CN114876367B - 排量控制的钻柱复合钻进功能控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种排量控制的钻柱复合钻进功能控制器，包括：上接头，上TC轴承动圈，上TC轴承静圈，上TC静圈合金，上TC动圈合金，传动轴外壳，半环，承压套，隔套，串轴承，下TC轴承静圈，下TC静圈合金，下TC动圈合金，下TC轴承动圈，转换接头，防掉接头，控制外壳，上挡环，密封圈，节流口，上活塞，复位弹簧，定位套筒，功能转换轴，下挡环，下活塞，端盖，固定板，弹簧，柱塞，下接头。当与下活塞连接的结构下移、柱塞径向收缩时，与功能转换轴连接的结构共同带动与控制外壳连接的结构转动；当与下活塞连接的结构上移、柱塞径向外伸时，与功能转换轴连接的结构单独转动，与控制外壳连接的结构不转动。

Description

排量控制的钻柱复合钻进功能控制器

技术领域

本发明涉及一种用于钻探工程领域排量控制的钻柱复合钻进功能控制器，其主要应用领域包括石油天然气钻井工程、地质勘探、地热与新型油气资源开采等。

背景技术

定向钻井是使井身沿着预先设计的方向和轨迹钻达目的层的钻井工艺方法，现有的定向钻井技术分为弯螺杆定向和旋转导向技术。弯螺杆定向其成本低，属于滑动定向，易导致钻柱拖压严重，钻井效率和机械钻速低，井眼轨迹不易控制，钻屑堆积不易排出的情况。而旋转导向RSS工作方式为旋转钻进，其钻井效率大幅提高，但制造、使用、维护成本太高，如遇卡钻，被埋风险高，经济损失大。

因此综合弯螺杆定向的低成本以及旋转导向RSS高效率的特点，排量控制的钻柱复合钻进功能控制器对比现有定向技术，可以大幅度减小井壁摩阻，提高有效钻压、机械钻速与钻井效率，具有可靠性高、风险小、事故处理成本低等特点。

排量控制的钻柱复合钻进功能控制器能实现旋转钻进，以及定向钻进时钻柱旋转钻进，BHA滑动钻进。排量控制的钻柱复合钻进功能控制器可以提高定向钻井效率；大幅度减小成本；且安全性高，事故处理成本低。

发明内容

为了探索解决背景技术中所述的定向滑动钻进时钻井效率和钻井转速低，井眼轨迹不易控制与旋转钻进成本高、遇卡钻被埋风险高等问题，本发明提供了一种排量控制的钻柱复合钻进功能控制器。本发明可以减小钻进时钻压波动，同时实现井底钻具组合（BHA）和钻杆各自独立运动。当复合钻进时，钻柱系统和BHA共同旋转钻进；当定向钻进时，上部钻柱旋转钻进，BHA滑动钻进。定向井工程师可以通过控制排量控制的钻柱复合钻进功能控制器的运动状态转换实现复合钻进和滑动钻进。

本发明的技术方案是：排量控制的钻柱复合钻进功能控制器，其具有节流控制活塞组件与功能转换组件，其中，节流控制活塞组件由密封圈、节流口、上活塞、复位弹簧、定位套筒、下挡环、下活塞组装成，功能转换组件由端盖、固定板、弹簧、柱塞组装而成，功能转换组件从控制外壳的径向孔外部与控制外壳进行组装；所述复位弹簧具有足够大的刚度，节流控制活塞组件中通过螺纹连接后的上活塞与下活塞的总重量不足以压缩复位弹簧；所述节流口与上活塞采用过盈配合，使得钻井液通过节流口压降产生的附加钻井液推力足以压缩复位弹簧时，上活塞与节流口实现同步移动，保证钻进功能转换的顺利进行；所述节流控制活塞组件的上端由上挡环进行轴向限位，所述下挡环对复位弹簧与定位套筒起到轴向限位的作用，所述上挡环、下挡环与功能转换轴的配合方式均采用过盈配合，过盈配合的方式固定了上挡环与下挡环的位置，从而保证节流控制活塞组件的轴向移动范围。

在上述本发明的排量控制的钻柱复合钻进功能控制器中，所述控制外壳通过螺纹连接下接下接头，通过螺纹连接上接转换接头；所述转换接头通过螺纹连接上接传动轴外壳；传动轴外壳、转换接头、控制外壳、下接头两两相邻结构之间通过螺纹连接保证了运动状态的一致性；所述传动轴外壳、转换接头、控制外壳、下接头均属于外壳类结构。

在上述本发明的排量控制的钻柱复合钻进功能控制器中，所述上接头、防掉接头、功能转换轴均属于中心轴，考虑加工的需要，拆分为了这三个结构；所述功能转换轴通过螺纹连接上接防掉接头；所述防掉接头通过螺纹连接上接上接头；上接头、防掉接头、功能转换轴两两相邻结构之间通过螺纹连接保证了转动的一致性；所述防掉接头的凸台可以保证装配时上接头轴向位置的固定。

在上述本发明的排量控制的钻柱复合钻进功能控制器中，所述转换接头上接下TC组件，下TC组件由下TC轴承静圈、下TC静圈合金、下TC动圈合金、下TC轴承动圈组装而成，下TC组件由转换接头与传动轴外壳进行轴向限位。

在上述本发明的排量控制的钻柱复合钻进功能控制器中，所述下TC组件上接串轴承，串轴承上接承压套、隔套，承压套上接半环，半环与隔套上接上TC组件，上TC组件由上TC轴承动圈、上TC轴承静圈、上TC静圈合金、上TC动圈合金组装而成，上TC组件上接上接头，上TC组件由半环、隔套、传动轴外壳进行轴向限位。

在上述本发明的排量控制的钻柱复合钻进功能控制器中，所述下接头可下接MWD、BHA（井底钻具组合），MWD、BHA、下接头之间通过螺纹连接，保证运动状态的一致。

在上述本发明的排量控制的钻柱复合钻进功能控制器中，所述节流控制活塞组件在受到的钻井液压力足以推动上活塞压缩复位弹簧时，节流控制活塞组件下移，下活塞的圆锥面结构与柱塞的圆锥面结构相接触，在节流控制活塞组件继续下移的过程中，下活塞的圆锥面结构与柱塞的圆锥面结构逐渐脱离接触，同时功能转换组件径向收缩到功能转换轴的径向孔中，柱塞的柱塞杆与端盖的孔进行配合，当上接头、防掉接头、功能转换轴在同步转动时，带动传动轴外壳、转换接头、控制外壳、下接头、MWD、BHA共同转动，实现BHA的旋转钻进；当钻井液压力持续减小，达到钻井液压力与上活塞和下活塞的总重力小于复位弹簧的回复力的状态时，复位弹簧推动节流控制活塞组件上移，下活塞的圆锥面结构与柱塞的圆锥面结构接触，节流控制活塞组件持续上移的过程中，下活塞的圆锥面结构与柱塞的圆锥面结构逐渐脱离接触，同时功能转换组件径向伸出到功能转换轴的轴向孔中，柱塞的柱塞杆与端盖的孔脱离配合，当上接头、防掉接头、功能转换轴在同步转动时，传动轴外壳、转换接头、控制外壳、下接头、MWD、BHA不转动，钻进过程中BHA只发生移动，实现BHA的滑动钻进。

本发明的有益效果是：(1)排量控制的钻柱复合钻进功能控制器依靠改变排量的方式实现钻进状态的转换，可以实现在钻杆连续旋转时完成BHA定向滑动钻进，减少卡钻风险，利于井眼清洁；(2)定向时，实现BHA旋转钻进和滑动钻进的高效转换，(3)能减小钻压摩阻，降粘防卡，提高机械钻速，增加钻具的使用寿命；(4)排量控制依托的介质是钻井液，利用方便。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是上挡环与节流控制活塞组件的结构示意图；

图3是功能转换组件的结构示意图。

图中1.上接头，2.上TC轴承动圈，3.上TC轴承静圈，4.上TC静圈合金，5.上TC动圈合金，6.传动轴外壳，7.半环，8.承压套，9.隔套，10.串轴承，11.下TC轴承静圈，12.下TC静圈合金，13.下TC动圈合金，14.下TC轴承动圈，15.转换接头，16.防掉接头，17.控制外壳，18.上挡环，19.密封圈，20.节流口，21.上活塞，22.复位弹簧，23.定位套筒，24.功能转换轴，25.挡环，26.下活塞，27.端盖，28.固定板，29.弹簧，30.柱塞，31.下接头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明涉及安装有节流控制活塞组件与功能转换组件的排量控制的钻柱复合钻进功能控制器，节流控制活塞组件与功能转换组件的位置关系变化来保证钻柱钻进状态的变换。

参见附图1，排量控制的钻柱复合钻进功能控制器，其组装顺序为：将下TC轴承静圈11、下TC静圈合金12、下TC动圈合金13、下TC轴承动圈14组装成下TC组件，将组装好的下TC组件组装到传动轴外壳6中，再将转换接头15与传动轴外壳6组装在一起；将串轴承10组装到下TC组件上方，再将隔套9组装到串轴承10上方；将上TC轴承动圈2、上TC轴承静圈3、上TC静圈合金4、上TC动圈合金5组装成上TC组件，再将上TC组件与上接头1组装在一起，随后将半环7、承压套8与上接头1组装在一起，随后将组装后的上TC组件与传动轴外壳6组装在一起；将防掉接头16与上接头1组装在一起，再将控制外壳17与转换接头15组装在一起；将上挡环18与功能转换轴24通过过盈配合的方式组装在一起，其中，上挡环18的轴向位置在装配时保证；将密封圈19与上活塞21组装在一起，再将节流口20与上活塞21通过过盈配合的方式组装在一起，然后将上活塞21组装到功能转换轴24中，并保证上活塞21的上端由上挡环18进行轴向定位，然后将复位弹簧22组装到上活塞21的下部，复位弹簧22上端依靠上活塞21进行轴向定位，再将定位套筒23与复位弹簧22组装在一起，随后将下挡环25组装到功能转换轴24中，并保证下挡环25与功能转换轴24的配合方式为过盈配合，下挡环25由复位弹簧22的下端由进行轴向定位，然后将下活塞26与上活塞21组装在一起，形成节流控制活塞组件，再将节流控制活塞组件与防掉接头16组装在一起；将端盖27与固定板28连接在一起，将固定板28与弹簧29固连，将弹簧29与柱塞30组装在一起，形成功能转换组件，再将功能转换组件从控制外壳17的径向孔外部与控制外壳17进行组装；最后将下接头31与控制外壳17组装在一起。

本发明为了保证节流控制活塞组件移动时的工作性能，在上挡环19的下端开设径向通孔，使得下挡环25下方的环形空间的钻井液压降与经过节流口20的压降相等；为防止钻井液直接经上活塞21与功能转换轴24之间的配合间隙进入上活塞21下腔造成压降不稳定的现象，安装有密封圈19；为保证节流控制活塞组件组装后轴向位置的固定，采用了具有足够大的刚度的复位弹簧22、与功能转换轴24过盈配合的下挡环25；为保证钻井液通过节流口压降产生的附加钻井液推力足以使得上活塞21压缩复位弹簧22，节流口20与上活塞21之间的配合方式为过盈配合；考虑经济成本与复位弹簧22的承载能力，使用上挡环18控制节流控制活塞组件的上极限位置，避免了依靠功能转换轴24限定节流控制活塞组件的上极限位置时，复位弹簧22承载上部所有结构的压力造成失效的情况；为了避免复位弹簧22被过度压缩以及保证节流控制活塞组件移动的下极限位置，设置了套筒23。

排量控制的钻柱复合钻进功能控制器，所述上接头1上接上部钻柱，下接头31下接MWD、BHA。所述传动轴外壳6、转换接头15、控制外壳17、下接头31以及与MWD、BHA之间均采用螺纹连接的方式，所述上部钻柱、上接头1、防掉接头16、功能转换轴24之间均采用螺纹连接的方式。

排量控制的钻柱复合钻进功能控制器，常态下控制BHA的钻进状态为滑动钻进，对应地，节流控制活塞组件处于上极限位置，复位弹簧22没有在钻井液的压力与上活塞21和下活塞26的总重力作用下被压缩，功能转换组件中的柱塞30外伸在功能转换轴24的轴向孔中，上部钻柱带动上接头1、防掉接头16、功能转换轴24共同转动，传动轴外壳6、转换接头15、控制外壳17、下接头31以及与MWD、BHA在钻进时处于滑动状态。当MWD测得钻井参数需要进行旋转钻进时，信号传输到地面计算机，停钻，增大钻井泵的钻井液排量，一直增大到压缩复位弹簧22动作的程度，保持钻井液排量的稳定；这时，上活塞21压缩复位弹簧22，节流控制活塞组件下移，下活塞26的圆锥面向柱塞30圆锥面靠近，接触后，在节流控制活塞组件继续下移的过程中，柱塞30压缩弹簧29，节流控制活塞组件下移到下极限位置后，柱塞30的圆锥面完全进入功能转换轴24的径向孔中，柱塞30的柱塞杆与端盖26的孔配合，开启钻进，上部钻柱带动上接头1、防掉接头16、功能转换轴24共同转动，在功能转换组件的作用下，功能转换轴24带动控制外壳17、传动轴外壳6、转换接头15、下接头31、MWD、BHA共同转动，实现BHA的旋转钻进。当MWD测得钻井参数需要进行滑动钻进时，信号传输到地面计算机，停钻，减小钻井泵的钻井液排量，一直减小到钻井液压力与上活塞和下活塞的总重力的合力小于复位弹簧22的回复力的状态的程度，保持钻井液排量的稳定；这时，复位弹簧22上推上活塞21，节流控制活塞组件上移，下活塞26的圆锥面远离柱塞30圆锥面，完全脱离接触后，柱塞30的圆锥面保持在功能转换轴24的轴向孔中，柱塞30的柱塞杆与端盖26的孔完全脱离配合，节流控制活塞组件上移到上极限位置后，开启钻进，上部钻柱带动上接头1、防掉接头16、功能转换轴24共同转动，控制外壳17与功能转换轴24之间没有连接，使得传动轴外壳6、转换接头15、控制外壳17、下接头31、MWD、BHA处于滑动状态，实现BHA的滑动钻进。

排量控制的钻柱复合钻进功能控制器，考虑到节流控制活塞组件具有两处台阶，下档环25位于两处台阶之间，故将活塞分为上活塞21与下活塞26。

以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.排量控制的钻柱复合钻进功能控制器，其特征在于：包括上接头（1），上TC轴承动圈（2），上TC轴承静圈（3），上TC静圈合金（4），上TC动圈合金（5），传动轴外壳（6），半环（7），承压套（8），隔套（9），串轴承（10），下TC轴承静圈（11），下TC静圈合金（12），下TC动圈合金（13），下TC轴承动圈（14），转换接头（15），防掉接头（16），控制外壳（17），上挡环（18），密封圈（19），节流口（20），上活塞（21），复位弹簧（22），定位套筒（23），功能转换轴（24），下挡环（25），下活塞（26），端盖（27），固定板（28），弹簧（29），柱塞（30），下接头（31）；密封圈（19）、节流口（20）、上活塞（21）、复位弹簧（22）、定位套筒（23）、下挡环（25）、下活塞（26）组装成节流控制活塞组件；端盖（27）、固定板（28）、弹簧（29）、柱塞（30）组装成功能转换组件，所述固定板（28）与端盖（27）固连、弹簧（29）与固定板（28）固连，所述弹簧（29）在排量控制的钻柱复合钻进功能控制器不工作时处于自然状态；下TC轴承静圈（11）、下TC静圈合金（12）、下TC动圈合金（13）、下TC轴承动圈（14）组装成下TC组件；上TC轴承动圈（2）、上TC轴承静圈（3）、上TC静圈合金（4）、上TC动圈合金（5）组装成上TC组件；所述节流控制活塞组件与上挡环（18）组装在功能转换轴（24）中，所述功能转换组件组装到控制外壳（17）上，所述功能转换轴（24）组装到控制外壳（17）中，所述控制外壳（17）下接下接头（31）、上接防掉接头（16）、转换接头（15），所述防掉接头（16）上接上接头（1），所述转换接头（15）上接下TC组件、传动轴外壳（6），所述下TC组件上接串轴承（10），所述串轴承（10）上接半环（7）、承压套（8）、隔套（9）、上TC组件；所述排量控制的钻柱复合钻进功能控制器在钻井液排量不足以推动上活塞（21）压缩复位弹簧（22）时，上活塞（21）处于上极限位置，柱塞（30）处于外伸位置，相应地，依靠螺纹连接的上接头（1）、防掉接头（16）、功能转换轴（24）转动时不会影响传动轴外壳（6）、转换接头（15）、控制外壳（17）、下接头（31）的运动状态；所述排量控制的钻柱复合钻进功能控制器在钻井液排量足以推动上活塞（21）压缩复位弹簧（22）时，上活塞（21）运动到下极限位置，柱塞（30）处于收缩位置，柱塞（30）的圆锥面完全进入功能转换轴（24）的径向通孔中，柱塞（30）的柱塞杆插入端盖（27）的孔中，相应地，依靠螺纹连接的上接头（1）、防掉接头（16）、功能转换轴（24）转动时带动柱塞（30）转动，再由柱塞（30）带动传动轴外壳（6）、转换接头（15）、控制外壳（17）、下接头（31）的转动。

2.根据权利要求1所述的排量控制的钻柱复合钻进功能控制器，其特征在于：所述传动轴外壳（6）与转换接头（15）由螺纹进行连接，转换接头（15）与控制外壳（17）由螺纹进行连接，控制外壳（17）与下接头（31）由螺纹进行连接；相邻结构通过螺纹连接可以保持相同的运动状态。

3.根据权利要求1所述的排量控制的钻柱复合钻进功能控制器，其特征在于：所述复位弹簧（22）具有大刚度，保证由螺纹连接的上活塞（21）与下活塞（26）不因自重下压复位弹簧（22）使得节流控制活塞组件发生动作。

4.根据权利要求1所述的排量控制的钻柱复合钻进功能控制器，其特征在于：所述下挡环（25）用于保证节流控制活塞组件的下极限位置，控制柱塞（30）稳定地处于收缩状态。

5.根据权利要求1所述的排量控制的钻柱复合钻进功能控制器，其特征在于：所述下活塞（26）的圆锥面结构用于与柱塞（30）圆锥面的接触，使得柱塞（30）能收缩到功能转换轴（24）的径向孔中。

6.根据权利要求1所述的排量控制的钻柱复合钻进功能控制器，其特征在于：所述功能转换轴（24）与防掉接头（16）采用螺纹连接、防掉接头（16）与上接头（1）采用螺纹连接，保证转动的同步。