CN104100202B - 一种控制斜向器定向锚定的启动阀 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油水平分支井定向技术领域，具体提供了一种控制斜向器定向锚定的启动阀，包括接头，所述接头包括中空圆筒结构的a接头、b接头、c接头、d接头，且a接头、b接头、c接头、d接头自上而下顺次通过螺纹连接，a接头和b接头的内部装有旋转啮合机构，所述旋转啮合机构的下部旋接旋转筒。解决了陀螺仪很难下放到预定位置，无法有效控制斜向器定向角度，定向偏差较大，工艺复杂，耗时费力，过程控制困难和斜向器定向未成功便完成座封的误动作的问题；具有无需投球、无需控制排量变化，一趟钻实现斜向器的定向、座封，过程可通过远程遥控控制；作业完成后可回收，并能拆卸、重装后重复使用的效果。

Description

一种控制斜向器定向锚定的启动阀

技术领域

本发明属于石油水平分支井定向技术领域，具体涉及一种控制斜向器定向锚定的启动阀。

背景技术

目前水平分支井钻井中，斜向器的定向锚定是作业的关键一环。常用的定向方式有两种：第一种是采用陀螺仪定向；第二种是采用预置定向工具（如MWD）进行定向。水平分支井井况复杂，特别是裸眼段易出现沉沙、井壁坍塌等情况，因此要求斜向器具有循环井眼通道的功能，保证井眼畅通与井壁的稳定性，使斜向器顺利下入。

采用第一种方式对斜向器定向，下入陀螺仪定向后，并起出陀螺仪，再投球堵住斜向器水眼，进行斜向器的座封锚定。该种方式存在以下问题：1、陀螺仪很难下放到预定位置；2、无法有效控制斜向器定向角度，造成定向偏差较大；3、工艺复杂，耗时费力。

采用第二种方式对斜向器定向，MWD串联在斜向器上部。该种方式存在以下问题：1、如果采用斜向器中心孔循环钻井液，因MWD挡住了斜向器的投球通道，斜向器在循环、定向后无法采用投球方式完成锚定座封；2、如果采用旁通孔循环钻井液，不投球，控制排量剪断销钉实现斜向器的定向、座封，该种方式会出现斜向器定向未成功便完成座封的误动作。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中斜向器的定向锚定时：陀螺仪很难下放到预定位置；无法有效控制斜向器定向角度，定向偏差较大，工艺复杂，耗时费力，过程控制困难和斜向器定向未成功便完成座封的误动作的问题。

为此，本发明提供了一种控制斜向器定向锚定的启动阀，包括接头，所述接头包括中空圆筒结构的a接头、b接头、c接头、d接头，且a接头、b接头、c接头、d接头自上而下顺次通过螺纹连接；

a接头和b接头的内部装有旋转啮合机构，所述旋转啮合机构的下部旋接旋转筒；

c接头和d接头的内部下端均有环形凸台，旋转筒分别与c接头、d接头形成相通的空腔一和空腔二，所述空腔一中装有竖直方向的下弹簧；

d接头内部下端的环形凸台上开设有竖直贯穿该环形凸台的通气孔。

a接头、b接头、c接头、d接头上部内侧均有一带有螺纹的内斜锥面，下部外侧均有与上部相对应的带有螺纹的外斜锥面，a接头、b接头、c接头、d接头均通过内斜锥面和外斜锥面的螺纹连接。

旋转啮合机构由管状的推力爪、定爪、旋转爪组成，所述推力爪、旋转爪一同安装在定爪内；定爪通过紧定螺钉和a接头下部相固定；所述推力抓外侧上端固定有活塞，旋转爪的下端与旋转筒连接。

定爪内孔下端为内花键结构，该内花键结构端部为锯齿状斜面结构；推力爪下端为外花键结构，该外花键结构端部为三角形齿形结构；旋转爪上端为外花键结构，外花键端部为锯齿状斜面结构；所述推力爪下端的外花键结构固定在定爪的内花键内，旋转爪上端的外花键结构固定在定爪内花键内。

定爪内花键与推力爪、旋转爪的外花键数量一致；定爪锯齿状斜面结构与旋转爪锯齿状斜面结构相同。

a接头中部有一连通孔；连通孔贯穿a接头的管壁，与a接头中空连通；c接头上部内斜锥面下部设置有一个旁通孔，旁通孔贯穿c接头管壁。

b接头下部设置有一个贯穿b接头管壁的注油螺钉；所述b接头与旋转爪形成密封腔；所述密封腔中装有竖直方向的上弹簧；所述密密封腔、空腔一、空腔二内充满液压油。

c接头内侧中部有一环形凸台，该环形凸台下部设置有贯穿c接头管壁的限位螺钉，所述旋转筒的中部外壁上设置有与所述限位螺钉相适配的限位槽。

上弹簧、下弹簧均处于压缩状态。

旋转筒中部设置有左旋螺旋槽，且左旋螺旋槽的螺旋升角小于其自锁角；旋转筒下端部外圆与d接头配合处设置有密封件，旋转筒和旋转爪之间、旋转筒和c接头之间以及旋转筒下部与d接头之间均设置有密封件。

本发明的有益效果：

1、本发明配合MWD使用，与陀螺仪定向相比，无需投球、一趟钻可实现斜向器的定向与座封，工艺更简单，钻井效率更高。

2、本发明连接在MWD与斜向器之间，斜向器定向前，钻井液可通过本发明所述的旁通孔进行循环；斜向器定向后，本发明在关闭所述旁通孔的同时，会打开所述的传压孔，保证斜向器的座封。

3、本发明通过开、停泵实现遥控动作，当开、停泵次数达到设定的数值时才实现所述旁通阀的关闭、所述传压孔的打开，开、停泵次数的设定数值可调，充分满足MWD定向时所需的开、停次数要求。

4、本发明中的所述旋转啮合机构，包括定爪、推力爪、旋转爪，每开、停泵一次，所述旋转爪、旋转筒旋转一个齿数的角度，设定一圈啮合齿数为6～10齿，即开、停泵6～10次，所述旋转爪、旋转筒旋转一周，该结构在开、停泵次数一定的情况下，可缩短所述旋转筒的左旋螺旋圈数，保证结构紧凑、动作的可靠性。

5、本发明中的所述旋转筒与所述旋转爪采用花键副连接，保证动作的一致性。

6、本发明中的所述密封腔内装有所述平衡活塞、轴承、弹簧，并注满液压油，保证所述旋转爪、旋转筒的良好的轴向移动和径向旋转。

7、本发明中的所述上弹簧与所述下弹簧均处于压缩状态，所述上弹簧使所述旋转爪在停泵时及时复位，保证旋转啮合机构的正常动作，所述下弹簧使所述旋转筒在脱离所述限位螺钉后能及时关闭所述旁通孔、并同时开启所述传压孔，保证斜向器的顺利座封。

8、本发明在斜向器定向后，无需通过记录开、停泵次数，只需通过立管压力的骤升来判断所述传压孔开启、旁通孔关闭，实现斜向器座封，

9、本发明在斜向器完成座封后，可随MWD一同起出，可重复使用。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明工具串连接示意图。

图2为本发明总体结构示意图。

图3为本发明定爪立体示意图。

图4为本发明推力爪立体示意图。

图5为本发明旋转爪立体示意图。

图6为本发明旋转啮合机构安装示意图。

图7为本发明旋转啮合机构开泵旋转示意图。

图8为本发明旋转啮合机构停泵复位示意图。

图中标记为：1.1—MWD；1.2—控制斜向器定向锚定的启动阀；1.3—传压管；1.4—斜向器；1—a接头；2—上活塞；3—连通孔；4—推力爪；5—定爪；6—紧定螺钉；7—旋转啮合机构；8—旋转爪；9—a平衡活塞；10—a轴承；11—a弹簧座；12—b接头；13—密封腔；14—上弹簧；15—注油螺钉；16—旁通孔；17—c接头；18—花键副；19—旋转筒；20—螺旋槽；21—限位螺钉；22—空腔一；23—b轴承；24—b弹簧座；25—下弹簧；26—空腔二；27—b平衡活塞；28—d接头；29—传压孔。

具体实施方式

实施例1：

目前水平分支井钻井中，斜向器的定向锚定是作业的关键一环，目前陀螺仪很难下放到预定位置；无法有效控制斜向器定向角度，造成定向偏差较大；工艺复杂，耗时费力，存在斜向器定向未成功便完成座封。为此，本发明提供了一种控制斜向器定向锚定的启动阀。从整体结构而言，该启动阀分为接头、旋转啮合机构7、旋转筒17组成。

如附图2，接头包括中空圆筒结构的a接头1、b接头12、c接头17、d接头28，且a接头1、b接头12、c接头17、d接头28自上而下顺次通过螺纹连接。

a接头1和b接头12的内部装有旋转啮合机构7，旋转啮合机构7的下部旋接旋转筒19；c接头17和d接头28的内部下端均有环形凸台，旋转筒19分别与c接头17、d接头28形成相通的空腔一22和空腔二26，所述空腔一22中装有竖直方向的下弹簧25；d接头28内部下端均的环形凸台上开设有竖直贯穿该环形凸台的传压孔29，a接头1中部有一连通孔3；连通孔3贯穿a接头1的管壁，与a接头1中空连通。

a接头1、b接头12、c接头17、d接头28上部内侧均有一带有螺纹的内斜锥面，下部外侧均有与上部相对应的带有螺纹的外斜锥面，a接头1、b接头12、c接头17、d接头28均通过内斜锥面和外斜锥面的螺纹连接。

旋转啮合机构7通过紧定螺钉固定于a接头1中部内侧；旋转啮合机构7下部外侧与旋转筒19上部内侧通过花键副18连接；旋转啮合机构7旋转带动旋转筒19旋转，同时旋转筒19在下弹簧25作用下上行，平衡活塞27也一同上行，直至旋转筒19的下端部与d接头内台阶孔脱开，传压孔29打开，与此同时，连通孔3关闭，实现钻具内部压力通过传压孔29传递至斜向器座封。

实施例2：

如附图2，旋转啮合机构7由管状的推力爪4、定爪5、旋转爪8组成，推力爪4、旋转爪8一同安装在定爪5内；定爪5通过紧定螺钉6和a接头1下部相固定；推力抓4外侧上端固定有上活塞2，旋转爪8的下端与旋转筒19连接。

如附图3、4、5，定爪5内孔下端为内花键结构，该内花键结构端部为锯齿状斜面结构；推力爪4下端为外花键结构，该外花键结构端部为三角形齿形结构；旋转爪8上端为外花键结构，外花键端部为锯齿状斜面结构；所述推力爪4下端的外花键结构固定在定爪5的内花键内，旋转爪8上端的外花键结构固定在定爪5内花键内；定爪5内花键与推力爪4、旋转爪8的外花键数量一致；定爪5锯齿状斜面结构与旋转爪8锯齿状斜面结构相同，推力爪4位于旋转爪8的上方。

如附图6、7、8，定爪5锯齿状斜面结构与旋转爪8锯齿状斜面结构角度一样，定爪5、推力爪4与旋转爪8可实现旋转啮合；推力爪4旋转带动旋转爪8，动力由推力爪4传递至旋转爪8，旋转爪8再通过外部花键副18将动力传递至旋转筒19，实现动力自上而下的传输。

密封腔13、空腔一22和空腔二26内充满液压油；上弹簧18、下弹簧32在密封腔中处于压缩状态。旋转爪8下部设置有旁通孔16，与所述a接头1连通孔3连通；旋转筒19上部外侧与c接头之间以及旋转筒19上部内侧与旋转爪之间各设置有一个O型密封件，两个O型密封件间距大于a接头1的旁通孔16直径；旋转筒19下端部外圆与d接头28配合处也设置有密封件，中部设置有左旋螺旋槽20，螺旋升角小于自锁角，螺旋圈数可调。

限位螺钉21与所述旋转筒螺旋槽20顶部啮合。

实施例3：

如附图2，a接头1中部有一连通孔3；连通孔3贯穿a接头1的管壁，与a接头1中空连通；c接头17上部内斜锥面下部设置有一个旁通孔16，旁通孔16贯穿c接头17管壁。

b接头12下部设置有一个贯穿b接头12管壁的注油螺钉15；所述b接头12与旋转爪8形成密封腔13；所述密封腔13中装有竖直方向的上弹簧14；所述密封腔13、空腔一22、空腔二26内充满液压油。

c接头17内侧中部有一环形凸台，该环形凸台下部设置有贯穿c接头17管壁的限位螺钉21，所述旋转筒19的中部外壁上设置有与所述限位螺钉21相适配的限位槽。

上弹簧14、下弹簧25均处于压缩状态。

旋转筒19中部设置有左旋螺旋槽20，旋转筒19和旋转爪8之间、旋转筒19和c接头17之间以及旋转筒19下部与d接头28之间均设置有密封件。

本发明连接在MWD1.1与斜向器1.4之间，如附图1，本发明与斜向器1.4之间设置有传压管1.3。

密封腔13中装置有与上弹簧14配合支撑的a轴承10，a弹簧座11，以及保持腔体内压力平衡的a平衡活塞9；空腔一22中装置有与下弹簧25配合支撑的的b轴承23、b弹簧座24，以及保持腔体内压力平衡的b平衡活塞27。

停泵状态时（下钻过程），如附图2和附图6，所有零部件均处于安装位置，推力爪4外花键顶住定爪5内花键上部台阶处，限位螺钉28处于旋转筒螺旋槽结构20的顶部，在下弹簧25作用下，旋转筒19顶住限位螺钉21轴向发生自锁，旁通孔16处于开启状态，传压孔29处于关闭状态。

本发明提供的一种1.2连接在MWD1.1与斜向器1.4之间，本发明与斜向器1.4之间设置有传压管1.3，具体工作可以分为不同的阶段：

1、开泵循环时

如附图7，下钻至预定水平位置，由于钻井液经过钻具内孔、旋转爪8的旁通孔、环空时会产生一定的节流压差△p，上活塞3在节流压差△p的作用下，带动推力爪4沿定爪5的内花键下行，直到上活塞3的下端面顶住定爪5的上端面，推力爪4把旋转爪8顶出定爪5的内花键，上弹簧14被压缩，与此同时，在上弹簧14的弹簧力作用下旋转爪8的外花键与定爪5的内花键槽发生一定角度的错位，引起旋转爪8滑动正转，并通过花键副18带动旋转筒19，在下弹簧25作用下旋转筒19顶住限位螺钉21沿左旋螺旋槽20上行一定距离，此时，旁通孔16处于开启状态，传压孔29处于关闭状态。

2、停泵时

如附图8，在上弹簧10的回位弹簧力下，上弹簧10带动旋转爪8顶住推力爪4上行复位，在复位过程中，旋转爪8的外花键斜面齿会顶住定爪5的斜面齿产生滑动正转，使旋转爪8的外花键导引至定爪5的内花键槽21内，与此同时，旋转爪8通过花键副18带动旋转筒19继续沿左旋螺旋槽21上行一定距离，此时，旁通孔16仍处于开启状态，传压孔29仍处于关闭状态。

3、斜向器定向时

斜向器1.4定向时，需要多次调整斜向器1.4的导斜面朝向，并进行数次开、停泵来传输MWD1.1定向数据，在此过程中，每开、停泵一次，旋转爪8带动旋转筒19正转一个啮合齿数，本发明设置的一圈啮合齿数为6～10齿，即开、停泵6～10次，旋转筒19沿左旋螺旋槽21上行一圈，螺旋槽21圈数可调，斜向器1.4定向完成时，旁通孔16仍处于开启状态，传压孔29仍处于关闭状态。

4、斜向器1.4座封时，

如附图1、2，只需进行数次开、停泵，旋转筒19沿螺旋槽21上行，直至脱离限位螺钉28的束缚，并在下弹簧18的弹簧力作用下，上行至b接头12下端部，旁通孔16处于关闭状态，传压孔29因旋转筒19的上行，实现与旋转筒19内孔相通，处于开启状态，与此同时，钻井液通过传压孔29、传压管1.3进入到斜向器1.4内，立管压力会出现骤升，对斜向器1.4进行打压，实现斜向器1.4的座封。

斜向器1.4丢手时，按斜向器1.4设计的丢手方式进行丢手，起出管柱，完成本发明的回收，拆卸、装配后可重复使用。

本发明的上述实施例，仅仅是为了清楚的说明本发明所做的举例，而并非是对本发明的实施方式的限制。

Claims (10)

1.一种控制斜向器定向锚定的启动阀，包括接头，其特征在于：所述接头包括中空圆筒结构的a接头（1）、b接头（12）、c接头（17）、d接头（28），且a接头（1）、b接头（12）、c接头（17）、d接头（28）自上而下顺次通过螺纹连接；

所述a接头（1）和b接头（12）的内部装有旋转啮合机构（7），所述旋转啮合机构（7）的下部旋接旋转筒（19）；

所述c接头（17）和d接头（28）的内部下端均有环形凸台，旋转筒（19）分别与c接头（17）、d接头（28）形成相通的空腔一（22）和空腔二（26），所述空腔一（22）中装有竖直方向的下弹簧（25）；

所述d接头（28）内部下端的环形凸台上开设有竖直贯穿该环形凸台的传压孔（29）。

2.根据权利要求1所述的一种控制斜向器定向锚定的启动阀，其特征在于：所述的a接头（1）、b接头（12）、c接头（17）、d接头（28）上部内侧均有一带有螺纹的内斜锥面，下部外侧均有与上部相对应的带有螺纹的外斜锥面，a接头（1）、b接头（12）、c接头（17）、d接头（28）之间均通过内斜锥面和外斜锥面的螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的一种控制斜向器定向锚定的启动阀，其特征在于：所述的旋转啮合机构（7）由管状的推力爪（4）、定爪（5）、旋转爪（8）组成，所述推力爪（4）、旋转爪（8）一同安装在定爪（5）内；定爪(5)通过紧定螺钉（6）和a接头（1）下部相固定；所述推力抓（4）外侧上端固定有活塞（2），旋转爪（8）的下端与旋转筒（19）连接。

4.根据权利要求3所述一种控制斜向器定向锚定的启动阀，其特征在于：所述定爪（5）内孔下端为内花键结构，该内花键结构端部为锯齿状斜面结构；推力爪（4）下端为外花键结构，该外花键结构端部为三角形齿形结构；旋转爪(8)上端为外花键结构，外花键端部为锯齿状斜面结构；推力爪（4）位于旋转爪(8)的上方，所述推力爪（4）下端的外花键结构固定在定爪（5）的内花键内，旋转爪（8）上端的外花键结构固定在定爪（5）内花键内。

5.根据权利要求4所述一种控制斜向器定向锚定的启动阀，其特征在于：所述定爪(5)内花键与推力爪(4)、旋转爪(8)的外花键数量一致；定爪(5)锯齿状斜面结构与旋转爪(8)锯齿状斜面结构相同。

6.根据权利要求1所述的控制斜向器定向锚定的启动阀，其特征在于：所述a接头（1）中部有一连通孔（3）；连通孔（3）贯穿a接头（1）的管壁与a接头（1）中空连通；c接头（17）上部内斜锥面下部设置有一个旁通孔（16），旁通孔（16）贯穿c接头（17）管壁。

7.根据权利要求1所述的控制斜向器定向锚定的启动阀，其特征在于：所述b接头（12）下部设置有一个贯穿b接头（12）管壁的注油螺钉（15）；所述b接头（12）与旋转爪（8）形成密封腔（13）；所述密封腔（13）中装有竖直方向的上弹簧（14）；所述密封腔（13）、空腔一（22）、空腔二（26）内充满液压油。

8.根据权利要求1所述的一种控制斜向器定向锚定的启动阀，其特征在于：c接头（17）内侧中部有一环形凸台，该环形凸台下部设置有贯穿c接头（17）管壁的限位螺钉（21），所述旋转筒（19）的中部外壁上设置有与所述限位螺钉（21）相适配的限位槽。

9.根据权利要求7所述的一种控制斜向器定向锚定的启动阀，其特征在于：所述上弹簧（14）、下弹簧（25）均处于压缩状态。

10.根据权利要求1所述的一种控制斜向器定向锚定的启动阀，其特征在于：所述旋转筒（19）中部设置有左旋螺旋槽（20），且左旋螺旋槽（20）的螺旋升角小于其自锁角；旋转筒（19）下端部外圆与d接头（28）配合处设置有密封件，旋转啮合机构（7）和周边件配合处、各接头连接处均设置有密封件。