CN110029936B - 一种注压式双层钻柱防斜打直钻井工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种注压式双层钻柱防斜打直钻井工具，用于钻井工程中打直井(或直井段)。其结构主要包括：动力短节总成、双层钻柱总成、下接头总成和钻头组成，动力短节总成提供使双层钻柱内部钻柱受压，外部钻柱受拉的动力；双层钻柱总成包括内部钻柱和外部钻柱，在动力短节总成和下接头总成的作用下处于内部钻柱受压，外部钻柱受拉状态；下接头总成连接双层钻柱总成和钻头。本发明中外部钻柱在未承受钻压之前处于受拉状态，在承受钻压时，双层钻柱总成所受拉力一部分用以抵消钻压对双层钻柱总成所施加的压力，双层钻柱总成仍然处于内部钻柱受压，外部钻柱受拉状态，使钻柱不至被压弯，从而实现防斜打直目的。本发明不减小钻压，结构相对简单。

Description

一种注压式双层钻柱防斜打直钻井工具
技术领域
本发明属于一种石油与天然气钻井工具领域，具体涉及一种注压式双层钻柱防斜打直钻井工具。
背景技术
随着石油与天然气资源的勘探与开发的不断发展，钻井所遇到的诸如地层构造(例如高陡斜地质构造)、地层硬度不均、钻具类型和结构以及钻具组合等问题，致使在钻井过程中，所钻直井(或直径段)井眼轨迹不能达到预期目的(完全垂直或者全井井斜为0°)。如此，“防斜打直”技术能在一定程度上减小钻井成本，避免资源浪费。
为更大程度的降低因井斜造成钻井成本，防斜和纠斜技术是一个永恒的研究课题。传统的垂直钻井工具(如满眼钻具组合和钟摆钻具)主要以钻具侧向力作为防斜或降斜的动力来源，以牺牲钻压和钻速为代价，因而存在很大局限性。此外，偏心钻具、偏轴钻具、柔性钻具、反钟摆钻具以及导向钻具等垂直钻井工具，虽能较好地控制井斜，提高机械钻速，但是诸如此类的钻具组合不但结构比较复杂且仍没有足够抵抗地层造斜力的能力。
综合分析现有垂直钻井工具的工作原理，要么是通过牺牲钻压和钻速来实现防斜目的，要么钻具组合结构相对较为复杂，要么因存在大量电子元件，不能承受高温且结构也相对复杂，可靠性差。针对现有垂直钻井工具存在的相关问题，研发结构简单、不牺牲钻压和钻速、相对较为可靠的防斜打直钻井工具对于推动钻井领域的发展意义深远。
发明内容
本发明旨在解决现有垂直钻井工具中以牺牲钻压和钻速、可靠性差、不能承受高温以及结构复杂等问题，为油气钻井领域提供一种结构相对简单、不以牺牲钻压和钻速，可靠性相对较高的防斜打直钻井工具。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种注压式双层钻柱防斜打直钻井工具，包括动力短节总成、双层钻柱总成、下接头总成和钻头。其中动力短节总成包括上接头、中接头、限位筒、中心管、本体、活塞环、活塞Ⅰ、弹簧Ⅰ、传力筒Ⅰ、碟簧垫环、碟簧组、止推轴承、传力筒Ⅱ、活塞Ⅱ、弹簧Ⅱ、弹簧筒；双层钻柱总成包括密封筒、内部钻柱、外部钻柱；下接头总成包括接头本体、弹簧筒。其特征在于：双层钻柱防斜打直钻井工具自上而下为动力短节总成、双层钻柱总成、下接头总成和钻头依次连接。
本发明具有的有益效果是：注压式双层钻柱防斜打直钻井工具承受钻压之前，在动力短节总成提供的动力作用下，对双层钻柱总成中的内部钻柱产生挤压，使得内部钻柱处于受压状态；内部钻柱对外部钻柱施以反作用的拉力，使得外部钻柱处于受拉状态。注压式双层钻柱防斜打直钻井工具承受钻压时，双层钻柱总成中外部钻柱在预先所受拉力一部分用以抵消所受钻压，使得外部钻柱在承受钻压时仍然处于受拉状态，从而实现防斜打直钻井作业。本发明结构简单、可靠性相对较高、不牺牲钻压和钻速，节约钻井成本。
进一步，所述动力短节总成中，在下部碟簧垫环与传力筒Ⅱ之间设有止推轴承。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：在旋进动力短节总成中接头时和限位筒时下部的传力筒Ⅱ能够保持静止。
进一步，所述动力短节总成中，活塞Ⅰ设置于传力筒Ⅰ小径端且可浮动，在传力筒Ⅰ大径端和活塞Ⅰ的密封圈槽内设置密封圈，将传力筒Ⅰ与活塞Ⅰ设置于本体内部，在传力筒Ⅰ小径端外壁与本体内壁的环形空间内形成密封腔Ⅰ，在密封腔内设置弹簧Ⅰ。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：在传力筒Ⅰ、活塞Ⅰ与本体之间形成的密封腔Ⅰ为注入高压油液的液压腔，由于活塞Ⅰ上部被中接头抵住而无法上移，进而在液压的作用下，使得传力筒Ⅰ产生向下的位移，进而其下部的碟簧垫环产生挤压，进而使得碟簧组承受向下挤压力而增大其弹性势能，弹簧Ⅰ在泄压后使活塞Ⅰ复位。
进一步，所述动力短节总成中，在通过注油孔向密封腔Ⅰ注液压油时，在注油孔处设置单向阀。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：在通过注油孔向密封腔Ⅰ注液压油时，在注油孔处设置单向阀能保证注液压油的过程顺利进行。
进一步，所述动力短节总成中，活塞Ⅱ设置在传力筒Ⅱ小径端，且可浮动，在活塞Ⅱ的密封圈槽内设有密封圈，在活塞Ⅱ以上部位、传力筒Ⅰ大径端以下部位、中心管和本体内壁之间的区域内形成密封腔Ⅱ，在活塞Ⅱ和弹簧筒之间设有弹簧Ⅱ。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：在通过注油孔向密封腔Ⅰ注入液压油之前，向密封腔Ⅱ内注入油液，对碟簧组以及止推轴承起润滑作用。在通过注油孔向密封腔Ⅰ注入液压油时，传力筒Ⅰ向下移动，进而推动碟簧垫环、碟簧组、传力筒Ⅱ向下移动，对接于动力短节总成下端的双层钻柱总成中的内部钻柱产生挤压。由于传力筒Ⅰ大径端所处位置本体内径比活塞Ⅱ所处位置本体内径要大，因此传力筒Ⅰ与传力筒Ⅱ下移相同的位移，会使得密封腔Ⅱ空间缩小，但密封腔Ⅱ内已注满油液介质，进而对活塞Ⅱ产生液压力使得活塞Ⅱ压缩弹簧Ⅱ产生浮动，上端面与传力筒Ⅱ大径端下部台阶面分离，补充密封腔Ⅱ因本体内径不同而缩小的体积。从而保证在通过注油孔向密封腔Ⅰ注入液压油时，传力筒Ⅰ及其下部的碟簧垫环、碟簧组和传力筒Ⅱ能顺利下移，并对双层钻柱总成的内部钻柱产生挤压。
进一步，所述动力短节总成中，在中心管外壁与传力筒Ⅱ大径端内壁，设置螺纹连接，且在传力筒Ⅱ大径端内壁与中心管接触处开有密封圈槽并在槽内设有密封圈。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：设置螺纹连接将中心管下部外壁与传力筒Ⅱ大径端内壁固接，使得中心管与传力筒Ⅱ能同步下移，保证密封腔Ⅱ的密封性。
进一步，所述动力短节总成中，在通过注油孔向密封腔Ⅰ注入液压油使得传力筒Ⅰ、碟簧垫环、碟簧组、传力筒Ⅱ产生向下位移并对下部的双层钻柱的内部钻柱产生预期的挤压力后，通过螺纹连接将限位筒旋入中接头，并抵住传力筒小径端上端面。再将上接头连接于中接头上端，并使其下端抵住限位筒上端。然后再将密封腔Ⅰ内部的液压油卸掉。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：在密封腔Ⅰ注入液压油的情况下，下位筒能够轻松旋入相应位置。在此过程中，螺纹不受挤压力，保证螺纹受力状况较好。
进一步，所述动力短节总成中，限位筒上端设有四个均匀凸齿。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：限位筒上端凸齿方便限位筒顺利旋进，辅助旋进的工具一段设有能与限位筒上端凸齿啮合的凸齿。
进一步，所述双层钻柱总成中，内部钻柱上设有若干与外部钻柱内壁贴合的凸起部分。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：凸起部分与外部钻柱内壁贴合，在内部钻柱承受向下挤压的同时，对内部钻柱起着扶正的作用，避免在内部钻柱承受挤压情况下发生失稳弯曲。
进一步，所述双层钻柱总成中，内部钻柱外壁与外部钻柱内壁之间形成密封腔Ⅲ且充有润滑油液，在外部钻柱上端设有密封筒，密封筒内壁设有密封圈槽并在槽内设置O型密封圈，在外部钻柱下端内壁设有密封圈槽并在槽内设置O型密封圈。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：密封腔Ⅲ内的润滑油液能够保证内部钻柱在受到动力短节总成挤压力相对于外部钻柱产生向下位移时能够顺畅无阻，并对内部钻柱起着一定的保护作用。
进一步，所述动力短节总成、双层钻柱总成和下接头总成中，传力筒Ⅱ小径端端面、内部钻柱两侧端面和止推筒上端面均设置有均匀的相同尺寸的波浪形凸齿。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：波浪形均匀凸齿增大了端面的受力面积，且使得端面应力分布均匀。
进一步，所述下接头总成中，止推筒设置于接头本体内部，其下端与接头本体内部台阶面接触。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：止推筒下端被接头本体内部的台阶面抵住，上端面与内部钻柱下端面接触，在内部钻柱受挤压力产生向下位移时，将内部钻柱抵住，从而使得内部钻柱处于受挤压的状态。
附图说明
图1位本发明一种注压式双层钻柱防斜打直钻井工具结构图。
图2为本发明动力短节总成结构图。
图3为本发明双层钻柱总成结构图。
图4为本发明下接头总成结构图。
图5为本发明止推轴承中止推垫片三维示意图。
图6为限位筒三维示意图。
图中：01.动力短节总成：01-1上接头；01-2.中接头；01-3.限位筒；01-4.中心管；01-5.本体；01-6.活塞环；01-7.活塞Ⅰ；01-8.弹簧Ⅰ；01-9.油塞；01-10.传力筒Ⅰ；01-11.碟簧垫环；01-12.碟簧组；01-13.止推轴承；01-14.传力筒Ⅱ；01-15.活塞Ⅱ；01-16.弹簧Ⅱ；01-17.弹簧筒。02.双层钻柱总成：02-1密封筒；02-2.O型圈Ⅰ；02-3.内部钻柱；02-4.外部钻柱；02-5.O型圈Ⅱ。03.下接头总成：03-1.接头本体；03-2.止推筒。04.钻头。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明一种注压式双层钻柱防斜打直钻井工具，有动力短节01、双层钻柱总成02、下接头总成03和钻头04组成。
如图2所示，注压式双层钻柱防斜打直钻井工具动力短节总成，由上接头01-1、中接头01-2、限位筒01-3、中心管01-4、本体01-5、活塞环01-6、活塞Ⅰ01-7、弹簧Ⅰ01-8、传力筒Ⅰ01-9、碟簧垫环01-10、油塞01-11、碟簧组01-12、止推轴承01-13、传力筒Ⅱ01-14、活塞Ⅱ01-15、弹簧Ⅱ01-16、弹簧筒01-17组成。所述弹簧筒01-17设置于本体01-5下部的台阶孔处，再将所述弹簧Ⅱ01-16安装到弹簧筒01-17内部。所述活塞Ⅱ01-15设置于传力筒Ⅱ01-14小径端，所述中心管01-4下端与传力筒Ⅱ01-14大径端内壁通过螺纹连接，且在传力筒Ⅱ大径端内壁设有密封圈槽并装有O型密封圈。再将中心管01-4、传力筒Ⅱ01-14、活塞Ⅱ01-15组成的整体按传力筒Ⅱ小径端朝下的方式装入本体01-5内部。所述止推轴承01-13设置于传力筒Ⅱ01-14上端，再将下部碟簧垫环01-11大端朝下装入本体01-5内部，并使下端面与止推轴承01-13上端面接触。所述碟簧组01-12设置于中心管01-4与本体01-5之间的环形空间内部。上部碟簧垫环01-11小端朝下设置于碟簧组01-12上端，且其下端面与碟簧组01-12上端面接触。所述活塞Ⅰ01-7设置于传力筒Ⅰ01-10小径端，在活塞Ⅰ01-7与传力筒Ⅰ01-10台阶面之间设置弹簧Ⅰ01-8，并使弹簧Ⅰ01-8套入传力筒Ⅰ01-10小径端。再将传力筒Ⅰ01-10、弹簧Ⅰ01-8、活塞Ⅰ01-7组成的整体以传力筒Ⅰ01-10大径端朝下的方式装入本体01-5内部。所述中接头01-2通过螺纹连接安装与本体01-5上端，中接头01-2下端面与活塞Ⅰ01-7上端面接触，并抵住活塞Ⅰ01-7。在完成向密封腔内Ⅰ内注压后，将所述限位筒01-3用专用工具选入中接头01-2内部，并使其下端面与传力筒Ⅰ01-10上端面接触，并抵住传力筒Ⅰ01-10。将所述上接头01-1通过螺纹连接装于中接头01-2上端，其下端面与限位筒01-4上端面接触，并抵住限位筒01-3。
如图3所示，双层钻柱防斜打直钻井工具双层钻柱总成02，由密封筒02-1、O型圈Ⅰ02-2、内部钻柱02-3、外部钻柱02-4和O型圈Ⅱ02-5组成。所述内部钻柱02-3安装于外部钻柱02-4和密封筒02-1内部，内部钻柱02-3上设有若干直径与外部钻柱02-4内径相等的凸起与外部钻柱02-4贴合，以免在钻压作用下内部钻柱02-3受压失稳弯曲。所述密封筒02-1通过外螺纹与外部钻柱02-4上部内螺纹旋合，且其下端面与外部钻柱02-4上部的台阶面接触，密封筒02-1下部内壁开有密封圈槽，并设有O型圈Ⅰ02-2。外部钻柱02-5下部内壁开有密封圈槽并设有O型圈Ⅱ02-5，O型圈Ⅱ02-5与内部钻柱02-3外壁贴合以达到密封效果。
如图4所示，双层钻柱防斜打直钻井工具下接头总成03，由接头本体03-1、止推筒03-2组成。止推筒03-2安装于接头本体03-1内部，其下端面与接头本体03-1内的台阶面接触。
如图5所示，止推轴承01-13中的止推垫片的上下端面都开有均匀分布的槽，每个都槽内钻有轴向柱形孔，以便于通过注油孔注入的液压油能顺利流经相应区域，对止推轴承滚动体进行良好的润滑。
如图6所示，限位筒01-3上端凸齿方便限位筒顺利旋进。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内部”、“上部”、“下部”、“大径端”、“小径端”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发明和简化描述，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发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“接触”、“贴合”、“连接”、“抵住”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上对本发明一种注压式双层钻柱防斜打直钻井工进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种注压式双层钻柱防斜打直钻井工具，包括动力短节总成、双层钻柱总成、下接头总成和钻头；其中动力短节总成包括上接头、中接头、限位筒、中心管、本体、活塞环、活塞Ⅰ、弹簧Ⅰ、传力筒Ⅰ、碟簧垫环、油塞、碟簧组、止推轴承、传力筒Ⅱ、活塞Ⅱ、弹簧Ⅱ、弹簧筒；双层钻柱总成包括密封筒、内部钻柱、外部钻柱；下接头总成包括接头本体、止推筒；一种注压式双层钻柱防斜打直钻井工具自上而下为动力短节总成、双层钻柱总成、下接头总成和钻头依次连接；所述动力短节总成中上接头与中接头通过螺纹相连接，中接头下端与本体上端连接，限位筒通过外螺纹与中接头内螺纹旋合，活塞环设置于中接头下端内壁凹槽内，传力筒Ⅰ上半部分套于中接头内部，大径端与本体内壁贴合，活塞Ⅰ设置于本体与传力筒Ⅰ小径端形成的环形空间内，活塞Ⅰ、本体以及传力筒Ⅰ台阶面之间的空间形成密封腔Ⅰ，弹簧Ⅰ设置于活塞Ⅰ下端面与传力筒Ⅰ下部台阶面之间，本体上开有注油孔，注油孔处设有油塞；碟簧垫环分别置于碟簧组两端，碟簧设置于两个碟簧垫环之间，止推轴承设置于下部碟簧垫环与传力筒Ⅱ之间，活塞Ⅱ设置于本体与传力筒Ⅱ小径端形成的环形空间里，活塞Ⅱ以上部位、传力筒Ⅰ大径端以下部位、中心管和本体内壁之间的区域内形成密封腔Ⅱ，弹簧Ⅱ设置于活塞Ⅱ与弹簧筒之间，弹簧筒设置于弹簧Ⅱ下端，本体内部，传力筒Ⅱ大径端朝上，整体置于本体内，上端面与止推轴承下止推垫片接触，且小径端套入活塞Ⅱ、弹簧Ⅱ、弹簧筒内部，中心管套于限位筒、传力筒Ⅰ、碟簧垫环、碟簧组、止推轴承和传力筒Ⅱ内部，且下端设有一段外螺纹与传力筒Ⅱ大径端内螺纹旋合。
2.根据权利要求1所述一种注压式双层钻柱防斜打直钻井工具，其特征在于：所述双层钻柱总成中内部钻柱设置于外部钻柱内部；内部钻柱上端设有一密封筒，密封筒通过外螺纹与外部钻柱上端内螺纹旋合，其内部开有密封圈槽，槽内设有O型圈，保证密封性；外部钻柱下端开有密封圈槽，槽内设有O型圈。
3.根据权利要求1所述一种注压式双层钻柱防斜打直钻井工具，其特征在于：所述下接头总成中接头本体内部设有台阶孔；止推筒设置于接头本体内部，下端面与接头本体内部台阶孔的台阶面接触。
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