CN108005580A - 一种在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具，包括外筒和与外筒连接的活塞基座，外筒内设置有芯轴和上盘阀，活塞基座上设置有下盘阀，芯轴与外筒连接，上盘阀与下盘阀可转动连接，还包括位于外筒和芯轴间且能够控制上盘阀开闭的钟摆筒，钟摆筒与外筒可转动连接。该静态机械式自动垂直钻具，井斜控制精度和灵敏度高，纠斜极限接近理论垂直，且不会发生造斜现象，提高了机械式垂直钻具的井斜控制精度和使用性能。

Description

一种在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具

技术领域

本发明涉及机械工程领域，特别是涉及一种在垂直姿态下零造斜的静态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，尤其在深部钻探过程中，如何有效控制井斜保持井眼垂直始终是现代钻探工程的最为重要的技术难题。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，在主动防斜纠斜的过程中实现了井眼的高垂直度，很好地满足了现代钻井技术的发展要求。

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[1-2]。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[3]。目前，依据井斜感应及控制方式的不同，自动垂直钻井工具分为电子控制式自动垂直钻井系统及机械式自动垂直钻井系统两大类。电子控制式自动垂直钻井系统目前发展较为成熟，国内外公司相继开发出Power V、Verti Trak、SL-AVDS、CGVDS等系统，井斜控制能力很强，精度很高，但是该类钻井系统均含有高精度和高灵敏度的传感器及电控系统，造价及维护成本高昂。而机械式自动垂直钻具结构相对简单，不含电子元器件，依靠重力感应井斜，具有成本低、耐高温、适用性强、可靠性高等特点，油气面对低迷的油气价格，逐渐成为了高陡高斜地区防斜快打的最佳选择之一[4-5]。

目前，国内外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。在该类机械式垂直钻具的纠斜控制过程中，偏重块控制下的盘阀始终有一个或两个处于打开状态，相应地推靠活塞始终有一个或两个推向井壁。当钻具接近于垂直状态时，偏重块能够提供纠斜用的偏转扭矩较小，在克服盘阀和摩擦扭矩的偏转过程中，偏重块中心线与理论井眼低边存在一定夹角，钻具提供的纠斜作用力方向仅是靠近理论井眼低边方向，既仅能够做到纠斜作用力的主要分力在井眼低边方向，导致该类型机械式垂直钻具存在纠斜极限，井斜精度相对较低。此外，当钻具处于或接近于垂直状态时，偏心块会处于因井下振动的原因处于随机位置，推靠活塞推向井壁施加给钻头的侧向切削力不仅不能纠斜，反而开始造斜，这都是限制机械式垂直钻具纠斜能力和纠斜精度的重要原因，导致机械式垂直钻具的井斜控制能力相对较低。预提高机械式垂直钻具的井斜控制性能，需从控制原理和结构设计等方面进行新的优化与改造。

有鉴于此，特提出本发明。

[1]Chur C,Oppelt J.Vertical Drilling Technology:A Milestone inDirectional Drilling[R].SPE/IADC 25759,1993.

[2]杨春旭，韩来聚，步玉环，等.现代垂直钻井技术的新进展及发展方向[J].石油钻探技术，2007，35(1)：16-19.

[3]李立鑫,薛启龙,刘宝林,赵柳东,李昕愉.机械式静态双层推靠自动垂直钻具设计[J].中国石油大学学报(自然科学版),2017,41(4):91-98

[4]Steve Jones,Chad Feddema,Juan Castro.Fully mechanical verticaldrilling system delivers RSS performance in vertical drilling applicationswhile providing an economical alternative conventional rotary steerablesystems set-Up for vertical hold mode[R].IADC/SPE-178788,2016.

[5]韩来聚,倪红坚,赵金海,刘志和,吴仲华.机械式自动垂直钻井工具的研制[J].石油学报,2008,29(5)：766-768.

发明内容

本发明的目的是提供一种在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具，能够极大地提高机械式垂直钻具的井斜控制精度和使用性能。

为了实现上述目的，本发明提供的一种在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具，包括外筒和与所述外筒连接的活塞基座，所述外筒内设置有芯轴和上盘阀，所述活塞基座上设置有下盘阀，所述芯轴与所述外筒连接，所述上盘阀与所述下盘阀可转动连接，还包括位于所述外筒和所述芯轴间且能够控制上盘阀开闭的钟摆筒，所述钟摆筒与所述外筒可转动连接。

优选地，所述钟摆筒通过可转动的顶杆控制上盘阀的开闭，所述钟摆筒能够压迫所述顶杆转动，使所述顶杆推动所述上盘阀相对所述下盘阀转动，进而控制上盘阀开闭。

优选地，所述下盘阀上设置有支撑座，所述顶杆与所述支撑座可转动连接。

优选地，所述顶杆与所述支撑座间设置有扭簧，所述扭簧通过带动所述顶杆转动，使所述顶杆与所述钟摆筒紧密贴合。

优选地，所述顶杆一侧设有凸出部，所述凸出部与所述上盘阀一侧接触。

优选地，所述钟摆筒底部设有垫圈。

优选地，所述下盘阀内设置有供流体通过的螺旋形的液流通道。

优选地，所述下盘阀内还设置有压力平衡通道。

优选地，所述上盘阀为对称式结构，所述上盘阀的两端分别与所述液流通道和所述压力平衡通道贴合。

优选地，所述上盘阀与所述下盘阀间设置有扭簧，所述扭簧能够调整所述上盘阀两端与所述液流通道和所述压力平衡通道贴合，以使所述液流通道和所述压力平衡通道处于关闭状态。

本发明提供的在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具，在外筒和芯轴间设置有能够控制上盘阀开闭的钟摆筒，该钟摆筒与外筒可转动连接。其利用钟摆筒在重力作用下始终保持垂直的特性感应井斜，进而控制盘阀开闭并驱动相应活塞推向井壁进行纠斜；当井斜处于或接近理论垂直状态时，钟摆筒也处于垂直状态，不会推动上盘阀转动，所有盘阀处于关闭状态，故没有活塞被推向井壁，不会发生造斜，因此其井斜控制精度和灵敏度更高，纠斜极限接近理论垂直，且不会发生造斜现象，提高了机械式垂直钻具的井斜控制精度和使用性能。

附图说明

图1为本发明静态机械式自动垂直钻具的剖视图；

图2为图1中静态机械式自动垂直钻具的A处放大图；

图3为图1中静态机械式自动垂直钻具中顶杆、支撑座、上盘阀和下盘阀配合的结构示意图；

图4为图1中静态机械式自动垂直钻具的上盘阀的俯视图；

图5为图4中上盘阀的剖视图；

图6为图1中静态机械式自动垂直钻具的下盘阀的俯视图；

图7为图中下盘阀的剖视图。

图中：

1.钻杆上接头；11.过滤网；12.通道；2.外筒；3.活塞基座；4.芯轴；5.钟摆筒；51.内垫圈；52.外垫圈；6.上盘阀；61.连接孔；7.下盘阀；71.液流通道；72.支撑座；73.压力平衡通道；74.支撑座安装孔；75.安装孔；8.顶杆；81.凸出部。

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。

参考图1至图7，本实施例提供的在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具，主要由钻杆上接头1、外筒2和活塞基座3构成，它们依次连接；其中在外筒2内设置有芯轴4、钟摆筒5和上盘阀6，在活塞基座3上设置有下盘阀7，并在下盘阀7内设置有液流通道71；上盘阀6能够相对下盘阀7发生转动，进而控制液流通道71的开闭；在活塞基座3内还设置有四个周向均布且用于推靠井壁的推靠活塞。

钻杆上接头1用于与上部钻杆或动力钻具相连接，其与外筒2和芯轴4依靠轴承组连接，该轴承组包括一个轴向止推轴承和一个径向扶正轴承，为保证止推轴承在振动下相互碰撞轴承组需用碟簧预紧。在钻杆上接头1与外部设备连接时，可在其与外部设备间增加一过滤网11，该过滤网11的迎水面与钻具轴向成一定角度，以保证钻井液中被过滤掉的大粒径固相颗粒在钻井液冲洗作用下流入芯轴4中孔，进而冲洗孔底，另一部分过滤后的钻井液则通过钻杆上接头内的流体通道12流入钻具工作腔，用以推靠井壁提供纠斜侧向力。

芯轴4贯穿整体设备，其内部为多台阶中空圆柱体设计，这样可提高其强度和可靠性，芯轴4的下部与钻头连接，钻压和扭矩由钻杆上接头1经芯轴4依次传递至钻头。

在外筒2和芯轴4间的腔体为在本实施例中钻具的重力感应部分，其中钟摆筒5为重力感应部件，该钟摆筒5通过吊装条被吊装到外筒2的顶部或者上述轴承组上。吊装条使用弹簧钢制作，具有一定的柔性，钟摆筒5采用高比重合金(铅、钨等)制造，使得钟摆筒5在钻具倾斜时持续的保持垂直或近似垂直状态。对于钟摆筒5与外筒2或者上述轴承组间的连接方式并不唯一，只要保证钟摆筒5能够转动即可。当钻具发生偏斜时，钟摆筒5依旧保持垂直，此时它将推动上盘阀6相对于下盘阀7转动，进而打开下盘阀7上的液流通道71，使钻井液流经液流通道71并推动活塞基座3内的活塞推靠井壁，以达到纠斜的目的。

为了更好的使钟摆筒5能够控制上盘阀6开闭，在上盘阀6和钟摆筒5间设置有可转动的顶杆8，该顶杆8通过设置在下盘阀7上的支撑座72(支撑座72通过下盘阀7上的支撑座安装孔74与下盘阀7固定连接)相连接，在其与支撑座72间设置有扭簧(图中未示出)，该扭簧能够保证顶杆8与钟摆筒5始终接触。在顶杆8的一侧设置有一凸出部81，该凸出部81与上盘阀6的一侧接触。在钻具纠斜过程中，钟摆筒5压迫顶杆8发生转动，顶杆8上的凸出部81进一步的推动上盘阀6相对于下盘阀7发生转动；在钻具姿态恢复垂直过程中，顶杆8在扭簧的作用下随钟摆筒5同时复位；而为了保证上盘阀6也能够顺利的复位，在上盘阀6与下盘阀7间同样设置有扭簧(图中未示出)。

上盘阀6通过其中间的连接孔61与下盘阀7上的圆柱形凸台(图中未示出)连接；由于芯轴4贯穿整体设备，因此上盘阀6环绕芯轴4布置在下盘阀7上。对于上盘阀6的数量，可根据实际情况进行增减，而在本发明中选用的上盘阀6的数量为四个，且均匀的布置在下盘阀7上。

由于设备运行环境恶劣，在运行过程中，顶杆8与钟摆筒5一直持续的碰撞接触，为了减少它们间碰撞接触带来的磨损，可在顶杆8上其与钟摆筒5接触的部位设置垫圈，该垫圈能够起到缓冲的作用，进一步减少它们间的磨损。在设备运行过程中，可能存在顶杆8上的扭簧损坏或者其他情况，导致顶杆8的限位失效，此时可能会使钟摆筒5对芯轴4或外筒2产生损害性碰撞，而为了避免这种情况的发生，在钟摆筒的底部设置有垫圈，该垫圈分为内垫圈51和外垫圈52，它们分别将钟摆筒底部内表面和外表面包裹。

对于下盘阀7内液流通道71的设计有很多种形式，可根据实际情况进行选用。而在本实施例中，将采用螺旋形的液流通道，当钻具发生偏斜时，钟摆筒5将压迫位于井眼低边的顶杆8，进一步的顶杆8上的凸出部81推靠上盘阀6一侧，使上盘阀6发生转动，从而打开下盘阀7上的位于井眼低边的液流通道71，此时井眼低边的流体通过螺旋形液流通道71的入口进入，并从井眼高边的螺旋形液流通道71的出口流出，进而将活塞基座3上位于井眼高边的活塞推向井壁，在钻头处形成向井眼底部低边的侧向切削力，使井眼逐渐恢复垂直。

下盘阀7与活塞基座3间设置有密封部，在本实施例中，该密封部选用的是软铝垫块，软铝垫块的开孔与下盘阀7上的螺旋液流通道71的出口端相同。在将下盘阀7、软铝垫块和活塞基座3固定连接(可选用螺栓通过下盘阀7上的安装孔75连接)后，软铝垫块可保证连接处的密封，避免流体沿径向缝隙流入活塞基座3内的流体液流道，引起不需要推出的活塞推出，导致钻具失效。

目前机械式自动垂直钻井工具的控制机构中，钻井液流道的控制阀多采用盘阀和环阀两种设计。采用盘阀方案时，由于盘阀的密封依靠钻井液在钻具内外的压力差，故盘阀的正表面则需要承受由压差形成的正压力。钻井液在钻具内外的压力差一般近似等于钻头的钻井液压降，一般在3-5Mpa，故盘阀承受的正压力较大，导致摩擦阻力较大。而采用环阀方案时，阀口液流通道与环阀轴向垂直，环阀轴向承受的正压力可由环阀材料的刚性部分承担，摩擦阻力相对盘阀较小，但存在环阀阀间缝隙易发生钻井液固相颗粒造成的卡阻，可靠性又有所降低。鉴于上述问题，在本实施例中，在下盘阀7上设有与螺旋形液流通道71对应的压力平衡通道73，上盘阀6的两端分别与该压力平衡通道73和上述螺旋液流通道71相连。在钻具运行过程中，上盘阀6与螺旋液流通道71贴合的一侧受到的流体的冲击力，而与上盘阀6上另一侧贴合的压力平衡通道73会提供另外的一个冲击力，进而使上盘阀6两端的受力相同，此时盘阀间的密封正压力由上盘阀6自身刚度承担，有效降低了上盘阀6旋转的阻力，并保证了上盘阀6可绕下盘阀7上的圆形凸台旋转的可靠性。而为了使得上盘阀6在旋转过程中更加容易，可将上盘阀6设计成对称式结构，其两端呈圆形，圆形的两端分别对应着压力平衡通道73和螺旋形液流通道71。

本发明提出的在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具，是利用吊装钟摆筒5在重力作用下始终保持垂直的特性感应井斜，进而控制盘阀开闭并驱动相应活塞推向井壁进行纠斜。由于地层作用力、钻井工艺等因素产生井斜时，钻具姿态与井斜基本一致，而吊装在轴承座上的钟摆筒5在自身重力作用下依旧保持垂直，钻具开始进入纠斜工作状态。该钻具控制及执行机构中含有周向以90°相位差均布四个活塞及相应的盘阀控制机构，位于井眼低边的一个或两个顶杆8受压迫推动相应上盘阀6，此时由于钻具偏斜方向与顶杆8位置存在两个夹角，则顶杆8被压迫的程度不同，导致上盘阀6允许钻井液通过的开口打开面积不同，钻井液进入流道的流量不同导致了推靠活塞以不同的推靠力推向井壁，但其合力的方向理论上与井眼高边重合(一般情况是两个顶杆8同时受压迫，仅当钻具偏斜方向与对位活塞的中心连线重合或接近重合时，才会仅有一个顶杆8受到压迫，此时推靠合力等于该单个推出活塞的推靠力，方向仍为井眼高边)。当井斜处于或接近理论垂直状态时，吊装钟摆筒5也处于垂直状态，不会压迫顶杆8，所有盘阀均处于关闭状态，故没有活塞推向井壁，不会发生造斜。因此，相比于偏重块控制的机械式垂直钻具推靠力与井眼低边存在一定夹角，钟摆筒5控制下的钻具纠斜力始终指向井眼低边，井斜控制精度和灵敏度更高，纠斜极限接近理论垂直，且不会发生造斜现象。

另外，本发明提供的机械式自动垂直钻具还能满足如下要求：

1、高垂直度直井作业

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、水平井垂直井段、深井超深井钻探等工况的作业要求，可进行高垂直度直井的作业要求。该机械式垂直钻具具有较高的井斜控制能力，适用于不同的钻井液类型，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。

2、纠斜降斜作业

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。

3、高温及异常地温梯度直井作业

该机械式自动垂直钻具不含任何橡胶件、电子元器件，可承受高温条件及异常地温梯度下的直井钻进作业，不受地层温度限制。

4、定向钻井作业

利用钟摆筒控制盘阀开闭的原理，还可改变下盘阀螺旋形流道结构，实现定向钻井作业。如将螺旋形流道设计成直流道，即可完成定向非开挖钻井作业，该结构调整同时适用于石油钻井、水井等其他钻井工程。

综上所述，本发明提供的在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具，在外筒和芯轴间设置有能够控制上盘阀开闭的钟摆筒，并利用钟摆筒在重力作用下始终保持垂直的特性感应井斜，进而控制盘阀开闭并驱动相应活塞推向井壁进行纠斜；当井斜处于或接近理论垂直状态时，钟摆筒也处于垂直状态，不会推动上盘阀转动，所有盘阀处于关闭状态，故没有活塞被推向井壁，不会发生造斜，因此其井斜控制精度和灵敏度更高，纠斜极限接近理论垂直，且不会发生造斜现象，成功解决了较传统偏重块控制式机械钻具的纠斜精度相对较低，在垂直状态下发生造斜，盘阀摩擦阻力较大等问题，提高了机械式垂直钻具的井斜控制精度和使用性能。另外，该钻具设计简单，安装方便，具有更为优异的井斜控制能力、控制精度和可靠性，使机械式自动垂直钻具应用于高质量直井作业的市场竞争力大大加强。

以上对本发明所提供的在垂直姿态下零造斜的静态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 (10)

1.一种在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具，包括外筒和与所述外筒连接的活塞基座，所述外筒内设置有芯轴和上盘阀，所述活塞基座上设置有下盘阀，所述芯轴与所述外筒连接，所述上盘阀与所述下盘阀可转动连接，其特征在于：还包括位于所述外筒和所述芯轴间且能够控制上盘阀开闭的钟摆筒，所述钟摆筒与所述外筒可转动连接。

2.根据权利要求1所述的静态机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述钟摆筒通过可转动的顶杆控制上盘阀的开闭，所述钟摆筒能够压迫所述顶杆转动，使所述顶杆推动所述上盘阀相对所述下盘阀转动，进而控制上盘阀开闭。

3.根据权利要求2所述的静态机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述下盘阀上设置有支撑座，所述顶杆与所述支撑座可转动连接。

4.根据权利要求3所述的静态机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述顶杆与所述支撑座间设置有扭簧，所述扭簧通过带动所述顶杆转动，使所述顶杆与所述钟摆筒紧密贴合。

5.根据权利要求2所述的静态机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述顶杆一侧设有凸出部，所述凸出部与所述上盘阀一侧接触。

6.根据权利要求1至5中任一所述的所述的静态机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述钟摆筒底部设有垫圈。

7.根据权利要求1至5中任一所述的所述的静态机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述下盘阀内设置有供流体通过的螺旋形的液流通道。

8.根据权利要求7所述的静态机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述下盘阀内还设置有压力平衡通道。

9.根据权利要求8所述的静态机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述上盘阀为对称式结构，所述上盘阀的两端分别与所述液流通道和所述压力平衡通道贴合。

10.根据权利要求9所述的静态机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述上盘阀与所述下盘阀间设置有扭簧，所述扭簧能够调整所述上盘阀两端与所述液流通道和所述压力平衡通道贴合，以使所述液流通道和所述压力平衡通道处于关闭状态。