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1、第6章 定向钻井专用井下工具 史玉才 中国石油大学（华东） 2006年12月 6-1 无磁钻铤 6-2 螺杆钻具 6-3 其它工具 第6章 定向钻井专用井下工具 1、作用 u为磁性测斜仪提供无磁环境，防止磁罗盘读数失真。 使用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”。 必须将罗盘放置在无磁环境中。必须将罗盘放置在无磁环境中。 6-1 无磁钻铤 测斜仪器的保护筒和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。 蒙乃尔合金（monel：含铜、镍、铬等）； 弹性模量为 26*10
2、6psi 。 2、无磁材料及其性能 无磁钻铤的弹性模量较小、费用高，使用时 应特别小心防止损坏。 6-1 无磁钻铤 （1）使用长度： u无磁钻铤的使用长度及测量时罗盘所处的位置与井斜角、方位角 及井位所处的地理位置（纬度）有关。 3、使用长度及安放位置 曲线A以下：无磁钻铤选用9m（1个单根）； 曲线B以上：无磁钻铤选用18m（2个单根）; 曲线A与B之间：BHA仅有一个近钻头稳定器时，无磁钻铤选用9m； 无磁钻铤以下是多个稳定器或动力钻具时，无磁钻铤选用18m。 Why？ 6-1 无磁钻铤 （2）安放位置：与钻具组合形式有关，要尽可能靠近钻头。 3、使用长度及安放位置 Why？ 降斜钻具：直
3、接与钻头连接； 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：接在动力钻具或弯接头之上。 6-1 无磁钻铤 1、概述 原理：容积式井下动力机械 ，根据诺莫依（Rene Moineau ）原理制造而成。 作用：把钻井液的水力能转化为机械能供给钻头。 应用范围：主要用于定向井、水平井的造斜及扭方 位施工，也用于直井反扣或侧钻作业中，是目前最 广泛使用的一种井下动力钻具。 生产商： Smith公司的迪纳钻具（Dyna系列）、 Christensen公司的纳维钻具（Navi系列）；北京 石油机械厂、大港中成石油机械厂。 6-2 螺杆钻具 （1）基本结构：由四部分组成
4、，从上至下 A. 旁通阀总成； B. 马达总成； C. 万向轴总成； D. 传动轴总成。 2、基本结构及工作原理 6-2 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。 6-2 螺杆钻具 A、旁通阀总成 工作原理： a. 开泵时开泵时，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
5、间与环空沟通。 6-2 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。 a) 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。 b) 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。 6-2 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 6-2 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
6、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结构弯角，而弯 壳体螺杆钻具的万向轴壳体带有结构弯角。 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。 6-2 螺杆钻具 作用：传动轴的作用是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。 6-2 螺杆钻具 D、传动
7、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（用于水平井的螺杆钻具除外）。 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。 6-2 螺杆钻具 2、基本结构及工作原理 (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
8、把钻井液的液 力能通过螺杆转换成机械能。 6-2 螺杆钻具 3、型号及分类 以“P5LZ1657.0B”为例：P水平井用钻具；5马达转子为5头；LZ 螺杆钻具；165外径为165mm（61/2in）；7.0许用的最大钻头水 眼压降为7.0MPa；B第二次改进（为中空转子） 。 6-2 螺杆钻具 （1）型号说明 3、型号及分类 6-2 螺杆钻具 （2）分类：根据螺杆马达的结构特征及其结构参数进行分类。 A、按螺杆马达的结构特征分类 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、
9、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/（N1）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。粗略地讲，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，工程上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。 3、型号及分类 6-2 螺杆钻具 （2）分类：根据螺杆马达的结构特征及其结构参数进行分类。 B、按螺杆钻
10、具（马达）的公称外径分类 该分类方法便于钻井工作者根据所钻井眼尺寸来选择相应直径 的螺杆钻具，或螺杆钻具的设计制造部门根据井眼尺寸系列来开 发生产螺杆钻具的系列与规格。 a)用于大、中井眼的螺杆钻具有165mm、172mm（用于 216mm井眼）；197mm、203mm（用于244mm 311mm井眼）；244mm（用于311mm以上井眼）。 b)用于小井眼（152mm以下）的螺杆钻具有120mm，以及 100mm、95mm、89mm、54mm等。多用于套管开窗侧 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、型号及分类 6-2 螺杆钻具 （2）分类：根据螺杆马达的结构特征及其结构
11、参数进行分类。 C、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）。 a) 直螺杆钻具上方加配弯接头主要用于钻常规定向井。 b) 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。 3、型号及分类 6-2 螺杆钻具 （3）导向螺杆钻具 l结构特点：弯壳体稳定器中空转子 l类型：单弯、同向双弯、异向双弯 l用途：配合PDC钻头或牙轮钻头组成不同的导向钻具组合，完成 定向造斜和在不更换钻具组合情况下实现稳斜段（配合转
12、盘低速旋 转）及水平井段的钻井。 u单弯、同向双弯钻具造斜率高、造斜效果好，是水平井钻井必备 工具之一； u异向双弯钻具常用于水平井段钻进，有微增、降斜的功能，稳斜 、稳平效果好，可配合旋转方式钻进，控制轨迹方便。 l技术关键：各弯点的选择及弯角加工精度的控制 4、工作特性（外特性） （1）理论工作特性： 6-2 螺杆钻具 包括理论工作 特性和实际工 作特性 螺杆钻具的马达为容积式，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。 4、工作特性 （1）理论工作特性： 6-2 螺杆钻具 4、工作特性 （2）实际工作特性 螺杆钻具存在转子与定子间的摩擦阻力和密封腔间的漏失， 其它部分（
13、如传动轴的轴承节）也存在机械损失和水力损失。 6-2 螺杆钻具 4、工作特性 （2）实际工作特性： 6-2 螺杆钻具 4、工作特性 6-2 螺杆钻具 （2）实际工作特性： 4、工作特性 （2）实际工作特性： 6-2 螺杆钻具 4、工作特性 （2）实际工作特性： 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。 6-2 螺杆钻具 4、工作特性 （3）额定工作参数的确定： 6-2 螺杆钻具 定义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
14、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、现场应用几个问题的探讨 （1）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，并进一步从产品目 录中选定所需的型号和规格。 6-2 螺杆钻具 5、现场应用几个问题的探讨 （1）导向螺杆钻具的选型原则： A、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，约 25.4mm （1in）左右，以防止井下遇卡和出现
15、事故时进行打捞作业。 6-2 螺杆钻具 5、现场应用几个问题的探讨 （1）导向螺杆钻具的选型原则： B、根据设计造斜率确定工具造斜率 6-2 螺杆钻具 5、现场应用几个问题的探讨 （1）导向螺杆钻具的选型原则： C、根据钻头水眼压降确定传动轴类型 6-2 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。选 型时，要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。 现有产品分为3.5MP a（500psi）、7.0MPa（1000psi ）和14.0MPa（2000psi）等三种。该值越大，说明传动 轴的承力承压性能越好，成本就越高。 5、现场应用几个问题的探讨 （2）根据排量需求选择转子类型 6-2 螺杆钻具 由干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。 在钻井过程中，尤其是大井眼水平井中，为了携带岩屑需要，要 求有较高的钻井液返速，即要求有较大的工作排量。而这一排量 会成倍高于螺杆钻具的额定排量或最高排量。在这种情况下，应 该选择带有中空转子马达的螺杆钻具。 中空转子就是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Q将分成两部分，Q1进入转子中孔 旁路，Q2进入转子与定子间使钻具马达产生旋转。 5、
