CN112943097A - 一种高柔性井底自供电随钻系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高柔性井底自供电随钻系统，涉及钻探技术领域，其包括铰接短节串列，所述铰接短节串列输出端固定连接有铰接短节串列输出端附近的近井底用电器。该高柔性井底自供电随钻系统，通过铰接短节串列实现短半径钻柱旋转条件下的定向钻井，尤其是采用跨接输电线实现近井底用电器与涡轮发电机之间的电能输送，进而使该系统在针对短或者极短半径钻井、测井或地层测试过程中解决了近井底处的用电器无法有效获得电力的问题，从而推动短或者超短半径钻井、测井或地层测试技术的发展。
Description
技术领域
本发明涉及钻探技术领域，具体为一种高柔性井底自供电随钻系统。
背景技术
在现有的钻探技术领域，能够在可控轨迹条件下完成的井眼的造斜率一般不超过15°/30米，一般的旋转导向造斜能力在6°/30米左右，目前国际最先进的斯伦贝谢公司的最短半径定向导向仅能达到15°/30米，在小井眼中最也不超过18°/30米，而现今所说的极短半径是指曲率半径小于10米的范围，极短半径钻井是指钻探曲率半径小于10米的井段或通过曲率半径小于10米的井段继续钻探，但是在短或者超短半径钻井领域中，由于无法为近井底处的钻井、测井或地层测试设备中的用电器提供电力，进而大大限制了短或者超短半径钻井、测井或地层测试技术的发展，因此提出了一种高柔性井底自供电随钻系统来解决这个问题。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高柔性井底自供电随钻系统，解决了现今在短或者超短半径钻井领域中由于无法为近井底处的钻井、测井或地层测试设备中的用电器提供电力进而大大限制了短或者超短半径钻井、测井或地层测试技术发展的问题。
（二）技术方案
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种高柔性井底自供电随钻系统，包括铰接短节串列、涡轮发电机，所述涡轮发电机设置于铰接短节串列中靠近下部的任意位置，所述近井底用电器设置于铰接短节串列的下端或靠近下部的任意位置， 所述近井底用电器电力输入端通过跨接输电线经变电模块与涡轮发电机电力输出端电连接或直接通过跨接输电线与涡轮发电机电连接，所述涡轮发电机上方设置的铰接短节串列沿其轴线方向设置有贯通结构。
优选的，所述涡轮发电机内部包含转子、定子和发电机，所述定子包含铁心和线圈，所述转子包含一对磁钢，所述涡轮设置于转子外侧。
优选的，所述变电模块包括整流电路以及稳压电路，所述整流电路输入端电连接有涡轮发电机输出端，所述整流电路输出端电连接有稳压电路输入端，所述稳压电路输出端电连接有近井底用电器的输入端。
优选的，各个所述铰接短节串列之间的短节最大限位角度范围为2°-10°，所述铰接短节串列的长度大于9米，所述铰接短节串列的长度大于短或极短半径分支井段及其延伸井段的长度。
优选的，所述铰接短节串列包括多个相互传动连接铰接短节，扭矩传递销、扭矩传递槽、关节和密封件，且密封件设置在铰接短节串列的偏转缝隙行程中，且密封件为密封环/贯通承压管/波纹密封管。
优选的，所述解码电路和设于井下的流速传感器组成下行指令解算模块，所述解码电路通过跨接输电线电连接有近井底用电器，且井下流速传感器为涡轮发电机转速计数装置，且下行指令解算模块根据所述涡轮发电机的转速识别下行指令。
优选的，所述铰接短节串列中任一铰接短节内设置有电容模块，且电容模块内设置有电容短节，且电容短节可临时存储涡轮发电机发出的电能。
优选的，所述铰接短节串列的相邻铰接短节之间的预设偏转极限角度不大于10°，所述高通过性导向短节的长度不超过所述铰接短节平均直径的5倍，所述铰接短节串列中各个铰接短节的偏转中心之间的最小距离不超过铰接短节平均直径的8倍。
优选的，所述解码电路邻近设置有信号调制电路和信号解调电路，且信号解调电路还邻近近井底用电器设置，且信号调制电路能将信号叠加至跨接输电线，且信号解调电路能从跨接输电线中拾取叠加至跨接输电线中的调制分量。
优选的，所述涡轮上方设置有导轮，且导轮与铰接短节外壳固定连接，所述贯通结构还包括导向控制模块
（三）有益效果
本发明的有益效果在于：
1、该高柔性井底自供电随钻系统，通过铰接短节串列实现短半径钻柱旋转条件下的定向钻井，尤其是通过紧凑设计的涡轮发电机在最小空间内实现井下发电，并经铰接短节跨接输电线实现近井底用电器与涡轮发电机发电机之间的电能输送，实现了铰接铰接短节串列的相关各个铰接短节中的电气装置供电的难题；进一步的通过设置于其他短节中的稳压电路有效解决对超短半径分支井及短半径分支井进行可控轨迹钻探期间的输变电问题，同时通过经铰接短节跨接输电线，有效分散了各个铰接短节的功能，使任何一个铰接短节内部只具备系统的单一功能，达到了大幅度缩减任意短节长度及体积的目的，提高铰接短节串列的动力传输稳定性和跨接输电线安全性，便于仪器适应更高曲率的井眼，并完成短半径井眼的造斜任务，并且通过由限制转动偏转角度的铰接短节形成的串列实现短半径井段中的钻压扭矩传递和轴线上进行的用于旋转钻井的动力传递，实现了局部的短半径井眼钻探，上述技术内容形成的短半径定向钻井技术对多层的油气田开发、薄层的开发、剩余油挖潜、煤层气开发以及其他种类矿物的开发具有工程可行性和实用价值，而且还可通过偏转指导向装置的推动下其轴线本身产生弯曲或偏离原来的轴线位置，同时该系统在针对短或者极短半径钻井、测井或地层测试过程中解决了近井底处的用电器无法有效获得电力的问题，从而解决了现今在短或者超短半径钻井领域中由于无法为近井底处的钻井、测井或地层测试设备中的用电器提供电力进而大大限制了短或者超短半径钻井、测井或地层测试技术发展的问题。
2、该高柔性井底自供电随钻系统，通过在近井底采用泥浆动力实现发电，直接在近井底用电器供电，无需在整串铰接短节串列中穿设电缆，进而方便在短半径井眼中使用，此外，当近井底用电器为易造斜定向钻井工具时，铰接短节串列在定向钻井过程中大体上是旋转的，因此摩擦力的主要力的分量为万向节串列的圆周切线方向，进而大幅度降低了轴向的摩擦力，并且通过井底定向钻井工具供应电力，使得超短半径井眼中的轨迹控制得以实现，进而进一步提高了该装置的功能实用性
3、该高柔性井底自供电随钻系统，通过将涡轮发电机、涡轮发电机发电机定子、涡轮发电机发电机转子设计为一体，大幅度缩短了井下涡轮发电机发电机的长度，并且巧妙地将其设置于近井底的铰接短节中，大幅度降低了工具遇卡的可能，而且通过铰接短节串列的相邻铰接短节之间的极限偏转角不大于8°，以防止铰接短节串列中的铰接短节在传递力的过程中过度屈曲，进而妨碍钻压扭矩传递，以及防止损害跨接输电线；钻头至铰接短节串列的输出端转动中心的距离不超过铰接短节平均直径的10倍，并且该系统装置可以缩短每一节铰接短节的长度，即缩短两个偏转点之间的距离，就可以缩小每一个偏转点的偏转极限，进而以达到保护铰接短节不受到损害并减小井下振动的作用，尤其是保护铰接短节中用于传递旋转钻井动力的万向节不受到损害，从而进一步提高了该装置的功能实用性。
附图说明
图1为本发明高柔性井底自供电随钻系统及方法的示意图；
图2为本发明高柔性井底自供电随钻系统的轴向截面结构示意图；
图3为本发明涡轮发电机外观示意图；
图4为本发明涡轮发电机剖面示意图。
图中：1涡轮发电机、1-1涡轮、1-2定子、1-3转子、2铰接短节串列、2-1扭矩传递销、2-2扭矩传递槽、2-3关节、3变电模块、3-1整流电路、3-2稳压电路、4贯通结构、41/411导向控制模块、42接力通讯装置、7跨接输电线、8高通过性导向短节、9近井底用电器、11解码电路、A主井眼、B极短半径分支井眼。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示，本发明提供一种技术方案：一种高柔性井底自供电随钻系统，包括铰接短节串列2、涡轮发电机1，涡轮发电机1设置于铰接短节串列2中靠近下部的任意位置，近井底用电器9设置于铰接短节串列2的下端或靠近下部的任意位置， 近井底用电器9电力输入端通过跨接输电线7经变电模块3与涡轮发电机1电力输出端电连接或直接通过跨接输电线7与涡轮发电机1电连接，涡轮发电机1上方的铰接短节串列2沿其轴线方向设置有贯通结构4，需要说明的是，铰接短节可以采用万向节实现铰接或采用球头球座的组合实现铰接，涡轮发电机1的具体设置方法为，涡轮发电机1设置于任意铰接短节的壳体内部。“输入端”、“输出端”为电力输入端口、电力输出端口，其具体结构形式为电连接焊接节点或电器插接件或任意同等替代功能的端口。变电模块3通过整流的方式将涡轮发电机1发出的电能变换为近井底用电器9的需要的形式，铰接短节串列中的贯通结构4用于流通井下工作液，可驱动井下涡轮发电机1旋转。
涡轮发电机1内部包含转子1-3、定子1-2和涡轮1-1，定子1-2包含铁心和线圈，转子1-3套设于定子1-2外侧，转子1-3至少包含一对磁钢，涡轮1-1设置于转子1-3外侧。
变电模块3包括整流电路3-1以及稳压电路3-2，整流电路3-1输入端电连接有涡轮发电机1输出端，整流电路3-1输出端电连接有稳压电路3-2输入端，稳压电路3-2输出端电连接有近井底用电器9的输入端。
各个铰接短节串列2之间的短节最大限位角度范围在2°-10°，铰接短节串列2的长度大于9米，铰接短节串列2的长度大于短或极短半径分支井段及其延伸井段的长度。
铰接短节串列2包括多个相互传动连接铰接短节，扭矩传递销2-1、扭矩传递槽2-2、关节2-3和密封件，且密封件设置在铰接短节串列2的偏转缝隙行程中，且密封件为密封环/贯通承压管/波纹密封管。
解码电路11和设于井下的流速传感器组成下行指令解算模块，解码电路11通过跨接输电线7电连接有近井底用电器9，且井下流速传感器为涡轮发电机1转速计数装置，且下行指令解算模块根据涡轮发电机1的转速识别下行指令，需要说明的是，流速传感器为发电机定子1-2，转自中的磁体周期性切割发电机定子1-2几个产生脉冲信号，该脉冲信号即可用于判断涡轮发电机1的转速，进一步的获知排量信息，井口处的控制端通过泄流的方式或增大流量的方式改变排量，用于实现下行信息的发送，容置解码电路11的铰接短节内部穿设有插接线，用于实现容置解码电路11与跨接输电线7的连通，或者解码电路11可通过通讯线路与近井底用电器9电连接，用于实现解码电路11与近井底用电器9之间的通讯。
铰接短节串列2中任一铰接短节内设置有电容模块，且电容模块内设置有电容短节，且电容短节可临时存储涡轮发电机1发出的电能，需要说明的是，电容模块可以大幅度拓展井底自供电随钻系统的性能，使井底自供电随钻系统可以为需要强大瞬时功率的近井底电气装置供应能量。
铰接短节串列2的相邻铰接短节之间的预设偏转极限角度不大于10°，高通过性导向短节8的长度不超过铰接短节平均直径的5倍，铰接短节串列2中各个铰接短节的偏转中心之间的最小距离不超过铰接短节平均直径的8倍。
解码电路11邻近设置有信号调制电路和信号解调电路，且信号解调电路还邻近近井底用电器9设置，且信号调制电路能将信号叠加至跨接输电线7，且信号解调电路能从跨接输电线7中拾取叠加至跨接输电线7中的调制分量，需要说明的是，解码电路11通过跨接输电线7采用总线通讯的方法与近井底用电器9实现通讯，且编码方式包括间隔码、FSK码、曼彻斯特码、密勒码中的任意一种或组合，且接收信息时使用对应编码的解码方法实现解码。
涡轮1-1上方设置有导轮，且导轮与铰接短节外壳固定连接，贯通结构4还包括导向控制模块41/411。
本发明的操作步骤为：
在使用该系统到裸眼井中时，该高柔性井底自供电随钻系统可以自行实现侧钻并完成短半径分支井钻井作业，在套管井中，另外需要锚定导引装置的配合，锚定导引装置包括锚定器和导引器，锚定器通过卡瓦卡住主井眼A中的套管内壁，将导引器斜面朝向特定方向固定，进一步的通过开窗钻头在套管管壁上完成开窗作业，进一步的下入高柔性井底自供电随钻系统，实现极短半径分支井眼B的侧钻，而且通过涡轮发电机1、涡轮1-1、定子1-2、转子1-3、铰接短节串列2、扭矩传递销2-1、扭矩传递槽2-2、关节2-3、变电模块3、整流电路3-1、稳压电路3-2、贯通结构4、导向控制模块41/411、接力通讯装置42、短节跨接输电线7、跨接输电线7、高通过性导向短节8、近井底用电器9来保证控制的情况下进行供电来完成短半径分支井钻井作业，进而使得该系统能够解决针对短或者极短半径钻井、测井或地层测试过程中解决了近井底处的用电器无法有效获得电力的问题。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高柔性井底自供电随钻系统，其特征在于：包括铰接短节串列（2）、涡轮发电机（1），所述涡轮发电机（1）设置于铰接短节串列（2）中靠近下部的任意位置，所述近井底用电器（9）设置于铰接短节串列（2）的下端或靠近下部的任意位置， 所述近井底用电器（9）电力输入端通过跨接输电线（7）经变电模块（3）与涡轮发电机（1）电力输出端电连接或直接通过跨接输电线（7）与涡轮发电机（1）电连接，所述涡轮发电机（1）上方设置的铰接短节串列（2）沿其轴线方向设置有贯通结构（4）。
2.根据权利要求1所述的一种高柔性井底自供电随钻系统，其特征在于：所述涡轮发电机（1）内部包含转子（1-3）、定子（1-2）和涡轮（1-1），所述定子（1-2）包含铁心和线圈，所述转子（1-3）套设于定子（1-2）外侧，所述转子（1-3）包含至少一对磁钢，所述涡轮（1-1）设置于转子（1-3）外侧。
3.根据权利要求1所述的一种高柔性井底自供电随钻系统，其特征在于：所述变电模块（3）包括整流电路（3-1）以及稳压电路（3-2），所述整流电路（3-1）输入端电连接有涡轮发电机（1）输出端，所述整流电路（3-1）输出端电连接有稳压电路（3-2）输入端，所述稳压电路（3-2）输出端电连接有近井底用电器（9）的输入端。
4.根据权利要求1所述的一种高柔性井底自供电随钻系统，其特征在于：各个所述铰接短节串列（2）之间的短节最大限位角度范围为2°-10°，所述铰接短节串列（2）的长度大于9米，所述铰接短节串列（2）的长度大于短或极短半径分支井段及其延伸井段的长度。
5.根据权利要求1所述的一种高柔性井底自供电随钻系统，其特征在于：所述铰接短节串列（2）包括多个相互传动连接铰接短节，扭矩传递销（2-1）、扭矩传递槽（2-2）、关节（2-3）和密封件，且密封件设置在铰接短节串列（2）的偏转缝隙行程中，且密封件为密封环/贯通承压管/波纹密封管。
6.根据权利要求1所述的一种高柔性井底自供电随钻系统，其特征在于：所述解码电路（11）和设于井下的流速传感器组成下行指令解算模块，所述解码电路（11）通过跨接输电线（7）电连接有近井底用电器（9），且井下流速传感器为涡轮发电机（1）转速计数装置，且下行指令解算模块根据所述涡轮发电机（1）的转速识别下行指令。
7.根据权利要求1所述的一种高柔性井底自供电随钻系统，其特征在于：所述铰接短节串列（2）中任一铰接短节内设置有电容模块，且电容模块内设置有电容短节，且电容短节可临时存储涡轮发电机（1）发出的电能。
8.根据权利要求1所述的一种高柔性井底自供电随钻系统，其特征在于：所述铰接短节串列（2）的相邻铰接短节之间的预设偏转极限角度不大于10°，所述高通过性导向短节（8）的长度不超过所述铰接短节平均直径的5倍，所述铰接短节串列（2）中各个铰接短节的偏转中心之间的最小距离不超过铰接短节平均直径的8倍。
9.根据权利要求6所述的一种高柔性井底自供电随钻系统，其特征在于：所述解码电路（11）邻近设置有信号调制电路和信号解调电路，且信号解调电路还邻近近井底用电器（9）设置，且信号调制电路能将信号叠加至跨接输电线（7），且信号解调电路能从跨接输电线（7）中拾取叠加至跨接输电线（7）中的调制分量。
10.根据权利要求2所述的一种高柔性井底自供电随钻系统，其特征在于：所述涡轮（1-1）上方设置有导轮，且导轮与铰接短节外壳固定连接，所述贯通结构（4）还包括导向控制模块（41/411）。
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