CN104563860A - 一种双级双转速钻井装置 - Google Patents

一种双级双转速钻井装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探、煤层气开发等行业领域中的一种双级双转速钻井装置，包括外壳体1、动力总成2、万向联轴器3、中心轴4、变速换向输入总成6、变速换向转换总成8、变速换向输出总成和二级钻头、一级钻头接头。该装置安装在井底钻具组合下部，利用第一级小钻头破岩速率高的特点钻出一个小尺寸导眼，由于岩石部分应力已经释放，从而降低了第二级较大尺寸钻头破岩难度，使井眼整体钻进速度得到提高，并且有利于井斜方位和粘滑振动的控制，对于提高深井、超深井钻井速度，延长钻柱及钻头使用寿命具有重要的实际意义。同时，双级双转速钻井装置还具有结构简单、操作方便、便于安装、安全可靠的优点。

Description

一种双级双转速钻井装置
技术领域
本发明涉及一种双级双转速钻井装置，属于石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探设备领域。
背景技术
随着油气田开发难度的日益加大和钻井技术的快速发展，油气田对钻井提速的要求与日俱增，特别是深井、超深井、复杂结构井（长水平段水平井、大位移井、分支井等）数量不断增加，在钻探过程中，随着钻井井深的增加，不仅钻井液柱压力对井底压持效应加剧，而且地层岩石自身的强度、垂直地应力、水平地应力等相应增加，地层岩石可钻性变差，导致机械钻速降低，不仅影响了井身质量的控制，而且严重影响到全井的钻井周期和钻井成本。
钻井实践表明，双级钻井技术利用第一级小钻头破岩速率高的特点钻出一个小尺寸导眼，然后第二级较大尺寸钻头破岩时，由于岩石的部分应力已经释放，从而降低了较大尺寸钻头破岩的难度，使得井眼整体钻进速度得到提高，并且对于井斜方位和钻具粘滑振动的控制也有一定的积极作用，是一种比较理想的钻井技术。专利201210011193.1提到一种双级双速钻井工具，这种结构虽然实现了双级钻头两种转速的功能，但仍存在以下几点不足，不能完全满足现场钻井工艺技术的要求。（1）第二级钻头与钻柱连接，旋转动力与扭矩由地面提供，第二级钻头的破岩转速提升范围有限；（2）两级钻头转向相同，不能实现两级钻头剪切破碎岩石的效果（井底岩石抗压强度>抗剪强度>抗拉强度，因此剪切破碎更有利于岩石的破碎）；（3）两级钻头切削速度差异大，导致两级钻头钻压分配不合理，难以发挥钻头高速切削钻进的优势，极易造成两级钻头磨损不均衡，影响整体钻井速度；（4）不能满足复杂结构井钻井过程中滑动钻井的工艺技术要求；（5）不能有效控制井斜方位以及钻柱的粘滑振动。因此急需设计一种能够满足现场钻井工艺的实际要求，且结构简单，性能可靠，控制精度高，操作方便的井下双级双转速钻井装置，充分发挥双级钻井技术的优势，降低钻柱振动的影响，提高井眼轨迹的控制精度，延长钻柱及钻头的使用寿命，满足油气田开发对于钻井工程提速提效的技术要求。
发明内容
本发明的目的是为了最大限度的发挥双级钻井技术在深井、超深井钻井过程中的优势，在提高钻进速度缩短钻井周期降低综合成本的同时，减少井底粘滑振动的危害提高井斜方位的控制力，延长钻柱及钻头的使用寿命，提供一种双级双转速钻井装置。
本发明的技术方案是：
一种双级双转速钻井装置包括外壳体1、动力总成2、万向联轴器3、中心轴4、变速换向输入总成6、变速换向转换总成8、变速换向输出总成和二级钻头、一级钻头接头，其中：动力总成2通过万向联轴器3连接在中心轴4的上端，中心轴4上部加工有旁通孔5，一级钻头接头19连接在中心轴4下端，变速换向输入总成6与中心轴4固定连接，变速换向转换总成8通过旋转轴9安装在外壳体1内，变速换向输出总成10与二级钻头16固定连接；变速换向输入总成6与变速换向转换总成8配合，变速换向转换总成8与变速换向输出总成10配合；二级钻头16与外壳体1和中心轴4之间均构成旋转密封配合。
上述方案还包括：
变速换向输入总成6与变速换向转换总成8以及变速换向转换总成8与变速换向输出总成10均为齿槽式配合。
外壳体1与二级钻头16之间安装承压轴承14，一级钻头接头19与变速换向输出总成10之间安装承压轴承18，一级钻头接头19外壁与二级钻头16内壁均镶嵌有耐磨片，呈交错状排列。
在变速换向输出总成10与外壳体1内壁之间设计加工有储油槽11，储油槽11中密封有耐高温高压的润滑油。
二级钻头16与外壳体1之间、变速换向输出总成10与外壳体1和中心轴4之间、变速换向输入总成6与外壳体1之间分别安装密封装置12、13、17和7，变速换向输出总成10与中心轴4之间安装轴承15。
变速换向输入总成6、变速换向转换总成8、变速换向输出总成10的齿槽比为多种组合调节结构。
本发明的双级双转速钻井装置安装在钻具组合下部，可将常规钻头或特制钻头连接在一级钻头接头上，钻井时，钻井液驱动动力总成转动，动力总成通过万向联轴器驱动中心轴转动，中心轴驱动变速换向输入总成转动，变速换向输入总成驱动变速换向转换总成转动，变速换向转换总成驱动变速换向输出总成转动，变速换向输出总成驱动二级钻头旋转，此时二级钻头的转向与中心轴不同，根据井下实际工况，可设计加工多套变速换向输入总成、变速换向转换总成、变速换向输出总成的组合，从而能够方便快捷的实现二级钻头转速与一级钻头转速相同或不同，满足不同井下环境的破岩要求。
钻井液经过动力总成后，经中心轴旁通孔到达一级钻头，并由一级钻头上的水眼喷射，完成清洗井底岩屑、冷却一级、二级钻头等功能，并进入环空上返至地面。理论数值模拟及室内实验结果表明，一级钻头领先二级钻头接触井底并破岩，且尺寸较小，破岩效率高、所需能量小，由于井底岩石中的部分应力得到释放，从而降低了二级较大尺寸钻头的破岩难度，同时两级钻头转向相反，实现了扭转剪切岩石的效果，使得整体井眼的钻井速度大幅提高。
现场全尺寸装置应用结果分析表明，新疆地区深井上部地层钻速提高74.1%，下部地层钻速提高48.6%，井斜控制良好，地面机泵能量消耗降低33.7%；四川地区深井上部地层钻速提高72.9%，下部地层钻速提高43.7%，井身质量符合设计标准，钻头磨损率降低，实现了低能耗、快钻井的目的。由于两级钻头均能够自主转动破岩，因此，一种双级双转速钻井装置能够与常规井下导向工具结合，实现复杂结构井的快速高效钻进，其最大优势在于，由于二级钻头与一级钻头转向相反，转速可调，通过精确计算、匹配合理，就能够消除井下导向工具反扭矩的影响（反扭矩是目前国内常规导向钻井技术中迫切解决的关键问题），有利于钻井工具面的稳定，提高复杂结构井（长水平段水平井、大位移井、分支井等）轨迹的控制精度。
本发明的双级双转速钻井装置对于深井、超深井、复杂结构井的高效快速钻进、井身质量的控制、延长钻头和钻具的使用寿命、降低能耗和综合成本、提高经济效益具有重要意义，同时也打破了国外在复杂结构井控制工艺方面的技术（旋转导向钻井技术）垄断，实现了利用低成本技术完成复杂结构井的目的，具有重要的社会价值和经济价值。还具有结构设计简单、性能可靠、操作方便等特点。
附图说明
图1是依据本发明所提出的一种双级双转速钻井装置实施例结构示意图。
图中：1-外壳体、2-动力总成、3-万向联轴器、4-中心轴、5-旁通孔、6-变速换向输入总成、7-密封装置、8-变速换向转换总成、9-旋转轴、10-变速换向输出总成、11-储油槽、12-密封装置、13-密封装置、14-承压轴承、15-轴承、16-二级钻头、17-密封装置、18-承压轴承、19-一级钻头接头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详细描述本发明。
实施例1
如图1，一种双级双转速钻井装置包括外壳体1、动力总成2、万向联轴器3、中心轴4、变速换向输入总成6、变速换向转换总成8、变速换向输出总成和二级钻头、一级钻头接头，其中：动力总成2通过万向联轴器3连接在中心轴4的上端，中心轴4上部加工有旁通孔5，一级钻头接头19连接在中心轴4下端，变速换向输入总成6与中心轴4固定连接，变速换向转换总成8通过旋转轴9安装在外壳体1内，变速换向输出总成10与二级钻头16固定连接；变速换向输入总成6与变速换向转换总成8配合，变速换向转换总成8与变速换向输出总成10配合；二级钻头16与外壳体1和中心轴4之间均构成旋转密封配合；。
实施例2
上述实施例1的基础上还包括：变速换向输入总成6与变速换向转换总成8以及变速换向转换总成8与变速换向输出总成10均为齿槽式配合。
外壳体1与二级钻头16之间安装承压轴承14，一级钻头接头19与变速换向输出总成10之间安装承压轴承18，一级钻头接头19外壁与二级钻头16内壁均镶嵌有耐磨片，呈交错状排列。
实施例3
在上述实施例的基础上还包括：在变速换向输出总成10与外壳体1内壁之间设计加工有储油槽11，储油槽11中密封有耐高温高压的润滑油。
二级钻头16与外壳体1之间、变速换向输出总成10与外壳体1和中心轴4之间、变速换向输入总成6与外壳体1之间分别安装密封装置12、13、17和7，变速换向输出总成10与中心轴4之间安装轴承15。
变速换向输入总成6、变速换向转换总成8、变速换向输出总成10的齿槽比为多种组合调节结构。
典型实施例4
动力总成2通过万向联轴器3连接在中心轴4的上端，中心轴4上加工有旁通孔5，变速换向输入总成6与中心轴4固定连接，变速换向转换总成8安装在外壳体1上，变速换向输出总成10与中心轴4之间安装轴承15，并与二级钻头16固定连接，变速换向输入总成6与外壳体1内壁之间安装密封装置7、变速换向输出总成10与外壳体1内壁之间安装密封装置13、二级钻头16与外壳体1外壁之间分别安装密封装置12，变速换向输入总成6与变速换向转换总成8配合，变速换向转换总成8与变速换向输出总成10配合，变速换向输出总成10与外壳体1内壁之间设计加工有储油槽11，二级钻头16与外壳体1之间安装承压轴承14，一级钻头接头19连接在中心轴4下端，一级钻头接头19与变速换向输出总成10安装承压轴承18，一级钻头接头19外壁与二级钻头16内壁均镶嵌有耐磨片。
上述实施例的装置安装在钻具组合下部，可将常规钻头或特制钻头连接在一级钻头接头上，钻井时，钻井液驱动动力总成转动，动力总成通过万向联轴器驱动中心轴转动，中心轴驱动变速换向输入总成转动，变速换向输入总成驱动变速换向转换总成转动，变速换向转换总成驱动变速换向输出总成转动，变速换向输出总成驱动二级钻头旋转，此时二级钻头的转向与中心轴不同，根据井下实际工况，可设计加工多套变速转换输入总成、变速换向转换总成、变速换向输出总成的组合，从而能够方便快捷的实现二级钻头转速与一级钻头转速相同或不同，满足不同井下环境的破岩要求。钻井液经过动力总成后，经中心轴旁通孔到达一级钻头，并由一级钻头上的水眼喷射，完成清洗井底岩屑、冷却一级、二级钻头等功能，并进入环空上返至地面。

Claims (6)

1.一种双级双转速钻井装置，其特征是包括外壳体（1）、动力总成（2）、万向联轴器（3）、中心轴（4）、变速换向输入总成（6）、变速换向转换总成（8）、变速换向输出总成和二级钻头、一级钻头接头，其中：动力总成（2）通过万向联轴器（3）连接在中心轴（4）的上端，中心轴（4）上部加工有旁通孔（5），一级钻头接头（19）连接在中心轴（4）下端，变速换向输入总成（6）与中心轴（4）固定连接，变速换向转换总成（8）通过旋转轴（9）安装在外壳体（1）内，变速换向输出总成（10）与二级钻头（16）固定连接；变速换向输入总成（6）与变速换向转换总成（8）配合，变速换向转换总成（8）与变速换向输出总成（10）配合；二级钻头（16）与外壳体（1）和中心轴（4）之间均构成旋转密封配合。
2.根据权利要求1所述的双级双转速钻井装置，其特征是：变速换向输入总成（6）与变速换向转换总成（8）以及变速换向转换总成（8）与变速换向输出总成（10）均为齿槽式配合。
3.根据权利要求1或2所述的双级双转速钻井装置，其特征是：外壳体（1）与二级钻头（16）之间安装承压轴承（14），一级钻头接头（19）与变速换向输出总成（10）之间安装承压轴承（18），一级钻头接头（19）外壁与二级钻头（16）内壁均镶嵌有耐磨片，呈交错状排列。
4.根据权利要求3所述的双级双转速钻井装置，其特征是：在变速换向输出总成（10）与外壳体（1）内壁之间设计加工有储油槽（11），储油槽（11）中密封有耐高温高压的润滑油。
5.根据权利要求4所述的双级双转速钻井装置，其特征是：二级钻头（16）与外壳体（1）之间、变速换向输出总成（10）与外壳体（1）和中心轴（4）之间、变速换向输入总成（6）与外壳体（1）之间分别安装密封装置（12）、（13）、（17）和（7），变速换向输出总成（10）与中心轴（4）之间安装轴承（15）。
6.  根据权利要求5所述的双级双转速钻井装置，其特征是：变速换向输入总成（6）、变速换向转换总成（8）、变速换向输出总成（10）的齿槽比为多种组合调节结构。
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