[发明专利]一种机械自动垂直钻井工具

说明书

技术领域

本发明专利属于石油钻井机械领域，具体涉及一种机械自动垂直钻井工具，主要用于解决石油天然气领域钻井防斜、降斜问题。

背景技术

钻井是把地下油气资源开采到地面的必然途径。在钻井过程中，由于高陡斜地质构造、地层软硬不均、钻头类型及结构、钻具组合等多种原因，所钻直井(或直井段)不可能完全垂直或全井井斜为0°。按照井身质量标准要求，如果井斜超标，将根据合同扣款处罚，严重的则必须填井重钻，造成巨大经济损失。

在钻井领域，防斜和降斜是一个永恒的研究课题。早期，主要采用钻铤、偏重钻铤、异形钻铤和稳定器等，根据悬臂梁弯曲变形原理，将钻铤和稳定器组合成不同结构钻具组合进行防斜、降斜。如果效果不佳，小钻压吊打钻进，机械钻速慢，钻井周期长，作业成本高。二十世纪八十年代以来，多家国外油服公司相继研制成功垂直钻井工具，性能可靠，服务费用昂贵。近几年，国内多家油田企业和科技院所合作开展垂直钻井工具研制工作，其中大庆钻探钻井院、西部钻探钻井院、胜利油田钻井院和宝鸡石油等单位相继研制成功并开始现场试验，但至今未商业化推广应用。

根据多年钻井现场经验，本发明专利提出了一种机械自动垂直钻井工具，可有效解决钻井防斜、降斜问题，提高直井钻井速度和经济效益。

发明专利内容

本发明专利属于石油钻井机械领域，具体涉及一种机械自动垂直钻井工具，主要用于解决石油天然气领域钻井防斜、降斜问题。

本发明专利采用如下具体技术方案实现：

机械自动垂直钻井工具主要由上接头、外筒、偏重块、液压端、调节喷嘴、圆形驱动管、扇形圆管、压板、柱塞板和泄压孔组成。

上接头、外筒和液压端通过特殊螺纹连接成一体，将上部钻具钻压、扭矩和拉力传递给钻头，驱动钻头破岩钻进。其中，上接头上端是石油钻具螺纹，用于连接上部钻具；液压端下端是石油钻具螺纹，用于连接钻头；液压端下端轴孔安装有调节喷嘴，用于调整钻具内、外压差。

上接头、外筒和液压端共同组成密闭腔室，用于安装偏重块和圆形驱动管。根据机械加工工艺不同，上接头和外筒可加工成整体结构，或者，外筒和液压端可加工成整体结构。

液压端周向均布加工N(N≥3且为正整数)个扶正棱，扶正棱直径略小于井眼直径。每个扶正棱均加工有柱塞缸，钻井液通道自柱塞缸底部沿径向向内延伸到液压端轴孔内壁圆柱面，周向均布且与柱塞缸方向一致。进一步说，为防止液压端轴孔钻井液通道刺坏，可增加硬质轨道缸，硬质轨道缸安装在液压端轴孔内且钻井液通道相连通。

柱塞板是柱塞和推板总称，属整体结构，空间形状近似长方体。柱塞板内侧面设计成微凹陷结构，增加高压钻井液对柱塞板初始推力；外侧面设计成圆柱面，所在圆柱面直径等于液压端扶正堎直径；其余四个侧面是两对相互平行平面。柱塞板通过压板安装在柱塞缸内，柱塞板上加工有泄压孔。当钻井液通道打开，高压钻井液进入柱塞缸时，柱塞板伸出；当钻井液通道关闭，井壁挤压柱塞板收回时，钻井液通过泄压孔排出。进一步说，柱塞板也可加工成分体结构，即柱塞和推板，柱塞空间形状可为长方体，可为圆柱体，具体形状在设计加工时统筹考虑。

液压端(或硬质轨道缸)轴孔内壁圆柱面中安装有扇形圆管，扇形圆管开口圆心角设计为任意值。扇形圆管上端与圆形驱动管连接在一起，进一步说，为保护扇形圆管在液压端(或硬质轨道缸)轴孔内壁圆柱面中自由旋转，可延长圆形驱动管且在钻井液通道位置被加工成扇形圆管。或者说，扇形圆管和圆形驱动管是整体结构；或者说，扇形圆管是圆形驱动管中的一段；或者说，偏重块、圆形驱动管和扇形圆管可加工成整体结构，并称之为扇形偏重管；所有这些，均需在设计加工时统筹考虑。

偏重块和圆形驱动管安装在上接头、外筒和液压端共同组成的密闭腔室内。偏重块根据需要可以加工成不同形状，也可选用不同材质或者多种材质组合，尽最大可能增加偏重块重量和重心偏离程度，提高偏重块摆动灵敏程度。圆形驱动管是中空、等壁厚金属管，其上、下端分别安装在上接头下端轴孔和液压端上端轴孔中，配套研磨，密封承压，旋转灵活，同时，高压钻井液从圆形驱动管中高速流过，避免高速钻井液流对偏重块灵敏程度造成影响。偏重块通过轴孔安装在圆形驱动管上，带动圆形驱动管旋转，间接带动扇形圆管旋转，因此，偏重块和圆形驱动管共同组成机械自动垂直钻井工具的井眼重力高边工具面驱动机构。