CN111472695A - 一种钻压多级调整工具及定向钻进pdc钻头钻压平稳方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻压多级调整工具及定向钻进PDC钻头钻压平稳方法，包括壳体和设于壳体内的芯轴，芯轴上从上至下套设有多级力转换装置，每一级力转换装置的结构均相同，相邻两级力转换装置之间设有内压力孔，内压力孔设于芯轴上，每一级力转换装置的下部均与外相通；芯轴可沿轴向上下运动，芯轴下端连有花键，花键与壳体固连，芯轴上设有轴向限位件。通过多级力转换装置将压力与碟簧压缩时的机械能进行有效转换，从而实现芯轴在工具壳体间的往复运动，这种往复运动可调整加载在PDC钻头上的钻压，避免钻头实际钻压忽高忽低的问题，并吸收钻头受到的振动，从而达到稳定工具面的目的，大大提高PDC钻头有效定向钻进时间，缩短钻井周期。

Description

一种钻压多级调整工具及定向钻进PDC钻头钻压平稳方法

技术领域

本发明属于钻井工艺技术领域，具体涉及一种钻压多级调整工具及定向钻进PDC钻头钻压平稳方法。

背景技术

传统的定向钻进使用牙轮钻头，但牙轮钻头使用寿命短，为了井下安全必须频繁起下钻。随着钻井技术的发展和配套工具使用寿命的提高，现多采用PDC钻头代替牙轮钻头定向。PDC钻头使用寿命长，且结构简单不易发生井下事故。

但由于PDC钻头破岩机理与牙轮钻头不同，在进行定向钻进时，钻具组合整体不旋转，钻具紧贴在下井壁上，导致钻具与井壁之间的摩阻增大，钻压不能有效的传递到钻头。同时钻头破岩时受钻压施加不稳定等因素的影响，地层对钻头产生反扭矩不稳定，造成定向工具面不稳定，造成定向困难，定向效率低，需要频繁调整定向时的钻压及工具面，影响有效钻进，增加了钻井周期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻压多级调整工具，连接在钻具组合中，可以较好的调整施加在钻头上的钻压。

本发明的另一个目的在于提供一种定向钻进PDC钻头钻压平稳方法，避免钻头实际钻压忽高忽低，扭矩突变，工具面不稳定，同时可以一定程度上将钻具与下井壁的静摩擦转换为动摩擦，从而降低定向钻进时的摩阻，提高定向钻进效率，缩短钻井周期。

为此，本发明提供的技术方案如下：

一种钻压多级调整工具，包括壳体和设于壳体内的芯轴，所述芯轴上从上至下设有多级力转换装置，每一级力转换装置的结构均相同，相邻两级力转换装置之间有环孔，所述环孔对应芯轴管壁开有连通环空和芯轴内腔的内压力孔，所述壳体上设有用于压缩泄压的调节孔，所述调节孔与力转换装置一一对应；

力转换装置包括上下设置的压缩端和固定端，所述固定端与壳体固连，所述压缩端与芯轴固连以带动芯轴沿轴向上下运动，所述壳体与芯轴通过花键连接，所述花键包括外花键和内花键套，所述外花键设于芯轴上，所述内花键套固设在壳体上，所述内花键套用于与外花键配合使壳体与芯轴同步转动，所述芯轴上设有限制芯轴轴向最大位移的轴向限位件。

所述压缩端为主活塞和碟簧，固定端为副活塞，所述主活塞与芯轴固连，所述副活塞与壳体固连，所述碟簧位于主活塞和副活塞之间；所述调节孔在壳体的位置与碟簧所在位置对应。

所述壳体包括从上至下依次连接的上连接套、外筒和下连接套。

所述壳体的上下两端分别连接有上接头、下接头，所述下接头上端与内轴连接，所述下接头另一端用于连接并带动钻具轴向上下运动。

所述轴向限位件包括套设在芯轴上的限位螺母和限位套，所述限位套设于限位螺母下方，所述限位套固设在壳体内壁上。

所述副活塞通过限位销钉固定在壳体内壁上。

一种定向钻进PDC钻头钻压平稳方法，包括的钻压多级调整工具接入钻具组合中，将钻压多级调整工具接入钻具组合中，定向钻进时，由钻具提供工具旋转的动力，通过花键使壳体与芯轴同步转动，当钻头钻压发生变化时，钻压多级调整工具内部液流压力产生变化，从而对力转换装置的压缩端作用力产生变化，通过多级力转换装置将力转换后带动芯轴轴向往复运动，由芯轴带动PDC钻头往复运动，实现对加载在PDC钻头上的钻压调整，使钻压平稳。

钻压多级调整工具接入钻具组合中，上端与钻铤连接，下端与螺杆马达连接，螺杆马达下端连接PDC钻头，钻压多级调整工具与螺杆马达之间连接有防卡扶正器。

钻进过程中，当钻头钻压增大时，主活塞上端面产生轴向推力，从而带动芯轴产生轴向位移，由芯轴带动PDC钻头向下运动，同时压缩碟簧储备机械能；当钻头钻压减小时，碟簧释放机械能从而推动主活塞带动芯轴，由芯轴带动PDC钻头向上运动。

钻压多级调整工具的每一级力转换装置通过芯轴上的内压力孔将压力传递给下一级力转换装置，从而实现钻压多级调整，使钻压平稳。

本发明的有益效果是：

本发明提供的这种钻压多级调整工具，通过多级力转换装置将压力与碟簧压缩时的机械能进行有效转换，从而实现芯轴在工具壳体间的往复运动，这种往复运动可调整加载在PDC钻头上的钻压，避免钻头实际钻压忽高忽低的问题，并吸收钻头受到的振动，从而达到稳定工具面的目的，大大提高PDC钻头有效定向钻进时间，缩短钻井周期。

使用时，钻压多级调整工具同钻具相连接，由钻具提供钻压多级调整工具旋转的动力，壳体通过花键传递扭矩，使芯轴随钻压多级调整壳体转动而转动，在调整钻压的同时，将旋转力传递给PDC钻头，实现定向钻进。

该钻压多级调整工具上下轴向运动时带动钻具运动，将钻具与下井壁的静摩擦转换为动摩擦，从而降低定向钻进时的摩阻，提高定向钻进效率，缩短钻井周期。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并结合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明的一种实施方式结构示意图。

图中：

附图标记说明：

1、上接头；2、第一级主活塞；3、第一级碟簧；4、第一级副活塞；5、芯轴；6、调节孔；7、限位螺母；8、花键；9、下接头；10、内压力孔；11、下连接套；12、外筒；13、限位销钉；14、轴向限位件；15、第二级主活塞；16、第二级碟簧；17、第二级副活塞。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

需说明的是，在本发明中，图中的上、下、左、右即视为本说明书中所述的钻压多级调整工具的上、下、左、右。

现参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

实施例1：

本实施提供了一种钻压多级调整工具，包括壳体和设于壳体内的芯轴5，所述芯轴5上从上至下设有多级力转换装置，每一级力转换装置的结构均相同，相邻两级力转换装置之间有环孔，所述环孔对应芯轴管壁开有连通环空和芯轴内腔的内压力孔10，所述壳体上设有用于压缩泄压的调节孔6，所述调节孔与力转换装置一一对应；

力转换装置包括上下设置的压缩端和固定端，所述固定端与壳体固连，所述压缩端与芯轴5固连以带动芯轴5沿轴向上下运动，所述壳体与芯轴5通过花键8连接，所述花键8包括外花键和内花键套，所述外花键设于芯轴上，所述内花键套固设在壳体上，所述内花键套用于与外花键配合使壳体与芯轴同步转动，所述芯轴5上设有限制芯轴5轴向最大位移的轴向限位件14。

具体地说，本实施例提供的钻压多级调整工具工作过程或应用过程如下：

在水平井水平段施工或者大位移井大井斜井段定向钻进时，将该调整工具接入钻具组合中，连接顺序为PDC钻头连接螺杆螺杆马达，在螺杆马达的上部，连接该调整工具，连接防卡扶正器，再连接其他钻具即可。

在定向钻进过程中，通过多级力转换装置将压力与碟簧压缩时的机械能进行有效转换，从而实现芯轴5在壳体间的往复运动，这种往复运动可调整加载在PDC钻头上的钻压，避免钻头实际钻压忽高忽低的问题，并吸收钻头受到的振动，从而达到稳定工具面的目的，大大提高PDC钻头有效定向钻进时间，缩短钻井周期。

芯轴5上加工有内压力孔10，该内压力孔10位于相邻两级力转换装置之间，在工具内部压力变化时可以通过内压力孔10将压力传递给下一级力转换装置，从而实现工具多级钻压调整。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施提供了一种钻压多级调整工具，所述压缩端为主活塞和碟簧，固定端为副活塞，所述主活塞与芯轴5固连，所述副活塞与壳体固连，所述碟簧位于主活塞和副活塞之间；所述调节孔6在壳体的位置与碟簧所在位置对应。

本发明以钻井液的液压能及碟簧的弹性能为转换能量，钻头钻压增大时扭矩增加，螺杆钻具转速降低，螺杆压力升高，工具内部液流压力产生变化，在芯轴5上主活塞端面产生轴向推动力，从而带动芯轴5与工具壳体间产生轴向运移，同时压缩碟簧储备机械能；当钻头钻压下降，螺杆钻速升高，螺杆压力下降，工具内部流体压力降低时，主活塞带动芯轴5在碟簧弹性能的作用下复位，从而实现一个周期的轴向运动。调压孔6用于压缩过程中，排出空气。

其中，当液流压力产生变化时，主活塞上端面产生轴向推力，从而主活塞带动芯轴5产生轴向位移，同时压缩碟簧储备机械能；当钻头钻压减小时，碟簧释放机械能从而推动主活塞带动芯轴5复位。

实施例3：

在实施例1的基础上，本实施提供了一种钻压多级调整工具，上所述壳体的上下两端分别连接有上接头1、下接头9，所述下接头9上端与内轴连接，所述下接头9另一端用于连接并带动钻具轴向上下运动。接头1和下接头9均与钻具扣配合。

使用时，钻压多级调整工具通过上接头1与钻铤连接，通过下接头9与螺杆马达连接，螺杆马达下连接PDC钻头。钻具提供钻压多级调整工具旋转的动力，壳体通过花键8传递扭矩，使芯轴5随钻压多级调整壳体转动而转动，在转动的同时，通过多级力转换装置，使芯轴5发生轴向运动，带动花键8和下接头9轴向运动，从而将钻压调整后传递给PDC钻头，实现定向钻进。

实施例4：

在实施例1的基础上，本实施提供了一种钻压多级调整工具，所述轴向限位件14包括套设在芯轴5上的限位螺母7和限位套，所述限位套设于限位螺母7下方，所述限位套固设在壳体内壁上。

轴向限位件14目的是对内轴进行轴向限位，保证碟簧在形变极限内进行工作，同时避免工具使用过程中内轴与壳体发生脱离。

实施例5：

本实施例提供了一种钻压多级调整工具，包括壳体和设于壳体内的芯轴5，所述芯轴5上从上至下设有多级力转换装置，每一级力转换装置的结构均相同，相邻两级力转换装置之间设有内压力孔10，所述内压力孔10设于芯轴5上，所述壳体上设有用于压缩泄压的调节孔6，所述调节孔与力转换装置一一对应；力转换装置包括上下设置的压缩端和固定端，所述固定端与壳体固连，所述压缩端与芯轴5固连以带动芯轴5沿轴向上下运动，所述壳体与芯轴5通过花键8连接，所述花键8包括外花键和内花键套，所述外花键设于芯轴上，所述内花键套固设在壳体上，所述内花键套用于与外花键配合使壳体与芯轴同步转动，所述芯轴5上设有轴向限位件14。

如图1所示，壳体包括从上至下依次连接的上连接套、外筒12和下连接套11，壳体的上下两端分别连接有上接头1、下接头9，下接头9上端与内轴连接，上接头1和下接头9均与钻具扣配合。

在本实施例中，芯轴5通过轴向限位件14进行轴向位移的限定，轴向限位件14包括套设在芯轴5上的限位螺母7和限位套，限位套设于限位螺母7下方，限位套固设在壳体内壁上；主活塞通过碟簧固定在芯轴5上，副活塞通过限位销钉13固定在壳体内壁上。力转换装置共有两级，分别为第一级力转换装置和第二级力转换装置，第一级力转换装置包括第一级主活塞2、第一级碟簧3和第一级副活塞4，第二级力转换装置包括第二级主活塞15、第二级碟簧16和第二级副活塞17。

具体工作过程为：

该钻压多级调整工具的上接头1同钻具相连接，由钻具提供工具旋转的动力。

钻井液流经工具液压腔时，当工具压力升高时，由于第一级副活塞4固定在壳体上，因此在第一级主活塞2上端面产生一轴向推力；同时，由于芯轴5上加工有位于两级力转换装置之间的内压力孔10，工具内部压力的变化通过内压力孔10作用在第二级主活塞15上端面，同理，再产生一轴向推力，在两级轴向推力的作用下，第一级主活塞2和第二级主活塞15带动芯轴5与壳体产生轴向位移，分别压缩第一级碟簧3、第二级碟簧16，带动花键8及下接头9产生轴向位移，第一级主活塞2和第二级主活塞15压缩过程中，通过调节孔6排出空气。

当工具内部压力恢复后，第一级碟簧3和第二级碟簧16碟簧释放机械能从而推动第一级主活塞2、第二级主活塞15带动芯轴5、花键8及下接头9复位。

其中，压力增大时，将对第一级主活塞2、第二级主活塞15的轴向推动力转换成第一级碟簧3、第二级碟簧16的弹性势能储存起来，吸收钻头受到的振动，从而降低作用在钻头上的压力；当压力降低时，储存起来的弹性势能转换成对钻头的压力，从而使不管液压能增大还是减小时，钻压都处于两者中间的一个稳定范围内，从而达到稳定工具面的目的，大大提高PDC钻头有效定向钻进时间，缩短钻井周期。

实施例6：

本实施例提供了一种定向钻进PDC钻头钻压平稳方法，将钻压多级调整工具接入钻具组合中，定向钻进时，由钻具提供工具旋转的动力，通过花键8使壳体与芯轴同步转动，当钻头钻压发生变化时，钻压多级调整工具内部液流压力产生变化，从而对力转换装置的压缩端作用力产生变化，通过多级力转换装置将力转换后带动芯轴5轴向往复运动，由芯轴5带动PDC钻头往复运动，实现对加载在PDC钻头上的钻压调整，使钻压平稳。

本发明以钻井液的液压能及碟簧的弹性能为转换能量，钻头钻压增大时扭矩增加，螺杆钻具转速降低，螺杆压力升高，工具内部液流压力产生变化，在芯轴5上主活塞端面产生轴向推动力，从而带动芯轴5与工具壳体间产生轴向运移，同时压缩碟簧储备机械能；当钻头钻压下降，螺杆钻速升高，螺杆压力下降，工具内部流体压力降低时，主活塞带动芯轴5及其他零件早碟簧弹性能的作用下复位，从而实现一个周期的轴向运动。

实施例7：

在实施例6的基础上，本实施例提供了一种定向钻进PDC钻头钻压平稳方法，

钻压多级调整工具接入钻具组合中，上端与钻铤连接，下端与螺杆马达连接，螺杆马达下端连接PDC钻头，钻压多级调整工具与螺杆马达之间连接有防卡扶正器。

防卡扶正器可防止钻具外径变化较大而导致的卡钻事故的发生。在下部钻具组合中连接钻压多级调整工具，可以较好的调整施加在钻头上的钻压，避免钻头实际钻压忽高忽低，扭矩突变，工具面不稳定，同时可以一定程度上将钻具与下井壁的静摩擦转换为动摩擦，从而降低滑动钻进时的摩阻，提高滑动钻进效率，缩短钻井周期。

实施例8：

在实施例6的基础上，本实施例提供了一种定向钻进PDC钻头钻压平稳方法，

钻进过程中，当钻头钻压增大时，主活塞上端面产生轴向推力，从而带动芯轴5产生轴向位移，由芯轴5带动PDC钻头向下运动，同时压缩碟簧储备机械能；当钻头钻压减小时，碟簧释放机械能从而推动主活塞带动芯轴5，由芯轴5带动PDC钻头向上运动。

钻压多级调整工具的每一级力转换装置通过芯轴5上的内压力孔10将压力传递给下一级力转换装置，从而实现钻压多级调整，使钻压平稳。

工具使用前须在井口进行试验，确认工具工作正常且不影响定向仪器信号后下钻，下钻过程中进行顶通。下钻到底后，先进行钻井液循环，钻井液循环充分后，进行定向作业，首先给钻头施加钻压3吨，对比机械钻速，待工具面稳定后提高钻压至6吨。同理，工具面稳定时，施加钻压至最大后（一般为8-9吨），定向钻进。现场施工过程中，司钻操作员送钻必须稳定及时，避免顿钻。定向钻进作业时，工具起到稳定定向仪器吸收钻头振动的效果，强化PDC钻头破岩效果，提高定向效率，缩短钻井周期。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种钻压多级调整工具，包括壳体和设于壳体内的芯轴（5），其特征在于：所述芯轴（5）上从上至下设有多级力转换装置，每一级力转换装置的结构均相同，相邻两级力转换装置之间有环孔，所述环孔对应芯轴管壁开有连通环空和芯轴内腔的内压力孔（10），所述壳体上设有用于压缩泄压的调节孔（6），所述调节孔与力转换装置一一对应；

力转换装置包括上下设置的压缩端和固定端，所述固定端与壳体固连，所述压缩端与芯轴（5）固连以带动芯轴（5）沿轴向上下运动，所述壳体与芯轴（5）下部通过花键（8）连接，所述花键（8）包括外花键和内花键套，所述外花键设于芯轴上，所述内花键套固设在壳体上，所述内花键套用于与外花键配合使壳体与芯轴同步转动，所述芯轴（5）上设有限制芯轴（5）轴向最大位移的轴向限位件（14）。

2.根据权利要求1所述的一种钻压多级调整工具，其特征在于：所述压缩端为主活塞和碟簧，固定端为副活塞，所述主活塞与芯轴（5）固连，所述副活塞与壳体固连，所述碟簧位于主活塞和副活塞之间；所述调节孔（6）在壳体的位置与碟簧所在位置对应。

3.根据权利要求1所述的一种钻压多级调整工具，其特征在于：所述壳体包括从上至下依次连接的上连接套、外筒（12）和下连接套（11）。

4.根据权利要求1所述的一种钻压多级调整工具，其特征在于：所述壳体的上下两端分别连接有上接头（1）、下接头（9），所述下接头（9）上端与内轴连接，所述下接头（9）另一端用于连接并带动钻具轴向上下运动。

5.根据权利要求1所述的一种钻压多级调整工具，其特征在于：所述轴向限位件（14）包括套设在芯轴（5）上的限位螺母（7）和限位套，所述限位套设于限位螺母（7）下方，所述限位套固设在壳体内壁上。

6.根据权利要求2所述的一种钻压多级调整工具，其特征在于：所述副活塞通过限位销钉（13）固定在壳体内壁上。

7.一种定向钻进PDC钻头钻压平稳方法，包括权利要求1-6任一项所述的钻压多级调整工具接入钻具组合中，其特征在于：将钻压多级调整工具接入钻具组合中，定向钻进时，由钻具提供工具旋转的动力，通过花键（8）使壳体与芯轴同步转动，当钻头钻压发生变化时，钻压多级调整工具内部液流压力产生变化，从而对力转换装置的压缩端作用力产生变化，通过多级力转换装置将力转换后带动芯轴（5）轴向往复运动，由芯轴（5）带动PDC钻头往复运动，实现对加载在PDC钻头上的钻压调整，使钻压平稳。

8.根据权利要求7所述的一种定向钻进PDC钻头钻压平稳方法，其特征在于：钻压多级调整工具接入钻具组合中，上端与钻铤连接，下端与螺杆马达连接，螺杆马达下端连接PDC钻头，钻压多级调整工具与螺杆马达之间连接有防卡扶正器。

9.根据权利要求7所述的一种定向钻进PDC钻头钻压平稳方法，其特征在于：钻进过程中，当钻头钻压增大时，主活塞上端面产生轴向推力，从而带动芯轴（5）产生轴向位移，由芯轴（5）带动PDC钻头向下运动，同时压缩碟簧储备机械能；当钻头钻压减小时，碟簧释放机械能从而推动主活塞带动芯轴（5），由芯轴（5）带动PDC钻头向上运动。

10.根据权利要求7所述的一种定向钻进PDC钻头钻压平稳方法，其特征在于：钻压多级调整工具的每一级力转换装置通过芯轴（5）上的内压力孔（10）将压力传递给下一级力转换装置，从而实现钻压多级调整，使钻压平稳。

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