CN107542408A - 井下液驱动聚能钻具及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种井下液驱动聚能钻具及使用方法目的为获取能满足超深、高温井钻井井况要求的高性能井下液驱动钻具，依靠高集成钢性模块化结构和带异形螺旋凹槽做功转子相配合，能自动实现连续的动态分配憋压和泄流旋转做功工况，由于主体工件采用钢性和高性能材料加工成的复合密封、润滑环，使得耐高温和耐磨性能非常优异，同时有多种规格和型号的配套设计，能很好地满足与不同尺寸执行API标准的石油管具丝扣的连接，具有很好的市场前景和普及推广价值。

Description

井下液驱动聚能钻具及使用方法

技术领域

本发明属于地下能源开采领域，涉及一种井下液驱动聚能钻具及使用方法。

背景技术

地下能源的开采，需要借助钻井设备才能钻探到目的开发层位，早期由于受钻井配套技术的制约，只能钻完成低产能的直井，随着钻井工艺技术的高速发展，国外研发出了井下液驱动钻具，配合先进的钻井随钻导向仪器就能钻完成针对性很强的高产能的定向井和产能更高的定向水平井，假如能研发出性能更好的井下液驱动钻具，就能满足今后超深井的钻井作业，甚至能真正的为国内、外大批量的老井提供更科学、产能更高的近储层或直接进储层超小半径定向水平井的综合钻井服务。由于我国能源开采工业起步较晚，国内一些大专院校和企业通过多年的辛勤研发，已能生产井下液驱动钻具，由于仿的因素多一点，所以只能用量来拼占低端钻井市场，涉及深度在5000m以上或钻井难度大的井况，国产井下液驱动钻具就很吃力，难度高的还需要依赖国外产井下液驱动钻具或直接让外国油服公司给我们提供技术服务，无形中增加了国内油田的开采成本，在当今低油价时期更是取舍两难。跟着跑永远都会慢一截，要赶超只有从原理的最基本点着手，结合国内已有的新型材料和机加工技术，大胆地进行创新发明，才能真正搞出中国人自己的高性能井下液驱动钻具。目前我们所采用的井下液驱动钻具类动力钻具主要有螺杆钻具和涡轮钻具两个种类：螺杆钻具是欧美主导发明的，其外筒内所附多条凸凹橡胶筒和自带螺旋槽的钢性长转子构成，钢性长转子上的凸出条能在橡胶凸出部件上挤压出能憋压的封闭腔，钻井泥浆循环液通过这些封闭腔时液流的压力就会升高从而迫使长钢性长转子转动，而钢性长转子在旋转的同时又能连续不问断地挤压外筒内所附凸起橡胶条而构成新的封闭腔，连续循环的钻井泥浆循环液被憋的迫使钢性长转子始终能不停地旋转从而产生能满足钻井所需要的旋转动能，金属与橡胶件之间反复高速地挤压旋转摩擦，再光洁也容易磨损，在高温环境下橡胶就更容易老化而加快磨损，客观上就造成了其在井下的工作寿命偏短。由于其加工工艺简单成本又低，所以目前国内使用量非常大。虽然它使用成本低，但反复地起下钻更换井下螺杆钻具，自然延长了钻完井周期，对整个单井成本的控制非常不利；另一种是涡轮钻具从前苏联引进，其由近百套动叶轮和静导流轮组合串在一起构成，动叶轮套在中心转子上、静导流轮固定在外筒内壁上，所以整体工具很长。由钻井泥浆循环液的流过全部动叶轮能带动转子高速地旋转，由于转速与扭矩成反比，为了获得钻井所需的低转速高扭矩，必须加接减速短节把转子的转速降下来才能得到匹配的旋转动能，所以其结构非常复杂。涡轮钻具不采用橡胶件配合憋压以及全是钢性结构，其耐高温和耐磨损性能都很好，相对工作寿命也比螺杆钻具长，所以每涉及重点超深井的钻井作业时都选择采用。由于整体偏长结构复杂，后期维护非常繁琐，所以其使用成本非常高，一般的普通井用不起。各国为了能源类原材料的持续供给，今后将逐步向5000m以上更深埋藏层位进行钻探开发，井越深井下温度就越高，参照每下入100m温度升高梯度值大约为1.5-4℃计算，某5000m深井下温度将有可能接近或超过200℃，虽然钻井泥浆循环液对各类井下钻具有一定的降温作用，但连续钻井时间长了井下温度也会自然地逐渐传递到井下各类钻具，高温对井下各类带橡胶件的钻具来说是残酷的。着眼当今形势，特别是新型清洁能源干热岩的勘探发现，我国已探明的干热岩埋深在3000-10000万m之间，温度在300度左右，如要实现应用性开采，就非常迫切地需要具有耐高温和耐磨损性能优异的井下液驱动钻具，所以需要加快研发步伐，力争在性能上超过国外同类井下液驱动钻具。而国内目前已有的研究仅集中在如何改进提高橡胶件和所配套轴承的耐高温及耐磨损性能上，在如何从原理、结构以及新材料的应用上进行大胆地创新性这一研究还进行的很少，未见公开报道。

发明内容

本发明的目的是为了获得耐高温和耐磨损性能更优异的井下液驱动钻具，其主体采用高集成钢性模块化设计，又凭借圆柱型转子上所设计的异形螺旋凹槽，当钻井泥浆循环液通过每组钢性模块旋转做功总成时能自动逐级升高钻井泥浆循环液的冲压能从而能产生强大的旋转扭矩，能根据钻井作业需求通过改变异形螺旋凹槽的长度或螺旋度来控制转速，也能把不同螺旋度的钢性模块旋转做功总成连接在一起工作，以实现最理想的工作工况，全新的集成化设计保证了其在维护及维修方面非常简便、快捷，提供一种井下液驱动聚能钻具及使用方法。

本发明的技术方案是这样来实现的，一种井下液驱动聚能钻具及使用方法，其特点是，由包括传动轴总成、聚能旋转做功马达总成两个子总成，与配套的过滤短节、井下安全接头及钻头组成：

a)传动轴总成主要由外筒、旋转中轴、非标立式高强度绕轴滚柱轴承、总扭矩向外输出端、内扭矩承接凹键、调节防掉螺母、水眼及API标准石油钻具母扣构成。

b)聚能旋转做功马达总成主要由外筒、圆柱型转子、异形螺旋凹槽、圆柱型多功能轴承座、内扭矩输出凸键、内扭矩承接凹键、调节螺母、API标准石油钻具公扣及API标准石油钻具母扣构成。

本发明提供一种井下液驱动聚能钻具及使用方法目的为获取能满足超深、高温井钻井井况要求的高性能井下液驱动钻具，依靠高集成钢性模块化结构和带异形螺旋凹槽做功转子相配合，能自动实现连续的动态分配憋压和泄流旋转做功工况，由于主体工件采用钢性和高性能材料加工成的复合密封、润滑环，使得耐高温和耐磨性能非常优异，同时有多种规格和型号的配套设计，能很好地满足与不同尺寸执行API标准的石油管具丝扣的连接。

附图说明

图1为井下液驱动聚能钻具及使用方法构成图；

图2为井下液驱动聚能钻具及使用方法基本结构示意图；

图3为传动轴总成示意图；

图4为聚能旋转做功马达总成示意图；

图5为过滤短节示意图；

图6为井下安全接头示意图；

图7为钻头示意图。

具体实施方式

由图1所示，井下液驱动聚能钻具及使用方法，其特点是，能够清晰直观地显示液驱动聚能钻具的整体结构，它由传动轴总成、聚能旋转做功马达总成两个子总成，与配套的过滤短节、井下安全接头及钻头组成。

由图2所示，为实现本发明目的，其特点是，非常清晰地显示它由钻头1、传动轴总成2、聚能旋转做功马达总成3、过滤短节4和井下安全接头5这五个功能不同的其中由两个核心总成部件和三个配套部件联合组成；在设计上除钻头1外在外筒上都设有符合API标准石油管具母扣13、又除传动轴总成2和钻头1外在外筒上也都设有符合API标准石油管具公扣19，该设计的特点是能把各部件按功能依次通过PI标准石油管具公扣19与P工标准石油管具母扣13方便可靠地连接在一起而构成一个能有效做功整体。

由图3所示，传动轴总成2主要由外筒6、旋转中轴7、非标立式高强度绕轴滚柱轴承8、总扭矩向外输出端26、内扭矩承接凹槽10、防掉调节螺母11、水眼12及API标准石油钻具母扣13构成，其中旋转中轴7所设水眼12到总扭矩向外输出端26中部为通孔，在总扭矩向外输出端26的顶端加工有API标准石油钻具另一种小尺寸公扣，其目的是为与(图7)所述钻头1上尺寸相匹配的API标准石油钻具母扣28连接，把井下液驱动聚能钻具所产生的总扭矩传递给钻头1而实现破岩钻进；为能使旋转中轴7平稳可靠地工作，采用非标立式高强度绕轴滚柱轴承8来替代原先同类钻具所采用的多组滚珠轴承合用设计，由外筒6内壁、非标立式高强度绕轴滚柱轴承8所含滚柱和旋转中轴7外圆面构成特种轴承结构，牺牲掉常规轴承的外套、和内套，以增加外筒6和旋转中轴7的壁厚，极大地提高了传动轴总成的物理性能；水眼12的意义是把上部构成部件轴外的钻井泥浆循环液导入传动轴内，以构建由内到外的前始导流工况。

由图4所示，聚能旋转做功马达总成3主要由外筒14、圆柱型转子15、异形螺旋凹槽16、圆柱型多功能轴承座17、调节螺母18、内扭矩输出凸键9、内扭矩承接凹键10、API标准石油钻具母扣13及API标准石油钻具公扣19构成，其中圆柱型转子15上所设异形螺旋凹槽16是能有效产生旋转动能的最基本因素，异性设计能逐级增强所通过的钻井泥浆循环液的冲击能，异形螺旋凹槽16与圆柱型多功能轴承座17所设的水流通道槽数比相同，但在分配度数上有差异，其目的是为保证圆柱型转子15在旋转的同时与圆柱型多功能轴承座17所设水流通道能依次分配憋压和泄流，连续有效地憋压与泄流的动态分配，是聚能旋转做功马达总成能连续不断地旋转做功的最关键技术，又凭借新的高性能材料加工成的复合密封、润滑环，使得在动态分配时能可靠地憋的住压又能快速泄流，在装配工艺上圆柱型转子15所设异形螺旋凹槽16外圆弧面与外筒14的配合间隙应小于0.05mm、异形螺旋凹槽16与圆柱型多功能轴承座17的端面装配间隙应小于0.1mm；聚能旋转做功马达总成外筒14上所设的API标准石油钻具母扣13和API标准石油钻具公扣19，能保证各外筒之间方便可靠地连接；圆柱型转子15上所设的内扭矩输出凸键9和内扭矩承接凹键10，又能非常方便各转子之间实现快速可靠地对接，该设计具备广义的配套性能。

由图5所示，过滤短节4主要由外筒20和过滤筒网21构成，其主要任务是把大的颗粒挡在过滤筒网21与外筒20的环空内，尽可能地净化流过的钻井泥浆循环液，同时为便于连接，在外筒20上也设有API标准石油钻具母扣13和API标准石油钻具公扣19，为便于再次可靠使用，每完成一个钻井井次的作业，需要单独卸开进行清洗维护。

由图6所示，井下安全接头5主要由外筒22、剪切球坐23、销钉24构成，该井下安全接头的任务是当复杂的作业井况卡住井下液驱动聚能钻具时，在多次处理都无法解卡的情况下，从地面井口钻具上部入口处投入憋压球25，憋压球25自由下行至剪切球坐23时会形成一个密封的憋压面，当钻井泥浆循环液的压力慢慢升高到10-15Mpa时就能迫使剪切球坐23下行而有效剪断销钉24，起到与下部标准石油钻具公扣19上部结构断开脱节的目的，就能起出上部钻具以做到尽可能地减小作业损失。

由图7所示，钻头1主要由API标准石油钻具另一种小尺寸母扣27和用于钻井泥浆循环液通过的水眼28构成，钻头1的形状与图7所示相似，当传动轴总成2所设总扭矩向外输出轴26的顶端加工的API标准石油钻具另一种小尺寸公扣，与钻头1上所对应的API标准石油钻具另一种小尺寸母扣27完成连接，即实现泵入得钻井泥浆循环液由钻头1所设水眼28导出从而实现钻井必须的泥浆循环体系，只有钻井泥浆循环液连续不断的循环才能保证井下液驱动聚能钻具连续强劲地做功；为了能有效强劲地实现破岩，在钻头1的底部和侧外圆面都镶有硬质合金颗粒，同时在钻头1的外围还铣有条数不等的便于钻井泥浆循环液携带破碎岩屑上返的凹槽。

综合上部各图所示叙述，所涉及到的整套井下液驱动聚能钻具的外筒尺寸都是相同的，其实际尺寸根据井下液驱动聚能钻具作业工况和型号的不同而变化；其中所涉及到的API标准石油钻具公扣(19)和API标准石油钻具母扣(13)的扣型及尺寸在整套井下液驱动聚能钻具中是匹配对应的；其中聚能旋转做功马达总成(3)所设内扭矩输出凸键(9)能与传动轴总成(2)及聚能旋转做功马达总成(3)所设内扭矩承接凹键(10)相匹配对接，因传动轴总成(2)及聚能旋转做功马达总成(3)所设内扭矩承接凹键(10)的规格尺寸相同，其具体尺寸可随整套井下液驱动聚能钻具的作业工况和型号的不同而做相应得的变动。

Claims (5)

1.一种井下液驱动聚能钻具及使用方法，其特点是，由包括传动轴总成、聚能旋转做功马达总成两个子总成，与配套的过滤短节、井下安全接头及钻头组成：

a)传动轴总成主要由外筒(6)、旋转中轴(7)、非标立式高强度绕轴滚柱轴承(8)、总扭矩向外输出端(26)、内扭矩承接凹键(10)、防掉调节螺母(11)、水眼(12)及API标准石油钻具母扣(13)构成；

b)聚能旋转做功马达总成主要由外筒(14)、圆柱型转子(15)、异形螺旋凹槽(16)、圆柱型多功能轴承座(17)、调节螺母(18)、内扭矩输出凸键(9)、内扭矩承接凹键(10)、API标准石油钻具母扣(13)及API标准石油钻具公扣(19)构成。

2.根据权利要求1所述的井下液驱动聚能钻具及使用方法，其特征在于，所述的负责把内扭矩传递到钻头的旋转中轴(7)，装有一组非标立式高强度绕轴滚柱轴承(8)，在轴的尾部设置有一个内扭矩承接凹键(10)。

3.根据权利要求1所述的井下液驱动聚能钻具及使用方法，其特征在于，所述的聚能旋转做功马达圆柱型转子(15)做功部位是圆柱型的，加工有多条异形螺旋凹槽(16)。

4.根据权利要求1所述的井下液驱动聚能钻具及使用方法，其特征在于，所述的聚能旋转做功马达外筒(14)内装有一个圆柱型多功能轴承座(17)，上面也加工有多条过流凹槽，并设置有高性能材料加工成的复合密封、润滑环。

5.根据权利要求1所述的井下液驱动聚能钻具及使用方法，其特征在于，所述的聚能旋转做功马达圆柱型转子(15)的两端分别设置一个内扭矩输出凸键(9)和一个内扭矩承接凹键(10)。