CN110017111A - 一种连续油管牵引器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种连续油管牵引器及其工作方法，连接在井下动力钻具以及连续油管之间，其特征在于，包括外壳、转子和转向系统，所述转子和转向系统设置在外壳内，转子在高压钻井液的冲击作用下能够高速旋转，产生动力；转向系统包括主转向轴14、副转向轴16和爬行轮13，转向系统用于改变动力的输出方向，使其带动连续油管在水平井中前进。本发明无需电缆供电，减小了井下事故发生的可能性，同时采用水力驱动可以有效节能；由于连续油管作业时，油管并不转动，于是在连续油管作业中采用本申请牵引力更大的轮式牵引器；连续油管在水平井钻进作业时，本发明也可以起到扶正器的作用，可以使连续油管有效居中，减小磨损。
Description
技术领域
本发明属于水平井钻进的牵引装置，具体地，本发明涉及连续油管牵引器及其工作方法。
背景技术
近年来，随着全世界对石油需求量的不断增加，为提高采收率，对于油气的开采，大多采用水平井钻井技术。在油气开采过程中，影响钻井成本的因素是多方面的。在国内，连续油管欠平衡钻井技术因为机动性能好、不伤害储层、起下钻快、钻井周期短而逐渐被重视。由于连续油管在水平井钻进作业时总是贴近井眼的下端面，使得连续油管所受阻力过大，因而所钻水平井的长度有限。利用牵引器可以很好地减小阻力，使油管或者钻具组合顺利的通过造斜段和水平段，进而使水平井段的长度得以延伸。
现有的爬行器从驱动类型分，主要有液体驱动和电力驱动两种，液体驱动是靠高压钻井液进行驱动，而电力驱动则是靠电缆电动井底的电机提供动力，但是电力驱动需要电缆供电，在高压钻井液中，电机部位极易出现漏电等危险情况。从工作方式分主要有轮式牵引器、伸缩式井下牵引器、履带式牵引器等。连续油管钻井和传统钻杆钻井不同，连续油管作业时，油管并不转动，于是在连续油管作业中可以设计牵引力更大的轮式牵引器。
专利号为201510838327的发明专利涉及一种连续油管牵引器，该牵引器包括旋转轴、旋转套A、旋转套B、连接外壳、螺杆传动轴、马达接头和推力轴承，旋转轴上活动套装有旋转套A，旋转套A上通过旋转轴套装有旋转套B，旋转套A和旋转套B上分别设置有限位台肩，旋转套A和旋转套B之间通过限位台肩的配合相互卡合连接。该牵引器工作时，以钻井泥浆为动力驱动螺杆传动轴旋转，动力方便获取，但是该专利的牵引器使用时动力不足，使用过程中牵引器容易歪曲。
发明内容
为了克服以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种连续油管牵引器，节能（无需电力）、牵引力大，方向稳定，且能够重复使用的水平井连续油管牵引器。
本发明的连续油管牵引器，连接在井下动力钻具以及连续油管之间，包括外壳、转子和转向系统，所述转子和转向系统设置在外壳内，转子在高压钻井液的冲击作用下能够高速旋转，产生动力；转向系统包括主转向轴、副转向轴和爬行轮，转向系统用于改变动力的输出方向，使其带动连续油管在水平井中前进。将钻井液产生的动力通过主转向轴传至副转向轴及爬行轮进而产生牵引力。
优选的是，所述转子包括轴，轴的外侧设有多个叶片。
上述任一方案优选的是，所述多个叶片至少包括叶片I和叶片II。
上述任一方案优选的是，所述多个叶片的结构相同，多个叶片均匀且间隔连接在轴的外侧。多个叶片的弯曲方向方向相同。
上述任一方案优选的是，所述外壳为空心设置的圆柱状结构。
上述任一方案优选的是，所述外壳由上部外壳、中部外壳和下部外壳三个部分组成，上部外壳和下部外壳分别连接在中部外壳的上下两端。
上述任一方案优选的是，所述中部外壳的口径大于上部外壳、中部外壳的口径。
上述任一方案优选的是，所述上部外壳上设有螺纹。
上述任一方案优选的是，所述螺纹为反螺纹，上部外壳通过反螺纹连接上部的连续油管。反螺纹即反向螺纹。
上述任一方案优选的是，所述上部外壳的外侧设有多个扶正结构。
上述任一方案优选的是，所述上部外壳的外侧设有3个扶正结构，3个扶正结构呈圆周阵列分布。
上述任一方案优选的是，所述扶正结构为螺旋叶片，扶正结构和上部外壳之间的夹角角度为90°。
上述任一方案优选的是，所述上部外壳和中部外壳连接处为倒角设置。
上述任一方案优选的是，所述中部外壳包裹在转子外侧。
上述任一方案优选的是，所述中部外壳的上下两端分别设有卡簧槽，通过上端卡簧、下端卡簧I、下端卡簧II将轴和叶片固定在中部外壳的内部。
上述任一方案优选的是，所述转向系统设置在下部外壳内，转向系统的数量为多组，呈圆周阵列分布。
上述任一方案优选的是，所述转向系统的数量为三组。
上述任一方案优选的是，所述转向系统与扶正结构错开60°设置。
上述任一方案优选的是，所述轴上部设有导流锥，导流锥的上端为锥形。
上述任一方案优选的是，所述叶片为曲形叶片，叶片的下部延伸至轴套5内边缘。
上述任一方案优选的是，叶片下部和轴套5内边缘连接。
上述任一方案优选的是，所述轴套的下端设有转向齿条，转向齿条与轴套呈30°-60°角向外扩展。
上述任一方案优选的是，所述转向齿条与轴套呈30°角向外扩展。
上述任一方案优选的是，所述转向齿条与轴套呈45°角向外扩展。
上述任一方案优选的是，所述转向齿条与轴套呈60°角向外扩展。
上述任一方案优选的是，所述轴套的下部设有防护罩。
上述任一方案优选的是，所述的下部外壳处，还有主副导向轴支撑架，导向轴密封壳，爬行轮保护壳等。
上述任一方案优选的是，所述防护罩设置在下部外壳内。
上述任一方案优选的是，所述下部外壳内设有转向系统，转向系统包括支撑架、主转向轴和副转向轴。
上述任一方案优选的是，所述主转向轴内部转向齿条与轴套下端的转向齿条啮合，主转向轴的外部转向齿条与副转向轴啮合。
上述任一方案优选的是，所述主转向轴与外壳垂直设置。
上述任一方案优选的是，所述主转向轴与下部外壳垂直设置。
上述任一方案优选的是，所述副转向轴一侧的转向齿条与主转向轴的转向齿条啮合，副转向轴的另一侧设有爬行轮，爬行轮的外侧延伸至下部外壳外侧与井壁接触。
上述任一方案优选的是，所述爬行轮的圆周阵列直径大于上部外壳扶正结构的圆周阵列直径。
本发明还公开一种连续油管牵引器的工作方法，包括以下步骤：
（1）首先将连续油管牵引器安装在井下动力钻具和连续油管之间；
（2）打开地面泥浆泵，钻井液汇入连续油管的内部并进入到外壳内部的转子中；
（3）钻井液不断冲击转子，使其不断旋转，从而带动主转向轴旋转；
（4）主转向轴通过转向齿条带动副转向轴转动，为爬向轮提供转向力，进而使其进行爬升。
优选的是，所述转子包括轴，轴的外侧设有多个叶片。
上述任一方案优选的是，所述多个叶片至少包括叶片I和叶片II。
上述任一方案优选的是，所述外壳为空心设置的圆柱状结构。
上述任一方案优选的是，所述外壳由上部外壳、中部外壳和下部外壳三个部分组成，上部外壳和下部外壳分别连接在中部外壳的上下两端。
上述任一方案优选的是，所述上部外壳上设有螺纹。
上述任一方案优选的是，所述螺纹为反螺纹，上部外壳通过反螺纹连接上部的连续油管。
上述任一方案优选的是，所述上部外壳的外侧设有多个扶正结构。
上述任一方案优选的是，所述上部外壳的外侧设有3个扶正结构，3个扶正结构呈圆周阵列分布。
上述任一方案优选的是，所述扶正结构为螺旋叶片，扶正结构和上部外壳之间的夹角角度为90°。
上述任一方案优选的是，所述上部外壳和中部外壳连接处为倒角设置。
上述任一方案优选的是，所述中部外壳包裹在转子外侧。
上述任一方案优选的是，所述中部外壳的上下两端分别设有卡簧槽，通过上端卡簧、下端卡簧I、下端卡簧II将轴和叶片固定在中部外壳的内部。
上述任一方案优选的是，转向系统设置在下部外壳内，转向系统的数量为多组，呈圆周阵列分布。
上述任一方案优选的是，所述轴上部设有导流锥10，导流锥10的上端为锥形。
上述任一方案优选的是，所述轴外部设有叶片，叶片为曲形叶片，叶片下部延伸至轴套内边缘。
上述任一方案优选的是，所述叶片下部和轴套5内侧连接。
上述任一方案优选的是，所述轴套的下端设有转向齿条，转向齿条与轴套呈30°-60°角向外扩展。
上述任一方案优选的是，所述转向齿条与轴套呈30°角向外扩展。
上述任一方案优选的是，所述转向齿条与轴套呈45°角向外扩展。
上述任一方案优选的是，所述转向齿条与轴套呈60°角向外扩展。
上述任一方案优选的是，所述轴套的下部设有防护罩。
上述任一方案优选的是，所述主转向轴和副转向轴设置在下部外壳内。
上述任一方案优选的是，所述主转向轴内部转向齿条与轴套下端的转向齿条啮合，主转向轴的外部转向齿条与副转向轴啮合。
上述任一方案优选的是，所述主转向轴与外壳垂直设置。
上述任一方案优选的是，所述副转向轴一侧的转向齿条与主转向轴的转向齿条啮合，副转向轴的另一侧设有爬行轮，爬行轮的外侧延伸至下部外壳外侧与井壁接触。
上述任一方案优选的是，所述爬行轮的圆周阵列直径大于上部外壳扶正结构的圆周阵列直径。
有益效果
本发明提供一种连续油管牵引器，具体有益效果有以下几点：
（1）本申请的连续油管牵引器包括充当定子的外壳、充当转子的轴和叶片和转向系统。外壳主要分为上、中、下三个部分。上部外壳的外部有扶正结构，配合爬行轮可在水平井钻进时将牵引器居中，起到防斜的作用；中部外壳是将轴和叶片包裹其中形成转子，使得叶片在高速高压钻井液的冲击下快速旋转，产生动力；下部外壳主要容纳导向装置，改变动力的输出方向，将钻井液产生的动力通过主转向轴传至副转向轴及爬行轮进而产生牵引力，使其带动连续油管在水平井中前进；在连续油管上，可以安装多个本申请的牵引器，进而增加牵引力以及起到扶正作用，保证提供足够的动力；
（2）在连续油管钻井作业时，本申请的牵引器安装在井下动力钻具的后面以及连续油管的前面，连续管欠平衡钻井是使用连续油管代替传统的钻杆进行欠平衡钻井的一种钻井工艺。在连续管钻井中，因为连续管是挠性管，所以不能传递扭矩，也就是连续油管钻井作业中，连续油管以及牵引器不会旋转，只有井下动力钻具会旋转钻进破碎井底岩石，而且是钻井液提供动力。该发明也是依靠高压钻井液提供动力；
（3）本发明的牵引器是一种节能（无需电力）、牵引力大，且能够重复使用的水平井连续油管牵引器，解决现有牵引器牵引力不足、需要电缆提供动力等技术问题；
（4）无需电缆供电，减小了井下事故发生的可能性，同时采用水力驱动可以有效节能；由于连续油管作业时，油管并不转动，于是在连续油管作业中采用本申请牵引力更大的轮式牵引器；连续油管在水平井钻进作业时，本发明也可以起到扶正器的作用，可以使连续油管有效居中，减小磨损。
附图说明
图1是连续油管牵引器的整体结构剖视图；
图2是图1的外部结构示意图；
图3是图2的一内部局部结构示意图；
图4是图2的另一内部局部结构示意图；
图5是图2的转向及保护系统（在下部外壳处将外壳径向剖视）；
图6是图1的仰视图。
具体实施方式
为了更好理解本发明的技术方案和优点，以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1-图6所示，一种连续油管牵引器，连接在井下动力钻具以及连续油管之间，包括外壳17、转子18和转向系统，外壳17充当定子，所述转子18和转向系统设置在外壳17内，转子18在高压钻井液的冲击作用下能够高速旋转，产生动力；转向系统包括主转向轴14、副转向轴16和爬行轮13，转向系统用于改变动力的输出方向，使其带动连续油管在水平井中前进。将钻井液产生的动力通过主转向轴14传至副转向轴16及爬行轮13进而产生牵引力。
转子18包括轴181，轴181的外侧设有多个叶片。叶片至少包括叶片II4和叶片II11.轴181上部设有导流锥10，导流锥10的上端为锥形。导流锥10主要是为了将流体导入叶片中，使流体推动转子旋转。所述轴套5的下端设有转向齿条7，所述转向齿条7与轴套呈45°角向外扩展。
轴套5的下部设有防护罩8。防护罩8起到防护钻井液伤害转向系统的作用。
外壳17由上部外壳171、中部外壳172和下部外壳173三个部分组成，上部外壳171和下部外壳173分别连接在中部外壳172的上下两端。
所述上部外壳171的外侧设有3个扶正结构2，3个扶正结构2呈圆周阵列分布。扶正结构2配合爬行轮13可在水平井钻进时将牵引器居中，起到防斜的作用。
中部外壳172包裹在转子18外侧。中部外壳172起到了包裹轴、轴套5和叶片（转子）的作用，使得叶片在高速高压钻井液的冲击下快速旋转，产生动力。
转向系统设置在下部外壳173内，转向系统的数量为多组，呈圆周阵列分布且相互平行设置。
下部外壳主要是为了容纳转向系统，改变动力的输出方向，将钻井液产生的动力通过主转向轴14传至副转向轴16及爬行轮13进而产生牵引力，使其带动连续油管在水平井中前进。在连续油管上，可以安装多个爬行器，进而增加牵引力以及起到扶正作用。
具体的，转向系统包括支撑架、主转向轴14和副转向轴16。主转向轴14内部转向齿条7与轴套5下端的转向齿条啮合，主转向轴14的外部转向齿条与副转向轴16啮合。防护罩8主要起到防护钻井液伤害转向系统和转向齿条的作用。
副转向轴16一侧的转向齿条与主转向轴14的转向齿条啮合，副转向轴16的另一侧设有爬行轮13，爬行轮13的外侧延伸至下部外壳外侧与井壁接触，水平井钻进过程中为连续油管的悬空提供支撑，为整个油管的前行提供动力。
本发明的工作过程如下：在连续油管钻井作业时，地面泥浆泵打开，钻井液在泵压作用下通过地面管汇进入连续油管的内部，到达牵引器时，会从上部外壳进入到内部的转子中，由于叶片是弯曲状的，而钻井液在压力作用下趋于直线运动，因此转子整体会在中部外壳内部进行旋转。钻井液不断进入内部冲击叶片，使其不断顺时针旋转，为下面主转向轴14提供动力并带动其旋转，此时，主转向轴14也顺时针旋转，之后主转向轴14通过转向齿条带动副转向轴16转动，为爬向轮的提供转向力，进而使其进行爬升。
与现有技术相比，本发明无需电缆供电，减小了井下事故发生的可能性，同时采用水力驱动可以有效节能；由于连续油管作业时，油管并不转动，于是在连续油管作业中采用轮式牵引器，牵引力更大的；连续油管在水平井钻进作业时，本发明也可以起到扶正器的作用，可以使连续油管有效居中，减小磨损。
实施例2
一种连续油管牵引器的工作方法，包括以下步骤：
（1）首先将连续油管牵引器安装在井下动力钻具和连续油管之间；
（2）打开地面泥浆泵，钻井液汇入连续油管的内部并进入到外壳内部的转子中；
（3）钻井液不断冲击转子，使其不断旋转，从而带动主转向轴14旋转；
（4）主转向轴14通过转向齿条7带动副转向轴16转动，为爬向轮13提供转向力，进而使其进行爬升。
如图1-图4所示，转子18包括轴181，轴181的外侧设有多个叶片。叶片至少包括叶片II4和叶片II11.所述轴181上部设有导流锥10，导流锥10的上端为锥形。
叶片为曲形叶片，叶片的下部延伸至轴套5内边缘并和轴套5连接为一体。轴套5为空心桶状结构，套接在叶片外侧，轴套5的下端设有转向齿条7，转向齿条7与轴套呈45°角向外扩展。
外壳17为空心设置的圆柱状结构。外壳17由上部外壳171、中部外壳172和下部外壳173三个部分组成，上部外壳171和下部外壳173分别连接在中部外壳172的上下两端。上部外壳171上设有螺纹1，所述螺纹1为反螺纹，上部外壳171通过反螺纹连接上部的连续油管。
上部外壳171的外侧设有3个扶正结构2，3个扶正结构2呈圆周阵列分布。
扶正结构2为螺旋叶片，扶正结构2和上部外壳之间的夹角角度为90°。上部外壳171的外部设有扶正结构，配合爬行轮13可在水平井钻进时将牵引器居中，起到防斜的作用。
上部外壳171和中部外壳172连接处为倒角设置。中部外壳172包裹在转子18外侧。中部外壳172的上下两端分别设有卡簧槽，通过上端卡簧3、下端卡簧6、下端卡簧12将轴181和叶片固定在中部外壳172的内部。
下部外壳173外侧设有下部螺纹15，下端螺纹15用于连接井下动力钻具，转向系统设置在下部外壳173内，转向系统的数量为三组，呈圆周阵列分布且相互平行设置。
转向系统与扶正结构2错开60°设置。
在下部外壳173处，还有主副导向轴支撑架，导向轴密封壳，爬行轮保护壳等。
轴套5的下部设有防护罩8。下部外壳内设有转向系统，转向系统包括支撑架、主转向轴14和副转向轴16。主转向轴14内部转向齿条7与轴套5下端的转向齿条啮合，主转向轴14的外部转向齿条与副转向轴16啮合。主转向轴14与外壳17垂直设置。副转向轴16一侧的转向齿条与主转向轴14的转向齿条啮合，副转向轴16的另一侧设有爬行轮13，爬行轮13的外侧延伸至下部外壳外侧与井壁接触。爬行轮13的圆周阵列直径大于上部外壳扶正结构的圆周阵列直径。
实施例3
一种连续油管牵引器，与实施例1不同的是，所述外壳17为空心设置的圆柱状结构。
实施例4
一种连续油管牵引器，与实施例1不同的是，所述所述上部外壳171上设有螺纹1，所述螺纹1为反向螺纹，上部外壳171通过反向螺纹连接上部的连续油管。
实施例5
一种连续油管牵引器，与实施例1不同的是，所述扶正结构2为螺旋叶片，扶正结构2和上部外壳之间的夹角角度为90°。
实施例6
一种连续油管牵引器，与实施例1不同的是，所述上部外壳171和中部外壳172连接处为倒角设置，增强牢度性。
实施例7
一种连续油管牵引器，与实施例1不同的是，所述叶片为曲形叶片，多个叶片弯曲方向相同。中部外壳172的上下两端分别设有圆周状的卡簧槽，通过上端卡簧3、下端卡簧I6、下端卡簧II12将轴181、叶片和轴套5固定在中部外壳172的内部，使轴181在高压钻井液的冲击作用下高速旋转。叶片扩展至轴套5，轴套5的上下边沿分别有卡簧槽，配合外壳5（定子）的卡簧槽从而利用卡簧进行固定。
实施例8
一种连续油管牵引器，与实施例1不同的是，所述转向系统的数量为三组，三组转向系统呈圆周阵列分布且相互平行设置。
实施例9
一种连续油管牵引器，与实施例1不同的是，在俯视角度上，转向系统与扶正结构2错开60°设置，从而保证爬行轮13也可以起到扶正器的作用。
实施例10
一种连续油管牵引器，与实施例1不同的是，所述叶片为曲形叶片，叶片的下部延伸至轴套5内边缘并和轴套5连接为一体。
实施例11
一种连续油管牵引器，与实施例1不同的是，所述转向齿条7与轴套呈30°角向外扩展。
实施例12
一种连续油管牵引器，与实施例1不同的是，所述转向齿条7与轴套呈60°角向外扩展。
实施例13
一种连续油管牵引器，与实施例1不同的是，在下部外壳173处，有主导向轴支撑架191和副导向轴支撑架192，导向轴密封壳20。支撑架主要起到了支撑转向轴进行旋转的作用，密封壳20主要是为了保护转向轴的转向齿条。密封壳的上部接在下部壳体173和中部壳体172连接处的台阶处，并且密封壳分布于下部外壳的两侧。
实施例14
一种连续油管牵引器，与实施例1不同的是，主转向轴14与外壳17垂直设置。
实施例15
一种连续油管牵引器，与实施例1不同的是，爬行轮13的圆周阵列直径大于上部外壳扶正结构的圆周阵列直径。
需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种连续油管牵引器，连接在井下动力钻具以及连续油管之间，其特征在于，包括外壳、转子和转向系统，所述转子和转向系统设置在外壳内，转子在高压钻井液的冲击作用下能够高速旋转，产生动力；转向系统包括主转向轴、副转向轴和爬行轮，转向系统用于改变动力的输出方向，使其带动连续油管在水平井中前进。
2.如权利要求1所述的一种连续油管牵引器，其特征在于：所述转子包括轴，轴的外侧设有多个叶片。
3.如权利要求2所述的一种连续油管牵引器，其特征在于：所述轴上部设有导流锥，导流锥的上端为锥形。
4.如权利要求3所述的一种连续油管牵引器，其特征在于：所述叶片下部和轴套内边缘连接。
5.如权利要求4所述的一种连续油管牵引器，其特征在于：所述外壳由上部外壳、中部外壳和下部外壳三个部分组成，上部外壳和下部外壳分别连接在中部外壳的上下两端。
6.如权利要求5所述的一种连续油管牵引器，其特征在于：所述上部外壳的外侧设有多个扶正结构。
7.如权利要求1所述的一种连续油管牵引器，其特征在于：所述转向系统设置在下部外壳内，转向系统的数量为多组，呈圆周阵列分布。
8.如权利要求5所述的一种连续油管牵引器，其特征在于：所述下部外壳内设有转向系统，转向系统包括支撑架、主转向轴和副转向轴。
9.如权利要求8所述的一种连续油管牵引器，其特征在于：所述主转向轴内部转向齿条与轴套下端的转向齿条啮合，主转向轴的外部转向齿条与副转向轴啮合。
10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的连续油管牵引器的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、首先将连续油管牵引器安装在井下动力钻具和连续油管之间；
（2）、打开地面泥浆泵，钻井液汇入连续油管的内部并进入到外壳内部的转子中；
（3）、钻井液不断冲击转子，使其不断旋转，从而带动主转向轴旋转；
（4）、主转向轴通过转向齿条带动副转向轴转动，为爬向轮提供转向力，进而使其进行爬升。
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|---|---|---|---|
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