一种在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具制造技术

本发明专利技术公开了一种在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具，包括外筒和与外筒连接的活塞基座，外筒内设置有芯轴和上盘阀，活塞基座上设置有下盘阀，芯轴与外筒连接，上盘阀与下盘阀可转动连接，还包括位于外筒和芯轴间且能够控制上盘阀开闭的钟摆筒，钟摆筒与外筒可转动连接。该静态机械式自动垂直钻具，井斜控制精度和灵敏度高，纠斜极限接近理论垂直，且不会发生造斜现象，提高了机械式垂直钻具的井斜控制精度和使用性能。

【技术实现步骤摘要】
一种在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具
本专利技术涉及机械工程领域，特别是涉及一种在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具。
技术介绍
由于地质因素、钻具因素和工艺因素等造成的井斜问题会对后续钻完井、抽采油等造成一系列的不利影响，尤其在深部钻探过程中，如何有效控制井斜保持井眼垂直始终是现代钻探工程的最为重要的技术难题。传统的钟摆钻具、满眼钻具等防斜技术已不能够满足现代钻井的需要，而自动垂直钻井技术的出现为井下防斜纠斜带来了巨大的技术突破，在主动防斜纠斜的过程中实现了井眼的高垂直度，很好地满足了现代钻井技术的发展要求。自动垂直钻井技术是一种利用井下钻具主动进行防斜纠斜的直井作业技术，成功解决了高陡高斜地层的防斜快打、深井超深井垂直钻探、深部地层科学钻探等问题，能够有效降低钻杆扭矩和摩阻，释放钻压，大幅提高机械钻速，进而降低钻进成本[1-2]。该技术最早起源于德国大陆超深钻井计划(KTB计划)的VDS系统，采用井下闭环的电子控制系统控制靠近钻头的可伸缩导向块推向井壁高边，进而使井眼轨迹逐步恢复至垂直[3]。目前，依据井斜感应及控制方式的不同，自动垂直钻井工具分为电子控制式自动垂直钻井系统及机械式自动垂直钻井系统两大类。电子控制式自动垂直钻井系统目前发展较为成熟，国内外公司相继开发出PowerV、VertiTrak、SL-AVDS、CGVDS等系统，井斜控制能力很强，精度很高，但是该类钻井系统均含有高精度和高灵敏度的传感器及电控系统，造价及维护成本高昂。而机械式自动垂直钻具结构相对简单，不含电子元器件，依靠重力感应井斜，具有成本低、耐高温、适用性强、可靠性高等特点，油气面对低迷的油气价格，逐渐成为了高陡高斜地区防斜快打的最佳选择之一[4-5]。目前，国内外垂直钻井工具的工作原理均为偏重块在重力作用下偏转至井眼低边，并带动盘阀偏转至井眼高边，将位于井眼高边的钻井液流道打开，高压钻井液进入流道并将推靠活塞推向井眼高边的井壁，迫使钻头在井眼低边一侧加剧切削，使井眼恢复垂直。在该类机械式垂直钻具的纠斜控制过程中，偏重块控制下的盘阀始终有一个或两个处于打开状态，相应地推靠活塞始终有一个或两个推向井壁。当钻具接近于垂直状态时，偏重块能够提供纠斜用的偏转扭矩较小，在克服盘阀和摩擦扭矩的偏转过程中，偏重块中心线与理论井眼低边存在一定夹角，钻具提供的纠斜作用力方向仅是靠近理论井眼低边方向，既仅能够做到纠斜作用力的主要分力在井眼低边方向，导致该类型机械式垂直钻具存在纠斜极限，井斜精度相对较低。此外，当钻具处于或接近于垂直状态时，偏心块会处于因井下振动的原因处于随机位置，推靠活塞推向井壁施加给钻头的侧向切削力不仅不能纠斜，反而开始造斜，这都是限制机械式垂直钻具纠斜能力和纠斜精度的重要原因，导致机械式垂直钻具的井斜控制能力相对较低。预提高机械式垂直钻具的井斜控制性能，需从控制原理和结构设计等方面进行新的优化与改造。有鉴于此，特提出本专利技术。[1]ChurC,OppeltJ.VerticalDrillingTechnology:AMilestoneinDirectionalDrilling[R].SPE/IADC25759,1993.[2]杨春旭，韩来聚，步玉环，等.现代垂直钻井技术的新进展及发展方向[J].石油钻探技术，2007，35(1)：16-19.[3]李立鑫,薛启龙,刘宝林,赵柳东,李昕愉.机械式静态双层推靠自动垂直钻具设计[J].中国石油大学学报(自然科学版),2017,41(4):91-98[4]SteveJones,ChadFeddema,JuanCastro.FullymechanicalverticaldrillingsystemdeliversRSSperformanceinverticaldrillingapplicationswhileprovidinganeconomicalalternativeconventionalrotarysteerablesystemsset-Upforverticalholdmode[R].IADC/SPE-178788,2016.[5]韩来聚,倪红坚,赵金海,刘志和,吴仲华.机械式自动垂直钻井工具的研制[J].石油学报,2008,29(5)：766-768.
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具，能够极大地提高机械式垂直钻具的井斜控制精度和使用性能。为了实现上述目的，本专利技术提供的一种在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具，包括外筒和与所述外筒连接的活塞基座，所述外筒内设置有芯轴和上盘阀，所述活塞基座上设置有下盘阀，所述芯轴与所述外筒连接，所述上盘阀与所述下盘阀可转动连接，还包括位于所述外筒和所述芯轴间且能够控制上盘阀开闭的钟摆筒，所述钟摆筒与所述外筒可转动连接。优选地，所述钟摆筒通过可转动的顶杆控制上盘阀的开闭，所述钟摆筒能够压迫所述顶杆转动，使所述顶杆推动所述上盘阀相对所述下盘阀转动，进而控制上盘阀开闭。优选地，所述下盘阀上设置有支撑座，所述顶杆与所述支撑座可转动连接。优选地，所述顶杆与所述支撑座间设置有扭簧，所述扭簧通过带动所述顶杆转动，使所述顶杆与所述钟摆筒紧密贴合。优选地，所述顶杆一侧设有凸出部，所述凸出部与所述上盘阀一侧接触。优选地，所述钟摆筒底部设有垫圈。优选地，所述下盘阀内设置有供流体通过的螺旋形的液流通道。优选地，所述下盘阀内还设置有压力平衡通道。优选地，所述上盘阀为对称式结构，所述上盘阀的两端分别与所述液流通道和所述压力平衡通道贴合。优选地，所述上盘阀与所述下盘阀间设置有扭簧，所述扭簧能够调整所述上盘阀两端与所述液流通道和所述压力平衡通道贴合，以使所述液流通道和所述压力平衡通道处于关闭状态。本专利技术提供的在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具，在外筒和芯轴间设置有能够控制上盘阀开闭的钟摆筒，该钟摆筒与外筒可转动连接。其利用钟摆筒在重力作用下始终保持垂直的特性感应井斜，进而控制盘阀开闭并驱动相应活塞推向井壁进行纠斜；当井斜处于或接近理论垂直状态时，钟摆筒也处于垂直状态，不会推动上盘阀转动，所有盘阀处于关闭状态，故没有活塞被推向井壁，不会发生造斜，因此其井斜控制精度和灵敏度更高，纠斜极限接近理论垂直，且不会发生造斜现象，提高了机械式垂直钻具的井斜控制精度和使用性能。附图说明图1为本专利技术静态机械式自动垂直钻具的剖视图；图2为图1中静态机械式自动垂直钻具的A处放大图；图3为图1中静态机械式自动垂直钻具中顶杆、支撑座、上盘阀和下盘阀配合的结构示意图；图4为图1中静态机械式自动垂直钻具的上盘阀的俯视图；图5为图4中上盘阀的剖视图；图6为图1中静态机械式自动垂直钻具的下盘阀的俯视图；图7为图中下盘阀的剖视图。图中：1.钻杆上接头；11.过滤网；12.通道；2.外筒；3.活塞基座；4.芯轴；5.钟摆筒；51.内垫圈；52.外垫圈；6.上盘阀；61.连接孔；7.下盘阀；71.液流通道；72.支撑座；73.压力平衡通道；74.支撑座安装孔；75.安装孔；8.顶杆；81.凸出部。具体实施方式为了使本领域技术人员更好的理解本专利技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。参考图1至图7，本实施例提供的在垂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具，包括外筒和与所述外筒连接的活塞基座，所述外筒内设置有芯轴和上盘阀，所述活塞基座上设置有下盘阀，所述芯轴与所述外筒连接，所述上盘阀与所述下盘阀可转动连接，其特征在于：还包括位于所述外筒和所述芯轴间且能够控制上盘阀开闭的钟摆筒，所述钟摆筒与所述外筒可转动连接。

【技术特征摘要】
1.一种在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具，包括外筒和与所述外筒连接的活塞基座，所述外筒内设置有芯轴和上盘阀，所述活塞基座上设置有下盘阀，所述芯轴与所述外筒连接，所述上盘阀与所述下盘阀可转动连接，其特征在于：还包括位于所述外筒和所述芯轴间且能够控制上盘阀开闭的钟摆筒，所述钟摆筒与所述外筒可转动连接。2.根据权利要求1所述的静态机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述钟摆筒通过可转动的顶杆控制上盘阀的开闭，所述钟摆筒能够压迫所述顶杆转动，使所述顶杆推动所述上盘阀相对所述下盘阀转动，进而控制上盘阀开闭。3.根据权利要求2所述的静态机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述下盘阀上设置有支撑座，所述顶杆与所述支撑座可转动连接。4.根据权利要求3所述的静态机械式自动垂直钻具，其特征在于：所述顶杆与所述支撑座间设置有扭簧，所述扭簧通过带动所述顶杆转动，使所述顶杆与所述钟摆筒紧密贴合。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：薛启龙，李立鑫，刘宝林，王晋，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11