主动式钻头导向器
技术领域
本发明涉及一种钻头导向器,具体地说是一种钻井用的主动式钻头导向器。
背景技术
在钻头钻井过程中,为了防止钻头偏斜,保证井筒的垂直度,必须在钻头上方大约(1.2~1.5)D处安装钻头导向器(其中D为钻头直径)。由于导向器必须随钻头连续下移,因此,导向器不能支撑在井壁上,通常,导向器的直径控制在小于钻头直径80~100mm范围内。现有的导向器有两种结构形式,均为整体式结构。第一种是随钻头一起转动的导向器,称为旋转式钻头导向器,适用于小直径钻井,其结构如图1和图2所示,主要由导向母体1、支撑臂2、导向围裙3和导向板4组成。该导向器随钻头一起转动,随着钻井直径加大,导向器外围速度很大,导向板磨损严重,通常两个月就要更换,而更换一次需要至少两天时间,严重影响工期。第二种是不随钻头转动的导向器,称为浮动式钻头导向器,适用于大直径钻井,其结构如图3和图4所示,主要由导向体6、轴承5、上座圈7、下座圈10、固定臂8、加长臂9和导向板4等组成。该导向器中装有轴承,因此,理论上说,导向器不随钻头转动(只有导向体7随钻头一起转动),但实际上,由于导向器直径小于钻头直径,导向器与井壁并不接触,而是处于浮动状态。
不论是旋转式钻头导向器还是浮动式钻头导向器,由于其不与井壁接触,致使钻头摆动不定,因此其防偏斜能力有限,随着钻井直径和钻井深度不断加大,导向器的防偏斜能力越来越差,尤其是超大直径钻井,井筒垂直度控制非常困难。而当井筒垂直度超标时,为了保证井筒净直径的要求,必须进一步加大钻井直径,这将会额外加大钻井工程量,加大壁后充填量,进而造成极大的浪费,并且延误工期。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷,提供一种主动式钻头导向器,在钻井过程中,该主动式钻头导向器始终支撑在井壁上,从而减小钻头的摆动,提高井筒的垂直度。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:在导向体上安装轴承,轴承外侧安装外座圈,外座圈下部外侧安装滑套,滑套可以在外座圈上滑动;外座圈上部外侧安装上导向架;滑套外侧安装下导向架;上导向架中有滑槽,滑槽中安装上滑板,上滑板外端焊有上导向板,上滑板外伸带动上导向板支撑在井壁上;下导向架中有滑槽,滑槽中安装下滑板,下滑板外端焊有下导向板,下滑板外伸带动下导向板支撑在井壁上;上导向架与下导向架之间安装升降液压缸;本发明工作时,上导向架撑紧在井壁上,下导向架在升降液压缸作用下向下移动,然后下导向架撑紧在井壁上,上导向架在升降液压缸作用下向下移动,从而使整个导向器随钻头不断下移。
优选地,外座圈上部外侧沿圆周均匀分布6个上导向架,上导向架与外座圈焊接在一起。
优选地,滑套外侧沿圆周均匀分布6个下导向架,下导向架与滑套焊接在一起。
优选地,上导向架与下导向架的焊接位置一致。
优选地,上导向架中滑槽的形状为倒“T”字型,滑槽中安装上液压缸,液压缸一端与上导向架铰接,另一端与上滑板铰接,活塞杆伸缩带动上滑板在滑槽中滑动。
优选地,下导向架中滑槽的形状为倒“T”字型,滑槽中安装下液压缸,液压缸一端与下导向架铰接,另一端与下滑板铰接,活塞杆伸缩带动下滑板在滑槽中滑动。
优选地,为了防止上导向架与下导向架发生错位,滑套与外座圈花键连接,进一步地,为了方便花键加工,滑套与外座圈采用四齿花键连接。
优选地,上滑板为框形结构,上液压缸安装在上滑板中间;下滑板也为框形结构,下液压缸安装在下滑板中间。
下面说明本发明的工作过程,假设开始状态为上液压缸活塞杆伸出带动上导向板支撑在井壁上,下液压缸缩回,升降液压缸缩回:步骤一,升降液压缸活塞腔进液,活塞杆伸出,带动下导向架向下移动,至活塞杆全部伸出;步骤二,下液压缸活塞腔进液,活塞杆伸出,带动下滑板和下导向板外伸撑紧在井壁上;步骤三,上液压缸活塞杆腔进液,活塞杆缩回,带动上滑板和上导向板一起缩回脱离井壁;步骤四,升降液压缸活塞腔与活塞杆腔串接并接油箱,活塞处于浮动状态,上导向架随钻头缓慢下移,带动升降液压缸活塞杆缓慢缩回,至活塞杆全部缩回为止;步骤五,上液压缸活塞腔进液,活塞杆伸出,推动上滑板和上导向板外伸撑紧在井壁上;步骤六,下液压缸活塞杆腔进液,活塞杆缩回,带动下滑板和下导向板一起缩回脱离井壁,回到初始状态,开始下一个循环。
在上述工作过程中,起主要支撑作用的是下液压缸,按正常钻进速度计算,其在一个工作循环中至少支撑在井壁上达10h左右,而上液压缸支撑在井壁上的时间不超过1min。
需要指出的是,当上导向板撑紧在井壁上时,上导向架仍在随钻头缓慢下移,这将导致上导向架和上滑板产生弯矩,严重时将导致上导向架或上滑板损坏。为了解决这一问题,采取如下措施:在垂直方向,加大上导向架与上滑板之间的间隙。根据钻头最大钻进速度以及升降液压缸和下液压缸动作时间计算得知,对于10m直径的钻头,上滑板与上导向架之间可能的最大垂直位移为4mm,为了安全起见,将上导向架与上滑板之间的垂直间隙设定为6mm,经模拟试验,该间隙完全满足要求。对于其它直径的钻头,上导向架与上滑板之间的垂直间隙需根据计算值确定。对于上导向架与上滑板之间的水平间隙以及下导向架与下滑板之间的垂直间隙和水平间隙,按常用机构运动间隙确定。
本发明的有益效果是,采用上述结构的主动式钻头导向器,在钻井过程中,导向器能够始终支撑在井壁上,可以减小钻头的摆动,提高井筒的垂直度,进而在相同井筒净直径的要求下,可以减小钻井直径,减少钻井工程量,减少壁后充填量,提高钻井速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是现有旋转式钻头导向器的结构图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是现有浮动式钻头导向器的结构图。
图4是图3的B-B剖视图。
图5是本发明主动式钻头导向器的结构图。
图6是图5的C-C剖视图。
图7是图6的D-D剖视图。
图8是图6的E-E剖视图。
图9是图6的F-F剖视图。
图10是图5中上滑板的结构图。
图11是本发明主动式钻头导向器的液压系统图。
图中1.导向母体,2.支撑臂,3.导向围裙,4.导向板,5.轴承,6.导向体,7.上座圈,8.固定臂,9.加长臂,10.下座圈,11.轴承盖,12.螺钉,13.弹簧垫圈,14.平垫圈,15.上导向架,16.上液压缸,17.升降液压缸,18.滑套,19.下导向架,20.下液压缸,21.外座圈,22.上导向板,23.上滑板,24.下导向板,25.下滑板,26.二位四通电磁换向阀,27、35.三位四通电磁换向阀,28.单向节流阀,29、30、33、36、37.压力继电器,31、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50.分流集流阀,32.液控单向阀,34.行程开关,38.先导型电磁溢流阀,39.液压泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
参看图5、图6、图7及图8,在导向体(6)上安装两个轴承(5),轴承(5)外侧安装外座圈(21),外座圈(21)下部外侧安装滑套(18),滑套(18)可以在外座圈(21)上滑动;外座圈(21)外侧沿圆周均匀分布6个上导向架(15),上导向架(15)与外座圈(21)焊接在一起;滑套(18)外侧沿圆周均匀分布6个下导向架(19),下导向架(19)与滑套(18)焊接在一起;上导向架(15)中有滑槽,滑槽中安装上滑板(23),上滑板(23)外端焊有上导向板(22),上滑板(23)外伸带动上导向板(22)支撑在井壁上;下导向架(19)中有滑槽,滑槽中安装下滑板(25),下滑板(25)外端焊有下导向板(24),下滑板(25)外伸带动下导向板(24)支撑在井壁上;升降液压缸(17)的缸体与上导向架(15)铰接,活塞杆与下导向架(19)铰接;轴承盖(11)通过螺钉(12)、弹簧垫圈(13)和平垫圈(14)与外座圈(21)固定在一起。
进一步地,上导向架(15)与下导向架(19)的安装位置一致。
进一步地,上导向架(15)中滑槽的形状为倒“T”字型,滑槽中安装上液压缸(16),上液压缸(16)的缸体与上导向架(15)铰接,活塞杆与上滑板(23)铰接,活塞杆伸缩带动上滑板(23)在滑槽中滑动。
进一步地,下导向架(19)中滑槽的形状为倒“T”字型,滑槽中安装下液压缸(20),下液压缸(20)的缸体与下导向架(19)铰接,活塞杆与下滑板(25)铰接,活塞杆伸缩带动下滑板(25)在滑槽中滑动。
参看图7及图8,上导向架(15)与上滑板(23)之间的垂直间隙为δ,δ的值需根据钻头最大钻进速度以及升降液压缸(17)和下液压缸(20)的动作时间计算确定,对于10m直径的钻头,δ为6mm;上导向架(15)与上滑板(23)之间的水平间隙,应根据常用机构运动间隙确定;下导向架(19)与下滑板(25)之间的水平间隙和垂直间隙,按常用机构运动间隙确定。
进一步地,外座圈(21)与滑套(18)之间可以采用简化的花键结构,如图9所示,采用四齿矩形花键,有利于花键的加工。
进一步地,参看图10,上滑板(23)为框形结构,上液压缸(16)安装在上滑板(23)中间;下滑板(25)也为框形结构,下液压缸(20)安装在下滑板(25)中间。
参看图11、图5及图6,假设开始状态为上液压缸(16)的活塞杆伸出使上导向板(22)撑紧在井壁上,下液压缸(20)的活塞杆缩回,升降液压缸(17)的活塞杆缩回,则本发明的工作过程如下:步骤一,二位四通电磁换向阀26的电磁铁1DT得电,升降液压缸(17)活塞腔进液,活塞杆伸出,带动下导向架(19)向下移动,活塞杆全部伸出后活塞腔压力上升,达到压力继电器29的设定压力时,给出信号,使三位四通电磁换向阀27的电磁铁4DT得电;步骤二,三位四通电磁换向阀27的电磁铁4DT得电,下液压缸(20)活塞腔进液,活塞杆伸出,带动下滑板(25)和下导向板(24)外伸撑紧在井壁上,活塞腔压力上升,达到压力继电器30的设定压力时,给出信号,使三位四通电磁换向阀27的电磁铁4DT失电、三位四通电磁换向阀35的电磁铁6DT得电;步骤三,三位四通电磁换向阀35的电磁铁6DT得电,上液压缸(16)活塞杆腔进液,活塞杆缩回,带动上滑板(23)和上导向板(22)一起缩回脱离井壁,活塞杆腔压力上升,达到压力继电器37的设定压力时,给出信号,使三位四通电磁换向阀35的电磁铁6DT失电、二位四通电磁换向阀26的电磁铁1DT失电、先导型电磁溢流阀38的电磁铁2DT得电,打开先导型电磁溢流阀38,使液压泵39卸荷;步骤四,二位四通电磁换向阀26的电磁铁1DT失电,升降液压缸(17)活塞腔与活塞杆腔经二位四通电磁换向阀26串接,活塞处于浮动状态,上导向架(15)随钻头缓慢下移,带动升降液压缸(17)的缸体缓慢下移,活塞腔的液体经二位四通电磁换向阀26流进活塞杆腔,多余的液体回油箱,升降液压缸(17)活塞杆缓慢缩回,至活塞杆全部缩回,打开行程开关34,给出信号,使先导型电磁溢流阀38的电磁铁2DT失电、三位四通电磁换向阀35的电磁铁5DT得电;步骤五,三位四通电磁换向阀35的电磁铁5DT得电,上液压缸(16)活塞腔进液,活塞杆伸出,推动上滑板(23)和上导向板(22)外伸撑紧在井壁上,活塞腔压力上升,达到压力继电器36的设定压力时,给出信号,使三位四通电磁换向阀27的电磁铁3DT得电;步骤六,三位四通电磁换向阀27的电磁铁3DT得电,下液压缸(20)活塞杆腔进液,活塞杆缩回,带动下滑板(25)和下导向板(24)一起缩回脱离井壁,活塞杆压力上升,达到压力继电器33的设定压力时,给出信号,使二位四通电磁换向阀26的电磁铁1DT得电,回到初始状态,开始下一个循环。
进一步地,为了防止下导向架(19)因自重超速下滑,在升降液压缸(17)的活塞杆腔油路上加装单向节流阀(28)。
进一步地,为了使下导向板(24)能够长时间支撑在井壁上,在下液压缸(20)的活塞腔油路上加装液控单向阀(32)。
进一步地,为了使下滑板(25)同步运动,在下液压缸(20)的活塞腔和活塞杆腔油路上分别加装分流集流阀(31)、(40)、(41)、(42)、(43)和(44),活塞腔按照1#和2#、3#和4#、5#和6#液压缸分组安装,活塞杆腔按照1#和6#、2#和3#、4#和5#液压缸分组安装。
进一步地,为了使上滑板(23)同步运动,在上液压缸(16)的活塞腔和活塞杆腔油路上分别加装分流集流阀(45)、(46)、(47)、(48)、(49)和(50),活塞腔按照1#和2#、3#和4#、5#和6#液压缸分组安装,活塞杆腔按照1#和6#、2#和3#、4#和5#液压缸分组安装。
本发明主动式钻头导向器实施例,适用于大直径竖井的施工,能够减小钻头的摆动幅度,提高井筒的垂直度,进而在相同净井直径要求下,能够减小钻井直径,减少钻井工程量,减少壁后充填量,提高钻井速度。
应当明确,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。