CN107882507A - 一种高造斜率旋转导向钻井工具 - Google Patents
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Abstract
一种高造斜率旋转导向钻井工具，包括稳定平台、液压分配单元、偏置执行单元和万向节单元；稳定平台由上、下悬挂支撑，上、下涡轮发电机、电子仓和控制轴组成；液压分配单元由上、下盘阀等液压系统组成；偏置执行单元由活塞推块、调节环总成和导向套筒组成；万向节单元由钻压传递装置和扭矩传递装置组成；本发明通过采用调节环总成、钻压传递装置和扭矩传递装置，分别将钻压和扭矩传递到钻头上，使钻压和扭矩分开传递，利用杠杆增力原理使钻头轴向发生偏移，给钻头提供一个推靠力，实现了很高的造斜率，最终达到导向的目的；能有效避免恶劣钻井环境的影响，减少了故障率，降低了钻井风险，延长了工具寿命。
Description
技术领域
本发明专利涉及油气资源钻探领域的钻井工具，特别涉及一种高造斜率旋转导向钻井工具。
背景技术
旋转导向钻井技术代表了当今世界钻井技术发展的最高水平，主要包括地面监控系统、双向通讯系统、井下测量系统、井下控制系统及井下旋转导向工具等五部分。该技术具有钻井效率高，安全性高，井眼质量好，岩屑不易沉积摩阻小，能适应恶劣环境和复杂地质，位移延伸能力强，以及更加智能化自动化等优点，克服了滑动钻井技术的诸多缺陷。由于非常规油气资源的开发，特别是页岩气的开发，对钻井技术的要求越来越高，常规的旋转导向钻井技术对于超深井、大位移井、丛式水平井等高难度复杂定向井的高效开发具有局限性，存在着造斜能力偏低、作业成本高等问题。
目前市场上的旋转导向钻井工具根据导向方式的不同，可分为推靠式和指向式两种形式。推靠式旋转导向钻井工具的特点是能够在钻头处产生一个的推靠力，推靠力的大小与活塞面积和内外压差有关，所以推靠力大小有限；同时，由于推板伸缩频繁，工具的磨损严重。指向式旋转导向钻井工具利用偏心机构迫使心轴发生弯曲变形，使钻头翘起一定的角度。对于偏心环式的偏心机构，它在使钻头产生一定角度的同时，对心轴的偏心力大小是一定的，因此钻头处的侧向力大小也一定。并且，工具工作时，心轴处于挠曲状态，整个心轴承受较大的交变载荷，容易发生疲劳损坏，影响工具寿命。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明专利提供了一种高造斜率旋转导向钻井工具，该工具除具有常规旋转导向钻井工具的起下钻次数少、机械钻速高、钻井作业效率高、井眼轨迹控制精确等优势外，还具有造斜能力强、造斜率可控范围宽、造斜点可以较深的明显特征。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种高造斜率旋转导向钻井工具包括稳定平台单元、液压分配单元、偏置执行单元和万向节单元；
所述稳定平台单元包括控制轴7，控制轴7上依次安装有上涡轮发电机3、电子仓4和下涡轮发电机5，控制轴7安装在上悬挂主支撑22和下悬挂主支撑21上，上悬挂主支撑22和下悬挂主支撑21固接于钻铤1上。
所述液压分配单元包括控制轴7上安装的上盘阀8和下盘阀9，上盘阀8上开有弧形状的高压孔；下盘阀9与万向轴10连接，所述万向轴10通过螺栓19固接于钻铤1上，下盘阀9上设置有3个夹角为120度的低压孔，低压孔与活塞推块12的液压腔相通。
所述偏置执行单元包括安装在钻铤1上的调节环总成11，以及相互成120度角均布于万向轴10上的活塞推块12，所述调节环总成11包括保护套11-1、调节环11-2、深沟球轴承11-3、套筒11-4、推力球轴承11-5，调节环11-2通过深沟球轴承11-3和推力球轴承11-5安装在钻铤1上，调节环11-2凹面呈球面状，调节环11-2凹面内滑动设置有导向套筒13，所述导向套筒13内置万向节单元，导向套筒13外接钻头17。
所述万向节单元包括钻压传递装置14和扭矩传递装置16，所述钻压传递装置14包括上球面导向块14-7和下球面导向块14-4，上球面导向块14-7通过推力球轴承14-2和深沟球轴承14-3安装在万向轴10上，轴承保护套14-1通过螺纹连接于上球面导向块14-7，上球面导向块14-7通过螺母14-5固定套筒14-6；下球面导向块14-4通过螺栓18固接于导向套筒13内；所述扭矩传递装置16包括球笼外壳16-1，球笼外壳16-1内设置有滚珠16-3，球笼外壳16-1通过固定螺母16-2固定于下球面导向块14-4中。
本发明专利具有的优点和积极效果是：
1)通过结合指向式和推靠式的特征，巧妙地利用钻压传递装置、扭矩传递装置和调节环总成将两套系统的原理融合到了一套系统中，实现了很高的造斜率。同时，造斜点较深，储层泄油面积大，产量高；起下钻次数少，机械转速高，钻井作业效率和安全性高；钻井摩阻和扭矩小，井眼质量和井眼轨迹控制精度高。
2)通过采用钻压传递装置和扭矩传递装置，分别将钻压和扭矩传递到钻头上，这样可以使钻压和扭矩分开传递，避免通过同一构件传递，导致工具不能正常工作。
3)通过采用一体化封闭式设计，工作机构都在工具内部，避免了恶劣钻井环境的影响，减少了故障率，降低了钻井风险，延长了工具寿命。
附图说明
图1为本发明专利的原理结构图；
图2为本发明专利的导向状态示意图；
图3为本发明专利的局部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细叙述。
参照图1，一种高造斜率旋转导向钻井工具包括稳定平台单元、液压分配单元、偏置执行单元和万向节单元；
所述稳定平台单元包括控制轴7，控制轴7上依次安装有上涡轮发电机3、电子仓4和下涡轮发电机5，控制轴7通过轴承23和轴承20安装在上悬挂主支撑22和下悬挂主支撑21上，上悬挂主支撑22和下悬挂主支撑21通过螺栓2和螺栓6固接于钻铤1上。所述的稳定平台单元通过平衡扭矩来保证工具面角在旋转时保持稳定，上涡轮发电机3为钻井工具提供电力，顺时针旋转；下涡轮发电机5为扭矩发生器，逆时针旋转。上、下涡轮发电机35之间装有密封的电子仓4，电子仓4内装控制电路、存储单元和测量工具面角、井斜角、方位角的三轴重力加速度计、陀螺测斜仪等测试单元。
所述液压分配单元包括控制轴7上安装的上盘阀8和下盘阀9，所述上盘阀8由所述控制轴7控制，不随钻柱旋转，上盘阀8上开有弧形状的高压孔；下盘阀9与万向轴10连接，下盘阀9与钻柱连接，随钻柱一起旋转，所述万向轴10通过螺栓19固接于钻铤1上，下盘阀9上设置有3个夹角为120度的低压孔，低压孔与活塞推块12的液压腔相通，在导向时，钻井液由上盘阀9的高压孔经过下盘阀8的低压孔流入活塞推块12的液压腔，相应的活塞推块12依次推靠导向套筒13内壁，通过扭矩传递装置16作为支点，利用杠杆增力原理使钻头轴向发生偏移，产生一个类似指向式的角度。同时，扶正器接触井壁后，会给钻头提供一个侧向推靠力，使钻头偏向需要钻进的方向，最终达到导向的目的。当需要稳斜时，稳定平台带动上盘阀8，使其和钻柱以不同的某一转速作匀转速运动，这时活塞推块12依次推靠导向套筒13四周，综合作用到钻头处的侧向推靠力和倾角就等于零，此时工具稳斜钻进，不导向。
所述偏置执行单元包括安装在钻铤1上的调节环总成11，以及相互成120度角均布于万向轴10上的活塞推块12，所述调节环总成11包括保护套11-1、调节环11-2、深沟球轴承11-3、套筒11-4、推力球轴承11-5，调节环11-2通过深沟球轴承11-3和推力球轴承11-5安装在钻铤1上，调节环11-2凹面呈球面状，调节环11-2凹面内滑动设置有导向套筒13，导向套筒13在所述调节环11-2内滑动，所述导向套筒13内置万向节单元，导向套筒13外接钻头17。在液压分配单元的控制下，活塞推块12依次推靠导向的套筒11-4内壁，给钻头提供侧向推靠力和倾角。调节环11-2控制钻头倾角的大小，可以分为多个等级，工作时根据所需的造斜率进行选择。
参照图3，所述万向节单元包括钻压传递装置14和扭矩传递装置16，所述钻压传递装置14包括上球面导向块14-7和下球面导向块14-4，上球面导向块14-7通过推力球轴承14-2和深沟球轴承14-3安装在万向轴10上，轴承保护套14-1通过螺纹连接于上球面导向块14-7，上球面导向块14-7通过螺母14-5固定套筒14-6；下球面导向块14-4通过螺栓18固接于导向套筒13内；所述扭矩传递装置16包括球笼外壳16-1，球笼外壳16-1内设置有滚珠16-3，球笼外壳16-1通过固定螺母16-2固定于下球面导向块14-4中。钻压通过钻压传递装置14的上下球面导向块和扭矩传递装置16的外壳传递到钻头上，而不是直接作用在扭矩传递装置的滚珠16-3上。上下球面导向块的圆心在扭矩传递装置16的中心上，目的是适应钻头倾角的变化。扭矩通过扭矩传递装置16传递到钻头上，在工具连续转动时，扭矩传递装置16作为支点将钻头指向需要定向钻进的方向。
本发明专利的工作原理：
参照图2，当该工具需要导向工作时，所述稳定平台单元通过上涡轮发电机3和下涡轮发电机5的扭矩平衡来保证工具面角在旋转时保持稳定，即所述上盘阀8相对于地面稳定，所述下盘阀9随所述钻铤1一起旋转，周期性的控制所述活塞推块12依次所述推靠导向套筒13内壁，通过所述扭矩传递装置16作为支点，利用杠杆增力原理使所述钻头17轴向发生偏移，产生一个类似指向式的角度。所述上涡轮发电机3为工具提供电力，顺时针旋转；所述下涡轮发电机5为扭矩发生器，逆时针旋转。同时，扶正器15接触井壁后，会给所述钻头17提供一个侧向推靠力，使钻头偏向需要钻进的方向，最终达到导向的目的。
当该工具需要稳斜工作时，所述稳定平台控制所述上盘阀8，使所述上盘阀8和所述钻铤1以不同的某一转速作匀转速运动，这时所述活塞推块12依次推靠所述导向套筒13内壁四周，综合作用到所述钻头17处的侧向推靠力和倾角就等于零，此时工具稳斜钻进，不导向。
钻压通过所述钻压传递装置14的上球面导向块14-7和下球面导向块14-4传递到所述钻头17上，而不是直接作用在所述扭矩传递装置16的滚珠16-3上。所述上球面导向块14-7和所述下球面导向块14-4的圆心在所述扭矩传递装置16的中心上，目的是适应所述钻头17倾角的变化。扭矩通过所述扭矩传递装置16传递到所述钻头17上。在工具连续转动时，所述扭矩传递装置16作为支点将所述钻头17指向需要定向钻进的方向。所述调节环总成11控制所述钻头17倾角的大小，可以分为多个等级，工作时根据所需的造斜率进行选择。
尽管上面结合附图对本发明专利的实施方式进行了描述，但是本发明专利并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，本领域的普通技术人员在本发明专利的启发下，在不脱离本发明专利宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明专利的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高造斜率旋转导向钻井工具，其特征在于，包括稳定平台单元、液压分配单元、偏置执行单元和万向节单元；
所述稳定平台单元包括控制轴(7)，控制轴(7)上依次安装有上涡轮发电机(3)、电子仓(4)和下涡轮发电机(5)，控制轴(7)安装在上悬挂主支撑(22)和下悬挂主支撑(21)上，上悬挂主支撑(22)和下悬挂主支撑(21)固接于钻铤(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种高造斜率旋转导向钻井工具，其特征在于，所述液压分配单元包括控制轴(7)上安装的上盘阀(8)和下盘阀(9)，上盘阀(8)上开有弧形状的高压孔；下盘阀(9)与万向轴(10)连接，所述万向轴(10)通过螺栓(19)固接于钻铤(1)上，下盘阀(9)上设置有3个夹角为120度的低压孔，低压孔与活塞推块(12)的液压腔相通。
3.根据权利要求1所述的一种高造斜率旋转导向钻井工具，其特征在于，所述偏置执行单元包括安装在钻铤(1)上的调节环总成(11)，以及相互成120度角均布于万向轴(10)上的活塞推块(12)，所述调节环总成(11)包括保护套(11-1)、调节环(11-2)、深沟球轴承(11-3)、套筒(11-4)、推力球轴承(11-5)，调节环(11-2)通过深沟球轴承(11-3)和推力球轴承(11-5)安装在钻铤(1)上，调节环(11-2)凹面呈球面状，调节环(11-2)凹面内滑动设置有导向套筒(13)，所述导向套筒(13)内置万向节单元，导向套筒(13)外接钻头(17)。
4.根据权利要求1所述的一种高造斜率旋转导向钻井工具，其特征在于，所述万向节单元包括钻压传递装置(14)和扭矩传递装置(16)，所述钻压传递装置(14)包括上球面导向块(14-7)和下球面导向块(14-4)，上球面导向块(14-7)通过推力球轴承(14-2)和深沟球轴承(14-3)安装在万向轴(10)上，轴承保护套(14-1)通过螺纹连接于上球面导向块(14-7)，上球面导向块(14-7)通过螺母(14-5)固定套筒(14-6)；下球面导向块(14-4)通过螺栓(18)固接于导向套筒(13)内；所述扭矩传递装置(16)包括球笼外壳(16-1)，球笼外壳(16-1)内设置有滚珠(16-3)，球笼外壳(16-1)通过固定螺母(16-2)固定于下球面导向块(14-4)中。
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