CN116927658A - 一种钻井工具控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气钻井设备领域，公开一种钻井工具控制系统。所述钻井工具控制系统包括心轴、外壳、感应机构和液压控制机构，感应机构包括钟摆重锤和万向节，钟摆重锤通过万向节与扶正筒连接，并位于钟摆外筒和中心轴之间；液压控制机构包括平移座、压环、喷嘴和液压流道，钟摆重锤的底部套设于平移座上，平移座与钟摆重锤的底部沿轴向连接，压环设置于平移座上，压环用于封堵喷嘴，喷嘴和液压流道连通，液压流道用于与执行机构连接，喷嘴和液压流道分别沿周向均匀设置有多个。本发明能够感应钻进过程中井斜的产生，并通过液压控制机构对液压流道进行控制，达到液压分配以及压差控制的目的，驱动执行机构的液压元件工作，达到纠斜保直的效果。

Description

一种钻井工具控制系统

技术领域

本发明涉及油气钻井设备领域，尤其涉及一种钻井工具控制系统。

背景技术

钻井是把地下油气资源开采到地面的必然途径。在石油钻井过程中，垂直钻井一直是实现经济快速钻井的有效手段。但由于地质原因，很难避免井斜的发生，例如满眼、钟摆、塔式等的常规垂直钻井防斜纠偏技术无法满足高陡构造及深井、超深井等复杂工况下钻直井的需要。

发明内容

基于以上问题，本发明的目的在于提供一种钻井工具控制系统，能够满足高陡构造及深井、超深井等复杂工况下钻直井的需要。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

本发明提供了一种钻井工具控制系统，包括：

心轴，包括相连接的上接头和中心轴；

外壳，包括相连接的扶正筒和钟摆外筒，所述扶正筒分别与所述上接头和所述中心轴转动连接；

感应机构，包括钟摆重锤和万向节，所述钟摆重锤通过所述万向节与所述扶正筒连接，并位于所述钟摆外筒和所述中心轴之间；

液压控制机构，包括平移座、压环、喷嘴和液压流道，所述钟摆重锤的底部套设于所述平移座上，所述平移座与所述钟摆重锤的底部沿轴向连接，所述压环设置于所述平移座上，所述压环用于封堵所述喷嘴，所述喷嘴和所述液压流道连通，所述液压流道用于与执行机构连接，所述喷嘴和所述液压流道分别沿周向均匀设置有多个，所述钟摆重锤能够在重力作用下相对所述钟摆外筒沿径向偏移，并带动所述平移座偏移，以使所述压环打开至少一个所述喷嘴。

作为本发明提供的钻井工具控制系统的可选方案，所述液压控制机构还包括调压弹簧，所述调压弹簧沿轴向夹设于所述钟摆重锤与所述平移座之间。

作为本发明提供的钻井工具控制系统的可选方案，所述钟摆重锤上设置有防脱螺钉，所述平移座上设置有与所述防脱螺钉配合的防脱凹槽。

作为本发明提供的钻井工具控制系统的可选方案，所述万向节包括第一连接部、转轴、第二连接部和第三连接部，所述第一连接部与所述扶正筒连接，并通过所述转轴与所述第二连接部转动连接，所述第三连接部的一端与所述第二连接部连接，另一端与所述钟摆重锤连接。

作为本发明提供的钻井工具控制系统的可选方案，所述上接头与所述扶正筒通过硬质合金径向轴承连接。

作为本发明提供的钻井工具控制系统的可选方案，所述中心轴上设置有挡圈，所述扶正筒上设置有与所述挡圈配合的限位凹槽。

作为本发明提供的钻井工具控制系统的可选方案，所述钟摆外筒与所述扶正筒螺纹连接。

作为本发明提供的钻井工具控制系统的可选方案，所述扶正筒上设置有与所述钟摆外筒螺纹连接的防退螺钉。

作为本发明提供的钻井工具控制系统的可选方案，所述扶正筒与所述中心轴之间设置有滚动轴承。

作为本发明提供的钻井工具控制系统的可选方案，所述滚动轴承包括轴承套和钢珠，所述轴承套包括外圈与内圈，所述外圈与所述扶正筒连接，所述内圈与所述中心轴连接，所述钢珠夹设于所述外圈和所述内圈之间。

本发明的有益效果为：

本发明提供的钻井工具控制系统，在钻井作业时，由于该钻井工具控制系统处于近钻头位置，工具井斜近似于井眼井斜，当该钻井工具控制系统处于垂直状态时，钟摆重锤也相应处于中位，压环同时压住所有的液压流道，所有液压流道均处于憋压状态，各流道间无压差，各执行元件推靠力相同，该钻井工具控制系统起扶正钻头作用，维持井眼垂直，当钻进井眼产生井斜时，该钻井工具控制系统处于倾斜状态，钟摆重锤由于重力作用靠向垂直方向，由于钟摆重锤上部由万向节连接，下部相对自由，下部带着平移座与压环向重力低边移动，处于低边一侧的液压流道露出，处于流通状态，压力低，其余液压流道被压环压住，处于憋压状态，压力高，各执行元件由于压力差，重力低边一侧执行元件推靠力小于其他执行元件，产生总推靠力将该钻井工具控制系统向重力低边推动，直至该钻井工具控制系统恢复垂直状态，因此，该钻井工具控制系统能够感应钻进过程中井斜的产生，并通过液压控制机构对液压流道的“通、断”进行控制，达到液压分配以及压差控制的目的，驱动执行机构的液压元件工作，达到纠斜保直的效果，满足高陡构造及深井、超深井等复杂工况下钻直井的需要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施方式提供的钻井工具控制系统的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的钻井工具控制系统中一部分结构的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式提供的钻井工具控制系统中另一部分结构的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式提供的钻井工具控制系统中又一部分结构的结构示意图；

图5是本发明具体实施方式提供的钻井工具控制系统处于垂直状态的结构示意图；

图6是本发明具体实施方式提供的钻井工具控制系统处于倾斜状态的结构示意图。

图中：

1-心轴；2-外壳；3-感应机构；4-液压控制机构；5-硬质合金径向轴承；6-滚动轴承；

11-上接头；12-中心轴；121-挡圈；

21-扶正筒；22-钟摆外筒；

211-限位凹槽；212-防退螺钉；

31-钟摆重锤；32-万向节；

321-第一连接部；322-转轴；323-第二连接部；324-第三连接部；

41-平移座；42-压环；43-喷嘴；44-液压流道；45-调压弹簧；46-防脱螺钉；61-轴承套；611-外圈；612-内圈；62-钢珠。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，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，本领域技术人员在没有作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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图6所示，本实施例提供一种钻井工具控制系统，实际使用时应与执行机构配合使用，适用于静态推靠机械式自动垂直钻井工具，执行机构不随钻柱一同旋转。执行机构可以是推靠式肋板、推靠块等液压控制下对井壁施加径向力以对钻柱进行纠斜的各种执行机构。

该钻井工具控制系统包括心轴1、外壳2、感应机构3和液压控制机构4。心轴1中空，是钻井液的通道。外壳2将感应机构3与外部井壁隔离开，保护着感应机构3和液压控制机构4。其中，心轴1包括相连接的上接头11和中心轴12，上接头11起着与上部钻具连接、传递扭矩以及通过钻井液的功能。外壳2包括相连接的扶正筒21和钟摆外筒22，扶正筒21分别与上接头11和中心轴12转动连接。

感应机构3包括钟摆重锤31和万向节32，钟摆重锤31是一个实心筒，下部较上部更厚，以保证重心偏下，钟摆重锤31通过万向节32与扶正筒21连接，并位于钟摆外筒22和中心轴12之间，保证钟摆重锤31可以在钟摆外筒22与中心轴12之间的360°范围内沿径向偏移。液压控制机构4包括平移座41、压环42、喷嘴43和液压流道44，钟摆重锤31的底部套设于平移座41上，平移座41与钟摆重锤31的底部沿轴向连接，压环42设置于平移座41上，压环42用于封堵喷嘴43，喷嘴43和液压流道44连通，液压流道44用于与上述执行机构连接，压环42与喷嘴43、液压流道44的接触面处理为光滑面，降低了摩擦阻力，并且喷嘴43与压环42接触后缝隙较小，可以形成有效憋压作用。

喷嘴43和液压流道44分别沿周向均匀设置有多个，钟摆重锤31能够在重力作用下相对钟摆外筒22沿径向偏移，并带动平移座41偏移，以使压环42打开至少一个喷嘴43。该处结构建议在360°平面上均匀设置4个喷嘴43，对应4条可控制的液压流道44，用来控制下部的执行机构，也可根据需求调整为6条或更多。下部有一对TC轴承，可与执行机构连接，保证执行机构不随心轴1旋转，即本发明应用于机械式垂直钻井工具为静态推靠式，执行机构不随钻柱一同旋转。根据执行机构形式在心轴1或钟摆外筒22上开泄压孔，配合形成液压闭环。

执行机构的执行单元数应与液压流道44数相同，即一条液压流道44控制一个执行单元。执行单元布置形式可为单层或多层，每层应相对布置，即每层至少两个执行单元，且在径向截面成轴对称形式。将本发明与执行机构安装在一起后安装在钻柱中下井使用，安装位置在近钻头位置使用，上部安装随钻测斜仪器，参考钻具组合：钻头+双母+机械式垂直钻井工具执行机构+该钻井工具控制系统+浮阀+变扣+直螺杆+定位接头+无磁钻铤+加重钻杆+钻杆。

在钻井作业时，由于该钻井工具控制系统处于近钻头位置，工具井斜近似于井眼井斜，当该钻井工具控制系统处于垂直状态时，钟摆重锤31也相应处于中位，压环42同时压住所有的液压流道44，所有液压流道44均处于憋压状态，各流道间无压差，各执行元件推靠力相同，该钻井工具控制系统起扶正钻头作用，维持井眼垂直。

当钻进井眼产生井斜时，该钻井工具控制系统处于倾斜状态，钟摆重锤31由于重力作用靠向垂直方向，由于钟摆重锤31上部由万向节32连接，下部相对自由，下部带着平移座41与压环42向重力低边移动，处于低边一侧的液压流道44露出，处于流通状态，压力低，其余液压流道44被压环42压住，处于憋压状态，压力高，各执行元件由于压力差，重力低边一侧执行元件推靠力小于其他执行元件，产生总推靠力将该钻井工具控制系统向重力低边推动，直至该钻井工具控制系统恢复垂直状态。

因此，该钻井工具控制系统能够感应钻进过程中井斜的产生，并通过液压控制机构4对液压流道44的“通、断”进行控制，达到液压分配以及压差控制的目的，驱动执行机构的液压元件工作，达到纠斜保直的效果，满足高陡构造及深井、超深井等复杂工况下钻直井的需要。

可选地，液压控制机构4还包括调压弹簧45，调压弹簧45沿轴向夹设于钟摆重锤31与平移座41之间，可以对平移座41提供一定压力，并保持钟摆重锤31与平移座41之间的软连接状态。

为防止钟摆重锤31与平移座41脱节，可选地，钟摆重锤31上设置有防脱螺钉46，平移座41上设置有与防脱螺钉46配合的防脱凹槽。

为提高万向节32的自由度，可选地，万向节32包括第一连接部321、转轴322、第二连接部323和第三连接部324，第一连接部321与扶正筒21连接，并通过转轴322与第二连接部323转动连接，第三连接部324的一端与第二连接部323连接，另一端与钟摆重锤31连接。

可选地，上接头11与扶正筒21通过硬质合金径向轴承5连接，硬质合金径向轴承5可以起到支撑与连接的作用的同时，也保证了上接头11与扶正筒21相互自由转动以及具备一定密封能力。

为避免扶正筒21与心轴1之间窜动，可选地，中心轴12上设置有挡圈121，扶正筒21上设置有与挡圈121配合的限位凹槽211。

可选地，钟摆外筒22与扶正筒21螺纹连接。钟摆外筒22与扶正筒21之间还设置有密封圈，保持两者的密封性。为防止扶正筒21与钟摆外筒22脱节，可选地，扶正筒21上设置有与钟摆外筒22螺纹连接的防退螺钉212。

可选地，扶正筒21与中心轴12之间设置有滚动轴承6，滚动轴承6起着支撑心轴1与扶正筒21，并降低摩阻的作用。可选地，滚动轴承6为分体式，滚动轴承6包括轴承套61和钢珠62，轴承套61包括外圈611与内圈612，外圈611与扶正筒21连接，内圈612与中心轴12连接，钢珠62夹设于外圈611和内圈612之间。

本实施例提供的钻井工具控制系统，在钻井作业时，由于该钻井工具控制系统处于近钻头位置，工具井斜近似于井眼井斜，当该钻井工具控制系统处于垂直状态时，钟摆重锤31也相应处于中位，压环42同时压住所有的液压流道44，所有液压流道44均处于憋压状态，各流道间无压差，各执行元件推靠力相同，该钻井工具控制系统起扶正钻头作用，维持井眼垂直。

当钻进井眼产生井斜时，该钻井工具控制系统处于倾斜状态，钟摆重锤31由于重力作用靠向垂直方向，由于钟摆重锤31上部由万向节32连接，下部相对自由，下部带着平移座41与压环42向重力低边移动，处于低边一侧的液压流道44露出，处于流通状态，压力低，其余液压流道44被压环42压住，处于憋压状态，压力高，各执行元件由于压力差，重力低边一侧执行元件推靠力小于其他执行元件，产生总推靠力将该钻井工具控制系统向重力低边推动，直至该钻井工具控制系统恢复垂直状态。

因此，该钻井工具控制系统能够感应钻进过程中井斜的产生，并通过液压控制机构4对液压流道44的“通、断”进行控制，达到液压分配以及压差控制的目的，驱动执行机构的液压元件工作，达到纠斜保直的效果，满足高陡构造及深井、超深井等复杂工况下钻直井的需要。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种钻井工具控制系统，其特征在于，包括：

心轴，包括相连接的上接头和中心轴；

外壳，包括相连接的扶正筒和钟摆外筒，所述扶正筒分别与所述上接头和所述中心轴转动连接；

感应机构，包括钟摆重锤和万向节，所述钟摆重锤通过所述万向节与所述扶正筒连接，并位于所述钟摆外筒和所述中心轴之间；

液压控制机构，包括平移座、压环、喷嘴和液压流道，所述钟摆重锤的底部套设于所述平移座上，所述平移座与所述钟摆重锤的底部沿轴向连接，所述压环设置于所述平移座上，所述压环用于封堵所述喷嘴，所述喷嘴和所述液压流道连通，所述液压流道用于与执行机构连接，所述喷嘴和所述液压流道分别沿周向均匀设置有多个，所述钟摆重锤能够在重力作用下相对所述钟摆外筒沿径向偏移，并带动所述平移座偏移，以使所述压环打开至少一个所述喷嘴。

2.根据权利要求1所述的钻井工具控制系统，其特征在于，所述液压控制机构还包括调压弹簧，所述调压弹簧沿轴向夹设于所述钟摆重锤与所述平移座之间。

3.根据权利要求1所述的钻井工具控制系统，其特征在于，所述钟摆重锤上设置有防脱螺钉，所述平移座上设置有与所述防脱螺钉配合的防脱凹槽。

4.根据权利要求1所述的钻井工具控制系统，其特征在于，所述万向节包括第一连接部、转轴、第二连接部和第三连接部，所述第一连接部与所述扶正筒连接，并通过所述转轴与所述第二连接部转动连接，所述第三连接部的一端与所述第二连接部连接，另一端与所述钟摆重锤连接。

5.根据权利要求1所述的钻井工具控制系统，其特征在于，所述上接头与所述扶正筒通过硬质合金径向轴承连接。

6.根据权利要求1所述的钻井工具控制系统，其特征在于，所述中心轴上设置有挡圈，所述扶正筒上设置有与所述挡圈配合的限位凹槽。

7.根据权利要求1所述的钻井工具控制系统，其特征在于，所述钟摆外筒与所述扶正筒螺纹连接。

8.根据权利要求1所述的钻井工具控制系统，其特征在于，所述扶正筒上设置有与所述钟摆外筒螺纹连接的防退螺钉。

9.根据权利要求1-8任一项所述的钻井工具控制系统，其特征在于，所述扶正筒与所述中心轴之间设置有滚动轴承。

10.根据权利要求9所述的钻井工具控制系统，其特征在于，所述滚动轴承包括轴承套和钢珠，所述轴承套包括外圈与内圈，所述外圈与所述扶正筒连接，所述内圈与所述中心轴连接，所述钢珠夹设于所述外圈和所述内圈之间。