CN101245696B - 管柱牵引器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种有助于钻井工程中下入管柱的管柱牵引器。它主要包括管柱短接1、控制器3、第一阀2、第二阀4、第三阀5、第四阀6、旁通道10、本体14、活塞总成13、活塞杆总成9、第一液缸11、第二液缸12、井壁固定器7。利用地面液力泵对要下入的管柱内的流体施加压力，通过控制器3以及第三阀5第四阀6是否触及本体14，使第一阀2、第二阀4、第三阀5、第四阀6按规定顺序开启或关闭，使流体在第一液缸11内产生不小于200千牛的牵引力牵引管柱前行。本发明特别适用于大位移井、水平井的完井工作，它大大有助于解决大位移井、水平井下入管柱难这一问题。本发明可与其它一些有助于管柱下入的方法联合使用，其效果更佳。

Description

管柱牵引器

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井工程中有助于管柱在水平井段下入更长的牵引装置。

背景技术

在石油、天然气开发工程中，除钻直井外，还根据需要钻水平井及大位移井。水平井及大位移井在提高单井产量，提高采收率以及开发石油、天然气资源等方面都有突出的优越性，因而该类型井的数量日益增多，水平井段也不断加长。与此同时，大位移井、水平井的管柱下入难这一问题也日益突出。

通常，下入管柱的驱动力主要是重力，大位移井及水平井由于管柱重力方向与水平井段的井筒轴线几近垂直，往往会失去由管柱重力产生的水平驱动力，水平井段越长，水平驱动力越小，甚至完全消失，因而向水平井段下入管柱(套管和油管)是一大难题。目前在下入大位移井及水平井套管时，主要采用套管漂浮、伸缩接头推入、震动、旋转套管以及套管涂油等技术，目的是降低管柱下入时的摩擦力，或者是施加额外的推力。但应用这些技术使管柱下入的水平长度仍然有限；尤其是垂直井深较小的时候。因此，水平井段要么是裸眼，要么限制其水平段长度。管柱下入难这一问题阻碍了大位移井及水平井的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种管柱牵引器，它是利用地面液力泵对管柱内的流体施加压力，借助管柱内的流体传递能量，通过牵引器实现能量的转化而产生牵引力，牵引管柱前行，从而使大位移井及水平井管柱的下入较容易，下入的长度更长。

本牵引器主要包括管柱短接1、控制器3、旁通道10、第一阀2、第二阀4、第三阀5、第四阀6、本体14、活塞总成13、活塞杆总成9、第一液缸11、第二液缸12、井壁固定器7，锚爪16。管柱短接1是本体14的一部分，工作时，它连接于管柱的最前端。活塞总成13置于液缸内。活塞杆总成9将活塞总成13与井壁固定器7连接在一起。活塞杆总成9内有通道15，第一液缸11内的流体可通过该通道进入井壁固定器7的内腔。在管柱短接1与第一液缸11间设有旁通道10，它使第一液缸11内的流体与管柱短接1内的流体相连通。第一阀2安装在第二液缸12的缸壁上，它控制管柱短接1内的流体流向第二液缸12。第二阀4安装在第二液缸12的缸壁上，它控制第二液缸12内的流体流向环空。井壁固定器7内有锚爪16，它可在液力作用下伸出、缩回。控制器3置于管柱短接1上，它通过管柱内外的压差控制第一阀2、第二阀4的开启与关闭。第三阀5、第四阀6通过其触及本体14而使其打开。

整个牵引器置于井筒内，它安装在下入管柱的最前端。管柱短接1与下入管柱相连。当按常规方法下入管柱到水平井段某个位置不能再往前下入时，利用地面液力泵对下入管柱内的流体施加压力，促使牵引器工作，从而使下入管柱在水平井段内继续前行。牵引器的工作过程分为四个阶段，依次为：

开启地面泵，开启第一阀2，流体经第一阀2进入第二液缸12，推动活塞杆总成9运行，促使活塞杆总成9及井壁固定器7伸出至设计位置，第一液缸11中的流体经旁通道10进入管柱短接1内；开启第三阀5，流体经通道15进入井壁固定器7内腔，促使锚爪16伸出并固定在井壁8上；关闭第一阀2，开启第二阀4，管柱短接1内的高压流体经旁通道10进入第一液缸11，产生较大的作用力即牵引力，牵引管柱前行；开启第四阀6，井壁固定器7内腔中的高压流体流入环空而卸压，锚爪16回位，与此同时，地面泵停止工作，完成一个循环。第二个循环又重复上述过程。一个循环可使管柱前行一个冲程长度，多个循环使下入的管柱前行距离达到设计长度。

上述过程中，第一阀2、第二阀4的开启或关闭是由控制器3通过下入管柱内外的压差来控制的；第三阀5、第四阀6是通过其触及本体14来实现控制的。

根据计算，本发明可产生不小于200千牛的牵引力，其大小不受垂直井深的影响，主要取决于地面施加于管柱内的流体压力大小、管柱尺寸及牵引器的级数。

本发明的优点是：

1.能使管柱在大位移井及水平井的水平井段下入更长，更容易。

2.可与其它一些有助于管柱下入的方法联合使用，其效果更佳。

3.制造方便。

4.工作可靠。

附图说明：

图1是管柱牵引器结构示意图。

图2是活塞杆总成9及井壁固定器7伸出过程示意图。

图3是井壁固定器7内的锚爪16伸出并锚定在井壁8上的过程示意图。

图4是下入管柱在牵引力作用下前行过程示意图。

图5是井壁固定器7内的锚爪16回复原位的过程示意图。

具体实施方式

管柱牵引器主要包括管柱短接1、控制器3、第一阀2、第二阀4、第三阀5、第四阀6、旁通道10、本体14、活塞总成13、活塞杆总成9、第一液缸11、第二液缸12、井壁固定器7，锚爪16。管柱短接1是本体14的一部分，工作时，它与要下入的管柱前端相连接。活塞总成13置于液缸内。活塞杆总成9将活塞总成13与井壁固定器7连接在一起。活塞杆总成9内有通道15，第一液缸11内的流体可通过该通道进入井壁固定器7的内腔。在管柱短接1与第一液缸11间设有旁通道10，它使第一液缸11内的流体与管柱短接1内的流体相通。第一阀2安装在第二液缸12的缸壁上，第一阀2开启时，它使管柱短接1内的流体流向第二液缸12。第二阀4安装在第二液缸12的缸壁上，第二阀4开启时，它使第二液缸12内的流体流向环空。第三阀5安装在活塞杆总成9上，第四阀6装于井壁固定器7上。井壁固定器7内有锚爪16，它可在液力作用下伸出、缩回。控制器3安装在管柱短接1上，它通过要下入管柱内外的流体压差控制第一阀2、第二阀4的开启与关闭。活塞杆总成9全部伸出时，第三阀5触及本体14而使其打开；当第一液缸11牵引管柱前行至本体14与第四阀6接触时，第四阀6打开。

整个牵引器置于井筒内，它安装在要下入管柱的最前端。管柱短接1与要下入的管柱相连。当按常规方法下入管柱到水平井段某个位置不能再往前下入时，利用地面液力泵对要下入管柱内的流体施加压力，促使牵引器工作，从而使管柱在水平井段内继续前行。管柱牵引器工作一个完整的循环过程分为四个阶段：

第一阶段，如图2所示，第一阀2开启，第二阀4、第三阀5、第四阀6关闭，要下入的管柱内的流体在地面泵的作用下压力升高，流体经第一阀2进入第二液缸12，尽管第二液缸12和第一液缸11内的压力相同，但由于管柱内的流体压力即两液缸内的流体压力大于管柱外的流体压力，故作用于活塞总成13和活塞杆总成9上的力不平衡，活塞杆总成9及井壁固定器7被推出一个冲程长度，第一液缸11内的流体从旁通道10排出进入管柱短接1。

第二阶段，如图3所示：活塞杆总成9及井壁固定器7伸出到设计位置时停止运行，此时第三阀5开启，流体经第三阀5和通道15进入井壁固定器7的内腔，井壁固定器7内的锚爪16伸出，并锚定在井筒内壁8上。

第三阶段，如图4所示：当井壁固定器7上的锚爪16打开并锚在井筒内壁上，要下入的管柱内流体压力进一步增高到设定值时，控制器3动作并关闭第一阀2，接着开启第二阀4，管柱内的高压流体经旁通道10进入第一液缸11，第二液缸12内的流体经第二阀4排出进入环空，第一液缸11产生的作用力即管柱牵引力使管柱前行，直到管柱前行到设定值时为止。此时第四阀6触及本体14并打开第四阀6，井壁固定器7腔内的流体卸压，锚爪16收回。

第四阶段，如图5所示：地面泵停止工作，随着管柱内流体压力逐渐降低，第二阀4在控制器3的控制下关闭，继而第一阀2在控制器3的控制下开启，完成一个完整的循环过程。

关于牵引力的计算：

1.计算公式推导

忽略活塞总成13与液缸壁间的摩擦力，同时忽略活塞杆总成9与本体14间的摩擦力，牵引力可用下式计算：

$F=\frac{\mathrm{\π}}{4\×1000}(D^2-d^2)(p_1-p_2)\·m$

式中：F——牵引力(千牛)

D——液缸内径(mm)

d——活塞杆直径(mm)

p₁——管柱内压力(MPa)

p₂——环空压力(MPa)

m——牵引器级数

2.计算示例

以下入

套管为例，取D＝100mm，d＝50mm，p₁-p₂＝35MPa，取最少级数即取m＝1，将所取参数代入上述计算公式得：

$F=\frac{\mathrm{\π}}{4\×1000}({100}^2-{50}^2)\×35\×1$

F≈206(千牛)

3.牵引力影响因素分析

由牵引力计算公式可知，影响牵引力的参数有：液缸内径D、活塞杆直径d、管柱牵引器的级数m、管柱牵引器处管柱内流体压力与该处环空压力之差。

液缸内径D增大，牵引力以近似平方关系增大。为了获得足够大的牵引力，应尽可能取较大的液缸内径D；而内径D主要受到下入的管柱尺寸、井筒孔径、旁通道10尺寸的限制。

活塞杆直径d值越小，牵引力F越大。活塞杆直径主要受推出井壁固定器时的推力，活塞杆的稳定性要求的限制。

从理论上讲，管柱牵引器的级数越多，牵引力F越大。但级数过多，管柱牵引器每次牵引管柱前行的长度一定时，则管柱牵引器总长与级数近似成正比；若管柱牵引器总长不变，增加级数，则每次牵引管柱前行的长度就小。当采用多级时，以2级为宜。

管柱牵引器处管内流体压力与该处环空压力之差，若忽略流体沿管柱的压头损失，可近似认为压差就是地面泵对管柱内流体施加的压力。其值与地面泵所能提供的最大工作压力有关，同时还取决于管柱的强度及管柱的密封能力。

管柱牵引器

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井工程中有助于管柱在水平井段下入更长的牵引装置。

背景技术

在石油、天然气开发工程中，除钻直井外，还根据需要钻水平井及大位移井。水平井及大位移井在提高单井产量，提高采收率以及开发石油、天然气资源等方面都有突出的优越性，因而该类型井的数量日益增多，水平井段也不断加长。与此同时，大位移井、水平井的管柱下入难这一问题也日益突出。

通常，下入管柱的驱动力主要是重力，大位移井及水平井由于管柱重力方向与水平井段的井筒轴线几近垂直，往往会失去由管柱重力产生的水平驱动力，水平井段越长，水平驱动力越小，甚至完全消失，因而向水平井段下入管柱(套管和油管)是一大难题。目前在下入大位移井及水平井套管时，主要采用套管漂浮、伸缩接头推入、震动、旋转套管以及套管涂油等技术，目的是降低管柱下入时的摩擦力，或者是施加额外的推力。但应用这些技术使管柱下入的水平长度仍然有限；尤其是垂直井深较小的时候。因此，水平井段要么是裸眼，要么限制其水平段长度。管柱下入难这一问题阻碍了大位移井及水平井的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种管柱牵引器，它是利用地面液力泵对管柱内的流体施加压力，借助管柱内的流体传递能量，通过牵引器实现能量的转化而产生牵引力，牵引管柱前行，从而使大位移井及水平井管柱的下入较容易，下入的长度更长。

本牵引器主要包括管柱短接1、控制器3、旁通道10、第一阀2、第二阀4、第三阀5、第四阀6、本体14、活塞总成13、活塞杆总成9、第一液缸11、第二液缸12、井壁固定器7，锚爪16。管柱短接1是本体14的一部分，工作时，它连接于管柱的最前端。活塞总成13置于液缸内。活塞杆总成9将活塞总成13与井壁固定器7连接在一起。活塞杆总成9内有通道15，第一液缸11内的流体可通过该通道进入井壁固定器7的内腔。在管柱短接1与第一液缸11间设有旁通道10，它使第一液缸11内的流体与管柱短接1内的流体相连通。第一阀2安装在第二液缸12的缸壁上，它控制管柱短接1内的流体流向第二液缸12。第二阀4安装在第二液缸12的缸壁上，它控制第二液缸12内的流体流向环空。井壁固定器7内有锚爪16，它可在液力作用下伸出、缩回。控制器3置于管柱短接1上，它通过管柱内外的压差控制第一阀2、第二阀4的开启与关闭。第三阀5、第四阀6通过其触及本体14而使其打开。

整个牵引器置于井筒内，它安装在下入管柱的最前端。管柱短接1与下入管柱相连。当按常规方法下入管柱到水平井段某个位置不能再往前下入时，利用地面液力泵对下入管柱内的流体施加压力，促使牵引器工作，从而使下入管柱在水平井段内继续前行。牵引器的工作过程分为四个阶段，依次为：

开启地面泵，开启第一阀2，流体经第一阀2进入第二液缸12，推动活塞杆总成9运行，促使活塞杆总成9及井壁固定器7伸出至设计位置，第一液缸11中的流体经旁通道10进入管柱短接1内；开启第三阀5，流体经通道15进入井壁固定器7内腔，促使锚爪16伸出并固定在井壁8上；关闭第一阀2，开启第二阀4，管柱短接1内的高压流体经旁通道10进入第一液缸11，产生较大的作用力即牵引力，牵引管柱前行；开启第四阀6，井壁固定器7内腔中的高压流体流入环空而卸压，锚爪16回位，与此同时，地面泵停止工作，完成一个循环。第二个循环又重复上述过程。一个循环可使管柱前行一个冲程长度，多个循环使下入的管柱前行距离达到设计长度。

上述过程中，第一阀2、第二阀4的开启或关闭是由控制器3通过下入管柱内外的压差来控制的；第三阀5、第四阀6是通过其触及本体14来实现控制的。

根据计算，本发明可产生不小于200千牛的牵引力，其大小不受垂直井深的影响，主要取决于地面施加于管柱内的流体压力大小、管柱尺寸及牵引器的级数。

本发明的优点是：

1.能使管柱在大位移井及水平井的水平井段下入更长，更容易。

2.可与其它一些有助于管柱下入的方法联合使用，其效果更佳。

3.制造方便。

4.工作可靠。

附图说明：

图1是管柱牵引器结构示意图。

图2是活塞杆总成9及井壁固定器7伸出过程示意图。

图3是井壁固定器7内的锚爪16伸出并锚定在井壁8上的过程示意图。

图4是下入管柱在牵引力作用下前行过程示意图。

图5是井壁固定器7内的锚爪16回复原位的过程示意图。

具体实施方式

管柱牵引器主要包括管柱短接1、控制器3、第一阀2、第二阀4、第三阀5、第四阀6、旁通道10、本体14、活塞总成13、活塞杆总成9、第一液缸11、第二液缸12、井壁固定器7，锚爪16。管柱短接1是本体14的一部分，工作时，它与要下入的管柱前端相连接。活塞总成13置于液缸内。活塞杆总成9将活塞总成13与井壁固定器7连接在一起。活塞杆总成9内有通道15，第一液缸11内的流体可通过该通道进入井壁固定器7的内腔。在管柱短接1与第一液缸11间设有旁通道10，它使第一液缸11内的流体与管柱短接1内的流体相通。第一阀2安装在第二液缸12的缸壁上，第一阀2开启时，它使管柱短接1内的流体流向第二液缸12。第二阀4安装在第二液缸12的缸壁上，第二阀4开启时，它使第二液缸12内的流体流向环空。第三阀5安装在活塞杆总成9上，第四阀6装于井壁固定器7上。井壁固定器7内有锚爪16，它可在液力作用下伸出、缩回。控制器3安装在管柱短接1上，它通过要下入管柱内外的流体压差控制第一阀2、第二阀4的开启与关闭。活塞杆总成9全部伸出时，第三阀5触及本体14而使其打开；当第一液缸11牵引管柱前行至本体14与第四阀6接触时，第四阀6打开。

整个牵引器置于井筒内，它安装在要下入管柱的最前端。管柱短接1与要下入的管柱相连。当按常规方法下入管柱到水平井段某个位置不能再往前下入时，利用地面液力泵对要下入管柱内的流体施加压力，促使牵引器工作，从而使管柱在水平井段内继续前行。管柱牵引器工作一个完整的循环过程分为四个阶段：

第一阶段，如图2所示，第一阀2开启，第二阀4、第三阀5、第四阀6关闭，要下入的管柱内的流体在地面泵的作用下压力升高，流体经第一阀2进入第二液缸12，尽管第二液缸12和第一液缸11内的压力相同，但由于管柱内的流体压力即两液缸内的流体压力大于管柱外的流体压力，故作用于活塞总成13和活塞杆总成9上的力不平衡，活塞杆总成9及井壁固定器7被推出一个冲程长度，第一液缸11内的流体从旁通道10排出进入管柱短接1。

第二阶段，如图3所示：活塞杆总成9及井壁固定器7伸出到设计位置时停止运行，此时第三阀5开启，流体经第三阀5和通道15进入井壁固定器7的内腔，井壁固定器7内的锚爪16伸出，并锚定在井筒内壁8上。

第三阶段，如图4所示：当井壁固定器7上的锚爪16打开并锚在井筒内壁上，要下入的管柱内流体压力进一步增高到设定值时，控制器3动作并关闭第一阀2，接着开启第二阀4，管柱内的高压流体经旁通道10进入第一液缸11，第二液缸12内的流体经第二阀4排出进入环空，第一液缸11产生的作用力即管柱牵引力使管柱前行，直到管柱前行到设定值时为止。此时第四阀6触及本体14并打开第四阀6，井壁固定器7腔内的流体卸压，锚爪16收回。

第四阶段，如图5所示：地面泵停止工作，随着管柱内流体压力逐渐降低，第二阀4在控制器3的控制下关闭，继而第一阀2在控制器3的控制下开启，完成一个完整的循环过程。

关于牵引力的计算：

1.计算公式推导

忽略活塞总成13与液缸壁间的摩擦力，同时忽略活塞杆总成9与本体14间的摩擦力，牵引力可用下式计算：

$F=\frac{\mathrm{\π}}{4\×1000}(D^2-d^2)(p_1-p_2)\·m$

式中：F——牵引力(千牛)

D——液缸内径(mm)

d——活塞杆直径(mm)

p₁——管柱内压力(MPa)

p₂——环空压力(MPa)

m——牵引器级数

2.计算示例

以下入

套管为例，取D＝100mm，d＝50mm，p₁-p₂＝35MPa，取最少级数即取m＝1，将所取参数代入上述计算公式得：

$F=\frac{\mathrm{\π}}{4\×1000}({100}^2-{50}^2)\×35\×1$

F≈206(千牛)

3.牵引力影响因素分析

由牵引力计算公式可知，影响牵引力的参数有：液缸内径D、活塞杆直径d、管柱牵引器的级数m、管柱牵引器处管柱内流体压力与该处环空压力之差。

液缸内径D增大，牵引力以近似平方关系增大。为了获得足够大的牵引力，应尽可能取较大的液缸内径D；而内径D主要受到下入的管柱尺寸、井筒孔径、旁通道10尺寸的限制。

活塞杆直径d值越小，牵引力F越大。活塞杆直径主要受推出井壁固定器时的推力，活塞杆的稳定性要求的限制。

从理论上讲，管柱牵引器的级数越多，牵引力F越大。但级数过多，管柱牵引器每次牵引管柱前行的长度一定时，则管柱牵引器总长与级数近似成正比；若管柱牵引器总长不变，增加级数，则每次牵引管柱前行的长度就小。当采用多级时，以2级为宜。

管柱牵引器处管内流体压力与该处环空压力之差，若忽略流体沿管柱的压头损失，可近似认为压差就是地面泵对管柱内流体施加的压力。其值与地面泵所能提供的最大工作压力有关，同时还取决于管柱的强度及管柱的密封能力。

Claims (1)

1.一种管柱牵引器，其特征在于，牵引器主要包括管柱短接(1)、控制器(3)、第一阀(2)、第二阀(4)、第三阀(5)、第四阀(6)、旁通道(10)、本体(14)、活塞总成(13)、活塞杆总成(9)、第一液缸(11)、第二液缸(12)、井壁固定器(7)；管柱短接(1)是本体(14)的一部分，工作时，它与要下入的管柱前端相连接；活塞总成(13)置于第一液缸(11)、第二液缸(12)内；在管柱短接(1)与第一液缸(11)间设有旁通道(10)，它使第一液缸(11)内的流体与管柱短接(1)内的流体相连通；活塞杆总成(9)将活塞总成(13)与井壁固定器(7)连接在一起，活塞杆总成(9)内有通道(15)，第一液缸(11)内的流体可通过通道(15)进入井壁固定器(7)的内腔；第一阀(2)安装在第二液缸(12)的缸壁上，它控制管柱短接(1)内的流体流向第二液缸(12)；第二阀(4)安装在第二液缸(12)的缸壁上，它控制第二液缸(12)内的流体流向环空；第三阀(5)安装在活塞杆总成(9)上，第四阀(6)装于井壁固定器(7)上，当本体(14)触及第三阀(5)或第四阀(6)时，第三阀(5)或第四阀(6)打开；井壁固定器(7)内有锚爪(16)，锚爪(16)可在液力作用下伸出、缩回；控制器(3)安装在管柱短接(1)上，它通过管柱内外的流体压差控制第一阀(2)、第二阀(4)的开启与关闭。 

Images