专利名称：一种适用于深井及超深井的实时控制钻采系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是适用于深井及超深井的实时控制钻采系统，属于智能钻杆技术领 域。
背景技术：
石油和天然气典型的钻井系统是由钻杆来构成的，钻头在钻杆的下端。在开采过 程中，通过钻头的旋转来去除多余的岩层，钻杆是在泥浆之中，因泥浆的循环和钻柱的振动 使钻杆所受的载荷都属于动载荷，地面下的情况表现的比较复杂。根据埃克森美孚公司的 预测，容易开采的普通井比例将由2003年的80%下降到2010年的57%，说明石油天然气 已转向开采难度大的非常规资源的开发。现在能源开采情况很多都是超过4000米的深井 和超过6000米的超深井的情况，而且很多油气田中含有很多其它腐蚀性的气体，也导致了 井下钻采情况的复杂性。这样的井下复杂的情况很不容易获得开采资料，造成很多未知情 况的发生。随着世界范围内的油气田的开采，越来越要求对钻采过程实现高效智能化的控 制，以实现资源的充分开采。而现有的技术一般是无法对钻采设备特别是地面下钻柱进行 有效地反馈控制，造成钻采中不能及时和准确的获得井底情况，这也是造成生产过程效率 不高的主要原因之一。加之石油天然气开采油气井深度很多都将会是深井和超深井系列， 更导致了无法有效的获得井底的钻采情况，不能实现地面与地下设备的实时控制。如果能 在油气田和其它地质能源的开采中建立地面与地表以下设备的信息交换与实时控制，则可 以大大提高生产效率，防止不必要事故的发生。现在缺少有效地钻采设备和系统来解决钻 采过程中面临的突出问题。中国专利CN101315022A (申请号200710014691. 0)设计了一种可传输电力及相关
信号的石油钻杆接头，可在传递动力、循环钻井液的同时，进行电力及信号的有线传输。此 种结构形式比较复杂，信号传输中可能导致信号的不均勻性，在深井和超深井中可能出现 信号的暂时中断，不易于实际的生产和使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于深井及超深井的实时控制钻采系统，主要解决 现有产品中结构形式比较复杂，不易于在深井或者超深井开采中传输井下信号的问题，它 有助于提高工况的智能化程度，钻杆接头部分吸收了传统接头技术成熟、加工简便的优点， 采用内螺纹件与外螺纹件相配合，双台肩的设置可以起到很好的抗扭性能，防止接头发生 局部失效；这种接头的设计，可以显著降低接头结构的应力水平和应力集中情况，有效地降 低发生疲劳破坏的机率，其抗扭性能得到很大的提高，而且可以实现深井和超深井中电力 及相关信号的传递，实现地面和地下设备的有效地反馈，以达到按要求来控制开采过程的 目的，并使生产效率和工况智能化程度得到极大提高。为实现上述发明目的，本发明的技术方案是
4一种适用于深井及超深井的实时控制钻采系统，包括通过传输介质连接的地 面控制装置和井底钻采设备，所述井底钻采设备包括中继器、钻杆、钻头和钻杆接头； 所述钻杆接头包括内螺纹接头和外螺纹接头；所述外螺纹接头中有第一信息 连接器，所述第一信息连接器包括用于信息传递的第一信息接触体，所述内螺纹接头 包括与所述第一信息连接器相对应的第二信息连接器，所述第二信息连接器包括第二信息 接触体；
所述第一信息接触体和所述第二信息接触体之间是相互独立的，可以形成多 个传输通道。所述第一接触体有3个，第二信息接触体也可以有3个。钻采过程中所述第一信息连接器和所述第二信息连接器安装在所述钻杆接 头的信息连接器设置孔中。所述中继器设置于所述钻杆的中段，用于重新发送或转发数据信号；中继器 可以实现更长距离信号的传输。所述信息处理工具设置于所述钻头的上部，该信息处理工具可以是测试装置、脉 冲遥感器或者是电阻装置，用于井下与所述地面控制装置建立交流。所述地面控制装置固定在油井处，包括信号收发及处理装置、屏幕显示装置。所述实时控制钻采系统中传输体可以传输的信号包括数据信号、控制信号以 及电信号。所述外螺纹钻杆接头包括位于顶端的第二外台肩面以及由所述外螺纹钻杆接头 外壁从所述第二外台肩面向后依次设置的第一圆柱面、外螺纹、第二圆柱面和第一外台肩 面，所述外螺纹钻杆接头上还设有第二信号传输通道，且所述第二外台肩面一侧设有与所 述第二信号传输通道连通的第二信息连接器设置孔；
所述内螺纹钻杆接头包括位于顶端的内台肩面以及由所述内螺纹钻杆接头内壁从所 述外台肩面向后依次设置的第二圆柱孔、内螺纹、第一圆柱孔和径向向外的第三外台肩面， 所述内螺纹钻杆接头上还设有第一信号传输通道，且所述内台肩面一侧设有与所述第一信 号传输通道连通的第一信息连接器设置孔；
所述内螺纹钻杆接头和所述外螺纹钻杆接头通过所述内螺纹和所述外螺纹完全连接 时，第一外台肩面与第三外台肩面相配合，第二圆柱孔与第一圆柱面相配合，第一圆柱孔与 第二圆柱面相配合，内台肩面与第二外台肩面相配合，且内台肩面与第二外台肩面上分别 环设的第一信息连接器设置孔和第二信息连接器设置孔相互连通，在放置信息连接器后会 接触体之间产生接触，与信息传输线之间形成通道，保证与钻杆接头及钻杆中的信号传输 通道的连通；
所述第一外台肩面与所述第二圆柱面之间设有应力减轻槽；
所述第一信号传输通道和所述第二信号传输通道的截面形状及深度相同，其
截面的宽度a为2 3mm，其深度b为3 4mm。所述第二信息连接器设置孔与所述外螺纹件的内壁的距离为m，m为3 5mm ； 所述第一信息连接器设置孔与所述内螺纹件第二圆柱孔内壁的距离为η，η为3
5. 5mmο所述第二外台肩面的截面宽度即所述外螺纹接头一端的厚度为f，f为8 12mm ；
内螺纹接头的内壁到第二圆柱孔内壁之间的距离为e，e-f ( 0. 3mm。所述第一信息连接器设置孔与所述第二信息连接器设置孔的大小相同，其深 度为c，c为6 10mm，宽度为d，d为5 10mm。所述内螺纹接头上第一信息连接器设置孔、外螺纹接头上第二信息连接器设置 孔、内螺纹接头上第一信息传输通道与外螺纹接头上第二信息传输通道在一条中心线上。与现有技术相比，本发明的有益效果是
1、本发明显著提高了钻采系统的智能化程度，可以根据工作条件来配置需要的钻杆及 钻杆接头的实际尺寸。在满足钻采要求的同时，可以传递电力及相关信号，实现地面与地表 下设备的实时信息传递，实现较高的智能化钻采要求。而且接头的加工与装卸方便，有利于 实际的工程应用。2、本发明适合于深井、超深井、高压及超高压油气井等复杂的钻井条件下使用。
图1为钻采系统整体布局图2为工作中的钻杆接头部分示意图； 图3为内螺纹接头配合后的局部结构示意图； 图4为外螺纹接头中信息连接器示意图； 图5为内外螺纹接头上信息传输通道的局部剖面图。符号说明
1 钻杆；2传输线；3传输介质；4中继器；5钻头； 6 第一信号传输通道中的传输线；7第二信息连接器； 8 第二信号传输通道中的传输线；9第一信息连接器； 10第一信号传输通道；11内螺纹钻杆接头；12第一信息连接器设置孔； 13第二信息连接器设置孔；14第二圆柱孔；15 第一圆柱面； 16内螺纹；17 第二信号传输通道；18 第一圆柱孔；19 第三外台肩面；20 第 一外台肩面；21 外螺纹钻杆接头；22应力减轻槽；23第二圆柱面；24 外螺纹； 25 第二外台肩面； 26内台肩面；
27第一信息接触体；28 第二信息接触体；29 第三信息接触体；30信息处 理工具。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是以下实施例只用于 对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根 据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。实施例 1
参见图1到图5，钻采系统中包含有地面控制装置、井下钻采设备、中继器4、传输线2、 信息连接器等，地面控制装置由电子显示屏和外部控制设备构成，钻井深度5千米。钻采系统中外螺纹钻杆接头21中包括位于顶端的第二外台肩面25以及由外螺纹钻杆接头21外壁从第二外台肩面25向后依次设置的第一圆柱面15、外螺纹24、第二圆柱 面23和第一外台肩面20，外螺纹钻杆接头21上还设有第二信号传输通道17，且所述第二 外台肩面25 —侧设有与第二信号传输通道17连通的第二信息连接器设置孔13 ；第一外台 肩面20与第二圆柱面23之间设有应力减轻槽22。中继器4设置于钻杆1的中段，用于重新发送或转发数据信号，中继器4可 以实现更长距离信号的传输。信息处理工具30设置于钻头5的上部，该信息处理工具30可以是测试装置、脉冲 遥感器或者是电阻装置，用于井下与地面控制装置建立交流。此处的信息处理工具为测试
直ο地面控制装置固定在油井处，包括信号收发及处理装置、屏幕显示装置。实 时控制钻采系统中传输体可以传输的信号包括数据信号、控制信号以及电信号。钻采系统中内螺纹钻杆接头11中包括位于顶端的内台肩面26以及由内螺纹钻杆 接头11内壁从内台肩面26向后依次设置的第二圆柱孔14、内螺纹16、第一圆柱孔18和径 向向外的第三外台肩面19，内螺纹钻杆接头11上还设有第一信号传输通道10，且内台肩面 26 一侧设有与第一信号传输通道10连通的第一信息连接器设置孔12。内螺纹钻杆接头11和外螺纹钻杆接头21通过内螺纹16和外螺纹24完全连接 时，第一外台肩面20与第三外台肩面19相配合，第二圆柱孔14与第一圆柱面15相配合， 第一圆柱孔18与第二圆柱面23相配合，内台肩面26与第二外台肩25面相配合，且内台肩 面26与第二外台肩面25上分别环设的第一信息连接器设置孔12和第二信息连接器设置 孔13相互连通，在放置信息连接器后接触体(27，28，29)之间产生接触，与信息传输线2之 间形成通道，保证与钻杆接头及钻杆1中的信号传输通道的连通。钻采系统内外螺纹钻杆接头中第一信号传输通道10与第二信号传输通道17的截 面形状及深度相同，其截面宽度a为2. 5mm，其截面深度b为3mm。钻采系统外螺纹接头21 上第二信息连接器设置孔13与外螺纹24内壁的距离m为4mm，内螺纹接头11上第一信息 连接器设置孔12与内螺纹16内壁的距离η为4. 5mm。钻采系统外螺纹接头21的第二外台 肩面25的截面宽度即外螺纹接头21 —端的厚度f为10mm，内螺纹接头11的内壁到第二圆 柱孔14的内壁之间的距离为e，e-f=0. 15mm。钻采系统内外螺纹接头上的信息连接器设置 孔(12，13)大小相同，其设置孔深度c为7mm，设置孔宽度d为8mm。采用单模光纤中继器， 达到了传输距离的要求，系统安装好后，井底下的信息处理工具30通过钻杆中的信息传输 线与钻杆接头中的信息接触体来传递井下的信息，反过来又可以通过钻杆中的信息传输线 与钻杆接头中的信息接触体传递来自地面控制设备的指令，可以实现井底信息与地面控制 设备之间的良好的反馈，而且井下钻采中的钻杆接头中的信息连接器设置孔可以允许在受 到较大扭矩时产生一定的变形，从而内螺纹接头第二圆柱孔处可以产生一定的变形，可以 防止大扭矩状态下的钻杆接头的粘扣现象，此性能优于传统的钻杆接头，钻采系统的抗扭 性能也得到了较大的提高，有利于深井及超深井的智能化钻采。其他实施例中采取如下数据范围的参数均可达到本发明的目的a为2 3mm，b 为 3 4mm, c 为 6 10mm, d 为 5 10mm, m 为 3 5mm, η 为 3 5. 5mm, f 为 8 12mm, e-f ^ 0. 3mm。
权利要求
一种适用于深井及超深井的实时控制钻采系统，其特征在于，所述实时控制钻采系统包括通过传输介质连接的地面控制装置和井底钻采设备，所述井底钻采设备包括中继器、信息处理工具、钻杆、钻头和钻杆接头；所述钻杆接头包括内螺纹钻杆接头和外螺纹钻杆接头；所述外螺纹钻杆接头中有第一信息连接器，所述第一信息连接器包括用于信息传递的第一信息接触体，所述内螺纹钻杆接头包括与所述第一信息连接器相对应的第二信息连接器，所述第二信息连接器包括第二信息接触体；所述第一信息接触体和所述第二信息接触体之间是相互独立的，可以形成多个传输通道。
2.根据权利要求1所述的实时控制钻采系统，其特征在于，所述第一信息接触体有3个 和/或所述第二信息接触体有3个。
3.根据权利要求1所述的实时控制钻采系统，其特征在于，钻采过程中所述第一 信息连接器和所述第二信息连接器安装在所述钻杆接头的信息连接器设置孔中。
4.根据权利要求1所述的实时控制钻采系统，其特征在于，所述中继器设置于所述 钻杆的中段，用于重新发送或转发数据信号。
5.根据权利要求1所述的实时控制钻采系统，其特征在于，所述信息处理工具设置于 所述钻头的上部，且所述信息处理工具是测试装置、脉冲遥感器或者是电阻装置，用于井下 与所述地面控制装置建立交流。
6.根据权利要求1所述的实时控制钻采系统，其特征在于，所述地面控制装置固 定在油井处，包括信号收发及处理装置、屏幕显示装置。
7.根据权利要求1所述的实时控制钻采系统，其特征在于，所述外螺纹钻杆接头包括 位于顶端的第二外台肩面以及由所述外螺纹钻杆接头外壁从所述第二外台肩面向后依次 设置的第一圆柱面、外螺纹、第二圆柱面和第一外台肩面，所述外螺纹钻杆接头上还设有第 二信号传输通道，且所述第二外台肩面一侧设有与所述第二信号传输通道连通的第二信息 连接器设置孔；所述内螺纹钻杆接头包括位于顶端的内台肩面以及由所述内螺纹钻杆接头内壁从所 述外台肩面向后依次设置的第二圆柱孔、内螺纹、第一圆柱孔和径向向外的第三外台肩面， 所述内螺纹钻杆接头上还设有第一信号传输通道，且所述内台肩面一侧设有与所述第一信 号传输通道连通的第一信息连接器设置孔；所述内螺纹钻杆接头和所述外螺纹钻杆接头通过所述内螺纹和所述外螺纹完全连接 时，所述第一外台肩面与所述第三外台肩面相配合，所述第二圆柱孔与所述第一圆柱面相 配合，所述第一圆柱孔与所述第二圆柱面相配合，所述内台肩面与所述第二外台肩面相配 合，且所述内台肩面与所述第二外台肩面上分别环设的所述第一信息连接器设置孔和所述 第二信息连接器设置孔相互连通；所述第一外台肩面与所述第二圆柱面之间设有应力减轻槽； 所述第一信号传输通道和所述第二信号传输通道的截面形状及深度相同，其截 面的宽度a为2 3mm，其深度b为3 4_。
8.根据权利要求7所述的实时控制钻采系统，其特征在于，所述第二信息连接器 设置孔与所述外螺纹的内壁的距离为m，m为3 5mm ；所述第一信息连接器设置孔与所述内螺纹第二圆柱孔内壁的距离为η，η为3 5. 5mm。
9.根据权利要求7所述的实时控制钻采系统，其特征在于，所述第二外台肩面的 截面宽度即所述外螺纹钻杆接头一端的厚度为f，f为8 12mm ；内螺纹接头的内壁到第二圆柱孔内壁之间的距离为e，e-f ( 0. 3mm。
10.根据权利要求7要求的实时控制钻采系统，其特征在于，所述第一信息连接器 设置孔与所述第二信息连接器设置孔的大小相同，其深度为c，c为6 10mm，宽度 为d，d为5 IOmm0
全文摘要
本发明涉及一种适用于深井及超深井的实时控制钻采系统，尤其是用于石油和天然气开采的钻采系统。该钻采系统由钻杆、钻杆接头、钻头、地面控制设备、中继器、信息处理工具以及传输介质等共同组成。其中，钻杆接头又包括内外螺纹接头上的传输通道以及信息连接器设置孔。当钻杆通过内外螺纹接头连接后，信息连接器上的信息接触体可以形成相对独立的多个传输通道。来自井底的钻采信息通过传输介质传送到地面控制设备，中继器可以保证深井、超深井下的信号传输，可以形成井底与地面设备的实时控制。
文档编号E21B47/12GK101975057SQ20101052321
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月28日 优先权日2010年10月28日
发明者任辉, 高连新 申请人:华东理工大学