CN204457496U - 一种井下步进式钻压加载器 - Google Patents

Abstract

一种井下步进式钻压加载器，可用于大位移井、水平井、连续管钻井等过程中为钻头施加近乎连续的钻压，具体包含：中空管道、推力活塞、锚固缸、液压管线、液压腔、挡板，控制中心，其中中空管道内部设置有液压管线；在控制中心的作用下，锚固缸上的推靠臂能做伸出或收回动作，伸出后支撑在井壁上，将锚固缸固定住，中空管道在液压作用下相对锚固缸向前推进，从而为钻头施加钻压；推靠臂收回后，锚固缸可沿中空管道滑动回到初始位置。前后两组锚固缸交替动作可实现为钻头近乎连续的施加钻压。该钻压加载器可在不影响原有钻压的前提下为钻头提供高达25～40kN的额外钻压。

Description

一种井下步进式钻压加载器

技术领域

本实用新型涉及石油天然气钻井领域，尤指一种井下步进式钻压加载器及其控制方法。

背景技术

常规油气钻井过程中，钻头在钻柱重力所形成的钻压作用下破碎岩石形成井眼，但在大位移井、水平井等特殊工艺井施工过程中，钻柱重力的传递将由于井壁的摩阻而大打折扣，有效施加于钻头的钻压极为有限，导致破岩钻进效率降低，钻时延长，既增加了钻井成本，也一定程度上增大了井下事故的几率。另外，新兴钻井技术——连续管钻井以其快速移运装备、高效作业工艺、短半径水平井钻进等优势引起业界关注，然而柔性的连续管难以为钻头施加钻压，目前只能采用连续管连接常规钻具的方式进行施工，限制了这一技术的发展。

为解决上述问题，业界提出了井下加钻压的方法。最常见的是采用水力加压器(也称水力推进器)加钻压，其基本原理是在钻头与钻铤之间增加了一个活塞缸，活塞缸的缸体与钻铤相连，活塞与钻头相连。钻井液流经水力加压器时，活塞在液压作用下伸长，有望为钻头提供额外的钻压。中国专利CN 203394364中提出的一种钻井用水力推进器即采用了这种原理。但因钻柱(尤其是连续管)自身的柔性，液压产生的反力很可能仅仅使钻柱发生挠曲变形，而无法形成有效的钻压。另一种方法是采用井下爬行器为钻头加钻压。爬行器的一部分与井壁接触，形成摩擦力；另一部分连接钻头，摩擦力的反力形成钻压加载到钻头上。上世纪90年代后期，国外许多公司相继开发了多种规格型号的爬行器，主要包括：丹麦Welltec公司Well Tractor轮式爬行器，英国Sondex有限公司的Sondex轮式爬行器，法国Schlumberger公司的MaxTRAC伸缩式爬行器、美国Omega公司的机械式爬行器，不过，上述爬行器主要用于电缆测井过程中向井底送入测井工具并牵引电缆前行，牵引力为2～5kN。一方面这类爬行器所提供的轴向力(即牵引力)过小，不能作为钻压(常规钻井一般为50～100kN) 使用；另一方面这类爬行器受限于其机械结构，仅可在套管内使用，无法用于实际的钻井过程。2012年，美国Western Well Tool公司推出了CT Tractor伸缩式爬行器，最高可提供约65kN牵引力，远高于市场上的同类产品。该公司主要是通过这种爬行器为连续管钻井提供钻压，至今已进行了多次现场试验，获得了理想结果。

为了区别于常规爬行器，本实用新型中将能够提供较大钻压的这类爬行器(如CT Tractor)称为井下钻压加载器。

国内对井下钻压加载器的研究起步较晚，目前主要集中在大直径井眼的轮式爬行器上，且尚未形成成熟技术。2013年侯学军等在《微小井眼电机驱动CT牵引器控制***设计》文中提出了与Tractor相类似的爬行器结构设计，采用电动机驱动爬行器做伸缩运动，设计牵引力10kN，与实际需求相差较大。

近年来，随着大位移井、水平井、连续管钻井的推广，油气钻井行业对于井下加钻压的技术需求呼声越来越高。然而，国外一直处于技术垄断状态，国内科研机构仅做理论研究和少量样机试制，难以适应钻井技术未来的发展趋势。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种井下步进式钻压加载器及其控制方法，用于大位移井、水平井、连续管钻井等过程中为钻头施加额外的钻压。

为达到上述目的，本实用新型所提供的井下步进式钻压加载器具体如下：一中空管道，在所述中空管道外表面上滑动固定有第一推力活塞和第二推力活塞；所述第一推力活塞上套设置有第一锚固缸，所述第一锚固缸连接有第五液压管线，用于根据液压变化释放推靠臂，固定所述第一推力活塞；所述第二推力活塞上套设置有第二锚固缸，所述第二锚固缸连接有第六液压管线，用于根据液压变化释放推靠臂，固定所述第二推力活塞；所述第一推力活塞和第二推力活塞上内分别设置有第一液压腔和第二液压腔；所述第一液压腔内垂直于中空管道外表面的两侧壁之间设有一第一挡板，所述第一挡板固定设置在所述中空管道上，用于根据液压腔内液压带动所述中空管道移动；所述第二液压腔内垂直于中空管道外表面的两侧壁之间设有一第二挡板，所述第二挡板固定设置在所述中空管道上，用于根据液压腔内液压带动所述中空管道移动；所述第一液压腔内垂直于中空管道外表面的两侧壁上分别设置有第一液压管线和第二液压管线；所述第二液压腔内垂直于中空管道外表面的两侧壁上分别设置有第三液 压管线和第四液压管线；所述中空管道内部设置有液压管线；所述第一推力活塞与第二推力活塞之间的所述中空管道外表侧上设有控制中心，用于控制所述液压管线输入输出液压油；所述第一液压管线设置于较控制中心远端的侧壁上，所述第二液压管线设置于较控制中心近端的侧壁上；所述第四液压管线设置于较控制中心远端的侧壁上，所述第三液压管线设置于较控制中心近端的侧壁上；所述第二液压管线与所述第四液压管线相连。

在本实用新型一优选的实施例中，还包含：所述第一锚固缸与所述第五液压管线相接侧和所述第二锚固缸与所述第六液压管线相接侧分别设置有液压附腔，所述液压附腔内设置有通孔，用于与所述液压管线相连，供液压油流通；所述第一锚固缸和所述第二锚固缸与中空管道接触的相对侧上沿径向均布至少两个推靠腔，所述推靠腔用于安装所述推靠臂。

在本实用新型一优选的实施例中，还包含：所述第一推力活塞和第二推力活塞的外表侧上还分别设置有第一位移开关与第二位移开关，用以检测当前位置。

在本实用新型一优选的实施例中，还包含：所述控制中心包含：储油腔、液压泵、电磁阀、液压管线；所述储油腔，用于存放或输出液压油；所述液压泵，用于抽取所述储油腔内液压油至液压管线或通过液压管线抽取液压油至所述储油腔；所述电磁阀，用于根据指令开通或闭合液压管线。

在本实用新型一优选的实施例中，还包含：所述电磁阀包含：主换向阀、推靠臂换向阀和补油阀；所述主换向阀为三位四通阀，用于控制液压油进出锚固缸；所述推靠臂换向阀为两位四通阀，用于控制液压油进出所述推靠腔；所述补油阀为两位两通阀，用于控制液压油分别输入输出至第一液压腔与第二液压腔。

在本实用新型一优选的实施例中，还包含：所述第一液压管线和第二液压管线分别设置在所述第一液压腔的两端侧壁上，用于当第一挡板与侧壁相贴合时也可输入液压油；所述第三液压管线和第四液压管线分别设置在所述第二液压腔的两端侧壁上，用于当第二挡板与侧壁相贴合时也可输入液压油。

在本实用新型一优选的实施例中，还包含：所述第一液压腔与第二液压腔内设置有阻挡件，所述阻挡件固定在第一液压腔与第二液压腔内壁上，用于当防止第一挡板和第二挡板与第一液压腔和第二液压腔的侧壁相贴合。

本实用新型的有益技术效果在于：本实用新型适用大位移井、水平井和连续管钻 井作业过程中从井下为钻头施加额外的钻压。相对于常规爬行器，其优势在于：(1)提供约25～40kN推力，满足钻井过程中钻压需求，远高于常规爬行器；(2)采用相互独立的推靠臂支撑井壁，更容易适应裸眼复杂的井壁结构，可提供有效支撑；(3)将两个液压腔连接，一方面可实现前后两组锚固缸快速切换，为钻头提供近乎连续的钻压；另一方面保证前第一锚固缸相对推力活塞的位置始终相反，避免钻压加载时锚固缸的误动作。

附图说明

图1是本实用新型所提供的井下步进式钻压加载器的截面示意图。

图中，1.地层，2.中空管道，3.第一锚固缸，4.推靠臂，5.推靠腔，6.第一挡板，7.控制中心，8.第二锚固缸，9.推靠臂，10.推靠腔，11.第二挡板，12.中空管道通孔，13.井筒环空

图2是图1中A-A断面图。

图中，2.中空管道，3.第一锚固缸，4.推靠臂，14.推靠腔的液压管线，15、16、17.第五液压管线

图3是本实用新型所提供的井下步进式钻压加载器电液控制原理图。

图中，18.第一液压腔挡板左侧，19.第一液压腔挡板右侧，20.第一位移开关，21.第二液压腔挡板左侧，22.第二液压腔挡板右侧，23.第二位移开关，24、25、26.液压管路，27.两位四通阀，28.单向阀，29、30、31.液压管路，32.溢流阀，33.单向阀，34.定量泵，35.电动机，36.液压管线，37.两位两通阀，38.三位四通阀，39、40、41、42、43.液压管线

图4A～图4F为井下步进式钻压加载器控制方法流程图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参考图1所示，图1为本实用新型所提供的井下步进式钻压加载器具体如下：一中空管道2，在所述中空管道2外表面上滑动固定有第一推力活塞和第二推力活塞1；所述第一推力活塞上套设置有第一锚固缸3，所述第一锚固缸3连接有第五液压管线(未图示)，用于根据液压变化释放推靠臂4，固定所述第一推力活塞；所述第二推力活塞上套设置有第二锚固缸8，所述第二锚固缸8连接有第六液压管线(未图示)，用于根据液压变化释放推靠臂，固定所述第二推力活塞；所述第一推力活塞和第二推力活塞上内分别设置有第一液压腔和第二液压腔；所述第一液压腔内垂直于中空管道外表面的两侧壁之间设有一第一挡板6，所述第一挡板6固定设置在所述中空管道2上，用于根据液压腔内液压带动所述中空管道2移动；所述第二液压腔内垂直于中空管道2外表面的两侧壁之间设有一第二挡板11，所述第二挡板11固定设置在所述中空管道2上，用于根据液压腔内液压带动所述中空管道2移动；所述第一液压腔内垂直于中空管道2外表面的两侧壁上分别设置有第一液压管线和第二液压管线；所述第二液压腔内垂直于中空管道2外表面的两侧壁上分别设置有第三液压管线和第四液压管线；所述中空管道2内部设置有液压管线；所述第一推力活塞与第二推力活塞之间的所述中空管道2外表侧上设有控制中心7，用于控制所述液压管线输入输出液压油；所述第一液压管线设置于较控制中心7远端的侧壁上，所述第二液压管线设置于较控制中心近端的侧壁上；所述第四液压管线设置于较控制中心7远端的侧壁上，所述第三液压管线设置于较控制中心近端的侧壁上；所述第二液压管线与所述第四液压管线相连。

在上述实施例中，优选还可包含：在所述第一锚固缸3与所述第五液压管线相接侧和所述第二锚固缸与所述第六液压管线相接侧分别设置有液压附腔，所述液压附腔内设置有通孔，用于与所述液压管线相连，供液压油流通；所述第一锚固缸和所述第二锚固缸与中空管道接触的相对侧上沿径向均布至少两个推靠腔5，所述推靠腔5用于安装所述推靠臂9。

请参考图3所示，在上述实施例中，优选还可包含：所述第一推力活塞和第二推力活塞的外表侧上还分别设置有第一位移开关20与第二位移开关23，用以检测当前位置。

在上述实施例中，所述控制中心还包含：储油腔、液压泵、电磁阀、液压管线；所述储油腔，用于存放或输出液压油；所述液压泵由定量泵34与电动机35构成，用 于抽取所述储油腔内液压油至液压管线或通过液压管线抽取液压油至所述储油腔；所述电磁阀38、37、27，用于根据指令开通或闭合液压管线。

在上述实施例中，优选还可包含：所述电磁阀包含：主换向阀、推靠臂换向阀和补油阀；所述主换向阀为三位四通阀，用于控制液压油进出锚固缸3、8；所述推靠臂换向阀为两位四通阀，用于控制液压油进出所述推靠腔5、10；所述补油阀为两位两通阀，用于控制液压油分别输入输出至第一液压腔与第二液压腔。

在上述实施例中，优选还可包含：所述第一液压管线和第二液压管线分别设置在所述第一液压腔的两端侧壁上，用于当第一挡板与侧壁相贴合时也可输入液压油；所述第三液压管线和第四液压管线分别设置在所述第二液压腔的两端侧壁上，用于当第二挡板与侧壁相贴合时也可输入液压油；以此防止，侧壁与挡板贴合时无法向液压腔内输入改变液压。

在上述实施例中，优选还可包含：所述第一液压腔与第二液压腔内设置有阻挡件，所述阻挡件固定在第一液压腔与第二液压腔内壁上，用于当防止第一挡板和第二挡板与第一液压腔和第二液压腔的侧壁相贴合；以此防止，侧壁与挡板贴合时无法向液压腔内输入改变液压。

请参考图4A到图4F，其为在本实用新型一优选的实施例中所提供一种上述加载器的控制方法流程图，具体包含：控制中心7，根据第一控制信号向第六液压管线输入液压油，释放第二锚固缸上的推靠臂，致使第二推力活塞固定在当前位置；同时控制中心向第三液压管线输入液压油，致使第二液压腔内液压增加，第二挡板根据液压增加带动中空管道移动；第二液压腔内原有的液压油在第二挡板移动的同时通过第四液压管线移动至第二液压管线中并输出到第一液压腔内，第一推力活塞根据与第一挡板之间的液压沿中空管道移动方向移动；控制中心，根据第二控制信号向第五液压管线输入液压油，释放第一锚固缸上的推靠臂，致使第一推力活塞固定在当前位置；同时控制中心向第一液压管线输入液压油，致使第一液压腔内液压增加，第一挡板根据液压增加带动中空管道移动；第一液压腔内的液压油在第一挡板移动的同时通过第二液压管线移动至第四液压管线中并输出到第二液压腔内，第二推力活塞根据与第二挡板之间的液压沿中空管道移动方向移动。

在上述实施例中，第二位移开关检测到当前位置已达预定位置时发出所述第一控制信号；在第一位移开关检测到当前位置已达预定位置时发出所述第二控制信号。

在实际工作中，业者可根据如下设置，实现本实用新型的上述技术效果，具体如下：

请参阅图1至图3，其为本实用新型所提供的井下步进式钻压加载器及其控制方法，用于大位移井、水平井、连续管钻井等过程中为钻头施加额外的钻压，主要结构包括中空的细长中空管道2，中空管道外径90mm，固定安装于中空管道2上的第一推力活塞和第二推力活塞，以及第一锚固缸3和第二锚固缸8，锚固缸分别套装于两个推力活塞上。锚固缸液压腔内径150mm。推力活塞与中空管道采用滑动设置，如滑槽等，本实用新型在此并不做限制；推力活塞内锚固缸和液压腔之间设置密封圈，可采用易拆装的橡胶密封件。挡板将液压腔分成两部分，按每部分的功能分别称为推力腔和复位腔，为更清楚的解释本实用新型所提供的实施例，在后述的解释中，以推力腔和复位腔代表液压腔内挡板的左右腔式，在推力腔中充入液压油时，中中空管道将受到向前的推力(即额外的钻压)从而推动钻头向前移动；复位腔中充入液压油时，锚固缸将沿中空管道向前滑动直至最大行程。第一锚固缸3和第二锚固缸8的复位腔由液压管线24相连通。第一锚固缸3与第二锚固缸8之间安装电液控制中心7，控制中心也可置于第一锚固缸3的后侧或第二锚固缸8的前侧，但这两种布置方式都将延长液压管线的长度，无谓地增大加工难度，故本实施例将控制中心置于第一锚固缸与第二锚固缸之间。控制中心中设置有储油腔，并固定安装有液压泵34、电磁阀27、37、38等，形成一套完整的液压源，可按照设定的顺序为锚固缸供油。控制中心输出油压控制在4MPa左右，那么推力活塞将获得约45kN轴向推力，即4.5t钻压。控制中心的电动机35的供电可由电池或井下发电机实现，功率小于1kW。

在上述实施例中，本实用新型的工作原理为：钻压加载器工作过程中，第一锚固缸3和第二锚固缸8两相交替，其中一个锚固缸位于活端极限位置时，另一个锚固缸必定位于前端极限位置。通过锚固缸的相互交替运动，可为钻头施加近乎连续的轴向力，即钻压。请图4A至图4F示例，该组图解释了钻压加载器的基本工作流程。图4A为钻压加载器随钻头刚下放至井底的状态，此时第一推力活塞处于后端极限位置，第二推力活塞处于前端极限位置，第一锚固缸与第二锚固缸均未张开。图4B所示，地面泵开泵后，控制中心获得压力信号后开始工作(或者井下发电机开始工作后，控制中心获得电力，开始工作)，由于第一推力活塞已经达到前端极限，触发位移开关，控制中心首先使两位四通阀27的4DT得电，切换至左位，液压油进入第二液压腔挡 板左侧，使第二推力活塞推出推靠臂并支撑到井壁上。若第二推力活塞到达前端极限，则控制中心将使两位四通阀27的5DT得电，保持为右位，液压油将进入第一液压腔挡板左侧。若第一推力活塞和第二推力活塞均未到达前极限位置，则启动时控制中心将保持两位四通阀27的5DT得电，并为第一推力活塞充入液压油。图4C所示，第二推力活塞的推靠臂牢固支撑到井壁上后，三位四通阀38的2DT得电，液压油进入第二锚固缸的推力腔21，因第二锚固缸被固定，中空管道2在液压油的压力作用下逐渐向前移动，为钻头施加钻压，直至第二推力活塞达到前端极限位置。这时第二锚固缸的位移开关被触发，并发信号给控制中心。在中空管道向前推进过程中，第二锚固缸复位腔22中的液压油经液压管线24进入第一锚固缸的复位腔19中，第一锚固缸向前移动直至后端极限位置。图4D所示，控制中心收到第二锚固缸的信号后，三位四通阀38切换至中位，两位四通阀27切换至右位，液压油进入第一液压腔挡板左侧，第一推力活塞推出推靠臂，支撑在井壁上。第二推力活塞收回推靠臂至第二液压腔挡板左侧的推靠腔内，其中的液压油返回控制中心的储油腔。图4E所示，第一推力活塞支撑在井壁上，三位四通阀38切换至右位，液压油进入第一锚固缸的推力腔18，推动第一挡板向前移动继续为钻头施加钻压。在第一挡板向前移动的同时，第一锚固缸复位腔中19的液压油经液压管线24进入第二锚固缸复位腔22中。第一推力活塞向前移动直至前端极限位置，触发位移开关。图4F所示，控制中心收到第二锚固缸的信号后，三位四通阀38切换至中位，两位四通阀27切换至左位，液压油进入第二液压腔挡板左侧，第二推力活塞推出，支撑在井壁上。第一推力活塞收回推靠臂至推靠腔内，其中的液压油返回控制中心的储油腔。此时图4F实际上已经回到了图4B的状态，钻压加载器接下去将按照图4B——图4C——图4D——图4E——图4F——图4B的顺序做周期性动作，为钻头提供近乎连续的钻压。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种井下步进式钻压加载器，其特征在于，所述加载器包含：

一中空管道，在所述中空管道外表面上滑动固定有第一推力活塞和第二推力活塞；

所述第一推力活塞上套设置有第一锚固缸，所述第一锚固缸连接有第五液压管线，用于根据液压变化释放推靠臂，固定所述第一推力活塞；

所述第二推力活塞上套设置有第二锚固缸，所述第二锚固缸连接有第六液压管线，用于根据液压变化释放推靠臂，固定所述第二推力活塞；

所述第一推力活塞和第二推力活塞上内分别设置有第一液压腔和第二液压腔；

所述第一液压腔内垂直于中空管道外表面的两侧壁之间设有一第一挡板，所述第一挡板固定设置在所述中空管道上，用于根据液压腔内液压带动所述中空管道移动；

所述第二液压腔内垂直于中空管道外表面的两侧壁之间设有一第二挡板，所述第二挡板固定设置在所述中空管道上，用于根据液压腔内液压带动所述中空管道移动；

所述第一液压腔内垂直于中空管道外表面的两侧壁上分别设置有第一液压管线和第二液压管线；

所述第二液压腔内垂直于中空管道外表面的两侧壁上分别设置有第三液压管线和第四液压管线；

所述中空管道内部设置有液压管线；所述第一推力活塞与第二推力活塞之间的所述中空管道外表侧上设有控制中心，用于控制所述液压管线输入输出液压油；

所述第一液压管线设置于较控制中心远端的侧壁上，所述第二液压管线设置于较控制中心近端的侧壁上；

所述第四液压管线设置于较控制中心远端的侧壁上，所述第三液压管线设置于较控制中心近端的侧壁上；所述第二液压管线与所述第四液压管线相连。

2.根据权利要求1所述的井下步进式钻压加载器，其特征在，所述第一锚固缸与所述第五液压管线相接侧和所述第二锚固缸与所述第六液压管线相接侧分别设置有液压附腔，所述液压附腔内设置有通孔，用于与所述液压管线相连，供液压油流通；所述第一锚固缸和所述第二锚固缸与中空管道接触的相对侧上沿径向均布至少两个推靠腔，所述推靠腔用于安装所述推靠臂。

3.根据权利要求1所述的井下步进式钻压加载器，其特征在，所述第一推力活塞和第二推力活塞的外表侧上还分别设置有第一位移开关与第二位移开关，用以检测当前位置。

4.根据权利要求2所述的井下步进式钻压加载器，其特征在，所述控制中心包含：储油腔、液压泵、电磁阀、液压管线；

所述储油腔，用于存放或输出液压油；

所述液压泵，用于抽取所述储油腔内液压油至液压管线或通过液压管线抽取液压油至所述储油腔；

所述电磁阀，用于根据指令开通或闭合液压管线。

5.根据权利要求4所述的井下步进式钻压加载器，其特征在，所述电磁阀包含：主换向阀、推靠臂换向阀和补油阀；

所述主换向阀为三位四通阀，用于控制液压油进出锚固缸；

所述推靠臂换向阀为两位四通阀，用于控制液压油进出所述推靠腔；

所述补油阀为两位两通阀，用于控制液压油分别输入输出至第一液压腔与第二液压腔。

6.根据权利要求1所述的井下步进式钻压加载器，其特征在，所述第一液压管线和第二液压管线分别设置在所述第一液压腔的两端侧壁上，用于当第一挡板与侧壁相贴合时也可输入液压油；

所述第三液压管线和第四液压管线分别设置在所述第二液压腔的两端侧壁上，用于当第二挡板与侧壁相贴合时也可输入液压油。

7.根据权利要求1所述的井下步进式钻压加载器，其特征在，所述第一液压腔与第二液压腔内设置有阻挡件，所述阻挡件固定在第一液压腔与第二液压腔内壁上，用于当防止第一挡板和第二挡板与第一液压腔和第二液压腔的侧壁相贴合。