CN108278083B - 利用凸轮四杆机构实现自动垂直钻井的井下工具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于石油钻井等领域中的利用凸轮四杆机构实现自动垂直钻井的井下工具，将旋转运动转化为轴向运动，再将轴向运动转化为径向运动，在钻进过程中，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，上接头带动中心管旋转，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，提高钻井效率。本发明的利用凸轮四杆机构实现自动垂直钻井的井下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井眼质量，节约生产成本。

Description

利用凸轮四杆机构实现自动垂直钻井的井下工具
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，尤其涉及一种利用凸轮四杆机构实现自动垂直钻井的井下工具。
背景技术
随着石油天然气开发程度的增加，开采难度也不断加大，钻井工程面临的地质环境与钻井工艺也越来越复杂。地层环境差异对井下钻井工具的使用提出了新的要求，提高井下工具的使用寿命，提高钻井效率，节约钻井成本也是节能环保新形势下的必然趋势。在竖直井钻进过程中，由于钻进地层的复杂性和钻探机械及工艺等原因，钻井弯曲几乎不可避免，从而对钻井作业产生影响，降低钻井效率，增加钻井成本，直井防斜就是一个普遍存在、非常突出的问题。
垂直钻井工具主要应用于石油天然气钻井工程。由于常规直井防斜纠斜技术适用范围有限，已不能满足如高陡构造、深井等复杂情况下钻井的需要，而且人们也逐渐认识到，钻直井不是低成本及简单的钻井作业，迫切需要发展新的防斜技术。新的防斜技术应不但能防斜，而且能打快，将优质和高效有效地统一起来。目前常规直井防斜主要是用满眼组合“重压快钻”，以满保直，纠斜使用钟摆组合“轻压吊打”，以慢纠斜，其缺陷是:仅仅依靠钻具自身的钟摆力产生的纠斜力十分有限，并且以牺牲钻速来提高钻井质量，这种方法很难达到既快又省地钻出高垂直度井壁的目标，用牺牲钻压和高成本来换取小井斜，用牺牲钻速来换取井身质量，与经济效益不符。
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， 本发明提供了一种利用凸轮四杆机构实现自动垂直钻井的井下工具。
本发明的技术方案是：利用凸轮四杆机构实现自动垂直钻井的井下工具由上接头、中心管、密封环、轴承a、偏重套管、滚轮座、滚轮、螺钉a、凸轮、凸轮盖外环、螺钉b、凸轮盖内环、弹簧、弹簧座、螺钉c、螺钉d、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和下接头组成，其特征在于：所述滚轮通过螺钉a安装在滚轮座上，球铰通过凸轮盖外环、螺钉b以及凸轮盖内环安装于凸轮底部，连杆座固定在轴承b外侧；从上到下依次将滚轮座、凸轮、弹簧、弹簧座、轴承b和套筒安装在中心管上，滚轮座依靠螺纹固定于中心管上，弹簧座依靠螺钉d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；预先将密封环安装到偏重套管上，利用轴承a和轴承c将偏重套管固定在中心管外侧，偏重套管可绕中心管自由转动，连杆座通过螺钉c固定在偏重套管上；中心管上端与上接头螺纹连接，下端与下接头螺纹连接。
上述方案中所述的利用凸轮四杆机构实现自动垂直钻井的井下工具，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螺钉孔，距离套管螺钉孔周向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螺钉孔与连杆b安装处周向相距180°，螺钉c连接套管螺钉孔和连杆座螺钉孔，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。
上述方案中所述的利用凸轮四杆机构实现自动垂直钻井的井下工具，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) 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为本发明所述的利用凸轮四杆机构实现自动垂直钻井的井下工具连杆a和连杆b伸出状态下的结构示意图。
图2为本发明所述的利用凸轮四杆机构实现自动垂直钻井的井下工具连杆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是连杆机构三维示意图。
图5是滚轮座、滚轮及凸轮结构三维示意图。
图6是凸轮、凸轮盖内环及凸轮盖外环结构三维示意图。
图7是偏重套管结构三维示意图。
图中1-上接头，2-中心管，3-密封环，4-轴承a，5-偏重套管，6-滚轮座，7-滚轮，8-螺钉a，9-凸轮，10-凸轮盖外环，11-螺钉b，12-凸轮盖内环，13-弹簧，14-弹簧座，15-螺钉c，16-螺钉d，17-连杆座，18-球铰，19-连杆a，20-滚筒，21-圆柱销，22-铰链销，23-连杆b，24-轴承b，25-套筒，26-轴承c，27-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，利用凸轮四杆机构实现自动垂直钻井的井下工具，由上接头1、中心管2、密封环3、轴承a4、偏重套管5、滚轮座6、滚轮7、螺钉a8、凸轮9、凸轮盖外环10、螺钉b11、凸轮盖内环12、弹簧13、弹簧座14、螺钉c15、螺钉d16、连杆座17、球铰18、连杆a19、滚筒20、圆柱销21、铰链销22、连杆b23、轴承b24、套筒25、轴承c26和下接头27组成，其特征在于：所述滚轮7通过螺钉a8安装在滚轮座6上，球铰18通过凸轮盖外环10、螺钉b11以及凸轮盖内环12安装于凸轮9底部，连杆座17固定在轴承b24外侧；从上到下依次将滚轮座6、凸轮9、弹簧13、弹簧座14、轴承b24和套筒25安装在中心管2上，滚轮座6依靠螺纹固定于中心管2上，弹簧座14依靠螺钉d16固定于中心管2上；将滚筒20通过圆柱销21安装在连杆b23右端，利用铰链销22将连杆a19与连杆b23相连，再将连杆a19与球铰18下端连接，连杆b23与连杆底座17连接；预先将密封环3安装到偏重套管5上，利用轴承a4和轴承c26将偏重套管5固定在中心管2外侧，偏重套管5可绕中心管2自由转动，连杆座17通过螺钉c15固定在偏重套管5上；中心管2上端与上接头1螺纹连接，下端与下接头27螺纹连接；钻进过程中，当井斜发生时，偏重套管5较重一侧在重力作用下通过轴承a4和轴承c26自动旋转到井眼低边，带动连杆座17旋转，使连杆a19和连杆b23始终位于井眼高边，上接头1带动中心管2旋转，滚轮座6随中心管2同步转动使凸轮9上下往复运动，从而带动连杆a19和连杆b23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5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5较重一侧中下部的周向中心处开设有套管螺钉孔，距离套管螺钉孔周向180°处开设有连杆伸缩口，连杆a19和连杆b23可通过连杆伸缩口进行伸缩，偏重套管5上下两端开设有密封槽，用于安放密封环3；所述的连杆座17上的连杆座螺钉孔与连杆b23安装处周向相距180°，螺钉c15连接套管螺钉孔和连杆座螺钉孔，保证连杆a19和连杆b23始终与偏重套管5上的连杆伸缩口相对。
所述的凸轮9底部开设有环形滑槽，凸轮9与凸轮盖外环10和凸轮盖内环12形成环形滑道，球铰18可在环形滑道内绕凸轮9周向转动，安装前应在环形滑槽内涂上润滑脂；所述的连杆b23右端安装有滚筒20，变钻具与井壁的滑动摩擦为滚动摩擦，减小工作阻力。

Claims (3)

1.利用凸轮四杆机构实现自动垂直钻井的井下工具，由上接头(1)、中心管(2)、密封环(3)、轴承a(4)、偏重套管(5)、滚轮座(6)、滚轮(7)、螺钉a(8)、凸轮(9)、凸轮盖外环(10)、螺钉b(11)、凸轮盖内环(12)、弹簧(13)、弹簧座(14)、螺钉c(15)、螺钉d(16)、连杆座(17)、球铰(18)、连杆a(19)、滚筒(20)、圆柱销(21)、铰链销(22)、连杆b(23)、轴承b(24)、套筒(25)、轴承c(26)和下接头(27)组成，其特征在于：所述的偏重套管(5)较重一侧中下部的周向中心处开设有套管螺钉孔，距离套管螺钉孔周向180°处开设有连杆伸缩口，连杆a(19)和连杆b(23)可通过连杆伸缩口进行伸缩，偏重套管(5)上下两端开设有密封槽，用于安放密封环(3)；所述滚轮(7)通过螺钉a(8)安装在滚轮座(6)上，球铰(18)通过凸轮盖外环(10)、螺钉b(11)以及凸轮盖内环(12)安装于凸轮(9)底部，连杆座(17)固定在轴承b(24)外侧；从上到下依次将滚轮座(6)、凸轮(9)、弹簧(13)、弹簧座(14)、轴承b(24)和套筒(25)安装在中心管(2)上，滚轮座(6)依靠螺纹固定于中心管(2)上，弹簧座(14)依靠螺钉d(16)固定于中心管(2)上；所述的凸轮(9)底部开设有环形滑槽，凸轮(9)与凸轮盖外环(10)和凸轮盖内环(12)形成环形滑道，球铰(18)可在环形滑道内绕凸轮(9)周向转动，安装前应在环形滑槽内涂上润滑脂将滚筒(20)通过圆柱销(21)安装在连杆b(23)右端，利用铰链销(22)将连杆a(19)与连杆b(23)相连，再将连杆a(19)与球铰(18)下端连接，连杆b(23)与连杆底座(17)连接；预先将密封环(3)安装到偏重套管(5)上，利用轴承a(4)和轴承c(26)将偏重套管(5)固定在中心管(2)外侧，偏重套管(5)可绕中心管(2)自由转动，连杆座(17)通过螺钉c(15)固定在偏重套管(5)上；中心管(2)上端与上接头(1)螺纹连接，下端与下接头(27)螺纹连接；钻进过程中，当井斜发生时，偏重套管(5)较重一侧在重力作用下通过轴承a(4)和轴承c(26)自动旋转到井眼低边，带动连杆座(17)旋转，使连杆a(19)和连杆b(23)始终位于井眼高边，上接头(1)带动中心管(2)旋转，滚轮座(6)随中心管(2)同步转动使凸轮(9)上下往复运动，从而带动连杆a(19)和连杆b(23)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所述的利用凸轮四杆机构实现自动垂直钻井的井下工具，其特征在于：所述的连杆座(17)上的连杆座螺钉孔与连杆b(23)安装处周向相距180°，螺钉c(15)连接套管螺钉孔和连杆座螺钉孔，保证连杆a(19)和连杆b(23)始终与偏重套管(5)上的连杆伸缩口相对。
3.根据权利要求1所述的利用凸轮四杆机构实现自动垂直钻井的井下工具，其特征在于：所述的连杆b(23)右端安装有滚筒(20)，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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