CN108868603B - 大位移水平井连续油管钻井机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大位移水平井连续油管钻井机器人，包括前扶正器，后扶正器，前运动短接，后运动短接和伸缩短节；所述前运动短节、后运动短节和伸缩短节依次相连；前扶正器和后扶正器分别安装在前运动短节和伸缩短节的前端和后端。大位移水平井钻井机器人设有泥浆流道，可以在牵引连续油管和钻井时循环泥浆，最大程度减少机器人受到泥沙的阻力。大位移水平井钻井机器人可以进行双向牵引，能够很大程度上解决机器人的卡阻现象。本发明不仅适用于干热岩开发，还适用于非常规油气（天然气水合物、煤层气、致密油气、页岩气）和常规油气资源的开发。

Description

大位移水平井连续油管钻井机器人

技术领域

本发明涉及油气田开发领域，尤其涉及一种大位移水平井连续油管钻井机器人。

背景技术

连续油管钻井技术，在我国的非常规气藏、致密气、页岩气及煤层气等勘探开发方面，有着广泛的应用前景。但连续油管在井眼中不旋转，下放遇阻严重，钻压施加困难。为了解决这个问题，石油钻采行业设计了许多种井下机器人。

井下牵引器按其牵引方式主要分为轮式、履带式和蠕动式（伸缩式）三种，其中轮式出现较早，伸缩式次之，履带式最晚。井下牵引器按其能量来源，可分为连续油管式、电缆式、和连续油管电缆混合式。其中连续油管牵引器，采用高压泥浆作为动力源，为整个装置提供能量；电缆式牵引器通过电缆从地面获取能量；连续油管电缆混合式既可从泥浆中获取能量，又可通过电缆获取能量。

轮式井下牵引机器人牵引速度大，应用已较为广泛，技术较为成熟，应用领域通常集中于测井、完井等井下工具的牵引；但这些牵引器都采用电机驱动，需要电缆供电，且牵引力小，没有设有泥浆流道，不能用来牵引连续油管，更不能用来进行连续油管钻井作业。伸缩式牵引器牵引速度较慢，不适合在大位移水平井牵引连续油管，伸缩式井下牵引器较轮式井下牵引器具有更大的牵引力，牵引稳定，设有泥浆流道时适用于钻井领域。

履带式牵引器结构复杂，体积庞大，应用不广泛。

井下钻井机器人是在井下牵引器的基础上提出来的，但由于钻井机器人设有泥浆通道，既可以用来牵引连续油管，又可以用来进行连续油管钻井等作业，因此比井下牵引器结构更加复杂。

综上所述：一、连续油管用途十分广泛，具有成本低、体积小、作业周期快等优点，但下井困难，需要井下机器人辅助下井；二、现有轮式牵引器有着牵引速度大的优点，但牵引力小，需要地面提供能量；三、现有伸缩式牵引器牵引力大，但速度较慢，不适合在大位移水平井牵引连续油管；四、井下钻井机器人国内外均处于实验研究阶段，还未见大范围应用的报道，其原因是可靠性和稳定性有待提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种大位移水平井连续油管钻井机器人，该机器人将轮式牵引器和伸缩式牵引器相结合，利用电磁换向阀，以泥浆流道和环空之间的泥浆压差作为动力源驱动液压马达，可以为机器人提供大的牵引力和牵引速度。既可以用来在页岩气井大位移水平井段牵引连续油管，解决连续油管下入困难的难题，又可以用来进行连续油管钻井作业，结合配套的井下工具，可方便快速地钻井。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种大位移水平井连续油管钻井机器人，包括前扶正器，后扶正器，前运动短节，后运动短节和伸缩短节；所述前运动短节、后运动短节和伸缩短节依次相连；前扶正器和后扶正器分别安装在前运动短节和伸缩短节的前端和后端；

所述前运动短节包括控制筒A、控制阀座A、前液压流道、前支撑活塞、前支撑杆A、前从动链轮、前轮、前链条、前主动链轮、前联轴器、前液压马达、前液压管线、前动力短节、前支撑杆B、前涡轮、前轴承、前涡杆、前接头、电磁换向阀组A和泥浆流道；所述前接头、控制筒A、控制阀座A和前动力短节依次相连；控制阀座A左端安装设置在控制筒A内的电磁换向阀组A，控制阀座A和前动力短节上设有用于沟通泥浆流道和前支撑活塞的左右腔室的前液压流道；所述前支撑活塞和前液压马达安装在前动力短节内；所述前支撑杆A、前从动链轮、前轮、前链条、前主动链轮、前联轴器、前支撑杆B、前涡轮、前轴承和前涡杆一起组成前执行机构；

所述后运动短节包括控制筒B、控制阀座B、后液压流道、后支撑活塞、后支撑杆A、后从动链轮、后轮、后链条、后主动链轮、后联轴器、后液压马达、后液压管线、后动力短节、后支撑杆B、后涡轮、后轴承、后涡杆、控制筒C、控制阀座C、电磁换向阀组B、电磁换向阀组C(321)、压力传感器；所述控制筒B、控制阀座B、后动力短节、控制筒C和控制阀座C依次相连；控制阀座B左端安装有设置在控制筒B内的电磁换向阀组B，控制阀座B和后动力短节上设有用于沟通了泥浆流道和后支撑活塞的左右腔室的后液压流道；后支撑活塞和后液压马达安装在后动力短节内；后支撑杆A、后从动链轮、后轮、后链条、后主动链轮、后联轴器、后支撑杆B、后涡轮、后轴承和后涡杆一起组成后执行机构；所述控制阀座C上安装有压力传感器；

所述伸缩短节包括支撑缸、支撑臂和伸缩缸，支撑缸和伸缩缸分别连接在支撑臂前端和后端。

进一步的，所述机器人通过泥浆流道和环空之间的泥浆压差作为动力源驱动液压马达。

进一步的，所述液压马达通过联轴器与涡杆相连，涡杆与涡轮相啮合，涡轮与主动链轮布置在同一根轴上，主动链轮与从动链轮通过链条传动，从动链轮与轮布置在同一根轴上，液压马达转动时带动涡杆转动，然后依次驱动涡轮、主动链轮、链条、从动链轮和轮的转动，进而驱动机器人前进后退；所述液压马达、支撑杆A、从动链轮、轮、链条、主动链轮、联轴器、支撑杆B、涡轮、轴承和涡杆一起组成的执行机构。

进一步的，所述电磁换向阀组A通过控制阀座和液压管线连通泥浆流道和液压马达。

进一步的，所述电磁换向阀组B通过控制阀座2和前液压管线为液压马达提供动力源。

进一步的，所述电磁换向阀组C通过控制阀座C和后液压管线为液压马达提供动力源。

本发明具有以下优点：（一）机器人应用广泛：传统的牵引器，要么只适合用来测井等作业，要么只适合用来牵引连续油管，作业方式单一。大位移水平井连续油管钻井机器人将轮式牵引机器人和伸缩式牵引机器人相结合，既可以用来牵引连续油管，又可以用来进行连续油管钻井作业。还能进行深井/超深水平井下套管，无线单桥塞水平井分段压裂，连续油管膨胀管补贴等作业，作业方式多样。

（二）机器人牵引力大且牵引速度快：传统轮式牵引器牵引速度快，伸缩式牵引器牵引力大，同时满足牵引力大和牵引速度快的牵引器极少。大位移水平井连续油管钻井机器人以泥浆流道和环空之间的泥浆压差作为动力源，驱动大功率液压马达，能为机器人提供大的牵引力的牵引速度。

（三）机器人牵引和钻井过程中能进行泥浆循环：传统牵引器大部分未设有泥浆流道，牵引时不能进行泥浆循环。大位移水平井钻井机器人设有泥浆流道，可以在牵引连续油管和钻井时循环泥浆，最大程度减少机器人受到泥沙的阻力。

（四）机器人能进行双向牵引：传统牵引器大多只能进行单向牵引，大位移水平井钻井机器人可以进行双向牵引，能够很大程度上解决机器人的卡阻现象。

附图说明

图1为大位移水平井连续油管钻井机器人主视示意图；

图2为大位移水平井连续油管钻井机器人主视示图的局部剖视图示意图；

图3为大位移水平井连续油管钻井机器人主视示图沿A-A的局部剖视图示意图；

图4为大位移水平井连续油管钻井机器人在大位移水平井水平段牵引连续油管的示意图；

图5为大位移水平井连续油管钻井机器人钻分支井示意图；

图6a为大位移水平井连续油管钻井机器人开始钻井时的过程示意图；

图6b为大位移水平井连续油管钻井机器人钻完一小段井后的示意图；

图6c为大位移水平井连续油管钻井机器人钻完一小段井后,后退一段位移的示意图；

图6d为大位移水平井连续油管钻井机器人轮式部分牵引机器人整体前进的示意图；

图6e为大位移水平井连续油管钻井机器人轮式部分牵引机器人整体前进完成后的示意图；

图6f为大位移水平井连续油管钻井机器人开始钻下一段井时的示意图；

图中：1-前扶正器，2-前运动短节，3-后运动短节，4-伸缩短节，5-后扶正器，21-控制筒A，22-控制阀座A，23-前液压流道，24-前支撑活塞，25-前支撑杆A，26-前从动链轮，27-前轮，28-前链条，29-前主动链轮，210-前联轴器，211-前液压马达，212-前液压管线，213-前动力短节，214-前支撑杆B，215-前涡轮，216-前轴承，217-前涡杆，218-前接头，219-电磁换向阀组1，220-泥浆流道，31-控制筒B,32-控制阀座B,33-后液压流道，34-后支撑活塞，35-后支撑杆A，36-后从动链轮，37-后轮，38-后链条，39-后主动链轮，310-后联轴器，311-后液压马达，312-后液压管线，313-后动力短节，314-后支撑杆B，315-后涡轮，316-后轴承，317-后涡杆，318-控制筒C，319-控制阀座C，320-电磁换向阀组B，321-电磁换向阀组C，322-压力传感器，41-后接头，6-地面支持设备，7-井口装置，8-连续油管，9-通信装置，10-环空，11-大位移水平井连续油管钻井机器人，12-连续油管定向工具，13-随钻测量（MWD），14-动力装置，15-微型PDC钻头，16-井眼，17-井底。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1~3所示，大位移水平井连续油管钻井机器人，它包括前扶正器1，后扶正器5，前运动短节2，后运动短节3和伸缩短节4；所述前运动短节2、后运动短节3和伸缩短节4依次相连；前扶正器1和后扶正器5分别安装在前运动短节2和伸缩短节4的前端和后端；

所述前运动短节2包括控制筒A21、控制阀座A22、前液压流道23、前支撑活塞24、前支撑杆A25、前从动链轮26、前轮27、前链条28、前主动链轮29、前联轴器210、前液压马达211、前液压管线212、前动力短节213、前支撑杆B214、前涡轮215、前轴承216、前涡杆217、前接头218、电磁换向阀组A219和泥浆流道220；所述前接头218、控制筒A21、控制阀座A22和前动力短节213依次相连；控制阀座A22左端安装设置在控制筒A21内的电磁换向阀组A219，控制阀座A22和前动力短节213上设有用于沟通泥浆流道220和前支撑活塞24的左右腔室的前液压流道23；所述前支撑活塞24和前液压马达211安装在前动力短节213内；所述前支撑杆A25、前从动链轮26、前轮27、前链条28、前主动链轮29、前联轴器210、前支撑杆B214、前涡轮215、前轴承216和前涡杆217一起组成前执行机构；

所述后运动短节3包括控制筒B31、控制阀座B32、后液压流道33、后支撑活塞34、后支撑杆A35、后从动链轮36、后轮37、后链条38、后主动链轮39、后联轴器310、后液压马达311、后液压管线312、后动力短节313、后支撑杆B314、后涡轮315、后轴承316、后涡杆317、控制筒C318、控制阀座C319、电磁换向阀组B320、电磁换向阀组C(321)、压力传感器322；所述控制筒B31、控制阀座B32、后动力短节313、控制筒C318和控制阀座C319依次相连；控制阀座B32左端安装有设置在控制筒B31内的电磁换向阀组B320，控制阀座B32和后动力短节313上设有用于沟通了泥浆流道220和后支撑活塞34的左右腔室的后液压流道33；后支撑活塞34和后液压马达311安装在后动力短节313内；后支撑杆A35、后从动链轮36、后轮37、后链条38、后主动链轮39、后联轴器310、后支撑杆B314、后涡轮315、后轴承316和后涡杆317一起组成后执行机构；所述控制阀座C319上安装有压力传感器322；

所述伸缩短节4包括支撑缸41、支撑臂42和伸缩缸43，支撑缸41和伸缩缸43分别连接在支撑臂42前端和后端。

所述机器人通过泥浆流道220和环空9之间的泥浆压差作为动力源驱动液压马达211。

所述液压马达211通过联轴器210与涡杆217相连，涡杆217与涡轮215相啮合，涡轮215与主动链轮29布置在同一根轴上，主动链轮29与从动链轮26通过链条传动28，从动链轮26与轮27布置在同一根轴上，液压马达211转动时带动涡杆217转动，然后依次驱动涡轮215、主动链轮29、链条28、从动链轮26和轮27的转动，进而驱动机器人前进后退；所述液压马达211、支撑杆A25、从动链轮26、轮27、链条28、主动链轮29、联轴器210、支撑杆B214、涡轮215、轴承216和涡杆217一起组成的执行机构。

所述电磁换向阀组A219通过控制阀座32和液压管线212连通泥浆流道220和液压马达211。

所述电磁换向阀组B320通过控制阀座232和前液压管线212为液压马达211提供动力源。

所述电磁换向阀组C321通过控制阀座C319和后液压管线312为液压马达311提供动力源。大位移水平井连续油管钻井机器人工作原理如下：

如图4所示，大位移水平井连续油管钻井机器人在大位移水平井段牵引连续油管时：大位移水平井连续油管钻井机器人11，前端接连续油管定向工具12、随钻测量MWD13、动力装置14和微型PDC钻头15，后端接连续油管8和通信装置9，地面支持设备6通过井口装置7和连续油管8向机器人打入泥浆。机器人仅轮式部分，前运动短节2和后运动短节3工作，伸缩短节4不工作。前运动短节2如下工作：控制系统驱动电磁换向阀组A219工作，通过控制阀座A22和前液压流道23，向前支撑活塞24左右侧打入泥浆，撑出和收回前支撑杆A25；控制系统驱动电磁换向阀组B320工作，通过控制阀座B32和前液压管线212，驱动液压马达211左右旋转，控制机器人前后运动。后运动短节3工作原理与前运动短节2相同。

如图5所示，大位移水平井连续油管钻井机器人钻分支井时：大位移水平井连续油管钻井机器人11，前端接连续油管定向工具12、随钻测量MWD13、动力装置14和微型PDC钻头15，后端接连续油管8和通信装置9，地面支持设备6通过井口装置7和连续油管8向机器人打入泥浆。机器人轮式部分，前运动短节2、后运动短节3和伸缩短节4一起作用，完成机器人的钻井动作。具体动作如图6所示。

如图6a所示，大位移水平井连续油管钻井机器人开始钻井时，所述机器人轮式部分，即前运动短节2和后运动短节3不工作，电磁换向阀组C319控制支撑缸41撑开支撑臂42，卡紧井壁。电磁换向阀组C319控制伸缩缸43作用，结合连续油管定向工具12、随钻测量MWD13、动力装置14和微型PDC钻头15，向井底17钻进。

如图6b所示，当大位移水平井连续油管钻井机器人钻完一小段后，此时电磁换向阀组C319控制伸缩缸43达到伸长状态；

如图6c所示，大位移水平井连续油管钻井机器人钻完一小段井后,后退一段位移；所述电磁换向阀组C319控制伸缩缸43收缩；

如图6d所示，大位移水平井连续油管钻井机器人轮式部分牵引机器人整体前进，所述机器人轮式部分，即前运动短节2和后运动短节3开始工作，所述伸缩短节4不工作。

如图6e所示，大位移水平井连续油管钻井机器人轮式部分牵引机器人整体前进，所述所述机器人轮式部分，即前运动短节2和后运动短节3工作，使得机器人整体前进。

如图6f所示，大位移水平井连续油管钻井机器人开始钻下一段井，重复图6a~图6e的工作过程。

本发明不仅适用于干热岩开发，还适用于非常规油气（天然气水合物、煤层气、致密油气、页岩气）和常规油气资源的开发。

Claims (1)

1.大位移水平井连续油管钻井机器人，其特征在于：包括前扶正器（1），后扶正器（5），前运动短节（2），后运动短节（3）和伸缩短节（4）；所述前运动短节（2）、后运动短节（3）和伸缩短节（4）依次相连；前扶正器（1）和后扶正器（5）分别安装在前运动短节（2）和伸缩短节（4）的前端和后端；

所述前运动短节（2）包括控制筒A（21）、控制阀座A（22）、前液压流道（23）、前支撑活塞（24）、前支撑杆A（25）、前从动链轮（26）、前轮（27）、前链条（28）、前主动链轮（29）、前联轴器（210）、前液压马达（211）、前液压管线（212）、前动力短节（213）、前支撑杆B（214）、前涡轮（215）、前轴承（216）、前涡杆（217）、前接头（218）、电磁换向阀组A（219）和泥浆流道（220）；所述前接头（218）、控制筒A（21）、控制阀座A（22）和前动力短节（213）依次相连；控制阀座A（22）左端安装设置在控制筒A（21）内的电磁换向阀组A（219），控制阀座A（22）和前动力短节（213）上设有用于沟通泥浆流道（220）和前支撑活塞（24）的左右腔室的前液压流道（23）；所述前支撑活塞（24）和前液压马达（211）安装在前动力短节（213）内；所述前支撑杆A（25）、前从动链轮（26）、前轮（27）、前链条（28）、前主动链轮（29）、前联轴器（210）、前支撑杆B（214）、前涡轮（215）、前轴承（216）和前涡杆（217）一起组成前执行机构；所述前液压马达（211）通过前联轴器（210）与前涡杆（217）相连，前涡杆（217）与前涡轮（215）相啮合，前涡轮（215）与前主动链轮（29）布置在同一根轴上，前主动链轮（29）与前从动链轮（26）通过前链条（28）传动，前从动链轮（26）与前轮（27）布置在同一根轴上，前液压马达（211）转动时带动前涡杆（217）转动，然后依次驱动前涡轮（215）、前主动链轮（29）、前链条（28）、前从动链轮（26）和前轮（27）的转动，进而驱动机器人前进后退；所述前液压马达（211）、前支撑杆A（25）、前从动链轮（26）、前轮（27）、前链条（28）、前主动链轮（29）、前联轴器（210）、前支撑杆B（214）、前涡轮（215）、前轴承（216）和前涡杆（217）一起组成的执行机构；

所述后运动短节（3）包括控制筒B（31）、控制阀座B（32）、后液压流道（33）、后支撑活塞（34）、后支撑杆A（35）、后从动链轮（36）、后轮（37）、后链条（38）、后主动链轮（39）、后联轴器（310）、后液压马达（311）、后液压管线（312）、后动力短节（313）、后支撑杆B（314）、后涡轮（315）、后轴承（316）、后涡杆（317）、控制筒C（318）、控制阀座C（319）、电磁换向阀组B（320）、电磁换向阀组C(321)、压力传感器（322）；所述控制筒B（31）、控制阀座B（32）、后动力短节（313）、控制筒C（318）和控制阀座C（319）依次相连；控制阀座B（32）左端安装有设置在控制筒B（31）内的电磁换向阀组B（320），控制阀座B（32）和后动力短节（313）上设有用于沟通了泥浆流道（220）和后支撑活塞（34）的左右腔室的后液压流道（33）；后支撑活塞（34）和后液压马达（311）安装在后动力短节（313）内；后支撑杆A（35）、后从动链轮（36）、后轮（37）、后链条（38）、后主动链轮（39）、后联轴器（310）、后支撑杆B（314）、后涡轮（315）、后轴承（316）和后涡杆（317）一起组成后执行机构；所述控制阀座C（319）上安装有压力传感器（322）；

所述伸缩短节（4）包括支撑缸（41）、支撑臂（42）和伸缩缸（43），支撑缸（41）和伸缩缸（43）分别连接在支撑臂（42）前端和后端；

所述机器人通过泥浆流道（220）和环空（9）之间的泥浆压差作为动力源驱动前液压马达（211）；

所述电磁换向阀组A（219）通过控制阀座B（32）和前液压管线（212）连通泥浆流道（220）和前液压马达（211）；

所述电磁换向阀组B（320）通过控制阀座B（32）和前液压管线（212）为前液压马达（211）提供动力源；

所述电磁换向阀组C（321）通过控制阀座C（319）和后液压管线（312）为后液压马达（311）提供动力源。