CN108661558A - 动态可偏旋转导向工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油、天然气等钻探领域的钻井工具，是一种动态可偏旋转导向工具。针对问题：现有旋转导向钻井工具结构复杂，内部空腔多，不紧凑。采用方案：利用一个固定在圆套筒内两个可调的偏心圆筒可设定的使钻头偏向一侧井壁。包含特征：主轴，内偏心圆筒，外偏心圆筒，圆套筒，驱动机构A，锁紧机构A，锁紧机构B，锁紧机构C，驱动机构B；内偏心圆筒可旋转的套接在主轴上；外偏心圆筒可旋转的套接在内偏心圆筒上；圆套筒一端可旋转的套接在外偏心圆筒上，圆套筒另一端固定连接钻柱；有益效果：利用两个可调的偏心圆筒调整，使钻头偏置，从而加大了钻头的单边切削，实现导向目的。

Description

动态可偏旋转导向工具

技术领域

本发明涉及石油、天然气等钻探领域的钻井工具，是一种动态可偏旋转导向工具。

背景技术

现有技术中，旋转导向钻井工具主要有推靠式和指向式两种。其中，推靠式旋转导向钻井工具是在工具外周均匀设置三个可伸缩翼肋,三个翼肋可选择的推靠设定方向的井壁，导致钻头偏移，从而加大了钻头的单边切削，实现对钻头钻进方向的控制，达到导向的目的；然而，导向钻井工具的体积尤其是半径大小是受限的，设置三个可伸缩翼肋使其构造复杂，而且内部空腔大，对材料要求高。

指向式旋转导向钻井工具通过一个内置的偏置机构可为钻头提供一个与井眼轴线不一致的倾角，进而产生导向作用。然而，该工具结构复杂，活动部件多，内部空腔大，结构不够紧凑。

发明一种结构简单，内部空腔少，结构紧凑的旋转导向钻井工具，是时之所需。

发明内容

本发明针对的技术问题是：现有旋转导向钻井工具结构复杂，内部空腔多，不紧凑。

本发明采用的技术方案是：利用一个固定在圆套筒内两个可调的偏心圆筒可设定的使钻头偏向一侧井壁，从而加大钻头的单边切削，以实现导向目的。

本发明包含的技术特征有：一种动态可偏旋转导向工具，包括，主轴，内偏心圆筒，外偏心圆筒，圆套筒，驱动机构A，锁紧机构A，锁紧机构B，锁紧机构C，驱动机构B；主轴一端固定连接钻头，主轴另一端连接驱动机构A；驱动机构A可驱动主轴旋转。

其特征在于，内偏心圆筒可旋转的套接在主轴上；外偏心圆筒可旋转的套接在内偏心圆筒上；圆套筒一端可旋转的套接在外偏心圆筒上，圆套筒另一端固定连接钻柱；锁紧机构A设置于主轴与内偏心圆筒之间，可把内偏心圆筒与主轴锁紧在一起；锁紧机构B设置于内偏心圆筒与外偏心圆筒之间，可把外偏心圆筒与内偏心圆筒锁紧在一起；锁紧机构C设置于外偏心圆筒与圆套筒之间，可把圆套筒与外偏心圆筒锁紧在一起；驱动机构B设置于外偏心圆筒与圆套筒之间，可受控驱动圆套筒相对外偏心圆筒转动。

本发明通过内偏心圆筒与外偏心圆筒的相对旋转，驱动钻头向设定的方向偏置，从而加大钻头的单边切削，实现任意方向的造斜。在造斜钻进过程中，钻头有偏离设定的偏置方向趋势，通过驱动机构B驱动圆套筒与外偏心圆筒相对转动，可维持钻头终指向设定的偏置方向。

说明，本申请中，设定一词是指事先设置、确定。

进一步，内偏心圆筒筒壁最小壁厚与外偏心圆筒筒壁最小壁厚相等；且，内偏心圆筒筒壁最大壁厚与外偏心圆筒筒壁最大壁厚相等；用于旋转导向工具的外周各点到主轴轴线距离相等，以稳斜钻进。另外，仅内偏心圆筒筒壁最小壁厚、最大壁厚之和与外偏心圆筒筒壁最小壁厚、最大壁厚之和相等，也可实现旋转导向工具的外周各点到主轴轴线距离相等，但构造强度要差。

进一步，驱动机构A是一个万向联轴节；圆套筒还包括一个芯轴，芯轴固定连接在圆套筒内，位于钻柱轴线上，在靠近钻柱的一端，用于连接万向联轴节；万向联轴节连接芯轴与主轴，用于将钻柱的扭矩传递给钻头。万向联轴节可以是这样的，包括依次连接的上连接叉、连接轴和下连接叉；芯轴与上连接叉连接，上连接叉与连接轴采用十字轴连接，连接轴与下连接叉通过十字轴连接，下连接叉与主轴连接；钻柱的旋转带动与之固定的圆套筒旋转，然后通过万向联轴节带动主轴旋转，进而带动与主轴固定连接的钻头旋转。钻柱旋转产生的扭矩通过万向联轴节和主轴作用于钻头 实现对岩层的切削。

进一步，驱动机构A也可以是涡轮。涡轮通过泥浆流动的液力产生转动驱动主轴旋转，进而带动与主轴固定连接的钻头旋转。

进一步，锁紧机构A,和/或锁紧机构B,和/或锁紧机构C可以是摩擦型锁紧机构；摩擦型锁紧机构包括腔体、推力机构、摩擦块、摩擦面；推力机构可在腔体内来回移动，推动与之连接的摩擦块挤压或脱离摩擦面，用于实现锁紧或解锁状态。

进一步，锁紧机构A的腔体设置在内偏心圆筒筒内最大壁厚位置，摩擦面设置在主轴筒壁对应位置外周；锁紧机构B的腔体设置在外偏心圆筒筒内最大壁厚位置，摩擦面设置在内偏心圆筒筒壁对应位置外周；锁紧机构C的腔体设置在外偏心圆筒筒壁最大壁厚位置，摩擦面设置在圆套筒筒壁对应位置内周。腔体设置在最大壁厚位置，有益于增加构造强度。

进一步，锁紧机构A,和/或锁紧机构B，也可以是卡合型锁紧机构，卡合型锁紧机构包括腔体、推力机构、活动卡舌、卡槽；推力机构可在腔体内来回移动，推动与之连接的活动卡舌插入或拔出卡槽，用于实现锁紧或解锁状态。

进一步，锁紧机构A的腔体设置在内偏心圆筒筒内最大壁厚位置，卡槽设置在主轴筒壁对应位置外周；锁紧机构B的腔体设置在外偏心圆筒筒内最大壁厚位置，卡槽设置在内偏心圆筒筒壁对应位置外周，卡槽数量为两个，一个设置在内偏心圆筒筒壁最大壁厚位置，可用于钻头维持造斜状态钻进；一个设置在内偏心圆筒筒壁最小壁厚位置，可用于钻头维持稳斜状态钻进；腔体设置在最大壁厚位置，有益于增加构造强度。

进一步，锁紧机构A使用电力驱动；锁紧机构B使用电力驱动；锁紧机构C使用电力驱动； 驱动机构B使用电力驱动。

例如，电源可以位于钻柱上，在主轴、内偏心圆筒、外偏心圆筒和圆套筒设置导电滑环将电流引入锁紧机构A、锁紧机构B、锁紧机构C、 驱动机构B；也可以通过无线感应将电流引入锁紧机构A、锁紧机构B、锁紧机构C、 驱动机构B。

进一步，锁紧机构A使用泥浆驱动；锁紧机构B使用泥浆驱动；锁紧机构C使用泥浆驱动； 驱动机构B使用泥浆驱动。

例如，在主轴上设置有可控的开口，在内偏心圆筒和外偏心圆筒设置对应的管路将泥浆可控的引入锁紧机构A、锁紧机构B、锁紧机构C和 驱动机构B，并在主轴、内偏心圆筒、外偏心圆筒和圆套筒设置连接处设置密封装置，用于避免泥浆流失。

本发明中，根据发动机领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统。例如在钻柱上设置电源，在钻柱上设置控制系统，在必要处设置轴承，在必要处设置密封件，在必要处设置内偏心圆筒、外偏心圆筒位置检测机构。

本发明的有益效果有：1）利用两个可调的偏心圆筒调整，使钻头偏置，从而加大了钻头的单边切削，实现导向目的；2）相对现有技术用翼肋推靠井壁，圆套筒可与井壁接触面积更大，推靠力更强；3）结构紧凑、内部空腔少，有益于降低对材料的要求，提高旋转导向工具的工作寿命。

附图说明

图1 动态可偏旋转导向工具处于稳斜状态与造斜状态对比示意图。

图2 稳斜状态时动态可偏旋转导向工具结构示意图。

图3 AA剖面示意图。

图4 造斜状态时动态可偏旋转导向工具结构示意图。

图5 BB剖面示意图。

图6 CC剖面示意图。

图7 摩擦型锁紧机构示意图。

图8 卡合型锁紧机构示意图。

图9 万向联轴节示意图。

图中，1动态可偏旋转导向工具,2钻头，3 钻柱， 10主轴，12 驱动机构A， 20内偏心圆筒，30外偏心圆筒，40 圆套筒，42驱动机构B，44芯轴，60/70 锁紧机构，62包括腔体，64推力机构，66摩擦块，68摩擦面，72腔体，74推力机构，76活动卡舌，78卡槽，80万向联轴节，82上连接叉,84连接轴,86下连接叉。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

下面结合图1至图10，对本发明的优选实施例作进一步详细说明。

如图1所示，显示了动态可偏旋转导向工具1处于稳斜状态与造斜状态的形态的对比；左上为动态可偏旋转导向工具1处于稳斜状态，钻头2与钻柱3处于同一轴线上，不会针对性的单边切削井壁；右下为动态可偏旋转导向工具1处造斜状态，钻头2偏离钻柱3所在轴线，向上凸出，从而加大钻头2对上面井壁的单边切削，实现对钻头2钻进方向的控制，达到导向的目的。

如图2所示，为图1中稳斜状态时过主轴10轴线的动态可偏旋转导向工具1剖面；内偏心圆筒20筒壁最小位置与外偏心圆筒30筒壁最大位置对应，内偏心圆筒20筒壁最大位置与外偏心圆筒30筒壁最小位置对应，主轴10轴线与钻柱3轴线重合；图2解释了图1中动态可偏旋转导向工具1处于稳斜状态的形态时，钻头2与钻柱3处于同一轴线上。图2中，锁紧机构60B处于锁紧状态，外偏心圆筒30与内偏心圆筒20锁紧在一起，用于维持主轴10轴线与钻柱3轴线重合，保持设定的稳斜状态；锁紧机构60A、锁紧机构60C可处于锁紧状态，也可处于解锁状态，都不影响主轴10轴线与钻柱3轴线重合。

因为驱动机构A12可以有万向联轴节80、涡轮不同选择，所以图2中没有示意驱动机构A12与芯轴44的连接关系，图4中也如此。

圆套筒40固定连接钻柱3。

如图3所示，为图2中AA剖面；内偏心圆筒20筒壁最小位置与外偏心圆筒30筒壁最大位置对应，内偏心圆筒20筒壁最大位置与外偏心圆筒30筒壁最小位置对应，主轴10轴线与钻柱3轴线重合；图3进一步解释了图1中动态可偏旋转导向工具1处于稳斜状态时，钻头2与钻柱3处于同一轴线上。

如图4所示，为图1中造斜状态时过主轴10轴线的动态可偏旋转导向工具1剖面；内偏心圆筒20筒壁最小位置与外偏心圆筒30筒壁最小位置对应，内偏心圆筒20筒壁最大位置与外偏心圆筒30筒壁最大位置对应，主轴10轴线向上偏离钻柱3轴线，与主轴10固定连接的钻头2向上偏置，针对性的在上边切削井壁；图4解释了图1中动态可偏旋转导向工具1处于造斜状态的形态时，可针对性的单边切削井壁。图3中，井壁与圆套筒40接触和摩擦；锁紧机构60A处于解锁状态，用于当主轴10旋转钻进时，内偏心圆筒20不随同旋转；锁紧机构60B处于锁紧状态，外偏心圆筒30与内偏心圆筒20锁紧在一起，用于维持主轴10轴线偏离钻柱3轴线，保持设定的造斜状态；锁紧机构60C处于锁紧状态，外偏心圆筒30与圆套筒40锁紧在一起，用于主轴10和钻头2指向所设定方向的井壁。

驱动机构A12可以是一个万向联轴节80,连接芯轴44与主轴10，用于将钻柱3的扭矩传递给钻头2。圆套筒40固定连接钻柱3。

如图5所示，为图4中BB剖面，内偏心圆筒20筒壁最小位置与外偏心圆筒30筒壁最小位置对应，内偏心圆筒20筒壁最大位置与外偏心圆筒30筒壁最大位置对应，主轴10轴线向上偏离钻柱3轴线，使钻头2偏移至上侧井壁；图5进一步解释了图1中动态可偏旋转导向工具1处于造斜状态的形态时，可针对性的单边切削井壁。

如图6所示，为图4中CC剖面，内偏心圆筒20筒壁最小位置与外偏心圆筒30筒壁最小位置对应，内偏心圆筒20筒壁最大位置与外偏心圆筒30筒壁最大位置对应，主轴10轴线偏离钻柱3轴线，钻头2偏向上侧井壁。驱动机构B42位于外偏心圆筒30与圆套筒40之间，可受控驱动圆套筒40与外偏心圆筒30相对转动；在实钻造斜中，当钻头2偏离设定的单切削方向时，锁紧机构60C暂时解锁， 驱动机构B42驱动外偏心圆筒30与圆套筒40发生相对旋转，使钻头2始终偏向所设定方向的井壁。

如图7所示，锁紧机构60A,锁紧机构60B,锁紧机构60C可以是摩擦型锁紧机构60；摩擦型锁紧机构60包括腔体62、推力机构64、摩擦块66、摩擦面68；推力机构64可在腔体62内来回移动，推动与之连接的摩擦块66挤压或脱离摩擦面68，用于实现锁紧或解锁状态。

如图8所示，锁紧机构70A,锁紧机构70B，也可以是卡合型锁紧机构70；卡合型锁紧机构70包括腔体72、推力机构74、活动卡舌76、卡槽78；推力机构74可在腔体72内来回移动，推动与之连接的活动卡舌76插入或拔出卡槽78，用于实现锁紧或解锁状态。

如图9所示，驱动机构A12可以是一个万向联轴节80,连接芯轴44与主轴10，用于将钻柱3的扭矩传递给钻头2。万向联轴节80可以是这样的，包括依次连接的上连接叉82、连接轴84和下连接叉86；芯轴44与上连接叉82连接，上连接叉82与连接轴84采用十字轴连接，连接轴84与下连接叉86通过十字轴连接，下连接叉86与主轴10连接；钻柱3的旋转带动与之固定的圆套筒40和芯轴44旋转，然后通过万向联轴节80带动主轴10旋转，进而带动与主轴10固定连接的钻头2旋转。钻柱3旋转产生的扭矩通过万向联轴节80和主轴10作用于钻头2 实现对岩层的切削。

本发明还提供动态可偏旋转导向工具1的导向方法。

导向方法包括稳斜钻进导向方法，包括以下步骤，如图2、3所示。

步骤A1，准备阶段。

停钻，钻头2提离井底半米，使锁紧机构60A处于锁紧状态；锁紧机构60B处于解锁状态，外偏心圆筒30与内偏心圆筒20之间可相对旋转；锁紧机构60C处于解锁状态。

步骤A2，调整动态可偏旋转导向工具1，使主轴10轴线与钻柱3轴线重合。

驱动机构B42驱动外偏心圆筒30转动，使外偏心圆筒30筒壁最小位置与内偏心圆筒20筒壁最大位置对应，使主轴10轴线与钻柱3轴线重合，锁紧机构60B锁紧，锁紧机构60A解锁，锁紧机构60C解锁，如图2所示。这时，主轴10轴线与钻柱3轴线重合，钻头2没有向特定方向偏置，然后，钻头2就可稳斜钻进。 另外，在稳斜钻进中，锁紧机构60A也可锁紧，锁紧机构60C也可锁紧，也能保持主轴10轴线与钻柱3轴线重合。

导向方法还包括造斜钻进导向方法，包括以下步骤，如图4、5、6所示。

步骤B1，准备阶段。

停钻，钻头2提离井底半米，使锁紧机构60A处于锁紧状态，内偏心圆筒20可随同主轴10旋转；锁紧机构60B处于解锁状态，外偏心圆筒30与内偏心圆筒20之间可相对旋转；锁紧机构60C处于解锁状态。

步骤B2，调整动态可偏旋转导向工具1，使主轴10轴线偏离钻柱3轴线，钻头2偏移至设定方向的井壁。

驱动机构B42驱动外偏心圆筒30转动，直到内偏心圆筒20筒壁最小位置与外偏心圆筒30筒壁最小位置对应，内偏心圆筒20筒壁最大位置与外偏心圆筒30筒壁最大位置对应，这时，主轴10轴线、钻头2偏离钻柱3轴线，锁紧机构60B锁紧，锁紧机构60A解锁，锁紧机构60C解锁，驱动机构B42驱动外偏心圆筒30、内偏心圆筒20转动，直到钻头2偏移至设定方向的井壁，钻头2偏移至设定方向的井壁，以加大钻头2的单边切削，实现对钻头2钻进方向的控制，进而达到导向的目的。

另外，内偏心圆筒20筒壁最小位置与外偏心圆筒30筒壁最小位置对应，内偏心圆筒20筒壁最大位置与外偏心圆筒30筒壁最大位置对应，使主轴10轴线偏离钻柱3轴线最远，可达到动态可偏旋转导向工具1最大造斜能力。也可通过调整内偏心圆筒20与外偏心圆筒30对应位置，得到不同的小于最大造斜能力各种造斜能力。

步骤B3，在钻进中，使主轴10轴线偏离钻柱3轴线的方向维持在设定方向。

在钻进中，启动驱动机构B42，驱动外偏心圆筒30、内偏心圆筒20相对于圆套筒40转动，转速与钻柱3转速相同但转动方向相反，从而主轴10轴线偏离钻柱3轴线的方向始终维持在指向设定方向。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，但可以理解的是，本发明并不局限于所公开的实施方式和构件，相反，旨在涵盖包括在所附的权利要求书的主旨和范围之内的各种改型、特征结合、等效的装置以及等效的构件。此外，出现在附图中的各构件的特征的尺寸并不是限制性的，其中各构件的尺寸可以与描绘在附图中的构件的尺寸不同。因此，本发明用于覆盖对本发明的改型和变形，只要它们均在所附的权利要求书和它们的等效方案的范围之内即可。

Claims (10)

1.一种动态可偏旋转导向工具，包括，主轴（10），内偏心圆筒（20），外偏心圆筒（30），圆套筒（40），驱动机构A（12），锁紧机构（60）A，锁紧机构（60）B，锁紧机构（60）C，驱动机构B（42）；主轴（10）一端固定连接钻头（2），主轴（10）另一端连接驱动机构A（12）；驱动机构A（12）可驱动主轴（10）旋转；

其特征在于，内偏心圆筒（20）可旋转的套接在主轴（10）上；外偏心圆筒（30）可旋转的套接在内偏心圆筒（20）上；圆套筒（40）一端可旋转的套接在外偏心圆筒（30）上，圆套筒（40）另一端固定连接钻柱（3）；锁紧机构（60）A设置于主轴（10）与内偏心圆筒（20）之间，可把内偏心圆筒（20）与主轴（10）锁紧在一起；锁紧机构（60）B设置于内偏心圆筒（20）与外偏心圆筒（30）之间，可把外偏心圆筒（30）与内偏心圆筒（20）锁紧在一起；锁紧机构（60）C设置于外偏心圆筒（30）与圆套筒（40）之间，可把圆套筒（40）与外偏心圆筒（30）锁紧在一起；驱动机构B（42）设置于外偏心圆筒（30）与圆套筒（40）之间，可受控驱动圆套筒（40）相对外偏心圆筒（30）转动。

2.根据权利要求1所述的动态可偏旋转导向钻井工具，其特征在于：内偏心圆筒（20）筒壁最小壁厚与外偏心圆筒（30）筒壁最小壁厚相等；且，内偏心圆筒（20）筒壁最大壁厚与外偏心圆筒（30）筒壁最大壁厚相等。

3.根据权利要求2所述的动态可偏旋转导向钻井工具，其特征在于：驱动机构A（12）是一个万向联轴节（80）；圆套筒（40）还包括一个芯轴（44），芯轴（44）固定连接在圆套筒（40）内，位于钻柱（3）轴线上，在靠近钻柱（3）的一端；万向联轴节（80）连接芯轴（44）与主轴（10）。

4.根据权利要求2所述的动态可偏旋转导向钻井工具，其特征在于：驱动机构A（12）是涡轮。

5.根据权利要求1、2、3、4任一项所述的动态可偏旋转导向钻井工具，其特征在于：锁紧机构（60）A,和/或锁紧机构（60）B,和/或锁紧机构（60）C是摩擦型锁紧机构（60）； 摩擦型锁紧机构（60）包括腔体（62）、推力机构（64）、摩擦块（66）、摩擦面（68）；推力机构（64）可在腔体（62）内来回移动，推动与之连接的摩擦块（66）挤压或脱离摩擦面（68）。

6.根据权利要求5所述的动态可偏旋转导向钻井工具，其特征在于：锁紧机构（60）A的腔体（62）设置在内偏心圆筒（20）筒内最大壁厚位置，摩擦面（68）设置在主轴（10）筒壁对应位置外周；锁紧机构（60）B的腔体（62）设置在外偏心圆筒（30）筒内最大壁厚位置，摩擦面（68）设置在内偏心圆筒（20）筒壁对应位置外周；锁紧机构（60）C的腔体（62）设置在外偏心圆筒（30）筒壁最大壁厚位置，摩擦面（68）设置在圆套筒（40）筒壁对应位置内周。

7.根据权利要求1、2、3、4任一项所述的动态可偏旋转导向钻井工具，其特征在于：锁紧机构（70）A,和/或锁紧机构（70）B，是卡合型锁紧机构（70），卡合型锁紧机构（70）包括腔体（72）、推力机构（74）、活动卡舌（76）、卡槽（78）；推力机构（74）可在腔体（72）内来回移动，推动与之连接的活动卡舌（76）插入或拔出卡槽（78）。

8.根据权利要求7所述的动态可偏旋转导向钻井工具，其特征在于：锁紧机构（70）A的腔体（72）设置在内偏心圆筒（20）筒内最大壁厚位置，卡槽（78）设置在主轴（10）筒壁对应位置外周；锁紧机构（70）B的腔体（72）设置在外偏心圆筒（30）筒内最大壁厚位置，卡槽（78）设置在内偏心圆筒（20）筒壁对应位置外周，卡槽（78）数量为两个，一个设置在内偏心圆筒（20）筒壁最大壁厚位置；一个设置在内偏心圆筒（20）筒壁最小壁厚位置。

9.根据权利要求1、2、3、4、6、8任一项所述的动态可偏旋转导向钻井工具，其特征在于：锁紧机构（60）A使用电力驱动；锁紧机构（60）B使用电力驱动；锁紧机构（60）C使用电力驱动； 驱动机构B（42）使用电力驱动。

10.根据权利要求1、2、3、4、6、8任一项所述的动态可偏旋转导向钻井工具，其特征在于：锁紧机构（60）A使用泥浆驱动；锁紧机构（60）B使用泥浆驱动；锁紧机构（60）C使用泥浆驱动； 驱动机构B（42）使用泥浆驱动。