CN110219603B - 一种小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构，包括至少一个推力执行单元，推力执行单元包括执行机构主体、推靠翼肋和下端盖，执行机构主体中心同轴设有第一通孔，执行机构主体外圆周均匀设置有三个安装槽，各安装槽内安装有一个推靠翼肋，安装槽一端设有圆弧形槽面，推靠翼肋一端设有圆弧形柱面，圆弧形柱面配合安装在圆弧形槽面内，推靠翼肋一面设有凹槽，凹槽用作钻井液腔室，执行机构主体上部设有上流孔，上流孔与钻井液腔室连通，执行机构主体底面固定设有下端盖，下端盖中心设有第二通孔，下端盖内部设有泄流孔，多个推力执行单元同轴上下依次连接，推力执行单元上设有导流通道。能够在垂直钻进的同时进行取心作业。

Description

一种小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构
技术领域
本发明涉及地质钻探设备技术领域，特别是涉及一种小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构。
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。
自动垂直钻井系统的出现，为防斜纠斜带来了重大技术突破，是一种集机电液于一体的井下智能闭环导向钻井系统，可实现井下主动防斜纠斜，不需要人为干预而自动跟踪预定的井眼轨迹，可以成功解决高陡构造、大倾角复杂地层的防斜纠斜难题，在保证井眼质量的同时，释放钻压，提高机械钻速。
目前，垂直钻井工具主要采用推靠式设计，推靠式自动垂直钻井工具执行机构动力源主要来源于钻井液压差或者液压油压力，执行机构内部设计有缸套与活塞，高压液体推动活塞从而将推靠翼肋顶开。缸套与活塞占用执行机构内部大量空间导致垂直钻井工具直径过大，因此当前垂直钻井工具仅适用于较大口径的石油与天然气钻井领域。由于地质钻井井眼尺寸较小(深部地质钻探井眼尺寸一般采用P级或H级，直径在150mm以内)，现有垂直钻井工具无法满足地质钻探小直径钻进。加之地质钻探通常采用取心钻进方法，较小的井眼尺寸限制了垂直钻井工具的外径大小，垂直钻井工具内部为安装取芯筒而预留出的空间限定了垂直钻井工具内径的大小，留给垂直钻井工具设计的环形空间变得异常狭小。基于上述原因，垂直钻井工具设计空间不足这一问题在地质钻探领域显得更为突出。综上所述，当前自动垂直钻井工具由于执行机构的占用空间过大，无法实现在小直径井眼中钻进，且中心没有足够空间安装取心装置，从而无法实现边垂直钻进边取心的目的，这极大的限制了深部地质钻探技术的发展。当前已有垂直钻井工具执行机构推靠翼肋与主体通过销轴连接，连接强度较低，容易导致井下事故的发生。
发明内容
本发明的目的是提供一种小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构，以解决上述现有技术存在的问题，结构简单，占用空间小，能够在垂直钻进的同时进行取心作业，并且连接强度高，能够有效减少井下事故的发生概率，并能够满足不同工况下的垂直钻井作业需求。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构，包括至少一个推力执行单元，所述推力执行单元包括执行机构主体、推靠翼肋和下端盖，所述执行机构主体中心同轴设有第一通孔，所述第一通孔用于放置取心筒，所述执行机构主体外圆周均匀设置有三个安装槽，各所述安装槽内安装有一个所述推靠翼肋，所述安装槽一端设有圆弧形槽面，所述推靠翼肋一端设有圆弧形柱面，所述圆弧形柱面配合安装在所述圆弧形槽面内，所述推靠翼肋能够绕所述圆弧形柱面的轴线转动，所述推靠翼肋靠近所述第一通孔的一面设有凹槽，所述凹槽用作钻井液腔室，所述执行机构主体上部设有上流孔，所述上流孔与所述钻井液腔室连通，所述执行机构主体底面固定设置有所述下端盖，所述下端盖中心设有第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔直径相等且同轴，所述下端盖上表面与所述推靠翼肋下表面接触，所述下端盖内部设有泄流孔，所述泄流孔在所述执行机构主体径向方向位于所述钻井液腔室外，所述推靠翼肋绕所述圆弧形柱面的轴线转动过程中，所述泄流孔能够与所述钻井液腔室连通；多个所述推力执行单元同轴上下依次连接，所述推力执行单元上设有导流通道，所述导流通道用于向各所述上流孔中注入钻井液。
优选的，还包括密封块，远离所述圆弧形柱面的所述推靠翼肋的一端设有密封凹槽，所述密封块安装于所述密封凹槽内。
优选的，所述密封块为橡胶或金属材质。
优选的，所述密封凹槽与所述执行机构主体形成空腔，所述密封块与所述空腔为过盈配合。
优选的，所述密封块朝向所述推靠翼肋的一面设有梯形凹槽，所述密封凹槽上设有与所述梯形凹槽相配合的梯形凸台。
优选的，所述推靠翼肋外侧面为弧面开口相反的两段圆弧面。
优选的，所述圆弧形柱面与所述圆弧形槽面为间隙配合。
优选的，所述推靠翼肋包括第一面，所述第一面两端分别与所述圆弧形柱面和所述推靠翼肋外侧面相连，所述安装槽包括第二面，所述第二面两端分别与所述圆弧形槽面和所述执行机构主体外侧面相连，所述第一面与所述第二面形成夹角θ，所述推靠翼肋绕所述圆弧形柱面的轴线转动θ角度后，所述第一面与所述第二面重合。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构，在推靠翼肋上设置凹槽作为钻井液腔室，在钻井过程中，经稳定平台盘阀配流的高压钻井液经过上流孔进入钻井液腔室，钻井液腔室内的钻井液与环空中的钻井液由于钻头压降存在压力差，在压力差作用下推靠翼肋绕圆弧形柱面的轴线向外打开推靠井壁，产生指向井眼低边方向的纠斜力，在推靠翼肋向外打开一定程度时，钻井液腔室与泄流孔连通而泄压，在推靠翼肋与执行机构主体之间省去了缸筒与活塞，结构简单，节省了大量空间，能够在执行机构主体中心设置用于放置取心筒的空间，从而能够在垂直钻进的同时进行取心作业，通过推靠翼肋的圆弧形柱面与执行机构主体的圆弧形槽面配合连接，增强了推靠翼肋与执行机构主体的连接强度，能够有效减少井下事故的发生概率。推靠翼肋采用侧开式设计，可有效减小对垂直钻井工具推力执行机构的空间需求，在不增大垂直钻井工具推力执行机构外径的前提下增大内部取芯筒的空间；通过上下同轴设置至少一个推力执行单元，能够增大总的推靠力，满足不同工况下的垂直钻井作业需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例一中的的小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构的俯视剖视图；
图2为图1中的小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构的侧向半剖视图；
图3为实施例二中的的小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构的立体结构示意图；
图4为实施例三中的的小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构的立体结构示意图；
图中：1-执行机构主体、2-推靠翼肋、3-下端盖、4-第一通孔、5-圆弧形槽面、6-圆弧形柱面、7-凹槽、8-上流孔、9-第二通孔、10-泄流孔、11-密封块、12-密封凹槽、13-第一面、14-第二面、15-井壁、16-环空、17-导流通道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构，以解决上述现有技术存在的问题，结构简单，占用空间小，能够在垂直钻进的同时进行取心作业，并且连接强度高，能够有效减少井下事故的发生概率，并能够满足不同工况下的垂直钻井作业需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1～2所示，本实施例提供一种小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构，包括一个推力执行单元，推力执行单元包括执行机构主体1、推靠翼肋2和下端盖3，执行机构主体1中心同轴设有第一通孔4，第一通孔4用于放置取心筒，执行机构主体1外圆周均匀设置有三个安装槽，各安装槽内安装有一个推靠翼肋2，安装槽一端设有圆弧形槽面5，推靠翼肋2一端设有圆弧形柱面6，圆弧形柱面6配合安装在圆弧形槽面5内，推靠翼肋2能够绕圆弧形柱面6的轴线转动，推靠翼肋2靠近第一通孔4的一面设有凹槽7，凹槽7用作钻井液腔室，执行机构主体1上部设有上流孔8，上流孔8与钻井液腔室连通，执行机构主体1底面固定设置有下端盖3，下端盖3中心设有第二通孔9，第二通孔9与第一通孔4直径相等且同轴，下端盖3上表面与推靠翼肋2下表面接触，下端盖3内部设有泄流孔10，泄流孔10径向方向位于钻井液腔室外，推靠翼肋2绕圆弧形柱面6的轴线转动过程中，泄流孔10能够与钻井液腔室连通。
在钻井过程中，经稳定平台盘阀配流的高压钻井液经过上流孔8进入钻井液腔室，钻井液腔室内的钻井液与环空16中的钻井液由于钻头压降存在压力差，在压力差作用下推靠翼肋2绕圆弧形柱面6的轴线向外打开推靠井壁15，产生指向井眼低边方向的纠斜力；随着推靠翼肋2的张开，高压钻井液可作用于整个推靠翼肋2的内侧面，产生较大的推靠力；在推靠翼肋2向外打开一定程度时，钻井液腔室与泄流孔10连通而泄压，能够防止井眼扩径时推靠翼肋2张开角度过大造成本发明小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构的损坏；在推靠翼肋2与执行机构主体1之间省去了缸筒与活塞，结构简单，节省了大量空间，能够在执行机构主体1中心设置用于放置取心筒的空间，从而能够在垂直钻进的同时进行取心作业；通过推靠翼肋2的圆弧形柱面6与执行机构主体1的圆弧形槽面5配合连接，增强了推靠翼肋2与执行机构主体1的连接强度，能够有效避免井下事故的发生，且使用寿命更长。
在本实施例中，远离圆弧形柱面6的推靠翼肋2的一端设有密封凹槽12，密封块11安装于密封凹槽12内。
密封块11为橡胶或金属密封块。
密封凹槽12与执行机构主体1形成空腔，密封块11与空腔为过盈配合。
通过将密封块11设置为橡胶或金属密封块，并将密封块11与空腔过盈配合，使得密封块11的密封效果更好，在推靠翼肋2旋转张开过程中，密封块11与空腔始终保持挤压接触，从而使得密封块11能够起到密封补偿的作用。
密封块11朝向推靠翼肋2的一面设有梯形凹槽，密封凹槽12上设有与梯形凹槽相配合的梯形凸台，保证了密封块11随推靠翼肋2张开与闭合过程中的稳定性，同时提高了密封块11对密封界面的正压力，进一步提高密封块11的密封效果。
推靠翼肋2外侧面为弧面开口相反的两段圆弧面，两段圆弧面中的第一段圆弧面开口朝向第一通孔的方向并且靠近圆弧形柱面6，第二段圆弧面开口朝向井壁15的方向并且靠近密封凹槽12，执行工作时，两段圆弧面的交点最先接触井壁，缩小了井壁对执行机构主体1支反力的力臂，使支反力大小得到提升，且方向更为精准，降斜能力更强；双圆弧面的结构还增大了环空16的空间，从而提升岩屑上返效率。
圆弧形柱面6与圆弧形槽面5为间隙配合，使推靠翼肋2能够自由张开与收回。
推靠翼肋2包括第一面13，第一面13两端分别与圆弧形柱面6和推靠翼肋2外侧面相连，安装槽包括第二面14，第二面14两端分别与圆弧形槽面5和执行机构主体1外侧面相连，第一面13与第二面14形成夹角θ，推靠翼肋2绕圆弧形柱面6的轴线转动θ角度后，第一面13与第二面14重合，能够进一步限制推靠翼肋2的张开角度，避免推靠翼肋2的张开角度过大造成本发明小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构的损坏。
实施例二
如图3所示，本实施例提供一种小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构，包括两个实施例一中的推力执行单元，两个推力执行单元同轴上下连接分别为第一推力执行单元和第二推力执行单元，第一推力执行单元中的推靠翼肋2与第二推力执行单元中的推靠翼肋2在竖直方向共线。
在本实施例中，导流通道17设置于第一推力执行单元中的下端盖3上且导流通道17上下两端分别与第一推力执行单元中的钻井液腔室和第二推力执行单元中的上流孔8连通，钻井液经过第一推力执行单元中上流孔8、钻井液腔室和导流通道17，注入到第二推力执行单元中的上流孔8中，然后进入第二推力执行单元中的钻井液腔室，从而在压力差作用下上下两层的推靠翼肋2向外打开推靠井壁。通过双层推力执行单元的设置，能够增大推靠翼肋2总的推靠力，以满足不同工况下的垂直钻井作业需求。
实施例三
如图4所示，本实施例提供一种小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构，包括两个实施例一中的推力执行单元，两个推力执行单元同轴上下连接分别为第一推力执行单元和第二推力执行单元，第一推力执行单元中的推靠翼肋2与第二推力执行单元中的推靠翼肋2在竖直方向不共线。
在本实施例中，导流通道17设置于第一推力执行单元中的执行机构主体1和下端盖3上，导流通道17上下贯通执行机构主体1与下端盖3，且导流通道17下端与第二推力执行单元中的上流孔8连通，钻井液经过第一推力执行单元中的导流通道17，注入到第二推力执行单元中的上流孔8中，然后进入第二推力执行单元中的钻井液腔室，从而在压力差作用下下层的推靠翼肋2向外打开推靠井壁。通过双层推力执行单元的设置，能够增大推靠翼肋2总的推靠力，以满足不同工况下的垂直钻井作业需求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构，其特征在于：包括至少一个推力执行单元，所述推力执行单元包括执行机构主体、推靠翼肋和下端盖，所述执行机构主体中心同轴设有第一通孔，所述第一通孔用于放置取心筒，所述执行机构主体外圆周均匀设置有三个安装槽，各所述安装槽内安装有一个所述推靠翼肋，所述安装槽一端设有圆弧形槽面，所述推靠翼肋一端设有圆弧形柱面，所述圆弧形柱面配合安装在所述圆弧形槽面内，所述推靠翼肋能够绕所述圆弧形柱面的轴线转动，所述推靠翼肋靠近所述第一通孔的一面设有凹槽，所述凹槽用作钻井液腔室，所述执行机构主体上部设有上流孔，所述上流孔与所述钻井液腔室连通，所述执行机构主体底面固定设置有所述下端盖，所述下端盖中心设有第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔直径相等且同轴，所述下端盖上表面与所述推靠翼肋下表面接触，所述下端盖内部设有泄流孔，所述泄流孔在所述执行机构主体径向方向位于所述钻井液腔室外，所述推靠翼肋绕所述圆弧形柱面的轴线转动过程中，所述泄流孔能够与所述钻井液腔室连通；多个所述推力执行单元同轴上下依次连接，所述推力执行单元上设有导流通道，所述导流通道用于向各所述上流孔中注入钻井液；
还包括密封块，远离所述圆弧形柱面的所述推靠翼肋的一端设有密封凹槽，所述密封块安装于所述密封凹槽内；所述密封块朝向所述推靠翼肋的一面设有梯形凹槽，所述密封凹槽上设有与所述梯形凹槽相配合的梯形凸台；
所述推靠翼肋外侧面为弧面开口相反的两段圆弧面。
2.根据权利要求1所述的小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构，其特征在于：所述密封块为橡胶或金属材质。
3.根据权利要求1所述的小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构，其特征在于：所述密封凹槽与所述执行机构主体形成空腔，所述密封块与所述空腔为过盈配合。
4.根据权利要求1所述的小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构，其特征在于：所述圆弧形柱面与所述圆弧形槽面为间隙配合。
5.根据权利要求1所述的小直径取心式垂直钻井工具推力执行机构，其特征在于：所述推靠翼肋包括第一面，所述第一面两端分别与所述圆弧形柱面和所述推靠翼肋外侧面相连，所述安装槽包括第二面，所述第二面两端分别与所述圆弧形槽面和所述执行机构主体外侧面相连，所述第一面与所述第二面形成夹角θ，所述推靠翼肋绕所述圆弧形柱面的轴线转动θ角度后，所述第一面与所述第二面重合。
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