CN107965279A - 偏重叶轮式井下自动扶正工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种偏重叶轮式井下自动扶正工具，由转换接头、动力总成和纠斜总成组成。所述动力总成后端通过螺纹连接转换接头，前端连接纠斜总成，钻进过程中，当井斜发生时，偏重套管较重一侧在重力作用下通过轴承a和轴承c自动旋转到井眼低边，带动连杆座旋转，使连杆a和连杆b始终位于井眼高边，通过动力总成的叶轮将液体能量转化为旋转的机械能，带动中心管旋转，滚轮座随中心管同步转动使凸轮上下往复运动，从而带动连杆a和连杆b连续推向井壁，产生一个周期性的反作用力来纠正井斜，实现正常钻进。本发明的偏重叶轮式井下自动扶正工具可以有效纠正井斜，保证垂直钻进的精度，从而提高钻井效率与钻井质量，节约生产成本。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气钻探工程领域一种新型井下钻井工具，尤其涉及一种偏重叶轮式井下自动扶正工具。
背景技术
因地层倾角、岩性变化及钻井工艺等因素导致的井斜问题会对钻井、完井等过程造成一系列危害，甚至导致不可挽回的重大损失，故控制井斜始终是钻井工程领域的技术难题。且随着石油勘探开发难度的不断增大，高陡构造、断层、盐层等复杂地质条件下的作业量急剧增加，传统的钟摆钻具、满眼钻具、偏轴钻具等被动式防斜技术已很难满足现代钻井工艺的需要，如何进行高效的防斜快打，实成本、高质量的钻井作业，已成为石油钻井工程中最为重要的关键问题。
在钻井过程中为了控制和调整井眼井斜，会大量使用扶正器，自动垂直钻井技术的出现很好地适应了现代钻井技术的发展要求,可有效释放钻压和扭矩,提高钻进效率。该技术源自德国大陆超深井计划(KTB 计划)，利用井下闭环电子控制系统控制靠近钻头的可伸缩推靠活塞推向井壁高边实现主动纠斜扶正，井斜可控制在 1°以下。在 KTB 钻井技术的基础上,国内外石油公司相继开发出了 Power V、Verti-Trak、V-Pilot、SL-AVDS、CGVDS等自动垂直钻井系统,均取得了良好的扶正效果。但自动垂直钻井扶正系统机械结构设计复杂，须配备高精度、高效率的信号采集分析系统，其电子控制系统在井底恶劣的工况下对密封性要求高，不耐高温，极易造成损坏，故整体造价及维修维护成本高。
发明内容
为解决背景技术中所述的在竖直井钻井作业过程中由于地层因素及技术原因造成的井斜情况，从而导致钻井效率低下、钻井成本高、钻井周期过长的问题， 本发明提供了一种偏重叶轮式井下自动扶正工具。
本发明的技术方案是：偏重叶轮式井下自动扶正工具由转换接头、动力总成和纠斜总成组成，动力总成后端通过螺纹连接转换接头，前端连接纠斜总成；所述的动力总成包括叶轮壳体、锁母、叶轮、叶轮轴、轴承端盖、螺钉a、串轴承、导流筒、耐磨环和传动轴，叶轮通过花键连接的方式安装在叶轮轴上，并利用锁母轴向固定，叶轮轴的前段安装在导流筒内，并将串轴承安装在导流筒内部，轴承端盖通过螺纹连接安装在导流筒端面，在导流筒的外圆柱面开有3个均匀分布的孔，在叶轮壳体安装导流筒处圆柱面开有3个均匀分布的螺纹孔，利用螺钉a将导流筒固定在叶轮壳体上，叶轮壳体后端与转换接头螺纹连接，传动轴后端通过螺纹固定在叶轮轴前端，在传动轴和叶轮轴的台阶之间安放耐磨环；所述纠斜总成包括密封环、中心管、矩形密封圈、轴承a、滚轮座、滚轮、螺钉b、偏重套管、凸轮、凸轮盖外环、螺钉c、凸轮盖内环、弹簧、弹簧座、销钉a、销钉b、连杆座、球铰、连杆a、滚筒、圆柱销、铰链销、连杆b、轴承b、套筒、轴承c和下接头，滚轮通过螺钉b安装在滚轮座上，将球铰通过凸轮盖外环、螺钉c以及凸轮盖内环安装于凸轮底部，将连杆座固定在轴承b上，从上到下依次将轴承a、滚轮座、凸轮、弹簧、弹簧座、轴承b、套筒和轴承c安装在中心管上，滚轮座依靠螺纹固定于中心管上，弹簧座依靠销钉b固定于中心管上，将滚筒通过圆柱销安装在连杆b右端，利用铰链销将连杆a与连杆b相连，再将连杆a与球铰下端连接，连杆b与连杆底座连接，预先将密封环、矩形密封圈安装到偏重套管上，再将偏重套管套装在轴承a和轴承c上，利用销钉a将连杆座固定在偏重套管上，中心管后端与传动轴螺纹连接，前端与下接头螺纹连接。
上述方案中所述的偏重叶轮式井下自动扶正工具，其特征在于：所述的偏重套管较重一侧中下部的周向中心处开设有套管销钉孔，距离套管销钉孔周向180°处开设有连杆伸缩口，连杆a和连杆b可通过连杆伸缩口进行伸缩，偏重套管上下两端开设有密封槽，用于安放密封环；所述的连杆座上的连杆座销钉孔与连杆b安装处周向相距180°，销钉a连接套管销钉孔和连杆座销钉孔，保证连杆a和连杆b始终与偏重套管上的连杆伸缩口相对。
上述方案中所述的偏重叶轮式井下自动扶正工具，其特征在于：所述的凸轮底部开设有环形滑槽，凸轮与凸轮盖外环和凸轮盖内环形成环形滑道，球铰可在环形滑道内绕凸轮周向转动，安装前应在环形滑槽内涂上润滑脂；所述的连杆b右端安装有滚筒，变钻具与井壁的滑动摩擦为滚动摩擦，减小工作阻力。
本发明的有益效果是：(1) 采用偏重原理实时感应井斜，感应灵敏，反应迅速，进行动态纠斜；(2) 利用凸轮及四杆机构实现工具的纠斜工作原理，其结构新颖，具有理论研究价值以及进一步开发完善的可能性；(3) 该工具的动力总成不产生轴向压力、能量转化效率高、轴向尺寸短；(4) 本发明为纯机械式结构，不包含电磁测量部件及高压油系统，工作性能稳定，成本费用低。
附图说明
图1为本发明所述的偏重叶轮式井下自动扶正工具连杆a和连杆b伸出状态下的结构示意图。
图2为本发明所述的偏重叶轮式井下自动扶正工具连杆a和连杆b收回状态下的结构示意图。
图3是本发明图1中的A-A截面图。
图4导流筒结构三维示意图。
图5滚轮座、滚轮及凸轮结构三维示意图。
图6凸轮、凸轮盖内环及凸轮盖外环结构三维示意图。
图7连杆机构三维示意图。
图8偏重套管结构三维示意图。
图中1-上接头，2-叶轮壳体，3-锁母，4-叶轮，5-叶轮轴，6-轴承端盖，7-螺钉a，8-串轴承，9-导流筒，10-耐磨环，11-传动轴，12-密封环，13-中心管，14-矩形密封圈，15-轴承a，16-滚轮座，17-滚轮，18-螺钉b， 19-偏重套管，20-凸轮，21-凸轮盖外环，22-螺钉c，23-凸轮盖内环，24-弹簧，25-弹簧座，26-销钉a，27-销钉b，28-连杆座，29-球铰，30-连杆a，31-滚筒，32-圆柱销，33-铰链销，34-连杆b，35-轴承b，36-套筒，37-轴承c，38-下接头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见附图1，偏重叶轮式井下自动扶正工具由转换接头1、动力总成和纠斜总成组成，动力总成后端通过螺纹连接转换接头1，前端连接纠斜总成；所述的动力总成包括叶轮壳体2、锁母3、叶轮4、叶轮轴5、轴承端盖6、螺钉a7、串轴承8、导流筒9、耐磨环10和传动轴11，叶轮4通过花键连接的方式安装在叶轮轴5上，并利用锁母3轴向固定，叶轮轴5的前段安装在导流筒9内，并将串轴承8安装在导流筒9内部，轴承端盖6通过螺纹连接安装在导流筒9端面，在导流筒9的外圆柱面开有3个均匀分布的孔，在叶轮壳体2安装导流筒9处圆柱面开有3个均匀分布的螺纹孔，利用螺钉a7将导流筒9固定在叶轮壳体2上，叶轮壳体2后端与转换接头1螺纹连接，传动轴11后端通过螺纹固定在叶轮轴5前端，在传动轴11和叶轮轴5的台阶之间安放耐磨环10。
所述纠斜总成包括密封环12、中心管13、矩形密封圈14、轴承a15、滚轮座16、滚轮17、螺钉b18、偏重套管19、凸轮20、凸轮盖外环21、螺钉c22、凸轮盖内环23、弹簧24、弹簧座25、销钉a26、销钉b27、连杆座28、球铰29、连杆a30、滚筒31、圆柱销32、铰链销33、连杆b34、轴承b35、套筒36、轴承c37和下接头38，滚轮17通过螺钉b18安装在滚轮座16上，将球铰29通过凸轮盖外环21、螺钉c22以及凸轮盖内环23安装于凸轮20底部，将连杆座28固定在轴承b35上，从上到下依次将轴承a15、滚轮座16、凸轮20、弹簧24、弹簧座25、轴承b35、套筒36和轴承c37安装在中心管13上，滚轮座16依靠螺纹固定于中心管13上，弹簧座25依靠销钉b27固定于中心管13上，将滚筒31通过圆柱销32安装在连杆b34右端，利用铰链销33将连杆a30与连杆b34相连，再将连杆a30与球铰29下端连接，连杆b34与连杆底座28连接，预先将密封环12、矩形密封圈14安装到偏重套管19上，再将偏重套管19套装在轴承a15和轴承c37上，利用销钉a26将连杆座28固定在偏重套管19上，中心管13后端与传动轴11螺纹连接，前端与下接头38螺纹连接；钻进过程中，当井斜发生时，偏重套管19较重一侧在重力作用下通过轴承a15和轴承c37自动旋转到井眼低边，带动连杆座28旋转，使连杆a30和连杆b34始终位于井眼高边，通过动力总成的叶轮4将液体能量转化为旋转的机械能，带动中心管13旋转，滚轮座16随中心管13同步转动使凸轮20上下往复运动，从而带动连杆a30和连杆b34连续推向井壁，产生一个周期性的反作用力来纠正井斜，实现正常钻进，提高钻井效率；当井斜不发生时，偏重套管19的偏向是随机的，故该自动垂直钻井工具不会产生恒定一侧的纠斜力，不影响正常钻进。
所述的偏重套管19较重一侧中下部的周向中心处开设有套管销钉孔，距离套管销钉孔周向180°处开设有连杆伸缩口，连杆a30和连杆b34可通过连杆伸缩口进行伸缩，偏重套管19上下两端开设有密封槽，用于安放密封环12；所述的连杆座28上的连杆座销钉孔与连杆b34安装处周向相距180°，销钉a26连接套管销钉孔和连杆座销钉孔，保证连杆a30和连杆b34始终与偏重套管19上的连杆伸缩口相对。
所述的凸轮20底部开设有环形滑槽，凸轮20与凸轮盖外环21和凸轮盖内环23形成环形滑道，球铰29可在环形滑道内绕凸轮20周向转动，安装前应在环形滑槽内涂上润滑脂；所述的连杆b34右端安装有滚筒31，变钻具与井壁的滑动摩擦为滚动摩擦，减小工作阻力。
Claims (5)
1.偏重叶轮式井下自动扶正工具，其特征在于：所述的偏重叶轮式井下自动扶正工具由转换接头（1）、动力总成和纠斜总成组成，动力总成后端通过螺纹连接转换接头（1），前端连接纠斜总成；所述的动力总成包括叶轮壳体（2）、锁母（3）、叶轮（4）、叶轮轴（5）、轴承端盖（6）、螺钉a（7）、串轴承（8）、导流筒（9）、耐磨环（10）和传动轴（11），叶轮（4）通过花键连接的方式安装在叶轮轴（5）上，并利用锁母（3）轴向固定，叶轮轴（5）的前段安装在导流筒（9）内，并将串轴承（8）安装在导流筒（9）内部，轴承端盖（6）通过螺纹连接安装在导流筒（9）端面，在导流筒（9）的外圆柱面开有3个均匀分布的孔，在叶轮壳体（2）安装导流筒（9）处圆柱面开有3个均匀分布的螺纹孔，利用螺钉a（7）将导流筒（9）固定在叶轮壳体（2）上，叶轮壳体（2）后端与转换接头（1）螺纹连接，传动轴（11）后端通过螺纹固定在叶轮轴（5）前端，在传动轴（11）和叶轮轴（5）的台阶之间安放耐磨环（10）；所述纠斜总成包括密封环（12）、中心管（13）、矩形密封圈（14）、轴承a（15）、滚轮座（16）、滚轮（17）、螺钉b（18）、偏重套管（19）、凸轮（20）、凸轮盖外环（21）、螺钉c（22）、凸轮盖内环（23）、弹簧（24）、弹簧座（25）、销钉a（26）、销钉b（27）、连杆座（28）、球铰（29）、连杆a（30）、滚筒（31）、圆柱销（32）、铰链销（33）、连杆b（34）、轴承b（35）、套筒（36）、轴承c（37）和下接头（38），滚轮（17）通过螺钉b（18）安装在滚轮座（16）上，将球铰（29）通过凸轮盖外环（21）、螺钉c（22）以及凸轮盖内环（23）安装于凸轮（20）底部，将连杆座（28）固定在轴承b（35）上，从上到下依次将轴承a（15）、滚轮座（16）、凸轮（20）、弹簧（24）、弹簧座（25）、轴承b（35）、套筒（36）和轴承c（37）安装在中心管（13）上，滚轮座（16）依靠螺纹固定于中心管（13）上，弹簧座（25）依靠销钉b（27）固定于中心管（13）上，将滚筒（31）通过圆柱销（32）安装在连杆b（34）右端，利用铰链销（33）将连杆a（30）与连杆b（34）相连，再将连杆a（30）与球铰（29）下端连接，连杆b（34）与连杆底座（28）连接，预先将密封环（12）、矩形密封圈（14）安装到偏重套管（19）上，再将偏重套管（19）套装在轴承a（15）和轴承c（37）上，利用销钉a（26）将连杆座（28）固定在偏重套管（19）上，中心管（13）后端与传动轴（11）螺纹连接，前端与下接头（38）螺纹连接；钻进过程中，当井斜发生时，偏重套管（19）较重一侧在重力作用下通过轴承a（15）和轴承c（37）自动旋转到井眼低边，带动连杆座（28）旋转，使连杆a（30）和连杆b（34）始终位于井眼高边，通过动力总成的叶轮（4）将液体能量转化为旋转的机械能，带动中心管（13）旋转，滚轮座（16）随中心管（13）同步转动使凸轮（20）上下往复运动，从而带动连杆a（30）和连杆b（34）连续推向井壁，产生一个周期性的反作用力来纠正井斜，实现正常钻进，提高钻井效率。
2.根据权利要求1所述的偏重叶轮式井下自动扶正工具，其特征在于：所述的偏重套管（19）较重一侧中下部的周向中心处开设有套管销钉孔，距离套管销钉孔周向180°处开设有连杆伸缩口，连杆a（30）和连杆b（34）可通过连杆伸缩口进行伸缩，偏重套管（19）上下两端开设有密封槽，用于安放密封环（12）。
3.根据权利要求1所述的偏重叶轮式井下自动扶正工具，其特征在于：所述的连杆座（28）上的连杆座销钉孔与连杆b（34）安装处周向相距180°，销钉a（26）连接套管销钉孔和连杆座销钉孔，保证连杆a（30）和连杆b（34）始终与偏重套管（19）上的连杆伸缩口相对。
4.根据权利要求1所述的偏重叶轮式井下自动扶正工具，其特征在于：所述的凸轮（20）底部开设有环形滑槽，凸轮（20）与凸轮盖外环（21）和凸轮盖内环（23）形成环形滑道，球铰（29）可在环形滑道内绕凸轮（20）周向转动，安装前应在环形滑槽内涂上润滑脂。
5.根据权利要求1所述的偏重叶轮式井下自动扶正工具，其特征在于：所述的连杆b（34）右端安装有滚筒（31），变钻具与井壁的滑动摩擦为滚动摩擦，减小工作阻力。
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