一种分割接头.pdf

1.一种分割接头，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。

一种分割接头

郑重声明：

本发明为以下申请的分案申请：申请日2014.10.16、申请号201410548757.4、发明
创造名称“一种减小钻柱与井壁摩阻的方法及一种分割接头”的中国发明专利申请。

技术领域

本发明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

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。

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。

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

本发明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。

本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种用于强化本发明的减小钻柱与井
壁摩阻方法的分割接头。

为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种减小钻柱与井壁摩阻的
方法，该方法如下：

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下部
钻柱段轴向滑动或周向扭转或轴向滑动和周向扭转；

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；

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。

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。

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

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{q}_i{l}_i=W---\left(1\right)$

$L=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{l}_i---\left(2\right)$

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；q_i为第i根
钻具的线浮重，N/m；l_i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。

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

$\frac{{\mathrm{dM}}_t}{dl}=f_1{R}_{o}N+m_0---\left(3\right)$

$m_0=2{\mathrm{\πR}}_o^2\mathrm{\ω}\[\frac{\mathrm{\τ}}{\sqrt{v^2+{\left(R_o\mathrm{\ω}\right)}^2}}+\frac{2\mathrm{\ξ}}{D_w-2R_o}\]---\left(7\right)$

$B=\frac{2{\mathrm{\πR}}_o\mathrm{\τ}v}{\sqrt{v^2+{\left(R_o\mathrm{\ω}\right)}^2}}---\left(8\right)$

$C=\frac{2\mathrm{\π}\mathrm{\ξ}}{ln\frac{D_w}{2R_o}}---\left(9\right)$

$f_1=\frac{R_0\mathrm{\ω}f}{\sqrt{v^2+{\left(R_0\mathrm{\ω}\right)}^2}}---\left(10\right)$

$f_2=\frac{vf}{\sqrt{v^2+{\left(R_0\mathrm{\ω}\right)}^2}}---\left(11\right)$

$F_t\left(0\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{q}_i{l}_i-W_b---\left(12\right)$

M_t(0)＝0 (13)

F_t(L)＝-W (14)

M_t(L)＝T_b (15)

式中，M_t为钻柱的扭矩，N·m；l为井眼轴线的弧长，m；R_o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；N_n为接触力在方向上的分力，N/m；N_b为接触力在方向
上的分力，N/m；F_t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；k_b为井眼
曲率，°/30m；k_n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；ω为钻柱旋转角速度，
rad/s；τ为钻井液的结构力，Pa；ξ为钻井液的动力黏度，Pa·s；D_w为井径，m；W_b为钻头处钻
压，N；T_b为钻头处扭矩，N·m。

作为优选，所述步骤S30中，所述井口设备对钻柱施加的拉力F_t(0)和扭矩M_t(0)依
据公式(3)-(11)及公式(16)、(17)确定：

F_t(L′)＝0 (16)

M_t(L′)＝0 (17)

式中，L′为井口据所述分割接头的距离，m。

由于采用了上述技术方案，本发明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。

为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：一种分割接头，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
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。

作为优选，所述转动间隙沿所述套筒径向的夹角为2°-15°。

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。

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。

由于采用了上述技术方案，使用本发明的分割接头时，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

图1是本发明实施例中分割接头的结构剖视示意图；

图2是图1中A-A剖面图；

图3是图1中B-B剖面图；

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-下接头键齿；9-下弹簧；10-锁紧螺母；11-密封圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明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发明，并
不用于限定本发明。

本发明实施例的减小钻柱与井壁之间摩阻的方法，如下：

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
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；

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；

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。

其中，S10步骤中还包括步骤S11：确定分割接头的安装位置。

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

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{q}_i{l}_i=W---\left(1\right)$

$L=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{l}_i---\left(2\right)$

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；q_i为第i根
钻具的线浮重，N/m；l_i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。

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L

$\frac{{\mathrm{dM}}_t}{dl}=f_1{R}_{o}N+m_0---\left(3\right)$

$m_0=2{\mathrm{\πR}}_o^2\mathrm{\ω}\[\frac{\mathrm{\τ}}{\sqrt{v^2+{\left(R_o\mathrm{\ω}\right)}^2}}+\frac{2\mathrm{\ξ}}{D_w-2R_o}\]---\left(7\right)$

$B=\frac{2{\mathrm{\πR}}_o\mathrm{\τ}v}{\sqrt{v^2+{\left(R_o\mathrm{\ω}\right)}^2}}---\left(8\right)$

$C=\frac{2\mathrm{\π}\mathrm{\ξ}}{ln\frac{D_w}{2R_o}}---\left(9\right)$

$f_1=\frac{R_0\mathrm{\ω}f}{\sqrt{v^2+{\left(R_0\mathrm{\ω}\right)}^2}}---\left(10\right)$

$f_2=\frac{vf}{\sqrt{v^2+{\left(R_0\mathrm{\ω}\right)}^2}}---\left(11\right)$

$F_t\left(0\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{q}_i{l}_i-W_b---\left(12\right)$

M_t(0)＝0 (13)

F_t(L)＝-W (14)

M_t(L)＝T_b (15)

式中，M_t为钻柱的扭矩，N·m；l为井眼轴线的弧长，m；R_o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；N_n为接触力在方向上的分力，N/m；N_b为接触力在方向
上的分力，N/m；F_t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；k_b为井眼
曲率，°/30m；k_n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；ω为钻柱旋转角速度，
rad/s；τ为钻井液的结构力，Pa；ξ为钻井液的动力黏度，Pa·s；D_w为井径，m；W_b为钻头处钻
压，N；T_b为钻头处扭矩，N·m。

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F_t(0)和扭矩M_t(0)
依据公式(3)-(11)及公式(16)、(17)确定：

F_t(L′)＝0 (16)

M_t(L′)＝0 (17)

式中，L′为井口据分割接头的距离，m。

如图1所示，为本发明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，本图仅提供与本发明有关的结构部分。

该分割接头包括：

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，在封板上设有
封板通孔；

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；

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锁
紧，活塞5与套筒3的内壁之间滑动密封配合；

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α，α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。

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。

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。

应用本发明的分割接头时，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。

本发明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。