[发明专利]一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统

说明书

本发明涉及一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统属于钻井工程设备技术领域，该钻具系统由内外钻头组件、动力组件、内外钻头压力调节系统、泥浆循环系统和解卡系统组成，本发明采用内外双钻头逆向回转碎岩，实现对围岩微扰动钻进；利用动力电机的定子组、转子组分别带动外钻头和内钻头，钻头与动力系统整体实现了扭矩自平衡，对上部钻具无扭矩作用；本发明将动力源、泥浆循环系统和测井系统等集成到钻具上，地面只需要起下钻具用绞车设备即可实现正常的钻进、起下钻和随钻测井等作业；卡钻时，绞车上提钻具，通过解卡钻头正反转交替回转，解除卡点岩粒实现解卡。

技术领域

本发明属于钻井工程设备技术领域，特别涉及一种适用于地质钻探、水文水井钻井、油气钻井、科学钻探和地下建筑救援钻孔等技术领域的井下扭矩自平衡有缆钻具系统。

背景技术

在钻井(钻探)过程中，钻杆柱在扭矩的作用下变形成螺旋状，在回转中与井壁碰撞摩擦，磨损和交变载荷作用极易使钻杆柱提前损坏，导致断钻具等井内事故的发生，给整个工程带来巨大损失。随着钻进深度的增加，钻杆柱的长度加长，钻杆在传递钻压和扭矩的过程中克服井内各种摩擦阻力所损耗的能量比例增大，因此需要上部钻机提供更大的扭矩，当井深达到一定深度后，必须在近钻头部位增加井下动力工具为钻头高速回转提供扭矩，上部钻柱通过地面转盘(顶驱)缓慢回转为钻头提供反扭矩。显而易见，钻具在井内回转碎岩产生的反扭矩危害到整个钻柱和地面设备，钻井工艺也要首先满足反扭矩这一环境条件才能顺利实施。同时，独立一个钻头在碎岩同时需要围岩给与钻头接触的岩石提供相应的反扭力矩，对井壁围岩要求高。若钻遇破碎地层时，围岩固有的结合力无法给与钻头接触的岩石提供足够的反扭力矩而成块状结构脱离井壁，加之循环泥浆随钻柱回转产生局部紊流搅动井壁，此时会导致井眼扩大的后果；当钻遇坚硬的大颗粒砂砾岩时，由于砾石的滑动很容易进入钻头水口处并与其它砾石桥接产生极大的力矩，极易导致钻头切削齿的崩落。井壁的稳定性对于钻完井的顺利实施至关重要，而井壁稳定性除取决于客观地层的完整性和岩性特征外，还与主观钻具对井壁的扰动程度密切相关。为此，国内外本领域专家想方设法降低钻柱对井壁的扰动。此外，为驱动钻头碎岩钻井，需要配备庞大昂贵的地面钻井设备和配套复杂的钻井工具及工艺，投资巨大，碎岩所用能量只占钻井系统消耗总能量的10％左右，大部分能量消耗在设备运行上。

目前为止，国内外对扭矩平衡钻具系统的研究较少。科研方向大多以传统钻具系统为依托，在结构、材料和工艺方面尽可能提高钻进效率，节省钻进成本，已取得了相关的理论成果。在减少钻柱对井壁的扰动等方面，20世纪60年代，美国布朗石油工具公司生产了第一套连续管修井机样机，把动力钻具放到井内近钻头位置，连续管只提供反扭、泥浆动力源，不回转，对井壁的扰动大大降低。90年代开始应用于钻井，截止2011年全球连续管钻机总数超过1881套，连续管钻井技术应用领域几乎覆盖小口径钻井的各个方面。国外公司有Foremost公司、美国贝克休斯公司和英国壳牌公司等，国内多以消化吸收进口技术为主，目前投入研究的企业有四川宏华石油设备有限公司、中石油江汉机械研究所、长城钻探工程有限公司和中石油钻井院等。然而，由于连续管钻进技术没有从根本上改变反扭矩对连续管的有害作用，故连续管的寿命要比常规钻杆的寿命短。

因此，现有技术当中亟需要一种新的技术方案来解决这一问题。

发明内容

本发明的目的就是针对背景技术中所述的问题和不足，提供一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统，从根本上解决钻柱回转钻进产生的反扭矩危害，改变钻头单向碎岩对围岩的扰动强度，简化地面钻探装备和配套的工具及工艺方法，实现井内事故少，钻井成本低、能耗小和钻进效率高等目的。

为达到上述目的，本发明提出了如下技术方案：

一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统，其特征在于：该钻具系统由内外钻头组件、动力组件、内外钻头压力调节系统、泥浆循环系统和解卡系统组成，