液氣相鑽井介質轉盤驅動地質導向鑽井系統的製作方法

2023-06-07 16:40:16

專利名稱：液氣相鑽井介質轉盤驅動地質導向鑽井系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於石油鑽探工程的鑽井系統，屬石油鑽井技術類。
背景技術：
採用欠平衡鑽井工藝技術鑽探水平井、大位移井等是油田開發的需要。水平井和 大位移井從造斜點開始到進入油層前，有一大斜度井段需要定向鑽進，然後是進入油層的 水平段的鑽進。 一般在大斜度井段用純液相鑽井介質(純泥漿)，理想的配套工具儀器是泥 漿脈衝型無線隨鑽測量儀和螺杆鑽具；進入油層的水平段後採用氣液混合介質或純氣相鑽 井介質，相應配套工具儀器是電磁波型無線隨鑽測量儀加空氣螺杆鑽具。如果從造斜點開 始就使用氣體鑽井介質和電磁波型無線隨鑽測量儀鑽進施工，則在大斜度井段由於氣體鑽 井成本遠高於常規定向井鑽井，使該井段鑽井成本增加。在大斜度井段，如果用純液相泥漿 介質配電磁波型無線隨鑽測量儀鑽進施工，則因電磁波型無線隨鑽測量儀的信號易被電介 質很強的泥漿吸收，影響信號的穩定性。雖然可用操作複雜的測量技術及採用大功率電源 的支持來完成測量，但對於電磁波型無線隨鑽測量儀來說同樣是增加了成本。最終增加了 鑽井成本。而且，無線隨鑽測量儀加螺杆鑽具的鑽進過程中鑽具處於滑動鑽進狀態，在該狀 態下井眼環空鑽井介質得不到攪拌，巖屑容易沉澱，產生橋塞，從而引起鑽井事故。在水平 井段，為了有選擇性地在地層中穿越，理想情況下需對所鑽地層進行自然伽瑪和電阻率測 量，而常規無線隨鑽測量儀只有自然伽瑪參數測量，沒有電阻率參數測量。上述問題對欠平 衡鑽井工藝技術的應用造成不良影響。

發明內容
本發明的目的在於提供一種既可使用純液相也可使用純或氣相或氣液混合介質、 既可轉盤定向鑽進又可隨鑽測量地層自然伽瑪和電阻率的液氣相鑽井介質轉盤驅動地質 導向鑽井系統。 本發明的技術方案如下此種鑽井系統包括地面和井下兩大部分。其中地面部分 由井架、鑽臺、防噴器、防噴器電極、地電極、電導線、立管壓力傳感器、鑽臺司鑽顯示器、鑽 臺通信電纜、信號處理接口箱、標準串行通信電纜和通用計算機組成；地面部分的主要任務 是經防噴器電極和地電極檢測到的井下發來的參數信號以及立管壓力傳感器檢測到的立 管壓力信號通過電導線和鑽臺通信電纜傳至信號處理接口箱，再經信號處理接口箱處理後 的鑽井參數信號經由標準串行通信電纜傳送至通用計算機進行運算處理，最終將結果進行 顯示、存儲和列印。其中將另一部分鑽井參數送鑽臺司鑽顯示器供鑽臺參考。地面部分的 另一個任務是通過泵的開與關，轉盤的轉動與靜止向井下傳送命令，以改變井下儀器向地 面發送信號的方式。改變發送信號方式的好處在於可將當前急需的主要參數快傳多傳，不 需要的參數可少傳或不傳，提高信號效率有利鑽井施工。向井下傳送命令的方法是先停泵 (或轉盤靜止) 一分鐘以上，然後開泵(或轉盤轉動)40秒，然後再停泵(或轉盤靜止)40 秒，這樣重複兩次再連續開泵(或轉盤轉動)設為方式一，如此重複三次後再連續開泵(或轉盤轉動)設為方式二，以此類推可進行兩種以上的方式編排。井下儀器接收該信號是通 過振動傳感器，當地面開泵或轉盤轉動時井下振動傳感器都能檢測到振動信號，由於傳送 命令的編排方式是通過設計約定好的，因此井下儀器接到相應的命令就會按當前命令方式 向地面發送信號。 井下部分由井下隨鑽定向工具和井下隨鑽定向儀器組成，其中，井下隨鑽定向工 具由發電機短鑽鋌與穩定器用絲扣聯接成井下隨鑽定向工具外筒，筒內從上向下順序連接 的是發電機定子、發電機轉子、發電機、電動機、變速機、偏心軸、軸承、上支撐環、上球面掛 環、傳動銷、下球面掛環、下支撐環、頂緊螺環、圓周擺筒和鑽頭，其中變速機與穩定器之間 用緊固螺栓固定。當鑽井介質在地面泵驅動下通過發電機定子轉子時，發電機就會產生電 能，該電能一小部分供井下隨鑽定向儀器使用，大部分用來驅動電動機，電動機受井下隨鑽 定向儀器控制將高速旋轉通過變速機變成低速旋轉，將小扭距變成大扭距來驅動偏心軸， 偏心軸的軸心與主軸心有一定偏移而且成一 13角，並通過軸承與圓周擺筒的上端嚙合，圓 周擺筒的下端與鑽頭相接，圓周擺筒的中段擺心通過傳動銷與穩定器連結。轉盤帶動井下 鑽具轉動時，穩定器通過傳動銷帶動圓周擺筒及與之相接的鑽頭旋轉；設其轉向為順時針， 轉速為N;另一方面，受井下隨鑽定向儀器控制的電動機通過變速機驅動偏心軸及與之相 接的圓周擺筒帶動鑽頭作圓周擺動，設鑽頭的圓周擺動方向為逆時針，圓周擺速為M，則當 M二N時，由於圓周擺筒的軸心與鑽柱軸心成一 13角，並在以井眼作參照的情況下，該13角 在井眼的某一方向上將保持不變，這種空間狀態與具有13角度的彎殼體螺杆鑽具在滑動 鑽進過程所處空間狀態一致，因此該井下隨鑽定向工具具有定向功能。 井下隨鑽定向儀器內部儀器部分由感應測量儀、自然伽瑪測量儀、氣體與振動測 量儀、定向測量儀、電池筒、泥漿脈衝發生器和電磁波脈衝發生器組成。外部的感應測量短 鑽鋌下端與發電機短鑽鋌絲扣相連，上端分別與調整短鑽鋌和定向測量短鑽鋌順序用絲扣 相連，感應測量短鑽鋌的外側在軸向上設置四個感應測量線圈，線圈通過線圈絕緣環固定 在感應測量短鑽鋌上，感應測量短鑽鋌的內部從上往下相連的是氣體與振動測量儀、自然 伽瑪測量儀和感應測量儀，感應測量儀的下端通過電接觸環與發電機定子相連，電接觸環 的側面用定位螺栓固定在發電機短鑽鋌上，氣體與振動測量儀的上端通過電接觸環和扶正 器分別與定向測量儀和電池筒相連。其中，電池筒的作用是在無鑽井介質流動，鑽具處於靜 態狀況下測量隨鑽參數的靜態值。所有測量參數都經由定向測量儀控制採集，並控制脈衝 信號發生器向地面發送信號。是控制泥漿脈衝發生器還是控制電磁波脈衝發生器向地面發 送信號取決與氣體與振動測量儀的參數，當檢測到有連續振動信號並同時檢測到鑽井介質 中有氣體存在時就控制電磁波脈衝發生器向地面發送信號，當檢測到有連續振動信號並同 時檢測到鑽井介質中沒有氣體存在時就控制泥漿脈衝發生器向地面發送信號。電磁波脈衝 發生器的發射天線由電磁脈衝器下部短鑽鋌、下部電極固定螺栓、絕緣隔離筒、電磁脈衝器 上部短鑽鋌和上部電極固定螺栓組成，發射天線的一路信號通過被絕緣隔離筒隔離的上部 電極固定螺栓連接電磁脈衝器上部短鑽鋌，並通過絲扣連接的鑽柱到達井口，另一路信號 通過被絕緣隔離筒隔離的下部電極固定螺栓連接電磁脈衝器下部短鑽鋌，並通過地層到達 地面。泥漿脈衝發生器和電磁波脈衝發生器採用模塊化聯接，聯接方式是通過電接觸環，二 者既可組合使用也可單獨使用。由於電磁波信號在地層中傳播的強弱與發射功率和井深 有關，在發射功率已定的情況下發射天線離地面越近，則地面越容易接受到信號，因此為了能有利電磁波信號的接受，在井深較深時可將電磁波脈衝發生器置於離井口較近的位置， 而電磁波脈衝發生器與下部的短鑽鋌之間較長的距離用鑽柱相連，信號與電源通過電纜傳 輸，其中電纜的上端用電纜上掛接頭與電磁波脈衝發生器相連，電纜的下端用電纜溼接頭 與泥漿脈衝發生器相連。電磁波脈衝發生器與泥漿脈衝發生器有四種組合，第一種組合是 單獨使用電磁波脈衝發生器，第二種組合是單獨使用泥漿脈衝發生器，第三種組合是電磁 波脈衝發生器與泥漿脈衝發生器組合使用，但不用井下電纜加長，第四種組合是電磁波脈 衝發生器與泥漿脈衝發生器組合，但在電磁波脈衝發生器與泥漿脈衝發生器之間用加長井 下電纜加長。 通過以上配置的測量儀器可獲取地層電阻率、地層自然伽瑪和井眼幾何參數三大 參數，有利於控制鑽具在複雜的地層中作選擇性穿越；通過電磁脈衝發生器和泥漿脈衝發 生器的任意組合，在鑽井介質氣液相轉換的情況下不必起下鑽更換工具和儀器仍可連續鑽 井施工，這樣有利於減少鑽時降低鑽井成本；採用轉盤旋轉的定向鑽井工具相對於螺杆動 力鑽具可減少起下鑽次數降低鑽井成本，更重要的是轉盤鑽進，鑽具攪拌鑽井液，可以防止 巖削沉澱形成橋塞，避免鑽井事故。 本發明提供的液氣相鑽井介質轉盤驅動地質導向鑽井系統既可使用純液相也可 使用純氣相或氣液混合介質，既可轉盤導向鑽進又可隨鑽測量地層自然伽瑪和電阻率，宜 於在石油鑽工程中推廣應用。


圖1為本發明的總體工藝流程、工作狀況示意圖。 圖2為地面信號處理流程框圖。圖3為地面與井下配合改變信號傳輸工作方式流 程框圖。圖4、圖5為兩種選擇方式的時間幅度坐標圖。圖6為井下工具儀器固定配套部分 的縱剖面機構示意圖。圖7、8、9、10為井下工具儀器選擇配套之一至四的縱剖面結構示意 圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的實施加以說明。 如圖l所示，該鑽井系統的總體工藝流程由井架1、鑽臺2、防噴器3、表層套管4、 井眼5、鑽柱6、井下隨鑽定向儀器7、井下隨鑽定向工具8、鑽頭9、電磁波信號通道10、防 噴器電極13、地電極14、電導線15、電導線16、立管壓力傳感器17、鑽臺司鑽顯示器18、鑽 臺通信電纜19、信號處理接口箱20、標準串行通信電纜21、通用計算機22組成，其中，標號 "11" " 12 "分別為電磁波電流等位線和電壓等位線。 如圖6-10所示，井下隨鑽定向工具由圓周擺筒23、頂緊螺環24、下支撐環25、下球 面掛環26、傳動銷27、上球面掛環28、上支撐環29、穩定器30、軸承31 、偏心軸32、緊固螺栓 33、變速機34、發電機短鑽鋌35、電動機36、發電機37、發電機轉子38、發電機定子39組成。 井下隨鑽定向儀器由定位螺栓40、電接觸環41 、感應測量短鑽鋌42、感應測量線圈43、線圈 絕緣環44、感應測量儀45、自然伽瑪測量儀46、氣體與振動測量儀47、扶正器48、調整短鑽 鋌49方向調節螺栓50、定向測量短鑽鋌51、定向測量儀52、電池筒53、電磁脈衝器下部短 鑽鋌54、下部電極固定螺栓55、絕緣隔離筒56、電磁脈衝器上部短鑽鋌57、上部電極固定螺 栓58、電磁波脈衝發生器59、泥槳脈衝發生器60、加重杆61、加重杆調整短鑽鋌62、電纜溼 接頭63、井下電纜64、電纜上掛接頭65組成。其中，定向測量短鑽鋌51、調整短鑽鋌49、感 應測量短鑽鋌42、發電機短鑽鋌35均採用無磁材料，絕緣隔離筒56採用電絕緣材料製作。
圖4圖5中縱坐標P和R分別表示立管壓力和轉盤轉速，橫坐標表示時間，其中t0和T2表示轉盤停或立管壓力為零的時間，Tl表示轉盤旋轉或立管壓力高的時間。 圖2為地面信號的流程框圖。工作時，一路由防噴器電極13和地電極14輸入將
微信號送入帶通濾波器與信號放大A，提出5-35HZ有用信號，經放大後送信號處理與模數
轉換，再將數位訊號送地面通用計算機系統；另一路由立管壓力傳感器檢測到的壓力信號
經帶通濾波與信號放大B放大，再經模數轉換後送地面通用計算機系統；地面通用計算機
系統將兩路信號參數處理後再將需在鑽臺司鑽顯示器顯示的參數經信號隔離與調製，通過
鑽臺通信電纜傳輸，傳至信號解調與整形，經解調後的信號在鑽臺司鑽顯示器顯示。
權利要求
一種液氣相鑽井介質轉盤驅動地質導向鑽井系統，包括地面和井下兩大部分，其特徵在於地面部分由井架(1)、鑽臺(2)、防噴器(3)、表層套管(4)、井眼(5)、鑽柱(6)、井下隨鑽定向儀器(7)、井下隨鑽定向工具(8)、鑽頭(9)、電磁波信號通道(10)、防噴器電極(13)、地電極(14)、電導線(15)、電導線(16)、立管壓力傳感器(17)、鑽臺司鑽顯示器(18)、鑽臺通信電纜(19)、信號處理接口箱(20)、標準串行通信電纜(21)、通用計算機系統(22)組成，地面信號一路由防噴器電極(13)和地電極(14)輸入將微信號送入帶通濾波與信號放大A，提出5-35HZ有用信號，經放大後送信號處理與模數轉換，再將數位訊號送地面通用計算機系統(22)，另一路由立管壓力傳感器(17)檢測到的壓力信號經帶通濾波與信號放大B放大，再經模數轉換後送地面通用計算機系統(22)；地面通用計算機系統將兩路信號參數處理後再將須在鑽臺司鑽顯示器(18)顯示的參數經信號隔離與調製，通過鑽臺通信電纜(19)傳輸，傳至信號解調與整形，經解調後的信號在鑽臺司鑽顯示器(18)顯示；井下部分由井下隨鑽定向工具和井下隨鑽定向儀器組成，其中，井下隨鑽定向工具由發電機短鑽鋌(35)與穩定器(30)用絲扣聯接成井下隨鑽定向工具外筒，筒內從上向下順序連接有發電機定子(39)、發電機轉子(38)、發電機(37)、電動機(36)、變速機(34)、偏心軸(32)、軸承(31)、上支撐環(29)、上球面掛環(28)、傳動銷(27)、下球面掛環(26)、下支撐環(25)、頂緊螺環、(24)圓周擺筒(23)和鑽頭(9)，其中變速機(34)與穩定器(30)之間用緊固螺栓(33)固定；井下隨鑽定向儀器內部儀器部分由感應測量儀(45)、自然伽瑪測量儀(46)、氣體與振動測量儀(47)、定向測量儀(52)、電池筒(53)、泥漿脈衝發生器(60)和電磁波脈衝發生器(59)組成。外部的感應測量短鑽鋌(42)下端與發電機短鑽鋌(35)絲扣相連，上端分別與調整短鑽鋌(49)和定向測量短鑽鋌(51)順序用絲扣相連，感應測量短鑽鋌(42)的外側在軸向上設置四個感應測量線圈，線圈通過線圈絕緣環(44)固定在感應測量短鑽鋌(42)上，感應測量短鑽鋌(42)的內部從上往下相連的是氣體與振動測量儀(47)、自然伽瑪測量儀(46)和感應測量儀(45)，感應測量儀(45)的下端通過電接觸環(41)與發電機定子(39)相連，電接觸環(41)的側面用定位螺栓(40)固定在發電機短鑽鋌(35)上，氣體與振動測量儀(47)的上端通過電接觸環(41)和扶正器(48)分別與定向測量儀(52)和電池筒(53)相連。
2. 根據權利要求(1)所述的液氣相鑽井介質轉盤驅動地質導向鑽井系統，其特徵在 於電磁波脈衝發生器(59)和泥漿脈衝發生器(60)有四種組合方式，第一種組合是單獨使 用電磁波脈衝發生器(59)，第二種組合是單獨使用泥漿脈衝發生器(60)，第三種組合是電 磁波脈衝發生器(59)與泥漿脈衝發生器(60)組合使用，但不用井下電纜(64)加長，第四 種組合是電磁波脈衝發生器(59)與泥漿脈衝發生器(60)組合使用，但在電磁波脈衝發生 器(59)與泥槳脈衝發生器(60)之間用井下電纜(64)加長。
全文摘要
本發明涉及一種液氣相鑽井介質轉盤驅動地質導向鑽井系統，包括地面和井下兩大部分。其中地面部分由井架、鑽臺、防噴器、防噴器電極、地電極、電導線、立管壓力傳感器、鑽臺司鑽顯示器、鑽臺通信電纜、信號處理接口箱、標準串行通信電纜和通用計算機系統組成；井下部分由井下隨鑽定向工具和井下隨鑽定向儀器組成，本發明提供的液氣相鑽井介質轉盤驅動地質導向鑽井系統既可使用純液相也可使用純氣相或液相混合介質，既可用於轉盤導向鑽進又可隨鑽測量地層自然伽瑪和電阻率，宜於在石油鑽井工程中推廣應用。
文檔編號E21B4/04GK101737009SQ20091022030
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月1日 優先權日2009年12月1日
發明者吳智中 申請人:中國石油集團長城鑽探工程有限公司