定向方法与定向专用工具介绍

根据测斜仪器的种类不同，分为四种定向方式：

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±19.6千牛（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。

2．地面记录陀螺（SRO）定向

在有磁干扰环境的条件下（如套管开窗侧钻井）的定向造斜，需采用SRO定向。这种仪器可将井下数据通过电缆传至地面处理系统，并显示或用计算机打印出来，直至工具面调整到预定位置，再起出仪器，施工过程如下：

（l）选择参照物，参照物应选择易于观察的固定目标，距井40米左右；

（2）预热陀螺不少于15分钟，工作正常才可下井；

（3）瞄准参照物，并调整陀螺初始读数；

（4）接探管，连接陀螺外筒，再瞄准参照物，对探管和计算机初始化；

（5）下井测量，按规定作漂移检查；

（6）起出仪器坐在井口，再次瞄准参照物记录陀螺读数；

（7）校正陀螺漂移，确定测量的精度；

（8）定向钻进。

3．有线随钻测斜仪（SST）定向

造斜钻具下到井底后，开泵循环半小时左右，然后接旁通头或循环接头。把测斜仪的井下仪器总成下入钻杆内，使定向鞋的缺口坐在定向键上。定向造斜时，可从地面仪表直接读出实钻井眼的井斜、方位和工具面，司钻和定向井工程师要始终跟踪预定的工具面方向，保持井眼轨迹按预定方向钻进。

4．随钻测量仪（MWD）定向

MWD井下仪器总成安装在下部钻具组合的非磁钻铤内，其下井前要调整好工作模式和传输速度，并准确地测量偏移值，输入计算机。仪器在井下所测的井眼参数通过钻井液脉冲传至地面，信息经地面处理后，可迅速传到钻台。MWD不仅可用于定向造斜，也可用于旋转钻进中的连续测量，是一种先进的测量仪器。

5．定向造斜中的注意事项：

（1）如果定向作业前的裸眼段较长，应短起下钻一趟，保证井眼畅通。

（2）井下马达下井前应在井口试运转，测量轴承间隙；记录各种参数，工作正常方可下井；

（3）MWD等仪器下井前，必须输入磁场强度、磁倾角等参数；

（4）定向造斜钻进，要按规定加压，均匀送钻，以保持恒定的工具面。

（5）造斜钻进或起下钻，用旋扣钳或动力水龙头上卸扣，不得用转盘上卸扣；

（6）起钻前方位角必须在20～30米井段内保持稳定，且保证预定的提前角。目前，“一次造斜

到位法”也经常在我国海洋定向井中使用，这种方法适用于造斜点较浅，且机械钻速很快的造斜井段，常常配合使用随钻测量仪。

（7）井下马达出井时，按规定程序进行清洗、保养。

造斜钻具的造斜能力主要与弯接头的弯角和动力钻具的长度有关。弯接头的弯角越大，动力钻具长度越短，造斜率也越高。

弯接头的弯角应根据井眼大小、井下动力钻具的规格和要求造斜率的大小选择。现场常用弯接头的弯角为1.5～2.25度，一般不大于2.5度。弯接头在不同条件下的造斜率见第四节。

造斜钻具组合使用的井下动力钻具型号应根据造斜井段或扭方位井段的井深选择。使用井段在2000米以内，一般采用涡轮钻具或普通螺杆钻具，深层走向造斜或扭方位应使用耐高温的多头螺杆钻具。

造斜钻具组合、钻井参数和钻头水眼应根据厂家推荐的钻井参数设计。

由于井下动力钻具的转速高，要求的钻压小〔一般为29.4～78.4千牛（3～8吨）〕，因此，使用的钻头不宜采用密封轴承钻头，尤其是在浅层，可钻性好的软地层应使用铣齿滚动轴承钻头或合适的PDC钻头。

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）

到井眼光滑程度的影响等等。

使用有线随钻，无须去仔细考虑反扭角，可以通过地面阅读器看见工具面的位置。也不能用上述数据去判断，因为转盘锁定定向与有线随钻锁定方式不一样。

使用无线随钻时，可以参考上述数据去施工，提高转动工具放到位置的能力。

1)、什么时候需要下入动力钻具调整井身轨迹：

①、井眼的井斜方位角不符合设计要求；

②、井眼的井斜角不符合设计要求；

③、利用转盘钻已经达不是到合理调整井眼井斜角和井斜方位角的要求；

2)、下入什么样的钻具组合进行井身轨迹调整：

根据井眼轨迹调整需要的造斜率K来决定下入什么样的钻具组合，?一般来说需要按造斜率的大小选择钻具组合：

造斜率K在10°～15°/100米之间可以下入弯接头组合来完成；

造斜率K在15°～25°/100米之间可以下入单弯动力钻具完成；

造斜率K在25°～45°/100米之间可以下入双弯动力钻具完成；

造斜率要求不高，为了减少起下钻次数(在配合高效PDC钻头的情况下)，可以下入DTU组合来完成；

3)、怎样确定造斜组合的装置角：

①、装置角对井眼轨迹的影响规律：

②、根据井眼轨迹的需要，利用沙尼金图解法确定工具装置角的方法：

A、选择一定长度的线段，代表角度值。

B、选原点O，作N、E坐标，根据Φ1作井斜方位线OQ。量OA=α1(长度代表角度)，以A点为圆心，以γ为半径画圆。

C、作线段OB，使∠AOB=ΔХ，交圆于B、B′两点，连接AB和AB′。

注意，ΔХ是有正负之分的。ΔХ为正时，是方位增加，以OA为始边顺时针旋转作出OB线。

D、?用量角器量得∠QAB和∠QAB′两角，即得赠斜扭方位的装置角ω=∠QAB，减斜扭方位的装置角ω′=∠QAB′。

E、用直尺量OB和OB′的长度，换算成角度，则是增斜扭方位的井斜角α2=OB，减斜扭方位的井斜角α2=OB′。

③、动力钻具反扭角的确定

A、公式法计算反扭角(由于误差太大，故略去)。

B、经验数据法确定反扭角

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，其万向节总成见图9－18。

（2）迪那钻具规范和操作参数（见表9－3）

（3）迪那钻具的反扭角经验数据表（见表9－4）

直井中的反扭角（α＜2°都看作直井）

（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（见表9－6、9－6、9－7）。

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（见图9－19）。

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（结构见图9－20）。

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（如图9－21），如果轴承间隙超过最大允许值，必须更换新轴承（见表9－8）。

（4）螺杆钻具故障分析（见表9－9）。

（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见表9－10～表9－12。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（见表9－13）。

（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（表9－14）：

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°，估计的反扭角参见表9－15。

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（图9－22），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见表6－16。

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。