压力式变径稳定器的制作方法

本发明涉及石油钻井领域。更具体地说，本发明涉及一种压力式变径稳定器。

背景技术：

在定向井、水平井和大位移井钻井过程中，为确保实钻井眼轨迹满足设计井眼轨迹的要求，常使用常规稳定器，当需要调整实际井眼轨迹时，则需要通过频繁的起下钻来变更井下钻具组合。起钻改变钻具组合造成成本增加，钻井周期长，并容易造成遇阻和卡钻。

为了克服上述缺点，而研制和使用的变径稳定器，主要有三种：机电液一体式、钻压式和机液式。其中，机电液一体式制造成本高，价格昂贵。钻压式在下钻遇阻，需要加压划眼时，极为不便。

中国专利文献cn105275397a公开了一种“一种遥控可变径稳定器”，该稳定器主要由上壳体、压动活塞、上芯轴、弹簧、旋转棘轮、中芯轴、下壳体、斜面体、径向活塞、下芯轴、平衡活塞、闷头、上孔板、下孔板、蘑菇头、套筒、碟簧和转换接头等组成，通过第一次启动泵时流体使压动活塞带动上芯轴向下运动从而驱动变径机构执行变径操作使得径向活塞向外伸出，对应径向活塞的位置由旋转棘轮的凸楞侧壁和止滑面固定；当再次启动泵时，在弹簧恢复力的作用下凸楞滑入纵槽中，变径机构使径向活塞收缩。该类稳定器主要存在两个问题：一是该类稳定器在深井中没有状态信号或者该类稳定器的状态信号时有时无，不能有效确认稳定器的状态，有时不得不采取控制次数的方式辅助判断，证明该类具有的节流头的结构存在影响状态信号的因素；二是该类稳定器结构复杂、零部件繁多，导致可靠性差，易出现事故。

中国专利文献cn204851096u公开了一种“电控变径稳定器”，该变径稳定器电控变径稳定器由钻铤本体、控制模块、电池模块、伺服短节、扶正器组成，其控制模块、电池模块、伺服短节安装于钻铤本体内部，组成变径稳定器装置的控制机构，扶正器安装于钻铤本体下端，组成变径稳定器装置的执行机构。可通过地面开停泵来调解扶正器直径，不需要起钻就可实现钻具组合的改变。但是，仍存在一个技术问题，电机启动带动丝杆做轴向运动时，由于丝杆一端为常压，一端为高压，会产生“活塞效应”，丝杆需要克服强大的推力，才能控制钻铤本体上的流道开启和关闭，这样对电机的功率、电池的容量、关键零部件的强度都提出了极高要求。

中国专利文献cn101408093a公开了“一种用于气体钻井的变径稳定器”，该稳定器由上接体、稳定体、变径器、变径活塞、上卡盘、下卡盘、锁定套及下接体组成，利用钻压实现稳定器外径切换钻压控制是通过将钻头下放至井底，加上足够大的钻压从而使变径稳定器内部机构发生动作，导致外径发生变化。当钻压变小时，变径稳定器内的相应机构造成锁位，外径不会发生变化。每加一次控制钻压将产生一次外径变化。该类变径稳定器，存在一个问题，其在井下的状态无法判断，并且不能采取多次控制次数的方式辅助判断。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种压力式变径稳定器，不仅具有使稳定器变径以方便取下钻、减少卡钻现象的作用，还可以克服井下信号弱，脱离控制稳定器变径的缺陷，以及克服稳定器内外压力差而导致其变径时动力消耗过大的缺陷。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种压力式变径稳定器，包括：

壳体、设置在所述壳体内的中心管、设置在所述壳体侧壁上的多个安装孔，所述壳体与所述中心管形成的环形空间的两个端面封闭，所述中心管与钻铤连通；

变径机构，其包括多个变径活塞、和从上至下套设在所述中心管外部的多个楔块，所述楔块位于所述壳体内，且与所述环形空间的内壁密封滑动连接，所述楔块外圆周向间隔设有多个凹陷部，所述凹陷部与所述中心管轴线的距离从上至下依次减小，所述变径活塞一侧穿设在所述安装孔上、另一侧抵接在所述凹陷部，且抵接处沿所述中心管轴线的长度小于所述凹陷部的长度；

压力调节机构，其包括位于所述楔块上方设置在所述壳体内的调节仓、穿设在所述调节仓上的螺杆、连通所述中心管与所述调节仓的第一流道、连通位于所述楔块上方的环形空间与所述调节仓的第二流道、以及设置在所述螺杆外侧壁上的第一密封圈和第二密封圈，所述螺杆设置为：其旋转向下移动到终点时，所述第一密封圈与所述第一流道、所述第二流道均不接触，所述第二密封圈与所述第一流道、所述第二流道均不接触。

优选的是，还包括第三流道，其连通所述调节仓与所述壳体外部，所述螺杆设置为：其旋转向下移动到终点时，所述第二密封圈与所述第三流道接触并密封，以使所述第一流道与所述第二流道连通，其旋转向上移动至终点时，所述第二密封圈与所述第一流道接触并密封，且与所述第二流道、所述第三流道均不接触，所述第一密封圈与所述第二流道、所述第三流道均不接触，以使所述第二流道与所述第三流道连通。

优选的是，所述凹陷部沿所述楔块径向的截面呈类t字形，所述变径活塞与所述楔块抵触的端面设有与所述凹陷部匹配的凸出部，所述凹陷部与所述凸出部卡合，且可相对滑动。

优选的是，还包括：

推动活塞，其设置在位于所述楔块上方的环形空间内，所述推动活塞与所述环形空间的内壁密封滑动连接，所述推动活塞与所述楔块上端固接，且与其同轴设置。

优选的是，还包括：

弹簧，其设置在位于所述楔块下方的环形空间内，且与所述楔块同轴设置，所述弹簧上端与所述楔块抵接、下端通过一弹簧座固定在所述壳体上。

优选的是，还包括：

平衡活塞，其设置在位于所述弹簧下方的环形空间内，且与所述环形空间的内壁密封滑动连接；

过流道，其设置在所述壳体上，连通位于所述平衡活塞下方的环形空间与所述壳体外部，所述过流道内设有过滤片。

优选的是，还包括驱动机构，其设置在所述壳体内，且位于所述调节仓上方，所述驱动机构包括：

螺母，其与所述螺杆位于所述调节仓外部的一端螺纹连接；

电机，其与所述螺母平键连接，所述电机正转，以使所述螺母正转，所述螺杆向下移动，所述电机反转，以使所述螺母反转，所述螺杆向上移动；

电池，其给所述电机供电。

优选的是，还包括控制机构，其包括：

压力传感器，其设置在所述壳体内，以测定所述中心管的压力信号并输出；

电流传感器，其设置在所述壳体内，与所述电机电连接，测定所述电机的电流信号并输出；

控制器，其设置在所述壳体内，接收所述压力信号和所述电流信号，并计算时间间隔t内所述压力信号的平均值；

其中，当所述压力信号的平均值大于设定第一压力阈值时，所述控制器控制所述电机正转；

当所述压力信号的平均值小于设定的第二压力阈值时，所述控制器控制所述电机反转，所述第二压力阈值小于所述第一压力阈值；

当所述电流信号大于设定电流阈值时，所述控制器控制所述电池停止为所述电机供电。

优选的是，所述楔块的数量为4～6个，所述楔块上的凹陷部为3～5个，所述环形空间内填充有硅油。

优选的是，还包括保护机构，其包括：

三个过滤片，其分别设置在所述第一流道、所述第二流道、以及所述第三流道上。

本发明至少包括以下有益效果：

第一、将变径活塞顶出，实现稳定器的直径变大功能，变径活塞伸出后可以抵接在井壁上，取到扶正作用，减小钻柱扭矩，以防止憋跳，而损坏钻杆；

第二、由于在钻进过程中，井壁不规则，地层垮塌、缩径等现象，停钻上提过程中易刮消粘附滤饼、堆积沉砂，使滤饼粘附在稳定器上，发生拔活塞效应，严重时易造成阻卡，需震击处理，小井眼钻机负荷轻，事故较难处理，而本发明的变径稳定器，变径活塞完全缩回时，稳定器整体直径小于普通稳定器，使得其与井壁形成的环形空间体积增大，上返速度增大，滤饼排屑量加大，有利于钻具的取出，如果发生粘卡现象，可以开泵使变径活塞伸出，将附着在稳定器壳体上的土层顶出，解除粘卡现象；

第三、利用压力调节机构的作用，可以使得变径活塞伸出时利用压差作用，缩回时，消除压差作用，从而可以克服稳定器内外压力差而导致其变径时动力消耗过大的缺陷；

第四、利用控制机构，当启动钻井泵时，中心管内的压力必然增大，压力传感器可以实时监测到压力信号并输出此信号，而控制器可以根据设定的相关阈值，进行控制，关闭钻井泵时，中心管内压力必然减小，同样压力传感器可以实时监测到压力信号并输出此信号，控制器可以根据设定的相关阈值，进行控制，可以克服井内不方便手动控制电机的缺陷，而且并未使用通讯设备，不会受到井内信号弱而使控制失效。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的整体结构沿中心管中轴线的剖面示意图；

图2为本发明螺杆向下移动至终点时的调节仓的立体示意图；

图3为本发明螺杆向上移动至终点时的调节仓的立体示意图；

图4为楔块沿中心管轴线方向的截面图；

图5为变径活塞的立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1～5所示，本发明提供一种压力式变径稳定器，包括：

壳体1、设置在所述壳体1内的中心管2、设置在所述壳体1侧壁上的多个安装孔，所述壳体1与所述中心管2形成的环形空间的两个端面封闭，所述中心管2与钻铤连通；钻铤与钻头连通，稳定器伸入井中后，启动钻井泵钻头运行时，中心管2内压强猛增，与壳体1内环形空间形成巨大压强差；

变径机构，其包括多个变径活塞6、和从上至下套设在所述中心管2外部的多个楔块7，所述楔块7位于所述壳体1内，且与所述环形空间的内壁密封滑动连接，所述楔块7外圆周向间隔设有多个凹陷部71，所述凹陷部71与所述中心管2轴线的距离从上至下依次减小，所述变径活塞6一侧穿设在所述安装孔上、另一侧抵接在所述凹陷部71，且抵接处沿所述中心管2轴线的长度小于所述凹陷部71的长度，以使楔块7向下移动时，变径活塞6沿径向伸出，增大稳定器的直径；

压力调节机构，其包括位于所述楔块7上方设置在所述壳体1内的调节仓3、穿设在所述调节仓3上的螺杆41、连通所述中心管2与所述调节仓3的第一流道31、连通位于所述楔块7上方的环形空间与所述调节仓3的第二流道32、以及设置在所述螺杆41外侧壁上的第一密封圈42和第二密封圈43，所述螺杆41设置为：其旋转向下移动到终点时，如图2示出的，所述第一密封圈42与所述第一流道31、所述第二流道32均不接触，所述第二密封圈43与所述第一流道31、所述第二流道32均不接触，以使所述第一流道31与所述第二流道32连通，即中心管2、调节仓3、以及位于所述楔块7上方的环形空间均连通，使得调节仓3和位于所述楔块7上方的环形空间内的压强等于中心管2内的压强。

在上述技术方案中，稳定器与其它钻具连接组成完整的钻柱，在小井眼定向井的钻进过程中，开泵后中心管2内压强增大，即中心管2内的压强大于壳体1内环形空间的压强，将螺杆41旋转向下移动至终点时，第一密封圈42、第二密封圈43均不密封第一流道31和第二流道32，使得所述第一流道31与所述第二流道32连通，即中心管2、调节仓3、以及位于楔块7上方的环形空间均连通，使得位于楔块7上方的环形空间内的压强等于中心管2内的压强，大于位于楔块7下方的环形空间内的压强，楔块7上端和下端受到的压强差巨大，从而压迫楔块7向下移动，由于楔块7与变径活塞6的抵触面从上至下是依次靠近中心管2的中轴线距离的，所以楔块7向下移动时可以将变径活塞6顶出，实现稳定器的直径变大功能；变径活塞6伸出后可以抵接在井壁上，取到扶正作用，减小钻柱扭矩，以防止憋跳，而损坏钻杆。

驱动螺杆41上下移动的方式有很多种，比如将螺杆41与油缸连接，油缸驱动螺杆41向下或向上移动；比如螺杆41为滚珠丝杆，滚珠丝杆上的丝杆螺母与电机连接，电机驱动丝杆螺母转动，使得滚珠丝杆向上或向下移动。

在另一种技术方案中，还包括第三流道33，其连通所述调节仓3与所述壳体1外部，所述螺杆41设置为：其旋转向下移动到终点时，如图2示出的，所述第二密封圈43与所述第三流道33接触并密封，以使所述第一流道31与所述第二流道32连通，其旋转向上移动至终点时，所述第二密封圈43与所述第一流道31接触并密封，且与所述第二流道32、所述第三流道33均不接触，所述第一密封圈42与所述第二流道32、所述第三流道33均不接触，以使所述第二流道32与所述第三流道33连通。

在上述技术方案中，启动钻井泵后，螺杆41旋转向下移动到终点时，如图2示出的第二密封圈43密封第三流道33，使得第一流道31和第二流道32连通，即中心管2、调节仓3、以及位于楔块7上方的环形空间连通，与壳体1外部不连通，使得位于楔块7上方的环形空间内的压强等于中心管2内的压强，大于位于楔块7下方的环形空间内的压强，楔块7上端和下端受到的压强差巨大，从而压迫楔块7向下移动，将变径活塞6顶出，实现稳定器的直径变大功能；

关闭钻井泵后，中心管2内压强变小，调节仓3和位于楔块7上方的环形空间的压强均变小，但仍大于壳体1外部的空间的压强，此压强差通常大于2mpa，因此楔块7上向移动的距离有限，不能使变径活塞6完全缩回，而将螺杆41旋转向上移动到终点时，如图3示出的，第二密封圈43密封第一流道31，第二流道32与第三流道33连通，使得调节仓3和位于楔块7上方的环形空间与中心管2不连通，而是通过第三流道33与壳体1外部连通，可以使调节仓3和位于楔块7上方的环形空间的压强等于壳体1外部的压强，楔块7可以向上移动回到初始位置，变径活塞6完全缩回，实现稳定器直径变小功能；

由于在钻进过程中，井壁不规则，地层垮塌、缩径等现象，上提过程中易刮消粘附滤饼、堆积沉砂，使滤饼粘附在稳定器上，发生拔活塞效应，严重时易造成阻卡，需震击处理，小井眼钻机负荷轻，事故较难处理，而本发明的变径稳定器，变径活塞6完全缩进时，稳定器整体直径小于普通稳定器，使得其与井壁形成的环形空间体积增大，上返速度增大，滤饼排屑量加大，有利于钻具的取出，如果发生粘卡现象，可以开泵使变径活塞6伸出，将附着在稳定器壳体1上土层顶出，解除粘卡现象。

在另一种技术方案中，所述凹陷部71沿所述楔块7径向的截面呈类t字形，所述变径活塞6与所述楔块7抵触的端面设有与所述凹陷部71匹配的凸出部61，所述凹陷部71与所述凸出部61卡合，且可相对滑动。凹陷部71呈类t字形，可以使得楔块7向上移动时，将变径活塞6拉回原位，使其复位更可靠，变径活塞6与楔块7接触更紧密。

在另一种技术方案中，还包括：

推动活塞9，其设置在位于所述楔块7上方的环形空间内，所述推动活塞9与所述环形空间的内壁密封滑动连接，所述推动活塞9与所述楔块7上端固接，且与其同轴设置。可以使位于楔块7上方的环形空间密封更可靠，进而使得楔块7移动更顺利。

在另一种技术方案中，还包括：

弹簧8，其设置在位于所述楔块7下方的环形空间内，且与所述楔块7同轴设置，所述弹簧8上端与所述楔块7抵接、下端通过一弹簧8座固定在所述壳体1上。可以使得楔块7向下移动时，需要克服弹簧8的作用力向下，从而使得变径过程更加平缓，减少稳定器的晃动，从而减小钻柱晃动，进而使定向井轨迹更规则，楔块7向上移动时，弹簧8储存的形变力可以协助楔块7向上移动，帮助变径活塞6的缩回。

在另一种技术方案中，还包括：

平衡活塞5，其设置在位于所述弹簧8下方的环形空间内，且与所述环形空间的内壁密封滑动连接；

过流道51，其设置在所述壳体1上，连通位于所述平衡活塞5下方的环形空间与所述壳体1外部，所述过流道51内设有过滤片。可以使位于楔块7下方的环形空间与壳体1外部连接，从而使其内部压强始终与壳体1外部相同，有利于楔块7的向下移动，同时由平衡活塞5的作用，使得楔块7移动更加缓和，进一步减少稳定器变径时的晃动，同时，由于壳体1外部存在泥沙，设置过滤片，可以防止泥沙进入位于楔块7下方的环形空间内而影响平衡活塞5滑动。

在另一种技术方案中，还包括驱动机构10，其设置在所述壳体1内，且位于所述调节仓3上方，所述驱动机构10包括：

螺母，其与所述螺杆41位于所述调节仓3外部的一端螺纹连接；

电机，其与所述螺母平键连接，所述电机正转，以使所述螺母正转，所述螺杆41向下移动，所述电机反转，以使所述螺母反转，所述螺杆41向上移动；

电池，其给所述电机供电。使螺杆41的向下和向上移动更可靠。

在另一种技术方案中，还包括控制机构11，其包括：

压力传感器，其设置在所述壳体1内，以测定所述中心管2的压力信号并输出；

电流传感器，其设置在所述壳体1内，与所述电机电连接，测定所述电机的电流信号并输出；

控制器，其设置在所述壳体1内，接收所述压力信号和所述电流信号，并计算时间间隔t内所述压力信号的平均值；

其中，当所述压力信号的平均值大于设定第一压力阈值时，所述控制器控制所述电机正转；

当所述压力信号的平均值小于设定的第二压力阈值时，所述控制器控制所述电机反转，所述第二压力阈值小于所述第一压力阈值；

当所述电流信号大于设定电流阈值时，所述控制器控制所述电池停止为所述电机供电。

在上述技术方案中，当启动钻井泵时，中心管2内的压力必然增大，压力传感器可以实时监测到并输出此信号，而控制器可以根据设定的相关阈值，进行控制，关闭钻井泵时，中心管2内压力必然减小，同样压力传感器可以实时监测到并输出此信号，控制器可以根据设定的相关阈值，进行控制，可以克服井内不方便手动控制电机的缺陷，而且不需要通讯设备即可控制，不会受到井内信号弱而影响控制的有效性。

在另一种技术方案中，所述楔块7的数量为4～6个，所述楔块7上的凹陷部71为3～5个，所述环形空间内填充有硅油。设置多个楔块7方便楔块7与变径活塞6之间安装时的卡合，降低安装难度，在一个楔块7上设置多个凹陷部71，可以使变径活塞6从多方向伸出，并于井壁抵接，有利于稳定器对整个钻柱的扶正作用，即稳定作用，在环形空间内填充硅油，可以减小推动活塞9、楔块7、以及平衡活塞5滑动时的摩擦力，延长使用寿命。

在另一种技术方案中，还包括保护机构，其包括：

三个过滤片，其分别设置在所述第一流道31、所述第二流道32、以及所述第三流道33上。可以避免壳体1外部的泥沙进入到调节仓3和位于楔块7上方的环形空间内，防止堵塞第一流道31、第二流道32、或第三流道33。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。