CN103485726B

CN103485726B - 一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法

Info

Publication number: CN103485726B
Application number: CN201310470384.9A
Authority: CN
Inventors: 祝效华; 向国春
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: CN103485726A

Abstract

本发明涉及石油天然气钻井作业中一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法。其技术方案是：本装置安装在钻头和井底钻具之间，本装置有一个外套筒，套筒内装活塞、弹簧、花键，通过控制套筒缸的体积带动外套筒相对空心轴轴向移动，从而使钻头脱离井底。本装置在钻头处扭矩达不到破岩所需值的时候将钻头向上提升一定高度以减小破岩所需的扭矩，防止钻头短暂的停止转动和瞬时释放能量即粘滑振动的发生，使钻头能保持在正常工况下实施钻进，以减小粘滑振动对钻头齿的损坏，提高钻头的使用寿命。本发明不仅能减弱粘滑振动对钻头的损坏、提高机械钻速、减少能量的损失、提高破岩效率，而且还具有不增加额外工艺、实施方便，安全可靠等优点。

Description

一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井作业中一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法。

背景技术

在石油天然气钻井作业中，由于PDC（聚晶金刚石复合片）钻头的机械钻速快、破岩效率高的特点，得到了非常广泛的应用。但在使用PDC钻头中也有其不足的地方，即粘滑振动对钻头齿的冲击损坏十分严重。当使用PDC钻头钻一些难钻底层的时候，常常因为钻头处得不到足够大的扭矩，达不到破岩所需扭矩导致钻头转速减缓甚至停止转动。但是与此同时，钻柱在驱动装置的驱动下仍然继续旋转并卷绕，沿着钻柱的长度储存扭矩能量。一旦达到破碎底层所需扭矩的时候，钻柱上储存的能量将会瞬间释放驱动PDC钻头快速旋转。其结果一方面使得钻头的旋转速度远远大于其正常旋转时的速度，钻头所受到的冲击载荷也远远大于正常钻进时所受到的冲击，将引起钻头齿的破损，导致钻头的损坏，极大缩短了PDC钻头的寿命、降低了机械钻速。另一方面下部钻柱将以比上部钻柱更高的转速快速旋转，极易引发钻柱螺纹的倒扣，导致下部钻具脱扣掉井里，造成严重的井下事故的发生。以上过程即为PDC处的粘滑振动。粘滑振动的频率越高，对PDC钻头的冲击破坏就越大，不仅严重影响钻头的寿命、影响机械钻速的提高，而且增加了钻井施工的成本、造成了安全隐患。

发明内容

本发明的目的是为了减弱钻头处粘滑振动对PDC钻头的破坏性冲击，延长钻头的使用寿命，提高机械钻速效率，减少能量的损失。特别提供了一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法。

为了达到上述的目的，本发明解决上述问题所采取的技术方案是：一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法，其特征是：本装置是由外套筒、弹簧、活塞、空心轴导流孔、套筒缸、空心轴、空心轴上端接头、应变传感器、套筒导流孔、阀门、自动阀门开关、挡环、空心轴通孔、套筒孔眼、花键等组成。外套筒和空心轴通过花键连接，空心轴上端安装有应变传感器，套筒缸内装有弹簧、活塞、阀门和自动阀门开关，弹簧下端与套筒缸接触上端与活塞接触，空心轴上开有心轴导流孔和空心轴通孔，外套筒上开有套筒导流孔和套筒孔眼。正常工况下，驱动装置通过钻柱带动空心轴转动，空心轴再通过花键带动外套筒和钻头转动破岩；与此同时，钻压通过钻柱传递到空心轴上，再通过外套筒内的活塞和弹簧将钻压传递到外套筒和钻头上，实现正常钻进；当井底发生粘滑振动时，钻头旋转减缓甚至停止转动，但是井底钻具仍然会带动心轴扭转，因而会在空心轴上端接头处产生较大的变形，当变形超过自动阀门开关设定的值后，安装在空心轴上端的应变传感器会将监测到的信号传递给自动阀门开关来打开阀门；阀门打开后，钻井液通过空心轴导流孔进入套筒缸，再通过套筒导流孔流入环空中；由于空心轴导流孔的直径比套筒导流孔的直径大，通过进出口流体压差将使套筒缸的体积变大，从而推动外套筒沿轴线向上移动，同时将钻头提升脱离井底；当钻头的提升可以实现破岩时，钻头和外套筒将会重新同空心轴一起旋转，此时空心轴的应变将减小，自动阀门开关会根据应变传感器反馈的信息自动关闭阀门，再继续进行正常钻进。

本发明的有益效果是：（1）减弱钻头处粘滑振动对PDC钻头的冲击损坏，延长PDC钻头的使用寿命；（2）提高钻井作业中机械钻速的效率，缩短施工所需时间，减少施工成本；（3）减少能量的损失，使能量得到有效的利用；（4）防止井下钻具脱扣掉入井底井下事故的发生，减小钻井施工的安全隐患。本发明在不增加原有施工工序的情况下，实施方便，安全可靠。

附图说明

图1是本发明一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法，在正常钻进工况下的工作状态示意图。

图2是本发明一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法，在井底发生粘滑振动时的工作状态示意图。

图3是本发明一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法，另外一种具体实施方式示意图。

附图中：1.外套筒，2.弹簧，3.活塞，4.空心轴导流孔，5.套筒缸，6.空心轴，7.空心轴上端接头，8.应变传感器，9.套筒导流孔，10.阀门，11. 自动阀门开关，12.挡环，13.空心轴通孔，14.套筒孔眼，15.花键，16.井壁，17.钻头，18.轴承挡圈，19.止推轴承，20.上空心轴，21.下空心轴。

具体实施方式

本发明一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法，有两种具体实施的方式，附图1和附图2为第一种具体实施方式，图3为第二种具体实施方式。

第一种具体实施方式参照附图1、2所示，本发明一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法。其特征是：本发明有一个外套筒1，外套筒1内装有活塞3和自动阀门开关11，来控制套筒缸5的体积从而带动外套筒1相对空心轴6轴向移动。外套筒1和空心轴6通过花键15连接，空心轴6上端安装有应变传感器8，套筒缸5内装有弹簧2、活塞3、阀门10和自动阀门开关11，弹簧3下端与套筒缸5接触上端与活塞3接触，空心轴6上开有心轴导流孔4，外套筒1上开有套筒导流孔9和套筒孔眼14。

参照附图1所示，附图1表示本发明在井底未发生粘滑振动即正常工况下钻进时的状态示意图。正常工况下，驱动装置通过钻柱将旋转扭矩传递给空心轴6，空心轴6通过花键15将旋转扭矩传递给外套筒1和钻头17，带动钻头17旋转破岩；与此同时，钻压通过钻柱传递到空心轴6上，再通过外套筒1内的活塞3和弹簧2将钻压传递到外套筒6和钻头17上，实现正常钻进。

参照附图2所示，附图2表示本发明在井底钻头处发生粘滑振动时的工作状态示意图。当井底发生粘滑振动时，钻头17处的扭矩达不到破岩所需的值，钻头17旋转减缓甚至停止转动，但是井底钻具仍然会带动心轴6旋转卷绕，因而会在空心轴上端接头7处产生较大的变形，当变形超过自动阀门开关11内预设的值后，安装在空心轴上端的应变传感器8会将监测到的信号传递给自动阀门开关11来打开阀门10。阀门10打开后，钻井液通过空心轴导流孔4进入套筒缸5，再通过套筒导流孔9流入环空中。然而，空心轴导流孔4的直径比套筒导流孔9的直径大很多，通过流入和流出的流量差将使套筒缸5的体积变大，从而推动外套筒1沿轴线向上移动，同时将钻头17提升脱离井底。随着钻头17的提升，破岩所需的扭矩就会降低，钻头17处的扭矩达到破岩所需扭矩的时候，钻头17和外套筒1将会重新同空心轴6一起旋转，此时空心轴6的应变将减小。自动阀门开关11会从应变传感器8处反馈的信息自动的关闭阀门10再继续进行正常钻进。

第二种具体实施方式参照附图3所示，附图3是本发明一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法的第二种具体实施方式。其特征是：本装置由外套筒1、弹簧2、活塞3、空心轴导流孔4、套筒缸5、空心轴上端接头7、套筒导流孔9、挡环12、空心轴通孔13、套筒孔眼14、花键15、轴承挡圈18、止推轴承19、上空心轴20、下空心轴21组成。外套筒1内装有弹簧2和活塞3；弹簧2下端与外套筒1接触上端与活塞3接触；上空心轴20和活塞3通过螺纹固定在一起，下空心轴21通过止推轴承19与活塞3连接在一起；下空心轴21通过花键15与外套筒1相连接；下空心轴21上开有导流孔4，活塞3上开有导流道22，外套筒1上开有导流孔9和套筒孔眼14。

参照附图3所示，正常工况下，驱动装置通过钻柱将旋转扭矩传递给上空心轴20，上空心轴21通过活塞3将旋转扭矩传递弹簧2，弹簧2将旋转扭矩传递给外套筒1和钻头17（图3中未表示出），并带动钻头17一起旋转破岩，花键15将旋转扭矩传递给下空心轴21，下空心轴21与上空心轴20同时转动；与此同时，钻压通过钻柱传递到上空心轴20和活塞3上，活塞3再通过弹簧2将钻压传递到外套筒1和钻头17上，实现正常钻进，此时下空心轴导流孔4与外套筒导流孔9错位没有形成钻井液通道。当井底钻头17处发生粘滑振动的时候，钻头17处的扭矩达不到破岩所需的扭矩值，钻头17旋转减缓甚至停止转动，而上空心轴20在驱动装置的驱动下仍然继续旋转并带动弹簧2相对下空心轴21空转，将导致上空心轴20相对下空心轴21转动，这样空心轴导流孔4与外套筒导流孔9就会接通，钻井液进入套筒缸5内再通过套筒导流孔9流出装置内进入环空；然而，空心轴导流孔4的直径比套筒导流孔9的直径大很多，通过流入和流出的流量差使套筒缸5的体积变大，从而推动外套筒1沿轴线向上移动，同时将钻头17提升脱离井底。随着钻头17的提升，破岩所需的扭矩就会降低，钻头17处的扭矩达到破岩所需扭矩的时候，弹簧2恢复初始状态，钻头17、下空心轴21和外套筒1将会重新同上空心轴20一起旋转，下空心轴导流孔4和外套筒导流孔9再次错位断开钻井液导流通道。钻井液通过空心轴通孔13经钻头水眼进入环空，恢复正常钻进。整个过程大大减弱了粘滑振动对钻头齿的冲击损坏，提高了钻头的使用寿命，提高了机械钻速，缩短了施工周期，节约成本花费，保证了安全可靠地钻井作业。

Claims

1.一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置的控制方法，其特征是：本装置主要包括外套筒（1）、弹簧（2）、活塞（3）、空心轴导流孔（4）、套筒缸（5）、空心轴（6）、空心轴上端接头（7）、应变传感器（8）、套筒导流孔（9）、阀门（10）、自动阀门开关（11）、挡环（12）、空心轴通孔（13）、套筒孔眼（14）、花键（15）；外套筒（1）和空心轴（6）通过花键（15）连接，空心轴（6）上端安装有应变传感器（8），套筒缸（5）内装有弹簧（2）、活塞（3）、阀门（10）和自动阀门开关（11），弹簧（2）下端与套筒缸（5）接触上端与活塞（3）接触，空心轴（6）上开有空心轴导流孔（4），外套筒（1）上开有套筒导流孔（9）和套筒孔眼（14）；正常工况下，驱动装置通过钻柱带动空心轴（6）转动，空心轴（6）再通过花键（15）带动外套筒（1）和钻头（17）转动破岩；与此同时，钻压通过钻柱传递到空心轴（6）上，再通过外套筒（1）内的活塞（3）和弹簧（2）将钻压传递到外套筒（1）和钻头（17）上，实现正常钻进；当井底发生粘滑振动时，钻头（17）旋转减缓甚至停止转动，但是井底钻具仍然会带动空心轴（6）扭转，因而会在空心轴上端接头（7）处产生较大的变形，当变形超过自动阀门开关（11）设定的值后，安装在空心轴（6）上端的应变传感器（8）会将监测到的信号传递给自动阀门开关（11）来打开阀门（10）；阀门（10）打开后，钻井液通过空心轴导流孔（4）进入套筒缸（5），再通过套筒导流孔（9）流入环空中；由于空心轴导流孔（4）的直径比套筒导流孔（9）的直径大，通过进出口流体压差将使套筒缸（5）的体积变大，从而推动外套筒（1）沿轴线向上移动，同时将钻头（17）提升脱离井底；当钻头（17）的提升可以实现破岩时，钻头（17）和外套筒（1）将会重新同空心轴（6）一起旋转，此时空心轴（6）的应变将减小，自动阀门开关（11）会根据应变传感器（8）反馈的信息自动关闭阀门（10），再继续进行正常钻进。

2.根据权利要求1所述的一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置的控制方法，其特征是：本装置包括一根空心轴（6）和一个可以相对空心轴（6）轴向移动的外套筒（1）。

3.根据权利要求1所述的一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置的控制方法，其特征是：活塞（3）、挡环（12）、弹簧（2）依次从上至下安置在套筒缸（5）内。

4. 根据权利要求1所述的一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置的控制方法，其特征是：自动阀门开关（11）预设好了临界值，当超过预设的临界值时自动阀门开关（11）会打开阀门（10）。

5. 根据权利要求4所述的一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置的控制方法，其特征是：空心轴（6）上端安装有应变传感器（8），将监测到应变的结果传递给自动阀门开关（11）。

6. 根据权利要求1所述的一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置的控制方法，其特征是：空心轴（6）上开有空心轴通孔（13）。