CN110230469A - 一种水平井钻井钻压补偿装置 - Google Patents
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Abstract
一种水平井钻井钻压补偿装置，包括下接头主体与上接头主体，下接头主体包括下端的外螺纹结构、肩部与颈部，肩部为圆柱形结构，位于圆柱形结构中心位置设置有颈部结构，圆柱形结构环形面上等间距设置有大孔与小孔，上接头主体上端为与钻杆下接头配合的内螺纹结构，下端为肩部结构，下端外部设置有环状结构，下接头主体上端面安装有下接头主体端盖，上接头主体与下接头主体可沿轴向产生相对位移，下接头主体肩部与下接头主体端盖可沿轴向限制上接头主体与下接头主体的最大相对位移，下接头主体与上接头主体之间安装有钻压补偿器和减震器，本发明可在传递扭矩与拉力的同时补偿钻压，并有结构简单，易于实现的特点。
Description
技术领域
本发明涉及石油、天然气钻井技术领域，特别涉及一种水平井钻井钻压补偿装置。
背景技术
在水平井钻井过程中钻压是影响钻井速度，钻头寿命的主要因素。若井底钻压太小，则会降低钻井速度。若井底钻压过大导致钻头磨损严重，可能造成钻头断齿。因此稳定的钻压可提高钻头钻速和钻头寿命。然而在水平井钻井过程中，水平段与弯曲段摩阻较大井底钻压难以控制。现有的钻机大多控制井上钻压的稳定，由于钻杆较长且井底情况复杂，其不能精确控制井底钻压，导致井底钻压浮动较大。因此为稳定井底钻压需设计一种钻压补偿装置，提高水平井钻井效率。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种水平井钻井钻压补偿装置，可传递扭矩、传递拉力、补偿钻压和密封，该装置可在传递扭矩与拉力的同时补偿钻压，并有结构简单，易于实现的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种水平井钻井钻压补偿装置，包括下接头主体12与上接头主体1，所述的下接头主体12与上接头主体1之间配合传递扭矩，下接头主体12包括下端的外螺纹结构、肩部与颈部，所述的肩部为圆柱形结构，位于圆柱形结构中心位置设置有颈部结构，所述的圆柱形结构环形面上等间距设置有两个大孔与八个小孔，两个大孔正对分布，其余小孔均匀分布于环形面，所述上接头主体1上端为与钻杆下接头配合的内螺纹结构，下端为肩部结构，下端外部设置有环状结构，下接头主体12上端面安装下接头主体端盖3，上接头主体1与下接头主体12可沿轴向产生相对位移，下接头主体12肩部与下接头主体端盖3可沿轴向限制上接头主体1与下接头主体12的最大相对位移，下接头主体12与上接头主体1之间安装有钻压补偿器11和减震器10，钻压补偿器11安装于小孔内部，减震器10安装在大孔内部。
所述的下接头主体12颈部穿过上接头主体1中心，下接头主体12颈部与上接头主体1颈部配合。
下接头主体端盖3通过第一螺栓2固定于下接头主体12上端，下接头主体端盖3可沿轴向承受拉力。
所述的钻压补偿器11包括第一缸筒16，第一缸筒16内部为柱塞19，柱塞19下部为柱塞下端盖18，柱塞下端盖18装于弹簧22下端，所述弹簧22装于柱塞19内并处于压缩状态，柱塞19上端通过螺纹固定柱塞上端盖23，柱塞上端盖23装配于上接头主体1的下端面孔内，并通过第二螺栓7固定于上接头主体1，第一缸筒16通过第三螺栓8固定于下接头主体12，第一缸筒16上端为第一缸筒端盖20。
所述的第一缸筒端盖20与柱塞19之间设置有第一密封元件21，柱塞下端盖18与柱塞20之间设置有第二密封元件17。
所述的柱塞19为筒型。
所述的减震器10包括第二缸筒24，第二缸筒24内部设置有活塞25，活塞25安装于活塞杆32上，并通过第四螺栓29固定，阀28安装于活塞25上，第二缸筒24开口处设置有第二缸筒端盖30，第二缸筒端盖30上安装有第三密封元件31，第二缸筒24安装于下接头主体12的大孔内并通过第五螺栓9固定，所述活塞杆32安装于上接头主体1下端面的孔内，并通过第六螺栓6固定。
所述的第二缸筒端盖30与活塞杆32之间设置有第三密封元件31，活塞25与第二缸筒24之间设置有第四密封元件26。
所述的下接头主体端盖3与上接头主体1之间设置有第五密封元件15。
所述的密封套筒14为筒形结构，上部外侧为圆环形结构，圆环形结构与上接头主体1的圆环形结构通过第七螺栓4和螺母5相连，第六密封元件13安装于密封套筒14，并与下接头主体12配合可形成密封。
本发明的有益效果：
本发明在可传递扭矩、拉力和压力的同时补偿井底钻压的基础上，设计了一种水平井钻井钻压补偿装置；本设计可在井底钻压大于或小于钻头钻进的最优钻压时补偿钻压；补偿钻压的过程中减震装置可减小井下钻具组合的震动，保护钻头正常钻进；
附图说明
图1是水平井钻井钻压补偿装置示意图。
图2是钻压补偿器结构示意图。
图3是减震器结构示意图。
图4是上接头主体结构示意图。
图5是下接头主体结构示意图。
图6是密封套筒结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1，水平井钻井钻压补偿装置，包括扭矩传递系统、拉力传递系统、钻压补偿系统、减震系统、密封系统等构成一个有机整体。
所述扭矩传递系统由下接头主体12、上接头主体1组成。上接头主体1的颈部形状类似内花键(如图4所示)，下接头主体12的颈部形状类似外花键(如图5所示)，下接头主体12的颈部穿过上接头主体1中心并与上接头主体1颈部配合，且下接头主体12的颈部长于上接头主体1颈部。上接头主体1与下接头主体12配合后可传递扭矩，并可沿轴向产生相对运动。
所述拉力传递系统包括下接头主体12、下接头主体端盖3、上接头主体1。下接头主体12与上接头主体1装配之后，下接头主体端盖3装配于下接头主体12上端并通过第一螺栓2固定，下接头主体端盖3与上接头主体1肩部沿轴线可限制上接头主体1与下接头主体12之间的相对位移，并沿轴向承受拉力。
所述钻压补偿系统包括下接头主体12、上接头主体11、钻压补偿器11。如图2所示，所述钻压补偿器由柱塞19、弹簧22、柱塞上端盖23，第一缸筒16，第一缸筒端盖20、柱塞下端盖18、第二密封元件17组成。所述柱塞下端盖18装于弹簧22下端，所述弹簧22装于柱塞19内并处于压缩状态，并可产生一定压力。所述柱塞上端盖23通过螺纹固定于柱塞19上端，所述柱塞上端盖23装配于上接头主体1的下端面孔内，并通过第二螺栓7固定于上接头主体1。所述第一缸筒16通过第三螺栓8固定于下接头主体。安装之前钻压补偿器11的第一缸筒16内已充有一定压力的气体，钻压补偿器11处于伸张状态，上接头主体1与下接头主体12在轴向具有最大相对位移。在钻进过程中受到轴向压力钻压补偿器11受压处于压缩状态。当钻头钻压较小时，第一缸筒16内气体膨胀，钻压补偿器伸张，第一缸筒16对下接头主体12产生向下推力，补偿钻头钻压。当钻头钻压较大时，钻压补偿器11受压缩，当第一缸筒16内部气体压力增大，当第一缸筒16内气体对柱塞下端盖18的压力大于弹簧22对柱塞下端盖18的压力时，柱塞下端盖18沿柱塞19的轴线向上运动，第一缸筒16内气体所占空间增大，第一缸筒16内气体压强减小，钻压补偿器11传递给下接头主体12压力减小，从而减小钻头压力。
所述减震系统由下接头主体12、上接头主体1、减震器10组成。如图3所示，所述减震器由活塞杆32、活塞25、阀①和阀②28、弹簧27、第二缸筒24、第二缸筒端盖30、第三密封元件31组成、第四密封元件26。所述活塞25安装于活塞杆32上，并通过第四螺栓29固定。所述阀①和阀②28安装于活塞25上，所述第三密封元件31安装于第二缸筒端盖30上与活塞杆32之间形成密封。所述第二缸筒24安装于下接头主体12的大孔内并通过第五螺栓9固定。所述活塞杆32安装于上接头主体1下端面孔内并通过第六螺栓6固定。当补偿装置轴向震动，活塞杆32向下运动时，第二缸筒24内下腔室压力增大，阀①开启，下腔室液压油通过阀①小孔流向缸筒上腔室，在此过程中会产生阻力，阻力减小活塞杆32轴向震动。同理当活塞杆9受震动向上运动时，阀②开启液压油通过阀②上的小孔流向缸筒下腔室产生阻力。
所述密封系统包括下接头主体12、密封套筒14、第六密封元件13、上接头主体1、下接头主体端盖3、第五密封元件15、第一缸筒端盖20、柱塞19、第一密封元件21、柱塞下端盖18、柱塞20、第二密封元件17、活塞杆32、第二缸筒端盖30、第三密封元件31、活塞25、第二缸筒24、第四密封元件26。密封套筒14通过第七螺栓4、螺母5与下接头主体12相连接，第六密封元件13安装于密封套筒14并与下接头主体12配合可形成密封，防止环空内的钻井液进入密封套筒14与下接头主体12所形成的密闭腔室内。第五密封元件15安装于下接头主体端盖3并与上接头主体1配合可形成密封，防止钻杆内的钻井液进入上接头主体1与下接头主体12所配合的颈部位置。第一密封元件21安装于第一缸筒端盖20并与柱塞19配合可形成密封，防止缸筒16内的气体泄漏。第二密封元件17安装于柱塞下端盖18并与柱塞20配合可形成密封，防止第一缸筒16内的气体进入柱塞19内造成气体泄漏。第三密封元件31安装于第二缸筒端盖30并与活塞杆32配合可形成密封，防止第二缸筒24内的液压油泄漏。第四密封元件26安装于活塞25并与第二缸筒24配合可形成密封，可隔绝第二缸筒24上下腔室内的液压油。
所述柱塞19为筒型，内部装有弹簧22，弹簧22下端装有柱塞下端盖18，柱塞下端盖18可沿柱塞19轴线上下滑动。
所述下接头主体12其下端外螺纹可与钻杆上接头配合。
所述上接头主体1其上端内螺纹可与钻杆下接头配合。
如图4图5所示：所述的下接头主体12与上接头主体1之间配合传递扭矩，下接头主体12包括下端的外螺纹结构、肩部与颈部，所述的肩部为圆柱形结构，位于圆柱形结构中心位置设置有颈部结构，所述的圆柱形结构环形面上等间距设置有2大孔与8小孔，2大孔位于正对分布，其余小孔均匀分布于环形面。所述上接头主体1上端为与钻杆下接头配合的内螺纹结构，下端内部为肩部结构且其上有凹槽类似内花键，下端外部设置有环状结构。下接头主体12上端面安装有下接头主体端盖3，上接头主体1与下接头主体12可沿轴向产生相对位移，下接头主体12肩部与下接头主体端盖3可沿轴向限制上接头主体1与下接头主体12的最大相对位移，下接头主体12与上接头主体1之间安装有钻压补偿器11和减震器10，钻压补偿器11安装于小孔内部，减震器10安装在大孔内部。
如图1图6所示：所述的密封套筒14为筒形结构，底部外侧为圆环形结构，圆环形结构与上接头主体1的圆环形结构通过第七螺栓4和螺母5相连，第六密封元件13安装于密封套筒14并与下接头主体12配合可形成密封。
本发明工作原理：
水平井钻井钻压补偿装置，钻压补偿器11的第一缸筒16通过第三螺栓8固定于下接头主体12，柱塞端盖23通过第二螺栓7固定于上接头主体1。钻压补偿器11在安装之前第一缸筒16内部已充有一定压力的气体，此时钻压补偿器11处于伸张状态，在钻井过程中由于承受轴向钻压，钻压补偿器11受压处于压缩状态。柱塞19内的弹簧22在钻井过程中始终处于压缩状态，开始时弹簧22对柱塞下端盖18的推力大于第一缸筒16内气体对柱塞下端盖18的推力。当钻头所受钻压小于钻头钻进最优钻压时，钻压补偿器11承受的轴向钻压减小，第一缸筒16内气体膨胀，第一缸筒16推动下接头主体12向下运动，补偿钻头钻压。当钻头所受钻压大于钻头钻进最优钻压时，钻压补偿器11承受轴向钻压增大，第一缸筒16内气体受压，气体压力增大，此时第一缸筒16内气体对柱塞下端盖18的推力大于弹簧22对下端盖18的推力，使柱塞下端盖18沿柱塞19的轴线向上运动，此时第一缸筒16内气体所占体积增大，气体压力减小，第一缸筒16对下接头主体12的推力减小，从而减小钻头钻压。
减震器10的第二缸筒24通过第六螺栓6与下接头主体1相连，减震器活塞杆32通过第二螺栓7与上接头主体1相连，当上接头主体1与下接头主体12产生轴向震动发生相对位移时，第二缸筒24内的上下腔室内的压力发生变化，安装于活塞25上的阀①和阀②28分别打开，第二缸筒24内液压油通过阀①或阀②28上的小孔流向另外一个腔室，在液压油流动过程中会产生阻力，从而缓解上接头主体1与下接头主体12的轴向震动。
上接头主体1的颈部(类似内花键，如图4)与下接头主体12颈部(类似外花键，如图5)配合可传递扭矩，下接头主体12与上接头主体1配合后，下接头主体端盖3装配于下接头主体12上端并通过第一螺栓2连接，可在轴向承受拉力，下接头主体12的颈部相比上接头主体1颈部较长可在轴向产生相对位移。
Claims (10)
1.一种水平井钻井钻压补偿装置，其特征在于，包括下接头主体(12)与上接头主体(1)，所述的下接头主体(12)与上接头主体(1)之间配合传递扭矩，下接头主体(12)包括下端的外螺纹结构、肩部与颈部，所述的肩部为圆柱形结构，位于圆柱形结构中心位置设置有颈部结构，所述的圆柱形结构环形面上等间距设置有2大孔与8小孔，2大孔位于正对分布，其余小孔均匀分布于环形面。所述上接头主体(1)上端为与钻杆下接头配合的内螺纹结构，下端内部为肩部结构，且其上有凹槽类似内花键，下端外部设置有环状结构。下接头主体(12)上端面安装有下接头主体端盖(3)，上接头主体(1)与下接头主体(12)可沿轴向产生相对位移，下接头主体(12)肩部与下接头主体端盖(3)可沿轴向限制上接头主体(1)与下接头主体(12)的最大相对位移，下接头主体(12)与上接头主体(1)之间安装有钻压补偿器(11)和减震器(10)，钻压补偿器(11)安装于小孔内部，减震器(10)安装在大孔内部。
2.根据权利要求1所述的一种水平井钻井钻压补偿装置，其特征在于，所述的下接头主体(12)颈部穿过上接头主体(1)中心，下接头主体(12)颈部与上接头主体(1)颈部配合。
3.根据权利要求1所述的一种水平井钻井钻压补偿装置，其特征在于，所述的下接头主体(12)上端面设置有下接头主体端盖(3)并通过第一螺栓(2)固定，下接头主体端盖(3)用于沿轴向承受拉力。
4.根据权利要求1所述的一种水平井钻井钻压补偿装置，其特征在于，所述的钻压补偿器(11)包括第一缸筒(16)，第一缸筒(16)内部为柱塞(19)，柱塞(19)下部为柱塞下端盖(18)，柱塞下端盖(18)装于弹簧(22)下端，所述弹簧(22)装于柱塞(19)内并处于压缩状态，柱塞(19)上端通过螺纹固定有柱塞上端盖(23)，柱塞上端盖(23)装配于上接头主体(1)的下端面孔内，并通过第二螺栓(7)固定于上接头主体(1)，第一缸筒(16)通过第三螺栓(8)固定于下接头主体(12)，第一缸筒(16)上端为第一缸筒端盖(20)。
5.根据权利要求4所述的一种水平井钻井钻压补偿装置，其特征在于，所述的第一缸筒端盖(20)与柱塞(19)之间设置有第一密封元件(21)，柱塞下端盖(18)与柱塞(20)之间设置有第二密封元件(17)。
6.根据权利要求4所述的一种水平井钻井钻压补偿装置，其特征在于，所述的柱塞19为筒型。
7.根据权利要求1所述的一种水平井钻井钻压补偿装置，其特征在于，所述的减震器(10)包括第二缸筒(24)，第二缸筒(24)内部设置有活塞(25)，活塞(25)安装于活塞杆(32)上，并通过第一螺栓(29)固定，阀(28)安装于活塞(25)上，第二缸筒(24)开口处设置有第二缸筒端盖(30)，第二缸筒端盖(30)上安装有第三密封元件(31)，第二缸筒(24)安装于下接头主体(12)的大孔内并通过第五螺栓(9)固定，所述活塞杆(32)安装于上接头主体(1)上的孔内并通过第六螺栓(6)固定。
8.根据权利要求7所述的一种水平井钻井钻压补偿装置，其特征在于，所述的第二缸筒端盖(30)与活塞杆(32)之间设置有第三密封元件(31)，活塞(25)与第二缸筒(24)之间设置有第四密封元件(26)。
9.根据权利要求1所述的一种水平井钻井钻压补偿装置，其特征在于，所述的下接头主体端盖(3)与上接头主体(1)之间设置有第五密封元件(15)。
10.根据权利要求1所述的一种水平井钻井钻压补偿装置，其特征在于，所述的密封套筒(14)为筒形结构，底部外侧为圆环形结构，圆环形结构与上接头主体(1)的圆环形结构通过第七螺栓(4)和螺母(5)相连，密封元件(13)安装于密封套筒(14)并与下接头主体(12)配合可形成密封。
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