CN104314481B - 钻柱仿生减摩阻方法及自牵引钻具组合 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻柱仿生减摩阻方法及实施该方法的钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合，该钻具组合包括：分为上部钻柱段和下部钻柱段的钻柱；下部钻柱段的下端钻具的上方设有一个脉冲发生器，脉冲发生器上方的下部钻柱段上设有若干振动器；采用该方法，钻井流体流过脉冲发生器，产生高频连续波正压力脉冲并沿钻柱内部向上传播，经过若干振动器时，激发每个振动器产生轴向伸长运动，下部钻柱段与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，减小了钻柱受到井壁的摩擦力值；利用井壁对上部钻柱段的摩擦力推动钻柱下行，实现了下部钻柱段钻具组合的自牵引；在这两种作用下，解决了滑动钻进过程中的“拖压”现象，使钻压能够平滑有效的传递给钻头。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井技术领域，尤其涉及一种用于解决复杂结构井滑动钻进过程中由于井壁摩阻过大导致无法施加钻压问题的钻柱仿生减摩阻方法，以及用于实施该方法的钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合。
背景技术
发展复杂结构井技术，高效开发复杂油气层、深部油气藏和海洋油气资源，符合我国对能源的巨大需求，也是我国能源储备安全的重要保障。在复杂结构井的钻探过程中，随着井眼的延伸和井斜的增加，大部分钻柱躺在井壁岩石上，使钻铤施加的钻压大部分消耗在克服井壁对钻柱的摩阻上，钻压无法有效的传递给钻头，机械钻速显著降低，尤其是滑动定向钻进过程中，井底动力钻具以上的钻柱不旋转使钻柱与井壁之间的摩阻系数较旋转时显著增加，产生“拖压”现象，当钻柱与井壁岩石之间的摩阻等于钻压时，井眼无法继续延伸。
石油钻井中用到的钻柱，由井底到井口依次主要由钻头、钻铤、钻杆和方钻杆等组成，下部钻柱用于施加钻压，在钻进过程中承受着井底岩石对钻头的反力，处于压缩状态；上部钻柱用于连接下部钻柱和传递扭矩，钻进过程中由井口大钩提拉，处于拉伸状态。通过改变钻杆和钻铤的组合形式及加入新的井下钻具可实现不同的钻具组合形式，目前主要有单钟摆钻具组合、塔式钻具组合、满眼钻具组合及井下动力钻具组合，其中井下动力钻具组合应用范围最广，同时摩阻产生的“拖压”问题也最突出。
自然界中，蚯蚓的主要特征是身体由若干体节组成，体节呈细长圆柱状，每个体节体腔外都生长有环状和纵向两种肌肉，当某一体节的纵肌收缩时，这一体节变得短而粗，当环肌收缩时，体节变得细而长。蚯蚓通过控制不同体节的环肌和纵肌协调地收缩和舒张产生沿着身体周期传递的倒退波，推动蚯蚓身体向前蠕动爬行；同时，蚯蚓除了前端和尾端的体节外，在其腹部都长有短粗的刚毛，刚毛由特殊的肌肉控制，伴随着蚯蚓的运动状态可以伸出或缩进体壁，从而增大或减小体节与地面之间的摩擦力，有助于控制蚯蚓的运动。可以发现，蚯蚓身体的特殊结构使其可以利用地面的摩擦力推动其身体向前蠕动爬行。
受此启发，本发明借鉴自然界中蚯蚓的身体结构和爬行原理，提出一种钻柱仿生减摩阻方法以及用于实施该方法的钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是：针对复杂结构井滑动钻进过程中由于井壁摩阻过大导致无法施加钻压问题，提供一种钻柱仿生减摩阻方法，以解决复杂结构井滑动钻进过程中的“拖压”现象，显著减小钻柱与井壁岩石之间的摩阻，使钻压能够平滑有效的传递给钻头，提高机械钻速和井眼的极限延伸距离。
本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种专用于实施本发明的钻柱仿生减摩阻方法的钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合。
为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种钻柱仿生减摩阻方法，所述钻柱仿生减摩阻方法如下：
S1、在钻柱上确定一个分界面，所述分界面将所述钻柱分为上部钻柱段和下部钻柱段；钻进过程中，所述上部钻柱段处于拉伸状态，所述下部钻柱段处于压缩状态；
S2、在所述下部钻柱段的下端并位于井下钻具的上方设置一个脉冲发生器，当钻井流体流过所述脉冲发生器时，产生高频连续波正压力脉冲并沿所述钻柱内部向上传播；
S3、在所述下部钻柱段上并位于所述脉冲发生器的上方，间隔设置若干个振动器，所述高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干所述振动器，激发每个所述振动器产生轴向伸长运动。
为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：一种钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合，包括：
钻柱，所述钻柱包括上部钻柱段和下部钻柱段；
一个脉冲发生器，所述脉冲发生器设置于所述下部钻柱段的下端并位于井下钻具的上方，用于产生高频连续波正压力脉冲并沿所述钻柱内部向上传播；
若干个振动器，若干个所述振动器间隔设置于所述下部钻柱段上并位于所述脉冲发生器的上方，所述高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干所述振动器时，每个所述振动器产生轴向伸长运动。
优选，所述脉冲发生器包括：
套筒组件，所述套筒组件包括固定连接的上接头和下接头；
定子杆，所述定子杆设于所述套筒组件内腔中且其底端与所述下接头固定连接，所述定子杆的上端设置有导流盘，所述导流盘上设有导流盘通孔，所述定子杆的下端设有沿其轴向延伸的中空的定子杆流道，所述定子杆下端的侧壁上设有与所述定子杆流道连通的定子杆导流通孔；
转子，所述转子套设于所述定子杆的外周，可相对于所述定子杆及所述下接头转动，所述转子的上端设有叶片结构，所述转子下端的侧壁上设有转子导流通孔，所述转子导流通孔与所述定子杆导流通孔周期性导通或断开。
进一步优选，所述转子的外周与所述下接头的内周之间设置有衬套，所述转子的底部外端面与所述下接头之间设有底盘。
优选，所述振动器包括：
筒形组件，所述筒形组件包括固定连接的上套筒和下套筒；
振动杆，所述振动杆设于所述筒形组件内腔且可相对于所述筒形组件轴向滑动，所述振动杆的下端部伸出所述下套筒之外并固定连接有下接头，所述振动杆设有沿其轴向延伸的贯通的振动杆流道，所述振动杆的中部外周设有沿其径向向外延伸的凸环部，所述凸环部上方的所述振动杆的侧壁上设有与所述振动杆流道连通的高压通孔，所述凸环部的上端面、所述凸环部上方的所述振动杆的外侧面与所述筒形组件的内侧面围成一个高压腔；所述凸环部的下端面、所述凸环部下方的所述振动杆的外侧面与所述筒形组件的内侧面围成一个低压腔。
进一步优选，所述凸环部的外周面、所述凸环部上方的所述振动杆的外侧面与所述筒形组件的内侧面之间皆设有密封件。
进一步优选，所述振动杆的下端与所述下套筒的下端的配合部位为多边形结构。
由于采用了上述技术方案，本发明的钻柱仿生减摩阻方法及钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合，在下部钻柱段的下端并位于井下钻具的上方设置一个脉冲发生器，在下部钻柱段上并位于脉冲发生器的上方间隔设置若干个振动器；钻井流体流过脉冲发生器时，产生高频连续波正压力脉冲并沿钻柱内部向上传播，高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干振动器，激发每个振动器产生轴向伸长运动，同时由于该若干个振动器处于受压缩的下部钻柱段，在伸长力和压缩力两种力的作用下，使处于脉冲发生器和分界面之间的下部钻柱段产生类似于蚯蚓式的轴向蠕动，使钻柱与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，减小了下部钻柱段与井壁岩石之间的摩阻；同时由于分界面以上的上部钻柱段与井壁之间的摩擦力远大于下部钻柱段与井壁之间的摩擦力，上部钻柱段起到类似于蚯蚓的固定体节的作用，从而使上部钻柱段以下的下部钻柱段产生轴向自牵引，最终消除滑动钻进过程中的“拖压”现象，使钻压和扭矩能平滑有效的传递给钻头，提高了机械钻速和井眼的极限延伸距离，并相应缩短钻井周期、减少钻井成本。
附图说明
图1a是本发明实施例的钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合结构示意图；
图1b是图1a的简化模型图；
图2是图1中脉冲发生器的结构剖视示意图；
图3是图2中A-A剖视示意图；
图4是图2中B-B剖视示意图；
图5是图1中振动器的结构剖视示意图(处于复位状态)；
图6是图1中振动器的结构剖视示意图(处于工作状态)；
图7是图5中C-C剖视示意图；
图中：I-钻头；II-脉冲发生器；III-振动器；IVa-下部钻柱段；IVb-分界面；IVc-上部钻柱段；V-固定体节；1-上接头；2-定子杆；201-定子杆导流通孔；202-定子杆流道；3-导流盘；31-导流盘通孔；4-衬套；5-转子；51-叶片结构；52-转子导流通孔；6-底盘；7-下接头；8-上套筒；9-密封圈；10-振动杆；101-振动杆流道；102-凸环部；11-密封圈；12-下套筒；13-下接头；14-高压通孔；A-高压腔；B-低压腔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1a和图1b，本发明实施例的钻柱仿生减摩阻方法如下：
S1、在钻柱上确定一个分界面IVb，该分界面IVb将整个钻柱段分为上部钻柱段IVc和下部钻柱段Iva，分界面的位置由钻进所需施加的钻压值及分界面下部钻柱重量确定；在钻进过程中，下部钻柱段IVa用于施加钻压，承受着井底岩石对钻头I的反力，处于压缩状态；上部钻柱段IVc用于连接下部钻柱段IVa和传递扭矩，钻进过程中由井口大钩提拉，处于拉伸状态；
S2、在下部钻柱段IVa的下端并位于井下钻具的钻头I的上方设置一个脉冲发生器II，当钻井流体流过脉冲发生器II时，产生高频连续波正压力脉冲并沿钻柱内部向上传播；
S3、在下部钻柱段IVa上并位于脉冲发生器II的上方，间隔设置若干个振动器III，高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干振动器III，激发每个振动器III产生轴向伸长运动；同时由于该若干个振动器III处于受压缩的下部钻柱段IVa，在伸长力和压缩力两种力的作用下，使处于脉冲发生器II和分界面IVb之间的下部钻柱段IVa产生类似于蚯蚓式的轴向蠕动，使钻柱与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，减小了下部钻柱段IVa与井壁岩石之间的摩阻；同时由于上部钻柱段IVc与井壁之间的摩擦力远大于下部钻柱段IVa与井壁之间的摩擦力，上部钻柱段IVc起到类似于蚯蚓的固定体节的作用，从而使上部钻柱段IVc以下的下部钻柱段IVa产生轴向自牵引，最终消除滑动钻进过程中的“拖压”现象，使钻压和扭矩能平滑有效的传递给钻头I，提高了机械钻速和井眼的极限延伸距离，并相应缩短钻井周期、减少钻井成本。
如图1a所示，为本发明实施例的专用于实施本发明的钻柱仿生减摩阻方法的钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合结构示意图，图1b是图1a的简化模型图；为了便于说明，本图仅提供与本发明有关的结构部分。
本发明实施例的钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合，包括：钻柱，以分界面IVb为基准，将钻柱分为上部钻柱段IVc和下部钻柱段IVa；一个脉冲发生器II，该脉冲发生器II设置于下部钻柱段IVa的下端并位于井下钻具的钻头I的上方，用于产生高频连续波正压力脉冲并沿钻柱内部向上传播；若干个振动器III，若干个振动器III间隔设置于下部钻柱段IVa上并位于脉冲发生器II的上方，高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干振动器III时，每个振动器III产生轴向伸长运动。
如图2、图3和图4所示，其中，脉冲发生器II包括：套筒组件，该套筒组件包括螺纹连接的上接头1和下接头7；定子杆2，定子杆2设于套筒组件内腔中且其底端与下接头7螺纹连接，在定子杆2的上端螺纹连接有导流盘3，导流盘3上设有导流盘通孔31，定子杆2的下端设有沿其轴向延伸的中空的定子杆流道202，定子杆2下端的侧壁上设有与定子杆流道202连通的定子杆导流通孔201；转子5，该转子5套设于定子杆2的外周，转子5的上端设有叶片结构51，当钻井流体流过时可驱动转子5相对于定子杆2及下接头7高速旋转，转子5下端的侧壁上沿周向开有均布的转子导流通孔52(图中示意出了三个转子导流通孔52，其数量可根据实际情况有所增减)，转子5高速旋转过程中，转子导流通孔52与定子杆导流通孔201周期性地导通或断开；两者之间重合、交错或断开时，可改变钻井流体的过流面积，转子连续转动时，可产生高频连续波正压力脉冲并上传。
如图2所示，还进一步在转子5的外周与下接头7的内周之间设置有衬套4，且衬套4通过上接头1压紧；转子5的底部外端面与下接头7之间设有底盘6。衬套4内表面、定子杆2外周面和底盘6的上表面均经过光滑耐磨处理，用以减少与高速旋转的转子5之间的摩擦，延长转子5的使用寿命。
脉冲发生器的工作原理：高速钻井流体沿上接头1流入脉冲发生器II，由导流盘3上的导流盘通孔31导入转子5的上部叶片结构51，驱动转子5产生相对于定子杆2的高速旋转，转子5下端的转子导流通孔52与定子杆2下端的定子杆导流通孔201周期性地导通或断开；不断改变钻井流体的过流面积，产生高频连续波正压力脉冲，该高频连续波正压力脉冲沿脉冲发生器II内部流道上传，用于驱动上部钻柱中的若干个振动器III。
如图5所示，其中，振动器III包括：筒形组件，该筒形组件包括螺纹连接的上套筒8和下套筒12；振动杆10，振动杆10设于筒形组件内腔且可相对于筒形组件轴向滑动，振动杆10的下端部伸出下套筒12之外并螺纹连接有下接头13，振动杆10设有沿其轴向延伸的贯通的振动杆流道101，在振动杆10的中部外周设有沿其径向向外延伸的凸环部102，在凸环部上102方的振动杆10的侧壁上设有与振动杆流道101连通的高压通孔14，由凸环部102的上端面、凸环部102上方的振动杆10的外侧面与筒形组件的内侧面共同围成一个高压腔A；由凸环部102的下端面、凸环部102下方的振动杆10的外侧面与筒形组件的内侧面共同围成一个低压腔B。
如图5所示，其中，凸环部102的外周面与下套筒12的内侧面之间设有密封圈11，凸环部102上方的振动杆10的外侧面与的上套筒8的内侧面之间设有密封圈9。密封圈9、密封圈11的设置用于确保振动杆10与筒形组件为滑动密封配合。
如图7所示，振动杆10的下端与下套筒12的下端的配合部位优选为六边形结构，以限制两者之间的周向运动，用于传递扭矩。也可以采用三角形、四边形或八边形等其他多边形结构。
振动器的工作原理：如图5所示，振动器处于复位状态(即不工作状态)时，当由脉冲发生器II产生的高频连续波正压力脉冲自下而上传递到振动器III的高压通孔14时，该高频连续波正压力脉冲进入高压腔A作用于振动杆10的凸环部102的上端面和筒形组件的内侧面，由于凸环部102的下端面处于低压腔B作用着环空低压，因此将会导致高压腔A膨胀，上套筒8及下套筒12向上运动，振动杆10向下运动，使振动器III完成轴向伸长运动进入工作状态，如图6所示；同时由于所有振动器III皆处于受压的下部钻柱段IVa中，当该高频连续波正压力脉冲消失后，所有振动器III又轴向收缩回到复位状态，即图5所示状态。这样，在脉冲发生器II连续工作状态下，每个振动器III将产生连续的高频轴向伸缩蠕动，减小了下部钻柱段IVa与井壁岩石之间的摩阻。
本发明受蚯蚓蠕动爬行的启发，以蚯蚓的身体结构和蠕动爬行为原型，提出一种钻柱仿生减摩阻方法，以及用于实施该方法的钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合。选取近钻头受压缩的下部钻柱段IVa为研究对象，在下部钻柱段IVa中由下到上依次接入若干个可以产生轴向伸长及收缩的振动器III，所有振动器III的激振能量来自于一个脉冲发生器II，该脉冲发生器II安装于所有振动器III的下部钻柱中，由该脉冲发生器II、若干个振动器III和下部钻柱段IVa共同组成了仿生自牵引钻具组合，配合整个下部钻柱段IVa所受到的压缩力，可实现类似于蚯蚓的轴向伸缩功能。与蚯蚓相对应：每个振动器III及其相邻的钻柱相当于蚯蚓的一个体节，脉冲发生器II产生的高频连续波正压力相当于蚯蚓的环向肌肉，整个下部钻柱段IVa所承受的轴向压力N相当于蚯蚓的纵向肌肉。
虽然尽可能的使本发明的钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合实现蚯蚓的蠕动爬行功能，事实上该钻具组合也能够实现蚯蚓的蠕动爬行，但仍旧无法完全达到自然界中的神奇生物的特性，本发明的钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合仍与蚯蚓存在如下几点不同：(1)蚯蚓的每个体节均可实现收缩和伸长功能，但本发明的钻具组合中的振动器III只能够实现伸长或收缩单项功能(即高频连续波正压力脉冲自下而上传递到振动器III时，实现轴向伸长功能；高频连续波正压力脉冲消失后，所有振动器III实现轴向收缩功能)，为了使钻柱能够向前蠕动爬行，则需要一个外力使钻柱的每个“体节”在伸长之后能够收缩，因此，整个钻具组合必须处于受压缩的下部钻柱段IVa大环境中；(2)整个钻具有多个“体节”组成，要想实现蠕动爬行，需要至少有一个“体节”与井壁能够产生足够的摩擦力以承受其他“体节”运动所需要的反作用力。蚯蚓也一样，但是不同之处在于蚯蚓可以通过神经系统控制任意一个体节作为该静止体节，且可通过调节体节的内压或控制刚毛的伸缩来实现所需要的与地面之间的摩擦力，而对于钻柱系统来说，对于一个确定的钻具结构该静止体节就是确定的，且只能通过该体节所具有的重量与井壁接触来获得驱动其他“体节”所需要的足够的摩擦力。本发明中，由位于最上一级振动器III的上套筒8及与其相连的全部上部钻柱段IVc组成的“超长体节”作为固定体节V完全可以实现此功能，对下部钻柱段施加轴向压力N。
采用本发明的钻柱仿生减摩阻方法及钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合，有益效果在于：(1)使与井底钻头相连接的下部钻柱段蠕动起来，使滑动钻进过程中下部钻柱段与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，从而减小了钻柱受到井壁的摩擦力值；(2)利用井壁对上部钻柱段的摩擦力推动钻柱下行，实现下部钻柱段钻具组合的自牵引。在以上两种作用下，解决了滑动钻进过程中的钻压施加难题。
Claims (7)
1.一种钻柱仿生减摩阻方法，其特征在于，所述钻柱仿生减摩阻方法如下：
S1、在钻柱上确定一个分界面，所述分界面将所述钻柱分为上部钻柱段和下部钻柱段；钻进过程中，所述上部钻柱段处于拉伸状态，所述下部钻柱段处于压缩状态；
S2、在所述下部钻柱段的下端并位于井下钻具的上方设置一个脉冲发生器，当钻井流体流过所述脉冲发生器时，产生高频连续波正压力脉冲并沿所述钻柱内部向上传播；
S3、在所述下部钻柱段上并位于所述脉冲发生器的上方，间隔设置若干个振动器，所述高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干所述振动器，激发每个所述振动器产生轴向伸长运动。
2.一种钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合，其特征在于，包括：
钻柱，所述钻柱包括上部钻柱段和下部钻柱段；
一个脉冲发生器，所述脉冲发生器设置于所述下部钻柱段的下端并位于井下钻具的上方，用于产生高频连续波正压力脉冲并沿所述钻柱内部向上传播；
若干个振动器，若干个所述振动器间隔设置于所述下部钻柱段上并位于所述脉冲发生器的上方，所述高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干所述振动器时，每个所述振动器产生轴向伸长运动。
3.如权利要求2所述的一种钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合，其特征在于，所述脉冲发生器包括：
套筒组件，所述套筒组件包括固定连接的上接头和下接头；
定子杆，所述定子杆设于所述套筒组件内腔中且其底端与所述下接头固定连接，所述定子杆的上端设置有导流盘，所述导流盘上设有导流盘通孔，所述定子杆的下端设有沿其轴向延伸的中空的定子杆流道，所述定子杆下端的侧壁上设有与所述定子杆流道连通的定子杆导流通孔；
转子，所述转子套设于所述定子杆的外周，可相对于所述定子杆及所述下接头转动，所述转子的上端设有叶片结构，所述转子下端的侧壁上设有转子导流通孔，所述转子导流通孔与所述定子杆导流通孔周期性导通或断开。
4.如权利要求3所述的一种钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合，其特征在于，所述转子的外周与所述下接头的内周之间设置有衬套，所述转子的底部外端面与所述下接头之间设有底盘。
5.如权利要求2至4任一项所述的一种钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合，其特征在于，所述振动器包括：
筒形组件，所述筒形组件包括固定连接的上套筒和下套筒；
振动杆，所述振动杆设于所述筒形组件内腔且可相对于所述筒形组件轴向滑动，所述振动杆的下端部伸出所述下套筒之外并固定连接有下接头，所述振动杆设有沿其轴向延伸的贯通的振动杆流道，所述振动杆的中部外周设有沿其径向向外延伸的凸环部，所述凸环部上方的所述振动杆的侧壁上设有与所述振动杆流道连通的高压通孔，所述凸环部的上端面、所述凸环部上方的所述振动杆的外侧面与所述筒形组件的内侧面围成一个高压腔；所述凸环部的下端面、所述凸环部下方的所述振动杆的外侧面与所述筒形组件的内侧面围成一个低压腔。
6.如权利要求5所述的一种钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合，其特征在于，所述凸环部的外周面、所述凸环部上方的所述振动杆的外侧面与所述筒形组件的内侧面之间皆设有密封件。
7.如权利要求5所述的一种钻柱仿生减摩阻自牵引钻具组合，其特征在于，所述振动杆的下端与所述下套筒的下端的配合部位为多边形结构。
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