机械式自动垂直钻井工具的制作方法

[0001]
本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种机械式自动垂直钻井工具。


背景技术：

[0002]
在石油与天然气钻井过程中，随着钻探深度不断的加深，岩石硬度更高，岩层软硬分布更加不均匀，地层可钻性更差等环境因素会给油气钻采带来巨大麻烦。在竖直井钻井作业以及定向井的竖直井段钻井作业中，当遇到粗粒不均的坚硬岩层时会发生井眼偏差的情况，即产生井斜问题。由于地质深度的增加和钻井难度的加大，井眼角度和机械钻速对钻井效率的影响更加显著；现有的纠斜钻井系统都非常昂贵，并且由于存在电子设备，可靠性不高。
[0003]
因此，如何实现高陡高斜地层的防斜快打，是本领域渴望解决的技术问题。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是提供一种通过纯机械式结构、自动控制打竖直井的机械式自动垂直钻井工具。
[0005]
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种机械式自动垂直钻井工具，所述机械式自动垂直钻井工具两端分别与上部钻具和钻头可拆卸螺纹连接，所述机械式自动垂直钻井工具包括测试短节、控制装置、执行机构和辅助部分；所述测试短节同时作为机械式自动垂直钻井工具的上接头，内部与芯轴通过螺纹连接；所述测试短节具有测试方位角、工具面角、井斜角等功能，同时能将测试到的相关数据传到地面；所述控制装置包括位于上壳体内部的偏心块开关，以及限制偏心块开关轴向运动和径向运动的平面轴承和扶正轴承；所述控制装置在井身倾斜时，能够自动检测并控制执行机构工作；所述执行机构包括与母体间隙配合的推块a和推块b，装配在推块a上与推块b的槽道配合的推块螺钉，以及允许单向导通的喷嘴；所述执行机构在井身倾斜时，能产生推靠钻头的径向力，实现纠斜；所述辅助部分包括与钻头可拆卸连接的下接头，承受控制装置以及执行部分轴向力的串轴承，以及承受径向力的tc轴承等。
[0006]
优选的，所述偏心块开关由平面轴承和扶正轴承支撑在上壳体内，能相对于芯轴和上壳体自由转动；所述偏心块开关分偏心块和开关两段。
[0007]
优选的，所述偏心块段相对于偏心块开关的中心线，一侧为完整的圆柱筒，另一侧去除，两侧不对称；偏心块段上端和下端分别设计有装配扶正轴承和平面轴承的台阶；所述开关段在偏心块段完整圆柱筒的对边开有100
°
的孔c和孔d，在孔c和孔d周围，开关段外圆柱面上设计有装配密封圈的凹槽。
[0008]
优选的，所述推块a和推块b为“匚”形结构，推块a内部一段与母体间隙配合，另一
段与推块b外部间隙配合，推块b内部与母体间隙配合；所述推块a和推块b上设计有单向喷嘴。
[0009]
优选的，所述推块a上有六颗推块螺钉，推块b上对应、配套设置有六条槽道，推块螺钉和槽道配合限制推块a和推块b的径向伸缩行程。
[0010]
优选的，所述推块a和推块b在母体轴向上相互垂直的分布两层，分别对应四个错开90
°
的方向。
[0011]
优选的，所述单向喷嘴通过喷嘴外壳外部的螺纹与推块a或者推块b连接；喷嘴外壳内部一段为螺纹，与喷嘴内挡板对应、配套设置，另一段为内花键槽，最小内径为喷嘴阀芯的外径；所述喷嘴内挡板外部为螺纹，中间开小于喷嘴阀芯外径的内六角通孔；所述单向喷嘴只允许流体流出空腔，限制流体流入空腔。
[0012]
优选的，所述母体设置有两层装配推块a和推块b的空腔；所述母体正对单向喷嘴的面开有对称的孔e；两层开孔e的轴线相互垂直；所述母体与上壳体通过螺纹连接。
[0013]
优选的，所述芯轴开有进入空腔的对称的孔a和对称的孔b，且孔a和孔b的轴线相互垂直，沿芯轴轴线位置与母体开孔e对应；芯轴开孔a和孔b的位置的外柱面开有环槽；芯轴上端、下端分别与作为工具上接头的测试短节和下接头通过螺纹相连。
[0014]
优选的，所述tc轴承分别位于串轴承靠近工具两端的位置，tc轴承动圈与芯轴通过连接，tc轴承静圈与上壳体或者母体通过螺纹连接；所述tc轴承动圈对串轴承内圈轴向限位，tc轴承静圈对串轴承外圈轴向限位；所述串轴承挡圈a同时对串轴承外圈和扶正轴承外圈轴向限位；串轴承内圈与芯轴连接，串轴承外圈与上壳体和母体连接。
[0015]
本发明具有以下有益效果：本发明为纯机械结构控制执行纠斜，在井下复杂多变的环境中不易失效。井身倾斜时，机械式自动垂直钻井工具能自动纠斜，无需人员额外操作。不存在电子设备，稳定可靠，制造成本低。
附图说明
[0016]
图1是根据本发明的一个实施方案的机械式自动垂直钻井工具的示意图；图2是图1的a-a剖面视图，显示了根据本发明的控制装置的截面示意图；图3是图1的b-b剖面视图，显示了根据本发明的执行机构的截面示意图；图4是图1的扶正轴承放大结构示意图；图5是图1的平面轴承放大结构示意图；图6是图1的喷嘴放大结构示意图；图7是图1的串轴承放大结构示意图。
[0017]
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，仅用于说明本发明的原理，并未按照实际的比例绘制。
[0018]
在附图中各附图标记的含义如下：1、测试短节，2、tc轴承垫圈，3、tc轴承，31、tc轴承动圈，32、tc轴承静圈，4、芯轴，41、孔a，42、孔b，410、环槽，5、隔套，6、串轴承挡圈a，7、串轴承挡圈b，8、扶正轴承，81、扶正轴承外圈，82、滚珠a，83、扶正轴承内圈，9、上壳体，10、偏心块开关，101、孔c，102、孔d，103、偏心块段，104、开关段，11、平面轴承，111、平面轴承上挡圈，112、滚珠b，113、平面轴承下挡圈，12、母体，120、空腔，121、孔e，13、喷嘴，131、喷嘴内挡板，132、喷嘴外壳，133、喷嘴阀芯，134、喷嘴弹簧，14、推块a，15、推块螺钉，16、推块b，161、
槽道，17、串轴承，171、串轴承外圈，172、滚珠c，173、串轴承内圈，18、下接头，19、密封圈。
具体实施方式
[0019]
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0020]
图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例机械式自动垂直钻井工具。需要说明的是，所述机械式自动垂直钻井工具可用于多种需要保证竖直井的钻井情况。本发明附图将其应用于石油钻井中，并非限定其只能应用于此。下面以应用于石油钻井为例。
[0021]
如图1所示，本实施例的机械式自动垂直钻井工具包括测试短节1；该测试短节1同时作为机械式自动垂直钻井工具的上接头，内部与芯轴4通过螺纹连接；所述测试短节1具有测试方位角、工具面角、井斜角等功能，同时能将测试到的相关数据传到地面。本实施例的机械式自动垂直钻井工具还包括控制装置；该控制装置能够自动检测并控制执行机构工作。本实施例的机械式自动垂直钻井工具还包括执行机构；该执行机构能够在井身倾斜时产生推靠钻头的侧向力，实现纠斜。本实施例的机械式自动垂直钻井工具还包括辅助部分；该辅助部分传递钻井必须的钻压和扭矩，以及辅助控制装置和执行机构工作。
[0022]
在使用时，将机械式自动垂直钻井工具通过测试短节1和下接头18连接在上部钻具与钻头之间；钻井液通过工具测试短节1后，由芯轴4将钻井液引入工具内部，大部分钻井液通过芯轴4及下接头18到钻头；当井身倾斜时，由于偏心块开关10的偏心块103段相对于偏心块开关10的中心线，一侧为完整的圆柱筒，另一侧去除，两侧不对称，使得偏心块开关10在重力的作用下，发生偏转，偏心块开关10的开关104段的开孔c101和孔d102转动到井眼高边方向，连通芯轴4外柱面的环槽410与母体12上的孔e121，同时关闭井眼低边的流体通道，部分钻井液从芯轴4内部分配到空腔120，推动推块a14或者推块b16伸出，推靠井壁，产生反作用力推靠钻头，实现纠斜。
[0023]
在一个优选实施例中，如图1~图5所示，偏心块开关10由平面轴承11和扶正轴承8支撑在上壳体9内，将偏心块开关10与芯轴4和上壳体9隔开，能相对于芯轴4和上壳体9自由转动，不受芯轴4和上壳体9的影响，而使偏心块开关10的偏转只与重力有关；偏心块开关10分偏心块103和开关104两段。
[0024]
进一步的，偏心块103段相对于偏心块开关10的中心线，一侧为完整的圆柱筒，另一侧去除，两侧不对称；使得偏心块开关10具有偏心的作用，在重力的作用下，能够发生偏转；偏心块103段上端和下端分别设计有装配扶正轴承8和平面轴承11的台阶；开关104段在偏心块103段完整圆柱筒的对边开有100
°
的孔c101和孔d102；优选的，需要孔c101和孔d102的大小大于90
°
而小于180
°
，确保工具在360
°
方向上都能起纠斜的作用；即若井眼高边位于相互垂直的推块a14或者推块b16之间，那么就能同时控制上下两层位于井眼高边两边的相互垂直的两个推块a14或者推块b16一起伸出，推靠井壁，产生反作用力推靠钻头，实现纠斜。在孔c101和孔d102周围，开关104段外圆柱面上设计有装配密封圈19的凹槽，确保孔c101和孔d102转过以后能完全阻隔芯轴4外柱面的环槽410与母体12上的孔e121。
[0025]
在一个优选实施例中，如图1、图3和图6所示，推块a14和推块b16为“匚”形结构，推块a14内部一段与母体12间隙配合，另一段与推块b16外部间隙配合，推块b16内部与母体12间隙配合；推块a14和推块b16上设计有单向喷嘴13。
[0026]
进一步的，推块a14上有六颗推块螺钉15，推块b16上对应、配套设置有六条槽道
161，推块螺钉15和槽道161配合限制推块a14和推块b16的径向伸缩行程。
[0027]
进一步的，推块a14和推块b16在母体12轴向上相互垂直的分布两层，分别对应四个错开90
°
的方向。
[0028]
进一步的，单向喷嘴13通过喷嘴外壳132外部的螺纹与推块a14或者推块b16连接；喷嘴外壳132内部一段为螺纹，与喷嘴内挡板131对应、配套设置，另一段为内花键槽，最小内径为喷嘴阀芯133的外径；喷嘴内挡板131外部为螺纹，中间开小于喷嘴阀芯133外径的内六角通孔，一方面用于通钻井液，另一方面用于松紧喷嘴内挡板131；单向喷嘴13只允许流体流出空腔a120，限制流体流入空腔a120；当孔c101和孔d102转过以后，连通空腔a120与井眼环空卸压，以至于推块a14或推块b16在井壁的作用下能缩回空腔a120。
[0029]
进一步的，母体12设置有两层装配推块a14和推块b16的空腔a120；母体12正对单向喷嘴13的面开有对称的孔e121；两层开孔e121的轴线相互垂直，母体1与上壳体9通过螺纹连接。
[0030]
在一个优选实施例中，如图1所示，芯轴4开有进入空腔a120的对称的孔a41和对称的孔b42，且孔a41和孔b42的轴线相互垂直，沿芯轴4轴线位置与母体12开孔e121对应；芯轴4开孔a41和孔b42的位置的外柱面开有环槽410；芯轴4上端、下端分别与作为工具上接头的测试短节1和下接头18通过螺纹相连。
[0031]
在一个优选实施例中，如图1和图7所示，tc轴承3分别位于串轴承17靠近工具两端的位置，tc轴承动圈31与芯轴4通过连接，tc轴承静圈32与上壳体9或者母体12通过螺纹连接；tc轴承动圈31对串轴承内圈173轴向限位，tc轴承静圈32对串轴承外圈171轴向限位；串轴承挡圈a6同时对串轴承外圈171和扶正轴承外圈81轴向限位；串轴承内圈173与芯轴4连接，串轴承外圈171与上壳体9和母体12连接。
[0032]
在上述设置方式下，串轴承17实现芯轴4转速与上壳体9和母体12分离，从而隔离了芯轴4对上外壳9和母体12的影响，使得上外壳9和母体12在井下能够保持相对静止或缓慢转动；在纠斜时产生的径向反作用力由tc轴承3传递给芯轴4，进而传递侧向力给钻头。
[0033]
最后应说明的是,以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。