CN1149663A - 水平径向井钻井系统运动控制器 - Google Patents

Abstract

一种水平径向井钻井系统运动控制器由缆绳和摩擦缓冲器组成，摩擦缓冲器由筒体、执行机构和控制机构构成，执行机构由锥接头和摩擦块组成，控制机构由顶杆、压簧、活塞和管接头组成；摩擦块与油管内壁形成滑动摩擦副，通过其间的摩擦力平衡钻管串受到的液压力、缆绳张力、转向器阻力的变化和缓冲因缆绳张力和/或转向器阻力的突然减小和/或液压力的突然增大对钻管串造成的冲击，避免钻管串失稳变形而无法送进，确保井下设备和钻井的安全。

Description

  水平径向井 钻井系统运动控制器

本发明涉及石油水平径向井钻井系统中的运动控制器，特别是机械式即“缆绳+摩擦缓冲器”式运动控制器。

水平径向井又称超短半径水平井，是从已下入套管的垂直井筒中钻成的超短弯曲半径水平井。钻水平径向井，既可在所需开发油层的同一水平面上钻多个径向井眼，也可在多个水平面上分别钻多个径向井眼。水平径向井能改善注入效率和驱油效率及减少钻井工程占地等。钻水平径向井的弯曲半径为0.3米，难以采用常规旋转钻井方法，通常采用速度达244～300米/秒的高压喷射液流破碎岩石方法。水平径向井钻井系统分地面部分和井下部分，地面部分主要有修井机、压裂车、防喷器、压裂井口装置、径向钻管焊接设备等，井下部分主要有高压油管柱、径向钻管、钻头、转向器、运动控制器和高压密封装置等。径向钻管是一种外径为32毫米、内径为26毫米的钢管，其在高压液流作用下经过转向器弯曲和矫直后水平伸入地层。钻头为锥形喷嘴，焊接在钻管前端，用以喷射高压液流切削地层，可以切出直径不小于100毫米、长度达30～60米的径向井眼。控制钻头前进的方向和速度是水平径向井钻井中的一个重要环节，钻管移动速度和钻头喷射速度对水平径向井井身倾角有一定影响，钻管移动速度太高就会向上翅起，反之亦然，钻头喷射速度会影响切屑移动速度。运动控制器是控制钻管移动速度的井下工具，在现有技术中，控制钻管送进的方式有缆绳控制和液压尾端控制；缆绳控制是将缆绳穿过井口高压密封系在钻管尾端可更换的柱销上，通过地面修井机上的缆绳车控制缆绳即钻管的移动速度，为了减缓缆绳“突进”即突然加速对钻管的冲击，在缆绳车上装有液压缓冲器；液压尾端控制有两种情况，一是在垂直的高压油管柱内装入一根顶端系有缆绳的液缸，缆绳通过井口高压密封接到地面，液缸内装有一个带有外部密封的特殊活塞，活塞焊接在钻管尾端，钻进时钻管带动活塞沿液缸内壁向下运动，封闭在活塞与液缸底部密封之间的高压液体只能从活塞内的中心节流孔挤出，从而实现控制钻管向前移动的速度，二是在垂直的高压油管柱内再装一个独立的活塞液缸系统。由高压钻井液系统的旁路供液或由单独的小注入泵驱动供液。当钻进速度过高时，可将井口上的节流阀开得小些，反之亦然，从而实现控制钻管向前移动的速度，并能根据进入液缸的液量确定钻管移动的距离；现有技术都是采用液压式运动控制器，尚未发现采用机械式运动控制器；液压式运动控制器结构复杂、价格昂贵、使用维修困难，尤液压尾端控制需要加工与水平井段等长(30～60米)的液缸，而且液缸内径是与

英寸油管内径相当，如液缸内径要与 英寸油管内径相当，则因活塞对钻管前进的阻力即活塞上压力相同但活塞面积减小而致与

英寸油管同内径的液缸内的压强极高，从而大大降低底部密封的可靠性和寿命，也就是降低了钻井的安全性，另因我国油田主要是使用 英寸油管。所以液压尾端控制方案不适合我国油田。

本发明的目的是根据我国石油水平径向井钻井工程需求，针对现有水平径向井钻井系统中液压式运动控制器的结构特点及其存在的缺点，提供一种结构简单、价格低廉、操作维护简便、使用安全可靠的机构式即“缆绳+摩擦缓冲器”式运动控制器。

本发明的目的是通过应用摩擦阻尼原理以研制一种摩擦缓冲器的技术方案实现的。本发明运动控制器由缆绳和摩擦缓冲器组成；摩擦缓冲器由筒体、执行机构和控制机构构成；执行机构由锥接头和摩擦块构成；控制机构由顶杆、压簧、活塞和管接头构成。本发明运动控制器安装在高压油管柱内、缆绳下端与钻管串尾端之间；执行机构安装在筒体上段内，控制机构安装在筒体下段内；执行机构的锥接头与缆绳相联接，摩擦块是三块沿圆周均布于筒体上段的三个滑槽内并可沿锥接头的圆锥体向外张开直至紧贴高压油管柱的内壁；控制机构的管接头与钻管串尾端连接，活塞与筒体下段组成一密封摩擦副，并可在液压差作用下向上运动直至活塞下段的上端到达筒体的锥台阶处，活塞的上端依次装有压簧和顶杆并支承着摩擦块；当无液压时，活塞位于管接头上端，摩擦块位于滑槽下端且与高压油管柱内壁呈分离状态，当有一定液压力时，活塞在液力差作用下向上运动，活塞上的压簧和顶杆便推动摩擦块向上运动，并沿锥接头的圆锥体向外张开直至摩擦块的外圆柱面紧贴高压油管柱内壁而形成一滑动摩擦副，由于活塞可上移距离大于摩擦块可上移距离，因此就会使压簧产生一定的压缩量而对摩擦块保持一定的支承弹力，当钻管串和缆绳匀速向下运动时，摩擦块与高压油管柱内壁的摩擦力仅由压簧的预定弹力决定，其大小不会对钻管串的运动造成影响，当缆绳和/或钻管串发生“突进”即突然加速运动时，锥接头的圆锥体与摩擦块的内锥面间会产生相对运动的趋势，这会使摩擦块外张力增大，即摩擦块对高压油管柱内壁的正压力增大，于是对管壁的摩擦力就增大，要使缆绳和/或钻管串的突进所造成的冲击力尽可能转化为摩擦块对管壁的摩擦力则需满足关系式m·μ≤1，式中n为摩擦块上承受的冲击力转换为摩擦块对管壁正压力的放大倍数。μ为摩擦块与管壁间的摩擦系数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明利用摩擦力来平衡钻管串受到的液压力、缆绳张力、转向器阻力的变化和缓冲因缆绳张力和/或转向器阻力的突然减小和/或液压力的突然增大对钻管串造成的冲击，避免钻管串因此出现失稳变形而无法递进。保证钻管串和其它井下设备的安全，从而保证了钻井的安全；相比于单纯的缆绳控制，本发明减小了缆绳的弹性变形对控制的不利影响，具有较快的反应速度：相比于液力尾端控制，应用本发明无须加工专门的长液缸而可直接在

英寸油管内使用，因此仅需很少的费用且适应性较好；另外，本发明结构简单，易于操作和维护。

本发明采用了3个附图，其中，

圈1是本发明水平径向井钻井系统井下部分示意图；

圈2是本发明运动控制器结构示意图，

A为非工作状态，B为工作状态；

图3是本发明摩擦缓冲执行机构横剖视图，

A-A为非工作状态，B-B为工作状态。

本发明的技术内容通过下面的实施例及其附图进一步详加说明如下：

参照图1，本发明水平径向井钻井系统井下部分包括套管柱(1)、高压油管柱(2)、缆绳(3)、摩擦缓冲器(4)、空心加压光杆(5)、底部密封装置(6)、钻管(7)、转向器(8)和钻头(9)；缆绳(3)上端与地面缆绳车相连接和下端与摩擦缓冲器(4)相连接，加压光杆(5)上端与摩擦缓冲器(4)相连接和下端与钻管(7)相连接，钻头(9)焊接在钻管(7)前端；高压喷射液流沿图中箭头方向经高压油管柱(2)的底部密封装置(6)以上管段进入加压光杆(5)、钻管(7)和钻头(9)切削地层，高压喷射液流对加压光杆(5)、钻管(7)和钻头(9)串接成的钻管串(5、7、9)的尾端产生推力和前端产生拉力从而实现送进钻管串(5、7、9)进行水平钻井，缆绳(3)和摩擦缓冲器(4)组成的运动控制器(3、4)控制钻管串(5、7、9)向前移动的速度，运动控制器(3、4)通过摩擦缓冲器(4)缓冲缆绳(3)的“突进”即突然加速运动，从而达到控制钻管串(5、7、9)匀速向前移动的目的。

参照图2和图3，本发明摩擦缓冲器(4)由筒体(401)、执行机构(402)和控制机构(403)构成。筒体(401)为长筒状，其上段的端部具有内螺纹和中部具有沿圆周均布的三个滑槽(404)且滑槽(404)下端具有内锥尖(405)，其下段的端部具有内螺纹和中部具有由大内径开口段形成的圆锥台阶(406)。执行机构(402)由锥接头(407)和摩擦块(408)组成：锥接头(407)为实心长杆圆锥状，其上段的端部具有外螺纹和下部具有扳手方(409)，其下段的上部具有外螺纹和端部具有圆锥体(410)；摩擦块(408)为一组三块，其内侧具有内上圆锥面(411)和内下圆锥面(412)，其外侧具有外圆柱面(413)和外下圆锥面(414)；摩擦块(408)安装在筒体(401)上段的滑槽(404)内且滑动配合，锥接头(407)通过其上段外螺纹与缆绳接头(301)螺纹连接和通过其下段外螺纹和筒体(401)上端内螺纹安装在筒体(401)上段内，摩擦块(408)的内上圆锥面(411)与锥接头(407)的圆锥体(410)滑动配合，摩擦块(408)的外圆柱面(413)与高压油管柱(2)内壁形成一对滑动摩擦副(413、2)，摩擦块(408)的外下圆锥面(414)与筒体(401)的滑槽(404)滑动扣合配合，摩擦块(408)的内下圆锥面(412)与控制机构(403)相配合衔接。控制机构(403)由顶杆(415)、压簧(416)、活塞(417)和管接头(418)组成：顶杆(415)为伞状，其上部为圆锥体(419)，其下部为圆杆(420)，圆锥体(419)与圆杆(420)衔接处具有环形平台阶(421)；活塞(417)为不同外径和相同内径的三段管状，其中段外径最小，其上段外径居中且具有一组环形密封槽(422)，其下段外径最大且具有一组环形密封槽(423)，环形密封槽(422、423)内安装有“O”形密封圈(424)，其中段与下段衔接处具有圆锥台阶(425)；管接头(418)上端和下端都具有外螺纹和中部具有扳手方(426)；顶杆(415)、压簧(416)、活塞(417)和管接头(418)依次装入筒体(401)下段内，顶杆(415)的圆锥体(419)与执行机构(402)中摩擦块(408)的内下圆锥面(412)滑动配合，压簧(416)套装在顶杆(415)的环形平台阶(421)与活塞(417)上端面之间，管接头(418)通过其上端的外螺纹与筒体(401)下端的内螺纹安装在筒体(401)下段内，活塞(417)安装在压簧(416)与管接头(418)之间并可在筒体(401)的圆锥台阶(406)与管接头(418)上端面之间上下运动，管接头(418)通过其下端外螺纹与钻管串尾端接头(501)螺纹连接。运动控制器(3、4)的工作过程如下：运动控制器(3、4)和钻管串(5、7、9)一同下入井中的过程中，摩擦缓冲器(4)处于非工作状态(A)，即摩擦块(408)与高压油管柱(2)内壁呈分离状态；当钻管串(5、7、9)到达预定位置即空心光杆(5)刚好通过底部密封装置(6)时，地面压裂车开始向井中注入高压液流，这时摩擦缓冲器(4)的活塞(417)在液力差作用下推动压簧(416)、顶杆(415)和摩擦块(408)向上运动，摩擦块(408)同时沿锥接头(407)的圆锥体(410)向外张开，直至摩擦块(408)的外圆柱面(413)紧贴高压油管柱(2)的内壁并与之形成一对滑动摩擦副(413、2)，此时摩擦缓冲器(4)处于工作状态(B)；由运动控制器(3、4)和钻管串(5、7、9)组成的同步运动整体(3、4、5、7、9)在高压液流的液压力、转向器(8)的阻力、缆绳(3)的张力和摩擦缓冲器(4)与高压油管柱(2)内壁的摩擦力等作用力构成的平衡力系的作用下，以符合要求的速度向下匀速运动，此时摩擦缓冲器(4)与高压油管柱(2)内壁的摩擦力大小取决于压簧(416)的预定弹力，因此摩擦力在平衡力系中仅占很小的份额；当缆绳(3)和/或钻管串(5、7、9)发生“突进”破坏同步运动整体(3、4、5、7、9)的受力平衡时，即缆绳张力和/或转向器阻力突然减小和/或液流液压力突然增大所造成的冲击力都会使摩擦缓冲器(4)的锥接头(407)的圆锥体(410)与摩擦块(408)的内上圆锥面(411)产生相对运动趋势，这就会增加该接触面(410、411)间的正压力，也就会增加摩擦块(408)的外圆柱面(413)与高压油管柱(2)内壁间的正压力，即增加该摩擦副(413、2)的摩擦力，这个增大的摩擦力使力系重新趋于平衡，从而达到缓冲和仰制钻管串(5、7、9)突进的目的，以确保钻管串(5、7、9)和水平径向井钻井的安全。为使缆绳(3)和/或钻管串(5、7、9)的突进所产生的冲击力尽可能转化为摩擦块(408)对高压油管柱(2)内壁的摩擦力，摩擦块(408)的外圆柱面(413)与高压油管柱(2)的内壁构成的滑动摩擦副(413、2)应满足关系式n·μ≤1，式中n为摩擦块(408)上承受的冲击力转换为摩擦块(408)对高压油管柱(2)内壁正压力的放大倍数，μ为摩擦块(408)与高压油管柱(2)内壁之间的摩擦系数。

Claims (6)

1.一种水平径向井钻井系统运动控制器，具有缆绳(3)，其特征在于具有摩擦缓冲器(4)，摩擦缓冲器(4)位于高压油管柱(2)内、缆绳(3)下端与钻管串(5、7、9)尾端之间，缆绳(3)、摩擦缓冲器(4)和钻管串(5、7、9)依次连接成同步运动整体(3、4、5、7、9)。

2.按照权利要求1所述的运动控制器，其特征在于摩擦缓冲器(4)由筒体(401)、执行机构(402)和控制机构(403)构成，执行机构(402)安装在筒体(401)上段内，控制机构(403)安装在筒体(401)下段内。

3.按照权利要求1所述的运动控制器，其特征在于摩擦缓冲器(4)的筒体(401)为长筒状，其上段的端部具有内螺纹和中部具有沿圆周均布的三个滑槽(404)且滑槽(404)下端具有内锥尖(405)、执行机构(402)则通过端部内螺纹和中部滑槽(404)安装在筒体(401)上段内，其下段的端部具有内螺纹和中部具有由大内径开口段形成的圆锥台阶(406)、控制机构(403)则通过端部内螺纹和中部圆锥台阶(406)安装在筒体(401)下段内。

4.按照权利要求1所述的运动控制器，其特征在于摩擦缓冲器(4)的执行机构(402)由锥接头(407)和摩擦块(408)组成；锥接头(407)为实心长杆圆锥状，其上段的端部具有外螺纹和下部具有板手方(409)，其下段的上部具有外螺纹和端部具有圆锥体(410)；摩擦块(408)为一组三块，其内侧具有内上圆锥面(411)和内下圆锥面(412)，其外侧具有外圆柱面(413)和外下圆锥面(414)，摩擦块(408)安装在筒体(401)上段的滑槽(404)内且滑动配合，锥接头(407)通过其上段外螺纹与缆绳接头(301)螺纹连接和通过其下段外螺纹和筒体(401)上端内螺纹安装在筒体(401)上段内，摩擦块(408)的内上圆锥面(411)与锥接头(407)的圆锥体(410)滑动配合，摩擦块(408)的外圆柱面(413)与高压油管柱(2)内壁形成一对滑动摩擦副(413、2)，摩擦块(408)的外下圆锥面(414)与筒体(401)的滑槽(404)滑动扣合配合，摩擦块(408)的内下圆锥面(412)与控制机构(403)相配合衔接。

5.按照权利要求1所述的运动控制器，其特征在于摩擦缓冲器(4)中执行机构(402)的摩擦块(408)外圆柱面(413)与高压油管柱(2)内壁构成的滑动摩擦副(413、2)应满足关系式n·μ≤1，式中n为摩擦块(408)上承受的冲击力转换为摩擦块(408)对高压油管柱(2)内壁正压力的放大倍数，μ为摩擦块(408)与高压油管柱(2)内壁之间的摩擦系数。

6.按照权利要求1所述的运动控制器，其特征在于摩擦缓冲器(4)的控制机构(403)由顶杆(415)、压簧(416)、活塞(417)和管接头(418)组成；顶杆(415)为伞状，其上部为圆锥体(419)，其下部为圆杆(420)，圆锥体(419)与圆杆(420)衔接处具有环形平台阶(421)；活塞(417)为不同外径和相同内径的三段管状，其中段外径最小，其上段外径居中且具有一组环形密封槽(422)，其下段外径最大且具有一组环形密封槽(423)，环形密封槽(422、423)内安装有“O”形密封圈(424)，其中段与下段衔接处具有圆锥台阶(425)；管接头(418)上端和下端都具有外螺纹和中部具有扳手方(426)；顶杆(415)、压簧(416)、活塞(417)和管接头(418)依次装入筒体(401)下段内，顶杆(415)圆锥体(419)与执行机构(402)中摩擦块(408)的内下圆锥面(412)滑动配合，压簧(416)套装在顶杆(415)的环形平台阶(421)与活塞(417)上端面之间，管接头(418)通过其上端的外螺纹和筒体(401)下端的内螺纹安装在筒体(401)下段内，活塞(417)安装在压簧(416)与管接头(418)之间并可在筒体(401)的圆锥台阶(406)与管接头(418)上端面之间上下运动，管接头(418)通过其下端外螺纹与钻管串尾端接头(501)螺纹连接。

Images