CN108952575A - 歪头静态指向式旋转导向工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油、天然气钻探领域的钻井工具，是一种歪头静态指向式旋转导向工具。技术问题：怎样增加造斜效果。技术方案：使钻头偏离钻柱轴线，增加单边造斜率，配合偏置机构造斜，进而增加总的单边造斜率。技术特征,包括：基座，芯轴，万向联轴节，外筒，偏置机构，调心轴承。基座连接万向联轴节；万向联轴节连接芯轴；芯轴固定连接钻头；外筒后端可旋转的套接在基座上，外筒前端可旋转的套接在芯轴上；偏置机构设置于芯轴与外筒之间；调心轴承设置于芯轴与外筒之间。歪头静态指向式旋转导向工具的前端向一侧倾斜。有益效果：当钻头向一侧井壁倾斜产生的造斜效果与偏置机构产生的造斜效果位于井壁同侧，两者叠加，就产生了更大的造斜效果。

Description

歪头静态指向式旋转导向工具

技术领域

本发明涉及石油、天然气等钻探领域的钻井工具，是一种歪头静态指向式旋转导向工具。

背景技术

随着超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井的发展，旋转导向工具因为井眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，位移延伸能力更强，逐渐替代了传统的滑动导向工具。然而，现有旋转导向工具的一项关键技术指标--造斜率--相对传统滑动导向钻井工具没有优势，所以，在一些井段，例如水平井造斜段、水平井阶梯段、特殊地层段等位置不得不继续使用传统滑动导向钻井工具以增加造斜率。

所以，发明新的旋转导向工具，增加造斜效果，是时之所需。

发明内容

本发明针对的技术问题是：怎样增加造斜效果，及现有技术的不足。

本发明采用的技术方案是：使静态指向式旋转导向工具靠近钻头的一端偏离钻柱轴线，以增加单边造斜率，配合偏置机构造斜，进而可增加总的单边造斜率。

本发明包含的技术特征有：一种歪头静态指向式旋转导向工具，包括：芯轴，基座，万向联轴节，外筒，偏置机构，调心轴承。

基座后端固定连接钻柱，用于将所述歪头静态指向式旋转导向工具连接在钻柱上；基座前端连接万向联轴节，万向联轴节前端连接芯轴，芯轴前端固定连接钻头，用于将钻柱旋转产生的扭矩传递到钻头，实现对岩层的切削。

外筒后端可旋转的套接在基座上，外筒前端可旋转的套接在芯轴上；用于包裹所述歪头静态指向式旋转导向工具内部组件，外筒可通过摩擦相对井壁横向静止（相对井壁不转动），为芯轴转动提供支承。

偏置机构设置于芯轴与外筒之间，位于芯轴后端；可使芯轴偏置，为钻头提供一个与所述歪头静态指向式旋转导向工具前端轴线不一致的倾角，进而产生导向作用。

调心轴承设置于芯轴与外筒之间，位于芯轴前端，用于为芯轴转动提供支点。

所述歪头静态指向式旋转导向工具的前端向一侧倾斜；导致钻头也向一侧井壁倾斜，从而加大了钻头的单边切削，实现造斜效果；当钻头向一侧井壁倾斜产生的造斜效果与偏置机构产生的造斜效果位于井壁同侧，两者叠加，就产生了更大的造斜效果；当钻头向一侧井壁倾斜产生的造斜效果与偏置机构产生的造斜效果位于井壁相反两侧，两者就会相互制约，抵消造斜效果。

本申请中，所述前端是指靠近钻头的一端；所述后端，与前端对应，是指靠近钻柱的一端。本申请中，设定一词是指事先设置、确定。

进一步，所述歪头静态指向式旋转导向工具倾斜的起始位置在外筒内，万向联轴节穿过歪头静态指向式旋转导向工具倾斜的起始位置，用于为万向联轴节、芯轴的转动提供适当的内部空间。

进一步，所述偏置机构包括球座，内偏心环，内偏心环；球座可上下滑动的套接在芯轴上；内偏心环可旋转的套接在球座上，内偏心环与球座之间可作角运动，外偏心环可旋转的套接在内偏心环上，外偏心环可旋转的设置在外筒内。

进一步，球座可旋转的套接在芯轴上。

进一步，所述歪头静态指向式旋转导向工具还包括锁紧机构，锁紧机构设置于外筒与基座之间，可把基座与外筒锁紧在一起，用于复合钻进。

进一步，锁紧机构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，所述歪头静态指向式旋转导向工具还包括驱动机构；驱动机构设置于外筒与基座之间，可受控驱动外筒与基座相对转动。在定向钻进过程中，歪头静态指向式旋转导向工具可能偏离设定的偏置方向，通过驱动外筒与基座相对转动，可维持歪头静态指向式旋转导向工具始终指向设定的偏置方向。

进一步，所述歪头静态指向式旋转导向工具前端倾斜的角度在0.5度至1.5度之间。以适合水平井造斜段、水平井阶梯段、特殊地层段造斜要求，这些位置通常每10米最大造斜要求在3度左右。

进一步，调心轴承的中心点偏离钻柱轴线距离与偏置机构最大偏置距离相等。

本发明还提供一种钻具组合，设置有所述歪头静态指向式旋转导向工具，所述歪头静态指向式旋转导向工具后端连接钻柱，前端连接钻头。

因为，歪头静态指向式旋转导向工具接近钻头，而本方案导致钻头偏向钻具的一侧，所以，将本方案名称定义为歪头静态指向式旋转导向工具，简单、准确、形象。

本发明中，根据本领域的公知技术，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；钻井液通过钻柱、万向联轴节、芯轴、钻头输送至井底。

本发明获得的有益效果有：1）所述歪头静态指向式旋转导向工具的前端向一侧倾斜，外筒与井壁横向静止，可导致钻头也向一侧井壁倾斜，从而加大了钻头的单边切削，实现造斜效果； 2）当钻头向一侧井壁倾斜产生的造斜效果与偏置机构产生的造斜效果位于井壁同侧，两者叠加，产生更大的造斜效果；获得比单纯的现有指向式旋转导向工具更强的造斜能力，有益于在一些井段，例如水平井造斜段、水平井阶梯段、特殊地层段等位置造斜；3）可通过在钻井过程中调节偏置机构与歪头结构，实现稳斜钻进。

附图说明

图1 造斜状态时歪头静态指向式旋转导向工具结构示意图。

图2 调心轴承结构示意图。

图3 偏置机构结构示意图。

图4 驱动机构结构示意图。

图5 锁紧机构所在位置剖面示意图。

图6 摩擦型锁紧机构结构示意图。

图7 卡合型锁紧机构结构示意图。

图8 万向联轴节结构示意图。

图中，1芯轴,2基座，3 钻柱，4钻头，10调心轴承，12调心球，14球笼，20偏置机构，22球座，24内偏心环，26外偏心环，30外筒，32倾斜的起始位置，40万向联轴节，42上连接叉,44连接轴,46下连接叉，50/60 锁紧机构，52腔体，54推力机构，56摩擦块，58摩擦面，62腔体，64推力机构，66活动卡舌，68卡槽，70 驱动机构，72第一部分，74第二部分。

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8，对本发明的优选实施例作进一步详细说明。

如图1所示，描述了造斜状态时所述歪头静态指向式旋转导向工具通过钻柱3轴线和所述歪头静态指向式旋转导向工具轴线的剖面。所述歪头静态指向式旋转导向工具的前端向一侧倾斜，偏离钻柱3轴线，可造成造斜效果。

基座2后端固定连接钻柱3，用于将所述歪头静态指向式旋转导向工具固定在钻柱3上；基座2前端连接万向联轴节40后端，万向联轴节40前端连接芯轴1后端；芯轴1前端固定连接钻头4，用于将钻柱3旋转产生的扭矩传递到钻头4，实现对岩层的切削。

调心轴承10设置于芯轴1与外筒30之间，位于芯轴1前端，用于为芯轴1转动提供支点。

偏置机构20设置于芯轴1与外筒30之间，位于芯轴1后端，可使芯轴1固定连接的钻头4偏置，为钻头4提供一个与所述歪头静态指向式旋转导向工具前端轴线不一致的倾角，进而产生导向作用。

驱动机构70设置于外筒30与基座2之间，可受控驱动外筒30相对基座2转动。在造斜钻进过程中，歪头静态指向式旋转导向工具可能偏离设定的偏置方向，通过驱动外筒30与基座2相对转动，可维持歪头静态指向式旋转导向工具始终指向设定的偏置方向。

锁紧机构50设置于外筒30与基座2之间，可把基座2与外筒30锁紧在一起，用于稳斜钻进。

所述歪头静态指向式旋转导向工具前端倾斜的角度在0.5度至1.5度之间，以适合水平井造斜段、水平井阶梯段、特殊地层段造斜要求，这些位置通常每10米最大造斜要求在3度左右。所述歪头静态指向式旋转导向工具倾斜的起始位置32在外筒30内，万向联轴节40穿过歪头静态指向式旋转导向工具倾斜的起始位置32，用于为万向联轴节40、芯轴1的转动提供内部空间。调心轴承10的中心点偏离钻柱3轴线距离与偏置机构20最大偏置距离相等,用于钻头4向一侧井壁倾斜产生的造斜效果与偏置机构20产生的造斜效果相近，以相互制约，更好的稳斜钻进。

如图2所示，为图1中A-A剖面；调心轴承10包括调心球12、球笼14；调心球12固定套接在芯轴1上；球笼14固定设置在外筒30内；球笼14可旋转的套接在调心球12上，且球笼14与调心球12之间可作角运动。

如图3所示，为图1中B-B剖面；偏置机构20包括球座22、内偏心环24、外偏心环26；球座22可上下滑动、可旋转的套接在芯轴1上；内偏心环24可旋转的套接在球座22上，内偏心环24与球座22之间可作角运动，外偏心环26可旋转的套接在内偏心环24上；外偏心环26可旋转的设置在外筒30内；内偏心环24与外偏心环26配合转动，可使芯轴1轴线偏离对应位置外筒30轴线，进而为钻头4提供一个与井眼轴线不一致的倾角，产生导向作用；内偏心环24、外偏心环26可通过外力例如无框电机驱动。

如图4所示，为图1中C-C剖面；驱动机构70设置于外筒30与基座2之间，可受控驱动外筒30与基座2相对转动。驱动机构70可以是这样的，包括第一部分72和第二部分74，第一部分72例如电机定子固定设置在外筒30内，第二部分74例如电机转子固定套接在基座2上，第一部分72与第二部分74配合转动，驱动外筒30与基座2相对转动。在定向钻进过程中，歪头静态指向式旋转导向工具可能偏离设定的偏置方向，通过驱动外筒30与基座2相对转动，可维持歪头静态指向式旋转导向工具始终指向设定的偏置方向。

如图5所示，为图1中D-D剖面；锁紧机构50设置于外筒30与基座2之间，可把基座2与外筒30锁紧在一起，外筒30随钻柱3一同转动，用于稳斜钻进。

如图6所示，锁紧机构50可以是摩擦型锁紧机构50； 摩擦型锁紧机构50包括腔体52、推力机构54、摩擦块56、摩擦面58；推力机构54可在腔体52内来回移动，推动与之连接的摩擦块56挤压或脱离摩擦面58，用于实现锁紧或解锁状态。

如图7所示，锁紧机构60也可以是卡合型锁紧机构60，卡合型锁紧机构60包括腔体62、推力机构64、活动卡舌66、卡槽68；推力机构64可在腔体62内来回移动，推动与之连接的活动卡舌66插入或拔出卡槽68，用于实现锁紧或解锁状态。

如图8所示，万向联轴节40包括依次连接的上连接叉42、连接轴44和下连接叉46；基座2与上连接叉42连接，上连接叉42与连接轴44采用十字轴连接，连接轴44与下连接叉46通过十字轴连接，下连接叉46与芯轴1连接；钻柱3旋转产生的扭矩通过万向联轴节40和芯轴1作用于钻头4实现对岩层的切削。

本发明的工作方式有：1)定向钻进模式，所述歪头静态指向式旋转导向工具的前端向一侧倾斜，锁紧机构50解锁，外筒30相对井壁横向静止，导致钻头4也向一侧井壁倾斜，从而加大了钻头4的单边切削，实现造斜效果；2)定向钻进模式，锁紧机构50解锁，外筒30相对井壁横向静止，钻头4向一侧井壁倾斜产生的造斜效果与偏置机构20产生的造斜效果位于井壁同侧，两者叠加，进一步增加单边造斜率；3)稳斜钻进模式，钻头4向一侧井壁倾斜产生的造斜效果与偏置机构20产生的造斜效果位于井壁相反两侧，两者就会相互制约，抵消造斜效果；4)稳斜钻进模式，锁紧机构50锁紧，歪头结构随钻柱3一同转动，外筒30相对井壁连续旋转,可稳斜钻进。

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)

1.一种歪头静态指向式旋转导向工具，包括：芯轴（1），基座（2），万向联轴节（40），外筒（30），偏置机构（20），调心轴承（10）；

基座（2）后端固定连接钻柱（3）；基座（2）前端连接万向联轴节（40），万向联轴节（40）前端连接芯轴（1），芯轴（1）前端固定连接钻头（4）；

外筒（30）后端可旋转的套接基座（2），外筒（30）前端可旋转的套接芯轴（1）；

偏置机构（20）设置于芯轴（1）与外筒（30）之间，位于芯轴（1）后端；

调心轴承（10）设置于芯轴（1）与外筒（30）之间，位于芯轴（1）前端；

其特征在于：所述歪头静态指向式旋转导向工具的前端向一侧倾斜。

2.根据权利要求1所述的歪头静态指向式旋转导向工具，其特征在于：所述歪头静态指向式旋转导向工具倾斜的起始位置（32）在外筒（30）内，万向联轴节（40）穿过歪头静态指向式旋转导向工具倾斜的起始位置（32）。

3.根据权利要求1或2任一项所述的歪头静态指向式旋转导向工具，其特征在于：所述偏置机构（20）包括球座（22），内偏心环（24），内偏心环（24）；球座（22）可上下滑动的套接在芯轴（1）上；内偏心环（24）可旋转的套接在球座（22）上，内偏心环（24）与球座（22）之间可作角运动，外偏心环（26）可旋转的套接在内偏心环（24）上，外偏心环（26）可旋转的设置在外筒（30）内。

4.根据权利要求3所述的歪头静态指向式旋转导向工具，其特征在于：球座（22）可旋转的套接在芯轴（1）上。

5.根据权利要求1、2、4任一项所述的歪头静态指向式旋转导向工具，其特征在于：所述歪头静态指向式旋转导向工具还包括锁紧机构（50），锁紧机构（50）设置于外筒（30）与基座（2）之间，可把基座（2）与外筒（30）锁紧在一起。

6.根据权利要求5所述的歪头静态指向式旋转导向工具，其特征在于：锁紧机构（50）是摩擦型锁紧机构（50）； 摩擦型锁紧机构（50）包括腔体（52）、推力机构（54）、摩擦块（56）、摩擦面（58）；推力机构（54）可在腔体（52）内来回移动，推动摩擦块（56）挤压或脱离摩擦面（58）。

7.根据权利要求5所述的歪头静态指向式旋转导向工具，其特征在于：锁紧机构（60）是卡合型锁紧机构（60），卡合型锁紧机构（60）包括腔体（62）、推力机构（64）、活动卡舌（66）、卡槽（68）；推力机构（64）可在腔体（62）内来回移动，推动活动卡舌（66）插入或拔出卡槽（68）。

8.根据权利要求1、2、4、6、7任一项所述的歪头静态指向式旋转导向工具，其特征在于：所述歪头静态指向式旋转导向工具还包括驱动机构（70）；驱动机构（70）设置于外筒（30）与基座（2）之间，可受控驱动外筒（30）与基座（2）相对转动。

9.根据权利要求8所述的歪头静态指向式旋转导向工具，其特征在于：所述歪头静态指向式旋转导向工具前端倾斜的角度在0.5度至1.5度之间。

10.根据权利要求1、2、4、6、7、9任一项所述的歪头静态指向式旋转导向工具，其特征在于：调心轴承（10）的中心点偏离钻柱（3）轴线距离与偏置机构（20）最大偏置距离相等。