CN104481401B - 一种新型石油与天然气井下减摩降阻装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型石油与天然气井下减摩降阻装置，其特点是：主要包括：第一接头、第二接头、弹簧、外层管、六方钻杆、轴向台肩、摆线轴、第一环空、第一腔室、偏心台肩、恒压通道、第二腔室和第二环空；该装置刚开始工作时，偏心台肩与第二接头之间的弹簧处于松弛状态；工作过程中，第二腔室通过恒压通道与第一环空保持连通，其压力始终不变，而第一腔室的压力和弹簧的弹性性能呈周期性变化，故该装置能依靠第一腔室与第二腔室之间压差变化和弹簧弹性势能的变化来推动六方钻杆沿轴向做周期性的往复运动，从而破除了钻具与井壁之间的静摩擦，有效降低了石油与天然气井下的摩阻。本发明适用于石油与天然气钻井工程技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及大位移井减摩降阻及机械转速提升的技术领域，具体是一种新型石油与天然气井下减摩降阻装置。
背景技术
随着定向井、水平井钻井技术的发展，出现了大位移井。目前大位移井有两种定义：一种是指测深等于或大于垂深2倍的定向井或水平井，当大于3倍时，则称为特大位移井，这是在第14届世界石油大会上挪威提出的；另一种是指水平位移等于或大于垂深2倍的定向井或水平井，这种定义法主要来源于英国的BP公司和美国的ARCO公司所谓大位移井。
大位移井最主要的特点是裸眼稳斜段长，且在水平方向上位移大，其测深实际达到了深井、超深井的深度，正是上述特点决定了摩阻是大位移井钻井工程问题的核心，同时也会使大位移井机械转速降低、钻井周期增加、水平段长度的继续延伸受限，从而严重制约了大位移井钻井技术的进一步发展。因此，降低大位移井钻进的摩阻是提高其机械转速并延伸水平段长度的关键。
为降低大位移井钻进过程中的摩擦阻力，钻井工作者们研发了多种减摩降阻工具，主要包括：“一种基于脉冲激励的减摩降阻工具”和“一种减摩阻增振幅井下工具”，分析发现上述两种减摩降阻工具的工作原理完全相同，均是依靠钻井液脉冲射流产生的轴向振动来降低钻柱与井壁之间的摩阻(摩擦力和扭矩)。需要说明的是：(1)“一种减摩阻增振幅井下工具”的结构过于复杂，故难以确保该工具能在井下几千米环境下稳定工作；(2)上述两种工具的主要功能在于形成钻井液的脉冲射流，能有效改善井底流场，显著提高井底破岩和携岩效率，但脉冲射流产生的脉冲压力主要作用在静止盘面(一种基于脉冲激励的减摩降阻工具)或静阀板(一种基于脉冲激励的减摩降阻工具)上，故几乎不能带动整个钻具的轴向运动，导致引起整个钻具的轴向振动较小；因此上述两种减摩降阻工具对大位移井的减摩降阻效果不明显且有待于完善。
为了克服现有减摩降阻工具的不足，本文提出了一种新型石油与天然气井下减摩降阻装置，该装置能带动整个钻具的轴向运动并引起整个钻具沿轴向的显著振动，从而起到有效降低大位移井摩阻(摩擦力和扭矩)的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型石油与天然气井下减摩降阻装置，以解决目前大位移井摩阻大、钻柱与井壁之间磨损严重的技术难题，同时提高大位移井的机械钻速，缩短整个钻井周期，并在达到上述目的的同时，简化装置的复杂性，降低装置的使用成本。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提出的一种新型石油与天然气井下减摩降阻装置，其特征在于，主要包括：第一接头、第二接头、弹簧、外层管、六方钻杆、轴向台肩、摆线轴、第三接头、第一环空、第一腔室、偏心台肩、恒压通道、第二腔室、第四接头和第二环空。其中，六方钻杆包括第一接头和偏心台肩，第一接头用于连接下部钻具，偏心台肩用于与外层管和第二接头形成第二腔室，六方钻杆与第二接头通过间隙配合来传递钻进过程中的扭矩，六方钻杆的偏心台肩与外层管内壁之间为动密封，六方钻杆能在第二腔室内往复移动；外层管包括第三接头、第四接头、轴向台肩和定子，第三接头用于连接上部钻具并传递扭矩，第四接头用于连接第二接头，轴向台肩用于固定六方钻杆沿轴向向上运动，定子内设置有转子；摆线轴与偏心台肩为间隙配合，确保偏心台肩与定子和转子形成第二腔室；摆线轴外径与第二环空的内径相等且存在一定的偏心度，确保摆线轴在转动过程中既能完全阻隔第二环空与第一腔室，也能完全沟通第二环空与第一腔室；偏心台肩与第二接头之间设置有一弹簧；井壁与外层管形成第一环空；第二腔室通过恒压通道与环空始终保持相同压力。
本发明具有以下优点：
(1)一种新型石油与天然气井下减摩降阻装置的第二腔室压力始终为常数，而第一腔室的压力和弹簧的弹性性能呈周期性变化，其能依靠第一腔室与第二腔室之间压差变化和弹簧弹性势能的变化来推动六方钻杆沿轴向做周期性的往复运动，从而破除了钻具与井壁之间的静摩擦，有效的降低了石油与天然气井下的摩阻；
(2)装置结构简单，成本低廉，减摩降阻效果明显。
附图说明
图1为一种新型石油与天然气井下减摩降阻装置示意图。
图2为六方钻杆与第二接头配合示意图。
具体实施方式
按照图1所示，本发明提出的一种新型石油与天然气井下减摩降阻装置，其特征在于，主要包括：第一接头2、第二接头3、弹簧4、外层管5、六方钻杆6、轴向台肩7、摆线轴8、第三接头11、第一环空12、第一腔室13、偏心台肩14、恒压通道15、第二腔室16、第四接头17和第二环空18。其中，六方钻杆6包括第一接头2和偏心台肩14，第一接头2用于连接下部钻具，偏心台肩14用于与外层管5和第二接头3形成第二腔室16，六方钻杆6与第二接头3通过间隙配合来传递钻进过程中的扭矩，六方钻杆6的偏心台肩14与外层管5内壁之间为动密封，六方钻杆6能在第二腔室16内往复移动；外层管5包括第三接头11、第四接头17、轴向台肩7和定子9，第三接头11用于连接上部钻具并传递扭矩，第四接头17用于连接第二接头3，轴向台肩7用于固定六方钻杆6沿轴向向上运动，定子9内设置有转子10；摆线轴8与偏心台肩14为间隙配合，确保偏心台肩14与定子9和转子10形成第一腔室13，摆线轴8外径与第二环空18的内径相等且存在一定的偏心度，确保摆线轴8在转动过程中既能完全阻隔第二环空18与第一腔室13，也能完全沟通第二环空18与第一腔室13；偏心台肩14与第二接头3之间设置有弹簧4；井壁1与外层管5形成第一环空12；第二腔室16通过恒压通道15与第一环空12始终保持相同压力。
该装置刚开始工作时，偏心台肩14与第二接头3之间的弹簧4处于松弛状态；工作过程中，第二腔室16通过恒压通道15与第一环空12保持连通，其压力始终不变，外层管5中的泥浆进入定子9与转子10之间的环空并带动转子10在定子9内转动，然后进入第一腔室13，同时转动的转子10也带动摆线轴8转动，而在摆线轴8转动过程中，第一腔室13与第二环空18会从完全被沟通变为完全被阻隔；当第一腔室13与第二环空18完全被阻隔时，第一腔室13的压力急剧增加，使得第一腔室13与第二腔室16之间的压差也急剧增加，从而推动六方钻杆6沿轴向向下移动，同时六方钻杆6带动下部钻具沿轴向向下移动，在移动过程中弹簧4被压缩且第一腔室13与第二环空18逐渐被沟通，当第一腔室13与第二环空18完全被沟通时，被压缩的弹簧4推动六方钻杆6沿轴向向上移动，同时六方钻杆6带动下部钻具沿轴向向上移动，直到偏心台肩14与外层管5的轴向台肩7接触为止；由于摆线轴8的周期性转动，上述过程将会周期性的发生，因此通过六方钻杆6的往复移动能够带动下部钻具的往复移动，从而消除了钻具与井壁之间的静摩擦，有效降低了钻具与井壁之间的摩阻(摩擦力和扭矩)。
Claims (2)
1.一种石油与天然气井下减摩降阻装置，其特征在于，装置主要包括：第一接头(2)、第二接头(3)、弹簧(4)、外层管(5)、六方钻杆(6)、轴向台肩(7)、摆线轴(8)、第三接头(11)、第一环空(12)、第一腔室(13)、偏心台肩(14)、恒压通道(15)、第二腔室(16)、第四接头(17)和第二环空(18)；其中，六方钻杆(6)包括第一接头(2)和偏心台肩(14)，第一接头(2)用于连接下部钻具，偏心台肩(14)用于与外层管(5)和第二接头(3)形成第二腔室(16)，六方钻杆(6)与第二接头(3)通过间隙配合来传递钻进过程中的扭矩，六方钻杆(6)的偏心台肩(14)与外层管(5)内壁之间为动密封，六方钻杆(6)能在第二腔室(16)内往复移动；外层管(5)包括第三接头(11)、第四接头(17)、轴向台肩(7)和定子(9)，第三接头(11)用于连接上部钻具并传递扭矩，第四接头(17)用于连接第二接头(3)，轴向台肩(7)用于固定六方钻杆(6)沿轴向向上运动，定子(9)内设置有转子(10)；摆线轴(8)与偏心台肩(14)为间隙配合，确保偏心台肩(14)与定子(9)和转子(10)形成第一腔室(13)，摆线轴(8)外径与第二环空(18)的内径相等且存在一定的偏心度，确保摆线轴(8)在转动过程中既能完全阻隔第二环空(18)与第一腔室(13)，也能完全沟通第二环空(18)与第一腔室(13)；偏心台肩(14)与第二接头(3)之间设置有弹簧(4)；井壁(1)与外层管(5)形成第一环空(12)；第二腔室(16)通过恒压通道(15)与第一环空(12)始终保持相同压力。
2.根据权利要求1所述的一种石油与天然气井下减摩降阻装置，其特征在于：该装置刚开始工作时，偏心台肩(14)与第二接头(3)之间的弹簧(4)处于松弛状态；在工作过程中，第二腔室(16)通过恒压通道(15)与第一环空(12)保持连通，其压力始终不变，当第一腔室(13)与第二环空(18)完全被阻隔时，第一腔室(13)的压力急剧增加，使得第一腔室(13)与第二腔室(16)之间的压差也急剧增加，从而推动六方钻杆(6)沿轴向向下移动，同时六方钻杆(6)带动下部钻具沿轴向向下移动，在移动过程中弹簧(4)被压缩且第一腔室(13)与第二环空(18)逐渐被沟通，当第一腔室(13)与第二环空(18)完全被沟通时，被压缩的弹簧(4)推动六方钻杆(6)沿轴向向上移动，同时六方钻杆(6)带动下部钻具沿轴向向上移动，直到偏心台肩(14)与外层管(5)的轴向台肩(7)接触为止；由于摆线轴(8)的周期性转动，六方钻杆(6)也能带动下部钻具周期性的往复移动。
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