微弯接头钻具组合、转盘+螺杆复合钻井技术等广泛应用
2009.07.01 08:24:44 中国石油报 中国石油报6月30日消息 6月25日，在新疆准噶尔盆地承钻MB2321井的西部钻探公司50585队正在向3200多米的地层深处全速钻进。该井自6月8日开钻，只用12个小时就顺利完成了表层281毫米小井眼、273毫米小套管钻井作业，比优化井身结构前提前3小时。这是50585队今年承钻的第三口井身结构优化井。
　　今年以来，面对西部各油田大幅减产的经营压力，为了实现降本增效，西部钻探公司转变工作思路，加强新疆油田、吐哈油田等重点井的井身结构优化简化工作，并投身现场科研攻关和新技术推广应用中。
　　主要承担西部钻探井身结构的优化简化工作的克拉玛依钻井公司，在总结去年经验的同时，认真研究优化后的井身设计施工方案，从工艺技术、设备配备、泥浆体系的控制、坐岗记录的检测等方面严格把关，杜绝发生井下事故，保障井身结构优化施工的顺利实施。
　　优化简化井身结构后，井眼尺寸、套管尺寸给钻井施工作业增加了难度和风险。取消复合井眼后，增大了提下钻阻卡的风险，并增加了每口井长、短提的时间。由于套管尺寸变小，使得在实际钻进中易磨损套管，不但制约了钻井提速，还增大了井下复杂风险。
　　在优化设计井上，克拉玛依钻井公司针对井眼缩小，套管磨井口，采取对正井口中心，运用小钻压把井打直减少磨损，推广使用微弯接头钻具组合，转盘+螺杆复合钻井技术，起到预防井斜和井眼曲率变化过大的作用，加强单点测斜，收到良好效果。
　　同时，克拉玛依钻井公司加强了对井身结构优化井的井控防范工作，配备好各类井控装备，并严格对各井队二开前和油审时的井控设备、工具和资料的检查验收，要求井队对井控装置按标准进行***、试压。
　　西部钻探公司在确保井身结构优化井顺利实施的同时，还力争各区块钻井提速达到预定目标。在准噶尔盆地的莫北、吐哈油田三塘湖、青海高原的涩北、青西，以及玉门酒东等区块，这个公司工程技术人员根据不同区块的地层特点，大力推广使用各类钻具组合、钻井工具，控制好各项数据参数，开展堵漏新技术试验，井底增压技术试验等，分别在各区块取得收益。莫北区块在b2040井石炭系地层使用MWD+钻头钻具组合进行钻进，平均机械转速相比邻井同井段机械钻速提高145%；吐哈雁6-54井，使用单只牙轮钻头完成进尺1141米，平均机速达每小时20.26米，创同区域最优指标。 　　　　第３１卷增刊２
２００９年９月
石 油 钻 采 工 艺
ｏＩＬＤＲＩＩ，ＬＩＮＧ＆．ＰＲＯＤＵ【：ＴＩｏＮＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ
Ｖ０１．３１Ｓｕｐ．２
Ｓｅｐ．２００９
文章编号：ｌＯＯＯ一７３９３（２００９）Ｓ２－－００３６—０３
降低螺杆钻具失效的现场技术措施
左运峰周文华檀惊涛闫光
（渤海钻探工程有限公司管具技术服务分公司，河北任丘０６２５５２）
摘要：随着螺杆钻具的广泛使用，螺杆钻具失效时有发生。通过对近几年华北油田螺杆钻具使用情况的跟踪、对失效情
况的统计以及对失效螺杆的解剖分析得出了传动轴折断、旁通阀刺漏、定子脱胶、传动轴卡死、丝扣脱扣等几种常见失效形
式，总结出了利用各种钻井参数的变化来判断螺杆在井下的工作状态，通过进一步推广判断和预防措施促进了螺杆钻具的正
确使用，减少了螺杆钻具失效的发生，螺杆钻具的使用寿命逐年延长。
关键词：钻井；螺杆钻具；事故；预防；失效
中图分类号：ＴＥ９２１ 文献标识码：Ｂ
Ｔｅｃｈｎｉｃａｌｆｉｅｌｄｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｒｅｄｕｃｅｓｃｒｅｗｄｒｉｌｌｆａｉｌｕｒｅ
ＺＵ０Ｙｕｎｆｅｎｇ，ＺＨＯＵＷｅｎｈｕａ，ＴＡＮＪｉｎｇｔａ０，ＹＡＮｇｕａｎｇ
（Ｔｕｂｅ＆ＴｏｏｌＴｅｃｈｎｉｑｕｅＳｅｒｖｉｃｅｓＢｒａｎｃｈ，ＣＮＰＣＢｏｈａｉＤｒｉｌｌｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｒｅｎｑｉｕ０６２５５２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅ
ｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ
ｕｓｅｏｆｓｃｒｅｗｄｒｉｌｌ，ｓｃｒｅｗｄｒｉｌｌｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｅｎｏｃｃｕｒｓｄｕｅｔｏｔｈｅｕｎｅｖｅｎ
ｑｕａｌｉｔｙ
ｏｆｏｐｅｒａｔｏｒｓ．Ｓｅｖ—
ｅｒａｌｃｏｍｍｏｎｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ
ｂｙｔｒａｃｋｉｎｇ
ｔｈｅｓｃｒｅｗｄｒｉｌｌｕｓｅ。ｆａｉｌｕｒｅｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄｆａｉｌｕｒｅｃａｕｓｅａｎａｔｏｍｙｗｈｉｃｈ
ｉｎｃｌｕｄｅｄｄｒｉｖｅｓｈａｆｔｂｒｏｋｅｎ，ｂｙｐａｓｓｖａｌｖｅｌｅａｋａｇｅ，ｓｔａｔｏｒｄｅｇｕｍｍｉｎｇ，ｄｒｉｖｅ
ｓｈａｆｔｆｒｅｅｚｅ—ｉｎ，ｔｈｒｅａｄｔｒｉｐｐｉｎｇ，ａｎｄＳＯｏｎ．Ｍｅｔｈ—
ｏｄｏｆｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｔｈｅｓｃｒｅｗｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｂｙ
ｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｒｅｌａｔｅｄ
ｐｒｅｃａｕｔｉｏｎｓｗｅｒｅｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｔｏｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｏｐｅｒａｔｏｒｓ．Ｔｈｅｓｅｍｅａｓｕｒｅｓ
ｐｒｏｍｏｔｅｄ
ｔｈｅ
ｐｒｏｐｅｒ
ｕｓｅｏｆｓｃｒｅｗｄｒｉｌｌ，ｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅ
ｉｎｃｉｄｅｎｃｅｏｆｆａｉｌｕｒｅａｎｄｔｈｅｒｅｂｙｅｘｔｅｎｄｅｄｔｈｅｌｉｆｅｔｉｍｅｏｆｔｈｅｔＯＯｌｙｅａｒｂｙｙｅａｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｅｌｌｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｓｃｒｅｗｄｒｉｌｌ；ａｃｃｉｄｅｎｔ；ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ；ｆａｉｌｕｒｅ
近几年来，华北油田大规模推广复合钻进技术，
螺杆钻具的使用频率和数量大幅度增加。在使用过
程中螺杆钻具的失效原因也发生了显著变化，在推
广使用的初期失效主要是由于生产厂家在设计和制
造方面的缺陷，随着厂家制造加工水平的提高以及
根据现场反馈信息对产品的不断改进，产品质量有
了很大提高，而人为操作因素逐渐成为螺杆钻具失
效的主要原因。
实际上，多数失效在早期均有一定征兆，如这些
情况得不到准确地判断，又不及时采取果断的处理
措施，将会引起井下更为复杂的情况，严重者将会造
成螺杆钻具折断落井、卡钻等事故的发生。现场使
用中，在同等条件下，有的井队每根螺杆都达到或超
过了设计的使用寿命，而有的井队螺杆使用不仅未
达到设计的使用寿命，而且导致提前失效。因此，通
过推广现场技术措施来准确判断螺杆钻具在井下的
工况，确保其正确规范的使用，从而降低失效、延长
使用寿命是可行的。
１ 常见失效类型与原因分析
Ｃｏｍｍｏｎｆａｉｌｕｒｅ
ｔｙｐｅｓ
ａｎｄｃａｕｓｅｓ
ａｎａｌｙｓｉｓ
螺杆钻具主要失效形式有传动轴折断、定子脱
胶、旁通阀刺漏、传动轴卡死、丝扣脱扣等情况。如
这些情况得不到准确的判断，又不及时采取果断的
处理措施，将会引起井下更为复杂的情况，严重者将
会造成螺杆钻具折断落井或卡钻事故的发生。
作者简介：左运峰，１９６７年生。１９９０年毕业于大庆石油学院钻井专业，现从事石油钻井技术管理与研究，***：０３１７—２７２１７７３。
万方数据
左运峰等：降低螺杆钻具失效的现场技术措施
１．１传动轴折断
Ｄｒｉｖｅｓｈａｆｔｂｒｏｋｅｎ
传动轴位于螺杆钻具的下部，下接钻头，上接水
帽和万向轴，主要的作用是传递扭矩，将马达产生的
扭矩和转盘施加的扭矩传递给钻头，同时承受钻压
所产生的轴向和径向负荷，是螺杆钻具最易发生失
效的部件。失效主要原因：在复合钻进情况下，螺杆
钻具的旋转摆动加剧，瞬间载荷急剧变化；在非均质
地层，螺杆钻具承受的轴向和径向冲击载荷忽大忽
小；钻压过大、转盘转速过高，超过传动轴总称的安
全载荷；钻井液排量过大，加剧了对传动轴水眼的冲
蚀，造成其承载能力下降；间歇式送钻、溜钻、顿钻，
使钻具频繁滞动，造成传动轴在薄弱处折断。
１．２旁通阀刺漏
Ｂｙｐａｓｓ
ｖａｌｖｅ
ｌｅａｋａｇｅ
在钻进过程中有时发生泵压下降，钻速变慢，排
除地面因素之外，应是旁通阀未关闭或旁通阀刺坏。
失效主要原因：钻井液含砂量过高或在处理钻井液
过程中混入塑料袋等杂质，造成阀芯、阀座之间卡死
而不能关闭。
１．３传动轴卡死
Ｄｒｉｖｅｓｈａｆｔｆｒｅｅｚｅ－ｉｎ
钻进中传动轴卡死的主要原因是传动轴总成上
部被沙子堵塞，钻井液不能进入轴承起到润滑和冷
却作用，造成传动轴烧死。这种情况往往出现泵压
升高，上提钻具，泵压仍很高，钻速减慢或无进尺，停
止转盘出现倒转现象。这主要是由于钻井液性能不
合要求，含砂量高，钻进速度快，岩屑没能及时返出，
接单根慢或停泵时间长造成，并且多发生在二开第
一趟钻。
下钻时传动轴卡死的主要原因［１］，螺杆钻具下
放速度过快，环空流体迫使马达反转，沉砂随钻井液
“倒灌”进入螺杆钻具内腔。
１．４定子脱胶
Ｓｔａｔｏｒｄｅｇｕｍｍｉｎｇ
定子脱胶的主要表现为钻进中泵压上升，甚至
泵压极高造成憋泵。原因是钻井液中高硬度颗粒加
大了定子与转子间过盈配合的旋转阻力；井温的升
高使定子橡胶产生催化；钻井液中混入气体后造成
气蚀；溜钻、顿钻，对钻具产生的破坏。
１．５螺纹脱扣
Ｔｈｒｅａｄｔｒｉｐｐｉｎｇ
螺杆钻具丝扣脱扣的原因：高压钻井液对转子
施加正向扭矩的同时，转子对定子壳体施加等值的
反扭矩，在钻具频繁滞动及复合钻进的情况下，易造
成松扣，尤其是在传动轴串轴承憋卡或完全卡死情
况下，脱扣危险性加剧；当机械钻速快、井下不清洁，
再遇到井斜较大时，停转盘接单根前整个钻具积蓄
很大的反扭矩，突然释放倒转也易造成螺纹脱扣。
２预防措施
Ｐｒｅｃａｕｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓ
２．１传动轴折断
Ｄｒｉｖｅｓｈａｆｔｂｒｏｋｅｎ
传动轴折断的主要表现是钻进中突然无进尺或
钻时突然加长。预防此类事故发生的主要措施：合
理控制钻压，相同规格的螺杆钻具在与牙轮钻头和
ＰＤＣ钻头配合使用时的钻压是不同的，一般使用
ＰＤＣ钻头的钻压较小，但无论使用什么样的钻头都
要做到均匀送钻，防止溜钻现象的发生，避免钻压突
然增大导致扭矩也突然增大而造成传动轴折断，尤
其在钻速极快突遇夹层时容易发生；起下钻时要控
制下放速度，防止突然遇卡，损坏传动轴；复合钻进
时，转盘的转速要遵守使用说明书的要求；最后，不
得长时间悬空空转循环，不得压死循环。
２．２旁通阀刺漏
Ｂｙｐａｓｓ
ｖａｌｖｅ
ｌｅａｋａｇｅ
预防此类事故发生的主要措施：钻井队在使用
螺杆钻具时应改善钻井液性能，尽量减小含砂量，防
止旁通阀阀芯阀座之间卡死而不能关闭；螺杆钻具
下钻前应做地面试验，做好记录，技术人员准确计算
出螺杆钻具下钻到底时的循环泵压，为操作者提供
依据，以便准确判断出旁通阀是否关闭，若开泵后，
泵压偏低，是因为旁通阀未关闭，应停泵重新开泵，
反复数次即可使旁通阀关闭；钻进时加强对钻时和
岩性的观察，判断钻进是否正常，若岩性无变化而钻
时突然延长，不是传动轴折断就是旁通阀刺漏。
２．３传动轴卡死
Ｄｒｉｖｅｓｈａｆｔｆｒｅｅｚｅ—ｉｎ
主要控制措施是钻井队调整好钻井液性能，严
格控制含砂量和下放速度，钻进时减少停泵时间，满
足携岩要求等，以此杜绝此类事故的发生。
２．４定子脱胶
Ｓｔａｔｏｒ
ｄｅｇｕｍｍｉｎｇ
主要预防措施：督促厂家高度重视，使用好的橡
胶与黏接剂，改进挂胶工艺、提高挂胶质量，加强质
万方数据
３８ 石油钻采工艺 ２００９年９月（第３１卷）增刊２
量检验，从而提高产品的质量；调整好钻井液性能，
严格控制含砂量，减轻对定子橡胶的磨损；使用规定
的排量和钻压等参数钻进，减轻对马达的损坏；使用
好搅拌器等除气设备，使泥浆泵上水良好，严禁钻井
液中含有气体，因为气蚀作用能加速对定子橡胶的
损坏；钻具入井前进行通井，防止水眼内有异物；最
后，根据所钻井的井底温度选择合适的常温或高温
螺杆钻具。
２．５螺纹脱扣
Ｔｈｒｅａｄｔｒｉｐｉｎｇ
主要预防措施：调整好钻井液性能，严格控制含
砂量，钻进时减少停泵时间，满足携岩要求；起下钻
时要控制下放速度，防止倒抽沉砂堵死螺杆钻具；复
合钻进时，转盘的转速要遵守使用说明书的要求；钻
进中不得以反转方式调整工具面，防止螺杆钻具壳
体倒扣；不得长时间悬空空转循环，不得压死循环。
２．６加强螺杆钻具的全过程管理
Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ
ｔｈｅｗｈｏｌｅ
ｐｒｏｃｅｓｓ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
ｓｃｒｅｗｄｒｉｌｌ
（１）成立螺杆钻具失效分析网络，吸收钻井队队
长、技术员、工程技术人员、螺杆钻具管理与维修人
员，搜集螺杆使用资料，分析螺杆组件的结构和性
能，定期召开失效分析会，找出失效原因和规避措
（２）加强对井队操作人员在螺杆钻具知识方面
的培训，使其掌握螺杆钻具的规格型号、结构型式、
技术参数、如何正确使用、在井下的工作状态以及故
障的判断与应对措施等，避免失效等恶性事故的发
（３）综合考虑井眼轨迹、使用地层及钻具结构等
因素，有选择地采用复合钻进方式，大角度弯钻具及
修复旧钻具一般不适宜复合钻进，尽量使用有合理
可靠的防掉机构的螺杆钻具。
应用效果
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ｅｆｆｅｃｔ
几年来，通过对各种失效原因的分析，在现场使
用方面制定一系列技术措施推广应用于钻井施工现
场，螺杆钻具使用效果大为改善：一方面螺杆钻具失
效逐年下降，从２００５年的２９起下降到２００８年的９
起，失效次数下降了６９％；另一方面螺杆钻具平均
使用寿命大大延长，新螺杆平均使用寿命从２００５年
的１１０ｈ提高到２００８年的１４１ｈ，使用寿命提高了
２８．２％，大修后的螺杆平均使用寿命从２００５年的
７３ｈ提高到２００８年的１００ｈ，使用寿命提高了
３７％。
４ 结论
Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ
（１）螺杆钻具在下井前，调整好钻井液性能，严
格控制含砂量，下钻时应控制下放速度，防止砂堵而
造成传动轴总成卡死，旁通阀刺漏以及马达损坏。
（２）钻进时送钻均匀，防止溜钻发生（尤其在软
地层钻速较快，突遇夹层时），这极易造成扭矩过大、
马达制动而损坏螺杆钻具；接单根要快，尽量避免因
停泵、停钻时间过长，而造成环空岩屑倒流进入螺杆
内部，从而造成传动轴总成卡死；应避免因长时间的
循环而加速推力轴承的提前损坏。
（３）螺杆钻具在使用中出现下列情形之一，应立
即起钻，否则将使问题复杂化，造成失效落井等事
故：无进尺或钻速突然变慢（螺杆钻具内部传动轴或
万向轴折断；旁通阀刺漏）；泵压下降（旁通阀刺漏；
螺杆钻具脱扣或折断）；泵压升高（螺杆钻具胶扣或
折断；传动总成卡死；螺杆钻具定子掉胶；钻头水眼
堵死）。
参考文献：
Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ：
［１］王荣教，李日光，何刚，等．螺杆钻具马达砂卡原因分
析及预防措施ＥＪ３．石油矿场机械，２００３，３２（２）：４６—
４７．
ＷＡＮＧＲｏｎｇｊｉａｏ，ＬＩＲｉｇｕａｎｇ，ＨＥＧａｎｇ，ｅｔａ１．Ｆａｉｌｕｒｅ
ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｒｅｃａｕｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓｏｆｓａｎｄｊａｍｍｉｎｇ
ｆｏｒ
ｓｃｒｅｗｄｒｉｌｌｍｏｔｏｒｓＥＪ］．ＯｉｌＦｉｅｌｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，２００３，３２
（２）：４６—４７．
（收稿日期２００９一０７～１７）
［编辑薛改珍】
万方数据
作者： 左运峰， 周文华， 檀惊涛， 闫光， ZUO Yunfeng， ZHOU Wenhua， TAN Jingtao， YAN
作者单位： 渤海钻探工程有限公司管具技术服务分公司,河北任丘,062552
刊名：
石油钻采工艺
英文刊名： OIL DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY
年，卷(期)： 2009，31(z2)
引用次数： 0次
1.王荣教.李日光.何刚 螺杆钻具马达砂卡原因分析及预防措施 2003(2)
1.会议论文 王春阳.吴爱民 国内外螺杆钻具的发展趋势 2003
简述了国内外螺杆钻具的发展历程,指出了螺杆钻具的发展趋势,在螺杆钻具自身结构改进和性能提高方面主要是向长寿命、低速大扭矩、安全性和
水力优化方面发展;在满足钻井工艺提高方面,螺杆钻具作为钻井工具必须与钻井工艺的发展相配合.目前螺杆钻具有向多元化、专业化方向发展的趋势
,出现了用于开环、闭环钻井系统的螺杆钻具、带近钻头测量仪的螺杆钻具以及特殊井用螺杆钻具.最后对我国螺杆钻具的发展提出了建议。
2.期刊论文 韩传军.QIU Ya-ling.刘清友.WANG Guo-rong.HAN Chuan-jun.QIU Ya-ling.LIU Qing-you.WANG Guo-
rong 螺杆钻具等壁厚衬套性能分析 -西南石油大学学报(自然科学版)2008,30(4)
螺杆钻具以其独特的优势在定向钻井生产中得到青睐,但仍不能广泛应用于深井、高密度泥浆井以及小曲率半径的水平井.目前.常规螺杆钻具衬套的
内表面是螺旋曲面,橡胶衬套厚薄不均,衬套抗变形能力低,单级承压小,泄漏沿程长,机械特性软,热膨胀不均、磨损速度快,故导致效率持续降低.因此.长
度短、大功率、高压降、低转速螺杆钻具的开发与应用,已成为提高钻井效率、节约钻井成本的重要环节.为此,进行了螺杆钻具橡胶衬套力学性能实验
,建立了螺杆钻具等壁厚衬套和常规衬套的力学计算模型.结果表明,在相同压力下,等壁厚衬套比常规衬套有更好的抗形变能力;在相同的过盈量下,等壁
厚衬套有更好的密封能力.在同等扭矩下,等壁厚定子螺杆钻具的定子长度可以得到缩短.
3.期刊论文 韩传军.邱亚玲.刘清友.王国荣.HAN Chuanjun.QIU Yaling.LIU Qingyou.WANG Guorong 螺杆钻具等壁
厚衬套的设计及仿真分析 -钻采工艺2007,30(6)
螺杆钻具以其独特的优势在定向钻井生产中得到青睐,但仍不能广泛应用于深井、高密度钻井液井以及小曲率半径的水平井.常规衬套的内表面是螺
旋曲面,橡胶衬套厚薄不均,衬套抗变形能力低,单级承压小,泄漏沿程长,机械特性软,热膨胀不均、磨损速度快,故导致效率持续降低.因此,长度短、大功
率、高压降、低转速螺杆钻具的开发与应用,已成为提高钻井效率、节约钻井成本的重要环节.为此,设计了一种等壁厚螺杆钻具衬套,进行了螺杆钻具橡
胶衬套力学性能实验,建立了螺杆钻具等壁厚衬套和常规衬套的力学计算模型.结果表明,在相同压力下,等壁厚衬套比常规衬套有更好的抗形变能力;在相
同的过盈量下,等壁厚衬套有更好的密封能力.在同等扭矩下,等壁厚定子螺杆钻具的定子长度可以得到缩短.
4.期刊论文 朱虎军.祝效华.司念亭.左凯.童华.ZHU Hu-jun.ZHU Xiao-hua.SI Nian-ting.ZUO Kai.TONG Hua 直井
复合钻螺杆钻具失效分析 -石油矿场机械2008,37(9)
直井复合钻防斜快钻技术是一种高效的钻井技术,具有投入成本低、钻井效果好等优点,是近年来机械钻速快速发展的关键技术之一.但是受螺杆钻具
发展和施工工艺控制水平的限制,螺杆钻具井下失效事故时有发生,其中传动轴下部断裂是发生几率最低但后果最为严重的一种失效形式.针对一例传动轴
下部断裂事故,详细分析了施工参数、井身质量和所用螺杆钻具结构,指出钻压和扭矩大幅波动及侧向交变栽荷是导致螺杆钻具失效的根本原因;提出在恶
劣工况下,传动轴壳体带稳定器时传动轴必须配备下防掉装置,同时严格控制作业时间,预防恶性落井事故发生.
5.期刊论文 王希勇.朱礼平.胡大梁.任治胜.张毅.WANG Xi-yong.ZHU Li-ping.HU Da-liang.REN Zhi-sheng.
ZHANG Yi 复合钻井技术在川东北地区的应用 -天然气工业2008,28(11)
复合钻井作为海相地层提高钻井速度的有效手段之一,已在川东北地区逐步推广应用,但从前期应用来看,在各区块应用的总体效果参差不齐,尤其是
在提速的同时,井身质量不能得到有效保障.针对以上难题,为保证井身质量,提出了一套从井眼尺寸相匹配的螺杆选型、典型的复合钻井钻具组合优化,以
及复合钻井的技术方案.试验表明:所提出的复合钻井技术方案在提高机械钻速的同时,能有效地控制井身轨迹,具有较高的实用价值和推广应用价值.建议
在钻井工程设计中推广应用复合钻井技术,将PDC钻头、螺杆钻具和MWD的费用列入钻井成本.在上部陆相地层(侏罗系上沙溪庙组-三叠系须家河组底)开展
与之相适应的PDC钻头或高性能的三牙轮钻头进行复合钻井试验,探索出具体的经济适用井段,进一步挖掘复合钻井技术在川东北地区的钻井潜力.
6.学位论文 郭勇 新疆准噶尔盆地西北缘百54井区提高钻井速度的技术研究 2006
新疆准噶尔盆地西北缘百54井区因为地层倾角大、地层坚硬，导致该区钻井作业中控制井斜困难、井身质量差、容易断钻具，从而造成该区块长期
以来钻井速度极慢。本文针对该区块存在的问题，从防斜打快和担高钻具使用寿命入手，对单弯螺杆钻具防斜打快技术、钻铤螺纹失效机理及改进技术
、预防钻柱失效的技术措施进行了深入研究，基本形成了一套提高百54井区机械钻速的钻井工艺技术和预防下部钻具失效的技术措施。通过现场应用
，极大提高了该区块的整体钻井速度，不但节约了钻井成本，而且加快了该区块油田的开发。
7.期刊论文 孙健.李黔.王治平.袁小波.朱宗莉.SUN Jian.LI Qian.WANG Zhi-ping.YUAN Xiao-bo.ZHU Zong-li 中
短半径水平井造斜率与螺杆钻具应力研究 -天然气工业2007,27(6)
应用非线性有限元法,建立了中短半径水平井螺杆钻具力学模型.分析了不同井眼曲率和不同弯角下φ120 mm大角度单弯螺杆钻具组合应力分布情况
,最大等效应力随着曲率的增加先减小后增大,随着弯角的增大而增大;采用平衡曲率法,对大角度单弯螺杆造斜率进行了计算.确定了螺杆钻具组合极限应
力与造斜率的关系,等效应力线与分界线交点的左侧随井眼曲率增加而减小、等效应力线与分界线交点的右侧随井眼曲率增加而增加.该项研究为中短半
径水平井大角度单弯螺杆钻具的安全使用、轨迹控制设及螺杆钻具的改进提供了依据.
8.期刊论文 王学杰.李根生.康延军.史怀忠.黄中伟.谢又新.WANG Xuejie.LI Ge heng.KANG Yanjun.SHI
Huaizhong.HUANG Zhongwei.XIE Youxin 利用水力脉冲空化射流复合钻井技术提高钻速 -石油学报2009,30(1)
水力脉冲空化射流复合钻井技术是指在复合钻井过程中将水力脉冲空化射流发生器***于钻头与螺杆钻具之间的一种新组合钻井方式,可以综合利用
机械能量及水力能量来提高钻速.水力脉冲空化射流复合钻井的提速机理是:将常规复合钻井的高转速破岩与水力脉冲空化射流的有效清岩相结合,从而提
高钻速.分析了在新疆英买、轮南区块4口井水力脉冲空化射流复合钻井的现场试验,结果表明水力脉冲空化射流复合钻井比常规复合钻井钻速平均提高
12.67%,比常规钻具结构钻井钻速提高26.2%～55.36%,该技术具有较大的推广应用价值.
9.期刊论文 晏凌.胡卫东.陈怀高.刘德平.陈云坤.YAN Ling.HU Wei-dong.CHEN Huai-gao.LIU De-ping.CHEN Yun-
kun LG地区X井快速钻井配套工艺技术 -天然气工业2009,29(10)
LG地区X井是中国石油天然气集团公司布置在该构造上的一口风险探井,存在井深、岩石可钻性差,参考资料较少,钻遇异常高压可能性大,井底温度高
,纵向上地层压力系统多,硫化氢含量普遍较高等钻井工程风险.针对深井安全钻井的难点,开展了气体钻井、螺杆带PDC钻头、防斜钻井等综合配套技术试
验研究,并提出如下建议:①在井下出现油、气、水显示,已危及钻井安全,或供气量不够、井底沉砂超过20 m,接单根困难以及有阻卡现象,应及时转换为
钻井液钻井;②采用空气锤不仅能够保证良好的井身质量,而且能保持较高的机械钻速,应继续在(φ)311.2 mm井段中推广应用钟摆、满眼钻具防斜技术
;③加强总结,不断完善LG构造上的深井、超深井安全快速钻井配套技术.
10.期刊论文 马立.付建红.王希勇.罗飞.涂茂川.MA Li.FU Jian-hong.WANG Xi-yong.LUO Fei.TU Mao-chuan 复合
钻井防斜打快机理探讨 -石油矿场机械2008,37(8)
油气井的防斜打快问题是钻井工程中一直未能很好解决的经典性难题之一.分析了钻井参数与钻速的关系,揭示了复合钻井通过提高钻头转速,从而增
加钻头破岩能量来提高机械钻速的机理;在分析井斜原因和钟摆钻具防斜打直原理的基础上,分析了直螺杆钻具和弯外壳螺杆钻具组合的防斜机理以及两
者的联系与区别,指出在地层倾角较小时采用直螺杆钻具组合,地层倾角较大时采用弯外壳螺杆钻具组合,以达到防斜打快的目的.在LS001井的应用实例表
明,复合钻井有较好防斜作用,机械钻速与常规转盘钻井相比有较大幅度的提高.
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_syzcgy2009z2010.a x
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新用户？空气螺杆钻具研制、特性分析及现场实验与应用
作为新型的钻井技术，以空气钻井为代表的气体钻井和欠平衡钻井在国外油气
勘探与开发中获得广泛应用，在国内也正呈快速发展趋势。空气螺杆钻具是应用这
类新型钻井技术钻定向井及其他特殊工艺井所必需的工具。
一、概述
近些年来，气体钻井和欠平衡钻井在国外获得了比较普遍的应用，取得了显著的技
术效益和重大经济效益。例如，在满足相应的前提下，气体钻井如空气钻井、天然气钻
井、氮气钻井、尾气钻井等，可成倍提高机械钻速，明显缩短钻井周期，降低钻井成本；
欠平衡钻井，则可对储层进行有效保护，有利于提高钻遇率和开发率。为推广和扩大空
气钻井的应用规模，美国能源部曾规定 2004 年的空气钻井口数不低于本土总钻井口数
的30%。
近些年来，我国也开始关注、尝试应用空气钻井技术，在一定规模上采用欠平衡钻
井技术，取得了可喜的进展。随着对这些技术在直井上应用经验的逐步积累和日渐成熟，
在定向井及其他特殊工艺井上应用这些技术，已成为必然的发展趋势，这将在很大程度
上扩展气体钻井与欠平衡钻井的应用领域。
空气螺杆钻具(或称气体螺杆钻具)是用气体钻井或欠平衡钻井技术钻定向井及各类
特殊工艺井的必需工具。但在2001 年底以前，此类新型螺杆钻具产品在国内仍为空白。
中国石油集团长城钻井公司在伊朗承担的空气钻井项目，急需244(9-5/8)的空气螺杆钻
具，经与外商询价，每台价格在13 万美元以上，无法承受，大批量的购买更无从谈起。
为了解决生产急需和节约外汇，集团公司科技发展部考虑利用国内技术力量解决伊朗项
目的现场急需，并为国内欠平衡钻井与空气钻井提供工具，决定成立“伊朗欠平衡钻井
空气螺杆钻具研制”课题组，由中国石油勘探开发研究院钻井所和北京石油机械厂承担，
并任命苏义脑为课题组长，组织攻关。
在2001 年5 月2002 年11 月这一年半时间中，课题组克服了重重难关，终于完成
了K7LZ120 和K7LZ244 两种系列的空气螺杆钻具样机的设计、制造、室内实验台架设
计和空气钻井的有关理论研究工作，并于2002 年7 月进行了K7LZ120 样机的地面实钻
实验和 2002 年 8 月在长庆苏 35－18 井的下井实验，均取得成功。在此基础上，两台
K7LZ244 样机于2002 年12 月运往伊朗，在2003 年10 月下井应用获得成功。2004 年7
月在四川白浅－111H 井上运用K7LZ120 钻具钻天然气水平井，取得了显著的技术效益。
本文针对空气钻井的特殊性(特别是空气介质的可压缩性)，介绍空气螺杆钻具设计
和研制中的几个关键问题，分析空气螺杆钻具的工作特性，并介绍K7LZ120 和K7LZ244
两种钻具在现场实验和生产应用中的有关情况。
二、空气螺杆钻具设计的关键问题
常规的螺杆钻具是以钻井液(俗称泥浆)作为传递动力的介质，由于液体的不可压缩
性和容积式机械的特性，螺杆钻具具有很好的过载性能和硬机械特性。而空气螺杆钻具，
由于以压缩空气作为动力源和工作介质，与常规液体驱动的螺杆钻具相比，其结构特征
和工作特性有显著不同。下面简介有关空气螺杆钻具设计的几个关键技术问题。
1、必须设计多头多级的马达
液驱螺杆钻具的过载性能和硬机械特性表现在：1)
输出扭矩与马达进出口间的压
差成正比；2)转速与通过的流量有关而与钻压无关。在钻进过程中，当钻压增大时马达
进出口间的钻井液压差相
应变大，导致扭矩增加；
而流进钻具的泥浆排量近
似固定，输出转速不变；
因此，增加钻压有助于增
大井底切削力矩，提高机
械钻速。
对于空气螺杆钻具，
钻压的增加同样会使马达进出口间的压差增大，但由于空气的可压缩性，马达入口处压
力升高，使通过马达的空气流量减小，因而输出的转速降低，过大的钻压甚至会导致马
达制动。因此，空气螺杆钻具必须设计成多头多级马达(如图 1 所示)，能够输出足够的
工作扭矩，钻进时施加较大钻压，马达不会严重失速或制动。
2、必须考虑并解决马达“飞车”问题
由于空气的可压缩性，钻进时因切削力矩造成的压差使马达进口处空气压力增大，
气马达转子
液马达转子
气马达与液马达转子的比较
体积变小，马达转速低；当提离井底，压差显著变小，从而马达进口处空气压力减小，
体积变大，马达转速上升。这种突增的马达转速称为“飞车”。飞车会使空气螺杆钻具
内部的万向轴、传动轴轴承及马达定子转子副间的运动频率相应增大，磨损加剧，寿命
变短，从而影响钻井总效率。
因此，一般在用空气螺杆钻具钻井时都从工艺上对这一缺点加以限制，例如规定在
起下钻过程中不循环空气；马达不得提离井底起动，而是先接触井底加压后再起动，等
等。但是这些规定并不科学，它与钻井工艺是有矛盾的。因为起下钻过程中的循环有一
定必要性，划眼下入、清洁井底是需要的，不循环容易造成卡钻；另外加压起动造成操
作难度，很容易使马达在重载下突然起动而损坏内部结构。所以，为克服空气螺杆的飞
车问题，人们一般采用了一种地面控制措施：在井口增加一个空气流量调节阀，在起下
钻循环时，选取1/2 的工作流量。这一控制措施在一定程度上解决了飞车问题，但弊病
有四：1)
增加了地面装备；2)
造成了很大的功率损失；3)
控制效果不好，因为空气驱
动的软特性使马达特性随井深发生变化，合理的流量调节量是变量，1/2 流量并不是唯
一不变的最佳值；4)
增加了操作难度，因为提离井底是经常要发生的操作，规定提钻
前先去操作地面流量阀，这样既麻烦而又易失误。
课题组已研究出了一种解决空气螺杆钻具飞车问题的方法及装置，并申报了国家发
明专利。其工作原理为：在空气螺杆钻具的转子上端装入一个气动限速阀，转子中心钻
有通孔，限速阀下端和钻子中孔相连。当实际钻进时，限速阀处于闭合状态，转子中孔
入口处的气流通道关闭，压缩空气全部从马达工作副流过，产生工作转速。当提钻空转
时，限速阀处于开启状态，马达入口处的部分压缩空气从转子中孔分流，于是流经马达
工作副的气量减小，转速受到控制。这样当空转状态，气压降低、体积膨胀时，由于限
速阀的自动控制造成旁路分流，抑制了马达转速的上升。该装置使空气螺杆钻具自身具
有自动控制、调节转速，从而保证钻速稳定的内在特性。
采用油润滑密封传动轴
常规螺杆钻具工作时，钻井液流经万向轴及其壳体间的空腔，主流从导水帽进入传
动轴的中间流道，同时另有一小部分钻井液流经轴承组进行润滑和冷却，然后从传动轴
壳体下部排向环空。空气螺杆钻具中的传动轴虽然功能未变，但是却失去了泥浆对轴承
的润滑和冷却作用。由于螺杆钻具在恶劣的井底环境中工作时，轴承组负荷重，承受幅
度很大的交变载荷，是螺杆钻具易损害的部位，必须给予很好的润滑。于是，设计油润
滑密封传动轴成为首选，将全部轴承密封起来，使轴承组在油润滑的条件下工作，同时
防止岩屑粉尘进入轴承加剧其磨损，使承载能力和使用时间进一步提高。北京石油机械
厂已经有成熟的具有独立知识产权的油润滑密封传动轴技术，油润滑密封传动轴是空气
螺杆钻具研制的关键技术之一。
4、选择气密封性能好的马达线型
转子和定子曲面形成的多个共轭封闭腔之间的密封性是形成容积式马达的基本条
件之一。按传统泥浆马达设计的定/转子经水密封实验合格后，在带压空气情况下发现马
达气密封性极不理想。在众多线型中由于短幅类线型在保证同样密封压力时要求较大的
过盈，因此不宜用做空气马达，而宜选用具有较小定子齿顶曲率半径的线型。课题组通
过在北京石油机械厂引进的世界上最为先进的马达设计软件——奥地利 WEINCAD 上
进行模拟修正，找到了水密封和气密封兼备的线型，气马达线型如图2 所示，图3 为马
达设计软件的界面。
三、空气螺杆马达转速特性分析
空气螺杆钻具软机械特性的根源在于空气的可
压缩性，表现出的现象为转速的不稳定。影响马达转
速的因素不仅与钻压、切削力有关，而且与空压机的
排气量、井深以及井底温度等因素有关。以下仅分析
压力降、空压机排气量、井深等因素对空气螺杆马达
转速的影响。
1、马达压降与转速间的关系
图4 为在固定井深和固定空压机排量的工况下，
液马达定子线型
气马达定子线型
修正后的气马达线型
马达设计软件界面
马达钻速与马达压降的关系
当马达压降变化时所对应的马达转速，由图中数据可看到其间的关系为：
马达转速始终随马达压降增大而降低；
在相同马达压降条件下，钻头处气体流动为声速流时的马达转速比同样工况下
为亚声速流时的马达转速要低得多，而且在相同马达压降变化范围内，声速流时的马达
转速变化幅度比亚声速流时要小得多。
根据以上关系可得出一结论：若在钻头上加装喷嘴使气体处于声速流动状态，即使
在钻进时因切削力矩变化造成较大马达压降波动，也不会导致马达的转速变化幅度太
大，使马达的转速相对稳定，甚至可以达到有效控制马达“飞车”的目的。
2、空压机排气量与马达转速的关系(声速流
状态)
当空压机排气量增加后，气体的质量流量相
应增加，马达的转速会增加；同时，马达内平均
压力也相应增加，马达的转速将减小，这两者对
马达转速的影响恰好相反，马达转速是升高、还
是降低？要进行具体计算后才能确定。
图5 为一计算结果，由图看到在钻头处气体
流动为声速流时，随着空压机排气量的增加，马
达转速相应地增加。
3、井深与马达转速的关系
很显然，随井深增加井底压力和井底温度都
会随之增加。在空压机排量恒定的工况下，马达
转速与井底压力、温度有关，即转速是井底压力
和井底温度的函数n=f (P
)。钻头气眼上方压
力与钻头气眼处气体流动状态有关。因此，分钻
头气眼处气体处于亚声速流态和声速流态两种
情形分析。
钻头气眼处气体为亚声速流状态
图6(a)为马达转速与井深的关系曲线，由图
看出随着井深的增加，马达转速基本保持不变。
马达转速与空压机排气量的关系(声速流)
马达转速与井深的关系
该结果考虑了平均温度和井底压力共同作用的影响，为了便于分析亚音速流时马达内平
均温度和平均压力两个参数单独对马达转速的影响，下面讨论只受一个参数影响时马达
转速的变化规律。
计算结果如图6(b)所示，假定温度恒定，随着井深的增加，逐渐增高的马达内平均
压力使马达转速下降；而当压力不变时，逐渐升高的马达内平均温度则使马达转速升高。
因此，马达内的平均温度和井底压力对转速的影响是相反的。
众所周知液动马达具有恒转速的特性，而在空气钻井中空气马达表现出了转速随压
力、温度变化的特征。但由于在空气钻井中温度、压力对马达转速的贡献恰好相反，因
此马达转速究竟随井深如何变化要根据具体的井身结构、循环气量、温度梯度计算后才
能知道。而本算例马达转速恰好近似于恒定转速，但这与液动马达的恒转速特性是有本
质区别的。
钻头气眼处气体为声速流状态
同亚声速流时马达转速分析一样，温度、压力对马达转速的影响恰好相反，因此马
达转速究竟随井深如何变化要根据具体的参数计算后才能确定。
四、空气螺杆钻具现场实验和生产应用情况介绍
1．K7LZ120×7.0 空气螺杆钻具实验样机液相台架实验
经优选线型的 K7LZ120×7.0 空气螺杆钻具实验样机进行液相台架实验，取得了很
好的性能特性曲线，经与理论分析对比，结果非常满意。图 8 为实验现场(左)及马达的
性能曲线(右)，在性能曲线中的离散点为实验点，图中的连续曲线为实验点的拟合曲线。
经过液相台架实验，得到了以下结论：
马达启动压力低(仅为0.8~0.9MPa)，说明马达配合及密封良好；
扭矩随压力变化线性度很好；
马达高效区带宽长；
密封传动轴在低压液态时也有很好的密封效果；
液相性能与国外同类产品相比略优。
2．K7LZ120×7.0 空气螺杆钻具地面实钻实验
2002 年7 月26 日，在北京中煤大地技术开发公司，利用SCHRAMM ROTADRILL
型车载顶驱空压钻机进行了K7LZ120×7.0 空气螺杆钻具地面实钻实验，
图9 为实钻现场(左)及钻头和
岩芯钻孔(右)。实验条件为空气压力
1.8MPa、排量35m
/min。实验结果表
实验样机完全符合设计要求；
通空气后螺杆钻具马上正常
旋转，启动容易，操纵控制方便；
钻进速度较快，虽然使用的是
旧钻头，在实验砂岩芯上5 分钟进尺0.5
密封传动轴在低压时对气态工作介质也有很好的密封效果。
3、K7LZ120×7.0 空气螺杆钻具现场实验
2002 年8 月24~25 日，K7LZ120×7.0 空气螺杆钻具在长庆油田50628 钻井队承钻
的苏里格苏35-18 井上进行了现场实验。井深3235~3361m，气源为天然气，压力4MPa，
空气排量 40m
/min，钻井层为水泥塞、钢质扶圈、盖层，螺杆钻具共运转(含气举空运
转)8h，进尺 21m，工作正常。参加实验的中石油科技发展部领导、长庆油田领导以及
课题组成员一致认为实验是成功的。实验结论如下：
K7LZ120 空气螺杆钻具，在气源气量和压力不完全满足需要的情况下，在苏
35-18 井中滑动和复合钻进打水泥塞20m 和1m 盖层，其中，在6 吨的表观最佳工作钻
K7LZ120 空气螺杆钻具地面实钻实验现场(左)
及钻头和岩芯钻孔(右)
压下滑动钻进时，机械钻速高达30m/h；
复合钻进(即开动转盘)时，由于转盘转速和螺杆钻具转子的转速叠加，有利于提
高机械钻速；
气量和气源压力不足，严重影响K7LZ120空气螺杆钻具的机械钻速和应用效果；
超过K7LZ120 空气螺杆钻具的最大许可钻压，螺杆钻具将被压死，不但大大降
低机械钻速和应用效果，也将影响螺杆钻具的寿命，施工中一定要杜绝施加过大的钻压；
K7LZ120 空气螺杆钻具样机已达到工业应用水平，可批量生产，以满足不断增
长的现场钻进施工需要。
对完成现场实验的K7LZ120×7.0 空气螺杆钻具实验样机进行拆检，所有零部件无
一损坏，性能依旧正常。图10 为拆检后的部分零、部件。
4、K7LZ244×7.0 空气螺杆钻具在伊朗项目中的应用
K7LZ244×7.0 空气螺杆钻具在长城钻井公司伊朗项目组RIG16 实施定向作业，井
下工作118.5h。并用多种介质实验获得圆满成功，受到施工单位的一致好评。以下是新
疆RIG16 井队使用记录及对该工具的评价：
“我们对北石厂生产的K7LZ244×7.0 螺杆钻具进行了使用，累计入井时间118.5h，
循环时间97.85h。
使用过程分两个阶段，第一阶段使用泥浆作为介质，钻井井段618~660m，入井时
间60.5h，循环时间49.51h；第二阶段使用空气泡沫作为介质，入井时间58h，循环时间
48.33h。因为实施侧钻作业，钻速特加以控制(2m/h、1m/h、0.5m/h 不等)。
总体感觉：该螺杆钻具工作状况较为平稳，特别是使用空气作为介质时，表现出功
率大，寿命较长。”
现场实验后的马达转子和万向轴
5、K7LZ120×7.0 空气螺杆钻具在白浅111H 水平井中的应用
2004 年7 月，K7LZ120×7.0 空气螺杆钻具在中国石油天然气股份有限公司西南油
气田分公司所属的白马庙构造白浅 111H 水平井(国内第一口气体钻水平井)进行气相欠
平衡钻进获得成功应用。
白浅 111H 水平井按照最初的施工设计方案，在进入水平段后在井深 1080~1103m
井段采用柴油机尾气驱动空气螺杆钻具带动 PDC 钻头的钻井实验，气量为 33~40
/min，钻进正常，钻时为 4~5min/m，累计进尺 23m。后来因为实验中的尾气发生装
置尚存在一些技术问题而停止实验。后经西南油气田分公司领导决策从1103m改用天然
气驱动空气螺杆钻具带动PDC 钻头钻进，天然气排量42.3~63.6m
/min，平均51m
/min，
钻至井深1325m完钻，天然气驱动累计进尺222m，平均机械钻速9.76m/h，最高达20m/h。
测试产量：6.85×10
/d，无阻流量：10×10
K7LZ120×7.0 空气螺杆钻具通过在白浅111H 井水平段的施工应用，承钻该井的川
钻2002 队认为：
北京石油机械厂生产的空气螺杆钻具填补了我国在水平井中进行气相欠平衡钻
进井下动力钻具的空白；
实用证明北京石油机械厂生产的空气螺杆钻具产品质量可靠；
K7LZ120×7.0 空气螺杆钻具比常规螺杆钻具表现出更大的扭矩和现场使用有更
大的灵活性。
对所使用的空气螺杆钻具拉回制造厂经拆检，马达效率仅有 1％的变化。其余零、
部件仍然完好如初。
五、结论
1、空气螺杆钻具研制成功填补了国内空白，形成了具有我国独立知识产权的生产
制造技术，为进一步提高中国石油在国际上的核心竞争能力提供了有力的支持，推动了
我国钻井技术的进步。
2、空气螺杆钻具将成为用气体钻井或欠平衡钻井技术钻定向井及各类特殊工艺井
的必需工具，将气体钻井和欠平衡钻井扩大到定向井和各类特殊工艺井，因此，有广阔
的应用前景，并将带来巨大的经济效益。 gt 空气螺杆钻具研制、特性分析及现场实验与应用.doc
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