定向井及工具

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图卜h井下马达询主要部件F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%寸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旁通阀示意图图3四旁通阀示憲图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37 容联式马达赫子和定子剧视图图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。

定向井定向钻进钻压确定方法定向井是通过利用特殊的井下工具，使钻头沿着设定的轨道钻达预定目标的一种区别与直井的井型。

作为一种相对复杂的井型，其参数包括井斜、方位、垂深、水平位移、造斜点、狗腿度等，它可以大幅提高油气产量，降低开采成本，使油气资源得以更经济、有效的开发。

目前使用最普遍的井下定向工具为螺杆钻具，螺杆钻具具有转速稳定、过载能力好等特点，在定向井钻井中配合使用带有弯接头的动力钻具，可以有效的提高造斜能力和定向井钻井速度。

螺杆钻具属于容积式（Positive Displacement Motor）井底马达，其工作动力来自钻具进出口液体流动压差做功，带动内部转子旋转，并通过万向轴和传动轴将扭矩和转速传递到钻头上，实现钻进的目的。

螺杆钻具的结构特征。

螺杆钻具基本结构自远钻头至近钻头分为旁通总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成。

旁通总成在起下钻时使环空和钻具内连通，降低下钻时的阻力和起钻时钻具内的液面高度，钻进时在高速钻井液带动下关闭而避免水功率的损失。

马达总成是螺杆钻具的动力源，由定子和转子组成，定子和转子在绕轴线的左旋螺杆上有一些列啮合点，这些啮合点构成一个密封腔，随着螺杆在转动，密封腔也向下移动并最后将能量转换完的低压泥浆排出马达。

由于螺杆钻具一般都具有一定弯度，万向轴总成就是把马达转子工作时的平面行星运动转化为为传动轴额定轴转动，同时将马达的工作扭矩传递给传动轴和钻头；传动轴总成是由壳体、传动轴及各种轴承组成，一方面承受轴向变动载荷，另一方面保证传动轴的正常工作位置。

螺杆钻具工作理论计算。

由于螺杆钻具属于容积式机械钻具，根据水力学原理，其输出功率为排量与压差的乘积，即：式中：—动力钻具理论输出功率，kw—泵排量，L/s—动力钻具压降，MPa根据动力学理论及能量守恒定律，动力钻具输出功率等于钻头上扭矩功率，钻头上扭矩功率为钻头扭矩与钻头转速的乘积，于是可得出如下关系式中：—螺杆钻具理论扭矩N.m—钻头理论角速度Radius/s根据螺杆钻具的容积转换关系，其理论转速与排量关系为式中：—螺杆钻具理论转速R/Sq—螺杆钻具每转排量L/R螺杆钻具转动角速度为通过三式联解：得马达理论扭矩螺杆钻具实际工作分析。

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。

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。

第五节定向井造斜工具及轨迹控制造斜：由垂直井段开始钻出具有一定方位的斜井段的工艺过程。

造斜点：开始造斜时的深度。

垂直井段开始倾斜的起点。

造斜工具：(1)井底动力钻具造斜工具；(2)转盘钻造斜工具。

(3)混合钻进造斜工具——导向式马达第五节定向井造斜工具及轨迹控制一、井底动力钻具造斜工具动力钻具(井下马达)：涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具。

工作特点：在钻进过程中，动力钻具外壳和钻柱不旋转，有利于定向造斜。

1、动力钻具造斜工具的种类三种：弯接头、弯外壳马达、偏心垫块。

(1)弯接头(斜接头)造斜原理：迫使钻头倾斜，造成对井底的不对称切削；井壁迫使弯曲部分伸直，由钻柱的弹性力使钻头产生侧向切削。

影响弯接头造斜率的因素：弯角越大，造斜率越大；一般为0.5°～2.5°。

弯曲点以上钻柱的刚度越大，造斜率越大；弯点至钻头的距离越小且重量越小，造斜率越大；钻速越小，造斜率越高。

(2)弯外壳马达(原理与弯接头类似)(3)偏心垫块杠杆原理，垫块作为支点。

弯接头、弯外壳马达、偏心垫块。

２.涡轮钻具的结构与特性结构：特性：转速与流量成正比，扭矩与流量的平方成正比，压降与流量的平方成正比，功率与流量的三次方成正比。

流量一定时，转速随扭矩的减小而增大。

空转时，转速达到最高，所以不应当用涡轮钻具进行划眼。

涡轮钻具工作特性图２．螺杆钻具的结构与特性特性：(1)螺杆钻具的转速、扭矩、压力降、功率与流量之间的关系，与涡轮钻具相同。

(2)螺杆钻具的扭矩与压力降成正比。

压力降可从泵压表上读出，扭矩则反映所加钻压的大小，所以可以看着泵压表打钻。

根据泵压表上的压力降还可以换算出钻头上的扭矩，从而可以较为准确地求得反扭角。

螺杆钻具螺杆钻具工作特性示意图二、转盘钻造斜工具变向器、射流钻头、扶正器组合。

１、变向器早期造斜工具。

现在仅用于套管内开窗侧钻，或不适宜用动力钻具的井内。

钻头上安放1个大喷嘴、2个小喷嘴。

靠大喷嘴射流冲击出斜井眼。

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。

(2) 下接头固定螺栓是否有松扣现象，若有进行紧扣。

(3) 旁通阀是否能关闭，若不能关闭，可采用机油浸泡活动，直到能关闭为止。

(4) 要注意观察弯螺杆上部弯方的标记与下部弯接头弯曲的方向是否一致。

(5) 螺杆钻具上、下钻台必须使用绷绳绷，防止碰撞损坏螺杆钻具。

(6) 用游车吊起螺杆钻具，测量轴承壳体与旋转短节间的轴向间隙，在下放游车让螺杆钻具触到转盘，再测量轴承壳体与旋转短节间的轴向间隙，两者间隙差6-1/2"螺杆不大于6mm，7-3/4"和9-5/8"螺杆不大于8mm，否则应更换螺杆。

(6) 让螺杆钻具与方钻杆相接，把扣上紧，将螺杆钻具的旁通阀下放到转盘面以下，开泵，小排量使钻井液流进马达，应能看见钻井液从旁通阀的旁通孔流出；随着排量加大，马达开始转动，旁通阀关闭；如一切正常，停泵卸方钻杆，接钻头下钻。

2．钻具下井(1) 下放钻具及其组合应小心地控制下放速度。

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间歇性地转动钻具，慢慢通过，以防止划出新眼。

(2) 对深井和高温井，下放钻具建议周期性地进行中途循环。

(3) 在井内，若钻井液不能迅速通过旁通阀阀口流进钻柱中，应减慢下放速度或不时停下来充罐泥浆。

3．启动(1) 钻具达到预先确定的位置，可以开泵循环。

，(2) 定向前充分清洗井底。

4．钻进(1) 下钻完，接方钻杆前把钻杆滤子放入钻杆；钻头离井底1米以上开泵，开泵正常后方能下放钻进，缓慢均匀加压。

(2) 钻进中要随时注意泵压变化情况（当排量给定的前提下）、钻时、岩性变化情况，防止意外事故发生。

(3) 对于弯螺杆要注意选择弯曲角的大小，以满足钻井工程设计的要求。

(4) 钻进中几种异常情况的处理：◆指重表摆动不停。

将钻头提离井底，循环几分钟，待指重表稳定后再钻进。

第十章 定向井世界上第一口定向井是采用槽式斜向器定向造斜，于1932年在美国钻成的。

半个多世纪以来，定向钻井技术水平有了很大提高。

进入80年代，大位移、大斜度井、水平井和丛式井的钻井工艺技术有了飞速发展。

为石油勘探和发展带来了巨大的经济效益。

我国定向钻井是新中国成立后才发展起来的。

1955年在玉门油田钻成的C2—15井，是我国第一口定向井。

之后，我国又钻成了数对双筒井，以及多底井，斜直井等。

特别是1965年，钻成了我国第一口水平井——磨三井，水平位移延伸160m ，达到了当时60年代水平井的世界先进水平。

70年代以后，我国的定向井、丛式井钻井技术得到了进一步的发展。

进入80年代以来，在改革开放的形势下，随着先进的工具，仪器的应用和发展，定向井、丛式井钻井工艺技术水平达到了一个新的高度。

钻成了一批大斜度井，大水平位移定向井。

多数油田已掌握常规定向井、丛式井的钻井技术。

高难度定向井、丛式井及救援井技术从总体上说已达到世界先进水平。

目前，世界上定向井最大水平位移已达4597m 。

水平井的水平延伸长度超过1000m 。

定向井技术正向着大水平位移井、水平井方向发展。

第一节 定向井、丛式井的设计一、专业名词1．定向井（Directional Well ）一口井的设计目标点，按照人为的需要，在一个既定的方向上与井口垂线偏离一定的距离的井，称为定向井。

2．井深（Measure Depth ）井眼轴线上任一点，到井口的井眼长度，称为该点的井深，也称为该点的测量井深，或斜深。

单位为“m ”。

3．垂深（Vertical Depth or True Vertical Depth ）井眼轴线上任一点，到井口所在水平面的距离，称为该点的垂深。

通常以“m ”为单位。

4．水平位移（Displacement or Closure Distance ）井眼轨迹上任一点，与井口铅直线的距离，谓之该点的“水平位移”。

也称该点的闭合距。

定向井操作规程定向井是指有一定的方位和位移要求的井，施工工艺和技术难度均大于普通直井，根据定向井的特点，制定以下定向钻井技术规程。

1 直井段1.1井口开正开直，开孔的前2个单根用水平尺丈量方钻杆铅垂度，表层钻进使用塔式钻具组合、牙轮钻头吊打钻进，井斜控制在1°以内，起钻投测，拿到数据后方可下套管。

1.2直井段采用设计要求的钻具组合和钻井参数，确保直井段打直。

控制井斜角小于2°，钻进中严格按设计要求用单点测斜仪监测。

馆陶组、地层交接面、钻铤出套管轻压吊打（8 1/2″井眼30KN，12 1/4″井眼80KN）。

1.3 钻达定向造斜井深前50米，泥浆应为小循环，并处理好泥浆性能，控制泥浆含砂量小于0.5%，泥浆粘度控制在40s以上，充分循环确保井眼稳定畅通，起下钻无阻无卡，保证动力钻具正常工作。

1.4定向或扭转方位前，采用多点或连续测斜取得上部井段井斜数据后才能进行下步施工。

有磁干扰的井段应进行多点陀螺测斜。

1.5 根据上部测斜数据，确定定向方位、工具面和造斜率，使用的单弯螺杆或弯接头的度数必须经过技术发展部批准。

2 定向及扭方位2.1 定向、扭方位施工原则：2.1.1定向、扭方位在井斜小于8°时推荐用磁北法定向，井斜大于8°时推荐用高边法定向。

定向中造斜、扭方位尽可能使用随钻仪确保井身质量。

2.1.2在有磁干扰的情况下，使用陀螺仪定向。

2.1.3 在定向井施工现场，技术人员必须及时绘出设计轨迹与实钻轨迹的垂直投影图和水平投影图，以指导定向井的施工。

2.2 定向及扭方位六不施工：2.2.1 井壁不稳定、井眼不畅通、井底不干净不施工；2.2.2钻井液性能未达到设计要求或不具备安全施工条件的不施工；2.2.3 排量必须符合动力钻具的技术要求，否则不得施工；2.2.4 送井的动力钻具、弯接头、测斜仪等达不到工程要求不得施工；2.2.5 设备有故障、安全措施不落实不施工；2.2.6 主要技术岗位的人员和技术措施不落实不施工。

1．单点定向此方法只适用造斜点较浅的情况，通常井深小于1000米。

因为造斜点较深时，反扭角很难控制，且定向时间较长。

施工过程如下：（l）下入定向造斜钻具至造斜点位置（注意：井下马达必须按厂家要求进行地面试验）。

（2）单点测斜，测量造斜位置的井斜角，方位角，弯接头工具面；（3）在测斜照相的同时，对方钻杆和钻杆进行打印，并把井口钻杆的印痕投到转盘面的外缘上，作为基准点；（4）调整工具面（调整后的工具面是：设计方位角十反扭角）。

锁住转盘、开泵钻进；（5）定向钻进。

每钻进2～4个单根进行一次单点测斜，根据测量的井斜角和方位角及时修正反扭矩的误差，并调整工具面；（6）当井斜角达到8～10度和方位合适时，起钻换增斜钻具，用转盘钻进。

在单点定向作业中要注意：①在确定了反扭角和钻压后，要严格控制钻压的变化范围，通常在预定钻压±千牛（2吨）内变化；②每次接单根时，钻杆可能会转动一点，注意转动钻杆的打印位置至预定位置；③如果调整工具面的角度较大（＞90度），调整后应活动钻具2～3次（停泵状态），以便钻杆扭矩迅速传递。

第六节方位调整段轨迹控制一、什么时候需要下动力钻具调整井眼轨迹（1）井眼的方位角不符合设计要求时。

（2）利用转盘钻已经达不到合理调整井眼井斜角和方位角的要求时。

（3）井眼的井斜角不符合设计要求时（转盘钻钻具组合已经达不到要求）。

二、下入什么样的钻具组合进行井身轨迹调整：根据井眼轨迹调整所需要的造斜率来决定下入的钻具组合，一般来说需要按造斜率的大小来选择钻具组合：造斜率在10°～15°/100米之间可以下入弯接头的钻具组合来完成。

造斜率在15°～30°/100米之间可以下入单弯的钻具组合来完成。

造斜率在30°～45°/100米之间可以下入双弯的钻具组合来完成。

（目前改进了的单弯造斜率已有所提高）一般情况：30°/1000米左右，但也有其他情况，反扭角不仅仅是受到钻压的影响，还受到井眼光滑程度的影响等等。