鑽具扶正短節的製作方法與工藝

2023-09-21 03:53:10

本發明涉及井下鑽具技術領域，尤其涉及一種能夠降磨減扭的鑽具扶正短節。

背景技術：
在石油鑽井作業中，尤其是在斜井、水平井及大位移井中，由於鑽頭與地層間相互作用力等複雜力的作用，鑽具的鑽柱易產生偏斜，影響鑽井質量。同時由於鑽柱偏斜，將會倚靠在下井壁，鑽柱與井壁間的摩擦阻力及周向扭矩將急劇增大，地面設備施加的鑽壓無法有效傳遞至鑽頭處，鑽具延伸會自動停止，這不僅降低了鑽井效率，而且增加了鑽進成本。因此，降磨減扭及防斜打直是鑽井作業亟待解決的關鍵問題。現有的用來降磨減扭的鑽具扶正工具，通過與井壁的直接接觸進行扶正，同時抵消井壁施加的摩擦阻力及扭矩，雖然在一定程度上起到降摩減扭及扶正的作用，但均無法避免與井壁的直接式接觸，鑽具扶正工具需要承受來自井壁的摩擦阻力及扭矩。在大斜度井段或研磨性地層中，摩擦阻力及扭矩急劇增大，容易超出鑽具扶正工具的性能範圍或造成鑽具扶正工具的損壞，使鑽具扶正工具無法起到有效的降磨減扭及扶正的作用。由此，本發明人憑藉多年從事相關行業的經驗與實踐，提出一種鑽具扶正短節，以克服現有技術的缺陷。

技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種鑽具扶正短節，該鑽具扶正短節能夠利用鑽井液減少與井壁的直接式接觸，能夠有效地降磨減扭，提高防斜打直的性能。本發明的目的是這樣實現的，一種鑽具扶正短節，包括一短節本體，所述短節本體的內部設有上下貫通的鑽井液流道，所述短節本體的側壁上周向均勻固定設置有多個允許鑽井液自所述鑽井液流道流向所述短節本體外部的單向閥，所述單向閥的徑向外側端部能沿所述單向閥的中心軸伸縮移動。在本發明的一較佳實施方式中，所述單向閥包括閥體，所述閥體的一端設置有與所述鑽井液流道連通的入口，所述閥體的內部、靠近所述入口的位置密封套設有能軸向移動、且能密封所述入口的的錐閥芯，所述錐閥芯的內部設置有錐閥芯流道，所述錐閥芯流道的一端與所述閥體的內部連通，所述閥體的內部、遠離所述入口的位置密封套設有能軸向移動的先導閥芯，所述先導閥芯的一端套設在所述錐閥芯上，所述先導閥芯的另一端密封通過所述閥體的另一端成為所述單向閥的徑向外側端部，所述先導閥芯的內部設置有先導閥芯流道，所述錐閥芯流道與所述先導閥芯流道相互貫通，所述閥體的另一端的側壁上設置有能與所述先導閥芯流道連通的出口。在本發明的一較佳實施方式中，所述錐閥芯的一端設置有直徑向所述入口方向漸縮的、且能密封所述入口的第一錐段，所述錐閥芯的側壁上設置有直徑增大的第一臺階部，所述錐閥芯的側壁上位於所述第一錐段與所述第一臺階部之間的位置設置有連通所述錐閥芯流道的第一連通孔，所述錐閥芯位於所述第一臺階部遠離所述入口的一側的側壁與所述閥體的內壁密封連接；所述先導閥芯的側壁上設置有連通所述先導閥芯流道與所述出口的第二連通孔。在本發明的一較佳實施方式中，所述閥體的內部、遠離所述入口的一端設置有直徑減小的第二臺階部，所述出口設置於所述閥體的另一端與所述第二臺階部之間的側壁上，所述閥體內部位於所述閥體的另一端面與所述第二臺階部之間設置有先導閥芯過孔，所述先導閥芯的另一端密封通過所述先導閥芯過孔，所述先導閥芯的側壁上設置有與所述第二臺階部抵靠的第三臺階部。在本發明的一較佳實施方式中，所述錐閥芯的中心處設置有中心管，所述中心管內部設置所述錐閥芯流道，所述中心管遠離所述第一臺階部的一端密封套設於所述先導閥芯流道中，所述中心管的外側設有開口朝向所述先導閥芯的環形容納凹槽，所述錐閥芯與所述先導閥芯之間套設有彈簧，所述彈簧的一端抵靠於所述環形容納凹槽的槽底，所述彈簧的另一端抵靠於所述第三臺階部上靠近所述錐閥芯的一側端面上。在本發明的一較佳實施方式中，所述閥體包括靠近所述鑽井液流道的第一閥體，所述第一閥體的另一端密封連接有第二閥體，所述第一閥體的一端設置所述入口，所述第二閥體的側壁上設置所述出口。在本發明的一較佳實施方式中，所述閥體的另一端設置有連接法蘭部，所述連接法蘭部上設置有連接螺紋孔，所述連接螺紋孔內穿設有固定所述閥體的連接螺釘。在本發明的一較佳實施方式中，所述先導閥芯的另一端為半球狀結構。在本發明的一較佳實施方式中，所述短節本體的側壁上同一軸向位置處設置有兩個徑向對稱的所述單向閥，不同軸向位置設置的多個所述單向閥沿所述短節本體呈周向均勻布置。在本發明的一較佳實施方式中，所述短節本體的側壁內部設置有短節流道，所述短節流道包括多個軸向流道，每個所述軸向流道與一所述單向閥連通，各所述軸向流道的側壁上均勻設置有多個連通所述軸向流道與所述短節本體的外部的徑向連通孔；各所述軸向流道的下端與所述短節本體的外壁貫通。由上所述，本發明提供的鑽具扶正短節，其內部的鑽井液通過設置在側壁的單向閥及短節流道流向其外部的環形空間，有效隔離鑽具扶正短節與井壁，減少鑽具扶正短節與井壁的直接式接觸，從而有效地降磨減扭，提高防斜打直的性能；該鑽具扶正短節能夠使地面設備施加的鑽壓正常傳遞給鑽頭，使得鑽具能夠高效鑽進，同時卡鑽事故減少，鑽具的延伸距離增加，提高鑽井效率的同時降低了鑽井成本。附圖說明以下附圖僅旨在於對本發明做示意性說明和解釋，並不限定本發明的範圍。其中：圖1：為本發明的鑽具扶正短節100的結構示意圖。圖2：為圖1中A-A剖視圖。圖3：為圖1中B-B剖視圖。圖4：為本發明的鑽具扶正短節100的單向閥2的結構示意圖。圖5a：為本發明的鑽具扶正短節100使用過程中單向閥2接觸井壁示意圖。圖5b：為本發明的鑽具扶正短節100使用過程中鑽井液流動的示意圖。圖5c：為本發明的鑽具扶正短節100扶正鑽杆的示意圖。圖5d：為本發明的鑽具扶正短節100復位前第一種受力情況示意圖。圖5e：為本發明的鑽具扶正短節100復位前第二種受力情況示意圖。圖5f：為本發明的鑽具扶正短節100復位示意圖。圖中：100、鑽具扶正短節；1、短節本體；10、連接接頭；11、鑽井液流道；12、短節流道；121、軸向流道；122、徑向連通孔；2、單向閥；21、閥體；211、入口；212、出口；213、第二臺階部；214、先導閥芯過孔；215、第一閥體；216、第二閥體；217、連接法蘭部；2171、連接螺紋孔；2172、連接螺釘；218、第二密封圈；219、第一密封圈；22、錐閥芯；221、錐閥芯流道；222、第一錐段；223、第一臺階部；224、第一連通孔；225、環形容納凹槽；23、先導閥芯；231、先導閥芯流道；232、第二連通孔；233、第三臺階部；3、彈簧。具體實施方式為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖說明本發明的具體實施方式。如圖1、圖2、圖3所示，本發明提供的鑽具扶正短節100，包括一短節本體1，短節本體1的內部設有上下貫通的鑽井液流道11，為了便於連接鑽杆(現有技術，圖中未示出)，短節本體1的內部頂部連接有一連接接頭10，在使用過程中，短節本體1通過連接接頭10連接鑽杆(現有技術，圖中未示出)，短節本體1的內部底部螺紋連接鑽杆下段或者鑽頭(現有技術，圖中未示出)；短節本體1的側壁上周向均勻固定設置有多個允許鑽井液自鑽井液流道11流向短節本體1外部的單向閥2，多個單向閥2可以由多組呈徑向對稱或周向均勻設置的單向閥2構成，在本實施方式中，單向閥2的數量為4組，每組2個，共計8個；單向閥2的徑向外側端部能沿單向閥2的中心軸伸縮移動。在本實施方式中，短節本體1的側壁上同一軸向位置處設置一組單向閥2，每組包括兩個徑向對稱的所述單向閥2，不同軸向位置設置的多組所述單向閥2沿短節本體1呈周向均勻布置，單向閥2的徑向外側端部所受到的鑽井液的作用力均勻。使用鑽具扶正短節100輔助鑽井的過程中，鑽井液能夠通過鑽井液流道11、經單向閥2流向鑽具扶正短節100與井壁之間的環形空間，一旦單向閥2的徑向外側端部與井壁有接觸，在環空鑽井液的作用下，單向閥2的徑向外側端部沿中心軸向內移動，並帶動鑽杆與井壁分離，實現鑽具扶正短節100降磨減扭與防斜打直的功能。進一步，如圖4所示，單向閥2包括閥體21，閥體21的一端設置有與鑽井液流道11連通的入口211，閥體21的內部、靠近入口211的位置密封套設有能軸向移動、且能密封入口211的的錐閥芯22，在本實施方式中，錐閥芯22外壁與閥體21的內壁之間設置有用於密封的第一密封圈219；錐閥芯22的內部設置有錐閥芯流道221，錐閥芯流道221的一端與閥體21的內部連通，閥體21的內部、遠離入口211的位置密封套設有能軸向移動的先導閥芯23，在本實施方式中，先導閥芯23外壁與閥體21的內壁之間設置有用於密封的第二密封圈218；先導閥芯23的一端套設在錐閥芯22上，先導閥芯23的另一端密封通過閥體21的另一端成為單向閥2的徑向外側端部，先導閥芯23的內部設置有先導閥芯流道231，錐閥芯流道221與先導閥芯流道231相互貫通，閥體21的另一端的側壁上設置有能與先導閥芯流道231連通的出口212。進一步，如圖4所示，錐閥芯22的一端設置有直徑向入口211方向漸縮的、且能密封入口211的第一錐段222，錐閥芯22的側壁上設置有直徑增大的第一臺階部223，錐閥芯22的側壁上位於第一錐段222與第一臺階部223之間的位置設置有連通錐閥芯流道221的第一連通孔224，錐閥芯22位於第一臺階部223遠離入口211的一側的側壁與閥體21的內壁密封連接；先導閥芯23的側壁上設置有連通先導閥芯流道231與出口212的第二連通孔232。進一步，如圖4所示，閥體21的內部、遠離入口211的一端設置有直徑減小的第二臺階部213，出口212設置於閥體21的另一端與第二臺階部213之間的側壁上，閥體21內部位於閥體21的另一端面與第二臺階部213之間設置有先導閥芯過孔214，先導閥芯23的另一端密封通過先導閥芯過孔214，先導閥芯23的側壁上設置有與第二臺階部213抵靠的第三臺階部233。先導閥芯23軸向向外移動時，當第三臺階部233與第二臺階部213相抵靠時，先導閥芯23停止軸向移動。進一步，如圖4所示，錐閥芯22的中心處設置有中心管220，中心管220內部設置所述的錐閥芯流道221，中心管220的遠離第一臺階部223的一端密封套設於先導閥芯流道231中，中心管220的外側設有開口朝向先導閥芯23的環形容納凹槽225，錐閥芯22與先導閥芯23之間套設有彈簧3，彈簧3的一端抵靠於環形容納凹槽225的槽底，彈簧3的另一端抵靠於第三臺階部233上靠近錐閥芯22的一側端面上。進一步，如圖4所示，閥體21包括靠近鑽井液流道11的第一閥體215，第一閥體215的另一端密封連接有第二閥體216，第一閥體215的一端設置入口211，第二閥體216的側壁上設置出口212。第一閥體215和第二閥體216通過螺紋密封連接。進一步，如圖1、圖3、圖4所示，閥體21的另一端設置有連接法蘭部217，連接法蘭部217上設置有連接螺紋孔2171，連接螺紋孔2171內穿設有固定閥體21的連接螺釘2172。單向閥2通過連接螺釘2172固定於短節本體1的側壁上。進一步，如圖3、圖4所示，先導閥芯23的另一端為半球狀結構。半球狀結構外形圓滑，有利於提高端部的受力均勻性，並且減少了端部磨損井壁的可能性，從而提高了降磨減扭的性能。進一步，如圖1、圖2所示，短節本體1的側壁內部設置有短節流道12，短節流道12包括多個軸向流道121(為便於加工，軸向流道121自短節本體1的頂部端面向下設置，一般採用鑽削加工)，每個軸向流道121與一單向閥2連通，在本實施方式中，各軸向流道121分別與閥體21上的出口212連通；各軸向流道121的側壁上均勻設置有多個連通軸向流道121與短節本體1的外部的徑向連通孔122；軸向流道121的下端與短節本體1的外壁貫通(圓弧過渡連通)，防止短節流道12中巖屑堆積。鑽井液流道11內的鑽井液能夠通過單向閥2、短節流道12流向鑽具扶正短節100與井壁之間的環形空間。使用本發明的鑽具扶正短節100進行鑽井作業時，首先將鑽具扶正短節100安裝在鑽杆的中下部，下入井中，開始鑽井作業。如圖5a所示，鑽井液流道11中注入鑽井液，當先導閥芯23接觸井壁時，先導閥芯23壓縮彈簧3並向內側移動，先導閥芯流道231通過第二連通孔232、閥體21上的出口212、短節流道12和鑽具扶正短節100外部環形空間連通。同時，如圖5b所示，在鑽井液流道11中鑽井液的作用下，錐閥芯22壓縮彈簧3並向外側移動，錐閥芯流道221通過第一連通孔224、閥體21的內腔與閥體21上的入口211連通。此時，如圖5c所示，鑽井液通過入口211、錐閥芯流道221、先導閥芯流道231、出口212、短節流道12進入鑽具扶正短節100與井壁之間的環形空間，鑽井液作用在井壁上，在液力作用下，鑽具扶正短節100帶動鑽柱、鑽頭與井壁分離，起到降磨減扭與扶正的作用。鑽具扶正短節100的復位有兩種情況，第一種情況如圖5d所示，以流經先導閥芯流道231的鑽井液作用在先導閥芯23端部內側的作用力為F1，以鑽具扶正短節100外部環形空間中的液體作用在先導閥芯23端部外側的作用力為F2，當F1大於F2時，在先導閥芯流道231內鑽井液和彈簧3的共同作用下，先導閥芯23沿周向外移復位，先導閥芯流道231與短節流道12斷開連接，此時，錐閥芯22內側端部的兩側所受的液體作用力平衡，在環形容納凹槽225內彈簧3的作用下，錐閥芯22向內側移動復位，如圖5f所示，第一錐段222密封入口211，閥體21內部與鑽井液流道11斷開連接。鑽具扶正短節100復位的第二種情況如圖5e所示，當鑽井液的壓強小於鑽具扶正短節100外部環形空間中的液體壓強時，環形空間中的液體進入錐閥芯流道221中，以鑽井液流道11中的鑽井液作用在錐閥芯22端部的作用力F3，以錐閥芯流道221內的鑽具扶正短節100外部環形空間中的液體作用在錐閥芯22端部的作用力F4，當F3小於F4時，鑽具扶正短節100外部環形空間中的液體流進先導閥芯流道231、錐閥芯流道221中，在鑽具扶正短節100外部環形空間中的液體和彈簧3的共同作用下，錐閥芯22向內側移動復位，第一錐段222密封入口211，閥體21內部與鑽井液流道11斷開連接，鑽井液不再進入閥體21中；此時，先導閥芯23外端部的兩側所受的液體作用力平衡，在彈簧3的作用下，先導閥芯23沿周向外移復位，先導閥芯流道231與短節流道12斷開連接。由上所述，本發明提供的鑽具扶正短節，其內部的鑽井液通過設置在側壁的單向閥及短節流道流向其外部的環形空間，有效隔離鑽具扶正短節與井壁，避免鑽具扶正短節與井壁的直接式接觸，從而有效地降磨減扭，提高防斜打直的性能；該鑽具扶正短節能夠使地面設備施加的鑽壓正常傳遞給鑽頭，使得鑽具能夠高效鑽進，同時卡鑽事故減少，鑽具的延伸距離增加，提高鑽井效率的同時降低了鑽井成本。以上所述僅為本發明示意性的具體實施方式，並非用以限定本發明的範圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本發明的構思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應屬於本發明保護的範圍。