CN103291218A - 一种提高定向造斜段机械钻速的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定向造斜提速装置及其使用方法。本发明提速装置由扭力调整短节、卡臂短节和消扭短节组成。扭力调整短节中的上传动件和下传动件通过扭力锁止件实现同步连接与断开。该装置安装于动力钻具组合中钻铤的上方。采用投球憋压启动扭力调整短节，调整扭力锁止件，切断转盘扭矩向钻头的传递。同时，双向推力球轴承组合继续保持钻压向钻头的传递。增大泵压，卡臂短节向外伸出卡臂卡住井壁，配合消扭短节使卡臂短节及其下部钻具组合形成对井壁位置的相对固定，保证井斜方位角不变化。本发明结构紧凑、操作方便，可彻底解决定向造斜段机械钻速慢的问题。

Description

一种提高定向造斜段机械钻速的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种可提高定向造斜段机械钻速的定向造斜提速装置及其使用方法。该装置可有效保证钻压向钻头的传递，切断转盘扭矩向钻头的传递，实现定向造斜段的高效快速钻进。

背景技术

常规实施定向段造斜作业时，下入专用的弯动力钻具，运用滑动钻进方式完成井斜方位调整与造斜。为保证造斜的成功，采用弯动力钻具时，将停掉转盘动力，依靠动力钻具驱动钻头旋转。此时由于转盘停转和井眼弯段的影响，钻进作业将面临钻具滑动摩阻大、钻压不能有效传递至钻头等问题，进而导致整体机械钻速慢、钻井成本上升。

定向造斜提速装置能够切断转盘扭矩向钻头的传递，同时保证钻压向钻头的传递，解决常规定向造斜段钻井作业时机械钻速慢的问题。转盘的正常转动将缓解常规静态钻具通过井眼弯段时的大摩阻以及岩屑运移等问题。该发明对推动定向造斜钻井技术的发展、完善钻井作业技术体系发挥重要作用。

发明内容

本发明的目的：为解决常规定向造斜段作业时，钻压不能有效传递至钻头导致的机械钻速慢等问题，提高定向造斜段整体钻井效率和进一步降低作业成本。

为达到上述目的，本发明特提供一种定向造斜提速装置及其使用方法，所采用的技术方案是：定向造斜提速装置由扭力调整短节、卡臂短节和消扭短节组成；扭力调整短节包括扭力短节壳体、圆柱销、上传动件、下传动件、扭力锁止件、球座、双向推力球轴承、螺钉销、卡销、卡销孔塞、卡销弹簧、上复位弹簧、安装接头和安装孔塞；圆柱销一端与上传动件采用过盈配合安装，另一端安装在扭力短节壳体的对应圆柱销安装孔中；上传动件和下传动件为内花键结构，扭力锁止件为外花键结构并在上复位弹簧的作用下，实现对上传动件与下传动件的相对锁止；下传动件与上传动件之间安装有双向推力球轴承；下传动件内部设有扭力锁止件限位台阶和上复位弹簧安装台阶，上端安装有用以对扭力锁止件进行限位的卡销组件，下端设有安装槽，安装接头在对应位置处设有安装孔与安装孔塞；卡销组件包括卡销、卡销弹簧、卡销孔塞；扭力锁止件与球座通过螺钉销实现安装定位；下传动件与安装接头之间安装有双向推力球轴承；卡臂短节包括心轴、心轴帽、导向滑块、径向卡臂、卡臂短节壳体、下复位弹簧、弹簧座、接头短节和调整套；心轴帽通过螺纹与心轴连接，导向滑块安装在心轴上，通过心轴帽、调整套和心轴台阶实现定位；径向卡臂通过梯形导向滑槽与导向滑块连接并实现相对运动；心轴下端安装有弹簧，弹簧下端紧压在弹簧座上；上接头短节通过螺纹与卡臂短节壳体连接。消扭短节包括碟簧、垫片、推力球轴承、换向器外壳、换向器内轴、滚珠、底封和下接头短节和液力锁止销组件。液力锁止销组件包括封盖、液动锁销、液力锁止销组件弹簧。换向器外壳通过螺纹与上接头短节连接；碟簧、推力球轴承紧压在换向器内轴上。换向器内轴与换向器外壳通过台阶实现安装限位。消扭短节周向上均布有3个液力锁止销组件，液动锁销在液力锁止销组件弹簧回复力的作用下，伸入到换向器内轴的对应的键槽中。封盖通过螺纹安装在换向器外壳上，并开设有呼吸孔。底封通过螺纹安装在换向器外壳下端。下接头短节通过螺纹安装在换向器内轴上。换向器内轴下端设有安装槽，底封在对应位置处设有安装孔与安装孔塞。

定向造斜提速装置的使用方法，其特征是：开展定向段造斜作业时，将定向造斜提速装置加装在动力钻具组合中钻铤的上方。钻具组合在下入井眼和调整井斜方位角的过程中不开泵建立钻井液的循环。待调整好井斜方位角后，开泵建立钻井液的循环。采用投球憋压启动提速装置的扭力调整短节，调整扭力锁止件，切断转盘扭矩向钻头的传递。同时，双向推力球轴承组合将继续保持钻压向钻头的传递。增大泵压，卡臂短节向外伸出径向卡臂卡住井壁，使卡臂短节及其下部钻具组合形成对井壁的相对固定，保证造斜钻进过程中井斜方位角不变化。液动锁销在内环空高压钻井液与由呼吸孔流入液力锁止销组件的外环空低压钻井液的联合作用下，缩回至换向器外壳内，切断换向器外壳与换向器内轴之间的扭矩传递。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：（1）该装置可只将钻压传递至钻头，用以提高机械钻速，同时转盘的正常转动将缓解常规静态钻具通过井眼弯段时的摩阻大以及岩屑运移等问题。（2）扭力调整短节采用液力平衡设计方法和投球憋压剪销启动方式，避免了装置误启动的发生且操作方便；（3）可一次下井实现直井段钻进和定向造斜段钻进，减少起下钻次数，提高经济效益；（4）卡臂短节使装置及其下部钻具组合的位置相对井眼锁死，保证造斜过程中的井斜方位不发生变化。（5）扭力调整短节和卡臂短节为相互独立的单元，便于维护。（6）定向造斜提速装置结构紧凑，增强了在弯曲井段的可通过性，满足任意井眼造斜率要求，适用性强。

附图说明

图1是本发明定向造斜提速装置的结构示意图；  

图2是由横剖面A-A得到的定向造斜提速装置扭力调整短节圆柱销安装处的剖面示意图；

图3是由横剖面B-B得到的定向造斜提速装置扭力调整短节上传动件与扭力锁止件安装处的剖面示意图。

图4是由横剖面C-C得到的定向造斜提速装置扭力调整短节下传动件与扭力锁止件安装处的剖面示意图。

图5是由横剖面D-D得到的定向造斜提速装置扭力调整短节安装孔塞处的剖面示意图。

图6是由横剖面E-E得到的定向造斜提速装置卡臂短节径向卡臂处的剖面示意图。

图7是定向造斜提速装置Ⅰ处局部视图。

图8是由横剖面F-F得到的定向造斜提速装置消扭短节液力锁止销组件处的剖面示意图。

图9是由横剖面G-G得到的定向造斜提速装置消扭短节换向器处的剖面示意图。

图10是定向造斜提速装置Ⅱ处局部视图。

图中：1扭力短节壳体；2圆柱销；3上传动件；4球座；5螺钉销；6扭力锁止件；7卡销弹簧；8上复位弹簧；9双向推力球轴承；10卡销孔塞；11卡销；12下传动件；13安装接头；14心轴帽；15导向滑块；16径向卡臂；17心轴；18卡臂短节壳体；19下复位弹簧；20弹簧座；21上接头短节；22梯形导向滑槽；23安装孔塞；24安装槽；25碟簧；26垫片；27推力球轴承；28换向器外壳；29换向器内轴；30滚珠；31底封；32下接头短节；33封盖；34液力锁止销组件弹簧；35液动锁销；36呼吸孔；37调整套。

具体实施方式

由图1所示，本发明涉及的定向造斜提速装置由扭力调整短节、卡臂短节和消扭短节组成；扭力调整短节包括扭力短节壳体（1）、圆柱销（2）、上传动件（3）、下传动件（12）、扭力锁止件（6）、球座（4）、双向推力球轴承（9）、螺钉销（5）、卡销（11）、卡销孔塞（10）、卡销弹簧（7）、上复位弹簧（8）、安装接头（13）和安装孔塞（23）；圆柱销（2）与上传动件（3）采用过盈配合安装，剩余露出段插入扭力短节壳体（1）对应圆柱销（2）安装孔中；上传动件（3）和下传动件（12）为内花键结构，扭力锁止件（6）为外花键结构并在上复位弹簧（8）的作用下，实现对上传动件（3）与下传动件（12）的相对锁止；下传动件（12）与上传动件（3）之间安装有双向推力球轴承（9）；下传动件（12）内部设有扭力锁止件（6）限位台阶和上复位弹簧（8）安装台阶，上端安装有用以对扭力锁止件（6）进行限位的卡销组件，下端设有安装槽（23），安装接头（13）在对应位置处设有安装孔与安装孔塞（24）；卡销组件包括卡销（11）、卡销弹簧（7）、卡销孔塞（10）；扭力锁止件（6）与球座（4）通过螺钉销（5）实现安装定位；下传动件（12）与安装接头（13）之间安装有双向推力球轴承（9）；卡臂短节包括心轴（17）、心轴帽（14）、导向滑块（15）、径向卡臂（16）、卡臂短节壳体（18）、下复位弹簧（19）、弹簧座（20）、接头短节（21）、调整套（37）；心轴帽（14）通过螺纹与心轴（17）连接，导向滑块（15）安装在心轴（17）上，通过心轴帽（14）、调整套（37）和心轴台阶实现定位；径向卡臂（16）通过梯形导向滑槽（22）与导向滑块（15）连接并实现相对运动；心轴（17）下端安装有弹簧，弹簧下端紧压在弹簧座（20）上；上接头短节（21）通过螺纹与卡臂短节壳体（18）连接。；消扭短节包括碟簧（25）、垫片（26）、推力球轴承（27）、换向器外壳（28）、换向器内轴（29）、滚珠（30）、底封（31）和下接头短节（32）和液力锁止销组件。液力锁止销组件包括封盖（33）、液动锁销（35）、液力锁止销组件弹簧（34）。换向器外壳（28）通过螺纹与上接头短节（21）连接；碟簧（25）、推力球轴承（27）紧压在换向器内轴（29）上。换向器内轴（29）与换向器外壳（28）通过台阶实现安装限位。消扭短节周向上均布有3个液力锁止销组件，液动锁销（35）在液力锁止销组件弹簧（34）回复力的作用下，伸入到换向器内轴（29）的对应的键槽中。封盖（33）通过螺纹安装在换向器外壳（28）上，并开设有呼吸孔（36）。底封（31）通过螺纹安装在换向器外壳（28）下端。下接头短节（32）通过螺纹安装在换向器内轴（29）上。换向器内轴（29）下端设有安装槽（23），底封（31）在对应位置处设有安装孔与安装孔塞（24）。

当开展定向段造斜作业时，将定向造斜提速装置加装在动力钻具组合中钻铤的上方。钻具组合在下入井眼和调整井斜方位角的过程中不开泵建立钻井液的循环。待调整好井斜方位角后，开泵建立钻井液的循环。投入球，待球落入球座（4）后憋压，在液力的作用下求推动球座（4）向下运动，球座（4）通过螺钉销（5）推动扭力锁止件（6）向下运动，使扭力锁止件（6）与上传动件（3）脱开，当扭力锁止件（6）下台阶面接触下传动件（12）的限位台阶时，停止运动。同时，卡销（11）在卡销弹簧（7）的推力作用下伸入到扭力锁止件（6）上对应的卡槽内，实现对扭力锁止件（6）的锁定。继续憋压，球座（4）剪断螺钉销（5）后向下运动，当运动至扭力锁止件（6）内腔上的限位台阶面时，停止运动。此时，钻井液经球座（4）上、下两处钻井液过流孔继续流向钻头，扭力调整短节启动完成。增大泵压，心轴帽（14）在钻井液作用下推动心轴（17）和导向滑块（15）一起向下运动，同时导向滑块（15）上的梯形导向滑槽（22）将引导径向卡臂（16）向外伸出。轴向均布的三个径向卡臂（16）将使卡臂短节、消扭短节及其下部钻具形成对井壁的相对固定，保证造斜过程中井斜方位角不变。此时，液动锁销（35）一侧处于高压内环空钻井液环境中，另一侧处于由封盖（33）上的呼吸孔（36）流入的外环空低压钻井液中。在两侧压差的作用下，液动锁销（35）缩回至换向器外壳（28）内，切断换向器外壳（28）与换向器内轴（29）之间的扭矩传递。至此，定向造斜提速工具启动完毕。钻压通过扭力短节壳体（1）、上传动件（3）、双向推力球轴承（9）、下传动件（12）、卡臂短节壳体（18）、上接头短节（21）、换向器外壳（28）、碟簧（25）、推力球轴承（27）、下接头短节（32）传递至钻头。扭力锁止件（6）下移后被卡销（11）限位，上传动件（3）与下传动件（12）之间的扭矩传递被断开，使得扭矩无法继续向钻头传递。来自于下部钻具组合的反扭矩通过换向器，将旋转运动趋势转换为轴向运动，并由换向器内轴（29）上部的碟簧（25）承载其载荷。合理设计碟簧（25）结构和换向器内轴（29）的移动行程，可抵消对下部钻具组合产生的反扭矩，并保证井斜方位角不变化。当造斜作业结束时，减小泵压或是停泵，心轴（17）、导向滑块（15）和心轴帽（14）在下复位弹簧（19）的作用下上推回初始位置，同时径向卡臂（16）通过导向滑块（15）上梯形导向滑槽（22）的引导向内收缩，回到初始位置。

如图5所示，当拆卸扭力调整短节与卡臂短节时，旋开安装接头（13）上的安装孔塞（23），从安装孔处插入一根足够长度的圆柱形钢条，并插入到下传动件的安装槽（24）内。钢条限制了下传动件（12）相对于安装接头（13）的旋转，便可通过旋拧卡臂短节顺利完成拆卸。同理，拆卸下接头短节时，采用类似的方式进行。

Claims (8)

1.定向造斜提速装置由扭力调整短节、卡臂短节和消扭短节组成；扭力调整短节包括扭力短节壳体（1）、圆柱销（2）、上传动件（3）、下传动件（12）、扭力锁止件（6）、球座（4）、双向推力球轴承（9）、螺钉销（5）、卡销（11）、卡销孔塞（10）、卡销弹簧（7）、上复位弹簧（8）、安装接头（13）和安装孔塞（23）；圆柱销（2）一端与上传动件（3）采用过盈配合安装，另一端安装在扭力短节壳体（1）对应的圆柱销（2）安装孔中；上传动件（3）和下传动件（12）为内花键结构，扭力锁止件（6）为外花键结构并在上复位弹簧（8）的作用下，实现对上传动件（3）与下传动件（12）的相对锁止；下传动件（12）与上传动件（3）之间安装有双向推力球轴承（9）；下传动件（12）内部设有扭力锁止件（6）限位台阶和上复位弹簧（8）安装台阶，上端安装有用以对扭力锁止件（6）进行限位的卡销组件，下端设有安装槽（23），安装接头（13）在对应位置处设有安装孔与安装孔塞（24）；卡销组件包括卡销（11）、卡销弹簧（7）、卡销孔塞（10）；扭力锁止件（6）与球座（4）通过螺钉销（5）实现安装定位；下传动件（12）与安装接头（13）之间安装有双向推力球轴承（9）；卡臂短节包括心轴（17）、心轴帽（14）、导向滑块（15）、径向卡臂（16）、卡臂短节壳体（18）、下复位弹簧（19）、弹簧座（20）、上接头短节（21）和调整套（37）；心轴帽（14）通过螺纹与心轴（17）连接，导向滑块（15）安装在心轴（17）上，通过心轴帽（14）、调整套（37）和心轴台阶实现定位；径向卡臂（16）通过梯形导向滑槽（22）与导向滑块（15）连接并实现相对运动；心轴（17）下端安装有弹簧，弹簧下端紧压在弹簧座（20）上；上接头短节（21）通过螺纹与卡臂短节壳体（18）连接；消扭短节包括碟簧（25）、垫片（26）、推力球轴承（27）、换向器外壳（28）、换向器内轴（29）、滚珠（30）、底封（31）和下接头短节（32）和液力锁止销组件；液力锁止销组件包括封盖（33）、液动锁销（35）、液力锁止销组件弹簧（34）；换向器外壳（28）通过螺纹与上接头短节（21）连接；碟簧（25）、推力球轴承（27）紧压在换向器内轴（29）上；换向器内轴（29）与换向器外壳（28）通过台阶实现安装限位；消扭短节周向上均布有3个液力锁止销组件，液动锁销（35）在液力锁止销组件弹簧（34）回复力的作用下，伸入到换向器内轴（29）的对应的键槽中；封盖（33）通过螺纹安装在换向器外壳（28）上，并开设有呼吸孔（36）；底封（31）通过螺纹安装在换向器外壳（28）下端；下接头短节（32）通过螺纹安装在换向器内轴（29）上；换向器内轴（29）下端设有安装槽（23），底封（31）在对应位置处设有安装孔与安装孔塞（24）。

2.根据权利要求1所述的定向造斜提速装置，其特征是：上传动件（3）和下传动件（12）采用内花键结构，扭力锁止件（6）采用外花键结构并在上复位弹簧（8）的作用下实现对上传动件（3）与下传动件（12）的锁止。

3.根据权利要求1所述的定向造斜提速装置，其特征是：球座（4）与扭力锁止件（6）通过螺钉销（5）安装定位；投球后，球座（4）在液力作用下向下移动，并向下推动扭力锁止件（6）实现上传动件（3）与下传动件（12）之间扭矩传递的断开。

4.根据权利要求1所述的定向造斜提速装置，其特征是：上传动件（3）与下传动件（12）之间安装有双向推力球轴承（9）；下传动件（12）与安装接头（13）之间安装有双向推力球轴承（9）。

5.根据权利要求1所述的定向造斜提速装置，其特征是：径向卡臂（16）后端设计有梯形导向凸块，安装在导向滑块（15）上的梯形导向滑槽（22）内，实现与导向滑块（15）的连接和相对运动；径向卡臂外端设计为沿工具轴向方向的3凸棱结构；每组径向卡臂（16）周向均布在卡臂短节圆周上。

6.根据权利要求1所述的定向造斜提速装置，其特征是：消扭短节借鉴滚珠丝杠原理设计换向器结构；在换向器内轴（29）与碟簧（25）之间安装有推力球轴承（27）。

7.根据权利要求1所述的定向造斜提速装置，其特征是：消扭短节换向器外壳（28）与换向器内轴（29）之间安装液力锁止销组件；液力锁止销组件的封盖（33）上开设有呼吸孔（36）。

8.根据权利要求1所述的定向造斜提速装置的使用方法，其特征是：开展定向段造斜作业时，将定向造斜提速装置加装在动力钻具组合中钻铤的上方；钻具组合在下入井眼和调整井斜方位角的过程中不开泵建立钻井液的循环；待调整好井斜方位角后，开泵建立钻井液的循环；采用投球憋压启动提速装置的扭力调整短节，调整扭力锁止件（6），切断转盘扭矩向钻头的传递；同时，双向推力球轴承（9）组合将继续保持钻压向钻头的传递；增大泵压，卡臂短节向外伸出径向卡臂（16）卡住井壁，使卡臂短节及其下部钻具组合形成对井壁的相对固定，保证造斜钻进过程中井斜方位角不变化；液动锁销（35）在内环空高压钻井液与由呼吸孔（36）流入液力锁止销组件的外环空低压钻井液的联合作用下，缩回至换向器外壳（28）内，切断换向器外壳（28）与换向器内轴（29）之间的扭矩传递。

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