申请/专利权人：中国地质科学院勘探技术研究所;广州海洋地质调查局

申请日：2018-09-19

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN109162642B

主分类号：E21B7/20

分类号：E21B7/20;E21B4/02;E21B17/08

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2019.02.01#实质审查的生效;2019.01.08#公开

摘要：一种用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，包括用于引导下套管的导向修孔钻头、提供钻进动力的螺杆马达、引导套管弯曲的变形钻杆、锁定或解锁套管的可回收座封器，其中，螺杆马达经传动轴驱动空心结构的导向修孔钻头，螺杆马达上端经定向接头连接变形钻杆下端，变形钻杆上端经座封器接头连接可回收座封器的下接头，可回收座封器设有中心管，由中心管内通入的泥浆可流通到导向修孔钻头，并由导向修孔钻头的底端排出。本发明具有孔底动力清渣、随钻测量角度、引导大刚度套管弯曲的功能。解决了常规技术无法实现的软弱地层大曲率造斜孔下套管问题，可以满足地质状况不好及地质条件状况特别差的地层下套管钻进的要求，具有良好的应用前景。

主权项：1.一种用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，其特征在于：包括下述由下至上设置的部件：用于引导下套管的导向修孔钻头（1）、提供钻进动力的螺杆马达（2）、引导套管弯曲的变形钻杆（4）、锁定或解锁套管的可回收座封器（7），其中，螺杆马达经传动轴驱动空心结构的导向修孔钻头，螺杆马达上端经定向接头（3）连接变形钻杆下端，变形钻杆上端经座封器接头（6）连接可回收座封器的下接头，可回收座封器设有中心管，由中心管内通入的泥浆可流通到导向修孔钻头，并由导向修孔钻头的底端排出；所述变形钻杆（4）为空心结构的细长杆，变形钻杆的长度为常规钻杆的单根长度，变形钻杆的外径为所引导下入的套管内径的0.5-0.8倍，在变形钻杆内设有MWD随钻测量仪（5）；所述可回收座封器包括中心管（7-1）、外壳体（7-3）、下芯管（7-7）、上接头（7-2）、下接头（7-8）和锁定机构，外壳体的上下端分别连接上接头、下接头，中心管与上接头滑动配合；锁定机构设有滑动体（7-5）和牙块（7-6），滑动体与外壳体轴孔滑动配合，牙块安装在滑动体的斜槽（7-5-1）内；牙块与设置在外壳体壁处的牙块窗（7-3-1）位置对应，滑动体的上、下端分别连接中心管下端和下芯管上端，下芯管与下接头轴孔滑动配合；所述导向修孔钻头（1）设有上下通透的中心孔，导向修孔钻头外周设有返浆槽；能够将泥浆经钻头体流入孔底，孔底沉渣被大流量的泥浆携带经返浆槽上返至孔口，完成孔底的清渣作用。

全文数据：一种用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置技术领域本发明涉及一种地质钻进装置，特别是一种用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，属钻探技术领域。背景技术目前，石油和地质勘探钻进过程的套管下入方法有很多，但是现有技术都不能适用于软弱地层、大曲率造斜孔段的套管下入。软弱地层是指软土、淤泥质土、混合土、杂填土等特殊土构成的地质层，软弱地层的物理、力学性能低下。现有技术无法解决软弱地层大曲率造斜孔段下入套管的难点如下：1、浅层水平井的垂直深度小，在垂直钻孔距离较短的情况下便需要从垂直孔过渡到水平孔，因此造斜段的曲率较大，而用于护壁的套管刚度大，在曲率较大的造斜孔内无法直接通过浮箍浮鞋的牵引发生弯曲而进入造斜孔段；2、孔底沉渣多，现有下套管技术无法完成清渣，从而导致钻头被沉渣堵塞。发明内容本发明的目的在于提供一种具有孔底动力清渣、引导大刚度套管弯曲及钻具回收功能的用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置。本发明所述问题是以下述技术方案解决的：一种用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，包括下述由下至上设置的部件：用于引导下套管的导向修孔钻头、提供钻进动力的螺杆马达、引导套管弯曲的变形钻杆、锁定或解锁套管的可回收座封器，其中，螺杆马达经传动轴驱动空心结构的导向修孔钻头，螺杆马达上端经定向接头连接变形钻杆下端，变形钻杆上端经座封器接头连接可回收座封器的下接头，可回收座封器设有中心管，由中心管内通入的泥浆可流通到导向修孔钻头，并由导向修孔钻头的底端排出。上述用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，所述变形钻杆为空心结构的细长杆，变形钻杆的长度为常规钻杆的单根长度，变形钻杆的外径为所引导下入的套管内径的0.5-0.8倍，在变形钻杆内设有MWD随钻测量仪。上述用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，所述可回收座封器包括中心管、外壳体、下芯管、上接头、下接头和锁定机构，外壳体的上下端分别连接上接头、下接头，中心管与上接头滑动配合；锁定机构设有滑动体和牙块，滑动体与外壳体轴孔滑动配合，牙块安装在滑动体的斜槽内，牙块与设置在外壳体壁处的牙块窗位置对应，滑动体的上、下端分别连接中心管下端和下芯管上端，下芯管与下接头轴孔滑动配合。上述用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，所述牙块为楔形，牙块与斜槽底面相接触的面具有与斜槽底面匹配的倾斜角度，斜槽的横截面形状为燕尾槽形，牙块匹配插接在斜槽内，牙块的外表面为圆弧面，外表面上设有齿纹。上述用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，中心管上设有与其螺纹连接的防掉环，防掉环位于上接头与滑动体之间。上述用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，所述导向修孔钻头由圆锥形的引导段和圆柱形的保径段构成，导向修孔钻头外周设有返浆槽，导向修孔钻头设有上下通透的钻头中心孔。上述用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，所述螺杆马达动力包括定子、转子、万向轴、弯壳体和传动机构，传动机构设有中空结构的传动轴、下壳体和轴承组，万向轴的上下端分别连接转子、传动轴，弯壳体的上、下端分别连接定子和下壳体，万向轴位于弯壳体内，传动轴为中空轴，传动轴位于弯壳体及下壳体内，弯壳体的弯度为3-4度，螺杆马达的级数为1-2.5级。上述用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，在传动轴的上部设有向传动轴内通入泥浆的传动轴侧孔。上述用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，所述轴承组位于下壳体与传动轴之间，传动轴轴承组包括上TC轴承、下TC轴承，及位于上下TC轴承之间的止推轴承。上述用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，所述中心管上端探出上接头，中心管上端设有内螺纹。本发明所述装置是一种浅层水平井钻进的套管下入装置，具有孔底动力清渣、随钻测量角度、引导大刚度套管弯曲的功能。相比现有技术本发明的特点如下：泵入装置内的泥浆使螺杆马达回转，为导向修孔钻头提供回转动力，流动的泥浆冲刷孔底，将孔底沉渣上返至孔外，减少造斜段下入阻力；变形钻杆的细长杆结构，刚度小、易弯曲，可将刚度大的套管带入造斜段，完成造斜段套管的下入；修孔钻头既可替代传统的浮靴作用，又能够在钻进过程中完成修孔；可回收座封器在钻进过程将套管可靠锁定，使套管与钻具共同运动；套管下放到位后锁定机构解锁，可将钻具收回。上述各部分有机结合，解决了常规技术无法实现的软弱地层大曲率造斜孔下套管问题，可以满足地质状况不好及地质条件状况特别差的地层下套管钻进的要求，具有良好的应用前景。附图说明下面结合附图对本发明作进一步说明。图1是本发明的结构示意图；图2是螺杆马达的结构示意图；图3是图2中A处的局部放大视图；图4是传动机构的结构示意图；图5是可回收座封器的结构示意图；图6是牙块的立体图；图7滑动体的结构示意图；图8是图7的仰视图；图9是导向修孔钻头的结构示意图；图10是图9的仰视图。图中各标号为：1、导向修孔钻头，1-1、引导段，1-2、保径段，1-3、返浆槽，1-4、钻头中心孔，2、螺杆马达，2-1、定子，2-2、转子，2-3、万向轴，2-4、弯壳体，2-5、上TC轴承，2-6、止推轴承，2-7、下TC轴承，2-8、下壳体，2-9、传动轴，2-10、传动轴侧孔，3、定向接头，4、变形钻杆，5、MWD随钻测量仪，6、座封器接头，7、可回收座封器，7-1、中心管，7-2、上接头，7-3、外壳体，7-3-1、牙块窗，7-4、防掉环，7-5、滑动体，7-5-1、斜槽，7-6、牙块，7-7、下芯管，7-8、下接头，8、套管，9、套管接头。具体实施方式参看图1，本发明所述下套管装置包括下述由下至上设置的部件：用于替代浮靴引导下套管的导向修孔钻头1、为下套管提供钻进动力的螺杆马达2、引导套管发生角度弯曲的变形钻杆4、锁定或解锁套管的可回收座封器7。其中，螺杆马达经传动轴驱动空心结构的导向修孔钻头带动套管转动，螺杆马达上端经定向接头3连接变形钻杆下端，变形钻杆上端经座封器接头6连接可回收座封器的下接头，可回收座封器设有中心管，由中心管内通入的泥浆可流通到导向修孔钻头，并由导向修孔钻头的底端排出。所述变形钻杆4为空心结构的细长杆，中空结构用于通入泥浆，细长结构是为了保证变形钻杆小钢度、易变形，可顺利将套管带入造斜孔段。变形钻杆的长度为常规钻杆的单根长度通常为10米，变形钻杆的外径为所引导的套管的内径的0.5-0.8倍，在变形钻杆内设有MWD随钻测量仪5。在导向修孔钻头进入造斜孔段前，可通过MWD随钻测量仪检测钻头与钻孔之间的角度偏差。参看图1-图4，螺杆马达2由定子2-1、转子2-2、万向轴2-3、传动轴2-9、弯壳体2-4、和传动机构组成；传动机构设有中空结构的传动轴2-9、下壳体2-8和轴承组。定子上端与定向接头连接，定子下端与弯壳体连接，转子位于定子内。弯壳体下端连接下壳体。万向轴一端与转子连接，另一端与传动轴连接，传动轴为中空结构，在传动轴的上部设有向传动轴内通入泥浆的传动轴侧孔2-10。泥浆驱动转子转动、进而带动万向轴、传动轴转动。为实现大曲率造斜，弯壳体的弯度为3-4度，螺杆马达的级数为1-2.5级。采用小级数的螺杆马达是为了在满足软弱地层钻进动力要求的基础上尽量降低自身尺寸。轴承组位于下壳体与传动轴之间，传动轴轴承组包括上TC轴承2-5、下TC轴承2-7，及位于上下TC轴承之间的止推轴承2-6。参看图1和图9、图10，导向修孔钻头1与传动轴下端螺纹连接，随传动轴转动。导向修孔钻头由圆锥形的引导段1-1和圆柱形的保径段1-2构成，导向修孔钻头设有上下通透的中心孔，导向修孔钻头外周设有返浆槽1-3。上述结构可将泥浆经钻头体流入孔底，孔底沉渣被大流量的泥浆携带经返浆槽上返至孔口，完成孔底的清渣作用。返浆槽与保径段圆柱面相交的交线还具有修孔的作用。参看图1及图5-8，可回收座封器7内置于套管8内，套管下端与套管接头9丝扣连接，套管接头内置一挡圈，可回收座封器外壳下端外表面有一环形凸台，凸台坐落于挡圈上，防止座封不完全的情况下管掉落。可回收座封器包括中心管7-1、外壳体7-3、下芯管7-7、上接头7-2、下接头7-8和锁定机构。外壳体的上下端分别螺纹连接上接头、下接头，中心管与上接头滑动配合，中心管上端探出上接头，中心管上端设有内螺纹。锁定机构设有滑动体7-5和牙块7-6。滑动体与外壳体轴孔滑动配合，牙块安装在滑动体的斜槽7-5-1内，牙块与设置在外壳体壁处的牙块窗7-3-1的位置对应，滑动体的上、下端分别连接中心管下端和下芯管上端，下芯管为中空结构，下芯管与下接头轴孔滑动配合。斜槽底面的倾斜角度相对轴线的角度为5°-7°，牙块为楔形，牙块与斜槽底面相接触的面具有与斜槽底面匹配的倾斜角度，斜槽的横截面形状为燕尾槽形，牙块匹配插接在斜槽内，牙块的外表面为圆弧面，该外弧面与套管的内壁匹配贴合，牙块的外表面上设有齿纹。中心管上设有与其螺纹连接的防掉环7-4，防掉环位于上接头与滑动体之间。下接头是中空结构，下接头的下端与座封器接头6的上端螺纹连接。本发明使用时，先将可回收座封器与套管进行座封，以达到套管与可回收座封器紧密结合的目的。座封的步骤为：将套管与套管接头丝扣连接，将可回收座封器置入套管内；采用外力下压中心管，中心管下压带动滑动体下移，进而推动牙块沿径向向外移动，直至牙块与套管紧密贴合，此时完成座封过程。座封完成后依次下入导向修孔钻头、螺杆马达、变形钻杆、MWD随钻测量仪、已与可回收座封器座封的套管，然后根据套管需下入的位置逐根下入套管，直至最下端套管下入到位，此时将最上端孔口套管固定，进行解封。下入过程，导向修孔钻头即将进入造斜段前，向中心管通入压力泥浆，检测管串下入过程工具面角发生的变化，如与下入时标定零位发生偏离则通过正转钻杆将工具面角调至标定零位；具体视地层情况造斜段套管下入一根或数根后通入压力泥浆，压力泥浆驱动螺杆马达的转子转动，转子经传动轴带动导向修孔钻头转动，导向修孔钻头的回转与泥浆的冲刷同时作用，从而将孔底沉渣排出孔外，以便套管在所述装置的引导下顺利进入造斜孔段；当套管随钻具下入到位后，需要将套管解锁；解锁过程为：下入钻杆，使钻杆连接中心管上端母扣，将孔外的套管夹持固定，采用强力提拉的方式使滑动体上移，进而使牙块收回，之后上提钻杆将座封器、螺杆马达、钻头一同提出孔外。

权利要求：1.一种用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，其特征在于：包括下述由下至上设置的部件：用于引导下套管的导向修孔钻头1、提供钻进动力的螺杆马达2、引导套管弯曲的变形钻杆4、锁定或解锁套管的可回收座封器7，其中，螺杆马达经传动轴驱动空心结构的导向修孔钻头，螺杆马达上端经定向接头3连接变形钻杆下端，变形钻杆上端经座封器接头6连接可回收座封器的下接头，可回收座封器设有中心管，由中心管内通入的泥浆可流通到导向修孔钻头，并由导向修孔钻头的底端排出。2.根据权利要求1所述的用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，其特征在于：所述变形钻杆4为空心结构的细长杆，变形钻杆的长度为常规钻杆的单根长度，变形钻杆的外径为所引导下入的套管内径的0.5-0.8倍，在变形钻杆内设有MWD随钻测量仪5。3.根据权利要求2所述的用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，其特征在于：所述可回收座封器包括中心管7-1、外壳体7-3、下芯管7-7、上接头7-2、下接头7-8和锁定机构，外壳体的上下端分别连接上接头、下接头，中心管与上接头滑动配合；锁定机构设有滑动体7-5和牙块7-6，滑动体与外壳体轴孔滑动配合，牙块安装在滑动体的斜槽7-5-1内；牙块与设置在外壳体壁处的牙块窗7-3-1位置对应，滑动体的上、下端分别连接中心管下端和下芯管上端，下芯管与下接头轴孔滑动配合。4.根据权利要求3所述的用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，其特征在于：所述牙块为楔形，牙块与斜槽底面相接触的面具有与斜槽底面匹配的倾斜角度，斜槽的横截面形状为燕尾槽形，牙块匹配插接在斜槽内，牙块的外表面为圆弧面，外表面上设有齿纹。5.根据权利要求4所述的用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，其特征在于：中心管上设有与其螺纹连接的防掉环7-4，防掉环位于上接头与滑动体之间。6.根据权利要求5所述的用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，其特征在于：所述导向修孔钻头1由圆锥形的引导段1-1和圆柱形的保径段1-2构成，导向修孔钻头外周设有返浆槽1-3，导向修孔钻头设有上下通透的钻头中心孔1-4。7.根据权利要求6所述的用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，其特征在于：所述螺杆马达动力包括定子2-1、转子2-2、万向轴2-3、弯壳体2-4、和传动机构，传动机构设有中空结构的传动轴2-9、轴承组和下壳体2-8，万向轴的上下端分别连接转子、传动轴，弯壳体的上、下端分别连接定子和下壳体，万向轴位于弯壳体内，传动轴为中空轴，传动轴位于弯壳体及下壳体内，弯壳体的弯度为3-4度，螺杆马达的级数为1-2.5级。8.根据权利要求7所述的用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，其特征在于：在传动轴的上部设有向传动轴内通入泥浆的传动轴侧孔2-10。9.根据权利要求8所述的用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，其特征在于：所述轴承组位于下壳体与传动轴之间，传动轴轴承组包括上TC轴承2-5、下TC轴承2-7，及位于上下TC轴承之间的止推轴承2-6。10.根据权利要求9所述的用于软弱地层造斜孔段的动力导向下套管装置，其特征在于：所述中心管上端探出上接头，中心管上端设有内螺纹。

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