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1、定向钻进技术实验指导书李巨龙 于宗仁 编矿山地质基础实验教学中心2008年10月实验一 螺杆钻具及测斜仪器观测实验实验日期 姓名 班级 学号 实验成绩一实验目的1了解YL型、LF型液动螺杆钻具工作原理及性能调节；2熟悉孔底动力机定向钻进钻具组成，了解造斜件、定向接头的特点和结构；3了解常用测斜仪工作原理及使用方法；4了解造斜钻头的结构特点，分析钻头孔底碎岩机理及破坏机理。二实验器材YL65型螺杆钻具一套；LF65型螺杆钻具一套；JXY2型测斜仪一套；金刚石、复合片、硬质合金造斜钻头三组；弯外管、定向接头、无磁钻铤等。三实验内容(一) 造斜钻头观测1金刚石造斜钻头的结构组成，底唇面形状、水口形状
2、；2观测复合片钻头的组成、复合片形状及镶焊方式。3观测硬合金造斜钻头结构要素，硬合金的排布、形状、数目；4将上面观测结果填入造斜钻头观测记录表。造斜钻头观测记录表钻头名称钻头体胎体切削具水口唇面形状高度壁厚材料材料尺寸粒度出刃排列方式形状大小金刚石钻头复合片钻头硬质合金钻头(二) JXY2测斜仪观测JXY2型测斜仪利用罗盘测量钻井方位角和利用悬锤测量钻井顶角，它只适用于非磁性岩层和矿层内、直径大于80毫米的钻井。1将测斜仪减震垫拿出，从保护筒中取出仪器，观察测斜仪的结构、组成；2根据钻孔深度、仪器下放时间，确定定时时间。3检查仪器工作状态，正常后，定时，将仪器放入保护筒中，加上减震垫。4拧卸开
3、铜套管，将两个测斜仪分别放于上、下管中，加上密封圈，将铜套管上紧，下入钻孔中。5定时时间一到，将仪器从孔中取出，记录测斜数据。取两个测斜仪的平均值，得出钻孔测点的顶角及方位角。6实验结束，将仪器各部件清洗干净，放回原处。 图1 JXY2型测斜仪结构图 1上轴；2定时挺针；3下轴；4定位齿条；5顶角刻度器；6框架；7里套筒；8重锤；9胶木盖；10罗盘盒盖；11磁针；12定时钟旋纽；13保护筒；14水平轴承；15轴承座；16闷头螺钉；17D22轴承；18罗盘盒底；19定位座；20防震橡皮垫；21钢珠主要技术特性：仪器外套管直径75毫米，全长1990毫米，全部重量约33公斤；每台仪器放置测量仪器主体
4、二具；仪器最高工作温度80；仪器外套管密封性能承受液压不小于70公斤/厘米2；测量仪器主体(连保护管)直径54毫米，高213毫米；方位角刻度分度2，在顶角4以上时测量误差为4；顶角刻度分度值2，测程060，测量误差在030间不超过1，在30以上不超过2；定时装置最大工作时间110分钟，最小工作时间10分钟。(三) 造斜件、定向接头的观察观察造斜件、定向接头，了解其结构特点及工作机理。(四) LF65型、YL65型液动螺杆钻具拆卸、结构观察1LF65型螺杆钻具观察。如图2所示， LF65型螺杆钻具是一种井底发动机，其动力来源于地表的泥浆泵所提供的高压液体（水或泥浆）。由下列主要部分组成：溢流阀，
5、螺杆发动机，万向联轴节，驱动轴及轴承。(1) 观察螺杆钻具，了解钻具的的外部结构；(2) 将钻具从上而下，依次拆卸，观察各组件的结构，了解其功用。注意：定子以上丝扣为正扣，定子以下丝扣均为反扣；a 溢流阀螺杆钻具在正常工作时，溢流阀应关闭严密。让由地表泵送来的高压液体全部通过，推动发动机转子旋转而不损失过大的压力。当下钻具时，溢流阀应处于开启位置，使钻杆通过该阀上的旁通孔连通。这样，可以防止转子反转，提钻时，溢流阀上的旁通孔打开，可使钻杆内的液体通过旁通孔排入孔内，不致因提钻拧卸钻杆时喷溅液体而污染地表设备。 溢流阀主要由上接头、阀体、阀芯、弹簧及阀芯的上、下“O”形密封圈组成。当开泵使螺杆钻
6、具工作时，在液体压力差值的作用下，阀芯向下迅速移动，下端插入阀体中的阀座内，此时阀芯下端的“O”形密封圈起作用，阻止液体从旁通孔流走，迫使液体全部送到螺杆发动机使其工作，当停泵提钻时，阀芯依靠弹簧的回弹力量恢得到原来位置，打开旁通孔，使钻杆与孔内连通。图2 LF65型螺杆钻具结构示意图b 螺杆发动机主要由两个零件五波齿转子和六波齿定子所组成。定子外壳内衬耐油、耐磨优质橡胶，转子用优质钢材制造，表面镀硬铬层。螺杆发动机是螺杆钻的核心，依靠其转子和定子间的相互配合将地表泥浆供给的液体能量转化为能克取岩石的机械能，因此转子与定子的配合极为重要。它们之间的配合状态（形状及尺寸）决定了螺杆钻的工作性能和
7、工作状况。新的螺杆发动机，在工作100120h以后，它们之间由于磨损而产生间隙，导致其效率下降，这时则需要更换新的转子和定子。c 万向联轴节它位于螺杆发动机转子的下部，通过丝扣与转子联接，万向联轴节的下部与驱动轴上的过水接头相联接，其作用是将螺杆发动机的扭矩传给驱动轴，并将转子的偏心回转运动变成驱动轴的同心回转运动，同时还承受转子工作中产生的轴向力。万向联轴节主要由两个万向节中间连接杆所组成。万向节是由与转子联接的联轴节外套及安装在外套内的鼓形齿，钢球位于外套与鼓形齿之间，鼓形齿能回绕钢球中心摆动，位于挡环和压圈之间的“L”形密封圈起密封作用，使外套内的润滑油不外流，同时防止泥浆或其他污物进入
8、套内。万向节必须成对使用，两万向节之间用联接管联接，工作时万向节摆的锥角20。d 驱动轴及轴承 它的作用是将扭矩、钻压传递给钻头，并支撑空转时螺杆钻具体本身的重量。驱动轴通过一个过水接头与万向联轴接联接，过水接头上有四个通水孔，由螺杆发动机来的大部分低压工作液体经四个通水孔进入驱动轴中心，最后通过钻头冲洗钻屑和冷却钻头。驱动轴上安装有两套专用的推力轴承和一套橡胶扶正轴承，一套特制的推力轴承装在橡胶轴承上面。另一套则装在橡胶轴承下面。径向轴承和推力轴承都留出了水路。容许5%10%的水流通过，以冷却和润滑轴承。橡胶扶正径向轴承用以承受螺杆钻具的径向载荷和提高运转的稳定性。推力轴承承受轴向载荷及传递
9、钻压。驱动轴下部通过一异径接头与钻头相联接。 (3) 依次将钻具从下往上组装起来；(4) 钻具及地表设备的组成定向钻探时，由孔底至地表钻具及设备按下列顺序组成：钻头（通过异径接头）分水接头螺杆钻具弯接头（根据需要选择）钻杆至地表主动钻杆及扭矩装置（通过水笼头）高压胶管过滤器泥浆泵。(5) 钻具使用注意事项：a 开钻前的准备工作。 按照螺杆钻具需要的液体压力来设置地表管线，准备好必要的泥浆（或水），在泥浆泵进水口处安装一过滤网罩；检查螺杆钻具各外管丝扣是否用粘结剂结牢固；检查溢流阀是否打开；将螺杆钻具平放地面，用管钳咬住螺住螺杆具外壳，同时用另一管钳咬住钻头上部异径接头，作顺时针拨动，检查松紧程
10、度；用卷扬机将螺杆钻具吊起，放入孔内只留溢流阀在地表，启动泥浆泵给螺杆钻具输送高压液体，看螺杆钻具能否启动，溢流阀关闭和启开是否灵活；按照钻具组合顺序下钻，每根钻杆丝扣必须上满扣，以防止液体从丝扣处漏损。控制下钻速度不大于1020m/min，下至离孔底20m时，应放慢速度，防止岩屑堵塞，如果确认孔底干净可下到孔底12m处；检查泥浆泵压力表是否完好，指示有无误差；将钻具提离孔底12米，开泵，确认泥浆泵工作正常，然后缓慢将钻具放到孔底进行钻进。b 操作要点泥浆（或水）应尽量洁净。当前，在冲洗净化措施尚不完善的条件下，以使用清水或其他无固相、低固相冲洗液为宜，其含砂量应低于0.5%，颗粒直径应小于0
11、.3mm。冲洗液循环使用时，要采取沉淀过滤等措施。螺杆钻具在工作时，操作者须掌握泥浆泵泵压和施加钻压情况。泥浆泵压力变化情况，反映出螺杆钻具在孔底的工作状态。当螺杆钻具工作正常时，泵压稳定（压力波动范围小），钻杆柱上有反扭矩，用于触摸钻杆感觉到规则的振动；如果泵压突然升高，钻杆柱上扭矩增大，有可能是孔底螺标钻具遇到较大阻力，泵压继续升高，能使螺杆钻产生“制动”（不工作）状态，严重者有可能造成钻杆柱因“弹性释放”而反转，使钻柱脱扣，为避免这种情况发生，应立即使螺杆钻具停止工作（停泵或把钻具提离孔底），重新调整钻压，使螺杆钻具恢复正常工作。还有一种反常情况，泵压持续上升，钻杆柱上无反扭矩，也感觉不
12、到规则振动，这种现象产生的原因，可能是螺杆钻具定子脱胶，或者是管路系统某处堵塞。遇到这样情况需要立即停泵提钻全面检查。反扭矩装置 螺杆钻具在工作中产生反扭矩，反扭矩由螺杆钻具传提给钻杆柱。为了保证螺杆钻具能正常钻进，需要在地表设置一个反扭矩装置，该装置是根据使用者所用的地表钻机而因地制宜加以设计安装。其原则是：从定向钻探特殊工艺要求出发，能够随意在360范围内扭转钻杆柱，当钻杆柱扭转到某一方位停下来后，应当固定不变，并且能承受反扭矩，既要随心所欲地调整方位角，又不影响钻具继续往下钻进。泥浆泵排量（即螺杆钻具液体耗量） 螺杆钻具是依靠地面泥浆泵提供高压液体进行工作的，因此，准确掌握泥浆的泵量是定
13、向钻探中至关重要的。从螺杆钻具的特性曲线知道，一定的泵量对应着一定的螺杆钻具输出转速，即泵量越大则转速愈高。但是从小口径金刚石定向钻探这一特殊工艺要求出发，泵量是要受到一定限制的。为了满足钻具转速对泵量的需要，则要保证一定的泵量（见技术性能参数），为了减少到达孔底的液体流量，可以在螺杆钻下部（钻头的上方）安装一个“分流接头”，使一部分液体从“分流接头”侧面分流到钻具与孔壁间隙，只允许一部分液体达到孔底。“分流接头”可以根据流量大小进行设计。图3 YL65型螺杆钻具结构图2YL65型螺杆钻具结构与LF65型钻具基本相同，主体由溢流阀、马达、万向轴、传动轴总成四部份组成。主要区别在传动轴总成上，传
14、动轴总成主要由上、下推力轴承及上、下径向轴承组成。无钻压时，下推力轴承承受水力负荷及转子等转动零件的重量；施加钻压时，上推力轴承（共七片）承担钻压。同时，上、下径向轴承控制驱动轴的径向摆动，驱动轴将扭矩传给钻头。将钻具拆开，了解钻具的结构及工作机理。四 实验报告1实验目的、要求；2实验器材；3主要实验内容；4思考题：(1)液动螺杆钻具溢流阀的作用是什么？(2)简述液动螺杆钻具在起下钻、正常钻进时的工作状态。(3)造斜钻头的特点是什么？(4)弯外管一般在何处钻头的侧向切削力最大？为什么？(5)简述JXY2型测斜仪的工作原理及操作。5实验心得、体会实验二 有线随钻测斜仪观测实验实验日期 姓名 班级 学号 实验成绩一 实验目的1了解DST有线随钻测斜仪工作原理、结构组成；2掌握DST有线随钻测斜仪现场操作使用；3掌握TCXJ-2000型绞车工作原理及结构组成。二 实验器材DST有线随钻测斜仪；TCXJ-2000型绞车一台；工具箱一个；台钳等。三 实验内容1DST有线随钻测斜仪工作原理DST随钻测斜仪以重力加速度和地磁场强度为基准矢量。探管(是测量井眼各种参数的心脏，它包括三个磁液悬浮加速度计，三个磁通门和一个温
