一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统技术方案

本发明专利技术涉及一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统属于钻井工程设备技术领域，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，本发明专利技术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；本发明专利技术将动力源、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。

A self balanced downhole drilling tool system for downhole torque

The invention relates to a downhole torque self balance cable drilling system belongs to the technical field of drilling equipment, the drill bit assembly, inside and outside the system consists of a power assembly, and the bit pressure control system, mud circulating system reconciliation card system, the invention adopts double reverse rotary drill head broken rock, the rock drilling micro disturbance; the stator and rotor motor group group respectively drives the outer and inner drill bit, drill bit and power system to realize the whole torque without torque self balance, the role of the upper drill; the power source, the mud circulation system and logging system integrated into the drill ground, only need to play for drill winch equipment can be realized normal drilling, drilling and logging while drilling operations; drill, lift the drill winch, by solving the card bit reversing alternating rotary, lift Sticking point rock to realize card removal.

【技术实现步骤摘要】
一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统
本专利技术属于钻井工程设备
，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
的井下扭矩自平衡有缆钻具系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对
技术介绍
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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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(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Ⅰ(6)、内外钻头密封件Ⅱ(7)、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)，所述内钻头(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，且取心筒(3)内径与内钻头(1)内径相匹配；所述外钻头(2)、外钻头传力下接头(4)和外钻头传力上接头(5)顺次丝扣连接；所述内外钻头密封件Ⅰ(6)和内外钻头密封件Ⅱ(7)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)及内钻头传力下接头(8)紧密滑动配合；其中动力组件包括动力电机转子组(10)、动力系统轴承密封圈(11)、动力系统下密封件(12)、动力系统轴承(13)、动力电机定子组(15)及动力系统上密封件(16)，所述动力电机转子组(10)与动力电机定子组(15)分别与动力系统轴承(13)连接，其中动力电机转子组(10)的内孔上设置有键槽，动力电机转子组(10)通过键槽与内钻头传扭杆(14)连接，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；所述动力系统下密封件(12)与外钻头传力上接头(5)丝扣连接，且动力系统下密封件(12)与动力系统轴承密封圈(11)配合构成下密闭腔体；所述动力系统上密封件(16)与外钻头传压接头(17)丝扣连接，且动力系统上密封件(16)与动力系统轴承密封圈(11)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(29)丝扣连接；所述内钻头压力调节组件由内钻头传压接头(21)、内钻头传压机构防脱外套(22)、内钻头传压不传扭轴承(23)、内钻头压力传感器(24)、压力调节内钻头传力扶正件(31)及压力调节结构(32)组成，且压力调节结构(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)自上而下顺次丝扣连接；所述内钻头传压不传扭轴承(23)内圈与内钻头传压接头(21)连接，内钻头传压不传扭轴承(23)外圈与内钻头传压机构防脱外套(22)连接；所述外钻头压力调节组件由外钻头传压接头(17)、外钻头传压机构防脱外套(18)、外钻头传压不传扭轴承(19)、外钻头传压杆(20)、外钻头压力传感器(26)及压力调节外壳(30)组成，且压力调节外壳(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)及外钻头传压接头(17)自上而下顺次丝扣连接，其中压力调节外壳(30)与泥浆循环系统上接头(33)丝扣连接；所述外钻头传压不传扭轴承(19)的内圈与外钻头传压接头(17)连接，外钻头传压不传扭轴承(19)的外圈与外钻头传压杆(20)连接；所述内外传感器密封圈(25)置于内钻头压力传感器(24)和外钻头压力传感器(26)之间；所述内钻头动力传压密封圈(27)位于调节内钻头传力扶正件(31)及内钻头压力传感器(24)之间；所述压力调节密封压套(28)位于压力调节外壳(30)和外钻头压力传感器(26)之间；其中泥浆循环系统包括泥浆循环系统下接头(33)、泥浆循环系统(35)、泥浆循环系统外壳(36)和泥浆循环系统上接头(37)，且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；其中解卡系统包括解卡系统下接头(38)、随钻测井系统(39)、解卡系统转子接头(40)、解卡系统下密封件(41)、解卡系统密封圈(42)、解卡系统扶正轴承(43)、解卡系统转子组(44)、解卡系统定子组(45)、解卡系统上密封件(46)、解卡系统钻头(47)、线缆及保护外套(48)和泥浆循环中心管(49)，所述解卡系统下接头(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...

【技术特征摘要】
1.一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(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Ⅰ(6)、内外钻头密封件Ⅱ(7)、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)，所述内钻头(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，且取心筒(3)内径与内钻头(1)内径相匹配；所述外钻头(2)、外钻头传力下接头(4)和外钻头传力上接头(5)顺次丝扣连接；所述内外钻头密封件Ⅰ(6)和内外钻头密封件Ⅱ(7)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)及内钻头传力下接头(8)紧密滑动配合；其中动力组件包括动力电机转子组(10)、动力系统轴承密封圈(11)、动力系统下密封件(12)、动力系统轴承(13)、动力电机定子组(15)及动力系统上密封件(16)，所述动力电机转子组(10)与动力电机定子组(15)分别与动力系统轴承(13)连接，其中动力电机转子组(10)的内孔上设置有键槽，动力电机转子组(10)通过键槽与内钻头传扭杆(14)连接，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；所述动力系统下密封件(12)与外钻头传力上接头(5)丝扣连接，且动力系统下密封件(12)与动力系统轴承密封圈(11)配合构成下密闭腔体；所述动力系统上密封件(16)与外钻头传压接头(17)丝扣连接，且动力系统上密封件(16)与动力系统轴承密封圈(11)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(29)丝扣连接；所述内钻头压力调节组件由内钻头传压接头(21)、内钻头传压机构防脱外套(22)、内钻头传压不传扭轴承(23)、内钻头压力传感器(24)、压力调节内钻头传力扶正件(31)及压力调节结构(32)组成，且压力调节结构(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)自上而下顺次丝扣连接；所述内钻头传压不传扭轴承(23)内圈与内钻头传压接头(21)连接，内钻头传压不传扭轴承(23)外圈与内钻头传压机构防脱外套(22)连接；所述外钻头压力调节组件由外钻头传压接头(17)、外钻头传压机...

【专利技术属性】
技术研发人员：高科，孙友宏，王治刚，赵研，博坤，谢晓波，王海勇，王晓初，刘召，王亚斐，陈杭凯，彭赛宇，徐英超，邢立东，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22