CN102022083A

CN102022083A - 旋转导向钻井工具

Info

Publication number: CN102022083A
Application number: CN 201010551496
Authority: CN
Inventors: 陈若铭; 李晓军; 段文广; 罗维
Original assignee: CNPC Xibu Drilling Engineering Co Ltd
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Xibu Drilling Engineering Co Ltd
Priority date: 2010-11-20
Filing date: 2010-11-20
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-11-20
Also published as: CN102022083B

Abstract

本发明涉及钻井工具技术领域，是一种旋转导向钻井工具，其包括旋转心轴、上轴承、感应线圈、测斜短节及控制单元、不旋转外套、液压控制系统模块、肋板、下轴承和下接头；旋转心轴包括本体和外凸台，外凸台与本体自上而下固定在一起，本体的上端外侧与上轴承的内侧固定安装在一起，本体的下端外侧与下接头的上端内侧固定安装在一起，下接头的上端外侧与下轴承的内侧固定安装在一起。本发明结构合理而紧凑，使用方便，其通过旋转钻进的方式对水平井、大延伸井和大斜度井进行钻进，并能有效导向，因此钻进效率得到了极大地提高，设备成本也得到了降低。

Description

旋转导向钻井工具

技术领域

本发明涉及钻井工具技术领域，是一种旋转导向钻井工具。

背景技术

世纪80年代以来，国内外大部分油田相继进入开发后期，新探区块大部分处于特殊环境，如海洋、滩海、沙漠等地区，这就使得勘探开发难度和成本大大增加。另一方面，老油田为实现稳产，面临着大量的边缘油气藏、独立小油气藏、复杂断块油气藏、超薄油气藏等难动用储量的开发问题。勘探开发形势的需要推动着井型的演变与发展，大位移井、超薄油层水平井、多分支井等复杂结构井在油气田勘探开发中所占的比例越来越大。传统的滑动导向钻井方式发展到20世纪80年代末期已经非常成熟，并可以采用复合钻进方式配合MWD测量实现一定程度上的连续导向钻井，但毕竟存在一些严重的缺陷。而常规的滑动导向钻井往往存在以下几个方面的问题：(1)利用井下马达导向时是滑动钻进，钻柱弯曲比旋转钻进时严重，井壁与钻柱间的轴向摩擦力大，使钻压很难加在钻头上。在大延伸井和水平井中这一情况更严重，在极端情况下会造成钻柱屈服，限制了水平井和大斜度井的深度；(2)在地面对井下马达进行扭方位操作时，旋转摩擦、钻头扭矩、钻杆的扭转弹性变形等都妨碍了工具面的控制，从而影响井下马达在大斜度井和水平井中的使用；(3)在导向钻进时，钻柱的扭转弹性变形会引起工具面角不稳定，从而导致井眼轨迹扭曲，进一步加大钻柱受到的摩擦力，同样限制了钻井深度；(4)与旋转钻进相比，滑动钻井时岩屑排出困难，限制了钻速和可钻深度；(5)与旋转钻进相比，滑动钻进钻速较低，井下马达转速较高，降低了钻头和井下马达的使用寿命，也增加了起下钻的次数；(6)使用井下马达钻井容易引起卡钻；(7)滑动钻进与旋转钻进频繁转换会引起较大的井眼狗腿度，且随井斜曲率的增加而增加，因此，在水平井、大延伸井和大斜度井内钻进效率低、设备成本高。

发明内容

本发明提供了一种旋转导向钻井工具，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有滑动导向钻井工具在水平井、大延伸井和大斜度井内钻进效率低的问题。

本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种旋转导向钻井工具，包括旋转心轴、上轴承、感应线圈、测斜短节及控制单元、不旋转外套、液压控制系统模块、肋板、下轴承和下接头；旋转心轴包括本体和外凸台，外凸台与本体自上而下固定在一起，本体的上端外侧与上轴承的内侧固定安装在一起，本体的下端外侧与下接头的上端内侧固定安装在一起，下接头的上端外侧与下轴承的内侧固定安装在一起，不旋转外套包括上套体、下套体和外径大于上套体的中套体，上套体、中套体和下套体自上而下依序固定在一起，上套体的上端内侧与上轴承的外侧固定安装在一起，下套体的内侧与下轴承的外侧固定安装在一起，在上套体与本体之间有空腔，感应线圈和测斜短节及控制单元自上而下安装在空腔内，在中套体内腔里固定安装有液压控制系统模块，在中套体上间隔分布有与中套体内腔相连通的长开口，在长开口所对应的中套体内腔内铰接有能被液压控制系统模块顶住而向外转动的肋板，在旋转心轴内有与空腔相连通的液压油孔，在液压油孔内有导线并与感应线圈电连接在一起，感应线圈通过导线与测斜短节及控制单元电连接在一起，在中套体上有连通空腔和中套体内腔的液压油孔，测斜短节及控制单元和液压控制系统模块通过液压油孔和导线电连接在一起。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述长开口下端对应的长开口对应的中套体内腔的底部可有限位凹槽，肋板包括内凸头、挡板、底板和立板；内凸头的下端外侧与挡板的上端固定在一起，挡板的下端与底板的外端固定在一起，底板的内端与立板的上端固定在一起，在中套体内腔里固定安装有销轴，内凸头套装在销轴上，立板位于限位凹槽内并能内外移动。

上述液压控制系统模块可包括液压泵、联轴器、电机、平衡柱塞和伸缩柱塞；液压泵的上端安装有能顶在内凸头中心线外侧并能使挡板向外侧移动的伸缩柱塞。

上述感应线圈可包括原线圈和副线圈；原线圈安装在本体上，副线圈安装在上套体内侧。

上述测斜短节及控制单元可包括测斜本体、控制电路、整流电路和测斜模块，在测斜本体上安装有控制电路、整流电路和测斜模块。

上述中套体的上端与本体之间可有环空槽，本体的下端外侧固定有插筒，插筒安装在环空槽内，在插筒与中套体之间安装有密封圈；上套体与测斜短节及控制单元之间安装有密封圈，本体与下接头之间安装有密封圈。

上述上轴承和下轴承均可采用泥浆润滑轴承。

上述本体的上端外侧与上轴承的内侧可通过螺纹固定安装在一起，本体的下端外侧与下接头的上端内侧通过螺纹固定安装在一起，下接头的上端外侧与下轴承的内侧通过螺纹固定安装在一起，上套体的上端内侧与上轴承的外侧通过螺纹固定安装在一起，下套体的内侧与下轴承的外侧通过螺纹固定安装在一起，在中套体内腔里通过螺栓固定安装有液压控制系统模块。

本发明结构合理而紧凑，使用方便，其通过旋转钻进的方式对水平井、大延伸井和大斜度井进行钻进，并能有效导向，因此钻进效率得到了极大地提高，设备成本也得到了降低。

附图说明

附图1为本发明最佳实施例上部的主视半剖视放大结构示意图。

附图2为本发明最佳实施例下部的主视半剖视结构示意图。

附图中的编码分别为：1为上轴承，2为测斜短节及控制单元，3为下轴承，4为下接头，5为本体，6为外凸台，7为上套体，8为下套体，9为中套体，10为空腔，11为中套体内腔，12为液压油孔，13为限位凹槽，14为内凸头，15为挡板，16为底板，17为立板，18为销轴，19为伸缩柱塞，20为原线圈，21为副线圈，22为插筒，23为密封圈。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图的布图方式来进行描述的，如：上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

如附图1、2所示，该旋转导向钻井工具包括旋转心轴、上轴承1、感应线圈、测斜短节及控制单元2、不旋转外套、液压控制系统模块、肋板、下轴承3和下接头4；旋转心轴包括本体5和外凸台6，外凸台6与本体5自上而下固定在一起，本体5的上端外侧与上轴承1的内侧固定安装在一起，本体5的下端外侧与下接头4的上端内侧固定安装在一起，下接头4的上端外侧与下轴承3的内侧固定安装在一起，不旋转外套包括上套体7、下套体8和外径大于上套体7的中套体9，上套体7、中套体9和下套体8自上而下依序固定在一起，上套体7的上端内侧与上轴承1的外侧固定安装在一起，下套体8的内侧与下轴承3的外侧固定安装在一起，在上套体7与本体5之间有空腔10，感应线圈和测斜短节及控制单元2自上而下安装在空腔10内，在中套体内腔11里固定安装有液压控制系统模块，在中套体11上间隔分布有与中套体内腔11相连通的长开口，在长开口所对应的中套体内腔11内铰接有能被液压控制系统模块顶住而向外转动的肋板，在旋转心轴内有与空腔10相连通的液压油孔12，在液压油孔12内有导线并与感应线圈电连接在一起，感应线圈通过导线与测斜短节及控制单元2电连接在一起，在中套体9上有连通空腔10和中套体内腔11的液压油孔12，测斜短节及控制单元2和液压控制系统模块通过液压油孔12和导线电连接在一起，感应线圈可以接收上部传来的信号及电能，也可以向上传输信号，液压油孔12内的导线可以将旋转心轴上端的感应线圈接收的信号及电能传输至液压控制系统模块，也可以将测斜短节及控制单元2测得的井斜信息向上传输至旋转心轴上端的感应线圈。

可根据实际需要，对上述旋转导向钻井工具作进一步优化或/和改进：

如附图1、2所示，长开口对应的中套体内腔11的底部有限位凹槽13，肋板包括内凸头14、挡板15、底板16和立板17；内凸头14的下端外侧与挡板15的上端固定在一起，挡板15的下端与底板16的外端固定在一起，底板16的内端与立板17的上端固定在一起，在中套体内腔11里固定安装有销轴18，内凸头14套装在销轴18上，立板17位于限位凹槽13内并能内外移动，这样，挡板15可围绕销轴18做圆周运动，但由于立板17被限位凹槽13阻挡而只能做有限的圆周运动。

如附图1、2所示，液压控制系统模块包括液压泵、联轴器、电机、平衡柱塞和伸缩柱塞19；液压泵的上端安装有能顶在内凸头14中心线外侧并能使挡板15向外侧移动的伸缩柱塞19，液压控制系统模块为现有公知的设备，通过液压泵控制伸缩柱塞19的伸出、收回以控制挡板15的伸出与收回。

如附图1、2所示，感应线圈包括原线圈20和副线圈21；原线圈20安装在本体5上，副线圈21安装在上套体7内侧。

如附图1、2所示，测斜短节及控制单元2包括测斜本体、控制电路、整流电路和测斜模块，在测斜本体上安装有控制电路、整流电路和测斜模块，测斜短节及控制单元2为现有公知的设备，感应线圈可将旋转心轴上端感应线圈传来的信号及电能传至测斜短节及控制单元2，测斜短节及控制单元2中的测斜模块可测量井下近钻头井斜信息，控制电路可以实时控制液压控制系统模块及井下数据处理，整流电路将感应线圈传输的交流电整流成直流电，供液压控制系统模块使用。

如附图1、2所示，为了便于连接，中套体9的上端与本体5之间有环空槽，测斜本体的下端外侧固定有插筒22，插筒22安装在环空槽内，为了增加密封性，在插筒22与中套体9之间安装有密封圈23。上套体7与测斜短节及控制单元2之间安装有密封圈23，本体5与下接头4之间安装有密封圈23。

如附图1、2所示，根据需要，上轴承1和下轴承3均采用泥浆润滑轴承。本发明外侧环空内的泥浆润滑上轴承1后，泥浆依序通过感应线圈、测斜短节及控制单元2、液压控制系统模块、中套体9和本体5之间的空隙后下行继续润滑下轴承3，随后泥浆流入本发明外侧的环空。

如附图1、2所示，为了便于安装和拆卸，本体5的上端外侧与上轴承1的内侧通过螺纹固定安装在一起，本体5的下端外侧与下接头4的上端内侧通过螺纹固定安装在一起，下接头4的上端外侧与下轴承3的内侧通过螺纹固定安装在一起，上套体7的上端内侧与上轴承1的外侧通过螺纹固定安装在一起，下套体8的内侧与下轴承3的外侧通过螺纹固定安装在一起，在中套体内腔11里通过螺栓固定安装有液压控制系统模块。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

本发明最佳实施例的使用过程：现场使用时，将本发明连接至钻柱上，下至井内。当周向均布的肋板分别以不同液压力支撑于井壁时，会使不旋转外套不随钻柱一起旋转；井壁的反作用力将对本发明产生一个偏置合力。通过控制肋板的支出液压力的大小，可控制偏置力的大小以及方向，来实现控制导向钻井，液压力的大小由测斜短节及控制单元2控制液压控制系统模块来调整，测斜短节及控制单元2在下井前，预置了井眼轨迹数据。在井下工作时，可将MWD测量的井眼轨迹信息或LWD测量的地层信息与预先设计的数据进行对比，自动控制液压力；也可根据接收到的地面指令调整设计参数，控制液压力，以实现导向钻进。因此其具有1. 具有在钻柱旋转情况下定向的能力；2. 可以与井下马达一起使用；3. 配有全系列标准的地层参数及钻井参数检测仪器；4. 配有地面-井下双向通讯系统，可根据井下传来的数据，在不起钻的情况下从地面发出指令改变井眼轨迹；5. 工具设计制造模块化、集成化，可以在150℃以上的高温井中使用；6. 定向钻井时不需要特殊的钻井参数，可以保证最优的钻井过程；7. 导向自动控制，以保证准确光滑的井眼轨迹。

Claims

1.一种旋转导向钻井工具，其特征在于包括旋转心轴、上轴承、感应线圈、测斜短节及控制单元、不旋转外套、液压控制系统模块、肋板、下轴承和下接头；旋转心轴包括本体和外凸台，外凸台与本体自上而下固定在一起，本体的上端外侧与上轴承的内侧固定安装在一起，本体的下端外侧与下接头的上端内侧固定安装在一起，下接头的上端外侧与下轴承的内侧固定安装在一起，不旋转外套包括上套体、下套体和外径大于上套体的中套体，上套体、中套体和下套体自上而下依序固定在一起，上套体的上端内侧与上轴承的外侧固定安装在一起，下套体的内侧与下轴承的外侧固定安装在一起，在上套体与本体之间有空腔，感应线圈和测斜短节及控制单元自上而下安装在空腔内，在中套体内腔里固定安装有液压控制系统模块，在中套体上间隔分布有与中套体内腔相连通的长开口，在长开口所对应的中套体内腔内铰接有能被液压控制系统模块顶住而向外转动的肋板，在旋转心轴内有与空腔相连通的液压油孔，在液压油孔内有导线并与感应线圈电连接在一起，感应线圈通过导线与测斜短节及控制单元电连接在一起，在中套体上有连通空腔和中套体内腔的液压油孔，测斜短节及控制单元和液压控制系统模块通过液压油孔和导线电连接在一起。

2.根据权利要求1所述的旋转导向钻井工具，其特征在于长开口下端对应的长开口对应的中套体内腔的底部有限位凹槽，肋板包括内凸头、挡板、底板和立板；内凸头的下端外侧与挡板的上端固定在一起，挡板的下端与底板的外端固定在一起，底板的内端与立板的上端固定在一起，在中套体内腔里固定安装有销轴，内凸头套装在销轴上，立板位于限位凹槽内并能内外移动。

3.根据权利要求2所述的旋转导向钻井工具，其特征在于液压控制系统模块包括液压泵、联轴器、电机、平衡柱塞和伸缩柱塞；液压泵的上端安装有能顶在内凸头中心线外侧并能使挡板向外侧移动的伸缩柱塞。

4.根据权利要求1或2或3所述的旋转导向钻井工具，其特征在于感应线圈包括原线圈和副线圈；原线圈安装在本体上，副线圈安装在上套体内侧。

5.根据权利要求1或2或3所述的旋转导向钻井工具，其特征在于测斜短节及控制单元包括测斜本体、控制电路、整流电路和测斜模块，在测斜本体上安装有控制电路、整流电路和测斜模块。

6.根据权利要求4所述的旋转导向钻井工具，其特征在于测斜短节及控制单元包括测斜本体、控制电路、整流电路和测斜模块，在测斜本体上安装有控制电路、整流电路和测斜模块。

7.根据权利要求1或2或3所述的旋转导向钻井工具，其特征在于中套体的上端与本体之间有环空槽，本体的下端外侧固定有插筒，插筒安装在环空槽内，在插筒与中套体之间安装有密封圈；上套体与测斜短节及控制单元之间安装有密封圈，本体与下接头之间安装有密封圈。

8.根据权利要求6所述的旋转导向钻井工具，其特征在于中套体的上端与本体之间有环空槽，本体的下端外侧固定有插筒，插筒安装在环空槽内，在插筒与中套体之间安装有密封圈；上套体与测斜短节及控制单元之间安装有密封圈，本体与下接头之间安装有密封圈。

9.根据权利要求8所述的旋转导向钻井工具，其特征在于上轴承和下轴承均采用泥浆润滑轴承。

10.根据权利要求9所述的旋转导向钻井工具，其特征在于本体的上端外侧与上轴承的内侧通过螺纹固定安装在一起，本体的下端外侧与下接头的上端内侧通过螺纹固定安装在一起，下接头的上端外侧与下轴承的内侧通过螺纹固定安装在一起，上套体的上端内侧与上轴承的外侧通过螺纹固定安装在一起，下套体的内侧与下轴承的外侧通过螺纹固定安装在一起，在中套体内腔里通过螺栓固定安装有液压控制系统模块。