CN108843242B - 一种低成本高造斜率和高机械钻速的旋转导向钻井系统 - Google Patents

一种低成本高造斜率和高机械钻速的旋转导向钻井系统 Download PDF

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Abstract

本发明专利涉及油气资源领域的定向钻井技术，特别涉及一种低成本高造斜率和高机械钻速的旋转导向钻井系统。以克服现有技术存在的结构非常复杂，导致成本居高不下，可靠性差，寿命短的问题。本发明采用的技术方案包括旋转导向钻具、所述旋转导向钻具的上端与井下动力钻具的下端采用螺纹连接，MWD的上端与LWD的下端采用螺纹连接，所述井下动力钻具的上端与无线短传接收短节的下端采用螺纹连接，无线短传接收短节的上端与MWD的下端采用螺纹连接。

Description

一种低成本高造斜率和高机械钻速的旋转导向钻井系统
技术领域
本发明专利涉及油气资源领域的定向钻井技术，特别涉及一种低成本高造斜率和高机械钻速的旋转导向钻井系统。
背景技术
高造斜率的旋转导向钻井技术代表了当今世界钻井技术发展的最高水平，主要包括地面监控系统，双向通讯系统，井下测控系统，井下动力系统，旋转导向工具系统等五个部分。该项技术具有钻井效率高，安全性高，井眼质量好，岩屑不易沉积，摩阻小，可以在恶劣环境和复杂的地质条件下工作，特别是在大位移井进尺能力和定向钻井智能化、自动化等方面都有了长足的发展。
随着非常规油气资源的开发，特别是页岩气的开发，对钻井技术的要求越来越高，无论是滑动钻井技术，还是常规的旋转导向钻井技术对超深井、大位移井、丛式水平井等高难度复杂定向井的高效开发都有一定的局限性，存在造斜能力偏低和施工成本过高的问题。
定向井的施工技术最早采用井下动力钻具，所述的井下动力钻具包括：柔性钻具、外壳带弯角或不带弯角的螺杆钻具或涡轮钻具，利用上述5种钻具可以实现定向井的井眼轨迹控制和提高机械钻速的功能，钻具的造斜能力是由外壳的弯角决定，在钻井时时采用滑动的方式改变井眼轨迹。因存在滑动带来的井下摩阻增大，狗腿严重的问题，导致钻水平井时钻压不能有效施加到钻头上，因而井孔的水平位移受限，影响了油藏的开发效率。
鉴于此，近20年来提出了一种在旋转状态下控制井眼轨迹的旋转导向钻具，替代了之前的井下动力钻具。利用旋转导向钻具可以钻成光滑的井眼，实现精确地几何导向和地质导向，同时由于可以在水平段钻进时将钻压有效地加载到钻头上，极大地增加了井孔在水平段的延伸距离，油藏的开发效率得到大幅提高。但是目前国际上的几种旋转导向钻具为了同时实现高造斜率和高机械钻速，所采用的结构非常复杂，因此存在着成本高、可靠性差的问题。
为了解决上述问题，现在出现了一种钻具组合，依次包括串接在一起的钻头、旋转导向钻具、井下动力钻具、MWD和LWD，其中的井下动力钻具为在传统结构上进行改造的一种特制结构，为了实现通讯和电力供应，在井下动力钻具上设置有管线结构，以实现旋转导向钻具和MWD/LWD之间的电能输送及数据通讯。所述的管线结构包括在井下动力钻具的外壳上沿轴向钻出9米长的细长密封孔和上下两端增设的密封结构，其中上端面为端面密封，而下端面不仅要有端面密封，而且需要有将导线通过密封的滑环结构从外壳转接到井下动力钻具的输出端面上的密封结构。存在的问题是：因结构仍然非常复杂，导致成本仍旧居高不下，可靠性差，寿命短。
发明内容
本发明要提供一种低成本高造斜率和高机械钻速的旋转导向钻井系统，以克服现有技术存在的结构非常复杂，导致成本居高不下，可靠性差，寿命短的问题。
为了实现本发明的目的，本发明提供了一种低成本高造斜率和高机械钻速的旋转导向钻井系统，包括旋转导向钻具、井下动力钻具、MWD和LWD，所述旋转导向钻具的上端与井下动力钻具的下端采用螺纹连接，MWD的上端与LWD的下端采用螺纹连接，所述旋转导向钻具包括主轴和主轴上设置的电磁耦合传输装置，电磁耦合传输装置上设置有内环线圈和外环线圈，其特征在于：还包括无线短传接收短节，所述井下动力钻具的上端与无线短传接收短节的下端采用螺纹连接，无线短传接收短节的上端与MWD的下端采用螺纹连接；
所述旋转导向钻具中主轴上端内部设置有发电机，所述发电机与电磁传输装置之间设置有下无线短传装置，下无线短传装置包括通讯线圈和接收发送电路，通讯线圈绕制于主轴上，主轴的外壁上设置有承压盖板，接收发送电路设置于承压盖板内；所述发电机的输出导线分别与电磁耦合传输装置的内环线圈以及主轴外壳上的下无线短传收发装置电连接；
所述无线短传接收短节上设置有上无线短传装置，所述上无线短传装置包括通讯线圈和接收发送电路，通讯线圈绕制于无线短传接收短节的外壳上，外壳的外壁上设置有承压盖板，承压盖板内设置有接收发送电路。
所述井下动力钻具是柔性钻具、外壳带弯角或不带弯角的螺杆钻具或涡轮钻具。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1）成本低：本发明采用常规的井下动力钻具，通过改变信号通讯方法和发电机的位置，使得一直使用很多年的很成熟的井下动力钻具得到再度应用，不用对其进行任何改变即可使用，因此制造成本低。
2）整体结构不需要复杂的密封结构，五个单元之间的连接采用常规的连接方式即可实现，加工难度低，降低了制造成本。
3）由于结构简单，可靠性大大提升，可在不同的地层条件下应用，在保证井眼质量和井眼轨迹控制精度的前提下为一趟钻完井提供了有力的硬件保障。
4）通过增加井下发电机，结合原结构中存在的电磁耦合动力传输装置的功能，实现了井下电力的无线传输和数据双向通讯。由于采用了简单的机械结构设计，在保障电力供应和通讯稳定性的同时，提高了可靠性。
5）由于井下钻具组合中引入了涡轮钻具、螺杆钻具以及柔性短节等五种，本发明较常规的旋转导向钻井工具有更高的造斜率（<18°/30m）和更高的钻井速度；
6）通讯的保障：由于采用了近钻头无线通讯装置（上无线短传装置和下无线短传装置），这种通讯方法不依赖钻具周围的地层和泥浆，在0.13Ω.m的泥浆环境中，使旋转导向头与MWD之间实现可靠的进行数据双向交换，同时对旋转导向头与MWD之间接入的钻具就不需要进行改制。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2 为旋转导向钻具的结构示意图；
图3为无线短传接收短节的结构示意图；
图4为电磁耦合传输装置的剖视图；
附图标记说明如下：1-旋转导向钻具，2-井下动力钻具，3-无线短传接收短节，4-MWD，5-LWD；
1-1-主轴，1-2-通讯线圈，1-3-承压盖板，1-4-电磁耦合传输装置，1-5-发电机；
1-4-1-外环线圈，1-4-2-内环线圈；
2-1-井下涡轮钻具，2-2-井下螺杆钻具，2-3-柔性钻具；
3-1-接收发送电路，3-2-通讯线圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细叙述。
参见图1，一种低成本高造斜率和高机械钻速的旋转导向钻井系统，包括旋转导向钻具1、井下动力钻具2、无线短传接收短节3、MWD4和LWD5。所说的旋转导向钻具1的上端与井下动力钻具2的下端采用螺纹连接，井下动力钻具2的上端与无线短传收发短节3的下端采用螺纹相连，无线短传收发短节3的上端与MWD 4的下端采用螺纹相连，MWD4的上端与LWD5的下端采用螺纹连接。以此形成双动力机构和双导向装置钻具组合的旋转导向钻井系统。
参见图2和图4，所说旋转导向钻具1包括主轴1-1和主轴1-1上设置的电磁耦合传输装置1-4，电磁耦合传输装置1-4上设置有内环线圈1-4-2和外环线圈1-4-1。所述旋转导向钻具1中主轴1-1上端内部设置有发电机1-5，所述发电机1-5与电磁传输装置之间设置有下无线短传装置，下无线短传装置包括通讯线圈1-2和接收发送电路，通讯线圈1-2绕制于主轴上，主轴1-1的外壁上设置有承压盖板1-3，接收发送电路设置于承压盖板1-3内；所述发电机1-5的输出导线分别与电磁耦合传输装置1-4的内环线圈以及主轴1-1上的下无线短传收发装置电连接；
所述无线短传接收短节3上设置有上无线短传装置，所述上无线短传装置包括通讯线圈1-2和接收发送电路，通讯线圈3-2绕制于无线短传接收短节3的外壳上，外壳的外壁上设置有承压盖板，承压盖板内设置有接收发送电路3-1（参见图3）。
当钻井需要高的机械钻速时，井下动力钻具2可以选用直外壳的井下涡轮钻具2-1或者井下螺杆钻具2-2；当钻井需要较大的造斜导向能力时，井下动力钻具2可以选用不同弯角的弯外壳的井下涡轮钻具2-1或者井下螺杆钻具2-2；当钻井需要中等造斜导向能力并需要降低成本时，井下动力钻具2可以选用柔性钻具2-3（参见图1）。
所说的上无线短传装置和下无线短传装置组成近钻头无线通讯装置，两者形成短距离的无线传输，将旋转导向头1的数据通过MWD4和LWD5这两个随钻测量装置传至地面，比照后再将地面的修正命令通过下行通道系统传送至可控的旋转导向钻具，完成其修正井眼姿态所需钻具控制参数与井下闭环测控系统的互动。

Claims (1)

1.一种低成本高造斜率和高机械钻速的旋转导向钻井系统，包括旋转导向钻具(1)、井下动力钻具(2)、MWD(4)和LWD(5)，所述旋转导向钻具(1)的上端与井下动力钻具(2)的下端采用螺纹连接，MWD(4)的上端与LWD(5)的下端采用螺纹连接，所述旋转导向钻具(1)包括主轴(1-1)和主轴(1-1)上设置的电磁耦合传输装置(1-4)，电磁耦合传输装置(1-4)上设置有内环线圈和外环线圈，其特征在于：还包括无线短传接收短节(3)，所述井下动力钻具(2)的上端与无线短传接收短节(3)的下端采用螺纹连接，无线短传接收短节(3)的上端与MWD(4)的下端采用螺纹连接；
所述旋转导向钻具(1)中主轴(1-1)上端内部设置有发电机(1-5)，所述发电机(1-5)与电磁传输装置之间设置有下无线短传装置，下无线短传装置包括通讯线圈和接收发送电路，通讯线圈绕制于主轴上，主轴(1-1)的外壁上设置有承压盖板(1-3)，接收发送电路设置于承压盖板(1-3)内：所述发电机的输出导线分别与电磁耦合传输装置的内环线圈以及主轴外壳上的下无线短传收发装置电连接；
所述无线短传接收短节(3)上设置有上无线短传装置，所述上无线短传装置包括通讯线圈和接收发送电路，通讯线圈绕制于无线短传接收短节(3)的外壳上，外壳的外壁上设置有承压盖板，承压盖板内设置有接收发送电路(3-1)；
所述井下动力钻具(2)是柔性钻具、外壳带弯角或不带弯角的螺杆钻具或涡轮钻具；
当钻井需要高的机械钻速时，井下动力钻具(2)选用直外壳的井下涡轮钻具(2-1)或者井下螺杆钻具(2-2)；当钻井需要较大的造斜导向能力时，井下动力钻具(2)选用不同弯角的弯外壳的井下涡轮钻具(2-1)或者井下螺杆钻具(2-2)；当钻井需要中等造斜导向能力并需要降低成本时，井下动力钻具(2)选用柔性钻具(2-3)。
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