CN107219085A - 动态指向式旋向钻井工具动态导向模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动态指向式旋向钻井工具动态导向模拟装置，包括机架、钻头、负载轴和液压马达；液压马达的输出轴与负载轴连接，将扭矩传递给负载轴，油缸通过向心球轴承球安装在负载轴上，油缸用于给负载轴提供轴向力，挡圈上沿周向均匀安装有多个万向滚珠，万向滚珠一侧安装有用来抵消液油缸给工具施加轴向力的挡板，挡板与万向滚珠的接触面为球面；通过加载轴向力和扭矩，可以对动态指向式旋转导向钻井工具进行导向性能以及其他方面试验研究，本发明不仅可以作为试验研究，而且可以作为指向式旋转导向工具的性能测试。

Description

动态指向式旋向钻井工具动态导向模拟装置

技术领域

本发明属于石油钻井工程领域，具体涉及动态指向式旋向钻井工具动态导向模拟装置。

背景技术

为了满足油气资源勘探开发的要求，大位移井、三维多目标多分支井、长水平段水平井等复杂结构井越来越多。常规钻井技术已经不能满足复杂井钻井工艺的技术要求，其钻井效率低下、井眼净化差、井深质量差、井下复杂情况频发等诸多问题严重影响着我国钻井事业和石油开采技术的发展。因此旋转导向钻井技术应运而生，即采用旋转导向钻井系统在旋转钻井方式下实现井斜和方位的调整，配合随钻测量技术的井下控制技术，在进行井下测量信息实时反馈的同时，自动调整井下工具的造斜能力，实现复杂井眼轨迹的连续和自动控制，提高钻井效率和开发效益。国外石油公司根据各种偏置原理研发出了多种类型的旋转导向钻井系统，并已经成功进行了商业化应用，取得了很高的经济效益。国内在这方面的研究起步较晚，还未研发出能够成功商业化应用的旋转导向钻井工具。国内研究机构在国外技术的基础上也进行了旋转导向钻井装置的研究，虽然在原理上都能实现定向钻井和方位调整，但由于缺乏实验方面的研究，很多关键技术仍无法突破。目前还没有针对动态动态指向式旋转导向钻井工具的试验模拟装置，无法进行试验研究。

发明内容

为解决上述问题，本发明目的在于提出动态指向式旋向钻井工具动态导向模拟装置，在实验室条件下真实模拟动态指向式旋转导向钻井工具在加载之后的导向能力，以及动态指向式旋转导向钻井工具控制性能，从而验证动态指向式旋转导向钻井工具的可靠性。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

动态指向式旋向钻井工具动态导向模拟装置，包括机架、钻头、负载轴、负载轴和液压马达；液压马达的输出轴与负载轴连接，将扭矩传递给负载轴，负载轴端安装有向心球轴承球，油缸通过向心球轴承球安装在负载轴上，油缸用于给负载轴提供轴向力，油缸包括油缸空心轴和油缸体，环形的挡圈通过螺栓与油缸的油缸体连接，挡圈上沿周向均匀安装有多个万向滚珠，万向滚珠一侧安装有用来抵消液压油缸给工具施加轴向力的挡板，挡板安装在机架上，挡板与万向滚珠的接触面为球面；

负载轴另一端与通过法兰钻头连接，将扭矩传递给钻头；负载轴上通过推力球轴承安装有用来测量负载轴轴向力大小的压力传感器。

进一步，油缸体套在油缸空心轴上，油缸空心轴和油缸体之间形成两个油腔，一个油腔开有进油孔，另一油腔开有出油孔。

进一步，油缸空心轴和油缸体的两个油腔之间设有O型密封圈，油缸空心轴和油缸体连接的端部设有毡圈油封，且毡圈油封内部与油缸空心轴接触部分和毡圈油封外部与油缸体接触部分都有O型密封圈。

进一步，输出轴与负载轴之间设有平键一。

进一步，负载轴通过平键二与法兰一连接，将扭矩传递给法兰一，法兰一与法兰二通过螺栓连接，法兰一与法兰二中间加有平键三，法兰二通过平键四与钻头连接。

进一步，油缸空心轴一端设置有透盖，透盖通过螺栓与负载轴连接，用来传递轴向力。

进一步，油缸通过向心球轴承球安装在负载轴上。

本发明的有益效果是：

1、本发明可用于研究动态指向式旋转导向钻井工具在加载后的导向能力、工具的控制性能、动态指向式旋转导向钻井工具的可靠性，为旋转导向钻井工具的研究提供理论依据。

2、本发明的轴向加载装置采用液压加载，能够为动态指向式旋转导向钻井工具提供近似钻井状况的轴向载荷，该装置由油缸体和油缸空心轴以及密封件组成，可实现模拟钻压的均匀加载、卸载。采用液压进行轴向力加载能够达到实际钻井载荷，再者液压加载能够更为精确的控制加载力的大小。

3、本发明的扭矩装置采用液压马达，液压马达可提供实际钻井的扭矩，采用液压马达用来提供扭力阻尼，在柱塞不受侧向力作用，缸体产生倾覆力矩较小，可提供较大的扭矩。

4、本发明测量装置中的压力传感器在实验过程中可实时感应和测量轴向压力，并通过信号电缆将数据传至数据处理装置进行处理。

5、本发明的固定装置机架上开有均布的螺栓孔，可以满足不同长度尺寸的旋转导向钻井工具的试验研究。同时机架上也可以安装其他实验装置进行其他方面的实验研究。

6、本发明的轴向反作用力抵消装置，能够抵消钻头在导向偏摆时液压缸给钻头施加的轴向力，同时能够抵消钻头在有一定的偏摆角度时液压缸给钻头施加的轴向力。轴向反作用力抵消装置上安装有万向滚珠，能够减小钻头在各个方向偏摆的过程中产生的摩擦力。

7、本发明采用万向滚珠实现360度的任意角度和方向旋转，能够满足钻头导向工作性能的要求，同时万向滚珠是滚动摩擦，大大减小的钻头导向摆动时钻头与挡板的摩擦力。万向滚珠一侧与其连接部件之间装有弹簧。主要作用在于消除因装配或者生产时产生的误差所导致钻头在带动液压马达等部分摆动时与挡板卡死的现象。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图中：1、钻头；2、法兰二；3、卡子；4、平键二；5、法兰一；6、向心球轴承球；7、油缸密封；8、外隔圈；9、内隔圈；10油缸空心轴；11、油孔一；12、油孔二；13、O型密封圈；14、密封圈；15、平键一；16、液压马达；17、输出轴；18、油缸体；19、负载轴；20、挡板；21、万向滚珠；22、弹簧；23、挡圈；24、孔用挡圈；25、透盖；26、压力传感器；27、挡圈一；28、推力球轴承；29、平键三；30、机架。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的动态指向式旋向钻井工具动态导向模拟装置主要由钻头1；法兰二2；卡子3；平键二4；法兰一5；向心球轴承球6；油缸密封7；外隔圈8；内隔圈9；油缸空心轴10；油孔一11；油孔二12；O型密封圈13；密封圈14；平键一15；液压马达16；输出轴17；油缸体18；负载轴19；挡板20；万向滚珠21；弹簧22；挡圈23；24、孔用挡圈；透盖25；压力传感器26；挡圈一27；推力球轴承28；平键三29；机架30组成。

液压马达16的输出轴17通过平键三与负载轴19连接，将扭矩传递给负载轴19，负载轴19通过平键二4与法兰一5连接，将扭矩传递给法兰一5。同时负载轴19右端装有两个由外隔圈8和内隔圈9隔开的向心球轴承球6用来实现负载轴19与油缸空心轴的动静分离。油缸通过向心球轴承球6安装在负载轴19上，油缸用于给负载轴19提供轴向力，油缸包括油缸空心轴10和油缸体18，环形的挡圈23通过螺栓与油缸的油缸体18连接，挡圈23上沿周向均匀安装有多个万向滚珠21，万向滚珠21与挡圈之间安装有弹簧，万向滚珠21一侧安装有用来抵消液油缸给工具施加轴向力的挡板20，挡板20安装在机架30上，挡板20与万向滚珠21的接触面为球面；万向滚珠21的作用是减小工具在摆动过程中与挡圈23产生的摩擦力。

负载轴19的左端上装有推力球轴承28，压力传感器26通过推力球轴承28安装在负载轴19上用来测量负载轴19轴向力大小，推力球轴承28用来实现挡圈一27和压力传感器26的动静分离。

法兰一5与法兰二2通过螺栓连接，为了提高扭矩传递能力，法兰一5与法兰二2中间加有平键三29，法兰二2通过平键四与钻头1连接，将扭矩传递给钻头1。

两个向心球轴承球的外圈与油缸空心轴10连接。

油缸空心轴10左端与透盖25通过螺栓连接，用来传递轴向力。透盖25套在负载轴19上。

透盖25左端与压力传感器26连接，压力传感器26与挡圈一27连接，挡圈一27左端与推力球轴承连接28，推力球轴承连接28左端与法兰一5连接。将轴向力传递给法兰二2，法兰二2将轴向力传递给钻头1。

透盖25、油缸空心轴10与负载轴19的连接部分都有油缸封圈7。用来防止外部灰尘等杂物进入向心球轴承球6以及防止向心球轴承球6的润滑油泄出。

油缸空心轴10套在油缸体18内形成两个油腔。油缸空心轴10套在油缸体18右端以及两个油腔之间有O型密封圈13密封，油缸空心轴10套在油缸体18左端有油缸封圈7，且油缸封圈7内部与油缸空心轴10接触部分和外部与油缸体18接触部分都有O型密封圈13密封。

万向滚珠21右端装有挡板20，用来抵消液压缸给工具施加的轴向力。挡板20下端安装在机架上。挡板20左面是一球面。

轴向部件能够满足承载实际钻井力的要求，轴向承力零件能够满足钻井的要求。

实施例1

如果需要给工具加载钻压，油泵将通过油孔二12给右边油腔加压。油压推动油缸空心轴10将轴向力传递通过透盖25、压力传感器26、挡圈一27、推力球轴承28、法兰一5、法兰二2传递给钻头1。如果需要卸载，油孔二12先泄压，然后油泵通过油孔一11给左边油腔加压达到卸载效果。

实施例2

如果需要加载扭矩，液压马达通过输出轴17、平键一15、负载轴19、平键二4、法兰一5、法兰二2、卡子3传递给钻头1。

实施例3

如果钻头1在加载的时候需要摆动，钻头1带动除了挡板之外的部件西进行任意方向的摆动。挡板抵消轴向力所产生的轴向反作用力。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.动态指向式旋向钻井工具动态导向模拟装置，其特征在于：包括机架(30)、钻头(1)、负载轴(19)和液压马达(16)；

液压马达(16)的输出轴(17)与负载轴(19)连接将扭矩传递给负载轴(19)，油缸包括油缸空心轴(10)和油缸体(18)，油缸通过承球安装在负载轴(19)上，油缸用于给负载轴(19)提供轴向力，环形的挡圈(23)通过螺栓与油缸的油缸体(18)连接，挡圈(23)上沿周向均匀安装有多个万向滚珠(21)，万向滚珠(21)与挡圈(23)之间安装有弹簧(22)，万向滚珠(21)一侧安装有用来抵消油缸给工具施加轴向力的挡板(20)，挡板(20)安装在机架(30)上，挡板(20)与万向滚珠(21)的接触面为球面；

负载轴(19)另一端通过法兰与钻头(1)连接，将扭矩传递给钻头(1)；负载轴(19)上通过推力球轴承(28)安装有用来测量负载轴(19)轴向力大小的压力传感器(26)。

2.根据权利要求1所述的动态指向式旋向钻井工具动态导向模拟装置，其特征在于：油缸体(18)套在油缸空心轴(10)上，油缸空心轴(10)和油缸体(18)之间形成两个油腔，一个油腔开有进油孔，另一油腔开有出油孔。

3.根据权利要求2所述的动态指向式旋向钻井工具动态导向模拟装置，其特征在于：油缸空心轴(10)和油缸体(18)的两个油腔之间装有O型密封圈(13)，油缸空心轴(10)和油缸体(18)连接的端部装有密封圈(14)，且油缸封圈(7)内部与油缸空心轴(10)接触部分和油缸封圈(7)外部与油缸体(18)接触部分都有O型密封圈(13)。

4.根据权利要求1-3任一项所述的动态指向式旋向钻井工具动态导向模拟装置，其特征在于：输出轴(17)与负载轴(19)之间装有平键一(15)。

5.根据权利要求1-3任一项所述的动态指向式旋向钻井工具动态导向模拟装置，其特征在于：负载轴(19)通过平键二(4)与法兰一(5)连接，将扭矩传递给法兰一(5)，法兰一(5)与法兰二(2)通过螺栓连接，法兰一(5)与法兰二(2)中间加有平键三(29)，法兰二(2)通过卡子(3)与钻头(1)连接。

6.根据权利要求1-3任一项所述的动态指向式旋向钻井工具动态导向模拟装置，其特征在于：油缸空心轴(10)一端安装有透盖(25)，透盖(25)通过螺栓与油缸体(18)连接，用来传递轴向力。

7.根据权利要求1-3任一项所述的动态指向式旋向钻井工具动态导向模拟装置，其特征在于：油缸通过向心球轴承球(6)安装在负载轴(19)上。