CN2431390Y - 遥控式机液型井下降斜工具 - Google Patents

Abstract

一种遥控式机液型井下降斜工具,它由离合装置、重力式换向装置、信号传递和执行机构以及状态示位机构等组成。它主要有本体和通过轴承联接的外套筒组件两大部分构成,在工作状态下,本体带动钻头旋转,外套筒组件不旋转,外套筒上的偏心块始终顶住井壁一侧,从而使钻头偏向井眼一边,可以完成降斜、增斜和扭方位等作业。本装置能自动识别工具面高边并反馈给地面工作人员,无需使用井下动力钻具,同时可省去检测仪器,减小起下钻次数,缩短了钻井时间,使用转盘钻进方式,提高了机械钻速,从而降低了钻井成本。

Description

遥控式机液型井下降斜工具

本实用新型涉及一种用于直井、定向井钻井过程中的井眼轨道控制装置，尤其是一种利用重力信号传感的机械液压式降斜控制装置。

在直井和定向钻井过程中，需要对井眼轨道井斜角和方位角进行控制。现有的井眼轨道控制，一般有以下三种方法：

1、采用转盘钻钻具组合，利用经验和力学分析，设计井底钻具组合(BHA)，达到增斜、降斜和稳斜的目的；或使用井下动力钻具。这种转盘钻钻具组合，降斜率较低，且机械钻进慢。例如用于直井降斜和钟摆钻具组合，实际上是一促以牺牲钻压换取质量的消极方法，对日费较高的深井钻井是不合适的。而采用井下动力钻具，为滑动钻进方式，由于施工难度大以及对钻井液净化要求高等因素，导致建井周期长，增加了成本。

2、近年来国外发展的自动闭环控制钻井***。例如意大利Agip公司和美国Baker Hughes IntecQ公司联合开发的垂直钻井***SDD。闭环导向钻井***是机电液一体的高技术产品，生产和使用成本均极高。这些方式还要求配备适当的测量仪器，如单点测斜仪、有线随钻测量仪等。

本实用新型的目的在于提供一种遥控式机液型井下降斜工具，可用于钻直井和定向井，它无需使用井下动力钻具而能用转盘驱动定向钻进的井眼轨道控制工具，它能自动完成降斜控制，还能通过简单的变换实现增斜和扭方位控制，它可省去测斜仪器，自动识别工具高边并反馈给地面操作人员。

本实用新型的目的是这样实现的：一种遥控式机液型井下降斜工具，它由外部的套筒和内部套合的本体组成，本体的中央为贯通孔，套筒和本体上设置有重力信号发生装置、信号传递及执行机构；其中重力信号发生装置的输出端接信号传递及执行机构输入。

所述的套筒和本体之间由离合机构离合连接。

所述的本体上还设有状态示位机构。

所述的重力信号发生装置为设置在套筒和本体之间的环形腔中的控制阀组，环形腔与本体上开设的导通孔连通，阀组由阀芯、复位弹簧构成，阀组的腔体内的阀芯下设置有一滚球。

所述的信号传递及执行机构包括信号传递部分和执行机构部分，其中信号传递部分为设置一组在套筒和本体之间环形腔中内筒上的液压油路，油路的输入端接重力信号发生装置的阀组输出端，信号传递部分油路的输出端接执行机构部分，执行机构部分设置在中部套筒上，由偏心块、翼板和筛板组成，偏心块的两侧设置翼板，翼板上设置筛板，偏心块与翼板中间设置复位弹簧。

所述的离合机构由与本体滑动斜面相贴合的离合活塞、复位弹簧、开设在套筒上的活塞卡槽组成。

所述的状态示位机构由芯体、芯体上的示位活塞组件、示位喷嘴、节流杆组成，其中状态示位机构芯体设置在本体上，活塞腔体分为有杆腔与无杆腔，有杆腔与无杆腔分别装有复位弹簧和限位管，有杆腔与无杆腔的油路通过设置在本体上的环形通槽分别与本体上油路连通。

所述的套筒上设有补偿油腔，在补偿油腔内设有浮动活塞及其弹簧、密封等组件，活塞的外侧设有筛板，活塞的液压油路与信号传递与执行机构的液压***油路相同。

本实用新型具有如下优点：

1、本装置接于近钻头处，相当于在近钻头处施加一集中力，可以完成自动降斜、增斜或扭方位控制，可用于直井和定向井作业。

2、本装置在钻井中采用转盘驱动方式，省去导向钻具，简化了组合部件，减少了发生井下事故的可能，同时提高机械钻速。

3、本装置能自动识别工具面高边，并采用正脉冲反馈示位方式告知地面工作人员，示位可靠，可省去测斜仪器，节省了昂贵费用和测斜操作。

4、本装置制造工艺简单，成本低，易于推广普及。

下面结合附图和具体实施方案对本实用新型做进一步的详细说明。

图1为本实用新型构成总图；

图2为图1A段结构示意图；

图3为图1B段结构示意图。

参见图1-3，本实用新型为一种遥控式机液型井下降斜工具。它由外部的套筒10和内部套合的本体1组成，本体1的中央为贯通孔，A套筒和本体1上设置有重力信号发生装置、信号传递及执行机构；其中重力信号发生装置的输出端接信号传递及执行机构输入。套筒10和本体1之间由离合机构离合连接。本体1上还设有状态示位机构。

其中离合机构由与本体1滑动斜面4相贴合的离合活塞6、复位弹簧7、开设在套筒2上的活塞卡槽5组成。它还包括挡板、节流活塞3及挡圈等。节流活塞3及主弹簧9装在上部本体1内，两套离合活塞6、弹簧7装在一个平面内，相互相位角为180度。重力信号换向装置为装在环形套筒里的两个控制阀组，环形套筒由联接螺钉固定在套筒上。中部本体11和套筒之间为环形高压油腔13，上部装有环形套，橡胶垫和环形油塞，环形套由联接螺钉固定在套筒上，环形油塞的内外设有密封圈，在环形套和环形油塞中间装几个橡胶垫。环形套筒下有一圆环形空腔，与套筒之间构成圆环形滚道腔，其内有一定直径的滚球15，在环形套筒一个平面内有两个柱塞孔，阀芯12装于其内，在阀芯12顶部用螺栓联接一个圆板，其下装有弹簧14。在环形套筒与控制阀体对应的部分有一系列油口和油路。

信号传递与执行机构位于套筒10中部。其中重力信号发生装置为设置在套筒10和本体1之间的环形腔中的控制阀组，环形腔与本体1上开设的导通孔8连通，阀组由阀芯12、复位弹簧14构成，阀组的腔体内的阀芯12下设置有一滚球15。信号传递及执行机构包括信号传递部分和执行机构部分，其中信号传递部分为设置一组在套筒10和本体1之间环形腔中内筒上的一系列液压油路，如油路D17、油路E19、油路F20、油路L16。整个油路的输入端连接重力信号发生装置的阀组输出端，由重力信号发生装置的阀组作为控制开关。传递部分的油路输出端至执行机构部分，执行机构部分设置在中部套筒上，由偏心块34、翼板33和筛板35组成，偏心块34的两侧设置翼板33，翼板33上设置筛板35，偏心块34与翼板33中间设置复位弹簧。

信号传递与执行机构还包括补偿油腔，在补偿油腔内设有浮动活塞30及其弹簧31、密封等组件，活塞30的外侧设有筛板29，活塞30的液压油路E19与信号传递与执行机构的液压***油路相同。

状态示位机构装在中本体1内部柱孔内，由扁形节流芯体28、示位活塞26等组件、示位喷嘴和两个定位环32组成。节流芯体内开设柱塞孔，示位活塞26和示位杆27用螺栓联接，柱塞腔内设置两个弹簧、限位管，活塞腔分为有杆腔24和无杆腔25，活塞端部装有中心钻有通孔的端盖，内部设有密封，示位芯体上开有油路H23、油路G22，对应油路H23、油路G22的末端端口在中部本体1上开有环形槽21，以便在旋转时能够与固定不转的套筒10上油路G、油路D相通。

本装置采用液压油与钻井液相隔离的油压传动***，这样滚球15在自由状态下在重力作用下向井眼低边下死点方向滚动并在下死点处不动，开泵后，低边重力式方向控制阀阀芯12被滚球15挡住，环形油腔13的高压油不能进入，而高边控制阀阀芯18下行，高压进油口打开，环形油腔13的高压油通过高边控制阀18、及相应的液压油路进入偏心块34油腔，推动偏心块34径向伸出，此时开动转盘，本体1带动钻头旋转，同时偏心块34顶压井壁，迫使钻头偏向井眼一边切削岩石，从而完成降斜作业。

下面进一步详细说明本装置的原理及工作情况：

本装置由本体部分和外套筒组件构成，两部分之间用轴承联接，这样在工作状态下，本体1带动钻头旋转，套筒10组件不转动。现在定义外套筒上偏心块34所在的平面为工具面，本装置要求在工作状态下工具面位于井斜平面(铅垂平面)内，而且偏心块34应位于井眼高边位置，这样偏心块34始终顶住高边井壁，确保钻头始终向井斜下边方向钻进。但工具下井后，工具面不一定在井斜平面内且位于井眼高边处，故需要通过状态示位机构产生的反馈信号来判断，然后由地面操作人员进行调节，即扭动钻杆。离合机构的作用在于开泵工作时，本体1和套筒10组件分离，本体1转动，外套筒10组件不动，当停泵时，本体1和套筒10组件锁定，然后通过扭动钻杆来调节工具面。因此，本装置有三种状态：

1、工具面位于井斜平面内，且偏心块34处于井眼高边，正常工作状态：此时开泵，高压泥浆通过本体1上的中孔A及导通孔8推动环形油塞11，挤压环形油腔高压油；高边控制阀18的阀芯12下行，高压进油口打开，环形油腔高压油通过油路F20推动偏心块34径向伸出；阀芯12下油通过油路E19至低压补偿油腔，至泥浆环空，从而调节油路压力；工具的低边方向控制阀阀芯12下行，遇滚球15受阻且压住滚球15，油路L不通，油路D相通；低边控制阀阀芯12下油推动低边低压补偿油腔，至泥浆环空；

此状态示位机构动作：高边控制阀18打开，油路G相通；环形油腔高压油通过油路G22示位活塞回缩；此时示位活塞节流杆27离开示位喷嘴，产生的压降最小。

离合机构：根据操作要求，开泵，本体1和套筒10组件脱开，本体1带动钻头转动，套筒10组件不动；停泵，将本体1与套筒10组件锁定。离合机构有两种工作状态：锁定、释放。由开泵、停泵，将本体1与套筒10组件锁定或释放。离合机构中离合活塞6所在平面与偏心块34平面成90度相位布置。

开泵：前端的节流活塞3上产生压力降，下行，离合活塞6在弹簧7作用下从卡槽5中回缩，本体1与套筒10组件释放，离合活塞6沿节流活塞3斜面4滑动，节流活塞3压缩主弹簧9至下行程，开泵时维持此状态，离合活塞6受斜面4的约束不能外伸；停泵，节流活塞3上行，推动离合活塞6外伸，同时，操作人员稍扭动钻杆，帮助离合活塞6末端伸入卡槽5，锁定。

2、偏心块34所在工具面位于井斜平面内，但偏心块34位于井眼低边处。此时方向控制阀阀处于低边处，阀处于高边处，滚球15落于井眼低边下死点。此时开泵，高边控制阀18阀芯下行，打开，环形油腔13高压油通过油路推动示位活塞26外伸；此时，示位活塞26深入喷嘴，至一定行程，由此产生的压降最大。这时要停泵，离合机构又处于锁定状态，扭动钻杆调节，转动180度左右，再次开泵，若此时地面立管压力反馈的压力降为最小(较状态2下降1.8-2Mpa左右)，说明处于正常工作状态。

3、当偏心块34所在工具面不在井斜平面内，而滚球15在自由状态下始终朝向下方运动，即在井斜平面(铅垂平面)上井眼最低点处不动。此时开泵，两边控制阀阀芯12均下行到底，控制阀高压油进口打开。此时，示位活塞26有杆腔和无杆腔均接通高压油，经短暂的动态过程后，示位活塞26维持安装时的位置，即示位活塞26上的节流杆27伸入示位喷嘴一定长度，产生较大压降，说明不在正常工作状态，这时可停泵，离合机构将本体1和套筒10组件锁定，工作人员扭动钻杆进行调节，再次开泵，离合装置释放，若此时地面立管反馈的压力减到最小(较状态3下降1.5Mpa左右)，表明工具面高边已调节好，处于正常工作状态，可开动转盘，降斜钻进。

以上为本装置的三种状态，通过开泵、停泵操作，由状态示位机构在地面立管产生的反馈压差的不同量值，地面工作人员可很容易地判断工具面位置，然后在通过停泵，离合机构锁定，工作人员扭动钻杆，最终可使偏心块调整到井斜平面(铅垂平面)内，而且偏心块处于井眼高边位置，达到正常工作状态

为承受外套筒组件重量，以及起下钻时防止井壁破坏外套筒组件，上、下部分本体结构上在紧靠外套筒组件端面处有两个台阶结构，下本体台阶面为耐磨材料。

上述的井眼轨道控制装置组成一根2.5m左右的短节，接在钻柱近钻头处，如果与常规钟摆组合结合，组成的降斜控制***就可用于直井降斜作业。由于利用重力信号感知井斜角有较高的灵敏度，可用于井斜角较小的降斜场合。由于无需使用井下动力钻具，而且在转盘驱动方式下钻进，能够在地层造斜力较大的高陡结构中高效快速地完成垂直钻井作业。

上述为本实用新型主要技术方案，但是依据该技术构思，本装置还可用于增斜，扭方位等作业。例如用于增斜时，将偏心块置于同一平面内的对侧；用于扭方位时，将偏心块位置旋转90度，置于成90度角的平面内，就可以完成相应的作业，这些均应属于同一技术构思下的变换，均属本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1、一种遥控式机液型井下降斜工具，其特征在于：它由外部的套筒和内部套合的本体组成，本体的中央为贯通孔，套筒和本体上设置有重力信号发生装置、信号传递及执行机构；其中重力信号发生装置的输出端接信号传递及执行机构输入。

2、根据权利要求1所述的遥控式机液型井下降斜工具，其特征在于：所述的套筒和本体之间由离合机构离合连接。

3、根据权利要求1所述的遥控式机液型井下降斜工具，其特征在于：所述的本体上还设有状态示位机构。

4、根据权利要求1所述的遥控式机液型井下降斜工具，其特征在于：所述的重力信号发生装置为设置在套筒和本体之间的环形腔中的控制阀组，环形腔与本体上开设的导通孔连通，阀组由阀芯、复位弹簧构成，阀组的腔体内的阀芯下设置有一滚球。

5、根据权利要求1所述的遥控式机液型井下降斜工具，其特征在于：所述的信号传递及执行机构包括信号传递部分和执行机构部分，其中信号传递部分为设置一组在套筒和本体之间环形腔中内筒上的液压油路，油路的输入端接重力信号发生装置的阀组输出端，信号传递部分油路的输出端接执行机构部分，执行机构部分设置在中部套筒上，由偏心块、翼板和筛板组成，偏心块的两侧设置翼板，翼板上设置筛板，偏心块与翼板中间设置复位弹簧。

6、根据权利要求2所述的遥控式机液型井下降斜工具，其特征在于：所述的离合机构由与本体滑动斜面相贴合的离合活塞、复位弹簧、开设在套筒上的活塞卡槽组成。

7、根据权利要求3所述的遥控式机液型井下降斜工具，其特征在于：所述的状态示位机构由芯体、芯体上的示位活塞组件、示位喷嘴、节流杆组成，其中状态示位机构芯体设置在本体上，活塞腔体分为有杆腔与无杆腔，有杆腔与无杆腔分别装有复位弹簧和限位管，有杆腔与无杆腔的油路通过设置在本体上的环形通槽分别与本体上油路连通。

8、根据权利要求1或5所述的遥控式机液型井下降斜工具，其特征在于：所述的套筒上设有补偿油腔，在补偿油腔内设有浮动活塞及其弹簧、密封等组件，活塞的外侧设有筛板，活塞的液压油路与信号传递与执行机构的液压***油路相同。

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