水平井鉆井專用工具

1、 水平井鉆井專用工具 水平井鉆井技術(shù)是指在一定鉆井工藝的控制下使井眼由垂直狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)或近似水平狀態(tài)，這種鉆井原理同定向鉆井極為類似，也可以說，水平井鉆井即是一種難度較大的特殊定向鉆井。水平井要求在產(chǎn)層或某一指定的地層鉆成有一定長(zhǎng)度延伸的水平段，這就決定了其工藝上固有的特殊性。而工具的選擇與使用必須能夠保證鉆頭（或鉆柱）按照設(shè)計(jì)的井眼軌跡準(zhǔn)確運(yùn)行。 水平井、特別是中半徑水平井井身軌跡的特殊性，需要造斜工具必須具有較高的造斜能力，這是鉆成水平井的基本保障；其次，在滿足高造斜率要求的基礎(chǔ)上還必須使工具有較好的穩(wěn)定性。要想使井眼有一定的偏斜并不困難，以往的定向鉆井工藝早已解決了這方面的問題，但當(dāng)

2、井斜角大到一定程度后，繼續(xù)增斜、至使井斜角接近或超過90，這就存在著很大的難度，這是常規(guī)的定向鉆井工具所不能完成的。另外，水平井段的鉆進(jìn)也是我們前未遇的新問題，鉆柱在這種特殊狀態(tài)下的延伸必須有特殊的工具輔以維持。 為了滿足水平井鉆井施工的需要，設(shè)計(jì)制造出鉆各種大、中曲率半徑水平井的井下專用工具，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)使用進(jìn)一步改進(jìn)完善，總結(jié)出適合水平井鉆井的工具模式。一般說來，水平井鉆井的生產(chǎn)工序環(huán)節(jié)，大致上分為造斜，增斜、穩(wěn)斜或穩(wěn)平，有時(shí)根據(jù)地質(zhì)要求需另附加水平取芯段。水平井井身軌跡的控制要求嚴(yán)格，各階段使用的工具不盡相同，各種工具的研究技術(shù)難點(diǎn)也各不相同。 水平井鉆井工具主要包括水平井鉆井常用井下工

3、具和地面工具兩部分，該章主要介紹的井下工具是穩(wěn)定器、無磁鉆鋌、螺旋鉆鋌、加重鉆桿、定向接頭、彎接頭、定向彎接頭、定向造斜專用PDC鉆頭、井底動(dòng)力鉆具(螺桿動(dòng)力鉆具、渦輪鉆具)和水平井取心工具等。地面工具主要包括轉(zhuǎn)盤量角器、鉆桿量角器、鉆鋌量角器、方鉆桿標(biāo)定尺、鉆桿劃線規(guī)、定向鍵調(diào)節(jié)扳手。穩(wěn) 定 器 一、概述 穩(wěn)定器用途最為廣泛，不論是增斜降斜段，還是穩(wěn)斜穩(wěn)平段，都是不可缺少的工具之一。根據(jù)不同生產(chǎn)段的需要和水平井自身的特點(diǎn)，有著不同穩(wěn)定器的形狀及幾何尺寸。綜合考慮各種客觀因素，確定穩(wěn)定器在鉆具組合中的最佳位置。 1.穩(wěn)定器的種類： 按穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)可將穩(wěn)定器分為以下幾種類型：螺旋穩(wěn)定器、直條穩(wěn)定

4、器、無磁穩(wěn)定器、可換片穩(wěn)定器、滾子穩(wěn)定器、偏心穩(wěn)定器、近鉆頭穩(wěn)定器(雙母穩(wěn)定器)等。 2.各種穩(wěn)定器的特點(diǎn)： (1)直條穩(wěn)定器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單起鉆較容易的特點(diǎn)，對(duì)井壁切削最嚴(yán)重，穩(wěn)定器效果不如螺旋穩(wěn)定器好。 (2) 螺旋穩(wěn)定器穩(wěn)定器效果好，但起鉆困難，易泥包。 (3)滾子穩(wěn)定器扭矩最小，穩(wěn)定效果好，方位不易右漂，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高、更換滾子困難等缺點(diǎn)。 (4) 無磁穩(wěn)定器用于無磁鉆鋌之間需要使用穩(wěn)定器的情況下。 (5)近鉆頭穩(wěn)定器(雙母穩(wěn)定器)直接接鉆頭，不需要配合接頭，縮小了鉆頭到穩(wěn)定器中點(diǎn)的距離。 3.穩(wěn)定器的用途特點(diǎn) 井底鉆具組合通過在不同部位接入穩(wěn)定器，可以有效的改變鉆具與井壁的觸點(diǎn)，使

5、得鉆具成為增斜組合、穩(wěn)斜組合、降斜組合等。穩(wěn)定器與鉆具組成不同鉆具組合用以完成各井段的施工，其基本工作原理在水平井中同樣得到了充分利用，水平井穩(wěn)定器應(yīng)具有如下幾個(gè)方面的特點(diǎn)： a)在大斜度或水平井段使用旋轉(zhuǎn)方式鉆進(jìn)時(shí)必須具有更好的保徑性能及耐磨性能。 b) 在大斜度或水平段使用時(shí)，要有利于傳遞鉆壓、減少摩阻。 c)在鉆具組合中能更好地起到單點(diǎn)支撐作用，有利于控制井身軌跡達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 d)在各類地層中都有良好的扶正效果，并使井徑擴(kuò)大率控制到最小。 e) 減少泥漿流動(dòng)的環(huán)空阻力，保證井眼暢通，起下順利。 f）在測(cè)量對(duì)磁性干擾有特殊要求的場(chǎng)合，穩(wěn)定器應(yīng)采用無磁材料。 二、水平井穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定器

6、在水平井中的作用效果與其本身的形狀和外形尺寸有密切關(guān)系。為了滿足水平井鉆井過程中控制增斜，穩(wěn)斜或降斜等的需要，設(shè)計(jì)了短螺旋穩(wěn)定器、球形穩(wěn)定器，錐形穩(wěn)定器、偏心穩(wěn)定器和動(dòng)力鉆具穩(wěn)定器。 1. 錐形穩(wěn)定器 PWZ 型錐形穩(wěn)定器主要用于近鉆頭的鉆具扶正。設(shè)計(jì)扶正翼較短、取三棱螺旋狀結(jié)構(gòu)，螺旋槽在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能使泥漿以較小的阻力流過，有利于清洗井壁，扶正翼與本體間以30倒角過渡，螺旋條凸起表面及倒角背錐加密鑲裝硬質(zhì)合金以增加其耐磨性。為在軟地層中加強(qiáng)穩(wěn)定效果并能有效地控制井徑擴(kuò)大率，螺旋體取圓錐外形增加了與井壁接觸面積。 2. 型短螺旋穩(wěn)定器 PWD 型外螺旋穩(wěn)定器為鉆柱型穩(wěn)定器，在鉆具組合中通常加于PWZ

7、之上，與一般螺旋穩(wěn)定器相比，其主要特點(diǎn)是減少了扶正面積，可降低磨擦阻力，其他設(shè)計(jì)要求與 PWZ基本相同。 3. 球形穩(wěn)定器 PWQ 形穩(wěn)定器表面設(shè)計(jì)近似球形，主要是為了減小磨阻，容易通過造斜井段。在旋轉(zhuǎn)鉆井鉆具組合中通常配接在 PWD之上，用于穩(wěn)直段；有時(shí)，該穩(wěn)定器也替代 PWD與 PWZ配合用于增斜或降斜。 4. 型動(dòng)力鉆具穩(wěn)定器 PWL 型動(dòng)力鉆具穩(wěn)定器用于彎殼體動(dòng)力鉆具的近鉆頭扶正，主要作用為增斜。基于減少磨阻和便于鉆壓傳遞的考慮，PWL型穩(wěn)定器初始設(shè)計(jì)為五棱鼓形結(jié)構(gòu)，由于在使用中發(fā)現(xiàn)因塊正條翼間距較大，條翼凸部與動(dòng)力鉆具的背彎不易準(zhǔn)確對(duì)正，難以實(shí)現(xiàn)與井壁穩(wěn)定地支撐，而凸、凹部位做為支點(diǎn)

8、所產(chǎn)生的造斜效果卻相差較大，為此在設(shè)計(jì)上做了如下的改進(jìn)：將其中兩扶正條間填平加工成一個(gè)寬條，其寬度約為原在單扶正條的倍，寬塊正條安裝在動(dòng)力鉆具的背彎方向，在井內(nèi)支撐于下井壁。這一改進(jìn)較好地解決了穩(wěn)定扶正和有效控制造斜率的問題，在以后水平井的施工中得到了滿意的效果。 5. 型偏心穩(wěn)定器 PWP 型偏心穩(wěn)定器通常加接在緊靠在動(dòng)力鉆具的上面，有利于增強(qiáng)動(dòng)力鉆具的剛性，從而使造斜率均勻一致并保證方位穩(wěn)定。PWP偏心穩(wěn)定器的加入可與動(dòng)力鉆具組配成更有利于造斜的鉆具結(jié)構(gòu)。安裝時(shí)應(yīng)使其偏心距最大的部位與動(dòng)力鉆具彎向一致，使之與上井壁接觸，從而迫使穩(wěn)定器的背部成為鉆具在下井壁的一個(gè)穩(wěn)定支點(diǎn)。PWP與近鉆頭穩(wěn)定

9、器相互作用，使動(dòng)力鉆具的傾斜、鉆頭偏移量和側(cè)向力的方向都將更有利于井身軌跡沿增斜趨勢(shì)延伸。三、穩(wěn)定器在定向井、水平井鉆具組合中的作用原理穩(wěn)定器在鉆具組合中的安放位置不同，鉆具組合所表現(xiàn)的性質(zhì)就不同，一般地將，近鉆頭穩(wěn)定器離鉆頭越近，鉆頭的增斜力就越大，反之鉆頭的增斜力則越小。對(duì)于用兩只以上穩(wěn)定器的鉆具組合來講，一號(hào)穩(wěn)定器和二號(hào)穩(wěn)定器之間的距離在有效范圍內(nèi)越大，鉆頭的增斜力越大，反之鉆頭的增斜力越小。下邊應(yīng)用力學(xué)理論對(duì)穩(wěn)定器的作用原理進(jìn)行分析。L1L2L3L4 圖5-1 底部鉆具組合示意圖設(shè)a.井壁是剛性的; b.穩(wěn)定器與井壁之間無摩擦; c.鉆柱旋轉(zhuǎn)無影響; d.鉆具組合中共有n個(gè)穩(wěn)定器。 根

10、據(jù)縱橫連續(xù)梁理論，那么第i（i=1,2,n）個(gè)穩(wěn)定器的三彎矩方程為：式 中：Si 第i段鉆柱的軸向力 NMi 第i個(gè)穩(wěn)定器處的鉆柱內(nèi)彎矩NMRi 第i個(gè)穩(wěn)定器處的井壁反力NR0 鉆頭處的井壁反力 NQi 第i段鉆柱的橫向載荷N/mIi 第i段鉆柱的慣性矩 m4E 鉆柱的彈性模量N/m2Pi 第i段鉆柱在空氣中單位長(zhǎng)度重量 N/mc 鋼材密度 g/cm3m 鉆井液密度 g/cm3 井斜角 （）ri 第i個(gè)穩(wěn)定器與井壁之間的半徑差值 mYi 第i段鉆柱的最大撓度 m 鉆頭轉(zhuǎn)角 rad切點(diǎn)處的輔助方程：第i個(gè)穩(wěn)定器處的井壁反力式 中：由上述三式可以求得鉆頭處的側(cè)向力Pc：式中 rI=Di-D井眼DI

11、為穩(wěn)定器的外徑， D井眼 為井眼直徑。 上式表明了穩(wěn)定器的安放位置、外徑對(duì)鉆頭的側(cè)向力起著重要作用。當(dāng)井徑一定時(shí)，穩(wěn)定器外徑在有限范圍內(nèi)越大，鉆頭的增斜力越大。安放位置離鉆頭越遠(yuǎn)，鉆頭增斜力越小。四、穩(wěn)定器在定向井、水平井軌跡控制中的應(yīng)用實(shí)踐穩(wěn)定器在鉆具組合中的工作原理，早已在一般直井和定向井的鉆井實(shí)踐中得到了認(rèn)識(shí)。由于水平井和大位移井在世界各油田的普及與發(fā)展，使得人們對(duì)穩(wěn)定器的工作原理及其作用下的造斜規(guī)律取得了更為深刻的認(rèn)識(shí)，雖然理論推導(dǎo)和公式計(jì)算與實(shí)際有一定差距，但也正確地反映了其作用規(guī)律。下邊針對(duì)多年來的鉆井實(shí)踐，通過對(duì)部分井使用情況的統(tǒng)計(jì)分析，可以看出穩(wěn)定器在鉆具組合中影響造斜性能的一

12、般規(guī)律。 穩(wěn)定器間距與造斜率的相關(guān)關(guān)系 注：表中 L1 為鉆頭與第一穩(wěn)定器的間距， L2、L3 分別為第一、 第二和第二、三穩(wěn)定器的間距。 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在以轉(zhuǎn)盤鉆方式鉆進(jìn)過程中，穩(wěn)定器間距在水平井鉆具組合中對(duì)造斜率的影響基本上與普通井的規(guī)律相吻合： a)當(dāng)11.15m，210m，310m時(shí)，該工具組合有穩(wěn)斜、穩(wěn)平作用。 b)當(dāng)11.15m，220m，工具組合有增斜效果，且造斜率隨著2的增大而增大。 c)當(dāng)14m，220m，工具組合有降斜效果，且降斜率隨著L1的增大而提高。 應(yīng)當(dāng)指出，以上規(guī)律僅為勝利油田范圍內(nèi)部分水平井的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)操作者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、操作水平以及地質(zhì)情況對(duì)工具造斜性能的影響

13、都是非常重要的，因此所提供的數(shù)據(jù)只能作為使用者在設(shè)計(jì)鉆具組合時(shí)的參考。水平井特殊管具 一、無磁鉆鋌 1. 無磁鉆鋌的材料及性能 無磁鉆鋌使用無磁材料制成，目前現(xiàn)場(chǎng)使用無磁鉆鋌的材料多為孟乃爾合金(monels)，它的彈性模量為：E=26*106磅/英寸，普通鋼鉆鋌彈性模量為：E=29*106磅/英寸，鋁為E=11*106磅/英寸。由于無磁鉆鋌的機(jī)械性能不同于普通鉆鋌，彈性模量較小，且費(fèi)用高，因此使用應(yīng)特別小心防止損壞。 2.無磁鉆鋌的作用 當(dāng)使用磁性單多點(diǎn)測(cè)斜儀測(cè)量井眼數(shù)據(jù)時(shí)，磁羅盤必須與地球磁場(chǎng)相符合，因此羅盤所在的鉆柱處不能有使羅盤讀數(shù)失真的局部磁場(chǎng)。普通鋼鉆鋌是可以磁化的，尤其在接頭處還

14、會(huì)形成磁極。為了防止羅盤失真，必須將羅盤放置在無磁環(huán)境中，所以儀器保護(hù)筒和測(cè)量時(shí)儀器所在的鉆鋌必須都使用不能磁化的無磁材料制成。一般使用銅、鎳、鉻和其他金屬合金制成。 3無磁鉆鋌的安放位置及長(zhǎng)度的確定無磁鉆鋌在鉆具組合中的安放位置。使用降斜鉆具組合時(shí)，無磁鉆鋌直接與鉆頭連接;使用增斜鉆具組合時(shí)，無磁鉆鋌安放在近鉆頭穩(wěn)定器上方;使用井底動(dòng)力鉆具組合時(shí)，無磁鉆鋌應(yīng)安放在動(dòng)力鉆具或彎接頭之上。 圖5-2 無磁鉆鋌長(zhǎng)度選擇圖無磁鉆鋌長(zhǎng)度的確定及測(cè)量時(shí)羅盤所處的位置是和井斜角度、井斜方位角及井位所處的地理位置有關(guān)系的。 a.在曲線A以下，無磁鉆鋌選用9米（一單根） b.在曲線B以上，無磁鉆鋌選用18米（

15、兩單根） c.在曲線A與B之間，鉆具組合使用一個(gè)近鉆頭穩(wěn)定器時(shí)，無磁鉆鋌選用9米， 無磁鉆鋌以下是多個(gè)穩(wěn)定器或動(dòng)力鉆具時(shí)，無磁鉆鋌選用18米。 二、螺旋鉆鋌和加重鉆桿 螺旋鉆鋌和加重鉆桿是定向井施工中必不可少的井下工具，螺旋鉆鋌和加重鉆桿除起到加重和鉆具穩(wěn)定之外，還能夠有效的防止粘附卡鉆事故。鉆鋌或加重鉆桿重量的確定常規(guī)定向井鉆鋌重量的確定，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的最大鉆壓，計(jì)算確定所需鉆鋌的總重量，在確定各種尺寸鉆鋌的長(zhǎng)度。所需鉆鋌在空氣中的總重量按下式計(jì)算：式中：Gt-鉆鋌在空氣中的總重量，tp-設(shè)計(jì)的最大鉆壓，KNk-安全系數(shù);f-鉆井液浮力校正系數(shù);-井斜角，（）常規(guī)定向井的安全系數(shù)，一般應(yīng)取1.

16、4以上。以保證中和點(diǎn)始終處于鉆鋌或加重鉆桿之上。在大位移井、水平井中或復(fù)雜井中，為了減少鉆柱的旋轉(zhuǎn)扭矩、摩擦阻力以幾高密度鉆井液引起的粘附卡鉆，一般采用鉆桿（加重鉆桿、普通鉆桿、鋁合金鉆桿等）代替鉆鋌施加鉆壓。在采用鉆桿代替鉆鋌時(shí)，應(yīng)對(duì)鉆桿進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算。鉆桿開始彎曲時(shí)的臨界壓縮載荷按下式計(jì)算：式中：Fmax-鉆桿開始彎曲時(shí)的臨界壓縮載荷，kN f -鉆井液浮力校正系數(shù) E -管材的彈性模量，Pa I -管材的截面慣性矩，m4 -管材密度，kg/cm3 -井斜角，（） r -鉆桿與井眼之間的間隙值，mm。鉆桿穩(wěn)定性設(shè)計(jì)所需要的條件按下式計(jì)算：Fmaxp-wcos式中：p-設(shè)計(jì)的最大鉆壓，k

17、N; w-井底鉆具組合的浮重，kN.三、定向接頭、彎接頭、定向彎接頭1. 定向接頭、彎接頭、定向彎接頭的結(jié)構(gòu) 定向接頭是由定向接頭本體、內(nèi)套、定向鍵、密封圈及固定螺釘組成構(gòu)成。 彎接頭和普通接頭的區(qū)別在于它的公扣軸線和本體軸線有一個(gè)夾角，就是彎接頭的彎曲角度。 定向彎接頭是定向接頭和彎接頭的組合。它用一個(gè)接頭代替了兩個(gè)接頭，但隨著單雙彎動(dòng)力鉆具的推廣使用單獨(dú)的定向接頭也是必不可少的。 2. 定向接頭、彎接頭、定向彎接頭的用途及使用方法定向接頭必須和彎接頭或單雙彎動(dòng)力鉆具配合使用，使用時(shí)在地面使用定向鍵調(diào)節(jié)扳手將定向鍵調(diào)整到彎接頭或單雙彎動(dòng)力鉆具的彎曲方向，并用固定螺釘固定緊，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，才能使斜

18、口管鞋測(cè)量出正確的工具面角。 彎接頭造斜率與彎接頭度數(shù)、鉆具尺寸和井眼大小的關(guān)系 3 3/4英 寸鉆具 5 英寸鉆具 6 1/2英寸鉆具 7 3/4英寸鉆具 9 5/8英寸鉆具彎曲角度鉆頭直徑 造斜率 造斜率鉆頭直徑 造斜率造斜率鉆頭直徑 造斜率 造斜率鉆頭直徑 造斜率造斜率鉆頭直徑 造斜率造斜率 （度） 英寸度/30米 英寸度/30米英寸度/30米 英寸度/30米 英寸度/30米143.52.52.521.54.254.564.758.753.59.8753.7513.5325.55.545541331.7521.751.54.753.56.754.257.875310.6253.5152.

19、32453.754.253.752.555.7555.55122.51.251.751.251.55.52.57.8753.510.625212.252.517.52.2523.54.533.332.54.55.5454 四、定向造斜專用PDC鉆頭 1.定向造斜專用PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)定向造斜專用PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)和普通全面鉆進(jìn)PDC相比具有以下幾方面的特點(diǎn) (1).保徑短，易于造斜; (2).使用水眼較大，防止鉆頭回壓太大，泥漿刺壞動(dòng)力鉆具的軸承; (3).切削齒布置較稀，以防止泥包; 2.定向造斜專用PDC鉆頭使用方法及注意事項(xiàng) (1).根據(jù)鉆進(jìn)時(shí)排量的大小選擇好水眼尺寸，使鉆頭回壓小于動(dòng)力

20、鉆 具要求回壓。 (2).下鉆時(shí)不要接上PDC鉆頭進(jìn)行動(dòng)力鉆具試運(yùn)轉(zhuǎn)，以防止在井口將 鉆頭切削齒碰壞。 (3).下鉆迂阻不能硬砸。 (4).不能使用PDC鉆頭長(zhǎng)井段劃眼。 (5).開始鉆進(jìn)時(shí)鉆壓不宜太大，等小鉆壓造好井底后在加標(biāo)準(zhǔn)鉆壓鉆 進(jìn)。 3.常用定向造斜PDC鉆頭有：川石-克利斯坦森的R433、R435，江漢-休斯的B15MB18M、BST1M，勝利石油管理局鉆井研究院的D215型PDC鉆頭。動(dòng)力鉆具簡(jiǎn)介及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 一、井底動(dòng)力鉆具的種類 井底動(dòng)力鉆具大體可以分為電動(dòng)鉆具、渦輪鉆具和正排量螺桿動(dòng)力鉆具三大類。由于電動(dòng)鉆具需要建立地面和井下的電力通道，所以應(yīng)用起來很麻煩。渦輪動(dòng)力鉆具結(jié)構(gòu)復(fù)

21、雜、檢修困難、造價(jià)高。由于螺桿動(dòng)力鉆具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(總共有40多個(gè)零件)、造價(jià)低、檢修容易，所以目前應(yīng)用最為廣泛的正排量螺桿動(dòng)力鉆具。加拿大生產(chǎn)單線(頭)螺桿動(dòng)力鉆具配合行星減速器(油浴密封)，壽命長(zhǎng)，效率高。前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)制造了渦輪和螺桿相結(jié)合的復(fù)式井下動(dòng)力鉆具，渦輪部分在螺桿部分的上面，渦輪鉆具轉(zhuǎn)速高扭矩小，而螺桿鉆具轉(zhuǎn)速較渦輪低但扭矩大，兩者相互配合使得井下動(dòng)力鉆具的性能更加優(yōu)越。由于電動(dòng)動(dòng)力鉆具已經(jīng)淘汰，我們主要介紹渦輪鉆具和桿動(dòng)力鉆具。 二、渦輪鉆具 1.渦輪鉆具的組成 渦輪動(dòng)力鉆具由外殼、止推軸承、定子、轉(zhuǎn)子、徑向軸承和下部軸承等組成。 圖5-3 渦輪鉆具結(jié)構(gòu)示意圖 2.渦輪鉆具的性能特征

22、渦輪鉆具是一種把軸向流動(dòng)的泥漿能量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)能力的裝置。下面通過分析渦輪鉆具的特性曲線來了解渦輪鉆具的性能特征 扭矩 卡鉆扭矩（Ts） 失控速度 速度 圖5-4 渦輪鉆具的扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 功率 壓降 扭矩 效率 轉(zhuǎn)速 圖5-5 渦輪鉆具的特性 當(dāng)泥漿流過渦輪而渦輪轉(zhuǎn)子不受阻力時(shí)轉(zhuǎn)速最大(這個(gè)速度被稱為失控速度)，這時(shí)輸出扭矩為零。另一個(gè)極端情況是轉(zhuǎn)子制動(dòng)時(shí)，這時(shí)的轉(zhuǎn)速為零，但扭矩最大(制動(dòng)扭矩)。速度和扭矩之間近似直線關(guān)系。 從渦輪鉆具的特性曲線可以看出，渦輪的壓降不受轉(zhuǎn)速和扭矩的影響，也就是說，渦輪的壓降只與排量有關(guān)。功率和效率都按曲線形式變化，實(shí)際應(yīng)用中通過控制鉆壓來控制渦輪鉆具主

23、軸的扭矩的大小，使其工作在最大功率區(qū)和最高效率區(qū)(工作區(qū)，圖中斜線部分)。 3.渦輪鉆具的現(xiàn)場(chǎng)使用方法和注意事項(xiàng) A.檢查渦輪鉆具的外觀，注意上下連接絲扣和推薦扭矩等參數(shù)。 B.檢查渦輪鉆具轉(zhuǎn)子和定子之間的軸向間隙。 C.進(jìn)行渦輪鉆具試運(yùn)轉(zhuǎn)，試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)用吊鉗卡住外殼，防止外殼轉(zhuǎn)動(dòng)， 并且將渦輪鉆具下入井口內(nèi)，防止泥漿外濺到鉆臺(tái)上。 D.注意控制泥漿含砂量，因?yàn)槟酀{含砂量高不僅會(huì)降低機(jī)械鉆速，還 會(huì)加速渦輪葉片和軸承的磨損。 E.泥漿排量在滿足需要的同時(shí)使其盡量符合生產(chǎn)廠家的規(guī)定排量。 F.鉆壓的大小通過試鉆進(jìn)行確定，鉆壓太小渦輪轉(zhuǎn)速高，這樣會(huì)加速 渦輪和鉆頭的磨損速度；鉆壓太大造成渦輪鉆具制動(dòng)而

24、無法鉆進(jìn)。 通過試鉆選擇機(jī)械鉆速最高的鉆壓。 三、螺桿動(dòng)力鉆具 由于我國(guó)定向井鉆井現(xiàn)場(chǎng)大部分是應(yīng)用的螺桿動(dòng)力鉆具，下面較為詳細(xì)的介紹螺桿動(dòng)力鉆具。 1.螺桿動(dòng)力鉆具的發(fā)展概況 螺桿動(dòng)力鉆具是根據(jù)Rene Moineau 原理制造而成的。Moineau是一位法國(guó)工程師，他在1930年1948年研究了多種螺旋裝置并獲得了專利。第一臺(tái)工業(yè)螺桿動(dòng)力鉆具是根據(jù)W.Clark1957年上報(bào)的專利在美國(guó)生產(chǎn)出來的，這就是取名為Dyna-Drill的i=1/2的單波齒動(dòng)力鉆具。 1962年1964年，蘇聯(lián)鉆井技術(shù)科學(xué)研究所對(duì)螺桿馬達(dá)進(jìn)行了一系列的研究，并于1966年生產(chǎn)出了i=9/10的多線螺桿動(dòng)力鉆具。 1

25、975年，Schlumberger公司生產(chǎn)由技術(shù)協(xié)調(diào)局(BTC)研制的外徑為10-1/4，i=5/6的螺桿動(dòng)力鉆具，取名為georotor。同時(shí)美國(guó)的Baker 公司開始研究i=3/4的螺桿動(dòng)力鉆具。西德的Christensen公司生產(chǎn)了一系列單頭螺桿動(dòng)力鉆具，取名為Navi-Drill。Eastman-Whipstock公司也在美國(guó)生產(chǎn)自己的單頭螺桿動(dòng)力鉆具。 Dyna螺桿動(dòng)力鉆具鉆具的工作壓差從1765、2452、3432kPa(18、25、35 kgf/cm)達(dá)到了4707kPa(48kgf/cm)，新型Delta1000系列從1-3/4到12。Navi螺桿動(dòng)力鉆具使用多級(jí)球推力軸承和W

26、C徑向軸承使得螺桿動(dòng)力鉆具壽命大大提高。11-1/4Navi螺桿動(dòng)力鉆具功率超過220KW。下表是國(guó)外幾家大公司螺桿動(dòng)力鉆具發(fā)展情況。 國(guó)外幾家大公司螺桿動(dòng)力鉆具發(fā)展 2.螺桿動(dòng)力鉆具的構(gòu)造及各部分的功能 A.旁通閥總成-是起下鉆作業(yè)和接但根時(shí)的泥漿進(jìn)出的通道。在鉆進(jìn)過程中旁通閥關(guān)閉。 B.馬達(dá)總成-由鋼制轉(zhuǎn)子和固結(jié)在外筒的橡膠定子組成。在鉆井液的推動(dòng)下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)。 C.萬向連軸節(jié)總成-上端連接轉(zhuǎn)子，下端連接驅(qū)動(dòng)軸。其作用是將轉(zhuǎn)子的偏心運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)軸的同心運(yùn)動(dòng)。 D.軸承總成-Navi-Drill鉆具有三套軸承，兩套徑向軸承，一套推力軸承。上下徑向軸承起驅(qū)動(dòng)軸的扶正和穩(wěn)定作用及限

27、制鉆井液的溢流量的作用。推力軸承承受上下的軸向載荷。 E.驅(qū)動(dòng)軸總成-上端接萬向連軸節(jié)，下端接鉆頭。起驅(qū)動(dòng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。 3.螺桿動(dòng)力鉆具的工作特性及應(yīng)用范圍 A.螺桿動(dòng)力鉆具的工作原理 螺桿動(dòng)力鉆具是多級(jí)模諾泵的逆用。當(dāng)高壓流體從鉆柱眼進(jìn)入螺桿動(dòng)力鉆具時(shí)，液體迫使旁通閥活塞下行并密封旁通閥篩孔。此時(shí)整個(gè)鉆具變形成了一個(gè)高壓密封系統(tǒng)。當(dāng)液體通過轉(zhuǎn)子和定子間組成的連續(xù)密封腔時(shí)，就推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。從而帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)。 圖5.3 螺桿動(dòng)力鉆具構(gòu)造示意圖由于螺桿動(dòng)力鉆具是正排量動(dòng)力鉆具，其工作原理和特性和渦輪鉆具是不同的。B.螺桿動(dòng)力鉆具的特性 扭矩 TS max Nv E To 效率 Emax 常工正

28、作區(qū) 正常工作區(qū) No Nt P O 螺桿鉆具的工作特性曲線 渦輪鉆具的工作特性曲線 圖5-6 螺桿鉆具與渦輪鉆具工作曲線對(duì)比 圖5-7 螺桿動(dòng)力鉆具結(jié)構(gòu)示意圖 C.螺桿動(dòng)力鉆具與渦輪鉆具的特性對(duì)比由于螺桿動(dòng)力鉆具是正排量動(dòng)力鉆具，其工作原理和特性和渦輪鉆具是不同的a.螺桿動(dòng)力鉆具的轉(zhuǎn)速和排量成正比。當(dāng)排量一定時(shí)，其轉(zhuǎn)速是基本不變的，所以控制好螺桿動(dòng)力鉆具的排量也就較準(zhǔn)確的控制了螺桿動(dòng)力鉆具的轉(zhuǎn)速。渦輪鉆具的轉(zhuǎn)速和排量的平方成正比，而且排量一定時(shí)，轉(zhuǎn)速是隨負(fù)荷的的變化而變化的，其變化范圍相當(dāng)大(從制動(dòng)到速度失控)。所以渦輪鉆具很難控制鉆頭轉(zhuǎn)速。 b.當(dāng)排量一定時(shí)，螺桿動(dòng)力鉆具的壓力降是隨鉆頭負(fù)

29、荷的增加而增加的。所以，從泵壓的變化可以較準(zhǔn)確的掌握鉆頭在井底工作狀況。而鉆頭負(fù)荷的變化對(duì)渦輪鉆具的壓力降基本不影響。所以在地面很難掌握鉆頭工作狀況。 c.螺桿動(dòng)力鉆具的效率較渦輪鉆具高，如單線螺桿動(dòng)力鉆具的效率可達(dá)到80%左右。而渦流鉆具只有50%左右。 D.螺桿動(dòng)力鉆具的應(yīng)用范圍 a.應(yīng)用于常規(guī)鉆井作業(yè) b.定向井、叢式井、水平井的定向造斜和軌跡控制 c.取芯作業(yè) d.修井及特殊作業(yè) 4.螺桿動(dòng)力鉆具的現(xiàn)場(chǎng)使用注意事項(xiàng) A.根據(jù)井眼尺寸和地層硬度合理選擇螺桿動(dòng)力鉆具在選擇使用動(dòng)力鉆具時(shí)，要結(jié)合施工井情況，按照各類型鉆具的性能規(guī)范，選擇相適應(yīng)的鉆具，避免動(dòng)力鉆具超負(fù)荷工作。地層硬度大時(shí)，應(yīng)選

30、擇尺寸較大的動(dòng)力鉆具。 B.考慮反扭角時(shí)，要注意上部鉆具的剛性及裝值角與高邊的關(guān)系使用剛性小的鉆桿(如鋁合金鉆桿)反扭角就大些;使用剛性強(qiáng)的鉆具反扭角就會(huì)小些，例如鉆鋌數(shù)量多或者使用了加重鉆桿等。 C.鉆進(jìn)排量要符合生產(chǎn)廠家推薦的數(shù)值范圍，以免造成動(dòng)力鉆具的先期損壞。 D.控制好鉆井液的含砂量鉆井液的含砂量高，會(huì)大大加速動(dòng)力鉆具的定子、轉(zhuǎn)子、軸承及萬向連軸節(jié)的磨損，造成鉆具的提前大修或報(bào)廢。 E.注意鉆井液中不要有鐵屑。 F.加鉆壓時(shí)要考慮由于井斜產(chǎn)生的摩阻力的影響定向井中鉆進(jìn)時(shí)，由于上部鉆具不轉(zhuǎn)動(dòng)，送鉆時(shí)會(huì)產(chǎn)生鉆具與井壁之間的摩擦，造成指重表顯示鉆壓不準(zhǔn)(指重表顯示的是鉆壓和摩阻力之合)。這

31、是可以通過上下活動(dòng)鉆具求出摩擦阻力的大小，指重表顯示鉆壓減去摩擦阻力就是實(shí)際鉆壓。這是也可以通過控制動(dòng)力鉆具壓差(壓力降)的形式進(jìn)行鉆進(jìn)。因?yàn)槟Σ磷枇Σ粫?huì)增加動(dòng)力鉆具的壓降)。 G.考慮井下溫度不要超過動(dòng)力鉆具允許使用的溫度極限 H.鉆頭壓力降要求鉆具性能規(guī)范的范圍以內(nèi)，以免造成鉆具的軸承嚴(yán)重磨損或燒毀。 5.螺桿動(dòng)力鉆具的現(xiàn)場(chǎng)使用 A.下鉆 a.檢查旁通閥活塞是否上下活動(dòng)靈活; b.接方鉆桿試運(yùn)轉(zhuǎn);c.檢查軸向間隙是否超過標(biāo)準(zhǔn);檢查方法是首先將動(dòng)力鉆具立在轉(zhuǎn)盤面上(方鉆桿接在上面)，測(cè)量驅(qū)動(dòng)短節(jié)和軸承殼體的間隙D2，然后提起動(dòng)力鉆具再測(cè)量驅(qū)動(dòng)短節(jié)和軸承殼體的間隙D1，D1-D2要小于廠家推薦

32、最大軸承間隙值。 圖5-8 螺桿間隙測(cè)量示意圖 螺桿鉆具允許磨損表 工 作 外 徑 最 大 間 隙 D1-D2英吋 mm英吋1 3/42 3/82 3/43 3/44 3/46 1/46 3/489 1/211 1/41. 31.72. 544668880051006700980157015702360236031503150315 d.下鉆過程中嚴(yán)禁猛沖猛砸，在通過防噴器、套管鞋和裸眼井段時(shí)，注意下鉆速度防止突然迂阻而損壞鉆具。 e.下鉆至到底12米時(shí)，開泵記錄鉆具空轉(zhuǎn)泵壓。 f.上下大幅度(79米)活動(dòng)鉆具數(shù)次，消除鉆具扭矩，確保定向準(zhǔn)確。 B.鉆進(jìn) a.離井底12米時(shí)，開泵啟動(dòng)鉆具，當(dāng)排

33、量達(dá)到正常排量時(shí)，紀(jì)錄立管鉆壓。 b.慢慢加壓鉆進(jìn)，這是立管壓力不斷升高，立管壓力升高值不能大于動(dòng)力鉆具推薦最大壓差。如果壓力升高太大提起鉆具，待壓力恢復(fù)后再慢慢加壓鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中注意選擇進(jìn)尺較快的鉆壓。 c.螺桿動(dòng)力鉆具在鉆進(jìn)過程中的故障判斷及處理方法 C.起鉆 a.在決定起鉆后，螺桿動(dòng)力鉆具不能和渦輪鉆具一樣壓死循環(huán)泥漿。 b.起鉆過程中嚴(yán)禁轉(zhuǎn)盤卸扣。 c.再一次測(cè)量D1和D2，并計(jì)算軸承間隙決定該鉆具是否能夠繼續(xù)使用。 d.使用轉(zhuǎn)盤排出鉆具內(nèi)鉆井液，旁通閥注入潤(rùn)滑油。 表4-4 螺桿動(dòng)力鉆具在鉆進(jìn)過程中的故障判斷及處理方法表 故障類型發(fā)生原因 解決方法泵壓突然馬達(dá)壓死 上提鉆具，重新啟

34、動(dòng)并降低鉆壓 馬 達(dá) 馬達(dá)卡死主要由軸承卡死造成，提離井底重新啟動(dòng)，如果啟動(dòng)無效 軸 承 可以采用轉(zhuǎn)盤啟動(dòng)的方法，加壓3050Kn，慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，使卡死 卡 死 軸承活動(dòng)開。提起鉆具重新啟動(dòng)，如無效起鉆更換馬達(dá)。 升 高馬達(dá)堵塞 起鉆更換馬達(dá)泵壓慢慢鉆頭磨損 小心鉆進(jìn)，如果機(jī)械鉆速太慢，起鉆更換鉆頭 增 加地層變硬 改變鉆進(jìn)參數(shù)鉆進(jìn)泵壓慢慢循環(huán)漏失 檢查鉆井液總量 鉆柱刺壞 起鉆檢查鉆具 降 低旁通閥損壞起鉆更換 無 鉆頭嚴(yán)重 磨 損 起鉆更換鉆頭 進(jìn) 地層變化 改變鉆進(jìn)參數(shù)，如果無效，起鉆改變鉆頭型號(hào)，以適宜地層情況 鉆具卡死 處理辦法同上 尺 無壓差 馬達(dá)嚴(yán)重磨損或萬向節(jié)短，起鉆更換鉆具形

35、式及應(yīng)用 大港-迪納鉆具適用于各種鉆井條件和參數(shù)要求。其產(chǎn)品分類、結(jié)構(gòu)特征和應(yīng)用如下： 、3.5型系列鉆具 傳動(dòng)軸總成能承受有限的軸向載荷，馬達(dá)部分相對(duì)較短，提供中等動(dòng)力能力，但具有足夠的側(cè)向載荷能力。適用于周期較短的定向井作業(yè)。 全尺寸鉆進(jìn)，無需擴(kuò)孔器。 連續(xù)鉆井，井眼光滑無狗腿。 側(cè)向力穩(wěn)定，有利進(jìn)行側(cè)鉆。 、7型系列鉆具 功率大，軸承負(fù)荷高，可用于深井長(zhǎng)直井段的鉆進(jìn)和周期較長(zhǎng)的定向井造斜。 鉆頭水眼壓降高達(dá)7MPa，提供了極佳的清洗井眼動(dòng)力。 轉(zhuǎn)子為單頭的鉆具，因轉(zhuǎn)速高適宜于PDC和天然金剛石鉆頭匹配，轉(zhuǎn)子為多頭的鉆具因轉(zhuǎn)速低，是配帶牙輪鉆頭及PDC鉆頭的理想工具。 、14型系列鉆具 可

36、用于導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，一次下井可邊連續(xù)進(jìn)行直井段鉆進(jìn)和斜井段造斜作業(yè)。 使用先進(jìn)的金剛石滑動(dòng)磨擦軸承，其壽命長(zhǎng)，允許較高的鉆頭水眼壓降，可承受高鉆壓，可進(jìn)行噴射鉆井。 高速鉆具可用來與新一代金剛石鉆頭、PDC或TSD鉆頭匹配，低速鉆具可用來與牙輪鉆頭和PDC鉆頭匹配。 使用要求及注意事項(xiàng)： 推薦最大含砂量不超過1。 應(yīng)根據(jù)推薦工作流量和鉆頭水眼壓降進(jìn)行操作，否則會(huì)降低鉆具工作效率和使用壽命。 為獲得最佳工作效率和工作壽命，應(yīng)嚴(yán)格把鉆具馬達(dá)兩端壓降控制在推薦值范圍內(nèi)。 不允許泥漿長(zhǎng)時(shí)間流過制動(dòng)狀態(tài)的鉆具，以免損壞鉆具馬達(dá)。 注： LZ 軸承結(jié)構(gòu)形式 最大允許鉆頭水眼壓降(MPa) 鉆具直徑(mm)

37、轉(zhuǎn)子瓣數(shù)(單頭省略) C：船用橡膠軸承 Y：硬質(zhì)合金軸承 J：金剛石軸承 0：轉(zhuǎn)子中空 1：改進(jìn)型 2：撓性軸 3：彎殼體 4：雙彎殼體 5：穩(wěn)定器 6：穩(wěn)定器彎殼體 7：穩(wěn)定器雙彎殼體 彎 殼 體 動(dòng) 力 鉆 具 1.概述 水平井動(dòng)力鉆具包括直馬達(dá)加螺旋穩(wěn)定器動(dòng)力鉆具和各種型號(hào)的單彎、同向雙彎、異向雙彎導(dǎo)向動(dòng)力鉆具，不同的動(dòng)力鉆具在水平井鉆井過程中，各自起著不同的作用。 直馬達(dá)加螺旋穩(wěn)定器動(dòng)力鉆具組合，是根據(jù)水平井鉆井的需要在直馬達(dá)的基礎(chǔ)上改造而成，這類工具的主要研究的問題是螺旋穩(wěn)定器位置的確定和螺旋穩(wěn)定器直徑的選擇。 導(dǎo)向動(dòng)力鉆具是近年發(fā)展起來的一種新型的鉆井工具，單彎、同向雙彎動(dòng)力鉆具有

38、造斜率高、造斜的效果好的特點(diǎn)，是水平井鉆井必備工具之一；異向雙彎導(dǎo)向動(dòng)力鉆具，常用于水平井段鉆進(jìn)，有微增、降斜的功能，穩(wěn)斜、穩(wěn)平效果好，可配合旋轉(zhuǎn)方式鉆進(jìn)，控制軌跡方便。導(dǎo)向動(dòng)力鉆具的技術(shù)關(guān)鍵是各彎點(diǎn)的選擇及彎角加工精度的控制。 2.導(dǎo)向動(dòng)力鉆具的種類 (1) 單彎螺桿鉆具 單彎螺桿鉆具的設(shè)計(jì)是根據(jù)彎接頭配接普通直馬達(dá)鉆具組合用于造斜的基本原理，按照動(dòng)力鉆具在水平井中的工作要求，在現(xiàn)有直螺桿鉆具結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改制而成的。它可以獲得較高的造斜率，為達(dá)到更好的穩(wěn)定效果使用中通常配以上下兩個(gè)穩(wěn)定器，設(shè)計(jì)主要需要解決三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)： a） 彎殼體及彎點(diǎn)的確定 螺桿鉆具馬達(dá)部分在普通直殼體中具有良好的工作條件

39、，但為了水平井高造斜率施工的需要，增斜鉆具的彎點(diǎn)必須下移，這就要求將馬達(dá)的直殼體改為彎殼體。殼體彎點(diǎn)的選定應(yīng)不影響其它全部件的工作、不影響矩扭功率的輸出，從螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)分析可以看出，鉆具的最低彎曲部位只能選擇在萬向軸殼體上。 螺桿鉆具的萬向軸依靠?jī)芍环聪蜓b配的萬向節(jié)構(gòu)成柔性聯(lián)接，將轉(zhuǎn)子的行星運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成傳動(dòng)軸的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩傳至鉆頭。由于萬向軸的運(yùn)動(dòng)形式是以下萬向節(jié)為錐尖的倒園錐運(yùn)動(dòng)，為避免在外殼上選取彎點(diǎn)位置時(shí)可能引起的萬向軸與殼體相互干涉，本項(xiàng)設(shè)計(jì)中彎殼體彎點(diǎn)選在下萬向節(jié)相應(yīng)的部位、即運(yùn)動(dòng)錐尖處。實(shí)際使用證明這種選擇是正確的，并取得了良好的效果。 彎殼體角度的設(shè)計(jì)是根據(jù)鉆具造斜

40、能力的計(jì)算和實(shí)際使用要求確定的。其系列范圍選在 0.752之內(nèi)，級(jí)差為 0.25，精度公差 0.1。 b ）近鉆頭穩(wěn)定器位置的確定 對(duì)動(dòng)力鉆具近鉆頭穩(wěn)定器的設(shè)計(jì)考慮，前面已作過論述。近鉆頭穩(wěn)定器的位置，直接影響到單彎動(dòng)力鉆具組合的造斜能力，本設(shè)計(jì)是根據(jù)“七五”期間有關(guān)定向井技術(shù)研究的成果，并參考國(guó)外部分樣機(jī)資料確定的，即穩(wěn)定器中心位置距動(dòng)力鉆具的鉆頭接頭端面的0.85 米 。 按上述原則確定的位置，穩(wěn)定器應(yīng)裝于動(dòng)力鉆具傳動(dòng)軸殼體部位。從安裝工藝考慮，我們先后設(shè)計(jì)過套裝式和整體式兩種形式的結(jié)構(gòu)。套裝式穩(wěn)定器采用焊接方式組裝，便于扶正條與鉆具背彎方向的對(duì)正；整體式是將傳動(dòng)軸與穩(wěn)定器加工成一體，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠，加寬扶正翼與鉆具背彎方向的對(duì)位在工廠完成，互換性較差。 c） 采用中空分流馬達(dá) 原有動(dòng)力鉆具許用排量范圍較小，使提高環(huán)空返速和攜屑能力受到限制，為適應(yīng)大斜度及水平井段鉆進(jìn)施工中需要較大