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　　本发明针对直井钻进中防斜纠斜效率低、成本高及复杂工况适应性差的问题，提出机械式自动垂直钻井工具。通过重力驱动机构感应井斜，利用钻柱内外流体压差驱动活塞推靠井壁，实现无需滑动钻进的实时防斜修正，提升钻速与井眼质量。

　　直井是出现最早、目前数量最多的一类油气井，据统计直井至少占全球钻井的55％，仅2004年全世界就有超过5万口直井(不包括中国)。但是现代钻井经过多年的发展，直井钻井的问题并未得到很好的解决，直井防斜就是普遍存在、非常突出的一个问题。

　　目前常规直井防斜主要是用满眼组合“重压快钻”，以满保直，纠斜则用钟摆组合“轻压吊打”，以慢纠斜，其弊病是用牺牲钻压和高成本来换取小井斜，用牺牲钻速来换取井身质量，井身质量与经济效益是对立的。虽然也出现了塔式钻具、方钻铤、偏心钻铤、HCY抗斜器、偏轴防斜打快技术、柔性组合防斜打快技术、导向钻具防斜打快技术以及反钟摆防斜打快技术等技术，但是由于均存在一定的局限性，难以普遍推广使用。

　　由于常规直井防斜纠斜技术适用范围有限，已不能满足如高陡构造、深井等复杂情况下钻直井的需要。同时人们也逐渐认识到，钻直井不是低成本及简单的钻井作业，迫切需要发展新的防斜技术。新的防斜技术应不但能防斜，而且还能打快，将优质和高效有效地统一起来，换言之“自动化+简单+不影响钻井过程+高效+经济效益”是当今直井防斜纠斜技术发展的主要特征。

　　本发明正是为在直井钻进中实现主动、适时防斜，同时又不影响钻井过程，可获得高的钻速，能够实现优质和高效的统一而设计的，其原理是适时感应井斜的重力信号，由重力驱动机构，建立钻柱内外高低压流体间的通道，利用二者间的压差，驱动活塞适时推靠井壁高边，井壁的反作用力则将钻头推向低边，而在井眼的其他位置，活塞则不推靠井壁，钻柱旋转，该过程循环往复，井斜即被不断感应和修正，本发明的目的就是为现场提供一种机械式自动垂直钻井工具。

　　本发明是这样来实现的，它由转换接头、导流头、轴承、配重、心轴、内筒、内筒挡板、上盘阀、下盘阀、壳体、活塞缸挡板和活塞等组成，轴承装在心轴的两端，配重固定在心轴的一侧、轴承之间，然后将心轴、轴承和配重一起装入内筒，导流头固定在内筒上端，内筒挡板套在心轴的下端，并与内筒固定，上盘阀与心轴的下端面相联，上盘阀的扇形偏心流道和配重分别位于心轴的两侧，在壳体下端外壁加工有活塞缸，活塞缸的底部加工有活塞缸入口，活塞缸的侧面加工有与环空相通的卸压孔，下盘阀表面加工有流道，内部加工有导流孔，导流孔的入口设置在下盘阀的上端面，出口设置在下盘阀的侧面，将下盘阀装入壳体下端，使其侧面的导流孔出口与活塞缸入口相对，并固定，然后把内筒固定在壳体内，上盘阀和下盘阀相对，活塞缸挡板与活塞配装，然后一起装入活塞缸，并与壳体固定，在壳体的上端通过转换接头与钻柱相联，配重与内筒的内壁之间留有间隙，壳体的两端加工有螺纹，中心加工成通孔，活塞缸与下盘阀上导流孔的数量相同，分别绕壳体轴心和下盘阀轴心均匀分布，活塞上可加工通向环空的卸压通孔，如果井眼发生倾斜，配重就会在其自身重力作用下，带动心轴下端的上盘阀绕心轴的中心转动，因为心轴的两端装有轴承，当壳体旋转时，配重会在其自身重力的作用下，稳定在倾斜井眼的低边，而不随壳体和内筒一起转动，因为上盘阀上的扇形偏心流道与配重分别位于心轴的两侧，这时上盘阀上的扇形偏心流道就会位于倾斜井眼的高边，壳体带动下盘阀转动，当上盘阀上的扇形偏心流道与下盘阀上的导流孔重合时，钻井液通过转换接头、壳体内壁和内筒外之间的环隙、上盘阀上的扇形偏心流道、下盘阀上的导流孔、活塞入口，进入活塞缸，经活塞缸侧面的卸压孔流向环空，由于卸压孔直径较小，钻井液经过时，会在活塞缸内形成较大的压力降作用于活塞的内端面，将活塞推向倾斜井眼的高边井壁，井壁的反作用力使得钻头在低边的切削量增加，壳体带动下盘阀转动，当下盘阀上的导流孔与上盘阀上的扇形偏心流道错开时，钻井液流向环空的通道被关闭，在活塞缸内不能形成驱动活塞靠向井壁的压力降，因此钻头在井眼低边以外区域的切削量不会增加，如此循环往复，井斜被适时感应，活塞推靠井壁形成指向井眼低边的侧向力，使得钻头在低边的切削量增加，井斜逐渐降低，并趋于稳定，井斜感应的精度通过调整配重的质量，配重重心与心轴中心的距离、零件的加工和安装精度等参数来获得，修正井斜的效率通过调整钻井排量、卸压孔和活塞的尺寸等参数来获得。

　　本发明是基于现有技术发展状况和井斜发生机理的分析，为满足直井钻进对主动、适时防斜、打快等实际需求而设计的，本发明在钻具旋转钻进时，自动感应井斜，并进行自动纠斜(不需滑动钻进)，因而能够减少摩擦力和阻力，使得钻压和扭矩传输更有效，同时使井眼更平滑，减少井眼净化问题，降低卡钻风险，重要的是能够有效解放钻压，正常钻进，最大限度提高钻速，本发明具有结构简单、使用方便、安全可靠、压耗低、不影响钻具结构、适用于多种钻井平台、加工制造和使用维护的成本较低等特点，对于提高直井钻井速度、降低生产成本具有重要的实际意义。

　　图1一种机械式自动垂直钻井工具示意图1.转换接头；2.导流头；3.轴承；4.配重；5.心轴；6.内筒；7.内筒挡板；8.上盘阀；9.下盘阀；10.壳体；11.导流孔；12.扇形偏心流道；13.活塞缸挡板；14.卸压孔；15.活塞；16.活塞缸入口；17.活塞缸具体实施方式

　　当采用本发明进行直井钻井施工时，轴承[3]装在心轴[5]的两端，配重[4]固定在心轴[5]的一侧、轴承[3]之间，然后将心轴[5]、轴承[3]和配重[4]一起装入内筒[6]，导流头[2]固定在内筒[6]上端，内筒挡板[7]套在心轴[5]的下端，并与内筒[6]固定，上盘阀[8]与心轴[5]的下端面相联，上盘阀[8]的扇形偏心流道[12]和配重[4]分别位于心轴[5]的两侧，在壳体[10]下端外壁加工有活塞缸[17]，活塞缸[17]的底部加工有活塞缸入口[16]，活塞缸[17]的侧面加工有与环空相通的卸压孔[14]，下盘阀[9]表面加工有流道，内部加工有导流孔[11]，导流孔[11]的入口设置在下盘阀[9]的上端面，出口设置在下盘阀[9]的侧面，将下盘阀[9]装入壳体[10]下端，使其侧面的导流孔[11]出口与活塞缸入口[16]相对，并固定，然后把内筒[6]固定在壳体[10]内，上盘阀[8]和下盘阀[9]相对，活塞缸挡板[13]与活塞[15]配装，然后一起装入活塞缸[17]，并与壳体[10]固定，在壳体[10]的上端通过转换接头[1]与钻柱相联，配重[4]与内筒[6]的内壁之间留有间隙，壳体[10]的两端加工有螺纹，中心加工成通孔，活塞缸[17]与下盘阀[9]上导流孔[11]的数量相同，分别绕壳体[10]轴心和下盘阀[9]轴心均匀分布，活塞[15]上可加工通向环空的卸压通孔。

　　当采用本发明进行直井钻井施工时，如果井眼发生倾斜，配重[4]就会在其自身重力作用下，带动心轴[5]下端的上盘阀[8]绕心轴[5]的中心转动，因为心轴[5]的两端装有轴承[3]，当壳体[10]旋转时，配重[4]会在其自身重力的作用下，稳定在倾斜井眼的低边，而不随壳体[10]和内筒[6]一起转动，因为上盘阀[8]上的扇形偏心流道[12]与配重[4]分别位于心轴[5]的两侧，这时上盘阀[8]上的扇形偏心流道[12]就会位于倾斜井眼的高边，壳体[10]带动下盘阀[9]转动，当上盘阀[8]上的扇形偏心流道[12]与下盘阀[9]上的导流孔[11]重合时，钻井液通过转换接头[1]、壳体[10]内壁和内筒[6]外之间的环隙、上盘阀[8]上的扇形偏心流道[12]、下盘阀[9]上的导流孔[11]、活塞入口，进入活塞缸[17]，经活塞缸[17]侧面的卸压孔[14]流向环空，由于卸压孔[14]直径较小，钻井液经过时，会在活塞缸[17]内形成较大的压力降作用于活塞[15]的内端面，将活塞[15]推向倾斜井眼的高边井壁，井壁的反作用力使得钻头在低边的切削量增加，壳体[10]带动下盘阀[9]转动，当下盘阀[9]上的导流孔[11]与上盘阀[8]上的扇形偏心流道[12]错开时，钻井液流向环空的通道被关闭，在活塞缸[17]内不能形成驱动活塞[15]靠向井壁的压力降，因此钻头在井眼低边以外区域的切削量不会增加，如此循环往复，井斜被适时感应，活塞[15]推靠井壁形成指向井眼低边的侧向力，使得钻头在低边的切削量增加，井斜逐渐降低，并趋于稳定，井斜感应的精度通过调整配重[4]的质量，配重[4]重心与心轴[5]中心的距离、零件的加工和安装精度等参数来获得，修正井斜的效率通过调整钻井排量、卸压孔[14]和活塞[15]的尺寸等参数来获得。

　　1.一种机械式自动垂直钻井工具，它包括转换接头、导流头、轴承、配重、心轴、内筒、内筒挡板、上盘阀、下盘阀、壳体、活塞缸挡板和活塞，其特征是轴承[3]装在心轴[5]的两端，配重[4]固定在心轴[5]的一侧、轴承[3]之间，然后将心轴[5]、轴承[3]和配重[4]一起装入内筒[6]，导流头[2]固定在内筒[6]上端，内筒挡板[7]套在心轴[5]的下端，并与内筒[6]固定，上盘阀[8]与心轴[5]的下端面相联，上盘阀[8]的扇形偏心流道[12]和配重[4]分别位于心轴[5]的两侧，在壳体[10]下端外壁加工有活塞缸[17]，活塞缸[17]的底部加工有活塞缸入口[16]，活塞缸[17]的侧面加工有与环空相通的卸压孔[14]，下盘阀[9]表面加工有流道，内部加工有导流孔[11]，导流孔[11]的入口设置在下盘阀[9]的上端面，出口设置在下盘阀[9]的侧面，将下盘阀[9]装入壳体[10]下端，使其侧面的导流孔[11]出口与活塞缸入口[16]相对，并固定，然后把内筒[6]固定在壳体[10]内，上盘阀[8]和下盘阀[9]相对，活塞缸挡板[13]与活塞[15]配装，然后一起装入活塞缸[17]，并与壳体[10]固定，在壳体[10]的上端通过转换接头[1]与钻柱相联。

　　2.根据权利要求1所述的一种机械式自动垂直钻井工具，其特征是配重[4]与内筒[6]的内壁之间留有间隙，壳体[10]的两端加工有螺纹，中心加工成通孔，活塞缸[17]与下盘阀[9]上导流孔[11]的数量相同，分别绕壳体[10]轴心和下盘阀[9]轴心均匀分布，活塞[15]上可加工通向环空的卸压通孔。

　　一种机械式自动垂直钻井工具，它包括转换接头、导流头、轴承、配重、心轴、内筒、内筒挡板、上盘阀、下盘阀、壳体、活塞缸挡板和活塞，其原理是适时感应井斜的重力信号，由重力驱动机构，建立钻柱内外高低压流体间的通道，利用二者间的压差，驱动活塞适时推靠井壁高边，井壁的反作用力则将钻头推向低边，而在井眼的其他位置，活塞则不推靠井壁，钻柱旋转，该过程循环往复，井斜即被不断感应和修正，本发明在实现主动、适时防斜的同时，还能够有效解放钻压，大幅提高钻速和井眼质量，降低施工风险，本发明具有结构简单、可靠、适用多种钻井平台、加工制造和使用维护成本低等特点。

　　发明者倪红堅, 韩来聚, 马清明 申请人:中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院

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