CN109424329B - 一种钻井液流量分配装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钻井液流量分配装置，用于安装在垂直钻井工具的推靠机构中，包括：外筒、安装在所述外筒内壁上的偏重件，以及钻井液分配阀，所述钻井液分配阀构造成能够在钻井工具偏斜时自动地打开高边流道并关闭低边流道。
Description
技术领域
本发明涉及油气井工程井下工具领域，具体地涉及一种钻井液流量分配装置。
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。
为了解决“防斜打快”问题，人们需要研究一种不拘于井下地层，不需要人为干预而自动跟踪并能够按照预定轨道调整井眼轨迹的自动闭环垂直钻井工具，使之能够钻出非常直而且轨迹光滑的垂直井眼。为此，自动垂直钻井技术在钻井工程中应用越来越广泛。
对于自动垂直钻井技术来说，通常是在工具发生过量倾斜时利用推靠机构来对井壁施加推靠力，从而利用井壁的反作用力来使工具恢复到垂直状态。推靠机构一般是利用钻井液的作用来推动可动件径向地运动，以便对井壁施加推靠力。因此，能够按照要求来分配钻井液以驱动推靠机构的可动件对于自动垂直钻井技术来说非常关键。
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钻井液流量分配装置。该装置可控分配过流小排量钻井液，利用钻头水压差驱动垂直钻井工具的推靠机构的可动件推靠井壁，从而进行轨迹调整。同时，该钻井液流量分配装置能够有效隔离实钻过程中由钻头及钻具传递的振动冲击，保证动态控制精度，提高其可靠性及稳定性。这种钻井液流量分配装置的应用范围广，成本低，后期维护简单。
为此，根据本发明，提供了一种钻井液流量分配装置，用于安装在垂直钻井工具的推靠机构中，包括：外筒、安装在所述外筒内壁上的偏重件，以及钻井液分配阀，所述钻井液分配阀构造成能够在钻井工具偏斜时自动地打开高边流道并关闭低边流道。
在一个优选的实施例中，所述钻井液分配阀包括固连在所述偏重件的下端的第一环形阀，以及固定在所述外筒的内壁上且处于所述第一环形阀的下游的第二环形阀。
在一个优选的实施例中，所述第一环形阀与第二环形阀构造为相互贴合的盘形件，且所述第一环形阀与第二环形阀的接触面设有摩擦副涂层。
在一个优选的实施例中，所述第一环形阀的盘面设有沿周向延伸的弧形通孔，所述第二环形阀的盘面上沿周向均匀设置有若干流道孔，其中，所述第一环形阀能在钻井工具偏斜时随所述偏重件旋转，从而使所述第一环形阀的弧形通孔与所述第二环形阀中的位于高边区域的流道孔对齐。
在一个优选的实施例中，所述第二环形阀设有若干沿周向分配的定位孔，在所述定位孔中布置了用于使所述第一环形阀与第二环形阀相互贴合的定位件。
在一个优选的实施例中，安装在所述第二环形阀的定位孔中的定位件为定位弹簧。
在一个优选的实施例中，所述偏重件形成为圆筒状构件，所述圆筒状构件在一部分外壁区域上开有狭长形的通孔。
在一个优选的实施例中，所述第一环形阀的设有弧形通孔的侧壁与所述偏重件的开有狭长形通孔的侧壁在周向上对齐。
在一个优选的实施例中，其特征在于，在所述第一环形阀与所述偏重件之间设置有预紧构件。
在一个优选的实施例中，所述预紧构件为预紧弹簧。
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钻井液流量分配装置的结构。
图2显示了图1所示钻井液流量分配装置中的第一环形阀的截面剖视图。
图3显示了图1所示钻井液流量分配装置中的第二环形阀的截面剖视图。
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钻井液流量分配装置100的结构。钻井液流量分配装置100安装在垂直钻井工具110的推靠机构中。如图1所示，垂直钻井工具110包括具有中空管状结构的芯轴50。芯轴50的内部设有用于过流大部分钻井液的过流通道。其中，关于垂直钻井工具110和推靠机构的详细情况可参见与本申请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。
钻井液流量分配装置100包括套接在芯轴50上的能独立转动的外筒20。在一个未示出的实施例中，外筒20例如可通过轴承组件可旋转地支撑在芯轴50上，从而隔离了芯轴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也可作为垂直钻井工具110的外壳，在钻井过程中，外筒20对垂直钻井工具110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40，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，保证钻井液流量分配装置100的控制精度。
如图1所示，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31。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31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。
在图1所示的实施例中，偏重件30的两端设有凸肩部分32，轴承组件40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110的倾斜，提高纠斜精度。
如图1所示，钻井液流量分配装置100包括安装在外筒20下部的钻井液分配阀，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110发生偏斜时，钻井液分配阀能够自动地打开高边流道并关闭低边流道。该钻井液分配阀包括固连在偏重件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构造为相互贴合的盘形件，且在第一环形阀60与第二环形阀70的接触面之间设有摩擦副涂层(未示出)。摩擦副涂层有效地避免了第一环形阀60与第二环形阀70的磨损，同时提高了钻井液分配阀的控制精度。
如图1和2所示，第一环形阀60呈圆盘状，在第一环形阀60的盘面的中心开有供芯轴50从中穿过的通孔62。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64，该弧形通孔64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110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64处于井眼的高边位置，以便打开钻井工具的高边流道并关闭低边流道，从而向高边流道分配过流钻井液。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31的侧壁在周向上大致对齐。
另外，在偏重件30的与第一环形阀60相固连的凸肩上安装有预紧构件。例如，该预紧构件可采用预紧弹簧33，用于对第一环形阀60施加预紧力，保证第一环形阀60与偏重件30紧密贴合。
类似地，如图3所示，第二环形阀70构造成圆盘状结构。在第二环形阀60的盘面上开有供芯轴50从中穿过的中心通孔72。同时，在第二环形阀60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64能够选择性地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。
此外，在第二环形阀70的与第一环形阀60相贴合的盘面上设有若干沿周向分布的定位孔73，在定位孔73中布置了用于使第一环形阀60与第二环形阀70相互贴合的定位件(未示出)。在一个优选的实施例中，定位件采用定位弹簧。
根据本发明，在垂直钻井工具的实际钻进过程中，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64处于井眼的高边位置。此时，弧形通孔64与第二环形阀70中的位于高边区域内的流道孔71对齐，从而打开了高边流道，以沿高边方向分配过流钻井液。这样，垂直钻井工具110的推靠机构的可动件便在钻井液的作用下沿高边方向推靠井壁。在井壁的反作用力的作用下，垂直钻井工具110会向低边方向运动，从而纠正倾斜状态。
根据本发明提供的钻井液流量分配装置100，其采用环形阀的结构，同时结合偏重件结构，利用重力偏心作用来驱动环形阀，其结构简单，工程上易实现。该装置采用环形阀结构，中间预留了较大的结构尺寸，可以设计大直径的动力芯轴，保证井下工具了安全使用的原则。此外，环形阀设置在外筒20上，可以隔离钻头及其他钻具在破岩过程中造成的振动冲击影响，保证流量分配控制精度。并且，钻井液流量分配装置100采用的零部件均为机械零件，其结构成本低，后期维护简单，同时能够承受高转速钻头传递的振动冲击，钻压扭矩传递效率高。
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 (6)
1.一种钻井液流量分配装置，用于安装在垂直钻井工具的推靠机构中，包括：外筒、安装在所述外筒内壁上的偏重件，以及钻井液分配阀，所述钻井液分配阀构造成能够在钻井工具偏斜时自动地打开高边流道并关闭低边流道，
其中，所述钻井液分配阀包括固连在所述偏重件的下端的第一环形阀，以及固定在所述外筒的内壁上且处于所述第一环形阀的下游的第二环形阀，所述第一环形阀的盘面设有沿周向延伸的弧形通孔，所述第一环形阀的中部内侧开有腔体，所述第二环形阀的盘面上沿周向均匀设置有若干流道孔，所述偏重件形成为圆筒状构件，所述圆筒状构件在一部分外壁区域上开有狭长形的通孔，在偏重件的两端与外筒的内壁之间布置有轴承，且偏重件与芯轴隔离，偏重件的两端设有凸肩部分，轴承安装在凸肩部分上，偏重件由超重材料制成，所述第一环形阀的设有弧形通孔的侧壁与所述偏重件的开有狭长形通孔的侧壁在周向上对齐，所述第一环形阀能在钻井工具偏斜时随所述偏重件旋转，从而使所述第一环形阀的弧形通孔与所述第二环形阀中的位于高边区域的流道孔对齐。
2.根据权利要求1所述的钻井液流量分配装置，其特征在于，所述第一环形阀与第二环形阀构造为相互贴合的盘形件，且所述第一环形阀与第二环形阀的接触面设有摩擦副涂层。
3.根据权利要求1或2所述的钻井液流量分配装置，其特征在于，所述第二环形阀设有若干沿周向分布的定位孔，在所述定位孔中布置了用于使所述第一环形阀与第二环形阀相互贴合的定位件。
4.根据权利要求3所述的钻井液流量分配装置，其特征在于，安装在所述第二环形阀的定位孔中的定位件为定位弹簧。
5.根据权利要求2所述的钻井液流量分配装置，其特征在于，在所述第一环形阀与所述偏重件之间设置有预紧构件。
6.根据权利要求5所述的钻井液流量分配装置，其特征在于，所述预紧构件为预紧弹簧。
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