CN102654035A - 用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，包括由上至下依次连接的连续油管、连续油管接头、上部快速连接接头、下部快速连接接头、执行机构、动力钻具和钻头，所述连续油管接头、所述上部快速连接接头、所述下部快速连接接头、所述执行机构、所述动力钻具及所述钻头之间依次通过螺纹连接，所述连续油管与所述连续油管接头之间通过无头螺钉连接或卡接。本发明避免使用钻铤和钻杆，减少了起下钻过程中卸装和连接单根或立柱或钻铤的时间，钻井或钻孔作业速度快、效率高。具有结构简单、工作可靠、适用范围广的优点。

Description

用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构

技术领域

本发明涉及一种底部钻具组合结构，尤其涉及一种石油、天然气、煤层气、页岩气开采等领域的连续油管钻井或地质、铁路、电力、通讯等领域的连续油管钻孔底部钻具组合结构，属于钻井或钻孔技术领域。

背景技术

连续油管钻井或钻孔是20世纪90年代国外发展起来的热门技术，随着相关技术的研究和改进，其应用越来越广泛，已经扩展到石油行业上游各个领域，并显示出良好的发展前景。由于连续油管钻井或钻孔广泛的适应性、高效、快速、低成本、低污染等优势，必将成为钻井或钻孔技术发展的重要方向。连续油管钻井或钻孔技术有可能成为未来钻井或钻孔技术发展的主流，最终引发一场革命。目前，我国在连续油管钻井或钻孔领域的研究尚处于起步阶段，连续油管钻机及其配套装备和技术的研究水平极低，严重制约了连续油管钻井或钻孔技术在我国的应用，因此研究适合我国国情的连续油管钻井或钻孔井下工具及配套技术成为本领域的特别重要的课题之一。

钻柱中的底部钻具组合结构是钻井或钻孔技术的重要组成部分。常规转盘或顶驱钻机进行石油天然气钻井或地质钻孔增斜或降斜底部钻具组合结构通常由钻头、动力钻具、钻铤、稳定器、各种接头、钻杆等组成，即如图1所示，常规转盘或顶驱钻机钻进增斜或降斜的底部钻具组合结构包括稳定器11、动力钻具12、钻头13、无磁钻铤14、较大直径钻铤15、较小直径钻铤16、加重钻杆17、低强度钻杆18和高强度钻杆19。而稳斜或降斜底部钻具组合结构通常由钻头、钻铤、稳定器、各种接头、钻杆等组成，即如图2所示，转盘或顶驱钻机复合钻进稳斜的底部钻具组合结构包括稳定器11、动力钻具12、钻头13、无磁钻铤14、较大直径钻铤15、较小直径钻铤16、加重钻杆17、低强度钻杆18、高强度钻杆19和稳定器20。钻进过程中钻头钻进所需钻压来源于钻铤在钻井液或循环洗井介质中的重量，钻头旋转动力来源于转盘、顶驱或动力钻具，破碎岩石时地层岩石对钻头产生的反扭矩由钻铤、稳定器、钻杆、各种接头、方钻杆等井下钻井工具传递给井壁岩石、钻井液和转盘或水龙头-钻井马达总成或导轨。但常规钻井或钻孔底部钻具组合不适用于连续油管钻机钻井，而现有的连续油管钻机不同于常规钻机，它主要由动力系统、控制系统、井控系统、注入头和连续油管卷筒等5大部分组成，它没有转盘或导轨，不能承担反扭矩。

有鉴于上述现有技术存在的缺点，本设计人基于从事相关科研及现场经验和专业知识，积极加以改进和创新，以期实现一种结构简单、工作可靠、适用于连续油管钻机钻井或钻孔的底部钻具组合结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、工作可靠、适用于连续油管钻机钻井或钻孔的底部钻具组合结构。

为达到上述目的，本发明提出一种用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，包括由上至下依次连接的连续油管、连续油管接头、上部快速连接接头、下部快速连接接头、执行机构、动力钻具和钻头，所述连续油管接头、所述上部快速连接接头、所述下部快速连接接头、所述执行机构、所述动力钻具及所述钻头之间依次通过螺纹连接，所述连续油管与所述连续油管接头之间通过无头螺钉连接或卡接。

如上所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其中，所述执行机构包括由上至下依次螺纹连接的释放短节、循环控制阀、随钻测量与传输仪、爬行机构、转向机构、安全回压阀和稳定器。

如上所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其中，所述释放短节为球式操作液力剪切释放短节；所述循环控制阀为双作用循环控制阀；所述随钻测量与传输仪为包括用于测量参数的传感器和用于传输信号的信号传输仪；所述爬行机构为伸缩式支撑牵引爬行机构；所述转向机构为液压活塞推动槽销式转向机构；所述安全回压阀为双挡板式单向安全回压阀；所述稳定器为液力可变径稳定器；所述动力钻具为弯壳体动力钻具。

如上所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其中，所述执行机构包括由上至下依次螺纹连接的涡轮发电机与随钻测量信号传输短节、球式操作液压力剪切释放短节、双作用循环控制阀、随钻测量仪、伸缩式支撑牵引爬行机构、液压活塞推动槽销式转向机构、双挡板式单向回压阀和刚性旋转叶片型稳定器。

如上所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其中，所述动力钻具为弯壳体动力钻具。

如上所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其中，所述执行机构包括由上至下依次螺纹连接的随钻测量与传输仪、伸缩式支撑牵引爬行机构、液压活塞推动槽销式转向机构和动力马达头，所述动力马达头包括由上至下依次螺纹连接且沿同一轴线设置的双挡板式单向安全回压阀、球式操作液力剪切释放短节和双作用循环控制阀。

如上所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其中，所述动力钻具为直壳体动力钻具。

如上所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其中，所述动力钻具为螺杆钻具或涡轮钻具或电动钻具。

如上所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其中，所述稳定器为液力变径稳定器或刚性旋转叶片型稳定器或槽形稳定器或弓形弹簧稳定器。

如上所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其中，所述转向机构为推靠式或指向式转向机构或液压活塞推动槽销式或电机旋转式转向机构。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

本发明避免使用钻铤和钻杆，减少了起下钻过程中卸装和连接单根或立柱或钻铤的时间，钻井或钻孔作业速度快、效率高。具有结构简单、工作可靠、适用范围广的优点。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1为现有的常规转盘或顶驱钻机钻进增斜或降斜的底部钻具组合结构；

图2为现有的转盘或顶驱钻机复合钻进稳斜的底部钻具组合结构；

图3为本发明的用于连续油管钻机钻井或钻孔的底部钻具组合结构的结构示意图；

图4为本发明的实施例一的结构示意图；

图5为本发明的实施例二的结构示意图；

图6为本发明的实施例三的结构示意图。

附图标记说明：

现有技术：11-稳定器；12-动力钻具；13-钻头；14-无磁钻铤；15-较大直径钻铤；16-较小直径钻铤；17-加重钻杆；18-低强度钻杆；19-高强度钻杆；20-稳定器。

本发明：1-连续油管；2-连续油管接头；3-上部快速连接接头；4-下部快速连接接头；5-释放短节；6-循环控制阀；7-随钻测量与传输仪；8-爬行机构；9-转向机构；10-安全回压阀；11-稳定器；12-动力钻具；13-钻头；21-双挡板式单向安全回压阀；22-液压活塞推动槽销式转向机构；23-伸缩式支撑牵引爬行机构；24-随钻测量仪；25-双作用循环控制阀；26-球式操作液力剪切释放短节；27-涡轮发电机与随钻测量信号传输短节；28-刚性旋转叶片型稳定器；29-弯壳体动力钻具；30-直壳体动力钻具；31-动力马达头。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具

体实施方式。

请参考图3，为本发明的用于连续油管钻机钻井或钻孔的底部钻具组合结构的结构示意图。如图所示，本发明提出的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，包括由上至下依次连接的连续油管1、连续油管接头2、上部快速连接接头3、下部快速连接接头4、执行机构、动力钻具12和钻头13，连续油管接头2、上部快速连接接头3、下部快速连接接头4、执行机构、动力钻具12及所述钻头13之间依次通过螺纹连接，连续油管1与所述连续油管接头2之间通过无头螺钉连接或卡接，从而将连续油管1与连续油管接头2连接在一起。其中，执行机构包括由上至下依次螺纹连接的释放短节5、循环控制阀6、随钻测量与传输仪7、爬行机构8、转向机构9、安全回压阀10和稳定器11。在使用时，本发明的具体工作过程为：连续油管钻井或钻孔时，钻头13钻进所需钻压由位于其上的动力钻具12产生的轴向水力载荷及爬行机构8产生的轴向推力共同提供，钻头13钻进所需旋转扭矩由动力钻具12提供，钻头13钻进产生的反扭矩由稳定器11、爬行机构8、连续油管1传递给井壁、钻井液及注入头；稳定器11及钻头13与井壁接触，形成2个支点，确保动力钻具12外壳体不与井壁摩擦接触，使之不被井壁岩石磨损损坏，稳定器11同时还使钻头13中心线与井眼或孔眼中心线基本重合，确保钻头13工作稳定；安全回压阀10的作用是在地面设备或连续油管串出故障时阻止井中或孔中流体经底部钻具组合回流至连续油管或地面而发生复杂或事故；转向机构9的作用是使钻头13沿预先设计的定向井眼或孔眼轨道钻进或当实钻井眼或孔眼轨迹偏离设计轨道时使动力钻具工具面转动需要的角度；爬行机构8的作用是钻进时一方面在工作液压差作用下产生轴向推力，促使爬行机构8与钻头13之间的所有工具向前运动，钻头13获得钻压，另一方面产生足够的径向支撑力以使爬行机构8本身与井眼或孔眼之间不发生相对旋转运动，提供给转向机构9稳定的转向定位基准；随钻测量与传输仪7的作用是钻进过程中实时测量井眼或孔眼实钻轨迹参数信息并实时传输到地面接收与处理设备，使地面工程操作人员能实时掌握实钻井眼或孔眼轨迹是否符合或偏离设计井眼或孔眼轨道，从而决定转向机构9是否需要转向或旋转；循环控制阀6的作用是当连续油管钻井或钻孔底部钻具组合结构堵塞，循环工作介质(钻井液或其它流体)无法循环时，控制阀内过高的压力压裂预先设置的具有不同破裂压力的破裂盘或投球剪断球座销钉，建立循环控制阀6的循环孔之上的连续油管与环空之间的循环通道；释放短节5的作用是当释放短节5下接头之下部分底部钻具组合工具遇卡时，释放短节5一分为二，使连续油管1与释放短节5下接头之下部分底部钻具组合工具暂时分离，等待下入释放接头回收工具回收先期释放的部分底部钻具组合。与现有技术相比，本发明避免使用钻铤和钻杆，减少了起下钻过程中卸装和连接单根或立柱或钻铤的时间，钻井或钻孔作业速度快、效率高。本发明的连续油管1发挥了钻杆应有的部分作用，爬行机构8和动力钻具12发挥了钻铤应有的加压作用。

本发明在连续油管1与动力钻具12或稳定器11之间设置了释放短节5、循环控制阀6、随钻测量与传输仪7、爬行机构8、转向机构9、安全回压阀10。各部件或仪器在钻井或钻孔过程中的重要作用分别是：

释放短节5，可以是球式操作液压力剪切释放短节，也可以是机械剪切释放短节。当底部钻具遇卡时，释放短节5一分为二，可使连续油管1与释放短节5下接头之下部分与钻具暂时分离，等待下入释放接头回收工具回收先期释放的部分底部钻具组合。上述释放短节均由上、下两部分组成，通过销钉联接在一起；当井下需要时，通过投入钢球堵塞流道产生轴向力剪断销钉或施加轴向拉力剪断销钉，起到释放的作用。释放短节5的具体结构和工作原理均为已有技术，在此不再详细描述。

循环控制阀6，可以是脉冲盘式循环阀或球式循环阀，也可以是双作用循环控制阀。当连续油管钻井或钻孔底部钻具组合结构堵塞，循环工作介质(钻井液或其它流体)无法循环时，过高的压力会压裂预先设置不同压力的破裂盘，或再投球剪断球座销钉，从而建立油管与环空之间的全循环通道。循环控制阀6的具体结构和工作原理均为已有技术，在此不再详细描述。

随钻测量与传输仪7，主要包括用于测量井斜角、方位角、工具面角、井深、地层岩石组成信息等参数的传感器与用于传输信号的信号传输仪。参数测量传感器与信号传输仪可以组合在一起，也可以分开成两个独立短节。钻进时实时测量井眼或孔眼轨迹信息并实时传输到地面接收与处理设备。传感器与信号传输仪可以是两个独立的短节，传感器主要采集信号，信号传输仪将传感器采集到的信号通过无线或有线方式传送到地面接收设备。采用有线传输方式时，为了减小井下仪器的总长度，就将各种传感器及信号传输仪器组装在同一壳体内；采用无线传输方式时，井下各种传感器及信号传输仪器的电源来自于井下涡轮发电机，此时信号传输仪器常与发电机组装在同一壳体内，并置于下部连接接头之下、其它仪器设备之上。

爬行机构8，可以是轮式牵引爬行机构，也可以是伸缩式支撑牵引爬行机构。钻进时，爬行机构一方面在工作液压差作用下产生轴向推力，促使爬行机构8与钻头13之间的所有工具向前运动，钻头13获得钻压(连续油管钻井时钻头的钻压来源于动力钻具工作压降产生的轴向水力推力和爬行机构产生的轴向推力)；另一方面产生足够的径向支撑力以保持动力钻具工具面角相对稳定。爬行机构8的具体结构和工作原理均为已有技术，在此不再详细描述。

转向机构9，可以是推靠式或指向式转向机构，也可以是液压活塞推动槽销式或电机旋转式转向机构。当井眼轨迹方位线偏离设计值时转向机构使动力钻具工具面转动需要的角度。转向机构9的具体结构和工作原理均为已有技术，在此不再详细描述。

安全回压阀10，可以是双挡板式单向回压阀或带旁通的双挡板式单向回压阀，也可以是球式单向回压阀；其作用是在地面设备或连续油管串出故障时阻止井或孔中流体回流至连续油管。安全回压阀10的具体结构和工作原理均为已有技术，在此不再详细描述。

下面对本发明的几个实施例作进一步的说明：

实施例一：

图4为发明实施例一的结构示意图。

如图4所示，在本实施中，本发明提出的连续油管钻进增斜或降斜底部钻具组合结构，其从上至下主要由连续油管1、连续油管接头2、上部快速连接接头3、下部快速连接接头4、球式操作液力剪切释放短节26、双作用循环控制阀25、随钻测量与传输仪7、伸缩式支撑牵引爬行机构23、液压活塞推动槽销式转向机构22、双挡板式单向安全回压阀21、液力可变径稳定器11、弯壳体动力钻具29和钻头13组成。其具体结构和作用与前述内容相容，在此不再重复。

实施例二：

图5为发明实施例二的结构示意图。

如图5所示，本发明提出的连续油管钻进增斜或降斜底部钻具组合结构，其从上至下主要由连续油管1、连续油管接头2、上部连接接头3、下部连接接头4、涡轮发电机与随钻测量信号传输短节27、球式操作液压力剪切释放短节26、双作用循环控制阀25、随钻测量仪24、伸缩式支撑牵引爬行机构23、液压活塞推动槽销式转向机构22、双挡板式单向回压阀21、刚性旋转叶片型稳定器28、弯壳体动力钻具12和钻头13组成。

本实施例与实施例一的不同之处在于，实施例一中随钻测量与信号传输由同一个短节完成，而实施例二中随钻信号测量与信号传输分别由随钻测量仪24和涡轮发电机与随钻测量信号传输短节27两个短节完成，且随钻测量仪24和涡轮发电机与随钻测量信号传输短节27两个短节相距较远，随钻测量仪24主要测量由伸缩式支撑牵引爬行机构23、液压活塞推动槽销式转向机构22、双挡板式单向回压阀21、刚性旋转叶片型稳定器28、弯壳体动力钻具12和钻头13共同所在平面的方位，所在轴线与铅垂线间的夹角等参数；而由伸缩式支撑牵引爬行机构23、液压活塞推动槽销式转向机构22、双挡板式单向回压阀21、刚性旋转叶片型稳定器28、弯壳体动力钻具12和钻头13共同组成的工具串，由于直径有大有小，工具串轴线又是弯曲的，很容易发生被卡在井内现象。一旦被卡，通过投球使释放短节26内部销钉被轴向水力推力剪断，暂时将被卡工具串放置在井内，等待后续处理。涡轮发电机与随钻测量信号传输短节27外径小，轴线为直线不易被卡。为了减小被卡井内工具串的长度，将涡轮发电机与随钻测量信号传输短节27设置在释放短节26之上。另外，实施例一中的稳定器采用液力可变径稳定器11，而实施例二中的稳定器采用刚性旋转叶片型稳定器28。

实施例三：

图6为发明实施例三的结构示意图。

如图6所示，本发明提出一种连续油管钻进稳斜底部钻具组合，它从上至下主要由连续油管1、连续油管接头2、上部快速连接接头3、下部快速连接接头4、随钻测量与传输仪7、伸缩式支撑牵引爬行机构23、液压活塞推动槽销式转向机构22、动力马达头31、直壳体动力钻具30和钻头13组成。

本实施例与实施例二的不同之处在于，实施例三中双挡板式单向安全回压阀21、球式操作液力剪切释放短节26、双作用循环控制阀25三个短节集中在一起，形成了一个轴向尺寸小的短节，这个短节又称动力马达头31，为了减小井下工具串的轴向尺寸，双挡板式单向安全回压阀21、球式操作液力剪切释放短节26、双作用循环控制阀25三个短节按从上到下的顺序通过API标准螺纹或PAC螺纹连接在一起，能共用一个壳体的就共用一个壳体，且同轴设置于动力钻具上方；本实施例中的动力钻具外壳体是直的，适用于稳斜钻进，而实施例一和实施例二中的动力钻具外壳体是弯的，适用于增斜或降斜钻进。

综上所述，本发明用于连续油管钻机钻井或钻孔的底部钻具组合结构，具有结构简单、工作可靠、适用范围广的优点，可适用于石油、天然气、煤层气、页岩气开采等领域的连续管钻井或地质、铁路、电力、通讯等领域的连续管钻孔。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其特征在于，所述底部钻具组合结构包括由上至下依次连接的连续油管、连续油管接头、上部快速连接接头、下部快速连接接头、执行机构、动力钻具和钻头，所述连续油管接头、所述上部快速连接接头、所述下部快速连接接头、所述执行机构、所述动力钻具及所述钻头之间依次通过螺纹连接，所述连续油管与所述连续油管接头之间通过无头螺钉连接或卡接。

2.如权利要求1所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其特征在于，所述执行机构包括由上至下依次螺纹连接的释放短节、循环控制阀、随钻测量与传输仪、爬行机构、转向机构、安全回压阀和稳定器。

3.如权利要求2所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其特征在于，所述释放短节为球式操作液力剪切释放短节；所述循环控制阀为双作用循环控制阀；所述随钻测量与传输仪为包括用于测量参数的传感器和用于传输信号的信号传输仪；所述爬行机构为伸缩式支撑牵引爬行机构；所述转向机构为液压活塞推动槽销式转向机构；所述安全回压阀为双挡板式单向安全回压阀；所述稳定器为液力可变径稳定器；所述动力钻具为弯壳体动力钻具。

4.如权利要求1所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其特征在于，所述执行机构包括由上至下依次螺纹连接的涡轮发电机与随钻测量信号传输短节、球式操作液压力剪切释放短节、双作用循环控制阀、随钻测量仪、伸缩式支撑牵引爬行机构、液压活塞推动槽销式转向机构、双挡板式单向回压阀和刚性旋转叶片型稳定器。

5.如权利要求4所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其特征在于，所述动力钻具为弯壳体动力钻具。

6.如权利要求1所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其特征在于，所述执行机构包括由上至下依次螺纹连接的随钻测量与传输仪、伸缩式支撑牵引爬行机构、液压活塞推动槽销式转向机构和动力马达头，所述动力马达头包括由上至下依次螺纹连接且沿同一轴线设置的双挡板式单向安全回压阀、球式操作液力剪切释放短节和双作用循环控制阀。

7.如权利要求6所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其特征在于，所述动力钻具为直壳体动力钻具。

8.如权利要求1所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其特征在于，所述动力钻具为螺杆钻具或涡轮钻具或电动钻具。

9.如权利要求2所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其特征在于，所述稳定器为液力变径稳定器或刚性旋转叶片型稳定器或槽形稳定器或弓形弹簧稳定器。

10.如权利要求2所述的用于连续油管钻井或钻孔的底部钻具组合结构，其特征在于，所述转向机构为推靠式或指向式转向机构或液压活塞推动槽销式或电机旋转式转向机构。

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