CN105275397A - 一种遥控可变径稳定器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种遥控变径稳定器，装置主要由上壳体、压动活塞、密封圈、上芯轴、弹簧、旋转棘轮、止推轴承、中芯轴、下壳体、斜面体、径向活塞、下芯轴、注油孔销、排气孔销、平衡活塞、滤板、卡簧、闷头、支撑销、止动销、上孔板、下孔板、蘑菇内芯、蘑菇外圈、套筒、碟簧和转换接头组成，其特征在于当第一次启动泵时流体使压动活塞带动上芯轴向下运动从而驱动变径机构执行变径操作使得径向活塞向外伸出，对应径向活塞的位置由旋转棘轮的凸楞侧壁和止滑面固定；当第二次启动泵时，在弹簧恢复力的作用下凸楞滑入纵槽中，变径机构使径向活塞收缩。本发明装置较现有技术简单可靠，可广泛用于定向井和水平井的钻井作业中。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下稳定器，特别是一种地面操作的遥控可变径稳定器，属于石油天然气钻采技术领域。
背景技术
在定向井、水平井钻井中，主要是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，而钻具组合的变化都必须通过起下钻实现，这就增加了钻井作业的辅助时间。而采用常规稳定器在起下钻及定向等工况下，在遇阻划眼、易斜地层防斜、定向井井眼轨迹控制以及提高机械钻速等方面均存在技术难题，并且时常出现卡钻、起下钻遇阻卡和“拨活塞”现象，不但给钻井施工造成极大麻烦，浪费大量时间，甚至会发生井塌或井喷事故，使井眼报废而造成巨大损失。
从20世纪80年代后期以来，众多石油钻井服务公司都在致力于井眼轨迹控制相关新型工具的开发，并有不少类型的产品进入商业应用。变径稳定器是一种新型的井下控制工具，在大位移井钻井中获得广泛应用，在一些重要的水平井和定向井中也有应用。变径稳定器是通过一定的控制方式(遥控或井下自控)，调整稳定器的外径，从而调整下部钻具的力学特性，达到不起下钻即可调整井斜角的目的，节约钻井辅助时间，提高井身质量并降低钻井成本。
目前通见变径稳定器主要包括遥控型变径稳定器和自控型变径稳定器，遥控型变径稳定器又包括排量控制(正排量和负排量)、投球控制、钻压控制、时间-排量联合控制等。这些类型的可变径稳定器能克服传统稳定器的一些缺点，但各自也存在不足，例如井下自控型可变径稳定器的主要问题在于其可靠性不高而成本较高，排量控制型和钻压控制型在于稳定器外径持续变动，投球控制型在于其压耗较高。尽管对于这些类型的可变径稳定器有大量新型结构推出，但鲜见推广应用。
通过对钻井现场的调研发现，“钻井遥控变径稳定器”(200520125286.2)所公开的结构是目前井下变径稳定器最普遍的结构。该装置通过开停泵的方式并结合凸轮体实现稳定器的伸缩变径，其核心即在于凸轮体的特殊轨道。然而，凸轮体的结构复杂，对设计计算和加工精度要求极高。此外，该装置实现对不同直径的定位是通过销钉在轨道里滑动实现，因此该结构存在转动不灵活及销钉强度不足(销钉的直径直接影响轨道尺寸)的可能。针对这些问题，这种可变径稳定器在钻井现场的用量并不大，甚至很多钻井公司宁愿选择用传统的非可变径稳定器。
发明内容
鉴于上述已有技术存在的缺点和不足，本发明的目的在于为了克服上述难点，特提出一种遥控可变径稳定器，从而解决已有技术存在的上述问题。
为达到上述目的，本发明解决此技术问题采用的技术方案是：
一种遥控可变径稳定器，主要由上壳体、压动活塞、密封圈、上芯轴、弹簧、旋转棘轮、止推轴承、中芯轴、下壳体、斜面体、径向活塞、下芯轴、注油孔销、排气孔销、平衡活塞、滤板、卡簧、闷头、支撑销、止动销、上孔板、下孔板、蘑菇内芯、蘑菇外圈、套筒、碟簧和转换接头组成，其特征在于：所述上壳体与下壳体、下壳体与转换接头、压动活塞与上芯轴、上芯轴与中芯轴、中芯轴与下芯轴、下芯轴与上孔板、上孔板与下孔板均通过螺纹连接。
所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述上壳体内壁设有固定棘轮，固定棘轮上端面用于支撑和限制弹簧，固定棘轮下端与旋转棘轮相互作用；所述固定棘轮设有纵槽、纵槽侧壁、长斜滑面、止滑面、短斜滑面。
所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述上芯轴上设有驱动块，驱动块作用于纵槽内；所述驱动块设有驱动侧壁和驱动斜面。
所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述旋转棘轮与固定棘轮以及驱动块共同形成变径机构，变径机构用于控制径向活塞的伸缩；所述旋转棘轮设有凸楞、凸楞侧壁、主滑面；所述旋转棘轮与中芯轴的凸台间设有止推轴承。
所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述纵槽、纵槽侧壁、长斜滑面、止滑面、短斜滑面的数量均为三个并沿固定棘轮的周向均匀分布；所述驱动块的数量为三个并沿上芯轴周向均匀分布；所述凸楞、凸楞侧壁、主滑面的数量均为三个并沿旋转棘轮的周向均匀分布。
所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于当所述径向活塞处于收缩状态时，驱动块位于纵槽的顶端，凸楞位于纵槽内部；当第一次启动泵时，流体使压动活塞带动上芯轴向下运动从而驱动变径机构执行变径操作使得径向活塞向外伸出；在径向活塞由收缩状态变为伸出状态的过程中，驱动侧壁沿纵槽侧壁向下滑动，驱动斜面作用于主滑面并驱动旋转棘轮向下运动，当凸楞侧壁从纵槽侧壁脱离时，旋转棘轮逆时针转动，主滑面沿长斜滑面滑动直至被止滑面阻止；当第二次启动泵时，压动活塞带动上芯轴使处于压缩状态的弹簧进一步压缩，驱动斜面作用于主滑面并使旋转棘轮向下运动，当凸楞侧壁从止滑面脱离时，旋转棘轮再次逆时针转动，主滑面沿短斜滑面滑动，当主滑面从短斜滑面脱离时，弹簧在恢复力的作用下带动上芯轴和中芯轴向上运动，使凸楞再次进入纵槽中，对应径向活塞处于收缩状态。
所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述下壳体设有三条螺旋带或直带，螺旋带上镶嵌硬质合金，每一条螺旋带或直带上均设有五个孔用于安装径向活塞；所述径向活塞为圆柱体，其前端镶嵌硬质合金，其后端设有T型头用于与斜面体配合；所述斜面体为圆柱体状，其周向均布有三个斜平面且每一斜平面的中心均设有用于安装径向活塞的T型槽。所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述下壳体上设有注油孔和排气孔分别用于安装注油孔销和排气孔销。
所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述压动活塞以下平衡活塞以上的腔体充满润滑油；平衡活塞可沿下芯轴上下滑动。
所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述滤板和卡簧组成过滤单元，由此使平衡活塞下端和闷头上端构成的低压区与井眼环空保持压力平衡；闷头通过支撑销限制其位置。所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述上孔板、下孔板、蘑菇内芯、蘑菇外圈共同构成节流和压力信号发生装置，钻井人员通过钻井泥浆的压力损失判断径向活塞的位置。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：(1)本发明装置结构简单，降低了对设计计算及加工精度的要求；(2)本发明装置的变径机构安全可靠；(3)本发明装置在实现相同功能的情况下可降低生产成本。
附图说明
图1为本发明装置的径向活塞处于收缩状态时的结构示意图；
图2为本发明装置的上壳体的结构示意图；
图3为本发明装置的固定棘轮的结构示意图；
图4为本发明装置的固定棘轮的另一方位结构示意图；
图5为本发明装置的上芯轴的结构示意图；
图6为图5的俯视图；
图7为本发明装置的旋转棘轮的结构示意图；
图8为本发明装置的旋转棘轮的另一方位结构示意图；
图9为本发明装置的过滤单元结构示意图；
图10为本发明装置的壳体上的扶正带为螺旋带时的结构示意图；
图11为本发明装置的螺旋带的展开示意图；
图12为本发明装置的径向活塞处于伸出状态时的结构示意图；
图13为本发明装置的变径机构的初始状态示意图；
图14为本发明装置的变径机构的当凸楞侧壁从纵槽侧壁脱离时的示意图；
图15为本发明装置的变径机构的当凸楞侧壁与止滑面接触时的示意图；
图16为本发明装置的变径机构的当凸楞侧壁从止滑面脱离时的示意图；
图中：1.上壳体，2.压动活塞，3.密封圈，4.上芯轴，5.弹簧，6.旋转棘轮，6a.凸楞，6b.凸楞侧壁，6c.主滑面，7.止推轴承，8.中芯轴，9.下壳体，10.斜面体，11.径向活塞，12.下芯轴，13.注油孔销，14.排气孔销，15.平衡活塞，16.滤板，17.卡簧，18.闷头，19.支撑销，20.止动销，21.上孔板，22.下孔板，23.蘑菇内芯，24.蘑菇外圈，25.套筒，26.碟簧，27.转换接头，28.固定棘轮，28a.纵槽，28b.纵槽侧壁，28c.长斜滑面，28d.止滑面，28e.短斜滑面，28.驱动块，29a.驱动侧壁，29b.驱动斜面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1。
如图1所示，一种遥控可变径稳定器，主要由上壳体1、压动活塞2、密封圈3、上芯轴4、弹簧5、旋转棘轮6、止推轴承7、中芯轴8、下壳体9、斜面体10、径向活塞11、下芯轴12、注油孔销13、排气孔销14、平衡活塞15、滤板16、卡簧17、闷头18、支撑销19、止动销20、上孔板21、下孔板22、蘑菇内芯23、蘑菇外圈24、套筒25、碟簧26和转换接头27组成，其特征在于：所述上壳体1与下壳体9、下壳体9与转换接头27、压动活塞2与上芯轴4、上芯轴4与中芯轴8、中芯轴8与下芯轴12、下芯轴12与上孔板21、上孔板21与下孔板22均通过螺纹连接。
如图1～图4所示，所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述上壳体1内壁设有固定棘轮28，固定棘轮28上端面用于支撑和限制弹簧5，固定棘轮28下端与旋转棘轮6相互作用。所述固定棘轮28设有纵槽28a、纵槽侧壁28b、长斜滑面28c、止滑面28d、短斜滑面28e。
如图5和图6所示，所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述上芯轴4上设有驱动块29，驱动块29作用于纵槽28a内；所述驱动块29设有驱动侧壁29a和驱动斜面29b。如图7和图8所示，所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述旋转棘轮6与固定棘轮28以及驱动块29共同形成变径机构，变径机构用于控制径向活塞11的伸缩；所述旋转棘轮6设有凸楞6a、凸楞侧壁6b、主滑面6c；所述旋转棘轮6与中芯轴8的凸台间设有止推轴承7。
如图3～图8所示，所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述纵槽28a、纵槽侧壁28b、长斜滑面28c、止滑面28d、短斜滑面28e的数量均为三个并沿固定棘轮28周向均匀分布；所述驱动块29的数量为三个并沿上芯轴4周向均匀分布；所述凸楞6a、凸楞侧壁6b、主滑面6c的数量均为三个并沿旋转棘轮6周向均匀分布。
如图1、图12～图16所示，所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于当所述径向活塞11处于收缩状态时，驱动块29位于纵槽28a的顶端，凸楞6a位于纵槽28a内部；当第一次启动泵时，流体使压动活塞2带动上芯轴4向下运动从而驱动变径机构执行变径操作使得径向活塞11向外伸出；在径向活塞11由收缩状态变为伸出状态的过程中，驱动侧壁29a沿纵槽侧壁28b向下滑动，驱动斜面29b作用于主滑面6c并驱动旋转棘轮6向下运动，当凸楞侧壁6b从纵槽侧壁28b脱离时，旋转棘轮6逆时针转动，主滑面6c沿长斜滑面28c滑动直至被止滑面28d阻止；当第二次启动泵时，压动活塞2带动上芯轴4使处于压缩状态的弹簧5进一步压缩，驱动斜面29b作用于主滑面6c并使旋转棘轮6向下运动，当凸楞侧壁6b从止滑面28d脱离时，旋转棘轮6再次逆时针转动，主滑面6c沿短斜滑面28e滑动，当主滑面6c从短斜滑面28e脱离时，弹簧5在恢复力的作用下带动上芯轴4和中芯轴8向上运动，使凸楞6a再次进入纵槽28a中，对应径向活塞11处于收缩状态。
如图1、图10和图11所示，所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述下壳体9设有三条螺旋带或直带，螺旋带上镶嵌硬质合金，每一条螺旋带或直带上均设有五个孔用于安装径向活塞11；所述径向活塞11为圆柱体，其前端镶嵌硬质合金，其后端设有T型头用于与斜面体10配合；所述斜面体10为圆柱体状，其周向均布有三个斜平面且每一斜平面的中心均设有用于安装径向活塞11的T型槽。
如图1、图10～图12所示，所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述下壳体9上设有注油孔和排气孔分别用于安装注油孔销13和排气孔销14。
如图1和图12所示，所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述压动活塞2以下平衡活塞15以上的腔体充满润滑油；平衡活塞15可沿下芯轴12上下滑动。
如图1、图9和图12所示，所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述滤板16和卡簧17组成过滤单元，由此使平衡活塞15下端和闷头18上端构成的低压区与井眼环空保持压力平衡；闷头18通过支撑销19限制其位置。
如图1和图12所示，所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述上孔板21、下孔板22、蘑菇内芯23、蘑菇外圈24共同构成节流和压力信号发生装置，钻井人员通过钻井泥浆的压力损失判断径向活塞11的位置。
实施例2。
在钻井泥浆泵第一次开泵时，钻柱内的压力上升，使压动活塞2克服弹簧5的弹力，上芯轴4、中芯轴8、下芯轴11向下移动，带动旋转棘轮6以及斜面体10向下移动，向下移动的斜面体10使径向活塞11向外伸出；在此过程中当凸楞侧壁6b从纵槽侧壁28b脱离时，旋转棘轮6逆时针转动，主滑面6c沿长斜滑面28c滑动直至被止滑面28d阻止，此时径向活塞11为伸出状态且固定不动，对应平衡活塞15根据由压动活塞2下端面和平衡活塞15上端面所构成的腔体的体积的变化而移动；在钻井泥浆泵停泵并第二次开泵时，钻柱内的压力再次上升，使压动活塞2再次克服弹簧5的弹力，上芯轴4、中芯轴8、下芯轴11再次向下移动并带动旋转棘轮6向下移动，当凸楞侧壁6b从止滑面28d脱离时，旋转棘轮6再次逆时针转动，主滑面6c沿短斜滑面28e滑动，当主滑面6c从短斜滑面28e脱离时，弹簧5在恢复力的作用下带动上芯轴4和中芯轴8向上运动，使凸楞6a再次进入纵槽28a中，对应径向活塞11处于收缩状态。
以上所述具体实施方式用于说明本发明而非限制本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的构思和原则前提下所作出的等同变化与修改，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种遥控可变径稳定器，主要由上壳体(1)、压动活塞(2)、密封圈(3)、上芯轴(4)、弹簧(5)、旋转棘轮(6)、止推轴承(7)、中芯轴(8)、下壳体(9)、斜面体(10)、径向活塞(11)、下芯轴(12)、注油孔销(13)、排气孔销(14)、平衡活塞(15)、滤板(16)、卡簧(17)、闷头(18)、支撑销(19)、止动销(20)、上孔板(21)、下孔板(22)、蘑菇内芯(23)、蘑菇外圈(24)、套筒(25)、碟簧(26)和转换接头(27)组成，其特征在于：所述上壳体(1)与下壳体(9)、下壳体(9)与转换接头(27)、压动活塞(2)与上芯轴(4)、上芯轴(4)与中芯轴(8)、中芯轴(8)与下芯轴(12)、下芯轴(12)与上孔板(21)、上孔板(21)与下孔板(22)均通过螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述上壳体(1)内壁设有固定棘轮(28)，固定棘轮(28)上端面用于支撑和限制弹簧(5)，固定棘轮(28)下端与旋转棘轮(6)相互作用；所述固定棘轮(28)设有纵槽(28a)、纵槽侧壁(28b)、长斜滑面(28c)、止滑面(28d)、短斜滑面(28e)。
3.根据权利要求1所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述上芯轴(4)上设有驱动块(29)，驱动块(29)作用于纵槽(28a)内；所述驱动块(29)设有驱动侧壁(29a)和驱动斜面(29b)。
4.根据权利要求1所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述旋转棘轮(6)与固定棘轮(28)以及驱动块(29)共同形成变径机构，变径机构用于控制径向活塞(11)的伸缩；所述旋转棘轮(6)设有凸楞(6a)、凸楞侧壁(6b)、主滑面(6c)；所述旋转棘轮(6)与中芯轴(8)的凸台间设有止推轴承(7)。
5.根据权利要求2～4所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于所述纵槽(28a)、纵槽侧壁(28b)、长斜滑面(28c)、止滑面(28d)、短斜滑面(28e)的数量均为三个并沿固定棘轮(28)周向均匀分布；所述驱动块(29)的数量为三个并沿上芯轴(4)周向均匀分布；所述凸楞(6a)、凸楞侧壁(6b)、主滑面(6c)的数量均为三个并沿旋转棘轮(6)周向均匀分布。
6.根据权利要求2～5所述的一种遥控可变径稳定器，其特征在于当所述径向活塞(11)处于收缩状态时，驱动块(29)位于纵槽(28a)的顶端，凸楞(6a)位于纵槽(28a)内部；当第一次启动泵时，流体使压动活塞(2)带动上芯轴(4)向下运动从而驱动变径机构执行变径操作使得径向活塞(11)向外伸出；在径向活塞(11)由收缩状态变为伸出状态的过程中，驱动侧壁(29a)沿纵槽侧壁(28b)向下滑动，驱动斜面(29b)作用于主滑面(6c)并驱动旋转棘轮(6)向下运动，当凸楞侧壁(6b)从纵槽侧壁(28b)脱离时，旋转棘轮(6)逆时针转动，主滑面(6c)沿长斜滑面(28c)滑动直至被止滑面(28d)阻止；当第二次启动泵时，压动活塞(2)带动上芯轴(4)使处于压缩状态的弹簧(5)进一步压缩，驱动斜面(29b)作用于主滑面(6c)并使旋转棘轮(6)向下运动，当凸楞侧壁(6b)从止滑面(28d)脱离时，旋转棘轮(6)再次逆时针转动，主滑面(6c)沿短斜滑面(28e)滑动，当主滑面(6c)从短斜滑面(28e)脱离时，弹簧(5)在恢复力的作用下带动上芯轴(4)和中芯轴(8)向上运动，使凸楞(6a)再次进入纵槽(28a)中，对应径向活塞(11)处于收缩状态。
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