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1、(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201420599097.8(22)申请日 2014.10.16E21B 17/02(2006.01)E21B 7/00(2006.01)(73)专利权人中国石油大学（华东）地址 266580 山东省青岛市经济技术开发区长江西路66号(72)发明人倪红坚 王鹏 王瑞和 霍洪俊(74)专利代理机构潍坊正信专利事务所 37216代理人王秀芝(54) 实用新型名称一种分割接头(57) 摘要本实用新型公开了一种减小钻柱与井壁摩阻的方法及一种分割接头,该分割接头将钻柱分割为分别与其连接的上部钻柱段和下部钻柱段，根据选定的减摩阻模式，通过井口设备驱动。
2、上部钻柱段产生相对于下部钻柱段的轴向滑动或周向扭转或轴向滑动和周向扭转运动；该方法使上部钻柱段相对于下部钻柱段“动起来”，上部钻柱段与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，减小了上部钻柱段与井壁之间的摩阻，改善了上部钻柱段与井壁岩石之间的接触状态，使钻压和扭矩能够平滑有效的传递给钻头，提高了机械钻速和井眼的极限延伸距离，缩短了钻井周期并减少了钻井成本。(51)Int.Cl.(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利权利要求书1页 说明书7页 附图2页(10)授权公告号 CN 204200104 U(45)授权公告日 2015.03.11CN 20。
3、4200104 U1/1 页21.一种分割接头，其特征在于，所述分割接头包括 ：套筒，所述套筒的上端固定设置有上限位盘，所述上限位盘上设有上限位盘通孔，所述上限位盘通孔的横截面呈多边形或内花键形 ；所述套筒的下端设有封板，所述封板上设有封板通孔 ；滑动杆，所述滑动杆内沿其轴向设有贯通的滑动杆流道，所述滑动杆的纵剖面呈中空的 T 形，所述滑动杆的杆部穿过所述上限位盘通孔并延伸至所述套筒内的下部，所述滑动杆的头部位于所述上限位盘的上方用于连接上部钻柱，所述滑动杆的杆部外周面呈与所述上限位盘通孔的横截面相适配的多边形或外花键形 ；活塞，所述活塞固定套设于所述滑动杆杆部下端的外周上，所述活塞与所述套筒。
4、的内壁滑动密封配合 ；防掉短节，所述防掉短节内沿其轴向设有贯通的防掉短节流道，所述防掉短节的纵剖面呈中空的 T 形，所述防掉短节的头部位于所述套筒内，所述防掉短节的杆部伸出所述封板通孔之外并固定连接有下接头 ；所述下接头的上端与所述套筒的下端花键连接，所述花键连接的键槽与键齿之间留有供所述套筒转动的转动间隙。2.如权利要求 1 所述的一种分割接头，其特征在于，所述转动间隙沿所述套筒径向的夹角为 2 -15。3.如权利要求1或2所述的一种分割接头，其特征在于，所述活塞的上方设有上部弹性缓冲件，所述活塞的下方设有下部弹性缓冲件。4.如权利要求 3 所述的一种分割接头，其特征在于，所述上部弹性缓冲件。
5、为套设于所述滑动杆杆部上的上弹簧，所述下部弹性缓冲件为设置于所述活塞下端面与所述防掉短节头部之间的下弹簧。权 利 要 求 书CN 204200104 U1/7 页3一种分割接头技术领域0001 本实用新型涉及石油天然气钻井技术领域，尤其涉及一种用于减小深直井和复杂结构井钻进过程中钻柱与井壁间的摩阻，将钻压平滑的传递给井底钻头的方法及强化该方法的一种分割接头。背景技术0002 发展深直井和复杂结构井技术，高效开发复杂油气层、深部油气藏和海洋油气资源，符合我国对能源的巨大需求，也是我国能源储备安全的重要保障。0003 在深直井的钻探过程中，钻遇的地层硬度大、岩性变化多样、非均质性强，导致井斜和方位。
6、控制难度增大。在这种情况下一般通过采用钟摆钻具组合轻压吊打或使用带有弯角的井下动力钻具组合反扣来控制井身质量 ；轻压吊打的方式在一定程度上保证了井身质量，但是使机械钻速急剧下降，使用井下动力钻具组合反扣虽然可有效控制井斜和方位，但是却加剧了井眼“狗腿”的形成。因此，可以说在现有钻井技术条件下，直井只存在于设计阶段，而钻出的真实井眼均是带有若干“狗腿”的螺旋弯曲井眼。在钻进过程中，当局部狗腿度过大将不可避免的导致“拖压”和“粘滑”现象的发生，降低了机械钻速，严重时将导致遇阻和卡钻，使钻压无法加到钻头，钻进作业不得不停止。另一方面，深直井、超深直井钻进过程中存在大段的裸眼段，容易发生井漏和高渗透率。
7、地层的漏失，环空中的钻井液与地层流体压力的压力差将钻柱压向井壁，产生“拖压”和“粘滑”现象，使机械钻速降低，严重时也将出现“压差卡钻”，严重威胁井下安全。0004 在复杂结构井的钻探过程中，随着井眼的延伸和井斜的增加，大部分钻柱躺在井壁岩石上，使钻铤施加的钻压大部分消耗在克服井壁对钻柱的摩阻上，钻压无法有效的传递给钻头，机械钻速显著降低 ；尤其是滑动定向钻进过程中，井底动力钻具以上的钻柱不旋转使钻柱与井壁之间的摩阻系数增加，产生“拖压”现象，当钻柱与井壁岩石之间的摩阻等于钻压时，井眼无法继续延伸。发明内容0005 本实用新型所要解决的第一个技术问题是 ：针对深直井和复杂结构井钻进过程中存在的高。
8、摩阻现象而导致的“拖压”和“粘滑”，提出一种减小钻柱与井壁之间摩阻的方法，使钻压和扭矩能够平滑有效的传递给钻头，提高机械钻速和井眼的极限延伸距离。0006 本实用新型所要解决的第二个技术问题是 ：提供一种用于强化本实用新型的减小钻柱与井壁摩阻方法的分割接头。0007 为解决上述第一个技术问题，本实用新型的技术方案是 ：一种减小钻柱与井壁摩阻的方法，该方法如下 ：0008 S10、在钻柱中确定一个位置，在该位置安装一个分割接头，所述分割接头将钻柱分割为上部钻柱段和下部钻柱段，所述分割接头的上端与所述上部钻柱段连接，所述分割接头的下端与所述下部钻柱段连接，所述上部钻柱段在井口设备驱动下可相对于所述。
9、下部说 明 书CN 204200104 U2/7 页4钻柱段轴向滑动或周向扭转或轴向滑动和周向扭转 ；0009 S20、选择减摩阻模式，所述减摩阻模式包括轴向运动减摩阻模式、周向运动减摩阻模式和复合运动减摩阻模式，选择其中的一种 ；0010 S30、根据所选定的减摩阻模式，通过井口设备驱动所述上部钻柱段产生相对于所述下部钻柱段的轴向滑动或周向扭转或轴向滑动和周向扭转运动。0011 作为优选，所述 S10 步骤中，还包括步骤 S11 ：确定所述分割接头的安装位置。0012 作为优选，当选择所述轴向运动减摩阻模式时，所述分割接头的安装位置依据所需施加的钻压按照以下公式确定0013 0014 001。
10、5 式中，W 为所需钻压，N ；n 为分割接头与钻头之间串接的多根钻具数量 ；qi为第 i根钻具的线浮重，N/m ；li为第 i 根钻具的长度，m ；L 为分割接头安装位置距钻头的距离，m。0016 作为优选，当选择所述周向运动减摩阻模式或者复合运动减摩阻模式时，所述分割接头的安装位置，按照以下公式确定0017 0018 0019 0020 0021 0022 0023 0024 说 明 书CN 204200104 U3/7 页50025 0026 0027 Mt(0) 0 (13)0028 Ft(L) -W (14)0029 Mt(L) Tb(15)0030 式中，Mt为钻柱的扭矩，Nm ；。
11、l 为井眼轴线的弧长，m ；Ro为钻柱外半径，m ；N 为钻柱与井壁的单位长度的接触力，N/m ；Nn为接触力在 方向上的分力，N/m ；Nb为接触力在方向上的分力，N/m ；Ft为钻柱的轴向拉力，N ；E 为弹性模量，Pa ；I 为钻柱截面惯性矩，m4；kb为井眼曲率， /30m ；kn为井眼挠率， /30m ；f1和f2分别为摩擦系数 f 的切向分量和周向分量 ；v 为钻柱轴向速度，m/s ；q 为钻柱线浮重，N/m ；k 为直角笛卡尔大地坐标系的单位矢量，垂直向下 ； 分别为井眼轨道切线、主法线和副法线方向的单位向量 ； 为钻柱旋转角速度，rad/s ； 为钻井液的结构力，Pa ； 为钻。
12、井液的动力黏度，Pas ；Dw为井径，m ；Wb为钻头处钻压，N ；Tb为钻头处扭矩，Nm。0031 作为优选，所述步骤 S30 中，所述井口设备对钻柱施加的拉力 Ft(0) 和扭矩 Mt(0)依据公式 (3)-(11) 及公式 (16)、(17) 确定 ：0032 Ft(L ) 0 (16)0033 Mt(L ) 0 (17)0034 式中，L为井口据所述分割接头的距离，m。0035 由于采用了上述技术方案，本实用新型的减小钻柱与井壁摩阻的方法，通过一个分割接头，将整个钻柱分割为上部钻柱段和下部钻柱段，下部钻柱段用于给钻头施加钻压和井下动力钻具钻进所需要的反扭矩，根据现场实际情况选定减摩阻模。
13、式后，在不影响下部钻柱段受力和运动状态的前提下，通过井口设备对上部钻柱段施加轴向往复运动或周向扭转运动或轴向滑动和周向扭转复合运动，让上部钻柱段“动起来”，使上部钻柱段与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，从而减小了上部钻柱段与井壁之间的摩阻，改善了上部钻柱段与井壁岩石之间的接触状态，使钻压和扭矩能够有效的传递给钻头，提高了深直井和复杂结构井滑动钻进过程中的钻探效率和极限延伸距离。0036 为解决上述第二个技术问题，本实用新型的技术方案是 ：一种分割接头，所述分割接头包括 ：0037 套筒，所述套筒的上端固定设置有上限位盘，所述上限位盘上设有上限位盘通孔，所述上限位盘通孔的横截面呈多边形或内花键形 ；。
14、所述套筒的下端设有封板，所述封板上设有封板通孔 ；0038 滑动杆，所述滑动杆内沿其轴向设有贯通的滑动杆流道，所述滑动杆的纵剖面呈中空的 T 形，所述滑动杆的杆部穿过所述上限位盘通孔并延伸至所述套筒内的下部，所述滑动杆的头部位于所述上限位盘的上方用于连接上部钻柱，所述滑动杆的杆部外周面呈与所述上限位盘通孔的横截面相适配的多边形或外花键形 ；0039 活塞，所述活塞固定套设于所述滑动杆杆部下端的外周上所述活塞与所述套筒说 明 书CN 204200104 U4/7 页6的内壁滑动密封配合 ；0040 防掉短节，所述防掉短节内沿其轴向设有贯通的防掉短节流道所述防掉短节的纵剖面呈中空的 T 形，所述防。
15、掉短节的头部位于所述套筒内，所述防掉短节的杆部伸出所述封板通孔之外并固定连接有下接头 ；所述下接头的上端与所述套筒的下端花键连接，所述花键连接的键槽与键齿之间留有供所述套筒转动的转动间隙。0041 作为优选，所述转动间隙沿所述套筒径向的夹角为 2 -15。0042 作为优选，所述活塞的上方设有上部弹性缓冲件，所述活塞的下方设有下部弹性缓冲件。0043 作为优选，所述上部弹性缓冲件为套设于所述滑动杆杆部上的上弹簧，所述下部弹性缓冲件为设置于所述活塞下端面与所述防掉短节头部之间的下弹簧。0044 由于采用了上述技术方案，使用本实用新型的分割接头时，滑动杆的头部与上部钻柱段连接，下接头与下部钻柱段连。
16、接 ；选定轴向运动减摩阻模式时，通过在井口用大钩以一定位移幅值和频率上下提拉钻柱，上部钻柱段与滑动杆产生相对于套筒及下部钻柱段的轴向滑动，上部钻柱段“动起来”，使上部钻柱段与井壁之间的静摩擦变为动摩擦 ；选定周向运动减摩阻模式时，通过在井口用转盘、顶驱装置以一定扭矩和频率扭转钻柱，让上部钻柱段、滑动杆及套筒产生沿井眼周向的往复扭转运动，上部钻柱段“动起来”，使上部钻柱段与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，由于下接头的上端与套筒的下端花键连接，且花键连接的键槽与键齿之间留有供套筒转动的转动间隙，套筒的往复扭转幅度不超过此转动间隙，因此，上部钻柱段、滑动杆及套筒往复扭转运动时不会影响下部钻柱段的受力和运。
17、动状态 ；选定复合运动减摩阻模式时，通过在井口用大钩和顶驱装置对钻柱施加一定幅值和频率的力的作用，使上部钻柱段产生“轴向 + 扭转”的复合运动，使上部钻柱段与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，从而减小摩阻。附图说明0045 图 1 是本实用新型实施例中分割接头的结构剖视示意图 ；0046 图2是图1中A-A剖面图；0047 图3是图1中B-B剖面图；0048 图中：1-滑动杆；101-滑动杆的头部；102-滑动杆的杆部；103-滑动杆流道；2-上限位盘 ；3-套筒 ；301-套筒键齿 ；4-上弹簧 ；5-活塞 ；6-密封圈 ；7-防掉短节 ；701-防掉短节流道 ；8- 下接头 ；801- 下接头键。
18、齿 ；9- 下弹簧 ；10- 锁紧螺母 ；11- 密封圈。具体实施方式0049 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。0050 本实用新型实施例的减小钻柱与井壁之间摩阻的方法，如下 ：0051 S10、根据钻具组合和所需要施加钻压的要求，在钻柱中确定一个位置，在该位置安装一个分割接头，该分割接头将钻柱分割为上部钻柱段和下部钻柱段，其中分割接头的上端与上部钻柱段连接，分割接头的下端与下部钻柱段连接，上部钻柱段在井口设备驱动说 明 书CN 204200。
19、104 U5/7 页7下可相对于下部钻柱段轴向滑动或周向扭转或轴向滑动和周向扭转，而下部钻柱段的受力和运动状态不受影响 ；0052 S20、选择减摩阻模式，减摩阻模式包括轴向运动减摩阻模式、周向运动减摩阻模式和复合运动减摩阻模式，根据现场实际情况和减阻需求，从以上三种模式中选择其中的一种 ；0053 S30、根据所选定的减摩阻模式，通过大钩、转盘、顶驱或具有相似功能的装置等井口设备驱动上部钻柱段产生相对于下部钻柱段的轴向滑动或周向扭转或轴向滑动和周向扭转运动 ；让上部钻柱段“动起来”，使上部钻柱段与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，从而减小了上部钻柱段与井壁之间的摩阻，改善了上部钻柱段与井壁岩石之间。
20、的接触状态，使钻压和扭矩能够有效的传递给钻头，提高了深直井和复杂结构井滑动钻进过程中的钻探效率和极限延伸距离。0054 其中，S10 步骤中还包括步骤 S11 ：确定分割接头的安装位置。0055 其中，当选择轴向运动减摩阻模式时，分割接头的安装位置依据所需施加的钻压按照以下公式确定0056 0057 0058 式中，W 为所需钻压，N ；n 为分割接头与钻头之间串接的多根钻具数量 ；qi为第 i根钻具的线浮重，N/m ；li为第 i 根钻具的长度，m ；L 为分割接头安装位置距钻头的距离，m。0059 其中，当选择周向运动减摩阻模式或者复合运动减摩阻模式时，分割接头的安装位置依据所需要施加的井。
21、下动力钻具的反扭矩确定，即通过下面公式(3)-(15)的拉力-扭矩模型计算 L0060 0061 0062 0063 0064 0065 说 明 书CN 204200104 U6/7 页80066 0067 0068 0069 0070 Mt(0) 0 (13)0071 Ft(L) -W (14)0072 Mt(L) Tb(15)0073 式中，Mt为钻柱的扭矩，Nm ；l 为井眼轴线的弧长，m ；Ro为钻柱外半径，m ；N 为钻柱与井壁的单位长度的接触力，N/m ；Nn为接触力在 方向上的分力，N/m ；Nb为接触力在方向上的分力，N/m ；Ft为钻柱的轴向拉力，N ；E 为弹性模量，Pa 。
22、；I 为钻柱截面惯性矩，m4；kb为井眼曲率， /30m ；kn为井眼挠率， /30m ；f1和f2分别为摩擦系数 f 的切向分量和周向分量 ；v 为钻柱轴向速度，m/s ；q 为钻柱线浮重，N/m ；k 为直角笛卡尔大地坐标系的单位矢量，垂直向下 ； 分别为井眼轨道切线、主法线和副法线方向的单位向量 ； 为钻柱旋转角速度，rad/s ； 为钻井液的结构力，Pa ； 为钻井液的动力黏度，Pas ；Dw为井径 ， m ；Wb为钻头处钻压，N ；Tb为钻头处扭矩，Nm。0074 其中，步骤 S30 中，大钩、顶驱装置等井口设备对钻柱施加的拉力 Ft(0) 和扭矩Mt(0) 依据公式 (3)-(11。
23、) 及公式 (16)、(17) 确定 ：0075 Ft(L ) 0 (16)0076 Mt(L ) 0 (17)0077 式中，L为井口据分割接头的距离，m。0078 如图 1 所示，为本实用新型实施例的减小钻柱与井壁之间摩阻方法中所用分割接头的结构剖视示意图，为了便于说明，本图仅提供与本实用新型有关的结构部分。0079 该分割接头包括 ：0080 套筒 3，在套筒 3 的上端螺纹连接有上限位盘 2，在上限位盘 2 上设有上限位盘通孔，如图 2 所示，本实施例中上限位盘通孔的横截面呈六边形，还可以是三角形、四边形、五边形、八边形等多边形或者内花键形，用以传递扭矩 ；在套筒 3 的下端设有封板，。
24、在封板上设有封板通孔 ；0081 滑动杆 1，在滑动杆 1 内沿其轴向设有贯通的滑动杆流道 103，滑动杆 1 的纵剖面呈中空的 T 形，滑动杆的头部 101 位于上限位盘 2 的上方用于连接上部钻柱，滑动杆的杆部102穿过上限位盘通孔并延伸至套筒3内的下部，滑动杆的杆部102与上限位盘通孔之间滑动配合，滑动杆的杆部 102 外周面与上限位盘通孔的横截面形状相适配，即为六边形、三角形、四边形、五边形、八边形等多边形或者外花键形，用以传递扭矩 ；0082 活塞 5，该活塞 5 固定套设于滑动杆的杆部 102 下端的外周上，并通过锁紧螺母 10说 明 书CN 204200104 U7/7 页9锁紧。
25、，活塞 5 与套筒 3 的内壁之间滑动密封配合 ；0083 防掉短节 7，该防掉短节 7 内沿其轴向设有贯通的防掉短节流道 701，防掉短节 7的纵剖面呈中空的 T 形，防掉短节 7 的头部位于套筒 3 内并承托于封板的上端面，防掉短节7的杆部伸出封板通孔之外并固定连接有下接头8 ；如图3所示，其中，下接头8的上端与套筒 3 的下端采用花键连接，且套筒键齿 301 与下接头 8 的键槽之间留有供套筒 3 转动的转动间隙，该转动间隙沿套筒 3 径向的夹角为 ， 的取值范围最好在 2 -15 ；该花键连接形式还可以是，下接头键齿 801 与套筒 3 的键槽之间留有供套筒 3 转动的转动间隙。008。
26、4 如图1所示，活塞5与套筒3的内壁之间设有密封圈11，防掉短节7的头部与套筒3 的内壁之间设有密封圈 6，密封圈 6 和密封圈 11 的设置将分割接头内部的钻井液和外部环空中的钻井液分隔为两个压力系统，防止分割接头内部的钻井液压力损失。0085 如图 1 所示，在活塞 5 的上方和下方还分别进一步设有弹性缓冲件，防止活塞 5 随滑动杆 1 轴向滑动到最大行程时对上限位盘 2 的下端面或防掉短节 7 的上端面造成冲击，其中，上部弹性缓冲件为套设于滑动杆的杆部 102 上的上弹簧 4，下部弹性缓冲件为设置于活塞 5 的下端面与防掉短节 7 头部之间的下弹簧 9。0086 应用本实用新型的分割接头。
27、时，将滑动杆的头部 101 与上部钻柱段连接，下接头 8与下部钻柱段连接 ；当选定轴向运动减摩阻模式时，通过在井口用大钩以一定位移幅值和频率上下提拉钻柱，上部钻柱段与滑动杆 1 产生相对于套筒 3 及下部钻柱段的轴向滑动，轴向滑动距离最好在 100-200mm，上部钻柱段“动起来”，使上部钻柱段与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，而下部钻柱段的受力和运动状态并不受影响 ；当选定周向运动减摩阻模式时，通过在井口用转盘、顶驱装置以一定扭矩和频率扭转钻柱，让上部钻柱段、滑动杆 1 及套筒3 产生沿井眼周向的往复扭转运动，上部钻柱段“动起来”，使上部钻柱段与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，由于下接头8的上端与套。
28、筒3的下端花键连接，且花键连接的键槽与键齿之间留有供套筒 3 转动的转动间隙，套筒 3 的往复扭转幅度不超过此转动间隙，因此，上部钻柱段、滑动杆1及套筒3往复扭转运动时不会影响下部钻柱段的受力和运动状态 ；当选定复合运动减摩阻模式时，通过在井口用大钩、转盘和顶驱装置对钻柱施加一定幅值和频率的力的作用，使上部钻柱段产生相对于下部钻柱段的“轴向 + 扭转”复合运动，使上部钻柱段与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，从而减小摩阻。0087 本实用新型针对深直井和复杂结构井钻进过程中尤其是滑动钻进过程中存在的高摩阻现象而导致的“拖压”和“粘滑”，提出了一种减小钻柱与井壁之间摩阻的方法及用于强化该方法的一种分割接头，该方法使上部钻柱段相对于下部钻柱段“动起来”，上部钻柱段与井壁之间的静摩擦变为动摩擦，减小了上部钻柱段与井壁之间的摩阻，改善了上部钻柱段与井壁岩石之间的接触状态，使钻压和扭矩能够平滑有效的传递给钻头，提高了机械钻速和井眼的极限延伸距离，缩短了钻井周期并减少了钻井成本。说 明 书CN 204200104 U1/2 页10图1图2说 明 书 附 图CN 204200104 U。