1、第五節地質導向鉆井使用的工具和常規鉆井技術和導向鉆井技術相比，地質導向鉆井技術除了使用的儀器有較大的區別 外，在使用鉆井工具方面也有很大的差別。由于地質導向鉆井技術是在導向鉆井技術的基礎 上發展起來的，因此地質導向鉆井技術所用的一些工具自然也包含了導向鉆井所用的工具， 同時也包含其它的通用鉆井工具。同時，在關于地質導向工具分類的問題上，目前仍沒有一個統一的說法，有人認為能用 于地質導向施工的鉆井工具都可歸納為地質導向鉆井工具，但也有人認為地質導向工具主要 指具有地質導向功能的鉆井工具。在此，本書將具有地質導向功能的鉆井工具歸納為地質導 向工具，并從導向鉆井工具、地質導向工具和通用鉆井工具三部分

2、對用于地質導向鉆井施工 的鉆井工具進行介紹。第一部分導向鉆井工具導向鉆井工具包括井下動力鉆具、穩定器、震擊器、減震器、井下液壓加力器等工具。一、井下動力鉆具井下動力鉆具是一種把液體壓力能轉換為機械能的鉆井工具。當泥漿泵產生的高壓泥漿 流經井下動力鉆具時，井下動力鉆具的轉子在泥漿壓力的驅動下繞定子的軸線旋轉，產生的 扭矩和轉速通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭，從而實現鉆井作業。隨著導向鉆井技術不斷發展，作為導向鉆井的必備工具，井下動力鉆具也隨之發生了巨 大變化。目前用于導向鉆井的動力鉆具具有以下特征：1、用于不同的井眼尺寸、造斜率、輸出扭矩、鉆頭轉速、泥漿排量、隨鉆或轉動的施 工需要；2、能用于水平

3、井、欠平衡鉆井、分枝井、連續油管等鉆井作業施工；3、能適用于任何泥漿體系施工，包括清水或鹽水泥漿、水基泥漿、油基泥漿、合成油 基泥漿、聚合物泥漿以及空氣或泡沫泥漿；4、動力鉆具具有不同的轉速和扭矩，能在不同的地層、不同的施工要求中使用相應的 動力鉆具，以充分提高施工效率；5、可以和三牙輪鉆頭、碳化鎢鑲齒鉆頭、銑齒鉆頭、PDC鉆頭、金剛石鉆頭配合使用；6、可靠性得到大幅度提高，能滿足長時間施工的需要。7、和其它技術相結合，性能得到進一步完善，已經逐步發展成為一種綜合性鉆井工具。（一）、井下動力鉆具的結構井下動力鉆具的結構沒有統一的規定，但一般都包括以下幾個部分：旁通閥總成、驅動 總成、萬向軸總成

4、、傳動軸總成、彎殼體和穩定器總成。彎殼體/穩定器總成傳動軸萬向軸驅動總成總成總成旁通閥總成圖、井下動力鉆具的結構1、旁通閥總成旁通閥總成的工作原理是泥漿流量經閥芯內孔，在孔兩端產生壓力差，見圖畫2-28。 當泥漿流量達到動力鉆具正常工作最小流量要求以上時，上端壓力大于下端壓力，此壓力差 克服彈簧力把閥芯壓下，旁通孔被關閉，泥漿流經井下馬達，把壓力能轉換為機械能，見圖 2-28A。當泥漿流量低于動力鉆具正常工作最小流量時或停泵時，壓力差不足以把閥芯下壓， 彈簧把閥芯頂起，旁通孔導通，泥漿由旁通閥流出，見圖2-28B。旁通閥裝于驅動總成的上方，主要作用是下鉆過程中泥漿能通過旁通閥進入鉆桿，起鉆 過

5、程中鉆桿里面的泥漿有能從旁通閥流出來。在特殊需要的情況下也可進行低排量循環。旁 通閥總成有一個閥門，在壓差沒有大到把它壓下直至關閉的情況下，它使鉆桿里面與井眼環 空連通。如果泥漿含砂量很高，為防止旁通閥被堵，或者在使用空氣/氣體鉆井時，不使用 旁通閥動力鉆句仍然能工作。旁通閥的扣型一般都采用標準扣或通用的工業扣，方便使用或不使用旁通閥的鉆井施 工。在旁通閥和驅動總成之間可以裝一個彎殼體，可以減少鉆頭到彎殼體之間的距離，增加 了鉆頭的偏心效果，同時也可利用雙彎殼體滿足某些特殊作業的施工。A：旁通閥通B：旁通閥關圖2-28旁通閥結構示意圖2、驅動總成驅動總成由定子和轉子兩部分組成，見圖2-29。轉

6、子是一根經過加工并有耐磨抗腐蝕 鍍層的左旋螺桿。定子是在經過機械加工的鋼管內壁上用特制的壓膠芯軸壓鑄并粘牢的定子 橡膠，它耐磨并抗碳氫化合物。在轉子裝入定子之后，任意截取一個垂直于軸線的截面，它 們兩者均是共軛嚙合的，因此，繞軸線的左螺旋桿上有一系列嚙合點，這些嚙由合點封閉起 來的容腔組成一個密封腔，而且此容腔體積是一定的。隨著螺桿在定子中的運動，逐步沿軸 向移動，把完成能量轉換的泥漿由低壓腔排出馬達。總成結構示意圖造橡膠定子少圖2-29驅動構其構造形式都一樣，只是鋼動力鉆具的定、轉子采用瓣狀結木一個瓣形輪，其獨特的幾何結構和運動方式都有利于減少接觸壓力、滑動摩擦、震動和磨損， 從而延長了定、

7、轉子的使用壽命。同時考慮到施工過程中各種參數都會不同，包括泥漿比重、 粘度、溫度、固相含量、堵漏材料以及地層流體和地層中的氣體對定子橡膠的化學作用，動 力鉆具全部采用抗沖蝕、腐蝕及磨損的材料制造，以充分發揮其其工作壽命。高排量或低降鉆有些動力鉆具的轉子軸心可以采用帶噴嘴的中空轉子中空結構以滿足r TFFf_頭轉速的施工而要。fL3、萬向軸總成萬向軸總成位于轉子下端，如圖2-30所示。其作用是把馬達產生的扭矩和轉速傳遞到 傳動軸上，實現把轉子的偏心運動轉換成傳動軸的定軸轉動，同時承受鉆壓所產生的軸向和 徑向負荷。萬向軸總成由止推軸承、徑向軸承、限流環和驅動軸共同組成。對大尺寸的動力鉆具而 言，止

8、推軸承一般采用多級定軌組合結構設計，主要功能是承受軸向方向作用在動力鉆具上 的力；于小尺寸的動力鉆具則采用碳化摩擦軸承。徑向軸承裝在止推軸承的兩端，主要用于 吸收傳動軸產生的徑向負荷。流經動力鉆具的5-8%的流體用于冷卻萬向軸總成，流經萬向軸總成的流體流量是由限 流環控制的，不同尺寸的限流環產生不同的壓降。圖2-30萬向軸4、傳動軸總成傳動軸總成結構示意圖見2-31，其作用:! m -已 m 總成結構意圖達的轉速和扭矩傳遞給鉆頭。圖2-31傳動軸總成結構示意圖5、彎殼體和穩定器總成彎殼體是加工成一定角度的動力鉆具的外殼，而為了滿足不同造斜率和不同施工的需 要，在動力鉆具外殼上焊接或安裝一個或穩

9、定器。彎殼體一般包括可調角度彎殼體、固定角度彎殼體、直彎殼體以及其它彎殼體。采用可 調角度彎殼體，彎殼體角度可以在地面或井下調整，調范圍為一般為0到3，而要調整 或更換固定角度彎殼體、直彎殼體以或偏心彎殼體則必須在車間進行。穩定器包括可調尺寸穩定器、偏心穩定器、偏心塊、套裝穩定器等。可調角度彎殼體、固定角度彎殼體、彎接頭、穩定器及偏心塊都可與動力鉆具進行組合， 共同用于定向鉆施工，以達到不同的施工效果，滿足不同的施工需要。（二）、用于導向鉆井施工的動力鉆具由于鉆井技術和施工工藝的限制，井下動力鉆具是目前仍是導向鉆井施工中普遍采用的 一種井下工具。為了滿足不同的施工要求和達到不同的施工目的，井下

10、動力鉆具在其發展過 程中先后出現了多種類型，如單彎動力鉆具、異向雙彎動力鉆具、鉸接式動力鉆具、可調彎 度動力鉆具、可調穩定器動力鉆具、井下可調徑動力鉆具等。這些井下動力鉆具由于各種原 因，目前都還在現場施工中應用。1、異向雙彎動力鉆具（DTU）異向雙彎動力鉆具是在普通單彎的基礎上改制的，是最初用于導向鉆井的專用工具。異向雙彎動力鉆具外殼上設有兩個彎點，一個是在旁通閥和驅動總成之間的驅動總成部 分裝配的一個彎殼體，另一個是在萬向軸上方的驅動總成部分裝配的一個彎殼體。兩個彎點 所形成的鉆具彎曲方向正好相反。如圖2-32所示。旁通閥 上部彎殼體 驅動部分 下部彎殼體穩定器圖2-32異向雙彎動力鉆具結

11、構示意圖與單彎鉆具相比，異向雙彎組合鉆頭偏移量減少，動力鉆具各部分所受應力降低，可使 鉆出的井眼更趨平滑。異向雙彎由于能滿足軌跡小幅度調整的需要，轉動過程中產生的扭矩小，在水平段導向 過程中使用較多。2、單彎動力鉆具圖2-33單彎動力鉆具（1）圖2-34單彎動力鉆具（2）單彎動力鉆具將接頭是指動力鉆具本體上只裝配一個彎殼體的動力鉆具。根據不同的施 工要求。彎殼體可以裝在鉆具的下部，也可裝在鉆具的上部。彎殼體可以是固定角度的，也 可是可調角度的（見圖2-32、2-34）。同時，在彎殼體上可以裝配穩定器（見圖2-32）或穩定塊、偏心塊（見圖2-33）。穩定 器、穩定塊、偏心塊可以是固定的，也可以是

12、現場可調的。單彎動力鉆具在導向鉆井施工中使用是最多的，主要用來定向、調整軌跡及提高機械鉆 速。3、鉸接式動力鉆具在中小曲率的水平井中施工，需要動力鉆具的造斜率達到140 /100m以上，為了井下 動力鉆具的造斜能力能夠滿足需要以及確保施工的安全，要求動力鉆具必須有足夠高的造斜 能力并且其剛性不能太強。釵接動力鉆具就是在這樣的要求下產生的（見圖2-35），它在受 外力不大的情況下，彎曲并不厲害，可以轉動，并且可以沿彎曲軸向在一定的范圍內活動。 當動力鉆具在井下承受一定的鉆壓后，動力鉆具下部彎殼體沿軸向彎曲方向盡量彎曲，其造 斜能力得到充分發揮。MWD絞接部位動力鉆具絞接部位下部驅動 部分上部驅動

13、, 部分MWD 脈沖發生器圖2-35絞接雙驅動動力鉆具側向型動力鉆具。構造型動力鉆具依靠縮短這種絞接式結構一般用于構造型動力鉆J 絞接馬達部分的長度來縮短鉆頭到MWD之間 提高機械鉆速。則向型動力鉆具可以裝配三個驅動以Sperry-Sun 公司小曲率動力鉆具技術規范丁具尺寸(mm)1209373設計曲率(m)1390139013.7適用井眼尺寸(mm6114.3.12098.4.108造斜點以上井眼最小尺寸(mm)125 4 155.6.158.8117.5.123.8101.6.111.4丁具外徑(mm)120mm93mm73mm轉速(rpm)105-262128-

14、256120-480長度(m)4.544.542.62重量(Kg)25813534君E量(gpm)100-250100-16020-80最大扭矩(ft-lb)300300500最大壓差(Psi)750465160上部扣型根據需要配根據需要配根據需要配推薦上扣扭矩(ft-lb)5.0003.6002.000下部扣型3-1/2 Reg.2-7/8 Reg.2-3/8 Reg.推薦上扣扭矩(ft-lb)7.0005.0002.0004、雙驅動動力鉆具雙驅動動力鉆具可以裝配兩個標準的驅動總成(見圖2-36),以此提高輸出扭矩及高壓 環境下維持鉆頭的轉速。兩個驅動馬達同步工作，可大幅度提高施工效率。同時

15、，在高壓環 境下施工，動力鉆具的失速壓力明顯增加，轉子的壽命也明顯延長。上部驅動部上部穩定器下部驅動部下部穩定器圖2-36雙驅動動力鉆具5、帶儀器的動力鉆具隨著地質導向鉆井技術的發展，地質導向工具日益引起了人們的重視。在發展地質導 向工具的過程中，人們將地質導向儀器電阻率傳感器、自然伽瑪傳感器、近鉆頭傳感器和動 力鉆具組裝到一起，形成了帶儀器的動力鉆具。目前Slumberger公司、Baker Hughes INTEQ 公司、Sperry-Sun公司等公司都有這方面的產品，有關這種工具的詳細介紹見本節“地質 導向工具”部分。圖2-37是SPERRY-SUN公司的地質導向工具IMM示意圖。圖2-

16、37帶儀器動力鉆具（IMM）6、可調徑動力鉆具可調徑動力鉆具是將可調徑穩定器與正容積動力鉆具組合到一起的動力鉆具。由于可 調徑穩定器外徑可以在井下調整，因此提高了這中動力鉆具對軌跡井斜的控制能力。關于這 種動力鉆具的詳細介紹見下面部分。圖2-38是SPERRY-SUN公司的兩種帶穩定器的動力鉆具的對比圖。常規或地面可調穩定器SperryDrill.常規動力鉆具圖2-38 Sperry-Sun公司的兩種帶穩定器的動力鉆具的對比圖7、適宜于高轉盤轉速的動力鉆具某些改進型的井下動力鉆具可適用于轉速度高達到200rpm的鉆井施工，主要用于提高 鉆井速度。8、適宜于空氣或泡沫鉆井的動力鉆具某些特殊加工的

17、井下動力鉆具可用于空氣或泡沫循環媒體鉆井施工，常用于欠平衡鉆井 施工。9、適宜于合成泥漿體系鉆井的動力鉆具實踐證明有些定子橡膠與部分新型合成泥漿體系發生相互反應，而導致整個動力鉆具 不適應于在新型合成泥漿體系中施工。采用特殊的轉子橡膠裝配的動力鉆具能適用于在新型 合成泥漿體系中施工。10、耐高穩動力鉆具采用特殊的耐高溫的定子橡膠，利用溫度補償措施，井下動力鉆具可以在溫度高達 160C的環境中和油基泥漿體系中施工。11、電動動力鉆具（三）、實例介紹井下可調外徑動力鉆具井下可調外徑動力鉆具是在可更換近鉆頭穩定器的動力鉆具和可調穩定器的基礎上發 展起來的一種動力鉆具，如圖2-35所示。這種動力鉆具的

18、特點是，在現場不需要更換靠近 鉆頭的穩定器，而是通過開關泵、鉆具與井壁接觸加壓等方式控制穩定器翼片伸出或縮回， 從而在地面改變井下近鉆頭穩定器尺寸，以達到多滑動、少轉動、盡量提高軌跡的延伸程度、 提高井下施工安全的目的。目 前，Slumberger 公司、Baker Hughes INTEQ 公司、Halliburton 公司、Sperry-Sun 公司等專業化的鉆井技術服務公司都有自己的可調外徑動力鉆具，在此主要介紹Sperry-Sun 公司可調徑動力鉆具AGMtm。Sperry-Sun公司可調徑動力鉆具AGMSperry-Sun公司的可調徑動力鉆具AGMtM ( Adjustable Ga

19、uge Mot or)首次將可調徑穩 定器和正容積井下動力鉆具PDM (Positive Displacement Motor)組合到一起。可調徑穩定 器位于PDM的上方，用于控制轉動鉆進過程中小范圍內( 1/100 ft)的井斜的變化，以使 軌跡更加平滑。由于穩定器翼片難以伸出到足夠的長度，對于井斜變化很大(土 1-1/2 /100 ft) 的井段，AGM就難以達到理想的效果。實際施工表明，將可調徑穩定器安裝在正容積井下 動力鉆具的下方對于井斜變化很大的井段的軌跡控制有很好的效果，但這種組合妨礙了動力 鉆具性能的正常發揮。AGMtm在水平井和大位移井中施工，通過連續滑動鉆進方式實現了軌跡的精

20、確調整， 使軌跡垂深得到精確控制，提高井眼清潔能力，提高了機械鉆速。目前AGM系列工具有4-3/4”，6-3/4”和8”三種尺寸。對于4-3/4”和8”的AGMtm而言， 可調穩定器位于鉆頭上方2-4ft，而對6-3/4”的AGM而言，由于在鉆頭和可調穩定器之間安 裝了近鉆頭井斜傳感器ABI，從而使可調穩定器距離鉆頭的距離稍遠一點。AGMtm穩定器外徑的調整是通過開/關泵操作來實現的，而穩定器外徑的大小可以通過 立關壓力大小來判斷。AGMtm每一條穩定器翼片含有4-5個活塞，井眼環空和鉆具內部的 壓差值不同，靠活塞控制的穩定器塊的伸出長度就不同，由此控制泵壓的大小，就可控制穩 定器外徑的大小。

21、由于活塞縮回是靠彈簧向后的拉力來實現的，為了使穩定器翼片在工作中 伸、縮動作迅速，就要保證泥漿流經鉆頭時必須產生一定的最小壓差(推薦450Psi)。當穩 定器翼片伸出時，泥漿流經AGMtm產生的壓差可以忽略不計，而當穩定器翼片全部縮回時， 會產生約300Psi的壓差，由此就可判斷活塞/穩定器翼片的狀況。AGMtm具有以下特征：1、通過旋轉鉆進方式控制井眼井斜，控制范圍在3/100ft內。AGMtm旋轉方式控制軌 跡的能力于動力鉆具動力部分長度、上部穩定器位置和狀態以及地層的增降斜能力有關。2、滑動鉆進方式下，調整軌跡的能力在3/100ft左右，具體的調整軌跡的能力與動力 鉆具彎度的大小、穩定器

22、外徑大小等因素有關。3、翼片伸出、縮回兩種狀態下產生的壓差約為300Psi，據此可以判斷穩定器翼片的工 作狀態。4、穩定器的兩種尺寸是通過井眼環空和鉆具內部之間的壓差來控制的。控制方法簡單， 通過開/關泵操作就可實現穩定器翼片伸出/縮回之間的轉換。5、不需要通過在鉆頭上施加壓力來固定穩定器的狀態。6、可以和Sperry-Sun公司的任何Sperry Drill動力鉆具聯合使用。7、性能可靠，能滿足長時間施工的需要。表2-28 Sperry-Sun公司可調外徑動力鉆具AGMtm主要技術規范動力鉆具尺寸4-3/4(121mm)6-3/4(171mm)8(203mm)動力鉆具長度29.639.540

23、.3連接扣型上部3-1/2 REG box4-1/2 REG box6-5/8 REG box下部3-1/2 REG box4-1/2 REG box6-5/8 REG box翼片外徑活塞縮回5-1/2,5-3/47-7/811-3/8活塞伸出6,6-1/48-1/212-1/8活塞個數121515信號強度150-300Psi150-300Psi150-300Psi扣平面到穩定器距離 扣平面到彎點距離 可承受最大鉆壓 允許排量范圍是否帶ABI傳感器 ABI傳感器到鉆頭距離2.514.825000100-250否無1821.344.15000070000300-600是8.6600-900否無二

24、、穩定器在導向鉆井過程中，為了有效控制井下工具的造斜能力，有時也需要在井下鉆具配置穩 定器。常用的穩定器有普通穩定器、帶儀器的穩定器、可調徑穩定器，使導向鉆井技術得到 了突飛猛進的發展。在導向鉆井過程中，使用穩定器具有以下幾個方面的特點：a）、在大斜度或水平井段使用旋轉方式鉆進時，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，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支撐作用，有利于控制井身軌跡達到設計要求。d）、在各類地層中都有良好的扶正效果，并使井徑擴大率控制到最小。e）、減少泥漿流動的環空阻力，保證井眼暢通，起下順利。f）、在測量對磁性干擾有特殊要求的場合

25、，穩定器應采用無磁材料。（一）、常用穩定器種類1、普通穩定器在導向鉆井施工過程中，普通穩定器一般加接在緊靠在動力鉆具的上面，有利于增強動 力鉆具的剛性、合理改善轉動鉆進時井下鉆具控制軌跡的能力，從而使造斜率均勻一致并保 證方位穩定。普通穩定器包括螺旋穩定器、無磁穩定器、滾子穩定器、偏心穩定器等。2、可變徑穩定器隨著導向技術的發展，國外許多公司鉆井技術服務公司都成功研制了可變徑穩定器以滿 足導向鉆井技術發展的需要。和其它類型的穩定器相比，可變徑穩定器有如下優點：、穩定器上扶正片的伸縮可以在地面通過開、關泵來實現，避免了因軌跡控制的需要 而進行的起下鉆作業，減少了工人的勞動強度。、同一鉆具組合，因

26、穩定器外徑不同，只利用轉盤鉆進方式就可實現軌跡的增、降斜 作業，避免了使用動力鉆具施工時高扭矩、加壓困難、鉆具易粘卡等缺陷。、采用轉盤鉆方式，提高了機械鉆速，節約了動力鉆具的使用、維護費用，經濟效益 顯著。、采用轉盤轉進，避免了軌跡大起大落的變化，使軌跡更平滑，能使大位移定向井、 超深水平井、超長水平段的軌跡盡量向前延伸。、穩定器減少了井下鉆具和井壁間的接觸面積，改善了井下鉆具的施工環境，加強了 井眼清洗效果，提高了施工的安全。由于可變徑穩定器的上述優點，這種穩定器在導向鉆井技術中得到了廣泛的應用。目前 Slumberger 公司、Baker Hughes INTEQ 公司、Halliburt

27、on 公司、Sperry-Sun 公司等專業 化的鉆井技術服務公司都有自己的可變徑穩定器。3、帶儀器的穩定器帶儀器的穩定器是指將測量、地質評價儀器與近鉆頭穩定器組裝成一體的穩定器。目前帶儀器的穩定器還只有Slumberger公司在施工中投入了使用，主要是將地質評價 儀器和近鉆頭穩定器組裝到一起用于旋轉鉆井施工，有時為了改善導向鉆進效果和及早獲取地 層地質參數，該穩定器也和井下動力鉆具一起使用。(二)、實例介紹在此介紹SPERRY-SUN公司生產的可變徑穩定器AGStm和Halliburton公司的可變徑穩 定器 TRACStm。1、Sperry-Sun公司的可調穩定器AGSSperry-Sun

28、公司的可調徑穩定器AGSTM (Adjustable Gauge Stabilizer)是一種液壓驅動 活塞運動從而改變其外徑的穩定器。這種可調徑穩定器有三個直條型或螺旋型的穩定翼，每 個穩定翼由4到5個活塞組成，活塞使用的是高強度的耐磨材料。活塞在鉆具內部和井眼環 空之間的壓差的作用下向外伸出，在不同的壓差下，活塞伸出的幅度是不同的，從而實現了 變徑的目的。由于活塞的回縮是靠彈簧的拉力來實現的，當壓差低于一定的程度、活塞受到的推力低 于彈簧對活塞的拉力時，活塞就會縮回。因此，為了保證穩定器正常工作，必須保證井眼環 空和鉆具內部之間存在不低于450Psi的壓差。此外，當活塞縮回至停止位時，其自

29、身產生 的壓差為零；當穩定器處于工作位置1時，穩定器自身產生的壓差很小，可以忽略不計；當 活塞完全伸出、處于工作位置2時，會產生150-250Psi的壓差。據此可以判斷穩定器活塞的 伸出/縮回情況。AGStm的活塞有三個定位點，包括一個停止點和兩個工作點。當活塞位于停止點時， 活塞表面低于穩定翼表面1/8” ；當活塞位于第一個工作點時，活塞表面與穩定翼表面平齊； 當活塞位于第二個工作點時，活塞完全伸出。穩定器尺寸不同，其外徑變化幅度不同，總的 變化幅度在1/4”到3/4”之間。通過開關泵操作就可調整可調徑穩定器AGStm外徑，施工時工具就按設置好的外徑的 尺寸工作。由于操作簡單，現場施工完全能

30、滿足精確控制井眼井斜的需要。旋螺穩控制主軸復位彈簧斜坡滑塊,活塞柱狀凸輪 鎖卡塞 活翼 定二_r圖 2-39 日perry-S（1）、可調徑穩定器AGStm的工作原理及變徑方法由于可調徑穩定器AGStm尺寸的不同，每個穩定翼上的活塞數量也不同。如果穩定翼 上有五個活塞，那么這個穩定器就有五個，活塞的底部座卡于斜坡滑塊中，每個斜坡滑塊控 制三個活塞運動，每個穩定翼上同一截面位置上各一個。斜坡滑塊的坡度是不同的，活塞的 底部處于斜坡滑塊上的不同位置，其伸出的幅度就不同。下圖表示的就是活塞位于斜坡滑塊 不同位置時活塞伸出情況示意圖。由該示意圖可直，當活塞處于位置1時，這時活塞處于停 止位（活塞平面低

31、于穩定翼表面）；當活塞處于位置2時，這時活塞處于第一個工作點（活 塞平面與穩定翼表面平齊）；當活塞處于位置3時，這時活塞處于第二個工作點（活塞平面 高于穩定翼表面）。此外，控制主軸對斜坡滑地活塞的控制是同步進行的，活塞的運動沒有 先后之分。圖2-40活塞位于斜坡滑塊不同位置時活塞伸出情況示意圖斜坡滑塊是受控制主軸控制的。控制主軸在壓差的作用下被下壓時，帶動五個斜坡滑塊 同時向下運動，推動活塞進入下一個定位點，進入定位點后如果壓差繼續存在則活塞穩定， 如果壓差消失則斜坡滑塊隨控制主軸回到停止位。控制主軸主要控制斜坡滑塊的運動，它能受到兩個力的控制。第一是受壓差產生的向下 的推力，第二是受扶位彈簧

32、對它產生的向上的拉力。開泵后，壓差在控制主軸上產生向下的 推力推動控制主軸向下運動，同時與之連接的復位彈簧被拉長。壓差消失，復位彈簧產生的 向上的拉力將控制主軸拉回。由此實現了可調徑穩定器AGStm開泵活塞被推至下一個定位 點、停泵活塞復位至停止位的往復運動。控制主軸的定位又受柱狀凸輪鎖卡的控制。柱狀凸輪鎖卡有四個定位點，但是只有三種 定位效果。每開一次泵柱狀凸輪鎖卡動作一次，使控制主軸的位置也隨著柱狀凸輪鎖卡的動 作而變化。柱狀凸輪鎖卡在動作的過程中，只能單向前進，不能往后退，因此受它控制的控 制主軸也只能循環往復的運動，如下圖所示。位置B位置D位置A位置C位置A圖2-41柱狀凸輪鎖卡的位置

33、的變化順序示意圖由上圖可知，如果柱狀凸輪鎖卡的停止位是位置A，那么位置C也是一個停止位，二 者在實際構造中的位置不同，但控制控制主軸產生位移的效果是一樣的（控制主軸處于同一 位置）。對應于活塞的位置來說，如果柱狀凸輪鎖卡起始位置處于位置A時活塞處于停止 位，則每開/停一次泵，柱狀凸輪鎖卡都動作一次，控制主軸也向前動作一次，活塞的位置 （實際效果）將依次為（停止位，停泵）一第一工作點（開泵）一停止位（停泵）一第二工 作點（開泵）一停止位（停泵）一第一工作點（開泵），如下圖2-42所示。圖2-42開關泵次數與可調徑穩定器AGSTM舌塞的位置關系施工過程中，通過開、關泵操作就可改變穩定器外徑，穩定器

34、外徑的改變及保持何種 工作狀態都只與泵壓有關，而與施加在鉆頭/穩定器上的鉆壓無關。實際施工過程中，對于 確切了解穩定器處于何種工作位置是十分重要的，一方面可以通過記錄開關泵次數追蹤記錄 穩定器的實際外徑大小，另一方面也可以根據泵壓的大小來判斷穩定器外徑的大小。具體的 方法就是：開泵至正常工作狀態，記錄下此時的泵沖、排量及立管壓立。然后停泵，再開泵 至正常工作狀態，在確保泵沖、排量與前一次開泵的參數一樣的情況下，比較兩次開泵泵壓 的變化情況。如果泵壓降低，說明上一次穩定器全部伸出(穩定器處于工作位置2)，此時 穩定器處于工作位置1。反之則正好相反。、主要特點：、定器尺寸時，只需將鉆具提離井底，通

35、過開泵循環即可實現，穩定起尺寸及狀態的 控制與鉆壓無關。、系統有兩種可調外徑，操作簡單；、通過立管壓力的大小可準確判斷井下穩定器的實際工作尺寸；、摩阻小，磨損底，可滿足長時間工作的需要；、從5-3/8”到17-1/2”的變化范圍，能適用于絕大部分井眼的施工。(3)、技術規范表2-29列出了 Sperry-Sun的可變徑穩定器AGStm主要技術參數。表2-29 Sperry-Sun的可變徑穩定器AGStm主要技術參數適用井眼尺寸5-7/87-7/88-1/29-7/811-3/412-1/417-1/2688-3/412-1/46-1/86-1/4起下鉆與井壁 最小間隙11-3/41-3/42-

36、3/82-1/82-1/82-3/4長度8.39.89.810.110.110.18.3本體外徑4-3/46-1/26-3/47-3/48-1/49-1/29-1/2翼片伸出/縮回5-7/8 /5-5/87-7/8 /7-1/48-1/2 /7-7/89-7/8 /9-1/211-3/4 / 1112-1/4 / 11-1/217-1/2 /16-3/4扣型外徑上部扣型6 /1/26 /5-5/86 /5-3/41/4 /5-3/46 /5-7/83-1/2API IF7-7/8 /7-5/88 /7-5/88 /7-1/24-1/2API IF下部扣型3-1/2API IF4-1/2API

37、IF工作溫度0-400Psi0-400Psi工作壓力450/2000Psi450/2000Psi壓力變化幅度150-250Psi150-250Psi8-1/2 /88-3/4 /8-1/28-3/4 /8-1/44-1/2API IF4-1/2API IF0-400Psi450/2000Psi150-250Psi6-5/8API REG6-5/8API REG0-400Psi450/2000Psi150-250Psi11-3/4 /1/41/4 /11-1/26-5/8API REG6-5/8API REG0-400Psi450/2000Psi150-250Psi7-5/8API REG7-5

38、/8API REG0-400Psi450/2000Psi150-250Psi7-5/8API REG7-5/8API REG0-400Psi450/2000Psi150-250Psi2、Halliburton公司的可變徑穩定器TRACStm用可變徑穩定器通過轉動鉆進的方式來控制軌跡井眼井斜的變化、從而通過轉動方式在 上下范圍內調整軌跡這一技術在世界上許多地區已經獲得了成功的應用。利用可變徑穩定器 通過轉動鉆進的方式來控制軌跡，可以有效避免大曲率井段，同時因減少滑動施工而大幅度 提高全井的鉆井速度。但是常規可變徑穩定器由于存在諸多局限性，使得可變徑穩定器在使用過程中也存在一 定的不足之處，包括因

39、地層變化軌跡需要進行大范圍內的調整，而用可變徑穩定器難以實現 軌跡的調整；在大斜度井段，由于鉆具存在過大的摩阻，使得鉆壓不能傳遞到鉆頭上，因難 以確定鉆頭的真實鉆壓而使軌跡難以控制；可變徑穩定器外徑的實際尺寸難以確認，有時必 須通過起鉆來確認可變徑穩定器實際尺寸后再下井施工，降低了施工的效率；此外，可變徑 穩定器外徑變化范圍小，不能充分發揮其控制軌跡的優勢作用等等。Halliburton公司的可變徑穩定器TRACStm采用全新的設計原理，其外徑大小的設置由 地面開/關泵時間序列及時間長短來控制，穩定器變徑后的工作狀態由開關泵狀態來實現(開 泵穩定器翼片伸出至設計位置，關泵翼片縮回)，通過泥漿脈

40、沖將穩定器當前位置傳遞至地 面，同時增大了外徑的可調范圍，使得其對軌跡的控制能力、用于施工的可靠性及其本身的 機械物理性能都得到了大幅度提高。(1)、主要結構TRACStm主要由上下兩部分組成，所示。上面部分由微處理器、電池、控制系統組成。 微處理器主要檢測地面傳遞下來的信號及探測/控制穩定器狀態，并將信號傳遞給脈沖發生 器。電池為系統微處理器及控制系統工作提供能量。控制系統主要是設置定位活塞的位置。Halliburton公司的可變徑穩定器TRACS下面部分由定位活塞、流管、復位彈簧、下壓軸棒、穩定器翼片、翼片軌道、上推軸棒 及活塞共同組成。定位活塞主要用于穩定器尺寸定位。流管是泥漿流過的通道

41、。復位彈簧是 在停泵后將翼片收回，穩定器翼片實現穩定器尺寸的調整。下壓軸棒、翼片軌道、上推軸棒 及活塞等部分主要為了協助穩定器正常、有序工作。（2）、TRACSTM的主要應用1、不需要換鉆具就能實現軌跡的井斜角的控制；2、連續旋轉鉆井方式提高了井眼的清潔能力；3、可以優化鉆井參數，使得實鉆軌跡更加平滑；4、減少隨鉆施工，提高了機械鉆速，提高了全井施工的效益；5、降低摩阻和扭矩，提高了井下施工的安全；6、可以使軌跡最大限度的向前延伸，可減少油田開發平臺，提高單井產量。（3）、系統主要特征1、可調穩定器外徑調整范圍大，能最大限度的滿足井斜控制的需要；2、穩定器外徑調整過程簡單，不依靠鉆壓、泥漿排量

42、就可進行；3、穩定器外徑實際尺寸在開泵后能傳遞至地面，避免了盲目施工；4、施工需要的立管壓力低，適用于大排量施工。（4）、外徑調整及雙向通訊施工過程中，調整可變徑穩定器TRACStm的外徑時，不是采用傳統的方法，如通過給 工具施加壓力、控制泥漿流量、轉動鉆具等，而主要是利用開/關泵及控制開/關泵時間以向 井下工具傳遞信號來完成。根據前面的敘述可以知道，TRACStm上部組成部分由微處理器、電池及控制系統組成。 微處理器中有一個檢測鉆具內泥漿流量的傳感器，它時時檢測鉆具內泥漿流動情況以及泥漿 流動的時間順序及長短。需要改變TRACSTm的外徑時，在地面通過開/關泵操作并控制開/ 關泵時間的長短，

43、就能實現由地面向井下信號的傳輸。井下TRACStm中的微處理器通過對 檢測到的地面傳遞下來的開/關泵序列及時間長短形式的信號進行辨認后，就將地面需要的 尺寸信息傳遞給控制機構，控制機構自動控制定位活塞的位置。施工時，開泵鉆具內的泥漿 壓力通過活塞將穩定器翼片推出，從而實現了在地面對TRACStm外徑的調整。上面所述的在地面通過控制開/關泵操作序列及時間長短向井下傳遞信號的方法就是地 面-井下通訊方法。同時，正式施工每次開泵時，微處理器都會將最后一次接收到的地面指 令（指定穩定器位置）、開泵后測量到的實際穩定器位置、穩定器是否真的進入制定位置以 及控制模板自動診斷信息通過脈沖發生器傳遞到地面，從

44、而實現了井下-地面間的通訊。地 面施工人員可以根據井下傳遞至地面的信息，再次確認井下穩定器的工作狀態和狀況，確保 施工萬無一失。（5）、技術規范表2-30列出了可變徑穩定器TRACStm主要技術規范。表2-30可變徑穩定器TRACStm主要技術規范連接扣型上部扣型4-1/2 IF,Box下偶部扣型4-1/2 IF,Box總長4.0m本體外徑翼片部分178mm端部165 mm重量432Kg適用井眼尺寸213-222mm最大排量2500 LPM可調范圍184-216mm壓力降75Psi活塞數量可選擇最高工作溫度150C鉆頭、動力鉆具壓降750-2000Psi三、隨鉆震擊器在導向鉆井施工中，井下鉆具

45、都帶有隨鉆震擊器，當鉆井施工過程中發生卡鉆事故時， 能及時啟動隨鉆震擊器進行連續的上擊或下擊，使鉆具解卡，達到預防、消除井下復雜事故 的目的。隨鉆震擊器種類很多，在此對Sperry-Sun公司的震擊器SledgehammerTM加以介紹。Sperry-Sun公司的隨鉆震擊器SledgehammerSperry-Sun公司的 Sledgehammer HMD （Hydro-Mechanical Drilling Jar）液壓-機械震擊 器配置于鉆具底部，主要用于在井下鉆具發生粘卡的情況下，對鉆具產生震擊，從而使鉆具可以自由活動，防止/消除井下事故。當需要震擊時，司鉆控制鉆具在震擊器上施加一定的壓

46、力，當壓力達到震擊器的產生震 擊動作，對鉆具產生向上或向下的震擊。向上的震擊力的大小取決于施加在震擊器上的負荷 的大小，負荷越大，震擊速度越快，震擊器力越大。向下的震擊力的大小取決于震擊器設計 的機械觸及機關被打開或關上的額定負荷，其震擊力的大小是一定的，但是可以向上或向下 震擊。1、Sledgehammer隨鉆震擊器的工作方式SledgehammerTM震擊器主要由機械式震擊器和液壓式震擊器共同組成。機械、液壓震 擊器中都含有一個震擊錘和砧板，機械式震擊器有一個機械觸發機關，控制機械式震擊器產 生震擊動作；液壓式震擊器有一個緩沖沖程，控制液壓式震擊器產生震擊動作。當震擊器承 受的負荷（向上的

47、拉力或向下的壓力）達到震擊器產生震擊動作的額定負荷時，機械式震擊 器內的機械觸發機關被打開或關閉，或者液壓式震擊器的緩沖沖程結束，震擊錘被激發，在 震擊器的自由沖程里面向上或向下運行，撞擊砧板，這樣就產生了等于施加于震擊器上的負 荷上的幾倍的震擊力。當需要再次震擊時，重復給震擊器施加負荷，震擊器就會產生重復的 震擊動作，直到鉆具自由為止。在這里所說的機械式或液壓式震擊器，主要是指機械觸發機關而言。兩種震擊器除機械 觸發機關不同外，其它方面的結構或工作機理都一樣。（1）、機械式震擊器機械式震擊器主要是指其觸發機關是機械式的，對機械式震擊器而言，只有當震擊器承 受的負荷大于其動作的額定負荷時機械式

48、觸發機關動作，震擊器才發生震擊動作并立即產生 強大的震擊作用。機械式觸發機關有“全關”和“全開”兩種狀態，當施加于震擊器上的負 荷試圖“打開”觸發機關時，震擊器處于伸長狀態，當觸發機關被觸動時，震擊器向上震擊。 相反，當施加于震擊器上的負荷試圖“關閉”觸發機關時，震擊器處于壓縮狀態，當觸發機 關被觸動時，震擊器向下震擊。震擊錘一般被鎖定在其沖程范圍內的中間位置，這樣便于震 擊器隨時向上或向下震擊。（2）、液壓式震擊器液壓式震擊器具有和機械式震擊器一樣的上、下沖程、震擊錘和砧板，不同之處在于， 在上、下沖程之間是一段緩沖沖程（而不是機械觸發機關），因此液壓式震擊器的沖程被分 為三個部分，即上沖程

49、、緩沖沖程、下沖程。當在震擊器上施加負荷時，就會推動震擊器里 面的活塞在缸套里面運動，強迫缸套里面的液壓油從一邊往另一邊流動。當活塞運動到緩沖 沖程的末端時，震擊錘被釋放，撞擊砧板，從而產生震擊效果。對于液壓式震擊器而言，由于緩沖沖程的存在，無論施加多大的負荷，無論負荷是忽然 施加的還是逐漸累加的，震擊器產生震擊需都要一定的延遲（緩沖）時間，這樣也使產生的 震擊力可以根據需要調整，因為在產生震擊所需要的延遲（緩沖）時間內，震擊器上的負荷 可以逐漸累加到高于其額定震擊負荷的力，而負荷越大，震擊動作時間越短，產生的震擊力 越大。一般來說，液壓式震擊器的典型的延遲時間為10到40秒，但當負荷慢慢逐步

50、累加時， 產生震擊的延遲時間最長可達5分鐘。大部分液壓式震擊器都不能保證活塞正好處于中間沖程位置，因此一次震擊動作完成 后，必須使震擊器回到重新激發的狀態才能進行下一次震擊。Sperry-Sun公司的Sledgehammer震擊器將機械、液壓式震擊器組合成一體，其中機 械式震擊器向上或向下震擊，液壓震擊器向上震擊。SledgehammerTM震擊器還具有一個重 要的特點，那就是在機械式震擊器上方增加了一個機械觸發機關，調整震擊器處于中間沖程 位置，這樣就使震擊器時刻處于向上或向下激發的狀態，可及時消除常規鉆井施工過程中的 任何井下粘卡事故。2、Sledgehammer震擊器具有以下特征：、液壓

51、震擊部分向上震擊，機械震擊部分向上或向下震擊，功能多樣化但操作簡單；、全套工具采用溫度補償，可有效避免因高溫、拉伸或震擊而造成的工具或部件脫落 現象的發生；、采用整體密封設計方案，良好的密封效果使泥漿難以進入震擊器內，從而避免了泥 漿對工具的腐蝕，延長了工具的工作壽命；、工具工作實現了機械化，震擊器始終處于工作狀態，隨時可以向上或向下震擊，從 而可有效避免常規鉆井施工過程中出現的井下粘卡事故；震擊器工作過程中，配件機械磨損達到最小，可以滿足長時間工作的需要。3、技術規范表2-31列出了 Sledgehammer震擊器的主要技術規范表 2-31 Sledgehammer震擊器的主要技術規范震擊器

52、尺寸單位（in）4-3/46-1/26-3/4899-1/2震擊器外徑mm122165175206232244震擊器內徑mm516470707676標準扣型NC38NC465 H 906-5/8REG87-5/8 REG7-5/8 REGNC50總長m6.256.536.66.816.866.86重量Kg405850930132516901890額定向上震擊負荷daN3600054000600007100071000710003:1 Latch3300054000540006000060000600002:1 Latch220003600036000400004000040000下擊力daN1

53、10001800018000200002000020000上擊力daN3600060000710009800098000110000震擊后的拉伸負荷最大拉伸負荷軸心面積沖程一上擊沖程緩沖沖程一下擊沖程工作溫度適應最高溫度daNN-mmm2mmmmmmmmrc13000020500714321321481521212042904950012141315212813412120434000058500133.743215212815212120442500095000154432152128152121204450000128000198432152128152121204530000130000

54、198432152128152121204四、減震器Sperry-Sun 公司的減震器 Shock Tool井下鉆具的震動不僅會縮短鉆頭的壽命，而且降低鉆井速度，增加鉆井成本。使用該減 震器，不論鉆壓、井深、壓降及泥漿比重如何，都能吸收鉆具的震動，同時減少鉆頭的彈跳， 從而延長MWD/LWD電子線路的壽命。該減震器直接安裝在鉆頭上方以保持鉆具的震動量最小，有效減少震動和工具的加速運 動，從而確保鉆頭一致位于井底。Shock Tool減震器具有以下特征：1、采用靜水壓力平衡技術；2、利用平衡活塞對溫度進行補償；3、能朝兩個方向進行彈性運動，有效降低開泵產生的巨大震動對鉆具造成的影響；4、最低的摩

55、擦傳動使工具可以在垂直方向自由運動，延長了花鍵的使用壽命；5、能夠在溫度高達204C的環境中工作。Shock Tool主要作用：1、有效減少鉆具、鉆頭的震動；2、降低鉆頭彈跳；3、減少鉆頭的沖擊負荷，延長鉆頭的使用壽命；4、提高鉆井速度；5、降低交變應力對鉆具造成的損害。圖2-44 Sperry-Sun公司的減震器Shock Tool結構示意圖表2-32Sperry-Sun公司的減震器ShockTool的主要技術規范工具尺寸單位6-1/2899-1/2外徑（新）mm165206232241內徑mm51637171上部工扣扣型NC46(4IF) NC50(4-1/2IF)6-5/8 REG7-5

56、/8 REG7-5/8 REG7-H907-H90 Lo-Torq7-5/8 REG7-5/8 REG7-H907-H90 Lo-Torq下部扣型(1) BOX4-1/2 REG6-5/8 REG7-5/8 REG7-5/8 REGPIN與上部扣型一樣與上部扣型一樣與上部扣型一樣與上部扣型一樣五、井下液壓加壓器在導向鉆井過程中，由于采用滑動施工方式井下鉆具受到的摩阻大，鉆具到一定的深 度后，難以繼續前行，難以達到提高油層裸露面積、提高油田開發效益的目的。井下加壓工具能夠利用泥漿壓力給下部鉆具施加動力，使下部鉆具繼續前進，能使軌 跡最大限度的向前延伸，同時該工具還能減少下部鉆具的軸向振動、渦動，

57、延長井下鉆具 的壽命。目前，現場使用的井下加壓工具都是以液壓為動力的液壓加力器，它以鉆井液為動力 源，借助鉆頭噴嘴壓降產生軸向壓載荷，為鉆頭及前部鉆具向前運動提供鉆壓和運移能力。使用井下液壓加力器具有以下優點：1、下液壓加力器是利用液壓傳遞作用力的，消耗的功率不多，具有良好的減振效果。2、井下液壓加力器可以廣泛用于導向鉆井施工過程中，有效解決了斜井、水平井和小 井眼、大位移井鉆井中加壓困難的問題。3、使用井下液壓加力器，提高了機械鉆速，減小了軸向振動，減輕了鉆頭和鉆桿的振 動，延長了鉆頭的使用壽命。4、更重要的是使用推進器后，減少了起下鉆次數，減輕了操作人員的勞動強度。5、井下液壓加力器可單獨

58、使用，也可與其它井下動力鉆具（如井下動力鉆具）等配合使 用，能實現自動送鉆，補償失控了的滑動鉆進，也可作為下放鉆具的緩沖段，防止溜鉆事故 等發生。第二部分、地質導向工具隨著近幾年水平井鉆井技術的發展，水平井鉆井技術逐步發展成了開發油氣資源的主要 方法。但是，隨著小型油氣聚集層、薄油氣層的開發，如何利用水平井鉆井技術來獲得以上 油藏最佳的開發效果是常規水平井鉆井技術面臨的一大挑戰。使水平井鉆井技術獲得突飛猛進的發展的基礎是LWD和MWD在水平井鉆井技術中的 成功應用。LWD為水平井鉆井隨鉆地質評價提供實時數據，MWD使軌跡得以精確控制。 這兩工具的成功應用無疑增加了水平井鉆井技術的活力，但是也存

59、在不足之處，那就是隨鉆 地質評價儀器離鉆頭太遠，即使采取種種措施也不能使實鉆軌跡完全在油層中，從而降低了 油藏開發效果。在小型油氣聚集層、薄油氣層的開發過程中，隨鉆地質評價儀器離鉆頭太遠會帶來很多 不理想的后果，主要包括以下幾方面：1、確定水平井的EP點不精確水平井EP點以前的施工一般都是用幾何導向的方式來控制井眼的軌跡，LWD雖然能 識別目的層位，但是由于地質評價儀器過于滯后鉆頭，當隨鉆地質評價儀器對真正的目的層 有反應（此時應能進行地質導向）時，鉆頭的實際位置可能已經超過了實際目的層或已經離 目的層很近，這時為了盡快調整軌跡進入目的層，就必須增加軌跡的狗腿度，有時要進行大 規模的調整軌跡才

60、能進入目的層，從而錯過了軌跡進入目的層的最佳時間和位置，降低了軌 跡在油層中的穿行距離。2、不能確保軌跡一直在產層中穿行薄油層上下邊界窄，LWD離鉆頭太遠，對邊界的識別就有一定的滯后時間，當地層發 生變化或軌跡控制不能始終如意時，實鉆軌跡就會進入上、下邊界，這時即使軌跡調整及時， 實鉆軌跡也會或多或少地跑出目的層，從而降低了軌跡在油層中的穿行率。3、不能有效避開油/氣、油/水界面水平井鉆井施工，最佳的效果是控制軌跡在油層中。LWD離鉆頭太遠，對油/氣、油/ 水界面的識別不及時，實鉆軌跡很容易進入氣層或水層，從而影響油井的產量甚至會帶來嚴 重后果。4、不能及時發現、避開斷層水平井施工過程中經常碰