侧钻井长寿命低压降钻具组合的制作方法

1.本实用新型涉及一种侧钻井井下钻具，尤其涉及一种侧钻井长寿命低压降钻具组合，属于侧钻井工具技术领域。


背景技术：

2.油田生产后期，由于套管损坏等因素造成原井无法开采，打加密井或更新井开采会使采油成本大幅上升，很多情况下还涉及征地等费用及审批。在原井套管中下小套管（又称尾管），或者在原井套管中开窗侧钻新孔，然后下小套管，可以利用原有的地面设施，降低施工成本，挖掘井间剩余油，让报废井重获新生，投资少、见效快、经济效益显著。世界各国都非常重视该技术的研究应用，已成为许多油田勘探开发中重新认识老油田、使老油田增储上产和提高最终采收率的重要手段，显示出了广阔的发展前景及推广应用价值。因此，开展侧钻工艺技术研究，使侧钻施工提速提效，早日投产见效，显得十分必要。
3.油田侧钻工艺主要有套管开窗、mwd定向、复合钻进，以及后期的电测、下套管固井等工艺。传统上开窗成功后下gyd517单牙轮钻头+φ95mm单弯螺杆+φ89mm无磁钻铤+φ48mm有线mwd定向仪的组合进行钻进，φ89mm无磁钻铤与φ48mm的有线mwd定向仪之间的环空间隙仅为3mm,环空压耗大，侧钻施工泵压高，泥浆泵易损坏，增加起下钻和修泵时间，影响了施工时效。
4.井下钻具是否需要起钻，取决于使用寿命最短的工具，个别工具的使用寿命短，即使其它工具的使用寿命明显更长，也必须起钻，如此增加了起下钻次数，影响了施工时效。而且起钻后通常对寿命未到的工具也要进行更换，以延迟下次需要起钻的时间，因此工具寿命不匹配还会造成很大的浪费，增加钻井成本。mwd定向仪的电池使用寿命为270-300小时，单牙轮钻头的安全用时间为100小时，单弯螺杆的有效使用时间为120小时，其中最影响使用寿命的是万向轴总成由于单牙轮钻头和单弯螺杆的安全使用寿命有限，一般100小时左右就需要起钻更换钻头和螺杆，生产效率和效益均收到限制。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种侧钻井长寿命低压降钻具组合，增大无磁钻铤与定向仪器的环空间隙，降低循环压耗，单趟钻使用时间长，钻进速度快，减少起下钻次数，缩短钻井周期。
6.为解决以上技术问题，本实用新型的一种侧钻井长寿命低压降钻具组合，包括连接在单弯螺杆下端的pdc钻头，所述单弯螺杆的上端旋接有扶正器，所述扶正器的上端旋接有定向接头，定向接头的上端设有无磁钻铤，所述无磁钻铤的内腔安装有无线mwd定向仪，所述无磁钻铤的上端连接有加重杆；所述单弯螺杆的中段设有可调弯壳体，所述可调弯壳体的内腔安装有万向轴总成，所述万向轴总成包括连杆和分别连接在连杆两端的活绞，下端活绞与水帽连为一体，所述连杆的两端分别插接在活绞的沉孔中，所述连杆的两端外周分别设有外鼓形齿，所述外鼓形齿与活绞沉孔内周壁的内鼓形齿相啮合，所述连杆的两端
头中心分别嵌有承力球，所述承力球分别抵靠在球座中心，所述球座分别固定在活绞的底壁中心；所述连杆的两端台肩分别抵靠有内角轴承，所述内角轴承的外球面支撑在外角轴承的内球面上，外角轴承的内端头抵靠在活绞的内台阶上；所述外角轴承的底部支撑在支撑圈上，所述支撑圈的外侧底部支撑在锁紧套的上端内台阶上，所述锁紧套的上端外周旋接在活绞的内壁，所述锁紧套的外台阶抵靠在活绞的端口底部。
7.作为本实用新型的改进，所述pdc钻头的直径为118mm，所述单弯螺杆的外径为95mm，所述无磁钻铤的外径为89mm，所述无线mwd定向仪的直径为38mm或40mm，所述加重杆的外径为89mm，所述加重杆的上端与89mm的钻杆相连。
8.作为本实用新型的进一步改进，所述支撑圈的中心设有向外延伸的支撑圈锥形套，所述支撑圈锥形套的外周嵌套有弹性密封套，所述弹性密封套的下端夹持在连杆的外周。
9.作为本实用新型的进一步改进，所述单弯螺杆的上部设有旁通阀，所述旁通阀包括旁通阀外筒，所述旁通阀外筒的中心孔中部设有阀芯，所述阀芯的顶部支撑在旁通阀外筒的中部内台阶下方，所述阀芯的外台阶下方支撑有弹簧，所述弹簧的下端支撑在阀套的顶部，所述阀套的下部设有阀套凸圈，所述阀套凸圈抵靠在旁通阀外筒的下部内台阶下方，所述阀套的底部抵靠在挡圈上，所述挡圈嵌于旁通阀外筒的内壁环槽中；所述阀芯的下部圆周上均匀分布有多个阀芯径向孔，所述阀芯的下端头插入阀套的内腔，所述旁通阀外筒的下部圆周上对称设有多个外筒旁通孔，各外筒旁通孔的内端口与阀芯的外周环空相通。
10.作为本实用新型的进一步改进，所述可调弯壳体包括调弯上壳体、双公弯接头、滑动锁套和调弯下壳体，所述调弯上壳体上端的公螺纹与单弯螺杆的马达壳体相连，所述双公弯接头两端的螺纹轴线有1.5
°
夹角，双公弯接头的上端旋接在调弯上壳体的下端母螺纹中，滑动锁套套装在双公弯接头的中段外周且通过平键径向定位，双公弯接头的下端旋接在调弯下壳体的上端母螺纹中，调弯下壳体上下两端的母螺纹轴线也有1.5
°
夹角，调弯下壳体的下端与传动轴总成的上端相连。
11.作为本实用新型的进一步改进，所述pdc钻头包括相互嵌合的钻头上体和钻头下体，所述钻头上体的上端设有锥形公螺纹，所述钻头下体的下部设有刀翼，刀翼上分布有多个复合片切削齿，相邻刀翼之间设有喷孔，各喷孔的内端头分别与分流区相通，各喷孔中分别安装有自振空化喷嘴，所述钻头上体和钻头下体的中心孔共轴线且相贯通；所述钻头下体的上部设有钻头下体凸台，所述钻头下体凸台嵌于所述钻头上体的沉孔中；所述钻头上体中心孔中嵌有脉冲发生器，所述脉冲发生器的中段设有脉冲发生器外凸台；所述脉冲发生器外凸台的上部台肩抵靠在所述钻头上体中心孔的内台阶下方，所述脉冲发生器外凸台的下部台肩抵靠在所述钻头下体凸台的顶部，所述脉冲发生器的下部插入于所述钻头下体中心孔中。
12.相对于现有技术，本实用新型取得了以下有益效果：1、引进无线mwd定向仪，增加定向工具与无磁钻铤之间的环空间隙，降低循环压耗；实现低泵压钻进，对定向仪和设备损伤小，减少非生产时间，降低泥浆泵的维修频率，提高施工时效。
13.2、万向轴总成可传递较大的扭矩，承载径向载荷和轴向载荷的能力均很强，且自调心功能优越，润滑良好，工作状态平稳，不易发生损坏或故障，使用寿命长。
14.3、采用pdc钻头取代单牙轮钻头，脉冲发生器单独加工，可以根据钻头尺寸和水力
参数设计，在反复验算基础上确定脉冲振荡腔的关键结构与尺寸，确保脉冲的激励效果最佳，幅值最大；提高脉冲振荡腔结构尺寸与钻井水力参数的配伍性，试验成本比较小，易于对脉冲振荡腔进行优化。且加工时易于精确控制脉冲振荡腔的尺寸与结构，需要改变脉冲振荡腔的尺寸时，只需要在钻头上体与钻头下体装配前更换脉冲发生器，不需要整体更换钻头上体与钻头下体，降低生产成本。
15.4、mwd定向仪的电池使用寿命为270-300h，本组合各部位的使用寿命接近，将单趟钻使用时间由100小时提高至大于250小时，减少起下钻次数，缩短钻井周期，施工时效提高30%以上。
附图说明
16.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本实用新型。
17.图1为本实用新型侧钻井长寿命低压降钻具组合的结构示意图；
18.图2为本实用新型中单弯螺杆的结构示意图；
19.图3为单弯螺杆中旁通阀的剖视图；
20.图4为单弯螺杆中万向轴总成某实施例的主视图；
21.图5为图4上部的放大图；
22.图6为单弯螺杆中可调弯壳体某实施例的剖视图；
23.图7为本实用新型中pdc钻头的剖视图。
24.图中：a.加重杆；b.无磁钻铤；c.定向接头；d.扶正器；e.单弯螺杆；1.旁通阀；1a.旁通阀外筒；1a1.外筒旁通孔；1b.阀芯；1b1.阀芯径向孔；1c.弹簧；1d.阀套；1e.挡圈；2.防掉总成；3.马达；4.可调弯壳体；4a.调弯上壳体；4b.双公弯接头；4c.调弯下壳体；4d.滑动锁套；5.万向轴总成；5a.活绞；5a1.内鼓形齿；5a2.径向注油孔；5a3.密封螺塞；5b.连杆；5b1.外鼓形齿；5c.球座；5d.承力球；5e.内角轴承；5f.外角轴承；5g.支撑圈；5h.锁紧套；5j.弹性密封套；5k.水帽；6.传动轴总成；f.pdc钻头；7a.钻头上体；7b.钻头下体；7b1.分流区；7c.脉冲发生器；7c1.谐振腔进水孔；7c2.谐振腔扰动区；7c3.谐振腔碰撞区；7c4.谐振腔分离区；7d.自振空化喷嘴；7e.刀翼。
具体实施方式
25.在本实用新型的以下描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指装置必须具有特定的方位。
26.如图1所示，本实用新型的侧钻井长寿命低压降钻具组合，包括连接在单弯螺杆e下端的pdc钻头f，单弯螺杆e的上端旋接有扶正器d，扶正器d的上端旋接有定向接头c，定向接头c的上端设有无磁钻铤b，无磁钻铤b的内腔安装有mwd定向仪，无磁钻铤b的上端连接有加重杆a。
27.pdc钻头f的直径为118mm，单弯螺杆e的外径为95mm，加重杆a的外径为89mm，加重杆a的上端与73mm的钻杆相连。传统mwd定向工艺的标准配置为，采用φ89mm无磁钻铤+φ48mm有线mwd定向仪，钻铤与仪器之间的环空间隙仅为3mm,环空压耗大，侧钻施工泵压高，
泥浆泵易损坏，增加起下钻和修泵时间，影响了施工时效。本钻具组合采用无线mwd定向仪，其外径为φ38或40mm，明显小于有线mwd定向仪的外径，使钻铤与仪器之间的环空间隙增大至7mm以上,大大降低了循环压耗。现场使用时，测得循环压降减少了2.0mpa，有利于降低承压设备易损件的更换频率。
28.如图2所示，单弯螺杆e自上而下依次包括旁通阀1、防掉总成2、马达3、万向轴总成5和传动轴总成6，万向轴总成5位于可调弯壳体4中。旁通阀1设置在马达3上方。
29.如图3所示，旁通阀1包括旁通阀外筒1a，旁通阀外筒1a的中心孔中部设有阀芯1b，阀芯1b的顶部支撑在旁通阀外筒1a的中部内台阶下方，阀芯1b的外台阶下方支撑有弹簧1c，弹簧1c的下端支撑在阀套1d的顶部，阀套1d的下部设有阀套凸圈，阀套凸圈抵靠在旁通阀外筒1a的下部内台阶下方，阀套1d的底部抵靠在挡圈1e上，挡圈1e嵌于旁通阀外筒1a的内壁环槽中；阀芯1b的下部圆周上均匀分布有多个阀芯径向孔1b1，阀芯1b的下端头插入阀套1d的内腔。
30.旁通阀外筒1a的下部圆周上对称设有多个外筒旁通孔1a1，各外筒旁通孔1a1的内端口与阀芯1b的外周环空相通。外筒旁通孔1a1的外端设有放大的沉孔，沉孔外端口安装有滤盖，滤盖上均匀设有多个小孔。
31.下钻时，外筒旁通孔1a1与阀芯径向孔1b1处于贯通状态，井眼中的钻井液从外筒旁通孔1a1进入旁通阀外筒1a的内腔，再从阀芯径向孔1b1进入阀芯中心孔，井眼中的钻井液由外筒旁通孔1a1引入钻杆内，减小下钻过程中的阻力，平衡钻杆内外的液柱压力。
32.起钻时，钻杆内的钻井液经外筒旁通孔1a1流入套管环空，使钻井液不会在井台发生溢流，有利于保护环境。
33.钻具工作时，高压钻井液推动阀芯1b下行，压缩弹簧1c，阀芯径向孔1b1进入阀套1d内被关闭；所有钻井液流经马达3，由马达3把压力能转换为机械能。
34.防掉总成2的壳体旋接在旁通阀1的下方，主要作用是防止由于异常原因发生定子壳体断裂和脱扣现象，起到防止单弯螺杆掉入井中，避免发生井下事故。
35.马达3由具有螺旋形内腔的硫化橡胶定子和螺旋形的转子组成，转子和定子沿轴向形成许多连续的、互不相通的螺旋密封线，构成动力部分的密封容腔。当压力足够时，泥浆进入容腔，其液压能转化为机械能，在转子的螺旋曲面上形成转动力矩，迫使转子在定子中运动，容腔沿着轴向移动，不断生成和消失，完成能量转换。泥浆泵泵出的钻井液流经旁通阀1进入螺杆，在螺杆的进、出口形成一定的压力差，推动螺杆旋转，并将扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头。
36.如图4、图5所示，万向轴总成5包括连杆5b和分别连接在连杆5b两端的活绞5a，上端活绞5a的上端头设有锥形公扣，下端活绞与水帽5k连为一体，连杆5b的两端分别插接在活绞5a的沉孔中，连杆5b的两端外周分别设有外鼓形齿5b1，外鼓形齿5b1与活绞沉孔内周壁的内鼓形齿5a1相啮合，连杆5b的两端头中心分别嵌有承力球5d，承力球5d分别抵靠在球座5c的中心，球座5c分别固定在活绞5a的底壁中心。
37.承力球5d顶在活绞5a的轴心，既能承受巨大的轴向力，又具有调心功能；连杆5b可绕承力球5d摆动一定角度以适应连杆轴线与活绞轴线之间的偏差。外鼓形齿5b1与内鼓形齿5a1相啮合，既能可靠地将来自马达3的扭矩传递给传动轴及钻头，又具有一定的调心功能，自动补偿上下两端的同轴度误差，鼓形齿之间的啮合可靠，不容易折断。
38.连杆5b的两端台肩分别抵靠有内角轴承5e，内角轴承5e的外球面支撑在外角轴承5f的内球面上，外角轴承5f的内端头抵靠在活绞5a的内台阶上；外角轴承5f的底部支撑在支撑圈5g上，支撑圈5g的外侧底部支撑在锁紧套5h的上端内台阶上，锁紧套5h的上端外周旋接在活绞5a的内壁，锁紧套5h的外台阶抵靠在活绞5a的端口底部；支撑圈5g的中心设有向外延伸的支撑圈锥形套，支撑圈锥形套的外周嵌套有弹性密封套5j，弹性密封套5j的下端夹持在连杆5b的外周，将内角轴承5e、外角轴承5f、承力球5d、外鼓形齿5b1与内鼓形齿5a1所在空间封闭住，避免接触井下的腐蚀液体，保证润滑良好。
39.内角轴承5e支撑在外角轴承5f上，具有很大的负荷能力，既可以承载径向载荷，又可以承载轴向载荷，稳定可靠。内角轴承5e外球面与外角轴承5f的内球面的配合具有自调心功能。支撑圈5g为外角轴承5f提供轴向定位，锁紧套5h的台阶为支撑圈5g提供轴向定位。
40.活绞5a的侧壁设有径向注油孔5a2，径向注油孔5a2的内端口与承力球5d所在的空间相通，径向注油孔5a2的外端口旋接有密封螺塞5a3。通过径向注油孔5a2向承力球5d所在的空间注入润滑油，弹性密封套5j将润滑空间的外端口封闭，并且可以适应连杆5b的摆动；良好的润滑环境可以大大延长万向轴的使用寿命。
41.沿球座5c的轴线也设有贯通的油孔，确保承力球5d与球座5c的接触面更加能够得到很好的润滑。
42.水帽5k的圆周上设有多个水帽径向孔与中心孔道相通，便于水流沿传动轴总成6的中心孔进入pdc钻头的水眼。
43.如图6所示，万向轴总成5外周的壳体为可调弯壳体4，可调弯壳体4包括调弯上壳体4a、双公弯接头4b、滑动锁套4d和调弯下壳体4c，调弯上壳体4a上端的公螺纹与单弯螺杆的马达壳体相连，双公弯接头4b两端的螺纹轴线有1.5
°
夹角，双公弯接头4b的上端旋接在调弯上壳体4a的下端母螺纹中，滑动锁套4d套装在双公弯接头4b的中段外周且通过对称设置的两根或三根平键径向定位，可以轴向滑动。双公弯接头4b的下端旋接在调弯下壳体4c的上端母螺纹中，调弯下壳体4c上下两端的母螺纹轴线也有1.5
°
夹角，调弯下壳体4c的下端与传动轴总成6的上端相连。
44.调弯上壳体4a的下部与滑动锁套4d的上部之间通过牙嵌实现径向定位，需要调整弯角时，将旋松调弯下壳体4c与双公弯接头4b之间的连接，将滑动锁套4d下滑一段距离，使其上端与调弯上壳体4a的牙嵌脱离啮合，然后旋转调弯上壳体4a至所需的角度后，滑动锁套4d上行使牙嵌重新嵌合，将该角度锁定，然后旋紧旋松调弯下壳体4c与双公弯接头4b之间的连接。当双公弯接头4b的偏向与调弯下壳体4c的偏向相互抵消时，可以实现最小的0
°
弯角；当两个偏向相互叠加时，可以实现最大的3
°
弯角。其它相位则位于0
°
至3
°
弯角之间。本单弯螺杆的使用寿命长，可承受高扭矩，并且根据施工需要，螺杆弯度可以现场调节，与固定弯度的螺杆钻具相比，减少了各种弯度的采购及备货量。
45.如图7所示，pdc钻头f包括相互嵌合的钻头上体7a和钻头下体7b，钻头上体7a的上端设有锥形公螺纹，钻头下体7b的下部设有刀翼7e，刀翼7e上分布有多个复合片切削齿，相邻刀翼7e之间设有喷孔，各喷孔的内端头分别与分流区7b1相通。各喷孔中分别安装有自振空化喷嘴7d，钻头上体7a和钻头下体7b的中心孔共轴线且相贯通；钻头下体7b的上部设有钻头下体凸台，钻头下体凸台嵌于钻头上体7a的沉孔中；钻头上体中心孔中嵌有脉冲发生器7c，脉冲发生器7c的中段设有脉冲发生器外凸台；脉冲发生器外凸台的上部台肩抵靠在
钻头上体中心孔的内台阶下方，脉冲发生器外凸台的下部台肩抵靠在钻头下体凸台的顶部，脉冲发生器7c的下部插入于钻头下体中心孔中。
46.脉冲发生器7c嵌于钻头上体7a与钻头下体7b之间，由钻头上体中心孔的内台阶对其上部进行轴向定位，由钻头下体凸台对其下部进行轴向定位，脉冲发生器上部与钻头上体中心孔的配合，下部与钻头下体中心孔的配合，可以确保脉冲发生器7c与钻头共轴线。需要改变脉冲振荡腔的尺寸时，只需要在钻头上体7a与钻头下体7b装配前更换脉冲发生器7c，不需要整体更换钻头上体7a与钻头下体7b，降低生产成本。
47.沿脉冲发生器7c的轴线设有脉冲振荡腔，脉冲振荡腔自上而下依次设有谐振腔进水孔7c1、谐振腔扰动区7c2、谐振腔碰撞区7c3和谐振腔分离区7c4，谐振腔进水孔7c1的上端设有上大下小的喇叭口，谐振腔扰动区7c2的内径大于谐振腔进水孔7c1的孔径，谐振腔碰撞区7c3的上端与谐振腔扰动区7c2等直径贯通，谐振腔分离区7c4的孔径小于谐振腔碰撞区7c3的孔径，且谐振腔分离区7c4的上端呈圆锥状突出于谐振腔碰撞区7c3的下端空腔中，谐振腔分离区7c4的下端设有谐振腔出水口与分流区7b1的中心相通。
48.当一股射流从谐振腔进水孔7c1向下游谐振腔扰动区7c2流动时，射流中一定频率范围内的涡量扰动得到放大，在射流层中形成一连串离散涡环，当其到达碰撞壁并与之互相作用时，在谐振腔碰撞区7c3产生压力振荡波，该波以声速向上游传播，又诱发新的涡量脉动；若谐振腔分离区7c4与谐振腔碰撞区7c3的压力脉动互相为反相，就会形成“涡量扰动-放大-新的涡量脉动产生”的循环过程，该过程不断的重复，就会形成强烈的自激振荡脉冲射流。
49.pdc钻头为三刀翼四喷嘴结构，防泥包效果好，使用寿命长。三个流道互相不干扰；流道的线性设计按照300rpm的转速下，泥浆的最优上返路径来设计，避免了其它线性设计的阻流效应，回流干扰效应和涡流效应。
50.工具面是否稳定取决于钻头的返扭矩是否恒定，所以根据这一原理，钻头整个冠部到保径部分是一个物理的球面形状，最大限度的增加了钻头的稳定性。由于钻压较低1-2吨，比钻压特别低，刀翼7e上切削齿的物理露高严格控制，只有2mm，确保低钻压的情况返扭矩容易恒定。
51.以侧黄53井为例，为防止pdc钻头在原套管的窗口处发生掉齿，窗口这一段仍采用传统工艺的gyd517单牙轮钻头+φ95mm单弯螺杆+φ89mm无磁钻铤+φ48mm有线mwd定向仪的组合进行钻进，平均机械钻速为1.28m/h。
52.定向、钻穿断层，进尺变慢后，改用本钻具组合即三刀翼四喷嘴的pdc钻头+长寿命大扭矩可调弯螺杆+φ89mm无磁钻铤+φ40mm无线mwd定向仪，平均机械钻速达到3.94m/h，单趟进尺达到547.2m。
53.侧马45-1井一趟钻完钻，钻井周期比定额钻井周期提前5天，节约费用21394元/天
×
5天=106970元。
54.以上所述仅为本实用新型之较佳可行实施例而已，非因此局限本实用新型的专利保护范围。除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围内。本实用新型未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。