CN105927145B - 电动钻井提速系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动钻井提速系统，包括连接在上、下钻柱之间的电动钻井提速工具，所述电动钻井提速工具包括连接所述上、下钻柱的套筒、轴向设置在所述套筒中的过流套、设置在所述过流套下方的控制单元及与所述控制单元连接的阀系，所述控制单元和所述阀系与所述套筒之间设有流通钻井液的流道，所述阀系用于阻断、联通钻井液流道，所述控制单元包括设有压力传感器的控制器及与所述控制器连接的、可调节功率的电机，所述压力传感器用于感应套筒内钻井液的压力值。本发明具有耐高温，工况可调节，使用寿命长，工作效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及钻井工程技术领域。更具体地说，本发明涉及一种在大斜度井、水平井等复杂结构井开采中能有效减少摩阻、传递钻压进而提高钻速和开采效率的钻井提速系统。
背景技术
随着石油工业的发展，目前油田钻井已由原来的定向井逐渐向水平井发展，而在水平井钻进过程中，由于钻具自身重力作用，造成钻具在钻进时与井壁摩阻过大，严重影响钻速，甚至造成钻具托压不能加压到钻头。因此降低摩阻、减少卡钻事故，增加动钻压、提高钻井效率是当前钻井工程中迫切需要解决的问题。研究发现泥浆通过钻具时可造成泥浆压力大小周期性变化，从而使钻具承受周期性的轴向冲击力，引起该钻具在钻进过程中产生振动，因此能减少钻具与井壁的摩擦，改善钻压传递的效果，提高对工具面的控制，进而达到提高钻速、节约钻井成本的目的。
水力振荡工具寿命低、使用成本高使其饱受诟病，根据现场应用情况反馈，水力振荡工具在水基泥浆环境下的使用寿命约为150小时左右，而在油基泥浆中其使用寿命只有70-80小时，究其原因，因为制约水力振荡工具寿命的主要部件是其动力总成，水力振荡工具的寿命与螺杆钻具相当，其动力总成含有的橡胶元件螺杆限制了其使用寿命，在高温井中，使用寿命还将大大降低，因此工作介质和温度对水力振荡工具的应用有很大限制。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种耐高温、耐腐蚀且使用电力驱动的钻井提速系统。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种电动钻井提速系统，包括连接在上、下钻柱之间的电动钻井提速工具，所述电动钻井提速工具包括连接所述上、下钻柱的套筒、轴向设置在所述套筒中的过流套、设置在所述过流套下方的控制单元及与所述控制单元连接的阀系，所述控制单元和所述阀系与所述套筒之间设有流通钻井液的流道，所述阀系用于阻断、联通钻井液流道，所述控制单元包括设有压力传感器的控制器及与所述控制器连接的、可调节功率的电机；
其中，所述压力传感器用于感应套筒内钻井液的压力值；
其中，所述电动钻井提速系统还包括设置在地面的压力泵，其通过上钻柱与所述流道连接，以在所述流道内生成压力脉冲，当钻探至竖直段时，所述压力泵在流道内生成第一压力脉冲，所述压力传感器将监测到的第一压力脉冲传输至控制器，所述控制器接收所述压力传感器的信号并控制电机使所述电动钻井提速工具以5-10Hz频率振动；当钻探至转向段或水平段时，所述压力泵在流道内生成第二压力脉冲，所述压力传感器将监测到的第二压力脉冲传输至控制器，所述控制器接收所述压力传感器的信号并控制电机使所述电动钻井提速工具以10-15Hz频率振动；当卡钻时，所述压力泵在流道内生成第三压力脉冲，所述压力传感器将监测到的第三压力脉冲传输至控制器，所述控制器接收所述压力传感器的信号并控制电机使所述电动钻井提速工具以15-20Hz频率振动。
优选地，所述控制单元还包括与所述电机连接的减速器以及与所述减速器连接的联轴器，所述联轴器与所述阀系连接。
优选地，所述阀系包括与所述联轴器通过花键连接的动阀座，以使得所述动阀座可轴向旋转，所述动阀座下方设有动阀片，所述动阀片与所述动阀座通过过盈配合固定连接。
优选地，所述阀系还包括定阀片；
其中，所述动阀片沿圆周方向均匀分布第一过流孔；所述定阀片沿圆周方向均匀分布第二过流孔，所述第一过流孔和所述第二过流孔均为通孔，以使所述动阀片旋转时，所述第一过流孔与所述第二过流孔交错或重叠形成的重叠区的过流面积呈周期性变化。
优选地，所述过流套上沿轴向方向设置第一盲孔，所述过流套沿圆周方向设置第三过流孔，所述第三过流孔为通孔，所述第三过流孔的数量为2-8个。
优选地，所述动阀座沿轴向方向设置第二盲孔，所述动阀座沿圆周方向布置有第四过流孔，所述第四过流孔为通孔，所述第四过流孔的数量为2-8个。
本发明至少包括以下有益效果：
第一、本发明的一种电动钻井提速工具采用电机代替螺杆进行驱动，能避免使用螺杆驱动使用的橡胶部件在高温下易破坏而使水力振荡器无法正常工作，同时节约了频繁更换水力振荡器的成本，提高了工作效率；
第二、通过电池提供的动力，代替了水力驱动从而可以避免动力部分产生的压降，有效的减轻地面泵组的输出压力，从而可以降低地面设备的使用寿命和运行成本；
第三、本发明的电动钻井提速工具能够产生温和的振动，不会对钻头或其它钻具产生破坏，能有效减少钻具与井壁的摩擦，改善钻压传递，有效防止钻进过程中跳钻或托压，提高对工具面的控制，进而在大斜度井和水平井等复杂结构井中提高钻速、节约钻井成本；
第四、本发明的电动钻井提速工具所产生的振动参数可调节，通过监测地层参数，调节钻井液的压力，控制器自动改变输出的控制信号，从而使电机输出特定的转速及转矩从而调节阀系交合及相错的频率。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的剖视结构示意图；
图2为本发明中所述动阀片或定阀片的横截面示意图；
图3是本发明过流面积与压力随时间变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明提供一种电动钻井提速系统，包括连接在上、下钻柱之间的电动钻井提速工具，所述电动钻井提速工具包括连接所述上、下钻柱的套筒、轴向设置在所述套筒中的过流套、设置在所述过流套下方的控制单元及与所述控制单元连接的阀系，所述控制单元和所述阀系与所述套筒之间设有流通钻井液的流道，所述阀系用于阻断、联通钻井液流道，所述控制单元包括设有压力传感器的控制器及与所述控制器连接的、可调节功率的电机；
其中，所述压力传感器用于感应套筒内钻井液的压力值；
其中，所述电动钻井提速系统还包括设置在地面的压力泵，其通过上钻柱与所述流道连接，以在所述流道内生成压力脉冲，当钻探至竖直段时，所述压力泵在流道内生成第一压力脉冲，所述压力传感器将监测到的第一压力脉冲传输至控制器，所述控制器接收所述压力传感器的信号并控制电机使所述电动钻井提速工具以5-10Hz频率振动；当钻探至转向段或水平段时，所述压力泵在流道内生成第二压力脉冲，所述压力传感器将监测到的第二压力脉冲传输至控制器，所述控制器接收所述压力传感器的信号并控制电机使所述电动钻井提速工具以10-15Hz频率振动；当卡钻时，所述压力泵在流道内生成第三压力脉冲，所述压力传感器将监测到的第三压力脉冲传输至控制器，所述控制器接收所述压力传感器的信号并控制电机使所述电动钻井提速工具以15-20Hz频率振动。
在一个实施例中，所述控制单元还包括与所述电机连接的减速器以及与所述减速器连接的联轴器，所述联轴器与所述阀系连接。
在一个实施例中，所述阀系包括与所述联轴器通过花键连接的动阀座，以使得所述动阀座可轴向旋转，所述动阀座下方设有动阀片，所述动阀片与所述动阀座通过过盈配合固定连接。
在一个实施例中，所述阀系还包括定阀片；
其中，所述动阀片沿圆周方向均匀分布第一过流孔；所述定阀片沿圆周方向均匀分布第二过流孔，所述第一过流孔和所述第二过流孔均为通孔，以使所述动阀片旋转时，所述第一过流孔与所述第二过流孔交错或重叠形成的重叠区的过流面积呈周期性变化。
在一个实施例中，所述过流套上沿轴向方向设置第一盲孔，所述过流套沿圆周方向设置第三过流孔，所述第三过流孔为通孔，所述第三过流孔的数量为2-8个。
在一个实施例中，所述动阀座沿轴向方向设置第二盲孔，所述动阀座沿圆周方向布置有第四过流孔，所述第四过流孔为通孔，所述第四过流孔的数量为2-8个。
为了更好地阐述本发明，下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，如图1-3所示，一种电动钻井提速工具，包括上接头1、套筒2、过流套3、控制动力部分4、阀系5，动力控制部分4从上到下同轴布置有控制器401、电池组403、电机404、减速器406、联轴器407等，阀系5从上到下依次为动阀座501、动阀片502、静阀片503、静阀座504。过流套3上下两端分别通过螺纹和上接头1下端和电池套402上端连接，控制器401和电池组403置入电池套402内，电池套402下端和电机套405上端通过螺纹连接，电机404置于电机套405内，电机套405下端和轴承座409上端通过螺纹连接，轴承408置于轴承座409内，减速器406的输出轴通过平键和联轴器407的上端连接，联轴器407的下端通过花键和动阀座501连接。动阀片502与动阀座501之间、以及定阀片503与定阀座504之间通过盈配合固定连接，所述动阀片502与所述定阀片503上分别设有多个沿动阀片或定阀片的圆周方向均匀分布的第一过流孔和第二过流孔，以使所述动阀片502在所述电机的驱动下旋转时，所述第一过流孔与所述第二过流孔交错或重叠形成的重叠区的过流面积呈周期性变化，本发明采用电机替代螺杆驱动，因螺杆驱动配套的装置中有橡胶材料，具有不耐高温的缺陷。另外，因电机驱动不会产生如螺杆驱动产生的扭力，进而使偏心孔与固定孔形成的重叠区过流面积发生周期性变化，故使用电机驱动时，动阀片与定阀片上需开设多个沿其圆周方向均匀分布的过流孔。
本发明的电动钻井提速工具在工作时，控制器401驱动电机404旋转，电机404的旋转运动通过减速器405变速之后输出，带动联轴器407转动，联轴器407和动阀座408通过花键连接，动阀座408随着联轴器407一起转动，当钻井液流经上接头1流入，经过套筒2和动力控制部分4组成的环形空腔，从动阀座401流道孔进入，从动阀片402和静阀片403的流道孔流出，而使动阀片302和定阀片303的过流孔在电机404的作用下不停地重合或者交错，实现过流面积的变化，影响钻井液的流量，从而使钻具受到周期性变化的轴向力，压力波向上传递，带动振动壳体在轴向发生持续的简谐性振动，有效改善上方钻柱与井壁的摩擦阻力，提高钻进速度，同时压力波向下传递给钻头，促使破岩压力周期性变化，有效破碎岩石。电动钻井提速工具的频率、振幅可以通过调整电机的输出参数，动阀、定阀的结构尺寸，过流孔的尺寸、数量以及钻井液的流量来实现。
本发明的工业实用性
第一、本发明的一种电动钻井提速工具采用电机代替螺杆进行驱动，能避免使用螺杆驱动使用的橡胶部件在高温下易破坏而使水力振荡器无法正常工作，同时节约了频繁更换水力振荡器的成本，提高了工作效率；
第二、通过电池提供的动力，代替了水力驱动从而可以避免动力部分产生的压降，有效的减轻地面泵组的输出压力，从而可以降低地面设备的使用寿命和运行成本；
第三、本发明的电动钻井提速工具能够产生温和的振动，不会对钻头或其它钻具产生破坏，能有效减少钻具与井壁的摩擦，改善钻压传递，有效防止钻进过程中跳钻或托压，提高对工具面的控制，进而在大斜度井和水平井等复杂结构井中提高钻速、节约钻井成本；
第四、本发明的电动钻井提速工具所产生的振动参数可调节，通过监测地层参数，调节钻井液的压力，控制器自动改变输出的控制信号，从而使电机输出特定的转速及转矩从而调节阀系交合及相错的频率。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (6)
1.一种电动钻井提速系统，包括连接在上、下钻柱之间的电动钻井提速工具，所述电动钻井提速工具包括连接所述上、下钻柱的套筒、轴向设置在所述套筒中的过流套、设置在所述过流套下方的控制单元及与所述控制单元连接的阀系，所述控制单元和所述阀系与所述套筒之间设有流通钻井液的流道，所述阀系用于阻断、联通钻井液流道，其特征在于，所述控制单元包括设有压力传感器的控制器及与所述控制器连接的、可调节功率的电机；
其中，所述压力传感器用于感应套筒内钻井液的压力值；
其中，所述电动钻井提速系统还包括设置在地面的压力泵，其通过上钻柱与所述流道连接，以在所述流道内生成压力脉冲，当钻探至竖直段时，所述压力泵在流道内生成第一压力脉冲，所述压力传感器将监测到的第一压力脉冲传输至控制器，所述控制器接收所述压力传感器的信号并控制电机使所述电动钻井提速工具以5-10Hz频率振动；当钻探至转向段或水平段时，所述压力泵在流道内生成第二压力脉冲，所述压力传感器将监测到的第二压力脉冲传输至控制器，所述控制器接收所述压力传感器的信号并控制电机使所述电动钻井提速工具以10-15Hz频率振动；当卡钻时，所述压力泵在流道内生成第三压力脉冲，所述压力传感器将监测到的第三压力脉冲传输至控制器，所述控制器接收所述压力传感器的信号并控制电机使所述电动钻井提速工具以15-20Hz频率振动。
2.如权利要求1所述的电动钻井提速系统，其特征在于，所述控制单元还包括与所述电机连接的减速器以及与所述减速器连接的联轴器，所述联轴器与所述阀系连接。
3.如权利要求2所述的电动钻井提速系统，其特征在于，所述阀系包括与所述联轴器通过花键连接的动阀座，以使得所述动阀座可轴向旋转，所述动阀座下方设有动阀片，所述动阀片与所述动阀座通过过盈配合固定连接。
4.如权利要求3所述的电动钻井提速系统，其特征在于，所述阀系还包括定阀片；
其中，所述动阀片沿圆周方向均匀分布第一过流孔；所述定阀片沿圆周方向均匀分布第二过流孔，所述第一过流孔和所述第二过流孔均为通孔，以使所述动阀片旋转时，所述第一过流孔与所述第二过流孔交错或重叠形成的重叠区的过流面积呈周期性变化。
5.如权利要求1所述的电动钻井提速系统，其特征在于，所述过流套上沿轴向方向设置第一盲孔，所述过流套沿圆周方向设置第三过流孔，所述第三过流孔为通孔，所述第三过流孔的数量为2-8个。
6.如权利要求3所述的电动钻井提速系统，其特征在于，所述动阀座沿轴向方向设置第二盲孔，所述动阀座沿圆周方向布置有第四过流孔，所述第四过流孔为通孔，所述第四过流孔的数量为2-8个。
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