CN108979534A - 歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油、天然气等钻探领域的钻井工具，是歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具。技术问题：增加造斜效果。技术特征：包括，芯轴，基座，万向节，外筒，偏置机构；基座连接万向节，万向节连接芯轴，芯轴固定连接钻头；外筒后端可旋转的套接基座，前端可旋转的套接芯轴；偏置机构包括内偏心圆筒，外偏心圆筒，驱动机构A，锁紧机构A；驱动机构A设置于内偏心圆筒与外偏心圆筒之间，可驱动内偏心圆筒与外偏心圆筒相对转动。工具前端向一侧倾斜，倾斜的方向与内偏心圆筒最小壁厚的一侧位于同侧。有益效果：钻头向一侧倾斜与外偏心圆筒偏置产生的造斜效果位于井壁同侧，两者叠加，获得更强的造斜能力，有益于在水平井造斜段等特殊位置造斜。
Description
技术领域
本发明涉及石油、天然气等钻探领域的钻井工具，是一种歪头偏心圆筒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，并配合偏心环造斜，进而可增加总的单边造斜率。
本发明包含的技术特征有：一种歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具，包括：芯轴，基座，万向节，外筒，偏置机构。
基座后端固定连接钻柱，用于将所述歪头偏心圆筒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。
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；用于包裹所述歪头偏心圆筒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。
偏置机构包括内偏心圆筒，外偏心圆筒，驱动机构A，锁紧机构A；内偏心圆筒可旋转的套接在芯轴上,内偏心圆筒后端与外筒前端固定连接；外偏心圆筒可旋转的套接在内偏心圆筒上；锁紧机构A设置于内偏心圆筒与外偏心圆筒之间，可把外偏心圆筒锁紧在内偏心圆筒上；驱动机构A设置于内偏心圆筒与外偏心圆筒之间，可受控驱动内偏心圆筒与外偏心圆筒相对转动。本发明通过外偏心圆筒与内偏心圆筒可受控的相对旋转，导致外偏心圆筒向外突出，以驱动歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具向设定的方向推靠井壁，使钻头偏移，从而加大钻头的单边切削，实现造斜。
所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具的前端向一侧倾斜，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；歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具前端倾斜的方向与内偏心圆筒最小壁厚的一侧位于同侧；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。
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，所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具还包括驱动机构B；驱动机构B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，歪头偏心圆筒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，可维持歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具始终指向设定的偏置方向。
进一步，所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具倾斜的起始位置在外筒内，万向节穿过歪头偏心圆筒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，所述歪头偏心圆筒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，所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具还包括锁紧机构B，锁紧机构B设置于外筒与基座之间，可把基座与外筒锁紧在一起，用于稳斜钻进。
进一步，锁紧机构A和/或锁紧机构B，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A的腔体设置在内偏心圆筒最大壁厚位置，摩擦面设置在外偏心圆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，推动活动卡舌插入或拔出卡槽，用于实现锁紧或解锁状态。
锁紧机构A的腔体设置在内偏心圆筒最大壁厚位置，卡槽数量为两个，一个设置在外偏心圆筒筒壁最大壁厚位置内周，可用于钻头维持造斜状态钻进，一个设置在外偏心圆筒筒壁最小壁厚位置内周，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，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芯轴轴线距离相等，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芯轴轴线距离相等，但构造强度要差。
本发明还提供一种钻具组合，设置有所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具，所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具后端连接钻柱，前端连接钻头。
因为，歪头偏心圆筒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偏心圆筒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、万向节和芯轴、钻头输送至井底。
本发明获得的有益效果有：1）所述歪头偏心圆筒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）钻头向一侧井壁倾斜产生的造斜效果与外偏心圆筒偏置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A、锁紧机构B锁紧，外筒随钻柱一同转动，实现稳斜钻进。
附图说明
图1 歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具结构示意图。
图2 偏置机构剖面示意图。
图3 偏置机构的偏置状态剖面示意图。
图4 驱动机构A结构示意图。
图5 驱动机构B结构示意图。
图6 锁紧机构B所在位置剖面示意图。
图7 摩擦型锁紧机构结构示意图。
图8 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，10偏置机构，12内偏心圆筒，14外偏心圆筒，20驱动机构A，21第一部分，22第二部分，25 驱动机构B，26第三部分，27第四部分， 30外筒，32倾斜的起始位置，40万向节，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。
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，描述了所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具通过钻柱3轴线和所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具轴线的剖面。
基座2后端固定连接钻柱3，用于将所述歪头偏心圆筒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40，万向节40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；其中，万向节40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30后端可旋转的套接在基座2上，外筒30前端可旋转的套接在芯轴1上；用于包裹所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具内部组件，外筒30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。
内偏心圆筒12可旋转的套接在芯轴1上,内偏心圆筒12后端与外筒30前端固定连接；外偏心圆筒14可旋转的套接在内偏心圆筒12上；锁紧机构50A设置于内偏心圆筒12与外偏心圆筒14之间，可把外偏心圆筒14锁紧在内偏心圆筒12上；驱动机构A20设置于内偏心圆筒12与外偏心圆筒14之间，可受控驱动内偏心圆筒12与外偏心圆筒14相对转动。本发明通过外偏心圆筒14与内偏心圆筒12可受控的相对旋转，导致外偏心圆筒14向外突出，以驱动歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具向设定的方向推靠井壁，使钻头4偏移，从而加大钻头4的单边切削，实现造斜。
内偏心圆筒12筒壁最小壁厚与外偏心圆筒14筒壁最小壁厚相等；且，内偏心圆筒12筒壁最大壁厚与外偏心圆筒14筒壁最大壁厚相等；用于旋转导向工具的外周各点到芯轴1轴线距离相等，以稳斜钻进。另外，仅内偏心圆筒12筒壁最小壁厚、最大壁厚之和与外偏心圆筒14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芯轴1轴线距离相等，但构造强度要差。
所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具的前端向一侧倾斜，可导致钻头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；歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具前端倾斜的方向与内偏心圆筒12筒壁最小壁厚的一侧位于同侧，图1中，歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具前端向上倾斜，内偏心圆筒12筒壁最小壁厚的一侧也位于上侧；当钻头4向一侧井壁倾斜产生的造斜效果与偏置机构10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。
所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具倾斜的起始位置32在外筒30内，万向节40穿过歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具倾斜的起始位置32，用于为万向节40、芯轴1的转动提供适当的内部空间。
所述歪头偏心圆筒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。
驱动机构B25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。
锁紧机构50B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。
如图2所示，为图1中A-A剖面；内偏心圆筒12筒壁最小位置与外偏心圆筒14筒壁最大位置对应，内偏心圆筒12筒壁最大位置与外偏心圆筒14筒壁最小位置对应；图2显示了偏置机构10处于未偏置状态，偏置机构10没有向外凸出，不会针对性的推靠一侧井壁。当偏置机构10处于未偏置状态时，锁紧机构50A锁紧，就可维持内偏心圆筒12与外偏心圆筒14相对不动。
如图3所示，为图1中A-A剖面偏置机构10处于偏置状态时的情况；内偏心圆筒12筒壁最小位置与外偏心圆筒14筒壁最小位置对应，内偏心圆筒12筒壁最大位置与外偏心圆筒14筒壁最大位置对应；此状态下，偏置机构10向外凸出，可针对性的推靠一侧井壁。当偏置机构10处于偏置状态时，锁紧机构50A锁紧，就可维持内偏心圆筒12与外偏心圆筒14相对不动。图3结合图1可以看出，歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具前端倾斜的方向与内偏心圆筒12、外偏心圆筒14筒壁最小壁厚的一侧位于同侧，而内偏心圆筒12、外偏心圆筒14筒壁最大壁厚的一侧叠置在一起，导致导致外偏心圆筒14向外突出，以推靠井壁，使钻头4偏移，从而加大钻头4的单边切削，实现造斜。
如图4所示，为图1中B-B剖面,驱动机构A20设置于内偏心圆筒12与外偏心圆筒14之间，可受控驱动内偏心圆筒12与外偏心圆筒14相对转动。偏置机构10从未偏置状态如图2所示进入到偏置状态如图3所示，或者从偏置状态进入到未偏置状态，需要驱动机构A20驱动内偏心圆筒12与外偏心圆筒14相对转动。驱动机构B25可以是这样的，包括第一部分21和第二部分22，第一部分21例如电机定子固定设置在外偏心圆筒14内，第二部分22例如电机转子固定套接在内偏心圆筒12上，第一部分21与第二部分22配合转动，驱动外偏心圆筒14与内偏心圆筒12相对转动。
如图5所示，为图1中C-C剖面,驱动机构B25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。驱动机构C可以是这样的，包括第三部分26和第四部分27，第三部分26例如电机定子固定设置在外筒30内，第四部分27例如电机转子固定套接在基座2上，第三部分26与第四部分27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，歪头偏心圆筒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30与基座2相对转动，可维持歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具始终指向设定的偏置方向。
如图6所示，为图1中D-D剖面；锁紧机构50B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7所示，锁紧机构50A和/或锁紧机构50B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8所示，锁紧机构60A和/或锁紧机构60B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。
本发明的工作方式有：1)定向钻进模式，所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具的前端向一侧倾斜，锁紧机构50B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50B解锁，外筒30相对井壁横向静止以利用歪头造斜，偏置机构10处于偏置状态以造斜，两种造斜效果叠加，进一步增加单边造斜率；3)稳斜钻进模式，锁紧机构50B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)
1.一种歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具，包括：芯轴(1)，基座(2)，万向节(40)，外筒(30)，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(40)，万向节(40)连接芯轴(1)，芯轴(1)前端固定连接钻头(4)；外筒(30)后端可旋转的套接在基座(2)上，外筒(30)前端可旋转的套接在芯轴(1)上；
其特征在于：
偏置机构(10)包括内偏心圆筒(12)，外偏心圆筒(14)，驱动机构A(20)，锁紧机构(50)A；内偏心圆筒(12)可旋转的套接在芯轴(1)上,内偏心圆筒(12)后端与外筒(30)前端固定连接；外偏心圆筒(14)可旋转的套接在内偏心圆筒(12)上；锁紧机构(50)A设置于内偏心圆筒(12)与外偏心圆筒(14)之间，可把外偏心圆筒(14)锁紧在内偏心圆筒(12)上；驱动机构A(20)设置于内偏心圆筒(12)与外偏心圆筒(14)之间，可受控驱动内偏心圆筒(12)与外偏心圆筒(14)相对转动；
所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具的前端向一侧倾斜；歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具前端倾斜的方向与内偏心圆筒(12)最小壁厚的一侧位于同侧。
2.根据权利要求1所述的歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具，其特征在于：所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具还包括驱动机构B(25)；驱动机构B(25)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。
3.根据权利要求1或2所述的歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具，其特征在于：所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具倾斜的起始位置(32)在外筒(30)内，万向节(40)穿过歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具倾斜的起始位置(32)。
4.根据权利要求3所述的歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具，其特征在于：所述歪头偏心圆筒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任一项所述的歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具，其特征在于：所述歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具还包括锁紧机构(50)B，锁紧机构(50)B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所述的歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具，其特征在于：锁紧机构(50)A和/或锁紧机构(50)B，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，推动摩擦块(56)挤压或脱离摩擦面(58)。
7.根据权利要求6所述的歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具，其特征在于：锁紧机构(50)A的腔体(52)设置在内偏心圆筒(12)最大壁厚位置，摩擦面(58)设置在外偏心圆筒(14)筒壁对应位置内周。
8.根据权利要求7所述的歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具，其特征在于：锁紧机构(60)A和/或锁紧机构(60)B，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，推动活动卡舌(66)插入或拔出卡槽(68)。
9.根据权利要求8所述的歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具，其特征在于：锁紧机构(60)A的腔体(62)设置在内偏心圆筒(12)最大壁厚位置，卡槽(68)数量为两个，一个设置在外偏心圆筒(14)筒壁最大壁厚位置内周，一个设置在外偏心圆筒(14)筒壁最小壁厚位置内周。
10.根据权利要求1、2、4、6、7、8、9任一项所述的歪头偏心圆筒推靠式旋转导向工具，其特征在于：内偏心圆筒(12)筒壁最小壁厚与外偏心圆筒(14)筒壁最小壁厚相等；且，内偏心圆筒(12)筒壁最大壁厚与外偏心圆筒(14)筒壁最大壁厚相等。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2018
- 2018-07-24 CN CN201810818878.4A patent/CN108979534A/zh not_active Withdrawn
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