CN103775003A - 一种降低气体钻井钻进摩阻的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低气体钻井钻进摩阻的装置；该装置包括上接头、下接头、可旋转壳体；上接头沿其轴线方向开有上接头中心孔，上接头上设有楔形缺口、键形结构，楔形缺口中心有一个与上接头中心孔连通的上接头分流孔；所述的下接头沿其轴线方向开有下接头中心孔；上接头、下接头形成连接体，可旋转壳体安装于上接头及下接头的连接体之间；可旋转壳体外圆面的下部设有可旋转壳体磨擦块、靠近上部设有喷嘴、内侧下部设有行程限位块、壳体弹簧限位块，受压弹簧和受拉弹簧置于上接头的键形结构及可旋转壳体的壳体弹簧限位块所构成的两个圆弧形空间之内。本发明适用范围广、结构简单、活动部件少、性能稳定，钻井中可以进一步降低钻进过程中的摩擦阻力。

Description

一种降低气体钻井钻进摩阻的装置

技术领域

本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种降低气体钻井钻进摩阻的装置，降低气体钻井钻进摩阻的装置安装在钻柱的接头之间，用于减小钻进过程中旋转钻柱与井壁或者旋转钻柱与套管之间的滑动摩擦。

背景技术

气体钻井技术由于具有能有效保护储集层、降低钻井成本及提高钻井速度等优点，被国内外钻井工程领域积极推广应用。然而在气体钻井时，气体的密度低、滑润性差，导致了钻柱的浮重及钻柱与井壁间摩擦系数都大于利用普通钻井液的钻井方式，气体钻井现场施工过程中出现了钻进摩阻增加，钻柱在转动过程中所受到的切向摩擦力增加等问题。如何减小气体钻井的钻柱摩阻一直是气体钻井工程人员和技术发明者试图解决的难题。

目前，解决气体钻井过程中钻柱摩阻大的问题的方法主要是利用减阻接头将钻柱旋转过程中接头与井壁间的滑动摩擦转化为周向滚动摩擦，将钻进过程钻柱与井壁的轴向滑动摩擦转化为轴向滚动摩擦。该方法在一定程度上可以减小钻柱摩阻，但却又会带来新的问题：

(1)、工具要想实现转化两个方向的滑动摩擦为滚动摩擦，须具有两套摩擦力转化系统，增加了工具的复杂性，减小了工具的强度，容易导致其他复杂事故的发生；

(2)、由于工具的半径要略大于钻柱接头的直径，工具安装处气体流场产生变化，对气体的携岩效果存在影响；

(3)、工具的表面形状较复杂，容易被气体及携带的岩屑冲蚀，减小工具的工作寿命，甚至给钻井作业带来新的风险。

因此，亟需一种可以降低气体钻井钻进摩阻的装置，以满足气体钻井施工及安全方面的要求。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种降低气体钻井钻进摩阻的装置，该装置基于气体动力学原理，利用气流喷射的反作用力来减小钻柱对井壁的瞬时压力，改善钻柱与井壁或者套管之间的摩擦状态，从而减小钻柱旋转时的摩阻。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

降低气体钻井钻进摩阻的装置，包括：上接头、下接头、可旋转壳体；所述上接头沿其轴线方向开有上接头中心孔，上接头上设有楔形缺口、键形结构，楔形缺口中心有一个与上接头中心孔连通的上接头分流孔；所述的下接头沿其轴线方向开有下接头中心孔；上接头、下接头形成连接体，可旋转壳体安装于上接头及下接头的连接体之间；可旋转壳体与楔形缺口构成的一个封闭空间；可旋转壳体外圆面的下部设有可旋转壳体磨擦块；可旋转壳体靠近上部设有喷嘴，喷嘴实现上接头的楔形缺口及可旋转壳体构成的空间与井眼环空的连通；可旋转壳体内侧下部设有行程限位块、壳体弹簧限位块，受压弹簧和受拉弹簧置于上接头的键形结构及可旋转壳体的壳体弹簧限位块所构成的两个圆弧形空间之内，周向安装。

相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

1、适用范围广，可以通过调节喷嘴的直径来调节气流喷射的反作用力，进而调整激振减阻效果；

2、装置结构简单，活动部件少、性能稳定，使用过程不会为钻井作业带来其他方面的风险；

3、操作简单，不需要增加任何其他操作，摩阻过大区域喷嘴自动打开，用于减阻；

4、在岩屑床较厚的井段可以实现除岩屑床的效果，进一步降低钻进过程中的摩擦阻力。

附图说明

图1为本发明的降低气体钻井钻进摩阻的装置结构示意图；

图2为上接头纵向剖面示意图；

图3为图2的E-E剖面示意图；

图4为上接头立体剖面示意图；

图5为下接头剖面示意图；

图6为可旋转壳体纵向剖面示意图；

图7为图5中D-D剖面示意图；

图8为可旋转壳体立体剖面示意图；

图9为图1中B-B剖面示意图；

图10为图1中C-C剖面示意图；

图11为图1中A-A剖面示意图；

图中：1、上接头，2、下接头，3、可旋转壳体，4、受压弹簧，5、受拉弹簧，11、上接头中心孔，12、键形结构，13、上接头分流孔，14、上接头摩擦部，15、弹簧扶正部，16、上接头光圆柱部，17、钻具母扣，18、钻具公扣，101、第一密封槽，102、第二密封槽，103、第三密封槽，104、第四密封槽，105、楔形缺口，21、下接头摩擦部，22、钻具母扣，23、下接头中心孔，24、下接头光圆柱部，25、钻具公扣，26、第五密封槽，26、第六密封槽，31、喷嘴，32、可旋转壳体磨擦块，33、行程限位块，34、壳体弹簧限位块，35、限位平面。

具体实施方式

如图1所示，降低气体钻井钻进摩阻的装置，包括：上接头1、下接头2、可旋转壳体3；图1中，左端为上、右端为下。

如图2、图3、图4所示，所述上接头1沿其轴线方向开有上接头中心孔11，上接头中心孔11用于实现循环介质过流；上接头中心孔11的上端设有钻具母扣17，用于连接上部钻具组合。

上接头1外侧的上端为上接头光圆柱部16、下端为钻具公扣18，钻具公扣18用于连接下接头2；上接头光圆柱部16、钻具公扣18之间依次为上接头摩擦部14、弹簧扶正部15，上接头摩擦部14的外径比上接头光圆柱部16的外径小，弹簧扶正部15的外径比上接头摩擦部14的外径小，弹簧扶正部15的外径比钻具公扣18上端的外径大；上接头摩擦部14上开有四道密封，由上往下分别依次为：第一密封槽101、第二密封槽102、第三密封槽103和第四密封槽104；第二密封槽102、第三密封槽103之间开有楔形缺口105，楔形缺口105的大小可以实现气流喷射时间的控制，楔形缺口中心有一个与上接头中心孔11连通的上接头分流孔13，上接头分流孔13用于连通上接头中心孔11与楔形缺口105；上述第一密封槽、第二密封槽、第三密封槽和第四密封槽内均安装密封圈。弹簧扶正部15上设有键形结构12，键形结构12外径与上接头摩擦部14的外径相同，键形结构的两个键面的平面夹角为30°-45°，键形结构12的两个键面用于支撑受压弹簧4和受拉弹簧5；键形结构12上端与上接头摩擦部14连接成一体、下端与弹簧扶正部15的下端平齐。

如图5所示，所述的下接头2沿其轴线方向开有下接头中心孔23，用于实现循环介质过流；下接头中心孔23的上端开有钻具母扣22，下接头2通过钻具母扣22连接上接头1的钻具公扣；下接头2外部的上端为下接头摩擦部21、中间为下接头光圆柱部24、下端设有钻具公扣25，下接头的钻具公扣25用于连接下部钻杆或者钻具。下接头摩擦部21的外径与上接头摩擦部14的外径相同，下接头摩擦部21的外径比下接头光圆柱部24的外径小；下接头摩擦部21开有两道密封槽，由上往下分别为第五密封槽26和第六密封槽27，用于安装密封圈；下接头的下接头光圆柱部24与上接头光圆柱部16的外径相同。

如图6、图7、图8所示，所述可旋转壳体3为一圆筒，可旋转壳体3外径与上接头1的上接头光圆柱部16、下接头1的下接头光圆柱部24外径相等，可旋转壳体3内径略大于上接头摩擦部14、下接头摩擦部21的外径。可旋转壳体3安装于上接头1及下接头2的连接体之间，可旋转壳体3上端的内壁与上接头摩擦部14外壁相配合，下端的内壁与下接头摩擦部21外壁相配合。可旋转壳体3上端面与上接头光圆柱部16、上接头摩擦部14间的台阶面接触，下端面与下接头摩擦部21、下接头光圆柱部之间的台阶面相接触。

可旋转壳体3与第二密封槽102与第三密封槽103中间的楔形缺口105构成的一个封闭空间；可旋转壳体3外圆面的下部设有可旋转壳体磨擦块32，可旋转壳体磨擦块32为直棱结构，直棱长度为10cm-30cm，可旋转壳体磨擦块32的弧面长度对应的圆弧角度为30°-60°，用于增加可旋转壳体3与井壁的摩擦。可旋转壳体3靠近上部设有喷嘴31，喷嘴31实现上接头1的缺口及可旋转壳体3构成的空间与井眼环空的连通；喷嘴31的中心与可旋转壳体磨擦块32的弧面中心位于同一母线上。

可旋转壳体3内侧下部沿周向设有台阶状的凸起，弧长较长的部分为行程限位块33，行程限位块33的限位平面35用于限制可旋转壳体3与上接头1及下接头2连接体的相对行程，并防止弹簧受到过度压缩或拉伸而破损；弧长较短的部分为壳体弹簧限位块34，壳体弹簧限位块34的两个平行于可旋转壳体3轴线的两个面作为受压弹簧4和受拉弹簧5的另一个支撑面。降低气体钻井钻进摩阻的装置未工作时，行程限位块33与弹簧扶正面上的键形结构12的相对位置如图9所示；壳体弹簧限位块34与弹簧扶正面上的键形结构12的相对位置如图10所示；喷嘴31、上接头分流孔13及楔形缺口105的相对位置如图11所示。

如图9、图10所示，可旋转壳体3可相对于上接头1及下接头2连接体在一定范围内周向旋转滑动；受压弹簧4和受拉弹簧5置于上接头1的键形结构12及可旋转壳体3的壳体弹簧限位块34所构成的两个圆弧形空间之内，周向安装，用于实现上接头1与可旋转壳体3相对位置的恢复；密封圈分别装于上接头1、下接头2的密封槽内，用来阻断钻柱中空的气体与井眼环空气体之间的无控制流窜。

降低气体钻井钻进摩阻的装置减阻过程的实现：

当利用该发明的装置进行气体钻井时，钻进初始时期，上接头分流孔13与上接头1楔形缺口105构成的空间与喷嘴31不连通（如图11所示），装置整体随钻柱一起旋转，当可旋转壳体3上的可旋转壳体磨擦块32接触到下井壁时，由于摩擦力的作用，使得可旋转壳体3相对于井壁静止，此时上接头1、下接头2及密封圈构成的整体仍随钻柱一起旋转，可旋转壳体3与上接头1、下接头2及密封圈构成的整体产生周向上的相对运动，该运动导致受压弹簧4产生压缩，受拉弹簧5产生拉伸，当可旋转壳体3旋转至其上的喷嘴31与上接头1的缺口一端母线位置重合时，上接头分流孔13与可旋转壳体3的喷嘴31连通，钻柱中空的气体通过上接头分流孔13及上接头1的缺口及喷嘴31直接喷射进入井眼环空，气体的喷射产生反作用力，使得钻柱对井壁的压力减小，钻柱与井壁的摩擦状态产生变化，从而导致钻柱摩阻也减小。当可旋转壳体3的行程限位块33的高端平面与键型结构12接触后，可旋转壳体3相对于上接头1、下接头2及密封圈构成的整体运停止，装置整体随钻柱一起旋转；可旋转壳体磨擦块32整体离开井壁后，可旋转壳体3由于受压弹簧4、受拉弹簧5共同作用而相对于由上接头1、下接头2及密封圈构成的整体运动，迅速恢复到钻进初始时期位置，上接头分流孔13与喷嘴孔31不再连通，气体喷射的反作用力消失。钻柱对井壁的压力恢复原始值。

降低气体钻井钻进摩阻的装置利用控制装置整体与下井壁的摩擦状态来控制钻柱中空与井眼环空的连通性，即改善摩擦状态，又减小钻柱对下井壁的正压力，从而来减小钻柱摩擦阻力。联通时，气体在钻柱与下井壁接触的部位喷射出来减阻，并使得钻柱离开下井壁；钻柱离开下井壁后，钻柱中空与井眼环空不在联通，减阻作用消失。摩擦学实践表明，两物体间压力的周期性变化会大幅度减小两物体间的滑动摩擦力。因此，利用钻柱与井壁作用力的周期性变化可以降低气体钻井钻柱的摩阻。

Claims (8)

1.一种降低气体钻井钻进摩阻的装置，包括：上接头、下接头、可旋转壳体；其特征在于：所述上接头沿其轴线方向开有上接头中心孔，上接头上设有楔形缺口、键形结构，楔形缺口中心有一个与上接头中心孔连通的上接头分流孔；所述的下接头沿其轴线方向开有下接头中心孔；上接头、下接头形成连接体，可旋转壳体安装于上接头及下接头的连接体之间；可旋转壳体与楔形缺口构成的一个封闭空间；可旋转壳体外圆面的下部设有可旋转壳体磨擦块；可旋转壳体靠近上部设有喷嘴，喷嘴实现上接头的楔形缺口及可旋转壳体构成的空间与井眼环空的连通；可旋转壳体内侧下部设有行程限位块、壳体弹簧限位块，受压弹簧和受拉弹簧置于上接头的键形结构及可旋转壳体的壳体弹簧限位块所构成的两个圆弧形空间之内，周向安装。

2.根据权利要求1所述的低气体钻井钻进摩阻的装置，其特征在于：上接头中心孔的上端设有钻具母扣；上接头外侧的上端为上接头光圆柱部、下端为钻具公扣；上接头光圆柱部、钻具公扣之间依次为上接头摩擦部、弹簧扶正部，上接头摩擦部的外径比上接头光圆柱部的外径小，弹簧扶正部的外径比上接头摩擦部的外径小，弹簧扶正部的外径比钻具公扣上端的外径大。

3.根据权利要求1-2所述的低气体钻井钻进摩阻的装置，其特征在于：弹簧扶正部上设有键形结构，键形结构外径与上接头摩擦部的外径相同，键形结构的两个键面的平面夹角为30°-45°，键形结构的两个键面用于支撑受压弹簧和受拉弹簧；键形结构上端与上接头摩擦部连接成一体、下端与弹簧扶正部的下端平齐。

4.根据权利要求1-3所述的低气体钻井钻进摩阻的装置，其特征在于：下接头中心孔的上端开有钻具母扣，下接头通过钻具母扣连接上接头的钻具公扣；下接头外部的上端为下接头摩擦部、中间为下接头光圆柱部、下端设有钻具公扣，下接头摩擦部的外径与上接头摩擦部的外径相同，下接头摩擦部的外径比下接头光圆柱部的外径小。

5.根据权利要求1-4所述的低气体钻井钻进摩阻的装置，其特征在于：所述可旋转壳体为一圆筒，可旋转壳体外径与上接头的上接头光圆柱部、下接头的下接头光圆柱部外径相等，可旋转壳体内径大于上接头摩擦部、下接头摩擦部的外径；可旋转壳体上端的内壁与上接头摩擦部外壁相配合，下端的内壁与下接头摩擦部外壁相配合；可旋转壳体上端面与上接头光圆柱部、上接头摩擦部间的台阶面接触，下端面与下接头摩擦部、下接头光圆柱部之间的台阶面相接触。

6.根据权利要求1-5所述的低气体钻井钻进摩阻的装置，其特征在于：上接头摩擦部上开有四道密封，由上往下分别依次为：第一密封槽、第二密封槽、第三密封槽和第四密封槽；第二密封槽、第三密封槽之间开有楔形缺口，上述第一密封槽、第二密封槽、第三密封槽和第四密封槽内均安装密封圈。

7.根据权利要求1-6所述的低气体钻井钻进摩阻的装置，其特征在于：可旋转壳体与第二密封槽与第三密封槽中间的楔形缺口构成的一个封闭空间；可旋转壳体磨擦块为直棱结构，直棱长度为10cm-30cm，可旋转壳体磨擦块的弧面长度对应的圆弧角度为30°-60°，喷嘴的中心与可旋转壳体磨擦块的弧面中心位于同一母线上。

8.根据权利要求1-7所述的低气体钻井钻进摩阻的装置，其特征在于：下接头摩擦部开有两道密封槽，由上往下分别为第五密封槽和第六密封槽，第五密封槽和第六密封槽内安装密封圈；下接头的下接头光圆柱部与上接头光圆柱部的外径相同。

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