CN109424321B - 用于垂直钻井工具的推靠装置和垂直钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种推靠装置，用于安装在垂直钻井工具上，包括：具有中空长方体结构的本体；安装在所述推靠本体内且套设在所述垂直钻井工具的芯轴上的矩形缸套，所述缸套的第一对侧壁与所述本体的相应外壁共同限定了一对活塞腔；以及安装在各个所述活塞腔中的活塞，所述活塞能够在来自所述垂直钻井工具的芯轴的钻井液的作用下径向运动，以便推靠井壁，其中，所述推靠本体包括一对径向相对的肋板，以及与所述活塞相连的一对径向相对的推靠翼肋，径向相对的所述推靠翼肋通过肋板相互连接而形成互锁结构，所述肋板能够在所述缸套的第二对侧壁上滑动，以使一对径向相对的所述推靠翼肋沿相同方向运动。

Description

用于垂直钻井工具的推靠装置和垂直钻井工具

技术领域

本发明涉及油气井工程井下工具领域，具体地涉及一种用于垂直钻井工具的推靠装置，以及包括这种推靠装置的垂直钻井工具。

背景技术

随着油气田勘探开发工作的不断深入，所钻遇的地层构造越来越复杂，特别是高陡构造的“防斜打快”问题更是钻井技术中的难点和重点，因此对垂直钻井工具推靠装置的要求也越来越高。

传统的满眼钻具组合和钟摆钻具组合以钻具侧向力作为井斜控制的理论依据，具有较大的局限性。而发展中的偏心钻具、偏轴钻具、柔性钻具、反钟摆钻具、导向钻具等防斜技术，虽然增强了钻柱的公转效应，削弱了钻头倾角的增斜作用，能够有效地控制钻具侧向力，较好地控制井斜、提高机械钻速，但是，钻具组合的内在力学性质决定了它们仍然没有足够的抵抗地层造斜力的功能。因此，对于高陡构造和强造斜地层的井斜控制效果仍难以得到充分的保证。

常规的滑动定向技术，不能解决轨迹控制精度差、井身质量差、井眼净化不好、位移延伸能力低等技术难题。为了克服滑动导向技术的不足，出现了旋转导向钻井技术。

旋转导向系统是一个集机、电、液于一体的闭环自动控制系统。旋转导向钻井系统可以提高机械钻速和井眼的清洁度，减少压差卡钻，同时，还具有井眼轨迹自动控制的能力，在提高井眼轨迹的光滑度、降低扭矩和摩阻、减少井下摩阻、提高钻深能力和控制精度等方面具有独特的优势。非常适合目前开发特殊油藏的超深井、高难度定向井、水平井、大位移井、水平分支井等特殊工艺井导向钻井的需要。

导向机构根据导向工作方式的不同分为指向式和推靠式两种模式的导向工具，各有其特点和应用范围。推靠式工具由于结构相对简单，性能稳定，是当前现场应用最广泛最成熟的导向工具。根据推靠井壁模式的不同，推靠式导向工具主要分为：动态调制式推靠工具和静态推靠工具。主要特点是造斜率较高、侧向载荷较大、钻头和钻头轴承的磨损较严重。

动态调制式推靠机构主要偏置导向机构在钻进过程中与钻柱一起旋转，依靠控制系统使其在某一位置定向支出提供导向力。其特点是结构简单，钻头水压差作为动力源，驱动活塞翼肋，推靠井壁。存在的主要问题是推靠翼肋随钻头同步旋转，磨损严重，甚至出现过掉块等井下复杂情况，同时承受钻头及钻具传递的振动冲击影响，复杂井段存在粘滑，涡动等现象，使得井斜方位动态控制精度较差。

静态推靠式是指偏置导向机构在钻进过程中不与钻柱一起旋转，从而在某一固定的方向上提供侧向力。其特点是静态推靠，翼肋磨损小，推靠力集中稳定，不受钻头振动冲击等恶劣工况影响。但是仍然存在许多问题，例如，这种机构采用液压机构，结构比较复杂，控制要求高且鲁棒性差，在井下狭小空间内小型化困难。而且现有的推靠装置基本上都是单一轴平面上周向均布多个翼肋，这种结构使得内部结构尺寸受限，推靠装置难以小型化设计及应用。

发明内容

针对至少一些如上所述的技术问题，本发明旨在提供一种用于垂直钻井工具的推靠装置，在保留了静态推靠机构的耐磨损和稳定性基础上，通过多层互锁式结构，降低了推靠装置的控制难度，有利于实现推靠装置的小型化及应用。

为此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于垂直钻井工具的推靠装置，包括：具有中空长方体结构的推靠本体；安装在所述推靠本体内且套设在所述垂直钻井工具的芯轴上的矩形缸套，所述缸套的第一对侧壁与所述推靠本体的相应外壁共同限定了一对活塞腔；以及安装在各个所述活塞腔中的活塞，所述活塞能够在来自所述垂直钻井工具的芯轴的钻井液的作用下径向运动，以便推靠井壁。

在一个优选的实施例中，所述推靠本体包括一对径向相对的肋板，以及与所述活塞相连的一对径向相对的推靠翼肋，其中所述肋板能够在所述缸套的第二对侧壁上滑动，导致一对推靠翼肋沿相同方向运动。

在一个优选的实施例中，所述推靠翼肋的外表面涂有耐磨材料。

在一个优选的实施例中，所述肋板设有导轨，使得所述肋板能够在相对于所述缸套的第二对侧壁上滑动。

在一个优选的实施例中，所述缸套的第一对侧壁上均设有凹槽，用于容纳所述活塞的尾部，所述凹槽与所述芯轴的内腔通过流道相连通。

在一个优选的实施例中，所述活塞的尾部通过密封圈或刮泥环安装在所述凹槽内。

在一个优选的实施例中，所述推靠翼肋设有包含台阶部的通孔，所述活塞的头部形成为阶梯轴，并安装在所述推靠翼肋的通孔中。

在一个优选的实施例中，所述活塞设有与所述缸套的凹槽相连通的中心通孔。

在一个优选的实施例中，所述活塞的头部端面形成球冠面，在所述球冠面上安装有喷嘴，所述喷嘴的出口与所述活塞的中心通孔相连通。

根据本发明的另一方面，提供了一种垂直钻井工具，其包括：外筒；安装在所述外筒内的芯轴；沿轴向彼此间隔开上布置在所述芯轴上的至少两个如上所述的推靠装置，其中，所述至少两个推靠装置在周向上彼此错开一定的角度。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1显示了根据本发明的推靠装置的结构。

图2显示了图1所示推靠装置的剖视图。

图3显示了图1所示推靠装置的工作原理图。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行介绍。

当钻井工具处于倾斜的状态时，存在一个具有最高点的倾斜的井底圆。在本申请中，将自倾斜的井底圆圆心指向最高点的方向定义为高边方向，相对地转过180度的方向定义为低边方向。

图1显示了根据本发明的推靠装置140的结构。如图1所示，推靠装置140安装在垂直钻井工具150上。垂直钻井工具150包括具有中空管状结构的芯轴50，芯轴50中间设有用于过流大部分钻井液的过流通道55。在芯轴50的下端外部设置有台阶状的下接头短节52，下接头短节52的内部设有圆锥形腔体53，该圆锥形腔体53与芯轴50的过流通道55相连通。芯轴50下端的下接头短节52直接与垂直钻井工具150的钻头连接，用于承受钻压，扭矩和井底的振动冲击。关于垂直钻井工具150的详细情况，可参见同日提交的代理机构卷号为LHA1740465的专利申请文件，其通过引用全文结合于本文中。

在芯轴50上套接有能独立转动的外筒20。在一个未示出的实施例中，外筒20例如通过轴承组件可旋转地支撑在芯轴50上，从而隔离芯轴50对外筒20的影响，使得外筒20在井下能够保持相对静止或缓慢转动。同时，外筒20作为垂直钻井工具150的外壳，在钻井过程中，外筒20对垂直钻井工具150起到了一定的导向作用。

另外，在外筒20和芯轴50之间设有偏重件30。在偏重件30的两端与外筒20的内壁之间布置有轴承44，且偏重件30与芯轴50隔离，从而隔离钻头及其他钻具在破岩过程中造成的振动冲击影响，保证钻推靠装置140的控制精度。

在本实施例中，偏重件30构造成圆筒状结构。在偏重件30的一部分外壁区域上开有狭长形的通孔(未示出)，这样，相对于偏重件30的中心线来说，其一侧为完整的外壁而另一侧为具有狭长形的通孔的外壁，因此两侧不对称，使得偏重件30具有了偏心作用。因此，偏重件30在钻井工具倾斜时就会在重力作用下自动旋转，无通孔的一侧因较重而处于低边区域，有通孔的一侧因较轻而处于高边区域。这样就打开了钻井工具的高边流道并关闭了低边流道，从而向高边流道分配过流钻井液。

在图1所示的实施例中，偏重件30的两端设有凸肩部分32，轴承44安装在凸肩部分32上。偏重件30由超重材料制成，这样可使偏重件30具有较为明显的偏心作用，从而能够快速响应垂直钻井工具150的倾斜，提高纠斜精度。

如图1所示，在外筒20的下部安装有打开机构144，其用于选择性打开高边流道和低边流道中的一个且同时关闭所述高边流道和低边流道中的另一个。尤其是，当在钻井工具150发生偏斜时，打开机构144能够自动地打开高边流道并关闭低边流道。其中，打开机构144包括固连在偏重件30下端的第一环形阀60和固定在外筒20下端内壁上的第二环形阀70，第一环形阀60与第二环形阀70构造成相互贴合的盘形件。第一环形阀60呈圆盘状，在第一环形阀60的盘面上开有供芯轴50从中穿过的中心通孔。第一环形阀60的中部内侧开有腔体61，该腔体通过未示出的流道与芯轴50的过流通道连接，因而可接收来自芯轴50的过流通道的钻井液。在第一环形阀60的与第二环形阀70贴合的端面上设有沿第一环形阀60周向延伸的弧形通孔(未示出)，该弧形通孔与腔体61相连通。在一个未示出的实施例中，第一环形阀60可设置成扇形结构。

在垂直钻井工具150实际钻进过程中，当井斜超标时，偏重件30能够自动旋转，从而带动第一环形阀60旋转到使得弧形通孔处于井眼的高边位置。为此，优选地是，第一环形阀60的设有弧形通孔的侧壁与偏重件30的开有狭长形通孔的侧壁在周向上大致对齐。

类似地，第二环形阀70呈圆盘状结构，在第二环形阀70的盘面上开有供芯轴50从中穿过的中心通孔。同时，在第二环形阀70的盘面上沿周向均匀设置有若干流道孔71。由于第一环形阀60能够随偏重件30旋转，使得弧形通孔与位于高边或低边区域的第二环形阀70的流道孔71对齐，从而打开高边流道或低边流道分配过流钻井液。

根据本发明，在芯轴50的安装有第一环形阀60的管壁处开设有径向的过流孔130，过流孔130与腔体61相连通。在过流孔130中安装有过滤装置(未示出)，用于过滤钻井液，避免钻井液中的滤渣或泥沙堵塞钻井液流道孔。

根据本发明的推靠装置140安装在外筒20的下端，用于沿着钻井工具的高边方向向井壁施加推靠力。推靠装置140在来自高边流道的钻井液的作用下沿高边方向推靠井壁，获得来自井壁的反作用力，并在该反作用力的作用下校正垂直钻井工具150的倾斜状态。

如图2所示，推靠装置140包括具有中空长方体结构的推靠本体100。推靠本体100包括一对径向相对的推靠翼肋101，其在图2中显示为布置在水平方向上。推靠翼肋101的外沿轮廓面形成为圆柱面或者球面，这样，能够增大推靠翼肋101与井壁的接触面积，增强推靠效果。为了减少推靠翼肋101的表面磨损，在推靠翼肋101的圆柱形表面上还可喷涂有硬质合金或聚晶金刚石复合片等耐磨材料。

在本实施例中，推靠本体100还包括一对径向相对的肋板120，其在图2中显示为布置在垂直方向上。径向相对的推靠翼肋101通过肋板120相互连接而形成互锁结构。也就是说，当一端的翼肋(例如左端的翼肋)伸出或缩回，另一端的翼肋(例如右端的翼肋)被联动式地缩回或伸出。这样就保证了当推靠翼肋101推靠井壁时对推靠力大小方向的准确控制，同时也保证了在一侧的推靠翼肋101伸出时另一侧的推靠翼肋101处于收回状态，避免对井壁的刮擦或者被卡住等井下复杂情况的发生。

如图2所示，推靠装置140包括安装在推靠本体100内且套设在垂直钻井工具150的芯轴50上的矩形缸套80。在缸套80的第一对径向相对的侧壁(在图2中显示为处于水平方向上的侧壁)上均设有凹槽81，凹槽81与芯轴50的内腔通过流道相连通。在推靠翼肋101上设有包含台阶部的通孔102。缸套80的第一对侧壁上的凹槽81与推靠本体100的相应推靠翼肋101中的通孔102共同限定了一对活塞腔。在各个活塞腔中安装有圆柱形活塞110，活塞110的头部形成为阶梯轴，并相应地安装在推靠翼肋101的通孔102中。活塞110能够在来自垂直钻井工具150的芯轴50的钻井液的作用下径向运动，从而将推靠翼肋101径向地推出以便推靠井壁。在肋板120的与缸套80的第二侧壁相接触的壁面上的设有导轨121(在图2中仅示意性示出)。这样，肋板120能够在相对于缸套80的第二对侧壁上滑动，并使得一对推靠翼肋101沿相同方向运动。

在本实施例中，活塞110的头部端面形成球冠面，在球冠面上安装有喷嘴90。圆柱形活塞110设有与缸套80的凹槽81相连通的中心通孔112，喷嘴90的出口与活塞110的中心通孔112相连通。另外，圆柱形活塞110的尾部安装在缸套80的凹槽81中，在凹槽81的壁面上设有沟槽(未示出)。在沟槽中设置有密封件104，密封件104可选择密封圈或者刮泥环，确保缸套80与活塞110之间的密封性能。

根据本发明，为了增强推靠装置140的推靠效果，在芯轴50上沿轴向彼此间隔开地布置有至少两个推靠装置140，且至少两个推靠装置140在周向上彼此错开一定的角度设置。优选的是，如图1所示，在芯轴50上沿轴向彼此间隔开地布置有两个推靠装置140，它们在周向上彼此错开90度。这样，在周向上一共有四个彼此间隔开90度的推靠翼肋101能够向井壁施加推靠力。

如图1所示，在缸套80的上端外部设有台阶形的第一接头部分84。缸套80的第一接头部分84与外筒20的下部相连接，且第一接头部分84的端面紧靠第二环形阀的盘面，使得第二环形阀70与第一环形阀60紧密贴合。同时，在缸套80的下端内部设有与芯轴50台阶状的下接头短节52相匹配的台阶形的第二接头部分85。在缸套80的第二接头部分85与芯轴50的下接头短节之间设置有轴承组件40，确保了推靠装置140在井下能够保持相对静止或缓慢转动，从而保证推靠装置140的推靠效果和控制精度。

下面简述根据本发明的垂直钻井工具150的工作原理及使用流程。在实际钻进过程中，垂直钻井工具150的下端直接连接钻头，上端连接常规的钻具和螺杆，通过芯轴50实现高钻压，高转速等钻井工程参数的调整，套接在芯轴50上的外筒20不受其影响，基本上处于静止或缓慢转动状态。如图3所示，钻进过程中，大部分钻井液170通过芯轴50中间的过流通道55流向钻头进入环空，只有小部分钻井液171经过研磨过滤处理后，通过芯轴50与外筒20之间的过流孔130进入外筒20的内部，作为高压工作液驱动推靠装置140，同时冷却润滑轴承44。在钻头水压差的作用下，利用小排量钻井液171驱动推靠装置140，与井眼高边相互作用，对垂直钻井工具150实现有效地静态推靠。

如图3所示，当井斜超标时，位于外筒20内的偏重件30受到重力作用而旋转，同时带动固连在外筒20下端的第一环形阀60转到垂直钻井工具150低边方向的位置，并且保持在一定的动态稳定精度范围内。此时，打开机构144的位于第二环形阀70高边方向的流道口打开，小排量的钻井液171通过芯轴50上的过流孔130中的过滤装置133过滤后，流入外筒20高边位置的高压流道，进入相应的活塞腔，导致推动活塞110沿径向滑动，从而带动推靠翼肋101向外伸出，静态推靠井壁，给井眼高边位置施加静态推靠力160，在井眼的反作用力的作用下，垂直钻井工具150向井眼低边方向偏转，从而实现钻进过程中的纠斜。当垂直钻井工具150从倾斜状态进入垂直状态后，外筒20内的偏重件30不再承受重力偏心作用，第一环形阀60与第二环形阀70之间不存在固定位置来判断高低边，处于随机转动状态，因此，推靠翼肋101伸出是随机不确定的，不具有纠斜作用。

根据本发明提供的推靠装置100，其全部由机械零部件构成，没有电子元器件及液压结构，不受高温环境制约，应用范围广。其中，芯轴50过流了大部分钻井液，传递了钻压扭矩，提供高转速，承受了主要的振动冲击，降低了对外筒20的不良影响。同时，偏重件30通过轴承组件44安装在外筒20内壁上，且与芯轴50隔离，这样避免了钻头破岩产生的振动冲击影响，使得垂直钻井工具150对井斜变化响应快速准确。此外，将推靠装置140布置在外筒20的下部，使其受力情况、磨损情况大大改善，提高了推靠装置140的稳定性和可靠性。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于垂直钻井工具的推靠装置，包括：

具有中空长方体结构的推靠本体；

安装在所述推靠本体内且套设在所述垂直钻井工具的芯轴上的矩形缸套，所述缸套的第一对侧壁与所述推靠本体的相应外壁共同限定了一对活塞腔；

以及安装在各个所述活塞腔中的活塞，所述活塞能够在来自所述垂直钻井工具的芯轴的钻井液的作用下径向运动，以便推靠井壁，

其中，所述推靠本体包括一对径向相对的肋板，以及与所述活塞相连的一对径向相对的推靠翼肋，径向相对的所述推靠翼肋通过肋板相互连接而形成互锁结构，所述肋板能够在所述缸套的第二对侧壁上滑动，以使一对径向相对的所述推靠翼肋沿相同方向运动，

所述活塞的头部端面形成球冠面，在所述球冠面上安装有喷嘴，所述喷嘴的出口与所述活塞的中心通孔相连通，且在所述芯轴上设有径向的过流孔，在所述过流孔中安装有用于过滤钻井液的过滤装置。

2.根据权利要求1所述的推靠装置，其特征在于，所述推靠翼肋的外表面涂有耐磨材料。

3.根据权利要求2所述的推靠装置，其特征在于，所述肋板设有导轨，使得所述肋板能够在相对于所述缸套的第二对侧壁上滑动。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的推靠装置，其特征在于，所述缸套的第一对侧壁上均设有凹槽，用于容纳所述活塞的尾部，所述凹槽与所述芯轴的内腔通过流道相连通。

5.根据权利要求4所述的推靠装置，其特征在于，所述活塞的尾部通过密封圈或刮泥环安装在所述凹槽内。

6.根据权利要求4所述的推靠装置，其特征在于，所述推靠翼肋设有包含台阶部的通孔，所述活塞的头部形成为阶梯轴，并安装在所述推靠翼肋的通孔中。

7.根据权利要求6所述的推靠装置，其特征在于，所述活塞设有与所述缸套的凹槽相连通的中心通孔。

8.一种垂直钻井工具，包括：

外筒；

安装在所述外筒内的芯轴；

沿轴向彼此间隔开地布置在所述芯轴上的至少两个根据权利要求1到7中任一项所述的推靠装置，其中，所述至少两个推靠装置在周向上彼此错开一定的角度。

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