定向井常用井下工具概要.docx
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定向井常用井下工具概要
油田技术－定向井工程师序列培训讲义（T2－21）
第一部分定向井常用井下工具的分类
1、泥浆马达（PDM）
2、旋转导向工具
3、扶正器（STB）
4、非磁钻铤（NMDC）
5、悬挂短节（HOS）
6、短非磁钻铤（SNMDC）
7、浮阀（F/V）
8、定向接头（O/S）
9、挠性短节（F/J）
10、震击器（JAR）
11、加重钻杆（HWDP）
12、短钻铤
13、弯接头
14、套管开窗工具
15、其它定向井工具
第二部分定向井常用井下工具的现场检查测绘及使用
一、泥浆马达
1、泥浆马达的主要组成部分
1）旁通阀总成2）马达总成
3）万向轴总成4）驱动轴总成
2、泥浆马达的工作原理:
马达是一种螺杆钻具（SCREWDRILLS），它是以泥浆作为动力的一种井下动力钻具。
马达工作原理：
泥浆泵产生的高压泥浆流，经旁通阀进入马达时，转子在压力泥浆的驱动下，绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速，通过万向轴和传动轴传递给钻头，来实现钻井作业。
3、旁通阀结构及工作原理：
旁通阀有旁通和关闭两个位置，在起下钻时位于旁通位置，下钻时允许环空的泥浆由旁通阀阀体侧面的阀口孔流向钻杆（钻具）内孔，起钻时使钻杆内孔的泥浆从阀体侧面的阀口流入环空，减少井台溢出泥浆，当泥浆流量及压力达到一定值时，旁通阀关闭，泥浆流经马达，将泥浆能量转换为机械能。
4、马达总成的结构及工作原理：
马达总成由转子和定子两部分组成。
定子与转子之间形成若干个密封腔，在泥浆动力作用下，密封腔不断的形成与消失，完成能量交换从而推动转子在定子中旋转。
马达可形成几个密封腔就称几级马达。
5、万向轴总成的工作原理：
万向轴总成位于转子下端，其作用是把马达产生的扭矩和转速传递到传动轴上。
由于转子作的是偏心运动，因此要求万向轴具有较好的挠性功能，能将偏心运动转换成传动轴的定轴转动。
6、传动轴总成（driveshaftassembly）的工作原理：
它的作用是将马达的旋转动力（扭矩和转速）传递给钻头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。
7、泥浆马达操作参数及注意事项
<工作压力
<循环压力
<工作压差
<马达井口试验应注意的问题
<不同马达所允许的轴向间隙
<马达使用结束后应注意的问题
<马达到达井场后先要作什么
二、旋转导向工具（另有专题讨论）
旋转导向工具是钻柱保持旋转状态下就能实现造斜、增斜、稳斜、降斜和扭方位等定向钻井目的的井下工具。
旋转导向工具的种类繁多，工作原理各异，从技术手段上分有全机械式、电子机械式、电子液压式等，从工作原理上分有静止式和调节式等。
静止式是指，当钻柱旋转时，导向支撑块不转动，可沿井眼轴线方向滑动；调节式是指，当钻柱旋转时，支撑块随钻柱一起转动，但其整体工作效果具有导向作用。
到目前为止我们只用过SCHLUMBERGER公司的POWERDRIVE、BAKERHUGHESINTEQ公司的AUTOTRAK和HALLIBURTON公司的GEO-PILOT旋转导向系统。
前者为调节式，后两者为静止式
三、扶正器
1、扶正器的分类
可调扶正器
一体式扶正器
近钻头扶正器
可换套筒式扶正器
2、扶正器的作用
1）．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；
2）．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间，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，以限制下部钻具受压变形，达到稳斜效果；
3）．修整井壁，平滑井眼。
3、扶正器的形状
直翼
正螺旋
大斜坡
小斜坡
4、扶正器的检查
扶正器出、入井时，应认真测量稳定器的内、外径，扶正翼的长度及磨损情况，两端丝扣及台肩，测绘扶正器的外形尺寸
四、非磁钻铤
1．常用非磁钻铤的规格
9“非磁钻铤：
扣型：
731*730外径：
9"（228.6mm）
内径：
2-13/16″（71.44mm）
8“非磁钻铤：
扣型：
631*630外径：
8”（203.2mm）
内径：
2-13/16″3“3-1/4”（82.55mm）
6-1/2"非磁钻铤：
扣型：
411*410外径：
6-1/2"（165.1mm）
内径：
3-1/4“或2-13/16”（71.44mm）
4-3/4”非磁钻铤：
扣型：
311*310外径：
4-3/4"（120.65mm）
内径：
2-1/4”（57.15mm）
2．组份、原理与作用
（l）组份：
①蒙乃尔钢，含30％铜和65％镍的合金；
②铬／镍钢，含约18％铬和13％以上镍的合金；
③奥氏体钢，锰含量大于18％的含铬合金；
④铬铁铜合金。
（2）用途
由于磁性测量仪器的磁通门感应的是井眼的大地磁场，所以测量仪器工作时必须是一个无其它干扰磁场的环境。
然而在钻井过程中，钻具往往具有磁性，影响磁性测量仪器正确测量井眼轨迹数据。
利用无磁钻铤可以实现无干扰磁场的环境，并且具有普通钻铤的作用。
无磁钻铤上下的干扰磁场线对测量仪器部位没有影响，因而无磁钻挺为磁性测量仪器创造了一个无干扰磁场环境，保证了磁性测量仪器测到的数据为真实大地磁场信息。
五、悬挂短节
悬挂短节作用：
将MWD仪器坐在其中，为MWD提供一个安全稳定的测量环境。
悬挂短节外壁上有一高边刻度线，其作用是校正马达高边及量MWD到马达OFFSET值。
内壁有一凸出的键，为MWD座封时使用。
在不使用MWD时，一定要注意先甩掉悬挂短节，以避免排量过大冲掉该键，造成井下事故。
六、短非磁钻铤
主要作用：
1.与非磁钻铤的作用类似。
2.只是长度不同利于配立柱。
3.减少测点到钻头的距离
七、浮阀接头
主要作用：
应加装浮阀芯子才能起作用，主要是防止泥浆倒流损害井下测量工具，以及防止钻头水眼被堵。
浮阀为一种内部“钻柱防喷阀”。
它的结构是一种翼阀或座式单流阀，安装在浮阀接头上，钻井过程中，特别是钻到很疏松的砂粒岩且岩石很细碎，在井眼的环空会有很多的细砂，在下钻、接单根时泥浆会倒流，大量砂粒从钻头水眼进入钻具内，开泵就可能造成堵死水眼。
在定向钻井中一般须使用MWD和井下动力钻具。
其本身工具流道就小,在下入过程中,特别是斜井段,由于下入时产生的回流,井壁上的岩屑和砂子会大量的进入工具内堵死水眼和流道,此时再开泵会损坏精密的MWD仪器,也可能形成砂堵憋泵。
此外在起下钻过程中,如果井涌和井喷,由于大量的砂子进入钻具内堵死水眼,加重了事故,使处理更加困难,上述情况造成的事故国内外都很多见。
目前在国际上普遍重视防堵水眼的措施,并且规定无论井深浅,钻进中需使用浮阀,而且在井涌时,浮阀本身就是单流阀,可以阻止流体进入钻具内,使处理工作能顺利进行。
但它受钻井液冲蚀严重，容易失去其功能。
因此设计一种带槽的翼阀，使回流减至最小，关井时不影响钻杆稳定的压力值，其结构见下图。
八、定向接头
1、基本结构
定向直接头的基本结构，包括壳体、扶正套、定向键和定位螺钉
2、主要作用
主要作用是为定向仪器（磁性单多点或陀螺等）提供一个稳定的座封环境，便于准确地知道马达等井下工具的方向，保障下部作业顺利进行。
九、震击器
随钻震击器是连接在钻具中随钻具一起进行钻井作业的井下解卡工具。
按工作原理分为机械式、液压式、和液压机械式；按其功能分随钻上击器、随钻下击和上下击一体式。
主要用于正常钻井的钻具组合中。
在钻井过程中发现钻具遇卡时，可立即进行上击或下击，使之迅速解卡。
它是减少深井、定向井、复杂井卡钻事故的主要工具。
注意事项
（1）最好不要单纯当震击工具用（指当井内发生卡钻事故时才下随钻震击器去解卡作业），而要随钻具下入井中进行钻井作业，卡钻时即启动震击器解卡，才能体现出随钻震击器的使用价值。
（2）在井中要严格按说明书接装，不可装错。
接错会影响产品的使用寿命，严重会发生折断，发生井下事故。
（3）产品对拆装要求较高，拆装时需有专用拆装设备，不可乱拆。
上击器和下击器配套使用，能有效的处理起下钻的遇阻。
遇卡。
（4）下井时上击器呈拉开状态，与钻具连接好后卸掉卡箍。
卡箍保存好，以待起钻重新卡住芯轴拉开部位。
（5）下钻快到井底前应先开泵循环，再慢慢地下到井底，切忌直通井底造成“人为的下击”。
井径小的地方遇阻造成上击器关闭时，应上提钻具，并静止悬吊钻具5～6min。
上击时，先下放钻具（在井口钻杆上标出刻度，下放一个工作行程），直到指重表的读数略小于上击器以上钻具的悬重，然后司钻刹住刹把等候震击，震击力的大小由上提钻具拉力决定的，上提拉力从小到大逐渐增加，震击效果也从小到大直至解卡。
但上提拉力不能超过上击器允许的最大震击吨位。
十、挠性短节
挠性短节的作用：
1）增加钻柱的柔性，降低应力集中对钻具的损害程度。
2）与震击器连接，保护震击器，增加震击时的弹力。
3）
有利于增加增斜钻具的增斜率。
十一、加重钻杆
加重钻杆是一种和钻杆类似的中等重量钻具，其管壁比钻杆厚，比钻铤薄。
管体连接有特别加长的钻杆接头。
钻具组合中一般加在钻杆与钻铤之间，防止钻柱截面的突然变化，减少钻杆的疲劳。
用它替代一部分钻铤，在钻深井中可以减少扭矩和提升负荷，增加钻深能力。
起下钻不用提升短节和安全卡瓦，操作方便，减少起下钻时间。
在定向井中使用，可以在较低扭矩的情况下高速钻进，减小了钻柱的磨损和破裂。
由于其刚性比钻铤小，和井壁接触面积小，也不容易形成压差卡钻。
十二、短钻铤
1、主要作用：
调节两扶正器间钻具跨度，达到旋转钻进时增降井斜的目的。
2、规格：
短钻铤一般都是光钻铤，常用的有
8″短钻铤：
扣型：
631*630外径：
8″（203.2mm）
内径：
2-13/16″（71.44mm）
6-1/2″短钻铤：
扣型：
411*410外径：
6-1/2″（165.1mm）
内径：
2-13/16″（71.44mm）
4-3/4″短钻铤：
扣型：
311*310外径：
4-3/4″（120.65mm）
内径2″（50.8mm）
十三、弯接头
弯接头的作用：
弯接头通常与直马达配合使用，能使造斜钻具产生侧向力，是定向钻井中定向造斜、扭方位的一种专用井下工具。
弯接头有定向弯接头和纯弯接头两种。
定向弯接头内通常安装循环套，壳体上划有弯曲方向的标线，纯弯接头需要与定向接头配合使用（类同与定向弯接头），用作单点或有线随钻侧斜仪确定工具面的方向。
弯接头的弯角越大，造斜率越大；弯曲点以上钻柱钢性越大，造斜率越大；弯曲点至钻头的距离越小且重量越小，造斜率越大。
弯接头分为固定角度和可调角度两种。
通常使用固定角度的弯接头，弯角一般为1～2.5°，弯角超过3°时，下井较困难，一般不用。
不同弯角接头造斜能力见表9－16。
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、增斜、降斜、稳斜和扭方位。
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。
十四、其他定向井工具
１、非旋转保护器
由于保护器旋转套的外径大于钻柱接头的外径，在井内旋转套接触套管壁，而钻杆接头与套管壁不接触，当钻柱旋转时，保护器相对于钻柱可自由转动，而相对于套管壁几乎无转动。
由于钻柱本体外径小，在钻柱旋转过程中摩擦面相对减少了，即以钻柱与保护器旋转套之间的摩擦代替了钻柱接头与套管壁间的摩擦。
通常扭矩与钻柱的有效外径成正比，使用保护器就减少了接触点的旋转扭矩阻力。
保护器旋转套采用胶木制造，钻井液能起到液体润滑作用，当钻杆在套管内旋转时，有效地降低了钻杆在套管内转动时的摩擦系数，达到了降低扭矩的目的。
在大位移定向井、水平井的钻进过程中，使用保护器，对于保护套管和钻具，实现安全钻进，提高钻进效率，有着重要的作用。
２、非磁加重钻杆nmhwdp
具有非磁钻铤和加重钻杆的特性，在大斜度井和水平井作业中替代非磁钻铤可以减少钻柱的摩阻力，利于滑动钻进。
３、配合接头
由于井里的钻具不是单一的扣型，不同的钻具扣型各异，无法连接成钻柱，这时就需要用配合接头（也叫转换接头或变扣接头）进行扣型的转换。
配合接头就是起到连接上下不同扣型的作用。
４、液力加压器
（一）结构
液力加压器结构如下图所示。
两级液力加压器结构示意图
1．上接头；2上液缸；3密封圈I；4密封圈II；5.上加压杆；6.密封圈III；
7下加压杆；8下液缸；9垫圈；10密封圈IV；11下接头；12花键轴
（二）作用及工作原理
液力加压器将下部的压力降转换成轴向钻压传递给钻头，同时还能改善井下钻柱
受力状态，在钻进过程中起到减震的作用，有利于提高机械钻速和防止钻柱的损坏。
该工具连接在钻挺与钻头之间，钻井液从上接头流入，经中心孔从钻头喷嘴流出。
由于钻头喷嘴的节流作用，在缸套内形成高压区，而活塞下腔由于有阻尼孔与环空相通，是低压区。
活塞在压差的作用下产生轴向推力，推动加压杆轴向移动，给钻头加压，其反作用力作用在外筒上。
使悬重减少，并在指重表上显示出钻压。
液力加压器实现钻柱与钻头的柔性连接，当钻井条件突然变化引起纵向震动时，迫使阻尼腔内的钻井液体积发生变化，从而起到液力减震作用，保护钻头和钻具。
该工具可阻尼掉震动和冲击力，而推进力的大小与活塞的行程无关。
５、键槽破坏器
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，具有切削、扩孔、破坏键槽的性能。
键槽破坏器在钻柱中的位置如下。
1）．专门用于破坏键槽的钻具组合
钻头＋小尺寸钻铤（50～60m）＋键槽破坏器＋随钻震击器＋加重钻杆。
对于长井段键槽的破坏，可采用钻头＋小尺寸钻铤1柱＋键槽破坏器＋小尺寸钻铤1柱＋随钻震击器＋加重钻杆。
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
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予先计算好的拐弯井段，边钻进边划眼，以防形成键槽。
６、变向器
1．种类
目前现场使用的变向器有圆筒式和叶片（游动臂）式两种。
2．用途
①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。
②地层倾角小的地层，使用变向器可以在小范围调整方位。
3．使用条件
①变向器只有在斜井段才能起作用。
在岩性、井眼、转速等条件相同的情况下，井斜角越大，变向器使用效果越好。
②井径扩大率小且井径规则。
不适用于井径扩大率大的地层。
③适用于中硬地层。
4．叶片式变向器
1）结构原理
变向器主要由本体、转轴和叶片组成。
转轴固定在变向器本体侧面的凹槽内，上下两端各装一个相同几何形状的叶片。
根据下井的目的（增方位或减方位）调换叶片的方向。
变向器下井后随钻柱旋转。
当上端叶片转至下井壁位置时，在钻具重力作用下叶片受压进入变向器本体的凹槽内，固定在转轴下端的（近钻头处）叶片穿出，在井壁一侧形成一个支点，推动井底钻头偏离原井眼的轴线，产生侧向切削力，使钻出的井眼朝着预计的方向偏移。
井眼的方位变化率可达到2°～5°／100m。
2）钻具组合
钻具组合形式如下：
钻头＋钻头接头＋叶片式变向器＋钻铤20～30m＋稳定器＋钻铤＋随钻震击器＋加重钻杆＋钻杆。
5．套筒型变向器：
这种变向器中间为一短钻铤，外面套着一个圆柱壳体，二者用两个小轴连在一起，可以相对摆动一个小角度。
两个小轴中心联线的上下侧，左右各置一个瓦片，两个瓦片中心线间夹角约120°。
当上瓦片转动到下井壁处，接触处便产生一个压力P1，通过圆柱壳体的传递，将下瓦片推内侧井壁，从而产生变方位力P2，获得增方位或减方位的效果，增减方位通过改变两个瓦片的位置确定。
这种变向器，比叶片式变向器在结构上更加合理，工作安全可靠，其结构见下图
７、旁通接头、高压循环头
1）．用途
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）．结构、特点
①旁通接头由接头体，电缆密封总成和电缆卡子组成，其特点是：
（i）结构简单，使用方便。
（ii）使用旁通接头进行随钻定向、扭方位施工，中途不需要起下电缆，节省时间。
由于旁通接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高压循环头。
主要由循环头、密封头、电缆卡子和手压泵组成。
其特点是：
（i）高压循环头直接和水龙带连接，不用水龙头。
（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。
（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，卡电缆卡子，与旁通接头相比，增加了起下仪器的时间。
8、套管内定向开窗侧钻工具
在已下套管的井内进行套管内开窗侧钻，目前有两种方法。
第一种方法是采用斜向器定向，使用磨铣工具在套管上开窗侧钻。
第二种方法是采用水力扩张式套管磨鞋，磨掉一段（30～50m）套管，用常规定向造斜方法进行测钻。
1．套管内定向开窗侧钻的用途
①钻多底井
②事故井侧钻。
③老油田枯竭采油井二次完井。
（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。
（ii）则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。
（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，以获得工业油气流。
（Ⅳ）老油田枯竭井通过定向开窗侧钻，开采死油区。
2．套管定向开窗工具
1）采用斜向器进行套管开窗侧钻。
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。
②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10—13。
第三部分定向井常用井下工具的连接
一、接头丝扣规范及表示方法：
我国现场用三位数字来表示粗扣接头的类型，如411，420，630等。
第一位数字表示工具的直径，以英寸为单位，用2、3、4（A）、5、6分别表示2-7/8"（73mm）、3-1/2"（89mm）、4-1/2（4）"（114mm）、5-1/2"（140mm）、6-5/8"（168mm）工具的名义尺寸；
第二位数字表示接头类型，用1、2、3三个数字分别内平、贯眼、正规三种类型；
第三位数字用1和0分别表示公扣和母扣。
例如：
411表示4-1/2"的钻杆，内平式的公接头。
二、钻具接头的类型：
1）内平接头（IF）：
适用于外加厚及内外加厚钻杆，其接头内径钻杆加厚部分内径和钻杆本体内径相等或相近。
泥浆流过该类型接头时，流动阻力小，有利于水功率的利用。
但该类接头强度低，易于磨损。
2）贯眼接头（FH）：
适用于内外加厚及内加厚钻杆。
接头内径等于钻杆加厚部分内径，但小于钻杆本体内径。
泥浆流过时，流动阻力大于内平式接头，但强度大于内平式接头。
3）正规接头（REG）：
适用于内加厚钻杆，正规式接头内径小于钻杆加厚部分内径，钻杆加厚部分内径又小于钻杆本体内径，因此该类型连接的钻杆有三种不同的内径，并且公接头内径比母接头内径还小。
泥浆流过时阻力大。
但该类接头外径小，耐磨损，强度大，常用某些打捞工具和水龙头下部保护接头等的连接处。
三、接头类型的识别：
在钻井中，正确地选配和连接钻具是一项很重要的工作，若将接头配错，就会引起钻具事故。
在实际工作中如何识别不同尺寸不同类型的接头呢？
1）、先看接头本体上有无标记槽。
在标记槽内用钢字码打有“420”、“631”等字样，以识别接头扣型所用。
接头一般无标记槽，但有时也大有尺寸类型代码。
2）、用特别的接头尺，在测定时通过接头尺，可以直接读出接头的尺寸和类型。
3）、公扣接头用外卡量公扣的大小端直径，母扣接头用内卡量母扣镗孔直径，然后将测得数据查表可得出接头死扣的尺寸和类型。
另外还可观察粗扣的扣尖宽度和锥度的大小来识别接头的尺寸和类型。
四、数字扣型和API扣型转换
NC26=23/8"IFNC31=27/8"IF
NC38=31/2"IFNC40=4"FH
NC46=4"IFNC50=41/2"IF
●各种工具的抗拉、抗扭极限详细数据参看钻井数据手册
五、常用工具的上扣扭矩
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