CN104265172A - 用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，包括：多根钻杆、十字套筒以及紧固块；其中钻杆端部凸设有圆柱体，十字套筒的端部设有与该圆柱体配套的槽口，钻杆端部套设于十字套筒内，且钻杆端部的圆柱体嵌入于十字套筒端部的槽口内，紧固块固接于与槽口对应的十字套筒边缘，多根钻杆之间通过十字套筒依次套接起来。本发明的万向联轴机构能够增加造斜力，使造斜率达到实用化效果；同时简化、降阶井下控制系统，降低井下系统控制难度，增加井下控制系统工作能力。

Description

用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构

技术领域

本发明是有关于一种石油钻井工具的结构改进，特别是一种能够提高造斜能力的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构。

背景技术

旋转导向钻井技术是国际上20世纪90年代发展起来的一项尖端自动化钻井新技术，它是当今世界上钻井技术发展的最高阶段——闭环自动钻井的主要内容。与传统的滑动导向钻井相比，旋转导向钻井技术由于井下工具一直在旋转状态下工作，因此井眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，位移延伸能力更强，因此更适合于复杂油气藏中钻超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井等特殊工艺井。

然而，现有的旋转导向钻井工具存在一些缺陷，一方面是造斜力较小使旋转导向钻井工具的造斜能力不足，其造斜率一般在2°/30米至4°/30米之间，未能达到有实用价值的造斜率为6.5°/30米的造斜能力的指标；另一方面是井下控制系统过于复杂，控制系统的整体控制难度超过导弹制导的控制难度，复杂的控制系统不利于对井眼轨迹的控制，同时不利于旋转导向钻井技术的整体发展，究其原因，主要是控制系统中噪音干涉以及导向集中力与钻头产生的造斜力之间的传递函数过于复杂造成的。这两方面缺陷是本发明要解决的技术问题。

由此可见，上述现有的旋转导向钻井工具在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，所要解决的技术问题是：一方面改变钻头造斜力不足的问题，通过增加万向联轴机构使导向集中力传递到钻头时成倍地增加，达到产生实用造斜率的要求；另一方面改变控制系统过于复杂的控制模式，通过一定条件把钻杆与钻头之间复杂的传递函数简化为简单比例环节或低阶环节，使整个旋转导向钻井工具的传递函数变的低阶、简单、易控。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的。本发明提供一种用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其包括：多根钻杆、十字套筒以及紧固块；其中所述钻杆端部凸设有圆柱体，所述十字套筒的端部设有与该圆柱体配套的槽口，所述钻杆端部套设于所述十字套筒内，且所述钻杆端部的圆柱体嵌入于所述十字套筒端部的槽口内，所述紧固块固接于与槽口对应的十字套筒边缘，所述多根钻杆之间通过所述十字套筒依次套接起来。

本发明的目的还可采用以下技术措施进一步实现。

较佳的，前述的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其中所述圆柱体为沿所述钻杆的径向成180度角的两个圆柱体。

较佳的，前述的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其中所述十字套筒两端分别设有两个槽口，其一端的两个槽口的中心连线与另一端的两个槽口的中心连线相互垂直。

较佳的，前述的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其中所述十字套筒沿其端部边缘一周设有环形槽，所述紧固块设于该环形槽内。

较佳的，前述的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其中所述环形槽内和所述紧固块上设有固定孔。

较佳的，前述的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其中所述钻杆端部设有锥度以形成锥面，沿着该锥面一周设有环形槽，该环形槽内设有密封垫圈。

较佳的，前述的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其中所述十字套筒的内部设有与所述钻杆端部的锥面相对应的锥面。

较佳的，前述的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其中所述的钻杆为3根，该3根钻杆通过两个十字套筒依次套接起来。

借由上述技术方案，本发明用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构至少具有下列优点及有益效果：本发明的万向联轴机构把旋转导向钻井工具由复杂的弹性变形转化为较为简单的机构偏转；把必须进行多个稳定器之间钻杆受力的复合分析简化为钻井工具在偏转问题上构成独立体系，即在造斜的受力分析上把复杂的方程组用一个方程代替；把集中导向力全部传递到钻头并且按比例成倍地增加，使造斜能力大幅加强，使控制系统大幅简化，从而使旋转导向钻井工具的整体实用性能大幅提高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1A、图1B分别是本发明的主视图和左视图。

图1C、图1D分别是图1A、图1B的剖视图。

图2A、图2B、图2C分别是本发明的钻杆的主视图、左视图以及俯视图。

图2D是图2A的剖视图。

图3A、图3B、图3C分别是本发明的十字套筒的主视图、左视图以及俯视图。

图3D是本发明的十字套筒的立体图。

图4A、图4B、图4C分别是本发明的紧固块的主视图、左视图以及俯视图。

图5是对旋转导向钻井工具的钻头偏移量及钻杆偏移量进行分析时建立的模型图。

【主要元件符号说明】

11、12、13：钻杆                     101：圆柱体

102：锥面                            103：环形槽

2：十字套筒                          21：槽口

22：环形槽                           23：固定孔

3：紧固块                            31：固定螺纹孔

4：密封垫圈                          R：半径

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1和图2，分别为本发明一个实施例的主视图和左视图，本实施例列举了最佳的情形，即钻杆数量为3根、十字套筒数量为2个，但本发明并不限制钻杆和十字套筒的数量，也可以为更多。本发明的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构包括：钻杆11、12、13，十字套筒2，以及紧固块3。3根钻杆11、12、13通过两个十字套筒2依次套接起来。

如图2A至图2D所示，分别为本发明的钻杆12的主视图、左视图、俯视图以及剖视图。钻杆12两个端部均分别凸设有两个圆柱体101，且每一端的两个圆柱体101沿钻杆12的径向成180度角对称设置在端部两侧，而两端的圆柱体101轴线之间夹角可以任意，不一定取图中所示位置。钻杆12的两端设有锥度以成为锥面102，沿锥面102一周设有环形槽103，该环形槽103内设有密封垫圈4(参阅图1C、图1D)，以防止钻井液从钻杆12中外溢。

在本实施例中，本发明的万向联轴机构两端的两根钻杆11、13只有在与十字套筒2连接的一端设有圆柱体101，且该端部的锥面、环形槽等其他结构均与钻杆12的端部设置为一样。而没有设置圆柱体101的两端用于安装在旋转导向钻井工具上。

如图3A至图3D所示，分别为本发明的十字套筒2的主视图、左视图、俯视图以及立体图。在十字套筒2的两端均分别设有与圆柱体101配套的两个槽口21，每一端的两个槽口21沿十字套筒2的径向成180度角对称设置，以与钻杆12端部的圆柱体101对应，使圆柱体101能够嵌入于槽口21内。十字套筒2一端的两个槽口21的中心连线与另一端的两个槽口21的中心连线最佳为相互垂直，不是严格的垂直也可以，只要能把力分解到两个方向均可以顺利地转动。沿十字套筒2端部边缘一周设有环形槽22，在该环形槽22内的槽口21的两侧设有固定孔23。十字套筒2内部为空心的，在该十字套筒2内部亦设有与钻杆12的端部锥面102相对应的锥面(图中未示)，这样可以防止钻杆12与井的轴线产生夹角时十字套筒2与钻杆12产生干涉，使钻杆12可以轻松地偏移而与井的轴线产生夹角。

如图4A至图4C所示，为本发明的紧固块3的主视图、左视图以及俯视图，紧固块3整体呈与十字套筒2配套的弧形，其两端设有固定螺纹孔31，紧固块3设置于与槽口21对应的十字套筒2边缘，且位于十字套筒2边缘的环形槽22内。

结合本发明的图1A至图4C，本发明采用以下的连接方式：钻杆12的端部套设于十字套筒2内，且钻杆12端部的圆柱体101嵌入十字套筒2端部的槽口21内，与十字套筒配合，在工作时传递钻压和扭矩，紧固块3设置在槽口21处，通过螺栓连接固定孔23和固定螺纹孔31，将紧固块3固定在槽口21处，以防止钻杆12从十字套筒2的槽口21中脱落，通过这样的方式，将3根钻杆11、12、13依次连接起来，成为用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构。

需要说明的是，如果本发明采用3根以上钻杆，那么钻杆11、13则为端部的两根钻杆，钻杆12则在中间部分的数量为若干根，每两根相邻的钻杆之间套接一个十字套筒2，以此连接为本发明的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构。

本发明的万向联轴机构的位置可以紧邻可变径稳定器且远离钻头的一端。

本发明的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构的优点可从机械系统与控制系统两方面表述：

一、机械系统上产生的优点表现在：

首先，加入万向联轴机构是从运动学考虑，增加了旋转导向钻井工具的自由度。而增加了自由度的旋转导向钻井工具在井下工作时，由于钻压、稳定器、可变径稳定器的限制是可控的，其自由度并不显的多。与之相比较无万向联轴机构的旋转导向钻井工具的运动是欠自由度运动，依靠钻杆的变形以及转角使钻头发生偏转。显而易见，欠自由度的运动的实现是有困难的，这也是旋转导向钻井工具难以形成商业化产品的一个主要原因。

其次，从造斜力角度考虑。有万向联轴机构的旋转导向钻井工具在万向联轴机构到钻头部分构成杠杆体系，不考虑轴向力，它是以钻头尾部的稳定器为支点，以钻压在导向力方向的分力、导向集中力、重力、钻井液压力在支点一端，井壁对钻头侧压力在支点另一端构成杠杆平衡系统。

由于钻压在导向力方向的分力、导向集中力、重力、钻井液压力的总体产生的造斜效果大于导向力单独产生的造斜效果。因此可以以导向集中力产生的造斜力单独分析。假设导向集中力为15KN，井壁对钻头的侧向力到支点的力臂为350mm，导向力到支点的力臂为1050mm，那么根据杠杆平衡井壁对钻头的侧向力为45KN，即钻头产生的造斜力为45KN，而且导向力产生的造斜力不随井斜角、造斜率的增加而改变。且在钻压在导向集中力方向的分力、导向集中力、钻杆自身重力、钻井液压力的共同作用下造斜力是大于这个数值的。

下面是西安石油大学在参数设置较为合理情况下分析出的现有技术中无万向联轴机构的旋转导向钻井工具产生的造斜力结果。

表1同一条件下井斜角、导向集中力与钻头造斜力之间的关系

表2同一条件下井眼曲率、导向集中力与钻头造斜力之间的关系

此时钻头所处井斜角为15°，其中表格内数据为正值的是造斜力，数据为负值的是降斜力。为了达到较大的造斜率，希望造斜力越大越好。

从表1和表2可以看出，现有的无万向联轴机构的旋转导向钻井工具在15KN的导向集中力作用下钻头产生的造斜力为5.893KN至12.04KN,在同等情况下，只要增加万向联轴机构，造斜力可增加3.7倍至7.6倍以上，达到45KN(具体分析过程如前述段落),旋转导向钻井工具的造斜能力也将大大加强。

从表1、表2还可以看出，无万向联轴机构时造斜力随井斜角增加而减小，随井眼曲率的增加而减小，而增加了万向联轴机构时造斜力变化不是很大。从造斜力方面可以看出，增加万向联轴机构对于旋转导向钻井工具是非常必要的。

再次，经估算，增加本发明的万向联轴机构后旋转导向钻井工具在造斜率达到8.5°/30m的钻杆偏离井眼轴线的距离小于5毫米(估算为2毫米)，因此增加万向联轴机构是可以避免钻杆与十字套筒干涉的，增加万向联轴机构是可行的。

二、控制系统上产生的优点表现在：

把钻杆控制与钻头偏移之间复杂的传递函数简化为比例环节，从而降低旋转导向钻井工具整体控制难度，提高旋转导向钻井工具的可控性。

目前的控制系统，把力的传递作为控制量。其中从钻井液到可变径稳定器对钻杆的作用力的控制技术已经比较成熟，但是导向集中力到钻头的造斜力的传递函数是非常复杂的，由于该传递函数的复杂性造成了控制上的困难。但是在引入本发明的万向联轴机构后，导向集中力与钻头的造斜力传递函数在控制上是简单的比例环节，而钻杆重力，钻井液重力以及钻压在导向集中力上的分量对造斜力的影响也受比例环节制约。从钻井液到对钻杆施加力的控制，从导向集中力到钻头造斜力的比例环节，构成了低阶、易控的控制系统，这就大大简化井下控制系统，降低控制难度，从而使井下控制系统可以完成更多的工作，提高控制效率。

另外，应当指出的是，旋转导向钻井工具引入万向联轴机构后，其控制系统可以采用“位移-井眼轨迹控制”的方法，这与以前以力为研究对象进行井眼轨迹控制的“力-井眼轨迹控制”的方法是不相同的。“位移-井眼轨迹控制”就是把钻杆、钻头等相对于井眼轴线的偏移量作为研究对象，并研究不同部分之间的位移变化关系，最终达到井眼轨迹控制的目的。因为引入万向联轴机构后，钻杆偏移与钻头偏移的传递函数发生了根本的变化，下面主要阐述在有万向联轴机构时钻杆偏移与钻头偏移之间的关系。

以造斜率8.5°/30m为例，对旋转导向钻井工具的钻头偏移量及钻杆偏移量进行分析计算。

一、假设过渡段曲线的平均曲率半径为R，并把该段曲线看做半径为R的圆弧。竖井方向为y轴，造斜点为坐标原点建立坐标系，如图5所示。那么圆弧所在圆的方程为：

(x+R)²+y²＝R²                公式(1)

假设把30米内的曲线看作一段直线对R计算结果误差不大，即

x²+y²＝30²＝900              公式(2)

根据几何关系，该直线与初始点井眼轴线的夹角为8.5^°的一半，即

             公式(3)

由公式(1)、公式(2)、公式(3)可得：

R＝202.4米

二、假设实际轨迹曲线的曲率半径的变化范围在(1±20％)R之内，即造斜率为8.5°/30m的曲线各处的曲率半径在(161.92，242.8)之间，钻头在最小曲率半径处的偏移距离最大。故计算钻头在曲率半径为R＝161.92米时的偏移距离。

三、若井眼曲线的曲率半径为81.18米时，以该点为坐标原点，圆心与该点的连线为x轴建立坐标系，那么该处的方程为：

(x+161.92)²+y²＝161.92²           公式(4)

设钻头对井壁的作用点到满井眼固定稳定器的力臂为0.35米，即

x²+y²＝0.35²＝0.1225                 公式(5)

由公式(3)、公式(5)得：

x＝-0.000378米＝-0.378毫米

即钻头在作用点位置偏移0.378毫米

四、根据钻头在作用点处的偏移距离，根据杠杆的平衡关系确定导向力处钻杆的移动距离。

假设钻头对井壁的造斜力小于30千牛，钻头对井壁作用力处到满井眼固定稳定器的力臂为0.35米，导向力到满井眼固定稳定器的力臂为1.05米，杠杆一端合力在导向集中力处的等效力为Fa,为了减小井斜角、造斜率、钻头从一种地质层进入另一种地质层对旋转导向钻井工具控制的影响，应把导向力与钻头之间的钻杆的截面惯性矩取值尽可能地大，例如取钻杆内径为70毫米，外径为190毫米。根据杠杆的平衡关系可得：

Fa×1.05＝30×0.35

Fa＝10千牛

导向力处钻杆的偏移距离为：

y＝y₁+y₂+y₃                公式(6)

其中，y₁为Fa施加在钻杆上产生使钻杆产生的弹性变形；

y₂为使钻头达到偏移位置需要的钻杆的偏移量；

y₃为满井眼稳定器半径与井眼半径的差值。

很明显，y₂为有效值，y₁、y₃是与钻头的偏移无关但是又无法避免的物理量。

$\frac{y_2}{x}=\frac{1.05}{0.35}$

y₂＝3×0.378＝1.134毫米

钻杆的截面惯性矩：

钻杆的弹性模量为：

E＝2.1×10⁵MPa

一般为了保证满井眼稳定器能够顺利移动，其直径比井眼直径小1毫米。那么有：

y₃＝0.5毫米

故导向力处钻杆的偏移量为：

y＝y₁+y₂+y₃＝0.292+1.134+0.5＝1.926毫米

五、确定各处的曲率半径，用步骤三与步骤四可计算出该处的钻杆偏移量。

总结：由公式(6)以及步骤四的计算结果可以看出，钻杆上施加的导向力与钻头偏移量不是简单的对应关系，钻杆的偏移除了有效偏移，还有无效的弹性变形以及钻具与井眼之间的间隙补偿。而若把导向力与钻头之间的钻杆的截面惯性矩变得足够大的话，力对钻头的偏移的影响将会变得足够小。所举计算例子中力对钻头控制的影响约为15％，因此力的变化对于整个系统的控制的影响也将非常小，在这种条件下可以把一些非线性、变化复杂的量看作低阶无穷小量忽略不计。若能把力的平均影响简化为一个常量或者低阶函数，与杠杆系统综合考虑，则力产生的弹性变形与杠杆可等效为一个低阶的环节进行控制，此时在不考虑井斜角、造斜率、地层变化的情况下也可以实现对轨迹的控制或者把它们当作噪音处理。这样的结果是简化了控制系统，提升井下控制系统的工作量，减少地面对井下控制系统的调整工作，提高控制效率。甚至有可能在不需要地面对井下控制系统的调整就可能完成井眼的轨迹控制。这就是使用万向联轴机构对控制系统产生的优点。

总之，增加万向联轴机构是可行的，增加万向联轴机构后在同等的条件下旋转导向钻井工具的造斜能力将大大增强，相信在旋转导向钻井工具形成商业化产品的过程，将是旋转导向钻井工具必不可少的组成部分。

本发明的万向联轴机构在推靠式旋转导向钻井工具中是必不可少的，若能应用于指向式，对于指向式旋转导向钻井工具也是有益的。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其特征在于，包括：多根钻杆、十字套筒以及紧固块；其中

所述钻杆端部凸设有圆柱体，所述十字套筒的端部设有与该圆柱体配套的槽口，所述钻杆端部套设于所述十字套筒内，且所述钻杆端部的圆柱体嵌入于所述十字套筒端部的槽口内，所述紧固块固接于与槽口对应的十字套筒边缘，所述多根钻杆之间通过所述十字套筒依次套接起来。

2.根据权利要求1所述的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其特征在于，所述圆柱体为沿所述钻杆的径向成180度角的两个圆柱体。

3.根据权利要求2所述的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其特征在于，所述十字套筒两端分别设有两个槽口，其一端的两个槽口的中心连线与另一端的两个槽口的中心连线相互垂直。

4.根据权利要求1所述的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其特征在于，所述十字套筒沿其端部边缘一周设有环形槽，所述紧固块设于该环形槽内。

5.根据权利要求4所述的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其特征在于，所述环形槽内和所述紧固块上设有固定孔。

6.根据权利要求1所述的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其特征在于，所述钻杆端部设有锥度以形成锥面，沿着该锥面一周设有环形槽，该环形槽内设有密封垫圈。

7.根据权利要求6所述的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其特征在于，所述十字套筒的内部设有与所述钻杆端部的锥面相对应的锥面。

8.根据权利要求1所述的用于旋转导向钻井工具的万向联轴机构，其特征在于，所述的钻杆为3根，该3根钻杆通过两个十字套筒依次套接起来。