CN113047768A - 一种井下减阻爬行系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种井下减阻爬行系统，利用管柱的结构弹性和自重产生的径向推力来实现管柱的减阻推拉功能，包括管柱、减阻爬行工具、弯接头、偏心稳定器。其中减阻爬行工具包括动力系统、减速器、上轴承组、钻井液流道、上旋转密封组、蜗轮、蜗杆、下旋转密封组、下轴承组、外壳。动力系统采用涡轮、螺杆或液压马达的形式，配合减速器，可充分利用液力工具的水力特性来匹配钻进速度。减阻爬行工具的结构简单、紧凑，整机长度小，可多机串联来实现分布式减阻爬行，提高水平井、大位移井的水平延伸极限。
Description
技术领域
本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种定向井、水平井、大位移井钻井中井下减阻爬行系统。
背景技术
随着水平井水平段长度的增加，工具送进、钻压施加愈加困难，因此，具有牵引、送进功能的井下牵引器逐渐发展起来。井下牵引器按行走方式可分为滚轮式、伸缩式和履带式三种。其中，滚轮式牵引器采用轮系传动或液压传动，受径向尺寸的限制，单机推拉力小，若用于钻井还需为钻井液提供通道，因此尺寸更受限制，而且难以与多变的钻进速度匹配。因此，滚轮式牵引器主要用于水平井测井仪器、作业管柱的送进。伸缩式牵引器采用丝杠螺母或液压缸等方式实现往复运动，其中，电动伸缩式由于径向尺寸的限制推拉力有限，也存在钻井液通道设置、线缆铺设以及匹配钻速的问题；而液动伸缩式可以提供很大的推拉力，易于匹配钻进速度，但是需要复杂的液压系统和控制逻辑来实现径向推靠、轴向推/拉的轮换。牵引器的推拉力来自于推靠臂或驱动轮与井壁的轴向接触反力，推拉力越大所需的径向压力越大。根据径向压力的来源，可以将牵引器分为主动推靠式牵引器和被动推靠式牵引器。目前，几乎所有的牵引器都采用主动式推靠机构来提高牵引力，因此，都包含径向推靠机构和轴向推拉机构两部分，结构十分复杂。复杂的结构导致牵引器的设计向单机、大推拉力方向发展，设计、实现过程中存在诸多问题。
为此，本发明提出了一种被动推靠式井下减阻爬行系统，利用管柱的结构弹性和自重产生的径向推力来实现管柱的减阻推拉功能。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种利用管柱的结构弹性和自重产生的径向推力来实现管柱的减阻推拉功能的井下减阻爬行系统。
为实现上述目的，本发明采用下述方案：
一种减阻爬行系统，包括：管柱、减阻爬行工具、弯接头、偏心稳定器。这些组件中除管柱、减阻爬行工具是减阻爬行系统中的必需组件外，弯接头和偏心稳定器可以根据需要选配。
优选的，减阻爬行工具包括：动力系统、减速器、上轴承组、钻井液流道、上旋转密封组、蜗轮、蜗杆、下旋转密封组、下轴承组、外壳。
动力系统可由螺杆、液压马达、涡轮或井下电机提供旋转动力，其中，螺杆、液压马达由钻井液的压能驱动，涡轮由钻井液的动能驱动，井下电机由井下供电系统提供能量。由于钻进速度很慢，因此动力系统所需的功率很小，大概在几瓦到几十瓦的量级。而且，实际钻进过程中钻进速度时快时慢，为此，减阻爬行工具在动力系统与蜗轮之间安装有减速器，利用减速器和动力系统的水力特性来匹配钻进速度：当钻速高时，动力系统转速快、扭矩低；当钻速很低时，动力系统阻转，输出扭矩较大。
减阻爬行工具选用蜗轮蜗杆传动，将动力系统绕钻柱轴线的转动变为蜗轮绕垂直于钻柱轴线的转动。蜗轮既是传动件又是爬行轮，它直接与井壁接触实现推拉功能。蜗杆可以与钻具外壳同轴，也可适当偏心来提高系统的输出力。
上轴承组安装在蜗杆上靠近减速器的一端，由径向轴承、隔环和推力轴承组成，既可扶正，又可承担蜗杆的轴向推力。下轴承组安装在蜗杆的尾端，也由径向轴承、隔环和推力轴承组成，起扶正和承担轴向推力的作用。
上旋转密封组安装在上轴承组和蜗杆螺纹之间，用于防止钻柱内钻井液在蜗杆旋转时泄露到环空中。下旋转密封组安装在蜗杆尾端螺纹与下轴承组之间，也是用于封隔钻柱内外钻井液，当蜗杆尾端不与钻柱内钻井液相通时，可以不用安装下旋转密封。
外壳外表面加工有轴向流道，为环空中钻井液流动和钻屑的运移提供通道。外壳内部打孔为钻井液提供通道，可实现较大通流面积。
工作时，减阻爬行工具的驱动轮在钻柱结构弹性与自重的作用下紧靠井壁，由蜗轮蜗杆驱动，给钻柱提供一个向前的牵拉力，也可给钻头提供钻压。设计中蜗杆导程角大于自锁角，因此，蜗轮蜗杆可反行程传动来满足起、下钻作业的要求。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：(1)利用管柱的结构弹性和自重产生的径向推力来实现管柱的减阻推拉功能，避免使用额外的径向推靠机构来产生径向推力，简化了减阻爬行工具的复杂度、提高了系统的可靠性；(2)采用涡轮、螺杆或液压马达作为动力系统，配合减速器，可充分利用液力工具的水力特性来匹配钻进速度；(3)结构简单、紧凑，整机长度小，可多机串联来实现分布式减阻爬行，提高水平井、大位移井的水平延伸极限。
附图说明
图1为本发明的系统组成图。
图2为本发明中减阻爬行工具的三维剖视图。
图3为本发明中减阻爬行工具的纵向剖视图。
图4为本发明中减阻爬行工具的爆炸视图。
图5为本发明中一端旋转密封减阻爬行工具的纵向剖视图。
图6为本发明中磁性联轴减阻爬行工具的纵向剖视图。
图7为本发明的一种利用管柱重力的具体实施方式。
图8为本发明的一种弯壳体与减阻爬行工具组合使用的具体实施方式。
图9为本发明的一种偏心稳定器与减阻爬行工具组合使用的具体实施方式。
图10为本发明的多个减阻爬行器组合使用的具体实施方式。
图中：
100-钻头、101-减阻爬行工具、102-弯壳体、103-动力钻具、104-偏心稳定器、105-管柱、106-井壁。
1-动力系统、2-减速器、3-上轴承组、4-上旋转密封、5-钻井液通道、6-蜗杆、7-蜗轮组、8-下旋转密封、9-下轴承组、10-外壳。
31-上轴承压套、32-上轴承螺钉、33-上径向轴承、34-上轴承隔环、35-上推力轴承、701-蜗轮1、702-蜗轮2、703-蜗轮3、704-蜗轮4、711-蜗轮轴承1、712-蜗轮轴承2、713-蜗轮轴承3、714-蜗轮轴承4、721-蜗轮轴1、722-蜗轮轴2、723-蜗轮轴3、724-蜗轮轴4、731-蜗轮轴固定螺钉1、732-蜗轮轴固定螺钉2、91-下轴承压套、92-下轴承螺钉、93-下径向轴承、94-下轴承隔环、95-下推力轴承、111-上磁力耦合器、112-下磁力耦合器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种井下减阻爬行系统，包括钻头100、减阻爬行工具101、弯壳体102、动力钻具103、偏心稳定器104，管柱105。井下减阻爬行系统中，减阻爬行工具101和管柱105为必选部分，其它部分根据需要选配。
图2、3、4为所述的减阻爬行工具101的第一种具体实施方式，包括动力系统1、减速器2、上轴承组3、上旋转密封4、钻井液通道5、蜗杆6、蜗轮组7、下旋转密封8、下轴承组9、外壳10。其中，动力系统1为减阻爬行工具提供旋转动力；减速器2与动力系统1下端输出轴相联，将动力系统1的转速降到合适范围；蜗杆6的上端与减速器2下端输出轴相联，与蜗轮组7组成传动副，将动力系统1绕管柱轴线的旋转变为垂直于管柱轴线的旋转。蜗杆6上部光轴安装有上轴承组3，包括：上轴承压套31、上轴承螺钉32、上径向轴承33、上轴承隔环34、上推力轴承35；其中上推力轴承35、上轴承隔环34和上径向轴承33依次套在蜗杆6上部光轴上，然后塞入外壳10的中心孔内，最后由上轴承压套31通过上轴承螺钉32压紧在外壳10中。上轴承组3可以承受蜗杆6的径向力和向上的轴向推力。蜗杆6上部光轴安装有上旋转密封4，位于上轴承组3与蜗杆6的螺旋齿之间，起封隔管柱内外钻井液的作用。蜗杆6下部光轴安装有下轴承组9，包括：下轴承压套91、下轴承螺钉92、下径向轴承93、下轴承隔环94、下推力轴承95；其中下推力轴承95、下轴承隔环94和下径向轴承93依次套在蜗杆6下部光轴上，然后塞入外壳10的中心孔下部，最后由下轴承压套91通过下轴承螺钉92压紧在外壳10中。下轴承组9可以承受蜗杆6的径向力和向下的轴向推力。蜗杆6下部光轴安装有下旋转密封8，与上旋转密封4共同作用封隔管柱内外钻井液。蜗轮组7与蜗杆6啮合沿着井眼轴向转动，起到推钻头、拉管柱的作用，本具体实施方式中包含4个蜗轮组7，每个蜗轮组具体包括：蜗轮701(702、703、704)、蜗轮轴承711(712、723、714)、蜗轮轴721(722、723、724)、蜗轮轴固定螺钉731(732)；蜗轮轴承711(712、723、714)塞入蜗轮701(702、703、704)的中心孔内，然后作为一个整体塞入外壳10的径向安装孔内，接着将蜗轮轴721(722、723、724)塞入外壳10的横向孔内并穿过涡轮轴承711(712、723、714)的内孔，确保蜗轮701(702、703、704)与蜗杆6具有精确的中心距，最后蜗轮轴由蜗轮轴固定螺钉731(732)固定在外壳10上。
图5为所述的减阻爬行工具101的第二种具体实施方式，包括动力系统1、减速器2、上轴承组3、上旋转密封4、钻井液通道5、蜗杆6、蜗轮组7、下轴承组9、外壳10。与第一种具体实施方式相比，外壳10的中心孔变成了盲孔，并且少了下旋转密封8和下轴承压套91。
图6为所述的减阻爬行工具101的第三种具体实施方式，包括动力系统1、减速器2、上轴承组3、上旋转密封4、钻井液通道5、蜗杆6、蜗轮组7、下轴承组9、外壳10、上磁力耦合器111、下磁力耦合器112。与第一种具体实施方式相比，外壳10的中心孔变成了盲孔，少了上旋转密封4、下旋转密封8和下轴承压套91，并且上轴承压套31的中心孔由通孔变为盲孔。本实施方案将第一种具体实施方式中的旋转动密封变为静密封、通过上、下磁力耦合器111和112传递旋转动力。
图7为所述井下减阻爬行系统的一种具体实施方式，包括减阻爬行工具101、管柱105。该种具体实施方式主要利用管柱105的重力提供减阻爬行工具101所需的径向力。
图8为所述井下减阻爬行系统的一种具体实施方式，包括钻头100、减阻爬行工具101、弯壳体102、管柱105。该种具体实施方式主要利用弯壳体102、减阻爬行工具101和管柱105产生的径向弹性力提供减阻爬行工具101所需的径向力。通过合理配置弯壳体102的角度及其与减阻爬行工具101之间的距离可以改变减阻爬行系统的轴向推力。
图9为所述井下减阻爬行系统的一种具体实施方式，包括减阻爬行工具101、偏心稳定器104，管柱105。该种具体实施方式主要利用偏心稳定器104和管柱105产生的径向弹性力提供减阻爬行工具101所需的径向力。通过合理配置偏心稳定器104的偏心大小及其与减阻爬行工具101之间的距离可以改变减阻爬行系统的轴向推力。
图10为所述井下减阻爬行系统的一种具体实施方式，包括减阻爬行工具101、管柱105。该种具体实施方式主要利用减阻爬行工具101的外径与井壁106的内径之间的差值以及减阻爬行工具101之间的距离来提供减阻爬行工具101所需的径向力。
Claims (6)
1.一种井下减阻爬行系统，其特征在于，利用管柱的结构弹性和自重产生的径向推力来实现管柱的减阻推拉功能，包括：管柱、减阻爬行工具、弯接头、偏心稳定器。
2.根据权利要求1所述的一种井下减阻爬行系统，其特征在于，所述减阻爬行工具包括动力系统、减速器、上轴承组、钻井液流道、上旋转密封组、蜗轮、蜗杆、下旋转密封组、下轴承组、外壳。
3.根据权利要求1所述的一种井下减阻爬行系统，包括减阻爬行工具、管柱，其特征在于，利用管柱的重力提供减阻爬行工具所需的径向力。
4.根据权利要求1所述的一种井下减阻爬行系统，包括钻头、减阻爬行工具、弯壳体、管柱，其特征在于利用弯壳体、减阻爬行工具和管柱产生的径向弹性力提供减阻爬行工具所需的径向力。
5.根据权利要求1所述的一种井下减阻爬行系统，包括减阻爬行工具、偏心稳定器，管柱，其特征在于利用偏心稳定器和管柱产生的径向弹性力提供减阻爬行工具所需的径向力。
6.根据权利要求1所述的一种减阻爬行系统，包括减阻爬行工具、管柱，其特征在于利用减阻爬行工具的外径与井壁的内径之间的差值以及减阻爬行工具之间的距离来提供减阻爬行工具所需的径向力。
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