可旋转钻柱定向钻进短节和钻进方法与流程

本发明涉及一种可旋转钻柱定向钻进短节，特别是一种应用于定向井、水平井定向钻井作业的短节。本发明还涉及一种钻进方法。

背景技术：

在定向井、水平井中，主要是通过螺杆钻具来控制井眼轨迹。通常来说，钻柱不旋转以保证螺杆钻具工具面的稳定。然而，这样会导致钻柱和井壁之间产生较大的轴向摩阻。尤其是对于长水平段水平井和大位移井而言，轴向摩阻会导致钻压传递不顺利、机械钻速低等问题。

中国专利文件201620363357.0公开了一种井下管柱转动控制开关，其包括上接头、开关总成、外壳和下接头。开关总成根据钻井需要打开或关闭开关。当关闭开关后，整体的钻柱结构是一体的，从上至下同时旋转或不旋转。当打开开关后，开关以下的钻杆、无磁钻铤及螺杆钻具在摩擦力的作用下保持不旋转的状态。这样就可以在保持井眼轨迹控制能力的前提下，保持开关以上钻柱的旋转。钻柱旋转时产生动摩擦力代替静摩擦力，降低了钻柱的摩阻。但是，设置在下方的螺杆钻具产生较大的反扭矩，为了克服该反扭矩，需要在此开关下方安装较长的钻柱，利用钻柱的摩擦力来克服反扭矩。通常来说，开关下方安装的钻柱长达300米左右，钻柱的摩擦力受运动状态及井下环境的影响较大，在工作时经常会发生摩擦力变化的情况，造成螺杆钻具不稳定的情况产生。300米左右的钻柱不能旋转，缩短了钻柱旋转的比例，影响了降摩提速的效果。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种可旋转钻柱定向钻进短节和钻进方法，能够降低钻柱与井壁之间的轴向摩阻，减小螺杆钻具所承受的反扭矩。

根据本发明的一个方面，提出了可旋转钻柱定向钻进短节，包括：

外壳；

设置在所述缸体外壳内的缸体；

开关总成，所述开关总成构造成在开启时使所述缸体和所述外壳分离而能够相对旋转，而在关闭时使所述缸体和所述外壳连接而能够同步旋转；

井壁摩擦机构，包括与所述缸体相连的第一接头，以及布置在所述第一接头内的可动件，所述可动件构造成能够根据流经所述短节的钻井液的排量而径向运动，从而选择性地对井壁施加不同的摩擦力。

本发明的进一步改进在于，所述第一接头构造成套筒接头，包括贯穿接头外壁的径向孔，所述可动件密封式地布置在径向孔内。

本发明的进一步改进在于，所述径向孔包括靠近所述第一接头的中心的内段和远离所述第一接头的外段，其中所述内段的直径大于所述外段的直径。

本发明的进一步改进在于，所述可动件包括能够在所述内段中运动的第一部分，以及能够在所述外段中运动的第二部分。

本发明的进一步改进在于，在所述第一接头和所述外壳之间设置有推力轴承。

本发明的进一步改进在于，所述开关总成包括与所述外壳固定连接的第二接头，设置在缸体上的插销，以及能够控制插销与所述第二接头相连的顶杆。

本发明的进一步改进在于，所述顶杆下端设置能够在所述缸体内滑动的活塞，所述活塞底部通过第一弹性件连接所述缸体。

本发明的进一步改进在于，所述顶杆与所述活塞通过第二弹性件相连。

根据本发明的另一方面，提供了一种钻进方法，包括：

将根据上述可旋转钻柱定向钻进短节安装在螺杆钻具的上游；

在进行复合钻进时，降低钻井液的排量，从而关闭所述可旋转钻柱定向钻进短节的开关总成；以及

在进行定向钻进时，增大钻井液的排量，从而打开所述开关总成。

本发明的进一步改进在于，在进行复合钻进时，降低钻井液的排量，井壁摩擦机构对井壁的摩擦力减小；以及

本发明的进一步改进在于，所述下接头和所述外壳之间设置推力轴承。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

在本发明所述的可旋转钻柱定向钻进短节中，开关总成能够控制外壳和缸体的连接或分离，从而控制钻柱转动，钻柱旋转时，降低了钻柱的摩阻。井壁摩擦机构能够与井壁紧贴接触，并产生摩擦力，可以克服螺杆钻具反扭矩保持螺杆钻具的工具面，从而在定向钻进时减小摩阻，降低粘卡风险，防止托压现象的发生。

在本发明的可旋转钻柱定向钻进短节中，开关总成和井壁摩擦机构均通过钻井液控制。当需要复合钻井时，可以降低钻井液的排量，从而关闭了可旋转钻柱定向钻进短节的开关总成，使得缸体和外壳相互连接而能够同步旋转。因此，本发明所述的短节以及下部连接的螺杆钻具一同旋转。由于钻井液排量降低，可动件和井壁之间的摩擦力变小，则有利于降低转盘负荷，并且使井倾保持不变。而当井眼轨迹和设计出现偏差，需要定向钻进时，可以增大钻井液的排量，这样便打开可旋转钻柱定向钻进短节的开关总成。这样一来，缸体和外壳彼此分离，从而能够相对旋转。同时，可动件与井壁之间的摩擦力增大，则螺杆钻具的反扭矩被推靠块和井壁间的摩擦力抵消。这样就保持了螺杆钻具工作面的稳定，并且能够迅速改变井眼轨迹，同时降低摩阻、提高钻速。

在本发明的可旋转钻柱定向钻进短节中井壁摩擦机构工作时，可动件与井壁之间产生摩擦力。该摩擦力使井壁摩擦机构卡在井壁上，抵消短节以下螺杆钻具的反扭矩。因此，不需要在短节以下安装300米的钻柱来抵消反扭矩。此外，井壁摩擦机构相比于300米的钻柱，摩擦力不受运动状态和井下环境的影响，因而更加稳定，从而使得螺杆钻具的工作面更稳定；同时井壁摩擦机构的摩擦力便于控制，根据不同的需要控制摩擦力的大小。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案的可旋转钻柱定向钻进短节的示意图；

图2是图1的b-b剖视图，显示了根据本发明的井壁摩擦机构的截面示意图；

图3是图1的a-a剖视图，显示了根据本发明的开关总成的截面示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下：10、外壳，11、推力轴承，20、缸体，21、滑槽，30、井壁摩擦机构，31、第一接头，32、径向孔，33、可动件，34、内段，35、外段，36、第一部分，37、第二部分，40、开关总成，41、第二接头，42、插销，43、顶杆，44、活塞，45、第一弹性件，46、顶杆座，47、第二弹性件，48、第三弹性件，49、插销槽。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例可旋转钻柱定向钻进短节。根据本发明的可旋转钻柱定向钻进短节尤其能够用于水平井或定向井的钻井。

如图1所示，本实施例的短节包括外壳10。在本实施例中，外壳10为圆筒形。外壳10内设置缸体20，所述缸体20同样为圆筒形。本实施例的短节还包括开关总成40。该开关总成40构造成在开启时使缸体20和外壳10分离而能够相对旋转，而在关闭时使缸体20和外壳10连接而能够同步旋转。本实施例的短节还包括井壁摩擦机构30。该井壁摩擦机构30包括与所述缸体20相连的第一接头31，以及布置在所述第一接头31内的可动件33，所述可动件33构造成能够根据流经所述短节的钻井液的排量而径向运动，从而选择性地对井壁施加摩擦力。

在使用时，缸体20的内腔用于流通钻井液，钻井液在流动过程中向开关总成40和井壁摩擦机构30施加压力。开关总成40随着钻井液施加的压力大小进行开启或关闭。同时，井壁摩擦机构30随着钻井液施加的压力大小而改变可动件33和井壁之间的摩擦力。这样，通过控制钻井液的排量就能够控制开关总成40的开启和关闭，从而控制缸体20和外壳10之间分离或连接。与此同时，控制钻井液的排量也能够控制井壁摩擦机构30与井壁间的摩擦力。

在一个优选实施例中，如图1和图2所示，第一接头31构造成套筒接头。第一接头31包括贯穿接头外壁的径向孔32。可动件33密封式地布置在径向孔32内，并且可动件33能够在径向孔32内滑动。

优选地，径向孔32形成为分成两段的复合孔，即包括靠近第一接头31的中心的内段34和远离第一接头31中心的外段35，其中，内段34的直径大于外段35的直径。

相应地，可动件33包括两个部分。其中，在径向孔32的内段34中运动的为第一部分36，在径向孔32的外段35运动的为第二部分37。显然，第一部分36的直径大于径向孔32外段35的直径，这样便防止了可动件33在滑动过程中滑出径向孔32。优选地，所述第二部分36的外侧端部设置构造成圆顶，以便更好地向井壁施加摩擦力。

在一个优选实施例中，在所述第一接头31和所述外壳10之间设置有推力轴承11。在设置推力轴承11后能够提高第一接头31和外壳10之间的连接强度，也能减小第一接头31和外壳10之间的磨损。这样不容易出现故障，提高了短节的使用寿命。

在一个实施例中，如图3所示，所述开关总成40包括与所述外壳10固定连接的第二接头41，设置在缸体20上的插销42，以及能够控制插销42与所述第二接头相连的顶杆43。优选地，第二接头的内壁设置若干插销槽49。所述顶杆43移动时能够挤压插销42进入插销槽49内，这样就能实现第二接头和插销42的连接，这时缸体20和外壳10就能够同步转动。

优选地，在缸体20的上端设置滑槽21，所述插销42在滑槽21内滑动。所述顶杆43在能够伸入到滑槽21内，这时，由于顶杆43的挤压插销42沿径向向外地滑动，导致插销42的端部伸入到第二接头的插销槽49内，进而插销42和第二接头连接在一起。进一步地，插销42数量为两个，并且两个插销42之间设置第三弹性件48，目的是当顶杆43从滑槽21抽出时插销42能够冲第二接头抽出。当然，其他的方式，如滑槽21倾斜设置，插销42通过重力抽出，或者在第二接头的插销槽49内设置弹簧等等，同样可以实现。

作为一个优选实施例，所述顶杆43下端设置能够在所述缸体20内滑动的活塞44，所述活塞44底部通过第一弹性件45连接所述缸体20。活塞44上设置若干用于流通钻井液的水眼。钻井液进入缸体20后流动的过程中，钻井液能够向活塞44施加压力。当钻井液的排量增大时，则第一弹性件45压缩，活塞44向下滑动。这时顶杆43就能够从滑槽21内抽出。当钻井液的排量减小时，则第一弹性件45恢复并伸长，活塞44向上滑动。这时顶杆43就能够伸入滑槽21内。

在一个实施例中，顶杆43与所述活塞44通过第二弹性件47相连。优选地，活塞44的中部设置通孔、底部设有圆筒形的顶杆座46。顶杆43底部设置帽体，帽体位于顶杆座46内，其中帽体的宽度大于通孔的宽度，因此，帽体不会从通孔弹出。并且，帽体和顶杆座46之间通过第二弹性件47连接。这样，第二弹性件47在顶杆43和顶杆座46之间起到缓冲的作用，以保护顶杆43和活塞44，避免强烈的碰撞。

根据本发明的另一方面，还提供了一种钻进方法。通过本发明的钻进方法能够用于水平井或定向井的钻井。

在本实施例中，钻进方法包括以下步骤。

首先，将可旋转钻柱定向钻进短节安装在螺杆钻具的上游。

在进行复合钻进时，降低钻井液的排量，从而关闭所述开关总成40。这时，开关总成40处于关闭状态，则所述短节的缸体20和外壳10连接在一起，短节上端的钻柱与下端的螺杆同步旋转。

在进行定向钻进时，增大钻井液的排量，从而打开所述可旋转钻柱定向钻进短节的开关总成40。这时，开关总成40处于开启状态，则所述短节的缸体20和外壳10分离并相对旋转，短节以上钻柱旋转，短节以下的螺杆钻具不旋转。

进一步地，在进行复合钻进时，则降低钻井液的排量，所述井壁摩擦机构30对井壁的摩擦力减小。这时，本发明所述的短节以及连接在其下方部连接的螺杆钻具一同旋转。由于钻井液的排量降低，可动件33会径向向内运动，导致可动件33和井壁之间的摩擦力变小，有利于降低转盘负荷，保持井倾不变。

当井眼轨迹和设计轨迹出现偏差，而需要进行定向钻进时，可增大钻井液的排量。这样，可动件33沿径向向外运动，导致可动件33与井壁之间的摩擦力增大。在这种情况下，所述螺杆钻具的反扭矩被可动件33和井壁间的摩擦力抵消，因此保持了螺杆钻具工作面的稳定。因此，能够迅速改变井眼轨迹，同时降低摩阻、提高钻速。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。