螺杆钻具技术交流资料 Downhole motor Technical Exchange

螺杆钻具技术交流资料 Downhole motor Technical Exchange

立林石油机械有限公司LILIN Petroleum Machinery Co.,Ltd.

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• 立林集团位于天滨海新区，现有员工近 2000 人，厂区规模 76 万平方米，公司现拥有 450 台（套）当代先进水平的机加工设备和各类辅助、检测、试验仪器， 2011 年年产螺杆钻具能力为 10000 套。

• 立林企业拥有完善的质量体系认证，通过了 ISO9001 ： 2008 质量体系认证和ISO14001 环境体系认证、 ISO10012 计量体系认证， OHSAS18001 职业健康安全管理体系，并取得 APIspec7 会标使用权。

• 立林集团是中石油、中石化认定的合格供应商。• 立林集团是目前世界上规模最大的螺杆钻具制造企业，并连续多年保持国内市

场占有量第一。

立林集团概况：

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◆螺杆钻具是以泥浆为动力的一种井下工具，由传动轴总成、万向轴总成、马达总成、防掉总成和旁通阀总成五大部分组成。Downhole motor is a kind of downhole dynamic drilling tooll upon the power of drilling mud ， it is made by drive shaft assembly 、 universal coupling assembly 、motor assembly 、 anti-drop assembly and outlet valve assembly .

旁通阀总成outlet valve assembly

马达总成 power section assembly

万向轴总成 universal coupling assembly

传动轴总成 drive shaft assembly

防掉总成 anti-drop assembly

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◆螺杆钻具选型的技术要点及特性：•外径尺寸的优选：•马达头数以及马达级数的影响：•井下工作温度临界温度的划分：•泥浆类型对螺杆钻具的影响：•按照流量大小及泥浆泵功率优选螺杆：•可调与固定角度的优选原则：

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◆公司产品已形成系列，规格从 43mm-286mm 共有 24 种型号 :Company has developed series of specifications from 43-286mm , Total 24 models:

43 、 45 、 54 、 60 、 73 、 89 、 95 、 102 、 105 、 120 、 127 、 140 、 159 、 165 、 172 、 178 、 185 、 197 、203 、 210 、 216 、 228 、 244 、 286

螺杆钻具外径系列优选对照表复合钻进时钻头尺寸应按照下表选择，如超出规定范围卡钻、断轴、落井

等事故的几率就会大大增加。

螺杆型号推荐钻头尺寸95 118-120 (45/8-4

3/4)

105 120-142 (43/4-55/8)

120-127 149-165 (55/8-61/2)

140 172-200 (63/4-77/8)

159 200-216 (77/8-81/2)

165-172 216-222 (81/2-83/4)

185 222-241 (83/4-95/8)

197-203 251-270 (91/2-105/8)

210 270-289 (105/8-113/8)

216 289-311 (113/8-121/4)

244 311-394 (121/4-151/2)

286 394-508 (151/2-20)

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◆马达转子的螺旋线有单头和多头之分（定子的螺旋线头数比转子多 1 ）。转子的头数越少，转速越高，扭矩越小 ; 头数越多，转速越低，扭矩越大。我公司可根据用户需求，制造转子头数与定子头数比为 1 ： 2 、 3 ： 4 、 5 ： 6 、 7 ：8 、 9 ： 10 的马达，下图是几种典型马达配合的截面轮廊：

Spiral seal line on rotor is divided into single end and multi-end (stator with one more end than rotor) .The less ends the motor has the higher speed and the lower torque is . The more ends it has the lower torque is. The moroe ends it has the lower speed and the higher torque. We can produce the ratio is 1 ： 2 、 3 ： 4 、 5 ：6 、 7 ： 8 、 9 ： 10 motors , shows the sectional profile of several typical motors.

1:21:2 3:43:4 5:65:6 7:87:8 9:109:10

同排量下不同头数螺杆参数对比：（选取排量为 30 升 / 秒）规格型号头数比马达级数输出转数扭矩功率

1LZ172x7.0-4 1:2 4 760 rpm 1018 N.m 81 Kw

2LZ172x7.0-4 2:3 4 366 rpm 1100 N.m 42 Kw

3LZ172x7.0-4 3:4 4 257 rpm 3106 N.m 83Kw

4LZ172x7.0-4 4:5 4 203 rpm 3840N.m 81Kw

5LZ172x7.0-4 5:6 4 146 rpm 4160 N.m 64Kw

7LZ172x7.0-4 7:8 4 128 rpm 5740 N.m 77Kw

9LZ172x7.0-4 9:10 4 115 rpm 6245 N.m 75Kw

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额定温度 Working temperature

最高温度 Max temperature

常规定子 Conventional Stator

95℃ 120℃

高温定子 High temperature Stator

135℃ 150℃

超高温定子 High temperature Stator

160℃ 180℃

注意：高温马达用于常规井很难获得好的效果Note: High temperature motors for conventional wells is difficult to obtain good results

◆按温度提供以下规格的定子：According to the temperature of the stator to provide the following specifications:

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• ZZJ-02 （普通定子橡胶）：适用于普通泥浆体系，使用温度在 120℃ 以下，普通定子橡胶在常温下使用时具有强度高、耐磨性好，使用寿命长等优点。

ZZJ-02 (Conventional Stator elastomer): For common mud system, the use of temp

erature below 120 , the stator elastomer is high strength, wear resistance, long life ℃under conventional temperature operation.

• ZYN-02 （耐油定子橡胶）：适用于油基泥浆和普通泥浆体系，使用温度在 120℃ 以下，在油基泥浆中使用具有优异的耐油容胀特性。

ZYN-02 (Oil Resistqance the stator elastomer): For oil-based mud system and com

mon mud system, temperature below 120 ℃ in oil-based mud that has excellent oil

capacity expansion characteristics.

◆按介质提供以下规格的定子：By Media offers the following specifications of the

stator:

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• ZGYN-180 （耐高温耐油基泥浆定子橡胶）：使用于高温、高含油泥浆体系，该定子橡胶可在 180℃ 以下及高含油条件下使用 , 使用结果显示：耐高油胶在高温下的强力、撕裂强度等物性保持率高，加上合理的过盈量的配合，耐高油胶在高温、高油基泥浆条件下能有较好的使用效果 , 目前已在辽河、大庆、新疆等油田成功使用。

ZGYN-180 (high-temperature oil-base mud the stator elastomer): use in high

temperature, high oil mud system, the elastomer used under the conditions of

180 ℃ and high oil content, the show results: high-oil-resistant adhesive stre

ngth under high temperature , tear strength and other properties remain high,

plus a reasonable amount of interference co-ordination, oil-resistant rubber in

high-temperature, high-oil-based mud conditions can have a better use of res

ults, now in the Liaohe, Daqing, Xinjiang oilfield successful running.

塔里木克深 7 井，立林超高温 180 度螺杆的应用：

2011 年初在由塔里木四堪承钻的克深 7 井施工中，在钻至 7900 米时，井下发生井漏，堵漏无效的情况下，决定测钻，由于井下预计井下温度约为 180 度，井下压力 180兆帕，当时泥浆密度 2.33 。由于再此高温下 MWD 很难正常工作，随决定无方位侧钻，因此螺杆选型成了该井最大的难点。

当时承揽此项侧钻工程的是巴州胜利定向井公司，通过与巴州胜利定向井的技术老总协商后，最终选择了 5LZ120x7.0-4 L 型超高温等壁厚型号的螺杆。

侧钻施工井段为 7835 米至 7842 米，共计使用 2 套螺杆，第一套是由于古井质量不合格未侧钻成功，第二套螺杆侧钻成功，该两套螺杆也同时创造了塔里木地区下入井深最深，温度最高的入境使用记录。

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◆螺杆钻具选型的技术要点及特性：•外径尺寸的优选：•马达头数以及马达级数的影响：•井下工作温度临界温度的划分：•泥浆类型对螺杆钻具的影响（分别对转子及定子影响）：•按照流量大小及泥浆泵功率优选螺杆：•可调与固定角度的优选原则：

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如在盐水泥浆中使用，普通的转子耐腐蚀效果较差，严重时会使整个马

达总成报废，直接影响螺杆的使用寿命。 If used in salt water mud, corrosion resistance of the conventional rotor l

ess effective, lead to the motors failure in serious condition, also direct impact on the life of the motors.

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◆转子涂层 : Rotor coating:

•表面喷涂工艺Surface spray coating

• 等厚转子镀层工艺Even thick rotor coating process

• 可满足不同用户的需求 :

To meet the needs of different customers:

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适应多种泥浆体系，但是成本较贵，是普通镀层的 10倍，多在饱和盐水泥浆的工况下使用。To adapt to a variety of mud systems, but costs are high, the coating is 10 times the normal, more saturated salt water mud conditions in use.

• 表面喷涂工艺：Surface spray coating:

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常规电镀工艺，由于转子表面形状的影响，谷、峰镀层厚度不一致，并且头数越多相差的愈大， 9 头的转子在 1 ： 9 以上，造成实际线型与理论线形误差较大，降低了马达效率。经过研究、试验，立林的转子产品可将谷、峰的比值控制到 <1 ： 3 ，最佳可达 1 ： 1 。 Common technics on chroming coating depending on the surface shape of the rotor creates large tolerance between actual streamline and the academic streamline of the rotor, which will reduce the efficiency of the power section. Special chroming coating technics by Lilin will control the rate between apex and vale of the coating control to 1:3, Best of up to 1:1

峰Peak

谷Vale

• 厚度转子镀层 Thick rotor coating process

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◆高温耐油现场应用High-temperature and oil resistant applications reports.

使用单位 : 大庆钻探钻井一公司 70150 User :Daqing drilling first company 70150 使用地点 :黑龙江省肇东市洪河乡古城村团结屯 Place :Heilongjiang 井型 : 水平井Well type :horizontal 钻遇地层岩性 :营城组，灰色质砾岩Lithology:Yingcheng, gray mass conglomerate 含油量 :柴油 86%Oil content: Diesel fuel 86% 螺杆钻具型号： 5LZ120X7.0L-4 -Ⅸ 高温 150℃ 、耐油 Downhole Model:High-temperature 150℃ 、 oil resistant 使用钻头 :三牙轮（休斯 6"MXDS55DX ）水眼： 3Xф16Tricone bit selection :HUGHES Tricone bit 6"MXDS55DX ） nozzzle ： 3Xф16

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编号Series

使用井段well section

排量Flow rate

使用时间Running time

井底温度TemperaturOf bottom

机械钻速ROP

使用情况report

起钻原因Put out of hole

reason

10-05-001 3755-3807m 12L/s

循环时间： 21 小时纯钻时间： 59 小时累计时间： 80 小时cycle time: 21hbit time ： 59htotal time ： 80h

125℃ 0.88 米

使用正常、马达未失效Using normal, not failure of the motor

正常起钻( 更换钻头、螺杆 )Normal Put out of hole (drill bit replacement, motor)

10-08-0033853.04-3945.59m

12L/s

循环时间： 15 小时纯钻时间： 66 小时累计时间： 81 小时cycle time ： 15 hbit time ： 66 htotal time ： 81 h

125℃ 1.4 米

正常起钻( 起钻更换钻头、螺杆 )Normal Put out of hole(drill bit replacement, motor)

10-08-0214046.41-4131.04m

12L/s

循环时间： 12.4小时纯钻时间： 59.6小时累计时间： 72 小时cycle time ：12.4hbit time ： 59.6 htotal time ： 72 h

140℃ 1.42 米

更换螺杆、钻头、牙轮掉轮Normal Put out of hole(drill bit replacement, motor)

10-07-0054131.04-4178.14m

12L/s

循环时间： 10 小时纯钻时间： 40 小时累计时间： 50 小时cycle time ： 10 hbit time ： 40htotal time ： 50 h

140℃ 1.18 米

正常起钻( 更换钻头、螺杆 )Normal Put out of hole(drill bit replacement, motor)

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此马达的总流量应等于流经马达密封腔流量和流经转子喷嘴流量的总此马达的总流量应等于流经马达密封腔流量和流经转子喷嘴流量的总和，每种规格的马达都有其推荐的最大和最小流量值。如果流量过大，转子和，每种规格的马达都有其推荐的最大和最小流量值。如果流量过大，转子会超速运转，定子和转子会出现提前损坏，如果流量过小，马达将停止转动。会超速运转，定子和转子会出现提前损坏，如果流量过小，马达将停止转动。因此在选择转子喷嘴尺寸时，应确保马达密封腔流量始终保持或高于最小推因此在选择转子喷嘴尺寸时，应确保马达密封腔流量始终保持或高于最小推荐流量值，这样才能使马达正常运转。荐流量值，这样才能使马达正常运转。在泥浆密度、喷嘴尺寸和马达流量为定量时，流经转子喷嘴的流量和流在泥浆密度、喷嘴尺寸和马达流量为定量时，流经转子喷嘴的流量和流经马达密封腔的流量总是随负载变化而变化的。钻头离开井底，马达负载近经马达密封腔的流量总是随负载变化而变化的。钻头离开井底，马达负载近似为零，此时流经转子喷嘴流量最小，而流经马达密封腔的流量最大。钻头似为零，此时流经转子喷嘴流量最小，而流经马达密封腔的流量最大。钻头钻进，使马达压差不断增加，使流经转子喷嘴流量增加，而此时流经马达密钻进，使马达压差不断增加，使流经转子喷嘴流量增加，而此时流经马达密封腔流量减少。封腔流量减少。

中空中空转子转子

中空转子马达中空转子马达：：为了增加钻头的水马力和泥浆的上返速度，将转子加工成为带喷嘴为了增加钻头的水马力和泥浆的上返速度，将转子加工成为带喷嘴的中空转子。的中空转子。

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1 、分无级调整和有级调整两种结构 2 、可调弯壳体螺杆钻具的优势：壳体弯角可在钻井平台井口调整既可作直螺杆使用又可作弯螺杆使用

1. Stepless adjustment of sub-grade and two structural adjustment2. Adjustable Bend Housing motors advantages:The angle of housing can adjust at wellhead of Drilling platform Motors can be used either for straight use as a bend motors

◆可调弯壳体螺杆钻具：Adjustable bend housing downhole motors:

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我公司现生产的可调弯壳体可调角度范围有 0°-2° 、 0°-3° 、 0°-4° 。 Our company is the production of adjustable bent housing with adjustable angle range of 0 ° -2 °, 0 ° -3 °, 0 ° -4 °.

可调弯壳体adjustable bend housing

上壳体 upper housing

下壳体 lower housing

定位套 position sleeve

• 可调弯壳体 :Adjustable bend housing:

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◆立林螺杆近期的新技术新工艺的应用介绍：•等壁厚螺杆马达成功应用及批量化生产：•高温及超高温橡胶配方的性能突破：•转子普通电镀工艺改进实现镀层比例均匀，抗腐蚀性增强：•球型万向轴向球柱行万向轴转化，承载能力更高。•传动轴材料级别的进一步提升，改型优化设计使其安全系数增强。•自制研发的新型轴力轴承，性能更加稳定，寿命大幅提升。•径向轴承新工艺的使用，大大提升了其机械性能。•立林还有很多正在进行中的研发……

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◆等壁厚定子Even Wall Stator

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为了改善螺杆钻具使用性能和提高其系统效率，开发研究了等壁厚定子。国内外等壁厚定子马达的研究与应用表明，与常规相比等壁厚定子具有以下优点： Even Wall power section invented by Lilin will extend running life of downhole motor and improve running efficiency of the motor. The characteristics are:

(1)良好的散热特性，提高了定子工作寿命； (2)均匀的橡胶膨胀，提高了定子工作稳定性； (3)单级承压高，提高了系统效率； (4)增加了橡胶与金属粘接面积，增强了粘合强度。 (1) Good Cooling speciality improves the running life of the stator. (2) Working Stability is risen by even swell of the rubber. (3) System efficiency is raised up by high pressure bear on single stage. (4) Conglutinant size is increased by rising up the contact between rubber and the metal.

◆等壁厚定子Even Wall Stator

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避免热集中区的产生Avoid the generation of hot focus area

•良好的散热特性，提高了定子工作寿命；Good thermal dispersing performance, improve the working life of the stator

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•更佳的硬特性Better hardness features

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•均匀的橡胶膨胀，提高了定子工作稳定性Uniform elastomer expansion, increased stability of the stator running

目前已生产的等壁厚规格 (单级承压能力提升了 37.5%)

外径尺寸（ mm ）螺杆型号工作压力降

（ MPa ）73 E5LZ73x7.0 L-3-600 3.3

120 E5LZ120x7.0 L-4-900 4.4

165 E5LZ165x7.0 L-4-840 4.4

172 E5LZ172x7.0 L-4-840 4.4

172 E5LZ172x7.0 L-5-840 5.5

172 E7LZ172x7.0 L-4-920 4.4

172 E7LZ172x7.0 L-5-920 5.5

197 E5LZ197x7.0 L-4-840 4.4

203 E5LZ203x7.0 L-4-840 4.4

203 E7LZ203x7.0 L-4-1050 4.4

210 E5LZ197x7.0 L-4-840 4.4

244 E5LZ197x7.0 L-4.5-1096 5.0

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◆立林螺杆近期的新技术新工艺的应用介绍：•等壁厚螺杆马达成功应用及批量化生产：•高温及超高温橡胶配方的性能突破：•转子普通电镀工艺改进实现镀层比例均匀，抗腐蚀性增强：•球型万向轴向球柱行万向轴转化，承载能力更高。•传动轴材料级别的进一步提升，改型优化设计使其安全系数增强。•自制研发的新型轴力轴承，性能更加稳定，寿命大幅提升。•径向轴承新工艺的使用，大大提升了其机械性能。

塔里木克深 7 井，立林超高温 180 度螺杆的应用：

2011 年初在由塔里木四堪承钻的克深 7 井施工中，在钻至 7900 米时，井下发生井漏，堵漏无效的情况下，决定测钻，由于井下预计井下温度约为 180 度，井下压力 180兆帕，当时泥浆密度 2.33 。由于再此高温下 MWD 很难正常工作，随决定无方位侧钻，因此螺杆选型成了该井最大的难点。

当时承揽此项侧钻工程的是巴州胜利定向井公司，通过与巴州胜利定向井的技术老总协商后，最终选择了 5LZ120x7.0-4 L 型超高温等壁厚型号的螺杆。

侧钻施工井段为 7835 米至 7842 米，共计使用 2 套螺杆，第一套是由于古井质量不合格未侧钻成功，第二套螺杆侧钻成功，该两套螺杆也同时创造了塔里木地区下入井深最深，温度最高的入境使用记录。

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盐水泥浆使用后的转子盐水泥浆使用后的转子

我公司生产的螺杆绝大部分部采用这种新工艺，在常我公司生产的螺杆绝大部分部采用这种新工艺，在常规钻井液下，使用良好。规钻井液下，使用良好。

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花瓣型万向轴总成Flat universal shaft

球传动万向轴总成Ball drive universal shaft

高强度密封万向轴总成universal shaft seal assembly of high-strength

• 万向轴：Universal shaft : :

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• 高强度密封万向轴总成Universal shaft seal assembly of high-strength

更高的寿命，更好的过载能力Higher life and better overload

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• 传动轴总成：Drive shaft assembly:

作用：将马达产生的扭矩与转速传递给钻头同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。Role: the torque generated by the motor and speed delivery to the drill- bit while drilling under pressure generated by axial and radial loads.

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利用有限元分析，对产品进行改进。Finite element analysis, to improve the product.

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分别对整机、壳体、传动轴、轴承、等关键部位，进行优化改进。使整体结构个趋于合理。Respectively, on the complete motors, housing, drive shaft, bearings, and otherkey parts to optimize the improvement. So that the overall structure of a morereasonable.

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1 、传动轴材料采用 40CrNiMoA ，该材料是一种高洁净度，高淬透性的高强度合金钢，进一步提高了传动轴的强度和冲击韧性，提高传动轴的疲劳寿命。

drive shaft material used 40CrNiMoA, the material is a high purity, high hardenability of high-strength alloy steel to further enhance the drive shaft of the strength and toughness, improve the fatigue life of shaft.

2 、串轴承采用更有利于复合钻井工艺要求的串轴承压力角结构，采用等温球化热处理工艺，细化晶粒，提高轴承的承载能力和抗疲劳点蚀能力。

thrust bearing composite drilling process more conducive to the requirements of string bearing pressure angle structure, the ball of the isothermal heat treatment process, grain refinement to improve the bearing capacity and resistance to fatigue pitting.

3 、 TC 轴承，常规工艺基体综合机械性能硬度在 180-220HB ；通过特殊的热处理工艺，已将基体硬度提高到 260HB 以上，且耐磨层不受影响。

TC bearing, conventional process matrix mechanical properties hardness of 180-220HB; through a special heat treatment process has to 260HB hardness of the matrix above, and the wear-resistant layer is not affected.

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• 串轴承压力角结构thrust bearing pressure angle structure

TC 轴承TC shaft

48实验前

Before the experiment 实验后

after the experiment

特殊工艺Special treatment

普通工艺 Conventional treatment

TC主要承受钻压，进行承压实验（ 225吨）。特殊工艺处理后的 TC本体的变形量，明显小于普通工艺。TC is mainly exposed to drilling pressure, the pressure test (225 tons).Special treatment after the TC body deformation, significantly less than the normal process.

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传动轴总成的组装：传动轴总成的组装：

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•为了适应钻井的需要 ,传动轴总成的外壳上配有不同种类的稳定器有固定式的和可换套式的 , 稳定器的扶正条形式多种多样，用户可根据钻井工艺的需要选择使用。（见下图）In order to meet the needs of drilling well, shaft housing assembly with different types of stabilizer are fixed and interchangeable sets of type, stabilizer righting of a variety of shapes, the customers can choose to use the drilling process needs . (See below):

直棱稳定器 stabilizer with straight blade

三瓣偏心稳定器 Eccentrical stabilizer with three valves

三瓣、五瓣螺旋稳定器 Spiral stabilizer with three ( five) valves

三瓣、五瓣球型稳定器 Round stabilizer with three ( five) valves

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•可换套式的稳定器：不用更换螺杆，需要什么形状的扶正器，在井口更换可换套即可。Replaceable sleeve stabilizer: do not replace the motors, what shape the centralizer, the wellhead can change sets can be replaced.

可换稳定器套筒 Replaceable sleeve stabilizer

壳体本体 Housing body

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◆立林强大的售后服务网络：

为了更加快捷方便的为用户提供售后服务，我立林集团先后在国内一些主力油田及区块，建有分公司或者技术服务站点，大大方便了用户的使用，给用户降低了很多成本，节省了大量时间。

克拉玛依克拉玛依技术站技术站巴州立林石油巴州立林石油

机械有限公司机械有限公司

四川技术站四川技术站

中原油田中原油田技术站技术站

长庆油田长庆油田技术站技术站

轮台技轮台技术站术站

牙克石牙克石技术站技术站

俄罗斯俄罗斯技术站技术站

美国美国技术站技术站

利比亚利比亚技术站技术站

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祝大家身体健康，合家欢乐！

谢谢大家！

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