本實用新型屬于石油鉆井機械領(lǐng)域，具體涉及一種工具面穩(wěn)定器，作為螺桿鉆具的配套工具用來消除螺桿鉆具反扭角，解決定向井、水平井滑動鉆進時的定向困難，提高定向鉆井速度。

背景技術(shù)：

鉆井是把地下油氣資源開采到地面的必然途徑。根據(jù)設計井眼軌跡形狀，石油井可分為直井、定向井和水平井。

在定向井、水平井鉆井方面，通常使用螺桿鉆具和MWD/LWD儀器滑動鉆進來調(diào)整井眼軌跡，或者說改變井眼的井斜和方位?；瑒鱼@進也稱之為定向鉆進。所謂定向，螺桿鉆具彎角所在平面與彎曲井眼彎角所在平面之間的夾角不同，可分別達到增(或降)井斜和/或增(或減)方位的目的。在鉆井術(shù)語中，螺桿鉆具彎角所在平面稱之為工具面，彎曲井眼彎角所在平面稱之為井眼高邊，二者之間夾角稱之為裝置角。在理論上，工具面等于井眼高邊與裝置角二者之和。

在滑動鉆進時，由于井眼軌跡及空間參數(shù)、螺桿鉆具技術(shù)參數(shù)、井底鉆具組合、鉆頭類型及泥漿性能等因素影響，不同井眼或者同一個井眼不同井段均存在不同程度的定向困難，嚴重影響滑動鉆進的作業(yè)效率和鉆井速度。其表現(xiàn)為：不敢增加鉆壓，滑動鉆進鉆壓20-40KN，僅為螺桿鉆具允許工作鉆壓1/5-1/3，因此，滑動鉆進鉆速極低。如果增加鉆壓，工具面劇烈逆時針擺動，從而導致裝置角劇烈變化，進而影響增(或降)井斜和/或增(或減)方位效果。因此，工具面不穩(wěn)定是定向困難的根源所在。

工具面不穩(wěn)定主要與螺桿鉆具(其他井下動力鉆具類似)結(jié)構(gòu)有關(guān)。螺桿鉆具主要由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子和定子之間形成即彼此連續(xù)又相互密閉的容腔，且轉(zhuǎn)子通過萬向軸、傳動軸驅(qū)動鉆頭破巖鉆進，定子橡膠硫化在螺桿鉆具外殼上，其外殼連接無磁鉆鋌及其上部鉆具。當高壓泥漿通過時，高 壓泥漿從一個容腔擠壓進另一個容腔，帶動轉(zhuǎn)子以一定轉(zhuǎn)速和扭矩順時針驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)，同時，在螺桿鉆具外殼上產(chǎn)生一個大小相等逆時針反扭矩，反扭矩驅(qū)動螺桿鉆具外殼及其上部鉆具逆時針旋轉(zhuǎn)直至反扭矩被井壁磨阻抵消為止，我們把螺桿鉆具外殼及其上部鉆具逆時針旋轉(zhuǎn)的角度稱之為螺桿鉆具反扭角?，F(xiàn)場作業(yè)中，定向擺工具面時，必須把螺桿鉆具反扭角考慮在內(nèi)，或者說，實際工具面等于井眼高邊、裝置角與螺桿鉆具反扭角三者之和。

對于某種規(guī)格型號螺桿鉆具來說，當泥漿排量一定時，螺桿鉆具輸出功率是一個定值，其輸出功率等于輸出轉(zhuǎn)速和輸出扭矩之乘積。當增加鉆壓時，螺桿鉆具輸出扭矩增大，但輸出轉(zhuǎn)速減小，反之亦然。因此，滑動鉆進時，如果均勻送鉆，則螺桿鉆具輸出扭矩相對穩(wěn)定，其反扭角和工具面保持不變；如果增加(或減少)鉆壓，則螺桿鉆具輸出扭矩也隨之增加(或減少)，其反扭角也隨之增大(或減小)，從而導致工具面出現(xiàn)劇烈變化，由此可得出結(jié)論，工具面不穩(wěn)定是由于螺桿鉆具反扭角所造成的。

如果在螺桿鉆具上部能夠安裝一種工具面穩(wěn)定器，阻止螺桿鉆具外殼反扭矩向上傳遞，那么，就可以把螺桿鉆具反扭矩限制在螺桿鉆具外殼有限空間內(nèi)。由于螺桿鉆具外殼長度較短，且剛性較大，因此，螺桿鉆具外殼逆時針旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的反扭角可以忽略不計。沒有螺桿鉆具反扭角，定向擺工具面時就可直接按照裝置角來擺工具面，不需要考慮螺桿鉆具反扭角影響，徹底解決滑動鉆進時的定向困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的就是提供一種工具面穩(wěn)定器，作為螺桿鉆具的配套工具消除螺桿鉆具反扭角，解決定向井、水平井滑動鉆進時的定向困難。

本實用新型采用的具體技術(shù)方案是：

工具面穩(wěn)定器主要由上接頭、花鍵軸、凸輪、導向輪、外筒、下接頭、密封端、銷軸和推板組成。

上接頭上端是石油鉆具螺紋母扣，用于連接石油鉆具；下端是特殊螺紋母扣，用于連接花鍵軸。

花鍵軸是中孔結(jié)構(gòu)金屬管。其內(nèi)孔與上、下部鉆具水眼相連通，用于高壓泥漿通過。外部中段是外花鍵，用于安裝凸輪和導向輪。外部兩端是圓軸和特殊螺紋公扣且對稱分布，特殊螺紋公扣用于連接上接頭和下接頭，圓軸用于安裝密封端。

下接頭上端是特殊螺紋母扣，用于連接花鍵軸；下端是石油鉆具螺紋公扣，用于連接螺桿鉆具。

上接頭、花鍵軸和下接頭通過特殊螺紋連接成一體，且在井底鉆具中位于無磁鉆鋌和螺桿鉆具之間，將無磁鉆鋌及其上部鉆具的拉力、扭矩或鉆壓通過上接頭、花鍵軸和下接頭傳遞給螺桿鉆具及其下部鉆具。

外筒是中孔結(jié)構(gòu)三棱形金屬管，三個扶正棱呈120°均布設計。其泥漿流道外徑與上接頭、下接頭直徑相同；其扶正棱外徑略小于井眼直徑；其扶正棱寬度按照石油井下工具推薦泥漿流道面積計算確定；其壁厚根據(jù)不同油氣田地層研磨性來確定。

在外筒三個扶正棱上，均加工有長方形孔，其技術(shù)參數(shù)與推板相同，用于安裝推板。

在外筒三個泥漿流道內(nèi)，兩端對稱加工有螺孔，用于安裝螺釘把外筒和兩個密封端固定在一起。

密封端按照直棱扶正器設計，其技術(shù)參數(shù)與外筒相同，其內(nèi)孔直徑與花鍵軸圓軸軸徑相同，其厚度略短于花鍵軸圓軸長度。

密封端外側(cè)，或者說與上接頭、下接頭相鄰一側(cè)加工成30°斜面，有利于石油鉆井過程中起、下鉆作業(yè)。

密封端內(nèi)側(cè)，或者說與外筒連接一側(cè)加工成臺肩，其臺肩高度與外筒璧厚相同，用于安裝固定外筒。

外筒和密封端使用螺釘固定成一體，且通過密封端內(nèi)孔安裝在花鍵軸圓軸上，外筒和密封端繞著花鍵軸可相互轉(zhuǎn)動。外筒、密封端和花鍵軸共同形成一個環(huán)形腔室，安裝和保護凸輪等內(nèi)部部件，同時，外筒和密封端承受井壁摩擦力，并借助井壁摩擦力協(xié)助推板被推出支撐在井壁上，消除螺桿鉆具 反扭角。

凸輪是中孔結(jié)構(gòu)不規(guī)則金屬柱狀體，其外沿按照120°均布設計三個耳板，每個耳板上有凸輪軌道，且其在耳板上構(gòu)成腰型通孔?；蛘哒f，根據(jù)凸輪結(jié)構(gòu)不同，其凸輪軌道也可能設計成腰型滑槽。

凸輪的中心孔設計成內(nèi)花鍵，其技術(shù)參數(shù)與花鍵軸相匹配，并通過中心孔內(nèi)花鍵安裝在花鍵軸上。

導向輪是中孔結(jié)構(gòu)不規(guī)則金屬柱狀體，三個扶正棱按照120°均布設計，其技術(shù)參數(shù)與外筒內(nèi)壁相同。導向輪通過內(nèi)孔安裝在花鍵軸上，每個扶正棱上有推板軌道，并根據(jù)花鍵軸旋轉(zhuǎn)方向不同限制推板在其軌道內(nèi)做徑向往復運動起導向作用。

銷軸是實心金屬圓柱體，與推板連接在一起，且兩端穿插在凸輪的凸輪軌道內(nèi)，把導向輪與凸輪的復合運動傳遞給推板。

推板是鉗牙狀金屬長方體，其技術(shù)參數(shù)與外筒扶正棱上長方形孔相同，其外表面加工有條狀花紋防止其在井壁上周向滑動。

凸輪、導向輪、銷軸和推板安裝在外筒、密封端和花鍵軸之間的環(huán)形腔室內(nèi)。當花鍵軸順時針旋轉(zhuǎn)時，凸輪耳板上的三個凸輪軌道外側(cè)璧推動銷軸向內(nèi)運動，導向輪與銷軸協(xié)調(diào)配合把推板收回。當花鍵軸逆時針旋轉(zhuǎn)時，凸輪耳板上的三個凸輪軌道內(nèi)側(cè)璧推動銷軸向外運動，導向輪與銷軸協(xié)調(diào)配合把推板推出并支撐在井壁上，阻止螺桿鉆具外殼反扭矩向上傳遞，消除螺桿鉆具反扭角。因此，凸輪也可稱之為三軌道雙作用凸輪，是工具面穩(wěn)定器中的核心部件。

本實用新型的有益效果是：在定向井、水平井鉆井過程中，把工具面穩(wěn)定器連接到螺桿鉆具和無磁鉆鋌之間。當復合鉆進時，轉(zhuǎn)盤等地面設備扭矩高于螺桿鉆具外殼反扭矩，井下鉆具和螺桿鉆具共同驅(qū)動鉆頭雙速順時針旋轉(zhuǎn)，因此，花鍵軸順時針旋轉(zhuǎn)，凸輪耳板上的三個凸輪軌道外側(cè)璧推動銷軸向內(nèi)運動，導向輪與銷軸協(xié)調(diào)配合把推板收回，確保井下鉆具與螺桿鉆具一起順時針旋轉(zhuǎn)，工具面穩(wěn)定器相當于鉆柱穩(wěn)定器。當滑動鉆進時，轉(zhuǎn)盤等地 面設備不驅(qū)動井下鉆具旋轉(zhuǎn)，螺桿鉆具驅(qū)動鉆頭順時針旋轉(zhuǎn)，此時，螺桿鉆具外殼在反扭矩作用下逆時針旋轉(zhuǎn)并帶動井下鉆具自下而上逆時針旋轉(zhuǎn)直到反扭矩被井壁摩擦力抵消為止，因此，花鍵軸逆時針旋轉(zhuǎn)，凸輪耳板上的三個凸輪軌道內(nèi)側(cè)璧推動銷軸向外運動，導向輪與銷軸協(xié)調(diào)配合把推板推出并支撐在井壁上，阻止螺桿鉆具外殼反扭矩向上傳遞，消除螺桿鉆具反扭角，確保滑動鉆進時工具面穩(wěn)定不變。

附圖說明

附圖1是本實用新型的工具面穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標記說明：1-上接頭、2-花鍵軸、3-凸輪、4-導向輪、5-外筒、6-下接頭、7-密封端、8-銷軸、9-推板。

附圖2是本實用新型核心部件的凸輪正視圖。

附圖標記說明：中心孔圓心為O，中心孔形狀為內(nèi)花鍵，外沿突出部分為耳板，耳板上閉環(huán)結(jié)構(gòu)為凸輪軌道，軌道左側(cè)圓弧圓心為O₁，軌道右側(cè)圓弧圓心為O₂。

具體實施方式

工具面穩(wěn)定器主要由上接頭(1)、花鍵軸(2)、凸輪(3)、導向輪(4)、外筒(5)、下接頭(6)、密封端(7)、銷軸(8)和推板(9)組成。

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。

上接頭(1)上端是石油鉆具螺紋母扣，用于連接石油鉆具；下端是特殊螺紋母扣，用于連接花鍵軸(2)。

花鍵軸(2)是中孔結(jié)構(gòu)金屬管。其內(nèi)孔與上、下部鉆具水眼相連通，用于高壓泥漿通過。外部中段是外花鍵，用于安裝凸輪(3)和導向輪(4)。外部兩端是圓軸和特殊螺紋公扣且對稱分布，特殊螺紋公扣用于連接上接頭(1)和下接頭(6)，圓軸用于安裝密封端(7)。

下接頭(6)上端是特殊螺紋母扣，用于連接花鍵軸(2)；下端是石油鉆具螺紋公扣，用于連接螺桿鉆具。

上接頭(1)、花鍵軸(2)和下接頭(6)通過特殊螺紋連接成一體，且 在井底鉆具中位于無磁鉆鋌和螺桿鉆具之間，將無磁鉆鋌及其上部鉆具的拉力、扭矩或鉆壓通過上接頭(1)、花鍵軸(2)和下接頭(6)傳遞給螺桿鉆具及其下部鉆具。

外筒(5)是中孔結(jié)構(gòu)三棱形金屬管，三個扶正棱呈120°均布設計。其泥漿流道外徑與上接頭(1)、下接頭(6)直徑相同；其扶正棱外徑略小于井眼直徑；其扶正棱寬度按照石油井下工具推薦泥漿流道面積計算確定；其壁厚根據(jù)不同油氣田地層研磨性來確定。

在外筒(5)三個扶正棱上，均加工有長方形孔，其技術(shù)參數(shù)與推板(9)相同，用于安裝推板(9)。

在外筒(5)三個泥漿流道內(nèi)，兩端對稱加工有螺孔，用于安裝螺釘把外筒(5)和兩個密封端(7)固定在一起。

密封端(7)按照直棱扶正器設計，其技術(shù)參數(shù)與外筒相同，其內(nèi)孔直徑與花鍵軸(2)圓軸軸徑相同，其厚度略短于花鍵軸(2)圓軸長度。

密封端(7)外側(cè)，或者說與上接頭(1)、下接頭(6)相鄰一側(cè)加工成30°斜面，有利于石油鉆井過程中起、下鉆作業(yè)。

密封端(7)內(nèi)側(cè)，或者說與外筒(5)連接一側(cè)加工成臺肩，其臺肩高度與外筒(5)璧厚相同，用于安裝固定外筒(5)。

外筒(5)和密封端(7)使用螺釘固定成一體，且通過密封端(7)內(nèi)孔安裝在花鍵軸(2)圓軸上，外筒(5)和密封端(7)繞著花鍵軸(2)可相互轉(zhuǎn)動。外筒(5)、密封端(7)和花鍵軸(2)共同形成一個環(huán)形腔室，安裝和保護凸輪(3)等內(nèi)部部件，同時，外筒(5)和密封端(7)承受井壁摩擦力，并借助井壁摩擦力協(xié)助推板(9)被推出支撐在井壁上，消除螺桿鉆具反扭角。

凸輪(3)是中孔結(jié)構(gòu)不規(guī)則金屬柱狀體，其外沿按照120°均布設計三個耳板，每個耳板上有凸輪軌道，且其在耳板上構(gòu)成腰型通孔。或者說，根據(jù)凸輪結(jié)構(gòu)不同，其凸輪軌道也可能設計成腰型滑槽。

凸輪(3)的中心孔設計成內(nèi)花鍵，其技術(shù)參數(shù)與花鍵軸(2)相匹配， 并通過中心孔內(nèi)花鍵安裝在花鍵軸(2)上。

導向輪(4)是中孔結(jié)構(gòu)不規(guī)則金屬柱狀體，三個扶正棱按照120°均布設計，其技術(shù)參數(shù)與外筒(5)內(nèi)壁相同。導向輪(4)通過內(nèi)孔安裝在花鍵軸(2)上，每個扶正棱上有推板(9)軌道，并根據(jù)花鍵軸(2)旋轉(zhuǎn)方向不同限制推板(9)在其軌道內(nèi)做徑向往復運動起導向作用。

銷軸(8)是實心金屬圓柱體，與推板(9)連接在一起，且兩端穿插在凸輪(3)的凸輪軌道內(nèi)，把凸輪(3)與導向輪(4)的復合運動傳遞給推板(9)。

推板(9)是鉗牙狀金屬長方體，其技術(shù)參數(shù)與外筒(5)扶正棱上長方形孔相同，其外表面加工有條狀花紋防止其在井壁上周向滑動。

凸輪(3)、導向輪(4)、銷軸(8)和推板(9)安裝在外筒(5)、密封端(7)和花鍵軸(2)之間的環(huán)形腔室內(nèi)。當花鍵軸(2)順時針旋轉(zhuǎn)時，凸輪耳板上的三個凸輪軌道外側(cè)璧推動銷軸(8)向內(nèi)運動，導向輪(4)與銷軸(8)協(xié)調(diào)配合把推板(9)收回。當花鍵軸(2)逆時針旋轉(zhuǎn)時，凸輪耳板上的三個凸輪軌道內(nèi)側(cè)璧推動銷軸(8)向外運動，導向輪(4)與銷軸(8)協(xié)調(diào)配合把推板(9)推出并支撐在井壁上，阻止螺桿鉆具外殼反扭矩向上傳遞，消除螺桿鉆具反扭角。因此，凸輪(3)也可稱之為三軌道雙作用凸輪，是工具面穩(wěn)定器中的核心部件。

為了更清楚地表述凸輪(3)的形狀，附圖2繪制出了凸輪(3)正視圖，并據(jù)圖分析如下：

首先，凸輪(3)外沿120°均布三個耳板上凸輪軌道技術(shù)參數(shù)相同。

其次，凸輪軌道形狀是左、右兩端為兩條半徑相等的圓弧，上、下兩側(cè)為兩條平行線段，且兩條平行線段與兩條半徑相等的圓弧相切連接構(gòu)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

再次，以中孔部分的中心孔圓心O為基準圓心，凸輪軌道左側(cè)圓弧圓心O₁到中心孔圓心O的距離小于凸輪軌道右側(cè)圓弧圓心O₂到中心孔圓心O的距離。

最后，除圓弧和線段外，凸輪軌道形狀也可采用圓弧和其他曲線構(gòu)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，盡最大程度地減少其推動推板(9)時所需推力。

實施例1

在定向井、水平井鉆井過程中，把工具面穩(wěn)定器連接到螺桿鉆具和無磁鉆鋌之間。

當復合鉆進時，轉(zhuǎn)盤等地面設備扭矩高于螺桿鉆具外殼反扭矩，井下鉆具和螺桿鉆具共同驅(qū)動鉆頭雙速順時針旋轉(zhuǎn)，因此，花鍵軸(2)順時針旋轉(zhuǎn)，凸輪(3)耳板上的三個凸輪軌道外側(cè)璧推動銷軸(8)向內(nèi)運動，導向輪(4)與銷軸(8)協(xié)調(diào)配合把推板(9)收回，確保井下鉆具與螺桿鉆具一起順時針旋轉(zhuǎn)，工具面穩(wěn)定器相當于鉆柱穩(wěn)定器。

當滑動鉆進時，轉(zhuǎn)盤等地面設備不驅(qū)動井下鉆具旋轉(zhuǎn)，螺桿鉆具驅(qū)動鉆頭順時針旋轉(zhuǎn)，此時，螺桿鉆具外殼在反扭矩作用下逆時針旋轉(zhuǎn)并帶動井下鉆具自下而上逆時針旋轉(zhuǎn)直到反扭矩被井壁摩擦力抵消為止，因此，花鍵軸(2)逆時針旋轉(zhuǎn)，凸輪(3)耳板上的三個凸輪軌道內(nèi)側(cè)璧推動銷軸(8)向外運動，導向輪(4)與銷軸(8)協(xié)調(diào)配合把推板(9)推出并支撐在井壁上，阻止螺桿鉆具外殼反扭矩向上傳遞，消除螺桿鉆具反扭角，確?；瑒鱼@進時工具面穩(wěn)定不變。

以上對本實用新型的說明僅是優(yōu)選范例，并不能被理解為對本實用新型技術(shù)方案內(nèi)容的限制。以上內(nèi)容在具體應用中，技術(shù)人員有可能需要根據(jù)具體情況作個別調(diào)整和改變，所述調(diào)整和改變均應落入本實用新型所附權(quán)利要求的保護范圍之中 。