CN106437514A - 一种工具面稳定器 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的一种工具面稳定器，主要由上接头、花键轴、凸轮、导向轮、外筒、下接头、密封端、销轴和推板组成。当复合钻进时，井下钻具和螺杆钻具共同驱动钻头双速顺时针旋转，花键轴顺时针旋转，工具面稳定器把推板收回，确保井下钻具与螺杆钻具一起顺时针旋转，工具面稳定器相当于钻柱稳定器。当滑动钻进时，井下钻具不旋转，螺杆钻具驱动钻头顺时针旋转，花键轴随着螺杆钻具外壳逆时针旋转，工具面稳定器把推板推出并支撑在井壁上，阻止螺杆钻具外壳反扭矩向上传递，消除螺杆钻具反扭角，确保滑动钻进时工具面稳定不变。

Description

一种工具面稳定器
技术领域
本发明专利属于石油钻井机械领域，具体涉及一种工具面稳定器，作为螺杆钻具的配套工具用来消除螺杆钻具反扭角，解决定向井、水平井滑动钻进时的定向困难，提高定向钻井速度。
背景技术
钻井是把地下油气资源开采到地面的必然途径。根据设计井眼轨迹形状，石油井可分为直井、定向井和水平井。
在定向井、水平井钻井方面，通常使用螺杆钻具和MWD/LWD仪器滑动钻进来调整井眼轨迹，或者说改变井眼的井斜和方位。滑动钻进也称之为定向钻进。所谓定向，螺杆钻具弯角所在平面与弯曲井眼弯角所在平面之间的夹角不同，可分别达到增(或降)井斜和/或增(或减)方位的目的。在钻井术语中，螺杆钻具弯角所在平面称之为工具面，弯曲井眼弯角所在平面称之为井眼高边，二者之间夹角称之为装置角。在理论上，工具面等于井眼高边与装置角二者之和。
在滑动钻进时，由于井眼轨迹及空间参数、螺杆钻具技术参数、井底钻具组合、钻头类型及泥浆性能等因素影响，不同井眼或者同一个井眼不同井段均存在不同程度的定向困难，严重影响滑动钻进的作业效率和钻井速度。其表现为：不敢增加钻压，滑动钻进钻压20-40KN，仅为螺杆钻具允许工作钻压1/5-1/3，因此，滑动钻进钻速极低。如果增加钻压，工具面剧烈逆时针摆动，从而导致装置角剧烈变化，进而影响增(或降)井斜和/或增(或减)方位效果。因此，工具面不稳定是定向困难的根源所在。
工具面不稳定主要与螺杆钻具(其他井下动力钻具类似)结构有关。螺杆钻具主要由转子和定子组成，转子和定子之间形成即彼此连续又相互密闭的容腔，且转子通过万向轴、传动轴驱动钻头破岩钻进，定子橡胶硫化在螺杆钻具外壳上，其外壳连接无磁钻铤及其上部钻具。当高压泥浆通过时，高 压泥浆从一个容腔挤压进另一个容腔，带动转子以一定转速和扭矩顺时针驱动钻头旋转，同时，在螺杆钻具外壳上产生一个大小相等逆时针反扭矩，反扭矩驱动螺杆钻具外壳及其上部钻具逆时针旋转直至反扭矩被井壁磨阻抵消为止，我们把螺杆钻具外壳及其上部钻具逆时针旋转的角度称之为螺杆钻具反扭角。现场作业中，定向摆工具面时，必须把螺杆钻具反扭角考虑在内，或者说，实际工具面等于井眼高边、装置角与螺杆钻具反扭角三者之和。
对于某种规格型号螺杆钻具来说，当泥浆排量一定时，螺杆钻具输出功率是一个定值，其输出功率等于输出转速和输出扭矩之乘积。当增加钻压时，螺杆钻具输出扭矩增大，但输出转速减小，反之亦然。因此，滑动钻进时，如果均匀送钻，则螺杆钻具输出扭矩相对稳定，其反扭角和工具面保持不变；如果增加(或减少)钻压，则螺杆钻具输出扭矩也随之增加(或减少)，其反扭角也随之增大(或减小)，从而导致工具面出现剧烈变化，由此可得出结论，工具面不稳定是由于螺杆钻具反扭角所造成的。
如果在螺杆钻具上部能够安装一种工具面稳定器，阻止螺杆钻具外壳反扭矩向上传递，那么，就可以把螺杆钻具反扭矩限制在螺杆钻具外壳有限空间内。由于螺杆钻具外壳长度较短，且刚性较大，因此，螺杆钻具外壳逆时针旋转所产生的反扭角可以忽略不计。没有螺杆钻具反扭角，定向摆工具面时就可直接按照装置角来摆工具面，不需要考虑螺杆钻具反扭角影响，彻底解决滑动钻进时的定向困难。
发明专利内容
本发明专利的目的就是提供一种工具面稳定器，作为螺杆钻具的配套工具消除螺杆钻具反扭角，解决定向井、水平井滑动钻进时的定向困难。
本发明专利采用的具体技术方案是：
工具面稳定器主要由上接头、花键轴、凸轮、导向轮、外筒、下接头、密封端、销轴和推板组成。
上接头上端是石油钻具螺纹母扣，用于连接石油钻具；下端是特殊螺纹母扣，用于连接花键轴。
花键轴是中孔结构金属管。其内孔与上、下部钻具水眼相连通，用于高压泥浆通过。外部中段是外花键，用于安装凸轮和导向轮。外部两端是圆轴和特殊螺纹公扣且对称分布，特殊螺纹公扣用于连接上接头和下接头，圆轴用于安装密封端。
下接头上端是特殊螺纹母扣，用于连接花键轴；下端是石油钻具螺纹公扣，用于连接螺杆钻具。
上接头、花键轴和下接头通过特殊螺纹连接成一体，且在井底钻具中位于无磁钻铤和螺杆钻具之间，将无磁钻铤及其上部钻具的拉力、扭矩或钻压通过上接头、花键轴和下接头传递给螺杆钻具及其下部钻具。
外筒是中孔结构三棱形金属管，三个扶正棱呈120°均布设计。其泥浆流道外径与上接头、下接头直径相同；其扶正棱外径略小于井眼直径；其扶正棱宽度按照石油井下工具推荐泥浆流道面积计算确定；其壁厚根据不同油气田地层研磨性来确定。
在外筒三个扶正棱上，均加工有长方形孔，其技术参数与推板相同，用于安装推板。
在外筒三个泥浆流道内，两端对称加工有螺孔，用于安装螺钉把外筒和两个密封端固定在一起。
密封端按照直棱扶正器设计，其技术参数与外筒相同，其内孔直径与花键轴圆轴轴径相同，其厚度略短于花键轴圆轴长度。
密封端外侧，或者说与上接头、下接头相邻一侧加工成30°斜面，有利于石油钻井过程中起、下钻作业。
密封端内侧，或者说与外筒连接一侧加工成台肩，其台肩高度与外筒璧厚相同，用于安装固定外筒。
外筒和密封端使用螺钉固定成一体，且通过密封端内孔安装在花键轴圆轴上，外筒和密封端绕着花键轴可相互转动。外筒、密封端和花键轴共同形成一个环形腔室，安装和保护凸轮等内部部件，同时，外筒和密封端承受井壁摩擦力，并借助井壁摩擦力协助推板被推出支撑在井壁上，消除螺杆钻具 反扭角。
凸轮是中孔结构不规则金属柱状体，其外沿按照120°均布设计三个耳板，每个耳板上有凸轮轨道，且其在耳板上构成腰型通孔。或者说，根据凸轮结构不同，其凸轮轨道也可能设计成腰型滑槽。
凸轮的中心孔设计成内花键，其技术参数与花键轴相匹配，并通过中心孔内花键安装在花键轴上。
导向轮是中孔结构不规则金属柱状体，三个扶正棱按照120°均布设计，其技术参数与外筒内壁相同。导向轮通过内孔安装在花键轴上，每个扶正棱上有推板轨道，并根据花键轴旋转方向不同限制推板在其轨道内做径向往复运动起导向作用。
销轴是实心金属圆柱体，与推板连接在一起，且两端穿插在凸轮的凸轮轨道内，把导向轮与凸轮的复合运动传递给推板。
推板是钳牙状金属长方体，其技术参数与外筒扶正棱上长方形孔相同，其外表面加工有条状花纹防止其在井壁上周向滑动。
凸轮、导向轮、销轴和推板安装在外筒、密封端和花键轴之间的环形腔室内。当花键轴顺时针旋转时，凸轮耳板上的三个凸轮轨道外侧璧推动销轴向内运动，导向轮与销轴协调配合把推板收回。当花键轴逆时针旋转时，凸轮耳板上的三个凸轮轨道内侧璧推动销轴向外运动，导向轮与销轴协调配合把推板推出并支撑在井壁上，阻止螺杆钻具外壳反扭矩向上传递，消除螺杆钻具反扭角。因此，凸轮也可称之为三轨道双作用凸轮，是工具面稳定器中的核心部件。
本发明专利的有益效果是：在定向井、水平井钻井过程中，把工具面稳定器连接到螺杆钻具和无磁钻铤之间。当复合钻进时，转盘等地面设备扭矩高于螺杆钻具外壳反扭矩，井下钻具和螺杆钻具共同驱动钻头双速顺时针旋转，因此，花键轴顺时针旋转，凸轮耳板上的三个凸轮轨道外侧璧推动销轴向内运动，导向轮与销轴协调配合把推板收回，确保井下钻具与螺杆钻具一起顺时针旋转，工具面稳定器相当于钻柱稳定器。当滑动钻进时，转盘等地 面设备不驱动井下钻具旋转，螺杆钻具驱动钻头顺时针旋转，此时，螺杆钻具外壳在反扭矩作用下逆时针旋转并带动井下钻具自下而上逆时针旋转直到反扭矩被井壁摩擦力抵消为止，因此，花键轴逆时针旋转，凸轮耳板上的三个凸轮轨道内侧璧推动销轴向外运动，导向轮与销轴协调配合把推板推出并支撑在井壁上，阻止螺杆钻具外壳反扭矩向上传递，消除螺杆钻具反扭角，确保滑动钻进时工具面稳定不变。
附图说明
附图1是本发明专利的工具面稳定器结构示意图。
附图标记说明：1-上接头、2-花键轴、3-凸轮、4-导向轮、5-外筒、6-下接头、7-密封端、8-销轴、9-推板。
附图2是本发明专利核心部件的凸轮正视图。
附图标记说明：中心孔圆心为O，中心孔形状为内花键，外沿突出部分为耳板，耳板上闭环结构为凸轮轨道，轨道左侧圆弧圆心为O1，轨道右侧圆弧圆心为O2。
具体实施方式
工具面稳定器主要由上接头(1)、花键轴(2)、凸轮(3)、导向轮(4)、外筒(5)、下接头(6)、密封端(7)、销轴(8)和推板(9)组成。
下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步说明。
上接头(1)上端是石油钻具螺纹母扣，用于连接石油钻具；下端是特殊螺纹母扣，用于连接花键轴(2)。
花键轴(2)是中孔结构金属管。其内孔与上、下部钻具水眼相连通，用于高压泥浆通过。外部中段是外花键，用于安装凸轮(3)和导向轮(4)。外部两端是圆轴和特殊螺纹公扣且对称分布，特殊螺纹公扣用于连接上接头(1)和下接头(6)，圆轴用于安装密封端(7)。
下接头(6)上端是特殊螺纹母扣，用于连接花键轴(2)；下端是石油钻具螺纹公扣，用于连接螺杆钻具。
上接头(1)、花键轴(2)和下接头(6)通过特殊螺纹连接成一体，且在井底钻具中位于无磁钻铤和螺杆钻具之间，将无磁钻铤及其上部钻具的拉力、扭矩或钻压通过上接头(1)、花键轴(2)和下接头(6)传递给螺杆钻 具及其下部钻具。
外筒(5)是中孔结构三棱形金属管，三个扶正棱呈120°均布设计。其泥浆流道外径与上接头(1)、下接头(6)直径相同；其扶正棱外径略小于井眼直径；其扶正棱宽度按照石油井下工具推荐泥浆流道面积计算确定；其壁厚根据不同油气田地层研磨性来确定。
在外筒(5)三个扶正棱上，均加工有长方形孔，其技术参数与推板(9)相同，用于安装推板(9)。
在外筒(5)三个泥浆流道内，两端对称加工有螺孔，用于安装螺钉把外筒(5)和两个密封端(7)固定在一起。
密封端(7)按照直棱扶正器设计，其技术参数与外筒相同，其内孔直径与花键轴(2)圆轴轴径相同，其厚度略短于花键轴(2)圆轴长度。
密封端(7)外侧，或者说与上接头(1)、下接头(6)相邻一侧加工成30°斜面，有利于石油钻井过程中起、下钻作业。
密封端(7)内侧，或者说与外筒(5)连接一侧加工成台肩，其台肩高度与外筒(5)璧厚相同，用于安装固定外筒(5)。
外筒(5)和密封端(7)使用螺钉固定成一体，且通过密封端(7)内孔安装在花键轴(2)圆轴上，外筒(5)和密封端(7)绕着花键轴(2)可相互转动。外筒(5)、密封端(7)和花键轴(2)共同形成一个环形腔室，安装和保护凸轮(3)等内部部件，同时，外筒(5)和密封端(7)承受井壁摩擦力，并借助井壁摩擦力协助推板(9)被推出支撑在井壁上，消除螺杆钻具反扭角。
凸轮(3)是中孔结构不规则金属柱状体，其外沿按照120°均布设计三个耳板，每个耳板上有凸轮轨道，且其在耳板上构成腰型通孔。或者说，根据凸轮结构不同，其凸轮轨道也可能设计成腰型滑槽。
凸轮(3)的中心孔设计成内花键，其技术参数与花键轴(2)相匹配，并通过中心孔内花键安装在花键轴(2)上。
导向轮(4)是中孔结构不规则金属柱状体，三个扶正棱按照120°均布 设计，其技术参数与外筒(5)内壁相同。导向轮(4)通过内孔安装在花键轴(2)上，每个扶正棱上有推板(9)轨道，并根据花键轴(2)旋转方向不同限制推板(9)在其轨道内做径向往复运动起导向作用。
销轴(8)是实心金属圆柱体，与推板(9)连接在一起，且两端穿插在凸轮(3)的凸轮轨道内，把凸轮(3)与导向轮(4)的复合运动传递给推板(9)。
推板(9)是钳牙状金属长方体，其技术参数与外筒(5)扶正棱上长方形孔相同，其外表面加工有条状花纹防止其在井壁上周向滑动。
凸轮(3)、导向轮(4)、销轴(8)和推板(9)安装在外筒(5)、密封端(7)和花键轴(2)之间的环形腔室内。当花键轴(2)顺时针旋转时，凸轮耳板上的三个凸轮轨道外侧璧推动销轴(8)向内运动，导向轮(4)与销轴(8)协调配合把推板(9)收回。当花键轴(2)逆时针旋转时，凸轮耳板上的三个凸轮轨道内侧璧推动销轴(8)向外运动，导向轮(4)与销轴(8)协调配合把推板(9)推出并支撑在井壁上，阻止螺杆钻具外壳反扭矩向上传递，消除螺杆钻具反扭角。因此，凸轮(3)也可称之为三轨道双作用凸轮，是工具面稳定器中的核心部件。
为了更清楚地表述凸轮(3)的形状，附图2绘制出了凸轮(3)正视图，并据图分析如下：
首先，凸轮(3)外沿120°均布三个耳板上凸轮轨道技术参数相同。
其次，凸轮轨道形状是左、右两端为两条半径相等的圆弧，上、下两侧为两条平行线段，且两条平行线段与两条半径相等的圆弧相切连接构成闭环结构。
再次，以中孔部分的中心孔圆心O为基准圆心，凸轮轨道左侧圆弧圆心O1到中心孔圆心O的距离小于凸轮轨道右侧圆弧圆心O2到中心孔圆心O的距离。
最后，除圆弧和线段外，凸轮轨道形状也可采用圆弧和其他曲线构成闭环结构，尽最大程度地减少其推动推板(9)时所需推力。
实施例1
在定向井、水平井钻井过程中，把工具面稳定器连接到螺杆钻具和无磁钻铤之间。
当复合钻进时，转盘等地面设备扭矩高于螺杆钻具外壳反扭矩，井下钻具和螺杆钻具共同驱动钻头双速顺时针旋转，因此，花键轴(2)顺时针旋转，凸轮(3)耳板上的三个凸轮轨道外侧璧推动销轴(8)向内运动，导向轮(4)与销轴(8)协调配合把推板(9)收回，确保井下钻具与螺杆钻具一起顺时针旋转，工具面稳定器相当于钻柱稳定器。
当滑动钻进时，转盘等地面设备不驱动井下钻具旋转，螺杆钻具驱动钻头顺时针旋转，此时，螺杆钻具外壳在反扭矩作用下逆时针旋转并带动井下钻具自下而上逆时针旋转直到反扭矩被井壁摩擦力抵消为止，因此，花键轴(2)逆时针旋转，凸轮(3)耳板上的三个凸轮轨道内侧璧推动销轴(8)向外运动，导向轮(4)与销轴(8)协调配合把推板(9)推出并支撑在井壁上，阻止螺杆钻具外壳反扭矩向上传递，消除螺杆钻具反扭角，确保滑动钻进时工具面稳定不变。
以上对本发明专利的说明仅是优选范例，并不能被理解为对本发明专利技术方案内容的限制。以上内容在具体应用中，技术人员有可能需要根据具体情况作个别调整和改变，所述调整和改变均应落入本发明专利所附权利要求的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种工具面稳定器，其特征在于：工具面稳定器由上接头(1)、花键轴(2)、凸轮(3)、导向轮(4)、外筒(5)、下接头(6)、密封端(7)、销轴(8)和推板(9)组成。
2.根据权利要求1所述的一种工具面稳定器，其特征在于：花键轴(2)是中孔结构金属管；其内孔与上、下部钻具水眼相连通，用于高压泥浆通过；其外部中段是外花键，用于安装凸轮(3)和导向轮(4)；其外部两端是圆轴和特殊螺纹公扣且对称分布，特殊螺纹公扣用于连接上接头(1)和下接头(6)，圆轴用于安装密封端(7)。
3.根据权利要求1所述的一种工具面稳定器，其特征在于：外筒(5)是中孔结构三棱形金属管，三个扶正棱呈120°均布设计；其泥浆流道外径与上接头(1)、下接头(6)直径相同；其扶正棱外径略小于井眼直径，扶正棱宽度按照石油井下工具推荐泥浆流道面积计算确定；三个扶正棱上均加工有长方形孔，其技术参数与推板(9)相同，用于安装推板(9)；三个泥浆流道两端对称加工有螺孔，用于安装螺钉把外筒(5)和两个密封端(7)固定在一起。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种工具面稳定器，其特征在于：外筒(5)和密封端(7)使用螺钉固定成一体，且通过密封端(7)内孔安装在花键轴(2)圆轴上，外筒(5)和密封端(7)绕着花键轴(2)可相互转动；
外筒(5)、密封端(7)和花键轴(2)共同形成一个环形腔室，安装和保护凸轮(3)等内部部件，同时，外筒(5)和密封端(7)承受井壁摩擦力，并借助井壁摩擦力协助推板(9)被推出支撑在井壁上，消除螺杆钻具反扭角。
5.根据权利要求1所述的一种工具面稳定器，其特征在于：凸轮(3)是中孔结构不规则金属柱状体，其外沿按照120°均布设计三个耳板，每个耳板上有凸轮轨道，且三个耳板上凸轮轨道技术参数相同；
凸轮轨道在耳板上构成腰型通孔；或者说，根据凸轮结构不同，其凸轮轨道也可能设计成腰型滑槽；
凸轮轨道形状是左、右两端为两条半径相等的圆弧，上、下两侧为两条平行线段，且两条平行线段与两条半径相等的圆弧相切连接构成闭环结构，以中孔部分的中心孔圆心O为基准圆心，凸轮轨道左侧圆弧圆心O1到中心孔圆心O的距离小于凸轮轨道右侧圆弧圆心O2到中心孔圆心O的距离；
除圆弧和线段外，凸轮轨道形状也可采用圆弧和其他曲线构成闭环结构，尽最大程度地减少其推动推板(9)时所需推力；
凸轮(3)中心孔设计成内花键，其技术参数与花键轴(2)相匹配，并通过中心孔内花键安装在花键轴(2)上。
6.根据权利要求1所述的一种工具面稳定器，其特征在于：导向轮(4)是中孔结构不规则金属柱状体，三个扶正棱按照120°均布设计，其技术参数与外筒(5)内壁相同；
每个扶正棱上有推板(9)轨道，并根据花键轴(2)旋转方向不同限制推板(9)在其轨道内做径向往复运动起导向作用；
导向轮(4)通过内孔安装在花键轴(2)上。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种工具面稳定器，其特征在于：凸轮(3)、导向轮(4)、销轴(8)和推板(9)安装在外筒(5)、密封端(7)和花键轴(2)之间的环形腔室内；
当花键轴(2)顺时针旋转时，凸轮(3)耳板上的三个凸轮轨道外侧璧推动销轴(8)向内运动，导向轮(4)与销轴(8)协调配合把推板(9)收回；
当花键轴(2)逆时针旋转时，凸轮(3)耳板上的三个凸轮轨道内侧璧推动销轴(8)向外运动，导向轮(4)与销轴(8)协调配合把推板(9)推出并支撑在井壁上，阻止螺杆钻具外壳反扭矩向上传递，消除螺杆钻具反扭角；
进一步说，凸轮(3)也可称之为三轨道双作用凸轮，是工具面稳定器中的核心部件。
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