CN104343404B - 蠕动式井下牵引器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蠕动式井下牵引器，包括与管柱相连的筒状主体，设置在管柱内的形成活塞腔和主流道的内筒，从活塞腔中延伸出来的活塞杆，活塞杆的第一端部与处于活塞腔内的活塞相连，在其第二端部设置有与钻进组件相连的锚定组件。根据本发明的蠕动式井下牵引器能够产生平稳的牵引力，牵引力的方向也确定，有助于推进钻头的钻进。

Description

蠕动式井下牵引器

技术领域

本发明涉及一种石油钻井机械，特别是一种在井下牵引管柱前进的蠕动式井下牵引器。

背景技术

水平井、大位移井因其独特的优越性，自被提出以来就一直受到钻井界的广泛关注。随着水平井技术、大位移井技术的进步，水平井/大位移井的水平位移也不断增加。但是，在钻水平位移较大的水平井或钻高水垂比例如为10:1的大位移井时，管柱会遇到较大的摩阻。水平段钻具前进的动力主要来自于直井段钻具的重量产生的推进力，随着推进力的增加，尺寸较小的下部钻杆可能会出现屈曲的情况，造成摩阻力增大，钻具难以继续送进。特别是对于自动化程度高、建井速度快的连续油管钻小井眼这种情况更加严重，甚至会出现自锁现象。

目前，蠕动式井下牵引器主要包括以下四种类型：支撑轮式管柱牵引器、旋转轮式管柱牵引器、气囊式管柱牵引器，和流体脉冲式管柱牵引器。

支撑轮式管柱牵引器的主要特点是牵引器的驱动和支撑为独立设计，支撑由扶正器来完成，爬行则由安装在驱动臂上的驱动轮来执行。驱动臂张腿电机根据负荷大小调整作用于管壁的作用力，在断电或发生意外时驱动臂可以紧急收起。

螺旋轮式管柱牵引器的主要特点是驱动滚轮与井筒呈一定的倾角，通过流体或电池驱动滚轮旋转并沿井筒方向做螺旋式运动，通过这种螺旋式运动使管柱牵引器向前运动。

气囊式管柱牵引器包括牵引器本体、支撑气囊和推进滚轮。推进滚轮在钻井液的作用下，带动牵引器本体向前运动，钻井液进入支撑气囊后可膨胀并撑于井壁，并使管柱牵引器固定于井壁上，以实现往复方式牵引前进。

流体脉冲式管柱牵引器包括多条不同面积的流道。阀门控制流体所进入的流道，通过打开和关闭不同面积流道时流体所产生的脉冲效应来产生牵引力。

在现有技术中，这些类型的管柱牵引器不适用于苛刻的钻井条件，特别是不适合使用连续油管钻小井眼的技术。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种蠕动式井下牵引器。这种蠕动式井下牵引器不但能够适应钻井条件，而且能够很好地适应井筒直径的变换。

根据本发明，提出了一种蠕动式井下牵引器，包括，

与管柱相连的筒状主体，在筒状主体侧壁的上游部分设置有第一阀门并且在下游部分设置有第二阀门，在筒状主体的下游端部密封式设置有端盖，

设置在筒状主体内的形成主流道的内筒，在内筒的上游端部设置有包括径向向外延伸长度较长的第一部分和长度较短的第二部分的底板，内筒的下游端与端盖密封式连接，

其中第一部分的周向边缘与筒状主体的包括第一阀门和第二阀门的内壁区域密封连接，第二部分的周向边缘和第一部分的径向边缘与沿轴向方向延伸的异形板密封式连接，异形板还与端盖密封式连接从而异形板、筒状主体的包括第一阀门和第二阀门的内壁区域、底板以及内筒的外壁形成活塞腔，在异形板和筒状主体之间形成旁流道，在异形板的上游部分设置有第三阀门，在下游部分设置有第四阀门，

活动式密封地套在内筒上并穿过端盖而延伸出活塞腔的中空的活塞杆，活塞杆的第一端部与处于活塞腔内的活塞相连，第一阀门和第三阀门处于活塞腔的无杆腔，第二阀门和第四阀门处于活塞腔的有杆腔，

在活塞杆的第二端部设置有锚定组件，锚定组件包括本体和设置在本体侧部的能伸出和缩回本体表面的锚爪，在本体的下游端设置有钻进组件安装槽，钻进组件安装槽通过活塞杆的内部空间与主流道连通以使得钻井液能从管柱流到钻进组件安装槽。

本发明的蠕动式井下牵引器的部件数量较少，并且总体结构简单，性能也因此比较可靠，能适应钻井的苛刻条件。使用这种蠕动式井下牵引器时，不需要改变钻井设备，而是可直接安装在管柱上，方便了使用，并且不影响钻井作业。更重要地是，内筒形成主流道，并且主流道将管柱和钻进组件安装槽连通，使得钻井液能够方便地流到钻进组件安装槽从而本发明的蠕动式井下牵引器不但能引导管柱前进，还可方便地用于钻井。

在一个实施例中，底板、异形板和内筒为一体成型。这方便了制造和蠕动式井下牵引器的装配。在另一个实施例中，内筒与所述筒状主体为同轴安装。

在一个实施例中，首先，第一阀门关闭，第二阀门打开，第三阀门打开，第四阀门关闭，锚爪缩回到所述本体表面内；向主体内充入液体并加压，流体经旁流道和第三阀门进入无杆腔内推动活塞向下游运动到最大行程，接着锚爪伸出本体表面并固定连接于井壁；打开第一阀门，关闭第二阀门，关闭第三阀门，打开第四阀门，液体进入有杆腔内并推动主体向下游运动到最大行程从而带动管柱朝向下游运动，将第一阀门关闭，第二阀门打开，第三阀门打开，第四阀门关闭，并且将锚爪缩回到本体表面内。这种设计的蠕动式井下牵引器，通过流体压力差来产生牵引力，因此能通过提高流体压力差来提高牵引力。在一个优选的实施例中，在活塞腔的下游部分第二阀门和第四阀门的上游设置有活塞行程控制挡块。

在一个实施例中，在本体的周向侧部设置有通过第五阀门与主流道连通的凹槽，在凹槽的侧壁设置有第六阀门，锚爪活动式安装在所述凹槽内，当第五阀门打开时，第六阀门关闭，锚爪伸出本体表面，当第六阀门打开时，第五阀门关闭，锚爪缩回到本体表面内。在实际使用中，包括本体和锚爪的锚定组件是牵引力的受力点，通过将这里所述的本体的各个部件与上文所述的筒状主体的各个部件配合使用，实现了筒状主体的平稳前行，从而所产生的牵引力也较为平稳，方向也确定，有助于推进钻头的钻进。

在一个实施例中，锚爪通过弹性件与凹槽相连。这样方便了锚爪自动缩回到本体的表面内。

在一个实施例中，第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门均为单向阀。这些单向阀使得流体仅能在一个方向中流动，不会逆流，从而能推动活塞或筒状本体的运动。蠕动式井下牵引器还包括控制第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门打开和关闭的控制器。使用控制器提高了蠕动式井下牵引器的自动操作性能，同时也能避免阀门不适当地打开和关闭。

在一个实施例中，在底板的上游端面设置有引导流体进入所述主流道的引导结构。这种结构能够引导而后促进流体的流动。

在本申请中，用语“上游”规定为流体流入的方向为上游，“下游”为与上游相反的方向。用语“初始状态”规定为在蠕动式井下牵引器使用之前的状态。

与现有技术相比，本发明的优点在于，本发明的蠕动式井下牵引器使用了液压差来产生牵引力，因此可以通过提高流体压力差来增大牵引力。在实际使用中，包括本体和锚爪的锚定组件是牵引力的受力点，通过本体的各个部件与筒状主体的各个部件配合使用，实现了本体和筒状主体的平稳前行，从而所产生的牵引力也较为平稳，牵引力的方向也确定，有助于推进钻头的钻进。另外，本发明蠕动式井下牵引器能直接安装在连续油管上，锚爪的伸缩式设置也能适应井筒直径的变化，因此特别适合于连续油管钻井。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的蠕动式井下牵引器的纵向截面图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是根据本发明的内筒的B向视图；

图4是根据本发明的活塞的端部视图；

图5到7显示了根据本发明的蠕动式井下牵引器使用过程。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的蠕动式井下牵引器10的结构。蠕动式井下牵引器10包括筒状主体30、设置在筒状主体30内的内筒40和通过中空的活塞杆50与筒状主体30相连的锚定组件70。筒状主体30的上游37与管柱，例如连续油管（未示出）相连，在钻井过程中则与钻杆（未示出）相连，锚定组件70与钻头（未示出）相连。

如图1所示，在筒状主体30的侧壁的上游部分设置有第一阀门31，在下游部分设置有第二阀门32，在筒状主体30的下游端部密封式设置有端盖33以在筒状主体内形成下文所述的密闭的活塞腔20。

内筒40为中空形式以形成主流道41。内筒40的下游端与端盖33密封式连接，在内筒40的上游端部设置有包括径向向外延伸的第一部分42和第二部分43的底板44。如图3所示，第一部分42的延伸半径大于第二部分43的延伸半径，使得底板44的形状大体为“凸”字形。在第一部分42和第二部分43的相交部分形成径向边缘45。

在装配状态中，第一部分42的周向边缘46与筒状主体30的包括第一阀门31和第二阀门32的内壁区域34密封连接，并且第二部分42的周向边缘47和第一部分的径向边缘45与沿轴向方向延伸的异形板60密封式连接从而在异形板60与筒状主体30之间形成旁流道35。异形板60还与端盖33密封式连接，从而异形板60、筒状主体30、底板44以及内筒40的周向侧壁形成活塞腔20。从另一个角度来看，如图1或2所示，活塞腔20的以异形板60为侧壁的部分的半径较小，而以筒状主体30的侧壁为侧壁的部分的半径较大，即活塞腔20的形状大体为“凸”字形。此外，在异形板60的上游部分还设置有第三阀门61，在下游部分设置有第四阀门62。

如图1所示，中空的活塞杆50套在内筒40的外面并且延伸穿过端盖33到达筒状主体30的外部。为了避免活塞腔20泄漏，活塞杆50内筒的外壁活动式密封贴合。活塞杆50的内部腔体51与主流道41连通，即形成主流道41的一部分。活塞杆50的第一端部与处在活塞腔20内的活塞21相连，在活塞杆50的另一端部连接有锚定组件70。在活塞腔20的下游部分第二阀门32和第四阀门62的上游设置有活塞行程控制挡块24，以防止活塞21运动过度，损坏第二阀门32和第四阀门62。活塞21的形状与活塞腔20的形状相同，即活塞21的形状也大体为“凸”字形（如图4所示），这保证活塞21和活塞杆50不会运动偏离筒状主体30的轴向，并且不会周向转动，从而蠕动式井下牵引器10产生的牵引力的方向保持恒定，大小也保持恒定，有助于钻进。活塞21将活塞腔20分成无杆腔22和有杆腔23，其中第一阀门31和第三阀门61处于无杆腔22，第二阀门32和第四阀门62处于有杆腔23。

锚定组件70包括与钻头相连的本体71和能伸出和缩回本体表面的锚爪72。如图1所示，在本体71的下游端部设置有钻进组件安装槽73，在本体71的周向侧部设置有通过第五阀门74与主流道41连通的凹槽76，在凹槽76的侧壁上设置有第六阀门75，锚爪72密封活动式安装在凹槽76内。锚爪72通过弹性件例如弹簧77（如图1所示）与凹槽76相连，以实现锚爪72自动回缩。

活塞杆50的内部腔体51将主流道41与钻进组件安装槽73连通，这样来自贯串的流体，例如钻井液会经主流道41、内部腔体51而流到钻进组件安装槽73中以润滑钻进组件（未示出）。蠕动式井下牵引器10不但能引导管柱前进，还可方便地用于钻井。设置第一阀门31、第二阀门32、第三阀门61、第四阀门62、第五阀门74和第六阀门75用于引导在筒状主体30、内筒40、凹槽76内的流体流动并最终牵引套管运动，这将在下文中详细描述。

下面以钻井为例并且根据图1到7来描述根据本发明的蠕动式井下牵引器10运动过程。

将蠕动式井下牵引器10安装在钻具上，并正常钻进。这时蠕动式井下牵引器10处于未使用状态，所有的阀门均关闭，并且锚定组件70与筒状主体30之间的距离为最小。

当钻具送进遇阻时，开始使用蠕动式井下牵引器10。这时，第一阀门31关闭，第二阀门32打开，第三阀门61打开，第四阀门62关闭，第五阀门74关闭，第六阀门75打开。这样，在筒状主体30和主流道41内流动的钻井液会经旁流道35和第三阀门61流入无杆腔22内。将钻井液加压，在液压力作用下，活塞21会朝向下游（即前方）运动，这会推动活塞杆50并带动锚定组件70向前方运动，从而带动钻具向前运动。当活塞杆50到达其最大行程时，锚定组件70也向前运动到最远距离，如图5所示。这时，第五阀门74打开，第六阀门75关闭，主流道41内的钻井液会经第五阀门74流入凹槽76内从而液压力会将锚爪72推出本体71的表面并固定连接于井壁（未示出），实现锚定，如图6所示。

接着，第一阀门31打开，第二阀门32关闭，第三阀门61关闭，第四阀门62打开，保持第五阀门74打开，第六阀门75关闭。钻井液会经旁流道35和第四阀门62流入有杆腔23内。由于锚定组件70与井壁固定连接，因此在液压力作用下，筒状主体30被迫朝向前方运动，从而带动钻柱向前运动。在筒状主体30的运动期间，无杆腔22的空间缩小，其内部的钻井液经第一阀门31排出，如图7所示。

当筒状主体30与锚定组件70之间的距离再次为最小时（或如表1中所述，筒状主体30运动到位时），将第一阀门31关闭，第二阀门32打开，第三阀门61打开，第四阀门62关闭，第五阀门74关闭，第六阀门75打开，凹槽76内的钻井液被排出，锚爪72缩回，返回到图5的状态以开始下一次运动。

这样，本发明的蠕动式井下牵引器10实现了以类似于毛虫蠕动的方对钻井装置的牵引，并且牵引力方向恒定，大小平稳，有助于推进钻头的钻进。

在整个运动过程期间，来自钻柱的钻井液也不断地流到钻进组件安装槽73中的润滑钻进组件，以将其润滑，有助于钻头的钻进。

表1显示在各个运动阶段，阀门的打开和关闭状况。

表1

为了实现上述各个阀门协调地打开和关闭，蠕动式井下牵引器10还包括控制器11以控制控第一阀门31、第二阀门32、第三阀门61、第四阀门62、第五阀门74和第六阀门75打开和关闭。所有的这些阀门选择为单向阀，以防止阀门所不希望地打开或关闭。另外，为了减小钻井液的流动阻力，还在底板44的上游端面设置有引导钻井液进入主流道41的引导结构25。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种蠕动式井下牵引器，包括，

与管柱相连的筒状主体，在所述筒状主体侧壁的上游部分设置有第一阀门并且在下游部分设置有第二阀门，在所述筒状主体的下游端部密封式设置有端盖，

设置在所述筒状主体内的形成主流道的内筒，在所述内筒的上游端部设置有包括径向向外延伸长度较长的第一部分和长度较短的第二部分的底板，所述内筒的下游端与所述端盖密封式连接，

其中所述第一部分的周向边缘与所述筒状主体的包括所述第一阀门和所述第二阀门的内壁区域密封连接，所述第二部分的周向边缘和所述第一部分的径向边缘与沿轴向方向延伸的异形板密封式连接，所述异形板还与所述端盖密封式连接从而所述异形板、所述筒状主体的包括所述第一阀门和所述第二阀门的内壁区域、所述底板以及所述内筒的外壁形成活塞腔，在所述异形板和所述筒状主体之间形成旁流道，在所述异形板的上游部分设置有第三阀门，在下游部分设置有第四阀门，

活动式密封地套在所述内筒上并穿过所述端盖而延伸出所述活塞腔的中空的活塞杆，所述活塞杆的第一端部与处于所述活塞腔内的活塞相连，所述第一阀门和所述第三阀门处于所述活塞腔的无杆腔，所述第二阀门和所述第四阀门处于所述活塞腔的有杆腔，

在所述活塞杆的第二端部设置有锚定组件，所述锚定组件包括本体和设置在所述本体侧部的能伸出和缩回所述本体表面的锚爪，在所述本体的下游端设置有钻进组件安装槽，所述钻进组件安装槽通过所述活塞杆的内部空间与所述主流道连通以使得钻井液能从所述管柱流到所述钻进组件安装槽。

2.根据权利要求1所述的蠕动式井下牵引器，其特征在于，首先，所述第一阀门关闭，第二阀门打开，第三阀门打开，第四阀门关闭，所述锚爪缩回到所述本体表面内；

向所述主体内充入液体并加压，所述液体经所述旁流道和第三阀门进入所述无杆腔内推动所述活塞向下游运动到最大行程，接着所述锚爪伸出所述本体表面并固定连接于井壁；

打开第一阀门，关闭第二阀门，关闭第三阀门，打开第四阀门，液体进入所述有杆腔内并推动所述主体向下游运动到最大行程从而带动所述管柱朝向下游运动，

将第一阀门关闭，第二阀门打开，第三阀门打开，第四阀门关闭，并且将所述锚爪缩回到所述本体表面内。

3.根据权利要求1或2所述的蠕动式井下牵引器，其特征在于，在所述本体的周向侧部设置有通过第五阀门与所述主流道连通的凹槽，在所述凹槽的侧壁设置有第六阀门，所述锚爪活动式安装在所述凹槽内，

当所述第五阀门打开时，所述第六阀门关闭，所述锚爪伸出所述本体表面，当所述第六阀门打开时，所述第五阀门关闭，所述锚爪缩回到所述本体表面内。

4.根据权利要求3所述的蠕动式井下牵引器，其特征在于，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门均为单向阀。

5.根据权利要求3所述的蠕动式井下牵引器，其特征在于，还包括控制所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门打开和关闭的控制器。

6.根据权利要求1所述的蠕动式井下牵引器，其特征在于，在所述活塞腔的下游部分所述第二阀门和第四阀门的上游设置有活塞行程控制挡块。

7.根据权利要求3所述的蠕动式井下牵引器，其特征在于，在所述底板的上游端面设置有引导流体进入所述主流道的引导结构。

8.根据权利要求7所述的蠕动式井下牵引器，其特征在于，所述锚爪通过弹性件与所述凹槽相连。

9.根据权利要求1所述的蠕动式井下牵引器，其特征在于，所述底板、异形板和所述内筒为一体成型。

10.根据权利要求1所述的蠕动式井下牵引器，其特征在于，所述内筒与所述筒状主体为同轴安装。