CN102852459B - 一种偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具，属于油气井钻井工程领域。所述工具包括心管(1)、连接在心管(1)下端的下接头(3)和套在心管(1)外面的偏心外筒(2)，所述偏心外筒(2)为流线型结构，在心管(1)与偏心外筒(2)之间装有钢珠(5)；本发明操作方便，采用重力感应井斜原理进行自动感应及自动纠斜，不需增加任何操作；有三个作用力共同作用，可形成足够大的纠斜力，同时可通过更换阀门可以调节喷射直径，调节喷射流产生的反作用力；结构简单、稳定性好，采用纯机械式结构，在使用过程中性能可以稳定发挥。

Description

一种偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具

技术领域

本发明属于油气井钻井工程领域，具体涉及一种偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具。

背景技术

气体钻井是近年来发展起来的一种可大大提高机械钻速的新工艺。中国石化在川东北区块应用气体钻井技术使井深约6000m井的钻井周期由原来的1～2年缩短到4～6个月。但是由于缺乏有效的气体钻井井斜控制系统或工具，对气体钻井井斜机理认识不完全清楚，井斜很难控制。现场施工过程中，常常由于井斜过大，被迫改为钻井液钻井，这样严重影响了钻速的进一步提高。

为解决这个难题，国内外专家就钻柱力学、钻头设计、钻井参数优化等做了大量的研究，同时也设计了多种垂直钻井工具及垂直钻井系统，这些工具已经或将为垂直钻井施工起到重要作用，国外BakerHughes公司推出了VertiTrak系统，Schlumberger公司推出了PowerV系统，这些系统已经在钻井施工中发挥了重要作用。

现有技术中，中国专利CN2431393、CN2532227、CN101025075、CN101358520、CN201068734、CN2895695、CN201236628、CN201129141、CN201288505、CN1519455、CN1676862以及论文“机械式自动垂直钻井工具的研制”、“自动垂直钻井工具的理论与技术研究”、“自动垂直钻井工具的设计及自动控制方法”所描述的自动垂直钻井工具，都有着各自的优点，但也存在各自的局限性，以上工具都只适用于钻井液钻井，在气体钻井过程中，气柱压力、泵压、钻压内外压差都较低，很难以此压力开启垂直钻井工具的推靠机构。

其中，专利CN2532227、CN201236628公开了一种利用离心力纠斜的偏重或偏心钻铤，其缺陷是：一是离心力纠斜受转速、钻压和底部钻具的限制很大，不可避免地影响机械钻速；二是仅仅依靠钻具自身的钟摆力和偏心钻铤的重力产生的降斜力非常有限；三是井斜越大反而纠斜力越小。

专利CN101451425公开了一种适用于气体钻井的分流式自动垂直钻井工具，通过分流高压气体冲击井壁产生的反作用力实现纠斜；CN101566044公开了一种利用空气动力学的自动垂直钻井工具，利用偏心外筒的类似于飞机机翼的流线型设计，使工具的上、下两侧形成气流压差，产生推靠力，实现气体钻井自动纠斜。这两个发明可用于气体钻井，但都有局限性，力的来源单一，很难产生较大的纠斜力。

国外专利WO/1996/031679、US6851489B2、US6659201B2、US6494272B1、US6213226B1、US6216802B1、US5484029、US6769499B2及SPE文献SPE25759、SPE21905所公开的工具中，大都结构复杂，且只有US6851489B2公开的工具可以用于气体钻井，其他均仅适用于钻井液钻井。其中，US6494272B1需要安装专用井斜测量仪器，需要钻井液循环产生压降驱动翼肋伸缩而推动钻头侧向切削井壁，改变井眼轨迹；US6216802B1需要测量井斜，且弯度调节系统比较复杂；US5484029、US6769499B2需要安装随钻测量系统，需要精确而复杂的控制系统。

世界专利说明书WO/1996/031679公开的自动垂直钻井工具，其结构相对比较简单。该发明由一个可自由旋转的心轴(传递钻井破岩的力)和内外两个偏心轴组成，外部的偏心轴的轴向孔偏心，形成的偏重始终让重的一边位于井眼的低边，内层的偏心轴的轴向偏心更大，其孔中是驱动钻头的心轴。内层偏心轴可由地面控制，使得偏心位置可控，外偏心轴的方向随之可控，这样形成钻头上方的支点以控制井斜。但控制方法也是相当复杂，且仅适用于钻井液钻井；另外，仅靠偏心力纠斜，偏心力小。

SPE25759介绍的自动垂直钻井技术是，通过钻井液压力驱动活塞推向井壁，实现降斜。使用这套垂直钻井技术在地层倾角达到60°的地层中，钻井井斜可以控制在1°以内，钻至6700m时水平位移只有4m，摩阻值小于120kN；其缺点是由于需要钻井液压力驱动而无法用于气体钻井。

SPE21905介绍的技术被认为是迈向更加多功能的自动钻井系统的第一步，其通过钻井液压力驱动活塞推向井壁，实现降斜；而该技术的缺点是由于需要钻井液压力驱动而无法用于气体钻井。

综上所述，现有的大部分自动垂直钻井系统无法适应气体钻井，即使有少量适用于气体钻井的工具，它们也难以产生足够大的降斜力。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具，能够提供足够大降斜力、适用范围广、操作方便、结构简单、稳定性好、使用寿命长，实现气体自动垂直钻井。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具，包括心管1、下接头3和偏心外筒2；

所述心管1和下接头3均为管状结构，两者的中心孔是相通的；下接头3的上端开有凹口，心管1的下端置于下接头3上部的凹口内，并与下接头3通过螺纹连接；

在所述心管1的上部开有台肩，偏心外筒2套在心管1外面，其上端面卡在心管1的台肩处，下端面顶住下接头3的上端面；

所述偏心外筒2的横向截面的外轮廓线由半椭圆弧段和半圆弧段平滑连接组成，半椭圆弧段的短半轴长和半圆弧段的半径相等，在轴向上，每个横向截面的外轮廓线的半椭圆弧段的短半轴的长度是相同的，而长半轴的长度是变化的，从偏心外筒2的上端到中下部，长半轴的长度沿轴向是从小逐渐变大的，从偏心外筒2的中下部到下端，长半轴的长度沿轴向是从大逐渐变小的；所述偏心外筒2的纵向对称截面的外轮廓线由上下两段直线段、左边的流线型线段和右边的直线段封闭而成；

所述心管1的外壁上沿轴向分布有一组心管圆弧槽，在偏心外筒2的内壁上沿轴向分布有一组外筒圆弧槽，所述心管圆弧槽和外筒圆弧槽一一相匹配构成一组沿轴向分布的环形槽，在所述环形槽内装有钢珠5；

在所述偏心外筒2的每个外筒圆弧槽处开有注油孔，钢珠5和润滑油均从所述注油孔装入环形槽内，装完后，在注油孔内安装有密封螺钉6；

在所述心管1下部开有一个环形的导流槽9，在导流槽9内开有与心管1的轴线垂直的气体分流孔7，所述气体分流孔7一端与心管1的内孔相通，另一端与导流槽9相通；在所述偏心外筒2的下部开有喷射孔，在纵向对称截面上，所述喷射孔开在右边的直线段上；在喷射孔内装有阀门8；阀门8的轴线朝上倾斜；导流槽9与喷射孔相通。

所述阀门8为单向阀；从气体分流孔7分流出来的高压气体经过所述导流槽9进入阀门8，从阀门8喷向井壁。

在所述心管1的台肩处和偏心外筒2的上端面上均开有环形槽，两个环形槽构成密封槽，在所述密封槽内装有密封环4；在所述下接头3的上端面和偏心外筒2的下端面上均开有环形槽，两个环形槽构成密封槽，在密封槽内装有密封环4；两处的密封环4均用于密封心管1和偏心外筒2之间的润滑空间。

在所述导流槽9内开有3个或4个在圆周上均布的气体分流孔7。

所述心管1的上端有内螺纹，用于连接其它钻具。

本发明的工作原理是：本发明基于气体动力学原理、流固耦合分析方法，利用偏心外筒2的偏重作用自动感应井斜；利用环空上返气流推动偏心流线型垂直钻井工具，产生推靠力，同时利用分流气体方法，将分流喷射的反作用力调节钻头侧向力，共同实现自动纠斜，达到垂直钻井施工的目的。具体来说，当井斜产生时，该自动垂直钻井工具偏心外筒2在重力的作用下，将偏心外筒2较重一侧，也就是流线型外表面的一侧，偏向井眼低侧，而装有阀孔8的一侧朝向井眼高侧，这时可产生三个降斜力：第一个是偏心外筒的重力作用；第二个是偏心外筒的流线型设计使得高速上返气流在工具的上、下两侧形成压差，产生推靠力；第三个是由气体分流孔分流的高速气体通过阀门射向井壁高侧，对工具产生反作用力。这三个力同时同向传递给钻头，实现气体钻井自动纠斜，达到气体钻井自动垂直钻井的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的操作方便，采用重力感应井斜原理进行自动感应及自动纠斜，不需增加任何操作；无需钻井液压力驱动，依靠气体的分流和气体动力学原理即可实现降斜，因此特别适用于气体钻井；

(2)利用本发明同时有三个作用力共同作用，可形成足够大的纠斜力，且不受转速和钻压的限制；同时可通过更换阀门调节喷射直径，调节喷射流产生的反作用力；

(3)本发明的结构简单、无需安装任何仪器，稳定性好，采用纯机械式结构，使用过程中性能发挥稳定。

附图说明

图1是本发明偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具的结构示意图。

图2是图1中的A-A视图。

图3是图1中的B-B视图。

图4是图1中的C-C视图。

图5是本发明偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具的安装及气体流经路线示意图。

其中，1为心管，2为偏心外筒，3为下接头，4为密封环，5为钢珠，6为密封螺钉，7为气体分流孔，8为阀门，9为导流槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，一种偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具，包括心管1、下接头3和偏心外筒2；

所述心管1和下接头3均为管状结构，两者的中心孔是相通的；下接头3的上端开有凹口，心管1的下端置于下接头3上部的凹口内，并与下接头3通过螺纹连接；

在所述心管1上部开有台肩，偏心外筒2套在心管1外面，其上端面卡在心管1的台肩处，下端面顶住下接头3的上端面；

所述偏心外筒2的横向截面的外轮廓线由半椭圆弧段和半圆弧段平滑连接组成，半椭圆弧段的短半轴长和半圆弧段的半径相等，在轴向上，每个横向截面的外轮廓线的半椭圆弧段的短半轴的长度是相同的，而长半轴的长度是变化的，从偏心外筒2的上端到中下部，长半轴的长度沿轴向是从小逐渐变大的，从偏心外筒2的中下部到下端，长半轴的长度沿轴向是从大逐渐变小的，长半轴的长度最大值出现在偏心外筒2下部四分之一处；偏心外筒2的纵向对称截面的外轮廓线由上下两段直线段、左边的流线型线段和右边的直线段封闭而成；所述流线型线段的最高点即为上述的长半轴的长度最大值所在处；所述纵向对称截面的外轮廓线类似于机翼横截面轮廓线，以此外形可以利用井底高速气流产生向井眼低边的推靠向力；

所述心管1的外壁上沿轴向分布有一组心管圆弧槽，在偏心外筒2的内壁上沿轴向分布有一组外筒圆弧槽，所述心管圆弧槽和外筒圆弧槽一一相匹配构成一组沿轴向分布的环形槽，在所述环形槽内装有钢珠5，这样偏心外筒2与心管1之间为滚动摩擦，就能保证偏心外筒在重力作用下可以将较重一侧转至井眼低侧，这个重力对整套钻具产生偏向低边的拉力；

在所述偏心外筒2的每个外筒圆弧槽处开有注油孔，钢珠5和润滑油均从所述注油孔装入环形槽内，装完后，在注油孔内安装有密封螺钉6，所述密封螺钉6是从外侧装入注油孔内的；

在所述心管1下部开有一个环形的导流槽9，在导流槽9内开有与心管1的轴线垂直的气体分流孔7，所述气体分流孔7一端与心管1的内孔相通，另一端与导流槽9相通；在所述偏心外筒2的下部开有喷射孔，在纵向对称截面上，所述喷射孔开在右边的直线段上；在喷射孔内装有阀门8，阀门8与喷射孔过盈配合；阀门8的轴线朝上倾斜；导流槽9与喷射孔相通。

所述阀门8为单向阀；从气体分流孔7分流出来的高压气体经过所述导流槽9进入阀门8，从阀门8喷向井壁。

在所述心管1的台肩处和偏心外筒2的上端面上均开有环形槽，两个环形槽构成密封槽，在所述密封槽内装有密封环4；在所述下接头3的上端面和偏心外筒2的下端面上均开有环形槽，两个环形槽构成密封槽，在密封槽内装有密封环4；两处的密封环4均用于密封心管1和偏心外筒2之间的润滑空间。

在所述导流槽9内开有3个或4个在圆周上均布的气体分流孔7，所有气体分流孔7均与心管1的轴线垂直，所有气体分流孔7的一端均与心管1的内孔相通，另一端均始终与心管1外侧的环形导流槽9相通，导流槽9又始终与偏心外筒的喷射孔相通，心管1中分流出来的气体通过喷射孔喷向井壁产生朝向低边的反作用力。

所述心管1的上端有内螺纹，用于连接其它钻具。

本发明的自动垂直钻井工具的装配步骤如下：将心管1、偏心外筒2、密封环4及下接头3依次按图1装配，再从偏心外筒2上的注油孔装入钢珠5，为保证钢珠充满心管1与偏心外筒2间的环形槽，边装入钢珠5边转动偏心外筒2，然后向注油孔内注入润滑油并安装密封螺钉6。施工前计算所需喷射孔的直径，并选择阀门8，将阀门8安装于偏心外筒2的喷射孔内，过盈配合装配。

当采用本发明进行直井钻井施工时，根据气体动力学、偏心外筒的外形轮廓及钻井施工要求计算并调整气体排量及气压，配制钻具组合，原则是该自动垂直钻井工具尽量靠近钻头，并在该自动垂直钻井工具上部安装稳定器，以保证该工具不与井壁相接触。

当井斜小于2°时，由于密封环4、钢珠5(轴承)存在一定摩擦力，此时偏心外筒2的偏向是不确定的、随机的，此时上返气流作用下对该工具产生的推靠力和分流气体的反作用力方向不稳定，因此该自动垂直钻井工具不会产生恒定一侧的推靠力，不影响正常钻进。

当井斜大于2°时，钻柱转动时，由于自动垂直钻井工具的偏心外筒2是偏重的，在重力作用下，较重的一侧会转向井眼的低侧，此时在井斜平面内，工具的轮廓线为类似于机翼横截面的轮廓线，在高速气流的作用下，会在该工具的低侧形成一个低压区，在工具的上侧(即装有阀门8的一侧)形成一个高压区，在压差的作用下，在工具上形成一个向低边的推靠力，此力在钻头上形成向井眼低侧的侧向力；同时，通过心管1的气体分流孔7分流出来的高压气体经过导流槽9进入阀门8，然后喷向高边的井壁，产生反作用力将工具推向井眼低边。钻柱钻动时，偏心外筒2保持该方向上，推靠力、侧向力始终指向井眼低侧，以此实现自动纠斜，达到垂直钻井的目的。

图2、图3和图4描述的是该自动垂直钻井工具不同位置处的横向截面图，分别为位于偏心外筒2上部、中部及下部的横向截面图A-A、B-B、C-C，其中B-B为该偏心外筒2的截面积最大部分，但该截面并非位于偏心外筒2的正中间，而是偏下部分，如此设计的目的在于模拟机翼横向截面形状。这三个截面处于不同位置，但其形状相似，均由一段椭圆弧与一段圆弧组成，该截面形状设计的目的在于既能形成一定的偏心，又能产生一个较为平坦的面，以利于高速上返气体在该侧形成一个受力面。位于C-C截面处的阀门8的轴线朝斜上方向，如此设计不仅能在喷射时产生反作用力，而且有助于气体携岩作用。该阀门8为单向阀，不仅具有调节喷射口大小的作用，而且能在起、下钻停止循环时防止井眼内杂质进入垂直钻井工具。

图5描述的是本发明偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具的安装及气体流经路线，从图5中可以看出，为保证该工具不与井壁相接触，在工具的上部安装有稳定器。该工具对钻头形成的侧向力实际上是由三部分构成：偏心外筒的重力作用；利用空气动力学原理在工具两侧产生的压差；分流高速气体射向井壁产生的反作用力，具体来说，第一部分，是由于工具是偏心的，较重的一侧偏向井眼低侧，传递给钻头向井眼低边的侧向力；第二部分，是如上所述由于上返气流作用形成的压差，压差的作用使得工具受到一个向下的推靠力，并传递给钻头向井眼低侧的侧向力；第三部分，是由阀门8喷向井壁气流的反作用力，对工具及钻头产生另一个向井眼低侧的侧向力。

本发明主要应用于油气井钻井工程领域的自动垂直钻井，特别适用于气体钻井。气体钻井的机械钻速较常规钻井提高1～5倍甚至更高，因其在提高机械钻速方面具有明显的优势而得到了迅速发展。据美国能源部统计，美国陆地约30％的油气井均可采用气体钻井技术来完成。近年来气体钻井技术已被应用于浅海大陆架的钻井作业，用于潜在漏失层(例如礁相地层)的油气钻探。中国于20世纪60年代开展气体钻井试验，此后通过技术引进和自主研发两种途径不断提高气体钻井技术应用水平，气体钻井技术的应用范围也逐步扩大。实践证明，气体钻井在解决长段低压破碎地层的钻井问题，提高低压、低渗油气藏的开发效益，提高钻井进度等方面具有独到的优势，必将得到更大范围的应用。但目前井斜问题是气体钻井需要攻克的最重要难题之一，在施工过程中经常由于井斜过大而不得不改为钻井液钻井，气体钻井井斜已严重影响了施工进度。而本发明实现了气体钻井自动纠斜，达到气体钻井自动垂直钻井的目的，因此，本发明具有广阔的应用前景。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (5)

1.一种偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具，其特征在于：所述偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具，包括心管(1)、下接头(3)和偏心外筒(2)；

所述心管(1)和下接头(3)均为管状结构，两者的中心孔是相通的；下接头(3)的上端开有凹口，心管(1)的下端置于下接头3上部的凹口内，并与下接头(3)通过螺纹连接；

在所述心管(1)的上部开有台肩，偏心外筒(2)套在心管1外面，其上端面卡在心管(1)的台肩处，下端面顶住下接头(3)的上端面；

所述偏心外筒(2)的横向截面的外轮廓线由半椭圆弧段和半圆弧段平滑连接组成，半椭圆弧段的短半轴长和半圆弧段的半径相等，在轴向上，每个横向截面的外轮廓线的半椭圆弧段的短半轴的长度是相同的，而长半轴的长度是变化的，从偏心外筒(2)的上端到中下部，长半轴的长度沿轴向是从小逐渐变大的，从偏心外筒(2)的中下部到下端，长半轴的长度沿轴向是从大逐渐变小的；所述偏心外筒(2)的纵向对称截面的外轮廓线由上下两段直线段、左边的流线型线段和右边的直线段封闭而成；

所述心管(1)的外壁上沿轴向分布有一组心管圆弧槽，在偏心外筒(2)的内壁上沿轴向分布有一组外筒圆弧槽，所述心管圆弧槽和外筒圆弧槽一一相匹配构成一组沿轴向分布的环形槽，在所述环形槽内装有钢珠(5)；

在所述偏心外筒(2)的每个外筒圆弧槽处开有注油孔，钢珠(5)和润滑油均从所述注油孔装入环形槽内，装完后，在注油孔内安装有密封螺钉(6)；

在所述心管(1)下部开有一个环形的导流槽(9)，在导流槽(9)内开有与心管(1)的轴线垂直的气体分流孔(7)，所述气体分流孔(7)一端与心管(1)的内孔相通，另一端与导流槽(9)相通；在所述偏心外筒(2)的下部开有喷射孔，在纵向对称截面上，所述喷射孔开在右边的直线段上；在喷射孔内装有阀门(8)；阀门(8)的轴线朝上倾斜；导流槽(9)与喷射孔相通。

2.根据权利要求1所述的偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具，其特征在于：所述阀门(8)为单向阀；从气体分流孔(7)分流出来的高压气体经过所述导流槽(9)进入阀门(8)，从阀门(8)喷向井壁。

3.根据权利要求1所述的偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具，其特征在于：在所述心管(1)的台肩处和偏心外筒(2)的上端面上均开有环形槽，两个环形槽构成密封槽，在所述密封槽内装有密封环(4)；在所述下接头(3)上端面和偏心外筒(2)的下端面上均开有环形槽，两个环形槽构成密封槽，在密封槽内装有密封环(4)；两处的密封环(4)均用于密封心管(1)和偏心外筒(2)之间的润滑空间。

4.根据权利要求1所述的偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具，其特征在于：在所述导流槽(9)内开有3个或4个在圆周上均布的气体分流孔(7)。

5.根据权利要求1所述的偏重分流式气体动力学自动垂直钻井工具，其特征在于：所述心管(1)的上端有内螺纹，用于连接其它钻具。