一種機械垂直鉆井工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明專利提供一種機械垂直鉆井工具，主要由上接頭、傳動軸、外筒、活塞環(huán)、彈簧、軌道蓋、柱塞、推板、下接頭、密封環(huán)、金屬球、U型軌道槽、液壓端殼體組成。在鉆井過程中，機械垂直鉆井工具內(nèi)導(dǎo)向機構(gòu)工具面方向恒在150°?210°，開泵后，鉆具水眼內(nèi)高壓泥漿進入環(huán)形泥漿腔，通過活塞環(huán)壓縮密閉液壓油腔內(nèi)液壓油經(jīng)導(dǎo)向機構(gòu)流入兩個或一個柱塞缸，活塞伸出并推動推板支撐在井壁上，井壁反作用力推動機械垂直鉆井工具降斜鉆進；停泵后，柱塞缸內(nèi)液壓油經(jīng)導(dǎo)向機構(gòu)流回到密閉液壓油腔，活塞和推板收回，活塞環(huán)利用彈簧彈性復(fù)位，環(huán)形泥漿腔內(nèi)泥漿返回鉆具水眼。
【專利說明】
一種機械垂直鉆井工具
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明專利屬于石油鉆井機械領(lǐng)域，具體涉及一種機械垂直鉆井工具，主要應(yīng)用于石油天然氣領(lǐng)域的鉆井防斜、降斜措施?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]鉆井是把地下油氣資源開采到地面的必然途徑。在鉆井過程中，由于高陡斜地質(zhì)構(gòu)造、地層軟硬不均、鉆頭類型及結(jié)構(gòu)、鉆具組合等多種原因，所鉆直井(或直井段)不可能完全垂直或全井井斜為〇°。按照開發(fā)井網(wǎng)部署和井身質(zhì)量標(biāo)準要求，如果井斜超標(biāo)，將根據(jù)合同扣款處罰，嚴重的則必須填井重鉆，造成巨大經(jīng)濟損失。
[0003]在石油鉆井領(lǐng)域，防斜和降斜是一個永恒的研究課題。早期，主要采用鉆鋌、偏重鉆鋌、異形鉆鋌，或者根據(jù)懸臂梁彎曲變形原理，將鉆鋌和穩(wěn)定器組合成不同結(jié)構(gòu)的鉆具組合進行防斜、降斜。如果效果不佳，小鉆壓吊打鉆進，機械鉆度慢，鉆井周期長，鉆井成本高。 二十世紀八十年代以來，多家國外油服公司相繼研制成功了微電子控制垂直鉆井工具，性能可靠，但現(xiàn)場服務(wù)費用昂貴。近幾年，國內(nèi)多家油田企業(yè)和科技院所合作開展與微電子控制相關(guān)的垂直鉆井工具研制工作，其中大慶鉆探鉆井院、渤海鉆探鉆井院和西部鉆探鉆井院等單位研制成功并開始現(xiàn)場試驗，但是，距商業(yè)化應(yīng)用還有一段很長路要走。另外，勝利油田鉆井院研制成功了一種機械垂直鉆井工具，現(xiàn)場試驗其井斜控制精度無法滿足工程要求，尚需改進完善。
[0004]根據(jù)多年鉆井現(xiàn)場經(jīng)驗，本發(fā)明專利提出了一種原理可靠、結(jié)構(gòu)簡單、操作性強、 造價低廉的機械垂直鉆井工具，可有效解決鉆井防斜、降斜問題，具有極大的推廣應(yīng)用價值。
[0005]發(fā)明專利內(nèi)容
[0006]本發(fā)明專利的目的是提供一種機械垂直鉆井工具，用于解決鉆井過程中的防斜、 降斜問題。
[0007]本發(fā)明專利采用如下具體技術(shù)方案實現(xiàn):
[0008]機械垂直鉆井工具由上接頭、傳動軸、外筒、活塞環(huán)、彈簧、軌道蓋、柱塞、推板、下接頭、密封環(huán)、金屬球、U型軌道槽、液壓端殼體組成。
[0009]上接頭、下接頭分別通過螺紋與傳動軸連接成一體，可以傳遞來自上部鉆具的扭矩、拉力和鉆壓。
[0010]傳動軸、外筒、活塞環(huán)和彈簧組成液壓油壓力供應(yīng)系統(tǒng)。其中，外筒與傳動軸之間的液動密封，活塞環(huán)與傳動軸、外筒之間的液動密封，使傳動軸、外筒和活塞環(huán)構(gòu)成了一個環(huán)形泥漿腔。[〇〇11]傳動軸在靠近上接頭一端按照120°均布設(shè)計有三個泥漿通道，用于連通鉆具水眼與環(huán)形泥漿腔。
[0012] 開栗后，鉆具水眼內(nèi)的高壓泥漿通過泥漿通道進入環(huán)形泥漿腔，推動活塞環(huán)下行， 壓縮彈簧，將泥漿壓力轉(zhuǎn)換成液壓油壓力。停栗后，活塞環(huán)利用彈簧彈性復(fù)位，液壓油壓力釋放，環(huán)形泥漿腔中的泥漿通過泥漿通道返回到鉆具水眼內(nèi)。
[0013]高壓泥漿的壓力大小等于井眼底部鉆具內(nèi)、外泥漿壓力的差值，理論上等于鉆頭壓降。根據(jù)活塞環(huán)設(shè)計形狀不同，液壓油壓力可以高于、等于或低于鉆頭壓降，進一步地說， 根據(jù)壓力供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計理念不同，可以制造出適合不同井下條件的機械垂直鉆井工具。
[0014]傳動軸、活塞環(huán)、外筒和液壓端殼體組成密閉液壓油腔，其中，活塞環(huán)與傳動軸、夕卜筒之間是液動密封，液壓端殼體與傳動軸之間也是液動密封，液壓端殼體與外筒之間是螺紋密封。密閉液壓油腔內(nèi)充滿液壓油。
[0015]活塞環(huán)作為中間隔離體將環(huán)形泥漿腔和密閉液壓油腔分開，其上面是環(huán)形泥漿腔，其下面是密閉液壓油腔。
[0016]柱塞、推板和液壓端殼體組成液壓端總成。液壓端殼體按照120°均布設(shè)計三個扶正棱，每個扶正棱根據(jù)需要加工一個或兩個柱塞缸，各扶正棱的柱塞缸通過油道與密閉液壓油腔相通，其內(nèi)安裝柱塞，柱塞再聯(lián)接推板。當(dāng)液壓油通過油道從密閉液壓油腔流入柱塞缸時，柱塞伸出，推動推板支撐在井壁上，井壁反作用力推動垂直鉆井工具降斜鉆進。當(dāng)液壓油通過油道從柱塞缸返回密閉液壓油腔時，柱塞帶動推板收回。
[0017]液壓端殼體與傳動軸之間是液動密封，因此，液壓端總成與傳動軸之間可以自由轉(zhuǎn)動。[〇〇18]軌道蓋、密封環(huán)、金屬球和U型軌道槽組成導(dǎo)向機構(gòu)，是機械垂直鉆井工具的核心機構(gòu)。
[0019]導(dǎo)向機構(gòu)安裝在液壓端殼體的上端面，軌道蓋設(shè)計有液壓油油孔與密閉液壓油腔相通，U型軌道槽環(huán)形底平面按照120°均布設(shè)計三個油孔分別與液壓端殼體上三個扶正棱的柱塞油道相通，因此，液壓油從密閉液壓油腔流入液壓端殼體柱塞缸，必須先由密閉液壓油腔經(jīng)過軌道蓋的油孔流入導(dǎo)向機構(gòu)，再從U型軌道槽環(huán)形底平面的油孔流入柱塞油道，進一步地說，導(dǎo)向機構(gòu)是一個液壓油控制機構(gòu)，根據(jù)控制原理將液壓油注入到所需柱塞缸內(nèi)， 達到有選擇性推出柱塞和推板的目的。
[0020]U型軌道槽是導(dǎo)向機構(gòu)的骨架，其下部通過三個120°均布設(shè)計油孔與液壓端殼體柱塞缸油道相通，其內(nèi)部安裝有密封環(huán)和金屬球，其上部安裝有軌道蓋以保護密封環(huán)和金屬球在U型軌道槽內(nèi)自由移動。
[0021]在導(dǎo)向機構(gòu)內(nèi)部，密封環(huán)是一個馬鞍形結(jié)構(gòu)密封件，其底平面呈圓環(huán)形，寬度與U 型軌道槽底平面寬度相同，其平均密度與液壓油密度相近;金屬球是一個相對密度較大的球體;密封環(huán)跨過金屬球并與金屬球一起放置在U型軌道槽內(nèi)。只要出現(xiàn)井斜，U型軌道槽底平面就是一個斜平面，金屬球在自身重力作用下滾動到U型軌道槽最低邊，從而帶動密封環(huán)移動并關(guān)閉U型軌道槽底平面上一個或兩個油孔，剩余兩個或一個油孔呈開啟狀態(tài)，因此， 當(dāng)液壓油通過導(dǎo)向機構(gòu)流入到柱塞缸時，有且僅有開啟的兩個或一個油孔能夠使液壓油流入柱塞缸，柱塞伸出，推動推板支撐在井壁上，井壁反作用力作用在機械垂直鉆井工具上， 兩個或一個井壁反作用力的矢量和方向恒在150°-210°，進一步地說，導(dǎo)向機構(gòu)的工具面方向恒在150°-210°，推動機械垂直鉆井工具降斜鉆進。
[0022]軌道蓋還可作為彈簧底座用以固定彈簧。
[0023]本發(fā)明專利的有益效果是:在易斜地區(qū)鉆井，將機械垂直鉆井工具安裝在鉆具中近鉆頭部位。只要出現(xiàn)井斜，導(dǎo)向機構(gòu)德爾工具面方向恒在150°-210°，開栗后，鉆具水眼內(nèi)的高壓泥漿經(jīng)傳動軸上泥漿通道進入環(huán)形泥漿腔，推動活塞環(huán)下行，壓縮彈簧，同時壓縮密閉液壓油腔內(nèi)液壓油經(jīng)導(dǎo)向機構(gòu)流入兩個或一個柱塞缸，活塞伸出并推動推板支撐在井壁上，井壁反作用力推動機械垂直鉆井工具降斜鉆進，自動把井斜控制在機械垂直鉆井工具精度范圍內(nèi)，徹底解決井斜問題。停栗后，活塞環(huán)利用彈簧彈性復(fù)位，柱塞缸內(nèi)液壓油經(jīng)導(dǎo)向機構(gòu)流回到密閉液壓油腔，活塞和推板收回，同時，環(huán)形泥漿腔內(nèi)泥漿經(jīng)傳動軸上泥漿通道流回鉆具水眼?！靖綀D說明】
[0024]附圖1是本發(fā)明專利機械垂直鉆井工具的結(jié)構(gòu)示意圖。[〇〇25]附圖標(biāo)記說明:1-上接頭、2-傳動軸、3-外筒、4-活塞環(huán)、5-彈簧、6-軌道蓋、7-柱塞、8-推板、9-下接頭、10-密封環(huán)、11 -金屬球、12-U型軌道槽、13-液壓端殼體?！揪唧w實施方式】
[0026]機械垂直鉆井工具如圖1所示，主要由上接頭(1)、傳動軸(2)、外筒(3)、活塞環(huán) ⑷、彈簧(5)、軌道蓋(6)、柱塞(7)、推板(8)、下接頭(9)、密封環(huán)(10)、金屬球(11)、U型軌道槽(12)、液壓端殼體(13)組成。
[0027]上接頭(1)、下接頭(9)分別通過螺紋與傳動軸(2)連接成一體，可以傳遞來自上部鉆具的扭矩、拉力和鉆壓。
[0028]傳動軸(2)、外筒(3)、活塞環(huán)(4)和彈簧(5)組成液壓油壓力供應(yīng)系統(tǒng)。其中，外筒 (3)與傳動軸(2)之間的液動密封，活塞環(huán)(4)與傳動軸(2 )、外筒(3)之間的液動密封，使傳動軸(2)、外筒(3)和活塞環(huán)(4)構(gòu)成了一個環(huán)形泥漿腔。[〇〇29]傳動軸(2)在靠近上接頭(1)一端按照120°均布設(shè)計有三個泥漿通道，用于連通鉆具水眼與環(huán)形泥漿腔。
[0030] 開栗后，鉆具水眼內(nèi)的高壓泥漿通過泥漿通道進入環(huán)形泥漿腔，推動活塞環(huán)(4)下行，壓縮彈簧(5)，將泥漿壓力轉(zhuǎn)換成液壓油壓力。停栗后，活塞環(huán)(4)利用彈簧彈性復(fù)位，液壓油壓力釋放，環(huán)形泥漿腔中的泥漿通過泥漿通道返回到鉆具水眼內(nèi)。[〇〇31]高壓泥漿的壓力大小等于井眼底部鉆具內(nèi)、外泥漿壓力的差值，理論上等于鉆頭壓降。根據(jù)活塞環(huán)(4)設(shè)計形狀不同，液壓油壓力可以高于、等于或低于鉆頭壓降，進一步地說，根據(jù)壓力供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計理念不同，可以制造出適合不同井下條件的機械垂直鉆井工具。
[0032]傳動軸(2)、活塞環(huán)(4)、外筒(3)和液壓端殼體(13)組成密閉液壓油腔，其中，活塞環(huán)(4)與傳動軸(2)、外筒(3)之間是液動密封，液壓端殼體(13)與傳動軸(2)之間也是液動密封，液壓端殼體(13)與外筒(3)之間是螺紋密封。密閉液壓油腔內(nèi)充滿液壓油。
[0033]活塞環(huán)(4)作為中間隔離體將環(huán)形泥漿腔和密閉液壓油腔分開，其上面是環(huán)形泥漿腔，其下面是密閉液壓油腔。[〇〇34] 柱塞(7 )、推板(8)和液壓端殼體(13)組成液壓端總成。液壓端殼體(13)按照120° 均布設(shè)計三個扶正棱，每個扶正棱根據(jù)需要加工一個或兩個柱塞缸，各扶正棱的柱塞缸通過油道與密閉液壓油腔相通，其內(nèi)安裝柱塞(7)，柱塞(7)再聯(lián)接推板(8)。當(dāng)液壓油通過油道從密閉液壓油腔流入柱塞缸時，柱塞(7)伸出，推動推板(8)支撐在井壁上，井壁反作用力推動垂直鉆井工具降斜鉆進。當(dāng)液壓油通過油道從柱塞缸返回密閉液壓油腔時，柱塞(7)帶動推板(8)收回。
[0035]液壓端殼體(13)與傳動軸(2)之間是液動密封，因此，液壓端總成與傳動軸(2)之間可以自由轉(zhuǎn)動。
[0036]軌道蓋(6)、密封環(huán)(10)、金屬球(11)和U型軌道槽(12)組成導(dǎo)向機構(gòu)，是機械垂直鉆井工具的核心機構(gòu)。
[0037]導(dǎo)向機構(gòu)安裝在液壓端殼體(13)的上端面，軌道蓋(6)設(shè)計有液壓油油孔與密閉液壓油腔相通，U型軌道槽(12)環(huán)形底平面按照120°均布設(shè)計三個油孔分別與液壓端殼體 (13)上三個扶正棱的柱塞(7)油道相通，因此，液壓油從密閉液壓油腔流入液壓端殼體(13) 柱塞缸，必須先由密閉液壓油腔經(jīng)過軌道蓋(6)的油孔流入導(dǎo)向機構(gòu)，再從U型軌道槽(12) 環(huán)形底平面的油孔流入柱塞(7)油道，進一步地說，導(dǎo)向機構(gòu)是一個液壓油控制機構(gòu)，根據(jù)控制原理將液壓油注入到所需柱塞缸內(nèi)，達到有選擇性推出柱塞(7)和推板(8)的目的。 [〇〇38] U型軌道槽(12)是導(dǎo)向機構(gòu)的骨架，其下部通過三個120°均布設(shè)計油孔與液壓端殼體(13)柱塞缸油道相通，其內(nèi)部安裝有密封環(huán)(10)和金屬球(11 )，其上部安裝有軌道蓋 (6)以保護密封環(huán)(10)和金屬球(11)在U型軌道槽(12)內(nèi)自由移動。
[0039]在導(dǎo)向機構(gòu)內(nèi)部，密封環(huán)(10)是一個馬鞍形結(jié)構(gòu)密封件，其底平面呈圓環(huán)形，寬度與U型軌道槽(12)底平面寬度相同，其平均密度與液壓油密度相近;金屬球(12)是一個相對密度較大的球體;密封環(huán)(10)跨過金屬球(11)并與金屬球(11)一起放置在U型軌道槽(12) 內(nèi)。只要出現(xiàn)井斜，U型軌道槽(12)底平面就是一個斜平面，金屬球(11)在自身重力作用下滾動到U型軌道槽(12)最低邊，從而帶動密封環(huán)(10)移動并關(guān)閉U型軌道槽(12)底平面上一個或兩個油孔，剩余兩個或一個油孔呈開啟狀態(tài)，因此，當(dāng)液壓油通過導(dǎo)向機構(gòu)流入到柱塞缸時，有且僅有開啟的兩個或一個油孔能夠使液壓油流入柱塞缸，柱塞(7)伸出，推動推板 (8)支撐在井壁上，井壁反作用力作用在機械垂直鉆井工具上，兩個或一個井壁反作用力的矢量和方向恒在150°-210°，進一步地說，導(dǎo)向工具的工具面方向恒在150°-210°，推動機械垂直鉆井工具降斜鉆進。
[0040]軌道蓋(6)還可作為彈簧(5)底座用以固定彈簧(5)。[〇〇41 ] 實施例1
[0042]在易斜地區(qū)鉆井，將機械垂直鉆井工具安裝在鉆具中近鉆頭部位。只要出現(xiàn)井斜， 導(dǎo)向機構(gòu)的工具面方向恒在150°-210°，開栗后，鉆具水眼內(nèi)的高壓泥漿經(jīng)傳動軸(2)上泥漿通道進入環(huán)形泥漿腔，推動活塞環(huán)(4)下行，壓縮彈簧(5)，同時壓縮密閉液壓油腔內(nèi)液壓油經(jīng)導(dǎo)向機構(gòu)流入兩個或一個柱塞缸，活塞(7)伸出并推動推板(8)支撐在井壁上，井壁反作用力推動機械垂直鉆井工具降斜鉆進，自動把井斜控制在機械垂直鉆井工具精度范圍內(nèi)，徹底解決井斜問題。停栗后，活塞環(huán)(4)在彈簧(5)彈性作用下復(fù)位，柱塞缸內(nèi)液壓油經(jīng)導(dǎo)向機構(gòu)流回到密閉液壓油腔，活塞(7)和推板(8)收回，同時，環(huán)形泥漿腔內(nèi)泥漿經(jīng)傳動軸 (2)上泥漿通道流回鉆具水眼。[〇〇43]以上對本發(fā)明專利的說明僅是優(yōu)選范例，并不能被理解為對本發(fā)明專利技術(shù)方案內(nèi)容的限制。以上內(nèi)容在具體應(yīng)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(yīng)落入本發(fā)明專利所附權(quán)利要求的保護范圍之中。
【主權(quán)項】
1.一種機械垂直鉆井工具，其特征在于:機械垂直鉆井工具主要由上接頭(1)、傳動軸 (2)、外筒(3)、活塞環(huán)(4)、彈簧(5)、軌道蓋(6)、柱塞(7)、推板(8)、下接頭(9)、密封環(huán)(10)、 金屬球(11)、U型軌道槽(12)和液壓端殼體(13)組成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械垂直鉆井工具，其特征在于:上接頭(1)、下接頭(9) 分別通過螺紋與傳動軸(2)連接成一體，可以傳遞來自上部鉆具的扭矩、拉力和鉆壓，而且， 傳動軸(2)與外筒(3)和液壓端殼體(13)之間是液動密封，可以自由轉(zhuǎn)動。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械垂直鉆井工具，其特征在于:傳動軸(2)、外筒(3)、活 塞環(huán)(4)和彈簧(5)組成液壓油壓力供應(yīng)系統(tǒng);傳動軸(2)、外筒(3)和活塞環(huán)(4)構(gòu)成一個環(huán) 形泥漿腔;傳動軸(2)上三個120°均布設(shè)計泥漿通道用于連通鉆具水眼與環(huán)形泥漿腔;液壓 油壓力來自鉆具水眼內(nèi)的高壓泥漿壓力。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械垂直鉆井工具，其特征在于:傳動軸(2)、活塞環(huán)(4)、 外筒(3)和液壓端殼體(13)組成密閉液壓油腔，密閉液壓油腔內(nèi)充滿液壓油。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械垂直鉆井工具，其特征在于:柱塞(7)、推板(8)和液 壓端殼體(13)組成液壓端總成;液壓端殼體(13)按照120°均布設(shè)計三個扶正棱，每個扶正 棱根據(jù)需要加工一個或兩個柱塞缸，各扶正棱上的柱塞缸均通過油道與密閉液壓油腔相 通，其內(nèi)安裝柱塞(7)，柱塞(7)再聯(lián)接推板(8)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械垂直鉆井工具，其特征在于:軌道蓋(6)、密封環(huán)(10)、金屬球(11)和U型軌道槽(12)組成機械垂直鉆井工具的導(dǎo)向機構(gòu);軌道蓋(6)設(shè)計有 液壓油油孔與密閉液壓油腔相通，U型軌道槽(12)環(huán)形底平面設(shè)計有油孔與液壓端殼體 (13)上的柱塞(7)油道相通，因此，密閉液壓油腔內(nèi)的液壓油必須經(jīng)過導(dǎo)向機構(gòu)才能流入液 壓端殼體(13)的柱塞缸內(nèi)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械垂直鉆井工具，其特征在于:U型軌道槽(12)是導(dǎo)向 機構(gòu)的骨架，其下部通過三個120°均布設(shè)計油孔與液壓端殼體(13)柱塞缸油道相通，其內(nèi) 部安裝有密封環(huán)(10)和金屬球(11)，其上部安裝有軌道蓋(6)以保護密封環(huán)(10)和金屬球(11)在U型軌道槽(12)內(nèi)自由移動。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械垂直鉆井工具，其特征在于:密封環(huán)(10)是一個馬鞍 形結(jié)構(gòu)密封件，金屬球(12)是一個相對密度較大的球體，密封環(huán)(10)跨過金屬球(11)并與 金屬球(11)一起放置在U型軌道槽(12)內(nèi)；只要出現(xiàn)井斜，金屬球(11)在自身重力作用下滾 動到U型軌道槽(12)最低邊，從而帶動密封環(huán)(10)移動并關(guān)閉U型軌道槽(12)底平面上一個 或兩個油孔，剩余兩個或一個油孔呈開啟狀態(tài)；當(dāng)液壓油通過導(dǎo)向機構(gòu)流入到柱塞缸時，有 且僅有開啟的兩個或一個油孔能夠使液壓油流入柱塞缸，由此所產(chǎn)生的兩個或一個井壁反 作用力的矢量和方向恒在150°-210°，進一步地說，導(dǎo)向機構(gòu)工具面方向恒在150°-210°。
【文檔編號】E21B21/00GK106089085SQ201610679942
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月10日 公開號201610679942.6, CN 106089085 A, CN 106089085A, CN 201610679942, CN-A-106089085, CN106089085 A, CN106089085A, CN201610679942, CN201610679942.6
【發(fā)明人】裴緒建
【申請人】裴緒建