CN115874929B - 复杂难钻地层双推联控旋转导向钻井系统及钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复杂难钻地层双推联控旋转导向钻井系统，具体属于油气钻井工程领域，该复杂难钻地层双推联控旋转导向钻井系统包括依次连接的钻头、测控提速短节、双推联控旋转导向工具、柔性短节及上部钻具组合，所述双推联控旋转导向工具包括设置在双推联控旋转导向工具两端的第一伸缩翼肋总成和第二伸缩翼肋总成，与第一伸缩翼肋总成和第二伸缩翼肋总成相连通的液控单元，与液控单元电连接的总控模块，与总控模块电连接的井眼参数测量单元，以及与液控单元、总控模块和井眼参数测量单元电连接的电源。该系统具有强造斜能力、工作寿命长、破岩速度高且可实现安全钻进等优点。

Description

复杂难钻地层双推联控旋转导向钻井系统及钻井方法

技术领域

本发明属于油气钻井工程领域，涉及一种旋转导向钻井系统及钻井方法，具体的是一种双推联控旋转导向钻井系统及钻井方法。

背景技术

实现油气井眼快速、精确延伸于地层内是钻井工程领域多年来一直研究的热点课题，也是难点问题，导向装置是实现油气井眼快速、精确延伸于地层内的关键。导向装置分为滑动导向装置及旋转导向装置，其中旋转导向钻井装置是目前实现井眼快速、精确延伸的最先进井下装置，至今为止已经形成了推靠式钻转导向钻井系统、指向式旋转导向钻井系统及复合式旋转导向钻井系统等多种类型旋转导向钻井系统，复合式旋转导向钻井系统尚待在应用中升级其结构，指向式旋转导向系统结构复杂制作成本高以及旋转芯轴由于偏置环的作用在旋转钻进过程中承受交变应力载荷，容易发生疲劳损失而产生断裂，导致整个系统的使用寿命相对较短。推靠式旋转导向系统因其结构简单，制作成本低，相比指向式系统具有较高的工作可靠性与稳定性的特点应用最为广泛。然而，现有旋转导向系统在复杂难钻地层中使用时，由于复杂难钻地层多为烁岩层，花岗岩层，燧石夹层，玄武岩层胶结致密的石灰岩层等，因此采用传统的旋转导向钻井系统往往会存在以下难点尚在攻关：（1）造斜能力有待于进一步提升；（2）导向系统在复杂地层钻进寿命仍然较短；（3）钻井钻速仍具有提升空间；（4）系统在使用时易产生卡钻等井下复杂事故。若能研制出一种强造斜能力、长工作寿命、高破岩速度且可在井下安全使用的旋转导向系统并形成配套的导向钻井方法，这将对于钻井技术进步具有重要价值，对油气资源的高效开发具有重要意义。

目前，虽有一些钻井系统为了增加造斜能力也设置有推靠翼肋，但是在遇到复杂难钻地层时还是会存在上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种应用于复杂难钻地层的双推联控旋转导向钻井系统，该系统具有强造斜能力、工作寿命长、破岩速度高且可实现安全钻进。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：复杂难钻地层双推联控旋转导向钻井系统，包括钻头，与钻头连接的测控提速短节，与测控提速短节连接的双推联控旋转导向工具，与双推联控旋转导向工具连接的柔性短节以及与柔性短节连接的上部钻具组合，所述双推联控旋转导向工具包括设置在双推联控旋转导向工具两端的第一伸缩翼肋总成和第二伸缩翼肋总成，与第一伸缩翼肋总成和第二伸缩翼肋总成相连通的液控单元，与液控单元电连接的总控模块，与总控模块电连接的井眼参数测量单元，以及与液控单元、总控模块和井眼参数测量单元电连接的电源。

所述第一伸缩翼肋总成设置在近钻头端，包含有多个第一伸缩翼肋单元，每个第一伸缩翼肋单元包含伸缩翼肋与液压缸，液压缸通过液压管路与液控单元相连接，当液控单元向液压缸内注入液体时，液体推动相应的伸缩翼肋径向向外运动，当伸缩翼肋推靠到井壁，会施加给双推联控旋转导向工具沿伸出去的伸缩翼肋运动方向相反方向的推力；当液压缸内的液体回流到液控单元时，相应的伸缩翼肋在井壁的压力下缩回第一伸缩翼肋总成内。

所述第二伸缩翼肋总成设置有多个第二伸缩翼肋单元，每个第二伸缩翼肋单元包含伸缩翼肋与液压缸，液压缸通过液压管路与液控单元相连接，当液控单元向液压缸内注入液体时，液体推动相应的伸缩翼肋径向向外运动，当伸缩翼肋推靠到井壁，会施加给双推联控旋转导向工具沿伸出去的伸缩翼肋运动方向相反方向的推力；当液压缸内的液体回流到液控单元时，相应的伸缩翼肋在井壁的压力下缩回第二伸缩翼肋总成内。

所述双推联控旋转导向工具靠近钻头端设置有扶正器。

采用上述钻井系统的双推联控旋转导向钻井方法，井眼参数测量单元测量井眼参数，并将测量结果传输给总控模块，总控模块将接收到的测量结果与预先设置的参数进行对比，如果相同，按照现有模式继续工作；如果存在差异，通过总控模块计算分析，发出指令给液控单元，控制液控单元向相应的液压缸输出液体，对应的伸缩翼肋伸出，控制井眼轨迹变化。

第一伸缩翼肋总成与第二伸缩翼肋总成同向推靠，此时钻头受到两个总成施加的推靠力，侧向切削井壁，井眼朝着第一伸缩翼肋总成与第二伸缩翼肋总成推靠力指向方向倾斜；第一伸缩翼肋总成与第二伸缩翼肋总成反向推靠，此时钻头的推靠力方向与第一伸缩翼肋总成施加的推靠力指向方向相同，与第二伸缩翼肋总成推靠力指向方向相反，井眼朝着第一伸缩翼肋总成施加的推靠力指向方向倾斜；第二伸缩翼肋总成居中不施加推力，仅第一伸缩翼肋总成施加推力，井眼朝着第一伸缩翼肋总成施加的推靠力指向方向倾斜；第一伸缩翼肋总成居中不施加推力，仅第二伸缩翼肋总成施加推力，井眼朝着第二伸缩翼肋总成施加的推靠力指向方向的相反方向倾斜。

第二伸缩翼肋总成与第一伸缩翼肋总成都居中不施加推力，实现稳斜效果，可以确保稳斜能力强，在倾斜钻井中比较稳定。

第二伸缩翼肋总成的伸缩翼肋全部缩回的同时，第一伸缩翼肋总成的伸缩翼肋产生推靠力时，钻头上推靠力及指向角同时变化，井眼朝着钻头推靠力与指向角优势方向改变。

第一伸缩翼肋总成的伸缩翼肋全部缩回的同时，第二伸缩翼肋总成的伸缩翼肋产生推靠力，钻头指向角作用显著，井眼朝着伸出的伸缩翼肋产生推靠力相反方向改变。

第二伸缩翼肋总成的伸缩翼肋全部缩回与第一伸缩翼肋总成的伸缩翼肋全部缩回不施加推力，柔性短节以下钻具组合相当于钻铤。

本发明的有益效果为：

（1）在双推联控旋转导向工具的两端各设置有一个伸缩翼肋总成，可快速调节钻头造斜的能力和角度，提高钻井的精确度；

（2）当第二伸缩翼肋总成的伸缩翼肋全部缩回与第一伸缩翼肋总成的伸缩翼肋全部缩回不施加推力，柔性短节以下钻具组合相当于钻铤，有利于防止卡钻事故的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明专利的结构示意图。

图中：1.钻头，2.测控提速短节，3.双推联控旋转导向工具，4.柔性短节，5.上部钻具组合，301.第一伸缩翼肋总成，302.液控单元，303.总控模块，304.井眼参数测量单元，305.电源，306.第二伸缩翼肋总成，307.第一伸缩翼肋总成控制液管线，308.总控信号输出线路，309.井眼参数传输线路，310.第二伸缩翼肋总成控制液管线，311.井眼参数测量单元供电线，312.总控模块供电线，313.液控单元供电线，3011.第一伸缩翼肋，3012.第一液压缸，3061.第二伸缩翼肋，3062.第二液压缸。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

如附图1所示，复杂难钻地层双推联控旋转导向钻井系统包括从下至上依次连接的钻头1、测控提速短节2、双推联控旋转导向工具3、柔性短节4及上部钻具组合5，所述双推联控旋转导向工具3包括靠近钻头1的第一伸缩翼肋总成301、液控单元302、总控模块303、井眼参数测量单元304、电源305及第二伸缩翼肋总成306（远离钻头1端）、第一伸缩翼肋总成控制液管线307、总控信号输出线路308、井眼参数传输线路309、第二伸缩翼肋总成控制液管线310、井眼参数测量单元供电线311、总控模块供电线312及液控单元供电线313组成；所述第一伸缩翼肋总成301包括均布在钻头1轴线上的三个伸缩翼肋单元，每个伸缩翼肋单元包括第一伸缩翼肋3011和控制第一伸缩翼肋3011运动的第一液压缸3012，每个第一液压缸3012与液控单元302通过第一伸缩翼肋总成控制液管线307连接，所述液控单元302与总控模块303通过总控信号输出线路308连接，所述总控模块303与井眼参数测量单元304通过井眼参数传输线路309连接；所述第二伸缩翼肋总成306包括均布在钻头1轴线上的三个伸缩翼肋单元，每个伸缩翼肋单元包括第二伸缩翼肋3061和控制第二伸缩翼肋3061运动的第二液压缸3062，所述液控单元302与每个第二液压缸3062通过第二伸缩翼肋总成控制液管线310连接，所述井眼参数测量单元304与电源305通过井眼参数测量单元供电线311连接，所述总控模块303与电源305通过总控模块供电线312连接，所述液控单元302与电源305通过液控单元供电线313连接。

当第一液压缸3012内注入液体时，液体推动第一伸缩翼肋3011相对于第一伸缩翼肋总成301向外径向运动，当第一伸缩翼肋3011推靠到井壁，会施加给双推联控旋转导向工具3向第一伸缩翼肋3011运动方向相反方向的推力。

进一步的：所述第二伸缩翼肋总成306上包含有第二伸缩翼肋3061和第二液缸3062，当第二液压缸3062内注入液体时，液体推动第二伸缩翼肋3061相对于第二伸缩翼肋总成306向外径向运动，当第二伸缩翼肋3061推靠到井壁，会施加给双推联控旋转导向工具3向第二伸缩翼肋3061运动方向相反方向的推力。

进一步的：所述电源305与总控模块303、井眼参数测量单元304及液控单元302之间均为电性连接。

进一步的：所述钻头1与双推联控旋转导向工具3之间可以通过测控提速短节2相连接。

进一步的：所述双推联控旋转导向工具3与上部钻具组合5通过柔性短节4相连接。

钻井时，井眼参数测量单元304测量井眼参数，通过井眼参数传输线路309传输给总控模块303，与总控模块303内设置的参数对比，如果相同，按照现有模式继续工作；如果存在差异，通过总控模块303计算分析，发出指令，指令经总控信号输出线路308传输给液控单元302，控制液控单元302输出液体，当液体输出给相应的液压缸时，对应的伸缩翼肋开始工作，控制井眼轨迹变化。

第一伸缩翼肋总成301与第二伸缩翼肋总成306同向推靠，此时钻头1受到两个总成施加的推靠力，侧向切削井壁，井眼朝着第一伸缩翼肋总成301与第二伸缩翼肋总成306推靠力指向方向倾斜；第一伸缩翼肋总成301与第二伸缩翼肋总成306反向推靠，此时钻头1的推靠力方向与第一伸缩翼肋总成301施加的推靠力指向方向相同，与第二伸缩翼肋总成306推靠力指向方向相反，井眼朝着第一伸缩翼肋总成301施加的推靠力指向方向倾斜；第二伸缩翼肋总成306居中不施加推力，仅第一伸缩翼肋总成301施加推力，井眼朝着第一伸缩翼肋总成301施加的推靠力指向方向倾斜；第一伸缩翼肋总成301居中不施加推力，仅第二伸缩翼肋总成306施加推力，井眼朝着第二伸缩翼肋总成306施加的推靠力指向方向的相反方向倾斜。

第二伸缩翼肋总成306与第一伸缩翼肋总成301都居中不施加推力，实现稳斜效果，可以确保稳斜能力强，在倾斜钻井中比较稳定。

第二伸缩翼肋总成306的第二伸缩翼肋3061全部缩回的同时第一伸缩翼肋总成301的第一伸缩翼肋3011产生推靠力，钻头1上推靠力及指向角同时变化，井眼朝着钻头1推靠力与指向角优势方向改变。

第一伸缩翼肋总成301的第一伸缩翼肋3011全部缩回的同时第二伸缩翼肋总成306的第二伸缩翼肋3061产生推靠力，钻头1指向角作用显著，井眼朝着第二伸缩翼肋3061产生推靠力相反方向改变。

第二伸缩翼肋总成306的第二伸缩翼肋3061缩回与第一伸缩翼肋总成301的第一伸缩翼肋3011缩回不施加推力，柔性短节4以下钻具组合相当于钻铤。

所述复杂难钻地层双推联控旋转导向钻井系统应用方法：

起钻与下钻过程：起下钻过程中，双推联控旋转导向工具3第二伸缩翼肋总成306的第二伸缩翼肋3061缩回，同时第一伸缩翼肋总成301的第一伸缩翼肋3011缩回，柔性短节4以下钻具组合相当于钻铤，可有效防止起下钻过程卡钻等井下复杂事故。

双推联控旋转导向工具3的第二伸缩翼肋总成306与第一伸缩翼肋总成301工作模式包括四种：（1）第二伸缩翼肋总成306工作，第一伸缩翼肋总成301工作；（2）第二伸缩翼肋总成306不工作，第一伸缩翼肋总成301不工作；（3）第二伸缩翼肋总成306工作，第一伸缩翼肋总成301不工作；（4）第二伸缩翼肋总成306不工作，第一伸缩翼肋总成301工作。

双推联控旋转导向工具3第二伸缩翼肋总成306与第一伸缩翼肋总成301工作模式的选择依据总控模块303进行控制。

所述双推联控旋转导向工具3可以与钻铤、扶正器及其他钻井工具配合使用，发挥不同的导向效果。

本发明能够突破常规旋转导向钻井系统的局限性，造斜能力强、破岩速度高，且可以规避起下钻卡钻等井下复杂事故，具有广泛的应用前景。

Claims (4)

1.复杂难钻地层双推联控旋转导向钻井方法，采用复杂难钻地层双推联控旋转导向钻井系统实施，复杂难钻地层双推联控旋转导向钻井系统包括钻头，与钻头连接的测控提速短节，与测控提速短节连接的双推联控旋转导向工具，与双推联控旋转导向工具连接的柔性短节以及与柔性短节连接的上部钻具组合，其特征在于，所述双推联控旋转导向工具包括设置在双推联控旋转导向工具两端的第一伸缩翼肋总成和第二伸缩翼肋总成，与第一伸缩翼肋总成和第二伸缩翼肋总成相连通的液控单元，与液控单元电连接的总控模块，与总控模块电连接的井眼参数测量单元，以及与液控单元、总控模块和井眼参数测量单元电连接的电源；

所述钻井方法为：

井眼参数测量单元测量井眼参数，并将测量结果传输给总控模块，总控模块将接收到的测量结果与预先设置的参数进行对比，如果相同，按照现有模式继续工作；如果存在差异，通过总控模块计算分析，发出指令给液控单元，控制液控单元向相应的液压缸输出液体，对应的伸缩翼肋伸出，控制井眼轨迹变化；

第一伸缩翼肋总成与第二伸缩翼肋总成同向推靠，此时钻头受到两个总成施加的推靠力，侧向切削井壁，井眼朝着第一伸缩翼肋总成与第二伸缩翼肋总成推靠力指向方向倾斜；第一伸缩翼肋总成与第二伸缩翼肋总成反向推靠，此时钻头的推靠力方向与第一伸缩翼肋总成施加的推靠力指向方向相同，与第二伸缩翼肋总成推靠力指向方向相反，井眼朝着第一伸缩翼肋总成施加的推靠力指向方向倾斜；第二伸缩翼肋总成居中不施加推力，仅第一伸缩翼肋总成施加推力，井眼朝着第一伸缩翼肋总成施加的推靠力指向方向倾斜；第一伸缩翼肋总成居中不施加推力，仅第二伸缩翼肋总成施加推力，井眼朝着第二伸缩翼肋总成施加的推靠力指向方向的相反方向倾斜；

第二伸缩翼肋总成的伸缩翼肋全部缩回的同时，第一伸缩翼肋总成的伸缩翼肋产生推靠力时，钻头上推靠力及指向角同时变化，井眼朝着钻头推靠力与指向角优势方向改变；

第一伸缩翼肋总成的伸缩翼肋全部缩回的同时，第二伸缩翼肋总成的伸缩翼肋产生推靠力，钻头指向角作用显著，井眼朝着伸出的伸缩翼肋产生推靠力相反方向改变；

第二伸缩翼肋总成与第一伸缩翼肋总成都居中不施加推力，实现稳斜效果，可以确保稳斜能力强，在倾斜钻井中比较稳定。

2.根据权利要求1所述的复杂难钻地层双推联控旋转导向钻井方法，其特征在于，所述第一伸缩翼肋总成设置在近钻头端，包含有多个第一伸缩翼肋单元，每个第一伸缩翼肋单元包含伸缩翼肋与液压缸，液压缸通过液压管路与液控单元相连接，当液控单元向液压缸内注入液体时，液体推动相应的伸缩翼肋径向向外运动，当伸缩翼肋推靠到井壁，会施加给双推联控旋转导向工具沿伸出去的伸缩翼肋运动方向相反方向的推力；当液压缸内的液体回流到液控单元时，相应的伸缩翼肋在井壁的压力下缩回第一伸缩翼肋总成内。

3.根据权利要求1或2所述的复杂难钻地层双推联控旋转导向钻井方法，其特征在于，所述第二伸缩翼肋总成设置有多个第二伸缩翼肋单元，每个第二伸缩翼肋单元包含伸缩翼肋与液压缸，液压缸通过液压管路与液控单元相连接，当液控单元向液压缸内注入液体时，液体推动相应的伸缩翼肋径向向外运动，当伸缩翼肋推靠到井壁，会施加给双推联控旋转导向工具沿伸出去的伸缩翼肋运动方向相反方向的推力；当液压缸内的液体回流到液控单元时，相应的伸缩翼肋在井壁的压力下缩回第二伸缩翼肋总成内。

4.根据权利要求3所述的复杂难钻地层双推联控旋转导向钻井方法，其特征在于，所述双推联控旋转导向工具靠近钻头端设置有扶正器。

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