一种超深井小尺寸钻杆扭矩过载保护方法及装置与流程

1.本发明涉及一种超深井小尺寸钻杆扭矩过载保护方法及装置，属于钻井工具技术领域。


背景技术：

2.随着油气勘探开发不断向深部地层发展以及现代科学技术的进步，超深井钻井技术不断提高，超深井的比例不断增加(超深井主要指井深达到6000米～8000米的钻井)。超深井钻井与常规钻井不同。超深井钻井的钻具会承受更复杂的受力情况，且随着井深的增加，需要采用大钻杆 小钻杆的复合钻柱结构，这样才能满足钻柱的抗拉强度要求以及钻井水力学的相关要求。而所使用的小尺寸钻杆相较于常规的钻杆，它的抗扭强度更小。当遇阻卡时，钻柱停止旋转，但因摩阻扭矩等因素井口不能及时发现，井口转盘依旧旋转，此时钻柱会开始积攒能量，扭矩也逐渐增大。当扭矩超过下部小尺寸钻杆的最大抗扭强度时就会出现断裂。钻杆的断裂会造成下部钻具落井，带来巨大损失。在超深井钻井中，钻井事故处理起来更加复杂，严重时甚至会导致整口井报废。
3.因此，开发一种能够实现在井下复位，且用于钻杆或钻头遇阻卡的扭矩过载保护装置，对于减少井下事故具有重大意义。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种超深井小尺寸钻杆扭矩过载保护装置，用来避免小尺寸钻杆因受到过大扭矩而发生断裂的情况出现。
5.本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种超深井小尺寸钻杆扭矩过载保护装置，包括上接头、电池、环形电磁铁、非导磁圆盘ⅰ、永磁环、非导磁圆盘ⅱ、下接头、固定齿垫、活动齿垫、空心圆盘、电阻箱、信号接收器、外壳；
6.所述非导磁圆盘ⅰ、非导磁圆盘ⅱ分别安装在所述环形电磁铁、永磁环的内壁上；所述电池、电阻箱均安装在所述空心圆盘上；
7.所述空心圆盘螺纹连接在所述上接头上；所述非导磁圆盘ⅰ、非导磁圆盘ⅱ依次套设在所述上接头上，所述上接头上设有用于带动非导磁圆盘ⅱ旋转的径向齿，所述非导磁圆盘ⅱ的内壁上设有与径向齿配合的齿槽，所述环形电磁铁、电池、电阻箱串联形成一个电路；
8.所述固定齿垫、活动齿垫分别固定在所述下接头上端端面、非导磁圆盘ⅱ的下端端面上；
9.所述信号接收器安装在上接头上，所述下接头安装在所述外壳内，其下接头下端延长至外壳外，所述上接头螺纹连接在所述外壳内，所述固定齿垫、活动齿垫的齿面接合。
10.进一步的技术方案是，所述上接头与外壳、下接头之间均设有密封圈。
11.进一步的技术方案是，所述上接头上设有信号接收器。
12.进一步的技术方案是，所述信号接收器、空心圆盘、非导磁圆盘ⅰ、非导磁圆盘ⅱ依
次从上到下布置。
13.一种超深井小尺寸钻杆扭矩过载保护方法，包括以下步骤：
14.步骤s10、将所述的超深井小尺寸钻杆扭矩过载保护装置安装在钻柱上，并深入井下进行作业；
15.步骤s20、根据井口扭矩判断井下是否发生阻卡事故，当发生阻卡事故时则进行下一步骤；
16.步骤s30、根据遇阻卡后的不同工况进行不同的处理；
17.当遇阻卡后的工况为：钻柱卡住但钻具可以活动，则保持钻杆扭矩过载保护装置以上连接钻柱静止；永磁环受到来自电磁铁的斥力，受到的合力方向向下，使得永磁环及非导磁圆盘ⅱ沿上接头向下位移，带动活动齿垫向下位移，直至活动齿垫与固定齿垫重新接合，继续进行钻进作业；
18.当遇阻卡后的工况为：钻柱卡住且钻具不能活动，则保持钻杆扭矩过载保护装置以上连接钻柱静止；通过电磁铁对永磁环的排斥力使活动齿垫和固定齿垫重新接合；然后井口通过信号发射器发射无线电信号至井下，待井下的信号接收器接收识别后，减小电阻箱的电阻值，增大流经电磁铁的电流，增大了电磁铁对永磁环的斥力，达到增大本工具过载保护扭矩的目的，然后继续钻进作业。
19.进一步的技术方案是，所述步骤s20中根据井口扭矩判断井下是否发生阻卡事故的具体过程为：
20.进一步的技术方案是，所述步骤s20的具体过程为：
21.步骤s21、预设本保护装置处于活动齿垫和固定齿垫处于分离状态，下入井中；
22.步骤s22、将整个钻柱提离井底进行空转，由于本保护装置的两个齿垫处于分离状态，仅有保护装置以上的钻柱仍在旋转，计算保护装置以上钻柱扭矩m1；
23.以δt为时间间隔，以δt为周期，记录一个周期δt内的n组井口扭矩，并计算其均值为保护装置以上钻柱扭矩m1；
[0024][0025]
式中：m1为保护装置以上钻柱扭矩；
[0026]
步骤s23、井口通过信号发射器发射无线电信号至井下，待井下的信号接收器接收识别后，减小电阻箱的电阻值，增大流经电磁铁的电流，增大了电磁铁对永磁环的斥力；通过电磁铁对永磁环的排斥力使活动齿垫和固定齿垫重新接合；此时设置本保护装置的过载保护扭矩为下接头连接钻柱的上扣扭矩的90％；
[0027]
步骤s24、再将整个钻柱提离井底进行空转，即钻头处不施加钻头扭矩时，计算保护装置以上钻柱扭矩 保护装置以下钻柱扭矩m2；
[0028]
记录一个周期δt内的n组井口扭矩，并计算其均值为保护装置以上钻柱扭矩 保护装置以下钻柱扭矩m2；
[0029]
[0030]
式中：m2为保护装置以上钻柱扭矩 保护装置以下钻柱扭矩；
[0031]
步骤s25、将整个钻柱放置在井底，进行正常钻进作业，并计算保护装置以上钻柱扭矩 保护装置以下钻柱扭矩 钻头扭矩m3和钻头扭矩m
bit
、保护装置以下钻柱扭矩m
down
；
[0032]
记录一个周期δt内的n组井口扭矩，并计算其均值为保护装置以上钻柱扭矩 保护装置以下钻柱扭矩 钻头扭矩m3；
[0033][0034]
钻头扭矩：
[0035]
m
bit
＝m3‑
m2[0036]
保护装置以下钻柱扭矩：
[0037]
m
down
＝m2‑
m1[0038]
式中：m3为保护装置以上钻柱扭矩 保护装置以下钻柱扭矩 钻头扭矩；m
bit
为钻头扭矩；m
down
为保护装置以下钻柱扭矩；
[0039]
步骤s26、在钻进作业过程中，随着井深的增加，保护装置以上钻柱的长度也在不断增加，故保护装置以上钻柱的扭矩在不断发生变化，从而计算平均井口扭矩m
钻
；
[0040]
以δt为时间间隔，实时记录井口扭矩；以为一个周期，计算其平均井口扭矩m
钻
；
[0041][0042]
式中：m
钻
为平均井口扭矩；
[0043]
步骤s27、根据上述参数判断井下是否发生阻卡事故；
[0044]
当m3‑
m
钻
＜m
bit
m
down
时，即判断井下未发生阻卡事故，继续进行钻进作业即可；
[0045]
当m3‑
m
钻
≥m
bit
m
down
时，即判断井下发生阻卡事故。
[0046]
进一步的技术方案是，所述步骤s30的钻柱卡住但钻具可以活动中发生多次脱开，则需要对本井段进行防卡处理。
[0047]
进一步的技术方案是，所述防卡处理的手段采用改变泥浆性能。
[0048]
进一步的技术方案是，所述步骤s30的钻柱卡住且钻具不能活动中，若工作一段时间后本装置不再脱开，则可以继续进行钻进作业，并且通过井口的信号发射器发射无线电信号，经井下的信号接收器接收识别后，重新调整电阻箱的阻值，使过载保护扭矩调整为下接头连接钻柱的上扣扭矩的90％；若本装置再次脱开，则此次工况本装置无法处理，进入钻柱解卡程序，待解卡后，通过井口的信号发射器发射无线电信号，经井下的信号接收器接收识别后，调整电阻箱的阻值，使过载保护扭矩调整为下接头连接钻柱的上扣扭矩的90％，并令装置以上钻柱保持静止，使本装置的活动齿垫与固定齿垫重新接合。
[0049]
本发明具有以下有益效果：
[0050]
(1)本发明可以在下接头连接的钻柱遇到阻卡时及时地保护钻柱，防止下部连接
的钻柱出现断裂；
[0051]
(2)本发明可以通过电流大小来改变电磁铁的磁场强度，从而实现活动齿垫与固定齿垫的再次接合；
[0052]
(3)本发明采用的永磁环及电磁铁不易出现疲劳破坏，极大地延长了该工具的使用寿命；
[0053]
(4)本发明描述了一种超深井小尺寸钻杆扭矩过载保护方法，能有效地结合本发明的装置对阻卡进行识别和处理。
附图说明
[0054]
图1为本发明的结构示意图；
[0055]
图2为上接头中部的剖面示意图；
[0056]
图3为非导磁圆盘ⅱ的剖面图；
[0057]
图4为本发明中的根据井口扭矩判断井下是否遇阻卡的示意流程简图；
[0058]
图5为本发明中的阻卡识别的扭矩示意图；
[0059]
图6为本发明的遇阻卡后的工况处理示意流程简图。
[0060]
图中所示：1
‑
上接头，2
‑
电池，3
‑
环形电磁铁，4
‑
非导磁圆盘ⅰ，5
‑
永磁环，6
‑
非导磁圆盘ⅱ，7
‑
密封圈，8
‑
下接头，9
‑
固定齿垫，10
‑
活动齿垫，11
‑
空心圆盘，12
‑
电阻箱，13
‑
信号接收器，14
‑
外壳。
具体实施方式
[0061]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062]
如图1所示，一种超深井小尺寸钻杆扭矩过载保护装置，包括上接头1，电池2、环形电磁铁3、非导磁圆盘ⅰ4、永磁环5、非导磁圆盘ⅱ6、密封圈7、下接头8，固定齿垫9、活动齿垫10、空心圆盘11、电阻箱12、信号接收器13、外壳14；
[0063]
信号接收器13固定装配在上接头1，用于接收、识别无线电信号；所述非导磁圆盘ⅰ4、非导磁圆盘ⅱ6分别安装在所述环形电磁铁3、永磁环5的内壁上；所述电池2、电阻箱12均安装在所述空心圆盘11上；所述空心圆盘11螺纹连接在所述上接头1上；所述非导磁圆盘ⅰ4套设在所述上接头1上；所述非导磁圆盘ⅱ6内部包含多组齿槽；所述上接头1在非导磁圆盘ⅰ4下方设有厚度较大的多组径向齿，齿数与非导磁圆盘ⅱ6内部的齿槽个数相等，其径向齿可在齿槽内做上下移动，并且上接头1在转动时可由径向齿带动非导磁圆盘ⅱ6转动；所述非导磁圆盘ⅱ6可沿着上接头1的齿面进行上下移动，向上移动的极限位置为活动齿垫10上部正好抵住上接头1的齿面，向下移动的极限位置为活动齿垫10与固定齿垫9相啮合；所述环形电磁铁3、电池2、电阻箱12串联形成一个电路；所述固定齿垫9、活动齿垫10分别固定在所述下接头8上端端面、非导磁圆盘ⅱ6的下端端面上；所述下接头8安装在所述外壳14内，其下接头8下端延长至外壳14外，所述上接头1螺纹连接在所述外壳14内，所述固定齿垫9、活动齿垫10的齿面接合。
[0064]
本装置在活动齿垫10和固定齿垫9齿面接合后，并由永磁环5压紧；永磁环5与上接
头1动配合；所述环形电磁铁3固定在上接头1上；所述环形电磁铁3，电池2和电阻箱12串联为一个电路，可以通关调节电阻箱12来改变流经环形电磁铁3的电流大小；所述环形电磁铁3的磁场强度与电流的大小成正相关；所述环形电磁铁3和永磁环5均轴向充磁且磁极方向相同，在磁场作用下，两者因磁场力相互排斥，保持一定的轴向间距；
[0065]
当正常进行钻进作业时，活动齿垫10和固定齿垫9的齿面保持接合状态，此时来自工具上方的钻柱的扭矩可以顺利传递至下接头8，带动下部钻杆一起完成旋转钻进作业；当下接头8连接的钻柱遇到阻卡时，下接头8停止旋转，此时永磁环5受到的合力方向向上，使得永磁环5及非导磁圆盘ⅱ6沿上接头1的齿面向上位移，带动活动齿垫10向上位移，直至活动齿垫10与固定齿垫9分离，此时工具上方的钻柱继续旋转，而下方的钻杆停止旋转，彼此间不传递扭矩；
[0066]
当需要本装置复位时，首先将本装置的上接头1连接的钻柱处于静止状态，此时永磁环5主要受到来自电磁铁3的斥力，受到的合力方向向下，使得永磁环5及非导磁圆盘ⅱ6沿上接头1的齿面向下位移，带动活动齿垫10向下位移，直至活动齿垫10与固定齿垫9重新接合。
[0067]
如图1所示，在本实施例中，为了提高密封效果，优选的实施方式是上接头1在与外壳14、下接头8配合处均设置有密封圈7；
[0068]
一种超深井小尺寸钻杆扭矩过载保护方法，包括以下步骤：
[0069]
步骤s1、如图4所示，根据井口扭矩判断井下是否发生阻卡事故，包括以下子步骤：
[0070]
步骤s11、预设本保护装置处于活动齿垫10和固定齿垫9处于分离状态，下入井中；
[0071]
步骤s12、将整个钻柱提离井底进行空转，由于本保护装置的两个齿垫处于分离状态，仅有保护装置以上的钻柱仍在旋转；
[0072]
以δt为时间间隔，以δt为周期(δt＝nδt)，记录一个周期δt内的n组井口扭矩(m
11
、m
12
、
……
m
1n
)，并计算其均值为m1；
[0073][0074]
式中：m1为保护装置以上钻柱扭矩；
[0075]
步骤s13、井口通过信号发射器发射无线电信号至井下，待井下的信号接收器13接收识别后，减小电阻箱12的电阻值，增大流经电磁铁3的电流，增大了电磁铁3对永磁环5的斥力；通过电磁铁3对永磁环5的排斥力使活动齿垫10和固定齿垫9重新接合；此时设置本保护装置的过载保护扭矩为下接头连接钻柱的上扣扭矩的90％；
[0076]
步骤s14、仍将整个钻柱提离井底进行空转，即钻头处不施加钻头扭矩时。记录一个周期δt内的n组井口扭矩(m
21
、m
22
、
……
m
2n
)，并计算其均值为m2；
[0077][0078]
式中：m2为保护装置以上钻柱扭矩 保护装置以下钻柱扭矩；
[0079]
步骤s15、将整个钻柱放置在井底，进行正常钻进作业；
[0080]
记录一个周期δt内的n组井口扭矩(m
31
、m
32
、
……
m
3n
)，并计算其均值为m3；
[0081][0082]
式中：m3为保护装置以上钻柱扭矩 保护装置以下钻柱扭矩 钻头扭矩；
[0083]
钻头扭矩：
[0084]
m
bit
＝m3‑
m2[0085]
保护装置以下钻柱扭矩：
[0086]
m
down
＝m2‑
m1[0087]
步骤s16、在钻进作业过程中，随着井深的增加，保护装置以上钻柱的长度也在不断增加，故保护装置以上钻柱的扭矩在不断发生变化，但m
bit
、m
down
几乎无变化(或者忽略其变化)；
[0088]
以δt为时间间隔，实时记录井口扭矩；以(n可取2、3、4、5、10)为一个周期，计算其平均井口扭矩m
钻
；
[0089][0090]
当m3‑
m
钻
＜m
bit
m
down
时，井口扭矩的减小可能是由于井下的岩性变化所致，继续进行钻进作业即可；
[0091]
当m3‑
m
钻
≥m
bit
m
down
时，井口扭矩的减小极大可能是由于下接头连接的钻柱出现阻卡事故所致，需要进行后续的工况处理；
[0092]
其中井下发生阻卡事故时的井口扭矩的变化趋势图如图5所示；
[0093]
步骤s2、如图6所示，结合本装置对井下遇阻卡后的不同工况进行处理；
[0094]
遇阻卡后，井口对整个钻柱采用试提的方法，观察井口的拉力变化情况；当井口拉力逐渐增大时，即井下遇阻卡且钻具不能活动；否则为井下遇阻卡但钻具可以上下活动的情况；
[0095]
当遇阻卡后的工况为：钻柱卡住但钻具可以上下活动，保持工具以上连接钻柱静止；通过电磁铁3对永磁环5的排斥力使活动齿垫10和固定齿垫9重新接合；此时过载保护扭矩仍为下接头连接钻柱的上扣扭矩的90％；可继续进行钻进作业；若本工具发生多次脱开，则需要对本井段进行防卡处理，比如改变泥浆性能等；
[0096]
当遇阻卡后的工况为：钻柱卡住且钻具不能活动，保持工具以上连接钻柱静止；通过电磁铁3对永磁环5的排斥力使活动齿垫10和固定齿垫9重新接合；井口通过信号发射器发射无线电信号至井下，待井下的信号接收器13接收识别后，减小电阻箱12的电阻值，增大流经电磁铁3的电流，增大了电磁铁3对永磁环5的斥力，达到增大本工具过载保护扭矩的目的。
[0097]
此时，过载保护扭矩调整为下接头连接钻柱的抗扭屈服强度的90％。重新恢复工具以上钻柱的运动状态。若工作一段时间后本工具不再脱开，则可以继续进行钻进作业，并且通过井口的信号发射器发射无线电信号，经井下的信号接收器接13收识别后，重新调整
电阻箱12的阻值，使过载保护扭矩调整为下接头连接钻柱的上扣扭矩的90％；若本工具再次脱开，则此次工况本工具无法处理，进入钻柱解卡程序，待解卡后，通过井口的信号发射器发射无线电信号，经井下的信号接收器13接收识别后，调整电阻箱12的阻值，使过载保护扭矩调整为下接头连接钻柱的上扣扭矩的90％，并令工具以上钻柱保持静止，使本工具的活动齿垫与固定齿垫重新接合。
[0098]
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。