CN108952576A - 歪头静态推靠式旋转导向工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油、天然气等钻探领域的钻井工具，是一种歪头静态推靠式旋转导向工具。技术方案：工具前端向一侧倾斜。技术特征：包括，芯轴，万向节，基座，外筒，偏置机构；基座前端连接万向节，万向节连接芯轴，芯轴前端固定连接钻头；外筒后端可旋转的套接基座，外筒前端可旋转的套接芯轴；偏置机构的数量为三套，均匀设置在外筒前端外周；偏置机构包括可伸缩翼肋；所述歪头静态推靠式旋转导向工具的前端向一侧倾斜。有益效果：外筒与井壁横向静止，歪头产生造斜效果，偏置机构也产生造斜效果，当都位于同一侧井壁时，两者叠加，产生更大的造斜效果。

Description

歪头静态推靠式旋转导向工具

技术领域

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

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，配合推靠式偏置机构造斜，进而可增加总的单边造斜率。

本发明包括的技术特征有：歪头静态推靠式旋转导向工具，包括，芯轴，万向节，基座，外筒，偏置机构。

基座后端固定连接钻柱，用于将所述歪头静态推靠式旋转导向工具连接在钻柱上；基座前端连接万向节，万向节连接芯轴，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；万向节在基座与芯轴之间的位置改变了传动轴线方向，实现了基座与芯轴之间的变角度动力传递。

外筒后端可旋转的套接基座，外筒前端可旋转的套接芯轴；用于包裹所述歪头静态推靠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。

偏置机构的数量为三套，均匀设置在外筒前端外周；偏置机构包括可伸缩翼肋，三个翼肋可设定的推靠设定方向的井壁，以导致钻头偏移，从而加大了钻头的单边切削，实现对钻头钻进方向的控制，实现造斜效果。

所述歪头静态推靠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。

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，所述歪头静态推靠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，歪头静态推靠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，可维持歪头静态推靠式旋转导向工具始终指向设定的偏置方向。

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

进一步，所述歪头静态推靠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，所述歪头静态推靠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，其中一套偏置机构的翼肋位于所述歪头静态推靠式旋转导向工具的倾斜方向。用于更好的叠加歪头产生的造斜效果与偏置机构产生的造斜效果。

进一步，偏置机构的数量也可以是三套以上。

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

因为，歪头静态推靠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推靠式旋转导向工具，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、基座、芯轴、钻头输送至井底。

本发明获得的有益效果有：1）所述歪头静态推靠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）外筒与井壁横向静止，歪头产生造斜效果，偏置机构也产生造斜效果，当都位于同一侧井壁时，两者叠加，产生更大的造斜效果，获得比单纯的现有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）可通过锁紧机构锁紧，外筒随钻柱一同转动，实现稳斜钻进。

附图说明

图1 歪头静态推靠式旋转导向工具结构示意图。

图2 偏置机构结构及分布示意图。

图3 驱动机构结构示意图。

图4 锁紧机构所在位置剖面示意图。

图5 摩擦型锁紧机构结构示意图。

图6 卡合型锁紧机构结构示意图。

图中，1 芯轴，2 基座，3 钻柱，4 钻头，5万向节，6 外筒，7 倾斜的起始位置，10偏置机构，12 翼肋，14 柱塞，16 转轴，18 复位弹簧, 20 驱动机构，22 第一部分，24第二部分，30/40 锁紧机构，32腔体，34推力机构，36摩擦块，38摩擦面，42腔体，44推力机构，46活动卡舌，48卡槽。

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6，对本发明的优选实施例作进一步详细说明。

如图1所示，描述了所述歪头静态推靠式旋转导向工具通过钻柱3轴线和所述歪头静态推靠式旋转导向工具轴线的剖面。所述歪头静态推靠式旋转导向工具的前端向一侧倾斜，偏离钻柱3轴线，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，造成造斜效果。

所述歪头旋转导向工具倾斜的起始位置7在外筒6内，万向节5穿过歪头旋转导向工具倾斜的起始位置7，用于为万向节5、芯轴1的转动提供适当的内部空间。所述歪头静态推靠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。

基座2后端固定连接钻柱3，用于将所述歪头静态推靠式旋转导向工具连接在钻柱3上；基座2前端连接万向节5，万向节5连接芯轴1，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。万向节5在基座2与芯轴1之间的位置改变了传动轴线方向，实现了基座2与芯轴1之间的变角度动力传递。

外筒6后端可旋转的套接在基座2上，外筒6前端可旋转的套接在芯轴1上；用于包裹所述歪头静态推靠式旋转导向工具内部组件，外筒6可通过摩擦相对井壁横向静止(相对井壁不转动)，为芯轴1转动提供支承。

偏置机构10包括可伸缩翼肋12；翼肋12可设定的推靠设定方向的井壁，以导致钻头4偏移，从而加大了钻头4的单边切削，实现对钻头4钻进方向的控制，可达到导向的目的。偏置机构10可以是这样的，包括: 翼肋12，柱塞14，转轴16，复位弹簧18；翼肋12通过转轴16可转动地设置在偏置机构10内，柱塞14设置于翼肋12的一个活动端内侧，柱塞14可伸缩地设置在柱塞缸内，可推动翼肋12向外伸出以推靠井壁，复位弹簧18设置在翼肋12的另一个活动端内侧，用于使翼肋12复位；柱塞14通过液压油和伺服电机驱动。其中一套偏置机构10的翼肋12位于所述歪头静态推靠式旋转导向工具的倾斜方向，用于更好的叠加歪头产生的造斜效果与偏置机构10产生的造斜效果，图1中显示的偏置机构10的翼肋12就在所述歪头静态推靠式旋转导向工具的倾斜方向上，没有显示的另两套偏置机构10则没有在歪头静态推靠式旋转导向工具的倾斜方向上。

驱动机构20设置于外筒6与基座2之间，可受控驱动外筒6与基座2相对转动。

锁紧机构30设置于外筒6与基座2之间，可把基座2与外筒6锁紧在一起，用于稳斜钻进。

如图2所示，为图1中A-A剖面；偏置机构10的数量为三套，均匀设置在外筒6前端外周；在对应柱塞14的推动下，三个翼肋12可选择的推靠设定方向的井壁，导致钻头4偏移，从而加大了钻头4的单边切削，实现对钻头4钻进方向的控制，达到导向的目的。

如图3所示，为图1中B-B剖面；驱动机构20设置于外筒6与基座2之间，可受控驱动外筒6与基座2相对转动。驱动机构20可以是这样的，包括第一部分22和第二部分24，第一部分22例如电机定子固定设置在外筒6内，第二部分24例如电机转子固定套接在基座2上，第一部分22与第二部分24配合转动，驱动外筒6与基座2相对转动。在定向钻进过程中，歪头静态推靠式旋转导向工具可能偏离设定的偏置方向，通过驱动外筒6与基座2相对转动，可维持歪头静态推靠式旋转导向工具始终指向设定的偏置方向。

如图4所示，为图1中C-C剖面；锁紧机构30设置于外筒6与基座2之间，可把基座2与外筒6锁紧在一起，外筒6随钻柱3一同转动，用于稳斜钻进。

如图5所示，锁紧机构30可以是摩擦型锁紧机构30； 摩擦型锁紧机构30包括腔体32、推力机构34、摩擦块36、摩擦面38；推力机构34可在腔体32内来回移动，推动与之连接的摩擦块36挤压或脱离摩擦面38，用于实现锁紧或解锁状态。

如图6所示，锁紧机构40也可以是卡合型锁紧机构40，卡合型锁紧机构40包括腔体42、推力机构44、活动卡舌46、卡槽48；推力机构44可在腔体42内来回移动，推动与之连接的活动卡舌46插入或拔出卡槽48，用于实现锁紧或解锁状态。

本发明的工作方式有：1)定向钻进模式，所述歪头静态推靠式旋转导向工具的前端向一侧倾斜，通过锁紧机构30解锁，外筒6与井壁横向静止，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，通过锁紧机构30解锁，外筒6与井壁横向静止，歪头产生造斜效果，偏置机构10也产生造斜效果，当都位于同一侧井壁时，两者叠加，产生更大的造斜效果；3)稳斜钻进模式，可通过锁紧机构30锁紧，外筒6随钻柱3一同转动，实现稳斜钻进。

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)

1.一种歪头静态推靠式旋转导向工具，包括：芯轴（1），万向节（5），基座（2），外筒（6），偏置机构（10）；基座（2）后端固定连接钻柱（3）；基座（2）前端连接万向节（5），万向节（5）连接芯轴（1），芯轴（1）前端固定连接钻头（4）；外筒（6）后端可旋转的套接基座（2），外筒（6）前端可旋转的套接芯轴（1）； 偏置机构（10）的数量为三套，均匀设置在外筒（6）前端外周；偏置机构（10）包括可伸缩翼肋（12）；

其特征在于：所述歪头静态推靠式旋转导向工具的前端向一侧倾斜。

2.根据权利要求1所述的歪头静态推靠式旋转导向工具，其特征在于：所述歪头静态推靠式旋转导向工具还包括驱动机构（20）；驱动机构（20）设置于外筒（6）与基座（2）之间，可受控驱动外筒（6）与基座（2）相对转动。

3.根据权利要求1或2所述的歪头静态推靠式旋转导向工具，其特征在于：所述歪头静态推靠式旋转导向工具倾斜的起始位置（7）在外筒（6）内，万向节（5）穿过歪头静态推靠式旋转导向工具倾斜的起始位置（7）。

4.根据权利要求3所述的歪头静态推靠式旋转导向工具，其特征在于：所述歪头静态推靠式旋转导向工具前端倾斜的角度在0.5度至1.5度之间。

5.根据权利要求1、2、4任一项所述的歪头静态推靠式旋转导向工具，其特征在于：所述歪头静态推靠式旋转导向工具还包括锁紧机构（30），锁紧机构（30）设置于外筒（6）与基座（2）之间，可把基座（2）与外筒（6）锁紧在一起。

6.根据权利要求5所述的歪头静态推靠式旋转导向工具，其特征在于：锁紧机构（30）是摩擦型锁紧机构（30）； 摩擦型锁紧机构（30）包括腔体（32）、推力机构（34）、摩擦块（36）、摩擦面（38）；推力机构（34）可在腔体（32）内来回移动，推动摩擦块（36）挤压或脱离摩擦面（38）。

7.根据权利要求5所述的歪头静态推靠式旋转导向工具，其特征在于：锁紧机构（40）是卡合型锁紧机构（40），卡合型锁紧机构（40）包括腔体（42）、推力机构（44）、活动卡舌（46）、卡槽（48）；推力机构（44）可在腔体（42）内来回移动，推动活动卡舌（46）插入或拔出卡槽（48）。

8.根据权利要求1、2、4、6、7任一项所述的歪头静态推靠式旋转导向工具，其特征在于：其中一套偏置机构（10）的翼肋（12）位于所述歪头静态推靠式旋转导向工具的倾斜方向。

9.根据权利要求1、2、4、6、7任一项所述的歪头静态推靠式旋转导向工具，其特征在于：偏置机构（10）的数量也可以是三套以上。

10.一种钻具组合，其特征在于：包括如权利要求1-9任一项所述歪头静态推靠式旋转导向工具，所述歪头静态推靠式旋转导向工具后端连接钻柱（3），前端连接钻头（4）。