CN110067510B - 一种推靠式旋转导向钻井工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种推靠式旋转导向钻井工具，主要由芯轴，外筒，串轴承，轴承定位套，启动件，楔形筒，控制筒，弹簧，上盘阀，下盘阀，滑块，滑块限位筒，伸缩块，移动件，挡块，旁通阀，密封套，定位套，密封元件组成。启动件与控制筒、楔形筒与控制筒之间均采用楔面配合，上盘阀通过花键连接在控制筒下端，当增大泵压，启动件下移，控制筒带动上盘阀转动，使上、下盘阀径向通道孔相连通，钻井液进入并推动滑块下移，使芯轴与外筒d的径向通道孔相连通，伸缩块在钻井液压力作用下向外移动，实现导向功能。本发明的一种推靠式旋转导向钻井工具，结构简单可靠，能够实现对井眼轨迹的控制，适宜在水平井、大斜度井等结构井中使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于石油与天然气勘探开发领域的新型钻井工具，尤其是可以通过调整钻井液压力实现偏转控制的旋转导向钻井工具。
背景技术
随着石油工业的发展，为了获得更好的经济利益，需要钻深井、超深井、大位移井和长距离水平井，而且常常需要在更复杂的地层如高陡构造带钻井。随着油气田开发过程中人们对于钻井井眼轨迹的新要求，旋转导向钻井技术应运而生。旋转导向钻井系统实质上是一个井下闭环变径稳定器与测量传输仪器(MWD/LWD)联合组成的工具系统，它以旋转导向钻进方式，自动、灵活地调整井斜和方位，既能够大大提高钻井速度，也能减少钻井事故，提高钻井安全性，降低钻井成本，并且轨迹控制精度也非常高，非常适合目前开发特殊油藏的超深井、高难度定向井、水平井、大位移井和水平分支井等特殊工艺井导向钻井的需要。大位移水平井是当今石油工业的热点之一，在钻大位移井过程中，大位移水平井摩阻、扭矩过大、井眼净化困难以及大位移井的井眼轨迹控制等问题，都可以采用旋转导向技术解决。
旋转导向钻井技术要求在地面控制、信号传输、信号测量、井下控制还是旋转导向工具方面都需要具备可靠性以及良好的使用性能，最终形成一套旋转导向钻井工具系统。然而，随着深井、超深井、特殊工艺井、高温高压井的数量和比例逐渐增多，以及成本效益的驱动，使得人们不断面对更多新的技术难点，如信号传输技术难点、信号检测技术难点等。并且，由于研发成本过高、加工难度大、使用寿命过短等原因，目前国内没有自主研发的成熟产品，该项技术的欠缺，也是我国石油工业的发展落后于美国等石油强国的特征之一。所以，从整个石油工业的发展来看，该项技术的研发有着极其重要的意义，在保证经济效益的基础上，也能够满足页岩气和致密气等非常规油气资源高效开发的迫切需求，所以进行旋转导向工具开发不仅具有重要的研究价值，还具有广阔的市场前景，值得进行深入研究与实践。
发明内容
为了探索解决背景技术中所述的实现井眼轨迹控制和降低旋转导向工具成本，本发明提供了一种推靠式旋转导向钻井工具。本发明的一种推靠式旋转导向钻井工具工作时，若不需要导向功能，工具内部不产生任何动作；当需要导向钻进时，通过调整钻井液压力，实现导向功能控制，通过改变钻井液流道，使钻井液在工具内部形成分流，控制导向伸缩块动作，实现导向钻进功能。
本发明的技术方案为：所述的一种推靠式旋转导向钻井工具主要由芯轴、控制单元、执行单元和辅助单元组成；所述的控制单元包括密封圈a、外筒a、密封套a、定位套a、串轴承a、轴承外圈定位套a、轴承内圈定位套a、密封圈b、外筒b、启动件、密封圈c、楔形筒、控制筒、弹簧a、外筒c、上盘阀和下盘阀，密封套a、定位套a、串轴承a、轴承外圈定位套a、轴承内圈定位套a从上往下依次安装在芯轴与外筒a上部组成的腔室中；外筒b上端通过螺纹连接在外筒a下端；楔形筒通过螺纹连接固定在外筒b上；启动件、密封圈c、楔形筒、控制筒和弹簧a从上往下依次安装在外筒b内；弹簧a安装在控制筒与外筒b之间的空腔中；外筒c通过螺纹连接在外筒b下端；控制筒与上盘阀通过花键连接；上盘阀和下盘阀从上到下依次安装在外筒c内，下盘阀与外筒c通过6个支脚实现周向定位；外筒c下端沿圆周均布3个轴向通道孔；所述的执行单元包括外筒d、密封块a、滑块、滑块限位筒、弹簧b、密封块b、密封圈d、伸缩块、移动件、挡块、弹簧c和旁通阀，外筒d通过螺纹连接在外筒c的下端；3个滑块沿周向呈120°均布安装在滑块限位筒上，滑块下部开设一个径向通道孔；将弹簧b安装在滑块前端，再将外筒d与滑块配合；移动件通过螺纹连接在伸缩块上，挡块通过螺纹连接在外筒d上，弹簧c安装在移动件与挡块之间；旁通阀通过螺纹连接在外筒d的泄流通道孔处；所述的辅助单元包括轴承外圈定位套b、轴承内圈定位套b、串轴承b、密封套b、定位套b、外筒e和密封圈e，轴承外圈定位套b、轴承内圈定位套b、串轴承b、密封套b、定位套b从上往下依次安装在外筒d下部环形通道中；外筒e通过螺纹连接在外筒d的下端；所述的一种推靠式旋转导向钻井工具在工作时，若不需要导向钻进，钻井液通过芯轴进入到下部钻具，完成正常钻进条件下的钻井液循环；当需要导向钻进时，增大泵压，启动件在高压钻井液压力的作用下向下移动，推动控制筒带动上盘阀转动，使上盘阀和下盘阀轴向通道孔相连通，钻井液进入并推动滑块下移，使芯轴与外筒d的径向通道孔相连通，伸缩块在钻井液压力作用下向外移动，实现导向功能；当再次增大泵压，控制筒带动上盘阀转动至切断与下盘阀的连通，滑块上移至上极限位置时，外筒d的径向通道孔与滑块的滑动槽相连通，钻井液从旁通阀排出，伸缩块收回，工具复位，实现正常钻进功能。
所述的芯轴上部沿圆周呈60°均布开设6个径向通道孔，中部沿周向均布2个径向通道孔，下部沿周向等距开设3个径向通道孔；所述的弹簧a、弹簧b和弹簧c在安装时均需要施加一定的预压力；所述的上盘阀中心为内花键结构，并沿圆周开设2个呈180°分布的轴向通道孔，下盘阀沿圆周等距开设3个轴向通道孔，上盘阀轴向通道孔的截面面积大于下盘阀轴向通道孔的截面面积；所述的控制筒下部沿圆周均布2个径向孔，并在控制筒内部沿圆周开设一个连通这2个径向孔的环形空间；所述的滑块限位筒下部沿周向均布3个径向通道孔，并在滑块限位筒内部沿圆周开设一个连通这3个径向孔的环形空间。
本发明的有益效果是：(1)通过调控钻井液压力实现导向钻进控制，操作简单，功能可靠，能够实现稳定的导向功能；(2)通过控制钻井液的分流通道实现对导向伸缩块的控制，结构简单，能可靠地实现对该导向工具偏转角度的控制；(3)通过设置3个导向伸缩块，可实现大范围的方位角控制，使工具的适用范围更广泛。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明图1中的A-A截面图。
图3是本发明图1中的B-B截面图。
图4是启动件的结构示意图。
图5是楔形筒的结构示意图。
图6是控制筒的结构示意图。
图7是上盘阀的结构示意图。
图8是下盘阀的结构示意图。
图9是滑块的结构示意图。
图10是滑块限位筒的结构示意图。
上图中：1.芯轴，2.密封圈a，3.外筒a，4.密封套a，5.定位套a，6.串轴承a，7.轴承外圈定位套a，8.轴承内圈定位套a，9.密封圈b，10.外筒b，11.启动件，12.密封圈c，13.楔形筒，14.控制筒，15.弹簧a，16.外筒c，17.上盘阀，18.下盘阀，19.外筒d，20.密封块a，21.滑块，22.滑块限位筒，23.弹簧b，24.密封块b，25.密封圈d，26.伸缩块，27.移动件，28.挡块，29.弹簧c，30.旁通阀，31.轴承外圈定位套b，32.轴承内圈定位套b，33.串轴承b，34.密封套b，35.定位套b，36.外筒e，37.密封圈e。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
参见附图，所述的一种推靠式旋转导向钻井工具包括芯轴1、控制单元、执行单元和辅助单元；所述的控制单元包括密封圈a2、外筒a3、密封套a4、定位套a5、串轴承a6、轴承外圈定位套a7、轴承内圈定位套a8、密封圈b9、外筒b10、启动件11、密封圈c12、楔形筒13、控制筒14、弹簧a15、外筒c16、上盘阀17和下盘阀18，密封套a4、定位套a5、串轴承a6、轴承外圈定位套a7、轴承内圈定位套a8从上往下依次安装在芯轴1与外筒a3上部组成的腔室中；外筒b10上端通过螺纹连接在外筒a3下端；楔形筒13通过螺纹连接固定在外筒b10上；启动件11、密封圈c12、楔形筒13、控制筒14和弹簧a15从上往下依次安装在外筒b10内；弹簧a15安装在控制筒14与外筒b10之间的空腔中；外筒c16通过螺纹连接在外筒b10下端；控制筒14与上盘阀17通过花键连接；上盘阀17和下盘阀18从上到下依次安装在外筒c16内，下盘阀18与外筒c16通过6个支脚实现周向定位；外筒c16下端沿圆周均布3个轴向通道孔；所述的执行单元包括外筒d19、密封块a20、滑块21、滑块限位筒22、弹簧b23、密封块b24、密封圈d25、伸缩块26、移动件27、挡块28、弹簧c29和旁通阀30，外筒d19通过螺纹连接在外筒c16的下端；3个滑块21沿周向呈120°均布安装在滑块限位筒22上，滑块21下部开设一个径向通道孔；将弹簧b23安装在滑块21前端，再将外筒d19与滑块21配合；移动件27通过螺纹连接在伸缩块26上，挡块28通过螺纹连接在外筒d19上，弹簧c29安装在移动件27与挡块28之间；旁通阀30通过螺纹连接在外筒d19的泄流通道孔处；所述的辅助单元包括轴承外圈定位套b31、轴承内圈定位套b32、串轴承b33、密封套b34、定位套b35、外筒e36和密封圈e37，轴承外圈定位套b31、轴承内圈定位套b32、串轴承b33、密封套b34、定位套b35从上往下依次安装在外筒d19下部环形通道中；外筒e36通过螺纹连接在外筒d19的下端；所述的一种推靠式旋转导向钻井工具在工作时，若不需要导向钻进，钻井液通过芯轴1进入到下部钻具，完成正常钻进条件下的钻井液循环；当需要导向钻进时，增大泵压，启动件11在高压钻井液压力的作用下向下移动，推动控制筒14带动上盘阀17转动，使上盘阀17和下盘阀18轴向通道孔相连通，钻井液进入并推动滑块21下移，使芯轴1与外筒d19的径向通道孔相连通，伸缩块26在钻井液压力作用下向外移动，实现导向功能；当再次增大泵压，控制筒14带动上盘阀17转动至切断与下盘阀18的连通，滑块21上移至上极限位置时，外筒d19的径向通道孔与滑块21的滑动槽相连通，钻井液从旁通阀30排出，伸缩块26收回，工具复位，实现正常钻进功能。
所述的芯轴1上部沿圆周呈60°均布开设6个径向通道孔，中部沿周向均布2个径向通道孔，下部沿周向等距开设3个径向通道孔。
所述的弹簧a15、弹簧b23和弹簧c29在安装时均需要施加一定的预压力。
所述的上盘阀17中心为内花键结构，并沿圆周开设2个呈180°分布的轴向通道孔；下盘阀18沿圆周等距开设3个轴向通道孔；上盘阀17轴向通道孔的截面面积大于下盘阀18轴向通道孔的截面面积。
所述的控制筒14的下部沿圆周均布2个径向孔，并在控制筒14内部沿圆周开设一个连通这2个径向孔的环形空间；滑块限位筒22下部沿周向均布3个径向通道孔，并在滑块限位筒22内部沿圆周开设一个连通这3个径向孔的环形空间。
Claims (5)
1.一种推靠式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述的一种推靠式旋转导向钻井工具包括芯轴(1)、控制单元、执行单元和辅助单元；所述的控制单元包括密封圈a(2)、外筒a(3)、密封套a(4)、定位套a(5)、串轴承a(6)、轴承外圈定位套a(7)、轴承内圈定位套a(8)、密封圈b(9)、外筒b(10)、启动件(11)、密封圈c(12)、楔形筒(13)、控制筒(14)、弹簧a(15)、外筒c(16)、上盘阀(17)和下盘阀(18)，密封套a(4)、定位套a(5)、串轴承a(6)、轴承外圈定位套a(7)、轴承内圈定位套a(8)从上往下依次安装在芯轴(1)与外筒a(3)上部组成的腔室中；外筒b(10)上端通过螺纹连接在外筒a(3)下端；楔形筒(13)通过螺纹连接固定在外筒b(10)上；启动件(11)、密封圈c(12)、楔形筒(13)、控制筒(14)和弹簧a(15)从上往下依次安装在外筒b(10)内；弹簧a(15)安装在控制筒(14)与外筒b(10)之间的空腔中；外筒c(16)通过螺纹连接在外筒b(10)下端；控制筒(14)与上盘阀(17)通过花键连接；上盘阀(17)和下盘阀(18)从上到下依次安装在外筒c(16)内，下盘阀(18)与外筒c(16)通过6个支脚实现周向定位；外筒c(16)下端沿圆周均布3个轴向通道孔；所述的执行单元包括外筒d(19)、密封块a(20)、滑块(21)、滑块限位筒(22)、弹簧b(23)、密封块b(24)、密封圈d(25)、伸缩块(26)、移动件(27)、挡块(28)、弹簧c(29)和旁通阀(30)，外筒d(19)通过螺纹连接在外筒c(16)的下端；3个滑块(21)沿周向呈1200均布安装在滑块限位筒(22)上，滑块(21)下部开设一个径向通道孔；将弹簧b(23)安装在滑块(21)前端，再将外筒d(19)与滑块(21)配合；移动件(27)通过螺纹连接在伸缩块(26)上，挡块(28)通过螺纹连接在外筒d(19)上，弹簧c(29)安装在移动件(27)与挡块(28)之间；旁通阀(30)通过螺纹连接在外筒d(19)的泄流通道孔处；所述的辅助单元包括轴承外圈定位套b(31)、轴承内圈定位套b(32)、串轴承b(33)、密封套b(34)、定位套b(35)、外筒e(36)和密封圈e(37)，轴承外圈定位套b(31)、轴承内圈定位套b(32)、串轴承b(33)、密封套b(34)、定位套b(35)从上往下依次安装在外筒d(19)下部环形通道中；外筒e(36)通过螺纹连接在外筒d(19)的下端；所述的一种推靠式旋转导向钻井工具在工作时，若不需要导向钻进，钻井液通过芯轴(1)进入到下部钻具，完成正常钻进条件下的钻井液循环；当需要导向钻进时，增大泵压，启动件(11)在高压钻井液压力的作用下向下移动，推动控制筒(14)带动上盘阀(17)转动，使上盘阀(17)和下盘阀(18)轴向通道孔相连通，钻井液进入并推动滑块(21)下移，使芯轴(1)与外筒d(19)的径向通道孔相连通，伸缩块(26)在钻井液压力作用下向外移动，实现导向功能；当再次增大泵压，控制筒(14)带动上盘阀(17)转动至切断与下盘阀(18)的连通，滑块(21)上移至上极限位置时，外筒d(19)的径向通道孔与滑块(21)的滑动槽相连通，钻井液从旁通阀(30)排出，伸缩块(26)收回，工具复位，实现正常钻进功能。
2.根据权利要求1所述的一种推靠式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述的芯轴(1)上部沿圆周呈600均布开设6个径向通道孔，中部沿周向均布2个径向通道孔，下部沿周向等距开设3个径向通道孔。
3.根据权利要求1所述的一种推靠式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述的弹簧a(15)、弹簧b(23)和弹簧c(29)在安装时均需要施加一定的预压力。
4.根据权利要求1所述的一种推靠式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述的上盘阀(17)中心为内花键结构，并沿圆周开设2个呈1800分布的轴向通道孔；下盘阀(18)沿圆周等距开设3个轴向通道孔；上盘阀(17)轴向通道孔的截面面积大于下盘阀(18)轴向通道孔的截面面积。
5.根据权利要求1所述的一种推靠式旋转导向钻井工具，其特征在于：控制筒(14)的下部沿圆周均布2个径向孔，并在控制筒(14)内部沿圆周开设一个连通这2个径向孔的环形空间；滑块限位筒(22)下部沿周向均布3个径向通道孔，并在滑块限位筒(22)内部沿圆周开设一个连通这3个径向孔的环形空间。
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