CN2723666Y - 高造斜率液压变径钻具稳定器 - Google Patents

Abstract

一种能够提高石油定向斜井造斜率和使用寿命的高造斜率液压变径钻具稳定器。它的外形是由两头为截头圆锥体，中间为圆柱体组合而成的一个细长的纺锤状复合体，体内安装有多个液缸、球形硬质合金支承头和活塞。工作时，本体可绕井眼轴线倾斜一个较大的角度，以提高钻头对井壁侧面的横向切削力，从而得到较高的造斜率；在工作过程中，整体球形硬质合金支承头与活塞的钎焊缝始终保持在液缸内，延长了球形支承头的使用寿命。这两项技术改进，可大大降低石油斜井钻井成本。

Description

高造斜率液压变径钻具稳定器

所属技术领域

本实用新型涉及一种石油勘探与开发过程中钻凿垂直井、定向斜井、水平井时能防止井内石油钻具卡阻事故的发生，尤其是能极大提高斜井段的造斜率和液压变径钻具稳定器的使用寿命。

背景技术

在现有技术中，国外的最新技术是1998年美国哈利伯顿(Halliburton)公司发明的TRACS(可调变径钻具稳定器)，由于成本昂贵，多用于海洋石油开采的大位移井。国内的技术现状是侧重开发双外径液压钻具稳定器，即在井下工作时变为预定外径尺寸，起下钻具时缩小外径。例如，中国专利号为ZL0024666.9，授权公告日期2001年11月24日，授权公告号为CN245943Y，，实用新型名称为分离活塞式双外径液压钻具稳定器，它是国内典型的双外径钻具稳定器。该专利公开了其结构为一个圆柱本体和分布在圆柱本体上的15个圆柱镗孔，镗孔内装有支承头总成。在液压作用下，各支承头伸到预定的外径尺寸，起到非变径的普通钻具稳定器的作用。在起下钻具的过程中，支承头缩回到圆柱本体内，以防止钻具卡阻事故的发生。

众所周知，现代石油工业中已大量采用先进的定向斜井和水平井开发技术，这不但增加了单井产量，而且少占了良田，保护了环境。因此，如何按预定的井眼轨迹，快速地钻成倾角可达60°以上的斜井，是降低石油开采成本的重要途径之一。

使用高造斜率液压变径钻具稳定器是加快钻成石油斜井的重要工具。所谓高造斜率液压变径钻具稳定器是指单位长度的井段内井眼形成的倾角要比普通的液压变径钻具稳定器高出2倍以上。

现有的分离活塞式双外径液压钻具稳定器不足之处的核心问题是：第一，它的本体是一等直径的圆柱体，长度通常在0.6～1.00米之间，这样长的圆柱本体要在直径只大几个毫米的井筒内，带着下部的钻头倾斜一个较大的角度，以加大钻头对井壁侧向的切削力，从而钻出一个有较大倾斜角的斜井段是难以实现的；第二，它的支承头的硬质合金镶嵌在普通金属套内，在井下工作过程中金属套首先被磨损，进而使整体使用寿命缩短。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型采用下述技术方案：高造斜率液压变径钻具稳定器由一个上部截头圆锥体、中部圆柱体和下部截头圆锥体组合而成外形似纺锤状的本体，本体上下两端是母接头和公接头，本体上分布着多个圆柱镗孔。各圆柱镗孔内安装有球形硬质合金支承头、活塞及油缸，并由螺栓固定在本体上；圆柱镗孔内安装的活塞上有三联密封圈与液缸内孔密封，并作滑配合；液缸上部有半圆形平衡孔；本体上各圆柱镗孔在纵向上按空间螺旋线分布，横向上均布圆周；各圆柱镗孔的中轴线垂直于该处的本体母线；支承头活塞上钎焊的硬质合金头的顶部为球面，球面的直径与井眼的直径相等；在工作过程中，钎焊缝始终保持在液缸内。

由于采用上述技术方案，本实用新型似纺锤状的本体，能在相同直径的井筒内围绕中轴线倾斜一个较大的倾角；同时，由于球形硬质合金支承头由整体的硬质合金构成，使其耐磨寿命得到很大提高。因此，本实用新型比普通的液压变径钻具稳定器有更高造斜率和更长的使用寿命，其有益效果是大大降低了钻凿石油斜井的成本。

附图说明

图1是高造斜率液压变径钻具稳定器实施例的纵向构造剖面图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是在定向井中加快造斜的作用原理示意图。

图1中，1-本体，2-上部截头圆锥体，3-中部圆柱体，4-下部截头圆锥体，5-圆柱镗孔，6-固定螺栓，7-支承头总成，8-螺旋式过液槽；图2中，9-半圆形平衡孔，10-液缸，11-球形硬质合金支承头，12-支承头活塞，13-三联密封圈，14-密封圈；图3中，15-下井壁，16-上部钻柱，17-钻柱压力矢量，18-上井壁，19-高造斜率液压变径钻具稳定器，20-钻头，21-井眼中轴线，22-钻柱中轴线，23-钻头上的钻压矢量；24-钻头上横向切削井壁力矢量。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本实用新型的结构和作用原理作进一步详细描述。

在图1所示实施实例中，本体(1)由上部截头圆锥体(2)，中部圆柱体(3)及下部截头圆锥体(4)组合而成似纺锤状的外形，本体上按螺旋线分布着多个圆柱镗孔(5)，其圆柱镗孔的中轴线与该处本体母线垂直，沿镗孔两侧有固定螺栓(6)，以压紧圆柱镗孔内的支承头总成(7)，为钻井液提供循环通道的螺旋式过液槽(8)。

图2所示实施实例中，密封圈(14)将液缸(10)和本体(1)上的圆柱镗孔(5)密封，三联密封圈(13)在支承头活塞(12)与液缸(10)之间形成滑动密封。端部成球面的硬质合金头(11)在支承头活塞(12)上的嵌入钎焊缝，在工作期间始终在液缸内。半园形平衡孔(9)是用在当支承头活塞(12)外伸时，排除液缸(10)环形空间中的残余液体的通道。

图3(a)所示，钻杆柱(16)下部连接着高造斜率液压变径钻具稳定器(19)，其下连接钻头(20)。这一套钻具组合倚靠在下井壁(15)上，在钻杆柱压力矢量(17)的作用下，高造斜率液压变径钻具稳定器将绕中部短圆柱上的球形硬质合金支承头(12)，倾斜一个α角，使上部截头圆锥体紧贴下井壁(15)。α角实际上是井眼的中轴线(21)与高造斜率液压变径钻具稳定器的中轴线的夹角；如图3(a)所示，沿钻杆柱的中轴线(22)的钻杆柱压力矢量(17)、沿井眼中轴线(21)上的钻压矢量(23)、以及垂直井壁的钻头横向切削力矢量(24)，组成力的平行四边形，由此可以导出常用的计算公式：

                    F＝Ptgα

式中：

F-钻头横向切削井壁力矢量；

P-上部钻柱重量压力矢量；

α-高造斜率液压变径钻具稳定器的中轴线与井眼中轴线之间的夹角；

由上式可以看出，α愈大切削井壁的横向力F也愈大。众所周知，横向切削井壁的力F愈大，新井段愈容易倾斜，则造斜率愈高，形成井斜角更大的新井段越容易。由于本实用新型可以在中部最大直径处的球形硬质合金支承头为支点，可以比普通液压变径钻具稳定器倾斜一个大得多的α角。例如，在条件相同的情况下，理论上本实用新型所形成的α角约为普通变径钻具稳定器的10倍左右。因此本实用新型的造斜率比普通变径钻具稳定器的造斜率高得多。

本实用新型的工作过程描述如下：在钻井过程中，当钻井液通过钻柱中心泵入井底时，将在钻头喷嘴上产生5MPa～15MPa压降，并作用在活塞(12)的下部，推动其向外伸出，直到液缸(10)上的限位台阶定位止动，此时外径达到所规定的最大外径。这时的钎焊缝在液缸内，与地层接触的完全是硬质合金，从而提高了使用寿命。当停止钻井液循环时，支承头活塞在起下钻的过程中，由于环空钻井液的密度一般要高于钻杆内的钻井液的0.05～0.1g/cm³，因此将自动产生2.80KN～5.56KN的收缩力，足以使支承头活塞自动复位，以减少起下钻过程中遇阻遇卡的现象发生。本实用新型的本体在钻杆柱轴向压力作用下，其中轴线可绕井眼中轴线转动一个较大的α夹角，提高了井壁横向切削力，从而达到提高定向斜井中造斜率的目的。

Claims (5)

1.一种高造斜率液压变径钻具稳定器，由一个上部截头圆锥体、中部圆柱体和下部截头圆锥体组合而成外形似纺锤状的本体，本体上分布着多个圆柱镗孔，各圆柱镗孔内安装有球形硬质合金支承头，活塞及液缸，并由螺栓固定在本体上，其特征是：本体是由两头为截头圆锥体，中间为圆柱体组合而成的一个外形似纺锤状的细长复合体。

2.根据权利要求1所述的高造斜率液压变径钻具稳定器，其特征是：本体上各圆柱镗孔在纵向上按空间螺旋线分布，在横向上均布圆周；各圆柱镗孔的中轴线垂直于该处本体的母线。

3.根据权利要求1所述的高造斜率液压变径钻具稳定器，其特征是：在圆柱体的中部，只布置一排在周向上匀布的3个圆柱镗孔。

4.根据权利要求1所述的高造斜率液压变径钻具稳定器，其特征是：在活塞上钎焊的球形硬质合金支承头的顶部为球面，球面的直径与井眼的直径相等；工作过程中钎焊缝始终保持在液缸内。

5.根据权利要求1所述的高造斜率液压变径钻具稳定器，其特征是：圆柱镗孔内安装的支承头活塞上有三联密封圈，与液缸内孔密封，并作滑配合，液缸上部有半圆形平衡孔。

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