CN105156030B - 一种用于石油天然气钻井防斜工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于石油天然气钻井防斜工具，它包括钻柱（1）、井眼高低边识别机构和执行机构，钻柱（1）的上、下端分别设置有导向孔（4）和型腔（5），导向孔（4）设置在钻柱（1）的右侧，型腔（5）的底部设置有通孔A（6），钻柱（1）上还设置有泄压孔A（7）壳体（13）的另一侧设置有连通流道（15）与通槽（2）的通孔C（22），流道（15）内设置有芯轴（18），芯轴（18）两端分别设置有阀芯I（19）和阀芯II（20），阀芯I（19）设置在阀芯II（20）的下方。本发明的有益效果是：成本低、能够有效提高井身质量与钻井效率、油气等资源的开采效率和效益、有效解决井眼易偏斜的难题。

Description

一种用于石油天然气钻井防斜工具

技术领域

本发明涉及油气钻井工程的技术领域，特别是一种用于石油天然气钻井防斜工具。

背景技术

目前，国内现场仍主要使用钟摆钻具组合控制井斜，所谓钟摆钻具组合，就是利用底部钻具组合的重力分量进行防斜，由于井斜较小时重力分量很小，因此防斜效果不好，在钻遇易斜地层时通常是以牺牲钻压甚至“轻压吊打”来确保井斜控制质量，从而使快速钻进与防斜打直的矛盾更加突出。

为了解决这个井眼防斜打快的技术难题，国内外推出了自动垂直钻井系统，首先利用重力加速度计传感器测量井斜，利用液压系统产生巨大推力推动活塞，在重力加速度计测量得到的信号，引导活塞推靠至上井壁，从而在钻头处产生一个朝向下井壁的力，不断切削下井壁最终降低井斜。然而，机电液一体化的自动垂钻系统价格昂贵,维护成本高。为降低成本，国内也在积极研制机械式自动垂钻工具，机械垂钻工具可以分为两大部分：一是在钻柱旋转的工况下使用机械结构确定出井眼高低边，二是产生推力使钻头向低边切削的执行机构。由于使用机械结构取代了重力加速度计传感器，因此结构设计较为简单，成本低。

中国专利号为CN1676862A中公开了一种机械式自动垂钻工具，这是典型的机械式自动垂钻工具，当井斜很小时，存在严重的缺陷：当壳体在钻柱带动下旋转时，壳体有通过轴承带动心轴旋转的趋势，当井斜较大时，配重的重力分量可以产生一个扭矩以克服轴承处产生的摩擦扭矩，从而使心轴不转动，配重一直处于井眼低边，从而识别出井眼的高边与低变。但是，随着井斜变小时，由于配重位置的变化，配重的重力分量产生的扭矩也随之变小。实验及理论计算表明，如果仅靠配重产生的扭矩，当井斜角小于4°时，偏重块产生的扭矩将不足以阻止心轴旋转，而心轴一旦旋转，与心轴底端连接的上盘阀随之旋转，从而导致上盘阀的扇形偏心流道不再处于井眼高边，因此也就无法将井眼高低边的信号提供给执行机构，失去了识别井眼高低边的功能。

中国专利号为CN1676862A中，依靠内置于工具的偏心配重块进行井斜的检测，其缺陷与公开号为CN1676862A 的专利类似，当井斜较小时，偏心配重块的重力分量很小，难以克服摩擦扭矩，从而随着工具旋转而旋转，无法识别井眼的高边与低边。

发明内容

本发明的目的在于解决了在直井、定向井、水平井、高陡构造等易斜地层钻井工程中井眼容易偏斜的难题，提供一种成本低、能够有效提高井身质量与钻井效率、油气等资源的开采效率和效益的用于石油天然气钻井防斜工具。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种用于石油天然气钻井防斜工具，它包括钻柱、井眼高低边识别机构和执行机构，所述的钻柱内设置有通槽，通槽的末端设置有钻头，钻柱的上、下端分别设置有导向孔和型腔，导向孔设置在钻柱的右侧，型腔设置在钻柱的左侧，型腔的底部设置有通孔A，钻柱上还设置有泄压孔A；所述的井眼高低边识别机构由推靠块、L板以及设置在通槽内的铰链座和钢丝绳组成，铰链座设置在导向孔的上方，L板铰接在铰链座上，推靠块由圆柱台和设置在圆柱台上的锥形台组成，圆柱台设置在导向孔内，锥形台的顶端与L板短边的底表面接触，钢丝绳的一端固定在L板长边上；所述的执行机构由设置在型腔内的活塞、设置在通槽内的壳体和弹簧组成，壳体设置在通槽的内壁上且位于型腔的下方，壳体内设置有流道，壳体的一侧设置有通孔B和泄压孔B，泄压孔B设置在通孔B的下方，通孔B连通流道与通孔A，泄压孔B连通流道与泄压孔A，壳体的另一侧设置有连通流道与通槽的通孔C，流道内设置有芯轴，芯轴两端分别设置有阀芯I和阀芯II，阀芯I设置在阀芯II的下方，阀芯I距阀芯II之间的距离大于泄压孔B距通孔B之间的距离，弹簧的一端设置在钻头与壳体之间，弹簧的另一端固定在阀芯I上，所述的钢丝绳的另一端固定在阀芯II上。

所述的导向孔垂直于钻柱设置。

所述的L板的长边与短边的交点处铰接在铰链座上。

所述的通槽内且位于钻头与壳体之间设置有固定块，所述的弹簧设置在固定块上。

所述的壳体和流道均平行于钻柱设置。

本发明具有以下优点：（1）本发明包括井眼高低边识别机构和执行机构，井眼高低边识别机构通过利用钻柱自身的重力识别井眼的高低边，井眼高低边识别机构产生信号，而执行机构利用钻柱内外液体的压差推动活塞产生作用于井壁的推靠力，执行机构产生推靠上井壁的力，从而在钻头处产生降斜力，推动钻头切削下井壁实现井眼防斜的目的。（2）本发明不涉及电子设备，从而不受振动和温度的影响，具有使用寿命长的特点，相比现有的机械式自动垂钻工具，利用钻柱的重力识别井眼高低边，更加准确有效。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图2 为图1的I部局部放大视图；

图3 为图1的II部局部放大视图；

图中，1-钻柱，2-通槽，3-钻头，4-导向孔，5-型腔，6-通孔A，7-泄压孔A，8-推靠块，9- L板，10-铰链座，11-钢丝绳，12-活塞，13-壳体，14-弹簧，15-流道，16-通孔B，17-泄压孔B，18-芯轴，19-阀芯I，20-阀芯II，21-固定块，22-通孔C，23-下井壁，24-上井壁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1-3所示，一种用于石油天然气钻井防斜工具，它包括钻柱1、井眼高低边识别机构和执行机构，所述的钻柱1内设置有通槽2，通槽2的末端设置有钻头3，钻柱1的上、下端分别设置有导向孔4和型腔5，导向孔4设置在钻柱1的右侧，导向孔4垂直于钻柱1设置，型腔5设置在钻柱1的左侧，型腔5的底部设置有通孔A6，钻柱1上还设置有泄压孔A7。

如图1-3所示，井眼高低边识别机构由推靠块8、L板9以及设置在通槽2内的铰链座10和钢丝绳11组成，铰链座10设置在导向孔4的上方，L板9的长边与短边的交点处铰接在铰链座10上，推靠块8由圆柱台和设置在圆柱台上的锥形台组成，圆柱台设置在导向孔4内，锥形台的顶端与L板9短边的底表面接触，钢丝绳11的一端固定在L板9长边上。

如图1-3所示，执行机构由设置在型腔5内的活塞12、设置在通槽2内的壳体13和弹簧14组成，壳体13设置在通槽2的内壁上且位于型腔5的下方，壳体13内设置有流道15，壳体13和流道15均平行于钻柱1设置，壳体13的一侧设置有通孔B16和泄压孔B17，泄压孔B17设置在通孔B16的下方，通孔B16连通流道15与通孔A6，泄压孔B17连通流道15与泄压孔A7，壳体13的另一侧设置有连通流道15与通槽2的通孔C22，流道15内设置有芯轴18，芯轴18两端分别设置有阀芯I19和阀芯II20，阀芯I19设置在阀芯II20的下方，阀芯I19距阀芯II20之间的距离大于泄压孔B17距通孔B16之间的距离，弹簧14的一端设置在钻头3与壳体13之间，弹簧14的另一端固定在阀芯I19上，所述的钢丝绳11的另一端固定在阀芯II20上。所述的壳体13与芯轴18、阀芯I19和阀芯II20构成了一个液压阀。

如图1所示，通槽2内且位于钻头3与壳体13之间设置有固定块21，所述的弹簧14设置在固定块21上。

当井眼井斜超标后，下入该钻井防斜工具，由于井眼存在斜度，工具在重力作用下躺在井眼下井壁23上，随着该钻井防斜工具的旋转，当井眼高低边识别机构中的推靠块8朝向下井壁23时，如图1所示状态，在下井壁23的反作用力下推靠块8的圆柱台沿导向孔4向钻柱1方向运动，从而带动锥形台抵压L板9，L板9做顺时针旋转运动，L板9拉动钢丝绳11向上运动，钢丝绳11拖动芯轴18向上运动，阀芯I19堵塞泄压孔B16，通孔B16与流道15和通孔A6连通，通槽2内的高压液体进入活塞12的下方，由于活塞12与推靠块8方向相反，因此，活塞12被高压液体推靠在上井壁24上，如图1状态所示，从而在钻头3处产生降斜力，推动钻头3切削下井壁24实现了井眼防斜的目的。

随着该钻井防斜工具继续旋转，当井眼高低边识别机构中的推靠块8朝向上井壁24时，由于工具躺在下井壁，上井壁对于推靠块8没有反作用力，弹簧14在自身回复力的作用下拉动芯轴18及钢丝绳11向下运动，泄压孔A7与泄压孔B17导通，泄压孔B17又与通孔B16导通，从而使活塞12下方液体与钻柱1外部的低压液体连通，导致活塞12两侧液体压力相等，从而不能产生推靠上井壁24的力，因此，在钻头3处没有降斜力。

当该钻井防斜工具每旋转一周，该钻井防斜工具就会在钻头3处产生一个降斜力，从而不断降斜，当井斜很小时，可以起钻不再使用该钻井防斜工具，如果继续使用，由于井斜很小，井壁对于推靠块8不再产生反作用力，因此，工具也不再产生降斜力，并不影响钻进。随着继续钻进，如果井斜再次变大，钻井防斜工具将自动产生降斜力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于石油天然气钻井防斜工具，其特征在于：它包括钻柱（1）、井眼高低边识别机构和执行机构，所述的钻柱（1）内设置有通槽（2），通槽（2）的末端设置有钻头（3），钻柱（1）的上端设置有导向孔（4），钻柱（1）的下端设置有型腔（5），导向孔（4）设置在钻柱（1）的右侧，型腔（5）设置在钻柱（1）的左侧，型腔（5）的底部设置有通孔A（6），钻柱（1）上还设置有泄压孔A（7）；所述的井眼高低边识别机构由推靠块（8）、L板（9）以及设置在通槽（2）内的铰链座（10）和钢丝绳（11）组成，铰链座（10）设置在导向孔（4）的上方，L板（9）铰接在铰链座（10）上，推靠块（8）由圆柱台和设置在圆柱台上的锥形台组成，圆柱台设置在导向孔（4）内，锥形台的顶端与L板（9）短边的底表面接触，钢丝绳（11）的一端固定在L板（9）长边上；所述的执行机构由设置在型腔（5）内的活塞（12）、设置在通槽（2）内的壳体（13）和弹簧（14）组成，壳体（13）设置在通槽（2）的内壁上且位于型腔（5）的下方，壳体（13）内设置有流道（15），壳体（13）的一侧设置有通孔B（16）和泄压孔B（17），泄压孔B（17）设置在通孔B（16）的下方，通孔B（16）连通流道（15）与通孔A（6），泄压孔B（17）连通流道（15）与泄压孔A（7），壳体（13）的另一侧设置有连通流道（15）与通槽（2）的通孔C（22），流道（15）内设置有芯轴（18），芯轴（18）两端分别设置有阀芯I（19）和阀芯II（20），阀芯I（19）设置在阀芯II（20）的下方，阀芯I（19）距阀芯II（20）之间的距离大于泄压孔B（17）距通孔B（16）之间的距离，弹簧（14）的一端设置在钻头（3）与壳体（13）之间，弹簧（14）的另一端固定在阀芯I（19）上，所述的钢丝绳（11）的另一端固定在阀芯II（20）上。

2.根据权利要求1所述的一种用于石油天然气钻井防斜工具，其特征在于：所述的导向孔（4）垂直于钻柱（1）设置。

3.根据权利要求1所述的一种用于石油天然气钻井防斜工具，其特征在于：所述的L板（9）的长边与短边的交点处铰接在铰链座（10）上。

4.根据权利要求1所述的一种用于石油天然气钻井防斜工具，其特征在于：所述的通槽（2）内且位于钻头（3）与壳体（13）之间设置有固定块（21），所述的弹簧（14）设置在固定块（21）上。

5.根据权利要求1或4所述的一种用于石油天然气钻井防斜工具，其特征在于：所述的壳体（13）和流道（15）均平行于钻柱（1）设置。