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1、3-1 无磁钻铤3-2 螺杆钻具3-3 测斜仪器,第3章 定向钻井常用工具及仪器,1、作用：为磁性测斜仪提供一个没有局部磁场干扰的工作环境，防止磁罗盘读数失真。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”，由此产生的局部磁场会使磁罗盘的读数失真。,3-1 无磁钻铤,磁性测斜仪的保护筒、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。,材料：蒙乃尔合金（monel，含铜、镍、铬等）；弹性模量：26*106psi。（钢材：29*106psi）,2、无磁材料及其性能,与普通钢钻铤相比，无磁钻
2、铤的价格昂贵，强度较低，使用时应特别小心防止损坏。,3-1 无磁钻铤,无磁钻铤的使用长度、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,3-1 无磁钻铤,3、使用长度,3-1 无磁钻铤,无磁钻铤下端仅有钻头或一个近钻头扶正器,无磁钻铤下端有动力钻具或多个近钻头扶正器,与钻具组合形式有关，要尽可能靠近钻头。,4、安放位置,Why？,3-1 无磁钻铤,降斜钻具：直接与钻头连接（钻头双母接头无磁钻铤）；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：接在定向接头之上（钻头动力钻具定向接头无磁钻铤）。,螺杆钻具：根据莫依诺（Rene
3、 Moineau）原理制造的，容积式井下动力机械，。作用：把钻井液的水力能转化为机械能供给钻头。应用领域：主要用于定向井、水平井的定向造斜及扭方位施工，也用于直井反扣或侧钻作业中，是目前使用最广泛的一种井下动力钻具。生产商：Smith公司：迪纳钻具（Dyna系列）；Christensen公司：纳维钻具（Navi系列）；北京石油机械厂、大港中成石油机械厂、天津立林公司。,3-2 螺杆钻具,由四部分组成，从上至下依次为：旁通阀总成；马达总成；万向轴总成；传动轴总成。,1、基本结构,3-2 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
4、、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。,3-2 螺杆钻具1、基本结构,A、旁通阀总成,工作原理：,a.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，钻井液压力消失，被压缩的弹簧上举阀芯，旁通阀开启，使钻柱内空间与环空沟通。,3-2 螺杆钻具1、基本结构,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。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。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
5、为一个螺旋曲面的型腔。,马达是螺杆钻具的动力部件。,3-2 螺杆钻具1、基本结构,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,3-2 螺杆钻具1、基本结构,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。直螺杆钻具的万向轴壳体无弯角，而弯壳体螺杆钻具的万向轴壳体带有弯角。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。,3-2 螺杆钻具1、基本结构,作用：将马达的旋转动力传
6、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：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。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。,3-2 螺杆钻具1、基本结构,D、传动轴总成,结构及工作原理：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）。常规螺杆钻具的传动轴外壳上不带稳定器（水平井用的螺杆钻具除外）。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。,3-2 螺杆钻具
7、1、基本结构,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，即把钻井液的液力能通过螺杆转换成机械能。,3-2 螺杆钻具,3、分类方法,(1)按螺杆马达的结构特征分类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、大扭矩特性。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
8、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。按马达“级数”进行分类。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，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。,根据螺杆马达的结构特征及其结构参数进行分类。,3-2 螺杆钻具,3、分类方法,(2)按螺杆钻具（马达）的公称外径分类 便于使用者根据所钻井眼尺寸来选择相应直径的螺杆钻具，或生产者根据井眼尺寸系列来开发螺杆钻具的系列与规格。216mm井眼：165m
9、m、172mm；244mm311mm井眼：197mm、203mm；311mm以上井眼：244mm。152mm以下井眼（小井眼）：120mm、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。,3-2 螺杆钻具,3、分类方法,(3)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）。直螺杆钻具上方加配弯接头主要用于钻常规定向井。弯壳体螺杆钻具主要用于钻水平井、大位移井、多分支井等。,3-2 螺杆钻具,3、分类方法,3-2 螺杆钻具,C 5 LZ
10、 172 X 7.0 DWFG,马达形式：C：长马达D：短马达省略：常规马达,产品代号,转子头数,钻具规格,钻头水眼压降,稳定器形式:W:传动轴带稳定器省略:不带稳定器,转子中空分流:F:中空分流省略:非分流,定子耐温特性:G:耐高温省略:常温,导向螺杆钻具,结构特点：弯壳体稳定器中空转子类型：单弯、同向双弯、异向双弯用途：配合PDC钻头（或牙轮钻头）组成导向钻具组合，完成定向造斜，在不更换钻具组合情况下实现稳斜段及水平井段的钻井。单弯、同向双弯：造斜率高、造斜效果好，水平井必备工具；异向双弯钻具：水平段钻进，有微增、降斜功能，稳斜、稳平效果好，可配合旋转方式钻进，控制轨迹方便。技术关键：各弯
11、点的选择及弯角加工精度的控制,3-2 螺杆钻具,4、工作特性（外特性）,(1)理论工作特性：,包括理论工作特性和实际工作特性,螺杆钻具为容积式马达，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。,3-2 螺杆钻具,3-2 螺杆钻具4、工作特性(外特性),（1）理论工作特性,(2)实际工作特性,螺杆钻具的转子与定子之间存在摩擦阻力和密封腔间的漏失，其它部分也存在机械和水力损失（如传动轴的轴承节），造成实际工作特性与理论工作特性差异很大。,3-2 螺杆钻具4、工作特性(外特性),(2)实际工作特性,3-2 螺杆钻具4、工作特性(外特性),(2)实际工作特性,3-2 螺杆钻具4、工作特性
12、(外特性),(2)实际工作特性,3-2 螺杆钻具4、工作特性(外特性),(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。,3-2 螺杆钻具4、工作特性(外特性),(3)额定工作参数的确定,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。
13、,3-2 螺杆钻具4、工作特性(外特性),5、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，再从产品目录中选定所需的型号和规格。,3-2 螺杆钻具,5、导向螺杆钻具的选型原则,(1)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事故时进行打捞作业。,3-2 螺杆钻具,(2)根据设计造斜率确定工具造斜率,3-2 螺杆钻具5、导向螺杆钻具的选型原则,(3)根据钻头水眼压降确定传动轴类型,型号说明中，“许用钻头水眼压降”与传动轴类型对应。先根据设计的钻头水眼核算其压降值
14、，再确定相应的传动轴类型级别。现有产品分3.5MP a（500psi）、7.0MPa（1000psi）和14.0MPa（2000psi）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。,3-2 螺杆钻具5、导向螺杆钻具的选型原则,(4)根据排量需求选择转子类型,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。水平井钻井过程中，要求有较高的钻井液返速来满足携带岩屑需要，要求有较大的工作排量，可能会成倍高于螺杆钻具的额定排量。在这种情况下，应该选择带有中空转子马达的螺杆钻具马
15、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将分成两部分，一部分进入转子中孔旁路，另一部分进入转子与定子间使钻具马达产生旋转。,3-2 螺杆钻具5、导向螺杆钻具的选型原则,6、现场使用方法,(1)现场使用注意事项(2)下钻：下钻前检查(3)钻进：故障检查及排除(4)起钻,3-2 螺杆钻具,(1)现场使用注意事项,根据井眼尺寸和地层硬度合理选择螺杆动力钻具。井下温度不要超过动力钻具允许使用的温度极限。普通定子：额定温度为95-120；耐高温定子：额定温度135-150。钻头压降要求控制在钻具性能规范的范围以内，以免造成钻具的轴承严重磨损或烧毁。钻进排量要符合生产厂家推荐的
16、数值范围，以免造成螺杆钻具的先期损坏。,3-2 螺杆钻具6、现场使用方法,(1)现场使用注意事项,考虑反扭角时，要注意上部钻具的刚性及装置角与高边的关系。使用刚性小的钻杆，如铝合金钻杆，反扭角就大些；使用刚性强的钻具，如钻铤数量多或者使用了加重钻杆等，反扭角就会小些。控制好钻井液的含砂量。钻井液的含砂量高，会加速动力钻具的定子、转子、轴承及万向轴节的磨损，造成钻具提前大修或报废。含砂量应控制在0.3%-0.5%以下。注意钻井液中不要有铁屑。定子内的橡胶对金属铁屑特别敏感，应在方钻杆以下加钻杆滤清器，以防止下井钻具内的铁锈结块及残存的铁屑进入工具内。,3-2 螺杆钻具6、现场使用方法,(1)现场
17、使用注意事项,加钻压时要考虑井斜产生的摩阻力的影响。可以通过上下活动钻具求出摩擦阻力的大小指重表显示钻压减去摩擦阻力就是实际钻压。可以通过控制动力钻具压差（压力降）的形式进行钻进。,3-2 螺杆钻具6、现场使用方法,(2)下钻,检查旁通阀活塞是否上下活动灵活。检查轴向间隙是否超过标准。接牙轮钻头、方钻杆，开泵试运转。（严禁接PDC钻头试运转）下钻过程中严禁猛冲猛砸，在通过防喷器、套管鞋和裸眼井段时，注意下钻速度防止突然迂阻而损坏钻具。距离到底12m时，开泵记录钻具空转泵压。上下大幅度活动钻具数次，消除钻具扭矩，确保定向准确。,3-2 螺杆钻具6、现场使用方法,如何检查螺杆钻具的轴向间隙？,检查
18、步骤：先将动力钻具立在转盘面上，测量驱动短节和轴承壳体的间隙D2；然后提起动力钻具，测量驱动短节和轴承壳体的间隙D1；D1-D2要小于厂家推荐最大轴承间隙值。,(3)钻进,上提钻具，钻头离井底12m时，开泵启动螺杆钻具。当排量达到正常排量时，纪录立管泵压。慢慢加压钻进，立管压力不断升高，该升高值不能大于螺杆钻具推荐最大压差。如果压力升高太大应提起钻具，待压力恢复后再慢慢加压钻进。钻进过程中注意选择进尺较快的钻压。螺杆钻具在钻进过程中的故障判断及处理方法见下表。,3-2 螺杆钻具6、现场使用方法,螺杆钻具在钻进过程中的故障判断及处理方法,3-2 螺杆钻具6、现场使用方法,(4)起钻,在决定起钻后
19、，不能和涡轮钻具一样压死后循环泥浆。起钻过程中严禁转盘卸扣。再一次测量D1和D2，决定该钻具是否能够继续使用。使用转盘排出钻具内钻井液，旁通阀注入润滑油。,3-2 螺杆钻具6、现场使用方法,7、新型螺杆钻具及其应用,(1)串联多级马达（DPSPDM）：,动力段总成增加了一节动力段，中间用一钛挠性轴相连，使马达输出的扭矩和功率增加，但其需要的驱动排量、转速与单一动力段马达是一样的。设计与制造材料方面的改进，使串联马达具有极好的耐用性，在南得克萨斯、北海加拿大和阿拉斯加很快得到推广。在加拿大的一口水平井中，用 126 h钻进了 618 m的井段，平均钻速 4.9m/h，是单一动力段马达的两倍。,3
20、-2 螺杆钻具,(2)加长马达,把动力段加长，使马达的输出扭矩增加。加长马达装备有改进的加强的轴承组合，设计时用有限元分析法评估了各部件的性能，能满足输出大扭矩、高负载的需要。贝克休斯公司：在奥斯汀白云岩的一口双分支水平井中，使用120.65 mm WP/XL马达，累计循环时间383h，钻速达9.9m/h，与常规马达相比，工作寿命和机械钻速都有大幅提高。,3-2 螺杆钻具7、新型螺杆钻具及其应用,(3)中空转子马达,大斜度井和水平井需要大排量洗井以利于清砂，实心转子马达额定排量小，中空转子的额定排量可以提高20以上。中石油勘探开发研究院研制出一种带稳流阀的中空螺杆，这一特别设计的稳流阀改善了普
21、通中空螺杆钻具过载时严重丢转的间题，提高了钻具的抗过载能力和水功率利用率。现场试验证实，这种产品的机械钻速比普通中空螺杆提高了40。,3-2 螺杆钻具7、新型螺杆钻具及其应用,(4)铰接式螺杆钻具,主要用于老井侧钻或钻短半径水平井，它能在 30 m长度内将井眼由垂直变为水平，造斜率达3 o4om。显著特点是有两个铰接体，铰接体可以在5范围内弯曲活动，其中一个铰接体连接了两段螺杆马达；在内部结构中，两转子之间采用高强度万向节连杆。Bake Hllghes Inteq公司曾用此种钻具钻了一个曲率半径为 1218 m的造斜段。,3-2 螺杆钻具7、新型螺杆钻具及其应用,3-3 测斜仪器,借助重力场测
22、量井斜角或高边工具面；测量元件为测角器、罗盘重锤或重力加速度计等；测量基准是铅垂线。借助地磁场测量方位角或磁性工具面；测量元件为罗盘或磁通门等；测量基准是磁性北极，磁性仪器测量的方位角数据必须根据当地的磁偏角修正成真北极（地理北极）的数据。借助天体坐标系测量方位角或正北工具面；测量元件为陀螺仪。陀螺仪为惯性测量仪器，不以地球上任何一点为基准，下井之前必须对陀螺仪的自转轴进行地理北极的方位标定（注：新型陀螺仪自动找北，不必地面标定）。,1、测斜仪器分类和应用范围,35 mm 外径测斜仪（常规）罗盘单点照相测斜仪 25 mm 外径测斜仪（高温）罗盘类 35 mm 外径测斜仪（常规）罗盘多点照相测斜
23、仪测 25 mm 外径测斜仪（高温）有线随钻测斜仪斜 电磁类 无线随钻测斜仪（定向 MWD、带地质参数 MWD）仪 电子多点测斜仪器 60 mm 外径多点陀螺测斜仪 照相陀螺测斜仪35 mm 外径单点陀螺测斜仪 35 mm 外径多点陀螺测斜仪 陀螺类 地面记录定向陀螺测斜仪 电子陀螺测斜仪 框架式电子陀螺测斜仪 速率积分电子陀螺测斜仪,3-3 测斜仪器,1、测斜仪器分类和应用范围,3-3 测斜仪器,主要由井斜刻度盘、罗盘、十字摆锤、照明和照相系统组成。罗盘的S极始终指北。,磁罗盘照相测斜仪的结构和工作原理,3-3 测斜仪器,主要由加速度计、磁通门、模拟数字转换、数据采集或传输、数据处理、数据显
24、示、抗压筒和减振器等环节组成。探管是测斜仪重要组成之一，可划分为测量头和电子柱两部分。测量头有引入工具面基准的T形槽头和安装传感器的台体。台体上安装3个加速度计和3个磁通门。利用6个传感器的输出计算钻井所需的方向参数。,2、电磁测斜仪的结构,3-3 测斜仪器,(1)加速度计：将输入加速度变成与之对应的电压（或电流）或脉冲频率的传感器,3、电磁测斜仪的测量元件,磁悬浮加速度计：结构：由敏感头和伺服电路组成。工作原理：优点：抗冲击能力较强、结构简单、精度适中。,3-3 测斜仪器,重力加速度计,重力加速度计的布置在X，Y，Z三个方向上各装一个重力加速度计，则三个重力加速度计的测值是不同的。通过计算，
25、可以算出重力方向与仪器轴线的夹角即井斜角的大小。,(2)磁通门：又称磁通计，将输入磁通转换成与之对应电压的传感器。由一对带骨架的绕组和外壳所组成。在骨架内孔放置导磁率高、饱和磁感应强度小、磁滞回线窄的磁性材料磁芯。,3、电磁测斜仪的测量元件,3-3 测斜仪器,磁通门,磁通门的布置沿仪器的三个坐标轴方向布置，根据三个磁通门测得的磁通量的值，可以算出磁北方向与井眼方位的夹角，即井斜方位角。,4、电磁测斜仪的数据处理,传感器输出的原始测量数据3个加速度计：，3个磁通门：，测斜仪输出的计算参数：井眼参数：井斜角、方位角；工具面参数：重力工具面角GTF、磁性工具面角MTF。,3-3 测斜仪器,(1)井斜
26、角：在铅垂面内的直三角形中，井斜角是从铅垂线到轴（仪器轴）的夹角。,4、电磁测斜仪的数据处理,3-3 测斜仪器,(2)工具面角重力工具面角（GTF）：沿井眼向下看时，由重力矢量所确定的高边和y轴（工具面基准轴）之间的夹角。磁工具面角（MTF）：磁北极与轴夹角。,4、电磁测斜仪的数据处理,3-3 测斜仪器,工具面 0,工具面 180,定向减震接头,引鞋体,从数据处理公式得出：井斜角、重力高边工具面角与3个加速度计输出有关；磁方位、地磁倾角等参数涉及到6个传感器（3个加速度计、3个磁通门）的输出。校准测斜仪时，若井斜、工具面角超差，应注意检查、校准加速度计的有关部位。若发现方位超差或出现异常，且工
27、具面、井斜正常，则问题肯定出在磁通门部位。在校准精度时，首先校好加速度计，再校其它才是合理的。,4、电磁测斜仪的数据处理,3-3 测斜仪器,作用：实现定向钻井的随钻随测，能够实时、连续地提供和显示井下钻具工作状态和已钻井眼的井斜角和方位角数据。与无线随钻测斜仪的主要区别：通过铠装电缆（多为单芯的）向地面传输井下测量数据。基本组成（5 部分）：地面计算机、下井探管和外筒总成、司钻阅读器、打印机、电缆操作设备和辅助工具。典型系统：SPERRY-SUN 公司SST和MS3有线随钻测斜仪。,5、有线随钻测斜仪,3-3 测斜仪器,6、无线随钻测斜仪（MWD）,1、基本组成：主要有五大部分组成。地面计算机
28、及外部设备：终端、打印机、记录仪和电源等数据检测设备：泥浆压力传感器、泵冲传感器等司钻阅读器测量探管总成泥浆脉冲发生器和电池组,以泥浆压力脉冲传输法为例,3-3 测斜仪器6、无线随钻测斜仪,2、数据传输方法,(1)连续波方式(2)正脉冲方式(3)负脉冲方式,3-3 测斜仪器6、无线随钻测斜仪,连续波方法优点:数据传输速度快、精度高。缺点:结构复杂、下井长、数字译码能力较差。正脉冲方法优点：下井仪器的结构简单、尺寸小，使用操作和维修方便，不需要专门的无磁钻铤（MWD短节）。缺点：数据传输速度慢，不适合传输地质资料参数。负脉冲方法优点：数据传输速度较快，适合传输定向和地质资料参数。缺点：下井仪器的结构较复杂，组装、操作和维修不便，需要专用的无磁钻铤。,3、三种传输方法对比,3-3 测斜仪器6、无线随钻测斜仪,
