一種用於自動垂鑽工具的井眼高低邊識別機構的製作方法與工藝

2023-09-20 19:24:10 1

本發明涉及一種油氣鑽井工具，特別涉及一種用於自動垂鑽工具的井眼高低邊識別機構。

背景技術：
井眼偏斜是油氣鑽井工程中經常遇到的技術難題，直接影響著井身質量與鑽井速度，嚴重製約著地下油氣等資源的開採效率和效益。無論是直井，還是定向井、水平井，都存在井斜控制問題。特別是在高陡構造等易斜地層的鑽井工程中，井斜問題十分嚴重。目前，國內現場仍主要使用鐘擺鑽具組合來進行井斜控制，在鑽遇易斜地層時通常是以犧牲鑽壓，甚至「輕壓吊打」來確保井斜控制質量，從而使快速鑽進與防斜打直的矛盾更加突出。為了解決這個矛盾，相關研究人員正在積極研製機械式自動垂鑽工具。但是不管何種類型的自動垂鑽工具都可以分為兩大部分：一是在鑽柱旋轉的工況下確定出井眼高低邊的識別機構，二是產生推力使鑽頭向井眼低邊切削的執行機構。因此，自動垂鑽工具在工作時，要保證在隨著鑽柱旋轉的狀態下準確判斷井眼高低邊，並提供明確的信號指引垂鑽工具的推力塊在每當旋轉到井眼高邊時發揮作用，推靠井壁使鑽頭更多地切削井眼低邊以達到降斜的目標。然而，現有技術中的自動垂直鑽井系統的井眼高低邊識別裝置通常由傳感器、晶片類的電子部件組成，其雖然具備精度好、靈敏度高等優點，但是由於受技術服務價格過高及對於溫度、振動等工作條件要求苛刻等因素的制約，這類高技術尚難於推廣應用。國內研製的機械式自動垂鑽工具的井眼高低邊識別機構僅通過重力方式進行識別，例如公開號為CN1676862A的專利申請公開了一種機械式自動垂鑽工具，但是這種機械式自動垂鑽工具在井斜很小時，存在嚴重的缺陷：當殼體在鑽柱帶動下旋轉時，殼體有通過軸承帶動心軸旋轉的趨勢，當井斜較大時，配重的重力分量可以產生一個扭矩以克服軸承處產生的摩擦扭矩，從而使心軸不轉動，配重一直處於井眼低邊。但是，隨著井斜變小時，由於配重位置的變化，配重的重力分量產生的扭矩也隨之變小。實驗及理論計算表明，如果僅靠配重產生的扭矩，當井斜角小於4°時，偏重塊產生的扭矩將不足以阻止心軸旋轉，而心軸一旦旋轉，與心軸底端連接的上盤閥隨之旋轉，從而導致上盤閥的扇形偏心流道不再處於井眼高邊，因此也就無法將井眼高低邊的信號提供給執行機構，失去了識別井眼高低邊的功能。

技術實現要素：
針對上述問題，本發明的目的在於提供一種在更小的井斜條件下也能夠準確辨別井眼高低邊的自動垂鑽工具的井眼高低邊識別機構。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：本發明提出了一種用於自動垂鑽工具的井眼高低邊識別機構，它包括套筒、偏重塊、兩個軸承、兩塊擋板、中心軸和鑽井液導向板，中心軸通過上下兩個軸承和上下兩塊擋板轉動支撐在套筒中；偏重塊固定在兩個軸承之間的中心軸一側，且與套筒的內壁之間留有間隙；鑽井液導向板安裝在中心軸的底端，鑽井液導向板上開設有導流孔，且導流孔處於與偏重塊相對的中心軸另一側，其中：在中心軸的頂部安裝有恆扭矩裝置，恆扭矩裝置能夠對中心軸產生與兩個軸承處產生的摩擦扭矩大小相等，方向相反的扭矩，以阻止中心軸旋轉。在一個實施例中：恆扭矩裝置包括固定於中心軸頂部的摩擦片，徑向設置在摩擦片上的渦輪，固定於渦輪上方的調節件，以及連接渦輪和調節件的彈性件，通過調節件改變彈性件的形變量，能夠調節恆扭矩裝置產生的扭矩大小，使之等於兩個軸承處產生的摩擦扭矩。在一個實施例中：調節件採用螺栓，彈性件採用彈簧，彈簧安裝在渦輪與螺栓的配用螺母之間。在一個實施例中：偏重塊形狀為半個空心圓錐體與半個圓柱體的組合體形狀。在一個實施例中：導流孔為扇形、圓形、橢圓形或矩形。在一個實施例中：固定於下擋板的套筒內壁的下端具有環狀支撐凸起。在一個實施例中：套筒兩端內壁為敞口向外的環形斜面。本發明由於採取以上技術方案，而具有以下有益效果：1、根據本發明的機構在中心軸的頂端通過恆扭矩裝置安裝有渦輪，渦輪在鑽井液衝擊下可產生扭矩，通過調節恆扭矩裝置使渦輪產生的扭矩抵消掉軸承摩擦力產生的扭矩，以阻止中心軸旋轉，保證鑽井液導向板上的導流孔始終處於井眼高邊，從而使根據本發明的機構可以在更小的井斜條件下（例如井斜角小於4°時）也能夠準確辨別井眼高低邊。因此，在鑽井液衝擊力與重力聯合作用下，只要存在井斜角，本機構就可以持續有效地識別井眼高邊和低邊，進而為執行裝置提供準確的信號。2、根據本發明的機構為牢固的機械式結構，不僅結構簡單可靠，成本低，而且不受井下溫度的影響，振動對其影響也很小。由此可見，本發明既能突破傳統的靜力學防斜理論的束縛與鑽具組合（如鐘擺鑽具組合等），又不同於現有技術中昂貴的自動垂直鑽井系統，因此在油氣鑽井工程中具有廣泛的應用前景。附圖說明以下結合附圖來對本發明進行詳細的描繪。然而應當理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發明，它們不應該理解成對本發明的限制。圖1是根據本發明的井眼高低邊識別機構的結構示意圖；圖2是沿圖1中的A-A線剖視圖；圖3是沿圖1中的B-B線剖視圖。具體實施方式下面對照附圖，並通過對實施例的描述，來進一步詳細地說明本發明。圖1-圖3顯示了根據本發明的井眼高低邊識別機構，它包括套筒18、偏重塊5、兩個軸承(上軸承4和下軸承10)、兩個具有通孔的擋板（上擋板9和下擋板6）、中心軸20和鑽井液導向板7。中心軸20延伸並固定到摩擦片8下方的T字形圓盤，並且T字形圓盤上設有另一中心軸，用於安裝渦輪結構3、彈性件2以及螺栓1等。中心軸通過上下兩個軸承（4、10）和上下兩個擋板（9、6）支撐在套筒18中，並且可以相對於套筒18自由轉動。偏重塊5焊接在兩軸承（4、10）之間的中心軸20一側，且與套筒18的內壁之間留有間隙。鑽井液導向板7安裝在中心軸20的底端，且鑽井液導向板7與（圖中未示出的）執行機構相連。鑽井液導向板7上開設有導流孔19。導流孔19優選為扇形，也可為圓形、橢圓形或矩形。導流孔19可以將鑽柱內的高壓鑽井液導入執行機構以驅動鑽頭工作，鑽井液導向板7安裝在中心軸20上時要保證導流孔19處於與偏重塊5相對的中心軸20的另一側。這樣當偏重塊5因重力偏於井眼低邊時，鑽井液導向板7上的導流孔19就總處於井眼高邊，因此可以使執行機構產生朝向井眼高邊的推靠力，從而達到降斜效果。本機構還包括一個恆扭矩裝置。恆扭矩裝置包括渦輪結構3，渦輪結構3安裝在T字形圓盤的中心軸上，渦輪結構所屬的工字形圓盤下方安裝有摩擦片8。摩擦片8下方的T字形圓盤和上方的工字形圓盤是分開的，摩擦片8安裝在工字形圓盤上。渦輪3固定在工字形圓盤上，工字形圓盤底部通過摩擦片與T字形圓盤頂部接觸，且T字形圓盤固定在中心軸20的頂部。渦輪3上方安裝有一個調節件，渦輪3與調節件之間安裝有一個彈性件，通過調節件可以調節彈性件的形變量，進而調節渦輪與摩擦片8之間的接觸力（渦輪與工字形圓盤可以是一體的，工字形圓盤與摩擦片接觸）。在一個優選的實施例中，偏重塊5的形狀可以為半個空心圓錐體與半個圓柱體的組合體形狀，該設計可以在鑽井液高速通過井眼高低邊識別裝置時，對鑽井液起到分流作用，減少鑽井液通過裝置時對偏重塊的影響，進而提高井眼高低邊識別裝置的識別精度。在一個優選的實施例中，調節件可以採用螺栓，彈性件可以採用彈簧。在一個優選的實施例中，固定於下擋板的套筒內壁的下端具有環狀支撐凸起。在一個優選的實施例中，套筒兩端內壁為敞口向外的環形斜面，便於連接其他部件和鑽井液進入井眼高低邊識別裝置。本發明在使用過程中，當井眼井斜超標時，下入自動垂鑽工具，井眼高低邊結構開始運轉，與鑽柱相連的套筒隨之旋轉。由於軸承處的摩擦力，產生了對中心軸扭矩，這個扭矩有驅使中心軸旋轉的趨勢，偏重塊5在重力的作用下偏向一邊，形成阻力扭矩，阻止了中心軸的旋轉，因此與中心軸底端連接的鑽井液導向板也不再旋轉，使鑽井液壓力通過鑽井液導向板上的導流孔定向傳遞給自動垂鑽工具的執行機構。與鑽柱旋轉的同時，會有較大排量的鑽井液（一般為20-30L/s）從鑽柱內部以及自動垂鑽工具內部流過，鑽井液流經渦輪時會帶動渦輪旋轉，基於摩擦定律渦輪旋轉時會對中心軸產生一個扭矩，通過設計渦輪葉片的方向，使之產生的扭矩與軸承處產生的摩擦扭矩方向相反。同時，通過調節件改變彈性件的形變量以調節渦輪產生的扭矩，使之等於軸承處產生的摩擦扭矩，這樣在扭矩大小相等方向相反的情況下正好可以抵消軸承處產生的摩擦扭矩。由於渦輪與中心軸之間的接觸力由彈性件壓力和渦輪重力決定，是一個保持不變的力，而摩擦係數由摩擦片決定亦保持不變。因此，不論鑽井液的流量如何變化，渦輪產生的扭矩都是保持不變的，可以準確的抵消軸承處產生的摩擦扭矩。由於渦輪產生的扭矩與井斜沒有關係，因此當降斜至小井斜狀況時，渦輪扭矩依然可以克服軸承處產生的摩擦扭矩，使得偏重塊在重力作用下總是偏向井眼低邊一側，而不需要用偏重塊有限的重力分量去克服軸承處產生的摩擦扭矩，從而使本發明可以在更小的井斜條件下準確辨別井眼高低邊。由此可見，在鑽井液衝擊力與重力聯合作用下，只要存在井斜角，本發明就可以持續有效地識別井眼高邊和低邊，進而為執行裝置提供準確的信號。以上所述具體的實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改，等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。