CN108561081B - 涡轮凸轮式井下扶正器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种涡轮凸轮式井下扶正器，由动力总成、纠斜总成和下接头组成。所述动力总成前端连接纠斜总成，纠斜总成前端连接下接头，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位于始终井眼高边，通过动力总成的涡轮转子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。本发明的涡轮凸轮式井下扶正器可以有效纠正井斜，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

涡轮凸轮式井下扶正器

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，尤其涉及一种涡轮凸轮式井下扶正器。

背景技术

目前，钻探工程作为资源和环境勘探的重要手段，其研究领域正从传统的地表延伸到极地、海洋，以及地球深部、海洋底部。深部钻探将是地球深部探测的重要手段，也是获得地球深部实物的唯一方法，然而在深部钻探过程中，如何保持井眼垂直是一大难题，井斜的问题将直接制约钻进速度和钻孔质量，甚至是整个钻探工程的成败。随着井深的不断增加，井斜问题将愈加突出，危害愈加严重。

针对以上问题，国内外已尝试了多种工具。目前，国内应用最广泛的一种降斜扶正工具是钟摆钻具，由于其降斜机理是“钟摆效应”因此它在大井斜下使用比在小井斜下使用效果更好。但存在的缺陷是：其工作钻压范围小，只能轻压，同时，高陡构造条件下很大的地层造斜力足以抵消降斜力而保持增斜。满眼钻具具组合是当前常规防斜扶正技术的典型组合，一般由几个外径与钻头直径相近的稳定器及一些外径较大的钻铤组成。其在直井钻井倾斜地层中，根据自身特点能有力地控制井斜变化率。但是，由于满眼钻具使用直径较大的稳定器，使扭矩阻力增大，不可避免地使发生压差卡钻和钻具失效的风险增加。国内陡倾构造地区井斜问题非常普遍，能有效地应用于大型深井条件下垂直钻井的自动扶正装置及检测方法迄今未见相关报导。

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， 本发明提供了一种涡轮凸轮式井下扶正器。

本发明的技术方案是：涡轮凸轮式井下扶正器由动力总成、纠斜总成和下接头组成，动力总成前端连接纠斜总成，纠斜总成前端连接下接头；所述动力总成包括涡轮本体、角接触球轴承、限位套筒a、防掉环a、涡轮转子、涡轮定子、传动键、限位套筒b、矩形密封圈a、涡轮轴、圆柱滚子轴承、推力球轴承、防掉环b、传动轴和传动轴壳体，将限位套筒a和矩形密封圈a安装到涡轮本体上，依次将涡轮转子、涡轮定子和限位套筒b通过传动键安装在涡轮轴上，将防掉环a安装在涡轮轴的上部，将两个角接触球轴承反向安装在涡轮本体和涡轮轴上部，再通过花键配合将涡轮定子放入涡轮本体内，从上到下依次将圆柱滚子轴承、推力球轴承和防掉环b安装在涡轮轴前段台阶，涡轮轴前端与传动轴螺纹连接，传动轴壳体后端与涡轮本体连接；所述纠斜总成包括密封环、中心管、矩形密封圈b、轴承a、滚轮座、滚轮、螺钉a、偏重套管、凸轮、凸轮盖外环、螺钉b、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、套筒和轴承c，滚轮通过螺钉a安装在滚轮座上，将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，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b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。

上述方案中所述的涡轮凸轮式井下扶正器，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。

上述方案中所述的涡轮凸轮式井下扶正器，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为本发明所述的涡轮凸轮式井下扶正器连杆a和连杆b伸出状态下的结构示意图。

图2为本发明所述的涡轮凸轮式井下扶正器连杆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是本发明图1中的B-B截面图。

图5是偏重套管结构三维示意图。

图6是滚轮座、滚轮及凸轮结构三维示意图。

图7是凸轮、凸轮盖内环及凸轮盖外环结构三维示意图。

图8是连杆机构三维示意图。

图中1-涡轮本体，2-角接触球轴承，3-限位套筒a，4-防掉环a，5-涡轮转子，6-涡轮定子，7-传动键，8-限位套筒b，9-矩形密封圈a，10-涡轮轴，11-圆柱滚子轴承，12-推力球轴承，13-防掉环b，14-传动轴，15-传动轴壳体，16-密封环，17-中心管，18-矩形密封圈b，19-轴承a，20-滚轮座，21-滚轮，22-螺钉a，23-偏重套管，24-凸轮，25-凸轮盖外环，26-螺钉b，27-凸轮盖内环，28-弹簧，29-弹簧座，30-销钉a，31-销钉b，32-连杆座，33-球铰，34-连杆a，35-滚筒，36-圆柱销，37-铰链销，38-连杆b，39-轴承b，40-套筒，41-轴承c，42-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，涡轮凸轮式井下扶正器由动力总成、纠斜总成和下接头42组成，动力总成前端连接纠斜总成，纠斜总成前端连接下接头42；所述动力总成包括涡轮本体1、角接触球轴承2、限位套筒a3、防掉环a4、涡轮转子5、涡轮定子6、传动键7、限位套筒b8、矩形密封圈a9、涡轮轴10、圆柱滚子轴承11、推力球轴承12、防掉环b13、传动轴14和传动轴壳体15，将限位套筒a3和矩形密封圈a9安装到涡轮本体1上，依次将涡轮转子5、涡轮定子6和限位套筒b8通过传动键7安装在涡轮轴10上，将防掉环a4安装在涡轮轴10的上部，将两个角接触球轴承2反向安装在涡轮本体1和涡轮轴10上部，再通过花键配合将涡轮定子6放入涡轮本体1内，从上到下依次将圆柱滚子轴承11、推力球轴承12和防掉环b13安装在涡轮轴10前段台阶，涡轮轴10前端与传动轴14螺纹连接，传动轴壳体15后端与涡轮本体1连接。

所述纠斜总成包括密封环16、中心管17、矩形密封圈b18、轴承a19、滚轮座20、滚轮21、螺钉a22、偏重套管23、凸轮24、凸轮盖外环25、螺钉b26、凸轮盖内环27、弹簧28、弹簧座29、销钉a30、销钉b31、连杆座32、球铰33、连杆a34、滚筒35、圆柱销36、铰链销37、连杆b38、轴承b39、套筒40和轴承c41，滚轮21通过螺钉a22安装在滚轮座20上，将球铰33通过凸轮盖外环25、螺钉b26以及凸轮盖内环27安装于凸轮24底部，将连杆座32固定在轴承b39上，从上到下依次将轴承a19、滚轮座20、凸轮24、弹簧28、弹簧座29、轴承b39、套筒40和轴承c41安装在中心管17上，滚轮座20依靠螺纹固定于中心管17上，弹簧座29依靠销钉b31固定于中心管17上，将滚筒35通过圆柱销36安装在连杆b38右端，利用铰链销37将连杆a34与连杆b38相连，再将连杆a34与球铰33下端连接，连杆b38与连杆底座32连接，预先将密封环16、矩形密封圈b18安装到偏重套管23上，再将偏重套管23套装在轴承a19和轴承c41上，利用销钉a30将连杆座32固定在偏重套管23上，中心管17后端与传动轴14螺纹连接，前端与下接头42螺纹连接；钻进过程中，当井斜发生时，偏重套管23较重一侧在重力作用下通过轴承a19和轴承c41自动旋转到井眼低边，带动连杆座32旋转，使连杆a34和连杆b38始终位于井眼高边，通过动力总成的涡轮转子5将液体能量转化为旋转的机械能，带动中心管17旋转，滚轮座20随中心管17同步转动使凸轮24上下往复运动，从而带动连杆a34和连杆b38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23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23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a34和连杆b38可通过连杆伸缩口进行伸缩，偏重套管23上下两端开设有密封槽，用于安放密封环16；所述的连杆座32上的连杆座销钉孔与连杆b38安装处周向相距180°，销钉a30连接套管销钉孔和连杆座销钉孔，保证连杆a34和连杆b38始终与偏重套管23上的连杆伸缩口相对。

所述的凸轮24底部开设有环形滑槽，凸轮24与凸轮盖外环25和凸轮盖内环27形成环形滑道，球铰33可在环形滑道内绕凸轮24周向转动，安装前应在环形滑槽内涂上润滑脂；所述的连杆b38右端安装有滚筒35，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.涡轮凸轮式井下扶正器，其特征在于：所述的涡轮凸轮式井下扶正器由动力总成、纠斜总成和下接头(42)组成，动力总成前端连接纠斜总成，纠斜总成前端连接下接头(42)；所述动力总成包括涡轮本体(1)、角接触球轴承(2)、限位套筒a(3)、防掉环a(4)、涡轮转子(5)、涡轮定子(6)、传动键(7)、限位套筒b(8)、矩形密封圈a(9)、涡轮轴(10)、圆柱滚子轴承(11)、推力球轴承(12)、防掉环b(13)、传动轴(14)和传动轴壳体(15)，将限位套筒a(3)和矩形密封圈a(9)安装到涡轮本体(1)上，依次将涡轮转子(5)、涡轮定子(6)和限位套筒b(8)通过传动键(7)安装在涡轮轴(10)上，将防掉环a(4)安装在涡轮轴(10)的上部，将两个角接触球轴承(2)反向安装在涡轮本体(1)和涡轮轴(10)上部，再通过花键配合将涡轮定子(6)放入涡轮本体(1)内，从上到下依次将圆柱滚子轴承(11)、推力球轴承(12)和防掉环b(13)安装在涡轮轴(10)前段台阶，涡轮轴(10)前端与传动轴(14)螺纹连接，传动轴壳体(15)后端与涡轮本体(1)连接；所述纠斜总成包括密封环(16)、中心管(17)、矩形密封圈b(18)、轴承a(19)、滚轮座(20)、滚轮(21)、螺钉a(22)、偏重套管(23)、凸轮(24)、凸轮盖外环(25)、螺钉b(26)、凸轮盖内环(27)、弹簧(28)、弹簧座(29)、销钉a(30)、销钉b(31)、连杆座(32)、球铰(33)、连杆a(34)、滚筒(35)、圆柱销(36)、铰链销(37)、连杆b(38)、轴承b(39)、套筒(40)和轴承c(41)，滚轮(21)通过螺钉a(22)安装在滚轮座(20)上，将球铰(33)通过凸轮盖外环(25)、螺钉b(26)以及凸轮盖内环(27)安装于凸轮(24)底部，将连杆座(32)固定在轴承b(39)上，从上到下依次将轴承a(19)、滚轮座(20)、凸轮(24)、弹簧(28)、弹簧座(29)、轴承b(39)、套筒(40)和轴承c(41)安装在中心管(17)上，滚轮座(20)依靠螺纹固定于中心管(17)上，弹簧座(29)依靠销钉b(31)固定于中心管(17)上，将滚筒(35)通过圆柱销(36)安装在连杆b(38)右端，利用铰链销(37)将连杆a(34)与连杆b(38)相连，再将连杆a(34)与球铰(33)下端连接，连杆b(38)与连杆座(32)连接，预先将密封环(16)、矩形密封圈b(18)安装到偏重套管(23)上，再将偏重套管(23)套装在轴承a(19)和轴承c(41)上，利用销钉a(30)将连杆座(32)固定在偏重套管(23)上，中心管(17)后端与传动轴(14)螺纹连接，前端与下接头(42)螺纹连接；钻进过程中，当井斜发生时，偏重套管(23)较重一侧在重力作用下通过轴承a(19)和轴承c(41)自动旋转到井眼低边，带动连杆座(32)旋转，使连杆a(34)和连杆b(38)始终位于井眼高边，通过动力总成的涡轮转子(5)将液体能量转化为旋转的机械能，带动中心管(17)旋转，滚轮座(20)随中心管(17)同步转动使凸轮(24)上下往复运动，从而带动连杆a(34)和连杆b(38)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；所述的偏重套管(23)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(34)和连杆b(38)可通过连杆伸缩口进行伸缩，偏重套管(23)上下两端开设有密封槽，用于安放密封环(16)；所述的连杆座(32)上的连杆座销钉孔与连杆b(38)安装处周向相距180°，销钉a(30)连接套管销钉孔和连杆座销钉孔，保证连杆a(34)和连杆b(38)始终与偏重套管(23)上的连杆伸缩口相对。

2.根据权利要求1所述的涡轮凸轮式井下扶正器，其特征在于：所述的凸轮(24)底部开设有环形滑槽，凸轮(24)与凸轮盖外环(25)和凸轮盖内环(27)形成环形滑道，球铰(33)可在环形滑道内绕凸轮(24)周向转动，安装前应在环形滑槽内涂上润滑脂。

3.根据权利要求1所述的涡轮凸轮式井下扶正器，其特征在于：所述的连杆b(38)右端安装有滚筒(35)，变钻具与井壁的滑动摩擦为滚动摩擦，减小工作阻力。