CN103628830B - 机液式可变径稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油钻探井下工具的机液式可变径稳定器，包括本体、心轴和节流机构，一体式心轴由上到下分别套装有上活塞、第一复位弹簧、弹簧座、过盈套、多个楔块、凸轮行程控制机构、平衡活塞、定位套、第二复位弹簧、闷头和节流机构的节流嘴，本体上的定位销的内端插装在弹簧座上，本体上沿周向开有活塞孔，每个活塞孔内均装有一个活塞头，活塞头的尾部具有燕尾轨道，燕尾轨道与楔块上所开的燕尾槽滑动配合，本体上的凸轮销的内端插入凸轮行程控制机构的凸轮体外周的滑槽内，所述第二复位弹簧抵在定位套与闷头之间，定位套与闷头之间的本体上开有多个滤孔，滤孔中装有滤板。本发明结构紧凑、组装方便、使用安全可靠。

Description

机液式可变径稳定器

技术领域

本发明涉及一种石油钻井的井下设备，尤其是有关石油钻井中定向井、水平井和大位移井钻井作业中使用的井下工具。

背景技术

在定向井、水平井和大位移井钻井过程中，为确保实钻井眼轨迹满足设计井眼轨迹的要求，常使用常规稳定器，当需要调整实际井眼轨迹时，则需要通过频繁的起下钻来变更井下钻具组合。起钻改变钻具组合造成成本增加，钻井周期长，并容易造成遇阻和卡钻。为了克服这些缺点，而研制和使用的变径稳定器，主要有三种：机电液一体式、钻压式和机液式。其中，机电液一体式制造成本高，价格昂贵。钻压式在下钻遇阻，需要加压划眼时，极为不便。中国专利文献CN2854043Y公开了一种 “钻井遥控变径稳定器”，该稳定器本体过长、结构不够紧凑、拆装困难、可靠性不够高，未见推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构更紧凑、便于装拆、使用安全可靠的机液式可变径稳定器。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种机液式可变径稳定器，包括本体、心轴和节流机构，所述心轴和节流机构均位于本体内，所述心轴为一体式心轴；所述心轴由上到下分别套装有上活塞、第一复位弹簧、弹簧座、过盈套、多个楔块、凸轮行程控制机构、平衡活塞、定位套、第二复位弹簧、闷头和节流机构的节流嘴；所述弹簧座松配合地套装在心轴上，相对于弹簧座位置的本体上装有定位销，定位销的内端插接在弹簧座上； 所述第一复位弹簧抵在上活塞与弹簧座之间；所述多个楔块均轴向固定在心轴上，相对于每个楔块位置的本体上沿周向均开有三个活塞孔，每个活塞孔内均装有一个活塞头，活塞头的尾部具有燕尾轨道，燕尾轨道与楔块上所开的燕尾槽滑动配合；所述凸轮行程控制机构包括凸轮体，凸轮体转动支撑在心轴上，相对于凸轮体位置的本体上安装有凸轮销，凸轮销的内端插入凸轮体外周的滑槽内；所述平衡活塞松配合地套装在心轴上；所述定位套轴向固定在心轴上，且位于平衡活塞下方；所述闷头松配合地套装在心轴上，相对于闷头位置的本体上安装有闷头销，闷头销的内端插接在闷头上；所述第二复位弹簧抵在定位套与闷头之间；相对于所述定位套与闷头之间位置的本体上开有多个滤孔，滤孔中装有滤板；所述平衡活塞之上、上活塞之下的本体与心轴围成的环形空腔为油腔，平衡活塞与闷头之间的环形空腔为低压钻井液腔，本体的顶部内腔、底部内腔和心轴的内腔均为高压钻井液腔。

所述凸轮行程控制机构还包括上轴承座、两个推力轴承和下轴承座，所述两个推力轴承分别由上轴承座、下轴承座保持在凸轮体的两端，凸轮体为圆筒体形状，套在心轴外周，凸轮体外周的滑槽呈折线形延伸，滑槽的深度按凸轮规则变化；所述滑槽的深度变化规则为：第一高点—第一低点—第二高点—第二低点依次加深1.5±0.2mm，第三高点—第三低点—第四高点—第四低点依次加深1.5±0.2mm，第四低点—第三高点从最深渐变到最浅，第一高点和第三高点同深。

所述节流机构还包括卡簧、定位套筒、锁定环和节流头，其中卡簧、定位套筒和锁定环装在本体上，并且将节流头轴向固定在本体上，装在心轴底部的节流嘴的出口能套在节流头上。

所述楔块为筒体，楔块的外圆沿周向120°均布三个斜面，三个斜面上各开有一道用于安装活塞头的燕尾轨道的燕尾槽，其中燕尾槽起始端的开口比燕尾轨道宽。

所述心轴的上端还装有挡圈。

采用上述结构后，本发明与现有技术相较具有如下优点：本发明组装时，可以在本体外、一体式的心轴上套装好内置零件，再作为一个整体塞进本体内，这大大减少了组装工作量，增加了组装成功率，便于装拆。由于第二复位弹簧安装在定位套和闷头之间，它合理利用了本体内部的安装空间，使本发明的机液式可变径稳定器总体长度大大缩短，结构紧凑、尺寸较小、提高了底部钻具组合（BHA）的整体力学性能； 同时，由于采用了第一复位弹簧和第二复位弹簧两段弹簧结构，因此，在过载情况下，第二复位弹簧先行失效起到保护整个底部钻具组合（BHA）的作用，使用安全可靠。

附图说明

以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的机液式可变径稳定器的结构示意图；

图2是本发明在将本体透明化后的立体结构示意图；

图3是图2的B部局部放大图；

图4是图3的C部局部放大图；

图5是图1沿A－A线的剖视图；

图6 是本发明中的凸轮行程控制机构局部放大图；

图7是本发明中的凸轮体的滑槽展开示意图。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5、6、7所示，本发明的一种机液式可变径稳定器，包括本体1、心轴23和节流机构，所述心轴23和节流机构均位于本体1内，所述心轴23为一体式心轴；所述心轴23由上到下分别套装有上活塞26、第一复位弹簧3、弹簧座25、过盈套5、多个楔块6、凸轮行程控制机构27、平衡活塞10、定位套20、第二复位弹簧11、闷头13和节流机构的节流嘴18；所述弹簧座25松配合地套装在心轴23上，相对于弹簧座25位置的本体1上装有定位销4，定位销4的内端插接在弹簧座25上；所述第一复位弹簧3抵在上活塞26与弹簧座25之间；所述多个楔块6均轴向固定在心轴23上，相对于每个楔块6位置的本体1上沿周向均开有三个活塞孔1-1，每个活塞孔1-1内均装有一个活塞头24，活塞头24的尾部具有燕尾轨道24-1，燕尾轨道24-1与楔块6上所开的燕尾槽6-1滑动配合；所述凸轮行程控制机构27包括凸轮体8，凸轮体8转动支撑在心轴23上，相对于凸轮体8位置的本体1上安装有凸轮销22，凸轮销22的内端插入凸轮体8外周的滑槽8-1内；所述平衡活塞10松配合地套装在心轴23上；所述定位套20轴向固定在心轴23上，且位于平衡活塞10下方；所述闷头13松配合地套装在心轴23上，相对于闷头13位置的本体1上安装有闷头销19，闷头销19的内端插接在闷头13上；所述第二复位弹簧11抵在定位套20与闷头13之间；相对于所述定位套20与闷头13之间位置的本体1上开有多个滤孔1-2，滤孔1-2中装有滤板12；所述平衡活塞10之上、上活塞26之下的本体1与心轴23围成的环形空腔为油腔E，平衡活塞10与闷头13之间的环形空腔为低压钻井液腔F，本体1的顶部内腔、底部内腔和心轴23的内腔均为高压钻井液腔G。

所述楔块6一般为3~10个，最好为5个；本体1上的滤孔1-2一般为3~6个，最好为3个。

如图1、2、6、7所示，所述凸轮行程控制机构27还包括上轴承座7、两个推力轴承9和下轴承座21，所述两个推力轴承9分别由上轴承座7、下轴承座21保持在凸轮体8的两端，凸轮体8为圆筒体形状，套在心轴23外周，凸轮体8外周的滑槽8-1呈折线形延伸，滑槽8-1的深度按凸轮规则变化；所述滑槽8-1的深度变化规则为：第一高点A—第一低点B—第二高点C—第二低点D依次加深1.5±0.2mm，第三高点A1—第三低点B1—第四高点C1—第四低点D1依次加深1.5±0.2mm，第四低点（D）—第三高点A1从最深渐变到最浅，第一高点A和第三高点 A1同深。

如图1所示，所述节流机构还包括卡簧14、定位套筒15、锁定环16和节流头17，其中卡簧14、定位套筒15和锁定环16装在本体1上，并且将节流头17轴向固定在本体1上，装在心轴23底部的节流嘴18的出口能套在节流头17上。锁定环16保证在节流时巨大的向下流体冲击力不致节流头17朝下移位，节流嘴18与节流头17根据节流头17插入节流嘴18的深度来综合反映节流状态。

本发明中的节流机构也可以采用中国专利文献CN2854043Y中的孔板总成加蘑菇头总成的结构形式。

如图1、2、3、4、5所示，所述楔块6为筒体，楔块6的外圆沿周向120°均布三个斜面6-2，三个斜面6-2上各开有一道用于安装活塞头24的燕尾轨道24-1的燕尾槽6-1，其中燕尾槽6-1的开口6-1-1比燕尾轨道24-1宽。其中燕尾槽6-1起始端的开口6-1-1比燕尾轨道24-1宽的好处是，方便整体组装所有活塞头24。

如图1所示，所述心轴23的上端还装有挡圈2。

如图1、2、3、4、7所示，本发明的动作过程是：

安装在一体式的心轴23上的五个楔块6随心轴23上行和下行，当开泵后变径稳定器的高压钻井液腔G为钻柱内泵压，变径稳定器下部的滤板12将外部环空压力引入低压钻井液腔F内，再通过平衡活塞10的作用将低压钻井液腔F的压力引入到油腔E内。由于稳定器下部及钻头喷嘴存在很大的压耗，所以钻柱内泵压远远大于环空压力，即压力关系为G腔＞E腔=F腔。这样，在上活塞26两端就存在着压力差。随之，压力推动上活塞26下行，心轴23同时下行并压缩第一复位弹簧3和第二复位弹簧11，此时楔块6下行，楔块6的斜面6-2将活塞头24顶出本体1，同时凸轮行程控制机构27下行并转动，当停泵后，钻柱内泵压和环空压力平衡，即压力关系为G腔=E腔=F腔。随之，第一复位弹簧3和第二复位弹簧11回弹，推动心轴23上行，此时楔块6上行，楔块6的燕尾槽6-1将活塞头24拉进本体1，同时凸轮行程控制机构27再次上行并转动，当再次开泵，凸轮行程控制机构27切换变径稳定器大小径状态，如此循环下去。

如图1、6所示，凸轮行程控制机构27切换变径稳定器大小径状态的控制过程为：当静止时，由于第一复位弹簧3和第二复位弹簧11预紧力或回复力作用，凸轮销22处于凸轮体8控制滑槽8-1的第二低点D。第一次开泵时，压力推动上活塞26下行。心轴23同时下行并压缩第一复位弹簧3和第二复位弹簧11，此时在凸轮体8的滑槽8-1和凸轮销22相互作用下凸轮体8转动，同时凸轮销22沿深度逐渐变浅的槽道8-1上行到第三高点A1并落销定位。此时活塞头24伸出即整个变径稳定器处于大径状态。停泵后，钻柱内泵压和环空压力平衡，第一复位弹簧3和第二复位弹簧11回弹，推动心轴23上行，此时在凸轮体8的滑槽8-1和凸轮销22相互作用下凸轮体8转动，同时凸轮销22沿深度突然有落差的槽道8-1下行到第三低点B1并落销定位，此时活塞头24缩回即整个变径稳定器处于复位状态 。第二次开泵时，变径稳定器内的压力分部及零件动作和第一次开泵时相同，此时在凸轮体8的滑槽8-1和凸轮销22相互作用下凸轮体8转动，同时凸轮销22沿深度突然有落差的槽道上行到第四高点C1并落销定位，此时活塞头24和本体1表面齐平即整个变径稳定器处于小径状态。第二次停泵后，变径稳定器内的压力分布及零件动作和第一次停泵时相同，此时在凸轮体8的滑槽8-1和凸轮销22相互作用下凸轮体8转动，同时凸轮销22沿深度突然有落差的槽道下行到第四低点D1并落销定位，变径稳定器处于复位状态，以此类推。

Claims (5)

1.一种机液式可变径稳定器，包括本体（1）、心轴（23）和节流机构，所述心轴（23）和节流机构均位于本体（1）内，其特征在于：

a、所述心轴（23）为一体式心轴；

b、所述心轴（23）由上到下分别套装有上活塞（26）、第一复位弹簧（3）、弹簧座（25）、过盈套（5）、多个楔块（6）、凸轮行程控制机构（27）、平衡活塞（10）、定位套（20）、第二复位弹簧（11）、闷头（13）和节流机构的节流嘴（18）；

c、所述弹簧座（25）松配合地套装在心轴（23）上，相对于弹簧座（25）位置的本体（1）上装有定位销（4），定位销（4）的内端插接在弹簧座（25）上；

d、所述第一复位弹簧（3）抵在上活塞（26）与弹簧座（25）之间；

e、所述多个楔块（6）均轴向固定在心轴（23）上，相对于每个楔块（6）位置的本体（1）上沿周向均开有三个活塞孔（1-1），每个活塞孔（1-1）内均装有一个活塞头（24），活塞头（24）的尾部具有燕尾轨道（24-1），燕尾轨道（24-1）与楔块（6）上所开的燕尾槽（6-1）滑动配合；

f、所述凸轮行程控制机构（27）包括凸轮体（8），凸轮体（8）转动支撑在心轴（23）上，相对于凸轮体（8）位置的本体（1）上安装有凸轮销（22），凸轮销（22）的内端插入凸轮体（8）外周的滑槽（8-1）内；

g、所述平衡活塞（10）松配合地套装在心轴（23）上；

h、所述定位套（20）轴向固定在心轴（23）上，且位于平衡活塞（10）下方；

i、所述闷头（13）松配合地套装在心轴（23）上，相对于闷头（13）位置的本体（1）上安装有闷头销（19），闷头销（19）的内端插接在闷头（13）上；

j、所述第二复位弹簧（11）抵在定位套（20）与闷头（13）之间；

k、相对于所述定位套（20）与闷头（13）之间位置的本体（1）上开有多个滤孔（1-2），滤孔（1-2）中装有滤板（12）；

l、所述平衡活塞（10）之上、上活塞（26）之下的本体（1）与心轴（23）围成的环形空腔为油腔（E），平衡活塞（10）与闷头（13）之间的环形空腔为低压钻井液腔（F），本体（1）的顶部内腔、底部内腔和心轴（23）的内腔均为高压钻井液腔（G）。

2.根据权利要求1所述的机液式可变径稳定器，其特征在于：所述凸轮行程控制机构（27）还包括上轴承座（7）、两个推力轴承（9）和下轴承座（21），所述两个推力轴承（9）分别由上轴承座（7）、下轴承座（21）保持在凸轮体（8）的两端，凸轮体（8）为圆筒体形状，套在心轴（23）外周，凸轮体（8）外周的滑槽（8-1）呈折线形延伸，滑槽（8-1）的深度按凸轮规则变化；所述滑槽（8-1）的深度变化规则为：第一高点（A）—第一低点（B）—第二高点（C）—第二低点（D）依次加深1.5±0.2mm，第三高点（A1）—第三低点（B1）—第四高点（C1）—第四低点（D1）依次加深1.5±0.2mm，第四低点（D）—第三高点（A1）从最深渐变到最浅，第一高点（A）和第三高点 （A1）同深。

3.根据权利要求1所述的机液式可变径稳定器，其特征在于：所述节流机构还包括卡簧（14）、定位套筒（15）、锁定环（16）和节流头（17），其中卡簧（14）、定位套筒（15）和锁定环（16）装在本体（1）上，并且将节流头（17）轴向固定在本体（1）上，装在心轴（23）底部的节流嘴（18）的出口能套在节流头（17）上。

4.根据权利要求1所述的机液式可变径稳定器，其特征在于：所述楔块（6）为筒体，楔块（6）的外圆沿周向120°均布三个斜面（6-2），三个斜面（6-2）上各开有一道用于安装活塞头（24）的燕尾轨道（24-1）的燕尾槽（6-1），其中燕尾槽（6-1）起始端的开口（6-1-1）比燕尾轨道（24-1）宽。

5.根据权利要求1所述的机液式可变径稳定器，其特征在于：所述心轴（23）的上端还装有挡圈（2）。