专利名称：液气相钻井介质转盘驱动地质导向钻井系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于石油钻探工程的钻井系统，属石油钻井技术类。
背景技术：
采用欠平衡钻井工艺技术钻探水平井、大位移井等是油田开发的需要。水平井和 大位移井从造斜点开始到进入油层前，有一大斜度井段需要定向钻进，然后是进入油层的 水平段的钻进。 一般在大斜度井段用纯液相钻井介质(纯泥浆)，理想的配套工具仪器是泥 浆脉冲型无线随钻测量仪和螺杆钻具；进入油层的水平段后采用气液混合介质或纯气相钻 井介质，相应配套工具仪器是电磁波型无线随钻测量仪加空气螺杆钻具。如果从造斜点开 始就使用气体钻井介质和电磁波型无线随钻测量仪钻进施工，则在大斜度井段由于气体钻 井成本远高于常规定向井钻井，使该井段钻井成本增加。在大斜度井段，如果用纯液相泥浆 介质配电磁波型无线随钻测量仪钻进施工，则因电磁波型无线随钻测量仪的信号易被电介 质很强的泥浆吸收，影响信号的稳定性。虽然可用操作复杂的测量技术及采用大功率电源 的支持来完成测量，但对于电磁波型无线随钻测量仪来说同样是增加了成本。最终增加了 钻井成本。而且，无线随钻测量仪加螺杆钻具的钻进过程中钻具处于滑动钻进状态，在该状 态下井眼环空钻井介质得不到搅拌，岩屑容易沉淀，产生桥塞，从而引起钻井事故。在水平 井段，为了有选择性地在地层中穿越，理想情况下需对所钻地层进行自然伽玛和电阻率测 量，而常规无线随钻测量仪只有自然伽玛参数测量，没有电阻率参数测量。上述问题对欠平 衡钻井工艺技术的应用造成不良影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种既可使用纯液相也可使用纯或气相或气液混合介质、 既可转盘定向钻进又可随钻测量地层自然伽玛和电阻率的液气相钻井介质转盘驱动地质 导向钻井系统。 本发明的技术方案如下此种钻井系统包括地面和井下两大部分。其中地面部分 由井架、钻台、防喷器、防喷器电极、地电极、电导线、立管压力传感器、钻台司钻显示器、钻 台通信电缆、信号处理接口箱、标准串行通信电缆和通用计算机组成；地面部分的主要任务 是经防喷器电极和地电极检测到的井下发来的参数信号以及立管压力传感器检测到的立 管压力信号通过电导线和钻台通信电缆传至信号处理接口箱，再经信号处理接口箱处理后 的钻井参数信号经由标准串行通信电缆传送至通用计算机进行运算处理，最终将结果进行 显示、存储和打印。其中将另一部分钻井参数送钻台司钻显示器供钻台参考。地面部分的 另一个任务是通过泵的开与关，转盘的转动与静止向井下传送命令，以改变井下仪器向地 面发送信号的方式。改变发送信号方式的好处在于可将当前急需的主要参数快传多传，不 需要的参数可少传或不传，提高信号效率有利钻井施工。向井下传送命令的方法是先停泵 (或转盘静止) 一分钟以上，然后开泵(或转盘转动)40秒，然后再停泵(或转盘静止)40 秒，这样重复两次再连续开泵(或转盘转动)设为方式一，如此重复三次后再连续开泵(或转盘转动)设为方式二，以此类推可进行两种以上的方式编排。井下仪器接收该信号是通 过振动传感器，当地面开泵或转盘转动时井下振动传感器都能检测到振动信号，由于传送 命令的编排方式是通过设计约定好的，因此井下仪器接到相应的命令就会按当前命令方式 向地面发送信号。 井下部分由井下随钻定向工具和井下随钻定向仪器组成，其中，井下随钻定向工 具由发电机短钻铤与稳定器用丝扣联接成井下随钻定向工具外筒，筒内从上向下顺序连接 的是发电机定子、发电机转子、发电机、电动机、变速机、偏心轴、轴承、上支撑环、上球面挂 环、传动销、下球面挂环、下支撑环、顶紧螺环、圆周摆筒和钻头，其中变速机与稳定器之间 用紧固螺栓固定。当钻井介质在地面泵驱动下通过发电机定子转子时，发电机就会产生电 能，该电能一小部分供井下随钻定向仪器使用，大部分用来驱动电动机，电动机受井下随钻 定向仪器控制将高速旋转通过变速机变成低速旋转，将小扭距变成大扭距来驱动偏心轴， 偏心轴的轴心与主轴心有一定偏移而且成一 13角，并通过轴承与圆周摆筒的上端啮合，圆 周摆筒的下端与钻头相接，圆周摆筒的中段摆心通过传动销与稳定器链接。转盘带动井下 钻具转动时，稳定器通过传动销带动圆周摆筒及与之相接的钻头旋转；设其转向为顺时针， 转速为N;另一方面，受井下随钻定向仪器控制的电动机通过变速机驱动偏心轴及与之相 接的圆周摆筒带动钻头作圆周摆动，设钻头的圆周摆动方向为逆时针，圆周摆速为M，则当 M二N时，由于圆周摆筒的轴心与钻柱轴心成一 13角，并在以井眼作参照的情况下，该13角 在井眼的某一方向上将保持不变，这种空间状态与具有13角度的弯壳体螺杆钻具在滑动 钻进过程所处空间状态一致，因此该井下随钻定向工具具有定向功能。 井下随钻定向仪器内部仪器部分由感应测量仪、自然伽玛测量仪、气体与振动测 量仪、定向测量仪、电池筒、泥浆脉冲发生器和电磁波脉冲发生器组成。外部的感应测量短 钻铤下端与发电机短钻铤丝扣相连，上端分别与调整短钻铤和定向测量短钻铤顺序用丝扣 相连，感应测量短钻铤的外侧在轴向上设置四个感应测量线圈，线圈通过线圈绝缘环固定 在感应测量短钻铤上，感应测量短钻铤的内部从上往下相连的是气体与振动测量仪、自然 伽玛测量仪和感应测量仪，感应测量仪的下端通过电接触环与发电机定子相连，电接触环 的侧面用定位螺栓固定在发电机短钻铤上，气体与振动测量仪的上端通过电接触环和扶正 器分别与定向测量仪和电池筒相连。其中，电池筒的作用是在无钻井介质流动，钻具处于静 态状况下测量随钻参数的静态值。所有测量参数都经由定向测量仪控制采集，并控制脉冲 信号发生器向地面发送信号。是控制泥浆脉冲发生器还是控制电磁波脉冲发生器向地面发 送信号取决与气体与振动测量仪的参数，当检测到有连续振动信号并同时检测到钻井介质 中有气体存在时就控制电磁波脉冲发生器向地面发送信号，当检测到有连续振动信号并同 时检测到钻井介质中没有气体存在时就控制泥浆脉冲发生器向地面发送信号。电磁波脉冲 发生器的发射天线由电磁脉冲器下部短钻铤、下部电极固定螺栓、绝缘隔离筒、电磁脉冲器 上部短钻铤和上部电极固定螺栓组成，发射天线的一路信号通过被绝缘隔离筒隔离的上部 电极固定螺栓连接电磁脉冲器上部短钻铤，并通过丝扣连接的钻柱到达井口，另一路信号 通过被绝缘隔离筒隔离的下部电极固定螺栓连接电磁脉冲器下部短钻铤，并通过地层到达 地面。泥浆脉冲发生器和电磁波脉冲发生器采用模块化联接，联接方式是通过电接触环，二 者既可组合使用也可单独使用。由于电磁波信号在地层中传播的强弱与发射功率和井深 有关，在发射功率已定的情况下发射天线离地面越近，则地面越容易接受到信号，因此为了能有利电磁波信号的接受，在井深较深时可将电磁波脉冲发生器置于离井口较近的位置， 而电磁波脉冲发生器与下部的短钻铤之间较长的距离用钻柱相连，信号与电源通过电缆传 输，其中电缆的上端用电缆上挂接头与电磁波脉冲发生器相连，电缆的下端用电缆湿接头 与泥浆脉冲发生器相连。电磁波脉冲发生器与泥浆脉冲发生器有四种组合，第一种组合是 单独使用电磁波脉冲发生器，第二种组合是单独使用泥浆脉冲发生器，第三种组合是电磁 波脉冲发生器与泥浆脉冲发生器组合使用，但不用井下电缆加长，第四种组合是电磁波脉 冲发生器与泥浆脉冲发生器组合，但在电磁波脉冲发生器与泥浆脉冲发生器之间用加长井 下电缆加长。 通过以上配置的测量仪器可获取地层电阻率、地层自然伽玛和井眼几何参数三大 参数，有利于控制钻具在复杂的地层中作选择性穿越；通过电磁脉冲发生器和泥浆脉冲发 生器的任意组合，在钻井介质气液相转换的情况下不必起下钻更换工具和仪器仍可连续钻 井施工，这样有利于减少钻时降低钻井成本；采用转盘旋转的定向钻井工具相对于螺杆动 力钻具可减少起下钻次数降低钻井成本，更重要的是转盘钻进，钻具搅拌钻井液，可以防止 岩削沉淀形成桥塞，避免钻井事故。 本发明提供的液气相钻井介质转盘驱动地质导向钻井系统既可使用纯液相也可 使用纯气相或气液混合介质，既可转盘导向钻进又可随钻测量地层自然伽玛和电阻率，宜 于在石油钻工程中推广应用。
图1为本发明的总体工艺流程、工作状况示意图。 图2为地面信号处理流程框图。图3为地面与井下配合改变信号传输工作方式流 程框图。图4、图5为两种选择方式的时间幅度坐标图。图6为井下工具仪器固定配套部分 的纵剖面机构示意图。图7、8、9、10为井下工具仪器选择配套之一至四的纵剖面结构示意 图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施加以说明。 如图l所示，该钻井系统的总体工艺流程由井架1、钻台2、防喷器3、表层套管4、 井眼5、钻柱6、井下随钻定向仪器7、井下随钻定向工具8、钻头9、电磁波信号通道10、防 喷器电极13、地电极14、电导线15、电导线16、立管压力传感器17、钻台司钻显示器18、钻 台通信电缆19、信号处理接口箱20、标准串行通信电缆21、通用计算机22组成，其中，标号 "11" " 12 "分别为电磁波电流等位线和电压等位线。 如图6-10所示，井下随钻定向工具由圆周摆筒23、顶紧螺环24、下支撑环25、下球 面挂环26、传动销27、上球面挂环28、上支撑环29、稳定器30、轴承31 、偏心轴32、紧固螺栓 33、变速机34、发电机短钻铤35、电动机36、发电机37、发电机转子38、发电机定子39组成。 井下随钻定向仪器由定位螺栓40、电接触环41 、感应测量短钻铤42、感应测量线圈43、线圈 绝缘环44、感应测量仪45、自然伽玛测量仪46、气体与振动测量仪47、扶正器48、调整短钻 铤49方向调节螺栓50、定向测量短钻铤51、定向测量仪52、电池筒53、电磁脉冲器下部短 钻铤54、下部电极固定螺栓55、绝缘隔离筒56、电磁脉冲器上部短钻铤57、上部电极固定螺 栓58、电磁波脉冲发生器59、泥桨脉冲发生器60、加重杆61、加重杆调整短钻铤62、电缆湿 接头63、井下电缆64、电缆上挂接头65组成。其中，定向测量短钻铤51、调整短钻铤49、感 应测量短钻铤42、发电机短钻铤35均采用无磁材料，绝缘隔离筒56采用电绝缘材料制作。
图4图5中纵坐标P和R分别表示立管压力和转盘转速，横坐标表示时间，其中t0和T2表示转盘停或立管压力为零的时间，Tl表示转盘旋转或立管压力高的时间。 图2为地面信号的流程框图。工作时，一路由防喷器电极13和地电极14输入将
微信号送入带通滤波器与信号放大A，提出5-35HZ有用信号，经放大后送信号处理与模数
转换，再将数字信号送地面通用计算机系统；另一路由立管压力传感器检测到的压力信号
经带通滤波与信号放大B放大，再经模数转换后送地面通用计算机系统；地面通用计算机
系统将两路信号参数处理后再将需在钻台司钻显示器显示的参数经信号隔离与调制，通过
钻台通信电缆传输，传至信号解调与整形，经解调后的信号在钻台司钻显示器显示。
权利要求
一种液气相钻井介质转盘驱动地质导向钻井系统，包括地面和井下两大部分，其特征在于地面部分由井架(1)、钻台(2)、防喷器(3)、表层套管(4)、井眼(5)、钻柱(6)、井下随钻定向仪器(7)、井下随钻定向工具(8)、钻头(9)、电磁波信号通道(10)、防喷器电极(13)、地电极(14)、电导线(15)、电导线(16)、立管压力传感器(17)、钻台司钻显示器(18)、钻台通信电缆(19)、信号处理接口箱(20)、标准串行通信电缆(21)、通用计算机系统(22)组成，地面信号一路由防喷器电极(13)和地电极(14)输入将微信号送入带通滤波与信号放大A，提出5-35HZ有用信号，经放大后送信号处理与模数转换，再将数字信号送地面通用计算机系统(22)，另一路由立管压力传感器(17)检测到的压力信号经带通滤波与信号放大B放大，再经模数转换后送地面通用计算机系统(22)；地面通用计算机系统将两路信号参数处理后再将须在钻台司钻显示器(18)显示的参数经信号隔离与调制，通过钻台通信电缆(19)传输，传至信号解调与整形，经解调后的信号在钻台司钻显示器(18)显示；井下部分由井下随钻定向工具和井下随钻定向仪器组成，其中，井下随钻定向工具由发电机短钻铤(35)与稳定器(30)用丝扣联接成井下随钻定向工具外筒，筒内从上向下顺序连接有发电机定子(39)、发电机转子(38)、发电机(37)、电动机(36)、变速机(34)、偏心轴(32)、轴承(31)、上支撑环(29)、上球面挂环(28)、传动销(27)、下球面挂环(26)、下支撑环(25)、顶紧螺环、(24)圆周摆筒(23)和钻头(9)，其中变速机(34)与稳定器(30)之间用紧固螺栓(33)固定；井下随钻定向仪器内部仪器部分由感应测量仪(45)、自然伽玛测量仪(46)、气体与振动测量仪(47)、定向测量仪(52)、电池筒(53)、泥浆脉冲发生器(60)和电磁波脉冲发生器(59)组成。外部的感应测量短钻铤(42)下端与发电机短钻铤(35)丝扣相连，上端分别与调整短钻铤(49)和定向测量短钻铤(51)顺序用丝扣相连，感应测量短钻铤(42)的外侧在轴向上设置四个感应测量线圈，线圈通过线圈绝缘环(44)固定在感应测量短钻铤(42)上，感应测量短钻铤(42)的内部从上往下相连的是气体与振动测量仪(47)、自然伽玛测量仪(46)和感应测量仪(45)，感应测量仪(45)的下端通过电接触环(41)与发电机定子(39)相连，电接触环(41)的侧面用定位螺栓(40)固定在发电机短钻铤(35)上，气体与振动测量仪(47)的上端通过电接触环(41)和扶正器(48)分别与定向测量仪(52)和电池筒(53)相连。
2. 根据权利要求(1)所述的液气相钻井介质转盘驱动地质导向钻井系统，其特征在 于电磁波脉冲发生器(59)和泥浆脉冲发生器(60)有四种组合方式，第一种组合是单独使 用电磁波脉冲发生器(59)，第二种组合是单独使用泥浆脉冲发生器(60)，第三种组合是电 磁波脉冲发生器(59)与泥浆脉冲发生器(60)组合使用，但不用井下电缆(64)加长，第四 种组合是电磁波脉冲发生器(59)与泥浆脉冲发生器(60)组合使用，但在电磁波脉冲发生 器(59)与泥桨脉冲发生器(60)之间用井下电缆(64)加长。
全文摘要
本发明涉及一种液气相钻井介质转盘驱动地质导向钻井系统，包括地面和井下两大部分。其中地面部分由井架、钻台、防喷器、防喷器电极、地电极、电导线、立管压力传感器、钻台司钻显示器、钻台通信电缆、信号处理接口箱、标准串行通信电缆和通用计算机系统组成；井下部分由井下随钻定向工具和井下随钻定向仪器组成，本发明提供的液气相钻井介质转盘驱动地质导向钻井系统既可使用纯液相也可使用纯气相或液相混合介质，既可用于转盘导向钻进又可随钻测量地层自然伽玛和电阻率，宜于在石油钻井工程中推广应用。
文档编号E21B4/04GK101737009SQ20091022030
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者吴智中 申请人:中国石油集团长城钻探工程有限公司