一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统的制作方法

本发明属于钻井工程设备技术领域，特别涉及一种适用于地质钻探、水文水井钻井、油气钻井、科学钻探和地下建筑救援钻孔等技术领域的井下扭矩自平衡有缆钻具系统。

背景技术：

在钻井(钻探)过程中，钻杆柱在扭矩的作用下变形成螺旋状，在回转中与井壁碰撞摩擦，磨损和交变载荷作用极易使钻杆柱提前损坏，导致断钻具等井内事故的发生，给整个工程带来巨大损失。随着钻进深度的增加，钻杆柱的长度加长，钻杆在传递钻压和扭矩的过程中克服井内各种摩擦阻力所损耗的能量比例增大，因此需要上部钻机提供更大的扭矩，当井深达到一定深度后，必须在近钻头部位增加井下动力工具为钻头高速回转提供扭矩，上部钻柱通过地面转盘(顶驱)缓慢回转为钻头提供反扭矩。显而易见，钻具在井内回转碎岩产生的反扭矩危害到整个钻柱和地面设备，钻井工艺也要首先满足反扭矩这一环境条件才能顺利实施。同时，独立一个钻头在碎岩同时需要围岩给与钻头接触的岩石提供相应的反扭力矩，对井壁围岩要求高。若钻遇破碎地层时，围岩固有的结合力无法给与钻头接触的岩石提供足够的反扭力矩而成块状结构脱离井壁，加之循环泥浆随钻柱回转产生局部紊流搅动井壁，此时会导致井眼扩大的后果；当钻遇坚硬的大颗粒砂砾岩时，由于砾石的滑动很容易进入钻头水口处并与其它砾石桥接产生极大的力矩，极易导致钻头切削齿的崩落。井壁的稳定性对于钻完井的顺利实施至关重要，而井壁稳定性除取决于客观地层的完整性和岩性特征外，还与主观钻具对井壁的扰动程度密切相关。为此，国内外本领域专家想方设法降低钻柱对井壁的扰动。此外，为驱动钻头碎岩钻井，需要配备庞大昂贵的地面钻井设备和配套复杂的钻井工具及工艺，投资巨大，碎岩所用能量只占钻井系统消耗总能量的10％左右，大部分能量消耗在设备运行上。

目前为止，国内外对扭矩平衡钻具系统的研究较少。科研方向大多以传统钻具系统为依托，在结构、材料和工艺方面尽可能提高钻进效率，节省钻进成本，已取得了相关的理论成果。在减少钻柱对井壁的扰动等方面，20世纪60年代，美国布朗石油工具公司生产了第一套连续管修井机样机，把动力钻具放到井内近钻头位置，连续管只提供反扭、泥浆动力源，不回转，对井壁的扰动大大降低。90年代开始应用于钻井，截止2011年全球连续管钻机总数超过1881套，连续管钻井技术应用领域几乎覆盖小口径钻井的各个方面。国外公司有Foremost公司、美国贝克休斯公司和英国壳牌公司等，国内多以消化吸收进口技术为主，目前投入研究的企业有四川宏华石油设备有限公司、中石油江汉机械研究所、长城钻探工程有限公司和中石油钻井院等。然而，由于连续管钻进技术没有从根本上改变反扭矩对连续管的有害作用，故连续管的寿命要比常规钻杆的寿命短。

因此，现有技术当中亟需要一种新的技术方案来解决这一问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对背景技术中所述的问题和不足，提供一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统，从根本上解决钻柱回转钻进产生的反扭矩危害，改变钻头单向碎岩对围岩的扰动强度，简化地面钻探装备和配套的工具及工艺方法，实现井内事故少，钻井成本低、能耗小和钻进效率高等目的。

为达到上述目的，本发明提出了如下技术方案：

一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统，其特征在于：该钻具系统由内外钻头组件、动力组件、内外钻头压力调节系统、泥浆循环系统和解卡系统组成，

其中内外钻头组件包括内钻头、外钻头、取心筒、外钻头传力下接头、外钻头传力上接头、内外钻头密封件Ⅰ、内外钻头密封件Ⅱ、内钻头传力下接头、内钻头传力上接头和内钻头传扭杆，所述内钻头、取心筒、内钻头传力下接头、内钻头传力上接头和内钻头传扭杆依次丝扣连接，且取心筒内径与内钻头内径相匹配；所述外钻头、外钻头传力下接头和外钻头传力上接头顺次丝扣连接；所述内外钻头密封件Ⅰ和内外钻头密封件Ⅱ构成内外钻头滑动密封副，该内外钻头滑动密封副位于外钻头传力上接头和内钻头传力下接头之间，其与外钻头传力上接头及内钻头传力下接头紧密滑动配合；

其中动力组件包括动力电机转子组、动力系统轴承密封圈、动力系统下密封件、动力系统轴承、动力电机定子组及动力系统上密封件，所述动力电机转子组与动力电机定子组分别与动力系统轴承连接，其中动力电机转子组的内孔上设置有键槽，动力电机转子组通过键槽与内钻头传扭杆连接，动力电机定子组、动力系统下密封件、外钻头传力上接头及外钻头传力下接头顺次丝扣连接；所述动力系统下密封件与外钻头传力上接头丝扣连接，且动力系统下密封件与动力系统轴承密封圈配合构成下密闭腔体；所述动力系统上密封件与外钻头传压接头丝扣连接，且动力系统上密封件与动力系统轴承密封圈配合构成上密闭腔体；

其中内外钻头压力调节系统与地面数据终端通过数据线通信连接，内外钻头压力调节系统包括内钻头压力调节组件和外钻头压力调节组件两部分，且内钻头压力调节组件和外钻头压力调节组件通过压力调节扶正套丝扣连接；所述内钻头压力调节组件由内钻头传压接头、内钻头传压机构防脱外套、内钻头传压不传扭轴承、内钻头压力传感器、压力调节内钻头传力扶正件及压力调节结构组成，且压力调节结构、压力调节内钻头传力扶正件、内钻头压力传感器、内钻头传压接头和内钻头传压机构防脱外套自上而下顺次丝扣连接；所述内钻头传压不传扭轴承内圈与内钻头传压接头连接，内钻头传压不传扭轴承外圈与内钻头传压机构防脱外套连接；所述外钻头压力调节组件由外钻头传压接头、外钻头传压机构防脱外套、外钻头传压不传扭轴承、外钻头传压杆、外钻头压力传感器及压力调节外壳组成，且压力调节外壳、外钻头压力传感器、外钻头传压杆、外钻头传压机构防脱外套及外钻头传压接头自上而下顺次丝扣连接，其中压力调节外壳与泥浆循环系统上接头丝扣连接；所述外钻头传压不传扭轴承的内圈与外钻头传压接头连接，外钻头传压不传扭轴承的外圈与外钻头传压杆连接；所述内外传感器密封圈置于内钻头压力传感器和外钻头压力传感器之间；所述内钻头动力传压密封圈位于调节内钻头传力扶正件及内钻头压力传感器之间；所述压力调节密封压套位于压力调节外壳和外钻头压力传感器之间；

其中泥浆循环系统包括泥浆循环系统下接头、泥浆循环系统、泥浆循环系统外壳和泥浆循环系统上接头，且泥浆循环系统下接头、泥浆循环系统外壳和泥浆循环系统上接头顺次丝扣连接，其中泥浆循环系统下接头与压力调节外壳丝扣连接，泥浆循环系统上接头与解卡系统下接头丝扣连接；所述泥浆循环系统位于浆循环系统下接头和泥浆循环系统上接头之间；所述循环系统密封圈设置在泥浆循环系统下接头和泥浆循环系统之间；

其中解卡系统包括解卡系统下接头、随钻测井系统、解卡系统转子接头、解卡系统下密封件、解卡系统密封圈、解卡系统扶正轴承、解卡系统转子组、解卡系统定子组、解卡系统上密封件、解卡系统钻头、线缆及保护外套和泥浆循环中心管，所述解卡系统下接头、随钻测井系统、解卡系统转子接头和解卡系统转子组顺次丝扣连接；所述解卡系统下密封件、解卡系统定子组、解卡系统上密封件及解卡系统钻头顺次丝扣连接；所述解卡系统转子接头、解卡系统下密封件间隙配合；所述解卡系统转子组和解卡系统定子组分别与解卡系统扶正轴承连接；所述解卡系统转子组和解卡系统下密封件之间设置有解卡系统密封圈，解卡系统转子组和解卡系统上密封件之间设置有解卡系统密封圈；所述线缆及保护外套和泥浆循环中心管分别与解卡系统上密封件丝扣密封连接。

进一步，所述随钻测井系统上设置有测井参数仪器。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明是由内外钻头组件、动力组件、内外钻头压力调节系统、泥浆循环系统和解卡系统所组成，本发明采用内外双钻头逆向回转碎岩，实现对围岩微扰动钻进；利用动力电机的定子组、转子组分别带动外钻头和内钻头，钻头与动力系统整体实现了扭矩自平衡，对上部钻具无扭矩作用；将动力源、泥浆循环系统和测井系统等集成到钻具上，地面只需要起下钻具用绞车设备即可实现正常的钻进、起下钻和随钻测井等作业；卡钻时，绞车上提钻具，通过解卡钻头正反转交替回转，解除卡点岩粒实现解卡，本发明的扭矩自平衡有缆钻具系统上部钻具只承受轴向力作用，下部钻具由内外钻头逆向回转实现扭矩平衡，简化了地面装备，把钻机装备的部分设备放到了井里，达到了未来钻探工程中高度机械化、自动化、智能化、简单化的要求，且具备以下优点：一是摆脱了对钻杆的深度依赖，以缆管为主要传输介质，大大减少了起下钻时间，降低了钻井设备和机具的成本，减少了钻具对井壁的扰动；二是加强了对井下的实时监测和控制，可以随钻实时监测和获取到井下钻具的动态参数变化，更加符合智能化、简单化的要求；三是增强了井下应急处理的能力，及时处理卡钻事故，使事故破坏程度达到最小化。本发明给整个钻井行业带来了一个新的角度，极具创新意义且意义十分重大，应用性前景极广。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1是本发明一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统总装示意图。

图2是本发明一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统的内外钻头组件示意图。

图3是本发明一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统的动力组件示意图。

图4是本发明一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统的内外钻头压力调节系统示意图。

图5是本发明一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统的泥浆循环系统示意图。

图6是本发明一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统的解卡系统示意图。

图7是本发明一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统的泥浆正循环示意图。

图8是本发明一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统的泥浆反循环示意图。

图中：1-内钻头、2-外钻头、3-取心筒、4-外钻头传力下接头、5-外钻头传力上接头、6-内外钻头密封件Ⅰ、7-内外钻头密封件Ⅱ、8-内钻头传力下接头、9-内钻头传力上接头、10-动力电机转子组、11-动力系统轴承密封圈、12-动力系统下密封件、13-动力系统轴承、14-内钻头传扭杆、15-动力电机定子组、16-动力系统上密封件、17-外钻头传压接头、18-外钻头传压机构防脱外套、19-外钻头传压不传扭轴承、20-外钻头传压杆、21-内钻头传压接头、22-内钻头传压机构防脱外套、23-内钻头传压不传扭轴承、24-内钻头压力传感器、25-内外传感器密封圈、26-外钻头压力传感器、27-内钻头动力传压密封圈、28-压力调节密封压套、29-压力调节扶正套、30-压力调节外壳、31-压力调节内钻头传力扶正件、32-压力调节结构、33-泥浆循环系统上接头、34-循环系统密封圈、35-泥浆循环系统、36-泥浆循环系统外壳、37-泥浆循环系统上接头、38-解卡系统下接头、39-随钻测井系统、40-解卡系统转子接头、41-解卡系统下密封件、42-解卡系统密封圈、43-解卡系统扶正轴承、44-解卡系统转子组、45-解卡系统定子组、46-解卡系统上密封件、47-解卡系统钻头、48-线缆及保护外套、49-泥浆循环中心管、50-井壁。

具体实施方式

请参阅图1到图6所示，本发明提出了一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统，该钻具系统由内外钻头组件、动力组件、内外钻头压力调节系统、泥浆循环系统和解卡系统组成，本发明扭矩自平衡有缆钻具系统上部钻具只承受轴向力作用，下部钻具由内外钻头逆向回转实现扭矩平衡。图2所示的内外钻头组件用于逆向回转切削岩石，需要围岩给与钻头接触的岩石提供的反扭力矩微小，因此对围岩只产生微小的扰动，即使在破碎地层中钻进，井壁50也相对规整和稳定。该内外钻头组件包括内钻头1、外钻头2、取心筒3、外钻头传力下接头4、外钻头传力上接头5、内外钻头密封件Ⅰ6、内外钻头密封件Ⅱ7、内钻头传力下接头8、内钻头传力上接头9和内钻头传扭杆14，内钻头1、取心筒3、内钻头传力下接头8、内钻头传力上接头9和内钻头传扭杆14依次丝扣连接，取心筒3内径与内钻头1内径相匹配；外钻头2、外钻头传力下接头4和外钻头传力上接头5丝扣连接；内外钻头密封件Ⅰ6和内外钻头密封件Ⅱ7构成内外钻头滑动密封副，该内外钻头滑动密封副位于外钻头传力上接头5和内钻头传力下接头8之间，其与外钻头传力上接头5和内钻头传力下接头8紧密配合相连，起到扶正和限位内外钻头作用。图3所示的动力组件用于为内外钻头组件提供动力，动力电机转子组10与动力电机定子组15通过结构台阶由动力系统轴承13限位，使动力电机转子组10和动力电机定子组15相对稳定旋转；动力系统轴承密封圈11和动力系统下密封件12、动力系统上密封件16组合形成密闭腔体，防止泥浆进入密闭腔体；动力电机转子组10的内孔上有多条键槽与内钻头传扭杆14键槽连接，将动力扭矩传递给内钻头1。动力系统下密封件12与外钻头传力上接头5丝扣连接，动力系统上密封件16与外钻头传压接头17丝扣连接。图4所示内外钻头压力调节系统与地面数据终端通过数据线通信连接，用于动态调节加在内外钻头上的压力，实现相对地层自平衡逆向回转，内外钻头压力调节系统及以上钻具均无来自钻头的扭矩作用，只承担轴向拉压力作用。内钻头压力调节组件，压力调节结构32、压力调节内钻头传力扶正件31、内钻头压力传感器24、内钻头传压接头21和内钻头传压机构防脱外套22顺次丝扣连接，实现钻压由上部钻具传递到内钻头1上，通过内钻头传压不传扭轴承23实现只传压不传扭功能；外钻头压力调节组件，压力调节外壳30、外钻头压力传感器26、外钻头传压杆20、外钻头传压机构防脱外套18和外钻头传压接头17顺次丝扣连接，实现钻压由上部钻具传递到外钻头2上，通过外钻头传压不传扭轴承19实现只传压不传扭功能；内钻头压力调节组件和外钻头压力调节组件通过压力调节扶正套29实现扶正和定位功能，通过内外传感器密封圈25、内钻头动力传压密封圈27和压力调节密封压套28实现压力调节系统内部空腔的密封。外钻头传压接头17与动力系统上密封件16丝扣连接，压力调节外壳30与泥浆循环系统上接头33丝扣连接。图5所示泥浆循环系统用于循环泥浆冷却钻头、携带岩屑和保护井壁50，代替了地面泥浆泵及其部分管汇，泥浆循环系统下接头33、泥浆循环系统外壳36和泥浆循环系统上接头37顺次丝扣连接，其中泥浆循环系统下接头33与压力调节外壳30丝扣连接，泥浆循环系统上接头37与解卡系统下接头38丝扣连接；所述泥浆循环系统35位于浆循环系统下接头33和泥浆循环系统上接头37之间；所述循环系统密封圈34设置在泥浆循环系统下接头33和泥浆循环系统35之间，循环系统密封圈34阻隔泥浆循环系统上接头37进浆口与下部钻具间的连通。图6所示解卡系统用于解决卡钻井下事故。解卡系统下接头38、随钻测井系统39、解卡系统转子接头40和解卡系统转子组44顺次丝扣连接；所述解卡系统下密封件41、解卡系统定子组45、解卡系统上密封件46、解卡系统钻头47顺次丝扣连接；所述解卡系统转子接头40、解卡系统下密封件41间隙配合；解卡系统转子组44和解卡系统定子组45通过两个解卡系统扶正轴承43实现扶正和定位功能，通过两组解卡系统密封圈42实现解卡动力系统内部空腔的密封。随钻测井系统39在上部无扭矩环境下可以安装各种测量参数的传感器等仪器，所述随钻测井系统39中预留有声、电、磁和放射性等各种测井参数仪器，并及时将采集到的相关数据通过数据线传输到地面数据终端进行处理。线缆及保护外套48、泥浆循环中心管49分别与解卡系统上密封件46丝扣密封连接，解卡系统下接头38与泥浆循环系统上接头37丝扣连接。线缆及保护外套48、泥浆循环中心管49的长度随钻进深度加长，线缆及保护外套48为铠装保护，具有较强的抗拉强度。

本发明的工作原理和过程：

内外钻头回转碎岩：动力电机转子组10通过键槽经内钻头传扭杆14驱动内钻头传力上接头9、内钻头传力下接头8和取心筒3，最终将动力扭矩传递给内钻头1，实现内钻头的回转碎岩；同时动力电机定子组15、动力系统下密封件12、外钻头传力上接头5及外钻头传力下接头4顺次丝扣连接，最终将内钻头碎岩产生的动力反扭矩传递给外钻头2，实现外钻头的逆向回转碎岩。

内外钻头钻压自动调整：内外钻头压力调节系统与地面数据终端通过数据线通信连接，内外钻头压力调节系统通过电控系统自动控制，本钻具系统为钻具自重加压，通过绞车上提和下放钻具控制线缆及保护外套48的上提和下放，线缆及保护外套48的上提和下放调节加在内外钻头上的总钻压。总钻压经压力调节结构32的电机驱动分别传递给压力调节结构32和压力调节外壳30，通过电控程序自动调整加在内外钻头上的钻压比例，电控程序的执行主要依据内钻头压力传感器24和外钻头压力传感器26获取的钻压数据完成。

上部钻具无扭钻压传递原理：上部钻具给下部钻头施加的钻压分别通过内钻头传压不传扭轴承23、外钻头传压不传扭轴承19传递给下部钻具的内钻头传压接头21、外钻头传压接头17，实现了钻压由上部静止钻具到下部回转钻具的传递。所述泥浆循环系统有两种循环方式，即正循环和反循环，图7及图8示出泥浆循环过程：正循环钻进时，泥浆循环系统35将地面泥浆经由泥浆循环中心管49、解卡系统转子组44中心、解卡系统转子接头40中心、随钻测井系统39中心、解卡系统下接头38中心、泥浆循环系统上接头37中心、内外钻头压力调节系统的泥浆通道、内钻头传扭杆14中心到达内钻头1和外钻头2切削齿，然后携带的热量和岩屑经由钻具系统外壁与井壁50的环状空间上返到地面泥浆池中，实现了泥浆的正循环；反循环钻进时，泥浆循环系统35将地面泥浆经由钻具系统外壁与井壁50的环状空间到达外钻头2和内钻头1切削齿，然后携带的热量和岩屑沿途经过内外钻头压力调节系统的泥浆通道、内钻头传扭杆14中心、泥浆循环系统上接头37中心、解卡系统下接头38中心、随钻测井系统39中心、解卡系统转子接头40中心、解卡系统转子组44中心、泥浆循环中心管49上返到地面泥浆池中，实现了泥浆的反循环。解卡系统的工作原理和过程。当钻具系统在井内遇卡时，上提钻具拉力超过设定值时，系统自动启动解卡系统的动力电机，电机的解卡系统定子组45带动解卡系统钻头47进行交替的正转和反转动作切削上部卡点位置的障碍物，这一动作一直持续直到上提拉力低于设定值才停止工作，继续进行提钻、下钻或钻进作业。