CN109854166A - 一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具，属于油气开采钻井技术领域。它由壳体、气动缓冲装置、压紧接头、和液动缓冲装置及反扭矩消除装置构成，其特征是：壳体内通过压紧接头装有气动缓冲装置，气动缓冲装置一侧的壳体内装有液动缓冲装置，液动缓冲装置的一端延伸至壳体外端，延伸至壳体外端的液动缓冲装置的端头通过反扭矩消除装置安装有电动马达。该工具可自动调整钻头压力，实现井下钻压自动控制，从而提高钻头的服役寿命，能有效弥补目前国内石油钻井过程中，钻头钻压难以控制的问题。

Description

一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具

技术领域

本发明涉及一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具，属于油气开采钻井技术领域。

背景技术

油气开采中，需要钻头的连续旋转来破碎岩层，在电动钻井中，钻头的旋转是通过电动马达来驱动的，钻头上的压力通过钻柱来施加。钻头承受的压力与钻井工况和待钻地层有关，而井下钻头上的压力难以控制，当钻头上的压力过低时，会导致钻进速度迟缓，影响钻井效率，当钻头上的压力过高时，可能会导致卡钻，崩齿等井下恶性事故的发生，为确保钻井过程顺利高效的进行，钻头上的钻压必须根据不同的工作压力自行调整，基于此，有必要研发设计一种双缓冲钻压自动控制工具。

发明内容

本发明的目的在于解决现有钻井技术的不足，提供一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具，该工具可自动调整钻头压力，实现井下钻压自动控制，从而提高钻头的服役寿命，并具有安装方便，可靠性高的特点，能有效弥补目前国内石油钻井过程中，钻头钻压难以控制的问题。

本发明的技术方案是：

一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具由壳体、气动缓冲装置、压紧接头、和液动缓冲装置及反扭矩消除装置构成；其特征在于：壳体内通过压紧接头装有气动缓冲装置，气动缓冲装置一侧的壳体内装有液动缓冲装置，液动缓冲装置的一端延伸至壳体外端，延伸至壳体外端的液动缓冲装置的端头通过反扭矩消除装置安装有电动马达，电动马达相对于反扭矩装置固定。

所述的压紧接头为锥形体，压紧接头的中心部位设置有中心孔，边缘部位设置有电缆孔，压紧接头与壳体内壁螺纹连接，压紧接头与气动缓冲装置之间设置有碟簧。

所述的气动缓冲装置由椭形壳体、缓冲气囊、充气柱、连接法兰和通流阀构成，椭形壳体内设置有缓冲气囊，缓冲气囊一侧的椭形壳体内通过下橡胶套装有通流阀，通流阀的一端延伸至椭形壳体外端，延伸至椭形壳体外端的通流阀上安装有连接法兰，连接法兰内侧通流阀的底座上通过下压紧螺母装有下压环，从而配合下橡胶套使通流阀在椭形壳体上固定。

所述的通流阀由底座、上弹簧、下弹簧、阀杆、阀盖和弹簧挡板构成，底座为管状体，底座的一端端口圆周上设置有限位凸缘，底座的内壁上设置有分割凸缘，底座内通过分割凸缘活动安装有阀杆，阀杆的一端延伸至底座外端，延伸至底座外端的阀杆端头固装有阀盖，底座内的阀杆另一端端头固装有弹簧挡板；分割凸缘与阀盖之间的阀杆上设置有上弹簧，分割凸缘与弹簧挡板之间的阀杆上设置有下弹簧。

所述的底座与椭形壳体之间设置有下密封圈。

所述的缓冲气囊一侧通过上橡胶套装有充气柱，充气柱与缓冲气囊连通；充气柱的一端延伸至椭形壳体外端，延伸至椭形壳体外端的充气柱上通过上压紧螺母装有上压环；所述的充气柱端头装有充气帽和充气盖。

所述的充气柱和椭形壳体之间设置有上密封圈。

所述的液动缓冲装置由运动轴、密封盖和固定筒构成，固定筒内设置有阶梯孔，固定筒的一端通过螺栓固装有密封盖，固定筒的阶梯孔活动安装有运动轴，运动轴的一端经密封盖延伸至固定筒外端，延伸至固定筒外端的运动轴端头通过反扭矩消除装置装有电动马达。

所述的壳体与运动轴之间设置有壳体密封圈，运动轴一侧的壳体壁上设置有电缆孔，电缆孔内设置有电缆，电缆的一端与电动马达连接，电缆的另一端与地面电源连接。

所述的反扭矩消除装置由马达接头、连接头、套装壳构成；套装壳呈杯状体，套装壳的底部设置有装配孔，套装壳内装有连接头，连接头的一端经装配孔延伸至套装壳外端，延伸至套装壳外端的连接头端头螺纹安装有马达接头，套装壳的内壁上设置内螺纹，套装壳通过内螺纹与运动轴端头外螺纹的配合与运动轴螺纹连接。

所述的连接头为T型。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

钻头在连续旋转破碎岩层的过程中会产生一定的反扭矩，该用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具的反扭矩消除装置可以消除传递至钻柱上的反扭矩；液动缓冲装置和气动缓冲装置可自动调整和缓冲钻头上的钻压，防止来自岩层的刚性冲击损坏钻头，属于双缓冲控制钻压，解决了钻井过程中，钻压过低时钻进速度缓慢，钻压过高时，卡钻、崩齿等损坏钻头的问题，能有效提高钻井效率和经济效益。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的气动缓冲装置的结构示意图；

图3是本发明的液动缓冲装置的结构示意图；

图4是图2中A处放大结构示意图；

图5是图3中B处放大结构示意图。

图中：1、气动缓冲装置，2、液动缓冲装置，3、反扭矩消除装置，4、压紧接头，5、壳体，6、电缆孔，7、碟簧，8、螺栓孔，9、壳体密封圈，10、电动马达，1-1、椭形壳体，1-2、缓冲囊，1-3、上橡胶套， 1-4、充气柱，1-5、充气帽，1-6、充气盖，1-7、上压紧螺母，1-8、上压环，1-9、上密封圈，1-10、通流阀，1-11、底座，1-12、阀杆，1-13、阀盖，1-14、上弹簧，1-15、下弹簧，1-16、弹簧挡板，1-17、连接法兰，1-18、下压紧螺母，1-19、下压环，1-20、下密封圈，1-21、下橡胶套，2-1、固定筒，2-2、运动轴，2-3、密封盖，2-4、密封盖密封圈，3-1、马达接头，3-2、连接头，3-3、套装壳。

具体实施方式

该用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具由壳体5、气动缓冲装置1、压紧接头4、和液动缓冲装置2及反扭矩消除装置3构成。

壳体5内通过压紧接头4装有气动缓冲装置1。压紧接头4为锥形体，压紧接头4的中心部位设置有中心孔，边缘部位设置有电缆孔6，压紧接头4与壳体内壁螺纹连接，压紧接头4与气动缓冲装置1之间设置有碟簧7，以防止气动缓冲装置1向上窜动。

气动缓冲装置1由椭形壳体1-1、缓冲气囊1-2、充气柱1-4、连接法兰1-17和通流阀1-10构成，椭形壳体1-1内设置有缓冲气囊1-2，缓冲气囊1-2一侧通过上橡胶套1-3装有充气柱1-4，充气柱1-4与缓冲气囊1-2连通；充气柱1-4的一端延伸至椭形壳体1-1外端，延伸至椭形壳体1-1外端的充气柱1-4上通过上压紧螺母1-7装有上压环1-8；所述的充气柱1-4端头装有充气帽和充气盖，根据地质工况，气动缓冲装置1组装前将缓冲气囊1-2内所需气压计算清楚，根据计算结果向缓冲气囊1-2内充入一定压力的氮气，利用充气帽1-5和充气盖1-6将充气柱1-4密封。

缓冲气囊1-2一侧的椭形壳体1-1内通过下橡胶套装1-21有通流阀1-10。

通流阀1-10由底座1-11、上弹簧1-14、下弹簧1-15、阀杆1-12、阀盖1-13和弹簧挡板1-16构成，底座1-11为管状体，底座1-11的一端端口圆周上设置有限位凸缘，底座1-11的内壁上设置有分割凸缘，底座1-11内通过分割凸缘活动安装有阀杆1-12，阀杆1-12的一端延伸至底座1-11外端，延伸至底座1-11外端的阀杆1-12端头固装有阀盖1-13，阀盖1-13的作用是防止缓冲气囊1-2膨胀时从底座1-11上口处突出而损坏。

底座1-11内的阀杆1-12另一端端头固装有弹簧挡板1-16，当缓冲液通过通流阀1-10进入气动缓冲装置1时，通过下弹簧1-15的压缩，以防止弹簧挡板1-16将底座1-11分割凸缘上的通孔堵死，同时也起到缓冲的作用。分割凸缘与阀盖1-13之间的阀杆1-12上设置有上弹簧1-14，分割凸缘与弹簧挡板1-16之间的阀杆1-12上设置有下弹簧1-15。

通流阀1-10的一端延伸至椭形壳体1-1外端，延伸至椭形壳体1-1外端的通流阀1-10上安装有连接法兰1-17。连接法兰1-17内侧通流阀1-10的底座1-11上通过下压紧螺母1-18装有下压环1-19，从而配合下橡胶套1-21使通流阀1-10在椭形壳体1-1上固定。底座1-11与椭形壳体1-1之间设置有下密封圈1-20。

气动缓冲装置1一侧的壳体5内装有液动缓冲装置2，液动缓冲装置2与气动缓冲装置1通过法兰密封连接。

液动缓冲装置2由运动轴2-2、密封盖2-3和固定筒2-1构成，固定筒2-1内设置有阶梯孔，阶梯孔内充注有缓冲液，固定筒2-1的一端通过螺栓固装有密封盖2-3，固定筒2-1的阶梯孔活动安装有运动轴2-2，运动轴2-2与固定筒2-1键连接，以防止运动轴2-2周向转动。

运动轴2-2的一端经密封盖2-3延伸至固定筒2-2外端，当钻头的压力波动时，可带动运动轴2-2轴向上下运动，当钻压过高时，运动轴2-2便会推动缓冲液进入气动缓冲装置1，缓冲液的压力转化为气体的内能储存到缓冲气囊1-2中，以降低钻压保护钻头，当钻压过低时，缓冲气囊1-2中的气体膨胀，将缓冲液反推到液动缓冲装置中，从而推动运动轴2-2，加大钻头上的钻压。

壳体5与运动轴2-2之间设置有壳体密封圈9，运动轴2-2一侧的壳体5壁上设置有电缆孔6，电缆孔6内设置有电缆，电缆的一端与电动马达10连接，电缆的另一端与地面电源连接。

液动缓冲装置2的一端延伸至壳体5外端，延伸至壳体5外端的液动缓冲装置2的端头通过反扭矩消除装置3安装有电动马达10。

反扭矩消除装置由马达接头3-1、连接头3-2、套装壳3-3构成；套装壳3-3呈杯状体，套装壳3-3的底部设置有装配孔，套装壳3-3内装有连接头3-2，连接头3-2为T型。连接头3-2的一端经装配孔延伸至套装壳3-3外端，延伸至套装壳3-3外端的连接头3-2端头螺纹安装有马达接头3-1，套装壳3-3的内壁上设置内螺纹，套装壳3-3通过内螺纹与运动轴2-2端头外螺纹的配合与运动轴2-2螺纹连接。内螺纹前端的套装壳3-3的内壁上设置有棘齿，连接头3-2的圆周上通过弹簧设置有棘爪，棘爪与棘齿滑动连接，以使正常工作时钻头正常转动，当钻具发生卡钻电动马达10产生反扭矩时，通过连接头3-2在套装壳3-3内的空转来消除反扭矩。

该用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具的工作过程如下：

工作前，将缓冲气囊1-2通过椭形壳体1-1上的开口放入椭形壳体1-1内，将上橡胶套1-3置于缓冲气囊1-2开口处，通过充气柱1-4一端的凸缘将缓冲气囊1-2和上橡胶套1-3压装在椭形壳体1-1内壁上，将上密封圈1-9、上压环1-8、上压紧螺母1-7依次套在充气柱1-4上，锁紧上压紧螺母1-7，将缓冲气囊1-2固装在椭形壳体1-1内壁上，并对缓冲气囊1-2和椭形壳体1-1上口形成密封。

将下橡胶套1-21放入椭形壳体1-1内，再将组装好的通流阀1-10放入椭形壳体1-1内，利用底座1-11上的凸缘将下橡胶套1-21压装在椭形壳体1-1内壁上，再依次在底座1-11上套入下密封圈1-20、下压环1-19和下压紧螺母1-18，锁紧下压紧螺母1-18配合下橡胶套1-21将通流阀1-10固装在椭形壳体1-1下口上，并在椭形壳体1-1和通流阀1-10间形成密封。

通过螺纹将连接法兰1-17安装在延伸至椭形壳体1-1外端的底座1-11上，通过法兰将气动缓冲装置1和液动缓冲装置2密封连接。

在密封盖2-3内安装好密封盖密封圈2-4，将运动轴2-2穿过密封盖2-3置于固定筒2-1内。

根据地质工况，将缓冲气囊1-2内所需气压计算清楚，根据计算结果向缓冲气囊1-2内充入一定压力的氮气，利用充气帽1-5和充气盖1-6将充气柱1-4密封。

打开密封盖2-3，向缓冲气囊1-2与椭形壳体1-1间的空腔内、通流阀1-10内和固定筒2-2内注入并充满缓冲液，充满缓冲液后通过螺栓将密封盖2-3固装在固定筒2-1上。

将电缆穿过壳体5一侧凸缘和压紧接头4上的电缆孔6，压紧接头6的锥形一侧朝向壳体5，电缆一端连接电动马达10，另一端连接在地面电源上。

在壳体5一侧凸缘内安装好壳体密封圈9，将气动缓冲装置1和液动缓冲装置2从上而下放入壳体5内，将运动轴2-2穿过壳体5的凸缘延伸至壳体5外端，将密封盖2-3的固定螺栓置于壳体5凸缘上的螺栓孔8内，通过碟簧7和压紧接头4将气动缓冲装置1和液动缓冲装置2固装在壳体5内。

将套装壳3-3套装在连接头3-2上，利用螺纹将连接头3-2安装在马达接头3-1上，利用螺纹将套装壳3-3安装在运动轴2-2上，马达接头3-1与电动马达10相连。

工作时，将该工具下放到井筒中，反扭矩消除装置3下端连接在电动马达10和钻具上，上端连接钻柱，电动马达10带动钻具旋转，当钻具产生顿转，相对于马达接头3-1产生反扭矩时，通过棘爪与棘齿的配合使连接头3-2在套装壳3-3内的空转来消除反扭矩。

该工具利用钻柱本身的重力和外力对该工具和钻具施压，钻柱上的压力通过该工具传导至钻具上，当钻压过高时，运动轴2-2便会压缩缓冲液进入气动缓冲装置2-2，由于氮气的可压缩性高，缓冲液挤压缓冲气囊1-2变形，压缩缓冲气囊1-2内的氮气，从而降低钻压保护钻头，当钻压过低时，缓冲气囊1-2中的高压气体膨胀，将缓冲液反推到液动缓冲装置2中，从而推动运动轴2-2，加大钻头上的钻压，提高掘进速率，实现自动控制的目的。

以上所述只是该发明的具体实施方式，上述举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后可以对上述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (10)

1.一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具，它由壳体（5）、气动缓冲装置（1）、压紧接头（4）、和液动缓冲装置（2）及反扭矩消除装置（3）构成；其特征在于：壳体（5）内通过压紧接头（4）装有气动缓冲装置（1），气动缓冲装置（1）一侧的壳体（5）内装有液动缓冲装置（2），液动缓冲装置（2）的一端延伸至壳体（5）外端，延伸至壳体（5）外端的液动缓冲装置（2）的端头通过反扭矩消除装置（3）安装有电动马达（10），电动马达（10）相对于反扭矩装置（3）固定。

2.根据权利要求1所述的一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具，其特征在于：所述的压紧接头（4）为锥形体，压紧接头（4）的中心部位设置有中心孔，边缘部位设置有电缆孔（6），压紧接头（4）与壳体（5）内壁螺纹连接，压紧接头（4）与气动缓冲装置（1）之间设置有碟簧（7）。

3.根据权利要求1所述的一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具，其特征在于：所述的气动缓冲装置（1）由椭形壳体（1-1）、缓冲气囊（1-2）、充气柱（1-4）、连接法兰（1-17）和通流阀（1-10）构成，椭形壳体内设置有缓冲气囊（1-2），缓冲气囊（1-2）一侧的椭形壳体（1-1）内通过下橡胶套（1-21）装有通流阀（1-10），通流阀（1-10）的一端延伸至椭形壳体（1-1）外端，延伸至椭形壳体（1-1）外端的通流阀（1-10）上安装有连接法兰（1-17），连接法兰（1-17）内侧通流阀（1-10）的底座（1-11）上通过下压紧螺母（1-18）装有下压环（1-19），从而配合下橡胶套（1-21）使通流阀（1-10）在椭形壳体（1-1）上固定。

4.根据权利要求3所述的一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具，其特征在于：所述的通流阀（1-10）由底座（1-11）、上弹簧（1-14）、下弹簧（1-15）、阀杆（1-12）、阀盖（1-13）和弹簧挡板（1-16）构成，底座（1-10）为管状体，底座（1-10）的一端端口圆周上设置有限位凸缘，底座（1-10）的内壁上设置有分割凸缘，底座（1-10）内通过分割凸缘活动安装有阀杆（1-12），阀杆（1-12）的一端延伸至底座（1-10）外端，延伸至底座（1-10）外端的阀杆（1-12）端头固装有阀盖（1-13），底座（1-10）内的阀杆（1-13）另一端端头固装有弹簧挡板（1-16）；分割凸缘与阀盖（1-13）之间的阀杆（1-12）上设置有上弹簧（1-14），分割凸缘与弹簧挡板（1-16）之间的阀杆（1-12）上设置有下弹簧（1-15）。

5.根据权利要求4所述的一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具，其特征在于：所述的底座（1-10）与椭形壳体（1-1）之间设置有下密封圈（1-20）。

6.根据权利要求3所述的一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具，其特征在于：所述的缓冲气囊（1-2）一侧通过上橡胶套（1-3）装有充气柱（1-4），充气柱（1-4）与缓冲气囊（1-2）连通；充气柱（1-4）的一端延伸至椭形壳体（1-1）外端，延伸至椭形壳体（1-1）外端的充气柱（1-4）上通过上压紧螺母（1-7）装有上压环（1-8）；所述的充气柱（1-4）端头装有充气帽（1-5）和充气盖（1-6）。

7.根据权利要求6所述的一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具，其特征在于：所述的充气柱（1-4）和椭形壳体（1-1）之间设置有上密封圈（1-9）。

8.根据权利要求1所述的一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具，其特征在于：所述的液动缓冲装置（2）由运动轴（2-2）、密封盖（2-3）和固定筒（2-1）构成，固定筒（2-1）内设置有阶梯孔，固定筒（2-1）的一端通过螺栓固装有密封盖（2-3），固定筒（2-1）的阶梯孔活动安装有运动轴（2-2），运动轴（2-2）的一端经密封盖（2-3）延伸至固定筒（2-1）外端，延伸至固定筒（2-1）外端的运动轴（2-2）端头通过反扭矩消除装置（3）装有电动马达（10）。

9.根据权利要求1所述的一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具，其特征在于：所述的壳体（5）与运动轴（2-2）之间设置有壳体密封圈（9），运动轴（2-2）一侧的壳体（5）壁上设置有电缆孔（6），电缆孔（6）内设置有电缆，电缆的一端与电动马达（10）连接，电缆的另一端与地面电源连接。

10.根据权利要求1所述的一种用于电动钻井的双缓冲钻压自动控制工具，其特征在于：所述的反扭矩消除装置（3）由马达接头（3-1）、连接头（3-2）、套装壳（3-3）构成；套装壳（3-3）呈杯状体，套装壳（3-3）的底部设置有装配孔，套装壳（3-3）内装有连接头（3-2），连接头（3-2）为T型;连接头（3-2）的一端经装配孔延伸至套装壳（3-3）外端，延伸至套装壳（3-3）外端的连接头（3-2）端头螺纹安装有马达接头（3-1），套装壳（3-3）的内壁上设置内螺纹，套装壳（3-3）通过内螺纹与运动轴（2-2）端头外螺纹的配合与运动轴（2-2）螺纹连接。