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第三章 定向井主要钻井工具介绍

3.1 泥浆马达介绍
泥浆马达由：驱动头、轴承总成、万向接头、转子、定子和旁通阀组成。其马达部分由定子和转子组成，泵入钻具的钻井液流经马达推动转子转动后再流经钻头，转子的旋转力传递给钻头带动钻头旋转。图3-1，井下马达的主要部件。
图3-1井下马达的主要部件
下面以纳维钻具为例分别介绍泥浆马达的各主要部件：

3.1.1旁通阀
旁通阀是为了使循环液绕过马达，因此，下钻时可让循环液灌入钻柱；起钻或接钻杆时可让管内液体泻出。
当无循环或低泵量循环时，弹簧使活塞处于上部位置，此时，孔道开启，泥浆可流入钻柱或自钻柱流出。活塞的动作取决于排量，相当于推荐最大排量的30%时活塞被下推座于活塞座上，于是孔道被封闭，钻井液径直流经马达如果停泵，弹簧再将活塞顶回到原来上部位置，孔道又被开启。
图3-2 旁通阀示意图

3.1.2 多级马达
目前各类井下马达多为容积式马达，基本由以下两部分组成：
① 具有螺旋形内腔的橡胶硫化定子。
② 螺旋形的钢转子，其表面镀有硬度材料以减少磨损并防止腐蚀。
在定子橡胶和转子抗磨及抗腐蚀金属表面间是连续密封的，所以当泥浆经马达时转子就转动(如图3-3所示)。
图3-3 容积式马达转子和定子剖视图
这种马达最大优点是：
① 钻井扭矩直接和马达产生的压降成正比。
② 转子的转速只取决于排量，不受扭矩的影响，因此，当进行钻井作业时，在钻台上就可以确定并控制转速和扭矩。

3.1.3 万向轴
转子下端和万向轴总成相连,万向轴可把转子的非同心转动转变为驱动接头的同心转动。万向轴总成由两个万向接头组成，每个万向接头均以抗油强力橡胶套密封并充满黄油，橡胶套密封的作用旨在使万向接头不受泥浆污染。

3.1.4 轴承总成和驱动接头
用轴承支撑的驱动接头将马达的转动和扭矩传给钻头。约有2%的泥浆排量通过并润滑轴承，绝大部分钻井泥浆经径向轴承上面的水槽进入驱动轴并经钻头流出。

3.1.5 泥浆马达的类型
目前大多数泥浆马达都是按螺杆原理工作。根据定子和转子的螺旋角和凸瓣数(头数)决定其扭矩和转速。根据转子/定子头数关系的不同，可分为低转速高扭矩马达和高转速低扭矩以及中转速中扭矩马达。如1/2转子和定子关系的马达是高转低矩马达，而7/8头关系的马达是低转速高扭矩马达。一般来说，转度低的马达对钻头磨损小，岩屑颗粒较大；而高度低扭矩马达，对钻头磨损较严重，切削的岩屑细。
由于水平钻进的发展，泥浆马达的结构有了许多改进，以满足水平钻井的要求。如泥浆马达的壳体做成弯角形式，甚至不止一个弯角，这相当于把造斜时马达上方的弯接头下移到马达本身壳体上。根据弯角搭配可分为：单弯、同向双弯、异向双弯角马达，这些马达往往还配扶正器。带扶正器的异向双弯角马达就是所谓的导向马达，它既能转盘稳斜，又能定向造斜。单弯壳体和同向双弯马达的造斜率可满足中曲率半径(8°～20°/30m)水平井的造斜要求。并且其中一些马达的弯角还可调，有的通过遥控进行，有的在钻台进行。
图3-4：水平井马达系统示意图

3.1.6 泥浆马达的操作和故障排除
① 泥浆马达入井前,应在钻台进行试验：检查轴承间隙、检查旁通阀弹簧的复位能力、小排量启动马达，看马达是否工作并记下该排量和泵压。泥浆马达一般配合弯接头造斜或纠方位，因此下井后要缓慢下钻。完成作业后，则要清洗马达，如有可能，应以清洗液(如海水、淡水等)清洗。
② 泥浆马达故障排除

3.2 马达钻进时的主要工具
常规定向井作业时，马达钻进主要用于造斜和纠方位。一套典型的造斜钻具组合的工具包括：钻头+泥浆马达+弯接头+单流阀+定向接头+无磁钻铤等。根据测量方式的不同，仪器部分的结构也有所不同。比如Speny-sun MWD，测量仪器的坐入需要一根无磁长钻铤和一个无磁悬挂短节。如果是SST测斜，由于SST的信号传递是靠电缆，因此还需要一个旁通头或循环头，其作用是通过它把电缆送入钻具直至井底。
下面分别简单介绍上述主要工具的作用：
① 弯接头。它是造斜钻具产生侧向力的原因。弯接头壳体上有高边标志线，所谓高边即弯接头的弯曲方向。
② 单流阀。它不允许泥浆倒流。因为井底砂子较多，岩屑颗粒较大，如果不加单流阀，当停泵测斜时，从井底经钻头涌入的砂子有可能堵死马达或测量仪器。
③ 定向接头。其作用是支撑和固定测量仪器，使仪器测出准确的工具面。
④ 无磁钻铤。无磁钻铤的作用一是避免由于使用钢钻铤而对测量仪器产生的磁影响；二是屏蔽上下钻具及井壁周围的磁场，以保证磁性测量仪器测量结果的准确性。
⑤ 循环头。当测量仪器是SST时，它被装在水龙带与方钻杆连接处，电缆由它进入钻杆。造斜钻进时，用高压油闭封电缆入口，避免泥浆外泄。每打完一工作立柱，接下一立柱时，必须把测量仪器从井底提进工作立柱。接好立柱后，再把测量仪器送到井底。
⑥ 旁通头。其作用也是使用SST仪器时，使电缆通过它进入钻具直至井底。但它比循环头好，因为每次测斜完毕，不必上提仪器，而可以直接接一立柱。旁通头被安装在钻具上。

3.3 转盘钻进时的主要工具
转盘钻进时的主要定向井工具有：扶正器、短钻铤、非磁钻铤以及方位变向器。下面分别简单介绍上述工具。
① 直井和定向井的钻具组合都使用扶正器，但扶正器的形状、尺寸和位置对定向井轨迹控制尤其重要。一般来说，螺旋型翼片的扶正器适合于定向井，特别是近钻头扶正器。
② 短钻铤用于不同的钻具组合(增斜、降斜、稳斜)，使钻具组合获得不同的刚性及井斜和方位变化率，以达到轨迹控制的要求。
③ 方位变向器。故名思义，方位变向器就是用来控制和改变定向井井眼方位大小的工具(钻具)。在转盘钻井工艺中，可用通过改变钻具组合的方法控制井斜角的变化率。但对方位的变化通常是无能为力的。常用的解决方位漂移的方法是：预留提前角和用井下动力钻具进行“扭方位”作业。人们一直在试图找到能用于转盘钻调方位的工具和方法。方位变向器正是这样开发出来的。
目前，有两种方位变向器：一是美制的滑动叶板变向器；二是套筒型方位控制器。二者工作原理类似，但后者更合理，实际效果更好一些。方位变向器的原理是：方位变向器紧换钻头，随钻具一起旋转。每旋转一周，方位变向器使钻头受到一个与地层漂移方向相反的水平侧向力的作用，从而使井眼方位向地层漂移力的反方向漂移，或者通过抵消地层漂移力，使井眼方位不再漂移。由于方位变向器没有得到广泛使用，因此不再详述。
④ 如果使用单点测斜仪跟踪轨迹，还需要承托环。承托环装在钻头上或非磁钻铤下端，用以支撑单点测斜仪。