[实用新型]一种定向井、水平井钻柱延伸工具

说明书

技术领域

本实用新型属于石油天然气钻探技术领域，具体涉及的是一种定向井、水平井钻柱延 伸工具。

背景技术

定向井、水平井在石油天然气钻探中已经越来越重要，特别是水平井技术已经成为提 高石油天然气开采效益的重要手段。在打水平井、定向井时，由于井身倾角大、水平位移 大等原因，钻柱(或钻具)的重力方向与钻头的钻进方向(钻压方向)不再平行，而是呈 一个角度(钻头所在位置的井斜角)，这样，钻柱的重力只有一部分能够作用在钻头的钻进 方向上，其余部分则直接作用在井壁上，使钻柱在钻进过程中的摩擦阻力相对于直井大大 增加。特别是在定向滑动钻进过程中，摩擦阻力更大。由于摩擦阻力增大使传递到钻头上 的有效钻压减小，托压现象开始发生并越来越严重，钻头的有效工作钻压显著下降(甚至 可降为零)，严重影响钻头钻速。为了减小管柱与井壁的摩擦防止托压，现在采用的办法包 括之一是在钻杆上添加微振动工具，之二是在管柱上添加滚子，变滑动摩擦为滚动摩擦。 这两种方法虽然都能在一定程度上减小管柱与井壁的摩擦，减轻托压现象，但是微振动工 具工作效果受井身质量等因素的影响较大，在狗腿度过高、井壁不规则、钻井液排量不合 适等情况下，难以达到较好的防托压效果，从而导致定向井、水平井(特别是大位移井) 的钻井施工效率低下，显著增加了钻井成本。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提供了一种基于仿生原理的钻柱延伸工具，通过模仿无脊椎动 物蠕动爬行(乃至进一步的动物鳞甲)来达到减少甚至消除托压现象的目的。

本实用新型目的通过下述技术方案来实现：

一种定向井、水平井钻柱延伸工具，包括推动端，位于推动端钻进方向前方的蠕动端， 以及连接于两者之间的储能释能结构，推动端和蠕动端之间设有滑动限位结构，使推动端 和蠕动端能够在限位范围内相对轴向滑动，滑动限位结构还限制推动端和蠕动端之间的相 对周向转动，储能释能结构用以在轴向压力作用下推动端与蠕动端之间相对滑动收缩时压 缩储能，并在之后伸展释能，从而推动蠕动端相对推动端沿钻进方向滑动延伸。

更具体而言，一种定向井、水平井钻柱延伸工具(简称延伸工具)，包括推动端，位于 推动端钻进方向前方的蠕动端，以及连接于两者的储能释能伸缩元件，推动端和蠕动端通 过滑动限位结构相连接，滑动限位结构用以使推动端和蠕动端之间沿钻进方向在限位范围 内相对滑动，滑动限位结构包括滑动配合面和轴向限位结构，在滑动配合面为圆柱面时， 滑动限位结构还包括周向承扭结构，周向承扭结构用于保障推动端和蠕动端之间只有轴向 相对滑动，而无周向相对转动，以承受或传递钻柱工作扭矩；储能释能结构的伸缩元件用 以推动端在钻柱轴向力作用下与蠕动端之间相对滑动压缩储能，并在托压现象发生或有发 生趋势时伸展释能，，从而推动蠕动端相对推动端沿钻进方向滑动。

本专利的思路来源于无脊椎动物蠕动爬行。动物蠕动爬行是一种往复式的向前推移的一 种爬行方式，此种爬行方式对无脊椎动物来说是一种先储存力量(收缩)再向前释放力量 (伸展)的过程。

本专利是基于仿生思路的钻柱延伸工具，其工作原理为：当钻柱轴向压力(钻压)施加 于推动端上时，推动端相对蠕动端滑动移动，同时推动端压缩储能释能结构(如其伸缩元 件弹簧)使其自动储能；当钻柱摩擦阻力过大，出现托压现象时，延伸工具能够适时释能 或释放压力，从而在原轴向压力的基础上，增加了新的克服摩阻的驱动力，推动蠕动端及 所连接钻柱沿钻进方向前进，使钻压能够继续有效地施加在钻头上，保障钻头的正常钻进； 延伸工具完成或部分完成能量释放后，在随后的钻进过程中，可通过轴向钻压的增加使其 再次压缩，完成重新储能。延伸工具按照该原理周而复始地进行储能(压缩)释能(伸长) 过程，从而使水平井、定向井钻进过程中的托压现象得到有效解决甚至基本消除。

由于钻柱摩擦阻力主要分布于倾斜或水平钻柱上，所以，延伸工具可组合或间隔安装在 钻柱之间使用，组合或间隔安装的方式可以依据摩阻在钻柱上的分布规律做优化选择。这 样，新的钻柱系统除了具备传统钻柱的基本功能以外，还具备自动储能并适时释放以使其 长度得以延伸(伸长)的能力，为克服托压现象提供了新的技术途径。在延伸工具储能释 能结构释放能量时，蠕动端相对于推动端滑动，滑动限位结构限制其滑动的最大位移；当 起出钻具时，滑动限位结构也为延伸工具提供承受反向拉伸载荷的能力。