一种自振送钻柔性钻井工具的制作方法

1.本发明涉及柔性钻井工具技术领域，具体涉及一种自振送钻柔性钻井工具。


背景技术：

2.在油气勘探领域，导向钻井技术的应用使得井眼可以根据预先设计的轨迹朝目的层深入钻进，这种技术使得井下工具组合需要完成定向、造斜、稳斜钻进、水平钻进等内容，可有效的针对薄油气藏进行开发，比传统的直井式勘探更有优势，比如，在石油、天然气开采中，通过导向钻井技术钻取分支井，在预先钻好的主井眼基础上，通过造斜、导向钻进可在不同井深或不同方位形成若干新的分支井眼，以此来增加油气藏泄油面积，不同井深油气藏还可分层开发。这样，通过导向钻井形成分支井眼，相当于增加了采油或采气的通道，能够显著提高油气藏的开发效率，达到提高开发效率的目的，提升经济效益。
3.但是，目前的导向钻井工具在钻进过程中会存在托压现象，特别是在造斜段，由于造斜段井眼本身是弯曲的，使得在钻压施加过程中没能施加到钻头上或加压效果变差，造成钻进过程遇卡或遇阻，导致钻进缓慢。进一步的，由于沿钻柱轴向施加的钻井动力效果变差，使得井下钻具与井壁之间的摩擦阻力对钻进的影响效果变得越来越显著，尤其是小曲率半径长井段更是如此，钻具与井壁之间的摩擦造成的额外扭矩与摩阻导致机械转速低甚至出现托压现象，严重影响钻进速度。因此，迫切需要一种工具或技术，缓解托压、降低钻柱磨阻，以提高加压效果，提升钻进时效。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.为了克服现有技术不足，现提出一种自振送钻柔性钻井工具，通过采用自振短节使井下钻柱产生持续性的轴向蠕动而减轻滑动摩擦，避免粘附卡钻的发生，有利于施加钻压，提高钻井时效。
6.(二)技术方案
7.本发明通过如下技术方案实现：本发明提出了一种自振送钻柔性钻井工具，包括：
8.柔性钻柱，所述柔性钻柱包括多个相互串接的万向传动短节；
9.以及至少一个自振短节，所述自振短节串接于所述柔性钻柱中，其包括脉冲模块和震荡模块，或者包括脉冲模块和伸缩模块的组合，其中所述脉冲模块能够在高压钻井流体通过时持续产生压力脉冲，所述压力脉冲作用于所述震荡模块而产生持续性的轴向震动或者作用于伸缩模块机构而产生持续性的轴向蠕动；
10.且，相邻所述万向传动短节之间、所述柔性钻柱与自振短节之间、所述脉冲模块与震荡模块或伸缩模块之间均通过万向传动机构进行连接，并通过弹性密封件及抗震自稳系统确保钻柱在震动过程中的密封性和稳定性。
11.进一步，所述自振短节的长度小于5倍钻头直径，且其与两端柔性钻井工具之间至少间隔一个所述万向传动短节；所述钻头至所述最上方的万向传动短节的轴线长度大于定
向井眼轨迹的预设长度。需要说明的是，所述脉冲模块包括可旋转的转子和定子，所述转子相对定子旋转，产生的周期性节流作用能实现水力脉冲；所述伸缩模块为水力活塞；所述震荡模块至少包括壳体、芯轴和弹片组，所述弹片组可以在壳体和芯轴相对运动时产生阻尼和推力以实现震荡。
12.进一步，所述脉冲模块包括脉冲上接头和脉冲下接头，所述脉冲上接头内部套装有由转轴和脉冲阀头共同构成的脉冲转动部，且所述脉冲转动部与所述脉冲上接头之间设有环状空隙。
13.进一步的，所述脉冲转动部由所述转轴与所述脉冲阀头通过螺纹连接组成，由于所述转轴与所述脉冲阀头均设置有台肩，当所述转轴与所述脉冲阀头连接固定时，所述台肩之间的间隔内至少可以设置一个叶片组及轴承组。所述叶片组为涡轮叶片组，可将高压钻井流体能量转化为机械能，带动所述脉冲转动部旋转。
14.所述脉冲下接头为一设置有阶梯状内、外台肩的空心圆柱体，其内部固定设置有脉冲阀座，所述脉冲阀座与所述脉冲阀头共同构成脉冲阀组，脉冲阀组工作时，所述脉冲转动部旋转而所述脉冲阀座固定不动。
15.进一步，所述脉冲阀头和所述脉冲阀座上均设置有相互连通的过流通道，所述过流通道可连通涡轮叶片流道和脉冲下接头的内部流道，使得高压钻井流体流经涡轮叶片流道做完功后，可继续向前流动进入内部流道空间；
16.且当所述转轴带动脉冲阀头旋转时，由于所述脉冲阀座固定不动，使得所述脉冲阀头相对于所述脉冲阀座旋转而产生过流通道截面的周期性变化，进而产生脉冲压力波。
17.进一步，所述转轴与所述脉冲上接头之间的空隙内还设置有上轴承组、下轴承组、调整环以及压紧垫环；
18.进一步，所述转轴为一端设置有螺纹，另一端设置有外台阶的圆柱体结构，所述外台阶可以一体成型也可以是一个通过螺纹与转轴连接的轴帽，当所述转轴与所述脉冲阀头螺纹连接时，所述脉冲阀头的上端面与所述转轴的外台阶之间的间隔能够压紧固定叶片组转子及上轴承组、下轴承组的轴承内圈；叶片组定子及上轴承组、下轴承组的的轴承外圈由调整环及压紧垫环压紧固定于所述脉冲下接头的内台肩与所述万向传动机构中的下连接接头之间，确保涡轮叶片组工作时，将高压钻井流体能量转化为机械能，带动所述脉冲转动部旋转而所述脉冲阀座固定不动。
19.进一步，所述脉冲阀组的摩擦面之间设置为耐磨材料或局部设置耐磨材料。
20.进一步，所述脉冲模块和所述震荡模块之间或者所述脉冲模块和所述伸缩模块之间通过万向传动机构进行连接，所述万向传动机构的自由活动角度大于 2
°
。
21.进一步，所述震荡模块包括芯轴、壳体、下接头和弹片组，其中所述芯轴设置有至少两级外台肩，由其中一级外台肩传递钻压至下接头；所述壳体内设置有与芯轴对应的至少两级内台肩，其中二级内台肩与所述芯轴下端弹片座之间的环空间隙内设置所述弹片组，所述弹片组可将脉冲压力波转化为弹性势能，进而产生轴向震动。
22.所述弹片座通过螺纹连接固定于所述芯轴的前端，并同所述芯轴一起插入到所述下接头内部与其内环空贴合。
23.所述芯轴、壳体上的两级台肩以及所述弹片座与所述下接头内环空之间均可相对滑动，滑动面之间均通过密封件进行密封。
24.所述壳体与所述下接头螺纹连接固定；在下放钻具过程中，下部钻具重量可通过所述下接头，由所述壳体传递至所述弹片组，此时所述弹片组被压缩蓄积势能后由所述弹片座通过所述芯轴继续向后传递。同理，在上提钻具过程中，来自后方的提拉力由所述芯轴通过所述弹片座传递至所述弹片组，此时所述弹片组同样被压缩蓄积势能后由所述壳体通过所述下接头继续向前传递。
25.所述下接头内部设置有喉口缩颈，当所述脉冲阀组工作时，所述喉口缩颈的承压面在压力脉冲的作用下产生周期性的轴向作用力，该作用力同时作用于所述喉口缩颈的承压面和所述弹片座的下表面，使得所述弹片组产生周期性的轴向位移。以此形成持续性的轴向震动。
26.进一步，所述伸缩模块包含活塞、缸体和送钻接头，所述活塞受脉冲压力波的作用在所述缸体内往复运动，其轴向位移可通过所述送钻接头向下传递使钻柱产生蠕动。
27.进一步的，所述缸体包括缸套上接头、缸套外壳和缸套下接头，所述缸套上接头、缸套外壳和缸套下接头之间通过螺纹连接固定，且形成阶梯状内环空；所述活塞为整体呈空心圆柱体，其外部设置有阶梯状外台阶并套装于所述缸体内部，且所述阶梯状外台阶位于所述阶梯状内环空之中，构成活塞腔；所述活塞腔与所述缸套外壳上设置的低压节流孔或碰嘴连通，使得当压力脉冲为高压时，所述活塞的上、下表面之间形成压差，推动活塞下行，将压力传递至送钻接头。
28.进一步的，所述活塞为与所述送钻接头螺纹连接固定。下放钻具过程中，下部钻具重量由所述送钻接头传递至所述活塞，此时活塞下行，其阶梯状外台阶紧贴所述缸套下接头的上端面完成力的传递。同理，上提钻具时，轴向提拉力由所述缸套下接头传递至活塞，此时所述阶梯状外台阶紧贴所述缸套下接头的上端面完成力的传递。
29.进一步的，当脉冲发生时，所述压力脉冲作用于活塞面上，使得活塞上、下表面的压力差产生周期性变化，以此形成持续性的轴向蠕动。
30.(三)有益效果
31.本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
32.本发明所述一种自振送钻柔性钻井工具，本发明提出的一种自振送钻柔性钻井工具，主要包括柔性钻柱和自振短节。各部分之间采用万向传动机构进行连接以缩短整体钻具的刚性段长度，可满足小曲率半径导向钻井的需求。尤其适用于导向钻井过程中，由于自振短节可持续产生轴向震动，使得井下钻柱产生蠕动而减轻滑动摩擦，有效避免粘附卡钻的发生，有利于施加钻压，提高钻井时效。
附图说明
33.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
34.图1为一种自振送钻柔性钻井工具的整体结构示意图；
35.图2为一种自振送钻柔性钻井工具的第一种结构示意图；
36.图3为一种自振送钻柔性钻井工具的第二种结构示意图；
37.图中：1
‑
井底动力钻具；2
‑
万向传动短节；4
‑
自振短节；5
‑
钻头；6
‑
刚性钻柱；7
‑
脉冲模块；8
‑
震荡模块；9
‑
转轴；10
‑
脉冲上接头；11
‑
脉冲下接头； 12
‑
脉冲阀头；13
‑
叶片组；
14
‑
上轴承组；15
‑
下轴承组；16
‑
万向传动机构；16a
‑ꢀ
上连接接头；16b
‑
下连接接头；16c
‑
球座；16d
‑
弹性密封件；16e
‑
球头；
38.17
‑
导向短节；17a
‑
导向机构；18
‑
调整环；19
‑
压紧垫环；20
‑
脉冲阀座； 21
‑
芯轴；22
‑
壳体；23
‑
下接头；24
‑
弹片组；25
‑
伸缩模块；26
‑
弹片座；27
‑
活塞；28
‑
缸体；28a
‑
缸套上接头；28b
‑
缸套外壳；28c
‑
和缸套下接头；
39.29
‑
送钻接头；30
‑
阶梯状内环空；31
‑
阶梯状外台阶；32
‑
活塞腔；33
‑
低压节流孔或碰嘴；34
‑
耐磨材料；35
‑
活塞密封系统；36
‑
抗震自稳系统；m
‑
脉冲流道；n
‑
配液流道；37
‑
动力输出轴。
具体实施方式
40.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
41.实施例1：请参阅图1、2、3，本发明提供一种自振送钻柔性钻井工具，包括：
42.柔性钻柱，所述柔性钻柱包括多个相互串接的万向传动短节2。
43.以及至少一个自振短节4，所述自振短节4串接于所述柔性钻柱中，作为优选，本实施例所述自振短节4串接于整体钻具组合的下部位置。钻井过程中，位于下部位置的所述自振短节4产生的轴向振动可改变下部钻具与井壁的摩擦状态，使得钻压更容易传递至井底钻头5处，所述自振短节4包括脉冲模块7 和震荡模块8，其中所述脉冲模块7能够在高压钻井流体通过时持续产生压力脉冲，所述压力脉冲作用于所述震荡模块8而产生持续性的轴向震动或者作用于伸缩模块25中的水力活塞机构而产生持续性的轴向蠕动；
44.作为优选，本实施例运用于导向钻井过程中，还可在所述柔性钻柱的最下端配合其他井底动力钻具1。作为优选，本实施例所述井底动力钻具1为涡轮，所述柔性钻柱和所述井底动力钻具1之间通过万向传动短节2连接。所述井底动力钻具1还包括导向短节17或导向机构17a，其动力通过与所述井底动力钻具1的动力输出轴铰接的动力输出轴37，传递给钻头5完成导向钻进；
45.为提高整体钻具组合在小曲率半径井眼轨迹中的通过性，相邻所述万向传动短节2之间、所述柔性钻柱与自振短节4之间、所述脉冲模块7与震荡模块8 或伸缩模块25之间均通过万向传动机构16进行连接，并通过弹性密封件16d 及抗震自稳系统36确保钻柱在震动过程中的密封性和稳定性。
46.作为优选，本实施例中所述万向传动短节2至少包括上连接接头16a和下连接接头16b，所述上连接接头16a和下连接接头16b通过万向传动机构16进行连接，所述万向传动机构16应包括抗震自稳系统36，作为优选之一，所述抗震系统36可为弹簧。
47.本实施例中，所述自振短节4的长度小于5倍钻头直径，且其与两端柔性钻井工具之间至少间隔一个所述万向传动短节2；所述钻头至所述最上方的万向传动短节的轴线长度大于定向井眼轨迹的预设长度。
48.本实施例中，所述脉冲模块7包括脉冲上接头10和脉冲下接头11，所述脉冲上接头10内部套装有由转轴9和脉冲阀头12共同构成的脉冲转动部，且所述脉冲转动部与所述脉冲上接头10之间设有环状空隙。
49.作为优选，所述脉冲转动部由所述转轴9与所述脉冲阀头12通过螺纹连接组成，由于所述转轴9与所述脉冲阀头12均设置有台肩，当所述转轴9与所述脉冲阀头12连接固定时，所述台肩之间的间隔内至少可以设置一个叶片组及轴承组。所述叶片组为涡轮叶片组，可将高压钻井流体能量转化为机械能，带动所述脉冲转动部旋转。
50.进一步的，所述脉冲下接头11为一设置有阶梯状内、外台肩的空心圆柱体，其内部固定设置有脉冲阀座20，所述脉冲阀座20与所述脉冲阀头12共同构成脉冲阀组，脉冲阀组工作时，所述脉冲转动部旋转而所述脉冲阀座20固定不动。
51.另外，所述脉冲阀头12和所述脉冲阀座20上均设置有相互连通的过流通道，所述过流通道可连通涡轮叶片流道和脉冲下接头11的内部流道，使得高压钻井流体流经涡轮叶片流道做完功后，可继续向前流动进入内部流道空间；
52.且当所述转轴9带动脉冲阀头旋转时，由于所述脉冲阀座20固定不动，使得所述脉冲阀头相对于所述脉冲阀座旋转而产生过流通道截面的周期性变化，进而产生脉冲压力波。
53.特别的，所述转轴9与所述脉冲上接头10之间的空隙内还设置有上轴承组 14、下轴承组15、调整环18以及压紧垫环19；
54.所述转轴为一端设置有螺纹，另一端设置有外台阶的圆柱体结构，所述外台阶可以一体成型也可以是一个通过螺纹与转轴9连接的轴帽，当所述转轴与所述脉冲阀头螺纹连接时，所述脉冲阀头12的上端面与所述转轴9的外台阶之间的间隔能够压紧固定叶片组转子及上轴承组14、下轴承组15的轴承内圈；叶片组定子及上轴承组14、下轴承组15的的轴承外圈由调整环及压紧垫环压紧固定于所述脉冲下接头11的内台肩与所述万向传动机构16中的下连接接头16b 之间，确保所述叶片组13和转轴9的稳定性。在涡轮叶片组作用下，高压钻井流体能量转化为机械能，带动所述脉冲转动部旋转而所述脉冲阀座20固定不动。
55.作为优选，所述脉冲阀组的摩擦面之间设置为耐磨材料34或局部设置耐磨材料，以确保脉冲阀组和使用寿命。
56.本实施例中，所述脉冲模块和所述震荡模块之间之间通过万向传动机构进行连接，所述万向传动机构的自由活动角度大于2
°
。
57.本实施例中，所述震荡模块8包括芯轴21、壳体22、下接头23和弹片组 24，其与所述脉冲下接头11是通过万向传动机构16铰接的，具体包括球头16e 和球座16c，所述脉冲下接头11外台肩设置有球头16e，所述芯轴21上端设置内台肩，并在所述内台肩中设置有球座16c，所述球头16e和所述球座16c表面相互贴合滑移，可实现偏转条件下的钻压传递，其中所述芯轴21设置有至少两级外台肩，由其中一级外台肩传递钻压至下接头23；
58.所述壳体22内设置有与芯轴21对应的至少两级内台肩，其中二级内台肩与所述芯轴21下端弹片座26之间的环空间隙内设置所述弹片组24，所述弹片组24可将脉冲压力波转化为弹性势能，进而产生轴向震动。
59.作为优选，所述弹片座26通过螺纹连接固定于所述芯轴21的前端，并同所述芯轴21一起插入到所述下接头23内部与其内环空贴合。
60.所述芯轴21、壳体22上的两级台肩以及所述弹片座26与所述下接头23内环空之间均可相对滑动，滑动面之间均通过密封件进行密封。
61.所述壳体22与所述下接头23螺纹连接固定；在下放钻具过程中，下部钻具重量可
通过所述下接头23，由所述壳体22传递至所述弹片组24，此时所述弹片组24被压缩蓄积势能后由所述弹片座26通过所述芯轴21继续向后传递。同理，在上提钻具过程中，来自后方的提拉力由所述芯轴21通过所述弹片座26 传递至所述弹片组24，此时所述弹片组24同样被压缩蓄积势能后由所述壳体 22通过所述下接头23继续向前传递。
62.所述下接头23内部设置有喉口缩颈，当所述脉冲阀组工作时，所述喉口缩颈的承压面在压力脉冲的作用下产生周期性的轴向作用力，该作用力同时作用于所述喉口缩颈的承压面和所述弹片座26的下表面，使得所述弹片组24产生周期性的轴向位移，以此形成持续性的轴向震动。
63.实施例2：如图3，其与实施例1不同的地方在于，本实施例中自振的产生，是由所述脉冲模块7下方连接伸缩模块25，利用压力脉冲使得所述伸缩模块25 在轴向上产生持续性的往复运动形成轴向震动。当高压时，压力波作用于活塞 27上表面形成轴向推力推动活塞27伸出，带动送钻接头29下行，低压时，受下部钻具前进阻力的影响，伸出的活塞27将回缩到伸缩模块25内部，如此反复，具体的，所述伸缩模块25包含活塞27、缸体28和送钻接头29，所述缸体 28包括缸套上接头28a、缸套外壳28b和缸套下接头28c，所述缸套上接头28a、缸套外壳28b和缸套下接头28c之间通过螺纹连接固定，且形成阶梯状内环空 30；所述活塞27为整体呈空心圆柱体，其外部设置有阶梯状外台阶31并套装于所述缸体28内部，且所述阶梯状外台阶31位于所述阶梯状内环空30之中，构成活塞腔32；所述活塞腔32与所述缸套外壳28b上设置的低压节流孔或碰嘴 33连通，使得当压力脉冲为高压时，所述活塞的上、下表面之间形成压差，推动活塞27下行，将压力传递至送钻接头29。
64.进一步的，所述活塞27为与所述送钻接头29螺纹连接固定。下放钻具过程中，下部钻具重量由所述送钻接头29传递至所述活塞27，此时活塞27下行，其阶梯状外台阶31紧贴所述缸套下接头28c的上端面完成力的传递。同理，上提钻具时，轴向提拉力由所述缸套下接头28c传递至活塞27，此时所述阶梯状外台阶31紧贴所述缸套下接头28c的上端面完成力的传递。
65.进一步的，当脉冲发生时，所述压力脉冲作用于活塞面上，使得活塞27上、下表面的压力差产生周期性变化，以此形成持续性的轴向蠕动。
66.进一步的，如图2所示，所述自振短节4包括脉冲模块7和震荡模块8，所述脉冲模块和所述震荡模块之间采用万向传动机构连接；或者，如图3所示，所述自振短节4包括脉冲模块7和伸缩模块25，所述脉冲模块和所述伸缩模块采用万向传动机构连接。
67.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
68.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。