[發(fā)明專(zhuān)利]用于抑止鉆具粘滑振動(dòng)的自適應(yīng)限位齒控制單元和鉆頭

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810605624.4
• 申請(qǐng)日: 2018-06-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108843246A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賀振國(guó);石李保;張小寧;孔璐琳;李令東;劉新云;陶冶
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)石油天然氣股份有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): E21B10/42
• 分類(lèi)號(hào): E21B10/42;E21B10/62
• 代理公司: 北京三友知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11127
• 代理人: 朱坤鵬;王春光

本發(fā)明公開(kāi)了一種用于抑止鉆具粘滑振動(dòng)的自適應(yīng)限位齒控制單元和鉆頭，該用于抑止鉆具粘滑振動(dòng)的自適應(yīng)限位齒控制單元包括液壓缸筒(1)、下行循環(huán)管路(3)、上行循環(huán)管路(4)、活塞(5)和連桿(6)，上行循環(huán)管路(4)的過(guò)流面積大于下行循環(huán)管路(3)的過(guò)流面積，下行循環(huán)管路(3)上設(shè)有下行單向閥(11)，上行循環(huán)管路(4)上設(shè)有上行單向閥(12)。所述活塞與連桿在腔體內(nèi)可做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)鉆頭限位齒運(yùn)動(dòng)、控制限位齒伸縮。通過(guò)控制限位齒的伸縮和與切削齒的高差，使鉆進(jìn)時(shí)鉆頭吃入巖石的深度得到優(yōu)化，將有效消除或減弱鉆頭與鉆具粘滑振動(dòng)的發(fā)生，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電子元件，能夠適應(yīng)井下復(fù)雜惡劣的工作條件。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鉆井工具領(lǐng)域，具體的是一種用于抑止鉆具粘滑振動(dòng)的自適應(yīng)限位齒控制單元，還是一種含有該用于抑止鉆具粘滑振動(dòng)的自適應(yīng)限位齒控制單元的鉆頭。

背景技術(shù)

石油天然氣資源是經(jīng)濟(jì)保持持續(xù)發(fā)展、關(guān)系國(guó)家戰(zhàn)略安全的重要物資。近年來(lái)，油氣開(kāi)采已不可逆轉(zhuǎn)得走向了深部復(fù)雜地層，其顯著特點(diǎn)是硬度高、壓力高、溫度高。

PDC鉆頭是目前公認(rèn)的鉆進(jìn)效率高的破巖工具，但在深部硬地層鉆進(jìn)時(shí)易出現(xiàn)憋跳、擺動(dòng)、屈曲、粘滑振動(dòng)等有害振動(dòng)現(xiàn)象。鉆至硬地層或軟硬交互等復(fù)雜巖性地層時(shí)，鉆頭切削齒吃深過(guò)大需較大能量才能破碎巖石，此時(shí)鉆頭突然停止轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆柱扭矩增大、鉆頭內(nèi)能積聚，直至剪切破碎齒前巖石，內(nèi)能釋放使鉆頭以數(shù)倍于轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使鉆柱某中性點(diǎn)承受雙方向交替扭轉(zhuǎn)。

鉆具長(zhǎng)期發(fā)生粘滑振動(dòng)，將導(dǎo)致破巖效率下降、鉆具壽命縮短，甚至破壞井筒完整性、引發(fā)斷鉆具等嚴(yán)重事故，造成進(jìn)尺、周期與成本的浪費(fèi)。因此，尋求改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)、發(fā)展高效鉆頭是解決粘滑振動(dòng)的根本癥結(jié)，對(duì)提高鉆井效率、縮短周期、高效開(kāi)發(fā)非常規(guī)資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前對(duì)于井下鉆具有害振動(dòng)的識(shí)別判斷主要通過(guò)有限元分析、地面測(cè)量判斷、井下儀器測(cè)量等方法。近期的一些研究成果指出，鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)鉆具粘滑振動(dòng)的表現(xiàn)有顯著的影響，發(fā)生粘滑振動(dòng)的根源在于鉆頭與巖石的相互作用。由于地層的巖石力學(xué)性質(zhì)變化以及巖石的各向異性，導(dǎo)致鉆頭切削齒吃入深度的變化，進(jìn)而導(dǎo)致鉆頭破巖效率和井底運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化。

基于對(duì)粘滑振動(dòng)的研究，一些文獻(xiàn)提出了相應(yīng)的解決方法，主要有鉆井參數(shù)優(yōu)化、減震工具、鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。Kyllingstad(基林施塔得)和Hasley(哈斯利)提出減小井底靜摩擦力或控制轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速以及通過(guò)安裝井下工具來(lái)鉆頭轉(zhuǎn)速；李文飛等發(fā)明一種減震器來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鉆頭與井底的相對(duì)位置；一些新型鉆頭增加了限位齒、限位塊等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等等。

以上解決方法的應(yīng)用程度大多比較有限，雖能夠在一定程度上減弱鉆具粘滑振動(dòng)或其他有害振動(dòng)形式，但仍主要存在以下問(wèn)題：粘滑振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理不清；工具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用對(duì)象要求嚴(yán)格、局限性強(qiáng)；在減弱有害振動(dòng)的同時(shí)也嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)速度。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有鉆頭存在的粘滑振動(dòng)問(wèn)題。本發(fā)明提供了一種用于抑止鉆具粘滑振動(dòng)的自適應(yīng)限位齒控制單元和鉆頭，該用于抑止鉆具粘滑振動(dòng)的自適應(yīng)限位齒控制單元能夠帶動(dòng)鉆頭限位齒運(yùn)動(dòng)、以及控制限位齒伸縮，使鉆進(jìn)時(shí)鉆頭吃入巖石的深度得到優(yōu)化，將有效消除或減弱鉆頭與鉆具粘滑振動(dòng)的發(fā)生，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電子元件，能夠適應(yīng)井下復(fù)雜惡劣的工作條件。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種用于抑止鉆具粘滑振動(dòng)的自適應(yīng)限位齒控制單元，包括液壓缸筒、下行循環(huán)管路、上行循環(huán)管路、活塞和連桿，液壓缸筒內(nèi)含有液壓腔，液壓腔被活塞分隔為上腔室和下腔室，下行循環(huán)管路和上行循環(huán)管路均設(shè)置于液壓腔外，下行循環(huán)管路的兩端分別與上腔室和下腔室連通，上行循環(huán)管路的兩端分別與上腔室和下腔室連通，上行循環(huán)管路的過(guò)流面積大于下行循環(huán)管路的過(guò)流面積，下行循環(huán)管路上設(shè)有下行單向閥，上行循環(huán)管路上設(shè)有上行單向閥，連桿的上端與活塞連接固定，連桿的下端位于液壓缸筒外；當(dāng)活塞向下移動(dòng)時(shí)，下腔室內(nèi)的流體僅能夠通過(guò)上行循環(huán)管路進(jìn)入到上腔室內(nèi)；當(dāng)活塞向上移動(dòng)時(shí)，上腔室內(nèi)的流體僅能夠通過(guò)下行循環(huán)管路進(jìn)入到下腔室內(nèi)。