CN1162686A - 借助液压用挠性轴钻井的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用挠性轴在下套管井中钻孔时给钻头施加冲击力(钻头钻压)的一种设备和方法。冲击力直接作用到钻头上，而不是通过挠性钻井轴作用到钻头上。一个支承套与活塞接触，并与工具腔室滑动接触。活塞的一部分位于活塞腔的一个室内，并与室壁滑动接触。当液压流体流入活塞相对一侧的室内时，活塞向钻头方向移动。当活塞向钻头移动时，力作用到支承套上，使支承套向钻头移动，钻进时这个力传递给钻头，提供给钻头有效钻进需钻材料所需的力(钻压)。

Description

借助液压用挠性轴钻井的方法和设备

本发明涉及井眼周围的地层探测领域，利用挠性轴钻孔穿过井壁进入地层中。更确切地说，本发明涉及通过不借助挠性轴的其它方法给钻头施加力，以延长挠性轴的寿命。

钻井中使用挠性轴已经有很多年了。人们提出的许多钻井系统都使用挠性轴驱动钻头。用于油气生产工艺的一种这样的系统见于美国专利96458916(Bond)。该专利使用挠性轴，先在直井中作业，接着可以沿水平方向钻进至距离井眼很大一段距离，以扩大可探测区域。

通常，使用挠性轴的目的是克服钻井设备的空间限制。挠性轴使得井眼钻进能够到达比所钻井眼上部净空更深的地层。例如，在采煤工艺中，打在煤层顶板的锚杆孔的深度可达到煤层厚度的3倍。在油气井中，带需要垂直井壁钻孔到达比井眼内径更深的距离。这同样应用于下套管井中。在这种情况下，钻井系统要在井眼弯曲处提供一种挠性轴，以便钻进继续进行。重要的是，在下套管井里的可用空间远小于前述挠性轴应用中所需的空间。即使煤层厚三英尺，套管井的内径也只有五英寸或更小。因此，钻井设备以及挠性轴的尺寸必须足够小。

在套管井的应用中，挠性轴两端带有接头，安装于有固定曲线形状的管子中。接头使得挠性轴易于与其设备联接，例如驱动马达轴和钻头。为了实现钻进，钻头不仅需要使钻头绕中心轴旋转(以每分钟转数计或RPM)的扭矩，而且需要给所钻材料施加冲击力。这种冲击力叫做钻压或简称“WOB”。在挠性轴钻井系统中，这两种力通过柔性轴施加给钻头。挠性轴运动的分析表明，使柔性轴产生变形的扭矩、弯矩及轴向力的合力平衡。

在钢套管的钻进中，人们发现，挠性轴承受很大的轴向压力。这些力将使揉性轴产生扭曲从而缩短挠性轴的有效长度。而且，由于承受高的应力，降低了挠性轴的使用寿命。不仅钻井系统的可靠性需要挠性轴有较长的寿命，而且在取出钻井设备替换磨损的挠性轴之前，增加可钻孔的容许数目也需要挠性轴有较长的寿命。因此，降低或消除轴中的应力单元是非常重要的。

该系统的另外一个问题是钻头的钝化问题。当钻穿钢套管后，钻头要切入水泥几英寸，挠性轴必须继续施加扭矩与冲击力，尽管其值较低。而且，在许多情况下，需要继续钻进岩石，典型的如页岩、石岩或砂岩。这些岩层的一个共同组分是石英，它是一种晶体物质，比钻头的切削齿还要硬(金刚石钻头除外，它不能用来钻钢材料)。这些石英材料使钻头钝化，以致于在继续的钻进中需要较高的扭矩和钻压。

尽管这种扭矩和钻压的增加在水泥和岩石地层不会产生问题(初始扭矩和冲击力较低)，但它们会在下面的钻钢套管中产生问题。正如前面所提到的，钻钢套管所需的高冲击力会大大降低挠性轴的使用寿命。一旦钻头钝化，所需要的冲击力进一步增加。人们发现，钻穿几英寸砂岩以后，钻头发生钝化，虽然由挠性轴驱动，但是无法完成下一次钻孔。如果一个人试图施加所需的冲击力，挠性轴通常要被破坏掉。

如果在挠性轴进入所钻孔之前，钻头需要的冲击力施加给挠性轴，而不是通常情况下的施力于挠性轴的尾端，这个问题可以大大减轻。人们已经发开出许多冲击和扭矩系统，见于有关文献(G.K.德比，和J.E.比文，“煤层顶底板开发计划”，美国内务部矿务局，1978年，美国内务部图书馆)。然而，这些系统结构复杂，往往存在着可靠性问题。

而且人们发现，在挠性轴的特别应用中，如果系统只在钻进钢套管水泥和岩层时施加冲击力，则该系统的挠性轴的寿命将大大提高。即使钻头钝化，钻进水泥和岩石时增加扭矩和冲击力也不会降低挠性轴的使用寿命。

因此，需要一种系统，能够在钻进时给钻头施加较高的力而又不破坏挠性轴。

本发明的目的是提高挠性钻井轴的使用寿命。

本发明的另一个目的是降低钻井时挠性轴中的应力。

本发明的第三个目的是利用一种设备给钻头施力而不是给挠性轴的尾端施力。

本发明通过在钻头与井壁或套管接触点处施加冲击力(钻压)给地层中的钻头，来延长挠性轴的使用寿命。冲击力是通过液压活塞系统提供的。钻头及与其相接的挠性轴通过轴承相连，轴承位于轴承套或类似的装置内。轴承套与活塞相连接。在钻井时，活塞向井壁移动，因而产生冲击力，通过轴承套传递给轴承和钻头。来自活塞的力施加于钻头，使钻头钻入钢套管。该技术方案直接施力于钻头，而不是向已有技术那样，通过挠性轴施力给钻头。注意到该技术方案仍然借助挠性轴施加扭矩。

本发明通过降低峰值应力来提高挠性轴的使用寿命。峰值应力发生于钻进钢套管时。这通过为活塞系统提供一个活塞冲程，使得仅当钻头钻进钢套管时，活塞作用力才作用到钻头上。钻穿钢套管后，活塞(及轴承套和轴承)返回，通过挠性轴给钻头施力完成余下的钻井作业。

本发明的系统，结构简单，坚固，可以装于小直径工具包内下入到套管内。从扭矩和冲击力施加于挠性轴尾端这一点上看该系统极大改善了挠性轴的钻井效率。同时，该系统也克服了冲击系统及扭矩系统应用上的困难。

图1是用于下套管井内的地层探测设备简图。

图2是本发明纵向截面只有单活塞的实施例简图。

图3是本发明单活塞实施例的详细视图。

图4是本发明轴承部分的详细视图。

图5是本发明方法的流程图。

图6是本发明双活塞系统的实施例的视图。

图1表示本发明在井下地层探测器中的联接关系，该地层探测器用于在下套管井中钻孔、取样和封堵套管。该下套管井眼探测器见于与本发明同时提出而且涉及美国专利5195588的专利申请202634。本发明的核心是下套管井的钻孔。本发明在下套管井的钻孔中得到描述。在图2中，钻头1与挠性轴2相连。钻头长度大于所钻套管的壁厚，直径大于挠性轴2的直径。冲击轴承3安装于支承架4内。冲击轴承可以通过挤压钻头与挠性轴之间的钻头台肩1a给钻头施力。冲击轴承使活塞给转动的钻头施力，而不会产生过度的摩擦损失。支承架4由活塞5驱动可以沿一条平行于挠性轴的轴上下移动，活塞腔的长度6a必须稍大于套管壁厚，使得在钻进整个套管的全过程中，力可以传递到钻头。挠性轴沿具有几何形状7的导槽移动。导槽的几何形状可以是一对带钩的盘，通过钩联接在一起。导槽的几何形状使挠性轴从垂直于井眼轴线方向变为平行于井眼轴线方向。导槽7位于内腔8内，具有另外一些特点。通过挠性轴驱动钻头，能使钻孔的深度大于钻井设备内径。一种传递和驱动系统可以给图1中的挠性轴施加扭矩和冲击力。

如图3所示，活塞端面5a位于活塞腔6内，而活塞杆5b通过螺栓9与支承架4相连。支承架4与活塞腔滑动联接，因此，支承架可以随活塞的运动而运动。支承3位于支承架4内。支承还与钻头1接触。在钻井时，液压流体充满活塞腔6a。当液压流体充满活塞腔后，液压流体迫使活塞向钻头和井壁移动。活塞移动时，力作用于支承架，使支承架沿活塞移动方向移动。当活塞移动时，活塞作用力通过支承架传递给轴承3。轴承3与钻头1接触，施加同样的力给钻头，使钻头钻穿套管。钻穿套管后，活塞作用力终止，活塞返回工具腔内。为完成钻井作业，挠性轴提供所需的扭矩和冲击力。

图3中轴承3的详细情况见图4。轴承3有一个内端面10，外端面11和球体12。内端面10与钻头接触。钻头直径大于挠性轴2直径。内端面10在钻头与挠性轴之间直径差的间隙处与钻头接触。外端面11与支承架4接触。活塞5作用力通过外端面11和球体12传递到内端面10和钻头1。

一种标准的钻孔顺序为，先钻穿套管，然后是水泥环，最后是地层岩石。该顺序如图5所示。传递驱动系统通过挠性轴，使钻头以正常转速钻进(图中40)。接着，钻头与套管接触，同时向上移动传递驱动系统，如图2所示；活塞向外向右移动，如图2所示(图中41)。当钻头与套管接触后，正常切削所需的冲击力由活塞42作用到钻头背面(图中42)。通过这种方式给钻头施力，就不需要通过挠性轴施力了。但是，为使得传递系统与活塞的运动速度一致，调整系统的运动是非常必要的。这样，在钻进套管时，挠性轴既不受拉，也不受压，处于中性状态。该顺序的下一步43是钻进水泥环和地层岩石。在这些步骤中，通过传递驱动系统施加旋转和冲击力。此时通过驱动系统施加冲击力是可行的，因为所钻材料强度较低，因此挠性轴只承受较低的扭压载荷。

本发明的另一个实施例如图6所示，钻进时使用双活塞给钻头施加冲击力。这个实施例比较适合于在前述实施例中导槽几何形状受限制的场合。活塞臂15和16位于钻头相对一面。活塞臂和活塞端面5可以在活塞腔21内移动。活塞腔内是是活塞室18和18a。当前一实施例一样，钻头当当挠性轴连接轴承的内端面10，外端面11和球体12，通过支承套17把活塞作用力传递给钻头。如前所述，轴承内端面10与钻头接触。注意到接触点的钻头直径小于钻头其它部分的钻头直径。这种外径的减少使钻头与内端面10有一个接触面。外端面11直接与支承套17接触。支承套17也与活塞臂15和16接触。而且，支承套与支承腔室19滑动接触。

通过液压力伸出和缩回活塞，控制活塞的运动。在钻进时，液压流体通过22进入活塞室18，液压缸伸出。流体使活塞5向钻头移动。冲击力作用到活塞上，活塞向钻头移动，迫使支承套17向钻头移动。钻井时支承套的移动给钻头施加以冲击力。给钻头施加以冲击力后，流体流入液压缸缩回孔23。从而使活塞返回活塞室18a内。该技术方案迫使活塞远离钻头，使缸18内的液压流体流回液压缸伸出孔22。活塞密封装置内有“O”形密封圈，防止流体在腔18和18a之间流动。

通过改变所需活塞冲程或活塞腔的长度，本发明也可以在地层中延长了的深度上给钻头施以冲击力。本方法和设备与已有技术相比具有显著的优点。本发明已经在最佳实施例中得到描述。然而，本发明不限于此。任何对本发明基本设计的改变、变化和修改都不离开本发明的构思。而且，对于那些从前述技术中获益的本领域技术人员来说这些改变、变化和修改是显而易见的，所有这些改变、变化和修改都在本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1、一种挠性轴钻井系统，位于地层横截面内，钻进井眼材料，包括：

a)一个钻头，与所说的井眼材料接触；

b)一个挠性轴，与所说的钻头相连；

c)一个激励装置，与所说的挠性轴相连，钻进时转动所说的挠性轴和钻头；以及

d)一个冲击装置，直接施力于钻头，提高钻头钻进所说的所钻材料的效率，增加所说挠性轴的可靠性。

2、根据权利要求1所说的挠性轴钻井系统，所说的钻井系统安装到缆绳上下入到井内。

3、根据权利要求1所说的挠性轴钻井系统，所说的冲击装置包括：

--一个活塞，用于给所说的钻头施加冲击力；

--一个支承套，与所说的活塞相连，把所说的冲击力传递给钻头；

以及

-轴承装置，位于所说的钻头与所说的支承套之间并与之接触。

4、根据权利要求3所说的挠性轴钻井系统，所说的活塞包括一个基体和一个活塞杆，所说的活塞杆与所说的支承套相连，所说的基体位于一个腔室内，所说的活塞基体与所说的活塞腔室滑动接触。

5、根据权利要求4所说的挠性轴钻井系统，所说的挠性轴系统还包括液压流体给所说的活塞基体施加力。

6、根据权利要求5所说的挠性轴钻井系统，所说的活塞腔室有一个开口，通过开口流体可以流入和排出。

7、根据权利要求4所说的挠性轴钻井系统，所说的腔室内部被所说的活塞基体分隔形成两个活塞室。

8、根据权利要求7所说的挠性轴钻井系统，每一个活塞室至少有一个开口，通过开口，流体可以流入和流出所说的活塞室。

9、根据权利要求8所说的挠性轴钻井系统，所说的流体是液压的。

10、根据权利要求1所说的挠性轴钻井系统，所说的施加冲击的设备包括：

-至少两个活塞，给所说的钻头提供冲击力；

-一个支承套，与所说的活塞相连，传递所说的冲击力给钻头；

-轴承，位于所说的钻头和所说的支承套之间并与之接触。

11、根据权利要求10所说的挠性轴钻井系统，每一个活塞包括基体和活塞杆，所说的活塞杆与所说的支承套相连，所说的基体位于活塞腔室内，所说的基体与活塞腔室壁滑动接触。

12、根据权利要求11所说的挠性轴钻井系统，活塞腔室被活塞内部的活塞基体分隔形成两个活塞室。

13、根据权利要求12所说的挠性轴钻井系统，每个活塞室至少有一个开口，通过开口，流体可以流入和流出所说的活塞室。

14、一种钻穿材料的方法，使用的钻井系统包括一个钻头，挠性钻井轴和直接给钻头施力的装置，所说的方法包括以下步骤：

a)通过挠性轴利用旋转设备使钻头旋转；

b)使钻头与所钻材料接触；

c)直接给钻头施加所需的力，开始切削材料；以及

d)通过力直接作用到钻头上钻穿所说的材料。

15、根据权利要求14所说的钻穿材料的方法，所说的力通过活塞系统作用到所说的钻头上。

16、根据权利要求14所说的钻穿材料的方法，包括使用液压流体使活塞产生作用力作用到所说的钻头上。

17、根据权利要求14所说的钻穿材料的方法，所说的钻井系统适合于先钻进强度大的材料再钻进强度小的材料，在钻进所说的强度大的材料时，力直接作用到钻头上，在钻进所说的强度小的材料时，力通过挠性轴作用到钻头上。

18、一种钻井系统，在所说的井眼横截面上钻穿所说的井眼材料，它包括：

a)一种钻穿所说材料的钻进设备；

b)一种转动所说钻进设备的激励装置；

c)一种挠性连接装置，有两个端头，一端与所说的激励设备相连，另一端与所说的钻进设备相连，用于把激励设备的所说的旋转传递给所说的钻进设备；以及

d)一种直接给钻进设备施加力的设备，以提高挠性连接装置的钻进效率和挠性连接装置的可靠性。

19、根据权利要求18所说的钻井系统，所说的冲击装置包括：

-一个活塞，用于给所说的钻进设备施加冲击力；

-一个支承套，与所说的活塞相连，传递所说的冲击力给所说的钻进设备；以及

-轴承，位于所说的钻进设备和所说的支承套之间并与之接触。

20、根据权利要求19所说的钻井系统，所说的活塞包括一个基体和一个活塞杆，所说的活塞杆与所说的支承套相连，所说的基体位于活塞腔室内，所说的活塞基体与所说的活塞腔室壁滑动接触。

21、根据权利要求20所说的钻井系统，所说的钻井系统还包括给所说的活塞基体施加力的液压流体。

22、根据权利要求18所说的钻井系统，所说的施加冲击力的装置包括：

-至少两个活塞，给所说的钻头提供冲击力；

-一个支承套，与所说的活塞相连，传递所说的冲击力给钻头；

-轴承，位于所说的钻头和所说的支承套之间并与之接触。

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