CN113944428A - 一种用于油气井的提质提速钻井工具 - Google Patents

一种用于油气井的提质提速钻井工具 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于油气井的提质提速钻井工具，包括：钻头；与所述钻头连接的短弯动力钻具，在所述钻头和所述短弯动力钻具之间设有下扶正器；与所述短弯动力钻具连接的偏重钻铤；以及与所述偏重钻铤连接的上扶正器，所述上扶正器用于与上部钻具连接；其中，所述短弯动力钻具设有偏心质量块而形成偏心结构，所述短弯动力钻具在耦合钻柱动力学作用下诱导产生周向涡动，从而使所述钻头产生非均匀动态侧向力和周期性轴向冲击载荷，并形成动态防斜力。

Description

一种用于油气井的提质提速钻井工具
技术领域
本发明属于油气钻井工程技术领域，具体涉及一种用于油气井的提质提速钻井工具。
背景技术
在油气钻井工程中，针对一些高陡构造带地层通常存在倾角大、井眼易斜且控制困难的问题提出了多种解决方案。现有技术中，对于地层倾角较小的地层，基于静力学理论的满眼钻具、钟摆钻具能够提高钻具组合刚性、减小钻具与井眼间隙、提高抗弯曲能力。而在造斜性强的地层中，通常通过牺牲钻速换取井身质量，从而导致钻井效率低，增加了钻井的施工周期。现有的自动垂直钻井工具结构复杂，维修费用昂贵，减振增压等提速工具不具有防斜、纠斜功能或确保井身质量(打直)效果较差。
目前，缺乏一种既能提高钻速又同时能够提高防斜效果、确保井眼质量(打直)的高效、低成本防斜打直钻井技术。常用的提速钻井工具结构复杂，在漏塌等复杂井下工况条件存在作业风险，无法防斜打直确保井眼质量。
发明内容
针对如上所述的技术问题，本发明旨在提供一种用于油气井的提质提速钻井工具，该提质提速钻井工具能够诱导产生稳定的周向涡动，从而使钻头能够产生动态侧向力和周期性的轴向冲击载荷，能够在提高破岩效率的同时确保井眼质量。
为此，根据本发明提供了一种用于油气井的提质提速钻井工具，包括：钻头；与所述钻头连接的短弯动力钻具，在所述钻头和所述短弯动力钻具之间设有下扶正器；与所述短弯动力钻具连接的偏重钻铤；以及与所述偏重钻铤连接的上扶正器，所述上扶正器用于与上部钻具连接；其中，所述短弯动力钻具设有偏心质量块而形成偏心结构，所述短弯动力钻具在耦合钻柱动力学作用下诱导产生周向涡动，从而使所述钻头产生非均匀动态侧向力和周期性轴向冲击载荷，并形成动态防斜力。
在一个实施例中，所述短弯动力钻具包括中空的弯外壳，所述偏心质量块与所述弯外壳一体化设置。
在一个实施例中，所述弯外壳设有弯角而形成有弯点，所述弯角设置为处于0.5°～1.5°的范围内，所述弯点距离所述钻头的端面之间的距离处于1.0～1.5m的范围内。
在一个实施例中，所述短弯动力钻具还包括设置在所述弯外壳的内部且彼此连接的万向轴总成和传动轴总成，所述弯点形成于所述万向轴总成与所述传动轴总成之间。
在一个实施例中，所述下扶正器与所述钻头的端面之间的轴向距离设置成处于0.3m～0.5m的范围内，所述上扶正器和所述下扶正器之间的距离设置成处于12～16m的范围内。
在一个实施例中，所述上扶正器采用螺旋扶正器，所述下扶正器采用滚轮扶正器。
在一个实施例中，所述钻铤的长度设置成处于2.5～6.5m的范围内。
在一个实施例中，所述提质提速钻井工具的驱动装置的驱动转速设置成小于60转/分钟。
在一个实施例中，所述钻头采用牙轮钻头或PDC钻头，且所述PDC钻头的侧向切削力处于0.20～20kN的范围内。
在一个实施例中，所述提质提速钻井工具能够适用于液体循环介质钻井和空气钻井。
与现有技术相比，本发明的优点之处在于：
根据本发明的提质提速钻井工具通过短弯动力钻具预弯结构、偏心质量块和偏重钻铤能够有效控制井下钻具组合的变形和涡动状态，下扶正器采用滚轮扶正器有效降低了提质提速钻井工具与井壁的摩擦力，从而能够形成稳定的周向涡动。该提质提速钻井工具诱导产生的涡动运动状态能够在钻头上产生较大的动态侧向力和轴向冲击载荷，动态侧向力能够形成防斜力或降斜力，轴向冲击载荷能够形成动态钻压，从而在一定程度上解放钻压，即静态钻压。并且，稳定的涡动能够产生周期性的轴向冲击载荷而形成动态钻压，从而增强钻头的轴向冲击力，提高了提质提速钻井工具的侧向纠斜能力和轴向破岩效率。此外，提质提速钻井工具诱导产生的防斜力或纠斜力以及周期性的轴向冲击力利于防斜、打直、打快，提高机械钻速的同时能够确保油气钻井井眼质量。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行说明。
图1示意性地显示了根据本发明的用于油气井的提质提速钻井工具的结构。
图2显示了图1所示提质提速钻井工具中的偏心短弯动力钻具的结构。
在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
下面通过附图来对本发明进行介绍。
在本申请中，需要说明的是，将提质提速钻井工具下入井筒中远离井口的一端定义为“下端”或相似用语，将靠近井口的一端定义为“上端”或相似用语。
图1示意性地显示了根据本发明的用于油气井的提质提速钻井工具100的结构。如图1所示，提质提速钻井工具100包括依次连接的钻头10、下扶正器20、短弯动力钻具30、偏重钻铤40和上扶正器50。钻头10连接在短弯动力钻具30的下方，下扶正器50套设安装在短弯动力钻具的下端，且钻头10能够通过下扶正器20进行扶正。上扶正器50连接在偏重钻铤40的上端，用于与上部钻具(未示出)连接。
在一个实施例中，上扶正器50采用螺旋扶正器，下扶正器20采用滚轮扶正器。滚轮扶正器将其与井壁间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而大幅度降低摩擦阻力，有利于使得提质提速钻井工具100能够形成稳定的周向涡动。
如图2所示，短弯动力钻具30包括中空的弯外壳31。弯外壳31设有弯角从而形成有弯点。短弯动力钻具30还包括设置在弯外壳的内部且彼此连接的万向轴总成33和传动轴总成34，弯点形成于万向轴总成33与传动轴总成34之间。弯角的存在能够引发井下钻具组合的变形，从而使钻头10的轴线与井眼轴线存在瞬态偏角，使井底岩石受到非均匀挤压，这非常有利于高效破碎岩石。
根据本发明，短弯动力钻具30还包括偏心质量块35。偏心质量块35与弯外壳31一体化设置，其可以设置在弯外壳31的内部或外部。优选地，偏心质量块35设置在弯外壳31的侧壁外侧。短弯动力钻具30通过偏心质量块35而形成偏心结构，这种偏心结构使得短弯动力钻具30在上部钻具的驱动作用下产生周向涡动，以使钻头10产生动态侧向力和周期性的动态轴向冲击载荷，从而形成动态防斜力和周期性的轴向冲击力。动态防斜力能够使钻具在钻井过程中维持井眼垂直。涡动诱致的非均匀载荷和周期性的轴向冲击力能够显著提高钻头的破岩效率，大大提高了钻井工具的机械钻速。
在一个实施例中，短弯动力钻具30采用40CrMnMo材料制成，偏心质量块35采用锰铅合金材料制成，从而能够增强短弯动力钻具30在旋转状态下的涡动效应，产生较大的动态防斜力和轴向动态冲击力，提高钻头10的破岩效率。
根据本发明，短弯动力钻具30通过下移万向轴总成33的万向轴弯点位置和缩短传动轴总成34的轴承的长度，实现短弯动力钻具30的弯点的下移。弯角设置成处于0.5～1.5°的范围内，从而使弯点与钻头的端面之间的距离处于1.0～1.5m的范围内。在一个实施例中，弯角设置成1.5°，这能够有效增强动力钻具30在开泵循环条件下的安全性和小间隙井眼的通过能力，并能够在满足作业安全性的前提下提高了提质提速钻井工具100的动态侧向防斜力，有利于提高钻具的钻井效率和提高井眼的质量。
在一个实施例中，万向轴弯点设置成下移0.1m，轴承缩短0.2m，从而使短弯动力钻具30的弯点位置下移0.3m。弯角结构和弯点位置的下移使得短弯动力钻具30能够产生更大的侧向力。例如，弯点位置下移0.3m使得短弯动力钻具30的侧向防斜力提高30％。由此，可以采用更大的静态钻压，从而使得提质提速钻井工具100可以达到钟摆钻具极限钻压的150％以上，显著增强了提质提速钻井工具100的工作性能。
在实际应用过程中，下扶正器20和上扶正器50的尺寸可以根据实际工况进行设置。随着下扶正器20与钻头10的端面之间的距离的增加，提质提速钻井工具100的侧向防斜力下降，随着上扶正器50和下扶正器20之间的距离的增加，提质提速钻井工具100的综合防斜力变化很大。为了保证有效增强提质提速钻井工具100的综合防斜能力，下扶正器20与钻头10的端面之间的距离设置成处于0.3～0.5m范围内。上扶正器50和下扶正器20之间的距离设置成12～16m的范围内。
在本实施例中，上扶正器50和下扶正器20之间的距离通过选用设置偏重钻铤40的长度来调节。偏重钻铤40的长度设置成处于2.5-6.5m的范围内。与常规钟摆钻具组合相比，提质提速钻井工具100通过下移弯点位置以及调整上扶正器50和下扶正器20之间的距离显著增强了防斜力。例如，当下扶正器50偏心距为1mm时，提质提速钻井工具100的综合防斜力可达到常规钟摆钻具组合防斜力的6倍，当下滚轮扶正器50偏心距为2mm时，提质提速钻井工具100的综合防斜力可达到常规钟摆钻具组合防斜力的17倍。
根据本发明的提质提速钻井工具100的防斜力随井斜角的增加而下降，由此，该提质提速钻井工具100适用于井斜角小于3°的井眼。此外，为了保证提质提速钻井工具100的防斜性能，钻具的驱动装置中的转盘或顶驱转速设置成小于60转/分钟。
根据本发明，钻头10可以采用牙轮钻头或PDC钻头，且PDC钻头的侧向切削力处于0.20-20kN的范围内。这种钻头有利于提质提速钻井工具100通过大幅度提高静态钻压，诱致动态轴向载荷和非均匀切削力，实现提高机械钻速和确保井眼质量的双重效果。提质提速钻井工具100适用于高陡构造、大倾角地层、软硬交错地层，能够用于液体循环介质和空气钻井。
下面简述根据本发明的提质提速钻井工具100的工作过程。旋转状态下的提质提速钻井工具100在短弯动力钻具弯角结构和偏心质量块35的耦合作用下，能够形成稳定的前向涡动。在一定井斜角条件下，由于钻具的重力作用使钻具组合形心的轨迹偏向下井壁。涡动能够在钻头10上产生动态侧向力和周期性的动态轴向冲击载荷，从而形成动态防斜力和动态钻压。最大涡动转速为0.16，其变化幅度小，涡动较稳定。短弯动力钻具30利用预弯结构引发井下钻具组合涡动，诱导产生较大的钻头侧向防斜力，这非常有利于井眼打直。提质提速工具100能够采用较大的静态钻压和涡动诱致动态不均匀轴向载荷，从而能够实现施加远大于钟摆组合的钻压以提高破岩能力。并且，使井下钻具组合涡动在钻头10产生额外的动态轴向力，从而形成周期脉动冲击以提高破岩效率。此外，弯角的存在引发钻具组合结构变形，钻头轴线与井眼轴线存在瞬态偏角，使井底岩石受到非均匀挤压，有利高效破岩。
根据本发明的提质提速钻井工具100通过短弯动力钻具30的预弯结构和偏心质量块能够有效控制井下钻具组合的变形和运动状态，从而形成较稳定的前向涡动。稳定的涡动能够在钻头上产生较大的动态侧向力以形成防斜力，增强了提质提速钻井工具100的防斜性能，有利于井眼打直。同时，稳定的涡动能够产生周期性的轴向冲击载荷，相当于在钻头10施加额外动态钻压，大幅度提高钻进效率。提质提速钻井工具100产生的侧向防斜力和动态轴向冲击力耦合形成动态合力，这非常有利于防斜、打直、打快，能够在显著提高机械钻速的同时确保井眼质量。
最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于油气井的提质提速钻井工具，包括：
钻头(10)；
与所述钻头连接的短弯动力钻具(30)，在所述钻头和所述短弯动力钻具之间设有下扶正器(20)；
与所述短弯动力钻具连接的偏重钻铤(40)；以及
与所述偏重钻铤连接的上扶正器(50)，所述上扶正器用于与上部钻具连接；其中，所述短弯动力钻具设有偏心质量块(35)而形成偏心结构，所述短弯动力钻具在耦合钻柱动力学作用下诱导产生周向涡动，从而使所述钻头产生非均匀动态侧向力和周期性轴向冲击载荷，并形成动态防斜力。
2.根据权利要求1所述的提质提速钻井工具，其特征在于，所述短弯动力钻具包括中空的弯外壳(31)，所述偏心质量块与所述弯外壳一体化设置。
3.根据权利要求2所述的提质提速钻井工具，其特征在于，所述弯外壳设有弯角而形成有弯点，所述弯角设置为处于0.5°～1.5°的范围内，所述弯点距离所述钻头的端面之间的距离处于1.0～1.5m的范围内。
4.根据权利要求3所述的提质提速钻井工具，其特征在于，所述短弯动力钻具还包括设置在所述弯外壳的内部且彼此连接的万向轴总成(33)和传动轴总成(34)，所述弯点形成于所述万向轴总成与所述传动轴总成之间。
5.根据权利要求1所述的提质提速钻井工具，其特征在于，所述下扶正器与所述钻头的端面之间的轴向距离设置成处于0.3～0.5m的范围内，所述上扶正器和所述下扶正器之间的距离设置成处于12～16m的范围内。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的提质提速钻井工具，其特征在于，所述上扶正器采用螺旋扶正器，所述下扶正器采用滚轮扶正器。
7.根据权利要求1所述的提质提速钻井工具，其特征在于，所述钻铤的长度设置成处于2.5～6.5m的范围内。
8.根据权利要求1所述的提质提速钻井工具，其特征在于，所述提质提速钻井工具的驱动装置的驱动转速设置成小于60转/分钟。
9.根据权利要求1所述的提质提速钻井工具，其特征在于，所述钻头采用牙轮钻头或PDC钻头，且所述PDC钻头的侧向切削力处于0.2kN～20kN的范围内。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的提质提速钻井工具，其特征在于，所述提质提速钻井工具能够适用于液体循环介质钻井和空气钻井。
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