液压自动防斜钻具设计

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1、2008年第36算第10期■新产品开发A液压自动防斜钻具设计.宋执武髙德利(中BI石油大学(北亲)石油1■租软育部空虽实脸：t)摘要目前国内所使用的各种防斜钻具主要是靠钻具本身的重力来产生降料力，在井斜角很小时，降斜力一般很小，在某些区块钻井时不能满足防斜要求。为此，根据不倒翁原理，设计了一种液压自动防斜钻具。这种液压自动防斜钻具主要由钻铤体、偏心套筒、钢球、阀腔、阀杆、活塞杆等组成。该钻具能够自动利用液压力来产生很大的降斜力，从而能够防止井眼的偏斜。该钻具原理可行，结构简单，若能在现场得到应用，可节省钻井时间，从而节省钻井投资，其应用前景十分广阔。关键词液压防斜钻具偏心套筒井眼轨迹技术分析

2、钻井是石油天然气等地下资源勘探开发的基本手段，直井防斜钻宜是钻井现场经常碰到的技术难题之一。在钻直井时，如果井斜过大，会使井眼偏离地下设计目标。在斜井内，钻柱易靠在井壁一侧，旋转时发生严重摩擦.易使钻柱磨损和折断,也可能造成井壁坍塌及键槽卡钻等事故。井斜超标也会彫响固井质量和井下的分层开采及注水工作的正常进行，对抽油井也常会引起油借和抽油杆的馆损和折断“所以说井斜超标对油气田的勘探与开发都有很大危寓。目前的防斜钻具包括钟挟、塔式、满眼、偏轴等钻具，主耍是靠钻柱本身的朿力来产生降斜力，在井斜角很小时，降斜力一般很小，在某些区块钻井时不能满足防斜的要求。一般只能再采用下单弯螺杆钻具进行定向反扣的

3、方法来保证井眼质最达标，但这种方法费用髙，时间长，而且有时井眼的狗腿度也会很大。鉴于此，笔者设计了一种新的防斜工具，该工具能够自动利用液压力产生降斜力来防止井眼的偏斜。该钻具原理可行，结构简单,若能在现场得到应用，可节省钻井时间，从而节省钻井投资，其应用前景十分广阔。1.结构如图1所示，液压自动防斜钻具的偏心套筒通过钢球的连接，挂在其钻铤体的外表面。此偏心套筒一半厚一半薄，且其下端部不在~个平面上，有凸台和凹台，凹台位于偏心套筒的薄边上，凸台位于偏心套筒的厚边上。在钻铤体上的阀腔内，阀杆通过弹簧顶在偏心套筒下端部，小孔A与环空相通，小孔B与钻铤体内腔相通，活塞杆可伸出钻铤体外。何冊庶)图1液

4、压自动防耕钻具剖视图ITA铤体；2-钢球；3Ti心套简；4一阀杆；5—弹貧；6-阀腔；7—活窠杆；8—固定螺栓2.工作原理钻井时，将此工具接在钻头的上面。在钻进♦基金项目：获教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队项目(IRTO411)和国家自然科学基金贾大研究计划项目(90410006)资助。该工具已获国家实用新型专利，专利号：ZL200520128153.0„—46—2008年第36爲第10期时.钻铤体在转盘的带动下不停地旋转。由于偏心套筒的饭心不在钻铤体中心线上，并且它是通过钢球与钻铤体相连接，当井斜角很小时，在摩擦力的作用下，偏心套簡会随钻铤体一起旋转；当井斜角达到一定值.偏心無

5、筒的3S力分竝大于摩擦力时,根据不倒翁原理，它会停住，厚边在井眼的低边,薄边在井眼的高边，不再旋转。阀杆固定在钻铤休上，所以它会随着钻铤体一起旋转。它的上端部通过弹簧顶在偏心套筒的下端部，由于它们之中有一个旋转，一个不旋转，所以它们之间会发生相对滑动。因为偏心套筒的下端部不在一个平面上，而是有凸台和凹台，所以当它们之间发生滑动时，阀杆还会有上、下的轴向运动发生。当阀杆在凹台上时(由于凹台位于偏心套筒的薄边上，而薄边在井眼高边上，所以此时阀杆也在井眼高边上)，它在阀腔的上部，此时它会将小孔A堵住，不与阀腔连通，而让小孔B与阀腔连通。由于小孔B与钻铤体内腔连通，而钻铤体内腔的压力高于环空处的压力

6、，活塞杆就会在压差所产生的力的作用下伸岀钻铤体外，顶在井壁上，将钻头推向低边，实现降斜。当阀杆在凸台上时(由于凸台位于偏心套筒的厚边上，而厚边在井眼低边上，所以此时阀杆也在井眼低边上)，它在阀腔的下部，此时它会将小孔B堵住，不与阀腔连通，而让小孔A与阀腔连通由于小孔A与环空连通，所以此时活塞杆两面的压力相同，没冇液压力作用在它上面，所以不会产生增斜力。这样，当钻铤体每旋转I周，在井眼高边处就会有由液压力产生的降斜力作用在钻头上1次，将钻头推向井眼低边处。在这种周期性降斜力的作用下，井斜会很快被降下来，使井眼达到设计耍求。3.结构参数及计算方法液圧门动防斜钻具的结构参数包括钻铤体的内外径、钢球

7、的直径、偏心套筒的长度和偏心駅、偏心套筒与钻铤体之间的间隙、活塞的直径等，如何合理地设计这些参数是其能否成功的关键技术之一。其中偏心套筒的偏心量计算公式为。嗚(2)式中D—活塞直径，m;F—活塞顶出力，N；P——钻头压降，Pa。钻铤体的尺寸主要考虑强度的烫求，可从钻井手册中査取。備心套筒与钻铤体之间的间隙主耍考虑钻儉体在发生挠度变形后，与偏心套筒不可接触，可由文献[5]所提供的计算公式进行计算。结束语液压自