CN102817567A - 一种油气钻井井下重复起震装置及起震方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油气钻井井下重复起震装置及起震方法，其特征在于：它包括一中部具有台肩的外筒，外筒内插设有上接头，上接头连接外筒的上口；上接头的中部与外筒之间套设有一连接冲击锤的弹簧，冲击锤与外筒之间滑动夹设有套筒；套筒的上部均布有三个卡设有弧形卡的结构槽，在结构槽下方套设有止推环；止推环下方的外筒内壁设置有一限位环；套筒内径的中部具有一圈铁砧，铁砧的垂向设置有若干连通孔，套筒下半段的内径滑动地套设有操作套筒，操作套筒连接在上接头的末端；操作套筒的上口外缘设置有一圈凸台；套筒下半段的外径设置有套接内花键接头的外花键，外筒的下口固定连接内花键接头；外花键末端连接下接头。它可以广泛用于油气钻探井下重复起震需要信号的作业之中。

Description

一种油气钻井井下重复起震装置及起震方法

技术领域

本发明涉及一种钻井装置，特别是关于一种油气钻井井下重复起震装置及起震方法。

背景技术

在石油开采钻井中，为了识别地层及钻头位置等，需要采用一种在井下重复起震的装置，以通过采集这种起震装置所产生的振动信号，达到识别井下状态、地层特性和钻头位置等的目的。例如，在丛式井钻井过程中为防止各井眼之间的碰撞，就需要采用这种工具，来识别钻头距风险套管间的距离。因为井眼之间一旦发生碰撞，其产生的后果是非常严重，不仅会造成巨大的经济损失，同时还会造成严重的环境污染。以往解决防碰问题的主要方法是：采用井眼轨道设计、随钻测量和防碰扫描等技术，但在不同的条件下均因存在一定的不足而不能避免将钻头打到邻井套管，因此需要采用一种或多种方式来补充。

现有技术中，依据监测套管头振动波的防碰监测方法已经成为一种防碰监测的有效手段，它通过安装在风险邻井套管头部位的加速度传感器，采集和分析由钻头破岩时所产生振动波的信号，判断井眼是否具有碰撞邻井套管的风险因素，并基于信号传播规律，建立井眼防碰模型，计算钻头距邻井井筒的最近距离。但由于钻头信号扩散衰减和地层介质的吸收衰减作用以及震动波在套管中传播时的衰减作用，因此在较深层段的钻头信号传递的距离有限，限制了此项技术的深层应用。无论是地层特征测量还是钻头位置测量，都希望能产生一种具有独立特征，便于识别而不受或少受外界干扰的信号。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的提供一种能够监测井眼之间防碰和能计算井间距离，并能识别地层特征规定信号的油气钻井井下重复起震装置及起震方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种油气钻井井下重复起震装置，其特征在于：它包括一外筒，所述外筒内插设有一具有中心孔的上接头，所述上接头顶部的中心孔设置有与上部钻具连接的内螺纹，所述上接头通过螺纹连接在所述外筒的上口；所述上接头的中部与所述外筒之间套设有一弹簧，所述弹簧的底部连接一冲击锤，所述冲击锤与所述外筒之间滑动夹设有一套筒；所述外筒内壁的中部具有一加大内径的台肩，所述台肩下方的所述外筒内壁滑动地设置有一止推环，所述止推环下方的所述外筒内壁设置有一通过外螺纹与其连接的限位环；所述套筒滑动地穿设在所述限位环内，所述套筒的上部沿周向均布有三个弧形结构槽，所述套筒外壁的结构槽下方紧密地套设在一具有渐缩台肩止推环内；在每一个所述结构槽内均卡设有一弧形卡，所述套筒内径的中部具有一圈凸出的铁砧，所述铁砧的垂向设置有若干连通孔，所述套筒下半段的内径滑动地套设有一操作套筒，所述操作套筒通过螺纹连接在上接头的末端；所述操作套筒的上口外缘设置有控制冲击锤上行的一圈凸台；所述套筒下半段的外径设置有矩形外花键，所述外花键滑动地套接一内花键接头，所述外筒的下口通过若干螺栓固定连接内花键接头；所述外花键末端通过螺纹连接一下接头，所述下接头外壁设置有用于连接下部钻具的螺纹。

所述弧形卡的形状为30°弧形结构；所述结构槽中内部开度小于弧形卡的截面直径。

上述一种油气钻井井下重复起震装置的起震方法，其包括以下步骤：1）正常钻进状态时，弹簧处于自然伸展状态，此时冲击锤与套筒铁砧之间处于贴合状态；而止推环的渐缩台肩与套筒结构槽正处于同一水平位置，弧形卡的外侧卡靠在止推环的渐缩台肩中；震源在钻压的作用下，其内花键接头与下接头一直处于贴合状态；钻进扭矩靠套筒的花键副传递，钻压通过内花键接头底部与下接头的接触传递；震源不会产生震击作用，只是作为钻具的一部分传递扭矩和钻压；2）根据检测要求，需要起震时，首先停止钻具转动，上提上部钻具，上接头带动操作套筒一同上移，操作套筒的凸台推动冲击锤和弹簧整体上移，此时弹簧仍然处于自然伸展状态；限位环也随着外筒一同上移；由于套筒末端连接下接头，而下接头又和井下动力钻具及钻头连接，因此靠自重保持静止不动，且钻头仍与地层接触；3）当冲击锤上移至弧形卡上端时，限位环与止推环接触，上部钻具还在继续上行，限位环推动止推环上行，止推环的渐缩台肩向内挤推弧形卡，使弧形卡进入套筒的结构槽内，并有部分弧形卡突出到套筒内壁形成三个控制冲击锤下行的卡点，承托在冲击锤底部，停止钻具的上提；4）下放上部钻具，由于弧形卡限制了冲击锤下行，而上部钻具带动上接头继续下行，进而使弹簧受压储蓄能量，当上接头带动外筒内壁台肩下行与止推环顶部接触时，此时弹簧压缩量为最大，储蓄能量也达到最大值，震源处于待激发状态；5）上接头带动外筒继续下行，当台肩下行至止推环与套筒的结构槽处在同一水平位置时，弧形卡在冲击锤的推挤作用下向外胀开，回到止推环的渐缩台肩中，使套筒内壁承托冲击锤的卡点消失，弹簧释放弹性动能带动冲击锤迅速下行冲击套筒的铁砧实现一次起震，即产生一次标志性信号；6）当冲击动作完成后，弹簧恢复到自然伸展状态，震源也恢复到步骤1）；重复上述步骤2）、3）、4)和5)的动作，即可以实施下一次起震。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用弹簧直接连接冲击锤，而弹簧作为储能的关键构件，通过外筒内壁的台肩与套设在套筒上的止推环的渐缩台肩及冲击锤的配合挤压或容纳弧形卡，因此可以灵活控制冲击锤下行击打套筒的铁砧。2、本发明由于在操作套筒顶部的外缘设置有一圈凸台用于推动冲击锤上行，使压缩弹簧储蓄能量，因此使钻具运行更加稳定、机械结构简单、可靠、易于实现起震。3、本发明为了避免弧形卡掉入套筒的内腔，在结构槽中采用内部开度小于弧形卡的截面直径，因此使部分弧形卡突出到套筒内腔中的三个卡点承托冲击锤更加牢固，延长了震动装置的使用寿命。4、本发明由于采用套筒下部的矩形外花键结构连接内花键接头，因此可以实现震源内使外筒的上、下伸缩行程的同时增大传递上部钻具的扭矩。5、本发明由于在上接头与外筒上口、上接头的末端与操作套筒和套筒与下接头分别通过细牙螺纹固定连接，因此可以降低对密封的要求。本发明可以广泛用于油气钻探施工中需要井下重复起震需要标志振动信号的作业之中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是套筒的结构槽结构示意图

图3是图2的剖视示意图

图4是弧形卡的结构示意图

图5是套筒的结构槽与弧形卡连接状态示意图

图6是止推环的结构示意图

图7是操作套筒的局部结构示意图

图8是套筒与内花键接头的连接状态示意图

图9是弹簧处于钻具自然状态示意图

图10是弹簧处于钻具上提状态示意图

图11是限位环上移至止推环底部状态示意图

图12是外筒的台肩下行至止推环顶部状态示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明装置包括一外筒1，外筒1内插设有一具有中心孔的上接头2，上接头2顶部的中心孔设置有与上部钻具连接的内螺纹21，上接头2通过螺纹连接在外筒1的上口。上接头2的中部与外筒1之间套设有一弹簧3，弹簧3的底部连接一冲击锤4，冲击锤4与外筒1之间滑动夹设有一套筒5。外筒1内壁的中部具有一加大内径的台肩1a，在台肩1a下方的外筒1内壁滑动地设置有一止推环6，在止推环6下方的外筒1内壁设置有一通过外螺纹与其连接的限位环7。套筒5滑动地穿设在限位环7内，套筒5的上部沿周向均布有三个弧形的结构槽51（如图2、图3所示），在套筒5外壁结构槽51的下方紧密地套设在一具有渐缩台肩61的止推环6内（如图6所示)。在每一个结构槽51内均卡设有一弧形卡8（如图4、图5所示），套筒5内径的中部具有一圈凸出的铁砧52，在铁砧52的垂向设置有若干连通孔53，套筒5下半段的内径滑动地套设有一操作套筒9，操作套筒9通过螺纹连接在上接头2的末端。操作套筒9的上口外缘设置有控制冲击锤4上行的一圈凸台91（如图7所示）。套筒5下半段的外径设置有矩形外花键54，外花键54滑动地套接一内花键接头10（如图1、图8所示），外筒1下口通过若干螺栓固定连接内花键接头10。外花键54末端通过螺纹连接一下接头11，下接头11外壁设置有用于连接下部钻具的螺纹111。

上述实施例中，如图4、图5所示，弧形卡8的形状为30°弧形结构。为了避免弧形卡8掉入套筒5的内腔，在弧形结构槽51中内部开度小于弧形卡8的截面直径。

上述实施例中，如图1、图8所示，套筒5下部的矩形外花键54与内花键接头10配合，以实现外筒1上、下伸缩行程的同时增大传递上部钻具的扭矩。

上述实施例中，如图6、图9、图10、图11所示，止推环6的渐缩台肩61用于控制弧形卡8伸开或收缩，止推环6的渐缩台肩61的内径大于弧形卡8的弧形外径，当弧形卡8胀开时可以进入止推环6的渐缩台肩61中，使冲击锤4下落。

上述实施例中，如图1所示，外筒1与上接头2之间安装的弹簧3可以根据工作需要轴向伸长或压缩，冲击锤4通过压缩弹簧3储蓄能量（如图12所示），释放时用于击打下部套筒5的铁砧52处（如图11所示），使下接头11向下的冲击起震。

上述实施例中，如图1所示，上接头2与外筒1上口、上接头2的末端与操作套筒9和套筒5与下接头11分别通过细牙螺纹固定连接。

上述实施例中，套筒5上开有连通孔53，用于冲击作用时排除流体对冲击的影响。

上述实施例中，如图12所示，止推环6与套筒5为紧密配合，当外筒1内壁的限位环7推动止推环6向上运动，止推环6向内挤推弧形卡8，使弧形卡8进入套筒5的弧形结构槽51内，并有部分弧形卡8突入套筒5的内壁，形成三个控制冲击锤4下行的卡点。

上述实施例中，如图9、图10、图11所示，当外筒1内壁的台肩1a与止推环6顶部接触，共同行至套筒5的结构槽51处均在同一水平位置时，弧形卡8胀开卡靠在止推环6的渐缩台肩61内，使套筒5内壁承托冲击锤4的三个卡点消失，弹簧3释放弹性动能带动冲击锤4迅速下行，冲击锤4冲击套筒5的铁砧52实现起震。

本发明装置的起震方法包括以下步骤：

1）如图9所示，正常钻进状态时，弹簧3处于自然伸展状态，此时冲击锤4与套筒5铁砧52之间处于贴合状态。而止推环6的渐缩台肩61与套筒5的结构槽51正处于同一水平位置，弧形卡8外侧卡靠在止推环6的渐缩台肩61中。震源在钻压的作用下，其内花键接头10与下接头11一直处于贴合状态。钻进扭矩靠套筒5的花键副传递，钻压通过内花键接头10底部与下接头11的接触传递。震源不会产生震击作用，只是作为钻具的一部分传递扭矩和钻压。

2）如图10所示,根据检测要求，需要起震时，首先停止钻具转动，上提上部钻具，上接头2带动操作套筒9一同上移，操作套筒9的凸台91推动冲击锤4和弹簧3整体上移，此时弹簧3仍然处于自然伸展状态。限位环7也随着外筒1一同上移。由于套筒5末端连接下接头11，而下接头11又和井下动力钻具及钻头连接，因此靠自重保持静止不动，且钻头仍与地层接触。

3）如图11所示，当冲击锤4上移至弧形卡8上端时，限位环7与止推环6接触，上部钻具还在继续上行，限位环7推动止推环6上行，止推环6的渐缩台肩61向内挤推弧形卡8，使弧形卡8进入套筒5的结构槽51内，并有部分弧形卡8突入套筒5的内壁形成三个控制冲击锤4下行的卡点，承托在冲击锤4底部，停止钻具的上提。

4）如图12所示，下放上部钻具，由于弧形卡8限制了冲击锤4下行，而上部钻具带动上接头2继续下行，进而使弹簧3受压储蓄能量，当上接头2带动外筒1内壁台肩1a下行至与止推环6顶部接触时，此时弹簧3压缩量为最大，储蓄能量也达到最大值，震源处于待激发状态。

5）上接头2带动外筒1继续下行，当台肩1a下行至止推环6与套筒5的结构槽51处在同一水平位置时，弧形卡8在冲击锤4的推挤作用下向外胀开，回到止推环6的渐缩台肩61中，使套筒5内壁承托冲击锤4的卡点消失，弹簧3释放弹性动能带动冲击锤4迅速下行冲击套筒5的铁砧52实现一次起震，即产生一次标志性信号。

6）当冲击动作完成后，弹簧3恢复到自然伸展状态，震源也恢复到步骤1）的初始状态。重复上述步骤2）、3）、4)和5)的动作，即可以实施下一次起震。

为保证震击信号不受外界干扰，在上提上部钻具的动作完成后，需要关闭钻机所有动力设备后，再完成上部钻具下放的冲击过程，以减小噪音对检测信号的影响。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种油气钻井井下重复起震装置，其特征在于：它包括一外筒，所述外筒内插设有一具有中心孔的上接头，所述上接头顶部的中心孔设置有与上部钻具连接的内螺纹，所述上接头通过螺纹连接在所述外筒的上口；所述上接头的中部与所述外筒之间套设有一弹簧，所述弹簧的底部连接一冲击锤，所述冲击锤与所述外筒之间滑动夹设有一套筒；所述外筒内壁的中部具有一加大内径的台肩，所述台肩下方的所述外筒内壁滑动地设置有一止推环，所述止推环下方的所述外筒内壁设置有一通过外螺纹与其连接的限位环；所述套筒滑动地穿设在所述限位环内，所述套筒的上部沿周向均布有三个弧形结构槽，所述套筒外壁的结构槽下方紧密地套设在一具有渐缩台肩止推环内；在每一个所述结构槽内均卡设有一弧形卡，所述套筒内径的中部具有一圈凸出的铁砧，所述铁砧的垂向设置有若干连通孔，所述套筒下半段的内径滑动地套设有一操作套筒，所述操作套筒通过螺纹连接在上接头的末端；所述操作套筒的上口外缘设置有控制冲击锤上行的一圈凸台；所述套筒下半段的外径设置有矩形外花键，所述外花键滑动地套接一内花键接头，所述外筒的下口通过若干螺栓固定连接内花键接头；所述外花键末端通过螺纹连接一下接头，所述下接头外壁设置有用于连接下部钻具的螺纹。

2.如权利要求1所述的一种油气钻井井下重复起震装置，其特征在于：所述弧形卡的形状为30°弧形结构；所述结构槽中内部开度小于弧形卡的截面直径。

3.如权利要求1或2所述的一种油气钻井井下重复起震装置的起震方法，其包括以下步骤：

1）正常钻进状态时，弹簧处于自然伸展状态，此时冲击锤与套筒铁砧之间处于贴合状态；而止推环的渐缩台肩与套筒结构槽正处于同一水平位置，弧形卡的外侧卡靠在止推环的渐缩台肩中；震源在钻压的作用下，其内花键接头与下接头一直处于贴合状态；钻进扭矩靠套筒的花键副传递，钻压通过内花键接头底部与下接头的接触传递；震源不会产生震击作用，只是作为钻具的一部分传递扭矩和钻压；

2）根据检测要求，需要起震时，首先停止钻具转动，上提上部钻具，上接头带动操作套筒一同上移，操作套筒的凸台推动冲击锤和弹簧整体上移，此时弹簧仍然处于自然伸展状态；限位环也随着外筒一同上移；由于套筒末端连接下接头，而下接头又和井下动力钻具及钻头连接，因此靠自重保持静止不动，且钻头仍与地层接触；

3）当冲击锤上移至弧形卡上端时，限位环与止推环接触，上部钻具还在继续上行，限位环推动止推环上行，止推环的渐缩台肩向内挤推弧形卡，使弧形卡进入套筒的结构槽内，并有部分弧形卡突出到套筒内壁形成三个控制冲击锤下行的卡点，承托在冲击锤底部，停止钻具的上提；

4）下放上部钻具，由于弧形卡限制了冲击锤下行，而上部钻具带动上接头继续下行，进而使弹簧受压储蓄能量，当上接头带动外筒内壁台肩下行与止推环顶部接触时，此时弹簧压缩量为最大，储蓄能量也达到最大值，震源处于待激发状态；

5）上接头带动外筒继续下行，当台肩下行至止推环与套筒的结构槽处在同一水平位置时，弧形卡在冲击锤的推挤作用下向外胀开，回到止推环的渐缩台肩中，使套筒内壁承托冲击锤的卡点消失，弹簧释放弹性动能带动冲击锤迅速下行冲击套筒的铁砧实现一次起震，即产生一次标志性信号；

6）当冲击动作完成后，弹簧恢复到自然伸展状态，震源也恢复到步骤1）；重复上述步骤2）、3）、4)和5)的动作，即可以实施下一次起震。

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