CN110094161A - 机械式旋转导向工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械式旋转导向工具，包括上接头、控制单元、执行单元和钻头。其技术方案是：销钉末端安装在转位机构外壁槽道中，当增大泵压，转位机构转动并同时沿轴向移动，推动移动芯轴沿轴向移动，使移动芯轴下端的一个径向通道孔与导向接头的一个径向通道孔相连通，高压钻井液进入并推动伸缩臂沿径向向外移动，实现导向功能；当再次增大泵压，切换转位机构与销钉配合的限位点，转位机构复位，移动芯轴在弹簧a弹力的作用下复位，钻井液从旁通阀排出，伸缩臂在弹簧b弹力的作用下收回，停止导向作业。本发明的一种机械式旋转导向工具，能够实现对井眼轨迹的控制和降低旋转导向工具成本，适宜在水平井、大位移井等结构井中使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于石油天然气钻井工程的机械式旋转导向工具，尤其是适用于定向井、分支井等结构井。
背景技术
随着石油天然气资源的不断勘探开发，常规油气资源逐渐减少，油气资源开采逐渐由常规资源向非常规资源、由陆地钻采向海洋钻采方向发展，使定向井、分支井技术日益发展成熟，通过采用定向井、分支井技术，实现现代油气资源经济高效地开采。现代油气资源的勘探开发对钻井技术提出了新的要求，尤其是在定向井钻井过程中，由于地层环境差异导致井下工况条件复杂，钻头很难按照设计的井眼估计进行钻进，使旋转导向钻井技术成为定向井技术的关键组成部分。
旋转导向钻井技术是通过监测仪器实时监测井下钻井参数，通过控制系统调节反馈控制导向系统工作，实现钻井过程的实时控制，在钻头向前破岩钻进的同时，及时调整井斜和方位，完成定向井钻井。而旋转导向工具作为旋转导向钻井技术的关键装备，其工作性能对旋转导向钻井技术具有重要影响，进行旋转导向工具的开发对促进旋转导向钻井技术的发展具有明显的促进作用，也可有效提高定向井、分支井的钻井效率。现有的旋转导向工具多为系统工具，即是导向机构与测量系统、控制系统等共同构成旋转导向系统工具，虽然工具性能优良，但是使用成本过高，不利于降低成本。因此国内外研究机构及油气装备生产厂家均致力于开发性能优良，成本合理的旋转导向工具，为旋转导向工具在油气井钻井生产现场的进一步推广应用提供技术支撑。
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，本发明提供了一种机械式旋转导向工具。本发明的一种机械式旋转导向工具在工作时，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：所述的机械式旋转导向工具包括上接头、控制单元、执行单元和钻头，上接头通过螺纹连接在外筒上端，钻头通过螺纹连接在导向接头下端；所述的控制单元包括外筒、转位机构、销钉密封圈a、密封圈b、移动芯轴、弹簧a、弹簧挡圈、密封套、定位套、轴承内圈、轴承外圈、钢球a、套筒、轴承内圈定位套、轴承外圈定位套、密封圈和密封环，销钉通过螺纹连接在外筒上，转位机构的下端面与移动芯轴的上端面接触，弹簧a安装在移动芯轴与弹簧挡圈之间；定位套、密封套从上往下依次安装在弹簧挡圈与串轴承之间；串轴承由轴承内圈、轴承外圈和钢球a组成，串轴承通过过盈配合安装在套筒上，套筒通过间隙配合安装在移动芯轴上，串轴承下端采用轴承内圈定位套、轴承外圈定位套定位；密封环安装在外筒与导向接头之间；外筒下端通过螺纹连接在导向接头上端；所述的执行单元包括导向接头、受压筒、伸缩臂、弹簧b、钢球b、旁通阀、密封圈d，在受压筒的周向环槽中设置钢球b，将受压筒固定在导向接头上，最外侧的钢球b通过焊接固定在导向接头上；弹簧b安装在受压筒与伸缩臂之间，旁通阀通过螺纹连接在导向接头上。
所述的机械式旋转导向工具在工作时，若不需要导向钻进，钻井液通过中心流道进入到钻头位置，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，转位机构转动并且同时沿轴向移动，推动移动芯轴沿轴向移动，使移动芯轴下端的一个径向孔与导向接头的一个径向通道孔相连通，高压钻井液进入，推动伸缩臂沿径向向外移动，实现导向功能；当再次增大泵压，切换转位机构与销钉配合的限位点，转位机构复位，移动芯轴在弹簧a弹力的作用下恢复到初始位置，导向接头中的钻井液从旁通阀排出，伸缩臂在弹簧b弹力的作用下收回，工具停止导向作业。
所述的弹簧a和弹簧b在安装时均需要施加一定的预压力；所述的移动芯轴下部沿轴向等距、周向呈90°均匀分布4个径向通道孔；转位机构环槽有4个轴向限位点，转位机构在每次转动过程中改变的轴向长度分别对应移动芯轴上4个径向通道孔的轴向距离；移动芯轴下部的4个径向通道孔的位置分别与导向接头的4个径向通道孔相对应；所述的转位机构上、下端各安装一个密封圈a，密封圈b安装在移动芯轴上端，密封圈c安装在外筒的下端，密封圈d安装在移动芯轴下端。
本发明的有益效果是：(1)机械式旋转导向工具结构简单，操作方便，能够实现稳定的导向作业；(2)通过调控泵压实现对转位机构轴向位置的控制，从而实现对4个伸缩臂伸出情况的控制，可靠性高；(3)可以通过更换伸缩块调节导向工具的伸缩量，使工具的导向功能更灵活。
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I部分放大视图。
图3是本发明图1中的A-A截面图。
图4是本发明图1中的B-B截面图。
图5是转位机构的结构示意图。
图6是受压筒的结构示意图。
上图中：1.上接头，2.外筒，3.转位机构，4.销钉，5.密封圈a，6.密封圈b，7.移动芯轴，8.弹簧a，9.弹簧挡圈，10.密封套，11.定位套，12.轴承内圈，13.轴承外圈，14.钢球a，15.套筒，16.轴承内圈定位套，17.轴承外圈定位套，18.密封圈c，19.密封环，20.导向接头，21.受压筒，22.伸缩臂，23.弹簧b，24.钢球b，25.旁通阀，26.密封圈d，27.钻头。
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1，所述的机械式旋转导向工具包括上接头1、控制单元、执行单元和钻头27，上接头1通过螺纹连接在外筒2上端，钻头27通过螺纹连接在导向接头20下端；所述的控制单元包括外筒2、转位机构3、销钉4密封圈a5、密封圈b6、移动芯轴7、弹簧a8、弹簧挡圈9、密封套10、定位套11、轴承内圈12、轴承外圈13、钢球a14、套筒15、轴承内圈定位套16、轴承外圈定位套17、密封圈18和密封环19，销钉4通过螺纹连接在外筒2上，转位机构3的下端面与移动芯轴7的上端面接触，弹簧a8安装在移动芯轴7与弹簧挡圈9之间；定位套11、密封套10从上往下依次安装在弹簧挡圈9与串轴承之间；串轴承由轴承内圈12、轴承外圈13和钢球a14组成，串轴承通过过盈配合安装在套筒15上，套筒15通过间隙配合安装在移动芯轴7上，串轴承下端采用轴承内圈定位套16、轴承外圈定位套17定位；密封环19安装在外筒2与导向接头20之间；外筒2下端通过螺纹连接在导向接头20上端；所述的执行单元包括导向接头20、受压筒21、伸缩臂22、弹簧b23、钢球b24、旁通阀25、密封圈d26，在受压筒21的周向环槽中设置钢球b24，将受压筒21固定在导向接头20上，最外侧的钢球b24通过焊接固定在导向接头20上；弹簧b23安装在受压筒21与伸缩臂22之间，旁通阀25通过螺纹连接在导向接头20上。
所述的机械式旋转导向工具在工作时，若不需要导向钻进，钻井液通过中心流道进入到钻头27位置，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，转位机构3转动并且同时沿轴向移动，推动移动芯轴7沿轴向移动，使移动芯轴7下端的一个径向孔与导向接头20的一个径向通道孔相连通，高压钻井液进入，推动伸缩臂22沿径向向外移动，实现导向功能；当再次增大泵压，切换转位机构3与销钉4配合的限位点，转位机构3复位，移动芯轴7在弹簧a8弹力的作用下恢复到初始位置，导向接头20中的钻井液从旁通阀25排出，伸缩臂22在弹簧b23弹力的作用下收回，工具停止导向作业。
所述的弹簧a8和弹簧b23在安装时均需要施加一定的预压力。
所述的移动芯轴7下部沿轴向等距、周向呈90°均匀分布4个径向通道孔；转位机构3环槽有4个轴向限位点，转位机构3在每次转动过程中改变的轴向长度分别对应移动芯轴7上4个径向通道孔的轴向距离；移动芯轴7下部的4个径向通道孔的位置分别与导向接头20的4个径向通道孔相对应。
所述的转位机构3上、下端各安装一个密封圈a5，密封圈b6安装在移动芯轴7上端，密封圈c18安装在外筒2的下端，密封圈d26安装在移动芯轴7下端。
Claims (5)
1.机械式旋转导向工具，其特征在于：所述的机械式旋转导向工具包括上接头(1)、控制单元、执行单元和钻头(27)，上接头(1)通过螺纹连接在外筒(2)上端，钻头(27)通过螺纹连接在导向接头(20)下端；所述的控制单元包括外筒(2)、转位机构(3)、销钉(4)密封圈a(5)、密封圈b(6)、移动芯轴(7)、弹簧a(8)、弹簧挡圈(9)、密封套(10)、定位套(11)、轴承内圈(12)、轴承外圈(13)、钢球a(14)、套筒(15)、轴承内圈定位套(16)、轴承外圈定位套(17)、密封圈(18)和密封环(19)，销钉(4)通过螺纹连接在外筒(2)上，转位机构(3)的下端面与移动芯轴(7)的上端面接触，弹簧a(8)安装在移动芯轴(7)与弹簧挡圈(9)之间；定位套(11)、密封套(10)从上往下依次安装在弹簧挡圈(9)与串轴承之间；串轴承由轴承内圈(12)、轴承外圈(13)和钢球a(14)组成，串轴承通过过盈配合安装在套筒(15)上，套筒(15)通过间隙配合安装在移动芯轴(7)上，串轴承下端采用轴承内圈定位套(16)、轴承外圈定位套(17)定位；密封环(19)安装在外筒(2)与导向接头(20)之间；外筒(2)下端通过螺纹连接在导向接头(20)上端；所述的执行单元包括导向接头(20)、受压筒(21)、伸缩臂(22)、弹簧b(23)、钢球b(24)、旁通阀(25)、密封圈d(26)，在受压筒(21)的周向环槽中设置钢球b(24)，将受压筒(21)固定在导向接头(20)上，最外侧的钢球b(24)通过焊接固定在导向接头(20)上；弹簧b(23)安装在受压筒(21)与伸缩臂(22)之间，旁通阀(25)通过螺纹连接在导向接头(20)上。
2.根据权利要求1所述的机械式旋转导向工具，其特征在于：所述的机械式旋转导向工具在工作时，若不需要导向钻进，钻井液通过中心流道进入到钻头(27)位置，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，转位机构(3)转动并且同时沿轴向移动，推动移动芯轴(7)沿轴向移动，使移动芯轴(7)下端的一个径向孔与导向接头(20)的一个径向通道孔相连通，高压钻井液进入，推动伸缩臂(22)沿径向向外移动，实现导向功能；当再次增大泵压，切换转位机构(3)与销钉(4)配合的限位点，转位机构(3)复位，移动芯轴(7)在弹簧a(8)弹力的作用下恢复到初始位置，导向接头(20)中的钻井液从旁通阀(25)排出，伸缩臂(22)在弹簧b(23)弹力的作用下收回，工具停止导向作业。
3.根据权利要求1所述的机械式旋转导向工具，其特征在于：所述的弹簧a(8)和弹簧b(23)在安装时均需要施加一定的预压力。
4.根据权利要求1所述的机械式旋转导向工具，其特征在于：所述的移动芯轴(7)下部沿轴向等距、周向呈90°均匀分布4个径向通道孔；转位机构(3)环槽有4个轴向限位点，转位机构(3)在每次转动过程中改变的轴向长度分别对应移动芯轴(7)上4个径向通道孔的轴向距离；移动芯轴(7)下部的4个径向通道孔的位置分别与导向接头(20)的4个径向通道孔相对应。
5.根据权利要求1所述的机械式旋转导向工具，其特征在于：所述的转位机构(3)上、下端各安装一个密封圈a(5)，密封圈b(6)安装在移动芯轴(7)上端，密封圈c(18)安装在外筒(2)的下端，密封圈d(26)安装在移动芯轴(7)下端。
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