CN104594824B - 一种可地面操控变径稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明属于井下工具技术领域，涉及一种可地面操控变径稳定器，包括管状的壳体，该壳体内部装有中心轴，中心轴上部设置有自锁槽，中心轴的中部套装有锥面套；壳体上部设有锁块方孔，锁块方孔内装有自锁装置，该自锁装置的内端对应于中心轴上的自锁槽；壳体上沿周向和轴向分布有多个圆柱孔，圆柱孔内装有稳定柱，稳定柱的内端坐于锥面套外壁上。这种可地面操控变径稳定器，实现不同井段使用不同外径尺寸的稳定器的目的。同时，通过不同的地面操作实现外径转换，无需专门另配控制单元，克服了现有的非电控可变径稳定器需控制泵压或对开关泵次数进行记数的环节，简化了操作，结构简单，操作方便，提高了钻井时效。

Description

一种可地面操控变径稳定器

技术领域

本发明属于井下工具技术领域，涉及一种石油钻井定向井、水平井和大位移钻井作业中使用的可变的稳定器，尤其涉及一种可地面操控变径稳定器。

背景技术

在定向井、水平井和大位移井钻井施工中，为了控制和调整井眼井斜，通常通过不同尺寸长度的钻杆、加重钻杆、钻铤等配以不同位置上的满眼、不满眼稳定器组成造斜、稳斜或降斜钻具组合。

常规使用的钻具稳定器是整体式，并且直径固定不可变化，一般是小于钻头2mm，其主要存在四个缺点：

一，当起下钻不畅时，容易出现遇阻、遇卡等情况，诱发发生钻井事故；

二，当直径磨损减小到一定程度后就全部报废，增加了钻井费用；

三，在扩大了的井眼段起作用时，不能有效地稳定钻杆；

四，因为调整周期较长，会使井眼轨迹呈现出“波动”式，会产生附加的扭矩和阻力，常规钻井工具无法适应目前复杂的定向井或水平井等钻井工艺要求。

而且使用传统固定式稳定器，因其结构固定，更换稳定器都必须通过起下钻实现，这就增加了钻井作业的辅助时间。采用固定式稳定器在起下钻、定向等工况下，存在着遇阻划眼、易斜地层防斜、定向井井眼轨迹控制以及提高机械转速等技术难题，易引起刮擦井壁和“拔活塞”现象，增加了泥浆对井壁的浸泡时间，从且延长钻井施工周期，降低钻井时效，甚至造成井壁失稳，致使井塌、井喷等井下复杂事故。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有的整体固定式稳定器在使用的过程中出现的各种问题。

为此，本发明提供了一种可地面操控变径稳定器，包括管状的壳体，该壳体内部装有中心轴，所述壳体由上壳体、中壳体和下壳体依次连接组成，

所述中心轴上部设置有自锁槽，中心轴的中部固定有锥面套；

所述上壳体上部设有锁块方孔，锁块方孔内装有自锁装置，该自锁装置的内端对应于中心轴上的自锁槽；上壳体下部沿周向和和轴向分布有多个圆柱孔，所述圆柱孔内装有稳定柱，稳定柱的内端坐于锥面套外壁上。

所述的锁块方孔内的自锁装置由自锁块、自锁弹簧、弹簧压板和紧固螺钉组成，紧固螺钉将弹簧压板固定在锁块方孔内，自锁弹簧和自锁块位于弹簧压板内侧，自锁弹簧的两端分别固定在弹簧压板和自锁块上，自锁块的底部端面为弧形；

所述的上壳体内壁上还设置有矩形凸块，该矩形凸块位于锁块方孔上方位置。

所述的中心轴上的自锁槽包括周向的自锁环槽和轴向的导动槽，导动槽被自锁环槽分为上下两部分，导动槽下部分一侧壁设有解锁斜面，导动槽上部分顶部设置有宽槽，并以弧面过渡；所述矩形凸块置于导动槽中。

所述的稳定柱上端面为圆弧面，下端面为带有燕尾槽的锥平面，所述的锥面套外壁上设置有与燕尾槽相配合的燕尾形块轨道。

所述的多个圆柱孔在上壳体下部呈螺旋状沿轴向分布，所述的锥面套 由一组结构相同的锥面套组成，安装时燕尾形轨道块呈螺旋状沿轴向分布。所述的中心轴上套装有耐磨环和限位环，所述的耐磨环和限位环分别位于锥面套的上端部和下端部对锥面套进行限位。

所述的中心轴下端通过螺纹连接导动轴，导动轴为带有空心的阶梯轴状的外六方轴，导动轴上开有供钻井液流出的孔洞；

导动轴的下端通过六方孔轴连接的方式连接有活塞，活塞外套有控制套，活塞下端连接有活塞回位弹簧，活塞和下壳体之间装有调整环，调整环位于下壳体内部底端。

所述的活塞的外壁上设置有螺旋导向块，所述的控制套内壁设置有与螺旋导向块配合的螺旋导向槽，控制套的上端内径设置有内花键，所述的导动轴中部设置有外花键。

所述的中心轴和中壳体之间设置有密封件，中心轴末端设有锁环槽，锁环安装在锁环槽中，在上壳体的上端部与中心轴之间安装有密封圈座和密封圈，并用沉头螺钉固定。

本发明的有益效果：本发明提供的这种可地面操控变径稳定器，实现稳定器外径可由地面操控进行变径的目的，该稳定器通过改变开泵和加钻压旋转的先后顺序，使稳定器处于不同的工作状态（涨开和收缩）下，实现不同井段使用不同外径尺寸的稳定器的目的。同时，实现在起钻作业中，稳定器处于收缩（小外径）状态。

通过不同的地面操作实现外径转换，无需专门另配控制单元，克服了现有的非电控可变径稳定器需控制泵压或对开关泵次数进行记数的环节，简化了操作，相对于通过地面电控实现变径的稳定器，可靠性更高。该装置结构简单，操作方便，提高了钻井时效。

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为本发明结构示意图。

图2为中心轴结构示意图。

图3为上壳体结构示意图。

图4为中壳体结构示意图。

图5为下壳体结构示意图。

图6为锥面套结构示意图。

图7为稳定柱结构示意图。

图8为导动轴结构示意图。

图9为控制套结构示意图。

图10为活塞结构示意图。

图11为自锁块结构示意图。

图12为自锁块自锁位置示意图。

图13为自锁块解锁位置示意图。

附图标记说明：1、中心轴；2、上壳体；3、中壳体；4、下壳体；5、锥面套；6、稳定柱；7、导动轴；8、控制套；9、活塞；10、活塞回位弹簧；11、调整环；12、锁环；13、密封件；14、限位环；15、耐磨环；16、自锁块；17、自锁弹簧；18、弹簧压板；19、紧固螺钉；20、密封圈座；21、沉头螺钉；22、密封圈；23、锁块方孔；24、圆柱孔；25、矩形凸块；26、自锁环槽；27、导动槽；28、解锁斜面；29、宽槽；30、燕尾槽；31、燕尾形块轨道；32、孔洞；33、螺旋导向块；34、螺旋导向槽；35、锁环槽；36、外花键；37、内花键。

具体实施方式

本发明属于钻井领域，涉及一种适用于钻井作业的可变径稳定器，一般安装于螺杆钻具后，MWD仪器前。

实施例1：

本实施例提供一种可地面操控变径稳定器，如图1至5所示，包括管状的壳体，该壳体内部装有中心轴1，所述壳体由上壳体2、中壳体3和下壳体4依次连接组成，

中心轴1上部设置有自锁槽，中心轴1的中部固定有锥面套5；

上壳体2上部设有锁块方孔23，锁块方孔23内装有自锁装置，该自锁装置的内端对应于中心轴1上的自锁槽；上壳体2下部沿周向和和轴向分布有多个圆柱孔24，所述圆柱孔24内装有稳定柱6，稳定柱6的内端坐于锥面套5外壁上。

图1中，本发明的这种稳定器处于小外径状态。当需要保持该状态时，需在钻井作业中，保证先开泵，后加钻压，旋转钻柱钻进；当需要稳定器在大外径状态下工作时，需先停泵，再加钻压，钻柱下行，然后开泵正常钻进；当需要稳定器从大外径状态进入小外径状态时，需上提钻柱，稳定柱6回收，稳定器进入小外径状态。

锥面套5套装在中心轴1上，可随中心轴1作轴向运动。当锥面套5轴向运动时，由于稳定柱6的内端坐于锥面套5外壁上，随着锥面套5，的轴向移动，稳定柱6对应的锥面套5位置的外径改变，所以稳定柱6在锥面套5作用下被动做径向涨开或回缩运动。

锁块方孔23内的自锁装置，用于将中心轴1和上壳体2进行锁紧，使得两者能在对应的大直径状态或小直径状态下保持为一个整体。

本实施例中提及的“开泵”、“加钻压”、“旋转钻柱钻进”、“停泵”、“上提钻柱”等操作均可在地面完成，实现了稳定器的地面操控变径。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例中锁块方孔23内的自锁装置由自锁块16、自锁弹簧17、弹簧压板18和紧固螺钉19组成，紧固螺钉19将弹簧压板18固定在锁块方孔23内，自锁弹簧17和自锁块16位于弹簧压板18内侧，自锁弹簧17的两端分别固定在弹簧压板18和自锁块16上，自锁块16的底部端面为弧形，如图11所示，自锁块16为一立方体结构，一个端面为弧形，弧形端面切去一角，另一端面设有圆柱形弹簧孔，用于安装自锁弹簧17。

上壳体2内壁上还设置有矩形凸块25，该矩形凸块25位于锁块方孔23上方位置。

中心轴1上的自锁槽包括周向的自锁环槽26和轴向的导动槽27，导动槽27被自锁环槽26分为上下两部分，导动槽27下部分一侧壁设有解锁斜面28，导动槽27上部分顶部设置有宽槽29，并以弧面过渡；所述矩形凸块25置于导动槽27中。

如图12和图13所示，结合图1，随着中心轴1的轴向运动，当自锁块16和自锁环槽26处于同一个径向位置的时候，在自锁弹簧17的作用下，自锁块16会压进自锁环槽26中，此时自锁块16与导动槽27不在同一条母线上，中心轴1和上壳体2处于锁定状态；

开泵钻井，稳定器将保持在大外径状态下工作。此时上壳体2的矩形凸块25处于中心轴1轴向导动槽27上端的宽槽29处。正常钻进时，由钻头传递的反扭矩将使中心轴1相对于上壳体2产生转动，使得自锁块16与中心轴1的轴向导动槽27对正，自锁装置处于解锁状态；

当上提钻柱时，在本稳定器下部钻柱自重或摩擦力作用下，中心轴1相对于上壳体2向上移动，自锁块16为弧形底部端面沿解锁斜面28运动，将自锁弹簧17进行压缩至原始状态，此时中心轴1和上壳体2完全分离解锁。本实施例中的开泵钻井、正常钻进、上提钻柱均在地面实施操作，利用在地面上实施这些操作，实现稳定器的自锁、变径等功能。

实施例3：

在实施例1中，稳定柱6要随着锥面套5的轴向运动而作径向运动，本实施例中，如图6和图7所示，稳定柱6上端面为圆弧面，下端面为带有燕尾槽30的锥平面，所述的锥面套5外壁上设置有与燕尾槽30相配合的燕尾形块轨道31。

本实施例中的这种结构，利用燕尾槽30和燕尾形块轨道31相配合将稳定柱6连接到锥面套5上，随着锥面套5的轴向运动，稳定柱6在锥面套5上的燕尾形块轨道31上滑动并作径向运动。

在本实施例中，锥面套5也可以由几个沿轴向依次套装在中心轴1上的锥面套拼接组成。

进一步地，所述的多个圆柱孔24在上壳体2下部呈螺旋状沿轴向分布，所述的燕尾形块轨道31在锥面套5外壁上呈螺旋状沿轴向分布。螺旋状的分布使得圆柱孔24可以设置地更多，而且这种结构更利于稳定器的稳定作用。

而且，在本实施例中，中心轴1上套装有耐磨环15和限位环14，所述的耐磨环15和限位环14分别位于锥面套5的上端部和下端部对锥面套5进行限位。

实施例4：

结合图1、图8、图9和图10，本实施例在上述几个实施例的基础上，在中心轴1下端通过螺纹连接导动轴7，导动轴7为带有空心的阶梯轴状的外六方轴，导动轴7上开有供钻井液流出的孔洞32；

导动轴7的下端通过六方孔轴连接的方式连接有活塞9，活塞9外套有控制套8，活塞9下端连接有活塞回位弹簧10，活塞9和下壳体4之间装有调整环11，调整环11位于下壳体4内部底端。

所述的活塞9的外壁上设置有螺旋导向块33，所述的控制套8内壁设置有与螺旋导向块33配合的螺旋导向槽34，控制套8的上端内径设置有内花键37，所述的导动轴7中部设置有外花键36。

如图8所示，导动轴7为一空心轴，上部（图8左侧）为圆柱形，设有和中心轴1连接的螺纹；中部为外花键36，和控制套8上的内花键37相连；下部（图8右侧）为外六方形，与活塞9上的内六方相连，其作用是保证活塞9只能沿轴向运动，无法做周向旋转运动；在外六方端部（图8中间）设有供钻井液流出的孔洞32。

如图9所示，控制套8为一空心轴。上端（图9左侧）内径设有内花键37。另一侧内径设有螺旋导向槽34，与活塞9上的螺旋导向块33啮合，以实现活塞沿轴向运动时，控制套沿周向旋转。

如图10所示，活塞9为一空心阶梯轴。上端（图10左侧）外径设有螺旋导向块33，其作用是当活塞沿轴向移动时，通过它与控制套8内螺旋导向槽34的啮合，驱动控制套8旋转一定的角度。上端（图10左侧）内径设有内六方孔，活塞通过此孔套装在导动轴7的外六方轴上。

实施例5：

在上述实施例1-4的实施过程中，由于水眼与环空的压差存在，需在在本实施例中心轴1和中壳体3之间设置密封件13。中心轴1末端设有锁环槽35，锁环12安装在锁环槽35中。

在上壳体2的上端部与中心轴1之间安装有密封圈座20和密封圈22，并用沉头螺钉21固定。该密封装置用于防止钻井液中的沙粒进入导向槽和自锁装置，以保证其功能正常。

综上所述，本发明的这中可地面操控变径稳定器，能实现变径操作，并通过以下过程来实现：

1、外径由小变大操作：当稳定柱6未伸出（稳定器处于小外径）时，中心轴1、锥面套5、导动轴7处于上极限位置，此时导动轴7的外花键37和控制套8的内花键36对正但未接合。这时下放钻柱到井底，中心轴1、锥面套5、导动轴7下行，导动轴7的外花键37进入控制套8的内花键36，稳定柱6伸出（稳定器处于大外径）。当中心轴1下行到自锁环槽26与自锁块16对正时，自锁块16在自锁弹簧17作用下弹出，卡在自锁环槽26中，将中心轴1与上壳体2锁住，此时稳定柱6伸出到最大位置。在当前状态下，自锁块16与中心轴1的轴向导动槽27不在同一条母线上（如图12所示）。这时上提钻柱到钻压为零，在自锁块16的作用下，中心轴1可将外壳一块提起，使钻头稍离井底，此时导动轴7的外花键37和控制套8的内花键36未脱离接合。开泵钻井，稳定器将保持在大外径状态下工作。此时上壳体2的矩形凸块25处于中心轴1轴向导动槽27上端宽槽29处。正常钻进时，由钻头传递的反扭矩将使中心轴1相对于上壳体2产生一个转动，自锁块16与中心轴1的轴向导动槽27对正（如图13所示），自锁装置处于解锁状态。

2、外径由大变小操作：当上提钻柱时，上壳体2的矩形凸块25沿中心轴1轴向导动槽27宽变窄的过渡斜面运动，矩形凸块25从宽槽29进入导动槽27，中心轴1相对于上壳体2产生一个反向转动，自锁块16在中心轴1的导动槽27下部一侧的解锁斜面28作用下被顶起，解除锁定。中心轴1、锥面套组5、导动轴7上行，稳定柱6回收，稳定器处于小外径状态。此时活塞9在活塞回位弹簧10的作用下复位，驱动控制套8旋转，控制套8内花键36与导动轴7外花键37对正。

3、小外径钻井：稳定器在小外径状态下时开泵，在活塞9的节流作用下，钻井液对活塞9产生向下的推力，活塞9下行，驱动控制套旋转一定的角度，导动轴7外花键37与控制套8内花键36错开，限制了中心轴1、锥面套5和导动轴7的下行，稳定柱6不能伸出。此时正常钻进，稳定器保持在小外径状态。

综上所述，本发明的这种可地面操控变径稳定器，通过在地面上进行“开泵”、“加钻压”、“旋转钻柱钻进”、“停泵”、“上提钻柱”等操作，实现外径转换，无需专门另配控制单元，克服了现有的非电控可变径稳定器需控制泵压或对开关泵次数进行记数的环节，简化了操作，结构简单，操作方便，提高了钻井时效。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可地面操控变径稳定器，包括管状的壳体，该壳体内部装有中心轴（1），所述壳体由上壳体（2）、中壳体（3）和下壳体（4）依次连接组成，其特征在于：

所述中心轴（1）上部设置有自锁槽，中心轴（1）的中部固定有锥面套（5）；

所述上壳体（2）上部设有锁块方孔（23），锁块方孔（23）内装有自锁装置，该自锁装置的内端对应于中心轴（1）上的自锁槽；上壳体（2）下部沿周向和和轴向分布有多个圆柱孔（24），所述圆柱孔（24）内装有稳定柱（6），稳定柱（6）的内端坐于锥面套（5）外壁上；

所述的锁块方孔（23）内的自锁装置由自锁块（16）、自锁弹簧（17）、弹簧压板（18）和紧固螺钉（19）组成，紧固螺钉（19）将弹簧压板（18）固定在锁块方孔（23）内，自锁弹簧（17）和自锁块（16）位于弹簧压板（18）内侧，自锁弹簧（17）的两端分别固定在弹簧压板（18）和自锁块（16）上，自锁块（16）的底部端面为弧形；

所述的上壳体（2）内壁上还设置有矩形凸块（25），该矩形凸块（25）位于锁块方孔（23）上方位置。

2.如权利要求1所述的可地面操控变径稳定器，其特征在于：所述的中心轴（1）上的自锁槽包括周向的自锁环槽（26）和轴向的导动槽（27），导动槽（27）被自锁环槽（26）分为上下两部分，导动槽（27）下部分一侧壁设有解锁斜面（28），导动槽（27）上部分顶部设置有宽槽（29），并以弧面过渡；所述矩形凸块（25）置于导动槽（27）中。

3.如权利要求1所述的可地面操控变径稳定器，其特征在于：所述的稳定柱（6）上端面为圆弧面，下端面为带有燕尾槽（30）的锥平面，所述的锥面套（5）外壁上设置有与燕尾槽（30）相配合的燕尾形块轨道（31）。

4.如权利要求3所述的可地面操控变径稳定器，其特征在于：所述的多个圆柱孔（24）在上壳体（2）下部呈螺旋状沿轴向分布，所述的燕尾形块轨道（31）在锥面套（5）外壁上周向均布，所述的锥面套（5）由一组结构相同的锥面套组成。

5.如权利要求1所述的可地面操控变径稳定器，其特征在于：所述的中心轴（1）上套装有耐磨环（15）和限位环（14），所述的耐磨环（15）和限位环（14）分别位于锥面套（5）的上端部和下端部对锥面套（5）进行限位。

6.如权利要求1所述的可地面操控变径稳定器，其特征在于：所述的中心轴（1）下端通过螺纹连接导动轴（7），导动轴（7）为带有空心的阶梯轴状的外六方轴，导动轴（7）上开有供钻井液流出的孔洞（32）；

导动轴（7）的下端通过六方孔轴连接的方式连接有活塞（9），活塞（9）外套有控制套（8），活塞（9）下端连接有活塞回位弹簧（10），活塞（9）和下壳体（4）之间装有调整环（11），调整环（11）位于下壳体（4）内部底端。

7.如权利要求6所述的可地面操控变径稳定器，其特征在于：所述的活塞（9）的外壁上设置有螺旋导向块（33），所述的控制套（8）内壁设置有与螺旋导向块（33）配合的螺旋导向槽（34），控制套（8）的上端内径设置有内花键（37），所述的导动轴（7）中部设置有外花键（36）。

8.如权利要求1或6或7所述的可地面操控变径稳定器，其特征在于：所述的中心轴（1）和中壳体（3）之间设置有密封件（13），中心轴（1）末端设有锁环槽（35），锁环（12）安装在锁环槽（35）中，

在上壳体（2）的上端部与中心轴（1）之间安装有密封圈座（20）和密封圈（22），并用沉头螺钉（21）固定。