多点激励钻柱减摩阻方法及装置

申请号 CN201410548764.4 申请日 2014-10-16 公开(公告)号 CN104499958A 公开(公告)日 2015-04-08
申请人 中国石油大学(华东); 发明人 倪红坚; 王鹏; 王瑞和; 李木坤;
摘要 本 发明 公开了一种多点激励 钻柱 减摩阻方法及多点激励钻柱减摩阻装置,该装置包括:分为上部钻柱段和下部钻柱段的钻柱;下部钻柱段的下端钻具的上方设有一个脉冲发生器,脉冲发生器上方的下部钻柱段上设有若干受压段激振器,上部钻柱段上设有若干受拉段激振器;采用该方法,钻井 流体 流过脉冲发生器,产生高频连续波 正压 力 脉冲并沿钻柱内部向上传播,经过若干受压段激振器时,激发每个受压段激振器产生轴向伸长运动;经过若干受拉段激振器时,激发每个受拉段激振器产生轴向收缩运动;整个钻柱产生连续的高频轴向伸缩振动/蠕动,改善了整个钻柱与井壁之间的 接触 状态,减小了摩阻和 扭矩 ,提高了钻压和扭矩的传递效率,提高了机械钻速和极限延伸距离。
权利要求

1.一种多点激励钻柱减摩阻方法,其特征在于,所述多点激励钻柱减摩阻方法如下:
S1、在钻柱上确定一个分界面,所述分界面将所述钻柱分为上部钻柱段和下部钻柱段;
S2、在所述下部钻柱段的下端并位于井下钻具的上方设置一个脉冲发生器,当钻井流体流过所述脉冲发生器时,产生高频连续波正压脉冲并沿所述钻柱内部向上传播;
S3、在所述下部钻柱段上并位于所述脉冲发生器的上方,间隔设置若干个受压段激振器,所述高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干所述受压段激振器,激发每个所述受压段激振器产生轴向伸长运动;
S4、在所述上部钻柱段上,间隔设置若干个受拉段激振器,所述高频连续波正压力脉冲经过所述分界面后继续向上传播,自下而上依次经过若干所述受拉段激振器,激发每个所述受拉段激振器产生轴向收缩运动。
2.一种多点激励钻柱减摩阻装置,其特征在于,包括:
钻柱,所述钻柱包括上部钻柱段和下部钻柱段;
一个脉冲发生器,所述脉冲发生器设置于所述下部钻柱段的下端并位于井下钻具的上方,用于产生高频连续波正压力脉冲并沿所述钻柱内部向上传播;
若干个受压段激振器,若干个所述受压段激振器间隔设置于所述下部钻柱段上并位于所述脉冲发生器的上方,所述高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干所述受压段激振器时,每个所述受压段激振器产生轴向伸长运动;以及
若干个受拉段激振器,若干个所述受拉段激振器间隔设置于所述上部钻柱段上,所述高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干所述受拉段激振器时,每个所述受拉段激振器产生轴向收缩运动。
3.如权利要求2所述的一种多点激励钻柱减摩阻装置,其特征在于,所述脉冲发生器包括:
套筒组件,所述套筒组件包括固定连接的上接头和下接头;
定子杆,所述定子杆设于所述套筒组件内腔中且其底端与所述下接头固定连接,所述定子杆的上端设置有导流盘,所述导流盘上设有导流盘通孔,所述定子杆的下端设有沿其轴向延伸的中空的定子杆流道,所述定子杆下端的侧壁上设有与所述定子杆流道连通的定子杆导流通孔;
转子,所述转子套设于所述定子杆的外周,可相对于所述定子杆及所述下接头转动,所述转子的上端设有叶片结构,所述转子下端的侧壁上设有转子导流通孔,所述转子导流通孔与所述定子杆导流通孔周期性导通或断开。
4.如权利要求3所述的一种多点激励钻柱减摩阻装置,其特征在于,所述转子的外周与所述下接头的内周之间设置有衬套,所述转子的底部外端面与所述下接头之间设有底盘。
5.如权利要求2所述的一种多点激励钻柱减摩阻装置,其特征在于,所述受压段激振器包括:
第一筒形组件,所述第一筒形组件包括固定连接的第一上套筒和第一下套筒;
第一振动杆,所述第一振动杆设于所述第一筒形组件内腔且可相对于所述第一筒形组件轴向滑动,所述第一振动杆的下端部伸出所述第一下套筒之外并固定连接有第一下接头,所述第一振动杆设有沿其轴向延伸的贯通的第一振动杆流道,所述第一振动杆的中部外周设有沿其径向向外延伸的第一凸环部,所述第一凸环部上方的所述第一振动杆的侧壁上设有与所述第一振动杆流道连通的高压通孔,所述第一凸环部的上端面、所述第一凸环部上方的所述第一振动杆的外侧面与所述第一筒形组件的内侧面围成一个高压腔;所述第一凸环部的下端面、所述第一凸环部下方的所述第一振动杆的外侧面与所述第一筒形组件的内侧面围成一个低压腔。
6.如权利要求5所述的一种多点激励钻柱减摩阻装置,其特征在于,所述第一凸环部的外周面、所述第一凸环部上方的所述第一振动杆的外侧面与所述第一筒形组件的内侧面之间皆设有密封件
7.如权利要求5所述的一种多点激励钻柱减摩阻装置,其特征在于,所述第一振动杆的下端与所述第一下套筒的下端的配合部位为多边形结构。
8.如权利要求2至7任一项所述的一种多点激励钻柱减摩阻装置,其特征在于,所述受拉段激振器包括:
第二筒形组件,所述第二筒形组件包括固定连接的第二上套筒和第二下套筒;
第二振动杆,所述第二振动杆设于所述第二筒形组件内腔且可相对于所述第二筒形组件轴向滑动,所述第二振动杆的下端部伸出所述第二下套筒之外并固定连接有第二下接头,所述第二振动杆设有沿其轴向延伸的贯通的第二振动杆流道,所述第二振动杆的中部外周设有沿其径向向外延伸的第二凸环部,所述第二凸环部下方的所述第二振动杆的侧壁上设有与所述第二振动杆流道连通的高压通孔,所述第二凸环部的下端面、所述第二凸环部下方的所述第二振动杆的外侧面与所述第二筒形组件的内侧面围成一个高压腔;所述第二凸环部上方的所述第二筒形组件的侧壁上设有低压通孔,所述第二凸环部的上端面、所述第二凸环部上方的所述第二振动杆的外侧面与所述第二筒形组件的内侧面围成一个低压腔。
9.如权利要求8所述的一种多点激励钻柱减摩阻装置,其特征在于,所述第二凸环部的外周面、所述第二凸环部上方的所述第二振动杆的外侧面以及所述第二凸环部下方的所述第二振动杆的外侧面与所述第二筒形组件的内侧面之间皆设有密封件。
10.如权利要求9所述的一种多点激励钻柱减摩阻装置,其特征在于,所述第二振动杆的下端与所述第二下套筒的下端的配合部位为多边形结构。

说明书全文

多点激励钻柱减摩阻方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及石油天然气钻井技术领域,尤其涉及一种用于减小深直井和复杂结构井钻进过程中钻柱与井壁间的摩阻,将钻压平滑的传递给井底钻头的多点激励钻柱减摩阻方法及用于实施该方法的多点激励钻柱减摩阻装置。

背景技术

[0002] 发展深直井技术和复杂结构井技术,高效开发复杂油气层、深部油气藏和海洋油气资源,符合我国对能源的巨大需求,也是我国能源储备安全的重要保障。
[0003] 石油钻井中用到的钻柱,由井底到井口依次主要由钻头、钻铤钻杆和方钻杆等组成,下部钻柱用于施加钻压,在钻进过程中承受着井底岩石对钻头的反,处于压缩状态;上部钻柱用于连接下部钻柱和传递扭矩,钻进过程中由井口大钩提拉,处于拉伸状态。通过改变钻杆和钻铤的组合形式及加入新的井下钻具可实现不同的钻具组合形式,目前主要有单钟摆钻具组合、塔式钻具组合、满眼钻具组合及井下动力钻具组合,其中井下动力钻具组合应用范围最广,同时摩阻产生的“拖压”问题也最突出。
[0004] 在深直井的钻探过程中,钻遇的地层硬度大、岩性变化多样、非均质性强,导致井斜和方位控制难度增大。在这种情况下一般通过采用钟摆钻具组合轻压吊打或使用带有弯的井下动力钻具组合反扣来控制井身质量;轻压吊打的方式在一定程度上保证了井身质量,但是使机械钻速急剧下降,使用井下动力钻具组合反扣虽然可有效控制井斜和方位,但是却加剧了井眼“狗腿”(石油钻井中,指井身局部段弯曲曲率半径很小,即突然弯曲形似“狗腿”)的形成。因此,可以说在现有钻井技术条件下,直井只存在于设计阶段,而钻出的真实井眼均是带有若干“狗腿”的螺旋弯曲井眼。在钻进过程中,当局部狗腿度过大将不可避免的导致“拖压”现象的发生,降低了机械钻速,严重时将导致遇阻和卡钻,使钻压无法加到钻头,钻进作业不得不停止。另一方面,深直井、超深直井钻进过程中存在大段的裸眼段,容易发生井漏和高渗透率地层的漏失,环空中的钻井液与地层流体压力的压力差将钻柱压向井壁,产生“拖压”现象,使机械钻速降低,严重时将出现“压差卡钻”。
[0005] 在复杂结构井的钻探过程中,随着井眼的延伸和井斜的增加,大部分钻柱躺在井壁岩石上,使钻铤施加的钻压大部分消耗在克服井壁对钻柱的摩阻上,钻压无法有效的传递给钻头,机械钻速显著降低;尤其是滑动定向钻进过程中,井底动力钻具以上的钻柱不旋转使钻柱与井壁之间的摩阻系数较旋转时增加,产生“拖压”现象,当钻柱与井壁岩石之间的摩阻等于钻压时,井眼无法继续延伸。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的第一个技术问题是:针对深直井和复杂结构井钻进过程中存在的“拖压”和“粘滑”现象,提供一种多点激励钻柱减摩阻方法,该方法能使全井钻柱沿钻柱轴向振动起来,最大程度的减小钻柱与井壁岩石之间的摩阻,使钻压和扭矩能够平滑有效的传递给钻头,以提高机械钻速和井眼的极限延伸距离。
[0007] 本发明所要解决的第二个技术问题是:提供一种专用于实施本发明的多点激励钻柱减摩阻方法的多点激励钻柱减摩阻装置。
[0008] 为解决上述第一个技术问题,本发明的技术方案是:一种多点激励钻柱减摩阻方法,所述多点激励钻柱减摩阻方法如下:
[0009] S1、在钻柱上确定一个分界面,所述分界面将所述钻柱分为上部钻柱段和下部钻柱段;
[0010] S2、在所述下部钻柱段的下端并位于井下钻具的上方设置一个脉冲发生器,当钻井流体流过所述脉冲发生器时,产生高频连续波正压力脉冲并沿所述钻柱内部向上传播;
[0011] S3、在所述下部钻柱段上并位于所述脉冲发生器的上方,间隔设置若干个受压段激振器,所述高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干所述受压段激振器,激发每个所述受压段激振器产生轴向伸长运动;
[0012] S4、在所述上部钻柱段上,间隔设置若干个受拉段激振器,所述高频连续波正压力脉冲经过所述分界面后继续向上传播,自下而上依次经过若干所述受拉段激振器,激发每个所述受拉段激振器产生轴向收缩运动。
[0013] 为解决上述第二个技术问题,本发明的技术方案是:一种多点激励钻柱减摩阻装置,包括:
[0014] 钻柱,所述钻柱包括上部钻柱段和下部钻柱段;
[0015] 一个脉冲发生器,所述脉冲发生器设置于所述下部钻柱段的下端并位于井下钻具的上方,用于产生高频连续波正压力脉冲并沿所述钻柱内部向上传播;
[0016] 若干个受压段激振器,若干个所述受压段激振器间隔设置于所述下部钻柱段上并位于所述脉冲发生器的上方,所述高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干所述受压段激振器时,每个所述受压段激振器产生轴向伸长运动;以及
[0017] 若干个受拉段激振器,若干个所述受拉段激振器间隔设置于所述上部钻柱段上,所述高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干所述受拉段激振器时,每个所述受拉段激振器产生轴向收缩运动。
[0018] 优选,所述脉冲发生器包括:
[0019] 套筒组件,所述套筒组件包括固定连接的上接头和下接头;
[0020] 定子杆,所述定子杆设于所述套筒组件内腔中且其底端与所述下接头固定连接,所述定子杆的上端设置有导流盘,所述导流盘上设有导流盘通孔,所述定子杆的下端设有沿其轴向延伸的中空的定子杆流道,所述定子杆下端的侧壁上设有与所述定子杆流道连通的定子杆导流通孔;
[0021] 转子,所述转子套设于所述定子杆的外周,可相对于所述定子杆及所述下接头转动,所述转子的上端设有叶片结构,所述转子下端的侧壁上设有转子导流通孔,所述转子导流通孔与所述定子杆导流通孔周期性导通或断开。
[0022] 进一步优选,所述转子的外周与所述下接头的内周之间设置有衬套,所述转子的底部外端面与所述下接头之间设有底盘。
[0023] 优选,所述受压段激振器包括:
[0024] 第一筒形组件,所述第一筒形组件包括固定连接的第一上套筒和第一下套筒;
[0025] 第一振动杆,所述第一振动杆设于所述第一筒形组件内腔且可相对于所述第一筒形组件轴向滑动,所述第一振动杆的下端部伸出所述第一下套筒之外并固定连接有第一下接头,所述第一振动杆设有沿其轴向延伸的贯通的第一振动杆流道,所述第一振动杆的中部外周设有沿其径向向外延伸的第一凸环部,所述第一凸环部上方的所述第一振动杆的侧壁上设有与所述第一振动杆流道连通的高压通孔,所述第一凸环部的上端面、所述第一凸环部上方的所述第一振动杆的外侧面与所述第一筒形组件的内侧面围成一个高压腔;所述第一凸环部的下端面、所述第一凸环部下方的所述第一振动杆的外侧面与所述第一筒形组件的内侧面围成一个低压腔。
[0026] 进一步优选,所述第一凸环部的外周面、所述第一凸环部上方的所述第一振动杆的外侧面与所述第一筒形组件的内侧面之间皆设有密封件
[0027] 进一步优选,所述第一振动杆的下端与所述第一下套筒的下端的配合部位为多边形结构。
[0028] 优选,所述受拉段激振器包括:
[0029] 第二筒形组件,所述第二筒形组件包括固定连接的第二上套筒和第二下套筒;
[0030] 第二振动杆,所述第二振动杆设于所述第二筒形组件内腔且可相对于所述第二筒形组件轴向滑动,所述第二振动杆的下端部伸出所述第二下套筒之外并固定连接有第二下接头,所述第二振动杆设有沿其轴向延伸的贯通的第二振动杆流道,所述第二振动杆的中部外周设有沿其径向向外延伸的第二凸环部,所述第二凸环部下方的所述第二振动杆的侧壁上设有与所述第二振动杆流道连通的高压通孔,所述第二凸环部的下端面、所述第二凸环部下方的所述第二振动杆的外侧面与所述第二筒形组件的内侧面围成一个高压腔;所述第二凸环部上方的所述第二筒形组件的侧壁上设有低压通孔,所述第二凸环部的上端面、所述第二凸环部上方的所述第二振动杆的外侧面与所述第二筒形组件的内侧面围成一个低压腔。
[0031] 进一步优选,所述第二凸环部的外周面、所述第二凸环部上方的所述第二振动杆的外侧面以及所述第二凸环部下方的所述第二振动杆的外侧面与所述第二筒形组件的内侧面之间皆设有密封件。
[0032] 进一步优选,所述第二振动杆的下端与所述第二下套筒的下端的配合部位为多边形结构。
[0033] 由于采用了上述技术方案,本发明的多点激励钻柱减摩阻方法,将整个钻柱沿分界面分为上部钻柱段和下部钻柱段,在下部钻柱段的下端并位于井下钻具的上方设置一个脉冲发生器,在下部钻柱段上并位于脉冲发生器的上方间隔设置若干个受压段激振器,在上部钻柱段上间隔设置若干个受拉段激振器;钻井流体流过脉冲发生器时,产生高频连续波正压力脉冲并沿钻柱内部向上传播;高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干受压段激振器,激发每个受压段激振器产生轴向伸长运动,同时由于该若干个受压段激振器处于受压缩的下部钻柱段,在伸长力和压缩力两种力的作用下,使处于脉冲发生器和分界面之间的下部钻柱段产生轴向振动/蠕动,减小了下部钻柱段与井壁岩石之间的摩阻;高频连续波正压力脉冲经过分界面后继续向上传播,自下而上依次经过若干受拉段激振器,激发每个受拉段激振器产生轴向收缩运动,同时由于该若干个受拉段激振器处于受拉伸的上部钻柱段,在收缩力和拉伸力两种力的作用下,分界面与钻台面之间的上部钻柱段产生轴向振动/蠕动,减小了上部钻柱段与井壁岩石之间的摩阻。
[0034] 钻井流体连续循环,使脉冲发生器和钻台面之间的整个钻柱产生连续的高频轴向伸缩振动/蠕动,改善了整个钻柱与井壁之间的接触状态,减小了摩阻和扭矩,提高了钻压和扭矩的传递效率,提高了机械钻速和极限延伸距离,缩短了钻井周期并减少了钻井成本。附图说明
[0035] 图1是本发明实施例的多点激励钻柱减摩阻装置结构示意图;
[0036] 图2是图1中脉冲发生器的结构剖视示意图;
[0037] 图3是图2中A-A剖视示意图;
[0038] 图4是图2中B-B剖视示意图;
[0039] 图5是图1中受压段激振器结构剖视示意图(处于复位状态);
[0040] 图6是图1中受压段激振器结构剖视示意图(处于工作状态);
[0041] 图7是图5中C-C剖视示意图;
[0042] 图8是图1中受拉段激振器结构剖视示意图(处于复位状态);
[0043] 图9是图1中受拉段激振器结构剖视示意图(处于工作状态);
[0044] 图10是图9中D-D剖视示意图;
[0045] 图中:I-钻头;II-脉冲发生器;IIIa-下部钻柱段;IIIb-分界面;IIIc-上部钻柱段;IV-受压段激振器;V-受拉段激振器;VI-钻台面;1-上接头;2-定子杆;201-定子杆导流通孔;202-定子杆流道;3-导流盘;31-导流盘通孔;4-衬套;5-转子;51-叶片结构;52-转子导流通孔;6-底盘;7-下接头;8-第一上套筒;9-密封圈;10-第一振动杆;101-第一振动杆流道;102-第一凸环部;11-密封圈;12-第一下套筒;13-第一下接头;14-高压通孔;15-第二上套筒;16-第二振动杆;161-第二振动杆流道;162-第二凸环部;17-密封圈;18-低压通孔;19-高压通孔;20-密封圈;21-密封圈;22-第二下套筒;23-第二下接头;A1-高压腔;B1-低压腔;A2-高压腔;B2-低压腔。

具体实施方式

[0046] 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。
[0047] 参照图1,本发明实施例的多点激励钻柱减摩阻方法,如下:
[0048] S1、在钻柱上确定一个分界面IIIb,该分界面IIIb将整个钻柱分为上部钻柱段IIIc和下部钻柱段IIIa;分界面的位置由钻进所需施加的钻压值及分界面下部钻柱重量确定;
[0049] S2、在下部钻柱段IIIa的下端并位于井下钻具的钻头I的上方设置一个脉冲发生器II,当钻井流体流过脉冲发生器II时,产生高频连续波正压力脉冲并沿钻柱内部向上传播;
[0050] S3、在下部钻柱段IIIa上并位于脉冲发生器II的上方,间隔设置若干个受压段激振器IV,高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干个受压段激振器IV时,激发每个受压段激振器IV产生轴向伸长运动;同时由于该若干个受压段激振器IV处于受压缩的下部钻柱段IIIa,在伸长力和压缩力两种力的作用下,使处于脉冲发生器II和分界面IIIb之间的下部钻柱段IIIa产生轴向振动/蠕动,减小了下部钻柱段IIIa与井壁岩石之间的摩阻;
[0051] S4、在上部钻柱段IIIc上,间隔设置若干个受拉段激振器V,高频连续波正压力脉冲经过分界面IIIb后继续向上传播,自下而上依次经过若干受拉段激振器V时,激发每个受拉段激振器V产生轴向收缩运动;同时由于该若干个受拉段激振器V处于受拉伸的上部钻柱段IIIc,在收缩力和拉伸力两种力的作用下,分界面IIIb与钻台面VI之间的上部钻柱段IIIc产生轴向振动/蠕动,减小了上部钻柱段IIIc与井壁岩石之间的摩阻。
[0052] 如图1所示,为本发明实施例的专用于实施本发明的多点激励钻柱减摩阻方法的多点激励钻柱减摩阻装置结构示意图,为了便于说明,本图仅提供与本发明有关的结构部分。
[0053] 本发明实施例的多点激励钻柱减摩阻装置,包括:钻柱,以分界面IIIb为基准,将钻柱分为上部钻柱段IIIc和下部钻柱段IIIa;一个脉冲发生器II,该脉冲发生器II设置于下部钻柱段IIIa的下端并位于井下钻具的钻头I的上方,用于产生高频连续波正压力脉冲并沿所述钻柱内部向上传播;若干个受压段激振器IV,若干个受压段激振器IV间隔设置于下部钻柱段IIIa上并位于脉冲发生器II的上方,高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干受压段激振器IV时,每个受压段激振器IV产生轴向伸长运动;以及若干个受拉段激振器V,若干个受拉段激振器V间隔设置于上部钻柱段IIIc上,高频连续波正压力脉冲自下而上依次经过若干个受拉段激振器V时,每个受拉段激振器V产生轴向收缩运动。
[0054] 如图2、图3和图4所示,其中,脉冲发生器II包括:套筒组件,该套筒组件包括螺纹连接的上接头1和下接头7;定子杆2,定子杆2设于套筒组件内腔中且其底端与下接头7螺纹连接,在定子杆2的上端螺纹连接有导流盘3,导流盘3上设有导流盘通孔31,定子杆
2的下端设有沿其轴向延伸的中空的定子杆流道202,定子杆2下端的侧壁上设有与定子杆流道202连通的定子杆导流通孔201;转子5,该转子5套设于定子杆2的外周,转子5的上端设有叶片结构51,当钻井流体流过时可驱动转子5相对于定子杆2及下接头7高速旋转,转子5下端的侧壁上沿周向开有均布的转子导流通孔52(图中示意出了三个转子导流通孔
52,其数量可根据实际情况有所增减),转子5高速旋转过程中,转子导流通孔52与定子杆导流通孔201周期性地导通或断开;两者之间重合、交错或断开时,可改变钻井流体的过流面积,转子连续转动时,可产生高频连续波正压力脉冲并上传。
[0055] 如图2所示,还进一步在转子5的外周与下接头7的内周之间设置有衬套4,且衬套4通过上接头1压紧;转子5的底部外端面与下接头7之间设有底盘6。衬套4内表面、定子杆2外周面和底盘6的上表面均经过光滑耐磨处理,用以减少与高速旋转的转子5之间的摩擦,延长转子5的使用寿命。
[0056] 脉冲发生器的工作原理:高速钻井流体沿上接头1流入脉冲发生器II,由导流盘3上的导流盘通孔31导入转子5的上部叶片结构51,驱动转子5产生相对于定子杆2的高速旋转,转子5下端的转子导流通孔52与定子杆2下端的定子杆导流通孔201周期性地导通或断开;不断改变钻井流体的过流面积,产生高频连续波正压力脉冲,该高频连续波正压力脉冲沿脉冲发生器II内部流道上传,用于驱动上部钻柱中的若干个受压段激振器IV和若干个受拉段激振器V。
[0057] 如图5所示,其中,受压段激振器IV包括:第一筒形组件,该第一筒形组件包括螺纹连接的第一上套筒8和第一下套筒12;第一振动杆10,第一振动杆10设于第一筒形组件内腔且可相对于第一筒形组件轴向滑动,第一振动杆10的下端部伸出第一下套筒12之外并螺纹连接有第一下接头13,第一振动杆10设有沿其轴向延伸的贯通的第一振动杆流道101,在第一振动杆10的中部外周设有沿其径向向外延伸的第一凸环部102,在第一凸环部上102方的第一振动杆10的侧壁上设有与第一振动杆流道101连通的高压通孔14,由第一凸环部102的上端面、第一凸环部102上方的第一振动杆10的外侧面与第一筒形组件的内侧面共同围成一个高压腔A1;由第一凸环部102的下端面、第一凸环部102下方的第一振动杆10的外侧面与第一筒形组件的内侧面共同围成一个低压腔B1。
[0058] 如图5所示,其中,第一凸环部102的外周面与第一下套筒12的内侧面之间设有密封圈11,第一凸环部102上方的第一振动杆10的外侧面与的第一上套筒8的内侧面之间设有密封圈9。密封圈9、密封圈11的设置用于确保第一振动杆10与第一筒形组件为滑动密封配合。
[0059] 如图7所示,第一振动杆10的下端与第一下套筒12的下端的配合部位优选为六边形结构,以限制两者之间的周向运动,用于传递扭矩。也可以采用三角形、四边形或八边形等其他多边形结构。
[0060] 受压段激振器的工作原理:如图5所示,受压段激振器处于复位状态(即不工作状态)时,当由脉冲发生器II产生的高频连续波正压力脉冲自下而上传递到受压段激振器IV的高压通孔14时,该高频连续波正压力脉冲进入高压腔A1作用于第一振动杆10的第一凸环部102的上端面和第一筒形组件的内侧面,由于第一凸环部102的下端面处于低压腔B1作用着环空低压,因此将会导致高压腔A1膨胀,第一上套筒8及第一下套筒12向上运动,第一振动杆10向下运动,使受压段激振器IV完成轴向伸长运动进入工作状态,如图6所示;同时由于所有受压段激振器IV皆处于受压的下部钻柱段IIIa中,当该高频连续波正压力脉冲消失后,所有受压段激振器IV又轴向收缩回到复位状态,即图5所示状态。这样,在脉冲发生器II连续工作状态下,每个受压段激振器IV将产生连续的高频轴向伸缩振动/蠕动,减小了下部钻柱段IIIa与井壁岩石之间的摩阻。
[0061] 如图9所示,其中,受拉段激振器V包括:第二筒形组件,第二筒形组件包括螺纹连接的第二上套筒15和第二下套筒22;第二振动杆16,第二振动杆16设于第二筒形组件内腔且可相对于第二筒形组件轴向滑动,第二振动杆16的下端部伸出第二下套筒22之外并螺纹连接有第二下接头23,第二振动杆16设有沿其轴向延伸的贯通的第二振动杆流道161,第二振动杆16的中部外周设有沿其径向向外延伸的第二凸环部162,第二凸环部162下方的第二振动杆16的侧壁上设有与第二振动杆流道161连通的高压通孔19,由第二凸环部162的下端面、第二凸环部162下方的第二振动杆16的外侧面与第二下套筒22的内侧面共同围成一个高压腔A2;在第二凸环部162上方的第二下套筒22的侧壁上设有低压通孔18,由第二凸环部162的上端面、第二凸环部162上方的第二振动杆16的外侧面与第二筒形组件的内侧面共同围成一个低压腔B2。
[0062] 如图9所示,其中,第二凸环部162的外周面与第二下套筒22的内侧面之间设有密封圈20,第二凸环部162上方的第二振动杆16的外侧面与第二上套筒15的内侧面之间设有密封圈17,第二凸环部162下方的第二振动杆16的外侧面与第二下套筒22的内侧面之间设有密封圈21。密封圈20、密封圈17和密封圈21的设置用于确保第二振动杆16与第二筒形组件为滑动密封配合。
[0063] 如图10所示,第二振动杆16的下端与第二下套筒22的下端的配合部位优选为六边形结构,以限制两者之间的周向运动,用于传递扭矩。也可以采用三角形、四边形或八边形等其他多边形结构。
[0064] 受拉段激振器的工作原理:如图8所示,受拉段激振器处于复位状态(即不工作状态)时,当由脉冲发生器II产生的高频连续波正压力脉冲传递到该受拉段激振器V的高压通孔19时,该高频连续波正压力脉冲进入高压腔A2作用于第二振动杆16的第二凸环部162下端面和第二下套筒22的内侧面,由于第二振动杆16的第二凸环部162的上端面处于低压腔B2作用着环空低压,因此将会导致高压腔A2膨胀,第二振动杆16向上运动,第二下套筒22及第二上套筒15向下运动,使受拉段激振器V完成轴向收缩运动进入工作状态,如图9所示;同时由于所有受拉段激振器V皆处于受拉的上部钻柱段IIIc中,当该高频连续波正压力脉冲消失后,所有受拉段激振器V又回到复位状态,如图8所示。这样,在脉冲发生器II连续工作状态下,每个受拉段激振器V将产生连续的高频轴向伸缩振动/蠕动,减小了上部钻柱段IIIc与井壁岩石之间的摩阻。
[0065] 本发明针对深直井和复杂结构井钻进过程(尤其是滑动钻进过程)中存在的“拖压”和“粘滑”现象,提出了一种多点激励钻柱减摩阻方法及专用于实施该方法的多点激励钻柱减摩阻装置,其创新性体现在:
[0066] (1)提出通过激发钻柱产生轴向振动/蠕动,改变钻柱与井壁之间的接触状态,从而减小钻柱与井壁之间的摩阻,提高深直井和复杂结构井钻探效率和极限延伸距离的方法,与常规被动减摩阻方法相比,该方法属于主动减阻技术。
[0067] (2)提出多点激励钻柱技术思路,并依据钻柱分界面以上的上部钻柱段受拉和分界面以下的下部钻柱段受压的特点,通过在钻柱中安装多个激振器,使整个钻柱振动/蠕动起来,可实现最大范围和程度上的减摩阻。
[0068] (3)提出利用单个脉冲发生器所激发的钻井流体脉冲压力作为所有激振器的能量来源,最大程度的节约了钻井流体能量,使该技术在深井和复杂结构井中进行减摩阻应用的可行性大为提高。
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