CN101696628A - 一种导向偏置工具及偏置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导向偏置工具，属于石油、钻井、勘探开发的自动闭环导向钻井工具技术领域，包括不旋转外套、旋转心轴和偏置执行机构，不旋转外套套于旋转心轴外侧，不旋转外套的外表面上包括至少两个防转机构；一个指向套筒通过滚针轴承安装到所述旋转心轴上，在指向套筒外侧周向均布有至少三套偏置执行机构，每套偏置执行机构包括滚动轴承、左滑块、双向螺杆、右滑块、左支撑和右支撑，指向套筒上对应左滑块和右滑块位置设有两个对称的斜面。本发明利用机械来实现旋转心轴的弯曲，是刚性运动，这样控制精度更高；定向弯曲执行机构的运动是静态偏置，因此耗电量低，系统的自发热问题得到有效解决，同时降低了对系统的密封要求，简化了密封结构。

Description

一种导向偏置工具及偏置方法

技术领域

本发明属于石油、钻井、勘探开发的自动闭环导向钻井工具技术领域。具体地说，本发明涉及一种使井下工具产生定向弯曲实现高精度偏置导向钻进工具及偏置方法。

背景技术

随着石油工业的发展，深井、超深井、大位移井和长距离水平井等特殊工艺井的开发需求越来越多，难度也越来越大，对沿井眼轨迹进行导向钻进的精度要求也越来越高，实现高精度导向钻进的导向工具的研发就更为重要和迫切。

传统的导向方式是利用导向马达组合加PDC钻头，滑动钻进和导向马达旋转钻进交替进行，但这会导致滑动钻进时出现严重的狗腿度，而在旋转钻进时井段又很直，势必会形成弯扭的井身轨迹，使井眼轨迹控制精度差，井身质量差，钻进井深受限等。

为解决传统导向方式的缺陷，80年代末，闭环自动导向钻井技术出现，开始进行旋转导向钻井系统的理论研究；90年代，闭环自动导向钻井技术迅速发展，该技术具有超过以前导向钻井技术的位移延伸能力，精确的井眼轨迹控制精度和灵活性的特点，提高钻井速度及钻井效率的优势，很快代替了变径稳定器、遥控可调弯接头等导向工具，在高难特殊工艺井的导向作业中占据了主要市场，并在特殊油藏的开发中起到了无法替代的作用。多家国外公司包括：Baker Hughes公司与ENIAgip公司的联合研究项目组、英国的Camco公司、英国的Cambridge DrillingAutomation公司、日本国家石油公司(JNOC)等分别形成了各自的旋转导向系统样机，并开始进行现场试验和应用。至20世纪末期，三家大的石油技术服务公司Baker Hughes、Schlumberger和Halliburton通过各种方式分别形成了其各自商业化应用的AutoTrak RCLS、PowerDrive SRD和Geo-Pilot旋转导向钻井系统。

21世纪，旋转自动导向闭环钻井技术不断发展，包括由井下偏置导向工MWD/FEWD/LWD等先进的测量仪器及井下自动控制系统形成的井下旋转自动导向系统、地面监控系统，以及将井下闭环自动导向系统和地面监控系统联系在一起以形成全井闭环控制的双向通讯技术。它代表了当今闭环自动导向钻井系统的尖端自动化钻井技术。该阶段抛开了滑动导向方式，而以旋转导向钻进方式，自动、灵活地调整井斜和方位，大大提高了钻井速度和钻井安全性，轨迹控制精度也非常高，适合目前开发特殊油藏的超深井、高难定向井、水平井、大位移井、聪明井等特殊工艺井导向钻井的需要，同时也是满足闭环自动钻井发展需要的一种导向方式。

在专利号为01127366.6的一种调制式旋转导向偏置工具中国发明专利文献中，提出利用钻井过程中自然存在的钻井液压差作为整个系统的动力源，通过一液压分流盘阀结构，将高压钻井液导入支撑翼肋液压腔，将支撑翼肋支出并支撑于井壁，产生偏置力，实现导向。但是此方法的偏置导向精度不高，导致井眼轨迹控制精度差，另外系统自发热问题突出。

发明内容

为了解决现有方式存在的井眼轨迹控制精度差，系统自发热问题难以解决的问题，本发明提供一种导向偏置工具及偏置方法。

一种导向偏置工具，其特征在于：包括不旋转外套、旋转心轴和偏置执行机构，不旋转外套套于旋转心轴外侧，不旋转外套的外表面上包括至少两个防转机构；一个指向套筒通过滚针轴承安装到所述旋转心轴上，在指向套筒外侧周向均布有至少三套偏置执行机构，每套偏置执行机构包括滚动轴承、左滑块、双向螺杆、右滑块、左支撑和右支撑，左滑块、右滑块分别通过螺纹安装在与不旋转外套轴心线平行的双向螺杆的两端，指向套筒上对应左滑块和右滑块位置设有两个对称的斜面分别与左滑块和右滑块相对的斜面平行，双向螺杆又分别通过滚动轴承安装在不旋转外套上的左支撑、右支撑上。双向螺杆回转运动通过左、右滑块在各自斜面上的运动推动指向套筒运动，指向套筒将力传递给滚针轴承，滚针轴承再传递力至旋转心轴，使心轴弯曲。

所述的指向套筒上对应于左滑块和右滑块的斜面是位于指向套筒表面的凹槽处，凹槽用于放置所述左滑块和右滑块，凹槽内的底面在指向套筒的两端与中间部分的半径上存在半径差，从而形成所述的斜面。

所述的偏置执行机构还可以包括电池组、电机、减速器和联轴器，电池组与电机相连，电机通过减速器和联轴器与所述的双向螺杆连接，并将动力传递给双向螺杆。

虽然通过控制和驱动各双向螺杆的转动度方向和转动圈数及角度即可以控制心轴的偏置，例如用心轴通过离合装置由心轴控制各双向螺杆的转动，但是比较理想的方式是：所述的偏置执行机构还包括控制系统和传感器，传感器将接收旋转心轴的偏移量这一信号，并传递到控制系统，控制系统对电机进行控制，这种方式控制更加灵活和精确。所述的旋转心轴的轴向上均匀分布有四套偏执执行机构，这样心轴受力均匀，控制系统容易控制心轴的弯曲，能够提高钻进的精度。

一种导向偏置工具的偏置方法，包括以下步骤：

(1)确定导向偏置工具的初始位置，这时导向偏置工具处于不导向的工作状态

电机将扭矩传递至偏置执行机构的双向螺杆，双向螺杆沿自身轴线做回转运动，使滑块沿斜面做平面运动，使指向套筒的轴线和旋转心轴的轴线重合，这时传感器测得的数据反馈到控制系统，进行计算、分析，形成指令，向各电机发出控制指令；

(2)定向弯曲钻进

控制系统根据测量的当前轨迹参数，计算、分析出各偏置执行机构的工作行程，向电机发出指令，电机向外传递扭矩，使指向套筒在垂直于旋转心轴轴线的方向上运动，旋转心轴向指定的方向弯曲，改变与之联结的钻头的工具面角，传感器将参数信号反馈至控制系统，控制系统发出指令，偏置执行机构随之停止工作，井下工具保持该轨迹参数进行钻进；

(3)完成定向弯曲钻进，需要将偏置执行机构回到初始位置

控制系统向电机发出控制指令，启动电机反转，电机将扭矩传递至双向螺杆，螺杆沿自身轴线做回转运动，左滑块和右滑块沿斜面做反向平面运动，指向力逐渐减小，指向套筒回复到初始状态，轴线和旋转心轴的轴线重合，位移传感器将信号反馈至控制系统，电机停止工作。

本发明的有益效果是：本发明利用机械结构实现了井下工具的定向弯曲钻进，没有液压系统等复杂系统，利用双向螺杆的转动来实现旋转心轴的弯曲，是刚性运动，而且螺杆的转动量圈数和角度容易控制，这样控制精度更高，能够实现偏置量的微调；控制系统通过位移传感器的信号控制心轴的定向弯曲，监控简单可靠；同时由于定向弯曲执行机构的运动是静态偏置式，这些降低了电量的要求，减轻了系统的自发热问题，简化了系统的密封结构。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明的原理结构图；

图中：1不旋转外套，2上端密封，3旋转心轴，4电池组，5电池组支架，6控制系统，7减振环，8电机，9减速器，10联轴器，11滚动轴承，12传感器，13左滑块，14双向螺杆，15指向套筒，16滚针轴承，17右滑块，18滚动轴承，19右支撑，20轴承组合，21组合密封，22防转机构，23信号电路，24左支撑。

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步说明：

如图1至图3所示：一种导向偏置工具，包括不旋转外套1与旋转心轴3，不旋转外套1与旋转心轴3通过轴承组合20连接，上端密封2和下端组合密封21将内腔的液压油和外腔的钻井液完全分离开；不旋转外套1具有外表面，外表面上安装有防转机构22，控制系统通过位移传感器12测定旋转心轴3的偏移量，通过井下短程通讯系统传输到测控系统，控制系统6预置了井眼轨道设计参数，将随钻测量的测量值和轨迹设计参数进行比较，直接产生导向控制指令，实现井下工具的定向工作，并将其与随钻测量系统(MWD)、随钻测井系统(LWD)等仪器配合使用，实现旋转导向钻进；旋转心轴3和井下钻具及钻头耦接，可以传递扭矩，同时该心轴3可以按照指定方向进行定向弯曲，从而改变与之联接的钻头的方位角，以达到改变井眼轨迹的作用，一个指向套筒15通过滚针轴承16安装到旋转心轴3上，在指向套筒外侧周向均布有四套偏置执行机构用于通过指向套筒控制旋转心轴3在某一方向上的偏置，这样旋转心轴3受力均匀，控制系统6容易控制旋转心轴3的弯曲，能够提高钻进的精度，偏置执行机构推动旋转心轴3的中间部分的轴线发生偏移，使得轴线偏移的部分在空间按照设定的轨迹定向移动，达到使旋转心轴3按指定方向弯曲的目的。偏置执行机构包括左滑块13、双向螺杆14、右滑块17、左支撑24和右支撑19，左滑块、右滑块分别通过螺纹安装在双向螺杆14的两端，指向套筒45上对应左滑块13和右滑块17位置设有两个对称的斜面，斜面和指向套筒15为一体式或分体式结构，如图1所示，本结构是斜面和指向套筒15为一体式结构，如若为分体式结构则斜面和指向套筒15通过固定连接在一起，斜面设置在有凹槽，用于放置滑块，左滑块13和右滑块14又分别和指向套筒15的凹槽内的两个斜面相接触，指向套筒15和旋转心轴3通过滚针轴承18连接，双向螺杆14又分别通过滚动轴承11和滚动轴承18和左支撑24、右支撑19连接。

另外将电池组4固定在支架5上，保证井下的电量需求；电池组4和电机8连接，保证机构的正常运转；电机8通过减速器9、联轴器10和双向螺杆14连接，指向套筒15上安装传感器12，传感器12通过信号电路23和控制系统6连接，控制系统6和减振环7连接，减振环7沿轴向有一定的浮动量；最后通过轴承组合20将旋转心轴3的弯曲变形传递至下端钻头。

其工作过程和偏置该方法如下：

将本发明接到钻头上部，下入井内。

控制系统6对空间姿态进行测量、分析，经过CPU发出控制指令，分别通过电路向偏置执行机构的动力源——电机8发出指令，电机8通过减速器9和联轴10将扭矩传递至双向螺杆14，双向螺杆14沿自身轴线做回转运动，使左、右滑块沿指向套筒15上的斜面做平面运动，使指向套筒15的轴线和旋转心轴3的轴线重合，确定工具的初始位置，工具处于不导向的工作状态，即井下工具的初始状态，和设计的井眼轨迹轴线的初始位置保持一致。这时，传感器12测得的数据反馈到控制系统6，进行计算、分析，形成指令，通过信号电路23向各电机8发出控制指令，电力停止供给，各机构随之停止工作。

需要定向弯曲钻进时，控制系统6根据测量的当前轨迹参数，计算、分析出各偏置执行机构的工作行程，由信号电路23向电机8发出控制指令，启动电机8，电机8通过减速器9和联轴器10将扭矩传递至双向螺杆14，双向螺杆14沿自身轴线做回转运动，使左滑块13和右滑块17沿双向螺杆向两端或中间作线性运动，而向中间运动的滑动通过斜面，推动指向套筒15在垂直于旋转心轴3轴线的方向上运动，指向套筒15的径向运动传递至滚针轴承16，滚针轴承16传递力作用至旋转心轴3上，而另一侧反向运动的滑块为旋转心轴和指向套筒向该侧弯曲创造了窨，因此使旋转心轴3向指定的方向弯曲，改变与之联结的钻头的工具面角。旋转心轴3定向弯曲的同时，传感器12实时传递位移信号，通过信号电路23将参数信号反馈至控制系统6，控制系统6通过计算、比较，当达到井眼轨迹的设计参数值时，动作完成，控制系统6发出指令，电机8停止工作，偏置执行机构随之停止工作，井下工具保持该轨迹参数进行钻进。

完成定向弯曲钻进后，需要将偏置执行机构回到初始位置，工作过程如下：控制系统6发出指令，通过信号电路23向电机8发出控制指令，启动电机8反转，电机8通过减速器9和联轴器10将扭矩传递至双向螺杆14，双向螺杆14沿自身轴线做回转运动，使左滑块13和右滑块17沿指向套筒15上的斜面做反向平面运动，指向力逐渐减小，指向套筒15回复到初始状态，井眼轴线和旋转心轴3的轴线重合，位移传感器12将信号反馈至控制系统6，电机8停止工作。

本发明利用机械结构实现偏置机构的运动，实现了井下工具的定向弯曲钻进，动力来源于钻杆，动力传递路线简单，没有液压系统等复杂系统，利用双向螺杆的转动来实现旋转心轴的弯曲，是刚性运动，这样控制精度更高，控制系统通过位移传感器的信号控制心轴的定向弯曲，监控简单可靠；定向弯曲执行机构的运动是静态偏置，因此耗电量低，系统的自发热问题得到有效解决，同时降低了对系统的密封要求，简化了密封结构。

Claims (8)

1.一种导向偏置工具，其特征在于：包括不旋转外套、旋转心轴和偏置执行机构，不旋转外套套于旋转心轴外侧，不旋转外套的外表面上包括至少两个防转机构；一个指向套筒通过滚针轴承安装到所述旋转心轴上，在指向套筒外侧周向均布有至少三套偏置执行机构，每套偏置执行机构包括滚动轴承、左滑块、双向螺杆、右滑块、左支撑和右支撑，左滑块、右滑块分别通过螺纹安装在与不旋转外套轴心线平行的双向螺杆的两端，指向套筒上对应左滑块和右滑块位置设有两个对称的斜面分别与左滑块和右滑块相对的斜面平行，双向螺杆又分别通过滚动轴承安装在不旋转外套上的左支撑、右支撑上。

2.根据权利要求1所述的导向偏置工具，其特征在于：所述的指向套筒上对应于左滑块和右滑块的斜面是位于指向套筒表面的凹槽处，凹槽用于放置所述左滑块和右滑块，凹槽内的底面在指向套筒的两端与中间部分的半径上存在半径差，从而形成所述的斜面。

3.根据权利要求1或2所述的导向偏置工具，其特征在于：所述的偏置执行机构还包括电池组、电机、减速器和联轴器，电池组与电机相连，电机通过减速器和联轴器与所述的双向螺杆连接，并将动力传递给双向螺杆。

4.根据权利要求3所述的导向偏置工具，其特征在于：所述的偏置执行机构还包括控制系统和传感器，传感器将接收旋转心轴的偏移量这一信号，并传递到控制系统，控制系统对电机进行控制。

5.根据权利要求1或2所述的导向偏置工具，其特征在于：所述的偏置执行机构为四套。

6.根据权利要求3所述的导向偏置工具，其特征在于：所述的偏置执行机构为四套。

7.根据权利要求4所述的导向偏置工具，其特征在于：所述的偏置执行机构为四套。

8.一种使用权利要求1所述的导向偏置工具的偏置方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)确定导向偏置工具的初始位置，这时导向偏置工具处于不导向的工作状态

电机将扭矩传递至偏置执行机构的双向螺杆，双向螺杆沿自身轴线做回转运动，使左、右滑块沿斜面做平面运动，使指向套筒的轴线和旋转心轴的轴线重合，这时利用传感器测得的数据反馈到电机控制系统；

(2)定向弯曲钻进

控制系统向电机发出指令，电机向外传递扭矩，使指向套筒在垂直于旋转心轴轴线的方向上运动，旋转心轴向指定的方向弯曲，改变与之联结的钻头的工具面角，传感器将参数信号反馈至控制系统，控制系统发出指令，偏置执行机构随之停止工作，井下工具保持该轨迹参数进行钻进；

(3)完成定向弯曲钻进，需要将偏置执行机构回到初始位置

控制系统向电机发出控制指令，启动电机反转，电机将扭矩传递至双向螺杆，螺杆沿自身轴线做回转运动，左滑块和右滑块沿斜面做反向平面运动，指向力逐渐减小，指向套筒回复到初始状态，轴线和旋转心轴的轴线重合，位移传感器将信号反馈至控制系统，电机停止工作。

Images