CN106609660A - 锯齿轮驱动的可控变径稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锯齿轮驱动的可控变径稳定器。包括本体，本体内置有密封连接在一起的上芯轴和下芯轴，上芯轴和下芯轴内腔为钻井液通道；下芯轴下端设置有信号柱；上芯轴上布置有复位弹簧，复位弹簧下端是弹簧座，其卡在本体上端内部的变径处；本体变径处上芯轴外置有斜块，对应斜块外部,本体的活塞孔内连接扶正活塞，扶正活塞下部与斜块通过Ｔ形槽形式连接；上芯轴、下芯轴与本体间为油腔；本体下端有环空孔，环空孔上侧对应的下芯轴位置设有平衡活塞，环空孔下侧对应的下芯轴位置设有压差活塞和支撑筒,下芯轴外部装有锯齿轮驱动机构。该稳定器仅需开关钻井泵即可实现变径稳定器的工作状态切换，能够实现多次换位。

Description

锯齿轮驱动的可控变径稳定器

技术领域

本发明是一种涉及石油行业中定向井、水平井和大位移井钻井作业中使用的可控变径稳定器，属钻井工程中井下工具领域。

背景技术

在定向井、水平井和大位移井钻井过程中，为确保实际钻井井眼轨迹满足设计井眼轨迹的要求，其中的一种方法是利用开关钻井泵控制的可控变径稳定器，但现研制的此类变径稳定器存在如下的问题：

（1）内部控制稳定器变径大小的凸轮上曲线曲面复杂，加工困难；

（2）凸轮销易磨损，进而导致变径控制失败；

（3）需要较大的钻具内外压差才可以工作，限制了钻头水眼的选择，也造成了过大的水头压力损失。

中国专利201310691430.8 公开了一种“机液式可变径稳定器”，该稳定器所采用的凸轮机构中凸轮结构复杂，加工难度大，结构上凸轮销处于滑动摩擦状态，易磨损，难以推广应用。

发明内容

为了克服上述变径稳定器所存在的缺陷，本发明提供一种高效可靠的锯齿轮驱动的可控变径稳定器。

本发明的技术方案是：

锯齿轮驱动的可控变径稳定器，包括本体1，设置在本体1内的芯轴，装在芯轴与本体1环空腔内的复位弹簧3、斜块5、驱动机构、平衡活塞18、压差活塞20，固定在本体1下端部的支撑筒21、信号柱22，以及设置在本体1上的稳定器38，在稳定器38壁上径向分布有多个扶正活塞6，扶正活塞6与斜块5上的多个斜面构成径向滑动限位配合；其中：芯轴由上芯轴2、下芯轴7上下密封连接组成中通管柱，上芯轴2顶部外凸构成与本体1内壁轴向滑动密封配合的活塞，复位弹簧3设在活塞下方的环空腔内，复位弹簧3下端通过弹簧座4与本体1相对固定连接，斜块5与上芯轴2固定连接，驱动机构位于斜块5下方的下芯轴7外；驱动机构包括上锯齿轮8、上轴承9、中锯齿轮10、下轴承12、上定位销11、下锯齿轮13、滑动销14、压紧簧15和簧座固定销16，其中，上锯齿轮8同本体1固连，上轴承9、中锯齿轮10、下轴承12 安装在下芯轴7上并与下芯轴7构成旋转配合，上定位销11安装在本体1上对应中锯齿轮10的位置，上定位销11与中锯齿轮10壁上的上定位槽32、中定位槽39、下定位槽40限位配合，下锯齿轮13设在中锯齿轮10下方，下锯齿轮13外壁轴向设有滑动槽，滑动槽与安装在本体1上滑动销14构成轴向滑动配合，压紧簧15安装于下锯齿轮13和压紧簧座17之间，压紧簧15上端与下锯齿轮13内壁的凸起环34限位配合，压紧簧15下端通过压紧簧座17、簧座固定销16固连于本体1上，上锯齿轮8下端的锯齿28同中锯齿轮10上端的锯齿30完全啮合，中锯齿轮10下端的锯齿31同下锯齿轮13上端的锯齿33完全啮合，中锯齿轮10上端和下端各有齿距不同的锯齿；信号柱22与下芯轴7下端部构成插接配合；平衡活塞18上方的本体1、芯轴构成油腔38，在压差活塞20上表面上方对应的本体1设由连通本体内外的环空孔19。

该稳定器还包括一个设置在可控变径稳定器上部的一个加力单元36，此加力单元呈圆柱状，外部为加力接头24，内部有中空的加力芯轴25，加力芯轴25顶部通过外凸活塞与加力接头24内壁轴向滑动密封，加力芯轴25下部与加力接头24内设凸沿轴向滑动密封，加力芯轴25下端与上芯轴2对接，在加力芯轴25下安装有加力压簧26，加力压簧26底部与加力接头24内设凸沿限位配合，在加力接头24壁上设有内外贯通的加力环空孔27。

上述方案进一步包括：

稳定器38设有螺旋翼，扶正活塞6分布在螺旋翼部位。

扶正活塞6与斜块5的滑动配合斜面上分别通过Ｔ形槽、Ｔ形块限位连接。

本体1 的下端连接下接头23。

本发明具有如下有益效果：采用上述方案后变径稳定器开关钻井泵可实现变径稳定器的工作状态切换，实现多次换位，锯齿轮上无复杂的曲线曲面，加工简单，相当于凸轮销的定位销只起定位作用，不会磨损，大大加强了控制的可靠性。

作为对本发明的一种改进，它还可以在原有的可控变径稳定器的上部增加了一个加力单元，采用这一加力单元后，所设计变径稳定器可以大大减小稳定器本体内部轴向孔的直径，这样就使稳定器本体的强度得以加强，此外对于已有的变径稳定器，增加此加力单元后，可以使变径稳定器工作在较小的内外钻具的压差下，减小对变径稳定器以下的钻具组合内部产生压耗的依赖，使变径稳定器工具更适合于钻井工艺的要求，并减小水头压力损失。

附图说明

图1 为本发明一种锯齿轮驱动的可控变径稳定器结构及非工作状态剖视图。

图2 为本发明一种锯齿轮驱动的可控变径稳定器齐平工作状态剖视图。

图3 为本发明一种锯齿轮驱动的可控变径稳定器伸出工作状态剖视图。

图4 为图1中的E—E截面示意图。

图5 为图2中的F—F截面示意图。

图6 为图3中的G—G截面示意图。

图7 为上锯齿轮结构示意图。

图8 为中锯齿轮结构示意图。

图9 为下锯齿轮结构示意图。

图中标记说明：

1—本体，2—上芯轴，3—复位弹簧，4—弹簧座，5—斜块，6—扶正活塞，7—下芯轴，8—上锯齿轮，9—上轴承，10—中锯齿轮，11—定位销，12—下轴承，13—下锯齿轮，14—滑动销，15—压紧簧，16—簧座固定销，17—压紧簧座，18—平衡活塞，19—环空孔，20—压差活塞，21—支撑筒，22—信号柱，23—下接头，24—加力接头，25—加力芯轴，26—加力压簧，27—加力环空孔，28—上长锯齿，29—上锯齿轮固定孔，30—中长锯齿，31—中短锯齿，32—上定位槽，33—下短锯齿，34—凸起环，35—滑动槽，36—加力单元，37—稳定器主体，38—油腔，39—中定位槽，40—下定位槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

实施例1

图1所示，该锯齿轮驱动的可控变径稳定器包括本体1，本体1下端连接下接头23、本体1上端和下接头23下端连到钻柱；本体1内置有上芯轴2、下芯轴7，所述的上芯轴2、下芯轴7为上下密封连接，上芯轴2、下芯轴7内腔为钻井液通道；下芯轴7下端设置有信号柱22；上芯轴7上布置有复位弹簧3，复位弹簧3下端是弹簧座４卡在本体1上端内部的变径处；本体1变径处，上芯轴２外置有斜块５，对应斜块５外部的本体1的活塞孔内连接扶正活塞６，扶正活塞6下部与斜块５通过Ｔ形槽形式连接；上芯轴2、下芯轴7与本体1间为油腔38；本体1 下端有环空孔19，环空孔19上侧对应的下芯轴7位置设有平衡活塞18，环空孔19下侧对应的下芯轴7位置设有压差活塞20和支撑筒21；所述的下芯轴7外部，在平衡活塞18上端，装有锯齿轮驱动机构。所述的锯齿轮驱动机构包括上锯齿轮8、上轴承9、中锯齿轮10、下轴承12、上定位销11、下锯齿轮13、滑动销14、压紧簧15、簧座固定销16，其中，上锯齿轮8同本体1固连，在下芯轴7外部，从上至下安装有上轴承9、中锯齿轮10和下轴承12，定位销11安装在本体1上对应中锯齿轮10的位置，下锯齿轮13在之下，通过滑动销14安装于本体1上，且可利用滑动销14上下滑动，压紧簧15安装于下锯齿轮13的凸起环34和压紧簧座17之间，压紧簧座17通过簧座固定销16固连于本体1上，上锯齿轮8下端的上长锯齿28同中锯齿轮10上端的中长锯齿30完全啮合，中锯齿轮10下端的中短锯齿31同下锯齿轮13上端的下短锯齿33完全啮合。

图1所示可控变径稳定器该变径稳定器38上有螺旋翼带，每个翼上有多个扶正活塞6；扶正活塞6由斜块5推出或拉回，斜块5下行推动扶正活塞伸出到本体外，工具外径变大；当斜块上行时，由于斜块5与扶正活塞通过T形槽结构连接，斜面体将活塞拉回到本体1内部，工具外径变小。可控变径稳定器的变径控制即是控制斜块5下行的距离，斜块5下行距离越大活塞的伸出的长度越大。

该锯齿轮驱动的可控变径稳定器工作过程为：安装于上芯轴2上的斜块5随上芯轴2上行和下行；当开泵后变径稳定器内部为钻具内泵压，变径稳定器下部的环空孔19 将环空压强引入到工具的油腔38，平衡活塞18的作用即是将环空的压强引入到油腔38内；油腔38从上芯轴2同本体1的环空到平衡活塞18上平面的环形空间均贯通，所以油腔38压强均为环空压强；钻进时变径稳定器下部的钻具和钻头存在压耗，钻具内压强大于环空压强，而上芯轴2活塞上平面将受到钻具内压强作用，下平面将受到环空压强作用，因此使上芯轴2产生向下的动力下行并压缩复位弹簧3，同时固接在一起的下芯轴7 也下行，锯齿轮驱动机构随之动作；当停泵后，工具内外压力平衡，复位弹簧3 回弹，推动上芯轴2和下芯轴7 上行，锯齿轮驱动机构再次动作；当再次开泵，锯齿轮驱动机构切换变径稳定器工作状态，如此循环，每次开泵工具切换一次。

锯齿轮驱动机构控制变径稳定器的变径动作过程为：锯齿轮驱动机构中上锯齿轮8、中锯齿轮10和下锯齿轮13上均有周向的锯齿轮，第一次开泵后，中锯齿轮10 随下芯轴7下行一次，下行过程中定位销11从中锯齿轮10的下定位槽40分离，同时中锯齿轮10 与下锯齿轮13 上的锯齿接触，在锯齿斜面的驱动下，中锯齿轮10将会旋转，直到两锯齿轮完全啮合，此时定位销11进入中定位槽39，下芯轴7不能再下行，此次上芯轴2和下芯轴7下行距离较短，扶正活塞6同本体1外圆柱面平齐，如图2、图5所示；当停泵后复位弹簧3回弹带动上芯轴2 上行，中锯齿轮10随下芯轴7上行与上部的上锯齿轮8 的锯齿螺旋面接触，见图4，中锯齿轮10将会旋转，直到两锯齿轮完全啮合，此时定位销11进入下定位槽40，下芯轴7不能再上行，此次上芯轴2和下芯轴7上行距离较短，扶正活塞6内缩于本体1内，如图1、图4所示；当再次开泵，下芯轴7下行，中锯齿轮10下行,下行过程中定位销11从中锯齿轮10的下定位槽40分离，同时中锯齿轮10与下锯齿轮13 上的锯齿接触，在锯齿斜面的驱动下，中锯齿轮10将会旋转，直到两锯齿轮完全啮合，然后中锯齿轮10和下锯齿轮13会一块下行，压紧簧15会被压缩，直到定位销11进入上定位槽32，下芯轴7不能再下行，此次上芯轴2和下芯轴7下行距离较长，扶正活塞6伸出本体1外圆柱面，如图3、图6所示；当再次停泵后，复位弹簧3回弹带动上芯轴2上行，压紧簧15回弹带动下锯齿轮13上行，当下锯齿轮13上的滑动槽35底部接触到滑动销14后，下锯齿轮13上行停止，中锯齿轮10随下芯轴7上行与上部的上锯齿轮8 的锯齿螺旋面接触，中锯齿轮10将会旋转，直到两锯齿轮完全啮合，此时定位销11进入下定位槽40，下芯轴7不能再上行，此次上芯轴2和下芯轴7上行距离较长，扶正活塞6内缩于本体1内，回图1、图4所示状态。

以此循环类推，每开一次钻井泵变径稳定器可转换外径大小，实现变径稳定器工作外径状态的切换。

在不同的外径大小下，由于下芯轴7下行的行程是不一样的，当下芯轴7下行是短行程时，下芯轴7下行终了没有套住信号柱22，对钻井液几乎没能起到节流的作用，如图2所示，当下芯轴7下行是长行程时，下芯轴7下行终了套住信号柱22，对钻井液过流面积显著缩小，产生节流的作用，如图3所示，地面钻井泵的泵压变大，钻井的过程中正是通过此泵压的变化确定井下变径稳定器的直径情况。

作为对本发明的可控变径稳定器的一种改进，如图1所示，它还可以在原有的可控变径稳定器的上部增加了一个加力单元36，此加力单元36同原有的变径稳定器工具通过螺纹相连，此加力单元呈圆管状，外部为加力接头24，内部有中空的加力芯轴25、安装在加力芯轴25下的加力压簧26，在加力接头24上开有加力环空孔27，环空孔27的作用是将环空的压强引入到加力芯轴25活塞的下面。当开泵后，加力单元36内部的压强大于环空的压强，则在加力芯轴25上产生向下的液动力，此液动力克服加力压簧26的弹力向下运动，当加力芯轴25的最下端接触上芯轴2后，将会增加上芯轴2向下运动的动力，如图2、图3所示；当停泵后，加力单元36内外的压强一致，则加力芯轴25在加力压簧26的回复力下回原位。

加力单元主要的作用是对芯轴增加向下的动力，除了工作中安装在稳定器主体上部，采用下压的方式，当然，也可以采用别的结构形式，安装在稳定器主体下部，采用下拉的方式。

Claims (5)

1.锯齿轮驱动的可控变径稳定器，包括本体(1)，设置在本体(1)内的芯轴，装在芯轴与本体(1)环空腔内的复位弹簧(3)、斜块（5）、驱动机构、平衡活塞（18）、压差活塞（20），固定在本体(1)下端部的支撑筒（21）、信号柱（22），以及设置在本体(1)上的稳定器（38），在稳定器（38）壁上径向分布有多个扶正活塞（6），扶正活塞（6）与斜块（5）上的多个斜面构成径向滑动限位配合；其特征是：芯轴由上芯轴(2)、下芯轴(7)上下密封连接组成中通管柱，上芯轴(2)顶部外凸构成与本体(1)内壁轴向滑动密封配合的活塞，复位弹簧(3)设在活塞下方的环空腔内，复位弹簧(3)下端通过弹簧座（4）与本体(1)相对固定连接，斜块（5）与上芯轴(2)固定连接，驱动机构位于斜块（5）下方的下芯轴(7)外；驱动机构包括上锯齿轮(8)、上轴承(9)、中锯齿轮(10)、下轴承(12)、上定位销(11)、下锯齿轮(13)、滑动销(14)、压紧簧(15)和簧座固定销(16)，其中，上锯齿轮(8)同本体(1)固连，上轴承(9)、中锯齿轮(10)、下轴承(12) 安装在下芯轴(7)上并与下芯轴(7)构成旋转配合，上定位销(11)安装在本体(1)上对应中锯齿轮(10)的位置，上定位销(11)与中锯齿轮(10)壁上的上定位槽（32）、中定位槽（39）、下定位槽（40）限位配合，下锯齿轮(13)设在中锯齿轮(10)下方，下锯齿轮(13)外壁轴向设有滑动槽，滑动槽与安装在本体(1)上滑动销(14)构成轴向滑动配合，压紧簧(15)安装于下锯齿轮(13)和压紧簧座(17)之间，压紧簧(15)上端与下锯齿轮(13)内壁的凸起环（34）限位配合，压紧簧(15)下端通过压紧簧座(17)、簧座固定销(16)固连于本体(1)上，上锯齿轮(8)下端的锯齿(28)同中锯齿轮(10)上端的锯齿(30)完全啮合，中锯齿轮(10)下端的锯齿(31)同下锯齿轮(13)上端的锯齿(33)完全啮合，中锯齿轮(10)上端和下端各有齿距不同的锯齿；信号柱（22）与下芯轴(7)下端部构成插接配合；平衡活塞（18）上方的本体(1)、芯轴构成油腔(38)，在压差活塞（20）上表面上方对应的本体(1)设由连通本体内外的环空孔（19）。

2.根据权利要求1 所述的锯齿轮驱动的可控变径稳定器，其特征在于：该稳定器还包括一个设置在可控变径稳定器上部的一个加力单元(36)，此加力单元呈圆柱状，外部为加力接头(24)，内部有中空的加力芯轴(25)，加力芯轴(25)顶部通过外凸活塞与加力接头(24)内壁轴向滑动密封，加力芯轴(25)下部与加力接头(24)内设凸沿轴向滑动密封，加力芯轴(25)下端与上芯轴（2）对接，在加力芯轴(25)下安装有加力压簧(26)，加力压簧(26)底部与加力接头(24)内设凸沿限位配合，在加力接头(24)壁上设有内外贯通的加力环空孔(27)。

3.按权利要求1或2所述的锯齿轮驱动的可控变径稳定器，其特征在于：稳定器（38）设有螺旋翼，扶正活塞（6）分布在螺旋翼部位。

4.根据权利要求3所述的锯齿轮驱动的可控变径稳定器，其特征在于：扶正活塞（6）与斜块（5）的滑动配合斜面上分别通过Ｔ形槽、Ｔ形块限位连接。

5.根据权利要求4所述的锯齿轮驱动的可控变径稳定器，其特征在于：本体(1) 的下端连接下接头（23）。