定向井及工具综述

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（SCREW DRILLS），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(drive shaft assembly) 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。

第一章定向井（水平井）钻井技术概述第一节定向井、水平井的基本概念1．定向井丛式井发展简史定向井钻井被（英）T.A.英格利期定义为：“使井筒按特定方向偏斜，钻遇地下预定目标的一门科学和艺术。

”我国学者则定义为，定向井是按照预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。

定向井相对与直井而言它具有井斜方位角度而直井是井斜角为零的井，虽然实际所钻的直井它都有一定斜度但它仍然是直井。

定向井首先是从美国发展起来的，在十九世纪后期，美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。

当时没有考虑控制井身轨迹的问题，认为钻出来的井必定是铅垂的，但通过后来的井筒测试发现，那些垂直井远非是垂直的。

并由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造成被起诉的案例。

最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。

早在1895年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。

有记录定向井实例是美国在二十世纪三十年代初在加利福尼亚享廷滩油田钻成的。

第一口救援井是1934年在东德克萨斯康罗油田钻成的。

救援井是指定向井与失控井具有一定距离，在设计和实际钻进让救援井和失控井井眼相交，然后自救援井内注入重泥浆压死失控井。

目前最深的定向井由BP勘探公司钻成，井深达10，654米；水平位移最大的定向井是BP勘探公司于己于1997年在英国北海的RytchFarm油田钻成的M11井，水平位移高达1，0114米。

垂深水平位移比最高的是Statoil公司钻成的的33/9—C2达到了1:3.14；丛式井口数最多，海上平台：96口；人工岛：170口；我国定向井钻井技术发展情况我国定向井钻井技术的发展可以分为三个阶段，50—60年代开始起步，首先在玉门和四川油田钻成定向井及水平井:玉门油田的C2—15井和磨三井，其中磨三井总井深1685米，垂直井深表遗憾350米，水平位移444.2米，最大井斜92°，水平段长160米；70年代扩大实验，推广定向井钻井技术；80年代通过进行集团化联合技术攻关，使得我国从定向井软件到定向井硬件都有了一个大的发展。

第章定向井、水平井专用工具第一节定向接头一、定向接头类别目前国内常用的定向接头有两种：定向直接头和定向弯接头，定向直接头用于弯壳体螺杆定向钻进，而定向弯接头则用于直壳体螺杆定向钻进。

定向弯接头因其具有制造简单、使用方便、成本低廉等特点，目前使用较为普遍。

二、技术规格定向弯接头规格表表1-1外径（mm）内径（mm）连接螺纹弯曲角度（°）长度(mm)备注母扣公扣196.85 80 630 531 1.25760 衬套内径50mm 1.501.752.002.252.502.75158.75 70 4A10 431 1.25500 衬套内径50mm 1.501.752.002.252.502.75107.95 57 310 331 1.25450 衬套内径35mm 1.501.752.002.252.502.75三、基本结构1、直接头的基本结构，包括壳体、扶正套、定向键和定位螺钉，如图1-1所示：图1-12．定向弯接头的基本结构，包括壳体、扶正套、定向键、定位螺钉如图1-2所示：定向弯接头结构示意图图1-2弯接头弯曲度数的计算公式：α=57.3(a-b)/d式中：α——弯曲角度（º）a——长边长度（mm）b——短边长度（mm）d——外径（mm）四、弯接头性能不同螺杆钻具使用弯接头在不同井眼的造斜率表1-2第二节无磁钻铤一、作用由于所有磁性测量仪器在测量井眼的方向时，感应的是井眼的大地磁场，因而测量仪器必须是一个无磁环境。

然而在钻井过程中，钻具往往具有磁性，具有磁场，影响磁性测量仪器，不能得到正确的井眼轨迹测量信息数据，利用无磁钻铤可实施无磁环境，并且具有钻井中钻铤的特性。

国外已有相当数量的无磁钻铤产品于1990年列入API标准。

我国根据国外产品和产品样本制订了SY/T 5145-86《无磁钻铤》标准。

二、工作原理无磁钻铤工作原理如图2-1所示：无磁钻铤的作用原理示意图2-1注：①地磁场线；②磁性测量仪；③钢钻铤；④干扰磁场线；⑤钻头接头；⑥无磁钻铤无磁钻铤上下的干扰磁场线对测量仪器部位没有影响，因而无磁钻铤为磁性测量仪器创造了一个无磁环境，保证了磁性测量仪器测到的数据为真实大地磁场信息。

定向井工具面基础知识定向井工具是石油工业中常用的一种工具，它可以帮助钻井工程师在钻井过程中改变井眼的方向和角度。

定向井工具可以实现垂直井眼的转换为水平井眼，或者将水平井眼转换为斜井眼，这样可以帮助钻井工程师从一个位置到达另一个位置，以便更有效地勘探和开采石油储藏层。

定向井工具通常包括测斜仪、导向钻头和悬挂物等部件。

测斜仪可以测量井眼的方向和角度，导向钻头可以改变井眼的方向和角度，而悬挂物则可以将这些工具悬挂在钻杆上，以便在钻井过程中使用。

测斜仪是定向井工具中最重要的部件之一，它可以测量井眼相对于地球表面的方向和角度。

测斜仪通常由一个或多个加速度计组成，这些加速度计可以测量井眼相对于重力的方向和角度。

通过对这些数据进行处理，钻井工程师可以了解井眼的位置和方向，以便调整导向钻头的位置和方向。

导向钻头是定向井工具中最重要的部件之一，它可以改变井眼的方向和角度。

导向钻头通常由一个或多个导向翼组成，这些导向翼可以产生侧向力，将井眼向所需方向偏转。

导向钻头通常由钻头、传感器和控制装置组成，控制装置可以控制导向钻头的运动，以便实现所需的井眼方向和角度。

悬挂物是定向井工具中的重要部件，它可以将测斜仪和导向钻头悬挂在钻杆上，以便在钻井过程中使用。

悬挂物通常由上、下两个部分组成，上部分可以固定在钻杆上，下部分可以固定测斜仪和导向钻头。

在钻井过程中，钻杆可以旋转和推进，测斜仪和导向钻头可以根据所需方向和角度进行调整，以便实现井眼的转向和调整。

总的来说，定向井工具是石油钻井工程中至关重要的一种工具，它可以帮助钻井工程师在钻井过程中实现井眼的转向和调整，以便更有效地勘探和开采石油储藏层。

定向井工具的面基础知识包括测斜仪、导向钻头和悬挂物等部件，以及它们的功能和使用方法。

一、满眼钻具组合又称刚性配合钻具或刚性满眼钻具,是一种安装在钻柱下部的刚度较大而且井径与钻柱外径之间间隙较小的防止井斜角和井眼曲率变大的一种钻具组合。

刚性满眼钻具一般是由几个外径与钻头直径相近的扶正器与一定长度外径较大的钻铤所组成。

它的防斜原理是在钻头以上的下部钻柱上安装一定数量的扶正器，以扶正合钻铤；提高下部钻柱的刚度，减少其弯曲程度，以消除钻头的严重倾斜，使其能减小和限制由于钻柱弯曲而产生的增斜力，同时扶正器能支撑在井壁上，抗衡地层自然造斜力，以达到控制井斜在最小范围内变化的目的。

为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有三个稳定点，除在靠近钻头处有一个扶正器外，其上面应再安放两个扶正器才能保持有三点接触井壁。

如果只有两点接触，钻柱就能循沿一条曲线，不能保证井眼的直线性。

如果有三点接触，就能保证井眼的直线性和限制钻头的横向移动。

具体如下：1.在垂直或接近垂直的井眼中钻具的防斜作用：当钻具在垂直或接近垂直的井眼中工作时，它的作用是保持井眼沿直线方向加深。

上扶正器能抵消由于上扶正器以上的钻柱弯曲所产生的横向力，使上扶正器以下的钻柱居中，同时也帮助下扶正器抵消地层横向力。

下扶正器的作用抵消地层横向力，限制钻头的横向移动，当地层造斜力不大时，满眼钻具能保持刚直居中状态，使钻头沿铅直方向钻进。

2. 增斜时钻具的防斜作用：当钻进时井斜较大的地层时，满眼钻具能有力地抵抗地层横向力，减小井斜的变化。

在地层横向力的作用下，下扶正器和钻头靠向井壁高的一侧，抵抗地层横向力，限制钻头横向移动。

同时地层横向力势必要扭弯下扶正器上的短钻铤，由于钻铤刚度大，能有力地抵抗此地层的横向力。

中扶正器也帮助中扶正器以下的钻柱抵抗地层横向力。

因此，限制了钻头的横向移动和侧斜。

在已斜井眼内，钻具还有一个纠斜作用，这是由于上扶正器以上的钻铤因自重的作用靠在井壁低侧，并以上扶正器为支点将力下传，作用于上扶正器下的一根钻铤上有一个弯矩，此弯矩使中扶正器靠井壁高的一侧，再以中扶正器为支点将力下传使钻头趋向于井壁低的一侧，产生一个纠斜力。

第三章---定向井主要钻井工具介绍第三章定向井主要钻井工具介绍3.1 泥浆马达介绍泥浆马达由：驱动头、轴承总成、万向接头、转子、定子和旁通阀组成。

其马达部分由定子和转子组成，泵入钻具的钻井液流经马达推动转子转动后再流经钻头，转子的旋转力传递给钻头带动钻头旋转。

图3-1，井下马达的主要部件。

图3-1井下马达的主要部件下面以纳维钻具为例分别介绍泥浆马达的各主要部件：3.1.1旁通阀旁通阀是为了使循环液绕过马达，因此，下钻时可让循环液灌入钻柱；起钻或接钻杆时可让管内液体泻出。

当无循环或低泵量循环时，弹簧使活塞处于上部位置，此时，孔道开启，泥浆可流入钻柱或自钻柱流出。

活塞的动作取决于排量，相当于推荐最大排量的30%时活塞被下推座于活塞座上，于是孔道被封闭，钻井液径直流经马达如果停泵，弹簧再将活塞顶回到原来上部位置，孔道又被开启。

图3-2 旁通阀示意图3.1.2 多级马达目前各类井下马达多为容积式马达，基本由以下两部分组成：①具有螺旋形内腔的橡胶硫化定子。

②螺旋形的钢转子，其表面镀有硬度材料以减少磨损并防止腐蚀。

在定子橡胶和转子抗磨及抗腐蚀金属表面间是连续密封的，所以当泥浆经马达时转子就转动(如图3-3所示)。

图3-3 容积式马达转子和定子剖视图这种马达最大优点是：①钻井扭矩直接和马达产生的压降成正比。

②转子的转速只取决于排量，不受扭矩的影响，因此，当进行钻井作业时，在钻台上就可以确定并控制转速和扭矩。

3.1.3 万向轴转子下端和万向轴总成相连,万向轴可把转子的非同心转动转变为驱动接头的同心转动。

万向轴总成由两个万向接头组成，每个万向接头均以抗油强力橡胶套密封并充满黄油，橡胶套密封的作用旨在使万向接头不受泥浆污染。

3.1.4 轴承总成和驱动接头用轴承支撑的驱动接头将马达的转动和扭矩传给钻头。

约有2%的泥浆排量通过并润滑轴承，绝大部分钻井泥浆经径向轴承上面的水槽进入驱动轴并经钻头流出。

3.1.5 泥浆马达的类型目前大多数泥浆马达都是按螺杆原理工作。

第一编基本知识第一章名词解释1、井斜角：该测点处井眼切线（方向线）同铅垂线之间的夹角。

2、井斜方位角：以真方位线为始边，顺时针旋转至井眼方位线所转过的角度。

3、高边工具面：仪器工具面同井眼高边工具面之间的夹角叫高边工具面角4、磁性工具面：仪器工具面同磁北极工具面之间的夹角叫磁性工具面角。

5、测深：仪器传感器位臵所在的深度。

6、定向井：井眼按照预定方向（设计方向）钻达目的层的井叫做定向井。

7、磁偏角：地理北极同磁北极之间的夹角叫磁偏角。

第二章基本概念定向钻井测量仪器是定向工作者的眼睛，是控制井眼轨迹必不可少的工具。

定向钻井测量仪器和定向钻井工艺是相辅相成的，二者缺一不可。

现在随着越来越多的定向钻井实践证明，定向钻井技术的发展，主要依赖于先进的测量仪器和先进的工具，只有先进的仪器和工具才能打出高质量高难度的井来。

定向井测量是为定向井服务的，目前定向井测量仪器包括单多点测量、陀螺测量、随钻测量三种，随钻测量又分有线随钻测量和无线随钻测量两种类型。

单多点仪器测量主要利用浅井定向和施工井完成井段轨迹测量，主要有照相单多点和电子单多点两种；陀螺测量主要用于有磁干扰环境下的定向和轨迹测量，分为框架陀螺和挠性陀螺，主要有地面记录陀螺、电子陀螺、框架式挠性陀螺和动调式自寻北陀螺；随钻测量主要应用于深井定向和水平井测量施工，主要有有线随钻仪器（SST、MS3、DST、RST、YST 等）和无线随钻仪器。

有线随钻测量主要通过电缆分别同井下仪器（探管）和地面接收处理设备连接，地面设备包括地面供电装臵、地面处理仪、打印机、司钻阅读器、电缆排放缠绕设备（车装设备、撬装设备）以及其他配套设备组成，井下仪器包括探管，外筒总成等组成。

无线随钻包括泥浆脉冲（正脉冲、负脉冲）无线随钻和电磁波无线随钻两种类型。

第三章仪器分类照相单多点磁性仪器：电子单多点：ESS、YSS、RSS电磁仪器：随钻类：有线类：SST、MS3、RSS测 YST、DOT、DST量无线类：泥浆 SPERRY-SUN仪脉冲类：SCIENCE DRILLING器 GEOLINK QDTYST-48X电磁波： SPERRY-SUNSCIENCE DRILLING非磁性框架陀螺 SRO地面记录陀螺仪器： BOSS电子陀螺挠性陀螺 KEEPER 陀螺TLCX动调式自寻北陀螺斯伦贝谢第二编仪器介绍第一章通用部分注意事项1 凡是进口的ESS,SST,MS3（美国SPERRY-SUN公司产）等测量仪器，其电源都是110伏，绝对不能误用220伏电源为这类测量仪器供电。

定向井专用工具介绍一、用途螺杆钻具是造斜、扭方位、侧钻施工必不可少的工具。

直井作业也常用到。

二、结构螺杆钻具由旁通阀、马达、万向轴、传动轴和旋转钻头短节组成。

近几年，研制岀了不同弯曲角的弯螺杆，有单弯、同向双弯、异向双弯等。

三、工作原理螺杆钻具是靠循环钻井液的动能转化为旋转钻头破碎岩石的机械能的一种井下动力钻具。

钻井泵排除的钻井液流经旁通阀进入马达，在马达的进岀口形成一定的压力差，推动马达的转子旋转，并将扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，实现钻进的目的。

四、技术参数（以北石厂螺杆为例）1、螺杆钻具型号表示方法（表22）C 5 LZ 172 * 7.0 II -D K W F G2、螺杆钻具技术参数(表23多头，以北石厂螺杆为例)3、螺杆钻具技术参数(表24单头，以北石厂螺杆为例)钻具型号外径(mm) 流量冲空流量钻头钻速(r/min)马达压降(MPa)工作扭矩(N.m)最大扭矩(N.m)推荐钻压(kN)最大钻压(kN)最大功率(kW)长度(m)连接螺纹(API正规)上端下端LZ127*3.5 127 9.5〜18.5 355 〜560 2.5 576 1152 20 40 33.78 5.8 31/2 31/2 LZ165*3.5 165 12.6 〜22 275 〜480 2.5 935 1870 29 55 47 6 41/2 41/2 LZ197*3.5 197 19 〜28.4 275 〜415 2.5 1532 3064 54 83 66.6 6.2 51/2 65/8 LZ244*3.5 244 25.2 〜44 215 〜375 2.5 2632 5246 49 102 103 7.87 65/8 75/8 LZ100*7.0 100 4.7 〜11 280 〜700 5.17 650 1300 35 57 47.65 6.4 27/8 27/8 LZ120*7.0 120 6.33 〜15 245 〜600 4.0 790 1580 35 70 50 6.4 31/2 31/2 LZ127*7.0 127 9.5 〜19 345 〜690 3.1 712 1424 47 110 51.5 6.6 31/2 31/2 LZ165*7.0 165 15.8~25.2 350 〜550 4.1 1817 3634 80 160 104.7 7.3 41/2 41/2 LZ197*7.0 197 19 〜31.6 230 〜390 4.1 2928 5856 120 240 120 7.8 51/2 65/8 LZ244*7.0 244 38 〜63 240 〜400 4.1 6236 12472 213 329 261.2 9 65/8 75/84、螺杆钻具技术参数(表25空气或泡沫)钻具型号外径(mm) 流量/中空流量钻头钻速(r/min)马达压降(MPa)工作扭矩(N.m)最大扭矩(N.m)推荐钻压(kN)最大钻压(kN)最大功率(kW)长度(m)连接螺纹(API 正规)上端下端K5LZ95*7.0 95 5〜10 60 〜130 2 1000 1600 30 60 13.61 5.82>7/8 27/8K7LZ120*7.0 120 10 〜20 50 〜100 1.8 2770 4430 55 100 29.0 6.2 31/2 31/2 K7LZ172*7.0 172 22 〜38.5 50 〜100 2.4 6000 9600 150 300 62.8 6.7 41/2 41/2 K7LZ197*7.0 197 33.5〜56.7 50 〜80 2.4 11000 17600 200 38092.2 6.9 51/2 65/8四•螺杆钻具使用方法1.地面检查(1)螺杆上、下接头(旋转钻头短节)是否有松扣或松动现象，如有松扣现象进行紧扣。