一種減小鉆柱與井壁摩阻的方法及一種分割接頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種減小鉆柱與井壁摩阻的方法及一種分割接頭,該分割接頭將鉆柱分割為分別與其連接的上部鉆柱段和下部鉆柱段，根據(jù)選定的減摩阻模式，通過井口設(shè)備驅(qū)動上部鉆柱段產(chǎn)生相對于下部鉆柱段的軸向滑動或周向扭轉(zhuǎn)或軸向滑動和周向扭轉(zhuǎn)運動；該方法使上部鉆柱段相對于下部鉆柱段“動起來”，上部鉆柱段與井壁之間的靜摩擦變?yōu)閯幽Σ?，減小了上部鉆柱段與井壁之間的摩阻，改善了上部鉆柱段與井壁巖石之間的接觸狀態(tài)，使鉆壓和扭矩能夠平滑有效的傳遞給鉆頭，提高了機械鉆速和井眼的極限延伸距離，縮短了鉆井周期并減少了鉆井成本。
【專利說明】一種減小鉆柱與井壁摩阻的方法及一種分割接頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油天然氣鉆井【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種用于減小深直井和復(fù)雜結(jié)構(gòu) 井鉆進過程中鉆柱與井壁間的摩阻，將鉆壓平滑的傳遞給井底鉆頭的方法及強化該方法的 一種分割接頭。

【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)展深直井和復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)，高效開發(fā)復(fù)雜油氣層、深部油氣藏和海洋油氣資 源，符合我國對能源的巨大需求，也是我國能源儲備安全的重要保障。
[0003] 在深直井的鉆探過程中，鉆遇的地層硬度大、巖性變化多樣、非均質(zhì)性強，導(dǎo)致井 斜和方位控制難度增大。在這種情況下一般通過采用鐘擺鉆具組合輕壓吊打或使用帶有彎 角的井下動力鉆具組合反扣來控制井身質(zhì)量；輕壓吊打的方式在一定程度上保證了井身質(zhì) 量，但是使機械鉆速急劇下降，使用井下動力鉆具組合反扣雖然可有效控制井斜和方位，但 是卻加劇了井眼"狗腿"的形成。因此，可以說在現(xiàn)有鉆井技術(shù)條件下，直井只存在于設(shè)計 階段，而鉆出的真實井眼均是帶有若干"狗腿"的螺旋彎曲井眼。在鉆進過程中，當(dāng)局部狗 腿度過大將不可避免的導(dǎo)致"拖壓"和"粘滑"現(xiàn)象的發(fā)生，降低了機械鉆速，嚴重時將導(dǎo)致 遇阻和卡鉆，使鉆壓無法加到鉆頭，鉆進作業(yè)不得不停止。另一方面，深直井、超深直井鉆進 過程中存在大段的裸眼段，容易發(fā)生井漏和高滲透率地層的漏失，環(huán)空中的鉆井液與地層 流體壓力的壓力差將鉆柱壓向井壁，產(chǎn)生"拖壓"和"粘滑"現(xiàn)象，使機械鉆速降低，嚴重時 也將出現(xiàn)"壓差卡鉆"，嚴重威脅井下安全。
[0004] 在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的鉆探過程中，隨著井眼的延伸和井斜的增加，大部分鉆柱躺在井 壁巖石上，使鉆鋌施加的鉆壓大部分消耗在克服井壁對鉆柱的摩阻上，鉆壓無法有效的傳 遞給鉆頭，機械鉆速顯著降低；尤其是滑動定向鉆進過程中，井底動力鉆具以上的鉆柱不旋 轉(zhuǎn)使鉆柱與井壁之間的摩阻系數(shù)增加，產(chǎn)生"拖壓"現(xiàn)象，當(dāng)鉆柱與井壁巖石之間的摩阻等 于鉆壓時，井眼無法繼續(xù)延伸。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題是：針對深直井和復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆進過程中存在 的高摩阻現(xiàn)象而導(dǎo)致的"拖壓"和"粘滑"，提出一種減小鉆柱與井壁之間摩阻的方法，使鉆 壓和扭矩能夠平滑有效的傳遞給鉆頭，提高機械鉆速和井眼的極限延伸距離。
[0006] 本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是：提供一種用于強化本發(fā)明的減小鉆柱與井 壁摩阻方法的分割接頭。
[0007] 為解決上述第一個技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種減小鉆柱與井壁摩阻的 方法，該方法如下：
[0008] S10、在鉆柱中確定一個位置，在該位置安裝一個分割接頭，所述分割接頭將鉆柱 分割為上部鉆柱段和下部鉆柱段，所述分割接頭的上端與所述上部鉆柱段連接，所述分割 接頭的下端與所述下部鉆柱段連接，所述上部鉆柱段在井口設(shè)備驅(qū)動下可相對于所述下部 鉆柱段軸向滑動或周向扭轉(zhuǎn)或軸向滑動和周向扭轉(zhuǎn)；
[0009] S20、選擇減摩阻模式，所述減摩阻模式包括軸向運動減摩阻模式、周向運動減摩 阻模式和復(fù)合運動減摩阻模式，選擇其中的一種；
[0010] S30、根據(jù)所選定的減摩阻模式，通過井口設(shè)備驅(qū)動所述上部鉆柱段產(chǎn)生相對于所 述下部鉆柱段的軸向滑動或周向扭轉(zhuǎn)或軸向滑動和周向扭轉(zhuǎn)運動。
[0011] 作為優(yōu)選，所述Sio步驟中，還包括步驟Sll :確定所述分割接頭的安裝位置。
[0012] 作為優(yōu)選，當(dāng)選擇所述軸向運動減摩阻模式時，所述分割接頭的安裝位置依據(jù)所 需施加的鉆壓桉照以下公式確定

【權(quán)利要求】
1. 一種減小鉆柱與井壁摩阻的方法，其特征在于，所述減小鉆柱與井壁摩阻的方法如 下： S10、在鉆柱中確定一個位置，在該位置安裝一個分割接頭，所述分割接頭將鉆柱分割 為上部鉆柱段和下部鉆柱段，所述分割接頭的上端與所述上部鉆柱段連接，所述分割接頭 的下端與所述下部鉆柱段連接，所述上部鉆柱段在井口設(shè)備驅(qū)動下可相對于所述下部鉆柱 段軸向滑動或周向扭轉(zhuǎn)或軸向滑動和周向扭轉(zhuǎn)； S20、選擇減摩阻模式，所述減摩阻模式包括軸向運動減摩阻模式、周向運動減摩阻模 式和復(fù)合運動減摩阻模式，選擇其中的一種； S30、根據(jù)所選定的減摩阻模式，通過井口設(shè)備驅(qū)動所述上部鉆柱段產(chǎn)生相對于所述下 部鉆柱段的軸向滑動或周向扭轉(zhuǎn)或軸向滑動和周向扭轉(zhuǎn)運動。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種減小鉆柱與井壁摩阻的方法，其特征在于，所述SlO步驟 中，還包括步驟Sll:確定所述分割接頭的安裝位置。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種減小鉆柱與井壁摩阻的方法，其特征在于，當(dāng)選擇所述軸 向運動減摩阻模式時，所述分割接頭的安裝位置依據(jù)所需施加的鉆壓按照以下公式確定
式中，W為所需鉆壓，N;n為分割接頭與鉆頭之間串接的多根鉆具數(shù)量；qi為第i根鉆 具的線浮重，N/m山為第i根鉆具的長度，m;L為分割接頭安裝位置距鉆頭的距離，m。
4. 如權(quán)利要求2所述的一種減小鉆柱與井壁摩阻的方法，其特征在于，當(dāng)選擇所述周 向運動減摩阻模式或者復(fù)合運動減摩阻模式時，所述分割接頭的安裝位置，按照以下公式 確定

式中，Mt為鉆柱的扭矩，N·πι;1為井眼軸線的弧長，m;R。為鉆柱外半徑，m;N為鉆柱與 井壁的單位長度的接觸力，N/m;Nn為接觸力在邑方向上的分力，N/m;Nb為接觸力在&方向 上的分力，N/m;Ft為鉆柱的軸向拉力，N;E為彈性模量，Pa;I為鉆柱截面慣性矩，m4 ;kb為井 目艮曲率，° /30m;kn為井眼撓率，° /30m;f\和f2分別為摩擦系數(shù)f的切向分量和周向分 量；V為鉆柱軸向速度，m/s;q為鉆柱線浮重，N/m;k為直角笛卡爾大地坐標(biāo)系的單位矢量， 垂直向下；4、&、4分別為井眼軌道切線、主法線和副法線方向的單位向量；ω為鉆柱旋 轉(zhuǎn)角速度，rad/s;τ為鉆井液的結(jié)構(gòu)力，Pa;ξ為鉆井液的動力黏度，Pa·s;DW為井徑，m; Wb為鉆頭處鉆壓，N;Tb為鉆頭處扭矩，N·m。
5. 如權(quán)利要求4所述的一種減小鉆柱與井壁摩阻的方法，其特征在于，所述步驟S30 中，所述井口設(shè)備對鉆柱施加的拉力Ft(O)和扭矩Mt(O)依據(jù)公式（3)-(11)及公式（16)、 (17)確定： Ft (Li ) = 0 (16) Mt(L，）=0 (17) 式中，L'為井口據(jù)所述分割接頭的距離，m。
6. -種分割接頭，其特征在于，所述分割接頭包括： 套筒，所述套筒的上端固定設(shè)置有上限位盤，所述上限位盤上設(shè)有上限位盤通孔，所述 上限位盤通孔的橫截面呈多邊形或內(nèi)花鍵形；所述套筒的下端設(shè)有封板，所述封板上設(shè)有 封板通孔； 滑動桿，所述滑動桿內(nèi)沿其軸向設(shè)有貫通的滑動桿流道，所述滑動桿的縱剖面呈中空 的T形，所述滑動桿的桿部穿過所述上限位盤通孔并延伸至所述套筒內(nèi)的下部，所述滑動 桿的頭部位于所述上限位盤的上方用于連接上部鉆柱，所述滑動桿的桿部外周面呈與所述 上限位盤通孔的橫截面相適配的多邊形或外花鍵形； 活塞，所述活塞固定套設(shè)于所述滑動桿桿部下端的外周上，所述活塞與所述套筒的內(nèi) 壁滑動密封配合； 防掉短節(jié)，所述防掉短節(jié)內(nèi)沿其軸向設(shè)有貫通的防掉短節(jié)流道，所述防掉短節(jié)的縱剖 面呈中空的T形，所述防掉短節(jié)的頭部位于所述套筒內(nèi)，所述防掉短節(jié)的桿部伸出所述封 板通孔之外并固定連接有下接頭；所述下接頭的上端與所述套筒的下端花鍵連接，所述花 鍵連接的鍵槽與鍵齒之間留有供所述套筒轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動間隙。
7. 如權(quán)利要求6所述的一種分割接頭，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動間隙沿所述套筒徑向的 夾角為2° -15°。
8. 如權(quán)利要求6或7所述的一種分割接頭，其特征在于，所述活塞的上方設(shè)有上部彈性 緩沖件，所述活塞的下方設(shè)有下部彈性緩沖件。
9. 如權(quán)利要求8所述的一種分割接頭，其特征在于，所述上部彈性緩沖件為套設(shè)于所 述滑動桿桿部上的上彈簧，所述下部彈性緩沖件為設(shè)置于所述活塞下端面與所述防掉短節(jié) 頭部之間的下彈簧。
【文檔編號】E21B7/00GK104314465SQ201410548757
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】倪紅堅, 王鵬, 王瑞和, 霍洪俊 申請人:中國石油大學(xué)(華東)