本发明专利属于石油钻井机械领域，具体涉及一种液压变径稳定器。作为螺杆钻具滑动钻进辅助工具，液压变径稳定器用来消除螺杆钻具反扭角，解决定向井(或斜井)和水平井螺杆钻具滑动钻进定向困难，提高定向钻进机械钻速，降低定向钻进作业成本。
背景技术
在定向井(或斜井)和水平井钻井过程中，使用螺杆钻具定向钻进是调整井眼轨迹或改变井眼空间钻进方向的重要手段。定向钻进时，螺杆钻具不能旋转，必须向前滑动且通过螺杆钻具传动轴驱动钻头破岩钻进，因此，定向钻进也称为滑动钻进。滑动钻进时，当螺杆钻具传动轴驱动钻头破岩钻进时，螺杆钻具外壳反扭矩驱动螺杆钻具及上部钻具逆时针旋转直至反扭矩被井壁磨阻抵消为止，我们把螺杆钻具逆时针旋转角度称为螺杆钻具反扭角，因此，摆工具面时必须考虑螺杆钻具反扭角，或者说，实际工具面等于井眼高边、装置角与螺杆钻具反扭角三者之和。
在滑动钻进过程中，由于井眼轨迹、钻具组合、钻头类型及泥浆性能等因素影响，不同井眼或同一个井眼不同井段均存在不同程度定向困难，或者说，工具面不稳，严重影响滑动钻进作业效率和机械钻速。工具面不稳主要与螺杆钻具结构有关。对于某种规格型号螺杆钻具来说，当钻井液排量一定时，螺杆钻具输出功率是一个定值。滑动钻进时，如果均匀送钻，螺杆钻具输出扭矩相对稳定，反扭角基本不变，工具面就相对稳定；如果增加(或减少)钻压，螺杆钻具输出扭矩相应增加(或减少)，反扭角也相应增大(或减小)，工具面就相对不稳。
本发明专利提出了一种液压变径稳定器，通常安装在螺杆钻具和无磁钻具上部，滑动钻进时阻止螺杆钻具外壳反扭矩向上传递，消除螺杆钻具反扭角。没有螺杆钻具反扭角，工具面就不会因螺杆钻具反扭角变化而不稳，因此，液压变径稳定器可彻底解决螺杆钻具滑动钻进定向困难。
发明专利内容
本发明专利属于石油钻井机械领域，具体涉及一种液压变径稳定器。作为螺杆钻具滑动钻进辅助工具，液压变径稳定器用来消除螺杆钻具反扭角，解决定向井(或斜井)和水平井螺杆钻具滑动钻进定向困难，提高定向钻进机械钻速，降低定向钻进作业成本。
本发明专利采用的具体技术方案是：
液压变径稳定器主要由稳定器壳体、控制管、上密封座、压板、柱塞、中间翼板、顶部翼板、弹簧和下密封座组成。
稳定器壳体为中孔、直棱状、厚壁金属管。从内部来看，中孔中部直径相对较小，两端直径相对较大，用于安装上密封座和下密封座，控制钻井液压力传递。从外部来看，两端是螺纹，上端用于连接旋转滑动钻进工具，下端用于连接下部钻具，中部是扶正棱，扶正棱直径略小于井眼直径，扶正棱顶部镶嵌硬质合金块，扶正堎两端加工成倒角，扶正棱自外向内依次加工有压板轨道、翼板仓和柱塞缸。从附图1来看，每个扶正棱均加工三个柱塞缸，用于安装柱塞，具体应用中，根据不同井眼规范和翼板推力可设计加工一个柱塞缸，或两个柱塞缸，或四个柱塞缸，或多个柱塞缸，具体在设计加工时统筹考虑。从附图2来看，稳定器壳体周向均布加工三个扶正棱，具体应用中，根据不同井眼规范可设计加工四个扶正棱，或五个扶正棱，或多个扶正棱，具体在设计加工时统筹考虑。
控制管为中孔、厚壁金属管。控制管安装在旋转滑动钻进工具中传动轴下端，且随旋转滑动钻进工具中传动轴运动来控制钻井液压力传递，因此，附图1中绘制出控制管部分剖面。从内部来看，中孔直径相同，用于通过钻井液。从外部来看，上部直径相对较大，下部直径相对较小，且分别与上密封座和下密封座中孔直径相同。从附图1来看，控制管与上密封座和下密封座重叠段可称为控制管上密封段和控制管下密封段，且均未加工密封槽，无密封圈，具体应用中，控制管上密封段和上密封座、控制管下密封段和下密封座可按照偶件分别配套研磨密封，或者，控制管上密封段和控制管下密封段可设计加工多道、多种密封槽，安装多道密封圈或密封圈组合，具体在设计加工时统筹考虑。
上密封座为中孔、薄壁金属管。从内部来看，中孔直径与控制管上部外径相同。从外部来看，上部直径相对较大且为外螺纹，用于固定安装，下部直径相对较小，用于涂抹密封脂。从附图1来看，上密封座无密封槽，未安装密封圈，具体应用中，可在上密封座下部加工密封槽，或者，可在稳定器壳体中孔对应部位加工密封槽，具体在设计加工时统筹考虑。
压板为带燕尾状侧翼、顶部微凸、长方形金属薄板。顶部是沿长度方向凸圆弧面，圆弧面直径与扶正棱直径相同且略小于井眼直径，底部加工有弹簧槽，用于固定安装弹簧，两侧加工成燕尾状侧翼，且技术规范与扶正棱压板轨道相同，前端是平面，后端是倒角，且技术规范与扶正棱倒角相同。从附图1来看，压板通过螺钉固定安装在稳定器壳体上，具体应用中，压板首先通过燕尾状侧翼插进扶正棱压板轨道，再利用螺钉固定安装，螺钉孔可为圆柱状阶梯孔，可为圆柱状通孔，具体在设计加工时统筹考虑。
柱塞为实心、金属圆柱体，直径和高度均与柱塞缸相同。
中间翼板为圆弧角、长方形金属薄板。中部加工有螺钉孔，用于固定安装顶部翼板，两端加工有圆筒状弹簧座，用于固定安装弹簧，弹簧座深度与弹簧槽深度之和等于弹簧压缩剩余高度。
顶部翼板由翼板体、螺钉孔和板牙组成。翼板体是螺钉孔和板牙载体，为顶部微凸、长方形金属薄板，长度相对较大，宽度和高度相对较小。螺钉孔为翼板体上阶梯状圆柱孔，用来联结顶部翼板和中间翼板。板牙敷着在翼板体顶部且与翼板体为整体结构，板牙顶部为长方形平面，宽度极窄，形似刀刃，有利于板牙嵌进和切削井壁。
下密封座为中孔、薄壁金属管。从内部来看，中孔直径与控制管下部外径相同。从外部来看，上部直径相对较小，用于涂抹密封脂，下部直径相对较大且为外螺纹，用于固定安装。从附图1来看，下密封座无密封槽，未安装密封圈，具体应用中，可在下密封座上部加工密封槽，或者，可在稳定器壳体中孔对应部位加工密封槽，具体在设计加工时统筹考虑。
组装时，首先利用螺钉把顶部翼板和中间翼板联结成整体；然后，依次把柱塞、顶部翼板和中间翼板、弹簧安装进柱塞缸和翼板仓；再次，从扶正棱两端压板轨道插进压板，利用螺钉固定住压板，据此将全部柱塞、中间翼板、顶部翼板、弹簧和压板安装到扶正棱中；最后，固定安装下密封座和上密封座，把控制管安装到旋转滑动钻进工具中传动轴下端且插入稳定器壳体中孔内，连接好旋转滑动钻进工具和液压变径稳定器。组装环境和条件不同，液压变径稳定器组装顺序和方法可能不同，具体在组装时统筹考虑。
对于柱塞缸和柱塞来说，附图中柱塞缸和柱塞间无密封槽，未安装密封圈，具体应用中，柱塞缸和柱塞可按照偶件配套研磨密封，或者，可在柱塞缸或柱塞上加工密封槽，安装密封圈，具体在设计加工时统筹考虑；其次，附图中柱塞缸直接在稳定器壳体上加工而成，具体应用中，可先在稳定器壳体上加工出大直径柱塞缸座，再安装柱塞缸套和柱塞，便于维修和调整翼板推力，具体在设计加工时统筹考虑；再次，附图中柱塞上未加工泄压孔，可能导致柱塞缸内憋压，柱塞无法收回，具体应用中，柱塞上可加工泄压孔，或者，可安装泄压喷嘴，具体在设计加工时统筹考虑。
对于中间翼板来说，附图中中间翼板底部未加工泄流槽，如果柱塞上加工泄压孔或安装泄压喷嘴，那么，中间翼板底部沿长度方向须对应加工泄流槽且与弹簧座相通，确保柱塞缸内钻井液通过柱塞泄压孔、中间翼板泄流槽、顶部翼板和压板间缝隙溢出。
液压变径稳定器可简化成液压变径钻柱稳定器，主要由稳定器壳体、压板、柱塞、中间翼板、顶部翼板和弹簧组成，但是，需适当改进稳定器壳体、中间翼板和顶部翼板。首先，将稳定器壳体上端螺纹转换成可连接上部钻具螺纹，稳定器壳体中孔适当简化，无需安装上密封座和下密封座；其次，把顶部翼板板牙改进成圆弧面，镶嵌硬质合金块，提高耐磨性；最后，调整中间翼板和顶部翼板厚度，确保顶部翼板伸出最大直径为最佳稳定器直径。
本发明专利的有益效果是：在定向井(或斜井)和水平井钻井过程中，液压变径稳定器通常安装到螺杆钻具和无磁钻具(内置mwd/lwd仪器)上部。复合钻进时，控制管随旋转滑动钻进工具中传动轴下行，控制管上密封段和控制管下密封段分别进入上密封座和下密封座，钻井液经控制管中孔直接进入下部钻具，柱塞、中间翼板和顶部翼板未伸出，液压变径稳定器相当于钻柱稳定器。滑动钻进时，控制管随旋转滑动钻进工具中传动轴上行，控制管上密封段和控制管下密封段分别离开上密封座和下密封座，钻井液压力经控制管和稳定器壳体中孔间环空传递给柱塞，推动柱塞、中间翼板和顶部翼板伸出，顶部翼板板牙嵌进井壁，阻止螺杆钻具反扭矩向上传递，消除螺杆钻具反扭角，彻底解决螺杆钻具滑动钻进定向困难。
液压变径钻柱稳定器主要使用在大斜度定向井、超大位移定向井和水平井底部钻具组合中。在钻进过程中，钻井液压差推动柱塞、中间翼板和顶部翼板伸出，液压变径钻柱稳定器相当于普通钻柱稳定器，而且，经钻井工程师计算和调整的顶部翼板伸出直径为最佳稳定器直径，降低钻具磨阻，减少钻具托压。当液压变径钻柱稳定器起到地面后，根据顶部翼板磨损程度，通过调整中间翼板或更换顶部翼板，液压变径钻柱稳定器可重新入井使用，降低钻柱稳定器维修或购置成本。
附图说明
附图1是本发明专利液压变径稳定器的结构示意图。
附图标记说明：1-稳定器壳体、2-控制管、3-上密封座、4-压板、5-柱塞、6-中间翼板、7-顶部翼板、8-弹簧、9-下密封座。
附图2是本发明专利液压变径稳定器的a-a剖面图。
附图标记说明：1-稳定器壳体、2-控制管、5-柱塞、6-中间翼板、7-顶部翼板。
具体实施方式
液压变径稳定器主要由稳定器壳体(1)、控制管(2)、上密封座(3)、压板(4)、柱塞(5)、中间翼板(6)、顶部翼板(7)、弹簧(8)和下密封座(9)组成。
下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步说明。
稳定器壳体(1)为中孔、直棱状、厚壁金属管。从内部来看，中孔中部直径相对较小，两端直径相对较大，用于安装上密封座(3)和下密封座(9)，控制钻井液压力传递。从外部来看，两端是螺纹，上端用于连接旋转滑动钻进工具，下端用于连接下部钻具，中部是扶正棱，扶正棱直径略小于井眼直径，扶正棱顶部镶嵌硬质合金块，扶正堎两端加工成倒角，扶正棱自外向内依次加工有压板轨道、翼板仓和柱塞缸。从附图1来看，每个扶正棱均加工三个柱塞缸，用于安装柱塞(5)，具体应用中，根据不同井眼规范和翼板推力可设计加工一个柱塞缸，或两个柱塞缸，或四个柱塞缸，或多个柱塞缸，具体在设计加工时统筹考虑。从附图2来看，稳定器壳体(1)周向均布加工三个扶正棱，具体应用中，根据不同井眼规范可设计加工四个扶正棱，或五个扶正棱，或多个扶正棱，具体在设计加工时统筹考虑。
控制管(2)为中孔、厚壁金属管。控制管(2)安装在旋转滑动钻进工具中传动轴下端，且随旋转滑动钻进工具中传动轴运动来控制钻井液压力传递，因此，附图1中绘制出控制管(2)部分剖面。从内部来看，中孔直径相同，用于通过钻井液。从外部来看，上部直径相对较大，下部直径相对较小，且分别与上密封座(3)和下密封座(9)中孔直径相同。从附图1来看，控制管(2)与上密封座(3)和下密封座(9)重叠段可称为控制管上密封段和控制管下密封段，且均未加工密封槽，无密封圈，具体应用中，控制管上密封段和上密封座(3)、控制管下密封段和下密封座(9)可按照偶件分别配套研磨密封，或者，控制管上密封段和控制管下密封段可设计加工多道、多种密封槽，安装多道密封圈或密封圈组合，具体在设计加工时统筹考虑。
上密封座(3)为中孔、薄壁金属管。从内部来看，中孔直径与控制管(2)上部外径相同。从外部来看，上部直径相对较大且为外螺纹，用于固定安装，下部直径相对较小，用于涂抹密封脂。从附图1来看，上密封座(3)无密封槽，未安装密封圈，具体应用中，可在上密封座(3)下部加工密封槽，或者，可在稳定器壳体(1)中孔对应部位加工密封槽，具体在设计加工时统筹考虑。
压板(4)为带燕尾状侧翼、顶部微凸、长方形金属薄板。顶部是沿长度方向凸圆弧面，圆弧面直径与扶正棱直径相同且略小于井眼直径，底部加工有弹簧槽，用于固定安装弹簧(8)，两侧加工成燕尾状侧翼，且技术规范与扶正棱压板轨道相同，前端是平面，后端是倒角，且技术规范与扶正棱倒角相同。从附图1来看，压板(4)通过螺钉固定安装在稳定器壳体(1)上，具体应用中，压板(4)首先通过燕尾状侧翼插进扶正棱压板轨道，再利用螺钉固定安装，螺钉孔可为圆柱状阶梯孔，可为圆柱状通孔，具体在设计加工时统筹考虑。
柱塞(5)为实心、金属圆柱体，直径和高度均与柱塞缸相同。
中间翼板(6)为圆弧角、长方形金属薄板。中部加工有螺钉孔，用于固定安装顶部翼板(7)，两端加工有圆筒状弹簧座，用于固定安装弹簧(8)，弹簧座深度与弹簧槽深度之和等于弹簧(8)压缩剩余高度。
顶部翼板(7)由翼板体、螺钉孔和板牙组成。翼板体是螺钉孔和板牙载体，为顶部微凸、长方形金属薄板，长度相对较大，宽度和高度相对较小。螺钉孔为翼板体上阶梯状圆柱孔，用来联结顶部翼板(7)和中间翼板(6)。板牙敷着在翼板体顶部且与翼板体为整体结构，板牙顶部为长方形平面，宽度极窄，形似刀刃，有利于板牙嵌进和切削井壁。
下密封座(9)为中孔、薄壁金属管。从内部来看，中孔直径与控制管(2)下部外径相同。从外部来看，上部直径相对较小，用于涂抹密封脂，下部直径相对较大且为外螺纹，用于固定安装。从附图1来看，下密封座(9)无密封槽，未安装密封圈，具体应用中，可在下密封座(9)上部加工密封槽，或者，可在稳定器壳体(1)中孔对应部位加工密封槽，具体在设计加工时统筹考虑。
组装时，首先利用螺钉把顶部翼板(7)和中间翼板(6)联结成整体；然后，依次把柱塞(5)、中间翼板(6)和顶部翼板(7)、弹簧(8)安装进柱塞缸和翼板仓；再次，从扶正棱两端压板轨道插进压板(4)，利用螺钉固定住压板(4)，据此将全部柱塞(5)、中间翼板(6)、顶部翼板(7)、弹簧(8)和压板(4)安装到扶正棱中；最后，固定安装下密封座(9)和上密封座(3)，把控制管(2)安装到旋转滑动钻进工具中传动轴下端且插入稳定器壳体(1)中孔内，连接好旋转滑动钻进工具和液压变径稳定器。组装环境和条件不同，液压变径稳定器组装顺序和方法可能不同，具体在组装时统筹考虑。
对于柱塞缸和柱塞(5)来说，附图中柱塞缸和柱塞(5)间无密封槽，未安装密封圈，具体应用中，柱塞缸和柱塞(5)可按照偶件配套研磨密封，或者，可在柱塞缸或柱塞(5)上加工密封槽，安装密封圈，具体在设计加工时统筹考虑；其次，附图中柱塞缸直接在稳定器壳体(1)上加工而成，具体应用中，可先在稳定器壳体(1)上加工出大直径柱塞缸座，再安装柱塞缸套和柱塞(5)，便于维修和调整翼板推力，具体在设计加工时统筹考虑；再次，附图中柱塞(5)上未加工泄压孔，可能导致柱塞缸内憋压，柱塞(5)无法收回，具体应用中，柱塞(5)上可加工泄压孔，或者，可安装泄压喷嘴，具体在设计加工时统筹考虑。
对于中间翼板(6)来说，附图中中间翼板(6)底部未加工泄流槽，如果柱塞(5)上加工泄压孔或安装泄压喷嘴，那么，中间翼板(6)底部沿长度方向须对应加工泄流槽且与弹簧座相通，确保柱塞缸内钻井液通过柱塞泄压孔、中间翼板泄流槽、顶部翼板(7)和压板(4)间缝隙溢出。
液压变径稳定器可简化成液压变径钻柱稳定器，主要由稳定器壳体(1)、压板(4)、柱塞(5)、中间翼板(6)、顶部翼板(7)和弹簧(8)组成，但是，需适当改进稳定器壳体(1)、中间翼板(6)和顶部翼板(7)。首先，将稳定器壳体(1)上端螺纹转换成可连接上部钻具螺纹，稳定器壳体(1)中孔适当简化，无需安装上密封座(3)和下密封座(9)；其次，把顶部翼板(7)板牙改进成圆弧面，镶嵌硬质合金块，提高耐磨性；最后，调整中间翼板(6)和顶部翼板(7)厚度，确保顶部翼板(7)伸出最大直径为最佳稳定器直径。
实施例1
在定向井(或斜井)和水平井钻井过程中，液压变径稳定器通常安装到螺杆钻具和无磁钻具(内置mwd/lwd仪器)上部。
复合钻进时，控制管(2)随旋转滑动钻进工具中传动轴下行，控制管上密封段和控制管下密封段分别进入上密封座(3)和下密封座(9)，钻井液经控制管(2)中孔直接进入下部钻具，柱塞(5)、中间翼板(6)和顶部翼板(7)未伸出，液压变径稳定器相当于钻柱稳定器。滑动钻进时，控制管(2)随旋转滑动钻进工具中传动轴上行，控制管上密封段和控制管下密封段分别离开上密封座(3)和下密封座(9)，钻井液压力经控制管(2)和稳定器壳体(1)中孔间环空传递给柱塞(5)，推动柱塞(5)、中间翼板(6)和顶部翼板(7)伸出，顶部翼板板牙嵌进井壁，阻止螺杆钻具反扭矩向上传递，消除螺杆钻具反扭角，彻底解决螺杆钻具滑动钻进定向困难。
实施例2
液压变径钻柱稳定器主要使用在大斜度定向井、超大位移定向井和水平井底部钻具组合中。
在钻进过程中，钻井液压差推动柱塞(5)、中间翼板(6)和顶部翼板(7)伸出，液压变径钻柱稳定器相当于普通钻柱稳定器，而且，经钻井工程师计算和调整的顶部翼板(7)伸出直径为最佳稳定器直径，降低钻具磨阻，减少钻具托压。当液压变径钻柱稳定器起到地面后，根据顶部翼板(7)磨损程度，通过调整中间翼板(6)或更换顶部翼板(7)，液压变径钻柱稳定器可重新入井使用，降低钻柱稳定器维修或购置成本。
以上对本发明专利的说明仅是优选范例，并不能被理解为对本发明专利技术方案内容的限制。以上内容在具体应用中，技术人员有可能需要根据具体情况作个别调整和改变，所述调整和改变均应落入本发明专利所附权利要求的保护范围之中。