CN114183074B - 一种钻井自动防斜装置及其防斜方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种钻井自动防斜装置及其防斜方法，其中钻井自动防斜装置包括钻头部分、旋转钻柱、液压防斜部分和钻井液通道；旋转钻柱内壁设置一圏凸齿，主传动齿轮与凸齿啮合，主传动齿轮通过传动杆连接从动齿轮组带动钻头转动，从动齿轮组固定在钻头内部；钻井液通道贯穿旋转钻柱、液压防斜部分，伸入到钻头中；液压防斜部分包括液压防斜控制台、四组液压防斜开关机构、支撑台、四个液压防斜块，四个液压防斜块均匀设置于非旋转钻柱壁中；四条光滑磁力球通道呈十字型布置在磁力球槽周边，磁力球自由坐在磁力球槽内。本发明中磁力球位置的变换可控制钻井液的进出，进而控制液压防斜块的伸缩，进而起到防斜纠斜作用。

Description

一种钻井自动防斜装置及其防斜方法

技术领域：

本发明涉及石油工程技术领域，具体涉及一种钻井自动防斜装置及其防斜方法。

背景技术：

随着石油勘探开发领域的不断拓展和深入，在高陡构造、大倾角地层中发生井斜直接影响着井身质量和钻井速度，钻井过程中的防斜打直一直是钻井工程中的主要难题之一。传统的钟摆钻具组合和满眼钻具组合技术均采用轻压吊打方式，钻井速度均较为缓慢；随着导向钻井技术的快速发展与应用，垂直钻井技术在传统的防斜打快理论和技术基础上也取得了较大进展。偏轴钻具、柔性钻井、螺杆钻具等在现场逐渐地进行了一些应用，但这些技术均属于动力学防斜打直范畴，没有抗地层造斜力的功能，对于高陡构造和强造斜地层，井斜控制难以得到充分的保证。

发明内容：

本发明的一个目的使提供一种钻井自动防斜装置，这种钻井自动防斜装置用于解决高陡构造和强造斜地层的钻井过程中发生井斜的问题，本发明的另一个目的是提供这种钻井自动防斜装置的防斜方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种钻井自动防斜装置包括钻头部分、旋转钻柱、液压防斜部分和钻井液通道；旋转钻柱内壁设置一圏凸齿，主传动齿轮与凸齿啮合，主传动齿轮通过传动杆连接从动齿轮组带动钻头转动，从动齿轮组固定在钻头内部；钻井液通道贯穿旋转钻柱、液压防斜部分，伸入到钻头中；液压防斜部分设置于非旋转钻柱内，液压防斜部分包括液压防斜控制台、四组液压防斜开关机构、支撑台、四个液压防斜块，支撑台位于液压防斜控制台的下方，钻井液通道穿过支撑台的中心，四组液压防斜开关机构均匀布置支撑台上且环绕在钻井液通道外侧，四个液压防斜块均匀设置于非旋转钻柱壁中，非旋转钻柱壁均匀设置四个防斜槽，每个液压防斜块通过钻柱壁弹簧设置于一个防斜槽中；

液压防斜控制台的中心为磁力球槽，四条光滑磁力球通道呈十字型布置在磁力球槽周边，四条光滑磁力球通道内端均与磁力球槽相通，四条光滑磁力球通道外端设置磁力球漏磁孔，磁力球自由坐在磁力球槽内，磁力球漏磁孔的直径小于磁力球的直径；

每组液压防斜开关机构包括开关金属块、杠杆开关，杠杆开关安装在支撑台上，杠杆开关的杠杆金属块的一端连接有垂向弹簧，垂向弹簧的上端衔接着磁力板，垂向弹簧向上伸入磁力球漏磁孔中，磁力板位于磁力球漏磁孔中，磁力球的极性与磁力板的极性相同；杠杆开关的杠杆金属块另一端固定磁力块，开关金属块通过通道壁弹簧设置在钻井液通道壁的开关槽中，开关槽的槽底与钻井液通道，开关槽的下槽壁与钻井液垂向流道相通，钻井液垂向流道设置于钻井液通道壁中，开关金属块位于磁力块的侧上方，磁力块翘起时，将开关金属块从开关槽中吸出，钻井液通道、开关槽、钻井液垂向流道被导通；

四个增压通道均匀分布在钻井液通道四周，每个增压通道一端连接一个钻井液垂向流道，另一端伸入到非旋转钻柱壁中且与一个防斜槽槽底相通，每个增压通道下方设置一个泄压通道，泄压通道也与防斜槽槽底相通，泄压通道另一端与钻井液通道相通。

上述方案中从动齿轮组由侧传动齿轮和中心传动齿轮构成，主传动齿轮通过传动杆连接侧传动齿轮，侧传动齿轮与中心传动齿轮啮合，中心传动齿轮内部中空，钻井液通道从其中穿过，中心传动齿轮与钻井液通道之间设置轴承，侧传动齿轮和中心传动齿轮设置于保护舱内，钻井液通道贯穿至钻头顶部，保护舱将其内部环境与外部环境分隔开。

上述方案中钻井液通道穿过液压防斜控制台时，分成三个分支钻井液通道，钻井液汇流平台设置于液压防斜控制台下方，三个分支钻井液通道又汇集于钻井液汇流平台，钻井液汇流平台下端连接钻井液通道，钻井液通道一直延伸到钻头顶部。

上述方案中各光滑磁力球通道向下倾斜至磁力球槽，当钻柱发生一定角度的倾斜时，当倾斜的角度大于光滑磁力球通道的坡度时，磁力球从磁力球槽滑出，滑到相应的磁力球漏磁孔并嵌在孔处，当钻柱恢复垂直时，磁力球从磁力球漏磁孔滚回到磁力球槽中。

上述方案中钻头部分设置有稳定器，稳定器上方为保护舱。

上述钻井自动防斜装置的防斜方法：

当钻柱发生一定角度的倾斜时，当倾斜的角度大于光滑磁力球通道的坡度时，磁力球从磁力球槽滑出，滑至磁力球漏磁孔中，由于磁力板和磁力球的极性相反，与磁力板衔接的垂向弹簧被压缩，此时磁力球处于平衡状态，垂向弹簧受力通过开关金属块将磁力块翘起，至开关金属块处，磁力块将开关金属块吸出，钻井液通道、开关槽、钻井液垂向流道被导通，钻井液通过钻井液垂向流道流至增压通道中，进而进入防斜槽，将液压防斜块推出防斜槽，液压防斜块顶在井壁，将钻柱扶正，当钻柱回正后，因为光滑磁力通道有一定的坡度，磁力球滑回磁力球槽，开关金属块回到开关槽，钻井液通道、开关槽、钻井液垂向流道不再导通，钻井液不再注入防斜槽，钻柱壁弹簧将液压防斜块拉回防斜槽，防斜槽内的钻井液会通过泄压通道流至钻井液通道中。

本发明具有以下有益效果：

1．本发明是基于液压原理的防斜装置，磁力球位置的变换可控制钻井液的进出，进而控制液压防斜块的伸缩，进而起到防斜纠斜作用，在不减慢钻井速度的基础上，对于高陡构造和强造斜地层具有很好的防斜功能。

2．本发明利用钻井液的进出来控制液压块的伸缩，不再需要额外的能量供应，具有低成本且节能的优势。

3．本发明采用磁力球位置的变换，来控制液压防斜装置的工作状态，反应迅速并实现了自动防斜功能。

附图说明：

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的保护舱内部结构图。

图3是本发明的钻井液通道与密封板相连接的结构示意图。

图4是本发明的内部结构示意图。

图5是本发明支撑台上各零部件的俯视剖面图。

图6是本发明整体结构的侧面剖视图。

图7是本发明的钻井液汇流台上顶处俯视图。

图8是液压防斜控制台的剖面图。

图9是本发明的整体结构俯视图。

图中：1.钻头；2.稳定器；3.保护舱；4.钻井液通道；5.传动杆；6.密封板；7.液压防斜块；8.非旋转钻柱；9.旋转钻柱；10.钻井液通道入口；11.侧传动齿轮； 13.中心传动齿轮；14.轴承；15.泄压通道；16.增压通道；17.支撑台；18.杠杆开关；19.垂向弹簧；20.钻井液汇流平台；21.液压防斜控制台；22.主传动齿轮；23.分支钻井液通道；24. 钻柱壁弹簧；25.开关金属块；26.通道壁弹簧；27.钻井液通道开关孔；28.磁力块；29.杠杆金属块；30.钻井液垂向流道；31.进液孔；32.排液孔；34.磁力板；35.光滑磁力球通道；37.磁力球；38.凸齿。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

结合图1-图9所示，这种钻井自动防斜装置包括钻头部分、旋转钻柱9、液压防斜部分、钻井液通道4、稳定器2、保护舱3、密封板6、非旋转钻柱8；旋转钻柱9内壁设置一圏凸齿，主传动齿轮22与凸齿啮合，主传动齿轮22通过传动杆5连接从动齿轮组带动钻头1转动，从动齿轮组固定在钻头1内部；钻井液通道4贯穿旋转钻柱9、液压防斜部分，伸入到钻头1中；从动齿轮组由侧传动齿轮11和中心传动齿轮13构成，主传动齿轮22通过传动杆5连接侧传动齿轮11，侧传动齿轮11与中心传动齿轮13啮合，中心传动齿轮13内部中空，钻井液通道4从其中穿过，中心传动齿轮13与钻井液通道4之间设置轴承14，侧传动齿轮11和中心传动齿轮13设置于保护舱3内，钻井液通道4贯穿至钻头1顶部，保护舱3将其内部环境与外部环境分隔开。钻头部分设置有稳定器2，稳定器2上方为保护舱3。

钻头凸起部分进行岩石破碎，钻头1由中心传动齿轮13带动旋转；钻井液通道4通过中心传动齿轮13中心，贯穿至钻头1顶部，可实现在钻头破碎钻井时，实时释放钻井液；钻井液通道4穿过保护舱3，通过轴承14与密封板6相连接；中心传动齿轮13与侧传动齿轮11相互咬合，并由侧传动齿轮11带着转动；侧传动齿轮11通过传动杆5与主传动齿轮22相连接；主传动齿轮22与钻柱的凸齿38相互咬合，并由钻柱的凸齿38带着转动；钻柱的凸齿38与旋转钻柱9镶嵌为一体，镶嵌在其内部；钻井液从钻井液通道入口10灌入。

液压防斜部分设置于非旋转钻柱8内，液压防斜部分包括液压防斜控制台21、四组液压防斜开关机构、支撑台17、四个液压防斜块7，支撑台17位于液压防斜控制台21的下方，钻井液通道4穿过支撑台17的中心，四组液压防斜开关机构均匀布置支撑台17上且环绕在钻井液通道4外侧；非旋转钻柱8与旋转钻柱9光滑接触；在非旋转钻柱8上安装有液压防斜块7，四个液压防斜块7均匀设置于非旋转钻柱壁中，非旋转钻柱壁均匀设置四个防斜槽，每个液压防斜块7通过钻柱壁弹簧24设置于一个防斜槽中，液压防斜块7通过钻柱壁弹簧24约束在非旋转钻柱8的防斜槽中，且液压防斜块7与防斜槽槽底有一定的孔隙，留作钻井液舱室；泄压通道15和增压通道16与舱室相通，泄压通道15内置有单向节流阀；增压通道16和钻井液垂向流道30相连接。

液压防斜控制台21的中心为磁力球槽，四条光滑磁力球通道35呈十字型布置在磁力球槽周边，四条光滑磁力球通道35内端均与磁力球槽相通，四条光滑磁力球通道35外端设置磁力球漏磁孔，磁力球37自由坐在磁力球槽内，磁力球漏磁孔的直径小于磁力球的直径；磁力球37的极性与磁力板34的极性相同。各光滑磁力球通道向下倾斜至磁力球槽，当钻柱发生一定角度的倾斜时，当倾斜的角度大于光滑磁力球通道的坡度时，磁力球37从磁力球槽滑出，滑到相应的磁力球漏磁孔并嵌在孔处，当钻柱恢复垂直时，磁力球从磁力球漏磁孔滚回到磁力球槽中。

每组液压防斜开关机构包括开关金属块25、杠杆开关18，杠杆开关18安装在支撑台17上，杠杆开关的杠杆金属块29的一端连接有垂向弹簧19，垂向弹簧19的上端衔接着磁力板34，垂向弹簧19向上伸入磁力球漏磁孔中，磁力板34位于磁力球漏磁孔中；杠杆开关的杠杆金属块29另一端固定磁力块28，垂向弹簧19的质量略小于磁力块28的质量；开关金属块25通过通道壁弹簧26设置在钻井液通道壁的开关槽中，开关槽的槽底与钻井液通道4相通，开关槽的下槽壁与钻井液垂向流道30相通，钻井液垂向流道30设置于钻井液通道壁中，开关金属块25位于磁力块28的侧上方，磁力块28翘起时，将开关金属块25从开关槽中吸出，钻井液通道4、开关槽、钻井液垂向流道30被导通；开关槽的槽底的孔和下槽壁的孔均受开关金属块25控制；开关金属块25与开关槽的槽底留有孔隙，此孔隙可由钻井液通道开关孔27往开关槽内输送钻井液；通道壁弹簧26负责将开关金属块25恢复至初始状态。

四个增压通道均匀分布在钻井液通道4四周，每个增压通道一端连接一个钻井液垂向流道30，另一端伸入到非旋转钻柱壁中且与一个防斜槽槽底相通，每个增压通道16下方设置一个泄压通道15，泄压通道15也与防斜槽槽底相通，泄压通道15另一端与钻井液通道4相通。

钻井液通道4穿过液压防斜控制台21时，分成三个分支钻井液通道23，钻井液汇流平台20设置于液压防斜控制台21下方，三个分支钻井液通道23又汇集于钻井液汇流平台20，钻井液汇流平台20下端连接钻井液通道4，钻井液通道4一直延伸到钻头1顶部。

当钻柱发生倾斜时，且倾斜的角度大于光滑磁力球通道35的坡度时，磁力球37会滑至倾斜方向的通道内，最终滑落至磁力板34的上方，由于磁力板34和磁力球37之间的反作用力，促使垂向弹簧19被压缩，进而导致杠杆金属块29受力将磁力块28翘起，磁力块28被翘起后，因为磁力作用将开关金属块25吸出，此时钻井液垂向流道30被打开，此时钻井液会通过进液孔31流进钻井液通道开关孔27中，然后进入钻井液垂向流道30中，再通过增压通道16注入到液压防斜块7的舱室内，由于增压通道16的直径大于泄压通道15的直径，所以舱室内压力急剧增加，进而将液压防斜块7推出，与井壁发生作用，将钻柱恢复至竖直状态；钻柱恢复至竖直状态后，磁力球37会沿光滑磁力球通道35滑至液压防斜控制台21的磁力球槽；磁力板34也不再受磁力球37的影响，因此垂向弹簧19恢复原来状态而恢复至原来位置；因垂向弹簧19不再受力，杠杆金属块29也不再受力，磁力块28落下，恢复原状态，开关金属块25被通道壁弹簧26拉回至原来位置，开关槽的槽底的孔和下槽壁的孔被封住，钻井液垂向流道30不再流入钻井液；因钻井液不再进入增压通道16中，舱室内的压力也减小，而钻柱壁弹簧24拉着液压防斜块7往回收缩，舱室内的钻井液通过泄压通道15经排液孔32流出，进而实现自动防斜功能。

Claims (6)

1.一种钻井自动防斜装置，其特征在于：这种钻井自动防斜装置包括钻头部分、旋转钻柱(9)、液压防斜部分和钻井液通道(4)；旋转钻柱内壁设置一圏凸齿，主传动齿轮(22)与凸齿啮合，主传动齿轮(22)通过传动杆(5)连接从动齿轮组带动钻头(1)转动，从动齿轮组固定在钻头内部；钻井液通道(4)贯穿旋转钻柱(9)、液压防斜部分，伸入到钻头(1)中；液压防斜部分设置于非旋转钻柱(8)内，液压防斜部分包括液压防斜控制台(21)、四组液压防斜开关机构、支撑台(17)、四个液压防斜块(7)，支撑台(17)位于液压防斜控制台(21)的下方，钻井液通道(4)穿过支撑台(17)的中心，四组液压防斜开关机构均匀布置支撑台(17)上且环绕在钻井液通道(4)外侧，四个液压防斜块(7)均匀设置于非旋转钻柱壁中，非旋转钻柱壁均匀设置四个防斜槽，每个液压防斜块通过钻柱壁弹簧(24)设置于一个防斜槽中；

液压防斜控制台(21)的中心为磁力球槽，四条光滑磁力球通道(35)呈十字型布置在磁力球槽周边，四条光滑磁力球通道内端均与磁力球槽相通，四条光滑磁力球通道外端设置磁力球漏磁孔，磁力球(37)自由坐在磁力球槽内，磁力球漏磁孔的直径小于磁力球的直径；

每组液压防斜开关机构包括开关金属块(25)、杠杆开关(18)，杠杆开关(18)安装在支撑台(17)上，杠杆开关的杠杆金属块(29)的一端连接有垂向弹簧(19)，垂向弹簧(19)的上端衔接着磁力板(34)，垂向弹簧(19)向上伸入磁力球漏磁孔中，磁力板(34)位于磁力球漏磁孔中，磁力球(37)的极性与磁力板(34)的极性相同；杠杆开关的杠杆金属块(29)另一端固定磁力块(28)，开关金属块(25)通过通道壁弹簧(26)设置在钻井液通道壁的开关槽中，开关槽的槽底与钻井液通道(4)相通，开关槽的下槽壁与钻井液垂向流道(30)相通，钻井液垂向流道(30)设置于钻井液通道壁中，开关金属块(25)位于磁力块(28)的侧上方，磁力块翘起时，将开关金属块从开关槽中吸出，钻井液通道(4)、开关槽、钻井液垂向流道(30)被导通；

四个增压通道(16)均匀分布在钻井液通道(4)四周，每个增压通道一端连接一个钻井液垂向流道(30)，另一端伸入到非旋转钻柱壁中且与一个防斜槽槽底相通，每个增压通道下方设置一个泄压通道(15)，泄压通道(15)也与防斜槽槽底相通，泄压通道另一端与钻井液通道(4)相通。

2.根据权利要求1所述的钻井自动防斜装置，其特征在于：所述的从动齿轮组由侧传动齿轮(11)和中心传动齿轮(13)构成，主传动齿轮(22)通过传动杆(5)连接侧传动齿轮(11)，侧传动齿轮(11)与中心传动齿轮(13)啮合，中心传动齿轮内部中空，钻井液通道从其中穿过，中心传动齿轮(13)与钻井液通道(4)之间设置轴承(14)，侧传动齿轮(11)和中心传动齿轮(13)设置于保护舱(3)内。

3.根据权利要求2所述的钻井自动防斜装置，其特征在于：所述的钻井液通道(4)穿过液压防斜控制台(21)时，分成三个分支钻井液通道(23)，钻井液汇流平台(20)设置于液压防斜控制台(21)下方，三个分支钻井液通道(23)又汇集于钻井液汇流平台(20)，钻井液汇流平台(20)下端连接钻井液通道(4)，钻井液通道一直延伸到钻头顶部。

4.根据权利要求3所述的钻井自动防斜装置，其特征在于：所述的各光滑磁力球通道(35)向下倾斜至磁力球槽，当钻柱发生一定角度的倾斜时，当倾斜的角度大于光滑磁力球通道的坡度时，磁力球(37)从磁力球槽滑出，滑到相应的磁力球漏磁孔并嵌在孔处，当钻柱恢复垂直时，磁力球(37)从磁力球漏磁孔滚回到磁力球槽中。

5.根据权利要求4所述的钻井自动防斜装置，其特征在于：所述的钻头部分设置有稳定器(2)，稳定器(2)上方为保护舱(3)。

6.一种权利要求5所述的钻井自动防斜装置的防斜方法，其特征在于：当钻柱发生一定角度的倾斜时，当倾斜的角度大于光滑磁力球通道(35)的坡度时，磁力球(37)从磁力球槽滑出，滑至磁力球漏磁孔中，由于磁力板(34)和磁力球(37)的极性相反，与磁力板(34)衔接的垂向弹簧(19)被压缩，此时磁力球处于平衡状态，垂向弹簧(19)受力通过开关金属块(25)将磁力块(28)翘起，至开关金属块(25)处，磁力块(28)将开关金属块(25)吸出，钻井液通道(4)、开关槽、钻井液垂向流道(30)被导通，钻井液通过钻井液垂向流道(30)流至增压通道(16)中，进而进入防斜槽，将液压防斜块(7)推出防斜槽，液压防斜块顶在井壁，将钻柱扶正，当钻柱回正后，因为光滑磁力通道有一定的坡度，磁力球(37)滑回磁力球槽，开关金属块(25)回到开关槽，钻井液通道(4)、开关槽、钻井液垂向流道(30)不再导通，钻井液不再注入防斜槽，钻柱壁弹簧将液压防斜块拉回防斜槽，防斜槽内的钻井液会通过泄压通道(15)流至钻井液通道中。

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