一种用于自动垂钻工具的井眼高低边识别机构

摘要

本发明提出了一种用于自动垂钻工具的井眼高低边识别机构，属于石油钻井领域。它包括套筒、偏重块、两个轴承、两块挡板、中心轴和钻井液导向板，中心轴通过上下两个轴承和上下两块挡板转动支撑在套筒中；偏重块固定在两个轴承之间的中心轴一侧，且与套筒的内壁之间留有间隙；钻井液导向板安装在中心轴的底端，钻井液导向板上开设有导流孔，且导流孔处于与偏重块相对的中心轴另一侧，其中：在中心轴的顶部安装有一个恒扭矩装置，恒扭矩装置能够对中心轴产生一个与两个轴承处产生的摩擦扭矩大小相等，方向相反的扭矩，以阻止中心轴旋转。根据本发明的机构能够在更小的井斜条件下（例如井斜角小于4°）准确辨别井眼高低边。

说明书

技术领域

本发明涉及一种油气钻井工具，特别涉及一种用于自动垂钻工具 的井眼高低边识别机构。

背景技术

井眼偏斜是油气钻井工程中经常遇到的技术难题，直接影响着井 身质量与钻井速度，严重制约着地下油气等资源的开采效率和效益。 无论是直井，还是定向井、水平井，都存在井斜控制问题。特别是在 高陡构造等易斜地层的钻井工程中，井斜问题十分严重。目前，国内 现场仍主要使用钟摆钻具组合来进行井斜控制，在钻遇易斜地层时通 常是以牺牲钻压，甚至“轻压吊打”来确保井斜控制质量，从而使快 速钻进与防斜打直的矛盾更加突出。

为了解决这个矛盾，相关研究人员正在积极研制机械式自动垂钻 工具。但是不管何种类型的自动垂钻工具都可以分为两大部分：一是 在钻柱旋转的工况下确定出井眼高低边的识别机构，二是产生推力使 钻头向井眼低边切削的执行机构。因此，自动垂钻工具在工作时，要 保证在随着钻柱旋转的状态下准确判断井眼高低边，并提供明确的信 号指引垂钻工具的推力块在每当旋转到井眼高边时发挥作用，推靠井 壁使钻头更多地切削井眼低边以达到降斜的目标。

然而，现有技术中的自动垂直钻井系统的井眼高低边识别装置通 常由传感器、芯片类的电子部件组成，其虽然具备精度好、灵敏度高 等优点，但是由于受技术服务价格过高及对于温度、振动等工作条件 要求苛刻等因素的制约，这类高技术尚难于推广应用。

国内研制的机械式自动垂钻工具的井眼高低边识别机构仅通过 重力方式进行识别，例如公开号为CN1676862A的专利申请公开了一 种机械式自动垂钻工具，但是这种机械式自动垂钻工具在井斜很小 时，存在严重的缺陷：当壳体在钻柱带动下旋转时，壳体有通过轴承 带动心轴旋转的趋势，当井斜较大时，配重的重力分量可以产生一个 扭矩以克服轴承处产生的摩擦扭矩，从而使心轴不转动，配重一直处 于井眼低边。但是，随着井斜变小时，由于配重位置的变化，配重的 重力分量产生的扭矩也随之变小。实验及理论计算表明，如果仅靠配 重产生的扭矩，当井斜角小于4°时，偏重块产生的扭矩将不足以阻 止心轴旋转，而心轴一旦旋转，与心轴底端连接的上盘阀随之旋转， 从而导致上盘阀的扇形偏心流道不再处于井眼高边，因此也就无法将 井眼高低边的信号提供给执行机构，失去了识别井眼高低边的功能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种在更小的井斜条件下 也能够准确辨别井眼高低边的自动垂钻工具的井眼高低边识别机构。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明提出了一种用于自动垂钻工具的井眼高低边识别机构，它 包括套筒、偏重块、两个轴承、两块挡板、中心轴和钻井液导向板， 中心轴通过上下两个轴承和上下两块挡板转动支撑在套筒中；偏重块 固定在两个轴承之间的中心轴一侧，且与套筒的内壁之间留有间隙； 钻井液导向板安装在中心轴的底端，钻井液导向板上开设有导流孔， 且导流孔处于与偏重块相对的中心轴另一侧，其中：在中心轴的顶部 安装有恒扭矩装置，恒扭矩装置能够对中心轴产生与两个轴承处产生 的摩擦扭矩大小相等，方向相反的扭矩，以阻止中心轴旋转。

在一个实施例中：恒扭矩装置包括固定于中心轴顶部的摩擦片， 径向设置在摩擦片上的涡轮，固定于涡轮上方的调节件，以及连接涡 轮和调节件的弹性件，通过调节件改变弹性件的形变量，能够调节恒 扭矩装置产生的扭矩大小，使之等于两个轴承处产生的摩擦扭矩。

在一个实施例中：调节件采用螺栓，弹性件采用弹簧，弹簧安装 在涡轮与螺栓的配用螺母之间。

在一个实施例中：偏重块形状为半个空心圆锥体与半个圆柱体的 组合体形状。

在一个实施例中：导流孔为扇形、圆形、椭圆形或矩形。

在一个实施例中：固定于下挡板的套筒内壁的下端具有环状支撑 凸起。

在一个实施例中：套筒两端内壁为敞口向外的环形斜面。

本发明由于采取以上技术方案，而具有以下有益效果：1、根据 本发明的机构在中心轴的顶端通过恒扭矩装置安装有涡轮，涡轮在钻 井液冲击下可产生扭矩，通过调节恒扭矩装置使涡轮产生的扭矩抵消 掉轴承摩擦力产生的扭矩，以阻止中心轴旋转，保证钻井液导向板上 的导流孔始终处于井眼高边，从而使根据本发明的机构可以在更小的 井斜条件下（例如井斜角小于4°时）也能够准确辨别井眼高低边。 因此，在钻井液冲击力与重力联合作用下，只要存在井斜角，本机构 就可以持续有效地识别井眼高边和低边，进而为执行装置提供准确的 信号。2、根据本发明的机构为牢固的机械式结构，不仅结构简单可 靠，成本低，而且不受井下温度的影响，振动对其影响也很小。由此 可见，本发明既能突破传统的静力学防斜理论的束缚与钻具组合（如 钟摆钻具组合等），又不同于现有技术中昂贵的自动垂直钻井系统， 因此在油气钻井工程中具有广泛的应用前景。

附图说明

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图 的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限 制。

图1是根据本发明的井眼高低边识别机构的结构示意图；

图2是沿图1中的A-A线剖视图；

图3是沿图1中的B-B线剖视图。

具体实施方式

下面对照附图，并通过对实施例的描述，来进一步详细地说明本 发明。

图1-图3显示了根据本发明的井眼高低边识别机构，它包括套筒 18、偏重块5、两个轴承(上轴承4和下轴承10)、两个具有通孔的挡 板（上挡板9和下挡板6）、中心轴20和钻井液导向板7。

中心轴20延伸并固定到摩擦片8下方的T字形圆盘，并且T字 形圆盘上设有另一中心轴，用于安装涡轮结构3、弹性件2以及螺栓 1等。中心轴通过上下两个轴承（4、10）和上下两个挡板（9、6）支 撑在套筒18中，并且可以相对于套筒18自由转动。

偏重块5焊接在两轴承（4、10）之间的中心轴20一侧，且与套 筒18的内壁之间留有间隙。

钻井液导向板7安装在中心轴20的底端，且钻井液导向板7与 （图中未示出的）执行机构相连。钻井液导向板7上开设有导流孔19。 导流孔19优选为扇形，也可为圆形、椭圆形或矩形。导流孔19可以 将钻柱内的高压钻井液导入执行机构以驱动钻头工作，钻井液导向板 7安装在中心轴20上时要保证导流孔19处于与偏重块5相对的中心 轴20的另一侧。这样当偏重块5因重力偏于井眼低边时，钻井液导 向板7上的导流孔19就总处于井眼高边，因此可以使执行机构产生 朝向井眼高边的推靠力，从而达到降斜效果。

本机构还包括一个恒扭矩装置。恒扭矩装置包括涡轮结构3，涡 轮结构3安装在T字形圆盘的中心轴上，涡轮结构所属的工字形圆盘 下方安装有摩擦片8。摩擦片8下方的T字形圆盘和上方的工字形圆 盘是分开的，摩擦片8安装在工字形圆盘上。涡轮3固定在工字形圆 盘上，工字形圆盘底部通过摩擦片与T字形圆盘顶部接触，且T字形 圆盘固定在中心轴20的顶部。涡轮3上方安装有一个调节件，涡轮3 与调节件之间安装有一个弹性件，通过调节件可以调节弹性件的形变 量，进而调节涡轮与摩擦片8之间的接触力（涡轮与工字形圆盘可以 是一体的，工字形圆盘与摩擦片接触）。

在一个优选的实施例中，偏重块5的形状可以为半个空心圆锥体 与半个圆柱体的组合体形状，该设计可以在钻井液高速通过井眼高低 边识别装置时，对钻井液起到分流作用，减少钻井液通过装置时对偏 重块的影响，进而提高井眼高低边识别装置的识别精度。

在一个优选的实施例中，调节件可以采用螺栓，弹性件可以采用 弹簧。

在一个优选的实施例中，固定于下挡板的套筒内壁的下端具有环 状支撑凸起。

在一个优选的实施例中，套筒两端内壁为敞口向外的环形斜面， 便于连接其他部件和钻井液进入井眼高低边识别装置。

本发明在使用过程中，当井眼井斜超标时，下入自动垂钻工具， 井眼高低边结构开始运转，与钻柱相连的套筒随之旋转。由于轴承处 的摩擦力，产生了对中心轴扭矩，这个扭矩有驱使中心轴旋转的趋势， 偏重块5在重力的作用下偏向一边，形成阻力扭矩，阻止了中心轴的 旋转，因此与中心轴底端连接的钻井液导向板也不再旋转，使钻井液 压力通过钻井液导向板上的导流孔定向传递给自动垂钻工具的执行 机构。

与钻柱旋转的同时，会有较大排量的钻井液（一般为20-30L/s） 从钻柱内部以及自动垂钻工具内部流过，钻井液流经涡轮时会带动涡 轮旋转，基于摩擦定律涡轮旋转时会对中心轴产生一个扭矩，通过设 计涡轮叶片的方向，使之产生的扭矩与轴承处产生的摩擦扭矩方向相 反。同时，通过调节件改变弹性件的形变量以调节涡轮产生的扭矩， 使之等于轴承处产生的摩擦扭矩，这样在扭矩大小相等方向相反的情 况下正好可以抵消轴承处产生的摩擦扭矩。由于涡轮与中心轴之间的 接触力由弹性件压力和涡轮重力决定，是一个保持不变的力，而摩擦 系数由摩擦片决定亦保持不变。因此，不论钻井液的流量如何变化， 涡轮产生的扭矩都是保持不变的，可以准确的抵消轴承处产生的摩擦 扭矩。

由于涡轮产生的扭矩与井斜没有关系，因此当降斜至小井斜状况 时，涡轮扭矩依然可以克服轴承处产生的摩擦扭矩，使得偏重块在重 力作用下总是偏向井眼低边一侧，而不需要用偏重块有限的重力分量 去克服轴承处产生的摩擦扭矩，从而使本发明可以在更小的井斜条件 下准确辨别井眼高低边。由此可见，在钻井液冲击力与重力联合作用 下，只要存在井斜角，本发明就可以持续有效地识别井眼高边和低边， 进而为执行装置提供准确的信号。

以上所述具体的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果 进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体 实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。