定向井专用工具

    一．井下马达

    井下动力钻具是常用的造斜工具之一，它分为涡轮钻具、容积式马达和电动钻具三大类。目前在我国海洋定向井的井下马达使用方面，电动钻具已不存在，涡轮钻具也很少使用，通常使用容积式马达（PDM型）、容积式马达可分为迪那、纳维和螺杆钻具。容积式马达具有下列优点：一是动力钻具所钻井眼尺寸与原井眼完全相同，不必再次下钻扩眼；二是井内有桥塞时，这类钻具可以钻过，并能在开始造斜前将井底循环干净；三是空转转速与工作转速相差的幅度较小（与涡轮相比），有利于钻头选型。

    在各种井下马达中，将重点介绍广泛使用的螺杆钻具。

    1．迪那（Dyna）钻具

    （l）结构和类型

    迪那钻具主要由旁通阀总成、定子、转子、万向节总成和传动轴总成组成。主要分为五种规格：即Δ200／500、Δ500、Δ500＋ 4、Δ1000和Δ1000低速。迪那钻具的装配扭矩见表9－2，其万向节总成。

    （2）迪那钻具规范和操作参数

    （3）迪那钻具的反扭角经验数据表

    直井中的反扭角（α＜2°都看作直井）

    造斜点深度（米）

    0～152

    152～305

    305～457

    457～1524

    ＞1524

    反扭角

    20°

    25°

    35°

    50°

    10°／305米

    （4）迪那钻具使用注意事项：

    ①根据钻井条件选用合适的钻具类型和合理的钻井参数，以提高迪那钻具的工作效率；

    ②下井前应认真检查两端连接螺纹和台肩及外壳体有无变形，旁通阀是否灵敏完好，并测量轴承间隙。

    ③下井前应进行试转，确定迪那钻具工作正常后方可下井。

    ④迪那钻具下井时应控制下放速度，下钻遇阻不得硬砸硬压；

    ⑤钻进时应保持均匀送钻，防止溜钻、顿钻。钻进中应密切注意泵压表的压力变化。当发现泵压突然上升时，应及时提起钻具，重新加压钻进；

    ⑥保持钻井液含砂量不大于l％，以提高迪那钻具的使用寿命；

    ⑦起出迪那钻具应认真检查旁通阀总成并把钻具内的钻井液排净，测量轴承间隙，加油保养旁通阀。

    2．纳维（NAVI）钻具

    （l）纳维钻具种类

    ①Mach  l型多头螺杆马达

    ②Mach  2型单头螺杆马达

    ③Mach  3型单头螺杆马达

    （2）结构

    纳维钻具由旁通阀、定子、转子、万向轴、轴承总成和传动轴组成。

    （3）特点

    ①Mach  l型。其主要特点是长度短、转速低、扭矩大。适用于定向钻井、深井、牙轮钻头钻井和取心钻井。

    ②Mach  2型。扭矩中等，适用于大段直井钻井，可以提高直井钻井机械钻速。

    ③Mach  3型。长度短、反扭矩小，适用于定向钻井、定向造斜和扭方位。

    （4）纳维钻具技术性能和技术参数。

    3．螺杆钻具

    （l）主要结构与工作原理。

    螺杆钻具由旁通阀、马达（转子、定子）、万向轴（节）和传动轴四部分组成。

    螺杆钻具的工作动力来自循环钻井液，在一定压力下，钻井液泵入钻具，进入马达的螺旋形空腔使转子转动，而后动力经万向轴传递到传动轴和钻头上。

    所设计的旁通阀是为了在起下钻时使循环液绕过不工作的马达，沟通钻柱与环空的钻井液通道。

    当无钻井液循环或低泵冲循环时，在弹簧的作用下，阀心处于上部位置，此时旁通孔开启，钻井液可灌入钻柱或自钻柱泄出。阀心的移动由流量大小决定，当钻井液泵量达到一定数值时，水力推力克服弹簧力，使阀心下移，关闭旁通孔，所有钻井液流经马达所作的功转换为机械能。

    （2）使用要求

    ①钻井液的要求

    螺杆钻具对于各种钻井液都能有效地工作，包括油基、水基和乳化的钻井液。钻井液粘度和密度对钻具的影响很小，但对整个系统的压力有直接影响，如果推荐排量下的压力大于额定泵压值，就得减少钻井液排量，或者有必要降低通过钻具或钻头的压力降。钻井液中的砂粒等杂质会影响钻具性能，加速轴承和马达定子的磨损。因此，钻井液中的含砂量必须控制在l％以内，每种型号的钻具都有各自的流量范围，只有在此范围内，钻具才能有较高的效率，一般情况下，流量范围的中间值是钻具最佳输入流量值。

    ②流经螺杆钻具的压力降要求

    钻具悬空时排量不变，则通过螺杆钻具的钻井液压力降也不变，随着钻头接触井底钻压增加时，钻井液循环压力增加，泵压也增加，司钻可以用以下公式来控制操作：打钻泵压＝循环泵压十螺杆钻具的负载压降。

    循环泵压，就是钻头没有接触井底时的泵压，也叫离底泵压。钻头接触井底，扭矩增大，泵压就要上升。这时压力表的读数就叫作打钻泵压。

    离底泵压不是一个常数，它随井深和钻井液的特性变化而变化，但实际操作中，没必要随时测取循环泵压的精确值，一般取每次接单根后的离底泵压为近似值，这样做完全可以满足公式的精度要求。如果忘记测量，则必须将钻具提离井底进行补测。

    钻具工作中，打钻泵压达到最大推荐压力时，钻具产生最佳扭矩，继续增加钻压将增加泵压，当超过最大设计压力时，马达可能会停止转动，此时应立即降低钻压，以防螺杆钻具内部损坏。

    ③扭矩

    螺杆钻具的扭矩与钻井液流经马达产生的压力降成正比，转速与输入排量成正比，排量一定时，扭矩增加而转速基本保持不变，螺杆钻具从空载到满载，速度降低一般不超过10％左右。

    （3）使用方法

    ①下井前的地面检查：

    A．用提升短节将钻具提起，坐入转盘卡瓦内，使旁通阀位于转盘之上，装上安全卡瓦，卸去提升短节；

    B．用木棒压下旁通阀的阀心至下死点，然后松开阀心，检查弹簧复位力（旧马达有时因弹簧锈死，可能压不下）；

    C．用木棒压下旁通阀心，向阀体内注水检查密封性，如密封性好，则小孔无水流出，然后松开阀心，则有水从小孔流出；

    D．将螺杆钻具接上方钻杆，下放螺杆钻具使旁通阀处于转盘下方易观察的部位，慢慢开泵，当排量不足以使旁通阀关闭时，应有钻井液从旁通孔流出，然后加大排量至马达启动，看驱动接头是否旋转，此时应记下泵的排量，停泵前，应再下放螺杆钻具让旁通阀阀口位于转盘以下，检查停泵时钻井液是否经旁通阀阀口顺利流出；

    E．检查轴承间隙，参阅后面起钻检查部分。

    ②螺杆钻具下井：

    A．地面检查结束后，用吊钳卡住驱动接头，用钻头盒把钻头和螺杆钻具接上，大钳只可咬在旋转传动轴驱动接头上；

    B．使用弯接头时，定向装置的定位镜必须和工具面对正，如果要用浮阀，则可直接装在旁通阀上方，千万不要加在马达下边，否则，浮阀就不起作用了，原因是钻井液可从旁通阀流入。如果在驱动接头和钻头之间还要加转换接头，则对其长度应加以有限制，不宜超过250毫米；

    C．下放螺杆钻具时，依次把弯接头、测量工具、非磁钻具、钻铤、震击器、加重钻杆下入；

    D．螺杆钻具下井时应控制下放速度，以免下放过快而使马达倒转，从而造成内部连接螺纹脱扣。此外，控制下放速度，能够防止螺杆钻具在通过防喷器、砂桥、套管鞋等处撞坏钻具；

    E．当下放深井段或遇到高温井段时，应分段循环钻井液冷却钻具，保护定子内衬橡胶。用MWD时，在下钻过程中，每 500米应打通一次；

    F．下钻接立柱时，必须用旋扣钳，不能用转盘；

    G．下钻时钻井液返出过多，可能是钻井液过稠或旁通阀被堵，造成钻井液不流入钻具，此时应定时向钻杆内输入钻井液，带单流阀时更是如此；

    H．螺杆钻具接近井底时要放慢下钻速度，提前循环后再继续下钻。循环先用小排量，待井口近出钻井液后再加大排量；

    I．不能顿钻或将螺杆钻具坐在井底开泵。

    ③用螺杆钻具钻进：

    A．钻进前应充分循环，清除井底岩屑、井底岩屑清除不彻底对定向钻井有较大的影响。具体方法是以正常的钻井液循环转动钻具（每次转动30～45度），依次把沉积在井底的岩屑和沉砂清除，清理干净后上提螺杆钻具0.3～0.6米，循环并记录、校对压力值；

    B．开始钻进时，如果井底还未清洗干净，则应缓慢加压，钻进速度不能太快，否则钻头容易产生泥包，把螺杆钻具和钻头卡死；

    C．施加钻压不要过猛，钻压不是监视螺杆钻具工作的指标，只是作为参考指标，判断螺杆钻具工作的情况的主要依据是泵压；

    E．钻进时，随时调整工具面到预定的数值；

    F．连接每个单根调好工具面后必须稳定钻压，均匀送钻，保证斜井段的曲线光滑和定向精度。

    ④起钻检查螺杆钻具：

    A．等井底的井斜、方位等参数达到要求后就可起钻，不要循环；

    B．起钻之前，在钻柱内注入一段加重钻井液，使钻杆内的钻井液顺利流出；

    C．将螺杆钻具提到井口，坐好卡瓦和安全卡瓦，用清水从旁通阀顶部进行冲洗；

    D．用内钳咬住螺杆钻具．一边用链钳顺时针转动驱动接头，一边从旁通阀上部注入清水（如果反时针转动驱动接头，钻井液将从旁通阀阀口流出），然后注人少量的矿物油，不可注入柴油；

    E．把螺杆钻具提出转盘，并卸下钻头，上好护丝，平稳放下钻台；

    F．起钻过程中也应注意起钻速度，以防卡钻损坏钻具，并且必须用旋扣钳卸扣。不可用转盘卸扣；

    G．每次从井里起出螺杆钻具，都必须检查轴承间隙，如果轴承间隙超过最大允许值，必须更换新轴承。

    （4）螺杆钻具故障分析。

    （5）国产螺杆钻具性能表。

    目前，国产螺杆钻具的质量提高较快，性能参数与进口马达无明显差异，加上价格合理，维修方便，因此，国产螺杆钻具广泛用于海上定向井。国产螺杆钻具的主要生产厂家及性能参数。为满足大排量的水力要求，国产螺杆钻具具有中空分流的特性。

    （6）反扭矩分析计算

    由于螺杆钻具右旋（顺时针），故驱动接头上方的组合将产生反扭矩，定向对应考虑提前装置角，以消除这种反扭矩的影响。

    ①查表法确定反扭矩：

    A．下述反作用扭矩是近似的，准确的反扭矩图可来自测量结果或随钻测斜仪的读数；

    B．全力扭方位时的装置角为95°，估计的反扭角。

    ②公式法计算反扭角：

    在计算jm≥时，先计算出临界长度Lo 米，然后与当时的井深L比较。若L＜Lo，则将L代入式中计算jm，若L≥Lo，则将Lo代入式中计算jm。

    ③用经验数据法确定反扭角。某种动力钻具在一定的井下条件下，经过一段时间的使用，积累一定的资料，可以摸清反扭角的变化规律。在以后的使用中，只要了解井下条件，就可以借用过去的资料来确定反扭角。

    （7）注意事项：

    ①弯接头下井之前，必须测量弯曲度是否准确，高边工具标线是否准确。

    ②用SST及单点陀螺进行定向时，必须检查定位键是否与弯接头高边标线一致，并确认高边标线的方向；

    ③用MWD时，检查钻头到MWD脉冲器的距离（PTB），磁偏角及偏移（offest）是否打入计算机，偏移测量是否正确；

    ④尽量少用钻铤，满足钻压需要即可，否则会影响造斜效果；

    ⑤钻头与马达如需要配合接头，则该接头应尽量短，其长度不应大于250毫米，否则将影响钻头与马达轴承的寿命，而且会在马达传动轴上增加横向力，影响造斜效果；

    ⑥若需用浮阀，必须将它装在螺杆钻具的上端，不可将它装在钻头与驱动接头之间；

    ⑦调节弯接头指向时、转盘应按右旋定向，调整完毕，钻柱需慢慢地提升和下放数次（上提高度应超过6米），消除井眼中钻杆蹩劲，使其处于自由状态。

    ⑧下入扭方位工具时，有可能遇阻，此时应将方钻杆接上，将泵开到关闭旁通阀的泵冲数再加上10冲，低钻压快划到底；

    ⑨造斜开始时，不要频繁左右调节工具面，尽可能在一个方向调节。

    二．弯接头

    弯接头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。目前，弯接头内通常安装循环套，壳体上划有弯曲方向的标线，用作单点或有线随钻侧斜仪确定工具面的方向。

    弯接头分为固定角度和可调角度两种。通常使用固定角度型，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。

    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。

    三．非磁钻铤

    1．组份和用途

    （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

    非磁钻铤是一种不易磁化的钻铤，其用途是为磁性测斜仪器提供一个不受钻柱磁场影响的测量环境。常用的非磁钻铤由奥氏体钢制造，与其他三种合金钢相比，价格较低，但它对盐水钻井液的腐蚀较敏感。

    2．长度选择。为了精确测量裸眼井段的磁方位角，应根据地理位置和测斜井段的井斜和方位值来选择非磁钻铤的长度。

    关于仪器在非磁钻铤中的位置，推荐如下：

    Ⅰ区                           Ⅱ区                     Ⅲ区

    6米钻铤中心以下，0.3～0.6米  10米回钻铤中心以下，1～1.3米 20米钻铤中心（曲线A）

    8米钻铤中心以下，0.6～l米   20米钻铤中心以下，2.3～3米    20米钻铤中心以下

    10米钻铤中心以下，1～1.3米  30米钻铤中心                  2.3～3米（曲线B）

    30米钻铤中心

    当非磁钻铤间需要用稳定器时，必须注意稳定器对罗盘的影响，最好的办法是将稳定器制造成无磁钻铤心子加钢套筒配合，这样可以降低对罗盘的影响，又可以节省价格昂贵的非磁钢材。

    四．稳定器

    定向钻井中，稳定器有螺旋式稳定器和滚子式稳定器两种，目前常用螺旋式稳定器。稳定器在定向钻井的用途如下：

    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．修整井眼，使井眼曲率变化平缓、圆滑，有利于减少井下复杂情况。

    稳定器出、入井时，应认真测量稳定器的外径，检查磨损情况和稳定器在钻具组合中的安放位置，稳定器的外径磨损不大干2毫米。

    五．键槽破坏器

    键槽破坏器的几何形状与螺旋式稳定器相似，外形尺寸较稳定器小而较钻铤大。它与螺旋式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

    钻头十小尺寸钻铤（ 50～60米）十键槽破坏器十随钻震击器十加重钻杆。

    对于长井段键糟的破坏，可采用钻头十小尺寸钻铤1柱十键槽破坏器十小尺寸钻铤1柱十挠性接头十随钻进击器十加重钻杆。

    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100米左右，控制下放速度，发现遇阻卡开始划眼，严格控制钻压，一般小于49千牛（5吨）。

    2．随钻破坏键槽

    在定向钻井中，从增斜井段开始，常常在井下钻具组合中使用键槽破坏器。根据已钻井眼的曲率大小和地层岩性，在容易形成键槽的“狗腿”井段，用键槽破坏器反复划眼，以防形成键槽。

    六．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：

    ①结构简单，使用方便；

    ②旁通接头应尽量接在极浅的井段，通常井深在200米以内；

    ③使用旁通接头定向、扭方位时，中途不需要起下电缆。但由于旁通接头以上的电缆在井口以下的钻杆环形空间里，井口作业时应特别注意，不要挤坏电缆和防止电缆打扭。

    ④旁通接头应配合缺口补心一起使用（或改造补心、切割一条槽），以便裸露在环空的电缆能通过转盘面。

    （2）高压循环头主要由循环头，密封头和手压泵组成。其特点是：

    ①高压循环头直接和水龙带连接，不用水龙头；

    ②电缆从高压循环头的顶端密封头进入钻杆，电缆不易损坏；

    ③在每次接单根时，必须把井下仪器提到井口最上面的一根钻杆（或工作立柱）里，接完单根后，再下放仪器到井底座键，用手压泵打压以密封电缆，压力一般为6.89～12.51兆帕（1000～1800磅／英寸2），卡电缆卡子（井深2000米内也不可用卡子）。