一種定向井、水平井鉆柱延伸工具及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石油天然氣鉆探技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種定向井、水平井鉆柱延伸工具及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]定向井、水平井在石油天然氣鉆探中已經(jīng)越來越重要，特別是水平井技術(shù)已經(jīng)成為提高石油天然氣開采效益的重要手段。在打水平井、定向井時，由于井身傾角大、水平位移大等原因，鉆柱(或鉆具)的重力方向與鉆頭的鉆進方向(鉆壓方向)不再平行，而是呈一個角度(鉆頭所在位置的井斜角)，這樣，鉆柱的重力只有一部分能夠作用在鉆頭的鉆進方向上，其余部分則直接作用在井壁上，使鉆柱在鉆進過程中的摩擦阻力相對于直井大大增加。特別是在定向滑動鉆進過程中，摩擦阻力更大。由于摩擦阻力增大使傳遞到鉆頭上的有效鉆壓減小，托壓現(xiàn)象開始發(fā)生并越來越嚴(yán)重，鉆頭的有效工作鉆壓顯著下降(甚至可降為零)，嚴(yán)重影響鉆頭鉆速。為了減小管柱與井壁的摩擦防止托壓，現(xiàn)在采用的辦法包括之一是在鉆桿上添加微振動工具，之二是在管柱上添加滾子，變滑動摩擦為滾動摩擦。這兩種方法雖然都能在一定程度上減小管柱與井壁的摩擦，減輕托壓現(xiàn)象，但是微振動工具工作效果受井身質(zhì)量等因素的影響較大，在狗腿度過高、井壁不規(guī)則、鉆井液排量不合適等情況下，難以達到較好的防托壓效果，從而導(dǎo)致定向井、水平井(特別是大位移井)的鉆井施工效率低下，顯著增加了鉆井成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于:提供了一種基于仿生原理的鉆柱延伸工具及其使用方法，通過模仿無脊椎動物蠕動爬行(乃至進一步的動物鱗甲)來達到減少甚至消除托壓現(xiàn)象的目的。
[0004]本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0005]—種定向井、水平井鉆柱延伸工具，包括推動端，位于推動端鉆進方向前方的蠕動端，以及連接于兩者之間的儲能釋能結(jié)構(gòu)，推動端和蠕動端之間設(shè)有滑動限位結(jié)構(gòu)，使推動端和蠕動端能夠在限位范圍內(nèi)相對軸向滑動，滑動限位結(jié)構(gòu)還限制推動端和蠕動端之間的相對周向轉(zhuǎn)動，儲能釋能結(jié)構(gòu)用以在軸向壓力作用下推動端與蠕動端之間相對滑動收縮時壓縮儲能，并在之后伸展釋能，從而推動蠕動端相對推動端沿鉆進方向滑動延伸。
[0006]更具體而言，一種定向井、水平井鉆柱延伸工具(簡稱延伸工具)，包括推動端，位于推動端鉆進方向前方的婦動端，以及連接于兩者的儲能釋能伸縮元件，推動端和婦動端通過滑動限位結(jié)構(gòu)相連接，滑動限位結(jié)構(gòu)用以使推動端和蠕動端之間沿鉆進方向在限位范圍內(nèi)相對滑動，滑動限位結(jié)構(gòu)包括滑動配合面和軸向限位結(jié)構(gòu)，在滑動配合面為圓柱面時，滑動限位結(jié)構(gòu)還包括周向承扭結(jié)構(gòu)，周向承扭結(jié)構(gòu)用于保障推動端和蠕動端之間只有軸向相對滑動，而無周向相對轉(zhuǎn)動，以承受或傳遞鉆柱工作扭矩；儲能釋能結(jié)構(gòu)的伸縮元件用以推動端在鉆柱軸向力作用下與蠕動端之間相對滑動壓縮儲能，并在托壓現(xiàn)象發(fā)生或有發(fā)生趨勢時伸展釋能，，從而推動蠕動端相對推動端沿鉆進方向滑動。
[0007]本專利的思路來源于無脊椎動物蠕動爬行。動物蠕動爬行是一種往復(fù)式的向前推移的一種爬行方式，此種爬行方式對無脊椎動物來說是一種先儲存力量(收縮)再向前釋放力量(伸展)的過程。
[0008]本專利是基于仿生思路的鉆柱延伸工具，其工作原理為:當(dāng)鉆柱軸向壓力(鉆壓)施加于推動端上時，推動端相對婦動端滑動移動，同時推動端壓縮儲能釋能結(jié)構(gòu)(如其伸縮元件彈簧)使其自動儲能；當(dāng)鉆柱摩擦阻力過大，出現(xiàn)托壓現(xiàn)象時，延伸工具能夠適時釋能或釋放壓力，從而在原軸向壓力的基礎(chǔ)上，增加了新的克服摩阻的驅(qū)動力，推動蠕動端及所連接鉆柱沿鉆進方向前進，使鉆壓能夠繼續(xù)有效地施加在鉆頭上，保障鉆頭的正常鉆進；延伸工具完成或部分完成能量釋放后，在隨后的鉆進過程中，可通過軸向鉆壓的增加使其再次壓縮，完成重新儲能。延伸工具按照該原理周而復(fù)始地進行儲能(壓縮)釋能(伸長)過程，從而使水平井、定向井鉆進過程中的托壓現(xiàn)象得到有效解決甚至基本消除。
[0009]由于鉆柱摩擦阻力主要分布于傾斜或水平鉆柱上，所以，延伸工具可組合或間隔安裝在鉆柱之間使用，組合或間隔安裝的方式可以依據(jù)摩阻在鉆柱上的分布規(guī)律做優(yōu)化選擇。這樣，新的鉆柱系統(tǒng)除了具備傳統(tǒng)鉆柱的基本功能以外，還具備自動儲能并適時釋放以使其長度得以延伸(伸長)的能力，為克服托壓現(xiàn)象提供了新的技術(shù)途徑。在延伸工具儲能釋能結(jié)構(gòu)釋放能量時，蠕動端相對于推動端滑動，滑動限位結(jié)構(gòu)限制其滑動的最大位移；當(dāng)起出鉆具時，滑動限位結(jié)構(gòu)也為延伸工具提供承受反向拉伸載荷的能力。
[0010]該方案中，滑動限位結(jié)構(gòu)除了使推動端和蠕動端之間只能在其限位范圍內(nèi)相對滑動之外，還進一步限制兩者之間無法相對周向運動，使其能夠在滑動過程中承受或傳遞工作扭矩。由此，該鉆柱延伸工具或通過在鉆柱之間組合(間隔)安裝此延伸工具所形成的可延伸(伸長)鉆柱不僅僅可以傳遞鉆壓，還可以傳遞扭矩，也即除了新增的延伸功能以夕卜，還具備鉆柱所必須具有的基本功能，故既可應(yīng)用于滑動鉆進工作模式，也可以應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)鉆進、復(fù)合鉆進模式。
[0011]作為選擇1，蠕動端和推動端與井壁接觸部分的外壁截面輪廓呈非圓形。該方案中，設(shè)置成非圓形外輪廓可以保障鉆井液上返流道空間。外表面采用非圓結(jié)構(gòu)還可以增加鉆具的橫向振動，從而使得鉆柱發(fā)生波動，有助于減輕托壓現(xiàn)象。比如，橢圓形或多邊形(優(yōu)選正多邊形)等，優(yōu)選規(guī)則形狀，更優(yōu)選對稱形狀。其中，采用橢圓截面或長圓形(兩個半圓弧加兩條直線段構(gòu)成)等非圓截面可以達到更好的促波動效果。蠕動端外壁和推動端外壁的兩個非圓輪廓一般結(jié)構(gòu)相同，但周向可以相錯。
[0012]作為選擇2，滑動限位結(jié)構(gòu)的推動端外壁和蠕動端內(nèi)壁形成滑動配合，滑動配合面的截面輪廓為非圓形。即滑動限位結(jié)構(gòu)為推動端外壁和蠕動端內(nèi)壁之間非圓形的接觸面截面輪廓構(gòu)成。該方案中，通過非圓形的接觸面同時實現(xiàn)兩者的相對滑動和無法周向轉(zhuǎn)動。比如，橢圓形或多邊形(優(yōu)選正多邊形)或長圓形(兩個半圓弧加兩條直線段構(gòu)成)等，乃至其他不規(guī)則接觸面輪廓，這種非圓接觸面輪廓相對由平鍵、花鍵等結(jié)構(gòu)構(gòu)成的局部非圓輪廓(從這個角度來說，這種平鍵、花鍵等結(jié)構(gòu)構(gòu)成的局部非圓輪廓也可以稱之為選擇2的一種實現(xiàn)形式)而言，可減少平鍵、花鍵等扭矩傳遞結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，提高抗扭強度。
[0013]作為選擇3，滑動限位結(jié)構(gòu)為對應(yīng)設(shè)于推動端外壁和蠕動端內(nèi)壁之間的鍵連接結(jié)構(gòu)或銷連接結(jié)構(gòu)。該方案可以基于常規(guī)的推動端外壁和蠕動端內(nèi)壁之間圓形的接觸面截面輪廓之上，也可以進一步基于選擇2的非圓形輪廓之上。所述鍵連接結(jié)構(gòu)表示由鍵和槽構(gòu)成的，鍵能夠在槽內(nèi)沿槽來回滑動，并受槽的長度限制其滑動范圍的一種結(jié)構(gòu)，這種鍵可以為平鍵或花鍵等。鍵和槽可以分別各自設(shè)于需要相對滑動的兩個部件之間(推動端和蠕動端)，也可以兩個部件上鍵和槽都設(shè)置，或者其他結(jié)合形式。同樣的，所述銷連接結(jié)構(gòu)表示由銷和槽構(gòu)成的，銷能夠在槽內(nèi)沿槽來回滑動，并受槽的長度限制其滑動范圍的一種結(jié)構(gòu)，其設(shè)置形式也類似鍵連接結(jié)構(gòu)。
[0014]作為選擇3的進一步選擇4，鍵連接結(jié)構(gòu)包括對應(yīng)設(shè)于推動端外壁和蠕動端內(nèi)壁上的滑動槽，以及設(shè)于兩者滑動槽內(nèi)能沿滑動槽來回滑動的平鍵。
[0015]作為選擇3的進一步選擇5，鍵連接結(jié)構(gòu)包括設(shè)于蠕動端內(nèi)壁上的滑動槽，以及設(shè)于推動端外壁上能沿滑動槽來回滑動的花鍵。
[0016]作為選擇3的進一步選擇6，銷連接結(jié)構(gòu)包括設(shè)于推動端外壁上的滑動槽，以及設(shè)于固定于蠕動端上能沿滑動槽來回滑動的導(dǎo)向銷。
[0017]作為選擇7，選擇2與選擇3結(jié)合，即蠕動端外壁和推動端外壁與井壁接觸部分的截面輪廓呈非圓形，且推動端外壁和蠕動端內(nèi)壁之間的接觸面截面輪廓也非圓形。
[0018]作為選擇8，蠕動端外壁和/或推動端外壁與井壁接觸部分接觸表面為非光滑表面。該方案中，進一步仿生動物體表鱗甲組織，動物體表鱗甲組織如穿山甲等的鱗甲組織具有有效減阻的效果。該結(jié)構(gòu)進一步減小了整個延伸工具與井壁的接觸面積，減小了與井壁之間產(chǎn)生摩阻，減輕了鉆進過程中的托壓現(xiàn)象。
[0019]作為選擇8的進一步選擇9，非光滑表面為包含凸包、凹坑、溝槽、凸條等基本結(jié)構(gòu)