定向井专用工具讲解

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1、定向井专用工具 2010年7月 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 p (1) 、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。当高压液体进入钻具时，迫使 转子在定子中滚动，马达产生

2、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 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)、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

3、： 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 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)、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)、传动轴总成 p传动轴总成的作用是将马达的

4、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)、导向总成 p导

5、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、钻具规格及技术参数 p(1)钻具表牌说明 p(2)技术参数 (1)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 代号 螺杆头数 (2)技术参数 3、螺杆钻具的使用要求 p（1）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。

6、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中的橡胶 。 （2）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）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

7、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。

8、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）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）对钻头

9、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，从而影响推力轴承及径向轴承的寿命 （6）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

10、，深井、高温井常 常采用耐温达150的高温螺杆钻具。 （7）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

11、隙值，见表1。 4、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）。 （1）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

12、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）

13、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 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)启动钻具 pa.钻具达到预先

14、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0.3O6米进行循环，校对压力 值。 (4)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

15、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。 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

16、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.螺杆钻具的现场保养 p钻具每用完一井次，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问题，根据 正确的分析，采用相应的措施来解决，