一种应用于石油天然气工程的施工作业管柱

摘要

本发明属于石油天然气工程领域，公开了一种应用于石油天然气工程的施工作业管柱，该管柱应用于钻井工程下套管作业时，由套管划眼器、涡流转动短节、旋转动密封短节、旋转轴锁定短节及套管接头依次串接构成；该管柱应用于油层改造增产酸化作业的管柱，由酸液喷射器、涡流转动短节、旋转动密封短节及油管接头依次串接构成。本发明在下套管作业中通过工作液驱动涡轮转动短节，带动套管划眼器转动，不断修整井壁，防止套管遇阻，使套管顺利下入，并能提高套管底部固井质量；在增产酸化作业中涡轮转动短节带动酸液喷射器转动，形成旋转喷射的酸液，实现均匀布酸，提高酸化效率。

说明书

技术领域

本发明属于石油天然气工程领域，具体的说，是涉及下套管作业和增产酸化作业的施 工管柱。

背景技术

石油天然气钻井工程的下套管作业中，如果遇阻，常规处理手段比较单一，只能采用 水力喷射冲洗和上下活动管柱去阻，不仅容易造成扶正器由套管串脱落事故，而且有时仍 然不能解决套管遇阻问题，只能上提管柱，重新通井，造成钻井时间和钻井成本的增加。 另外，现有下套管作业时套管底部的水泥浆搅动不充分，影响套管底部的固井质量。

在石油天然气增产酸化作业中，由于常规注酸方式是井下笼统注酸，注酸时底部注酸 管柱静止，经常出现工作液(酸液)布液不均匀，导致酸化效率不高。因此，工作液(酸 液)布液不均匀的问题一直得不到解决。

发明内容

本发明要解决之一是现有石油天然气钻井工程下套管作业中遇阻的技术问题，提供了 一种应用于钻井工程下套管作业时的管柱。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种应用于石油天然气工程的施工作业管柱，该管柱应用于钻井工程下套管作业，从 下到上由套管划眼器(1)、涡流转动短节(2)、旋转动密封短节(3)、旋转轴锁定短节(4) 及套管接头(5)依次串接构成；

所述套管划眼器(1)包括扶正器(101)、切削齿(102)、可钻划眼器导鞋(103)、 喷射水眼(104)、螺旋扶正块(105)；所述扶正器(101)上端与所述涡流转动短节(2) 的外壳(202)连接；所述螺旋扶正块(105)设置于所述扶正器(101)外表面，且其上 镶嵌有碳化钨硬质合金；所述切削齿(102)设置于所述扶正器(101)外表面，且位于所 述螺旋扶正块(105)下方；所述可钻划眼器导鞋(103)连接于所述扶正器(101)底部， 其端部呈偏心流线型；所述可钻划眼器导鞋(103)上开设有所述喷射水眼(104)；

所述涡流转动短节(2)包括外壳(202)和涡轮(201)；所述外壳(202)上端与旋 转动密封短节(3)的旋转轴(301)连接，下端与所述套管划眼器(1)的扶正器(101) 连接；所述涡轮(201)设置在外壳(202)内部，由环向均布的螺旋状叶片构成；

所述旋转动密封短节(3)包括旋转轴(301)、挡砂函(302)、金属波纹管(303)、 压缩弹簧(304)、动圈(305)、耐摩密封片(306)、静圈(307)、密封圈(308)、轴承(309)、 扶正套(310)；其中，所述挡砂函(302)、所述金属波纹管(303)、所述压缩弹簧(304)、 所述动圈(305)、所述耐摩密封片(306)、所述静圈(307)、所述密封圈(308)、所述轴 承(309)均为两组，对称的设置在所述旋转轴(301)的上部和下部；所述旋转轴(301) 底端与所述涡流转动短节(2)的外壳(202)连接，顶端设置有齿状结构；所述旋转轴(301) 设置于所述扶正套(310)内，并由对称设置的两个所述轴承(309)支撑于所述扶正套(310) 的中心轴线；所述扶正套(310)上端与所述旋转轴锁定短节(4)的连接套(401)连接； 两组所述静圈(307)对称的设置在所述旋转轴(301)外侧，并采用相反的螺旋方向连接 于所述扶正套(310)，所述静圈(307)的一端与所述轴承(309)端面密封，另一端设置 有所述耐摩密封片(306)；两组所述动圈(305)对称的设置在所述旋转轴(301)外侧， 所述动圈(305)一端设置有所述耐摩密封片(306)，另一端由所述金属波纹管(303)和 所述压缩弹簧(304)压紧；所述压缩弹簧(304)套装在所述金属波纹管(303)外部， 所述动圈(305)和所述金属波纹管(303)以高频电流焊接固定于所述旋转轴(301)；每 组所述耐摩密封片(306)包括两片，设置在所述动圈(305)和所述静圈(307)之间； 所述挡砂函(302)设置于两组所述金属波纹管(303)的外端，安装于所述旋转轴(301) 和所述扶正套(310)之间的环空；

所述旋转轴锁定短节(4)包括连接套(401)、锁定环(402)、止转键(403)、止退环 (404)、安全剪钉(405)、销钉(406)、可钻堰(407)；所述连接套(401)上端与所述 套管接头(5)连接，下端与所述旋转动密封短节(3)的扶正套(310)连接；所述锁定 环(402)设置在所述连接套(401)内部并通过其上部设置的所述安全剪钉(405)固定 于所述连接套(401)，所述锁定环(402)底端设置有能够与所述旋转轴(301)顶端的齿 状结构相互咬合的齿状结构，所述锁定环(402)顶端通过所述销钉(406)与所述可钻堰 (407)固定；所述止退环(404)设置于所述锁定环(402)外部，并安装在所述连接套 (401)内回转面预留的环形槽内，当所述锁定环(402)和所述旋转轴(301)咬合锁定 后，所述止退环(404)可部分弹出所述连接套(401)的环形槽，压住已经下行到位的所 述可钻堰(407)，防止所述锁定环(402)向上回退；所述锁定环(402)下部和所述连接 套(401)下部对应的设置有预留槽，所述止转键(403)设置在该预留槽内并固定于所述 锁定环(402)，所述止转键(403)用于所述锁定环(402)和所述旋转轴(301)咬合锁 定后防止两者转动。

其中，所述涡轮(201)的螺旋状叶片是由具有15～20度圆心角的扇形加工制成的 螺旋式片装结构；其螺旋角度为60～120度，螺旋长度为1.5～2米，厚度优选为3～6毫 米。

其中，所述涡轮(201)为铝合金材质。

其中，所述涡轮(201)为右旋。

其中，所述旋转轴(301)设置有焊料槽(303a)，所述焊料槽(303a)内预先填充焊 料，所述动圈(305)、所述金属波纹管(303)及所述压缩弹簧(304)安装到位后，利用 高频线圈产生高频电流熔化焊料，使所述动圈(305)、所述金属波纹管(303)与所述旋 转轴(301)焊接并密封。

本发明要解决之二是现有石油天然气钻井工程增产酸化作业中布酸不均匀的技术问 题，提供了一种应用于油层改造增产酸化作业的管柱。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种应用于石油天然气工程的施工作业管柱，应用于油层改造增产酸化作业的管柱， 从下到上由酸液喷射器(6)、涡流转动短节(2)、旋转动密封短节(3)及油管接头(7) 依次串接构成；

所述涡流转动短节(2)包括外壳(202)和涡轮(201)；所述外壳(202)上端与旋 转动密封短节(3)的旋转轴(301)连接，下端与所述酸液喷射器(6)连接；所述涡轮 (201)设置在外壳(202)内部，由环向均布的螺旋状叶片构成；

所述旋转动密封短节(3)包括旋转轴(301)、挡砂函(302)、金属波纹管(303)、压 缩弹簧(304)、动圈(305)、耐摩密封片(306)、静圈(307)、密封圈(308)、轴承(309)、 扶正套(310)；其中，所述挡砂函(302)、所述金属波纹管(303)、所述压缩弹簧(304)、 所述动圈(305)、所述耐摩密封片(306)、所述静圈(307)、所述密封圈(308)、所述轴 承(309)均为两组，对称的设置在所述旋转轴(301)的上部和下部；所述旋转轴(301) 底端与所述涡流转动短节(2)的外壳(202)连接，顶端设置有齿状结构；所述旋转轴(301) 设置于所述扶正套(310)内，并由对称设置的两个所述轴承(309)支撑于所述扶正套(310) 的中心轴线；所述扶正套(310)上端与所述油管接头(7)连接；两组所述静圈(307) 对称的设置在所述旋转轴(301)外侧，并采用相反的螺旋方向连接于所述扶正套(310)， 所述静圈(307)的一端与所述轴承(309)端面密封，另一端设置有所述耐摩密封片(306)； 两组所述动圈(305)对称的设置在所述旋转轴(301)外侧，所述动圈(305)一端设置 有所述耐摩密封片(306)，另一端由所述金属波纹管(303)和所述压缩弹簧(304)压紧； 所述压缩弹簧(304)套装在所述金属波纹管(303)外部，所述动圈(305)和所述金属 波纹管(303)以高频电流焊接固定于所述旋转轴(301)；每组所述耐摩密封片(306)包 括两片，设置在所述动圈(305)和所述静圈(307)之间；所述挡砂函(302)设置于两 组所述金属波纹管(303)的外端，安装于所述旋转轴(301)和所述扶正套(310)之间 的环空。

其中，所述涡轮(201)的螺旋状叶片是由具有15～20度圆心角的扇形加工制成的 螺旋式片装结构；其螺旋角度为60～120度，螺旋长度为1.5～2米，厚度优选为3～6毫 米。

其中，所述涡轮(201)为铝合金材质。

其中，所述涡轮(201)为右旋。

其中，所述旋转轴(301)设置有焊料槽(303a)，所述焊料槽(303a)内预先填充焊 料，所述动圈(305)、所述金属波纹管(303)及所述压缩弹簧(304)安装到位后，利用 高频线圈产生高频电流熔化焊料，使所述动圈(305)、所述金属波纹管(303)与所述旋 转轴(301)焊接并密封。

本发明的有益效果是：

在钻井工程下套管作业中，利用下套管时施加的循环液，驱动涡轮转动短节转动，涡 轮转动短节再带动其上部的旋转轴和其下部的套管划眼器转动。由于套管划眼器具有旋转 动能并释放液压水力喷射能量，使得该管柱在下套管作业中不断修整井壁，尤其对缩径和 有台阶的井筒有连续修整作用，保证井眼变得规则，从而防止套管遇阻，使管柱顺利下入 到达目的深度。在完成注水泥浆之后，旋转轴可被旋转轴锁定短节锁定，套管底部的水泥 浆在注水泥阶段得以充分搅拌，从而能够提高套管底部固井质量。因此，本发明的应用于 钻井工程下套管作业时的管柱具有高效安全等特点，能够降低海上、陆地钻井作业总成本。

在油层改造增产酸化作业中，本发明的管柱利用工作液(酸液)驱动涡流转动短节转 动，涡轮转动短节再带动其上部的旋转轴和其下部的酸液喷射器转动，酸液喷射器能够形 成旋转喷射的酸液，使得布酸均匀，从而改善酸化作业的效果。

附图说明

图1(a)本发明应用于钻井工程下套管作业时的结构示意图；

图1(b)是本发明应用于油层改造增产酸化作业时的结构示意图；

图2是涡流转动短节的结构示意图；其中，D为主视图，E为横截面图，F为纵剖面 图，G为轴侧图；

图3是旋转动密封短节的结构示意图；

图4是旋转轴锁定短节的结构示意图；

图5是套管划眼器的结构示意图。

图中：1、套管划眼器：101、扶正器，102、切削齿，103、可钻划眼器导鞋，104、喷射 水眼，105、螺旋扶正块；

2、涡流转动短节：201、涡轮，202、外壳；

3、旋转动密封短节：301、旋转轴，302、挡砂函，303、金属波纹管，304、压缩弹簧， 305、动圈，306、耐摩密封片，307、右旋螺纹静圈，308、密封圈，309、轴承，310、扶 正套，303a、焊料槽，307a、左旋螺纹静圈；

4、旋转轴锁定短节：401、连接套，402、锁定环，403、止转键，404、止退环，405、安 全剪钉，406、销钉，407、可钻堰；

5、套管接头；

6、酸液喷射器；

7、油管接头。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详 细说明如下：

实施例1

如图1(a)所示，本实施例公开了一种应用于石油天然气工程的施工作业管柱，具体 是应用于钻井工程下套管作业时的管柱，主要由套管划眼器1、涡流转动短节2、旋转动 密封短节3、旋转轴锁定短节4及套管接头5组成。

在管柱下入过程中，涡流转动短节2在循环液作用下转动，带动套管划眼器1转动， 对不规则井壁实施修整，套管划眼器1到达井底后，注入水泥浆、顶替液。此阶段下套管 作业完成后，用钻头下压可钻堰407，锁定环402将旋转轴301锁定；再开钻钻除涡轮201 及套管划眼器1障碍物，继续向下，钻出小井眼。

如图2所示，涡流转动短节2由胶结在一起的涡轮201和外壳202构成。外壳202为 圆筒状结构，其两端分别设置有外螺纹。外壳202上端与旋转动密封短节3的旋转轴301 下端以管螺纹连接，外壳202下端与套管划眼器1上端以管螺纹连接。涡轮201设计为右 旋，由三个环向均布的螺旋状叶片构成，螺旋状叶片是以具有15～20度圆心角的扇形铝 合金片加工成的螺旋式片状结构。为了能使水力能高效转化为机械旋转动能，螺旋状叶片 的螺旋角度优选为60～120度，螺旋长度优选为1.5～2米，厚度优选为3～6毫米。涡轮 201选用铝合金材质是为了下套管作业完成后，可以被三牙轮钻头或PDC钻头钻掉，同时 钻屑被钻井液上返携带到地面。

如图3所示，旋转动密封短节3包括一个旋转轴301、两组挡砂函302、两组金属波 纹管303、两组压缩弹簧304、两组动圈305、两组耐摩密封片306、右旋螺纹静圈307、 左旋螺纹静圈307a、两组密封圈308、两组轴承309、一个扶正套310。旋转动密封短节3 克服了传统旋转动密封在井下环境难以实现的缺陷，具有高效、可靠、耐久的特点。

旋转轴301底端设置有外螺纹，用于与涡流转动短节2的外壳202以管螺纹连接；旋 转轴301顶端设置为齿状结构，用于被旋转轴锁定短节4锁定时使用。为了控制转动轴301 的震动，使套管划眼器1只对不规则井筒有修整作用而不偏离原设计的井眼轨迹，旋转轴 301通过两只对称设置的轴承309支撑于扶正套310的中心轴线。扶正套310上端设置有 内螺纹，用于与旋转轴锁定短节4的连接套401下端螺纹连接。

扶正套310中部设置有一组相互对称的第一台阶，该第一台阶用于对两个轴承309进 行定位。右旋螺纹静圈307和左旋螺纹静圈307a位置相互对称，设置在扶正套310与旋转 轴301之间，均由扶正套310的第二台阶和第三台阶定位，并通过螺纹固定于扶正套310。 右旋螺纹静圈307和左旋螺纹静圈307a采用相反的旋向，以便其自动旋紧而防止松动。右 旋螺纹静圈307、左旋螺纹静圈307a与扶正套310之间分别通过密封圈308进行密封。右 旋螺纹静圈307和左旋螺纹静圈307a分别位于两个轴承309外端，并且与轴承309之间端 面密封。

旋转轴301的上部和下部对称设置有两个动圈305，动圈305的外端通过金属波纹管 303与压缩弹簧304压紧。压缩弹簧304套装于金属波纹管303外部，动圈305和金属波 纹管303以高频电流焊接固定在旋转轴301上，具体为安装之前先将焊料涂在焊料槽303a 内，动圈305和金属波纹管303、压缩弹簧304的复合体安装到位后，利用高频线圈产生 的高频电流熔化焊料，从而使动圈305、金属波纹管303与旋转轴301焊接并密封在一起， 进而增加动密封性，延长旋转轴301的寿命。金属波纹管303和压缩弹簧304具有减震和 压紧功能，可向动圈305施加压力，并吸收旋转轴301的震动，确保端面密封，从而保证 了平面动密封的可靠性，延长了轴承309寿命，确保套管下入和水泥浆固井顺利完成。

一组耐摩密封片306设置在动圈305和右旋螺纹静圈307之间，另一组耐摩密封片306 设置在动圈305和左旋螺纹静圈307a之间，每组耐摩密封片306包括两片，起到高压密封、 润滑和耐磨的作用。由于耐摩密封片306所采用的材料是用聚四氟乙烯树脂经电子轰击炉 高能电子辐照所得，其耐磨性能大大超过超高分子量聚乙烯，聚醚醚酮，聚四氟乙烯等现 有的常规耐磨材料，具有超强耐磨性。

旋转轴301两端的外部对称安装有挡砂函302，挡砂函302位于旋转轴301与扶正套 310之间的环空，并由扶正套310的第四台阶定位，从而防止砂子落入扶正套310内部。

旋转动密封短节3的组装过程为：将焊料涂在焊料槽303a内，将旋转轴301插入扶正 套310，从上、下两端各压入一只轴承309，从上端旋入右旋螺纹静圈307，从下端旋入左 旋螺纹静圈307a，从上端和下端分别推入一组动圈305、金属波纹管303和压缩弹簧304 的复合体，就位于焊料槽303a内，利用高频线圈产生的高频电流熔化焊料，使动圈305、 金属波纹管303与旋转轴301焊接并密封在一起，最后装入挡砂函302。

如图4所示，旋转轴锁定短节4包括连接套401、锁定环402、止转键403、止退环 404、安全剪钉405、销钉406、可钻堰407。旋转轴锁定短节4用于在完成下套管、固井 作业后，为了向下继续钻小井眼而需要钻掉涡轮201及套管划眼器1等障碍物时锁定转动 轴301。

连接套401的上端设置有内螺纹，用于与套管接头5连接；连接套401的下端设置有 外螺纹，用于与旋转动密封短节3的扶正套310上端连接。连接套401内部设置有锁定环 402，锁定环402底端设置有齿状结构，该齿状结构与旋转轴301顶端的齿状结构相配合， 以能够相互咬合而起到锁定旋转轴301的作用。锁定环402顶部通过销钉406固定有铝合 金制成的可钻堰407。锁定环402上部通过安全剪钉405固定于连接套401，安全剪钉405 在锁定环402未被下压时用于将其与连接套401固定，在锁定环402承受一定的压力被后 剪断。止退环404为弹簧圈结构，设置于锁定环402的外部，安装时可利用工具使其进入 连接套401内回转面上的环形槽内，然后再推入锁定环402将其固定。当可钻堰407和锁 定环402被下压并且锁定环402和旋转轴301的咬合锁定后，止退环404的一部分可弹出 连接套401的环形槽，压住已经下行到位的可钻堰407，防止锁定环402向上回退。锁定 环402下部和连接套401的下部对应的设置有预留槽，该预留槽内设置有与锁定环402粘 接固定的止转键403，止转键403用于在锁定环402于旋转轴301的咬合锁定后，保证锁 定环402和旋转轴301不发生转动。

旋转轴锁定短节4的组装过程为：用销钉406将可钻堰407固定在锁定环402上，用 黄油将止转键403粘在锁定环402的预留槽内，将锁定环402推入连接套401内，注意止 转键403对准连接套401内的直槽。用工具将止退环404压入连接套401内的环形槽内， 将锁定环402上推到位，安装安全剪钉405。

如图5所示，套管划眼器1包括扶正器101、PDC切削齿102、可钻划眼器导鞋103、 喷射水眼104、螺旋扶正块105。扶正器101为套管划眼器1的主体结构，由合金钢制成， 其上端与涡流转动短节2的下端螺纹密封连接。扶正器101外表面上有突起的螺旋扶正块 105，设计为螺旋形能够增大螺旋扶正块105与地层的接触面积，更好的对套管划眼器1 扶正居中，从而更有效划眼，携带岩屑效果也更好，另外旋转时阻力也会较小。螺旋扶正 块105上镶嵌有碳化钨硬质合金，不仅具有保径作用，还能起到一定的辅助划眼功能。扶 正器101的外表面在螺旋扶正块102的下方设置有PDC切削齿102，用于破碎岩石，打通 井眼通道。可钻划眼器导鞋103连接在扶正器101底部，其端部呈偏心流线型，相较于传 统的椭球形划眼器导鞋可减小管柱下入时的阻力。可钻划眼器导鞋103上开设有若干喷射 水眼104。

在8¹/₂″(215mm)井筒中，下入5¹/₂″(140mm)套管，依次下入套管划眼器1、涡 流转动短节2、旋转动密封短节3、旋转轴锁定短节4及套管接头5。其中，套管划眼器1 和旋转动密封短节3的外径接近井壁，且外缘留有螺旋沟槽；涡流转动短节2的外壳202、 旋转动密封短节3的旋转轴301，旋转轴锁定短节4的锁定环402径向尺寸与套管尺寸相 近。管柱在下入遇阻时注入钻井液，使套管划眼器1工作，直到下到井底，固井注水泥浆 时，涡轮转动短节1和套管划眼器1仍在工作，保障了套管顺利下入和井底固井质量。带 水泥浆固化即可用钻头下压可钻堰407，使旋转轴301锁定，此时止退环404弹出环槽， 锁定环402无法退回。旋转轴301锁定后，开钻钻除可钻堰407、涡轮201及套管划眼器 1中的可钻划眼器导鞋104，继续钻出下一步新的井眼。

本实施例的管柱可解决石油钻井套管下入由于井筒缩径、台阶产生的遇阻问题，具有 耗时短、效率高的特点，能够减少突发事故，降低海上、陆地钻井作业总成本，并且在固 井注水泥浆阶段，通过管柱底部工具(包括套管划眼器1、涡流转动短节2、旋转动密封 短节3)的旋转，减少和消除套管底部水泥浆中的微气泡，使水泥浆分布均匀，有助于提 高套管底部的固井质量。

实施例2

如图1(b)所示，本实施例公开了一种应用于石油天然气工程的施工作业管柱，具体 是应用于油层改造增产酸化作业的管柱，主要由酸液喷射器6、涡流转动短节2、旋转动 密封短节3及油管接头7组成。

涡流转动短节2的具体结构与实施例1相同，此处不再赘述，其区别仅在于涡轮201 的材质选用耐酸铸钢。旋转动密封短节3的具体结构与实施例1相同，此处不再赘述。

涡流转动短节2的外壳202上端与旋转动密封短节3的旋转轴301下端以管螺纹连接， 外壳202下端与酸液喷射器6上端以管螺纹连接。旋转轴301的扶正套310上端与油管接 头7直接连接。

在增产酸化作业中，由于本发明的管柱尺寸短小，井眼通过性好，其底部酸液喷射器 6的转动可形成酸液的旋转喷射流动，实现均匀布酸，提高酸化效率。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的 具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技 术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以 作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。