[發(fā)明專利]一種定向井、水平井鉆柱延伸工具及其使用方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510867720.2
• 申請日: 2015-12-01
• 公開（公告）號: CN105386730A
• 公開（公告）日: 2016-03-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林敏;李維均;楊迎新;楊燕;宋東東;高翔;楊立源;趙崇升
• 申請（專利權(quán)）人: 西南石油大學(xué);成都為一石油科技有限公司
• 主分類號: E21B17/07
• 分類號: E21B17/07
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51214
• 代理人: 管高峰;錢成岑

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石油天然氣鉆探技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種定向井、水平井鉆柱延伸工具及其使用方法。

背景技術(shù)

定向井、水平井在石油天然氣鉆探中已經(jīng)越來越重要，特別是水平井技術(shù)已經(jīng)成為提高石油天然氣開采效益的重要手段。在打水平井、定向井時，由于井身傾角大、水平位移大等原因，鉆柱(或鉆具)的重力方向與鉆頭的鉆進(jìn)方向(鉆壓方向)不再平行，而是呈一個角度(鉆頭所在位置的井斜角)，這樣，鉆柱的重力只有一部分能夠作用在鉆頭的鉆進(jìn)方向上，其余部分則直接作用在井壁上，使鉆柱在鉆進(jìn)過程中的摩擦阻力相對于直井大大增加。特別是在定向滑動鉆進(jìn)過程中，摩擦阻力更大。由于摩擦阻力增大使傳遞到鉆頭上的有效鉆壓減小，托壓現(xiàn)象開始發(fā)生并越來越嚴(yán)重，鉆頭的有效工作鉆壓顯著下降(甚至可降為零)，嚴(yán)重影響鉆頭鉆速。為了減小管柱與井壁的摩擦防止托壓，現(xiàn)在采用的辦法包括之一是在鉆桿上添加微振動工具，之二是在管柱上添加滾子，變滑動摩擦為滾動摩擦。這兩種方法雖然都能在一定程度上減小管柱與井壁的摩擦，減輕托壓現(xiàn)象，但是微振動工具工作效果受井身質(zhì)量等因素的影響較大，在狗腿度過高、井壁不規(guī)則、鉆井液排量不合適等情況下，難以達(dá)到較好的防托壓效果，從而導(dǎo)致定向井、水平井(特別是大位移井)的鉆井施工效率低下，顯著增加了鉆井成本。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：提供了一種基于仿生原理的鉆柱延伸工具及其使用方法，通過模仿無脊椎動物蠕動爬行(乃至進(jìn)一步的動物鱗甲)來達(dá)到減少甚至消除托壓現(xiàn)象的目的。

本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種定向井、水平井鉆柱延伸工具，包括推動端，位于推動端鉆進(jìn)方向前方的蠕動端，以及連接于兩者之間的儲能釋能結(jié)構(gòu)，推動端和蠕動端之間設(shè)有滑動限位結(jié)構(gòu)，使推動端和蠕動端能夠在限位范圍內(nèi)相對軸向滑動，滑動限位結(jié)構(gòu)還限制推動端和蠕動端之間的相對周向轉(zhuǎn)動，儲能釋能結(jié)構(gòu)用以在軸向壓力作用下推動端與蠕動端之間相對滑動收縮時壓縮儲能，并在之后伸展釋能，從而推動蠕動端相對推動端沿鉆進(jìn)方向滑動延伸。

更具體而言，一種定向井、水平井鉆柱延伸工具(簡稱延伸工具)，包括推動端，位于推動端鉆進(jìn)方向前方的蠕動端，以及連接于兩者的儲能釋能伸縮元件，推動端和蠕動端通過滑動限位結(jié)構(gòu)相連接，滑動限位結(jié)構(gòu)用以使推動端和蠕動端之間沿鉆進(jìn)方向在限位范圍內(nèi)相對滑動，滑動限位結(jié)構(gòu)包括滑動配合面和軸向限位結(jié)構(gòu)，在滑動配合面為圓柱面時，滑動限位結(jié)構(gòu)還包括周向承扭結(jié)構(gòu)，周向承扭結(jié)構(gòu)用于保障推動端和蠕動端之間只有軸向相對滑動，而無周向相對轉(zhuǎn)動，以承受或傳遞鉆柱工作扭矩；儲能釋能結(jié)構(gòu)的伸縮元件用以推動端在鉆柱軸向力作用下與蠕動端之間相對滑動壓縮儲能，并在托壓現(xiàn)象發(fā)生或有發(fā)生趨勢時伸展釋能，，從而推動蠕動端相對推動端沿鉆進(jìn)方向滑動。

本專利的思路來源于無脊椎動物蠕動爬行。動物蠕動爬行是一種往復(fù)式的向前推移的一種爬行方式，此種爬行方式對無脊椎動物來說是一種先儲存力量(收縮)再向前釋放力量(伸展)的過程。

本專利是基于仿生思路的鉆柱延伸工具，其工作原理為：當(dāng)鉆柱軸向壓力(鉆壓)施加于推動端上時，推動端相對蠕動端滑動移動，同時推動端壓縮儲能釋能結(jié)構(gòu)(如其伸縮元件彈簧)使其自動儲能；當(dāng)鉆柱摩擦阻力過大，出現(xiàn)托壓現(xiàn)象時，延伸工具能夠適時釋能或釋放壓力，從而在原軸向壓力的基礎(chǔ)上，增加了新的克服摩阻的驅(qū)動力，推動蠕動端及所連接鉆柱沿鉆進(jìn)方向前進(jìn)，使鉆壓能夠繼續(xù)有效地施加在鉆頭上，保障鉆頭的正常鉆進(jìn)；延伸工具完成或部分完成能量釋放后，在隨后的鉆進(jìn)過程中，可通過軸向鉆壓的增加使其再次壓縮，完成重新儲能。延伸工具按照該原理周而復(fù)始地進(jìn)行儲能(壓縮)釋能(伸長)過程，從而使水平井、定向井鉆進(jìn)過程中的托壓現(xiàn)象得到有效解決甚至基本消除。

由于鉆柱摩擦阻力主要分布于傾斜或水平鉆柱上，所以，延伸工具可組合或間隔安裝在鉆柱之間使用，組合或間隔安裝的方式可以依據(jù)摩阻在鉆柱上的分布規(guī)律做優(yōu)化選擇。這樣，新的鉆柱系統(tǒng)除了具備傳統(tǒng)鉆柱的基本功能以外，還具備自動儲能并適時釋放以使其長度得以延伸(伸長)的能力，為克服托壓現(xiàn)象提供了新的技術(shù)途徑。在延伸工具儲能釋能結(jié)構(gòu)釋放能量時，蠕動端相對于推動端滑動，滑動限位結(jié)構(gòu)限制其滑動的最大位移；當(dāng)起出鉆具時，滑動限位結(jié)構(gòu)也為延伸工具提供承受反向拉伸載荷的能力。