[发明专利]一种全电动复合材料连续管钻井装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气行业钻井技术领域，尤其是一种全电动复合材料连续管钻井装置及方法。

背景技术

在连续管钻井中，碳素钢连续管对酸性环境适应性差，具有较高的硫化氢应力腐蚀裂纹敏感性，不适合钻含硫化氢地层。金属材料连续管难以实现电力和信号的有线传输。现有的井下随钻无线数据传输方法(MWD)中泥浆脉冲、电磁波遥测和钻杆声波传输技术的传输速率远低于有线传输速率。

在定向钻井作业中，为控制井眼轨迹，需要频繁起下钻，以更换底部钻具组合(BHA)和调整井下马达的弯曲角度，导致连续管过早产生疲劳破坏，缩短了连续管使用寿命。

定向钻井中广泛应用的常规的螺杆和涡轮马达利用泥浆压力作为动力，会产生显著压降，影响破岩效率。螺杆马达是通过泥浆流体的变化间接控制转速，必须限定泥浆流速和循环压力，失速现象难以避免。螺杆马达工作时自身产生高频振动，无法实现反转，此外螺杆马达受泥浆类型限制大，不适合高压缩比钻井液。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种全电动复合材料连续管钻井装置。

本发明的另一个目的是提供一种全电动复合材料连续管钻井方法。

本发明提供的钻井装置和利用该钻井装置的钻井方法克服了现有技术的不足，实现复合材料连续管向井下传输电力、井下和地面双向实时通讯、电动马达钻井和控制钻头导向。本发明可广泛应用于欠平衡钻井、深水钻井、定向钻井、老井重钻和高含硫井钻井等领域。

为了解决以上技术问题，本发明是通过采用以下技术方案方式实现的：一种全电动复合材料连续管钻井装置，钻头上端连接驱动钻头转动的电动马达，包括内嵌电缆的复合材料连续管、连续管滚筒、地面电源、连续管接头、测量井下参数的测量机构、改变钻头指向的导向工具。复合材料连续管设有泥浆流道。复合材料连续管卷绕在连续管滚筒上，复合材料连续管的下端连接连续管接头。连续管接头、测量机构、导向工具与电动马达依次串接。地面电源通过复合材料连续管内嵌的电缆与测量机构、导向工具及电动马达连接。

本发明的测量机构内通过导线串接有泥浆压力传感器、方位角传感器、井斜传感器、三轴加速度计、钻压传感器、扭矩传感器、钻井液密度传感器、井底温度传感器、井径传感器、地层电阻率测量仪、中子孔隙度测量仪和自然伽马参数测量仪。

本发明在连续管接头与测量机构之间还连接有驱动钻头沿井眼移动的电控推进器。在连续管接头与电控推进器之间还连接有电控断脱器。在地面电源和复合材料连续管之间还连接有地面电力变压器，在复合材料连续管和测量机构之间还连接有井下电力变压器。

本发明还包括地面监控器、地面通讯处理器和井下通讯处理器。在地面，地面监控器与地面通讯处理器通过导线相连接。在井下，井下通讯处理器与测量机构、导向工具、电控推进器、电控断脱器及电动马达通过导线相连接。地面通讯处理器通过复合材料连续管内嵌的电缆与井下通讯处理器连接。

本发明在导向工具和电动马达之间还设有控制泥浆单向通过的单向阀。地面还设有泥浆泵，泥浆泵的排出口与复合材料连续管的上端连接。在地面井口处还设有夹持复合材料连续管的注入头。

实际施工时，注入头夹持和提拉复合材料连续管，将钻头下放到井下。泥浆由泥浆泵排出，经复合材料连续管的泥浆流道输送至井下钻头，并由钻头喷嘴喷出，清洗井底并携岩屑管柱沿管柱和井壁的环空上返至地面，单向阀控制泥浆单向流动。在井下，电动马达驱动钻头转动，电控推进器驱动钻头沿井眼移动，电控推进器或者井下管柱的重力给钻头施加钻压。测量机构采集数据，井下通讯处理器将测量数据编码转换为通讯信号实时上传。同时井下通讯处理器接收地面下传的控制指令，根据控制指令，电动马达改变钻头转速，导向工具改变钻头前进方向，电控推进器改变钻压，电控断脱器根据控制指令断开，以分离复合材料连续管和钻头。在地面，地面通讯处理器接收上传的通讯信号并解码，地面监控器显示测量数据，根据测量数据，地面通讯处理器下传控制指令。井下和地面之间通过复合材料连续管内嵌的电缆进行双向实时通讯，复合材料连续管内嵌的电缆同时传输电力和通讯信号。地面电源的电力经地面电力变压器变压后向井下输送，电力再经井下电力变压器变压后输送给测量机构、导向工具、电控推进器、电控断脱器和电动马达。

利用该钻井装置的一种全电动复合材料连续管钻井方法是：

(1)利用复合材料连续管下入钻头；

(2)利用电动马达驱动钻头转动，利用电控推进器向钻头施加钻压；