CN106050144A - 一种机械旋转导向钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明专利提供一种机械旋转导向钻井工具，主要由上接头、花键筒、花键轴、传动轴、外筒、活塞环、过渡环、锁紧销、大弹簧、活塞、定向键、小弹簧、限位警示环、下接头、柱塞、推板和液压端壳体组成。在定向钻进中，如果上提钻具，关闭泥浆通道，活塞解锁，机械旋转导向钻井工具转换成稳斜钻进模式，实施摆工具面或稳斜钻进；如果下放钻具，打开泥浆通道，活塞锁紧，机械旋转导向钻井工具转换成定向钻进模式，实施定向钻进。因此，使用机械旋转导向钻井工具，可有效解决定向井、水平井钻井过程中的工具面不稳和托压问题，同时，缩短测斜仪器到井底距离。

Description

一种机械旋转导向钻井工具

技术领域

本发明专利属于石油钻井机械领域，具体涉及一种机械旋转导向钻井工具，主要应用于石油天然气领域定向井、水平井钻井作业。

背景技术

钻井是把地下油气资源开采到地面的重要手段。目前，为提高油气田开发综合效益，定向井、水平井已经发展成为一种普遍钻井方式，而且，高难度水平井、三维水平井的数量越来越多。

在定向井、水平井钻井过程中，绝大多数井使用螺杆钻具和MWD/LWD仪器进行井眼轨迹控制和地质导向作业，虽然定向中存在工具面不稳、托压等各种困难，但是，操作简单，性价比高，使其成为定向井、水平井施工的首选方案。国外油服公司拥有先进的全自动旋转导向钻井系统，主要有贝克休斯的AutoTrak系列、斯伦贝谢的Power-Drive系列等，但是，由于其租赁服务费用昂贵，所以，海洋钻井和陆地极少数高难度水平井才有可能使用全自动旋转导向钻井系统。近几年，国内多家科技院校和油田钻井院相继投入研制全自动旋转导向钻井系统，公开报道的有中海油研究院，但是，距商业化应用还有很长一段路要走。

国外其他油服企业曾介绍过机械旋转导向钻井工具，例如国民油井，但是，国外的机械旋转导向钻井工具止步于现场试验阶段，没有检索到商业化推广应用的相关文献。

根据多年钻井现场经验，提出了一种结构简单、操作性强的机械旋转导向钻井工具，配合MWD/LWD仪器进行定向和地质导向作业，不仅可以克服螺杆钻具定向钻进时工具面不稳和托压问题，而且，还可以最大限度地缩短MWD/LWD仪器到井底的距离，具有极大的推广应用价值。

发明专利内容

本发明专利的目的是提供一种机械旋转导向钻井工具，用于解决定向井、水平井钻井过程中的工具面不稳、托压等问题。

本发明专利采用如下具体技术方案实现：

机械旋转导向钻井工具由上接头、花键筒、花键轴、传动轴、外筒、活塞环、过渡环、锁紧销、大弹簧、活塞、定向键、小弹簧、限位警示环、下接头、柱塞、推板和液压端壳体组成。

上接头和花键轴连接成一体，可以传递上部钻具的扭矩、拉力和钻压。

花键轴与花键筒配套使用，可以传递来自上部钻具的扭矩和拉力。

花键轴与花键筒之间的轴向相对移动，是机械旋转导向钻井工具转换定向钻进模式和稳斜钻进模式的关键。

花键轴与花键筒之间的液动密封，可以确保机械旋转导向钻井工具在泥浆压力下安全可靠，不刺，不漏。

花键轴与传动轴之间的轴向相对移动，使其作为传动轴泥浆通道开关，可以辅助机械旋转导向钻井工具实现定向钻进模式和稳斜钻进模式。

花键轴与传动轴配套使用，机械旋转导向钻井工具定向钻进模式时可以利用传动轴顶端面来承受钻压。

花键轴与过渡环、锁紧销和活塞配套使用，可以实现机械旋转导向钻井工具定向钻进模式和稳斜钻进模式的双向转换。

花键轴与过渡环、锁紧销和活塞配套使用，机械旋转导向钻井工具稳斜钻进模式时可以利用锁紧销来承受钻压。

花键筒、传动轴和下接头连接成一体，可以传递上部钻具的扭矩、拉力和钻压。

花键轴、传动轴、外筒、活塞环和大弹簧组成液压油压力供应系统。

传动轴和外筒之间的液动密封，活塞环与传动轴、外筒之间的液动密封，使传动轴、外筒和活塞环之间构成一个环形泥浆腔。

传动轴上按照120°均布设计有三个泥浆通道，用于连通钻具水眼与环形泥浆腔。

当传动轴和花键轴相互移动将泥浆通道关闭时，钻具水眼内的高压泥浆无法进入环形泥浆腔；当传动轴和花键轴相互移动将泥浆通道打开时，钻具水眼内的高压泥浆通过泥浆通道进入环形泥浆腔，推动活塞环下行，压缩大弹簧，将泥浆压力转换成液压油压力。

花键轴、过渡环、传动轴、锁紧销、活塞和小弹簧组成一套双向锁紧装置，是机械旋转导向钻井工具转换定向钻进模式和稳斜钻进模式的执行机构。

过渡环安装固定在传动轴上并与传动轴形成一体。

当花键轴在过渡环与传动轴之间的环形空间内向上移动并离开锁紧销时，锁紧销将活塞解锁，活塞在泥浆压力作用下可以向下移动，同时，锁紧销将花键轴锁紧，使花键轴无法向下移动；当花键轴在过渡环与传动轴之间的环形空间内向下移动挡住锁紧销时，锁紧销将活塞锁紧，活塞在泥浆压力作用下无法向下移动，同时，锁紧销将花键轴解锁，花键轴可以上下自由移动。

锁紧销将花键轴锁紧时，上部钻具的钻压按照花键轴、锁紧销、过渡环、传动轴的顺序依次向下传递。

传动轴、外筒、活塞环、大弹簧、柱塞和液压端壳体共同构成密闭液压油腔室和液压油通道。当活塞环在环形泥浆腔内高压泥浆作用下下行时，压缩大弹簧，给液压油施加压力并使其流动，继而推动柱塞伸出。在没有高压泥浆作用时，活塞环利用弹簧弹性复位，柱塞被收回。

活塞、小弹簧、传动轴、定向键和液压端壳体组成定向(锁紧)机构。当活塞在泥浆压力作用下下行时，压缩小弹簧，定向键嵌入液压端壳体把传动轴和液压端壳体锁紧在一起，传动轴和液压端壳体之间无法相对转动，通过传动轴即可定向摆工具面，或者说稳斜钻进，机械旋转导向钻井工具执行稳斜钻进模式；当活塞未下行时，传动轴和液压端壳体之间可自由转动，机械旋转导向钻井工具执行定向钻进模式。

柱塞、推板和液压端壳体组成液压端总成。在液压端壳体上，按照120°均布设计有三个扶正棱，其中两个扶正棱内安装柱塞和推板，一个扶正棱内安装定向机构。在液压油压力作用下，柱塞伸出并推动推板支撑在井壁上，井壁反作用力反过来推动机械旋转导向钻井工具定向钻进。由于两个井壁反作用力的大小相等，方向均通过井眼中心且成120°夹角，因此，两个井壁反作用力的矢量和方向通过井眼中心且指向定向机构，或者说，按照120°均布设计两个推板和一个定向机构时，定向机构所在方向就是机械旋转导向钻井工具的工具面方向。

限位警示环通过立管压力变化可以间接反映机械旋转导向钻井工具工作模式。当定向摆工具面或者稳斜钻进模式时，活塞下行接触到限位警示环，泵压升高；当定向钻进模式时，活塞无法下行接触限位警示环，泵压不变。

限位警示环还兼顾作为小弹簧台肩和活塞下行限位装置。

本发明专利的有益效果是：如果稳斜钻进，接单根后上提钻具，花键轴上行并处在花键筒上位，关闭传动轴三个泥浆通道，双向锁紧装置将活塞解锁，开泵，钻具水眼内的高压泥浆无法进入环形泥浆腔推动活塞环下行，继而推板无法伸出支撑在井壁上，机械旋转导向钻井工具可自由旋转，同时，活塞在泥浆压力作用下向下运动，压缩小弹簧，并推动定向键嵌入液压端壳体把传动轴和液压端壳体锁紧在一起，传动轴和液压端壳体之间无法相对转动，观察立管压力判断机械旋转导向钻井工具转换成稳斜钻进模式后，下放钻具加压稳斜钻进。

如果定向钻进，接单根后先上提钻具，开泵，观察立管压力判断机械旋转导向钻井工具转换成稳斜钻进模式时，转动钻具摆工具面，然后停泵，下放钻具，花键轴下行并处在花键筒下位，打开传动轴三个泥浆通道，双向锁紧装置将活塞锁紧，开泵，钻具水眼内的高压泥浆进入环形泥浆腔推动活塞环下行，继而推板伸出支撑在井壁上，同时，活塞在泥浆压力作用下无法向下运动，液压端壳体和传动轴之间可自由转动，观察立管压力判断机械旋转导向钻井工具转换成定向钻进模式后，下放钻具加压定向钻进。

附图说明

附图1是本发明专利机械旋转导向钻井工具的正向剖面图。

附图标记说明：1-上接头、2-花键筒、3-花键轴、4-传动轴、5-外筒、6-活塞环、7-过渡环、8-锁紧销、9-大弹簧、10-活塞、11-定向键、12-小弹簧、13-限位警示环、14-下接头、15-柱塞、16-推板、17-液压端壳体。

具体实施方式

机械旋转导向钻井工具如图1所示，主要由上接头(1)、花键筒(2)、花键轴(3)、传动轴(4)、外筒(5)、活塞环(6)、过渡环(7)、锁紧销(8)、大弹簧(9)、活塞(10)、定向键(11)、小弹簧(12)、限位警示环(13)、下接头(14)、柱塞(15)、推板(16)、液压端壳体(17)组成。

下面结合附图和实施例对本发明专利机械旋转导向钻井工具作进一步说明。

上接头(1)和花键轴(3)连接成一体，可以传递上部钻具的扭矩、拉力和钻压。

花键轴(3)与花键筒(2)配套使用，可以传递来自上部钻具的扭矩和拉力。

花键轴(3)与花键筒(2)之间的轴向相对移动，是机械旋转导向钻井工具转换定向钻进模式和稳斜钻进模式的关键。

花键轴(3)与花键筒(2)之间的液动密封，可以确保机械旋转导向钻井工具在泥浆压力下安全可靠，不刺，不漏。

花键轴(3)与传动轴(4)之间的轴向相对移动，使其作为传动轴(4)泥浆通道开关，可以辅助机械旋转导向钻井工具实现定向钻进模式和稳斜钻进模式。

花键轴(3)与传动轴(4)配套使用，机械旋转导向钻井工具定向钻进模式时可以利用传动轴(4)顶端面来承受钻压。

花键轴(3)与过渡环(7)、锁紧销(8)和活塞(10)配套使用，可以实现机械旋转导向钻井工具定向钻进模式和稳斜钻进模式的双向转换。

花键轴(3)与过渡环(7)、锁紧销(8)和活塞(10)配套使用，机械旋转导向钻井工具稳斜钻进模式时可以利用锁紧销(8)来承受钻压。

花键筒(2)、传动轴(4)和下接头(14)连接成一体，可以传递上部钻具的扭矩、拉力和钻压。

花键轴(3)、传动轴(4)、外筒(5)、活塞环(6)和大弹簧(9)组成液压油压力供应系统。

传动轴(4)和外筒(5)之间的液动密封，活塞环(6)与传动轴(4)、外筒(5)之间的液动密封，使传动轴(4)、外筒(5)和活塞环(6)之间构成一个环形泥浆腔。

传动轴(4)上按照120°均布设计有三个泥浆通道，用于连通钻具水眼与环形泥浆腔。

当传动轴(4)和花键轴(3)相互移动将泥浆通道关闭时，钻具水眼内的高压泥浆无法进入环形泥浆腔；当传动轴(4)和花键轴(3)相互移动将泥浆通道打开时，钻具水眼内的高压泥浆通过泥浆通道进入环形泥浆腔，推动活塞环(6)下行，压缩大弹簧(9)，将泥浆压力转换成液压油压力。

活塞(10)、过渡环(7)、花键轴(3)、传动轴(4)、锁紧销(8)、和小弹簧(12)组成一套双向锁紧装置，是机械旋转导向钻井工具定向钻进模式和稳斜钻进模式转换的执行机构。

过渡环(7)安装固定在传动轴(4)上并与传动轴(4)形成一体。

当花键轴(3)在过渡环(7)与传动轴(4)之间的环形空间内向上移动并离开锁紧销(8)时，活塞(10)解锁，活塞(10)在泥浆压力作用下可以向下移动，同时，花键轴(3)锁紧，花键轴(3)无法向下移动；当花键轴(3)在过渡环(7)与传动轴(4)之间的环形空间内向下移动并挡住锁紧销(8)时，活塞(10)锁紧，活塞(10)在泥浆压力作用下无法向下移动，同时，花键轴(3)解锁，花键轴(3)可上下自由移动。

锁紧销(8)将花键轴(3)锁紧时，上部钻具的钻压按照花键轴(3)、锁紧销(8)、过渡环(7)、传动轴(4)的顺序依次向下传递。

传动轴(4)、外筒(5)、活塞环(6)、大弹簧(9)、柱塞(15)和液压端壳体(17)共同构成密闭液压油腔室和液压油通道。当活塞环(6)在环形泥浆腔内高压泥浆作用下下行时，压缩大弹簧(9)，给液压油施加压力并使其流动，继而推动柱塞(15)伸出。在没有高压泥浆作用时，活塞环(6)利用弹簧弹性复位，柱塞(15)被收回。

活塞(10)、小弹簧(12)、传动轴(4)、定向键(11)和液压端壳体(17)组成定向(锁紧)机构。当活塞(10)在泥浆压力作用下下行时，压缩小弹簧(12)，定向键(11)嵌入液压端壳体(17)把传动轴(4)和液压端壳体(17)锁紧在一起，传动轴(4)和液压端壳体(17)之间无法相对转动，通过传动轴(4)即可定向摆工具面，或者说稳斜钻进，机械旋转导向钻井工具执行稳斜钻进模式；当活塞(10)未下行时，传动轴(4)和液压端壳体(17)之间可自由转动，机械旋转导向钻井工具执行定向钻进模式。

柱塞(15)、推板(16)和液压端壳体(17)组成液压端总成。在液压端壳体(17)上，按照120°均布设计有三个扶正棱，其中两个扶正棱内安装柱塞(15)和推板(16)，一个扶正棱内安装定向机构。在液压油压力作用下，柱塞(15)伸出并推动推板(16)支撑在井壁上，井壁反作用力反过来推动机械旋转导向钻井工具定向钻进。由于两个井壁反作用力的大小相等，方向均通过井眼中心且成120°夹角，因此，两个井壁反作用力的矢量和方向通过井眼中心且指向定向机构，或者说，按照120°均布设计两个推板(16)和一个定向机构时，定向机构所在方向就是机械旋转导向钻井工具的工具面方向。

限位警示环(13)通过立管压力变化可以间接反映机械旋转导向钻井工具工作模式。当定向摆工具面或者稳斜钻进模式时，活塞(10)下行接触到限位警示环(13)，泵压升高；当定向钻进模式时，活塞(10)无法下行接触限位警示环(13)，泵压不变。

限位警示环(13)还兼顾作为小弹簧(12)台肩和活塞(10)下行限位装置。

实施例1

如果稳斜钻进，接单根后上提钻具，花键轴(3)上行并处在花键筒(2)上位，关闭传动轴(4)三个泥浆通道，双向锁紧装置将活塞(10)解锁，开泵，钻具水眼内的高压泥浆无法进入环形泥浆腔推动活塞环(6)下行，继而推板(16)无法伸出支撑在井壁上，机械旋转导向钻井工具可自由旋转，同时，活塞(10)在泥浆压力作用下向下运动，压缩小弹簧(12)，并推动定向键(11)嵌入液压端壳体(17)把传动轴(4)和液压端壳体(17)锁紧在一起，传动轴(4)和液压端壳体(17)之间无法相对转动，观察立管压力判断机械旋转导向钻井工具转换成稳斜钻进模式后，下放钻具加压稳斜钻进。

实施例2

如果定向钻进，接单根后先上提钻具，开泵，观察立管压力判断机械旋转导向钻井工具转换成稳斜钻进模式时，转动钻具摆工具面，然后停泵，下放钻具，花键轴(3)下行并处在花键筒(2)下位，打开传动轴(4)三个泥浆通道，双向锁紧装置将活塞(10)锁紧，开泵，钻具水眼内的高压泥浆进入环形泥浆腔推动活塞环(6)下行，继而推板(16)伸出支撑在井壁上，同时，活塞(10)在泥浆压力作用下无法向下运动，液压端壳体(17)和传动轴(4)之间可自由转动，观察立管压力判断机械旋转导向钻井工具转换成定向钻进模式后，下放钻具加压定向钻进。

以上对本发明专利的说明仅是优选范例，并不能被理解为对本发明专利技术方案内容的限制。以上内容在具体应用中，技术人员有可能需要根据具体情况作个别调整和改变，所述调整和改变均应落入本发明专利所附权利要求的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种机械旋转导向钻井工具，其特征在于：机械旋转导向钻井工具主要由上接头(1)、花键筒(2)、花键轴(3)、传动轴(4)、外筒(5)、活塞环(6)、过渡环(7)、锁紧销(8)、大弹簧(9)、活塞(10)、定向键(11)、小弹簧(12)、限位警示环(13)、下接头(14)、柱塞(15)、推板(16)、液压端壳体(17)组成。

2.根据权利要求1所述的一种机械旋转导向钻井工具，其特征在于：花键轴(3)与花键筒(2)配套使用可以传递来自上部钻具的扭矩，而且，花键轴(3)与花键筒(2)的轴向相对移动是机械旋转导向钻井工具实现定向钻进模式和稳斜钻进模式转换的关键。

3.根据权利要求1所述的一种机械旋转导向钻井工具，其特征在于：花键轴(3)与传动轴(4)的轴向相对移动，使花键轴(3)作为传动轴(4)上三个120°均布泥浆通道的开关，可以辅助机械旋转导向钻井工具转换定向钻进模式和稳斜钻进模式。

4.根据权利要求1所述的一种机械旋转导向钻井工具，其特征在于：花键轴(3)、传动轴(4)、外筒(5)、活塞环(6)和大弹簧(9)组成液压油压力供应系统；传动轴(4)和外筒(5)之间的液动密封，活塞环(6)与传动轴(4)、外筒(5)之间的液动密封，使传动轴(4)、外筒(5)和活塞环(6)之间构成一个环形泥浆腔；传动轴(4)上按照120°均布设计有三个泥浆通道，用于连通钻具水眼与环形泥浆腔。

5.根据权利要求1所述的一种机械旋转导向钻井工具，其特征在于：活塞(10)、过渡环(7)、花键轴(3)、传动轴(4)、锁紧销(8)、和小弹簧(12)组成一套双向锁紧装置，是机械旋转导向钻井工具转换定向钻进模式和稳斜钻进模式的执行机构；当花键轴(3)在过渡环(7)与传动轴(4)之间的环形空间内向上移动并离开锁紧销(8)时，活塞(10)解锁，活塞(10)在泥浆压力作用下可以向下移动，同时，花键轴(3)锁紧，花键轴(3)无法向下移动；相反，当花键轴(3)在过渡环(7)与传动轴(4)之间的环形空间内向下移动挡住锁紧销(8)时，活塞(10)锁紧，活塞(10)在泥浆压力作用下无法向下移动，但是，花键轴(3)解锁，花键轴(3)可上下自由移动。

6.根据权利要求1所述的一种机械旋转导向钻井工具，其特征在于：传动轴(4)、外筒(5)、活塞环(6)、大弹簧(9)、柱塞(15)和液压端壳体(17)共同构成密闭液压油腔室和液压油通道。当活塞环(6)在环形泥浆腔内高压泥浆作用下下行时，压缩大弹簧(9)，给液压油施加压力并使其流动，继而推动柱塞(15)伸出；在没有高压泥浆作用时，活塞环(6)利用弹簧弹性复位，柱塞(15)被收回。

7.根据权利要求1所述的一种机械旋转导向钻井工具，其特征在于：活塞(10)、小弹簧(12)、传动轴(4)、定向键(11)和液压端壳体(17)组成定向(锁紧)机构；当活塞(10)在泥浆压力作用下下行时，压缩小弹簧(12)，定向键(11)嵌入液压端壳体(17)把传动轴(4)和液压端壳体(17)锁紧在一起，传动轴(4)和液压端壳体(17)之间无法相对转动，通过传动轴(4)即可定向摆工具面，或者说稳斜钻进，机械旋转导向钻井工具执行稳斜钻进模式；当活塞(10)未下行时，传动轴(4)和液压端壳体(17)之间可自由转动，机械旋转导向钻井工具执行定向钻进模式。

8.根据权利要求1所述的一种机械旋转导向钻井工具，其特征在于：柱塞(15)、推板(16)和液压端壳体(17)组成液压端总成。在液压端壳体(17)上，按照120°均布设计有三个扶正棱，其中两个扶正棱内安装柱塞(15)和推板(16)，一个扶正棱内安装定向(锁紧)机构。

9.根据权利要求1所述的一种机械旋转导向钻井工具，其特征在于：限位警示环(13)通过立管压力变化可以间接反映机械旋转导向钻井工具工作模式；当定向摆工具面或者稳斜钻进模式时，活塞(10)下行接触到限位警示环(13)，泵压升高；当定向钻进模式时，活塞(10)无法下行接触限位警示环(13)，泵压不变。