CN101451425A

CN101451425A - 一种适用于气体钻井的分流式自动垂直钻井工具

Info

Publication number: CN101451425A
Application number: CNA2007101161104A
Authority: CN
Inventors: 赵金海; 唐波; 唐代绪; 韩来聚
Original assignee: Drilling Technology Research Institute of Sinopec Shengli Petroleum Administration Bureau
Current assignee: Drilling Technology Research Institute of Sinopec Shengli Petroleum Administration Bureau
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2009-06-10

Abstract

一种适用于气体钻井的分流式自动垂直钻井工具，是一种用于油气井钻井工程的防斜钻井工具，由上接头、壳体、下接头、心管、调整垫片、承轴、挡板、配重、导流器、分流器及阀门几大部分组成，其特征是：上接头、壳体及下接头螺纹联接，调整垫片、承轴、挡板、配重及导流器串于心管上，分流器螺钉固定于心管内，阀门固定壳体上。本分流式自动垂直钻井工适用范围广，更换阀门可以调节喷射直径，以此调节喷射气流流产生的反作用力；操作方便，采用重力感应井斜原理进行自动感应及自动纠斜，不需增加任何操作；结构简单、稳定性好，采用机械式结构，使用过程中性能发挥稳定，工作寿命长。

Description

一种适用于气体钻井的分流式自动垂直钻井工具

技术领域

本发明涉及的是钻井工程所用的一种适用于气体钻井的分流式自动垂直钻井工具。

背景技术

现有技术中此类垂直钻井工具已有以下专利文献予以批露。

中国专利说明书CN 2431393Y(2001年5月23日公开)描述了机电液一体化自动垂直钻井工具，该钻井工具能够在井斜时，进行自动探测倾斜情况，并使钻头上自动产生一个附加的降斜力。该钻井装置设有固定导向套，其内设有钻柱及探测控制装置，探测控制装置与电磁换向阀控制连接，导向液压缸嵌设于固定导向套内靠近钻头的部位，导向活塞伸于固定导向套的外壁。

中国专利说明书CN 1519455A(2004年8月11日公开)描述了一种垂直钻井防斜装置，它至少包括一段钻铤和固定在钻铤上的偏心稳定器，所述的偏心稳定器分别固定在钻铤两端，在钻铤的外圆表面上还装有偏心块。该发明结构简单，钻井时能够在满足钻头破岩所需的钻压前提下有效地将井斜控制在允许范围内，实现复杂地层钻进防斜打快的目标。

中国专利说明书CN 1676862A(2005年10月5日公开)描述了一种机械式自动垂直钻井工具，其原理是适时感应井斜的重力信号，由重力驱动机构，建立钻柱内外高低压流体间的通道，利用二者间的压差，驱动活塞适时推靠井壁高边。该发明在实现主动、适时防斜的同时，还能够有效解放钻压，大幅提高钻速和井眼质量，降低施工风险，本发明具有结构简单、可靠、适用多种钻井平台、加工制造和使用维护成本低等特点。

井斜问题始终困挠着钻井工程师们，造成井斜的原因较多，但主要有三大原因。

第一个原因是地下的原因：即地质方面的因素，沉积地层由于存在层状结构、地层倾角、断层、软硬交错等，且不同方向的物性和强度又有差异，使钻头在井底面非均匀切削而不平衡钻进，导致近钻头处钻具发生弯曲，从而使钻压偏离原井眼轴线。

第二个原因是地面的原因：即地面所配的下部钻具组合和所施加的钻井参数对井眼偏斜有影响，对于给定的下部钻具组合，钻井参数中钻压和转速是主要因素，在铅垂段钻进中，下部钻具组合在一定的钻压下会发生弯曲变形，钻柱的弯曲使钻压作用方向偏离了钻头处原井眼轴线，从而导致井眼偏斜。

第三个原因是由钻井施工过程中的操作引起井斜。

为解决这个问题，国内、外专家就钻柱力学、钻头设计、钻井参数优化等做了大量的研究，同时也设计了多种垂直钻井工具及垂直钻井系统，例如如上述专利提到的垂直钻井工具，这些工具已经或将为垂直钻井施工起到重要作用，国外Baker Hughes公司推出了VertiTrak系统，Schlumberger公司推出了PowerV系统，这些系统已经在钻井施工中发挥了重要作用。

如上文献中所述的各类垂直钻井工具或垂直钻井系统，都有着各自的优点，但也存在各自的局限性，以上工具都只适用于泥浆钻井，在气体钻井过程中，气柱压力、泵压、钻压内外压差都较低，很难以此压力开启垂直钻井工具的推靠机构。随着气体钻井技术的发展，气体钻井斜发生井斜后很难控制，因此亟需一种可以适用于气体钻井的垂直钻井工具，以控制井身质量。

发明内容

为克服已有技术存在的不足，本发明提供了一种适用于气体钻井的分流式自动垂直钻井工具，由上接头、壳体、下接头、心管、调整垫片、承轴、挡板、配重、导流器、分流器及阀门几大部分组成，其特征是：上接头、壳体及下接头螺纹联接，调整垫片、承轴、挡板、配重及导流器串于心管上，分流器螺钉固定于心管内，阀门固定壳体上。

本发明的目的在于提供一种适用范围广、操作方便、结构简单、稳定性好、使用寿命长的分流式自动垂直钻井工具。

本发明还采用如下技术方案：

上接头、下接头为管状结构，两端部匀有螺纹，分别与其它钻具及壳体螺纹联接；壳体上开有喷射槽，来引导气流，并在喷射孔内装有有单向阀门；心管上端部位于上接头内，下端部位于下接头内，中部通过挡板及轴承、导流器上固定，心管上开有一弧长形分流孔，用于分流气体。配重为一扇柱结构，以焊接方式固定于心管上；导流器通过螺钉固定于壳体上，且导流器上均布有导流孔，上部与轴承相接；分流器通过螺钉固定于壳体内部，斜面正对心管上分流孔

本垂直钻井工具有如下优点：

1、适用范围广，更换阀门可以调节喷射直径，调节喷射流产生的反作用力；

2、操作方便，采用重力感应井斜原理进行自动感应及自动纠斜，不需增加任何操作；

3、结构简单、稳定性好，采用机械式结构，使用过程中性能发挥稳定。

附图说明：

图1本发明专利结构示意图

图2A-A视图

图3B-B视图

附图说明：

1.上接头 2.壳体 3.下接头 4.心管

5.调整垫片 6.轴承 7.挡板 8.配重

9.导流器 10.分流器 11.阀门 12.喷射槽

13.导流孔 14.分流孔

具体实施方式

现结合图1、图2及图3对本发明做进一步的描述。本适用于气体钻井的分流式自动垂直钻井工具基于气体动力学原理、流固耦合分析方法，利用分流气体方法，将分流喷射的反作用力调节钻头侧向力，实现自动感应井斜及纠斜，达到垂直钻井施工的目的。

当采用本发明进行直井钻井施工时，计算所需喷身孔直径，并选择阀门11。按图1进行装配，轴承6分别装于挡板7两侧，并与心管4过盈配合，配重8以焊接方式固定于心管4的两挡板7中间，且配重8与心管4上分流孔14环向相差180°，导流器9用螺钉固定于心管4内，且斜面正对心管4上分流孔14，分流器10以螺钉固定于壳体2上，且其上的导流孔13与壳体上的喷射槽12相对齐，调整垫片5安装于心管4上部，起到调整及保持轴承的作用。在将上接头1、壳体2及下接头3螺纹联接前，对轴承6、及心管4两端加上润滑脂，垂直钻井工具装配好后安装在钻具组合中，且尽量靠进钻头。

当井斜小于2°时，心管4与轴承、导流器9、上接头1、下接头3之间的环向摩擦力使配生8保持一恒定位置，配生8随着钻柱的转动而转动，若气流通道壳体2的喷射槽12、导流器9的导流孔13及心管4的分流孔14联通，则气流随着钻柱的转动而转动喷射，若以上气流通道没有联通，则不会有气流流入环空，这两总情况下自动垂直钻井工具起到了稳斜的作用。

当井斜大于2°时，钻柱转动时，心管4与轴承、导流器9、上接头1、下接头3之间的环向摩擦力已不能使配生8保持一恒定位置，配重8受重力作用影响，始终自动保持于低边，心管4上的分流孔14始终自动指向高边，随着钻柱转动，壳体2的喷射槽12、导流器9的导流孔13及心管4的分流孔14联通时，通过分流器10将部分气体分向通过分流孔14、导流孔13、阀门11及喷射槽12直接喷向井眼高边，在气流喷射时的反作用力作用下，将近钻头钻具保持于井眼低边，使钻头产生降斜力，实现自动垂直钻井。

壳体2上所装阀门11为单向阀，不仅具有调节喷射口大小的作用，而且能在起、下钻停止循环时防止井眼内杂质进入垂直钻井工具。导流器9的导流孔13及壳体2喷射槽12均朝斜上方向，如此设计不仅能在喷射时产生反作用力，而且有助于气体携岩作用。心管4两端分别插入上接头1及下接头2一段，并存在一定量的间隙，间隙中加入润滑脂，不仅可以减小心管4转动摩擦力，而且起来了很好的密封轴承6的作用，保证轴承6的工作性能和提高其的工作寿命。

如图2所示，配重8为一扇形柱体，其内侧与心管4焊接固定，外侧与壳体存在一定间隙，以此来实现配重8在发生井斜时自动始终保于井眼低边。

如图3所示，壳体2均布四个喷射槽12，导流器9均布四个导流孔，它们呈相通状态，但心管4上的分流孔14只能与其中一个相通，钻柱转动时为延长分流孔14与导流孔13相通时间，分流孔14为环向长孔。

整个适用于气体钻井的分流式自动垂直钻井工具结构简单、操作方便、适用范围广、性能可靠，是一种理想的适用于油气井钻井工程的垂直钻井工具。

Claims

1、一种适用于气体钻井的分流式自动垂直钻井工具，由上接头(1)、壳体(2)、下接头(3)、心管(4)、调整垫片(5)、承轴(6)、挡板(7)、配重(8)、导流器(9)、分流器(10)及阀门(11)几大部分组成，其特征是：上接头(1)、壳体(2)及下接头(3)螺纹联接，调整垫片(5)、承轴(6)、挡板(7)、配重(8)及导流器(9)串于心管(4)上，分流器(10)螺钉固定于心管(4)内，阀门(11)固定壳体(2)上。

2、按照权利要求1所述的一种适用于气体钻井的分流式自动垂直钻井工具，其特征是上接头(1)、下接头(3)为管状结构，两端部都有螺纹，分别与其它钻具及壳体(2)螺纹联接。

3、按照权利要求1所述的一种适用于气体钻井的分流式自动垂直钻井工具，其特征是壳体(2)布有喷射槽(12)，并装有阀门(11)。

4、按照权利要求1所述的一种适用于气体钻井的分流式自动垂直钻井工具，其特征是心管(4)上端部位于上接头(1)内，下端部位于下接头(2)内，中部通过挡板(5)及轴承(6)、导流器(9)固定，心管(4)上开有一弧长形分流孔(14)。

5、按照权利要求1所述的一种适用于气体钻井的分流式自动垂直钻井工具，其特征是配重(8)为一扇形柱结构，以焊接方式固定于心管(4)上，其环向位置与心管(4)上的分流孔(14)相位差180°。

6、按照权利要求1所述的一种适用于气体钻井的分流式自动垂直钻井工具，其特征是导流器(9)上均布有导流孔(13)，并通过螺钉固定于壳体(2)上，上部与轴承(6)相接。

7、按照权利要求1所述的一种适用于气体钻井的分流式自动垂直钻井工具，其特征是分流器(10)通过螺钉固定于壳体(2)内部，斜面正对心管(4)上分流孔(14)。