CN109555495A - 井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统及解卡方法 - Google Patents

Abstract

井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统及解卡方法，属于钻井工程井下工具技术领域，解卡系统包括岩石破碎齿、解卡动力系统上密封、解卡动力系统上轴承、解卡动力系统下轴承、解卡动力扭矩电机、解卡动力系统下密封、扶正密封轴承、解卡内转子接头、测量传感器组件、解卡装置接头及缆线，解卡动力扭矩电机用于在钻具解卡过程中实现扭矩自平衡，为岩石破碎齿提供所需扭矩；本发明解卡系统的解卡方法不需要井上输入扭矩而靠顶部岩石破碎齿回转碎岩解卡，具有在取心作业中遇卡时可配合井下扭矩自平衡有缆钻具在扭矩平衡的状态下实施较长距离的双向微钻划眼，切除卡钻的岩石，达到解除卡钻事故的能力。

Description

井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统及解卡方法

技术领域

本发明属于钻井工程井下工具技术领域，具体涉及一种井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统及解卡方法。

背景技术

在钻井和钻探过程中，钻柱受到的回转扭矩很大，主要来自于钻头回转碎岩、井壁或孔壁摩擦、井内泥浆阻力等，在巨大的反扭力作用下钻柱变形严重，成螺旋状，且井越深变形越大。同时，在回转中钻柱与井壁碰撞摩擦，磨损和交变载荷作用极易使钻杆柱提前损坏，导致断钻具等井内事故的发生，给整个工程带来巨大损失。很明显，钻具在井内回转和碎岩产生的反扭矩危害到整个钻柱和地面设备，也导致了成井质量差、钻井周期长、钻井成本高等一系列不良后果。为此，现有技术中提出了“一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统，专利文献申请号为201710082518.8”，从根本上解决钻柱回转钻进产生的反扭矩危害、改变钻头单向碎岩对围岩的扰动强度，简化地面钻探装备和配套的工具及工艺方法，实现井内事故少、钻井成本低、能耗小和钻进效率高等目的。但当钻遇破碎、易缩颈或易坍塌地层井段时，钻具在钻进或起下钻时极易发生遇阻遇卡等井下复杂问题。目前，解决此问题常采用解卡作业，即采用固定式钻具稳定器的上端斜面(该面上堆焊有硬质合金)先修整井壁，待稳定器上提通过后,再利用钻头修整井壁。此种方法的缺点表现为稳定器需通过上部钻杆提供固定，而一旦发生垮塌严重或者井壁收缩较大等事故，钻杆也被卡住，强行开展解卡作业可能导致钻杆过度磨损以致断裂。同样，井下扭矩自平衡有缆钻具系统在钻进过程中也会遇到类似的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的在于提供一种井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统，用于解决破碎、易缩颈或易坍塌等不稳定的地层井段，钻井的井眼容易缩颈、井眼尺寸变小，引起钻具上提遇阻遇卡问题。

本发明的另一个目的在于提供一种井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统解卡方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明提供的一种井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统，其特征在于，包括：岩石破碎齿、解卡动力系统上密封、解卡动力系统上轴承、解卡动力系统下轴承、解卡动力扭矩电机、解卡动力系统下密封、扶正密封轴承、解卡内转子接头、测量传感器组件、解卡装置接头及缆线，所述解卡动力扭矩电机包括解卡动力扭矩电机外转子组及穿设在解卡动力扭矩电机外转子组内部的解卡动力扭矩电机内转子组两部分，解卡动力扭矩电机用于在钻具解卡过程中实现扭矩自平衡，为岩石破碎齿提供所需扭矩；所述岩石破碎齿、解卡动力系统上密封、解卡动力扭矩电机外转子组和解卡动力系统下密封顺次配合紧固连接构成解卡系统外侧部分；所述解卡动力扭矩电机内转子组、解卡内转子接头、测量传感器组件及解卡装置接头顺次配合紧固连接构成解卡系统内侧部分；所述解卡动力系统上轴承设置在解卡动力扭矩电机内转子组与解卡动力扭矩电机外转子组相配合形成的凹槽内；所述解卡动力系统下轴承设置在解卡动力扭矩电机内转子组与解卡动力系统下密封相配合形成的凹槽内；所述扶正密封轴承设置在解卡动力系统下密封与解卡内转子接头的配合间隙内；所述测量传感器组件包括壳体、转速传感器、压力传感器、位移传感器、温度传感器和扭矩传感器，壳体内部具有环形空腔，该环形空腔与缆线中供导线穿过的通道连通；转速传感器、压力传感器、位移传感器、温度传感器和扭矩传感器设置在壳体内部，均通过导线与地面控制终端连接，测量传感器组件用于实时测量解卡系统工作时解卡系统外侧部分的转动速度、解卡系统内侧部分的转动速度及岩石破碎齿所受竖直方向上的压力值，并通过导线传递到地面控制终端；所述缆线具有用于传输钻井液的中心通道及供导线穿过的通道，缆线与解卡动力扭矩电机内转子组连接，通过其为整套解卡系统提供竖直方向上的拉力，同时缆线通过设置在其内部的导线分别与解卡动力扭矩电机、测量传感器组件连接。

所述井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统，还包括解卡动力系统轴承密封圈，解卡动力系统轴承密封圈数量为2N个，N≥1，均分成两组，第一组设置在解卡动力系统上密封与解卡动力扭矩电机内转子组之间，第二组设置在解卡动力系统下密封与解卡动力扭矩电机外转子组之间。

本发明还提供了一种井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统解卡方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

1)测量传感器组件检测到解卡系统上部所受压力非零时，测量传感器组件将其检测到的压力信息通过缆线中预留的导线传递至地面控制终端；

2)地面控制终端接收测量传感器组件向其发送的压力信息并进行处理，根据处理后的压力信息向解卡动力扭矩电机发出控制指令，启动解卡动力扭矩电机，解卡动力扭矩电机驱动碎岩回转组转动，同时扭矩平衡组靠自身惯性反向回转，其中碎岩回转组由岩石破碎齿、解卡动力系统上密封、解卡动力扭矩电机外转子组和解卡动力系统下密封顺次配合紧固连接构成，碎岩回转组的质量≤1/3扭矩平衡组的质量；扭矩平衡组由解卡动力扭矩电机内转子组、解卡内转子接头、测量传感器组件、解卡装置接头及与解卡装置接头所连接的下部钻具构成；

3)扭矩平衡组的反向回转对地速度达到预先设定值时，地面控制终端将自动切换解卡动力扭矩电机的回转方向，解卡动力扭矩电机驱动碎岩回转组停止然后反向转动达到其对地回转速度的最高值，该最高值为解卡动力扭矩电机的额定转速减去扭矩平衡组的对地转速；扭矩平衡组由于惯性作用先沿原回转方向减速再反向加速回转，如此反复进行，直到钻具解卡。

所述扭矩平衡组的反向回转对地速度的预先设定值为5rpm～50rpm。

所述解卡动力扭矩电机的换向频率为0.01Hz～50Hz。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出的解卡系统，在井下通过自带动力系统直接对卡点岩石实施破碎解卡作业，缆线只需提供拉力而无须旋转从而避免磨损，实现顺利解卡、对井壁进行修整和保持井眼直径尺寸，有效降低阻卡的风险，能够满足井下扭矩自平衡有缆钻具系统处理解卡事故的要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明实施例中井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统整体结构示意图。

图2是本发明实施例中井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统外观结构示意图。

附图中各部件的标记如下：1-岩石破碎齿；2-解卡动力系统上密封；3-解卡动力系统上轴承；4-解卡动力扭矩电机内转子组；5-解卡动力扭矩电机外转子组；6-解卡动力系统下轴承；7-解卡动力系统轴承密封圈；8-解卡动力系统下密封；9-扶正密封轴承；10-解卡内转子接头；11-测量传感器组件；12-解卡装置接头；13-缆线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程及元件并没有详细的叙述。

请参阅图1及图2，本发明实施例中提出了一种井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统，用于在钻探作业中遇卡时配合井下扭矩自平衡有缆钻具解除卡钻事故，所述解卡系统包括岩石破碎齿1、解卡动力系统上密封2、解卡动力系统上轴承3、解卡动力系统下轴承6、解卡动力扭矩电机、解卡动力系统下密封8、扶正密封轴承9、解卡内转子接头10、测量传感器组件11、解卡装置接头12、缆线13与解卡动力系统轴承密封圈7；

所述岩石破碎齿1用于打通在垮塌严重或者井壁收缩较大时被封堵的已钻进尺；

所述解卡动力扭矩电机包括解卡动力扭矩电机外转子组5及穿设在解卡动力扭矩电机外转子组5内部的解卡动力扭矩电机内转子组4两部分，解卡动力扭矩电机用于在钻具解卡过程中实现扭矩自平衡，为所述岩石破碎齿1提供所需扭矩；

所述解卡动力系统上密封2用于密封解卡动力扭矩电机，保护其不受钻井液浸泡；

所述解卡动力系统下密封8用于密封解卡动力扭矩电机，保护其不受钻井液浸泡；

所述岩石破碎齿1、解卡动力系统上密封2、解卡动力扭矩电机外转子组5和解卡动力系统下密封8顺次配合紧固连接构成解卡系统外侧部分；

所述解卡动力扭矩电机内转子组4、解卡内转子接头10、测量传感器组件11及解卡装置接头12顺次配合紧固连接构成解卡系统内侧部分；

所述解卡动力系统上轴承3设置在解卡动力扭矩电机外转子组5与解卡动力扭矩电机内转子组4相配合形成的凹槽内，在保证解卡动力扭矩电机外转子组5与解卡动力扭矩电机内转子组4相对逆向回转的同时，提供竖直方向上的力；

所述解卡动力系统下轴承6设置在解卡动力扭矩电机内转子组4与解卡动力系统下密封8相配合形成的凹槽内，在保证解卡动力扭矩电机外转子组5与解卡动力扭矩电机内转子组4相对逆向回转的同时，提供竖直方向上的力；

所述解卡动力系统轴承密封圈7，数量为2N个，N≥1，均分成两组，第一组设置在解卡动力系统上密封2与解卡动力扭矩电机内转子组4之间，用于协助解卡动力系统上密封2完成密封功能，第二组设置在解卡动力系统下密封8与解卡动力扭矩电机外转子组5之间，用于协助解卡动力系统下密封8完成密封功能。

所述扶正密封轴承9设置在解卡动力系统下密封8与解卡内转子接头10的配合间隙内，用于保证二者能够稳定的相对滑动，实现扶正定位与密封作用；

所述测量传感器组件11包括壳体、转速传感器、压力传感器、位移传感器、温度传感器和扭矩传感器，壳体内部具有环形空腔，该环形空腔与缆线13中供导线穿过的通道连通；转速传感器、压力传感器、位移传感器、温度传感器和扭矩传感器设置在壳体内部，均通过导线与地面控制终端连接，测量传感器组件用于实时测量解卡系统工作时解卡系统外侧部分的转动速度、解卡系统内侧部分的转动速度及岩石破碎齿所受竖直方向上的压力值，并通过导线传递到地面控制终端，通过地面控制终端处理后下达各项工作指令。

所述缆线13为本发明提出的解卡系统所适配的井下扭矩自平衡有缆钻具系统中缆线的一部分，缆线13具有用于传输钻井液的中心通道及两个供导线穿过的通道，在本发明提出的解卡系统中，缆线13与解卡动力扭矩电机转子组4连接，通过其为整套解卡系统提供竖直方向上的拉力，缆线13通过设置在其内部的导线分别与解卡动力扭矩电机、测量传感器组件11连接，从地面为两者建立动力电与信号电的传递路径。

本发明提出的井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统具体工作过程如下：当井下扭矩自平衡有缆钻具正常工作时，测量传感器组件11所测量的岩石破碎齿1上部所受压力值为零，而当发生卡钻、埋钻事故时，由于岩石破碎齿1上部已钻孔壁垮塌导致上提钻具必将遇到较大阻力，测量传感器组件11将所接收到的压力信息通过缆线13中预留的导线传递至地面控制终端，由地面控制终端分析、判断和发出控制指令，启动解卡动力扭矩电机，解卡动力扭矩电机开始工作。根据压力传感器所采集到的数据，解卡动力扭矩电机驱动包括岩石破碎齿1、解卡动力系统上密封2、解卡扭矩电机外转子组5和解卡动力系统下密封8在内的解卡系统外侧部分转动，岩石破碎齿1、解卡动力系统上密封2、解卡扭矩电机外转子组5和解卡动力系统下密封8在内的解卡系统外侧部分简称碎岩回转组，碎岩回转组转动产生的反扭矩由解卡动力扭矩电机内转子组4、解卡内转子接头10、测量传感器组件11、解卡装置接头12及与解卡装置接头12所连接的下部钻具具有的惯性提供，解卡动力扭矩电机内转子组4、解卡内转子接头10、测量传感器组件11、解卡装置接头12及与解卡装置接头12所连接的下部钻具简称扭矩平衡组；碎岩回转组的质量≤1/3扭矩平衡组的质量；扭矩平衡组的质量远远大于碎岩回转组的质量。因此，当解卡动力扭矩电机开始工作时，质量较小的碎岩回转组在解卡动力扭矩电机的扭矩作用下首先以较高的回转加速度回转，扭矩平衡组由于其存在较大的惯性在同样回转扭矩作用下以相对较小的加速度反向回转。当扭矩平衡组的反向回转对地速度达到预先设定值5rpm～50rpm时，地面控制终端将自动切换解卡动力扭矩电机的回转方向，解卡动力扭矩电机驱动小转动惯量的碎岩回转组很快停止后快速反向转动达到其对地回转速度的最高值，该最高值为解卡动力扭矩电机的额定转速减去扭矩平衡组的对地转速，扭矩平衡组由于较大的惯性力作用先沿原回转方向减速再反向加速回转，如此反复进行，直到钻具解卡，解卡动力扭矩电机的转向频率可以自由设定，优选范围为0.01Hz～50Hz。

综上，本发明提出了一种可以不需要井上输入扭矩而靠顶部岩石破碎齿1回转碎岩解卡,具有在钻进作业中遇卡时可配合井下扭矩自平衡有缆钻具在扭矩平衡的状态下实施较长距离的双向微钻划眼,切除卡钻的岩石,达到解除卡钻事故的目的。

Claims (5)

1.井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统，其特征在于，包括：岩石破碎齿、解卡动力系统上密封、解卡动力系统上轴承、解卡动力系统下轴承、解卡动力扭矩电机、解卡动力系统下密封、扶正密封轴承、解卡内转子接头、测量传感器组件、解卡装置接头及缆线，所述解卡动力扭矩电机包括解卡动力扭矩电机外转子组及穿设在解卡动力扭矩电机外转子组内部的解卡动力扭矩电机内转子组两部分，解卡动力扭矩电机用于在钻具解卡过程中实现扭矩自平衡，为岩石破碎齿提供所需扭矩；所述岩石破碎齿、解卡动力系统上密封、解卡动力扭矩电机外转子组和解卡动力系统下密封顺次配合紧固连接构成解卡系统外侧部分；所述解卡动力扭矩电机内转子组、解卡内转子接头、测量传感器组件及解卡装置接头顺次配合紧固连接构成解卡系统内侧部分；所述解卡动力系统上轴承设置在解卡动力扭矩电机内转子组与解卡动力扭矩电机外转子组相配合形成的凹槽内；所述解卡动力系统下轴承设置在解卡动力扭矩电机内转子组与解卡动力系统下密封相配合形成的凹槽内；所述扶正密封轴承设置在解卡动力系统下密封与解卡内转子接头的配合间隙内；所述测量传感器组件包括壳体、转速传感器、压力传感器、位移传感器、温度传感器和扭矩传感器，壳体内部具有环形空腔，该环形空腔与缆线中供导线穿过的通道连通；转速传感器、压力传感器、位移传感器、温度传感器和扭矩传感器设置在壳体内部，均通过导线与地面控制终端连接，测量传感器组件用于实时测量解卡系统工作时解卡系统外侧部分的转动速度、解卡系统内侧部分的转动速度及岩石破碎齿所受竖直方向上的压力值，并通过导线传递到地面控制终端；所述缆线具有用于传输钻井液的中心通道及供导线穿过的通道，缆线与解卡动力扭矩电机内转子组连接，通过其为整套解卡系统提供竖直方向上的拉力，同时缆线通过设置在其内部的导线分别与解卡动力扭矩电机、测量传感器组件连接。

2.根据权利要求1所述井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统，还包括解卡动力系统轴承密封圈，所述解卡动力系统轴承密封圈数量为2N个，N≥1，均分成两组，第一组设置在解卡动力系统上密封与解卡动力扭矩电机内转子组之间，第二组设置在解卡动力系统下密封与解卡动力扭矩电机外转子组之间。

3.一种井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统解卡方法，其特征在于：该解卡方法采用权利要求1或2所述的解卡系统对钻具进行解卡，具体包括如下步骤：

1)测量传感器组件检测到解卡系统上部所受压力非零时，测量传感器组件将其检测到的压力信息通过缆线中预留的导线传递至地面控制终端；

2)地面控制终端接收测量传感器组件向其发送的压力信息并进行处理，根据处理后的压力信息向解卡动力扭矩电机发出控制指令，启动解卡动力扭矩电机，解卡动力扭矩电机驱动碎岩回转组转动，同时扭矩平衡组靠自身惯性反向回转，其中碎岩回转组由岩石破碎齿、解卡动力系统上密封、解卡动力扭矩电机外转子组和解卡动力系统下密封顺次配合紧固连接构成，碎岩回转组的质量≤1/3扭矩平衡组的质量；扭矩平衡组由解卡动力扭矩电机内转子组、解卡内转子接头、测量传感器组件、解卡装置接头及与解卡装置接头所连接的下部钻具构成；

3)扭矩平衡组的反向回转对地速度达到预先设定值时，地面控制终端将自动切换解卡动力扭矩电机的回转方向，解卡动力扭矩电机驱动碎岩回转组停止然后反向转动达到其对地回转速度的最高值，该最高值为解卡动力扭矩电机的额定转速减去扭矩平衡组的对地转速；扭矩平衡组由于惯性作用先沿原回转方向减速再反向加速回转，如此反复进行，直到钻具解卡。

4.根据权利要求3所述的井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统解卡方法，其特征在于：所述扭矩平衡组的反向回转对地速度的预先设定值为5rpm～50rpm。

5.根据权利要求3所述的井下扭矩自平衡有缆钻具的解卡系统解卡方法，其特征在于：所述解卡动力扭矩电机的换向频率为0.01Hz～50Hz。