一种面向旋转导向钻井用的柔性短节及其安装方法

摘要

本发明涉及钻井设备技术领域，具体是指一种面向旋转导向钻井用的柔性短节及其安装方法。包括第一装配体与第二装配体，第一装配体的下端设有第一装配部，第二装配体的上端设有第二装配部，第一装配部与第二装配部能够配合形成柔性腔，柔性腔内设置有柔性节，柔性节的中心开设有通孔，通孔内设置有塑性管，塑性管贯穿通孔沿两端延伸至与所述第一装配体、第二装配体配合。通过柔性节在柔性腔内的配合作用，尤其是柔性腔将柔性节包裹覆盖，降低了其在转动方向上的自由度，从而降低了柔性短节所受到的动态应力，有效避免了钻柱因动态应力增加而导致的振动频率增加的问题；有效减少因振动问题造成的作业参数调整次数，有效提高了井眼的质量。

权利要求

1.一种面向旋转导向钻井用的柔性短节，其特征在于：包括内部中空的第一装配体（1）与内部中空的第二装配体（2），所述第一装配体（1）的下端设有第一装配部（11），所述第二装配体（2）的上端设有第二装配部（21），所述第一装配部（11）与所述第二装配部（21）能够配合形成柔性腔（3），所述柔性腔（3）内设置有柔性节（4），所述柔性节（4）的中心开设有通孔（41），所述通孔（41）内设置有塑性管（42），所述塑性管（42）贯穿所述通孔（41）沿两端延伸至与所述第一装配体（1）、第二装配体（2）配合，所述柔性腔（3）的外周套设有密封套管（5），所述第一装配体（1）的外周套设有第一扶正套筒（12），所述第二装配体（2）的外周套设有第二扶正套筒（13）。

2.根据权利要求1所述的一种面向旋转导向钻井用的柔性短节，其特征在于：所述密封套管（5）的外周设置有两个用于限制转动角度的限制环（6），两个限制环（6）分别固定在所述第一扶正套筒（12）与第二扶正套筒（13）上。

3.根据权利要求2所述的一种面向旋转导向钻井用的柔性短节，其特征在于：所述第一装配部（11）包括第一安装臂（111），所述第一安装臂（111）的一端为第一咬合部（112），另一端为连接部（113），所述连接部（113）与所述第一装配体（1）可拆卸连接，所述第一装配部（11）上设置有与所述第一咬合部（112）对称的第二咬合部（114），所述第一装配部（11）与所述第二装配部（21）的结构相同且相互咬合。

4.根据权利要求3所述的一种面向旋转导向钻井用的柔性短节，其特征在于：所述第一装配部（11）与所述第二装配部（21）的第一咬合部（112）、第二咬合部（114）上均开设有配合孔（115），所述柔性节（4）的外周设置有四个配合柱（43），四个所述配合柱（43）以所述柔性节（4）的轴线呈圆周阵列分布，所述配合柱（43）与所述配合孔（115）配合。

5.根据权利要求1所述的一种面向旋转导向钻井用的柔性短节，其特征在于：还包括振动检测单元，所述振动检测单元包括：控制头（7）、电池短节（8）以及用于测定所述柔性节（4）振动频率的测振短节（9），所述柔性节（4）靠近所述第二装配体（2）的一端还开设有稳流腔（44），所述控制头（7）设置在所述稳流腔（44）的进液口，且所述控制头（7）能够控制所述稳流腔（44）的开合，所述测振短节（9）的一端与所述控制头（7）连接，另一端与所述电池短节（8）连接。

6.根据权利要求5所述的一种面向旋转导向钻井用的柔性短节，其特征在于：所述测振短节（9）包括：振动检测组件、转速检测组件以及电源组件，所述电源组件与所述转速检测组件连接，所述转速检测组件包括：MCU、转速传感器、时钟芯片、高温存储模块以及USB通讯模块，所述振动检测组件与所述MCU信号连接，所述转速传感器、时钟芯片、高温存储模块以及USB通讯模块均与所述MCU信号连接，所述USB通讯模块还与地面控制系统信号连接。

7.根据权利要求6所述的一种面向旋转导向钻井用的柔性短节，其特征在于：所述稳流腔（44）包括若干稳流道（45），所述稳流道（45）通过所述柔性节（4）上下两端面间隔设置的封闭图形放样切割而成。

8.一种面向旋转导向钻井用柔性短节的安装方法，其特征在于：基于权利要求4或权利要求7所述的一种面向旋转导向钻井用的柔性短节，具体包括以下步骤：步骤1，柔性短节安装，将柔性短节各部件间按照配合关系进行安装；

步骤2，振动检测单元调试，在初始位置对振动检测单元进行调试；

步骤3，钻具组合安装，将钻头、旋转导向工具、柔性短节以及稳定器进行组合安装，其中，柔性短节与钻头的距离为6m 8m。

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说明书

一种面向旋转导向钻井用的柔性短节及其安装方法

技术领域

[0001] 本发明涉及钻井设备技术领域，具体是指一种面向旋转导向钻井用的柔性短节及其安装方法。

背景技术

[0002] 旋转导向系统克服了滑动导向钻井易托压、轨迹控制难、钻速慢、水平段延长困难等缺点，是长水平段、非常规、超深油气藏经济有效开发的核心工具，国内砂砾岩油藏、页岩油、页岩气等非常规油气藏的勘探开发对旋转导向工具需求迫切。

[0003] 但国内旋转导向系统的研发存在技术指标偏低、性能不够稳定、使用寿命短等问题。其中，针对我国某油田使用的旋转导向钻具组合在造斜导向过程中存在偏差，并伴随着钻柱的持续振动，给钻井的轨迹控制造成了严重的影响。

[0004] 鉴于上述情况，亟待一种能够避免钻柱因柔性短节的使用导致钻柱动态应力振动频率增加的柔性短节。

发明内容

[0005] 本发明目的在于提供一种面向旋转导向钻井用的柔性短节，用于解决现有柔性短节导致钻柱动态应力振动频率增加的问题；提供一种面向旋转导向钻井用柔性短节的安装方法，用于对旋转导向结构进行动态安全优化，即精确合理安装柔性短节的位置。

[0006] 本发明通过下述技术方案实现：

[0007] 一种面向旋转导向钻井用的柔性短节，包括内部中空的第一装配体与内部中空的第二装配体，所述第一装配体的下端设有第一装配部，所述第二装配体的上端设有第二装配部，所述第一装配部与所述第二装配部能够配合形成柔性腔，所述柔性腔内设置有柔性节，所述柔性节的中心开设有通孔，所述通孔内设置有塑性管，所述塑性管贯穿所述通孔沿两端延伸至与所述第一装配体、第二装配体配合，所述柔性腔的外周套设有密封套管，所述第一装配体的外周套设有第一扶正套筒，所述第二装配体的外周套设有第二扶正套筒。需要说明的是，基于上述结构，通过第一装配部与第二装配部的配合形成柔性腔，再通过柔性腔内设置的柔性节将第一装配体与第二装配体进行连接，第一装配体位于上方，即远离钻头的一侧，第二装配体位于下方，即靠近钻头的一侧。还需要说明的是，柔性节与柔性腔为活动固定，即第一装配体能够通过柔性节相对于第二装配体进行转动。再进一步说明的是，现有技术中的柔性短节一般通过铰链等方式进行连接，在转动方向上具有较高的自由度，在钻头进行掘进的过程中，钻柱在钻头的转动影响下会受到较大的动态应力，即钻柱上柔性短节受到的动态应力最为明显，最直观的表现为钻柱具有较大的振动频率。在这一点上，第一装配体与第二装配体通过柔性腔的相互咬合，将柔性节包裹覆盖，其在转动方向上的自由度较现有技术明显更低，这种结构受到的动态应力更小，有效地解决了钻柱受动态应力影响振动频率增加的问题。

[0008] 进一步地，所述密封套管的外周设置有两个用于限制转动角度的限制环，两个限制环分别固定在所述第一扶正套筒与第二扶正套筒上。基于上述结构，限制环能够对第一装配体与第二装配的转动角度进行限制，避免过度转动对钻柱造成不可逆的影响。

[0009] 进一步地，所述第一装配部包括第一安装臂，所述第一安装臂的一端为第一咬合部，另一端为连接部，所述连接部与所述第一装配体可拆卸连接，所述第一装配部上设置有与所述第一咬合部对称的第二咬合部，所述第一装配部与所述第二装配部的结构相同且相互咬合。基于上述结构，第一装配部与第二装配部相互咬合，并且能够通过配合柔性节进行转动，相较于现有技术，上述结构在转动方向上的自由度更低，钻柱受钻头的动态应力影响更小。

[0010] 进一步地，所述第一装配部与所述第二装配部的第一咬合部、第二咬合部上均开设有配合孔，所述柔性节的外周设置有四个配合柱，四个所述配合柱以所述柔性节的轴线呈圆周阵列分布，所述配合柱与所述配合孔配合。基于上述结构，柔性节通过配合柱与配合孔的相互配合实现连接，当钻头需要进行造斜转动时，将使得第二装配体具有发生转动的趋势，此时在配合柱与配合孔的作用下，第二装配体能够发生转动。

[0011] 再进一步地，还包括振动检测单元，所述振动检测单元包括：控制头、电池短节以及用于测定所述柔性节振动频率的测振短节，所述柔性节靠近所述第二装配体的一端还开设有稳流腔，所述控制头设置在所述稳流腔的进液口，且所述控制头能够控制所述稳流腔的开合，所述测振短节的一端与所述控制头连接，另一端与所述电池短节连接。由于钻具组合的振动频率影响将直接影响到钻柱的造斜状态，为了避免振动频率过大导致钻井的轨迹发生偏移，通过在柔性短节内部设置振动检测单元来实时检测钻柱的振动频率，同时通过预先设定的频率阈值进行监控报警。

[0012] 进一步地，所述测振短节包括：振动检测组件、转速检测组件以及电源组件，所述电源组件与所述转速检测组件连接，所述转速检测组件包括：MCU、转速传感器、时钟芯片、高温存储模块以及USB通讯模块，所述振动检测组件与所述MCU信号连接，所述转速传感器、时钟芯片、高温存储模块以及USB通讯模块均与所述MCU信号连接，所述USB通讯模块还与地面控制系统信号连接。对于测振短节，各模块间采用柔性电线连接，且优先采用探管式设计，便于制造和维护。电源组件内也设置有减振部件，振动检测组件优选的为三轴加速度计。

[0013] 作为优选，所述稳流腔包括若干稳流道，所述稳流道通过所述柔性节上下两端面间隔设置的封闭图形放样切割而成。需要说明的是，对于稳流腔，包括了若干稳流道，稳流道优选的数量为4，且以柔性节的轴线为基准呈圆周阵列分布。还需要说明的是，对于稳流道的横截面形状优选地有扇形或圆形，且通过放样切割的方法在柔性节中形成通道。

[0014] 一种面向旋转导向钻井用柔性短节的安装方法，具体包括以下步骤：步骤1，柔性短节安装，将柔性短节各部件间按照配合关系进行安装；步骤2，振动检测单元调试，在初始位置对振动检测单元进行调试；步骤3，钻具组合安装，将钻头、旋转导向工具、柔性短节以及稳定器进行组合安装，其中，柔性短节与钻头的距离为6m 8m。需要说明的是，结合上述阐~述，利用井下振动检测组件来控制带旋转导向工具的钻具组合能够有效减少因振动问题造成的作业参数调整次数，更为具体地，对于柔性短节而言，还与柔性短节安装在钻柱上的具体位置有关，通过实际测试，将柔性短节的合理安装位置设定为距离钻头6m 8m处。
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[0015] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

[0016] 1、本发明通过柔性节在柔性腔内的配合作用，尤其是柔性腔将柔性节包裹覆盖，降低了其在转动方向上的自由度，从而降低了柔性短节所受到的动态应力，有效避免了钻柱因动态应力增加而导致的振动频率增加的问题；

[0017] 2、本发明利用了井下振动检测组件来控制带旋转导向工具的钻具组合能够有效减少因振动问题造成的作业参数调整次数，有效提高了井眼的质量；

[0018] 3、本发明通过合理调整柔性短节的安装位置，降低了柔性短节受到的动态应力，使得钻柱不容易发生疲劳破坏，大幅度提高了钻具组合的使用寿命。

附图说明

[0019] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

[0020] 图1为第一装配体与第二装配体的配合状态结构示意图；

[0021] 图2为第一装配体与第二装配体的配合状态俯视图；

[0022] 图3为柔性节的结构示意图；

[0023] 图4为密封套管的配合状态结构示意图；

[0024] 图5为本发明实施例1的结构示意图；

[0025] 图6为本发明实施例1的剖视图；

[0026] 图7为本发明实施例2的部分结构剖视图；

[0027] 图8为本发明实施例2的柔性节结构示意图；

[0028] 图9为振动检测单元的电气结构示意框图。

[0029] 附图中标记及对应的零部件名称：

[0030] 1‑第一装配体，11‑第一装配部，111‑第一安装臂，112‑第一咬合部，113‑连接部，114‑第二咬合部，115‑配合孔，12‑第一扶正套筒，13‑第二扶正套筒，2‑第二装配体，21‑第二装配部，3‑柔性腔，4‑柔性节，41‑通孔，42‑塑性管，43‑配合柱，44‑稳流腔，45‑稳流道，5‑密封套管，6‑限制环，7‑控制头，8‑电池短节，9‑测振短节。

具体实施方式

[0031] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。需要说明的是，本发明已经处于实际研发使用阶段。

[0032] 实施例1：

[0033] 请一并参考附图1至图6所示，一种面向旋转导向钻井用的柔性短节，包括内部中空的第一装配体1与内部中空的第二装配体2，所述第一装配体1的下端设有第一装配部11，所述第二装配体2的上端设有第二装配部21，所述第一装配部11与所述第二装配部21能够配合形成柔性腔3，所述柔性腔3内设置有柔性节4，所述柔性节4的中心开设有通孔41，所述通孔41内设置有塑性管42，所述塑性管42贯穿所述通孔41沿两端延伸至与所述第一装配体1、第二装配体2配合，所述柔性腔3的外周套设有密封套管5，所述第一装配体1的外周套设有第一扶正套筒12，所述第二装配体2的外周套设有第二扶正套筒13。

[0034] 需要说明的是，对于现有技术中的柔性短节的结构在进行造斜时会受到较大的动态应力，从而具有较高的振动频率，往往会导致柔性短节出现疲劳应力损伤，最终影响到钻探进程，甚至造成更为严重的后果。鉴于上述情况，提出一种面向旋转导向钻井用的柔性短节，基于上述的具体结构，通过第一装配部11与第二装配部21的配合形成柔性腔3，再通过柔性腔3内设置的柔性节4将第一装配体1与第二装配体2进行连接，第一装配体1位于上方，即远离钻头的一侧，第二装配体2位于下方，即靠近钻头的一侧。还需要说明的是，柔性节4与柔性腔3为活动固定，即第一装配体1能够通过柔性节4相对于第二装配体2进行转动。还需要说明的是，现有技术中的柔性短节一般通过铰链等方式进行连接，在转动方向上具有较高的自由度，在钻头进行掘进的过程中，钻柱在钻头的转动影响下会受到较大的动态应力，即钻柱上柔性短节受到的动态应力最为明显，最直观的表现为钻柱具有较大的振动频率。在这一点上，第一装配体1与第二装配体2通过柔性腔3的相互咬合，将柔性节4包裹覆盖，其在转动方向上的自由度较现有技术明显更低，这种结构受到的动态应力更小，有效地解决了钻柱受动态应力影响振动频率增加的问题。

[0035] 需要说明的是，所述密封套管5的外周设置有两个用于限制转动角度的限制环6，两个限制环6分别固定在所述第一扶正套筒12与第二扶正套筒13上。基于上述结构，限制环6能够对第一装配体1与第二装配的转动角度进行限制，避免过度转动对钻柱造成不可逆的影响。在限制环6的作用下，柔性短节的转动角度范围控制在0°55°。还需要说明的是，配合~
柱43的远离通孔41的一侧为曲面，且向通孔41的方向凹陷，当配合柱43为外侧面为凹面时，相较于现有技术柔性短节的转动角度能有大幅度提高。更为具体的，柔性节4在柔性腔3内的转动幅度受限于配合柱43与配合孔115的配合间隙，例如，当初始位置竖直的柔性短节向左转动时，左侧的配合柱43内凹，右侧的配合柱43外凸，当配合柱43的外侧面为凹面时，对第一咬合部112或第二咬合部114的限制更小，即具有更大的转动角度。

[0036] 需要说明的是，所述第一装配部11包括第一安装臂111，所述第一安装臂111的一端为第一咬合部112，另一端为连接部113，所述连接部113与所述第一装配体1可拆卸连接，所述第一装配部11上设置有与所述第一咬合部112对称的第二咬合部114，所述第一装配部11与所述第二装配部21的结构相同且相互咬合。基于上述结构，第一装配部11与第二装配部21相互咬合，并且能够通过配合柔性节4进行转动，相较于现有技术，上述结构在转动方向上的自由度更低，钻柱受钻头的动态应力影响更小。将连接部113与第一装配部11/第二装配部21设置为可拆卸连接，从而能够通过调节连接部113的固定程度来间接调节柔性腔3对柔性节4的咬合程度。并且第一咬合部112与第二咬合部114的内壁还倒有圆角。

[0037] 需要说明的是，所述第一装配部11与所述第二装配部21的第一咬合部112、第二咬合部114上均开设有配合孔115，所述柔性节4的外周设置有四个配合柱43，四个所述配合柱43以所述柔性节4的轴线呈圆周阵列分布，所述配合柱43与所述配合孔115配合。基于上述结构，柔性节4通过配合柱43与配合孔115的相互配合实现连接，当钻头需要进行造斜转动时，将使得第二装配体2具有发生转动的趋势，此时在配合柱43与配合孔115的作用下，第二装配体2能够发生转动。基于上述结构，当第一装配部11与第二装配部21相互咬合时，柔性节4通过配合柱43与配合孔115设置在柔性腔3内。

[0038] 实施例2：

[0039] 本实施例仅记述区别于实施例1的部分，具体为：

[0040] 如附图7至图9所示，还包括振动检测单元，所述振动检测单元包括：控制头7、电池短节8以及用于测定所述柔性节4振动频率的测振短节9，所述柔性节4靠近所述第二装配体2的一端还开设有稳流腔44，所述控制头7设置在所述稳流腔44的进液口，且所述控制头7能够控制所述稳流腔44的开合，所述测振短节9的一端与所述控制头7连接，另一端与所述电池短节8连接。由于钻具组合的振动频率影响将直接影响到钻柱的造斜状态，为了避免振动频率过大导致钻井的轨迹发生偏移，通过在柔性短节内部设置振动检测单元来实时检测钻柱的振动频率，同时通过预先设定的频率阈值进行监控报警。需要说明的是，钻井底部的石油或钻井液将通过柔性短节内部的通孔41向外输送，塑性管42优选地为钛合金软管，本领域技术人员所熟知的是，当流体在管道内进行流动时，将会使得管道也产生振动，即柔性短节在内部流体的作用下同样会产生振动，对于柔性短节而言，将同样造成柔性短节对钻井轨迹的不利影响。鉴于这一情况，通过在柔性节4内开设稳流腔44，当振动检测单元所检测到的振动频率超过地面控制系统所设定的阈值时，MCU控制控制头7使得稳流腔44处于开启状态，这里需要说明的是，控制头7可以为电磁阀，当稳流腔44处于开启状态时，将有一部分的流体通过稳流腔44。对于稳流腔44，包括若干稳流道45，稳流道45为通过上下两端间隔的封闭图形放样切割而成的通道，在本实施例中，其截面形状为扇形，即流体通过稳流道45时，在除输送方向以外的冲击力被降低，流体将转动着想输送方向进行输送，从而降低流体输送时对柔性节4的振动冲击。

[0041] 需要说明的是，所述测振短节9包括：振动检测组件、转速检测组件以及电源组件，所述电源组件与所述转速检测组件连接，所述转速检测组件包括：MCU、转速传感器、时钟芯片、高温存储模块以及USB通讯模块，所述振动检测组件与所述MCU信号连接，所述转速传感器、时钟芯片、高温存储模块以及USB通讯模块均与所述MCU信号连接，所述USB通讯模块还与地面控制系统信号连接。对于测振短节9，各模块间采用柔性电线连接，且优先采用探管式设计，便于制造和维护。电源组件内也设置有减振部件，振动检测组件优选的为三轴加速度计。还需要说明的是，上述模块类组件均为现有技术的常规选择。

[0042] 本实施例中较为优选的是，所述稳流腔44包括若干稳流道45，所述稳流道45通过所述柔性节4上下两端面间隔设置的封闭图形放样切割而成。需要说明的是，对于稳流腔44，包括了若干稳流道45，稳流道45优选的数量为4，且以柔性节4的轴线为基准呈圆周阵列分布。还需要说明的是，对于稳流道45的横截面形状优选地有扇形或圆形，且通过放样切割的方法在柔性节4中形成通道。

[0043] 一种面向旋转导向钻井用柔性短节的安装方法，具体包括以下步骤：步骤1，柔性短节安装，将柔性短节各部件间按照配合关系进行安装；步骤2，振动检测单元调试，在初始位置对振动检测单元进行调试；步骤3，钻具组合安装，将钻头、旋转导向工具、柔性短节以及稳定器进行组合安装，其中，柔性短节与钻头的距离为6m 8m。需要说明的是，结合上述阐~述，利用井下振动检测组件来控制带旋转导向工具的钻具组合能够有效减少因振动问题造成的作业参数调整次数，更为具体地，对于柔性短节而言，还与柔性短节安装在钻柱上的具体位置有关，通过实际测试，将柔性短节的合理安装位置设定为距离钻头6m 8m处。
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[0044] 为了探究柔性短节安装时的合理位置，对钻具组合进行动力学有限元模型分析，其中，将钻具视为三维弹性梁，钻柱的变形为小变形，忽略钻柱接头的影响，井眼截面为圆形，采用一般动力学系统的动力平衡方程，针对该方程在空间和时间上进行离散，使用有限元方法求解方程，对于空间离散，使用节点迭代法，对于时间离散，采用Newmark方法。

[0045] 基于上述方法，设定柔性短节距离钻头的距离分别为6m、7m、8m、9m、10m，通过测定柔性短节在不同距离的动态应力可知，柔性短节的合理安装距离为6m 8m。在该距离范围~内，能够对钻具组合的结构进行动态安全性优化。

[0046] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。