CN105525873B - 推靠式旋转导向装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种推靠式旋转导向装置及其使用方法，该装置包括：具有中心通道的芯轴；可旋转地套接于芯轴外的外套；设置在外套的外壁内的摆动式翼肋；用于控制各摆动式翼肋分别进行摆动的促动机构；多个沿周向间隔开地设置在外套的外壁内的检测器，其能够实时检测其与井壁之间的距离；控制器，其能够通过检测到的距离判定促动机构是否需要促动摆动式翼肋进行摆动。根据本发明的推靠式旋转导向装置通过检测器的实时检测，可以及时检测到扩径和缩径的井段，由此可以避免该旋转导向装置在此进行导向，从而可以避免其导向偏离预设方向，进而确保所钻斜井的井斜和方位。

Description

推靠式旋转导向装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种推靠式旋转导向装置及其使用方法。
背景技术
在钻井技术领域中，旋转导向钻井系统得到了广泛的应用，旋转导向系统可以在旋转钻井过程中根据轨迹控制的需要，实时调节井斜和方位，从而提高钻井速度。
旋转导向钻井系统通过其旋转导向装置来促使钻头或钻柱进行方向偏移，从而产生导向。根据导向方式的不同，该旋转导向装置可划分为推靠式和指向式两种。推靠式是在钻头附近直接给钻头提供侧向力，指向式是弯曲钻头附近处的钻柱以使钻头指向井眼轨迹控制方向。
在钻井过程中，由于钻具所钻地层岩性的变化不定，导致井壁的尺寸不够稳定，井眼大小随着地层岩性的变化而发生变化，因此在不同地层岩性的井段可能存在扩径或缩径的情况。由于旋转导向装置的导向功能取决于其翼肋推靠在井壁上的推靠力的大小和方向，因此当井眼大小发生变化时，翼肋与井壁接触的状态就会发生变化，从而导致推靠力的大小发生变化，致使该旋转导向装置的导向方向偏离预设方向。
为了避免旋转导向装置的导向偏离预设方向，只有避开扩径或缩径的井段进行后再启动该旋转导向装置进行导向。但是，由于现有的旋转导向装置不能及时检测到扩径和缩径的井段，因此很容易导致该旋转导向装置的导向偏离预设方向，致使所钻斜井的井斜和方位不够理想。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种推靠式旋转导向装置及其使用方法，其能够及时检测到扩径和缩径的井段，由此可以避免该旋转导向装置的导向偏离预设方向，从而保证所钻斜井的井斜和方位。
根据本发明的第一方面，提供了一种推靠式旋转导向装置，其包括：具有中心通道的芯轴；可转动地套接于芯轴外的外套；多个沿周向间隔开地设置在外套的外壁内的摆动式翼肋；用于控制各摆动式翼肋分别进行摆动的促动机构；多个沿周向间隔开地设置在外套的外壁内的检测器，检测器能够实时检测其与井壁之间的距离；控制器，其能够通过检测到的距离判定促动机构是否需要促动摆动式翼肋进行摆动。
在一个实施例中，检测器为超声波传感器。
在一个实施例中，在外套的外壁上设有安装槽，超声波传感器包括固定设置在安装槽内并能够实现检测功能的换能单元和固定在安装槽的顶端开口处的保护窗。
在一个实施例中，超声波传感器还包括设在安装槽的槽底与换能单元之间的减震座和设在保护窗与换能单元之间的透声窗，以及被透声窗密封在安装槽内的保压填充物。
在一个实施例中，保护窗由不锈钢材料制成，并具有多个透声孔，透声窗由氟橡胶或硅橡胶制成，保压填充物为硅油。
在一个实施例中，摆动式翼肋与检测器的数量相同，各摆动式翼肋在周向上分别与相应的检测器相互对齐。
在一个实施例中，在芯轴的外壁上设有周向凹槽，外套安装在周向凹槽内并能够独立旋转。
在一个实施例中，还包括能够切断或传递芯轴向外套输入的动力的离合器。
根据本发明的第二方面，提供了一种根据本发明的第一方面的推靠式旋转导向装置的使用方法，包括步骤：通过的推靠式旋转导向装置的检测器实时检测检测器与井壁之间的距离；判定距离是否处于正常范围，如果处于正常范围，推靠式旋转导向装置的促动机构将促动其各摆动式翼肋分别进行摆动，如果处于非正常范围，促动机构不工作。
在一个实施例中，正常范围为(Rh-Δmin)～(Rh+Δmax)，非正常范围就是除正常范围以外的范围。其中，Rh等于标准井眼的半径减去检测器到芯轴的中心轴线的距离，Δmin为下限限制值，Δmax上限限制值。
根据本发明的推靠式旋转导向装置通过检测器的实时检测，可以及时检测到扩径和缩径的井段，由此可以避免该旋转导向装置在此进行导向，从而可以避免其导向偏离预设方向，进而确保所钻斜井的井斜和方位。
根据本发明的推靠式旋转导向装置，通过采用的超声波传感器不仅可以避免旋转导向装置在扩径或缩径的井段中进行导向，而且还可以连续测量井径，从而得井径随深度变化的变化情况，以便在计算机内能够模拟出油井的空间结构。
根据本发明的推靠式旋转导向装置的结构简单紧凑，加工方便，装配容易，使用安全高效，便于实施推广应用。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为根据本发明的推靠式旋转导向装置的结构示意图；
图2为根据本发明的推靠式旋转导向装置的检测器的结构示意图，同时示出了外套；以及
图3显示了根据本发明的推靠式旋转导向装置的离合器及芯轴。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图1显示了根据本发明的推靠式旋转导向装置100(以下简称旋转导向装置100)。该旋转导向装置100能够促动钻头或钻柱顺利进行方向偏移，从而产生导向作用。
根据本发明的推靠式旋转导向装置100包括具有中心通道12a的芯轴12，以及可转动地套接于芯轴12外的外套14。其中，芯轴12的上游端可通过螺纹结构与钻具或泥浆马达相连，而下游端也可通过螺纹结构与钻杆或钻头的转换接头相连。
为了防止外套14在芯轴12上来回串动，在芯轴12的外壁上设有周向凹槽12b，并把外套14安装在周向凹槽12b内。其中，该周向凹槽12b优选处于芯轴12的中央处，其由两个环形的槽侧壁和槽底组成。为了实现外套14的顺畅转动，在外套14的内壁与芯轴12的周向凹槽12b的槽底之间设有径向轴承、例如深沟球轴承，以便允许外套14进行独立转动。同时，在外套14的上游端(即图1内靠近左侧的端部)与周向凹槽12b的槽侧壁之间设有推力轴承19，在外套14的下游端(即图1内靠近右侧的端部)与周向凹槽12b的另个槽侧壁之间也设有推力轴承19，以便向芯轴12可以提供轴向支撑，从而承受钻压和钻具的重量。
根据本发明的推靠式旋转导向装置100还包括多个沿周向间隔开地设置在外套14的外壁内的摆动式翼肋17，其也可以简称为翼肋17。该翼肋17在摆动后能够把端部抵靠在井壁上，以便提供导向所需的侧向力。为了保证该翼肋17可以进行摆动，该旋转导向装置100还包括促动机构18，其用于控制各翼肋17进行独立摆动。所述的促动机构18优选为液压机构，其与翼肋17均属于本领域技术人员熟知的，在此不作详细描述。
根据本发明的推靠式旋转导向装置100还包括多个沿周向间隔开地设置在外套14的外壁内的检测器15。检测器15能够实时检测其与井壁之间的距离。同时，该旋转导向装置100还包括控制器16。该控制器16通过检测器15检测到的距离可以确定被检测处的井眼大小，并且判定此处井眼是否适合导向。对于是否适合导向，取决于井眼扩径和缩径的程度是否处于正常范围，正常范围应选为(Rh-Δmin)～(Rh+Δmax)，其中，Rh等于标准井眼的半径减去检测器15到芯轴12的中心轴线的距离，Δmin为下限限制值，Δmax上限限制值。标准井眼的半径属于预设值，Δmin可选为15mm～25mm，Δmax可选为10mm～20mm。如果适合导向，促动机构18便可以控制各翼肋17进行相应摆动，以便进行导向所需的侧向力，如果不适合导向，检测器15不会开启促动机构18。通过这种方式，可以避免旋转导向装置100在扩径或缩径的井段中进行导向，由此可以避免其导向偏离预设方向，进而确保所钻斜井的井斜和方位。
在一个优选的实施例中，摆动式翼肋17与检测器15的数量相同，各摆动式翼肋17在周向上分别与相应的检测器15相互对齐。通过这种方式检测到的距离更加接近未摆动时的摆动式翼肋17到井壁之间的距离，由此便于控制器16更加精准控制摆动式翼肋17。检测器15设置成邻近该摆动式翼肋17，这样也可以便于控制器16更加精准控制摆动式翼肋17。
另外，该旋转导向装置100还包括与控制器16相连的姿态检测器和压力传感器。姿态检测器可为三轴加速度传感器，以用于检测旋转该旋转导向装置100的空间姿态，包括其所处位置的井斜角、各翼肋17的工具面角。三轴加速度器和各压力传感器通过控制器16进行快速计算，得到旋转导向装置100的空间姿态以及翼肋17所受的来自于液压机构的压力。所述的三轴加速度传感器、压力传感器以及控制器16均属于本领域技术人员熟知的，在此不作详细描述
检测器15可优选为超声波传感器，当然可以选择为其他类型的能够实时检测其与井壁之间的距离的传感器。超声波传感器不仅可以避免旋转导向装置100在扩径或缩径的井段中进行导向，而且还可以连续测量井径，从而得井眼大小随深度变化的变化情况，以便在计算机内能够模拟出油井的空间结构。
为了确保超声波传感器的结构不易损坏，在外套14的外壁上设有安装槽35，请参见图2。超声波传感器包括固定设置在安装槽35内并能够实现检测功能的换能单元31和固定在安装槽35的顶端开口处的保护窗34。其中，换能单元31可选为换能器，但其应选为能够承受高温高压(即150℃和150MPa)的换能器。在控制器16给予激励信号后，换能器可以发送并接收声波，通过声波的传播时间计算出所要测量的距离。保护窗34可采用不锈钢材料制成，并具有多个透声孔。该保护窗34不仅可以防止换能单元31受到井壁摩擦，而且还可以防止泥浆颗粒进入到安装槽35内。
在一个优选的实施例中，该摆动式翼肋17还包括设在安装槽35的槽底与换能单元31之间的减震座32和设在保护窗34与换能单元31之间的透声窗33，以及被透声窗33密封在安装槽35内的保压填充物(未示出)。减震座32可选用橡胶材料制成，而透声窗33可采用声阻抗与硅油、井眼泥浆相匹配的材料制成，例如采用氟橡胶或硅橡胶制成。这种材质的保护窗34有利于声波在传播过程中降低该声波的衰减。保压填充物优选为与井眼泥浆相匹配的材料、例如硅油，以确保检测器15内外的压力达到平衡。
如图1和3所示，该旋转导向装置100还包括能够切断或传递芯轴12向外套14输入的动力的离合器11。该离合器11包括设在芯轴12与外套14之间的主动件21和从动件20，以及促动主动件21与从动件20相互分离或接合的推动单元19。其中，推动单元19可为直线电机、液压缸或电磁位移机构，由此可以实现芯轴12与外套14之间的动力的切断和接合。从动件20与主动件21均设置在推力轴承19的径向外侧或径向内侧，并且分别可选为能够相互啮合的齿轮、相互配合的花键件或相互摩擦的摩擦轮。
旋转导向装置100可以通过离合器11来切断或传递芯轴12向外套14输入的动力，当钻井过程需要导向时，离合器11可以切断芯轴12向外套14输入的动力，允许外套14不跟随芯轴12进行旋转而是相对于井壁静止，从而可以保证该旋转导向装置100提供的偏向力精准充足，以便钻头顺利进行方向偏移；当钻井过程不需要导向时，离合器11可以把芯轴12的动力传递给外套14，促使外套14跟随芯轴12同步旋转，提高该旋转导向装置100的转动惯量，增加其能量贮藏，从而有利于钻头高效稳定的钻井。
以下介绍根据本发明的推靠式旋转导向装置100的使用方法，其包括以下步骤，即首先通过检测器15实时检测其与井壁之间的距离，然后通过检测的距离来判定其是否处于正常范围，如果是处于正常范围，该推靠式旋转导向装置100通过控制器16来控制促动机构18，并通过促动机构18促动各翼肋17分别进行摆动，如果处于非正常范围，控制器16停止促动机构18不工作。其中，正常范围可选为(Rh-Δmin)～(Rh+Δmax)，其中，Rh等于标准井眼的半径减去检测器15到芯轴12的中心轴线的距离，Δmin为下限限制值，Δmax上限限制值。标准井眼的半径属于预设值，Δmin可选为15mm～25mm，Δmax可选为10mm～20mm。通过这种控制方式，可以避免旋转导向装置100在扩径或缩径的井段中进行导向，由此可以避免其导向偏离预设方向，进而保证所钻斜井的斜度能够到达理想结果。
根据本发明的推靠式旋转导向装置100通过检测器15的实时检测可以及时检测到扩径和缩径的井段，由此可以避免该旋转导向装置100的导向偏离预设方向，从而保证所钻斜井的斜度。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种推靠式旋转导向装置，包括：
具有中心通道的芯轴，芯轴的上游端通过螺纹结构与钻具或泥浆马达相连，芯轴的下游端通过螺纹结构与钻杆或钻头的转换接头相连；
可转动地套接于所述芯轴外的外套；
多个沿周向间隔开地设置在所述外套的外壁内的摆动式翼肋；
用于控制各所述摆动式翼肋分别进行摆动的促动机构；
多个沿周向间隔开地设置在所述外套的外壁内的检测器，所述检测器能够实时检测其与井壁之间的距离；以及
控制器，其能够通过检测到的所述距离判定所述促动机构是否需要促动所述摆动式翼肋进行摆动。
2.根据权利要求1所述的推靠式旋转导向装置，其特征在于，所述检测器为超声波传感器。
3.根据权利要求2所述的推靠式旋转导向装置，其特征在于，在所述外套的外壁上设有安装槽，所述超声波传感器包括固定设置在所述安装槽内并能够实现检测功能的换能单元和固定在所述安装槽的顶端开口处的保护窗。
4.根据权利要求3所述的推靠式旋转导向装置，其特征在于，所述超声波传感器还包括设在所述安装槽的槽底与换能单元之间的减震座和设在所述保护窗与换能单元之间的透声窗，以及被所述透声窗密封在所述安装槽内的保压填充物。
5.根据权利要求4所述的推靠式旋转导向装置，其特征在于，所述保护窗由不锈钢材料制成，并具有多个透声孔，所述透声窗由氟橡胶或硅橡胶制成，所述保压填充物为硅油。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的推靠式旋转导向装置，其特征在于，各所述摆动式翼肋分别与相应的检测器在周向上相互对齐。
7.根据权利要求1到5中任一项所述的推靠式旋转导向装置，其特征在于，在所述芯轴的外壁上设有周向凹槽，所述外套安装在周向凹槽内并能够独立旋转。
8.根据权利要求1到5中任一项所述的推靠式旋转导向装置，其特征在于，还包括能够切断或传递所述芯轴向所述外套输入的动力的离合器。
9.一种推靠式旋转导向装置的使用方法，其特征在于，包括步骤：
通过根据权利要求1到8中任一项所述的推靠式旋转导向装置的检测器实时检测所述检测器与井壁之间的距离；
判定所述距离是否处于正常范围，如果处于所述正常范围，所述推靠式旋转导向装置的促动机构将促动其各摆动式翼肋分别进行摆动，如果处于非正常范围，所述促动机构不工作。
10.根据权利要求9所述的使用方法，其特征在于，所述正常范围为(R-Δmin)～(R+Δmax)，其中，R等于标准井眼的半径减去所述检测器到所述芯轴的中心轴线的距离，Δmin为下限限制值，Δmax上限限制值。
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