CN107676041B - 平衡涡轮、偏转控制机构和机械式自动垂直钻具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平衡涡轮，包括叶部和轴部，所述叶部为分隔的两部分，倾斜布置在所述轴部上，沿所述轴部轴向对称布置，且沿所述轴部径向留有间隙，以使流体经过所述间隙时所述叶部不受影响。该平衡涡轮能够实现自动对中、随动偏转。本发明提供了一种具有该平衡涡轮的偏转控制机构。本发明还提供了一种具有上述偏转控制机构的机械式自动垂直钻具。
Description
技术领域
本发明涉及机械工程领域，特别是涉及一种平衡涡轮、偏转控制机构和机械式自动垂直钻具。
背景技术
由于地质因素、钻具因素和工艺因素等造成的井斜问题会对后续钻完井、抽采油等造成一系列的不利影响，如何有效控制井斜始终是石油钻井工程的技术难题之一。传统的钟摆钻具、满眼钻具等防斜技术已不能够满足现代钻井的需要，而自动垂直钻井技术的出现为井下防斜纠斜带来了巨大的技术突破，很好地满足了现代钻井技术的发展要求，成为现代钻井工程为最为重要的关键技术之一。
自动垂直钻井技术是一种利用井下钻具主动进行防斜纠斜的直井作业技术，成功解决了高陡高斜地层的防斜快打、深井超深井垂直钻探、深部地层科学钻探等问题，能够有效降低钻杆扭矩和摩阻，释放钻压，大幅提高机械钻速，进而降低钻进成本。该技术最早起源于德国大陆超深钻井计划(KTB计划)的VDS系统，采用井下闭环的电子控制系统控制靠近钻头的可伸缩导向块推向井壁高边，进而使井眼轨迹逐步恢复至垂直。经过近三十年的发展，国内外公司相继开发出Power V、Verti Trak、SL-AVDS、CGVDS等自动垂直钻井工具，均取得了良好的使用效果。
近年来，面对低迷的油气价格，进一步降低钻井成本成为了钻井企业生存的关键，而上述钻具均含有复杂的井下电子控制系统，在井底恶劣的工况下密封要求极高，且不耐振动和高温，易发生损坏，造价及维修维护成本高昂。而机械式自动垂直钻具具有成本低、耐高温、适用性强、可靠性高等特点，仅依靠偏重物体在重力作用下转动至低边的原理感应井斜，成为了高陡高斜地区防斜快打的最佳选择。
目前，国内方面垂直钻井工具的工作原理均为偏重块在重力作用下偏转至井眼低边，并带动盘阀偏转至井眼高边，将位于井眼高边的钻井液流道打开，高压钻井液进入流道并将推靠活塞推向井眼高边的井壁，迫使钻头在井眼低边一侧加剧切削，使井眼恢复垂直。发明人发现，在钻具的纠斜控制过程中，由于盘阀与偏重块为钢性连接，上下盘阀间相对转动导致的摩擦力会带动偏重块偏转，加上底部钻具组合的粘滑振动等因素，均会干扰偏重块寻找重力低边，使偏重块不再位于理论重力低边，致使机械式垂直钻具的井斜控制精度角度相对较低。
因此，研发一种提高机械式垂直钻具的井斜控制精度和可靠性的设备，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种平衡涡轮，能够实现自动对中、随动偏转。
为了实现上述目的，本发明提供的一种平衡涡轮，包括叶部和轴部，所述叶部为分隔的两部分，倾斜布置在所述轴部上，沿所述轴部轴向对称布置，且沿所述轴部径向留有间隙，以使流体经过所述间隙时所述叶部不受影响。
优选地，所述叶部包括多组叶片，所述叶片的叶型、叶数及叶间距根据流体条件进行调整。
优选地，所述轴部一端沿轴向设置有连接孔。
第二方面，本发明提供一种偏转控制机构，包括盘阀和与所述盘阀连接的第一方面所述的平衡涡轮，所述盘阀能够与所述平衡涡轮同步转动。
优选地，所述偏转阀与所述平衡涡轮通过轴连接，并通过键联接固定。
第三方面，本发明提供一种机械式自动垂直钻具，包括偏重块、芯轴、外筒、活塞基座，所述偏重块与所述芯轴固定连接，所述芯轴位于所述外筒内并与所述外筒通过轴承连接，所述活塞基座与所述外筒连接，所述活塞基座内设有周向均布的具有腔体结构的活塞和流体通道，所述活塞的腔体与所述流体通道相连通，其特征在于：还包括喷射装置和上述的偏转控制机构，所述喷射装置与所述芯轴连接，所述偏转控制机构与所述活塞基座活动连接，通过所述偏重块偏转带动所述喷射装置同步转动，从而使所述喷射装置喷射的流体冲击所述偏转控制机构，进而使偏转控制机构导通所述流体通道以供流体进入。
优选地，所述喷射装置包括喷嘴和安装盘，所述安装盘上设有固定所述喷嘴的通孔，所述安装盘与所述芯轴固定连接，以使所述喷嘴与所述芯轴同步转动。
优选地，所述喷嘴与所述偏重块沿所述芯轴轴向对位布置。
优选地，所述偏转控制机构的盘阀上设有开口，当所述盘阀上的开口与所述活塞基座内流体通道连通时，在流体作用下使所述活塞基座内部和外部形成压力差，从而推动所述活塞基座内的活塞推靠井壁；当所述盘阀上的开口离开所述活塞基座内的流体通道时，所述活塞基座内部和外部的压力差消失，使所述活塞基座内的活塞收回。
优选地，所述活塞和所述流体通道均为3个，且沿所述活塞基座周向均布，在所述活塞基座旋转过程中，所述盘阀上的开口依次与所述周向均布的流体通道连通，所述活塞基座内的活塞被依次推出，形成周期性推靠井壁的作用力。
本发明提供的平衡涡轮，包括叶部和轴部，所述叶部为分隔的两部分，倾斜布置在所述轴部上，沿所述轴部轴向对称布置，且沿所述轴部径向留有间隙，以使流体经过所述间隙时所述叶部不受影响，能够自动对中、随动偏转；将上述平衡涡轮应用到偏转控制机构上，能够使偏转控制机构实现自动控制偏转；将上述偏转控制机构应用到机械式自动垂直钻具上，能够提高机械式垂直钻具的井斜控制精度和可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例一平衡涡轮的主视图。
图2是图1所示平衡涡轮的俯视图。
图3是图1所示平衡涡轮的A-A剖视图。
图4是图1所示平衡涡轮的立体结构示意图。
图5是图1所示平衡涡轮平衡状态时随喷嘴转动过程示意图。
图6是图1所示平衡涡轮向右转动时随喷嘴转动过程示意图。
图7是图1所示平衡涡轮向左转动时随喷嘴转动过程示意图。
图8是本发明实施例二偏转控制机构的主视结构示意图。
图9是本发明实施例三机械式自动垂直钻具的主视结构示意图。
图10是图9所示机械式自动垂直钻具的B-B剖视图。
图中：
1.叶部2.轴部3.连接孔4.喷嘴5.盘阀6.连接轴7.键8.偏重块9.芯轴10.支撑法兰11.安装盘12.活塞基座13.外筒14.推靠活塞15.流体通道
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例一
参考图1-7，本实施例提供的平衡涡轮，主要由两部分构成，两部分为叶部1和轴部2，叶部1为分隔的两部分，倾斜布置在轴部2上，沿轴部2轴向对称布置，且沿轴部2径向留有间隙，此间隙构成了流体通道；叶部1由多组叶片构成，并沿平衡涡轮的轴部2布置，其叶型、叶数、叶片间距及布置方式可以根据流体条件进行调整。另外在平衡涡轮轴部的一端设置有连接孔3，用于与其他设备相连接。
平衡涡轮在喷嘴4水射流作用下能够随喷嘴4转动。在喷嘴4的水力冲击作用下，平衡涡轮的叶部1除了始终受到轴向向下的水压力外，还会同时受到横向的冲击力。当喷嘴4位于平衡涡轮对称中心线时，喷嘴水射流会从涡轮的对称叶部1中间流向对称中心线处，或经由堆成中心线处的竖直通道流过，平衡涡轮所受水力作用在横截面内合力为零，即处于平衡状态，如图5所示；当上部喷嘴4发生偏转后，喷嘴4与平衡涡轮的位置相对位置发生变化，平衡状态被打破，此时平衡涡轮的叶部1会受到水射流向右或向左的冲击作用力，促使涡轮发生周向转动，如图6、图7所示，且其转动方向始终跟随喷嘴4运动，即平衡涡轮对称中心线处的流道向喷嘴4的位置旋转，具有随动特性。
鉴于具有对称叶型设计的平衡涡轮的物理及力学特性，平衡涡轮可应用于各种流体状况，如气体流、水流、泥浆流、混合流等各类流体，随上部流体流动方向改变而改变涡轮自身平衡位置，进而可控制下部机构发生偏转，可应用于旋转导向稳定平台、水流及气流导向舵等控制机构，实现预定功能。
实施例二
参考图8，本实施例提供了一种具有实施例一中的平衡涡轮的偏转控制机构，该偏转控制机构主要由两部分构成，两部分为盘阀5和平衡涡轮，盘阀5与平衡涡轮固定在一起，使平衡涡轮转动时能够带动盘阀5同步转动，优选通过连接轴6连接，并用键7联接固定。平衡涡轮方向始终随流体流动方向发生变化，并带动盘阀转动，从而达到自动控制偏转的效果。
实施例三
参考图9，本实施例提供了一种具有实施例二中的偏转控制机构的机械式自动垂直钻具，该机械式自动垂直钻具配有偏重块8、芯轴9、支撑法兰10、安装盘11、活塞基座12、外筒13，该钻具采用全旋转设计方案，即活塞基座12和外筒13随上部钻杆转动。偏重块8与芯轴9相固定，芯轴9通过轴承安装在两个支撑法兰10中间，以保证芯轴9可自由转动，两个支撑法兰10固定在外筒13内，芯轴9另一端通过固定的安装盘11安装有喷嘴4，喷嘴4可随偏重块8和芯轴9同步转动，在喷嘴4下部，固定连接在一起的平衡涡轮和盘阀5保持同步转动，活塞基座12内设置有三个周向均布的具有腔体结构的推靠活塞14和流体通道15，推靠活塞14的腔体与流体通道15相连通，盘阀5上的开口与活塞基座12上的流体通道15相配合，当盘阀5上的开口与活塞基座内流体通道15对应时，在流体作用下使活塞基座12内部和外部形成压力差，从而推动活塞基座内的推靠活塞14推靠井壁；当盘阀5上的开口离开活塞基座的流体通道15时，活塞基座12内部和外部的压力差消失，进而使活塞基座12内的推靠活塞14收回。另外，在活塞基座12随上部钻杆旋转的过程中，其周向均布的流体通道15能够依次与盘阀5上的开口连通，从而活塞基座12内的推靠活塞14会被依次推出，进而形成了周期性推靠井壁的作用力。
在钻井过程中，当井眼轨迹在外部因素的作用下发生倾斜时，偏重块8会因自身重力偏转至井眼低边，以此同时喷嘴4会同步转向井眼高边，钻井液在流经支撑法兰10后，在喷嘴4处形成水射流冲击平衡涡轮的叶片，平衡涡轮会在水力作用下跟随喷嘴4发生旋转，带动盘阀5开口转至井眼高边，当活塞基座12中与推靠活塞14相连接的流体通道15旋转至井眼高边的盘阀5的开口时，推靠活塞14即在钻具内外钻井液压差的作用下被推向井壁。钻具在旋转的过程中，位于井眼高边的活塞被依次推向井壁，在周期性的井壁反作用力下加剧钻头在井眼低边的侧向切削，井眼轨迹逐渐恢复垂直。
在引入平衡涡轮后，机械式自动垂直钻井工具的控制响应性能可获得较大的提升，优化了偏重块及盘阀控制的响应机制，其优化表现主要有以下几点：
(1)水力减阻：与现行通用的偏重块8直接控制盘阀5的“硬连接”控制方法相比，该方案里平衡涡轮在喷嘴4的引导下控制盘阀5的转动，平衡涡轮与喷嘴4之间的配合关系依靠水射流，实现了“软连接”。这样的“软连接”不仅有效地避免了盘阀5与活塞基座12间摩擦力对偏重平台偏转的阻碍作用，而且隔断了活塞基座12、盘阀5间振动的上传通道，减轻了底部钻具组合粘滑振动对偏重平台的不利影响，极大地提升了整个控制系统的精度和可靠性；
(2)水力缓冲：由于井下的工况十分恶劣，机械式垂直钻具在纵振、横振、涡动、粘滑等客观因素的影响下，其偏重块8始终处于摆动状态，在现行“硬连接”控制方法下，盘阀5也始终与上部偏重块8处于同步摆动状态，不利于钻井工具的精度控制。当平衡涡轮引入后，由于其特有的随动特性，平衡涡轮随喷嘴4转动的过程存在一定的滞后，这种滞后特性可有效减少上部摆动对盘阀5的影响，减少盘阀5的摆动幅度和频率，实施更为精准和稳定的控制；
(3)水力密封：由于盘阀5与活塞基座12之间存在相对运动，需在盘阀5上施加预紧力以保证盘阀5与活塞基座12间的密封作用，现行的通用方法是在盘阀5上安装处于压缩状态的弹簧，通过弹簧的推力保证盘阀5与与活塞基座12间的紧密接触，但该方法面临弹簧推力衰减的问题，在弹簧使用一段时间后密封失效。该方案中，水力涡轮始终受到钻井液向下的压力，该压力即可作为预紧力保证盘阀5的密封性能，并与旋转的活塞基座12之间建立动态摩擦平衡。
综上，该机械式自动垂直钻具使用偏重块8在重力作用下偏转带动喷嘴4旋转，再使用平衡涡轮控制盘阀5与活塞基座12间的相对运动和密封并实现钻井液流道的开闭的控制机制，可有效提高机械式自动垂直钻具的井斜控制能力和控制精度，进而大大提高机械式垂直钻具在高垂直度直井作业中的可靠程度、使用性能和适用范围。
另外，该机械式自动垂直钻具可满足高陡高斜地区防斜快打、高密度丛式井防碰打直等工况的作业要求，进行高垂直度直井的作业要求。该机械式自动垂直钻具具有较高的井斜控制能力，且不受地层温度、钻井液类型等条件的制约，并依据泵量调整涡轮设计方案，可承担各类不同地层条件、各种不同深度的钻井作业。该钻具可根据具体钻井设计，开发适用于各种不同井径的系列钻具。当在钻井过程中发生了井斜超过设计要求时，可使用该机械式自动垂直钻具进行纠斜降斜作业，将井斜降至设计要求以内，为进行后续钻井作业提供保障。
以上对本发明所提供的平衡涡轮、偏转控制机构和机械式自动垂直钻具进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种机械式自动垂直钻具，包括偏重块、芯轴、外筒、活塞基座，所述偏重块与所述芯轴固定连接，所述芯轴位于所述外筒内并与所述外筒通过轴承连接，所述活塞基座与所述外筒连接，所述活塞基座内设有周向均布的具有腔体结构的活塞和流体通道，所述活塞的腔体与所述流体通道相连通，其特征在于：还包括喷射装置和偏转控制机构，所述偏转控制机构包括盘阀和与所述盘阀连接的平衡涡轮，所述盘阀能够与所述平衡涡轮同步转动；所述平衡涡轮包括叶部和轴部，所述轴部一端沿轴向设置有连接孔，所述叶部为分隔的两部分，倾斜布置在所述轴部上，沿所述轴部轴向对称布置，且沿所述轴部径向留有间隙，以使流体经过所述间隙时所述叶部不受影响；
所述喷射装置与所述芯轴连接，所述偏转控制机构与所述活塞基座活动连接，通过所述偏重块偏转带动所述喷射装置同步转动，从而使所述喷射装置喷射的流体冲击所述偏转控制机构，进而使偏转控制机构导通所述流体通道以供流体进入；
所述喷射装置包括喷嘴和安装盘，所述安装盘上设有固定所述喷嘴的通孔，所述安装盘与所述芯轴固定连接，以使所述喷嘴与所述芯轴同步转动；
所述偏转控制机构的盘阀上设有开口，当所述盘阀上的开口与所述活塞基座内流体通道连通时，在流体作用下使所述活塞基座内部和外部形成压力差，从而推动所述活塞基座内的活塞推靠井壁；当所述盘阀上的开口离开所述活塞基座内的流体通道时，所述活塞基座内部和外部的压力差消失，使所述活塞基座内的活塞收回。
2.如权利要求1中所述的机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述喷嘴与所述偏重块沿所述芯轴轴向对位布置。
3.如权利要求1中所述的机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述活塞和所述流体通道均为3个，且沿所述活塞基座周向均布，在所述活塞基座旋转过程中，所述盘阀上的开口依次与所述周向均布的流体通道连通，所述活塞基座内的活塞被依次推出，形成周期性推靠井壁的作用力。
4.如权利要求1中所述的机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述叶部包括多组叶片，所述叶片的叶型、叶数及叶间距根据流体条件进行调整。
5.如权利要求1中所述的机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述盘阀与所述平衡涡轮通过轴连接，并通过键联接固定。
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