CN110397407B - 一种双台肩导电钻杆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双台肩导电钻杆，涉及定向钻井领域，目的是提高向井下电动机输送电力的可靠性，并利用同一电力通道高速传输各种测井数据在地面和井底之间。双台肩导电钻杆由焊接有双台肩接头的传统钻杆、内管以及置于双台肩接头内部的三根电缆组成，三根电缆分别连接在由弹簧夹紧的导电棒和导电槽上。双台肩接头的设计通过钻杆提供高的扭矩传递；内管设计用于密封钻杆和内管之间的环空，并在环空中铺设三根绝缘芯线；而且，沿着钻杆的长度方向具有相同内径确保实现钻井液的最佳水力性质；在拧紧钻杆时，内置弹簧机构确保了导电装置之间可靠的连续电路；为了确保弹簧夹紧的导电棒和导电槽的精确重合，在接头的主体上形成三个划线标记。
Description
技术领域
本发明涉及导向钻进领域。本发明涉及一种双台肩导电钻杆：在双台肩钻杆的环状空间内设置了三个导电装置，导电装置一端连接电缆线，另一端通过导电槽作为母头与用弹簧夹紧的公头相互配合实现电力传输。这一设计适用于向井下电机传输电力并且运用同一电力通道实现各种随钻测井、录井等旋转导向、地质导向等设备数据的双向高速传输。
背景技术
从现有的技术来看，用于远传技术的有缆钻杆通常被称为“智能钻杆”。有缆钻杆远传技术可以在井底设备和地面设备之间双向实时传输大量的通讯数据。有缆钻杆的数据传输速率可以达到2,000,000比特/秒，相比之下目前广泛运用的泥浆脉冲远传技术的数据传输速率最高仅能达到12比特/秒。电磁远传技术的数据传输速率只有100比特/秒。获得的大量实时数据可以精确评估地层地质导向质量和钻进动态。有缆钻杆远传技术也可以用于欠平衡钻进技术。在欠平衡钻进中，钻井液压力低于地层空隙压力，循环介质主要有:泡沫、充气液体和气体。这些介质不仅改善了储层性质，而且也改善了井的渗透率。这种系统的另一个优点是对堵漏材料的耐受能力好。[Michael J,Jellison,SPE,Grand Prideco,andDavid R.Hall,IntelliServ:Intelligent Drill Pipe Creates the Drilling Network,SPE paper 80454,15-17 April 2003,pgs.1-8].
有缆钻杆远传技术是一种无源通信线路，不需要从井口输送电力。它的数据传输是从一个线圈到另一个线圈，而不是直接的电缆连接。环形线圈对于螺纹接头与螺纹接头之间的数据传输非常理想，不需要对接头进行专门定位处理。因此，通过感应线圈传输数据的非接触特性允许它嵌入特殊设计的型号为“Grant Prideco XT57”的双台肩接头中。双台肩接头在实际操作中需要更高的上紧扭矩，配合光滑的接触面，可以确保良好的“金属与金属”密封。在将接头上紧时，公接头凹槽中安装的感应线圈与母接头中的另一个感应线圈足够靠近。交流电形式的载波信号通过感应线圈转化成变化的电磁场。来自发送侧线圈的电磁场在接受侧感应线圈中激发感应电流。为了减小电磁场的功率损耗，线圈经尽可能彼此靠近。铠装同轴电缆插入一个小口径的高压防护腔内，并且顺着钻杆内壁轴向传输。高压防护腔穿过钻杆管体并将两个感应线圈连接在一起。这个高压防护腔的主要用途是，在钻杆受压、弯曲、旋转时保持电缆的位置并且作为密封件防止钻井液的渗漏[Reeves,M.；Mcpherson,J.；Zaeper,R.and others:High-speed drillstring telemetry networkenables new real-time drilling and measurement technologies,IADC/SPE paper99134,February 21-23,2006,pgs.1-6].
尽管具有以上这些优点，但是有缆钻杆也存在一些问题。所有钻杆必须采用带有感应线圈和铠装同轴电缆的双台肩接头，这导致使用导向钻进的生产成本急剧上升。
有了集成在钻杆中的感应副，通常称为“功率放大副”，有缆钻杆就可以使井底工具之间进行通信成为可能。每个功率放大副设备配置一个锂电池，为电子组件供电60天。
功率放大副沿着钻杆柱每300-600米(1,000-2,000英尺)设置一处，以确保足够的信号强度。锂电池的受使用时间和温度的限制是该系统的另一个缺点。另外，经常遇到的问题是钻杆连接处的感应线圈损坏，增加了起下钻的操作时间。此外，需要经过特殊培训的专业人员来操作感应线圈，保持操作过程中线圈的清洁并且确保钻杆在拆卸后正确放置。实践表明，传输高速数据的有缆钻杆远传技术在钻至层位临界面，因而需要真实垂直深度的高精度水平层钻进中是有用的。[Reeves,M.E.；Payne,L.M.；Ismayilov,A.G.and others:Intelligent drill string field trials demonstrate technology functionality,IADC/SPE paper 92477,February 23-25,2005,pgs.1-12].
文献记载，曾有一种具有电流馈电的钻杆从井口向井底送高压电驱动井下钻头的记录。电流馈电由固定在钻杆中心的分段三芯或两芯电力电缆组成。在使用两芯电缆时，另有一根钢缆被用作第三芯。导电装置在钻杆拧紧时自动地接触连接。接触棒非常紧密地插入接触槽。接触槽的橡胶体紧密地压接电接触棒，确保连接的压力密封，防止钻井液的渗漏并形成稳定的连续电路。此外，电流馈电可用作井口与井下设备的双向数据传输，而不受井深和数据传输速率的限制。同时也可为井下传感器供电。采用电缆连接器方案的电力电缆可实现无阻碍的起下钻操作以及短期或长期的钻柱的旋转。带有电流馈电的钻杆规格有外部镦粗(EU)的直径114.3和139.7毫米(41/2“和51/2”)。钻杆由E级或D级钢制成。
这一设计的缺点包括在存在钻井液的环境中在钻杆内部放置了电缆线。这使得一些钻井操作变得无法实施。例如钻柱内无法进行打捞操作，或者其他的一些在钻柱内的操作；并且它还对钻井液的流动产生额外的阻力。此外，在过高的压力和温度影响下可能会发生断电，断电会导致井下设备的通讯中断[Kalinin,A.G.:Drilling of oil and gaswells,Textbook university-Moscow:CentrLitNefteGas,2008,pp.178-184].
与本案最接近的技术解决方案是放置在环形空间的导电装置和安装在钻杆内部的导电设施。三块铜制的导电装置在内层杆的内径与外径之间的环状空间。此外，设计了一个细小的排空管道以备钻井液渗漏进入导电区域后将钻井液排出。固定好导电装置之后，该环状空间被硫化橡胶填充以增加结构强度。钻杆接头的连接设计基于“Grand PridecoXT-M”
已经完成了两个接头的原型设计并且进行了测试。第一个原型由一个外部台肩和一个短锥头构成。在短锥头上加工出的凹槽可以放置三个导电铜环。在接头的母头上车出三个锥形槽放置三个铜环。然后，将铜导体焊接到这些环上，所有这些导电设备均安装在绝缘体上。为了防止钻井液渗入接触区，设计了四个弹性体密封件以橡胶环的形式提供密封。第二个原型也是用接头的短锥头制成的。在这端的接头里没有橡胶密封而是靠“金属对金属”台肩。第二个原型在公接头和母接头内也类似的安排三个铜环。在两个原型中，拧紧钻杆，铜环彼此连接，形成闭合电路。为了确保压力密封的螺纹连接，并为电触点提供良好的绝缘，管材涂层选用非导电特性的涂料。
第一个设计的接头原型已经在5％盐水循环流体中进行过测试，测试压力为680atm(10,000psi)。结果显示，没有检测到可能影响电接触的泄漏。去除端密封后再次进行过带压测试。测试依然成功，仅仅在实验开始时电压有轻微波动，此外在拆卸接头时，在电接触区发现了个别水滴。
由于双台肩接头的连接是手工上紧，没有能够提供足够的上紧扭矩，因此并没有进行针对第二种接头原型的高压测试。接头中设置的排空管道的优势在低压盐水循环过程中表现出了良好的特性。第二中接头原型还有一个优点，就是因为短锥头的圆柱形部分经过了加厚，因此接头具有较大的内径，可以在将来再次加工螺纹。
尽管实验结果良好，但原型并未找到其商业应用点。此外，由于导电环不可能产生稳定夹紧力，会发生显著的电压损失[Paul Lurie,BP Exploration；Philip Head,XLTechnology Ltd.；Jackie E.Smith,Weatherford:Smart drilling with ElectricDrillstring,SPE/IADC 79886,19-21 February 2003,pgs.1-13].
发明内容
本发明的目的是通过内管和外管之间的电缆及接头上环形空间内设置的三个导电装置不间断的将高压电传输到井底马达，并使用相同的通道提供可靠的随钻测量井底工具的高速通信。导电装置公接头一端是由内置弹簧夹紧的V型导电棒，母接头中采用导电导电槽，他们在双台肩接头中外管接头的环形空间内按间隔120°规则排列。接头与接头采用“金属对金属”密封。
本发明的另一个目的是提供一种带接头的导电钻杆，并为这一系列钻杆提供整体尺寸标准。同时这种钻杆可以更好地应对钻井液最大压力下对钻进荷载的抗形变能力。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
该装置由传统钻杆、焊接的双台肩接头、带锥形套筒的内管，三根电缆以及与三根电缆对应的由弹簧夹紧的导电棒和导电槽组成，导电棒和导电槽分别与电缆的缆芯相连接。在定向深孔钻进中，“金属与金属”密封双台肩接头的设计，确保通过钻杆传递高扭矩并持续旋转。内管利用其端部的短锥头和顶部的锥形套筒来密封环形空间。在绝缘保护下的的三个铜导电装置铺设在钻杆和内管之间的环形空间中。为了上紧和增加内管的强度，钻杆和内管之间的环形空间用电绝缘和隔热化合物封装。化合物通过硬化形成坚固的金属-塑料结构。为了确保向电动机提供可靠地供电，三个弹簧夹紧的导电棒及对应的导电槽分别安装在在公接头外部密封端和母接头末端处以120度的角度规则放置。弹簧夹紧的导电棒和导电槽在钻杆内部使用电缆芯彼此连接形成通路。在拧紧接头的同时，弹簧夹紧的导电棒沿着母接头突出的密封面滑动，直到达到所需的扭矩。为了确保弹簧夹紧的导电棒和导电槽的准确接触，在接头的主体外侧设计了三个划槽作为标记。
通过安装有导电装置的接头端部的“金属对金属”台肩连接来实现钻杆之间的连接与密封，从而实现该技术效果。由于双台肩接头的设计，可以实现较大的上紧扭矩，产生可靠的导电效果，用于向井下马达输送电力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在图1中，展示的是双台肩导电钻杆的纵向剖面图。
在图2中，展示的是带有导电装置的双台肩接头的纵向剖面图。
在图3中，展示的是双台肩导电钻杆的横向截面图。
在图4中，展示的是双台肩接头公接头的前视图。
在图5中，展示的是双台肩接头母接头的前视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
图1展示了双层导电钻杆，其包括：钻杆本体1，焊接的双台肩接头中的公接头2，双台肩接头中的母接头3，内管4，三根电缆5，三根电缆5分别连接到弹簧夹紧导电棒6和导电槽7。内管4的下端有短锥头8，上端有相对应的密封台肩9和锥形套筒10。短锥头8紧密地插入锥形套筒10中形成密封的环状空间。为了防止钻杆内的轴向运动，内管4的短锥头8顶部台肩随着钻杆本体1被拧紧，与轴套中的密封台肩9压紧而固定。
三个弹簧夹紧的导电棒6互相间隔120度放置在公接头2端部的外部台肩处。另一方面，在母接头3的外部台肩处设置凹槽，用来安装三个导电槽7。导电元器件之间有绝缘体相互隔绝。此外，沿着接头的轴向方向以小的倾斜角钻出三个孔，每根电缆5分别从孔中穿过，自由地放置在钻杆本体1和内管4之间的腔体中。
图2展示了带有导电装置的双台肩接头。在拧紧钻杆本体1的同时，导电装置自动连接并且不需要特殊的定向设备。在导电槽7的一面焊接了一根电缆5的缆芯，在导电槽7的另一面，是一个弧形表面，弹簧夹紧的导电棒6可以在面上顺畅地往复运动，时刻保证稳定连接，从而保证提供持续稳定的电流。为了使导电棒6保持永久连接，使用弹簧机构11持续地向外推动导电棒6使之保持与弧形表面的接触。每个导电器件均由高强度铜合金制成，例如金属陶瓷，使接头在经过频繁的紧卸扣时依然能保持较长的寿命。然而铜和铜接触的地方会产生氧化膜，长时间通电会导致导电槽7的导电性能减弱。为了防止这种情况出现，在导电元器件上增加一层防腐涂层，例如锡铋合金。插入件12被用来保证钻杆主体中的电器元件之间的绝缘性能。它们由非导电硅树脂材料或其他材料制成。此外，为了密封螺纹连接并提供导电装置的良好绝缘，应采用非导电的管道涂料。
在图3中，展示的是导电钻杆的横截面图。电缆5的三根铜芯以相隔120度的角度放置在钻杆本体1和内管4之间的壁龛中。电缆芯直径的选择直接取决于电动机的电流消耗。通常，使用横截面积为16mm2和25mm2的铜芯，其满足现代永磁电动机(PMM)的性能特征。电缆5的绝缘层13由高密度聚乙烯制成，并覆盖有额外的热塑性弹性体护套，可承受高达160℃的高温。为保护电缆5，并且将内管4固定在钻杆本体1内，钻杆本体1和内管4之间的环空间隙由电绝缘化合物14填充，形成固化的强金属-塑料结构。
图4和图5展示的是双台肩接头的公接头2和母接头3的端部。三个V形弹簧夹紧导电棒6彼此成120度角放置。内部弹簧的存在确保其沿轴向自由移动。接头的母接头3端部配有三个带有V形凹槽的导电槽7。当钻杆本体1被拧紧时，弹簧夹紧的导电棒6沿导电槽7的V形表面滑动，形成持续电流。为确保导电装置彼此匹配，在接头的主体上制作三个划线标记15(参见图1)。当划线标记15重合时，就可以保证稳定的电路。然而，应该注意的是，钻杆本体1的允许扭矩值不应该超过螺纹连接的紧固扭矩值。否则，如果旋转扭矩和高摩擦系数较高，这被称为“额外螺纹扭矩”，则意味着产生额外的上紧扭矩。为了避免这种情况，导电槽7沿着圆周设置了较长的备用区域，为弹簧夹紧的导电棒6的滑动提供足够的余量。即使“额外螺纹扭矩”由于某种原因发生，但它也没有大的影响，并且位于导电区域的范围内。
前面的详细描述和附图是说明性的,并且展示了本发明的一些优选实施例。应该清楚的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在宽范围内执行对上述装置的修改和改变。
双台肩接头的设计提供了一个额外的内部台肩。在进行连接时，首先，主要的外部台肩开始接触并密封，然后，使用铁钻工进一步上紧，内部台肩接着接触并密封。因此，由于台肩的额外接触面积，可以通过钻柱传递大扭矩。这种类型的接头允许承受的扭矩，比标准钻杆接头的扭矩(带有一个台肩)高出30％，根据直径不同略有不同。该螺纹轮廓与不同类型的钻孔工具兼容。
此外，双台肩导电钻杆设计由于沿钻杆本体1的内管4的直径不变，工具可以畅通无阻地进入钻杆本体内部进行打捞作业或下入缆索工具，这也有利于减少泥浆出现湍流现象。
生产实施的先决条件：“双层导电钻杆”的发明原型在实验室内的加工与测试是与中国地质大学(北京)及骄阳山水(江苏)油气工程技术有限公司以国际合作的形式进行的。先导实验测试将取决于实验室内测试的数据情况。
但是，减少钻杆内径显著增加了钻柱中钻井液的压力损失。因此，常规使用的直径为88.9和127.0mm(3“x 5”)的钻杆应更换为直径更大的114.3和139.7mm(4“x51/2”)钻杆，钻杆两端的接头内部-外部直径均加粗(IEU)。较大的钻杆外径也有助于减少钻柱上的扭转力和轴向载荷，并且通增加钻杆的重量来提高渗透率。
屈服值为931MPa(9310bar)及以上的G105和S135级钻杆用于在复杂的地质条件下钻井水平井，可以增大每米倾角。此外，为了制造双台肩导电钻杆，还规定了额外的要求。例如，在内管4上涂上保护层，在接头上做耐磨环，并对细长接头进行焊接。
在下井(RIH)之前，应在钻井现场采取以下预防措施。在钻杆架上要对双台肩导电钻杆进行预防性检查。必须要检查弹簧夹紧的导电棒6的功能、导电槽7表面的状态和钻杆绝缘电阻都要满足要求。钻进中不允许使用有缺陷的钻杆。在起下钻过程中，电气元件必须用水彻底清洗并用绝缘涂料润滑，检查绝缘电阻。电气元件的污染可能导致电绝缘电阻的降低。在电阻急剧下降的情况下，钻井操作会被迫停止。所以不能使用绝缘电阻低的钻杆。如果钻杆卸扣后，电阻阻值急剧上升，则在刚刚卸扣的管子中出现了接触不良的地方。含有损坏电气元件的钻杆从钻井台上移除。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种双台肩导电钻杆，其特征在于，双台肩导电钻杆由焊接双台肩接头的传统钻杆、具有用来实现密封环形空间功能的带锥形套筒的内管、在封闭的环形空间内设置的三根电缆以及分别安装在双台肩接头的外侧并与电缆的缆芯连接的由弹簧夹紧的导电棒和导电槽组成，该双台肩导电钻杆通过“金属对金属”的方式密封；
所述导电棒内设置有弹簧机构，使得所述导电棒紧靠在所述导电槽上，提供稳定的电路；
所述导电槽和所述导电棒设置有V型结构，从而提供了更大的接触面积从而提供更稳定的电流；
用于放置弹簧夹紧的所述导电棒和所述导电槽的外部台肩是采用标准钻杆焊接单台肩或双台肩接头而成；
在用所需扭矩拧紧接头的同时，形成了“金属对金属”密封，其不需要采用弹体密封件；
三根电缆的截面为圆形，放置所述电缆的腔体与钻井液完全隔绝开来；在放置三根所述电缆的腔体的外壁与钻杆内管壁形成的环形空间内，其中充满了绝缘且隔热的化合物，化合物硬化后形成坚固的金属－塑料结构。
2.根据权利要求1所述的双台肩导电钻杆，其特征在于，采用的三根电缆不仅作为电力传输通道，而且作为双向数据高速传输通道，将井底传感器和钻头的数据与井口通讯。
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