头、电缆卡子和手压泵组 成。其特点是： p i)高压循环头直接和水龙带连接，不用水 龙头 p ii)电缆从高压循环头的顶端密封头进入 钻杆，电缆不易损坏。 p iii)每次接单根必须把井下仪器提到井口 最上面一根钻杆里，接完单根再下到井底座键 和密封电缆，卡电线卡子，与旁通接头相比增 加了起下仪器的时间。 九、套管内定向开窗侧钻工具九、套管内定向开窗侧钻工具 p在已下套管的井内进行套管内开窗侧钻，目前有 两种方法。 p第一种方法是采用斜向器定向，

26、使用磨铣工具在 套管上开窗侧钻。 p第二种方法是采用水力扩张式套管磨鞋，磨掉一 段(3050m)套管，用常规定向造斜方法进行侧钻。 1 1、套管内定向开窗侧钻的用途、套管内定向开窗侧钻的用途 p（1）、钻多底井 p（2）、事故井侧钻 p（3）、老油田枯竭采油井二次完井。 p (i)油层井段严重砂堵或被水锥淹没，可采用 套管开窗技术在上部适当位置开窗侧钻，钻达油 气层进行二次完井，采油。 p (ii)采油井下部套管损坏或发生事故、井 下落物无法处理，也可采用套管开窗技术，重 新钻达目的层，二次完井，采油。 p (iii)已钻井偏离含油区，可在上部技术 套管内的适当位置进行开窗侧钻，调整目标点，

27、以获得工业油气流。 p (1V)老油田枯竭井通过定向开窗侧钻，开 采死油区。 2 2套管定向开窗工具套管定向开窗工具 p（1 1）采用斜向器进行套管开窗侧钻。）采用斜向器进行套管开窗侧钻。 p 斜向器类型分为：液压卡瓦式，底部触发 卡瓦式，套管接箍触发卡瓦式、固定锚式等多种。 p 磨铣工具包括：启始铣鞋、开窗铣鞋，锥 形铣鞋、西瓜铣鞋、钻柱铣鞋。 套管开窗工具规范及推荐尺寸见表。 （2）采用扩张式套管磨鞋进行开窗侧钻 pa.结构及工作原理 p扩张式套管磨鞋主要由刀片、活塞、流量显示装 置和磨鞋体组成。套管磨鞋下至预定开窗位置， 开泵循环，在循环压力作用下，活塞压缩弹簧下 行，使支撑头顶出刀片，

28、向外扩张，转动钻具切 割套管。套管被割断后，刀片逐渐完全张开，泵 压下降1.31.7MPa，轻压(1.82.7t)磨铣套管。 下面以1996年由32974承钻的套管开窗 井泉365x为例，介绍其段铣工艺过程： p钻 具 组 合 ： 1 1 4 D X 段 铣 器 x 1 . 3 5 m 十 104.78mmDCx108.78m十73mmDpx1736.43方 方入8.12m，开窗点1854.92m。 p钻台上进行刀臂张开试验。开泵前用细铁丝将 刀臂捆住，排量达到6ls时刀臂即张开，立 管压力未见显示，排量12ls时立压1Mpa， 181s时立压3.8MPa，241s时立压为7MPa。 p确 定

29、 套 管 接 箍 位 置 ， 将 段 铣 器 下 至 开 窗 点 1854.92m，然后开泵上提注意灵敏表变化，当提 至184894m时灵敏表有明显的20KN遇卡显示，这 表明该井深为接箍位置，然后停泵下放钻具5.98m 即在接箍以下5.98m开始切割。 p割断套管。当刀卡的位置在1854.92m时压住刹把， 用6ls的排量，73rmin转动钻柱，这时立压为 10Mpa、13min后立压忽然降至8MPa，说明套管已 被割断，继续转动钻柱让刀充分张开，20min后立 压为7.5Mpa。正常磨铣。磨铣参数为钻压10KN， 转速73rmin，排量68ls，立压7.512Mpa。 操作要点： p(1)操作刹把