井下钻井装置用的井下工具

本发明涉及一种井下钻井装置用的井下工具。更具体地说，本发明涉及一种在钻头旋转、但钻杆不转的井下钻井装置上用来将井底组件定位于井眼中心的井下工具。

在定向钻井时要求井眼偏离垂直方向，一般使用井下钻井机或井下钻井装置，这类机具靠旋转的钻头来钻井，而其钻杆则是不转的。例如，有一种这类井下钻井装置使用一台容积式井下浆动机来驱动钻头及一个可转动的接头。在钻斜井时经常会遇到井底组件（即最靠近浆动机的组件）卡死在井眼的“底面”上。因为在深的斜井中钻杆的重量很大，它产生一个作用在钻杆柱上的垂直向下的分力矢量。当井眼的斜度很大，即接近于成水平方向时，上述分力可以造成特别严重的状况。由于钻杆柱是静止不转的，此时，根据所遇到的岩层结构条件，该垂直分力将使钻杆柱抵住在井眼从垂直方向转向水平方向的“狗腿井段”（即弯曲井段）处的下部壁面上。发生这种情况时，钻井的动作实际上就停止了，因为钻具组不能再沿着井眼作轴向移动。

为克服这种卡住的问题，一般的做法是对钻井泥浆进行调质处理以打破井眼壁与钻杆柱之间的粘着或吸着状态。为此，要在泥浆中加入一些胶凝剂或其他添加剂，它们可起润滑作用以降低井眼壁与钻杆柱之间的摩擦阻力，使后者能沿着斜井滑动。其他可使用的技术措施是在泥浆中加入一些固态物质，例如核桃壳和稻米皮等，它们被打入井下以后在钻杆下面起支座的作用，使井底装置能在斜孔中滑动。这些都不是满意的方法，它们既费钱又费时。此外，对泥浆进行调质直至卡住的钻杆柱松动需要很长时间，以致往往等到井底装置松动时，已需起出钻杆柱来更换钻头，这意味着在新钻头换到钻杆上并送到井 下以后对泥浆进行调质处理的过程又得再重复一遍。

因此本发明的目标之一，是提供一种供用于井下钻井装置的井下工具。

本发明的另一目标，是提供一种使用井下钻井装置时可以应用于斜向钻井或定向钻井作业的井下工具。

本发明还有一个目标，是提供一种在井下钻井作业中应用时可以防止井底组件卡住的井下工具。

本发明的上述及其他目标可以从附图和本说明书，以及附后的权利要求书中的叙述得到阐明。

正如已提到的，本发明的井下工具是用于井下钻井装置上的，例如用于一种既可钻井但又不需象常规的做法那样用转盘之类的设备来带动钻杆转动的装置。该井下工具有一个带有外表面的主体及其第一端部和第二端部，该主体可以连接到钻杆柱中，一般用螺丝连接。主体上至少装有一个滚动体，它装在一根供其转动的轴上，滚动体的旋转轴线一般垂直于穿过第一和第二端部的轴线。有多个这样的滚动体装在本体的圆周上则更好些。

在下面的叙述中同样的编号标志着同样的部件：

图1是示有局部剖面的正视图，它示出了本发明的井下工具装在一个斜井内的钻杆柱上;

图2是本发明的井下工具的侧面正视图;

图3是图2中3-3方向的剖面图;

图4是图3中4-4方向的剖面图;

图5是与图3相似的剖面图，示出的是本发明的井下工具的另一实施方案;以及

图6是图5中6-6方向的剖面图。

下面对推荐的实施例进行描述

先参阅图1，图中示出一个斜井的井眼10，它有一个“狗腿井段”（弯曲井段）11，它与井眼10上一般是垂直的管段13以及趋向于水平的管段15相连，箭头A表示垂直方向，箭头B表示水平方向。为便于说明问题，狗腿井段的曲率是夸大了的，一般定向钻出的井可以具有从接近于水平的到偏离垂直方向仅几度的各种斜管段。一根不转动的钻杆柱12从钻架（未在图中示出）向下延伸，钻杆柱上有一套井底组件，它包括一个钻头14，一个转动的钻头连接件16以及一个井底浆动机18。井底组件还包括本发明的井下（定位）工具20以及其他各种接头、钻头套圈等。在使用井下钻井装置进行常规的定向钻井作业钻一个类似图1所示的斜井时，钻杆柱12会压在井眼10的底面22上。根据井的深度、岩层情况、钻井速度以及其他因素，钻杆柱12可能会卡在底面22上，从而妨碍钻井的进行。但是装了井下（定位）工具20以后，可从图中看出，钻杆柱12被抬起并与底面22脱离接触，即它被定位于井眼10的中心线上。

再参阅图2，本发明的井下工具20的结构一般包括一个管形主体24，它有一个第一端部26，是一个车有螺纹的轴销，以及一个第二端部28，是一个车有内螺纹的配对的销套。轴销和销套26及28将井下工具20分别与两端的钻杆柱连接起来。管形主体24也可以做成两端都是轴销或两端都是销套，然后用各种相应的连接件将管形主体24与钻杆柱连接起来。该管形主体24有一个纵向贯穿确中心孔30，当在装入钻杆柱以后钻井用的泥浆可以在该中心孔中流过。

管形主体24的横断面大体上是圆形的，其外表面32有一个第一缩小区段34，该区段内有三个一般是等间距布置于圆周面上的凹处36，即这些凹处相隔约120°。每个凹处36部分地装入一个滚动装置38。每个滚动装置38包括一个滚动体40，有一个内孔42贯穿其全部长度。内孔42的两端钻有扩孔44，扩孔中压装了轴承或轴套46。一根轴48穿过内孔42，滚动装置38的滚动体40装在轴48上并可转动。滚动装置38还包括排列在滚动体40圆周面上的很多齿状凸体50，它们一般是与轴48平行的。

在图3中可以清楚地看出，第一组三个滚动装置38中的每一个装置是通过三个枕块装置52组装到管形主体24上的。每个枕块装置52用来支承两根相邻轴48的相邻端部，轴48装在枕块装置52内是不能转动的。这样，每对枕块装置为一根轴48提供完整的支承，轴上的滚动体40可以围绕一根一般是垂直于工具20的穿过端部26和28的纵向轴线的转轴旋转，该对枕块装置同时也分别支承另外两根轴48中的一个端部。

每个枕块装置52包括一个枕块53，其上开有两个孔54，每个孔内套入轴48的一个端部。枕块装置52上的枕块53还钻有一般是与孔54垂直的横向孔56，该孔攻有螺纹以供旋入内六角头螺栓58，后者穿过轴48端部的一个孔60，从而将轴48的一端与枕块装置52上的枕块53相固定。轴48的另一端也以同样方式与相邻的枕块装置52上的枕块53相固定。

用内六角头螺栓62穿过枕块装置52上的孔64旋入管形主体24上攻有螺纹的孔66将枕块53固定在管形主体24上，两者是可以拆开的。

从图2可以清楚地看出，管形主体24上有第二个缩小区段34a，它与缩小区段34相似，上面有凹处36a供装入第二组三个滚动装置38。缩小区段34a与缩小区段34在轴向有一段间隔，而凹处36a则与凹处36在周向错开约60°。滚动装置38在缩小区段34a内同管形主体24的固定方式与滚动装置38在缩小区段34内同管形主体24的固定方式是一样的，而且三个滚动装置在管形主体24的圆周方向也是以等间隔分布，即相隔约120°。

滚动装置38在管形主体24上的缩小区段34内的装设方式一般是使滚动体40的旋转轴线都在同一平面内。同样，滚动装置38在管形主体24上的缩小区段34a内的装设方式一般也是使滚动体40的旋转轴线都在同一平面内。由于缩小区段34a内的一组滚动装置38与缩小区段34内的另一组滚动装置38在圆周方向的位置是错开的，因此在井下工具20的管形主体24周面上基本上每隔60°就有一个滚动装置38。应该理解，在任何一组滚动装置内的滚动体40，例如在缩小区段34a内的滚动体40，其旋转轴线并非必须安装在同一平面内。因此可以将一组滚动装置38中的滚动体在轴向安装成前后错开，但在周向仍然保持120°的间隔。此外，也不是必须要有两组各三个滚动体的装置，或者每组必须要有三个滚动体。某些情况下在管形主体24的正确方向上安装单个滚动体已足够了。本发明的范围也包括将滚动装置，例如本是固定地装在管形主体24的缩小区段34内的一组滚动体，装设在一个套筒上，该套筒可在管形主体24上转动，这样可在钻杆柱有横向位移时，这些滚动体能够适应并自行调整其位置。

从图4可以看出，当从横断面方向看滚动体40时，在其圆周面 上分布有多个凸齿50，两齿之间形成凹槽50a。凸齿50的作用是减少滚动体40与井眼表面接触的面积，从而减少钻杆柱及井眼之间的摩擦力，而凹槽50a则为钻井泥浆提供流道。泥浆可起润滑作用，从而保证钻杆柱不致卡住在井眼的壁上。凹槽50a内还易于积聚稻皮、核桃壳之类的支承物料，垫在工具20和井眼壁之间，进一步提高该井下工具防止卡住的作用。显然，具有径向突台的其他形状的滚动体也是可用的。

图5示出了本发明的另一种稍加修改的方案，该方案中滚动体38a没有象所描述的滚动体38的那种带齿的形状，而具有光滑的表面70。这种具有光滑表面70的滚动体38a用于某些岩层条件更好一些，即当岩层不是那么易于使钻杆柱卡在井眼的底面上时，此时就不需在滚动装置及井眼的壁面之间保持泥浆的流动。

上面对实施方案的说明仅举了使用井下钻井装置时在井底组件上应用单个井下（定位）工具20的一个例子，但可理解，需要时也可装用两个或更多这样的井下（定位）工具。也可理解，该井下工具20在井底组件内的确切安装位置会因井眼的斜度、井底组件所包含的部件数等条件而有不同。

上面对本发明的公开和叙述是作为示例和说明，可以对本发明在尺寸、形状、材料以及所示的结构细节方面作种种的改变，但这仍然符合本发明的精神并包括在后附的权利要求书所涉及的范围内。