CN205714007U - 一种井下管柱转动控制开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种井下管柱转动控制开关，属于定向井、水平井定向钻井领域。该装置包括：上接头、开关总成、外壳和下接头；所述上接头的下端和外壳的上端连接，两者的内腔连通；所述开关总成包括缸体，所述缸体的顶端为缸盖，缸盖位于上接头的内腔中，缸体的其它部位位于外壳的内腔中；所述缸体的下端与下接头连接；所述缸盖的下端面与外壳的上端面接触，在所述缸盖上开有一组通孔，每个通孔的轴线均与缸体的轴线平行；在所述缸盖的中间开有沿径向的横槽；在所述横槽的中间开有小通孔，小通孔的轴线与缸体的轴线平行；所述小通孔将所述横槽分成对称的两个槽，在每个槽内安装有一个插销；在所述上接头的下部内壁上开有两个插销槽。

Description

一种井下管柱转动控制开关

技术领域

本实用新型属于定向井、水平井定向钻井领域，具体涉及一种井下管柱转动控制开关，尤其适合于非常规油气田开发常用的长水平段水平井及海洋大位移井作业，可以在加强井眼轨迹控制能力的同时提高机械钻速。

背景技术

为解决螺杆钻具滑动钻进时的缺点，国内外开发了各种技术：使用先进的旋转导向工具，可以在有效控制井眼轨迹的同时旋转钻柱，克服了滑动导向技术的不足，钻压传递顺利，机械钻速高，井眼质量好，但由于旋转导向工具为机电液一体化设备，使用及维护成本昂贵，不利于钻井成本的降低。

在保持井眼轨迹控制能力的前提下，通过研究大弯角螺杆复合钻进技术，降低滑动钻机比例，提高钻井速度；研究应用可变径稳定器等螺杆导向钻具的配置工具和措施，尽可能提高常规导向钻具的性能等，但大弯角螺杆钻具复合钻进时其断裂、磨损等失效频率升高，并且提高复合钻进的比例有限。

通过对顶驱程序进行改变，在滑动钻进时，顶驱首先正转一定的圈数，再反转相同的圈数，持续往复上述过程，一定长度的钻柱即受到持续正反的震荡作用，可降低钻柱与井壁之间的摩擦力，正反转圈数要限制在一定数值范围内。但震荡长度有限，并且存在卸扣的风险

专利“钻井用水力振荡器”(CN201310732942)主要由动力部分、阀轴系统和振荡短节部分组成，将常规井下动力工具与特殊的阀相结合，把钻井液动能转化为沿钻具轴向的振动机械能，并把常规的旋转破岩方式改成钻压柔和变化的回转破岩，使钻具与井壁处于动摩擦状态，减小了摩阻，降低粘卡可能性，增加钻压，从而进一步提高破岩效率，但影响范围小整体降阻效果不明显，并且水力压耗大。

专利“上转下滑钻井减摩降扭工具”(CN201220454297)，提出了一种用于减阻的工具，通过采用上提下放的控制方式，实际钻进过程中存在剧烈轴向振动，会出现控制困难的问题；基本未涉及传动部分的设计，对于承受100KN左右轴向力的短节而言，将出现较快磨损，因此实用性差。

目前定向井、水平井主要利用螺杆钻具进行井眼轨迹控制。当滑动钻进时，钻柱不旋转以保证螺杆钻具工具面的稳定，但这将导致钻柱与井壁之产生很大轴向摩阻，尤其对于长水平段水平井和大位移井，巨大的轴向摩阻会导致钻压传递不顺利，机械钻速低。

目前研发的各类工具，正在推广使用，但都存在缺点，因此迫切需要一种以螺杆钻具为基础，在滑动钻进时可以旋转钻柱以顺利传递钻压，并能有效控制工具面的工具。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种井下管柱转动控制开关，与螺杆钻具配合使用，在螺杆钻具滑动钻进时，钻柱可以正向旋转，解决滑动钻进托压、机械钻速低等问题。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种井下管柱转动控制开关，包括：上接头、开关总成、外壳和下接头；

所述上接头的下端和外壳的上端连接，两者的内腔连通；

所述开关总成包括缸体，所述缸体的顶端为缸盖，缸盖位于上接头的内腔中，缸体的其它部位位于外壳的内腔中；所述缸体的下端与下接头连接；

所述缸盖的下端面与外壳的上端面接触，在所述缸盖上开有一组通孔，每个通孔的轴线均与缸体的轴线平行；

在所述缸盖的中间开有沿径向的横槽；在所述横槽的中间开有小通孔，小通孔的轴线与缸体的轴线平行；所述小通孔将所述横槽分成对称的两个槽，在每个槽内安装有一个插销；在所述上接头的下部内壁上开有两个插销槽；

在所述缸体内安装有活塞和弹簧，所述弹簧位于活塞的下方，在活塞上安装有顶杆；

当顶杆随活塞上移时，能够推动插销进入插销槽内，当顶杆随活塞下移时，插销从插销槽内退出。

每个所述插销的一端为圆台状，另一端为半圆球状，两个插销的半圆球状端相对设置；

所述上接头内壁上的插销槽的形状与插销的圆台状端的形状相配合，当两个插销移动时，其圆台状端能够分别进入一个插销槽内；

在两个插销之间安装有拉伸弹簧；

在每个所述插销的半圆球状端的上部设有凸起，拉伸弹簧的一端与一个插销上的凸起连接，另一端与另一个插销上的凸起连接。

所述缸盖上的通孔对称分布在横槽的两侧。

所述缸盖上的一组通孔为两个半圆形通孔，对称分布在横槽的两侧。

所述顶杆的上部为圆锥状,下部为圆柱状；

两个插销的半圆球状端与顶杆上部的圆锥状形成线状接触。

所述活塞上开有中心通孔和水眼；所述中心通孔与活塞同轴线，所述水眼的轴线与活塞的轴线平行；

在所述活塞下方连接有套筒，套筒的内腔与活塞的中心通孔连通；在所述套筒内设有缓冲弹簧，所述缓冲弹簧的上端顶住顶杆的下端，下端顶住套筒的下端面；

所述顶杆的上端穿过活塞的中心通孔和缸盖的小通孔。

在所述缸体的下端设有台阶，所述弹簧的上端顶住活塞的下端面，下端顶住缸体下端的台阶。

在所述缸体下端的台阶的内壁上设有螺纹，在下接头上端的外壁上设有螺纹，所述下接头的上端插入到缸体的内腔中，并与缸体的下端通过螺纹连接；

在所述外壳的下端面处安装有轴承；

在所述下接头的外壁上设有台阶；轴承的上端与外壳的下端面接触，下端与下接头的台阶面接触；

所述外壳的内壁与缸体的外壁之间是间隙配合。

所述上接头的内腔、缸盖的通孔、活塞上的水眼、缸体内腔以及下接头的内腔形成钻井液通道。

所述上接头一端带有母扣，加工有API标准螺纹，另一端的内壁上加工有管螺纹；

所述外壳的一端的外壁上加工有管螺纹，与上接头的管螺纹连接；

在所述下接头的下部的内壁上设有锥形螺纹，在所述下接头中部的外壁上设有锥面。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：利用本实用新型大幅度降低了轴向钻压传递阻力，提高了机械钻速2-5倍。

附图说明

图1本实用新型井下管柱转动控制开关

图2图1中的A-A向视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述：

如图1和图2所示，井下管柱转动控制开关由上接头1，开关总成，外壳3及下接头13组成。上接头1一端带有母扣，加工有API标准螺纹，另一端加工有管螺纹；外壳3一端加工有管螺纹8，与上接头1连接，管螺纹可以起到密封作用；缸体4顶端为缸盖，在缸盖上开有两个半圆形的通孔，中间为对称的两个槽，两个槽中间开有小通孔，顶杆11可以通过该小通孔，顶杆11上部为圆锥状,下部为较大直径的圆柱。一对插销2安放于缸盖的对称槽中，插销一端为圆台状，有利于顺利进入插销槽7中，另一端加工为半圆球状，与顶杆形成线状接触，降低摩擦。顶杆11上下运动可以驱动活塞9水平运动。两个插销之间安装有拉伸弹簧6。

活塞9上加工有水眼，钻井液通过时可以产生向下的压力，活塞9的下部安装有压缩弹簧10，弹簧10的上端顶住活塞，下端顶住缸体下端的台阶，弹簧10对活塞9产生向上的反弹力，通过调节钻井液的流量，就可以控制钻井液产生的压力，从而调节活塞9的位置。活塞9的中间有孔及套筒，顶杆放置其内，顶杆与活塞通过缓冲弹簧12相连，缓冲弹簧12起到缓冲的作用。因此可以通过调节钻进液的流量，就可以调节顶杆的位置。

上接头1的内孔、活塞水眼、缸体内孔及下接头13内孔形成钻井液通道5，外壳3与下接头之间相互转动，两者之间安装有轴承14。下接头的上部与缸体的下部也是通过螺纹连接。

外壳3的内壁与缸体4的外壁之间是间隙配合。

下接头的内部锥面是锥形螺纹，外锥面主要起防止应力集中的作用。

当钻进液流量增大时，产生了较大的压力，大于弹簧的反弹力，驱动活塞向下运动，带动顶杆运动，当顶杆向下运动，逐渐远离插销时，插销在弹簧6的拉力作用下从插销槽7中退出，上接头与下接头分离，可以相对自由转动，实现开关的开启。

当减小钻井液流量时，产生了较小的压力，小于弹簧的反弹力，驱动活塞向上运动，带动顶杆运动，当顶杆11向上运动时，可以驱动活塞向外运动，进入插销槽中，将上接头、外壳及下接头连为一体，一起旋转，实现开关的关闭状态。

将井下管柱转动控制开关放置于螺杆钻具以上一定位置，井下管柱转动控制开关与螺杆钻具之间的长度需要根据螺杆钻具和钻柱的规格来确定，确定的原则是：井下管柱转动控制开关以下的钻柱串(包括螺杆钻具)与井壁产生的摩擦扭矩不小于螺杆钻具的反扭矩。具体钻柱结构从上至下依次为：钻杆+井下管柱转动控制开关+钻杆+无磁钻铤+螺杆钻具+钻头，基于常见螺杆钻具和钻杆的规格，开关以下的钻柱长度一般为150—300m。

钻柱中加入井下管柱转动控制开关后，根据钻井需要打开或关闭开关，当关闭开关后，整体的钻柱结构是一体的，从上至下同时旋转或不旋转。当打开开关后，转盘或顶驱只能带动开关以上的钻杆旋转，开关以下的钻杆、无磁钻铤及螺杆钻具在摩擦力的作用下保持不旋转的状态。这样就可以在保持井眼轨迹控制能力的前提下，保持开关以上钻柱的旋转，一般情况下，开关以上的钻柱占钻柱总长度的80％以上，因此可以大幅度降低轴向钻压传递阻力，可提高机械钻速2-5倍。

上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本实用新型公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本实用新型上述具体实施例所描述的结构，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种井下管柱转动控制开关，其特征在于：所述井下管柱转动控制开关包括：上接头、开关总成、外壳和下接头；

所述上接头的下端和外壳的上端连接，两者的内腔连通；

所述开关总成包括缸体，所述缸体的顶端为缸盖，缸盖位于上接头的内腔中，缸体的其它部位位于外壳的内腔中；所述缸体的下端与下接头连接；

所述缸盖的下端面与外壳的上端面接触，在所述缸盖上开有一组通孔，每个通孔的轴线均与缸体的轴线平行；

在所述缸盖的中间开有沿径向的横槽；在所述横槽的中间开有小通孔，小通孔的轴线与缸体的轴线平行；所述小通孔将所述横槽分成对称的两个槽，在每个槽内安装有一个插销；在所述上接头的下部内壁上开有两个插销槽；

在所述缸体内安装有活塞和弹簧，所述弹簧位于活塞的下方，在活塞上安装有顶杆；

当顶杆随活塞上移时，能够推动插销进入插销槽内，当顶杆随活塞下移时，插销从插销槽内退出。

2.根据权利要求1所述的井下管柱转动控制开关，其特征在于：每个所述插销的一端为圆台状，另一端为半圆球状，两个插销的半圆球状端相对设置；

所述上接头内壁上的插销槽的形状与插销的圆台状端的形状相配合，当两个插销移动时，其圆台状端能够分别进入一个插销槽内；

在两个插销之间安装有拉伸弹簧；

在每个所述插销的半圆球状端的上部设有凸起，拉伸弹簧的一端与一个插销上的凸起连接，另一端与另一个插销上的凸起连接。

3.根据权利要求2所述的井下管柱转动控制开关，其特征在于：所述缸盖上的通孔对称分布在横槽的两侧。

4.根据权利要求3所述的井下管柱转动控制开关，其特征在于：所述缸盖上的一组通孔为两个半圆形通孔，对称分布在横槽的两侧。

5.根据权利要求4所述的井下管柱转动控制开关，其特征在于：所述顶杆的上部为圆锥状,下部为圆柱状；

两个插销的半圆球状端与顶杆上部的圆锥状形成线状接触。

6.根据权利要求5所述的井下管柱转动控制开关，其特征在于：所述活塞上开有中心通孔和水眼；所述中心通孔与活塞同轴线，所述水眼的轴线与活塞的轴线平行；

在所述活塞下方连接有套筒，套筒的内腔与活塞的中心通孔连通；在所述套筒内设有缓冲弹簧，所述缓冲弹簧的上端顶住顶杆的下端，下端顶住套筒的下端面；

所述顶杆的上端穿过活塞的中心通孔和缸盖的小通孔。

7.根据权利要求6所述的井下管柱转动控制开关，其特征在于：在所述缸体的下端设有台阶，所述弹簧的上端顶住活塞的下端面，下端顶住缸体下端的台阶。

8.根据权利要求7所述的井下管柱转动控制开关，其特征在于：在所述缸体下端的台阶的内壁上设有螺纹，在下接头上端的外壁上设有螺纹，所述下接头的上端插入到缸体的内腔中，并与缸体的下端通过螺纹连接；

在所述外壳的下端面处安装有轴承；

在所述下接头的外壁上设有台阶；轴承的上端与外壳的下端面接触，下端与下接头的台阶面接触；

所述外壳的内壁与缸体的外壁之间是间隙配合。

9.根据权利要求8所述的井下管柱转动控制开关，其特征在于：所述上接头的内腔、缸盖的通孔、活塞上的水眼、缸体内腔以及下接头的内腔形成钻井液通道。

10.根据权利要求1至9任一所述的井下管柱转动控制开关，其特征在于：所述上接头一端带有母扣，加工有API标准螺纹，另一端的内壁上加工有管螺纹；

所述外壳的一端的外壁上加工有管螺纹，与上接头的管螺纹连接；

在所述下接头的下部的内壁上设有锥形螺纹，在所述下接头中部的外壁上设有锥面。