CN217632265U - 一种自动纠斜装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于油气井钻井装置技术领域，提出了一种自动纠斜装置，包括上芯轴和下芯轴，上芯轴和下芯轴构成芯轴系统，芯轴系统设置有用于安装钻柱的芯轴中孔；芯轴系统的外侧通过轴承连接有壳体，壳体与芯轴系统之间留有环空，且芯轴中孔与环空连通；壳体上设置有若干摆锤腔，摆锤腔通过环空与芯轴中孔连通，摆锤腔内设置有摆锤机构；壳体上设置有若干与摆锤腔一一对应的活塞腔，活塞腔通过单向阀和环空与芯轴中孔连通，活塞腔与摆锤腔连通，活塞腔内设置有活塞。本实用新型井斜方向活塞作用在井壁上的纠斜力迫使钻柱朝着井斜方向的反方向偏移，带动钻头朝着井斜反方向钻进，从而降低井斜。钻头一直保持垂直方向钻进。

Description

一种自动纠斜装置

技术领域

本实用新型属于油气井钻井装置技术领域，具体涉及一种自动纠斜装置。

背景技术

油气井钻井过程中，往往会钻遇不通地层倾角和岩性的地层。当钻遇各类地层时，受到地层岩性、地层倾角等因素的影响，导致井眼会朝着某一方向偏斜，出现井斜。

为了防止井斜，有多种手段和方法。常用的手段是充分利用钻柱扶正器的作用，和调整扶正器的位置和钻井参数，达到实现防斜和纠斜的目的。这种手段往往防斜效果往往有限，或者需要牺牲其它一些方面的参数来满足要求，如降低钻压可以减少钻柱弯曲，但是影响钻井速度。

现有垂直钻井系统安装在钻头后方钻柱上，通过电子元器件实时测量井斜，并通过电子元器件控制相应扶正块的伸出和缩回，可以实现钻进过程中井眼的垂直，获得优良的井身质量。该系统的最大优势是解放了钻压，可以大幅提高钻进速度。只是该系统掌握在国际少数几家供应商中，目前主要靠进口，每年需要消耗大量的外汇经费，成本高昂。国内也在研制和开发，有效果，还不够理想和成熟，少数关键技术还是需要进口，否则性能不稳定，达不到提速提效。同时，由于工具内电子元器件受适用温度的限制，对于一些高温井不能使用。

依托国内的机械加工技术，摆脱依托国外的技术瓶颈，研发自动纠斜技术，解放钻压具有实际和重要的意义。

实用新型内容

本实用新型旨在解决背景技术中记载的问题，提供一种自动纠斜装置。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种自动纠斜装置，包括

上芯轴和下芯轴，上芯轴和下芯轴构成芯轴系统，芯轴系统设置有用于安装钻柱的芯轴中孔；

芯轴系统的外侧通过轴承连接有壳体，壳体与芯轴系统之间留有环空，且芯轴中孔与环空连通；

壳体上设置有若干摆锤腔，摆锤腔通过环空与芯轴中孔连通，摆锤腔内设置有摆锤机构；

壳体上设置有若干与摆锤腔一一对应的活塞腔，活塞腔通过单向阀和环空与芯轴中孔连通，活塞腔与摆锤腔连通，活塞腔内设置有活塞。

在本实用新型的一种优选实施方式，上芯轴设置有与环空连通的传压入孔，下芯轴设置有与环空连通的传压出孔。

在本实用新型的一种优选实施方式，摆锤腔的上部设置有与环空连通的摆锤腔入孔，摆锤腔的下部设置有与环空连通的摆锤腔出孔。

在本实用新型的一种优选实施方式，摆锤机构包括摆锤，摆锤转动连接在壳体上，摆锤的底部固定连接有滑块，滑块与摆锤腔底壁滑动配合。

在本实用新型的一种优选实施方式，活塞腔的上部设置有与摆锤腔连通的活塞孔，活塞腔靠近环空的一侧设置有单向回流孔，单向回流孔内固定连接有与环空连通的单向阀。

在本实用新型的一种优选实施方式，若干摆锤腔和若干活塞腔沿壳体的周向均布。

本实用新型的原理以及有益效果：芯轴系统上传压入孔将流体压力经摆锤腔入口传递到摆锤腔，进一步经活塞孔传递到活塞腔内，为整个系统的运行提供持续液压动力。利用摆锤自身重力作用感知井斜的方向，决定摆锤是否移动，带动摆锤结构下部滑块相应的移动，从而决定滑块是否封闭活塞孔，摆锤腔和活塞腔是否连通，在钻柱重力的综合作用下，共同决定活塞块的伸出或者缩回。在以上综合作用下，迫使钻头朝着井斜反方向钻进，从而降低井斜。

该系统的特殊结构设计巧妙，可靠性高，并实现了主动纠斜，可充分解放钻压，保持井眼的垂直钻进，意义重大。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型一种自动纠斜装置的整体结构图；

图2为本实用新型一种自动纠斜装置的初始位置横截面俯视图；

图3为本实用新型一种自动纠斜装置的倾斜位置横截面俯视图。

图4为本实用新型一种自动纠斜装置的倾斜位置示意图。

说明书附图中的附图标记包括：上芯轴1、轴承2、壳体3、摆锤4、滑块5、单向阀6、活塞7、芯轴中孔8、摆锤腔入口孔9、传压入孔10、摆锤腔11、摆锤腔出口孔12、活塞孔13、单向回流孔14、传压出孔15、活塞腔16、下芯轴17、环空18、井壁19、扶正器20。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本申请提供一种自动纠斜装置，基本如附图1所示，其包括上芯轴1和下芯轴17，上芯轴1与下芯轴17螺纹连接，且构成芯轴系统，芯轴系统设置有用于安装钻柱的芯轴中孔8，即钻柱位于芯轴中孔8内且将芯轴系统固定在钻柱上，并且芯轴系统随钻柱转动。

本实施例中，芯轴系统的外侧通过轴承2连接有壳体3，具体的，上芯轴1和下芯轴17上均固定连接有轴承2，两个轴承2与壳体3的上部和下部均固定连接。

壳体3与芯轴系统之间构成环空18，壳体3上设置有若干沿其周向布置的摆锤腔11，摆锤腔11的上部设置有与环空18连通的摆锤腔入口孔9，上芯轴1上开有与芯轴中孔8连通的传压入孔10，传压入孔10通过环空18与摆锤腔入口孔9连通。摆锤腔11内设置有摆锤4机构，摆锤4机构包括与摆锤腔11侧壁转动连接的摆锤4，摆锤4的底部固定连接有滑块5，滑块5与摆锤腔11的底部滑动配合。摆锤腔11的下部开有摆锤腔出口孔12，摆锤腔出口孔12与环空18连通，下芯轴17上开有传压出孔15，传压出孔15与环空18连通，传压出孔15通过环空18与摆锤腔出口孔12连通。

壳体3上设置有若干沿壳体3周向布置的活塞腔16，活塞腔16与摆锤腔11一一对应，活塞腔16的顶壁上开有活塞孔13，活塞孔13与摆锤腔11连通，活塞腔16的上部靠近环空18的一侧设置有单向回流孔14，单向回流孔14内安装有单向阀6，活塞腔16内设置有活塞7。

具体实施过程如下：

在进行工作时，芯轴系统随钻柱旋转，壳体3上的活塞7支撑在井壁19上，不随钻柱旋转；钻井液流经芯轴中孔8、钻头、进入环空18，上返至地面，芯轴中孔8压力P_内和环空18压力P_外之间形成压差ΔP，ΔP＝P_内-P_外。

本实例以四个摆锤4结构说明(周向90度均布)，对应有四个活塞7。假设初始状态井眼为垂直状态，此时摆锤4紧靠摆锤腔11内壁，摆锤腔11通过活塞孔13与活塞腔16连通，四个活塞7受到压差ΔP作用，四个活塞7伸出度相同，均作用在井壁19上。如图2所示。

如附图3，当井眼发生倾斜时，假设井斜角为C，四个活塞7，设置编号为7a，7b，7c，7d。假设井斜的方向为A方向，活塞7b处于井斜方向，活塞7a处于井斜方向的反方向。

此时活塞7b对应的摆锤4紧靠摆锤腔11内壁，摆锤腔11通过活塞孔13与活塞腔16连通。活塞7a对应的摆锤4在自身重力作用下，离开摆锤腔11内壁，产生位移，带动摆锤4下部滑块5移动，封闭活塞孔13，此时摆锤腔11与活塞腔16不连通。

设活塞7靠近活塞腔16侧的截面积为S_活塞，则在压差ΔP作用下，作用在活塞7上的力F_活塞为：

F_活塞＝ΔP×S_活塞

当井眼处于垂直状态时，作用在四个活塞7上的力相等，均为F活塞，四个活塞腔内的压力也均为P_内。

当发生A方向井斜时，连接本装置钻柱重力G(扶正器20以下的所有钻柱重量)，如图4，会有一个重力G的分力G₁，该力作用在A方向的反方向，改变了作用在不同活塞7上的力量平衡。此时作用在活塞7a上的重力分离F_7a为：

作用在活塞7a上的力W_7a，活塞7a对应的活塞腔内的压力P_7a分别为：

W_7a＝F_活塞+F_7a，P_7a＝P_内+F_7a/S_活塞，

作用在活塞7b上的力W_7b，活塞7b对应的活塞腔内的压力P_7b分别为：

W_7b＝F_活塞，P_7b＝P_内，

P7a大于P内，在压差P7a-P内作用下，单向阀6打开，活塞7a对应的活塞腔16内钻井液通过单向回流孔14流回芯轴中孔8，相应的带动活塞7a缩回对应的活塞腔16，钻柱中心线偏移。此时活塞7b对应的活塞孔13处于开启状态，对应的活塞腔16内的压力保持P内不变，在力量W7b持续作用下，迫使钻头的朝着井斜方向的反方向钻进，从而降低井斜。

这是一个动态的过程，摆锤腔11内的摆锤4在重力作用下不断随井斜方向的变化，而实现不同位置的活塞7的位置状态发生变化(伸出或者缩回)。重复上述操作原理(具体计算公式会因活塞7所处的方位不同而不同)，实现不同方位的活塞7伸出或者缩回，让钻头一直保持垂直方向钻进。

在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种自动纠斜装置，其特征在于，包括

上芯轴和下芯轴，上芯轴和下芯轴构成芯轴系统，芯轴系统设置有用于安装钻柱的芯轴中孔；

芯轴系统的外侧通过轴承连接有壳体，壳体与芯轴系统之间留有环空，且芯轴中孔与环空连通；

壳体上设置有若干摆锤腔，摆锤腔通过环空与芯轴中孔连通，摆锤腔内设置有摆锤机构；

壳体上设置有若干与摆锤腔一一对应的活塞腔，活塞腔通过单向阀和环空与芯轴中孔连通，活塞腔与摆锤腔连通，活塞腔内设置有活塞。

2.如权利要求1所述的自动纠斜装置，其特征在于，上芯轴设置有与环空连通的传压入孔，下芯轴设置有与环空连通的传压出孔。

3.如权利要求2所述的自动纠斜装置，其特征在于，摆锤腔的上部设置有与环空连通的摆锤腔入孔，摆锤腔的下部设置有与环空连通的摆锤腔出孔。

4.如权利要求3所述的自动纠斜装置，其特征在于，摆锤机构包括摆锤，摆锤转动连接在壳体上，摆锤的底部固定连接有滑块，滑块与摆锤腔底壁滑动配合。

5.如权利要求4所述的自动纠斜装置，其特征在于，活塞腔的上部设置有与摆锤腔连通的活塞孔，活塞腔靠近环空的一侧设置有单向回流孔，单向回流孔内固定连接有与环空连通的单向阀。

6.如权利要求5所述的自动纠斜装置，其特征在于，若干摆锤腔和若干活塞腔沿壳体的周向均布。

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