专利名称：一种机械式自动垂直钻具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钻探工艺用的钻具。
技术背景随着钻探工艺的发展，各种高垂直度要求的钻孔越来越多，而在 钻进过程中，由于钻进地层的复杂性和钻探机械、钻探工艺的自身原 因，钻孔弯曲几乎是不可避免的。我国在深孔和石油深井的垂钻过程中主要采用满眼钻具和钟摆 钻具被动防斜，但在复杂地层下，这两套方法很难达到既快又省的钻 出高垂直度钻孔的目标。中国石油勘探开发研究院钻井所设立了"自动垂直钻井工具的设 计和自动控制方法的研究"专项，设计了一种井下闭环自动垂直钻井 工具，该自动垂直钻井工具包含井下微处理器、井斜角测量传感器及 井下可控稳定器等，可控稳定器主要是由四个可独立伸縮的导向块所 组成。该系统中液压系统基本能保证纠斜的工作压力要求，但密封性 能不良。在这套液压系统中，目前是利用控制阀的位移来控制压力 的，由于空间和散热条件的限制，阀心的位移量较小，影响了高端压力的输出稳定性;电磁压力比例控制阀对油的清洁度要求较高，液压 油的污染物影响了阀的性能。
由山东煤炭地质局设立的"智能化自动垂直钻进系统"的研究方3案中由单片机、水平仪、推靠器组成,完成测斜及纠斜工作。推靠器以90°相间分布,单片机管理八个电磁节流阀以控制四个液压推靠器 工作。该系统中高压油的密封性能不良，钻具的振动对重力加速度计中国地质调查局设立的重点项目"微机自动控向垂钻系统"主 要包括发电机，电子控制装置，测斜仪，液压系统和支撑活塞。通过 磁悬浮式加速度计测斜，将侧斜结果传给电子控制装置，从而控制液 压系统实现对支撑活塞的控制。该系统也存在高压油的密封问题，同 时钻具的振动和转动将会严重影响加速度计的井斜测量结果。 发明内容针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够保 证垂直度的要求，且结构简单，成本低，对复杂地层的适应性强，效 率高的机械式自动垂直钻具。本发明解决其技术问题所采取的技术方案是 一种机械式自动垂 直钻具，包括内管和外管，所述内管下部连接有钻头，所述内管和外 管之间通过轴承连接，在所述外管和内管之间设有偏心块和外管腔 体，在所述外管腔体内设有偏心环和滚柱，所述滚柱位于偏心环内， 所述偏心块通过轴承安装在外管上，所述偏心块的空心部分与传动轴 连接，所述传动轴通过轴承穿过所述滚柱内，所述外管在环绕偏心环 的管壁上均匀设有开口，在每个开口处安装有径向伸縮件。所述的机械式自动垂直钻具，所述径向伸縮件所受孔壁作用力的 合力方向在滚柱所在位置的径向方向上，与钻具倾斜方向的低面方向 相同。所述的机械式自动垂直钻具，所述径向伸缩件为支撑爪或活塞。所述的机械式自动垂直钻具，所述径向伸縮件为三个，呈120度 分部在所述外管腔体的横向截面上。所述的机械式自动垂直钻具，所述滚柱可由凸轮代替。 所述的机械式自动垂直钻具，所述滚柱为至少一个。 所述的机械式自动垂直钻具，连接所述内管和外管之间的轴承为 两组， 一组设置在所述偏心块上部，另一组设置在所述外管腔体下部。 本发明的偏心块、滚柱、偏心环和支撑爪为四个设计的关键部分， 利用轴承实现旋转内管和不旋转外管的分离，通过轴承将偏心块固定 在不旋转的外管上，在偏心块空心部分中心点的下端是一根传动轴， 传动轴通过轴承与滚柱连接。滚柱和偏心环在由不旋转外管组成的腔 体内，偏心环在腔体内可以自由转动。滚柱一侧与偏心环接触，另一 侧与不旋转外管型成的腔体内侧接触，偏心环与支撑爪接触，根据偏 心块的偏心距和偏心重力作用，当钻具发生倾斜时，偏心块实体部分 会利用自身重心的调节，自动旋转到或趋近于倾斜方向的低面。当偏 心块自动旋转到或趋近于倾斜方向的低面的过程中，偏心块空心部分 会自动旋转到或趋近于倾斜方向的高面，同时会将偏心块自动调节所 产生的扭转力矩通过传动轴传递到滚柱上，实现滚柱与偏心块的空心 部分同歩旋转到或趋近于倾斜方向的高面。在滚柱的作用下，会迫使 偏心环不断地调整偏心位置，同时滚柱与偏心环之间的摩擦力所产生 的力矩会抵消偏心块所产生的扭转力矩。在偏心环不断地调整偏心位 置的同时，会产生对支撑爪的挤压，从而对支撑爪产生一个沿径向向 外的作用力，促使支撑爪伸出，作用到孔壁上，从而对孔壁产生径向推力。当孔壁承受支撑爪产生的推力时，会对支撑爪产生作用反力。 当支撑爪承受孔壁的作用反力时，会将力传递到偏心环上，偏心环再 将力传递到滚柱上，滚柱再将力传递到不旋转外管型成的腔体内侧， 从而将力传递到不旋转的外管上。当力传递到不旋转的外管上时，通 过内外管之间的轴承，再将力传递到内管上，从而将力作用在钻头上， 实现倾斜钻具的纠斜。本发明克服了现有垂直钻井工具所存在的问题，这种机械式自动 垂直钻具包括偏心块、滚柱、偏心环和支撑爪，不包含电磁测量部件， 不包括高压油系统，因而避免了井下钻具振动和转动对侧斜部件的影 响，避免了高压油系统的密封问题。该钻具结构简单、成本费用低， 依靠偏心块在钻具偏斜时重心位置的自动调节，从而实现对钻具的动 态纠斜，保证了垂直钻进的精度，同时该钻具对支撑爪进行了优化设 计，能够更好的适应复杂地层。
图1为本发明的结构原理图。图2为图的外管腔体部分的剖视图具体实施方式
如图1、 2所示，机械式自动垂直钻具，包括内管3和外管1， 内管3下部连接有钻头，在内管3和外管1之间设有轴承2和轴承9， 在轴承2和轴承9之间的内管和外管之间设有偏心块5和外管腔体7， 在外管腔体7内设有偏心环8和滚柱12，滚柱12位于偏心环8内， 偏心块5通过轴承4和轴承6与外管1连接，在偏心块5的空心部分 连接有传动轴10，传动轴10通过轴承11和14穿设在滚柱12内，在外管1环绕偏心环8的管壁上均匀开有三个开口，在每个开口内安装有套筒13，在套筒13内安装有径向伸縮的支撑爪15。在工作中，当钻具发生倾斜时，偏心块5实体部分会自动旋转到或趋近于倾斜方向的低面，此时偏心块5空心部分会自动旋转到或趋 近于倾斜方向的高面，同时将偏心块自动调节所产生的扭矩通过传动 轴10传递到滚柱12上，实现滚柱12与偏心块5的空心部分同歩旋 转到或趋近于倾斜方向的高面。在滚柱12的作用下，迫使偏心环8不断地调整偏心位置，同时 滚柱12与偏心环8之间的摩擦力所产生的力矩会抵消偏心块5所产 生的扭转力矩。在偏心环8不断调整偏心位置的同时，会挤压支撑爪15，从而 对支撑爪15产生一个沿径向向外的作用力，促使支撑爪15伸出，作 用到孔壁上，从而对孔壁产生径向推力。当孔壁承受支撑爪15产生的推力时，会对支撑爪15产生作用反 力。当支撑爪15承受孔壁的作用反力时，会将力传递到偏心环8上， 偏心环8再将力传递到滚柱12上，滚柱12再将力传递到不旋转外管 1型成的外管腔体7内侧，从而将力传递到不旋转的外管1上。当力传递到不旋转的外管1上时，通过内外管之间的轴承29， 再将力传递到内管3上，从而将力作用在钻头上，实现倾斜钻具的纠 斜。在本发明中，三个支撑爪所受孔壁作用力的合力方向在滚柱所在 位置的径向方向上，与钻具倾斜方向的低面方向相同，所以滚柱所在位置将影响纠斜的精度，即偏心块空心部分的中心点所在位置将影响 纠斜的精度，即偏心块实心部分的中心点所在位置将影响纠斜的精 度。通过受力分析已知，偏心块所产生的偏心力矩能够克服滚柱与偏 心环和不旋转外管腔体内侧之间产生的摩擦阻力矩，所以偏心块实心 部分的中心点会旋转到或趋近于倾斜方向的低面，保证了纠斜的精在本发明中，滚柱的设计可以通过凸轮或其他设计来实现。支撑 爪可有活塞来替代实现，可以有三个或多个。传递扭矩的滚柱也可以 为一个或多个。在本发明中，具有以下优点1、不包含电磁测量部件，不包括 高压油系统，因而避免了井下钻具振动和转动对侧斜部件的影响，避 免了高压油系统的密封问题。2、 该钻具结构简单、成本费用低。3、 该钻具依靠偏心块在钻具偏斜时重心位置的自动调节，通过 滚柱和偏心环实现力的准确传递，从而实现对钻具的动态纠斜，保证 了垂直钻进的精度。4、 该钻具对支撑抓进行了优化设计，能够更好的适应复杂地层。
权利要求
1. 一种机械式自动垂直钻具，包括内管和外管，所述内管下部连接有钻头，其特征在于所述内管和外管之间通过轴承连接，在所述外管和内管之间设有偏心块和外管腔体，在所述外管腔体内设有偏心环和滚柱，所述滚柱位于偏心环内，所述偏心块通过轴承安装在外管上，所述偏心块的空心部分与传动轴连接，所述传动轴通过轴承穿过所述滚柱内，所述外管在环绕偏心环的管壁上均匀设有开口，在每个开口处安装有径向伸缩件。
2、 根据权利要求1所述的机械式自动垂直钻具，其特征在于 所述径向伸縮件所受孔壁作用力的合力方向在滚柱所在位置的径向 方向上，与钻具倾斜方向的低面方向相同。
3、 根据权利要求1所述的机械式自动垂直钻具，其特征在于 所述径向伸縮件为支撑爪或活塞。
4、 根据权利要求1所述的机械式自动垂直钻具，其特征在于 所述径向伸縮件为三个，呈120度分部在所述外管腔体的横向截面 上。
5、 根据权利要求1所述的机械式自动垂直钻具，其特征在于 所述滚柱可由凸轮代替。
6、 根据权利要求1所述的机械式自动垂直钻具，其特征在于 所述滚柱为至少一个。
7、 根据权利要求1所述的机械式自动垂直钻具，其特征在于 连接所述内管和外管之间的轴承为两组， 一组设置在所述偏心块上 部，另一组设置在所述外管腔体下部。
全文摘要
本发明公开了一种机械式自动垂直钻具，包括内管和外管，所述内管下部连接有钻头，所述内管和外管之间通过轴承连接，在所述外管和内管之间设有偏心块和外管腔体，在所述外管腔体内设有偏心环和滚柱，所述滚柱位于偏心环内，所述偏心块通过轴承安装在外管上，所述偏心块的空心部分与传动轴连接，所述传动轴通过轴承穿过所述滚柱内，所述外管在环绕偏心环的管壁上均匀设有开口，在每个开口处安装有径向伸缩件。该钻具结构简单、成本费用低，依靠偏心块在钻具偏斜时重心位置的自动调节，从而实现对钻具的动态纠斜，保证了垂直钻进的精度，同时该钻具结构能够更好的适应复杂地层。
文档编号E21B7/04GK101250982SQ200810090628
公开日2008年8月27日 申请日期2008年4月2日 优先权日2008年4月2日
发明者刘宝林, 涛 宋, 李国民 申请人:刘宝林;宋 涛;李国民