[发明专利]一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井作业中一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法。

背景技术

在石油天然气钻井作业中，由于PDC（聚晶金刚石复合片）钻头的机械钻速快、破岩效率高的特点，得到了非常广泛的应用。但在使用PDC钻头中也有其不足的地方，即粘滑振动对钻头齿的冲击损坏十分严重。当使用PDC钻头钻一些难钻底层的时候，常常因为钻头处得不到足够大的扭矩，达不到破岩所需扭矩导致钻头转速减缓甚至停止转动。但是与此同时，钻柱在驱动装置的驱动下仍然继续旋转并卷绕，沿着钻柱的长度储存扭矩能量。一旦达到破碎底层所需扭矩的时候，钻柱上储存的能量将会瞬间释放驱动PDC钻头快速旋转。其结果一方面使得钻头的旋转速度远远大于其正常旋转时的速度，钻头所受到的冲击载荷也远远大于正常钻进时所受到的冲击，将引起钻头齿的破损，导致钻头的损坏，极大缩短了PDC钻头的寿命、降低了机械钻速。另一方面下部钻柱将以比上部钻柱更高的转速快速旋转，极易引发钻柱螺纹的倒扣，导致下部钻具脱扣掉井里，造成严重的井下事故的发生。以上过程即为PDC处的粘滑振动。粘滑振动的频率越高，对PDC钻头的冲击破坏就越大，不仅严重影响钻头的寿命、影响机械钻速的提高，而且增加了钻井施工的成本、造成了安全隐患。

发明内容

本发明的目的是为了减弱钻头处粘滑振动对PDC钻头的破坏性冲击，延长钻头的使用寿命，提高机械钻速效率，减少能量的损失。特别提供了一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法。

为了达到上述的目的，本发明解决上述问题所采取的技术方案是：一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法，其特征是：本装置是由外套筒、弹簧、活塞、空心轴导流孔、套筒缸、空心轴、空心轴上端接头、应变传感器、套筒导流孔、阀门、自动阀门开关、挡环、空心轴通孔、套筒孔眼、花键等组成。外套筒和空心轴通过花键连接，空心轴上端安装有应变传感器，套筒缸内装有弹簧、活塞、阀门和自动阀门开关，弹簧下端与套筒缸接触上端与活塞接触，空心轴上开有心轴导流孔和空心轴通孔，外套筒上开有套筒导流孔和套筒孔眼。正常工况下，驱动装置通过钻柱带动空心轴转动，空心轴再通过花键带动外套筒和钻头转动破岩；与此同时，钻压通过钻柱传递到空心轴上，再通过外套筒内的活塞和弹簧将钻压传递到外套筒和钻头上，实现正常钻进；当井底发生粘滑振动时，钻头旋转减缓甚至停止转动，但是井底钻具仍然会带动心轴扭转，因而会在空心轴上端接头处产生较大的变形，当变形超过自动阀门开关设定的值后，安装在空心轴上端的应变传感器会将监测到的信号传递给自动阀门开关来打开阀门；阀门打开后，钻井液通过空心轴导流孔进入套筒缸，再通过套筒导流孔流入环空中；由于空心轴导流孔的直径比套筒导流孔的直径大，通过进出口流体压差将使套筒缸的体积变大，从而推动外套筒沿轴线向上移动，同时将钻头提升脱离井底；当钻头的提升可以实现破岩时，钻头和外套筒将会重新同空心轴一起旋转，此时空心轴的应变将减小，自动阀门开关会根据应变传感器反馈的信息自动关闭阀门，再继续进行正常钻进。

本发明的有益效果是：（1）减弱钻头处粘滑振动对PDC钻头的冲击损坏，延长PDC钻头的使用寿命；（2）提高钻井作业中机械钻速的效率，缩短施工所需时间，减少施工成本；（3）减少能量的损失，使能量得到有效的利用；（4）防止井下钻具脱扣掉入井底井下事故的发生，减小钻井施工的安全隐患。本发明在不增加原有施工工序的情况下，实施方便，安全可靠。

附图说明

图1是本发明一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法，在正常钻进工况下的工作状态示意图。

图2是本发明一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法，在井底发生粘滑振动时的工作状态示意图。

图3是本发明一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法，另外一种具体实施方式示意图。

附图中：1.外套筒，2.弹簧，3.活塞，4.空心轴导流孔，5.套筒缸，6.空心轴，7.空心轴上端接头，8.应变传感器，9.套筒导流孔，10.阀门，11. 自动阀门开关，12.挡环，13.空心轴通孔，14.套筒孔眼，15.花键，16.井壁，17.钻头，18.轴承挡圈，19.止推轴承，20.上空心轴，21.下空心轴。

具体实施方式

    本发明一种用于减弱井底钻具粘滑振动的装置及其控制方法，有两种具体实施的方式，附图1和附图2为第一种具体实施方式，图3为第二种具体实施方式。