自動防碰鑽井系統的製作方法
2023-05-26 16:21:46
自動防碰鑽井系統的製作方法
【專利摘要】本發明屬於石油工程領域，具體地，涉及一種自動防碰鑽井系統。該系統包括系統上接頭、承力傳扭筒、整流承拉頭、磁力流道控制結構、軸承定位螺母、推力體、主動流控體、固定流控體、側向力接頭、強磁塊，系統上接頭、承力傳扭筒、側向力接頭依次通過螺紋連接構成外筒體；整流承拉頭、磁力流道控制結構、軸承定位螺母通過螺紋連接構成流道控制體，磁力流道控制結構與主動流控體之間安裝有主動流控體彈簧。本發明無需採用人為方式制定防碰繞障措施或者改變原有鑽井方法，不需要增加高精尖設備，不影響其它鑽井工序的實施；可在不影響隨鑽測量的前提下精確、快速、直接的控制鑽頭行為，從而保障快速及時的對鄰井防碰做出反應及調整。
【專利說明】自動防碰鑽井系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於石油工程領域，具體地，涉及一種石油天然氣鑽井過程井眼間防碰鑽井裝置，尤其地，涉及一種自動防碰鑽井系統。
【背景技術】
[0002]目前，海洋大組叢式井及陸地老井區加密調整井的鑽探數量呈現大幅度增加趨勢，在鑽此類井的過程中，直井段施工打碰鄰井套管及斜井段發生兩井相碰的問題變得日益突出。井眼交碰導致報廢進尺並重複施工及兩井同時作廢的現象影響了施工的進度，也增加了成本。井眼防碰技術是解決該問題，減少此類事故發生的直接手段，現有井眼間防碰的技術及方法已有以下專利文獻予以批露。
[0003]中國發明專利公開說明書CN103218749A(
【公開日】2003年07月24日)提供了一種三維鑽井軌道防碰撞驗證方法；中國發明專利公開說明書CN102953722A (2003年03月06日公開)提供了一種鑽井作業中的防碰繞障方法及系統；中國發明專利公開說明書CN102373917A(2012年03月14日公開)提供了通過鄰井監測來預警從而防碰的方法。
[0004]上述專利公布的防碰技術或方法可以歸結為兩類，一類為通過掃描計算來預警防碰的方法，一類為通過信號測距來防碰的方法。通過掃描計算預警防碰的方法，需要擬合出井眼軌跡，然而擬合軌跡的過程存在諸多誤差，擬合出的軌跡存在著很大範圍的不確定性，因此該種防碰方法適用性上受到限制。通過信號測距來防碰的方法可以實現實時防碰預警，但在危險距離範圍內不能直接提供防碰繞障方案。因此亟需一種能夠實現在遇到鄰井時主動繞障來實現防碰的系統或裝置，以滿足利用密集井區內鑽井防碰的需要。
【發明內容】
[0005]為克服現有技術存在的上述缺陷，本發明提供一種自動防碰鑽井系統；該自動防碰鑽井系統利用其內部強磁塊與鄰井套管間相互作用來改變鑽井液在系統內的流道構成，利用鑽井液在鑽柱內外的壓差，推動轉動至鄰井方向的推力體從而產生與鄰井相背離的作用力，使得鑽進趨勢偏離鄰井方向，進而達到主動防碰繞障的目的。
[0006]為實現上述目的，本發明採用下述方案:
自動防碰鑽井系統，包括:系統上接頭、承力傳扭筒、整流承拉頭、磁力流道控制結構、軸承定位螺母、推力體、主動流控體、固定流控體、側向力接頭、強磁塊，系統上接頭、承力傳扭筒、側向力接頭依次通過螺紋連接構成自動防碰鑽井系統的外筒體；整流承拉頭、磁力流道控制結構、軸承定位螺母通過螺紋連接構成自動防碰鑽井系統的流道控制體；磁力流道控制結構上部通過上部軸承、上部軸承支撐體、整流承拉頭安裝於承力傳扭筒上，磁力流道控制結構下部通過下部軸承、下部軸承支承體、軸承定位螺母安裝於承力傳扭筒上，磁力流道控制結構可相對於承力傳扭筒自由旋轉；磁力流道控制結構下部通過鍵結構與主動流控體連接，磁力流道控制結構與主動流控體之間安裝有主動流控體彈簧，主動流控體可相對於流道控制體軸向滑動，並隨著流道控制體一起周向旋轉；固定流控體安裝於側向力接頭的中心頂端；主動流控體與固定流控體面接觸,主動流控體可相對固定流控體轉動。
[0007]相對於現有技術，本發明具有如下的有益效果:
1、自動防碰鑽井系統的原理簡單，無需採用人為方式制定防碰繞障措施或者改變原有鑽井方法，不需要增加高精尖設備，不影響其它鑽井工序的實施；
2、自動防碰鑽井系統不需要依據於複雜的軌跡擬合及防碰掃描計算，排除了誤差的累積及影響；
3、自動防碰鑽井系統直接與鑽頭連接，且其長度較短，可在不影響隨鑽測量的前提下精確、快速、直接的控制鑽頭行為，從而保障快速及時的對鄰井防碰做出反應及調整；
4、鑽井過程中，該系統對地面設施、鑽井管柱、鑽頭類型沒有特殊要求，施工人員的操作施工跟常規鑽井完全相同，有利於系統的推廣和使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是本發明的自動防碰鑽井系統結構示意圖；
圖2承力傳扭筒結構示意圖；
圖3是自動防碰鑽井系統A-A剖面圖；
圖4是自動防碰鑽井系統B-B剖面圖；
圖5是自動防碰鑽井系統C-C剖面圖；
圖6是自動防碰鑽井系統主動流控體俯視圖；
圖7是自動防碰鑽井系統主動流控體剖視圖；
圖8是自動防碰鑽井系統固定流控體流道分布示意圖。
[0009]圖中:1、系統上接頭，2、承力傳扭筒，3、整流承拉頭，4、上部軸承支撐體，5、磁力流道控制結構，6、強磁塊，7、下部軸承支撐體，8、下部軸承，9、軸承定位螺母，10、推力體，11、洩流噴嘴，12、推力體限位環，13、上部軸承，14、主動流控體彈簧，15、主動流控體，16、固定流控體，17、側向力接頭，201、系統上接頭連接扣，202、上部軸承支撐體安裝面，203、過流圓柱面，204、下部軸承支撐體安裝面，205、側向力接頭連接扣，501、鍵孔，1501、圓弧狀入壓流道，1502、平鍵，1601、過流流道，1701、傳壓流道，1702、鑽井液流道。
【具體實施方式】
[0010]圖1所示，自動防碰鑽井系統，包括:系統上接頭1、承力傳扭筒2、整流承拉頭3、磁力流道控制結構5、軸承定位螺母9、推力體10、主動流控體15、固定流控體16、側向力接頭17、強磁塊6。
[0011]系統上接頭1、承力傳扭筒2、側向力接頭16依次通過螺紋連接構成自動防碰鑽井系統的外筒體；整流承拉頭3、磁力流道控制結構5、軸承定位螺母9通過螺紋連接構成自動防碰鑽井系統的流道控制體；磁力流道控制結構5上部通過上部軸承13、上部軸承支撐體
4、整流承拉頭3安裝於承力傳扭筒2上，磁力流道控制結構5下部通過下部軸承8、下部軸承支承體7、軸承定位螺母9安裝於承力傳扭筒2上，磁力流道控制結構5可相對於承力傳扭筒2自由旋轉；磁力流道控制結構5下部通過鍵結構與主動流控體15連接，磁力流道控制結構5與主動流控體15之間安裝有主動流控體彈簧14，主動流控體15可相對於流道控制體軸向滑動，並隨著流道控制體一起周向旋轉；固定流控體16安裝於側向力接頭17的中心頂端；主動流控體15與固定流控體16面接觸，主動流控體15可相對固定流控體16轉動。
[0012]系統上接頭I外側的上部為圓柱面、下部為承力傳扭筒連接扣，圓柱面用於系統整體上卸扣，承力傳扭筒連接扣用於連接承力傳扭筒2 ;系統上接頭I的內側自上而下依次為:鑽具連接扣、上接頭內圓孔、擴流錐面；鑽具連接扣用於連接上部鑽具；上接頭內圓孔用於鑽井液過流；擴流錐面用增加鑽井液流道的面積。
[0013]如圖2所示，所述的承力傳扭筒2為圓柱殼體，承力傳扭筒2的外徑與系統上接頭I圓柱面的外徑相同；承力傳扭筒2的內側從上到下依次為:系統上接頭連接扣201、上部軸承支撐體安裝面202、過流圓柱面203、下部軸承支撐體安裝面204、側向力接頭連接扣205 ;系統上接頭連接扣201用於連接系統上接頭I ;上部軸承支撐體安裝面202與下部軸承支撐體安裝面204的直徑相同，且均略大於過流圓柱面203的直徑；上部軸承支撐體安裝面202用於安裝上部軸承支撐體4 ;下部軸承支撐體安裝面204用於安裝下部軸承支撐體7 ;側向力接頭連接扣205用於連接側向力接頭17。
[0014]如圖3所示，上部軸承支撐體4為圓柱體結構，上部軸承支撐體4的外徑略小於承力傳扭筒2上部軸承支撐體安裝面的內徑；上部軸承支撐體4沿著軸線方向開有支撐體內圓孔，上部軸承支撐體4沿圓周方向均布三個弧形孔，弧形孔用於鑽井介質過流；支撐體內圓孔直徑略大於磁力流道控制結構5上軸部外徑，上部軸承支撐體4用於支撐及扶正磁力流道控制結構5的上軸部。下部軸承支撐體7與上部軸承支撐體4的結構相同，亦為圓柱體結構，下部軸承支撐體7的外徑略小於承力傳扭筒2下部軸承支撐體安裝面204的內徑；下部軸承支撐體7沿著軸線方向開有支撐體內圓孔，下部軸承支撐體7沿圓周方向均布三個弧形孔，弧形孔用於鑽井介質過流；下部軸承支撐體7用於支撐及扶正磁力流道控制結構5下軸部。
[0015]上部軸承支撐體安裝面202、下部軸承支撐體安裝面204及過流圓柱面203構成的兩個臺階面分別用於定位上部軸承支撐體4及下部部軸承支撐體7在承力扭轉筒2內的位置，上部軸承支撐體4、下部軸承支撐體7固定於承力扭轉筒2內，進而定位流道控制體。
[0016]如圖1、圖3所示，所述的磁力流道控制結構5上部為上軸部、中間為磁力活動部、下部為下軸部；上軸部的頂端帶有上部螺紋，下軸部的底端帶有壓緊螺紋，下軸部沿著軸線方向開有鍵孔501 ;磁力活動部為帶有三個鍵塊的外花鍵結構，磁力活動部的整體外徑略小於承力傳扭筒2過流圓柱面的直徑，其中一個鍵塊頂端沿著鍵軸線方向開有多個圓孔，圓孔內裝有強磁塊6 ;鍵孔501為帶有平鍵槽的圓孔，平鍵槽與磁力活動部開有多個圓孔的鍵塊處於同一平面，且二者位於磁力流道控制結構軸線的兩側。
[0017]磁力流道控制結構5的上軸部與上部軸承支撐體4的支撐體內圓孔間隙配合。上部軸承支撐體4起到磁力流道控制結構5上部居中作用；整流承拉頭3與磁力流道控制結構5頂部的上軸部螺紋連接；整流承拉頭3與上部軸承支撐體4之間安裝上部軸承13，上部軸承13的作用是減小磁力流道控制結構5與上部軸承支撐體4相對運動的摩擦阻力；所述的整流承拉頭3下部為圓柱體、上部為圓弧錐體，整流承拉頭3內部設螺紋孔，整流承拉頭3軸向上定位磁力流道控制結構5。整流承拉頭3迫使鑽井循環介質流入上部軸承支撐體4的弧形孔，防止對磁力流道控制結構5構成衝蝕。
[0018]下軸部與下部軸承支撐體7間隙配合，下部軸承支撐體7起到磁力流道控制結構5下部居中作用；磁力流道控制結構5底端帶有軸承定位螺母9 ;軸承定位螺母9與下部軸承支撐體7之間安裝下部軸承8，下部軸承8的作用是減小磁力流道控制結構5與下部軸承支撐體7相對運動的摩擦阻力。軸承定位螺母9與整流承拉頭3共同作用，用於定位磁力流道控制結構5與承力傳扭筒2的相對位置，使得磁力流道控制結構5相對於承力傳扭筒2軸向上不產生相對運動。
[0019]所述的側向力接頭17為中部周向均布三個翼肋的圓柱體，圓柱體的外徑與承力傳扭筒2外徑、系統上接頭I外徑均相同；翼肋的直徑大於側向力接頭17圓柱體的外徑，但小於所鑽井眼的直徑；翼肋頂端形心部位開有推力體安裝孔，孔的頂端帶有螺紋；所述的推力體10為兩個直徑不同的圓柱體組合，直徑較大部分的直徑略小於側向力接頭17直稜凸起頂端的圓柱形孔內徑，該部位設有密封，用於扶正及密封；直徑較小部分用於與推力體限位環17配合，推力體限位環12將側向力接頭17限位於推力體安裝孔內，防止推力體10脫離側向力接頭17，直徑較小部分頂端用於為自動防碰鑽井系統提供推力；推力體10中心開有圓孔，圓孔靠近井眼環空端裝有洩流噴嘴12，用於洩壓。
[0020]側向力接頭17軸向上，距離側向力接頭17軸線較近的區域周向均勻開有三個傳壓流道1701，每個傳壓流道1701均與翼肋上的推力體安裝孔連通；距離側向力接頭17軸線較遠的區域周向均勻開有三個鑽井液流道1702，可以保證鑽井液順利流至鑽頭；側向力接頭17最底端為鑽頭連接扣，用於連接鑽頭。
[0021]所述的主動流控體15上部為細圓柱體、下部為粗圓柱體，細圓柱體的頂端帶有平鍵1502，平鍵1502與磁力流道控制結構5的鍵孔501配合，實現相對之間軸向滑動，並且二者共同轉動；在粗圓柱體上，偏向於粗圓柱體外徑方向開有圓弧狀入壓流道1501，圓弧角為180-210° ;細圓柱上套設主動流控體彈簧14 ;磁力流道控制結構5與主動流控體15連接後，主動流控體15的圓弧狀入壓流道中線與磁力流道控制結構5頂端開有多個圓柱孔的鍵塊共面。
[0022]所述的固定流控體16為一圓柱體，其直徑與主動流控體15粗圓柱體直徑相等；圓柱體上均布3個過流流道1601，過流流道1601與側向力接頭17的傳壓流道1701相貫通，固定流控體16焊接於側向力接頭17之上，以便於更換及調整固定流控體16。
[0023]自動防碰鑽井系統工作原理如下:
鑽井液流道:自動防碰鑽井系統中鑽井液經系統上接頭I的上接頭內圓孔、擴流錐面、上部軸承支撐體4弧形孔、磁力流道控制結構5磁力活動部、下部軸承支撐體7弧形孔後，流至側向力接頭17，分支為兩部分，一部分經鑽井液流道1702，流至鑽頭髮揮其正常功用，另一部分經主動流控體15圓弧狀入壓流道1501、固定流控體16過流流道1601、側向力接頭17傳壓流道1701進入側向力接頭17推力體安裝孔，從而推動推力體10相對於側向力接頭17做徑向運動，為鑽頭提供某種側向力。
[0024]當鑽進井與鄰井套管距離較遠時，自動防碰鑽井系統的流道控制體無不均衡外力作用，流道控制體與自動防碰鑽井系統的外筒體共同隨鑽柱運動，此時，主動流控體15圓弧狀入壓流道1501與固定流控體16過流流道1601位置固定，沒有或者僅有某一推力體10一直受鑽井液推力作用，沒有推力體受鑽井液作用時，自動防碰鑽井系統不對鑽頭產生任何作用；僅有某一推力體10—直受鑽井液推力作用時，推力體10對井壁周向均產生作用，不會影響鑽進趨勢，此種工況下，自動防碰鑽井系統類似於一個小接頭。[0025]當鑽進井與鄰井套管距離較近時，自動防碰鑽井系統磁力流道控制結構5頂端開有多個圓柱孔鍵塊上的強磁塊6與鄰井套管發生作用，產生引力，該引力導致強磁塊6—直指向鄰井套管方向，自動防碰鑽井系統的流道控制體相對井眼周向靜止，流道控制體與自動防碰鑽井系統的外筒體相對發生運動，此時，主動流控體15圓弧狀入壓流道1501與固定流控體16過流流道1601位置相對運動，當兩個流道連通時，鑽井液經主動流控體15圓弧狀入壓流道1501、固定流控體16過流流道1601、側向力接頭17傳壓流道1701進入側向力接頭17推力體安裝孔，從而推動推力體10相對於側向力接頭17做徑向運動，為鑽頭提供某種側向推力。因主動流控體15與自動防碰鑽井系統的流道控制體周向無相對運動，即其上的圓弧狀入壓流道一直處於靠近鄰井套管方向，所以，旋轉的固定流控體16的過流流道1601僅旋轉至鄰井套管方向時能夠與側向力接頭17傳壓流道1701進入側向力接頭17推力體安裝孔連通，從而促使自動防碰鑽井系統產生背離鄰井套管的推力；當固定流控體16的過流流道1601旋轉至鄰井套管方向相背時，鑽井液不能流入側向力接頭17傳壓流道1701，亦不能進入側向力接頭17推力體安裝孔，此時流道內無壓力，推力體10上的洩流噴嘴12實現流道中流體與環空中流體的聯通，從而使得推力體10不提供推力。
[0026]通過上述作用，當鑽進井與鄰井套管距離較遠時，自動防碰鑽井系統不對鑽頭提供力或者提供周向均勻作用的力，不改變鑽進趨勢；當鑽進井與鄰井套管距離較近時，自動防碰鑽井系統一直為鑽頭提供一個背離鄰井的推力，從而使得鑽進趨勢背離鄰井，發揮其主動防碰的作用。
【權利要求】
1.一種自動防碰鑽井系統，包括:系統上接頭、承力傳扭筒、整流承拉頭、磁力流道控制結構、軸承定位螺母、推力體、主動流控體、固定流控體、側向力接頭、強磁塊，其特徵在於:系統上接頭、承力傳扭筒、側向力接頭依次通過螺紋連接構成自動防碰鑽井系統的外筒體；整流承拉頭、磁力流道控制結構、軸承定位螺母通過螺紋連接構成自動防碰鑽井系統的流道控制體；磁力流道控制結構上部通過上部軸承、上部軸承支撐體、整流承拉頭安裝於承力傳扭筒上，磁力流道控制結構下部通過下部軸承、下部軸承支承體、軸承定位螺母安裝於承力傳扭筒上，磁力流道控制結構可相對於承力傳扭筒自由旋轉；磁力流道控制結構下部通過鍵結構與主動流控體連接，磁力流道控制結構與主動流控體之間安裝有主動流控體彈簧，主動流控體可相對於流道控制體軸向滑動，並隨著流道控制體一起周向旋轉；固定流控體安裝於側向力接頭的中心頂端；主動流控體與固定流控體面接觸，主動流控體可相對固定流控體轉動。
2.根據權利要求1所述的自動防碰鑽井系統，其特徵在於，系統上接頭外側的上部為圓柱面、下部為承力傳扭筒連接扣，圓柱面用於系統整體上卸扣，承力傳扭筒連接扣用於連接承力傳扭筒；系統上接頭的內側自上而下依次為:鑽具連接扣、上接頭內圓孔、擴流錐面。
3.根據權利要求1-2所述的自動防碰鑽井系統，其特徵在於，所述的承力傳扭筒為圓柱殼體，承力傳扭筒的外徑與系統上接頭圓柱面的外徑相同；承力傳扭筒的內側從上到下依次為:系統上接頭連接扣、上部軸承支撐體安裝面、過流圓柱面、下部軸承支撐體安裝面、側向力接頭連接扣；系統上接頭連接扣用於連接系統上接頭；上部軸承支撐體安裝面與下部軸承支撐體安裝面的直徑相同，且均略大於過流圓柱面的直徑。
4.根據權利要求1-3所述的自動防碰鑽井系統，其特徵在於，上部軸承支撐體為圓柱體結構,上部軸承支撐 體的外徑略小於承力傳扭筒上部軸承支撐體安裝面的內徑；上部軸承支撐體沿著軸線方向開有支撐體內圓孔，上部軸承支撐體沿圓周方向均布三個弧形孔，支撐體內圓孔直徑略大於磁力流道控制結構上軸部外徑；下部軸承支撐體與上部軸承支撐體的結構相同，亦為圓柱體結構，下部軸承支撐體的外徑略小於承力傳扭筒下部軸承支撐體安裝面的內徑；下部軸承支撐體沿著軸線方向開有支撐體內圓孔，下部軸承支撐體沿圓周方向均布三個弧形孔。
5.根據權利要求1-4所述的自動防碰鑽井系統，其特徵在於，上部軸承支撐體安裝面、下部軸承支撐體安裝面及過流圓柱面構成的兩個臺階面分別用於定位上部軸承支撐體及下部部軸承支撐體在承力扭轉筒內的位置，上部軸承支撐體、下部軸承支撐體固定於承力扭轉筒內。
6.根據權利要求1-5所述的自動防碰鑽井系統，其特徵在於，所述的磁力流道控制結構上部為上軸部、中間為磁力活動部、下部為下軸部；上軸部的頂端帶有上部螺紋，下軸部的底端帶有壓緊螺紋，下軸部沿著軸線方向開有鍵孔；磁力活動部為帶有三個鍵塊的外花鍵結構,磁力活動部的整體外徑略小於承力傳扭筒過流圓柱面的直徑,其中一個鍵塊頂端沿著鍵軸線方向開有多個圓孔，圓孔內裝有強磁塊；鍵孔為帶有平鍵槽的圓孔，平鍵槽與磁力活動部開有多個圓孔的鍵塊處於同一平面，且二者位於磁力流道控制結構軸線的兩側。
7.根據權利要求1-6所述的自動防碰鑽井系統，其特徵在於，磁力流道控制結構的上軸部與上部軸承支撐體的支撐體內圓孔間隙配合；整流承拉頭與磁力流道控制結構頂部的上軸部螺紋連接；整流承拉頭與上部軸承支撐體之間安裝上部軸承；所述的整流承拉頭下部為圓柱體、上部為圓弧錐體，整流承拉頭內部設螺紋孔；下軸部與下部軸承支撐體間隙配合，磁力流道控制結構底端帶有軸承定位螺母；軸承定位螺母與下部軸承支撐體之間安裝下部軸承。
8.根據權利要求1-7所述的自動防碰鑽井系統，其特徵在於，所述的側向力接頭為中部周向均布三個翼肋的圓柱體，圓柱體的外徑與承力傳扭筒外徑、系統上接頭外徑均相同；翼肋的直徑大於側向力接頭圓柱體的外徑，但小於所鑽井眼的直徑；翼肋頂端形心部位開有推力體安裝孔，孔的頂端帶有螺紋；所述的推力體為兩個直徑不同的圓柱體組合，直徑較大部分的直徑略小於側向力接頭直稜凸起頂端的圓柱形孔內徑，該部位設有密封；推力體中心開有圓孔，圓孔靠近井眼環空端裝有洩流噴嘴。
9.根據權利要求1-8所述的自動防碰鑽井系統，其特徵在於，側向力接頭軸向上，距離側向力接頭軸線較近的區域周向均勻開有三個傳壓流道，每個傳壓流道均與翼肋上的推力體安裝孔連通；距離側向力接頭軸線較遠的區域周向均勻開有三個鑽井液流道，側向力接頭最底端為鑽頭連接扣。
10.根據權利要求1-9所述的自動防碰鑽井系統，其特徵在於，所述的主動流控體上部為細圓柱體、下部為粗圓柱體，細圓柱體的頂端帶有平鍵，平鍵與磁力流道控制結構的鍵孔配合，在粗圓柱體上，偏向於粗圓柱體外徑方向開有圓弧狀入壓流道，圓弧角為180-210° ；細圓柱上套設主動流控體彈簧，磁力流道控制結構與主動流控體連接後，主動流控體的圓弧狀入壓流道中線與磁力流道控制結構頂端開有多個圓柱孔的鍵塊共面；所述的固定流控體為一圓柱體，其直徑與主動流控體粗圓柱體直徑相等；圓柱體上均布3個過流流道，過流流道與側向力接頭的傳壓流道相貫通，固定流控體焊接於側向力接頭之上。
【文檔編號】E21B21/00GK104033104SQ201410152070
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年7月15日 優先權日:2014年7月15日
【發明者】劉永旺, 管志川 申請人:中國石油大學(華東)