CN106499334B - 井下滑动密封工具、无限延伸钻井装置及其钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下滑动密封工具、无限延伸钻井装置及其钻井方法，包括井下动力装置及安装在所述井下动力装置上的密封装置；所述井下动力装置包括上部芯轴、中部芯轴、下部芯轴，所述密封装置包括橡胶支撑套筒和裸眼封隔器橡胶筒，所述裸眼封隔器橡胶筒设置在上部芯轴与中部芯轴的连接间隙处，所述裸眼封隔器橡胶筒上部与支撑套筒相固定，下部与中部芯轴相固定；所述上部芯轴内设置活塞筒，所述活塞筒上部设有一用于连通工具壳体外空间的活塞上端孔，下部设有用于连通中心流道的活塞下端孔。本发明通过上述装置和方法为微孔钻井和水平井钻井提供足够钻压，从而提高微孔钻井和水平井钻井的延伸能力，并显著降低钻井成本。

Description

井下滑动密封工具、无限延伸钻井装置及其钻井方法

技术领域

本发明涉及一种石油天然气钻井工程，特别针对微孔钻井、大延伸水平井钻井的井下滑动密封工具、无限延伸钻井装置及其钻井方法。

背景技术

微孔钻井与小井眼钻井无论在关键技术方面还是在基本概念方面，都存在着诸多不同。采用小井眼钻井的目的仅仅是为了找到一种更为便宜的途径来完成常规钻机和钻井工艺所能完成的相同工作；而微孔钻井的焦点则是通过采用各类关键技术来支持一种主要的商业模型，使其可以实现浅层油气资源的开发，并通过与低成本钻井能力的结合而建立起一种能够平衡各种地震成像技术的途径。

对于微孔钻井而言，除了要求应用尺寸小且效率高的ct钻机以外，其焦点主要集中在实现可由ct钻井所提供的高机械钻速方面，以便对浅层油、气资源实行经济性开发。

要把勘探风险降低到与开发风险相当的程度，微孔钻井技术是惟一实际的解决方案。从根本上说，微孔钻井的目的就是要降低钻井成本并减小开发风险。DOE还认为，用于微型钻井的轻型钻机，占地面积更小，钻井废物排放量更少，具有环保优势。

微孔钻井技术的发展瓶颈为钻进方式跟常规钻井方式一样，越到深处，机械钻速越低，造成钻探井深受到限制，目前仅能到达305米。

由于微孔钻井技术的成本相对较低、风险相对较小，若解决钻速和钻探深度问题，将诞生一个新的商业模式，甚至完全取代常规钻探作业。

另外，页岩气、煤层气等非常规油气开采技术近年来发展迅速,为了降低钻井成本和提高储层的开发力度,水平井作为一种提高油气产量和采油效率的有效开采方法,在钻井工程设计中被广泛使用。常规油气为了增产增储，也尽可能增加储层中井眼的水平段长度；水平井段延伸越长,储层裸露越多，经济效益就越好。水平段长度受地质条件、地面设备及钻井技术水平等多种因素的制约，水平段井眼长度不能无限延长。

综上所述，无论微孔钻井技术，还是常规水平井钻井技术，都存在钻进延伸能力有限的问题，急需一种显著增加微孔钻井和水平井的延伸能力的工具。

发明内容

本发明的目的在于提供一种井下滑动密封工具及无限延伸钻井装置，为微孔钻井和水平井钻井提供足够钻压，从而提高微孔钻井和水平井钻井的延伸能力，并显著降低钻井成本。

本发明所采用的技术方案为：

一种井下滑动密封工具，包括井下动力装置及安装在所述井下动力装置上的密封装置；

所述井下动力装置包括上部芯轴、中部芯轴、下部芯轴，所述上部芯轴、中部芯轴、下部芯轴均为中空结构，所述上部芯轴、中部芯轴、下部芯轴依次固定连接，上部芯轴、中部芯轴、下部芯轴的中空部分构成上部中心流道；

所述密封装置包括橡胶支撑套筒和裸眼封隔器橡胶筒，所述裸眼封隔器橡胶筒设置在上部芯轴与中部芯轴的连接间隙处，所述裸眼封隔器橡胶筒上部与支撑套筒相固定，下部与中部芯轴相固定；

所述上部芯轴内设置活塞筒，所述活塞筒上部设有一用于连通工具壳体外空间的活塞上端孔，下部设有用于连通中心流道的活塞下端孔。

作为优选，所述下部芯轴内安装有下部壳体，所述下部壳体与中部芯轴之间通过封隔器橡胶固定套筒进行固定。

作为优选，所述下部壳体以下的中空部分构成下部中心流道，所述下部芯轴与下部壳体之间的缝隙构成双壁之间流道，所述上部中心流道、下部中心流道和双壁之间流道之间相互连通。

作为优选，所述下部中心流道中间设置堵头，上部中心流道与工具外空间通过堵头上部孔连通，双壁之间流道与下部中心流道之间通过堵头下部孔连通，所述堵头上部孔的孔径为堵头下部孔的孔径的1.5～2倍。

作为优选，所述上部中心流道的内径大于所述下部中心流道的内径。

作为优选，所述活塞筒的底部设有一柱塞筒，所述活塞筒与柱塞筒相连通，所述活塞筒内的活塞与柱塞筒内的柱塞为一体式连接，所述柱塞筒的下部设有用于将增压的液压油从活塞筒输送于上部芯轴和裸眼封隔器橡胶筒之间间隙的注油孔，所述活塞筒的内径大于所述柱塞筒的内径。

作为优选，所述裸眼封隔器橡胶筒包括内部的橡胶筒和外部镶嵌耐磨的金属条。

本实施例还提供一种无限延伸钻井装置，包括钻杆、螺杆动力钻具和PDC钻头，还包括所述的井下滑动密封工具，井下滑动密封工具上部与钻杆固定连接，井下滑动密封工具的下部依次与螺杆动力钻具、钻头固定连接。

本实施例还提供一种基于所述无限延伸钻井装置的钻井方法，包括以下步骤：

S1、将井下滑动密封工具上部与钻杆或连续油管通过螺纹连接，将井下滑动密封工具的下部依次与螺杆动力钻具、钻头通过螺纹连接；

S2、将无限延伸钻井装置组合完毕后下入井底，通过地面泥浆泵将钻井液从钻杆和套管之间的环空输送钻井液，开始试钻；

当钻井液经过时，设置在井下滑动密封工具内的井下滑动密封工具活塞两端产生推力，通过柱塞将液压油推进到封隔器橡胶筒内，使封隔器橡胶筒膨胀，将该工具和井壁之间的环空封堵住；

钻井液依次通过工具双壁之间流道、堵头下部孔和下部中心流道进入该工具下部的螺杆动力钻具和钻头；钻井液经过螺杆动力钻具内部时，产生旋转动力，驱动钻头旋转破岩；

S3、从钻头喷嘴喷射出后，携带破碎的岩屑，依次从钻头、螺杆钻具与井壁之间的环空、堵头上部孔和上部中心流道进入钻杆内部，最终上返到地面。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明为微孔钻井和水平井钻井提供足够钻压，实现无限延伸钻进，通过井下滑动密封工具的封隔器与井壁接触，形成钻压的有效活塞面积，封隔器上端高压钻井液液柱产生的压强远远高于封隔器下端产生的压强，同时，可以通过控制流量，钻井液密度和工具尺寸参数，以达到合理控制钻压目的，这将彻底改变传统钻井技术和商业模式，不再受水平井长度，超深井深度限制。理论上，这种钻井方式的延伸能力无极限。

2、本发明提供的井下滑动密封工具及无限延伸钻井装置，只需利用一台连续油管钻井车，通过油管或连续油管将大量工作液输送到井下，由井下滑动密封工具钻井所需钻压，该方法显著节约井场地面面积，无需庞大的地面装备，无需钻更粗的井眼，同时由于井下滑动密封工具以上的部分是钻井液压力较高，而井下滑动密封工具以下的部分，特别是钻头附近为欠平衡状态，由于液柱压力低于地层岩石应力，孔底岩石从承受三向应力转为两向应力，使岩石释放存储的弹性应变能，提高破岩效率，从而显著提高钻井速度，另外，降低钻头破岩难度，提高钻头使用寿命，减少钻头应用数量，最终实现显著降低成本目的。

3、本发明所述的井下滑动密封工具及无限延伸钻井装置无论是浅层油气、还是中深油气田，甚至是超深油气井，均能使用本发明的装置进行微孔钻井；无论是直井，还是大位移井或者水平井，均能使用本发明提供的装置进行微孔钻井；无论是页岩气等非常规油气，还是常规油气，均能采用本发明提供的装置进行微孔钻井。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述井下滑动密封工具的结构示意图；

图2为本发明所述无限延伸钻井装置工作时的结构示意图；

图3为本发明所述无限延伸钻井在钻井过程中的压力示意图。

图中所示：1、上部芯轴，2、橡胶支撑套筒，3、裸眼封隔器橡胶筒，4、中部芯轴，5、封隔器橡胶固定套筒，6、下部芯轴，7、下部壳体，8、堵头，9、活塞上端孔，10、活塞筒，11、柱塞，12、活塞下端孔，13、柱塞筒，14、注油孔，15、上部中心流道，16、双壁之间流道，17、堵头上部孔，18、堵头下部孔，19、下部中心流道，20、钻杆，21、螺杆动力钻具，22、钻头。

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。

实施方式一：

如图1和2所示，本实施例提供一种井下滑动密封工具，包括井下动力装置及安装在所述井下动力装置上的密封装置，井下动力装置包括上部芯轴1、中部芯轴4、下部芯轴6，其中上部芯轴1、中部芯轴4、下部芯轴6均为中空结构。本实施例中，上部芯轴1顶部的中空部分为上宽下窄的锥形结构，锥形结构的内表面与钻杆20螺纹连接。中部芯轴4为轴向对称结构，中部芯轴4的上部与上部芯轴1的下部通过内螺纹进行固定连接，中部芯轴4的下部与下部芯轴6的上部通过外螺纹进行固定连接，所述下部芯轴6的下部与螺杆动力钻具21和PDC钻头22螺纹连接。其中，上部芯轴1、中部芯轴4、下部芯轴6的中空部分构成上部中心流道15，通过地面泥浆泵将钻井液从钻杆20和上部中心流道15输送钻井液进行试钻。密封装置包括橡胶支撑套筒2和裸眼封隔器橡胶筒3，该裸眼封隔器橡胶筒3设置在上部芯轴1与中部芯轴4的连接间隙处，所述裸眼封隔器橡胶筒3上部与橡胶支撑套筒2相固定，下部与中部芯轴4相固定，所述橡胶支撑套筒2固定在上部芯轴1的外壁上，橡胶支撑套筒2可以随着外部压力的增大产生微小的移动，作为本实施例的优选，裸眼封隔器橡胶筒3包括内部的橡胶筒和外部镶嵌耐磨的金属条。其中，上部芯轴1内设置有活塞筒10，该活塞筒10上部设有一用于连通工具壳体外空间的活塞上端孔9，活塞筒10下部设有用于连通中心流道的活塞下端孔12。

实施方式二：

如图1所示，对实施方式一进行进一步优化，在下部芯轴6内安装有下部壳体7，所述下部壳体7与中部芯轴4之间通过封隔器橡胶固定套筒5进行固定，其中，下部芯轴6内的下部壳体7以下的中空部分构成下部中心流道19，所述下部芯轴6与下部壳体7之间的缝隙构成双壁之间流道16，所述上部中心流道15、下部中心流道19和双壁之间流道16之间相互连通。作为本实施例的优选，所述上部中心流道15的内径大于所述下部中心流道19的内径。

如图1所示，进一步对本实施例进行优化，在下部中心流道19中间设置堵头8，上部中心流道15与工具外空间通过堵头上部孔17连通，双壁之间流道16与下部中心流道之间通过堵头下部孔18连通。所述堵头上部孔17的孔径为堵头下部孔18的孔径的1.5～2倍。

实施方式三：

进一步优化实施方式一或实施方式二，在活塞筒10的底部设有一柱塞筒13，所述活塞筒10与柱塞筒13相连通，所述活塞筒10内的活塞与柱塞筒13内的柱塞11为一体式连接，所述柱塞筒13的下部设有用于将增压的液压油从活塞筒10输送于上部芯轴1和裸眼封隔器橡胶筒3之间间隙的注油孔14。作为本实施例的优选，所述活塞筒10的内径大于所述柱塞筒13的内径。

本实施例还提供一种无限延伸钻井装置，包括钻杆20、螺杆动力钻具21和PDC钻头22，还包括本实施例中所述的井下滑动密封工具，井下滑动密封工具上部与钻杆20固定连接，井下滑动密封工具的下部依次与螺杆动力钻具21、PDC钻头22固定连接。

如图2和3所示，本发明的还提供一种基于所述无限延伸钻井装置的钻井方法，包括以下步骤：

S1、将井下滑动密封工具的上部芯轴1上部与钻杆20或连续油管通过螺纹连接，将井下滑动密封工具的下部芯轴6下部依次与螺杆动力钻具21、PDC钻头22通过螺纹连接；

S2、将无限延伸钻井装置组合完毕后下入井底，通过地面泥浆泵将钻井液从钻杆20和套管之间的环空输送钻井液，开始试钻；

当钻井液经过井下滑动密封工具时，由于该工具外钻井液的压力高于该工具内钻井液的压力，设置在井下滑动密封工具内的活塞两端产生推力，通过柱塞11将液压油推进到裸眼封隔器橡胶筒3内，使裸眼封隔器橡胶筒膨胀，将该工具和井壁之间的环空封堵住；

钻井液依次通过工具双壁之间流道16、堵头下部孔18和下部中心流道19进入该工具下部的螺杆动力钻具21和钻头22；钻井液经过螺杆动力钻具21内部时，产生旋转动力，驱动钻头旋转破岩；

S3、当钻井液从钻头喷嘴喷射出后，携带破碎的岩屑，依次从钻头22、螺杆钻具21与井壁之间的环空、堵头上部孔17和上部中心流道16进入钻杆内部，最终上返到地面；该井下滑动密封工具的封隔器上下两端产生压差，并产生钻压；随着钻头破岩，井下滑动密封工具两端产生的钻压拖动该工具后面的钻具，同时推动螺杆动力钻具和钻头继续钻进。

实施方式四：

下面结合具体实施方式对本发明做进步的说明：

假设某井井深为3000m，水平段为10000m，钻井液密度为1.6g/cm³；空气密度为0.00129g/cm³；底部钻具组合的外径为168mm，213mm的钻头形成的井眼尺寸为215.9mm，井下滑动密封工具的封隔器与井壁接触，则形成钻压的有效活塞面积为577.41cm2；封隔器上端高压钻井液液柱产生的压强为0.0098ρH＝47.04MPa，而空气在，封隔器下端产生的压强为0.04MPa；，封隔器两端的压差达到47MPa，可以计算出，封隔器两端产生的钻压为PS＝276810Kgf，能为水平段钻具提供的钻压为276810Kgf，即27.7t。一般钻井工程的钻压为6-12t，显然该方法产生的钻压远远超过正常钻进所需要的钻压。可以通过控制循环钻井液的密度，使钻压在合理范围内。例如，设计循环钻井液的密度为1.56g/cm³，井下滑动密封工具的封隔器靠近钻头方向的压力为46.03MPa，井下滑动密封工具的封隔器两端压差为1.01MPa，则钻井过程的钻压为6t。

由此可见，这种钻井方式可以通过控制流量，钻井液密封和工具尺寸参数，以达到合理控制钻压目的，这将彻底改变传统钻井技术和商业模式，不再受水平井长度，超深井深度限制。理论上，这种钻井方式的延伸能力无极限。

本发明提供的无限延伸钻井方法，只需利用一台连续油管钻井车，通过油管或连续油管将大量工作液输送到井下，由井下滑动密封工具钻井所需钻压，该方法显著节约井场地面面积，无需庞大的地面装备，无需钻更粗的井眼。由于井下滑动密封工具以上的部分是钻井液压力较高，而井下滑动密封工具以下的部分，特别是钻头附近为欠平衡状态，由于液柱压力低于地层岩石应力，孔底岩石从承受三向应力转为两向应力，使岩石释放存储的弹性应变能，提高破岩效率，从而显著提高钻井速度；另外，降低钻头破岩难度，提高钻头使用寿命，减少钻头应用数量；最终实现显著降本目的。

综上所述，无论是浅层油气、还是中深油气田，甚至是超深油气井，均能使用本发明的装置和方法进行微孔钻井；无论是直井，还是大位移井或者水平井，均能使用本发明提供的方法进行微孔钻井；无论是页岩气等非常规油气，还是常规油气，均能采用本发明提供的方法进行微孔钻井。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种井下滑动密封工具，其特征在于：包括井下动力装置及安装在所述井下动力装置上的密封装置；

所述井下动力装置包括上部芯轴、中部芯轴、下部芯轴，所述上部芯轴、中部芯轴、下部芯轴均为中空结构，所述上部芯轴、中部芯轴、下部芯轴依次固定连接，上部芯轴、中部芯轴、下部芯轴的中空部分构成上部中心流道；

所述密封装置包括橡胶支撑套筒和裸眼封隔器橡胶筒，所述裸眼封隔器橡胶筒设置在上部芯轴与中部芯轴的连接间隙处，所述裸眼封隔器橡胶筒上部与支撑套筒相固定，下部与中部芯轴相固定；

所述上部芯轴内设置活塞筒，所述活塞筒上部设有一用于连通工具壳体外空间的活塞上端孔，下部设有用于连通中心流道的活塞下端孔；

所述下部芯轴内安装有下部壳体，所述下部壳体以下的中空部分构成下部中心流道，所述下部芯轴与下部壳体之间的缝隙构成双壁之间流道，所述上部中心流道、下部中心流道和双壁之间流道之间相互连通；

所述下部中心流道中间设置堵头，上部中心流道与工具外空间通过堵头上部孔连通，双壁之间流道与下部中心流道之间通过堵头下部孔连通，所述堵头上部孔的孔径为堵头下部孔的孔径的1.5~2倍；

所述活塞筒的底部设有一柱塞筒，所述活塞筒与柱塞筒相连通，所述活塞筒内的活塞与柱塞筒内的柱塞为一体式连接，所述柱塞筒的下部设有用于将增压的液压油从活塞筒输送于上部芯轴和裸眼封隔器橡胶筒之间间隙的注油孔，所述活塞筒的内径大于所述柱塞筒的内径。

2.根据权利要求1所述的井下滑动密封工具，其特征在于：所述下部壳体与中部芯轴之间通过封隔器橡胶固定套筒进行固定。

3.根据权利要求1所述的井下滑动密封工具，其特征在于：所述上部中心流道的内径大于所述下部中心流道的内径。

4.根据权利要求1所述的井下滑动密封工具，其特征在于：所述裸眼封隔器橡胶筒包括内部的橡胶筒和外部镶嵌耐磨的金属条。

5.一种无限延伸钻井装置，包括钻杆、螺杆动力钻具和钻头，其特征在于：还包括权利要求1至4任一项所述的井下滑动密封工具，井下滑动密封工具上部与钻杆固定连接，井下滑动密封工具的下部依次与螺杆动力钻具、钻头固定连接。

6.一种基于权利要求5所述的一种无限延伸钻井装置的钻井方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将井下滑动密封工具上部与钻杆或连续油管通过螺纹连接，将井下滑动密封工具的下部依次与螺杆动力钻具、钻头通过螺纹连接；

S2、将无限延伸钻井装置组合完毕后下入井底，通过地面泥浆泵将钻井液从钻杆和套管之间的环空输送钻井液，开始试钻；

当钻井液经过时，设置在井下滑动密封工具内的井下滑动密封工具活塞两端产生推力，通过柱塞将液压油推进到封隔器橡胶筒内，使封隔器橡胶筒膨胀，将该工具和井壁之间的环空封堵住；

钻井液依次通过工具双壁之间流道、堵头下部孔和下部中心流道进入该工具下部的螺杆动力钻具和钻头；钻井液经过螺杆动力钻具内部时，产生旋转动力，驱动钻头旋转破岩；

S3、从钻头喷嘴喷射出后，携带破碎的岩屑，依次从钻头、螺杆钻具与井壁之间的环空、堵头上部孔和上部中心流道进入钻杆内部，最终上返到地面。