一种钻井钻柱工作状态稳定器.pdf

本发明公开一种钻井钻柱工作状态稳定器，包括同轴连接的芯轴(1)和冲管(9)，芯轴下段套入冲管内；在芯轴(1)外滑动套装刮子套(2)和芯轴套(6)，在芯轴外轴壁与刮子套内轴壁之间形成一轴向空间；在冲管(9)外滑动套装连接套(11)和下接头(12)，在冲管外轴壁与连接套内轴壁之间形成一轴向空间；芯轴套(6)与连接套(11)通过花键(8)密封连接；在两轴向空间中分别注满液压油和润滑脂，形成芯轴和冲管沿轴向相对移动的自由工作行程(7)。本发明钻柱工态稳定器安装于钻杆与钻铤之间，轴向隔离钻柱弯曲半波对钻头的提升力，消除钻头上下跳动，避免钻头撞击损坏；而钻头所受扭矩力保持不变，钻头持续不断地钻进。

1.  一种钻井钻柱工作状态稳定器，包括同轴连接的芯轴(1)和冲管(9)，其中，芯轴按轴径分为上下两段，上段轴径较粗，下段轴径较细，上下段一体，下段套入冲管内；沿芯轴(1)的轴向外轴壁依次滑动套装刮子套(2)和芯轴套(6)，刮子套在上，芯轴套在下，刮子套和芯轴套密封连接，在芯轴外轴壁与刮子套内轴壁之间形成一轴向空间；沿冲管(9)轴向外轴壁依次滑动套装连接连接套(11)和下接头(12)，连接套在上，下接头在下，连接套和下接头密封连接，在冲管外轴壁与连接套内轴壁之间形成一轴向空间；芯轴套(6)与连接套(11)通过花键(8)密封连接在一起；在刮子套(2)内轴壁与芯轴(1)外轴壁的相邻处设密封装置；在下接头(12)内轴壁与冲管(9)外轴壁的相邻处设密封装置，在刮子套(2)与芯轴套(6)的相邻处设有密封装置；在所述刮子套(2)和连接套(11)的壁上分别设油堵孔(10)，其特征在于，芯轴(1)外轴壁与刮子套(2)内轴壁之间及冲管(9)外轴壁与连接套(11)内轴壁之间所形成的轴向空间相等，并在其两轴向空间中分别注满液压油和润滑脂，形成芯轴(1)和冲管(9)沿轴向相对移动的自由工作行程(7)。

2.  根据权利要求1所述的钻井钻柱工作状态稳定器，其特征在于，芯轴(1)上段外轴径与冲管(9)外轴径相等。

3.  根据权利要求1所述的钻井钻柱工作状态稳定器，其特征在于，在芯轴(1)外轴壁和下接头(12)外轴壁分别设置应力减轻槽(13、14)。

4.  根据权利要求1至3中任意之一所述的钻井钻柱工作状态稳定器，其特征在于，设置于刮子套两端与芯轴之间的密封装置、设置于下接头两端与冲管之间的密封装置均由刮子支承架(3)和刮子(4)构成，设置于刮子套与芯轴套之间的密封装置为盘根(5)。

一种钻井钻柱工作状态稳定器
技术领域
本发明涉及石油钻井、地质勘探井下作业所用的钻具，特别涉及在钻井作业中，能够增加钻头有效工作行程、稳定钻柱工作状态的装置。
背景技术
在石油钻井、地质钻探作业所使用的钻具中，将两节以上钻杆连接的结构，还有钻铤等部件称为钻柱。当代钻井技术可以钻探地下数千米的部位，其钻柱也就有数千米的长度。钻柱在转盘的带动下转动，在钻柱扭矩增加到与钻头阻力矩相等时，钻头开始旋转。在这个过程中，钻柱先是被扭转变形一定角度，形成弯曲半波，储存一定的弹性扭转变形能量。在继续运转中，钻柱的离心力不断增加，钻柱各弯曲半波弯度加大，长度缩短，半波数量增多，导致钻柱轴向偏离井轴方向，钻柱整体长度在井轴方向上缩短，钻柱整体被提升，钻头被提拉跳起，离开井底，其瞬时钻压降为零。而当钻柱储存的弹性扭转变形能量超过临界点后，转入释放能量，钻柱瞬间恢复到伸直状态，钻头直落井底。在钻井作业过程中，钻柱“储能扭曲——放能伸直”的转换动作周而复始地进行，使钻头有效工作行程减少。井的深度越深，钻柱产生弯曲半波的数量越多，钻头跳起的高度越高，使得钻头回落到井底的冲击能量能够达到5倍以上的峰值钻压，从而造成钻头被撞坏，井底不平度增加。同时，钻柱在过大离心力作用下对井壁及泥饼连续不断的撞击破坏，会造成井壁掉块甚或坍塌。
为解决上述问题，本发明人的92112732.4号中国专利申请公开了一种轴向力隔离悬浮器，装置于钻铤与钻铤之间的中和点处，其主要部件包括花键轴、刮子体、冲管、连接体、花键等结构。冲管的密封面外径小于花键轴的密封面外径，两个密封面外径差随井深增大而减少。冲管和花键轴两者密封面的外径包括的面积差，在静液柱压力作用下，使悬浮器上下两部分向中心移动而产生压缩力来平衡冲管的端面，而且在冲管与连接体之间形成空腔平衡室，室内的空气是可压缩的，起到调整悬浮器工作行程的作用，使钻柱沿轴向伸缩移动，而不波及钻头。但是，在实际应用中，由于钻井注入的泥浆高达100多个大气压，很容易将空腔平衡室的密封装置击穿，高压泥浆灌入空腔平衡室。泥浆代替了原有的空气，变得不可压缩，钻杆的轴向伸缩功能丧失，悬浮器失去功能，钻柱恢复到不断上下跳动状态。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种钻井钻柱工作状态稳定装置，其轴向隔离灵活，效果可靠，用以提高钻头工作效率和机械钻速。
本发明钻井钻柱工作状态稳定器，包括同轴连接的芯轴和冲管，其中，芯轴按轴径分为上下两段，上段轴径较粗，下段轴径较细，上下段一体，下段套入冲管内。沿芯轴的轴向外轴壁依次滑动套装刮子套和芯轴套，刮子套在上，芯轴套在下，刮子套和芯轴套密封连接，在芯轴外轴壁与刮子套内轴壁之间形成一轴向空间。沿冲管轴向外轴壁依次滑动套装连接套和下接头，连接套在上，下接头在下，连接套和下接头密封连接，在冲管外轴壁与连接套内轴壁之间形成一轴向空间。芯轴套与连接套通过花键密封连接在一起。在刮子套内轴壁与芯轴外轴壁相邻处设密封装置；在下接头内轴壁与冲管外轴壁相邻处设密封装置；在刮子套与芯轴套相邻处设密封装置。在刮子套和连接套的壁上分别设置油堵孔。芯轴与刮子套之间的轴向空间和冲管与连接套之间的轴向空间相等，在两轴向空间中分别注满液压油和润滑脂。在此结构中，芯轴和冲管可沿轴向相对移动，形成一个自由工作行程。
上述设置于刮子套两端与芯轴之间的密封装置、设置于下接头两端与冲管之间的密封装置均由刮子支承架和刮子构成。设置于刮子套与芯轴套之间的密封装置为盘根。
作为优化，本发明钻井钻柱工作状态稳定器的芯轴上段外径与冲管外径相等。如此结构容易实现芯轴与刮子套之间的轴向空间和冲管与连接套之间的轴向空间容积相等。
作为优化，本发明钻井钻柱工作状态稳定器在芯轴外轴壁和下接头的外轴壁上分别设置应力减轻槽。应力减轻槽具有抗疲劳、抗断裂作用，可延长本发明稳定器使用寿命。
本发明钻井钻柱工作状态稳定器将芯轴与刮子套之间所形成的轴向空间和冲管与连接套之间所形成的轴向空间设计为相等空间，并在其中注满液压油和润滑脂。芯轴或冲管能够沿轴向自由伸缩移动。当芯轴或冲管向下移动时，两空间中的液压油和润滑脂自动向上流动；当芯轴或冲管向上移动时，两空间中的液压油和润滑脂自动向下流动，为芯轴和冲管设置了一个轴向移动的自由工作行程段。在芯轴或冲管上下移动过程中，两空间中的液压油和润滑脂的量是固定不变的，芯轴和冲管每次移动的工作行程保持一致。
本发明钻井钻柱工作状态稳定器安装于钻杆与钻铤之间，在钻柱扭曲变形产生弯曲半波沿井轴方向伸缩时，本稳定器的芯轴随钻杆上下移动，轴向隔离钻柱弯曲半波对钻头的提升力，消除钻头因钻柱储放能而发生的上下跳动，也不会产生过高峰值钻压，因而避免钻头因剧烈跳动而损坏。安装本发明钻井钻柱工作状态稳定器后，钻头所接受的来自钻柱的扭矩力是不变的，因此可以在设计钻压范围内，持续不断地钻进。
另外，本发明钻井钻柱工作状态稳定器的设计，在芯轴与刮子套之间和冲管与连接套之间注满液压油和润滑脂，改变了在先专利申请技术中在空腔平衡室内储存空气的结构，将可压缩的空气改为不可压缩的液体，钻进作业过程中不仅能够有效阻挡来自内外方向的高压泥浆的侵入，又使钻柱伸缩更加灵活，因此对钻井钻柱工作状态的稳定作用可靠而持久。
本发明钻井钻柱工作状态稳定器特别适用于钻打深井、超深井、特大直径超深井，经济效益显著。
附图说明
附图是本发明钻井钻柱工作状态稳定器的结构示意图。
其中：1芯轴，2刮子套，3刮子支承架，4刮子，5盘根，6芯轴套，7移动工作行程，8花键，9冲管，10油堵孔，11连接套，12下接头，13应力减轻槽，14应力减轻槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明钻井钻柱工作状态稳定器的具体实施方式作进一步说明。
本发明钻井钻柱工作状态稳定器，包括同轴连接的芯轴1和冲管9，其中，芯轴分为上下两段，上段轴径较粗，下段轴径较细，上下段一体，下段套入冲管9内。沿芯轴1的轴向外轴壁依次滑动套装刮子套2和芯轴套6，刮子套2在上，芯轴套6在下，二者密封连接在一起，在芯轴外轴壁与刮子套内轴壁之间形成一轴向空间。沿冲管9的轴向外轴壁依次滑动套装连接套11和下接头12，连接套11在上，下接头12在下，二者密封连接在一起，在冲管9外轴壁与连接套11内轴壁之间形成一轴向空间。芯轴套6与连接套11通过花键8密封连接在一起。
在刮子套2两端内轴壁与芯轴1外轴壁的相邻处及下接头12两端内轴壁与冲管9外轴壁的相邻处分别设有密封装置，该密封装置由刮子支承架3和刮子4构成；在刮子套2与芯轴套6的相邻处设有密封装置盘根5。在刮子套2的套壁上设有油堵孔10，在连接套11的套壁上设有油堵孔10。
其中：为了使本发明钻井钻柱工作状态稳定器的隔离效果稳定，保障芯轴1和冲管9上下伸缩移动灵活自如，将芯轴1外轴壁与刮子套2内轴壁之间所形成的轴向空间和冲管9外轴壁与连接套11内轴壁之间所形成的轴向空间设计为容积相等的空间。一种容易实现此要求的优选结构形式为，将芯轴1上段和冲管9的外轴径设计为相等尺寸。当然，在芯轴1上段和冲管9的外轴径不相等的情况下，也可以通过调整刮子套2或连接套11的内径实现两空间容积相等。通过油堵孔10向两轴向空间中分别注满液压油和润滑脂，形成芯轴1和冲管9沿轴向相对移动的自由行程7。自由行程优选长度在340～355mm。
为了延长本发明钻井钻柱工作状态稳定器的使用寿命，分别在芯轴1外轴壁上设置应力减轻槽14，在下接头12的外轴壁上设置应力减轻槽13。
使用时，将本发明钻柱工态稳定器安装在钻杆与钻铤之间，其钻柱为依次连接的方钻杆、钻杆、钻柱工态稳定器、钻铤、钻头。钻井作业时，组装钻柱后启动泥浆泵和转盘，先用升降机将钻柱送至井底，然后将钻柱工作状态稳定器缓慢送至工作行程7的上限点，当钻压表达到或超过设计钻压时，停止送钻。钻柱形成一定的扭矩，钻头得到一定的峰值钻压，钻头开始旋转。此时监控钻进动态的扭矩表和压力表的表针和曲线平衡，钻头表现为不憋、不跳的平稳钻进工作状态。当钻压和扭矩表针有微小变化时，表明钻柱各点转速开始发生变化，表明钻柱工作状态稳定器已滑至下限点，此时应立即重复上述送钻过程。