专利名称：连续油管爬行器及其爬行方法
技术领域：
本发明涉及一种用于连续油管钻井工程，有助于连续油管在水平井段下入更长距离的爬行器及其爬行方法。
背景技术：
连续油管技术是一种经济、效率、环保的作业手段，该技术在洗井、打捞、水平井、 大位移井、现有井开窗侧钻等作业中具有较大的优势，其将成为油田增产、难动用储量开采和提高最终采收率的主导技术之一。与此同时，随着水平井数量的增多，连续油管在水平井段的长度增加，连续油管与井壁摩擦力增大，仅仅依靠地面注入头产生的水平驱动力往往不能使连续油管达到预期的深度，连续油管在水平井段下入难这一问题也成为制约其发展的主要因素之一。尽管目前用于石油钻井技术的爬行器种类很多，但这些爬行器或多或少的存在一些缺点，不能较好的满足井下作业的需求。主要原因有(1)在需要较大动力且环境较为恶劣的井下，许多爬行器由于结构稳定性差，很容易发生侧翻；(2)对井壁内径的适应能力差，而油气井井眼在某些井段不够规则，且可能在同一口井中存在不同直径的井段，尤其是在裸眼井中，这就要求爬行器能够做适当的自动调节；(3)电驱动的爬行器需要在连续油管中加入电缆，占用了有限的钻井液供给通道，适用范围小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续油管爬行器及其爬行方法，它利用部分高压钻井液，能够有效的解决连续油管在水平井段下入长度有限这一难题，使连续油管在水平井段的下入长度更长。为达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是一种连续油管爬行器， 其特征在于爬行器由活塞杆总成、后爬行装置、控制器、前爬行装置四个部分组成，后爬行装置、控制器、前爬行装置顺次套在活塞杆总成上。活塞杆总成两端有与连续油管连接的接头，内部有为井底设备提供钻井液的通道、连接前返程液压腔和后推进液压腔的通道、连接后推进液压腔和前返程液压腔的通道、 连接前推进液压腔与控制器的通道、连接后推进液压腔与控制器的通道。爬行装置由井壁固定器和推进器组成，井壁固定器由在径向环面上均布的三个同步的支撑架、固定液压腔体、固定活塞杆总成、固定活塞总成、弹簧、空心管组成；支撑架由两个支撑杆和一个支撑体组成，支撑杆和支撑体之间采用铰链连接，支撑架一端依靠铰链定位在空心管的端面凸台上，另一端依靠铰链定位在固定活塞杆总成的端面凸台上；固定活塞杆总成套在空心管上，并可以沿空心管轴向滑动，固定液压腔体套在空心管上；空心管内具有通道和液压阀；推进器包括推进液压腔体、通道、前(后)推进活塞总成，前(后)推进活塞总成将推进液压腔体分隔成前(后)推进液压腔和前(后)返程液压腔，推进液压腔体依靠螺栓固定在空心管的端面上；前(后)推进活塞总成内具有通道和凹槽，止推阀作为通道的开关置于凹槽内，止推阀主要由止推活塞杆、套在活塞杆上的弹簧、端堵组成，端堵和活塞总成采用螺纹连接，止推活塞杆可以在凹槽内滑动，弹簧的作用是使止推阀在爬行装置不工作时处于关闭状态。控制器固定在活塞杆总成上，其主要包括换向阀、逆止阀、过滤器、单向阀、通道、 排泄通道，其中逆止阀作为爬行器的整体开关，只有当钻井液压强达到设定值时才会打开， 换向阀通过改变高压钻井液的流道使后爬行装置和前爬行装置交替工作。一种连续油管爬行器的爬行方法，其特征在于随着连续油管在水平井段的长度增加，仅仅靠地面的注入系统已经不能使井底工具再往前下入时，利用地面液压泵增大钻井液的供给泵压，当钻井液的压强达到设定值时，控制器中的逆止阀打开，钻井液经控制器进入后爬行装置中的井壁固定器。在液压的作用下固定活塞总成连同固定活塞杆总成沿空心管轴向滑动，弹簧被压紧，支撑架径向张开，将支撑体压紧在井壁上，通过支撑体和井壁之间的静摩擦使后爬行装置固定在井壁上。当固定液压腔体中的压强达到设定值时，空心管内部的液压阀打开，钻井液经空心管内的通道进入后推进液压腔，再经活塞杆总成中的通道进入前返程液压腔。在高压钻井液的作用下前爬行装置向远离控制器的方向移动，继而除后爬行装置以外的整个爬行器连同连续油管向井底的方向前进。当后推进活塞总成中的止推活塞杆与推进液压腔体接触时，后推进活塞总成继续前进并与止推活塞杆出现相对滑动，止推阀中的弹簧被压紧，止推阀打开，后推进活塞总成中的通道开启，钻井液经后推进活塞总成中的通道进入控制器，并使控制器中的换向阀换向，后爬行装置中的钻井液经控制器排入爬行器和井壁之间的环空，同时在弹簧的作用下支撑架与井壁脱离接触。在完成上述过程后，高压钻井液经控制器进入前爬行装置，在高压钻井液的作用下，后爬行装置向靠近控制器的方向运动，继而除前爬行装置以外的整个爬行器连同连续油管向井底的方向前进，当前推进活塞总成靠近推进液压腔体时，前推进活塞总成中的止推阀打开，前推进活塞总成中的通道开启，钻井液经该通道进入控制器使换向阀换向，前爬行装置中的钻井液经控制器排入爬行器与井壁之间的环空。本发明与现有技术相比，具有的优点有(1)井壁固定器中的在径向环面上的三个同步支撑架使爬行装置稳定性好，不会在井内发生翻滚；(2)液压驱动和控制，安全可靠；(3)适用范围广，能应用在不同尺寸的井眼中；(4)拖动功率大，爬行速度快。
图1为爬行器整体结构示意图； 图2为爬行器沿k—k的剖视图3是爬行器沿B—B截面示意图； 图4是止推阀剖视图； 图5是控制原理图； 图6是爬行器工作原理图； 图7是爬行器工作原理图； 图8是爬行器工作原理图； 图9是爬行器工作原理图； 图10是爬行器工作原理图；图11是爬行器工作原理图中1活塞杆总成，2后爬行装置，3控制器，4前爬行装置，5推进液压腔体，6通道，7 后推进活塞总成，8后推进液压腔，9后返程液压腔，10支撑杆，11支撑体，12固定活塞杆总成，13固定液压腔体，14弹簧，15固定活塞总成，16液压阀，17通道，18通道，19通道，20前推进液压腔，21前返程液压腔，22接头，23通道，24空心管，25推进液压腔体，26通道，27井壁，28支撑架，29前推进活塞总成，30通道，31止推活塞杆，32止推阀，33弹簧，34端堵，35 凹槽，36通道，37过滤器，38逆止阀，39排泄通道，40单向阀，41换向阀，42通道，43推进器。
具体实施例方式如图1所示本发明提供的一种用于连续油管爬行器，其特征在于爬行器由活塞杆总成1、后爬行装置2、控制器3、前爬行装置4四个部分组成。如图2、图3和图4所示活塞杆总成1两端具有与连续油管连接的接头22，内部具有为井底设备提供高压钻井液的通道26、连接后返程液压腔9和前推进液压腔20的通道18、连接后推进液压腔8和前返程液压腔21的通道23、连接后推进液压腔8与控制器3 的通道30、连接前推进液压腔20与控制器3的通道42 ；每个爬行装置都由推进器43和井壁固定器组成，井壁固定器由在径向环面上均布的三个同步支撑架28、固定液压腔体13、 固定活塞总成15、固定活塞杆总成12、弹簧14、空心管M组成；支撑架观由两个支撑杆10 和一个支撑体11组成，支撑杆10和支撑体11之间采用铰链连接，支撑架观一端依靠铰链定位在空心管M的端面凸台上，另一端依靠铰链定位在固定活塞杆总成12的端面凸台上； 空心管M内具有通道17，通道17 —端与通道6相连，另一端与换向阀41相连，液压阀16 位于通道17内，空心管M套在活塞杆总成1上，并可以沿活塞杆总成1轴向滑动；固定活塞杆总成12套在空心管M上，并可以沿空心管M上轴向滑动；固定液压腔体13套在空心管M上，连接方式为螺栓连接；推进器43包括推进液压腔体5、通道6、后推进活塞总成7， 推进液压腔体5依靠螺栓固定空心管M的端面上，后推进活塞总成7固定在活塞杆总成1 上，将推进液压腔体5分隔成后推进液压腔8、后返程液压腔9，后推进活塞总成7内具有通道30和凹槽35，止推阀32作为通道30的开关置于凹槽35内，止推阀32包括止推活塞杆 31、套在止推活塞杆31上的弹簧33，端堵34，端堵34和活塞总成7之间采用螺纹连接，止推活塞杆31可以在凹槽35内滑动，弹簧33的作用是使止推阀32在爬行装置不工作时处于关闭状态，除后推进活塞总成7以外的整个爬行装置可以沿活塞杆总成1轴向滑动。如图1、图5所示控制器3固定在活塞杆总成1上，其主要由换向阀41、逆止阀 38、过滤器37、单向阀40、连接过滤器37与通道沈的通道36、排泄通道39组成，其中逆止阀38阀作为爬行器的整体开关，只有当钻井液压强达到设定值时才会打开，换向阀41通过改变高压钻井液的流道使后爬行装置2和前爬行装置4交替工作。随着连续油管在水平井段的长度增加，仅仅靠地面的注入系统已经不能使井底工具再往前下入时，利用地面液压泵增大钻井液的供给泵压，当钻井液压强达到设定值时，控制器3中的逆止阀38打开，高压钻井液进入控制器3，爬行器开始工作，其爬行过程分为八个步骤
第一步，如图6所示高压钻井液经通道17进入固定液压腔体13，固定活塞总成15连同固定活塞杆总成12沿空心管M轴向滑动，弹簧14被压紧，支撑架28径向扩张，将支撑体11压紧在井壁27上，通过支撑体11和井壁27之间的静摩擦使后爬行装置2固定在井壁27上；
第二步，如图7所示当固定液压腔体13中的压强达到设定值时，液压阀16打开，高压钻井液经通道17和通道6进入后推进液压腔8，再经通道23进入前返程液压腔21，在高压钻井液的作用下前爬行装置4向远离控制器3的方向移动；
第三步，如图8所示后推进活塞总成7在液压的作用下，推动除后爬行装置2以外的整个爬行器和连续油管向井底方向移动；
第四步当止推活塞杆31与推进液压腔体5接触时，后推进活塞总成7继续前进并与止推活塞杆31出现相对运动，弹簧33被压紧，通道30开启，后推进液压8中的部分钻井液经通道30进入控制器3，换向阀41换向，后推进液压腔8和前返程液压腔20中的钻井液经通道6、通道17、换向阀41、单向阀40、排泄通道39排入爬行器和井壁之间的环空，同时支撑架观在弹簧14的作用下径向收缩与井壁27脱离；
第五步，如图9所示高压钻井液经通道19进入前爬行装置4，在高压钻井液的作用下前爬行装置4与井壁27固定(原理同第一步)；
第六步，如图10所示后爬行装置2在在高压钻井液的作用下向靠近控制器3的方向运动(原理同第二步)；
第七步，如图11所示在高压钻井液的驱动下，前推进活塞总成四推动除前爬行装置 4以外的整个爬行器向井底方向前进(原理同第三步)；
第八步当前推进活塞总成四中的止推活塞杆与推进液压腔体25接触时，前推进活塞总成四中的止推阀开启，前推进液压腔20中的部分钻井液经通道42进入控制器3，换向阀 41换向，后返程液压腔9和前推进液压腔21中的高压钻井液排入爬行器和井壁27之间的环空，同时前爬行装置4中的井壁固定器在弹簧的作用下与井壁脱离接触(原理同第四步)。
通过上诉循环，爬行器拖动连续油管和井下工具向井底方向前进。
权利要求
1.一种用于连续油管钻井技术中的井下爬行器，主要由活塞杆总成(1)、后爬行装置(2)、控制器(3)、前爬行装置(4)等组成，整个爬行器的特征在于后爬行装置(2)、控制器(3)、前爬行装置(4)顺次套在活塞杆总成(1)上；活塞杆总成(1)两端具有与连续油管连接的接头(22)，内部具有为井底设备提供高压钻井液的通道(26)、连接后返程液压腔(9)和前推进液压腔(20 )的通道(18 )、连接后推进液压腔(8 )和前返程液压腔(21)的通道(23 )、 连接后推进液压腔(8)与控制器(3)的通道(30)、连接前推进液压腔(20)与控制器(3)的通道(42)；后爬行装置(2)由井壁固定器和推进器(43)构成；井壁固定器由固定液压腔体 (13)、固定活塞总成(15)、弹簧(14)、固定活塞杆总成(12)、具有通道(17)的空心管(24)、 在径向环面上均布的三个支撑架(28)组成，液压阀(16)位于通道(17)内，固定活塞杆总成 (12)套在空心管(24)上；推进器(43)由推进液压腔体(5)、通道(6)、后推进活塞总成(7) 组成，后推进活塞总成(7)固定在活塞杆总成(1)上，将推进液压腔体(5)分隔成后推进液压腔(8)和后返程液压腔(9)，后推进活塞总成(7)内具有通道(30)和凹槽(35)，止推阀 (32)作为通道(30)的开关置于凹槽(35)内，止推阀(32)由止推活塞杆(31)、套在止推活塞杆(31)上的弹簧(33)、端堵(34)组成，端堵(34)和后推进活塞总成(7)采用螺纹连接；推进液压腔体(5)依靠螺栓固定在空心管(24)的端面上，固定液压腔体(13)套在空心管(24) 上，靠螺栓连接；前爬行装置(4)具有和后爬行装置(2)相似的结构；控制器(3)依靠螺栓固定在活塞杆总成(1)上，其主要由换向阀(41)、逆止阀(38)、过滤器(37)、单向阀(40)、连接过滤器(37)和通道(26)的通道(36)、排泄通道(39)等组成。
2.根据权利要求1所描述的连续油管爬行器，其特征在于整个爬行器中包含有两个结构相似的爬行装置；每个爬行装置都由井壁固定器和推进器(43)构成；井壁固定器在径向环面上均布有三个同步的支撑架(28)，支撑架(28)由两个支撑杆(10)和一个支撑体 (11)组成，支撑杆(10)与支撑体(11)之间采用铰链连接，支撑架(28)—端定位在空心管 (24)的端面凸台上，另一端定位在固定活塞杆总成(12)的端面凸台上，其连接方式也是铰链连接；后推进活塞总成(7)和控制器(3)分别用螺栓固定在活塞杆总成(1)上，除后推进活塞总成(7)以外的整个后爬行装置(2)可以沿活塞杆总成(1)轴向滑动。
3.根据权利要求1所述的连续油管爬行器的爬行方法，其特征在于；整个爬行装置由高压钻井液驱动和控制；当通道(26)中的钻井液压强达到设定值时，高压钻井液经控制器进入后爬行装置(2)，在高压钻井液的作用下固定活塞总成(15)连同固定活塞杆总成(12) 沿空心管(24)轴向滑动，弹簧(14)被压紧，支撑架(28)径向张开，将支撑体(11)压紧在井壁(27)上，通过支撑体(11)和井壁27之间的静摩擦使后爬行装置(2)固定在井壁(27)上； 当固定液压腔体(13)中的压强达到设定值时，液压阀(16)打开，钻井液经通道(17)和通道 (6)进入后推进液压腔(8)，再经通道(23)进入前返程液压腔(21)，在钻井液的作用下前爬行装置(4)向远离控制器(3)的方向移动，继而除后爬行装置(2)以外的整个爬行器连同连续油管向井底的方向前进；完成上述过程后，控制器(3)使后爬行装置(2)中的钻井液排入爬行器与井壁(27 )之间的环空，并使通道(26 )中的高压钻井液经控制器(3 )进入前爬行装置(4)，使后爬行装置(2)向靠近控制器(3)的方向移动，继而使除前爬行装置(4)以外的整个爬行器向井底的方向前进。
全文摘要
本发明涉及一种用于连续油管的爬行器及其爬行方法，该爬行器主要由前爬行装置、控制器、后爬行装置、活塞杆总成等组成，每个爬行装置均由推进器和井壁固定器组成；整个爬行器采用液压控制和液压驱动，通过改变高压钻井液的供给通道控制前后爬行装置交替工作，依靠爬行装置将高压钻井液的动能转化成推动连续油管和井下工具向井底方向前进的机械能。本发明结合连续油管钻井技术的具体特点，很好的解决了连续油管在水平井段下入难这一技术难题，有利于水平井钻井技术和连续油管钻井技术的发展。
文档编号E21B23/08GK102206992SQ20111008119
公开日2011年10月5日 申请日期2011年4月1日 优先权日2011年4月1日
发明者石昌帅, 祝效华, 胡志强 申请人:西南石油大学