一种用于井眼轨迹控制的可变径稳定器

1.本发明涉及一种冲击装置，特别是一种用于井眼轨迹控制的可变径稳定器，属于机械工程或钻井工程技术领域。


背景技术：

2.在直井钻井过程中，受地层不均质以及钻柱振动等特性影响，井眼易出现井斜，因此需要控制井斜。在定向井、大位移井或水平井钻井过程中，为实现钻达油层目标，需要增大井斜或降低井斜等相结合。为达到控制井眼轨迹的目的，钻井现场采用在钻柱中安装稳定器，结合钻头和钻杆等形成不同类型下部钻具组合来实现。
3.为实现井眼轨迹的增斜、降斜和稳斜，常通过结合稳定器的数量和安装位置来改变下部钻具组合。然而，在现有技术中，下部钻具结构的变化往往通过将钻柱起出井眼，在更换钻具后重新下入井内，造成非生产时间长，钻井效率低。现有技术也有可变径稳定器，例如钻压式、液压式和投球式，但不同类型的可变径稳定器在结构、效率和适用性上仍存在各自问题。对此，需要设计种专用的井眼轨迹控制的可变径稳定器，使得稳定器在井下可实现多级变径且变径过程中无需起下钻即可实现。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于井眼轨迹控制的可变径稳定器，从而实现不起下钻便可通过改变下部钻具组合进行井眼轨迹控制，有效提高钻井效率。
5.为达到上述目的，本发明解决此技术问题采用的技术方案是：
6.一种用于井眼轨迹控制的可变径稳定器，其特征在于，包括本体、上芯轴、行程控制块、下芯轴和钩座，所述本体为中空圆筒状，所述上芯轴与行程控制块、行程控制块与下芯轴均通过螺纹连接，由所述上芯轴、行程控制块和下芯轴组成的柱状组件设于本体内且与本体同轴，所述钩座通过销钉安装于本体内，受销钉限制的钩座可相对本体转动但无法沿相对本体轴向移动，所述行程控制块和钩座间设有锁钩，所述锁钩包括旋转铰、钩杆和嵌入头，所述旋转铰的通过销轴铰接于钩座上。
7.所述上芯轴、行程控制块和下芯轴均为圆柱状且均设有中空流道用于流通钻井液，所述上芯轴的上端外径大于下端外径从而形成台阶，所述本体的上端设有弹簧座，在所述上芯轴的台阶与弹簧座的上端间复位弹簧，上芯轴的上端通过螺纹连接的方式设有驱动套。
8.所述行程控制块的一侧设有与行程块纵平面，所述行程块纵平面与行程控制块的轴线平行，所述行程块纵平面上设有行程控制槽，所述嵌入头在行程控制槽内滑动，所述行程控制槽内设有收缩位置、一级变径位置、一级锁定位置、二级变径位置，从所述收缩位置到一级变径位置、一级变径位置到一级锁定位置、一级锁定位置到二级变径位置、二级变径位置到收缩位置路径上均设有斜坡，所述行程控制槽除路径上设置的斜坡外为深度相同的槽底平面，所述斜坡的末端为与槽底垂直的平面从而形成止逆台阶用于防止嵌入头倒滑。
9.所述行程控制块上还设有行程块油孔，所述行程块油孔与行程控制块轴线平行并贯穿行程控制块，所述行程控制块的上下两端分别设有上内螺纹和下内螺纹，所述上内螺纹与上芯轴的下端通过螺纹连接，所述下内螺纹与下芯轴的上端通过螺纹连接。
10.所述钩座上设有定位槽、凸耳、钩座油孔和销轴孔，所述定位槽为位于钩座外围的环形槽，所述钩座通过销钉安装于本体内，所述凸耳用于与旋转铰通过销轴连接，所述钩座油孔平行于钩座轴线用作为钩座上下两端润滑油的流动通道，所述销轴孔设于凸耳上用于安装销轴。
11.在所述旋转铰与每片凸耳间设置橡胶垫块，所述销轴穿过凸耳、橡胶垫块和旋转铰。
12.所述上芯轴中部设有台阶，在上芯轴中部的台阶与行程控制块间设有多个楔块，每个楔块均与三个扶正块配合，所述扶正块穿过本体中部的径向孔，当楔块沿本体轴向移动时扶正块同步在径向孔内运动。
13.所述楔块整体呈圆柱状且设有中间通孔用于上芯轴穿过，每个楔块设有三个斜平面，在每个斜平面上设有燕尾槽或t形槽；所述扶正块的一端设有与燕尾槽或t形槽配合的凸块；扶正块的凸块与楔块斜平面上的燕尾槽或t形槽配合，使得当楔块轴向移动时，扶正块实现径向运动。
14.所述节流套筒安装于本体下端且其内壁设有纵向槽，所述节流杆的叶片嵌入节流套的纵向槽内，所述节流杆上设有多个轴向流道且节流杆的中间呈圆锥状，所述节流杆上端与下芯轴的下端配合形成节流单元。
15.所述下芯轴下端与本体内壁间设有游动活塞和内外流隔离板。
16.所述本体的上端通过螺纹连接形式与上接头连接，本体的下端通过螺纹连接形式与下接头连接。
17.所述驱动套的上端设有螺柱盲孔，用于安装或拆卸时使用工具将上芯轴及其连接件送入本体内或从本体内取出。
18.所述安装于本体上的销钉下方均安装有橡胶垫片。
19.所述上芯轴上端与本体内壁间、扶正块与本体间、下芯轴外壁与游动活塞间、游动活塞与本体内壁间、下芯轴外壁与内外流隔离板间、内外流隔离板间与本体内壁间均设有密封圈。
20.在所述扶正块的外壁设有矩形密封环。
21.在所述游动活塞与内外流隔离板间的本体上设有径向泥浆流道。
22.所述上芯轴、扶正块、游动活塞和本体内壁形成储油腔，储油腔内装有润滑油。
23.在初始状态下，泥浆泵未启动，钻井液未循环，扶正块的端部与其安装处的本体外壁平齐，此时锁钩的嵌入头位于行程控制槽中的收缩位置；开启泥浆泵，钻井液从钻柱流入可变径稳定器，在钻井液循环后，钻井液需要流经可变径稳定器、螺杆钻具等其它井下工具、钻头，然后沿钻柱与井壁间的井眼环空向上返回，因此在可变径稳定器位置，其内部钻井液和井眼环空中的泥浆存在压差；井眼环空中的泥浆可通过游动活塞与内外流隔离板间的径向泥浆流道流入游动活塞、内外流隔离板、下芯轴和本体内壁所形成的空间；由于游动活塞上端为高压润滑油而下端为低压泥浆，因此游动活塞自动调节位置，使得两端压力平衡，即润滑油的压力始终与井眼环空中的压力保持相同，该压力低于可变径稳定器内的泥
浆压力；与此同时，高压钻井液推动驱动套连同上芯轴、行程控制块、下芯轴一起向下移动，复位弹簧压缩，楔块随上芯轴一起向下移动，从而推动扶正块向外伸出；行程控制块向下移动时嵌入头从收缩位置滑入一级变径位置，在此过程中钩座按需微幅转动；经上述操作，扶正块实现伸出外径大于本体外径，完成一级变径过程，在此过程中下芯轴与节流杆间的过流面积变小。
24.按钻井工艺停泵，游动活塞两端流体的压差消除，复位弹簧驱动上芯轴带动楔块上移，但由于行程控制槽的斜坡具有止逆功能，嵌入头将由一级变径位置滑至一级锁定位置，即嵌入头限制行程控制块和上芯轴上移，扶正块维持在一级变径状态，复位弹簧仍处于压缩状态。
25.当第二次开泵时，驱动套带动上芯轴、行程控制块和下芯轴向下运动，进一步压缩复位弹簧，行程控制块进一步向下运动，此时嵌入头由一级锁定位置滑入二级变径位置，上芯轴同步带动楔块向下运动并进一步将扶正块向外推出，此时扶正块的伸出尺寸最大，下芯轴与节流杆间的过流面积最小。
26.当第二次停泵时，游动活塞两端的压差消除，在复位弹簧作用下上芯轴、楔块、行程控制块和下芯轴均向上移，楔块驱动扶正块收缩，使得扶正块的外径等于本体外径，此时嵌入头由二级变径位置滑至收缩位置。
27.与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：(1)可实现多级变径，即扶正块可实现两种大于本体外径的直径；(2)本发明通过地面泥浆泵的开启和关闭实现可变径稳定器扶正块的伸出与收缩，从而变化下部钻具组合的结构实现井眼轨迹的增斜、稳斜和降斜，无需通过起下将固定尺寸的稳定器取出井眼在更换其它规格尺寸稳定器再入井实现下部钻具结构的变化，提高了钻井效率。
附图说明
28.图1为本发明一种用于井眼轨迹控制的可变径稳定器的全剖结构示意图；
29.图2为图1中的a-a横截面示意图；
30.图3为图1中的b-b横截面示意图；
31.图4为图1中的c-c横截面示意图；
32.图5为图1中的d-d横截面示意图；
33.图6为图1中的e-e横截面示意图；
34.图7为本发明一种用于井眼轨迹控制的可变径稳定器的行程控制块的结构示意图；
35.图8为本发明一种用于井眼轨迹控制的可变径稳定器的行程控制块的另一结构示意图；
36.图9为本发明一种用于井眼轨迹控制的可变径稳定器的锁钩的结构示意图；
37.图10为本发明一种用于井眼轨迹控制的可变径稳定器的钩座的结构示意图；
38.图11为本发明一种用于井眼轨迹控制的可变径稳定器的钩座的另一结构示意图；
39.图中：1.上接头，2.本体，3.驱动套，4.上芯轴，5.密封圈，6.复位弹簧，7.弹簧座，8.销钉，9.橡胶垫片，10.楔块，11.扶正块，12.矩形密封环，13.行程控制块，13a.行程块上内螺纹，13b.行程块下内螺纹，13c.行程块纵平面，13d.行程控制槽，13e.收缩位置，13f.一
级变径位置，13g.一级锁定位置，13h.二级变径位置，13i.行程块油孔，14.锁钩，14a.旋转铰，14b.钩杆，14c.嵌入头，15.下芯轴，16.销轴，17.橡胶垫块，18.钩座，18a.定位槽，18b.凸耳，18c.钩座油孔，18d.销轴孔，19.游动活塞，20.内外流隔离板，21.节流杆，22.节流套，23.下接头。
具体实施方式
40.下面结合附图对本发明做进一步说明。
41.如图1-6和图9所示，一种用于井眼轨迹控制的可变径稳定器，其特征在于，包括本体2、上芯轴4、行程控制块13、下芯轴15和钩座18，所述本体2为中空圆筒状，所述上芯轴4与行程控制块13、行程控制块13与下芯轴15均通过螺纹连接，由所述上芯轴4、行程控制块13和下芯轴15组成的柱状组件设于本体2内且与本体2同轴，所述钩座18通过销钉8安装于本体2内，受销钉8限制的钩座18可相对本体2转动但无法沿相对本体2轴向移动，所述行程控制块13和钩座18间设有锁钩14，所述锁钩14包括旋转铰14a、钩杆14b和嵌入头14c，所述旋转铰14a的通过销轴16铰接于钩座18上。
42.所述上芯轴4、行程控制块13和下芯轴15均为圆柱状且均设有中空流道用于流通钻井液，所述上芯轴4的上端外径大于下端外径从而形成台阶，所述本体2的上端设有弹簧座7，在所述上芯轴4的台阶与弹簧座7的上端间复位弹簧6，上芯轴4的上端通过螺纹连接的方式设有驱动套3。
43.如图7和图8所示，所述行程控制块13的一侧设有与行程块纵平面13c，所述行程块纵平面13c与行程控制块13的轴线平行，所述行程块纵平面13c上设有行程控制槽13d，所述嵌入头14c在行程控制槽13d内滑动，所述行程控制槽13d内设有收缩位置13e、一级变径位置13f、一级锁定位置13g、二级变径位置13h，从所述收缩位置13e到一级变径位置13f、一级变径位置13f到一级锁定位置13g、一级锁定位置13g到二级变径位置13h、二级变径位置13h到收缩位置13e路径上均设有斜坡，所述行程控制槽13d除路径上设置的斜坡外为深度相同的槽底平面，所述斜坡的末端为与槽底垂直的平面从而形成止逆台阶用于防止嵌入头14c倒滑。
44.所述行程控制块13上还设有行程块油孔13i，所述行程块油孔13i与行程控制块13轴线平行并贯穿行程控制块13，所述行程控制块13的上下两端分别设有上内螺纹13a和下内螺纹13b，所述上内螺纹13a与上芯轴4的下端通过螺纹连接，所述下内螺纹13b与下芯轴15的上端通过螺纹连接。
45.如图10和图11所示，所述钩座18上设有定位槽18a、凸耳18b、钩座油孔18c和销轴孔18d，所述定位槽18a为位于钩座18外围的环形槽，所述钩座18通过销钉8安装于本体2内，所述凸耳18b用于与旋转铰14a通过销轴16连接，所述钩座油孔18c平行于钩座18轴线用作为钩座18上下两端润滑油的流动通道，所述销轴孔18d设于凸耳18b上用于安装销轴16。
46.在所述旋转铰14a与每片凸耳18b间设置橡胶垫块17，所述销轴16穿过凸耳18b、橡胶垫块17和旋转铰14a。
47.所述上芯轴4中部设有台阶，在上芯轴4中部的台阶与行程控制块13间设有多个楔块10，每个楔块10均与三个扶正块11配合，所述扶正块11穿过本体2中部的径向孔，当楔块10沿本体2轴向移动时扶正块11同步在径向孔内运动。
48.所述楔块10整体呈圆柱状且设有中间通孔用于上芯轴4穿过，每个楔块10设有三个斜平面，在每个斜平面上设有燕尾槽或t形槽；所述扶正块11的一端设有与燕尾槽或t形槽配合的凸块；扶正块11的凸块与楔块10斜平面上的燕尾槽或t形槽配合，使得当楔块10轴向移动时，扶正块11实现径向运动。
49.所述节流套22安装于本体2下端且其内壁设有纵向槽，所述节流杆21的叶片嵌入节流套22的纵向槽内，所述节流杆21上设有多个轴向流道且节流杆21的中间呈圆锥状，所述节流杆21上端与下芯轴15的下端配合形成节流单元。
50.所述下芯轴15下端与本体2内壁间设有游动活塞19和内外流隔离板20。
51.所述本体2的上端通过螺纹连接形式与上接头1连接，本体2的下端通过螺纹连接形式与下接头23连接。
52.所述驱动套3的上端设有螺柱盲孔，用于安装或拆卸时使用工具将上芯轴4及其连接件送入本体2内或从本体2内取出。
53.所述安装于本体2上的销钉8下方均安装有橡胶垫片9。
54.所述上芯轴4上端与本体2内壁间、扶正块11与本体2间、下芯轴15外壁与游动活塞19间、游动活塞19与本体2内壁间、下芯轴15外壁与内外流隔离板20间、内外流隔离板20间与本体2内壁间均设有密封圈5。
55.在所述扶正块11的外壁设有矩形密封环12。
56.在所述游动活塞19与内外流隔离板20间的本体2上设有径向泥浆流道。
57.所述上芯轴4、扶正块11、游动活塞19和本体2内壁形成储油腔，储油腔内装有润滑油。
58.在初始状态下，泥浆泵未启动，钻井液未循环，扶正块11的端部与其安装处的本体2外壁平齐，此时锁钩14的嵌入头14c位于行程控制槽13d中的收缩位置13e；开启泥浆泵，钻井液从钻柱流入可变径稳定器，在钻井液循环后，钻井液需要流经可变径稳定器、螺杆钻具等其它井下工具、钻头，然后沿钻柱与井壁间的井眼环空向上返回，因此在可变径稳定器位置，其内部钻井液和井眼环空中的泥浆存在压差；井眼环空中的泥浆可通过游动活塞19与内外流隔离板20间的径向泥浆流道流入游动活塞19、内外流隔离板20、下芯轴15和本体2内壁所形成的空间；由于游动活塞19上端为高压润滑油而下端为低压泥浆，因此游动活塞19自动调节位置，使得两端压力平衡，即润滑油的压力始终与井眼环空中的压力保持相同，该压力低于可变径稳定器内的泥浆压力；与此同时，高压钻井液推动驱动套3连同上芯轴4、行程控制块13、下芯轴15一起向下移动，复位弹簧6压缩，楔块10随上芯轴4一起向下移动，从而推动扶正块11向外伸出；行程控制块13向下移动时嵌入头14c从收缩位置13e滑入一级变径位置13f，在此过程中钩座18按需微幅转动；经上述操作，扶正块11实现伸出外径大于本体2外径，完成一级变径过程，在此过程中下芯轴15与节流杆21间的过流面积变小。
59.按钻井工艺停泵，游动活塞19两端流体的压差消除，复位弹簧6驱动上芯轴4带动楔块10上移，但由于行程控制槽13d的斜坡具有止逆功能，嵌入头14c将由一级变径位置13f滑至一级锁定位置13g，即嵌入头14c限制行程控制块13和上芯轴4上移，扶正块11维持在一级变径状态，复位弹簧6仍处于压缩状态。
60.当第二次开泵时，驱动套3带动上芯轴4、行程控制块13和下芯轴15向下运动，进一步压缩复位弹簧6，行程控制块13进一步向下运动，此时嵌入头14c由一级锁定位置13g滑入
二级变径位置13h，上芯轴4同步带动楔块10向下运动并进一步将扶正块11向外推出，此时扶正块11的伸出尺寸最大，下芯轴15与节流杆21间的过流面积最小。
61.当第二次停泵时，游动活塞19两端的压差消除，在复位弹簧6作用下上芯轴4、楔块10、行程控制块13和下芯轴15均向上移，楔块10驱动扶正块11收缩，使得扶正块11的外径等于本体2外径，此时嵌入头14c由二级变径位置13h滑至收缩位置13e。
62.以上所述具体实施方式用于说明本发明而非限制本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的构思和原则前提下所做出的等同变化与修改，均属于本发明系统的保护范围。