定向井及工具综述
定向井常用井下工具概要
定向井常⽤井下⼯具概要油⽥技术－定向井⼯程师序列培训讲义（T2－21）第⼀部分定向井常⽤井下⼯具的分类1、泥浆马达（PDM）2、旋转导向⼯具3、扶正器（STB）4、⾮磁钻铤（NMDC）5、悬挂短节（HOS）6、短⾮磁钻铤（SNMDC）7、浮阀（F/V）8、定向接头（O/S）9、挠性短节（F/J）10、震击器（JAR）11、加重钻杆（HWDP）12、短钻铤13、弯接头14、套管开窗⼯具15、其它定向井⼯具第⼆部分定向井常⽤井下⼯具的现场检查测绘及使⽤⼀、泥浆马达1、泥浆马达的主要组成部分1) 旁通阀总成2) 马达总成3) 万向轴总成4) 驱动轴总成2、泥浆马达的⼯作原理:马达是⼀种螺杆钻具（SCREW DRILLS），它是以泥浆作为动⼒的⼀种井下动⼒钻具。
马达⼯作原理：泥浆泵产⽣的⾼压泥浆流，经旁通阀进⼊马达时，转⼦在压⼒泥浆的驱动下，绕定⼦的轴线旋转，马达产⽣的扭矩和转速，通过万向轴和传动轴传递给钻头，来实现钻井作业。
3、旁通阀结构及⼯作原理：旁通阀有旁通和关闭两个位置，在起下钻时位于旁通位置，下钻时允许环空的泥浆由旁通阀阀体侧⾯的阀⼝孔流向钻杆(钻具)内孔，起钻时使钻杆内孔的泥浆从阀体侧⾯的阀⼝流⼊环空，减少井台溢出泥浆，当泥浆流量及压⼒达到⼀定值时，旁通阀关闭，泥浆流经马达，将泥浆能量转换为机械能。
4、马达总成的结构及⼯作原理：马达总成由转⼦和定⼦两部分组成。
定⼦与转⼦之间形成若⼲个密封腔，在泥浆动⼒作⽤下，密封腔不断的形成与消失，完成能量交换从⽽推动转⼦在定⼦中旋转。
马达可形成⼏个密封腔就称⼏级马达。
5、万向轴总成的⼯作原理：万向轴总成位于转⼦下端，其作⽤是把马达产⽣的扭矩和转速传递到传动轴上。
由于转⼦作的是偏⼼运动，因此要求万向轴具有较好的挠性功能，能将偏⼼运动转换成传动轴的定轴转动。
6、传动轴总成(drive shaft assembly) 的⼯作原理：它的作⽤是将马达的旋转动⼒（扭矩和转速）传递给钻头，同时承受钻压所产⽣的轴向和径向负荷。
第五章定向井综述
二．轨迹的计算参数
(7) 井眼曲率K（“狗腿严重度”、“全角变化率”）： 指井眼轨迹曲线的曲率。平均曲率 Kc=30γ/ΔDm “狗腿角”或“全角变化”（γ ）： 上、下二测点的两条方向线之间的夹角(空间夹角)。 狗腿角的计算： Lubinski公式： cosγ =cosα A· cosα B+sinα A· sinα B· cos(φ B-φ A) 钻井行业标准计算公式： γ =(Δ α 2+Δ φ 2· sin2α c)0.5 α c=(α A+α B)/2 γ ——该测段的狗腿角，(°)； Ｋc——该测段的平均井眼曲率，(°)/30m； α c——该测段的平均井斜角，（°）。
三．井眼轨迹的图示法
对一条空间曲线可以有不同的表示方法。 • 三维坐标法： • 投影图示法：垂直投影图+水平投影图 –不能反映出真实的井深和井斜角。 • 柱面图示法：垂直剖面图（柱面展开图）+水平投影图 柱面：设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线， 所有这些铅垂线构成的曲面称为柱面。将柱面展平， 就形成了垂直剖面图。 –可以反映出真实的井身参数，如：井深、井斜角、 垂深； –作图简便。
(3) 井斜方位角φ ： 井斜方位角的另一种表示方式： 象限角：指井斜方位线与 正北方位线或与正南方位 线之间的夹角。 象限角的变化范围： 0～90之间。 磁偏角： 磁北方位与正北方位 之间的夹角。 磁偏角校正： 真方位角＝磁方位角＋东磁偏角 真方位角＝磁方位角－西磁偏角
二．轨迹的计算参数
由基本参数计算得到的参数。 (1) 垂直深度Ｄ（垂深）：轨迹上某点至井口所在水平 面的距离。垂深增量称为垂增（Δ Ｄ）。 (2) 水平投影长度Lp（水平长度、平长）： 井眼轨迹上某点至井口 的长度在水平面上的投影， 即井深在水平面上的投影长 度。 水平长度的增量称为平增 （Δ Lp）。
定向井及工具
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定向井简介
高边工具面角1——是指 以高边方向为始边，顺时 针转到工具面与井底圆平 面的交线所转过的角度。 又称为重力工具面角 磁工具面角2 ——是指以 磁北为始边，顺时针转到 工具面与井底圆平面的交 线在水平面上的投影线所 转过的角度
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定向井简介
1.井深L——指井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼 长度，也有人称之为斜深，国外称为测量井(MeasureDepth)。 井深是以钻柱或电缆的长度来量测。井深既是测点的基本参 数之一，又是表明测点位置的标志。 2.垂深D——测点的垂直深度。 3.井斜角 —测点处井眼方向线（切线）与重力线间的 夹角。 4.方位角θ —正北方向至测点处井眼方向线在水平面投 影线间夹角。 5.水平位移—测点至井口所在的铅垂线的距离。(闭合距)
高边工具面角；磁工具面角。
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定向井简介
3）高边——定向井的井 底是个呈倾斜状态的圆平面。 称为井底圆。井底圆上的最 高点称为高边。 从井底圆心至高边之间的 连线所指的方向，称为井底 的“高边方向”。 高边方向在水平面上的投 影称为高边方向线。即井底 的方位 。
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定向井简介
2.地下地质条件的要求： 对于断层遮挡油藏，定向 井比直井可发现和钻穿更 多的油层；对于薄油层， 定向井和水平井比直井的 油层裸露面积要大得多。 另外，侧钻井，多底井， 分支井，大位移井，侧钻 水平井，径向水平井等等 定向井的新种类，显著地 扩大了勘探效果，增加了 油气产量，提高了油气藏 的采收率。
定向井工具简介解析
若需要更强的稳斜组合， 可使用双扶正器串联起来 作为近钻头扶正器。
类型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
L1
L2
L3
L4
L5
强稳斜 组合
中稳斜 组合
弱稳斜 组合
0.8～1.2 1.0～1.8 1.0～1.8
4.5～6.0 3.0～6.0 4.5
9.0
9.0
9.0
9.0
～ 9.0
～
-----
18.0
27.0
9.0
-----
-----
单位名称－序号
单位名称－序号
15
二、转盘扶正器组合（4）
此类工具不能用于改变井眼方位，仅能在已有一定斜度的井眼内改变井斜，即进 行增斜、降斜或稳斜。
此类工具是在转盘钻的基础上，利用靠近钻头的钻铤部分，巧妙地使用扶正器，得 到各种性能的组合。
20世纪80年代以来，国内外对扶正器钻具组合的研究逐步深入。运用数学、力学和 计算机工具，出现了微分方程法、有限元法、纵横连续梁法、加权余量法等等 方法，且都需要使用较复杂的计算机程序。
定向井常用工具简介
－定向井服务中心－
海洋钻井平台
单位名称－序号
2
定向井常用井下工具
一、马达（PDM）
八、挠性短节（F/J）
二、扶正器（STB）
九、震击器（JAR）
三、非磁钻铤（NMDC）
十、加重钻杆（HWDP）
四、悬挂短节（HOS）
十一、短钻铤（SDC）
五、短非磁钻铤（SNMDC） 六、浮阀（F/V） 七、定向接头（O/S）
钻井技术概述
第一章定向井（水平井）钻井技术概述第一节定向井、水平井的基本概念1．定向井丛式井发展简史定向井钻井被（英）T.A.英格利期定义为：“使井筒按特定方向偏斜，钻遇地下预定目标的一门科学和艺术。
”我国学者则定义为，定向井是按照预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。
定向井相对与直井而言它具有井斜方位角度而直井是井斜角为零的井，虽然实际所钻的直井它都有一定斜度但它仍然是直井。
定向井首先是从美国发展起来的，在十九世纪后期，美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。
当时没有考虑控制井身轨迹的问题，认为钻出来的井必定是铅垂的，但通过后来的井筒测试发现，那些垂直井远非是垂直的。
并由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造成被起诉的案例。
最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。
早在1895年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。
有记录定向井实例是美国在二十世纪三十年代初在加利福尼亚享廷滩油田钻成的。
第一口救援井是1934年在东德克萨斯康罗油田钻成的。
救援井是指定向井与失控井具有一定距离，在设计和实际钻进让救援井和失控井井眼相交，然后自救援井内注入重泥浆压死失控井。
目前最深的定向井由BP勘探公司钻成，井深达10，654米；水平位移最大的定向井是BP勘探公司于己于1997年在英国北海的RytchFarm油田钻成的M11井，水平位移高达1，0114米。
垂深水平位移比最高的是Statoil公司钻成的的33/9—C2达到了1:3.14；丛式井口数最多，海上平台：96口；人工岛：170口；我国定向井钻井技术发展情况我国定向井钻井技术的发展可以分为三个阶段，50—60年代开始起步，首先在玉门和四川油田钻成定向井及水平井:玉门油田的C2—15井和磨三井，其中磨三井总井深1685米，垂直井深表遗憾350米，水平位移444.2米，最大井斜92°，水平段长160米；70年代扩大实验，推广定向井钻井技术；80年代通过进行集团化联合技术攻关，使得我国从定向井软件到定向井硬件都有了一个大的发展。
定向井、水平井专用工具
第章定向井、水平井专用工具第一节定向接头一、定向接头类别目前国内常用的定向接头有两种：定向直接头和定向弯接头，定向直接头用于弯壳体螺杆定向钻进，而定向弯接头则用于直壳体螺杆定向钻进。
定向弯接头因其具有制造简单、使用方便、成本低廉等特点，目前使用较为普遍。
二、技术规格定向弯接头规格表表1-1外径（mm）内径（mm）连接螺纹弯曲角度（°）长度(mm)备注母扣公扣196.85 80 630 531 1.25760 衬套内径50mm 1.501.752.002.252.502.75158.75 70 4A10 431 1.25500 衬套内径50mm 1.501.752.002.252.502.75107.95 57 310 331 1.25450 衬套内径35mm 1.501.752.002.252.502.75三、基本结构1、直接头的基本结构，包括壳体、扶正套、定向键和定位螺钉，如图1-1所示：图1-12．定向弯接头的基本结构，包括壳体、扶正套、定向键、定位螺钉如图1-2所示：定向弯接头结构示意图图1-2弯接头弯曲度数的计算公式：α=57.3(a-b)/d式中：α——弯曲角度（º）a——长边长度（mm）b——短边长度（mm）d——外径（mm）四、弯接头性能不同螺杆钻具使用弯接头在不同井眼的造斜率表1-2第二节无磁钻铤一、作用由于所有磁性测量仪器在测量井眼的方向时，感应的是井眼的大地磁场，因而测量仪器必须是一个无磁环境。
然而在钻井过程中，钻具往往具有磁性，具有磁场，影响磁性测量仪器，不能得到正确的井眼轨迹测量信息数据，利用无磁钻铤可实施无磁环境，并且具有钻井中钻铤的特性。
国外已有相当数量的无磁钻铤产品于1990年列入API标准。
我国根据国外产品和产品样本制订了SY/T 5145-86《无磁钻铤》标准。
二、工作原理无磁钻铤工作原理如图2-1所示：无磁钻铤的作用原理示意图2-1注：①地磁场线；②磁性测量仪；③钢钻铤；④干扰磁场线；⑤钻头接头；⑥无磁钻铤无磁钻铤上下的干扰磁场线对测量仪器部位没有影响，因而无磁钻铤为磁性测量仪器创造了一个无磁环境，保证了磁性测量仪器测到的数据为真实大地磁场信息。
定向井工具面基础知识
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。
定向井水平井概述
Da
αa
D
b
O1
O2
Dt
d
O
S
St
αt
c
t
αb
f
二定向井设计
上述公式中符号代表意义 H0——过度参数，m； H——全井总垂深，m； ΔHXZ——自降斜终点到目标点处的垂增，m； HZ——造斜点的深度，m； a，——降斜终点的井斜角，m； S0——过度参数，m； S——井口到目标点的水平位移，m； ΔSXZ、ΔLXZ——分别为降斜终点到目标点的水平位移和段长，m；
磁极
地理北极
磁极
磁偏角
地理方位
磁方位
磁偏角：它是指地磁北极方向线与地理北极方向线之间的夹角。随着地理位置和时间不同其数值也不同。有正负值之分。
a
专业名词
地理方位角：以地理北极为基准的方位角。
添加标题
地理方位角=磁方位角+磁偏角
添加标题
井斜变化率：单位井段内井斜角的改变速度。以两测点间井斜角的变化量与两测点井段的长度的比值表示。
设计轨道
靶区
水 平 位 移
α-井斜角
定向井垂直投影图
垂 深
定向井是使井筒沿特定方向 钻达地下预定目标的油气井
什么是定向井？
定向井水平投影图
β
01
北
02
东
03
靶点
04
N
05
E
06
β-方位角
07
井口
08
设计轨道
09
实钻轨迹
10
为什么要钻定向井？
绕开地面地下障碍物 地下地质条件要求：由于地质构造特点采用直井不能有效地开发油气藏时 钻井技术的需要：遇到井下事故或复杂情况无法处理或者不易处理时。
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定向井简介
1）井斜变化率——以Ｋα表 示，严格地讲，井斜变化 率是井斜角α对井深Ｌ的 一阶导数，可写为： 以增量代替微分，以相邻 二测点间的井斜角变化值 （Δα）与二测点间井段 长度（ΔL）的比值来表示 井斜变化率的。 求得的乃是该测段的平均 井斜变化率
da K dL
K L
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定向井简介
2）方位变化率——以Ｋφ表 示。严格地讲，方位变化 率是方位角φ 对井深Ｌ的 一阶导数，可写为： 以增量代替微分，以相邻 二测点间的方位角变化值 （Δφ ）与二测点间井段 长度（ΔL）的比值来表示 方位变化率的。 求得的乃是该测段的平均 方位变化率
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定向井简介
2.地下地质条件的要求： 对于断层遮挡油藏，定向 井比直井可发现和钻穿更 多的油层；对于薄油层， 定向井和水平井比直井的 油层裸露面积要大得多。 另外，侧钻井，多底井， 分支井，大位移井，侧钻 水平井，径向水平井等等 定向井的新种类，显著地 扩大了勘探效果，增加了 油气产量，提高了油气藏 的采收率。
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定向井简介
1.井深L——指井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼 长度，也有人称之为斜深，国外称为测量井(MeasureDepth)。 井深是以钻柱或电缆的长度来量测。井深既是测点的基本参 数之一，又是表明测点位置的标志。 2.垂深D——测点的垂直深度。 3.井斜角 —测点处井眼方向线（切线）与重力线间的 夹角。 4.方位角θ —正北方向至测点处井眼方向线在水平面投 影线间夹角。 5.水平位移—测点至井口所在的铅垂线的距离。(闭合距)
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定向井及工具
王瑞城 2013-7
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主要内容
定向井简介 定向工具 测量工具
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定向井简介
2.井斜角的大小范围定向井又可分为： 常规定向井 ——井斜角＜55 ° 大斜度井 ——井斜角55 ° ～85° 水平井 ——井斜角＞85°
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定向井简介
• 井身基本参数
所谓井眼轨迹，实指井眼轴线。 一口实钻井的井眼轴线乃是一条空间曲线。为了进行轨 迹控制，就要了解这条空间曲线的形状，就要进行轨迹 测量（常说的测斜）。目前常规定向井是每隔一定长度 的井段测一个点。这些井段被称为“测段”，这些点被 称为“测点”。水平井使用随钻测量。 测斜仪器在每个点上测得的参数有三个，即井深、井斜 角和井斜方位角。这三个参数就是轨迹的基本参数。
d K dL
K L
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定向井简介
3）全角变化率——从一点到另一点，井眼前进方向变化的 角度（两点处井眼前进方向线之间的夹角），既反映了井 斜角的变化，又反映了井斜方位角的变化。人们将此角度 称为全角变化值，或称为狗腿角，通常以γ表示。 井段长度不变，狗腿角越大，则井眼前进方向变化的越快， 井眼弯曲越厉害，井眼曲率越大。 全角变化率也称为井眼曲率，又称狗腿严重度(简称为狗 腿度)，都是同一个概念，是指单位长度井段内狗腿角的 大小。 井眼曲率计算方法: 有公式计算法、查图法、图解法、查 表法和尺算法等五种。后四种皆来源于公式计算法。公式 计算法又可分为三套。
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定向井简介
• 定向井分类
1.常规剖面类型主要有两种： 一种是“直-增-稳”剖面， 在我国现场上称为三段制剖 面; 另一种是“直-增-稳-降稳”剖面，现场上称为“S” 形井眼或“五段制剖面”。
O
AB
C D
A B
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定向井简介
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定向井简介
6.水平长度—井深在水平面上的投影长度。 7.闭合方位角—在水平投影图上测点处正北方向与闭合 方位线间的夹角。 8.视平移—测点水平位移在设计方位线上的投影。又称 投影位移。 9.井斜变化率—单位井段内井斜角的变化速度。 10.方位变化率—单位井段内方位角的变化速度。 11.全角变化率—单位井段内井眼钻进的方向在三维空 间内角度的变化，它既包括井斜角的变化也包括方位角的变 化，俗称“狗腿度”。
定向井简介
• 定义
定向钻井是使井眼沿预先 设计的井眼轴线（井眼轨迹） 钻达预定目标的钻井过程。
定向井—— “按预定设计的具有井斜和方 位变化轨道钻进的井”。
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定向井简介
• 定向井用途（为什么打 定向井？）
1.地面环境条件的限制：当 地面上是高山，湖泊，沼 泽，河流，沟壑，海洋， 农田或重要的建筑物等， 难以安装钻机，进行钻井 作业时，或者安装钻机和 钻井作业费用很高时，为 了勘探和开发它们下面的 油气田，最好是钻定向井。 （征地难度大，为节约井 场）
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定向井简介
3.处理井下事故的特殊手 段：当井下落物或断钻事 故最终无法捞出时，可从 上部井段侧钻打定向井； 特别是遇到井喷着火常规 方法难以处理时，在事故 井附近打定向井(• 称作救援 井)，与事故井贯通，进行 引流或压井，从而可处理 井喷着火事故。