CN2431391Y

CN2431391Y - 遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具

Info

Publication number: CN2431391Y
Application number: CN 00238976
Authority: CN
Inventors: 苏义脑; 窦修荣
Original assignee: Institute Of Drilling Technology Research Institute Of Petroleum Exploration And Development
Current assignee: CNPC Engineering Technology R&D Co Ltd
Priority date: 2000-06-22
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2010-06-22

Abstract

本实用新型是一种用于石油和地质勘探开发在定向井钻井过程中的遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具。它由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、井下可调弯壳体短节和传动轴总成组成。本实用新型由于采用了地面遥控形式,赋予了螺杆钻具具有井下调节能力,提高了井眼轨道控制精度,减少了钻井辅助时间,削减了劳动强度,降低了钻井成本。

Description

遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具

本实用新型是一种用于石油和地质勘探开发在定向井钻井过程中的遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具。

在定向钻井中，导向钻具己成为钻井作业中造斜或纠斜的常用方法。导向钻具一般采用井下动力钻具加配弯接头或弯壳体动力钻具等。

动力钻具加配弯接头一般采用直动力钻具(螺杆钻具或涡轮钻具)加配小角度的弯接头，这种钻具组合称为弯接头一井下动力钻具组合。钻头接在动力钻具下端的传动轴上，动力钻具的上方接弯接头，弯接头角度规格一般有0.5°、1°、1.5°、2°、2.5°，3°，3.5°和4°等。造斜常用的弯角为1°、1.5°，2°，大于2°的多用于强行扭方位，角度太大不易下井。弯壳体动力钻具，根据其结构弯角是固定不变还是可以调节分为固定式弯壳体动力钻具和可调式弯壳体动力钻具。对固定式弯壳体钻具，因弯角的个数不同可分为单弯、双弯动力钻具；又可根据两个弯角的组配方式分为同向双弯和反向双弯动力钻具。对每一种形式的弯壳体钻具，针对不同造斜率要求，又往往把弯壳体的结构弯角γ分为若干档次(如γ=0～2°，按0.25°分级)。

以上所述的两种导向钻具在国内外定向钻井中应用十分普遍和广泛，国外在弯壳体螺杆钻具方面己有多种类型和规格的产品，但价格昂贵且需支付大量外汇。自190年始，石油勘探开发科学研究院钻井工艺研究所研制出了P5LZI65、P5LZI97、P5LZI20种直径系列。多种结构类型和规格的弯壳体螺杆钻具，按弯角配置划分有单穹。同向双弯、反向双弯三种，按弯壳体角度大小划分有0.5°、0.75°，1°、1.25°、1.5°、2°等6种，目前己推广全国内18个油田以及地矿，军工部门，并用于国际工程施工。另外，还成功地研制出了BW5LZI65可调弯外壳导向螺杆钻具，这种钻具的最大特点是：根据现场对造斜率的要求，可在井口调节改变弯外壳的弯角，从而改变工具造斜率，达到一机多用，代替一个系列的固定弯外壳导向螺杆钻具，可广泛用于水平井和定向井。

尽管弯接头一井下动力钻具组合和弯壳体螺杆钻具或地面可调弯外壳螺杆钻具，具有很大的实用性，在水平井和定向井钻井作业中被广泛的应用，但仍有其局限性：①工具适应性差，一个弯角对应着一种产品规格，工具本身无井下调节能力。导向钻具一经选定，其力学特性就随之确定，在钻进过程中一旦其力学特性与实际要求不相符合时，工具没有井下调节能力，只有人为控制起钻更换钻具组合或在井口调节钻具的结构弯角；②对导向钻具只能采用阶段性的而非适时的人工控制方式，一方面容易造成实钻轨道严重偏离设计轨道，另一方面加大了钻井辅助时间，增加了操作者的劳动强度，提高了钻井成本。随着石油勘探开发难度的加大，迫切需要赋予导向钻具具有井下调节能力，以提高轨道控制精度和钻井效率。

本实用新型的目的是提供一种在井口遥控井下螺杆钻具结构弯角、赋予钻具具有井下的调节能力、节约钻井辅助时间、减轻操作者的劳动强度。提高轨道控制精度和井身质量，降低钻井成本的遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具。

本实用新型的目的是这样实现的，一种遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具，包括有旁通阀总成，马达总成、万向轴总成、传动轴总成，其特征在于，在万向轴总成、传动轴总成间设有遥控型井下可调弯壳体短节，该遥控型可调弯壳体短节的上端与直螺杆钻具的万向轴总成相连，下端同传动轴总成相接。

遥控型井下可调弯壳体短节由行程遥控机构，蛸结构弯角调节机构和动力传动系统组成。所述的行程遥控机构是由装在壳体(60、48)内的芯轴(11)、该芯轴(11)由芯轴弹簧(14)顶撑复位；芯轴的下端由上拨销(15)拨销组件(16、17、18)拨动上牙嵌(53)转动，下牙嵌(21)与上牙嵌53啮合轴向移动；由下牙嵌(21)连接于结构弯角调节机构。所述的结构弯角调节机构至少包括有一个装在壳体内的导杆(28)、该导杆(28)由不同角度的两段轴组成，并由上球铰(44)，下球饺(43)滑动支撑；导杆(28)的上端由导杆柔性接头连接于行程遥控机构。所述的导杆柔性接头由导杆柔性上接头(22)、该导杆柔性上接头(22)通过导杆柔性连接球绞(24)和导杆柔性连接球座(47)、顶持于导杆柔性下接头(45)。该动力传动系统依次连接有上水帽(1)、上传动轴(8)、中传动轴(10)、中水帽(59)、挠性轴(30)、下水帽(34)。所述的行程遥控机构中上牙嵌的下端部呈台阶状牙嵌，并至少设有一级台阶状牙嵌；下牙嵌的上端部为台阶状牙嵌，并至少设有一级台阶状牙嵌；上牙嵌与下牙嵌嵌合以嵌有不同的牙嵌配合；行程遥控机构中的芯轴、上牙嵌和下牙嵌最佳为中空结构。于所述的结构弯角调节机构导杆的下端设有限制导杆作平面运动，以及防止导杆在正常工作状态不产生转动的导向、抗扭结构。在结构弯角调节机构下端设有端面密封组件，该组件至少包括有球面橡胶垫(36)和密封压紧弹簧(39)，该球面橡胶垫(36)始终与壳体的球端面接触。动力传动系统中设有导通的泥浆主流道为：由上水帽流入上传动轴的腔体一经上传动轴下端的水眼流出上传动轴一流经中传动轴的外部，通过中水帽的水眼流入挠性轴中空的腔体，再由下水帽流出。

由于本实用新型是在直螺杆钻具的万向轴总成和传动轴总成之间增加了一遥控型井下可调弯壳体短节，在结构上相当于常规弯壳体的加长，该短节的上端与螺杆钻具的万向轴总成相连，下端与传动轴总成相接。因此，本实用新型自上而下依次为旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、井下可调弯壳体短节和传动轴总成。

本实用新型赋予了螺杆钻具具有井下调节结构弯角能力的关键是增加了遥控型井下可调弯壳体短节。该短节的壳体由上下两段组成，下段相对于上段可作平面内的轴向伸缩和偏转运动，当下段相对上段有运动时，下段的轴线相对于上段的轴线由原来的重合形成了一定的夹角。井下可调弯壳体的上段与直螺杆钻具的万向轴总成连接，下段与传动轴总成连接，钻头装在传动轴总成下端的传动轴上。因此，可调弯壳体的下段一传动轴总成一钻头与可调弯壳体上段之上部分的轴线会产生一定的夹角，该夹角定义为螺杆钻具的结构弯角。螺杆钻具的结构弯角是可调的，在一定的范围内按一定的角度间隔分级。结构弯角的调节是由可调弯壳体内部的行程遥控机构和结构弯角调节机构实现的，结构弯角调节控制信号来自地面的泥浆泵的开停信号。

通过在地面控制泥浆泵的开与停，即泥浆泵排量的有与无，控制井下行程控制机构的行程增量，结构弯角调节机构接收位移信号后产生结构弯角变量。这样，实现了对螺杆钻具结构弯角在地面的遥控，赋予了螺杆钻具具有井下的调节能力，以改变钻具组合的力学性质，满足定向钻井过程中对井眼轨道实时控制的需要。

本实用新型的优点：

1、本实用新型通过在井口的控制信号(泥浆泵排量的有/无变化)，控制井下螺杆钻具的结构弯角的变化，从而改变钻具组合的力学特性，对并眼轨道进行适时控制，提高了井眼轨道质量，明显地提高了定向井的成功率。

2、本实用新型通过在井口对螺杆钻具结构弯角的遥控，明显地减少了钻井辅助时间，减轻了操作者的劳动强度，降低了钻井总成本。

3，本实用新型的结构弯角调节范围，可适用于中、长半径水平井以及大斜度定向井和常规定向井。

4、本实用新型可用于滑动钻井，也可用于导向钻井。

5、本实用新型是在直螺杆钻具的基础上仅增加了遥控型井下可调弯壳体短节，制造工艺简单、成本低，易于推广和普及。

附图图面说明：

图1为本实用新型的轮廓示意图。

图2为遥控型井下可调弯壳体短节的上传动轴及壳体剖视图。

图3为遥控型井下可调弯壳体短节的行程控制机构剖视图。

图4为遥控型井下可调弯壳体短节的结构弯角调节机构剖视图。

图5行程控制机构中牙嵌配合结构示意图。

下面结合图1至图5详细说明本实用新型及工作原理。

本实用新型的遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具是在直螺杆钻具的万向轴总成H与传动轴总成E之间，增加了遥控型井下可调弯壳体短节K，上端与螺杆钻具的万向轴总成H相连，下端同螺杆钻具的传动轴总成E相接，如图1所示。图1中标号F为钻头。本实用新型由旁通阀总成M、马达总成N、万向轴总成H，遥控型井下可调弯壳体短节K和传动轴总成E组成。常规螺杆钻具的结构在此不再重述，下面重点说明遥控型井下可调弯壳体短节K的结构。

遥控型井下可调弯壳体短节K的剖视图如图2-4所示，图2的ⅠⅠ线接图3的Ⅰ′Ⅰ′线，图3的ⅡⅡ线接图4的Ⅱ′Ⅱ线。该短节由行程遥控机构①、结构弯角γ调节机构②和动力传动系统③组成：

①行程遥控机构是由装在壳体60、48内的芯轴11，芯轴弹簧14、芯轴弹簧护套13。上拨销15、下拨销组件16、18、上牙嵌53、下牙嵌21、下牙嵌导向组件19、20、芯轴护套12、上牙嵌护套56、锁紧螺母49、钢珠55与阻挡螺钉54、定位螺钉57与垫圈58、O型密封圈61与密封挡圈62、孔用卡环63、孔用挡环64、孔用挡圈65组成。

②壳体弯角调节机构是由装在壳体23、27，29内的导杆28、上球铰44、下球铰43、导杆柔性接头22、24、45、46、47、防转动螺钉25与垫圈26、孔用卡环42一孔用挡环41一孔用挡圈40、球面密封垫36、球面密封垫压环37、密封压紧弹簧39，密封压紧弹簧挡环38和连接壳体35组成。

③动力传动系统自上而下由上水帽1、上传动轴8、锁紧螺母2、上传动轴上滑动轴承4、5、推力调心滚于轴承67，推力球轴承66、上传动轴下滑动轴承6、7、中传动轴10、中水帽59、挠性轴30。挠性轴上扶正轴承50、52。锁紧螺母51、挠性轴下推力球轴承31、挠性轴下扶正轴承32、33和下水帽34组成。

行程遥控机构中的芯轴11泥浆压力和芯轴弹簧14作用下作上下运动，通过导向槽和上拨销15拨动上牙嵌53周向转动；下牙嵌21只能轴向滑动，不可周向转动；上牙嵌53的下端部为台阶状的牙嵌，下牙嵌21的上端部只有一种规格的牙嵌。因此，上牙嵌53周向转动到不同的位置，下牙嵌21位置上移，对应着上、下牙嵌有不同的牙嵌配合，如图5所示，在本实施例中，上牙嵌53的下端部为四级台阶状的牙嵌，下牙嵌的上端部只有一种规格的牙嵌。因此，上牙嵌53周向转动到不同的位置，下牙嵌21位置上移，对应着上、下牙嵌有不同的牙嵌配合，以确定了不同的轴向行程。如图3所示，在本实施例中，上牙嵌53分成四阶A、B、C、D。而下牙嵌21分成一个级T，由如图所示的上牙嵌53和下牙嵌21的不同配合状态，可形成TA(γ=0°)、TB(γ=0.75°)、TC(γ=1.25°)、TD(γ=2°)，四种不同的外壳体的结构弯角γ的变化，从而决定了芯轴11不同的轴向行程；行程遥控机构中的芯轴11、上牙嵌53和下牙嵌21皆为中空结构。

结构弯角γ调节机构中的导杆28为具有一定夹角的两段轴组成的中空结构，上下两段分别由上球铰44和下球铰43约束，导杆28可在球铰的约束下滑动；当导杆28上段向下运行时，导杆28下段与铅垂线之间的夹角在发生改变，为限制导杆28作平面运动，导杆28的下端有导向结构，导向块在壳体27下端的导向槽内滑动；定向钻进时传动轴系统的轴承所受的摩擦力矩，开转盘钻进时下稳定器所受的摩擦力矩以及装配时的拧紧力矩，都将导杆28产生扭矩作用，为了使导杆28在正常工作状态，不会产生转动，在导杆28的下端特设有抗扭结构。上述的导向机构和抗扭机构是由设在导杆28下端的凸缘构成，该凸缘嵌设于壳体的轴向导槽中。结构弯角γ调节机构中的导杆柔性接头22、24、45、46、47，如图4所示，实现了导杆与上牙嵌53轴向无间隙的连接，既可以满足上牙嵌53轴向滑动，又能使导杆28在设计平面内灵活转动。在弯角调节机构中的端面密封组件36～39，使连接壳体35作轴向滑动或径向偏移时，球面橡胶垫始终与壳体29的球端面接触，如图4所示。

动力传动系统分为上传动、中间传动和挠性轴传动三部分。上传动部分包括上水帽1、锁紧螺母2上滑动轴承3、4、推力调心滚子轴承67，推力球轴承66，下滑动轴承6、7，上传动轴8和壳体3、9；中间传动包括中传动轴10和中水帽59；挠性轴传动部分包括挠性轴上扶正轴承50、52，锁紧螺母51、挠性轴30、挠性轴下推力球轴承31、下扶正轴承32、33和下水帽34。在动力传动系统中泥浆主流道为：由上水帽1流入上传动轴8的腔体，经上传动轴8下端的水眼流出上传动轴8，流经中传动轴10的外部，通过中水帽59的水眼流入挠性轴30中空的腔体，最后，由下水帽34流出。

遥控型可调弯壳体的工作原理是在地面开停一次，芯轴11作上、下行运动，上牙嵌转动一个方位，上、下牙嵌的配合输出一个行程增量，下牙嵌推动导杆28和连接壳体35产生一变角。结构弯角γ的具体调节过程如下：

①不停泵，将钻具提离井底；

②导杆28上没有钻压作用，在自重和泥浆泵压差的作用下，沿壳体27下端的导向槽下滑，下牙嵌也随之滑下井与上牙嵌脱开：

③停泵，芯轴上行，上牙嵌转动一个工位；

④下放钻具，导杆和下牙嵌上滑，上、下牙嵌配合，限位变角；

⑤开泵，钻进。

综上所述，本实用新型通过遥控型井下可调弯壳体短节K在井下接收来自地面的控制信号，经其行程遥控机构和结构弯角γ调节机构，实现螺杆钻具结构弯角γ在井下的自动调节，以改变钻具组合的力学性质，满足定向钻井过程中对井眼轨道实时控制的需要。

Claims

1、一种遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具，包括有旁通阀总成，马达总成、万向轴总成、传动轴总成，其特征在于，在万向轴总成、传动轴总成间设有遥控型井下可调弯壳体短节，该遥控型可调弯壳体短节的上端与直螺杆钻具的万向轴总成相连，下端同传动轴总成相接。

2、根据权利要求1所述的遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具，其特征在于遥控型井下可调弯壳体短节由行程遥控机构，结构弯角调节机构和动力传动系统组成。

3、根据权利要求2所述的遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具，其特征在于所述的行程遥控机构是由装在壳体(60、48)内的芯轴(11)、该芯轴(11)由芯轴弹簧(14)顶撑复位；芯轴的下端由上拨销(15)拨销组件(16、17、18)拨动上牙嵌(53)转动，下牙嵌(21)与上牙嵌53啮合轴向移动；由下牙嵌(21)连接于结构弯角调节机构。

4、根据权利要求2所述的遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具，其特征在于所述的结构弯角调节机构至少包括有一个装在壳体内的导杆(28)、该导杆(28)由不同角度的两段轴组成，并由上球铰(44)，下球饺(43)滑动支撑；导杆(28)的上端由导杆柔性接头连接于行程遥控机构。

5、根据权利要求4所述的遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具，其特征在于所述的导杆柔性接头由导杆柔性上接头(22)、该导杆柔性上接头(22)通过导杆柔性连接球绞(24)和导杆柔性连接球座(47)、顶持于导杆柔性下接头(45)。

6、根据权利要求2所述的遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具，其特征在于所述的动力传动系统依次连接有上水帽(1)、上传动轴(8)、中传动轴(10)、中水帽(59)、挠性轴(30)、下水帽(34)。

7、根据权利要求2或3所述的遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具，其特征在于所述的行程遥控机构中上牙嵌的下端部呈台阶状牙嵌，并至少设有一级台阶状牙嵌；下牙嵌的上端部为台阶状牙嵌，并至少设有一级台阶状牙嵌；上牙嵌与下牙嵌嵌合以嵌有不同的牙嵌配合；行程遥控机构中的芯轴、上牙嵌和下牙嵌最佳为中空结构。

8、根据权利要求2或4所述的遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具，其特征在于所述的结构弯角调节机构导杆的下端设有限制导杆作平面运动，以及防止导杆在正常工作状态不产生转动的导向、抗扭结构。

9、根据权利要求2或4所述的遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具，其特征在于在结构弯角调节机构下端设有端面密封组件，该组件至少包括有球面橡胶垫(36)和密封压紧弹簧(39)，该球面橡胶垫(36)始终与壳体的球端面接触。

10、根据权利要求2或6所述的遥控型井下可调弯壳体螺杆钻具，其特征在于所述的动力传动系统中设有导通的泥浆主流道为：由上水帽流入上传动轴的腔体一经上传动轴下端的水眼流出上传动轴一流经中传动轴的外部，通过中水帽的水眼流入挠性轴中空的腔体，再由下水帽流出。