CN104563867A - 重力控制式旋转导向工具 - Google Patents

Abstract

本发明的重力控制式旋转导向工具涉及石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探等行业钻井导向控制装置领域，利用钻井过程中的钻井液作为整个旋转导向控制系统的动力源，通过重力偏心控制机构形成与外部钻柱旋转相独立的稳定平台，然后通过导流器、分配器和液流器的钻井液分流孔相互位置转换来控制钻井液的流向，从而控制整个系统中执行机构的巴掌伸缩，进而实现井眼轨迹的姿态调整需要。本旋转导向控制方法简单，不需要复杂的电子控制系统和稳定平台控制机构，结构设计合理，能达到提高导向钻井效率，降低钻井成本，改善井身质量的目的，与常规旋转导向系统相比具有操作方便，使用和维护成本低，便于操作，安全可靠的优点。

Description

重力控制式旋转导向工具

技术领域

本发明涉及石油天然气钻探、地质勘探、矿山钻探过程中的钻井导向装置领域，特别是一种重力控制式旋转导向工具。

背景技术

在石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探的过程中，导向井、水平井、大斜度井、大位移井等复杂结构井应用越来越广泛，对于钻井工艺技术提出了更高的要求。

随着地球上大部分油气田开发进入中后期，油气藏开发难度越来越大，大位移井、分支井、长水平段水平井等特殊工艺井已经成为适应这一开发形势需求的主要开发手段。这一类特殊工艺井的施工中最关键的一项工作就是对井眼轨迹的控制，即控制井眼轨迹按照设计好的井斜角、方位角钻进。

传统导向方式是利用弯外壳井下马达和PDC钻头进行滑动方式和复合方式钻进，它存在井眼轨迹控制差、钻进井深受限、井眼不圆滑、起下钻次数多等缺点，导致磨阻、扭矩增加，井身质量差，容易出现井下复杂情况，从而产生钻井成本高和钻井周期长等问题。

为了解决传统导向方式的缺陷，20世纪80年代末，出现闭环自动导向钻井技术，开始进行选择导向钻井系统理论研究。90年代发展起来的旋转导向钻井技术是一项尖端自动化钻井新技术，代表了目前世界最先进的钻井技术。该技术以旋转导向方式钻进，自动、灵活地调整井斜角和方位角，大大提高了钻井速度和钻井的安全性，轨迹控制精度高，能够满足目前开发特殊油藏的深井、超深井、大位移井、长水平段水平井等特殊工艺井导向钻井的需要，但是其复杂的控制系统带来了高昂的使用成本和维护成本，使该项技术不能形成规模应用。

发明内容

本发明主要为了解决现有导向系统中稳定平台控制精度不高，高精度旋转导向使用和维护成本昂贵而不能规模推广应用问题，提供一种成本低廉、结构简单、维护和使用成本低、可规模推广应用的重力控制式旋转导向工具。

本发明的技术方案包括

重力控制式旋转导向工具，主要由旋转导向外壳体1、重力偏心筒4、旋转支撑3、驱动和控制机构6、导流器11、 分配器12、 液流器13、支撑巴掌18和执行机构20组成，其中：重力偏心筒4的一内侧边带有偏心块5，重力偏心筒4的周边通过旋转支撑3与旋转导向外壳体1连接，重力偏心筒4的末端与分配器12密封连接，分配器12沿轴向外围均布3-6个分配器高压钻井液分配流道23；驱动和控制机构6通过联轴器7与导流器11的导流器心孔22连接，并设置在重力偏心筒4的末端内测，导流器11的心孔外围设有1个钻井液分配流道21；液流器13紧靠分配器12的外侧，液流器13 沿轴向外围均布3-6个液流器高压钻井液分配流道24；执行机构20设在分配器12下方的旋转导向外壳体1内，支撑巴掌18设在与执行机构20对应的旋转导向外壳体1外，支撑巴掌18通过旋转导向外壳体1上的支撑巴掌液压腔17和设在执行机构20内的动力液通道16与液流器13上的液流器高压钻井液分配流道24一一对应贯通；导流器11、 分配器12和液流器13上设有的钻井液分配流道21、分配器高压钻井液分配流道23 和液流器高压钻井液分配流道24保持在同一轴向园周线上。

上述方案还包括：

重力偏心筒4前端设置端盖2，末端靠近分配器12的内测周边设有钻井液过滤通道10；驱动和控制机构6固定在偏心块5上。

驱动和控制机构6固连的联轴器7外通过密封圈8与密封档环9连接，端盖2 与密封档环9首末配合将驱动和控制机构6密封在重力偏心筒4内。

液流器13 与执行机构20为分体结构，二者之间通过固定螺钉15和顶压弹簧14将液流器13紧靠在导流器12外侧面上，并通过导流管连通动力液通道16与液流器13上的液流器高压钻井液分配流道24。

分配器高压钻井液分配流道23 上、下、左、右各一个，液流器高压钻井液分配流道24为三个，对应的支撑巴掌18也为三个。

发明的效果：

本发明利用偏重力驱动机构平衡及导流器、分配器和液流器的相互作用控制的旋转导向方法。主要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，通过偏心机构、驱动机构和测控单元形成一稳定控制平台，通过导流器、分配器和液流器的相互作用控制钻井液的流向，从而控制整个系统的动作。本旋转导向控制方法简单，容易实现，本发明通过简单的导流器、分配器和液流器控制机构，只实现五个状态的相互转换基本能满足现场轨迹调整需要，不需要传统的旋转导向的复杂控制系统，因而成本低廉，容易实现，结构简单，维护和使用成本低，可规模推广应用。

与其他的旋转闭环自动钻井系统相比，本发明省略了复杂的稳定平台控制系统，而是利用偏心筒的重力作用平衡稳定控制平台，以简单的方式解决了稳定平台的稳定控制问题，使本发明结构简单，控制机构操作方便，不需要复杂的电路控制系统，使用和维护成本低。同时,该系统的稳定系统中的导流器和液流器分别与偏心筒上的分配器相互作用，而二者之间没有直接相互摩擦运动，大大提高了导向控制精度并延长了工具的控制系统使用寿命。　

附图说明

图1、本发明一种实施例的整体结构示意图

图2、图1中的导流器示意图

图3、图1中的分配器示意图

图4、图1中的液流器示意图

图中：1 旋转导向外壳体，2 端盖，3 旋转支撑， 4 偏心筒 ，5 重力偏心块（简称偏心块），6 驱动控制机构，7 联轴器，8 密封圈，9 密封档环                     10 钻井液过滤通道，11 导流器 ， 12 分配器 ，13 液流器，14 预压弹簧，15 固定螺钉， 16动力液通道，17支撑巴掌液压腔，18支撑巴掌 ，19钻井液主通道，20执行机构，21钻井液分配流道，22 导流器心孔，23 分配器高压钻井液分配流道，24 液流器高压钻井液分配流道 ，25 液流器心孔。

具体实施方式

下面结合附图和典型实施例来详细描述本发明。

实施例1

如图1～图4，重力控制式旋转导向工具，主要由旋转导向外壳体1、重力偏心筒4、旋转支撑3、驱动和控制机构6、导流器11、 分配器12、 液流器13、支撑巴掌18和执行机构20组成，其中：重力偏心筒4的一内侧边带有偏心块5，重力偏心筒4的周边通过旋转支撑3与旋转导向外壳体1连接，重力偏心筒4的末端与分配器12密封连接，分配器12沿轴向外围均布3-6个分配器高压钻井液分配流道23；驱动和控制机构6通过联轴器7与导流器11的导流器心孔22连接，并设置在重力偏心筒4的末端内测，导流器11的心孔外围设有1个钻井液分配流道21；液流器13紧靠分配器12的外侧，液流器13 沿轴向外围均布3-6个液流器高压钻井液分配流道24；执行机构20设在分配器12下方的旋转导向外壳体1内，支撑巴掌18设在与执行机构20对应的旋转导向外壳体1外，支撑巴掌18通过旋转导向外壳体1上的支撑巴掌液压腔17和设在执行机构20内的动力液通道16与液流器13上的液流器高压钻井液分配流道24一一对应贯通；导流器11、 分配器12和液流器13上设有的钻井液分配流道21、分配器高压钻井液分配流道23 和液流器高压钻井液分配流道24保持在同一轴向园周线上。

实施例2

在上述实施例1的基础上，进一步优化为：

重力偏心筒4前端设置端盖2，末端靠近分配器12的内测周边设有钻井液过滤通道10；驱动和控制机构6固定在偏心块5上。

驱动和控制机构6固连的联轴器7外通过密封圈8与密封档环9连接，端盖2 与密封档环9首末配合将驱动和控制机构6密封在重力偏心筒4内。

液流器13 与执行机构20为分体结构，二者之间通过固定螺钉15和顶压弹簧14将液流器13紧靠在导流器12外侧面上，并通过导流管连通动力液通道16与液流器13上的液流器高压钻井液分配流道24。

分配器高压钻井液分配流道23 上、下、左、右各一个，液流器高压钻井液分配流道24为三个，对应的支撑巴掌18也为三个。

上述实施例的旋转导向控制主要通过偏心重力块组成的偏心机构控制分配器的稳定，然后通过驱动结构和测控机构控制导流器的单一通道与分配器上的高压钻井液分配流道的位置来控制整个旋转导向的侧向力，实现旋转导向钻井的目的。具体的操作方法是，所有的零部件控制机构和支撑巴掌执行机构都包含在旋转导向外壳体1内、外，偏心筒4和旋转导向外壳体1之间安装有旋转支撑3，重力偏心块5和驱动控制机构6安装在偏心筒4内，偏心筒4 左端（即首端）安装有端盖2 右端（即末端）安装有密封挡环9，保证了驱动控制机构6不被钻井液侵蚀，带有重力偏心块的偏心筒4与分配器12连接，当正常钻进时，旋转支撑3保证了偏心筒4独利于外壳体的旋转运动，使分配器12始终固定而不随旋转导向外壳体1的旋转而变化, 钻进过程中钻井液通过偏心筒4 上的钻井液过滤通道10进入偏心筒4的腔室内，此时驱动控制机构6通过联轴器7控制导流器11的钻井液分配流道22转动到与分配器12 的高压钻井液分配流道23需要的位置相通，随着钻柱带动旋转导向外壳体1的旋转，安装在巴掌执行机构20上的液流器13的某一高压钻井液分配流道24跟随外壳体1转动到导流器11和分配器12钻井液流道相通的位置，此时高压钻井液就通过液流器流道口进入巴掌执行机构20的动力液通道16，然后进入支撑巴掌液压腔17内，推动支撑巴掌18伸出，从而对钻头产生预定方向的偏向力，巴掌执行机构20上均布有三个支撑巴掌机构，随着钻柱的旋转，液流器13的流道口转过导流器11的通流口21，高压钻井液通道将被切断，支撑巴掌将泄压缩回，随着钻柱的继续旋转，液流器13上的另一个高压钻井液通道将与导流器11的通流口21接通，高压钻井液进入相应的另一个支撑巴掌液压腔室17，推动支撑巴掌18伸出,重复上述过程，由于分配器12是独立的不随外部钻柱旋转，支撑巴掌18将总是在一个由导流器11和分配器12控制的高压钻井液分配流道相通特定的方向上伸出，达到旋转导向钻进的作用。当需要稳斜钻进时，将导流器上的高压钻井液通孔调整到与导流器的四个钻井液分配流道不相通的位置，此时钻井液将无法通过分配器，从而阻断了钻井液进入液流器的钻井液通道24，此时旋转钻进时，三个支撑巴掌都不会伸出，整个钻柱处于稳斜钻进模式中。本发明结构简单，稳定平台控制机构可靠，操作方便，不需要复杂的电路控制系统，使用和维护成本低。　

Claims (5)

1.  重力控制式旋转导向工具，其特征是主要由旋转导向外壳体[1]、重力偏心筒[4]、旋转支撑[3]、驱动和控制机构[6]、导流器[11]、 分配器[12]、 液流器[13]、支撑巴掌[18]和执行机构[20]组成，其中：重力偏心筒[4]的一内侧边带有偏心块[5]，重力偏心筒[4]的周边通过旋转支撑[3]与旋转导向外壳体[1]连接，重力偏心筒[4]的末端与分配器[12]密封连接，分配器[12]沿轴向外围均布3-6个分配器高压钻井液分配流道[23]；驱动和控制机构[6]通过联轴器[7]与导流器[11]的导流器心孔[22]连接，并设置在重力偏心筒[4]的末端内测，导流器[11]的心孔外围设有1个钻井液分配流道[21]；液流器[13]紧靠分配器[12]的外侧，液流器[13] 沿轴向外围均布3-6个液流器高压钻井液分配流道[24]；执行机构[20]设在分配器[12]下方的旋转导向外壳体[1]内，支撑巴掌[18]设在与执行机构[20]对应的旋转导向外壳体[1]外，支撑巴掌[18]通过旋转导向外壳体[1]上的支撑巴掌液压腔[17]和设在执行机构[20]内的动力液通道[16]与液流器[13]上的液流器高压钻井液分配流道[24]一一对应贯通；导流器[11]、 分配器[12]和液流器[13]上设有的钻井液分配流道[21]、分配器高压钻井液分配流道[23] 和液流器高压钻井液分配流道[24]保持在同一轴向园周线上。

2.  根据权利要求1所述的重力控制式旋转导向工具，其特征是：重力偏心筒[4]前端设置端盖[2]，末端靠近分配器[12]的内测周边设有钻井液过滤通道[10]；驱动和控制机构[6]固定在偏心块[5]上。

3.根据权利要求2所述的重力控制式旋转导向工具，其特征是：驱动和控制机构[6]固连的联轴器[7]外通过密封圈[8]与密封档环[9]连接，端盖[2] 与密封档环[9]首末配合将驱动和控制机构[6]密封在重力偏心筒[4]内。

4.根据权利要求1、2或3所述的重力控制式旋转导向工具，其特征是：液流器[13] 与执行机构[20]为分体结构，二者之间通过固定螺钉[15]和顶压弹簧[14]将液流器[13]紧靠在导流器[12]外侧面上，并通过导流管连通动力液通道[16]与液流器[13]上的液流器高压钻井液分配流道[24]。

5.根据权利要求4所述的重力控制式旋转导向工具，其特征是：分配器高压钻井液分配流道[23] 上、下、左、右各一个，液流器高压钻井液分配流道[24]为三个，对应的支撑巴掌[18]也为三个。