導向鑽具用推靠執行機構和鑽具的製作方法

2023-12-09 21:15:03

本發明涉及一種推靠執行機構，特別是一種導向鑽具用推靠執行機構及包括該推靠執行機構的鑽具。

背景技術：

隨著油氣開發、地質勘探難度的不斷加大，鑽井工程面臨著更大的挑戰，傳統的滑動鑽進等導向鑽井技術已很難滿足現代鑽井工藝的技術要求。近些年，自動垂直鑽井系統、旋轉導向系統的應用順應了時代發展的趨勢，在垂直深井、定向井、大位移井、水平井等複雜結構井領域取得巨大的技術成就。目前，因推靠式執行機構具有導向迅速可靠的特點，導向鑽井系統多使用推靠式的執行機構，即推靠板或推靠翼在上部井斜感應控制系統和液壓系統的控制下推向井壁，使得鑽具獲得井壁的反作用力，加劇了鑽頭在井壁另一側的切削作用，起到控制井眼軌跡的作用，實現定向、導向鑽進。

現有推靠機構多為推靠翼或推靠板被其下部的推靠活塞頂出的結構設計，該類設計的推靠翼或推靠板推出後與鑽具本體分離，環空中的巖粉易進入推靠機構發生卡阻，影響鑽井工具的正常使用。現有推靠執行機構中多存在易損件，不能承受鑽井過程中的振動和反覆應力，易發生螺釘鬆動、銷釘斷裂等問題，而且採用推靠翼或推靠板下部安裝推靠活塞的結構，導致徑向尺寸小大，不利於小直徑鑽井工具的設計開發。而且，現有推靠機構本身均為被動設計，推靠力大小取決於推靠活塞的頂出力，推靠機構不具備推靠力調節功能，適用範圍受限。此外，現有推靠翼或推靠板多採用平面設計，推靠時僅有推靠翼或推靠板邊緣與井壁接觸，其接觸面積較小，導致推靠板或推靠翼及井壁磨損嚴重、鑽具工作時的穩定性較差、井眼質量較差等問題。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種導向鑽具用推靠執行機構，其推靠動作執行迅速、推靠井壁穩定可靠。

為了實現上述目的，第一方面，本發明提供的一種導向鑽具用推靠執行機構，包括：

推靠板；推靠板的一端樞接在鑽具本體上；

推車，所述推車設置在鑽具本體的凹槽內；

驅動裝置，所述驅動裝置與推車連接，帶動推車在凹槽內沿著鑽具本體的軸向運動；以及

支撐杆，所述支撐杆一端與推車樞接；另一端與推靠板樞接，並使得推車運動時，支撐杆能夠將推靠板撐起。

可選地或優選地，所述推車包括車體，車體上安裝有與凹槽底面接觸的車輪，在驅動裝置作用下，車輪可帶動車體在凹槽內運動，並使得支撐杆樞轉撐起。

可選地或優選地，所述車體的中部被構造有樞軸安裝部，其上安裝有第一樞軸，支撐杆的一端套設在第一樞軸上，另一端通過第二樞軸與推靠板的中部樞接。

可選地或優選地，第二樞軸的兩端設有與其軸向對應的螺紋孔，在螺紋孔中安裝堵絲。

可選地或優選地，所述推車兩側設有限制推車沿鑽具本體徑向運動的第一限位機構。

可選地或優選地，所述第一限位機構包括構造在車體兩側的凹槽，螺釘通過鑽具本體上的螺紋孔伸入到鑽具本體內並壓在所述車體兩側的凹槽上。

可選地或優選地，所述推車的前端設有第二限位機構，第二限位機構限制推車在凹槽內的最大推出距離，且保證在該最大推出距離下，推靠板的下部不會脫離鑽具本體而產生空隙。

可選地或優選地，所述第二限位機構包括設置在推車前端的限位杆，限位杆上套設彈簧，推車壓縮彈簧至限位杆與鑽具本體內的凹槽端面接觸時，即達到所述最大推出距離。

可選地或優選地，所述推靠板的板面為弧形。

第二方面，本發明還提供了一種鑽具，包括多個第一方面所述的鑽具用推靠執行機構，所述推靠執行機構沿著鑽具本體的周面分布。

本發明提供的一種鑽具用推靠執行機構，設置在鑽具本體的凹槽內，包括推靠板、支撐杆和推車，推車在驅動裝置的驅動下在凹槽內移動。推車通過支撐杆與推靠板樞接，推靠板的端部樞接在鑽具本體上，當推車被推動時，支撐杆升起將推靠板撐起實現對井壁的推靠，這種推靠方式依據槓桿原理，不再依靠活塞，推靠動作執行地直接迅速，摩擦阻力小，且推靠穩固可靠。

附圖說明

圖1為本發明實施例所提供的導向鑽具用推靠執行機構的立體結構示意圖；

圖2為本發明實施例所提供的導向鑽具用推靠執行機構的主剖結構示意圖；

圖3為推靠執行機構的推靠板的內側立體結構示意圖；

圖4為推靠執行機構的推靠板的外側立體結構示意圖；

圖5為推靠執行機構的推車車體結構示意圖；

圖6為推靠執行機構的支撐杆的結構示意圖；

圖7為推靠執行機構最大推出位置狀態下的立體結構示意圖。

圖中：

1-推靠板；101-銷孔；102-凸緣；103-銷孔；104-上部弧面；105-下部弧面；106-螺紋孔；107-端部弧面；2-推車；201-車體；202-車輪；203-通孔；204-銷孔；205-凹槽；206-通孔；207-銷孔；3-支撐杆；301-通孔；302-通孔；4-鑽具本體；401-凸緣；402-端面；5-螺釘；6-推桿；7-第一樞軸；8-第二樞軸；9-第三樞軸；10-堵絲；11-限位杆；12-彈簧；13-螺釘；14-壓塊；15-銷軸。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。

本發明實施例提供的導向鑽具用推靠執行機構，用於導向鑽井系統中推井壁進行推靠，使得鑽具獲得井壁的反作用力，加劇了鑽頭在井壁另一側的切削作用，起到控制井眼軌跡的作用，實現定向、導向鑽進。

推靠執行機構被設置在鑽具本體的周面上，數量可以為多個，並呈均勻分布。例如可以是呈90°或120°的間隔分布。如圖1-6所示，每個推靠執行機構主要包括推靠板1、推車2、支撐杆3和驅動裝置(圖1中為了看清內部結構，省略了推靠板)。其中，推車2設置在鑽具本體4的凹槽內，並與驅動裝置連接，在驅動裝置的作用下，推車2可以在凹槽內沿著鑽具本體4的軸向運動。支撐杆3的一端樞接在推車2上，另一端樞接在推靠板1的內側，推靠板的一個端部(上端)樞接在鑽具本體4上，可沿著這鑽具本體4樞轉。這樣，推車2、支撐杆3和推靠板1就形成了一個基於槓桿原理的連杆機構，當驅動裝置推動推車運動時，支撐杆3發生樞轉並將推靠板1撐起，使其抵靠在井壁上。這種推靠執行動作不需要活塞，直接迅速，摩擦阻力小，且推靠穩固可靠。

在一些實施例中，推車2包括車體201以及安裝在車體201上的車輪202，車輪202與凹槽底面為滾動摩擦，因而阻力更小，車輪202和車體201可以通過銷軸連接。作為一個具體的實施方式，車體202的結構大體呈扁平狀，這樣可以節約有限的鑽具本體內的空間。在車體的四角處開設貫通車體的長條形通孔203，通孔203的側壁開設銷孔204，將車輪202通過圖1所示的銷軸15安裝在各個長條形通孔203內，這樣可以避免車輪202與鑽具本體4內的凹槽接觸，減小了摩擦阻力。優選地，在推車的車體201兩側設有限制推車沿鑽具本體4徑向運動的第一限位機構。第一限位機構可以包括被構造在車體中部表面靠近兩側邊緣的凹槽205以及從鑽具本體的螺紋孔穿入的螺釘5，螺釘5的釘頭壓在凹槽205上，以限制車體201的徑向運動。驅動推車2運動的驅動裝置包括推桿6，推桿6的一端與推車2的車體201連接，另一端與液壓機構、電機等機械設備中常用的驅動裝置連接(圖中未示出)。有別於現有推靠機構施力部件(如推靠活塞)位於推靠翼或推靠板下部的設計結構，該推靠執行機構的施力部件位於推桿6上部，可以在很大程度上釋放徑向空間，有利於小直徑導向工具的設計與研發。

在車體201的中部可以開設兩個平行設置的通孔206，每個通孔206各設置一個支撐杆3，且通孔206的側壁上設有銷孔207，兩個支撐杆3的底端也具有銷孔301並且與車體上的銷孔207位置對應，通過第一樞軸7(如圓柱銷)穿過銷孔207、301從而將兩個支撐杆3與車體201樞轉連接。在推靠板1內側被構造出兩個與支撐杆3位置大體對應的凹槽，凹槽內也設有銷孔101，兩個支撐杆3的上端具有位置對應的銷孔302，並通過第二樞軸8連接在凹槽內，從而支撐杆3就可以在推車2和推靠板1之間樞轉。推靠板1的上端被構造出兩個凸緣102，凸緣102上沿著側面開設有貫通的銷孔103，在鑽具本體4上構造出與兩個凸緣102之間的間隔匹配的凸緣401，且在該凸緣401上也沿著側面設有位置對應的貫通的銷孔。推靠板1的上端通過第三樞軸9連接在該凸緣401上，實現推靠板繞鑽具本體4的樞轉。為了防止各個樞軸在推靠執行機構工作時脫銷，在第三樞軸9的兩端設有壓塊14，並用螺釘13固定，在推靠板1中部的兩端(即第二樞軸8兩端)設有與其軸向對應的螺紋孔106，在螺紋孔106中安裝堵絲10。本實施例提供的推靠執行機構中使用的銷軸(即各樞軸)、螺釘等易損件的尺寸可根據具體使用要求進行靈活設計，同時，該機構雖使用了螺釘零件，但均不是主要受力零件，僅做放鬆處理後即可滿足使用要求，故該推靠執行機構的可靠性大大提升。

現有的推靠執行機構通常採用活塞推靠井壁，工作時經常會發生執行機構阻卡的情況。發明人發現，造成這種阻卡情況的原因在於，活塞與鑽具本體完全分離，使得活塞與鑽具本體之間形成了空隙，此時井內環空中的大顆粒巖屑就會進入推靠執行機構內部，對執行機構的動作造成阻礙。為解決這一問題，在優選的實施例中，推車2的前端設有第二限位機構，第二限位機構限制推車2在凹槽內的最大推出距離，且保證在該最大推出距離下，推靠板1的下部不會脫離鑽具本體而產生空隙。由於在推靠執行的過程中不會產生空隙，就可以防止大顆粒巖屑進入到推靠執行機構內部，從而避免了執行機構動作阻卡、失靈的情況發生。在一些實施例中，第二限位機構包括設置在車體前端限位杆11，限位杆11的外側套設有彈簧12並固定，使得彈簧12不會被壓縮而拱起。當推靠執行機構工作時，推車2壓縮彈簧12，直至限位杆11接觸鑽具本體內的凹槽端面402時，即達到推車2能夠在凹槽內前行的最大距離，在此距離下，推靠板雖然被支撐杆3撐起，在鑽具表面形成下部向上翹起的突出狀，但是推靠板1的內側邊緣應當仍然保持在鑽具本體4的凹槽內，以使得推靠板1不會和鑽具本體4發生分離，避免形成空隙(如圖7所示)。由於推靠板1始終不會被推出鑽具本體凹槽的設計，隔離了鑽井液中的大顆粒巖屑，僅允許液態的鑽井液進入推靠執行機構內部，使得銷軸始終處於鑽井液的潤滑之下。最大推出距離的設計可以通過對限位杆11長度、支撐杆3長度和支撐杆3上樞接位置的距離等的限定達到上述效果，距離的具體數值可以根據鑽具的大小和鑽井空間的大小實際調整，並不構成對本發明的限制。從。此外，當推靠機構不工作時，壓縮的彈簧12將推車2推回初始位置，保證推靠板1與鑽具本體4處於貼合狀態，以防止起下鑽過程中發生卡鑽。

推靠板1的外表面優選為弧形，即構成弧形推靠板。推靠板1的弧面分為上下兩部分，上部弧面104較長、下部弧面105較短(端部為端部弧面107)，其中下部弧面105用於和井壁直接接觸。下部弧面105的弧面半徑與井壁半徑一直，保證接觸時下部弧面105與井壁處於貼合狀態，從而增加了接觸面積，降低了表面壓強，進而降低了推靠板1與井壁磨損，進一步提升了推靠執行機構的使用壽命，同時有效地提升了鑽具推靠井壁時的穩定性，並可獲得良好的井眼質量。推靠板1的下部圓弧表面可使用鑲嵌硬質合金塊、PDC耐磨塊或堆焊耐磨合金層等方式提升耐磨性。本實施例中，該推靠執行機構由鑽具本體4、推桿6、推車2、支撐杆3、推靠板1、圓柱銷形成連杆機構，在上部施力機構施加給推桿6的力恆定時，依據槓桿原理，支撐杆3的孔距(如圖6所示)便決定了推靠弧板下部圓弧推靠井壁的力大小，故該推靠執行機構可根據實際鑽井工藝和地層條件的需要，通過更換不同孔距的支撐杆對推靠力進行調節，因而具有更佳的適用性。

本發明實施例提供的推靠執行機構，可以應用在各種鑽具當中，如圖1所示的即為鑽具的一部分，推靠執行機構包括多個，圍繞著鑽具本體表面的周向分布。其中，鑽具系統的類型包括但不限於以下幾種：

1、用於自動垂直鑽井系統

該推靠執行機構可用於推靠式自動垂直鑽井系統，當井斜感應裝置測得井眼軌跡發生傾斜時，在上部電控系統和施力機構的控制下，以液壓或機械的方式向推桿施加推力，進而推動該推靠執行機構推向井壁高邊，在井壁反作用力的作用下，鑽頭在井眼低邊一側加劇切削，是鑽進方向回復垂直。

2、用於旋轉導向系統

該推靠執行機構可用於旋轉導向鑽井系統，旋轉導向鑽井系統在地面工程師的指令下，由施力機構向推桿施加推力，使該推靠執行機構推向井壁，實現定向鑽進或導向鑽進。

3、用於非開挖導向鑽具

該推靠執行機構可用於非開發導向鑽具，非開發導向鑽具在鑽井工程師的控制下將該推靠執行機構推向井壁實現非開挖導向鑽進。

4、其他可能的使用情況

該推靠執行機構可根據鑽具或其他機具的設計要求，應用於其他使用情況。

以上對本發明所提供的導向鑽具用推靠執行機構及鑽具進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。