CN101566044B - 一种利用空气动力学的自动垂直钻井工具 - Google Patents

Abstract

一种利用空气动力学的自动垂直钻井工具，由心管、偏心外筒、下接头、密封环、钢珠、密封螺钉几大部分组成，其特征是：由心管、下接头螺纹联接，偏心外筒套于心管上，钢珠分布于心管及偏心外筒间，当井斜产生时，该自动垂直钻井工具偏心外筒在重力的作用下，将偏心外筒较重一侧偏向井眼低侧，根据高速上的返气流作用于工具的上、下两侧形成压差，产生推靠力，传递给钻头侧向力，以实现气体钻井自动纠斜，达到气体钻井自动垂直钻井目的。该自动垂直钻井工具操作方便，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

一种利用空气动力学的自动垂直钻井工具

技术领域

本发明涉及的是钻井工程所用的一种利用空气动力学的自动垂直钻井工具。

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，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，以及气体动力学研究的深入，如何利用气体动力学的特点来实现气体垂直钻井，以控制井身质量。

发明内容

为克服已有技术存在的不足，本发明提供了一种利用气体动力学的自动垂直钻井工具，由心管、偏心外筒、下接头、密封环、钢珠、密封螺钉几大部分组成，其特征是：由心管、下接头螺纹联接，偏心外筒套于心管上，钢珠分布于心管及偏心外筒间。

本发明的目的在于提供一种操作方便、结构简单、稳定性好、使用寿命长的自动垂直钻井工具。

本发明还采用如下技术方案：

心管、下接头为管状结构，两端部都有螺纹，分别与其它钻具螺纹联接；心管台肩处、偏心外筒上、下端部及下接头上端台肩处均开有密封槽，槽内安装密封环，起密封心管及偏心外筒的润滑空间；心管外部及偏心外筒内部及分布有多个圆弧槽，并相匹配，在圆弧槽内装有钢珠，以实现偏心外筒与心管为滚动摩擦，保证偏心外筒在重力作用下可以将较重一侧转至井眼低侧；偏心外筒圆弧槽上开有一注油孔，该注油孔不仅有注润滑油的功能，而且在装配时可以从此孔装入钢珠，在注油孔外侧安装有密封螺钉；偏心外筒的横向截面轮廓线由椭圆弧段、圆弧段组成，纵向对称面截面外轮廓线类似于机翼横截面轮廓线，以此外形可以利用井底高速气流产生向井眼低边的推靠向力，实现自动垂直钻井。

本垂直钻井工具有如下优点：

1、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；

2、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2剖视图视图

图3安装及流线示意图

附图说明：

1.心管    2.偏心外筒    3.下接头    4.密封环

5.钢珠    6.密封螺钉

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。利用空气动力学的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，利用环空上返气流推动偏心流线型垂直钻井工具，产生推靠力，实现自动感应井斜及纠斜，达到垂直钻井施工的目的。

装配该自动垂直钻井工具时，将心管1、偏心外筒2、密封环4及下接头3依次按图1装配，再从偏心外筒2上的注油孔装入钢珠5，为保证钢珠充满心管1、偏心外筒2间的环形槽，边装入钢珠5边转动偏心外筒2，然后向注油孔内注入润滑油并安装密封螺钉6。

当采用本发明进行直井钻井施工时，根据气体动力学、工具偏心外筒的外形轮廓及钻井施工要求计算并调整气体排量及气压，配制钻具组合，原则是该自动垂直钻井工具尽量靠近钻头，并在该自动垂直钻井工具上部安装稳定器，以保证该工具不与井壁相接触。

当井斜小于2°时，由于密封环4、滚动轴承存在一定摩擦力，此时偏心外筒上的偏重一侧的偏向是不确定的、随机的，此时上返气流作用下对该工具产生的推靠力不稳定，因此该自动垂直钻井工具不会产生恒定一侧的推靠力，不影响正常钻进。

当井斜大于2°时，钻柱转动时，由于自动垂直钻井工具的外筒是偏心的，如图2所示，在重力作用下，较重的一侧会转向井眼的低侧，如图3所示，此时在井斜平面内，工具的轮廓线为一类似于机翼横截面，在高速气流的作用下，会在该工具的低侧形成一个低压区，在工具的上侧形成一个高压区，其气体流线如图3所示，在压差的作用下，在工具上形成一个向低边的推靠力，此力在钻头上形成向井眼低侧的侧向力。钻柱钻动时，偏心外筒保持该方向上，推靠力、侧向力始终指向井眼低侧，以此实现自动纠斜，达到垂直钻井的目的。

图2描述的是该自动垂直钻井工具不同位置A、B、C，分别位于偏心外筒上部、中部及下部的截面A-A、B-B、C-C，其中B-B该偏心外筒截面积最大部分，但该截面并非位于偏心外筒的正中间，而是偏下部分，如此设计目的在于模拟机翼横向截面形状。这三个截面处于不同位置，但其形状相似，均由一段椭圆弧与三段圆弧组成，该截面形状设计目的在于既能形成一定的偏心，又能产生一个较为平坦的面，以利于高速上返气体在该侧形成一个受力面。

图3描述的是在自动垂直钻井工具安装位置及在气体流场流线示意，从图中可以看出，为保证该工具不与井壁相接触，在工具的上部安装有稳定器。该工具对钻头形成的侧向力实际上是由两部分构成：第一部分，是由于工具是偏心的，较重的一侧偏向井眼低侧，传递给钻头向井眼低边的侧向力；第二部分，是如上所述由于上返气流作用形成的压差，压差的作用使得井工具受到一个向下的推靠力，并传递给钻头向井眼低侧的侧向力。

整个利用空气动力学的自动垂直钻井工具结构简单、操作方便、性能可靠，是一种理想的适用于油气井气体钻井工程的垂直钻井工具。

Claims (5)

1.一种利用空气动力学的自动垂直钻井工具，由心管(1)、偏心外筒(2)、下接头(3)、密封环(4)、钢珠(5)、密封螺钉(6)几大部分组成，其特征是：由心管(1)、下接头(3)螺纹联接，偏心外筒(2)套于心管(1)上，钢珠(5)分布于心管(1)及偏心外筒(2)间，其中偏心外筒(2)的横向截面轮廓线由椭圆弧段、圆弧段组成，纵向对称面外轮廓线类似于机翼横截面轮廓线。

2.按照权利要求1所述的一种利用空气动力学的自动垂直钻井工具，其特征是心管(1)、下接头(3)为管状结构，两端部都有螺纹，分别与其它钻具螺纹联接。

3.按照权利要求1所述的一种利用空气动力学的自动垂直钻井工具，其特征是心管(1)台肩处、偏心外筒(2)上、下端部及下接头(3)上端台肩处均开有密封槽，槽内安装密封环(4)。

4.按照权利要求1所述的一种利用空气动力学的自动垂直钻井工具，其特征是心管(1)外部及偏心外筒(2)内部分别分布有圆弧槽，并相匹配，在圆弧槽内装有钢珠(5)。

5.按照权利要求1所述的一种利用空气动力学的自动垂直钻井工具，其特征是偏心外筒(2)上开有注油孔，并配有密封螺钉(6)。

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