CN117823045A - 泥浆动力侧向力发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油钻井工程随钻测控技术领域，具体公开了一种泥浆动力侧向力发生装置，包括推靠器柱状主体、推靠装置和控制阀；推靠装置包括推靠器柱状主体周向均匀设置有至少三个活塞孔，活塞孔内设置有球形活塞，活塞孔远离轴心一侧设置有摩擦块；控制阀包括设置于空腔内的工作阀，使得角度阀在外部动力的作用下保持在特定方向，推靠器柱状主体转动过程中，转动至上述特定方向的控制流道导通，位于该方向的球形活塞推动摩擦块伸出，对推靠器柱状主体向上述特定方向施加动态的推力。本发明不需要专门设置适应泥浆恶劣环境下活塞密封圈，降低了成本，在运动过程中，球本身的自转可使自身磨损比较均匀，消除了偏磨现象，整体寿命有较大提升。

Description

泥浆动力侧向力发生装置

技术领域

本发明涉及石油钻井工程随钻测控技术领域，尤其是一种泥浆动力侧向力发生装置。

背景技术

随着石油开发技术的发展，水平井和定向井在开发井中所占的比例越来越高，定向井和水平井施工过程中，常见的轨迹控制方法为滑动钻进螺杆进行轨迹控制，以及应用旋转导向系统进行轨迹控制。现代导向钻井有滑动导向与旋转导向两种类型，常用的旋转导向技术也有两种，一种是指向式导向，一种是推靠式导向。

现有的推靠式旋转导向钻井系统由地面监控系统和井下工具构成。井下工具分为导向短节、随钻测量系统、双向通讯和动力模块三大模块，各模块之间通过标准化接头连接。该标准化接头包含钻杆和导电装置，可同时完成各模块间的连接、密封和电子连接。

其中，随钻测量系统由无磁钻铤和随钻测量探管构成，作用是测量井斜和方位并将测得的数据发送给脉冲发生器和导向控制系统。双向通讯和动力模块主要由无磁钻铤、泥浆发电机、脉冲发生器、电子仓等构成，作用是为井下工具提供电能，完成地面-井下双向通讯的大部分工作(即捕捉地面监控系统下传的指令信号，向地面发送钻井液正脉冲信号)。导向短节是旋转导向钻井系统在钻柱旋转的条件下进行定向钻井时的井下决策和执行机构，作用是将转盘扭矩传递给钻头并控制钻头侧向切削地层的侧向力大小和方向。导向短节结构复杂，工况复杂，承受的载荷复杂，其性能和寿命直接决定旋转导向系统的优劣，是旋转导向钻井系统最核心的部分。

基于此，如何降低成本，提高导向系统的使用寿命，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种泥浆动力侧向力发生装置，不需要专门设置适应泥浆恶劣环境下活塞密封圈，降低了成本，在运动过程中，球本身的自转可使自身磨损比较均匀，消除了偏磨现象，整体寿命有较大提升。

为实现上述目的，本发明提供一种泥浆动力侧向力发生装置，包括推靠器柱状主体、推靠装置和控制阀；所述推靠器柱状主体沿轴心方向设置有空腔；所述推靠装置包括所述推靠器柱状主体周向均匀设置有至少三个活塞孔，所述活塞孔内设置有球形活塞，所述活塞孔远离轴心一侧设置有摩擦块；所述控制阀包括设置于所述空腔内的工作阀，所述工作阀分别设置有与所述活塞孔连通的控制流道，至少三个的所述控制流道与所述空腔内连通的出口设置有用于控制所述控制流道与所述空腔开断的角度阀，使得所述角度阀在外部动力的作用下保持在特定方向，推靠器柱状主体转动过程中，转动至上述特定方向的所述控制流道导通，位于该方向的球形活塞推动摩擦块伸出，对所述推靠器柱状主体向上述特定方向施加动态的推力。

进一步的，所述工作阀沿轴向设置有工作流道。

进一步的，所述角度阀包括阀杆和阀片，所述阀片设置有扇形的开口。

进一步的，所述阀杆的轴向端部设置有控制轴，所述控制轴设置有用于使所述控制轴的轴心与所述推靠器柱状主体的轴心重合的扶正环。

进一步的，所述控制轴和所述阀杆之间设置有使所述角度阀向所述控制流动方向移动的弹簧。

进一步的，所述活塞孔内设置有便于所述球形活塞移动的活塞套。

进一步的，所述活塞套内壁沿所述球形活塞的运动方向设置有排液槽。

进一步的，所述推靠器柱状主体的一端设置有过渡接头，所述过渡接头沿轴向设置有空腔，该空腔内设置有与所述控制轴连接的过渡轴。

进一步的，环绕所述角度阀和所述控制轴设置有过滤网。

进一步的，所述推靠器柱状主体远离所述过渡接头的一端设置有喷嘴。

与现有技术相比，本发明通过相对旋转的角度阀将内部泥浆导向至球形活塞后端，驱动活塞向外运动，推动摩擦块向井壁施加推力从而使安装了该装置的井下钻具产生反向作用力，利用该作用力，可使钻具或钻头在受控制的反作用力的影响下，产生诸如井斜、方位等方面的轨迹预期效果。本装置不需要专门设置适应泥浆恶劣环境下活塞密封圈，降低了成本，在运动过程中，球本身的自转可使自身磨损比较均匀，消除了偏磨现象，整体寿命有较大提升。

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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

附图1为泥浆动力侧向力发生装置的剖面结构示意图；

附图2为附图1中工作阀的俯视结构示意图；

附图3为附图1中角度阀的主视结构示意图；

附图4为附图1中角度阀的俯视结构示意图。

附图中：1为过渡轴，2为过渡接头，3为控制轴，4为推靠器柱状主体，5为下扶正环，6为角度阀，601为阀杆，602为阀片，603为开口；7为工作阀，701为工作流道，702为控制流道；8为球形活塞，9为摩擦块，10为挡块，11为喷嘴，12为弹簧，13为过滤网，14为上扶正环，15为空腔。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种泥浆动力侧向力发生装置，不需要专门设置适应泥浆恶劣环境下活塞密封圈，降低了成本，在运动过程中，球本身的自转可使自身磨损比较均匀，消除了偏磨现象，整体寿命有较大提升。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图4所示，一种泥浆动力侧向力发生装置，包括推靠器柱状主体4、推靠装置和控制阀；所述推靠器柱状主体4为本装置的安装基础，所述推靠器柱状主体4的下端直接连接钻头，所述推靠器柱状主体4的上端与钻井装置连接；所述推靠器柱状主体4沿轴心方向设置有空腔15，所述空腔15为泥浆通道；所述推靠装置包括所述推靠器柱状主体4周向均匀设置有至少三个活塞孔，所述活塞孔内设置有球形活塞8，球形活塞8采用硬质合金或陶瓷材料制成，为圆球形，所述活塞孔远离轴心一侧设置有摩擦块9，在推靠器柱状主体4上，每个摩擦块9外侧均通过四个螺钉安装有两个挡块10，挡块10可限制摩擦块9的摆动位置；所述控制阀包括设置于所述空腔15内的工作阀7，所述工作阀7分别设置有与所述活塞孔连通的控制流道702，至少三个的所述控制流道702与所述空腔15内连通的出口设置有用于控制所述控制流道702与所述空腔15开断的角度阀6，使得所述角度阀6在外部动力的作用下保持在特定方向，推靠器柱状主体4转动过程中，转动至上述特定方向的所述控制流道702导通，位于该方向的球形活塞8推动摩擦块9伸出，对所述推靠器柱状主体4向上述特定方向施加动态的推力；进一步的，所述控制轴3和所述阀杆601之间设置有使所述角度阀6向所述控制流动方向移动的弹簧12。工作阀7轴向从推靠器柱状主体4结构上方沿轴向装入内部，与角度阀6形成平面开关阀，角度阀6轴向插入控制轴3下端内孔，通过键实现旋转定位，角度阀6和控制轴3之间安装有弹簧12，当角度阀6与工作阀7接触并实现轴向限位后，弹簧12能够使控制轴3在轴向保留一定的活动余量，螺母安装在控制轴3下端，旋紧后防止角度阀6从过控制轴3内孔脱出。

本装置通过相对旋转的角度阀6将内部泥浆导向至球形活塞8后端，驱动活塞向外运动，推动摩擦块9向井壁施加推力从而使安装了该装置的井下钻具产生反向作用力，利用该作用力，可使钻具或钻头在受控制的反作用力的影响下，产生诸如井斜、方位等方面的轨迹预期效果。本装置不需要专门设置适应泥浆恶劣环境下活塞密封圈，降低了成本，在运动过程中，球本身的自转可使自身磨损比较均匀，消除了偏磨现象，整体寿命有较大提升。

在一个具体的实施例中，进一步的，所述角度阀6包括阀杆601和阀片602，所述阀片602设置有扇形的开口603，所述开口603的最大角度与圆周角度和所述控制流道702的数量的比值相同。角度阀6为一个组合装配体，中心轴线方向定位阀片602与阀杆601的轴心线，开口603用于传递旋转动力，两个螺钉从阀片602方向旋紧到阀杆601上，旋紧后分别安装两个挡圈，用于防止螺钉脱落。

在一个具体的实施例中，进一步的，所述阀杆601的轴向端部设置有控制轴3，所述控制轴3设置有用于使所述控制轴3的轴心与所述推靠器柱状主体4的轴心重合的扶正环。所述扶正环为两个，包括上扶正环14和下扶正环5，在上扶正环14和下扶正环5的中心孔内，分别安装了一个滑动轴承，主要作用是将控制轴3中心定位。所述的自上扶正环14到角度阀6直接的结构件装配成组件后，轴承放入推靠器柱状主体4结构上部内孔，然后轴向紧锁，此时控制轴3应沿轴向在一定轴向力的作用下，有一定的浮动距离。下扶正环5外缘为一圆筒状结构，下部在推靠器柱状主体4结构内孔台阶面限位，内部还安装有滤网13，滤网13下端轴向限位与工作阀7外圆台阶。上扶正环14下方安装有衬筒，用于确定上扶正环14与下扶正环5的轴向距离，同时也安装了一个滤网13，其下端与下扶正环5上端面接触，上扶正环14上端还安装有导流帽。

在一个具体的实施例中，进一步的，所述活塞孔内设置有便于所述球形活塞8移动的活塞套；更进一步的，所述活塞套内壁沿所述球形活塞8的运动方向设置有排液槽。排液槽的功能是提供额外的泥浆杂质排泄通道，同时从这个槽通过的泥浆能够冲洗摩擦块9后的空间，防止环空内的岩屑等在内部空间堆积。

在一个具体的实施例中，进一步的，所述推靠器柱状主体4的一端设置有过渡接头2，所述过渡接头2沿轴向设置有空腔15，该空腔15内设置有与所述控制轴3连接的过渡轴1，通过过渡接头2和过渡轴1，实现角度阀6与外部控制系统的连接。

在一个具体的实施例中，进一步的，环绕所述角度阀6和所述控制轴3设置有过滤网13。

在一个具体的实施例中，进一步的，所述工作阀7沿轴向设置有工作流道701；工作流道701为泥浆通过工作阀7提供通路；更进一步的，所述推靠器柱状主体4远离所述过渡接头2的一端设置有喷嘴11，所述喷嘴11安装于喷嘴座，所述喷嘴座通过螺栓连接等方式可拆卸设置于所述推靠器柱状主体4，所述喷嘴座与推靠器柱状主体4之间安装有密封圈，喷嘴座下方安装有挡圈，起限制轴向位移作用。喷嘴11有多种内孔尺寸系列，一般由陶瓷或硬质合金材料制成，具有较高的硬度和强度，当泥浆经由推靠器柱状主体4上部流下经过喷嘴11时，由于流道截面缩小，产生一定的压力损耗，其压力损耗值可根据钻井常用喷嘴11压耗计算方法获得，本装置在实际使用过程中，需根据实际的泥浆流量，更换不同尺寸喷嘴11，以获得3-5MPa的压耗。喷嘴11下方还安装有挡圈，以防止喷嘴11脱落。喷嘴11与喷嘴座之间也设置有密封圈。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种泥浆动力侧向力发生装置，其特征在于，包括：

推靠器柱状主体(4)，所述推靠器柱状主体(4)沿轴心方向设置有空腔(15)；

推靠装置，所述推靠装置包括所述推靠器柱状主体(4)周向均匀设置有至少三个活塞孔，所述活塞孔内设置有球形活塞(8)，所述活塞孔远离轴心一侧设置有摩擦块(9)；

控制阀，所述控制阀包括设置于所述空腔(15)内的工作阀(7)，所述工作阀(7)分别设置有与所述活塞孔连通的控制流道(702)，至少三个的所述控制流道(702)与所述空腔(15)内连通的出口设置有用于控制所述控制流道(702)与所述空腔(15)开断的角度阀(6)，使得所述角度阀(6)在外部动力的作用下保持在特定方向，推靠器柱状主体(4)转动过程中，转动至上述特定方向的所述控制流道(702)导通，位于该方向的球形活塞(8)推动摩擦块(9)伸出，对所述推靠器柱状主体(4)向上述特定方向施加推力。

2.如权利要求1所述的泥浆动力侧向力发生装置，其特征在于：所述工作阀(7)沿轴向设置有工作流道(701)。

3.如权利要求1所述的泥浆动力侧向力发生装置，其特征在于：所述角度阀(6)包括阀杆(601)和阀片(602)，所述阀片(602)设置有扇形的开口(603)。

4.如权利要求3所述的泥浆动力侧向力发生装置，其特征在于：所述阀杆(601)的轴向端部设置有控制轴(3)，所述控制轴(3)设置有用于使所述控制轴(3)的轴心与所述推靠器柱状主体(4)的轴心重合的扶正环。

5.如权利要求4所述的泥浆动力侧向力发生装置，其特征在于：所述控制轴(3)和所述阀杆(601)之间设置有使所述角度阀(6)向所述控制流动方向移动的弹簧(12)。

6.如权利要求1所述的泥浆动力侧向力发生装置，其特征在于：所述活塞孔内设置有便于所述球形活塞(8)移动的活塞套。

7.如权利要求6所述的泥浆动力侧向力发生装置，其特征在于：所述活塞套内壁沿所述球形活塞(8)的运动方向设置有排液槽。

8.如权利要求1所述的泥浆动力侧向力发生装置，其特征在于：所述推靠器柱状主体(4)的一端设置有过渡接头(2)，所述过渡接头(2)沿轴向设置有空腔(15)，该空腔(15)内设置有与所述控制轴(3)连接的过渡轴(1)。

9.如权利要求8所述的泥浆动力侧向力发生装置，其特征在于：所述推靠器柱状主体(4)远离所述过渡接头(2)的一端设置有喷嘴(11)。

10.如权利要求1所述的泥浆动力侧向力发生装置，其特征在于：环绕所述角度阀(6)和所述控制轴(3)设置有过滤网(13)。