井下防卡滑装置的制作方法

1.本发明涉及石油钻井领域的一种井下钻井工具，尤其是一种井下防卡滑装置。


背景技术：

2.在石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探的过程中，深井、超深井、大斜度井、大位移井等复杂结构井应用越来越广泛，对于钻井工艺技术提出了更高的要求。在钻井过程中，由于pdc钻头具有长寿命、钻速高的优点而大范围使用。
3.目前全世界钻井行业底部钻具中pdc 动力马达的底部钻具组合已经成了钻井的标配，但是由于pdc钻头固有的破岩机理决定了在钻进各种复杂地层，大位移定向井、长水平段水平井时容易发生瞬时卡滑失速现象，进而使动力马达发生制动，尤其在钻进大位移井、水平井、长稳斜段定向井和软地层井段的定向滑动钻进过程中，此时钻具不旋转只进行滑动钻进，钻具与井眼之间的摩阻大大增加，上部井眼中的钻具因井眼不规则不平滑，很容易发生曲屈，钻具在井眼中出现托压现象，同时钻具中扶正器和动力马达的上的扶正器也会在钻具滑动钻进中产生因摩阻大产生托压现象，当地面司钻继续加压的过程中托压瞬时释放，造成累积的的大钻突然传递到pdc钻头上，pdc钻头瞬时承受过大钻压而压入地层太深，吃入过多而造成螺杆钻具制动，这些制动产生地面泵压升高钻进工作无法继续进行、并且对井下钻具和地面管路、及泵等设备造成很大的过载损伤，同时也大大降低了pdc钻头的寿命，目前现场操作人员应对的方式只有关掉地面泥浆泵后上提钻具，然后再打开泥浆泵并大幅度上下活动钻具，直到井眼钻具畅通后才能继续钻进，但是在复杂结构井井眼轨道调整的滑动钻进中卡滑失速现象仍旧会频繁发生，占用了大量钻井时间，甚至三分之二时间都在处理卡滑现象，当出现这种情况时泵压瞬时升高到极限憋压，机泵经常受损严重，频繁修泵占用大量时间，大大降低了钻井速度，从而造成钻井成本增加，且对钻井设备造成了过载损害。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了减轻或者消除pdc钻头发生卡滑失速的影响，提高钻井速度，降低施工综合成本，为石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探的现场提供减轻或者消除pdc钻头产生卡滑和制动的影响的井下防卡滑装置。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种井下防卡滑装置，包括外壳体、芯轴、弹簧、扭转弹簧和下端盖；其中：所述外壳体上部设有上接头，下端与下端盖封堵连接配合，中段内壁设有环状凸起，形成上下两段环形凹槽，在中段环状凸起内壁设有外壳体花键，在上段环形凹槽壁上设有径向外通孔；所述芯轴安装在外壳体内，外壁沿轴向间隔设有上中下三段环形凸起，三段环形凸起外边缘均与外壳体内壁构成轴向滑动密封配合，上中两段环形凸起设置在外壳体上段环形凹槽内，并且分别置于径向外通孔的上、下方，下段环形凸起设置在外壳体下段环形凹槽
内，在芯轴下段环形凸起下方管壁上设有径向内通孔，在芯轴中下两段环形凸起之间的外壁上设有与外壳体中段环状凸起内壁设有的外壳体花键构成轴向滑动、周向限位配合，芯轴下端设有下接头；所述弹簧设置在芯轴上段环形凸起与外壳体上段环形凹槽内，并与芯轴上段环形凸起和外壳体上段环形凹槽构成挤压配合；所述扭转弹簧设置在芯轴下段环形凸起与外壳体下段环形凹槽内，并与芯轴下段环形凸起和外壳体下段环形凹槽构成挤压配合。
6.另一种井下防卡滑装置，包括外壳体、芯轴、弹簧、扭转弹簧和下端盖；其中：所述外壳体上部设有上接头，下端与下端盖封堵连接配合，中段内壁设有环状凸起，形成上下两段环形凹槽，在中段环状凸起内壁设有外壳体花键，在上段环形凹槽壁上设有径向外通孔；所述芯轴安装在外壳体内，外壁沿轴向间隔设有中下两段环形凸起，两段环形凸起外边缘均与外壳体内壁构成轴向滑动密封配合，中段环形凸起设置在外壳体上段环形凹槽内，并且置于径向外通孔的下方，下段环形凸起设置在外壳体下段环形凹槽内，在芯轴下段环形凸起下方管壁上设有径向内通孔，在芯轴中、下段环形凸起之间的外壁上设有与外壳体中段环状凸起内壁设有的外壳体花键构成轴向滑动、周向限位配合，芯轴下端设有下接头；所述弹簧设置在芯轴中段环形凸起与外壳体上段环形凹槽内，并与芯轴中段环形凸起和外壳体上段环形凹槽构成挤压配合；所述扭转弹簧设置在芯轴下段环形凸起与外壳体下段环形凹槽内，并与芯轴下段环形凸起和外壳体下段环形凹槽构成挤压配合。
7.上述方案进一步包括：所述弹簧为碟簧。芯轴上部与外壳体相接触部位安装有密封ⅰ，芯轴环形凸起外边缘均与外壳体内壁相接触部位安装有密封ⅱ，芯轴下部凸缘与外壳体下端盖之间装有密封ⅲ。
8.井下防卡滑装置安装在动力马达与钻柱中间，当正常钻进时，泥浆动力马达驱动pdc钻头旋转钻进，由于pdc钻头固有的剪切破岩机理决定了在滑动钻进各种复杂地层时容易发生瞬时卡滑，进而使动力马达发生制动，随着现在深井和复杂结构井开发越来越多，勘探开发钻井中卡滑失速现象越来越多，这种现象直接影响钻头、地面机泵的寿命，延长钻井时间，制衡钻井效率，如果开始发生卡滑现象时能及时把钻头提离井底就会避免此现象的发生。
9.本发明中，正常钻进时，外壳体与芯轴之间通过内外花键啮合传递转盘扭矩，钻压通过压缩芯轴上部的碟簧传递到芯轴然后施加到钻头上，外壳体和芯轴之间有两个腔室，当pdc钻头刚吃入地层过多时，pdc钻头发生卡滑，会造成马达憋压升高，钻具反扭矩增大，此时下腔室的压力大于上腔室压力，同时芯轴下部的扭力弹簧受到反扭力作用在芯轴上，这两种力同时克服上部钻具施加给芯轴的弹簧力，使得上部碟簧压缩，把钻头瞬时提离井底，释放了制动失速造成的芯轴上的大反扭力和下部腔室的高压力，消除了钻头产生卡滑失速现象，一旦钻头上提，达到其合理剪切量时钻具内的流体恢复到了正常压力，防卡滑工具上下腔室压力达到了平衡，在钻压的作用下，芯轴下行，传递钻压到钻头，继续正常钻进。防止了因产生卡滑失速而终止钻进的现象，有效防止了钻头、地面机泵和管线和过载现象，
保护了钻头、地面机泵和管线的寿命，达到提高钻井施工效率，降低钻井综合成本的目的。
10.本发明在满足钻井安全的前提下，在井下安装可减轻或者消除pdc钻头产生卡滑和制动的井下防卡滑装置，能够有效降低或消除钻进过程中产生的卡滑效应，对于大位移井、水平井、长稳斜段定向井及复杂结构井的钻井速度有很大的现实意义。与现有技术相比，本发明的有益效果是：有效防止钻头、地面机泵和管线和过载现象，保护钻头、地面机泵和管线的寿命，达到提高钻井施工效率，降低钻井综合成本。同时，该发明工具还具有结构简单、便于安装、安全可靠的优点。
附图说明
11.图1为本发明的井下防卡滑装置的安放位置示意图。
12.图2为本发明的井下防卡滑装置工作姿态时的结构剖视图。
13.图3是图2中a处局部斜视图。
14.图中：1.上部钻柱，2.井下防卡滑装置，3.动力马达，4.钻头，5.外壳体，6.密封ⅰ，7.芯轴，8.弹簧，9.密封ⅱ，10.外通孔，11.外壳体花键，12.芯轴花键，13.扭转弹簧，14.芯轴内通孔，15.下端盖，16.密封ⅲ，17.上腔室，18.下腔室。
具体实施方式
15.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
16.实施例1一种井下防卡滑装置，包括外壳体5、芯轴7、弹簧8、扭转弹簧13和下端盖15；其中：所述外壳体5上部设有上接头，下端与下端盖15封堵连接配合，中段内壁设有环状凸起，形成上下两段环形凹槽，在中段环状凸起内壁设有外壳体花键11，在上段环形凹槽壁上设有径向外通孔10；所述芯轴7安装在外壳体5内，外壁沿轴向间隔设有上中下三段环形凸起，三段环形凸起外边缘均与外壳体5内壁构成轴向滑动密封配合，上中两段环形凸起设置在外壳体5上段环形凹槽内，并且分别置于径向外通孔10的上、下方，下段环形凸起设置在外壳体5下段环形凹槽内，在芯轴7下段环形凸起下方管壁上设有径向内通孔14，在芯轴7中下两段环形凸起之间的外壁上设有与外壳体5中段环状凸起内壁设有的外壳体花键11构成轴向滑动、周向限位配合，芯轴7下端设有下接头；所述弹簧8设置在芯轴7上段环形凸起与外壳体5上段环形凹槽内，并与芯轴7上段环形凸起和外壳体5上段环形凹槽构成挤压配合；所述扭转弹簧13设置在芯轴7下段环形凸起与外壳体5下段环形凹槽内，并与芯轴7下段环形凸起和外壳体5下段环形凹槽构成挤压配合。
17.实施例2一种井下防卡滑装置，包括外壳体5、芯轴7、弹簧8、扭转弹簧13和下端盖15；其中：所述外壳体5上部设有上接头，下端与下端盖15封堵连接配合，中段内壁设有环状凸起，形成上下两段环形凹槽，在中段环状凸起内壁设有外壳体花键11，在上段环形凹槽壁上设有径向外通孔10；所述芯轴7安装在外壳体5内，外壁沿轴向间隔设有中下两段环形凸起，两段环形凸起
外边缘均与外壳体5内壁构成轴向滑动密封配合，中段环形凸起设置在外壳体5上段环形凹槽内，并且置于径向外通孔10的下方，下段环形凸起设置在外壳体5下段环形凹槽内，在芯轴7下段环形凸起下方管壁上设有径向内通孔14，在芯轴7中、下段环形凸起之间的外壁上设有与外壳体5中段环状凸起内壁设有的外壳体花键11构成轴向滑动、周向限位配合，芯轴7下端设有下接头；所述弹簧8设置在芯轴7中段环形凸起与外壳体5上段环形凹槽内，并与芯轴7中段环形凸起和外壳体5上段环形凹槽构成挤压配合；所述扭转弹簧13设置在芯轴7下段环形凸起与外壳体5下段环形凹槽内，并与芯轴7下段环形凸起和外壳体5下段环形凹槽构成挤压配合。
18.实施例3在实施例1或2的基础上，进一步包括：所述弹簧8为碟簧。芯轴7上部与外壳体5相接触部位安装有密封ⅰ6，芯轴7环形凸起外边缘均与外壳体5内壁相接触部位安装有密封ⅱ9，芯轴7下部凸缘与外壳体5下端盖15之间装有密封ⅲ16。
19.实施例4参照附图1，实际工作中，井下防卡滑装置2安装在上部钻柱1和底部动力马达3中间。
20.参照附图2，芯轴7安装在外壳体5内，芯轴7上部凸缘与外壳体1形成的封闭腔室内安装弹簧8，弹簧8为碟簧。外壳体5下部安装有下端盖15，外壳体5、下端盖15和芯轴7形成的封闭腔室内安装有扭力弹簧13，扭力弹簧13安装在芯轴7的凸缘和下端盖15的凸缘之间。外壳体5内部安装有外壳体花键11，芯轴7上安装有芯轴花键12，外壳体5通过外壳体花键11和芯轴花键12与芯轴7构成花键配合。
21.外壳体5、芯轴7之间有上腔室17和下腔室18，外壳体5和上腔室17的凸缘构成上腔室17，在上腔室17对应的外壳体5上部管壁上设置有径向外通孔10。下端盖15、外壳体5和上腔室17的凸缘构成下腔室18，在下腔室18对应的芯轴7下部管壁上设置有径向内通孔14。
22.芯轴7上部与外壳体5之间安装有密封ⅰ6，芯轴7与外壳体5安装有密封ⅱ9来分割上腔室17和下腔室18，芯轴7凸缘与外壳体5相接触部位安装有密封ⅱ9，芯轴7下部凸缘与外壳体5下部之间装有密封ⅲ16。
23.参照附图1至3，井下防卡滑装置安装在动力马达3与上部钻柱1之间。当正常开泵钻进时，井下防卡滑装置相当于一个普通的钻具短节，外壳体5与芯轴7之间通过内外花键啮合传递转盘扭矩，钻压通过芯轴7上部的预压弹簧8传递到芯轴7然后施加到钻头4上，实现正常的钻进工作。
24.正常情况下，弹簧8提前设定有预紧压力，当pdc钻头4在钻进大位移定向井、深水平井、复杂结构井的轨迹调整时，此时钻具不旋转只进行滑动钻进，钻具与井眼之间的摩阻大大增加，井眼中的上部钻柱1因井眼不规则不平滑，很容易发生曲屈，同时下部钻柱中的动力马达3上的扶正器也可能产生托压，致使钻压无法传递到钻头4上，此时钻头4发生空转。随着上部钻压的继续加大，转柱瞬时克服了与井眼之间的摩擦阻力，而将上部钻柱1累积的大钻压瞬间传递到钻头4上，使得pdc钻头4立即承受超过正常的剪切量，pdc钻头4承受更大的扭矩。根据作用力与反作用力相等原理，同时pdc钻头4会传递同样更大的反扭力到芯轴7上，进而作用在预压缩的扭力弹簧13上，扭力弹簧13上受到反扭力的作用，同时动力马达3因pdc钻头4吃入过量而制动造成井下防卡滑装置中下腔室压力升高而大于上腔室压
力，二者同时作用向上的力超过扭力弹簧13预紧力而推动芯轴7上行压缩上部弹簧8，芯轴7的向上运动，降低了钻头吃入量，甚至可以将钻头迅速提离井底，及时消除pdc钻头4的卡滑效应，从而可以使pdc钻头4及时恢复正常工作。
25.常规定向滑动钻进时，pdc钻头4上因剪切量变化产生的反扭矩变化较大，导致工具面控制不稳，影响了钻进的连续性和速度。在普通的旋转钻进和定向滑动钻进时中，因地层变化，或者司钻加压不稳定使得pdc钻头4瞬时剪切量变化较大，pdc钻头4上产生的反扭矩变化也较大，虽然不至于产生严重的卡滑而憋泵，但是会产生很大的钻头振动，影响了钻进的连续性和速度，还会对钻头寿命产生影响，加入井下防卡滑装置后，当pdc钻头4剪切量瞬时过大时井下防卡滑装置芯轴上的反扭力和下腔室压力升高都能及时消除pdc过载、振动现象发生，可有效控制pdc钻头4过载和振动，并且还能在定向过程中更好的保证底部钻具工具面的稳定。