[发明专利]一种在垂直姿态下零造斜的静态机械式自动垂直钻具

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及机械工程领域，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。

背景技术

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Power V、Verti Trak、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，特提出本发明。

[1]Chur C,Oppelt J.Vertical Drilling Technology:A Milestone inDirectional Drilling[R].SPE/IADC 25759,1993.

[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