CN110107225A - 一种指向式自动垂直导向钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种指向式自动垂直导向钻具，包括导向控制机构和顺次相连的上心轴、花键轴、柔性心轴、钻头接头，当发生井斜后，钟摆筒的底部向铅垂方向发生偏移，克服弹性件作用推开位于井眼较低一侧的板阀，打开连通口，钻井液进入活塞腔，活塞在钻具内外压差作用下向着远离上心轴的方向推出，带动与之相连的顶杆向外运动，顶杆绕转轴转动，顶杆与柔性心轴相抵接的另一端向柔性心轴施加朝向柔性心轴轴线方向的作用力，迫使柔性心轴与顶杆相抵接的部分向井眼较高一侧发生弯曲，从而带动柔性心轴的底端，即柔性心轴与钻头接头相连的一端朝向井眼较低一侧移动，加剧钻头在井眼较低一侧的切削，使钻井轨迹逐渐恢复至垂直状态。

Description

一种指向式自动垂直导向钻具

技术领域

本发明涉及自动垂直钻具技术领域，特别是涉及一种指向式自动垂直导向钻具。

背景技术

钻井过程中因地质因素、钻具因素和工艺因素等造成的井斜问题始终是钻井工程最为重要的关键技术之一，尤其是对于超深井、特深井、科学钻探等高技术风险的系统工程而言，井斜的控制直接决定着钻井目标的成败。随着资源勘探与开发不断地向深部地层、复杂地层拓展，传统的钟摆钻具、满眼钻具等防斜技术已不能够满足现代钻井的需要，自动垂直钻井技术的出现为井下防斜纠斜带来了巨大的技术突破，在主动防斜纠斜的过程中实现了井眼的高垂直度，很好地满足了现代钻井技术的发展要求。

自动垂直钻井技术是一种利用井下钻具实现主动防斜纠斜作业的直井钻进技术，可大幅释放钻压，降低钻杆扭矩和摩阻，进而提高机械钻速，提升钻井效率并降低钻进成本。目前自动垂直钻具主要包括电子控制式钻具及机械控制式钻具两大类，电子控制式钻具通过内部高精度传感器及控制系统对井眼垂直度进行控制，具有控制精度高、纠斜能力强等特点，但造价及维护成本高昂，且受内部电子元器件抗温性能的限制，电子控制式钻具无法承担高温高压的井下工况；相对而言，因不包含电子元器件，机械控制式自动垂直钻具在耐温耐压方面具有明显的优势，且制造成本和维护成本较低，已成为自动垂直钻具极具潜力的重要发展方向。

目前机械控制式自动垂直钻具均采用推靠式的工作模式，利用导向翼肋推靠井壁的方式迫使钻头获得纠斜和降斜的作用力，但在破碎地层的钻进过程中，因井径扩大明显导致导向翼肋在最大位移处仍旧无法接触井壁，进而导致钻具失效，无法完成井眼轨迹垂直度的控制任务。

机械控制式自动垂直钻具依靠机械式稳定平台控制钻具的推靠行为，机械式稳定平台在重力作用下的工作模式主要有两种：偏重块偏转模式，利用偏重物体在重力作用下自动偏转向重力低边的特性，带动盘阀打开位于井壁高边的钻井液流道，在钻具内外钻井液压差的作用下推动导向翼肋推靠井壁。由于偏重物体在偏转过程中需要克服轴承摩擦、盘阀摩擦等阻力，且在钻具在处于接近垂直姿态时，偏重物体能够提供的偏转扭矩急剧减小，故该控制方案存在纠斜极限，控制精度较低，钻具在接近垂直状态时还会起到造斜的负面作用；钟摆筒摆动模式，利用钟摆筒在重力作用下维持铅锤方向的特性，当钻具发生偏斜时，由于稳定平台中的钟摆筒与钻具发生相对摆动，钟摆筒推动位于井眼低边位置的盘阀，涌入的钻井液经过导流通道被引导至井壁高边方向，推动位于高边的导向翼肋推靠井壁。钟摆筒方案较偏重块偏转方案而言，具有垂直状态不造斜的优势，但是现有钟摆筒易受井下振动的影响，尤其是井下振动剧烈的工况下，现有钟摆筒会因振动发生不规则摆动导致纠斜降斜作用大幅下降甚至失效。

因此，如何改变现有技术中，机械控制式自动垂直钻具无法满足破碎地层垂直钻进需求以及钻具机械式稳定平台井斜控制性能不佳现状，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种指向式自动垂直导向钻具，以解决上述现有技术存在的问题，实现机械控制式自动垂直钻具在破碎地层中的纠斜作用，提高钻钻具的轨迹控制精度、控制能力和适用能力。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种指向式自动垂直导向钻具，包括导向控制机构和顺次相连的上心轴、花键轴、柔性心轴、钻头接头，所述导向控制机构包括钟摆筒固定座、钟摆筒、上部外筒、活塞座、活塞和下部外筒，所述上心轴、所述花键轴、所述柔性心轴和所述钻头接头均为中空结构且内腔相连通，所述上心轴能够与驱动装置相连，所述钻头接头能够与钻头相连，所述柔性心轴由柔性材质制成，所述上心轴和所述花键轴均设置分流通道，所述分流通道与所述上心轴的内腔相连通，所述上心轴的外部套装有所述钟摆筒固定座，所述钟摆筒固定座与所述上心轴之间设置上轴承组，所述钟摆筒固定座连接有所述钟摆筒，所述钟摆筒能够在重力作用下保持铅垂向下，所述钟摆筒套装于所述上心轴的外部，所述钟摆筒与板阀相连，所述钟摆筒固定座还连接有所述上部外筒，所述上部外筒与所述钟摆筒固定座相连且套装于所述钟摆筒的外部，所述活塞座与所述上部外筒相连，所述活塞座具有活塞腔，所述活塞腔内设置所述活塞，所述活塞能够沿着所述上心轴的径向移动，所述钟摆筒与所述上心轴之间、所述钟摆筒与所述上部外筒之间均具有间隙并形成钻井液流道，所述钻井液流道与所述分流通道相连通，所述活塞座上设置连通口，所述钻井液流道通过所述连通口与所述活塞腔相连通，所述板阀设置于所述连通口处，所述板阀的开启方向设置弹性件，所述活塞座与所述上心轴之间设置中间轴承组；

所述活塞座的底部连接有所述下部外筒，所述下部外筒套装于所述花键轴与所述柔性心轴的外部，所述下部外筒与所述柔性心轴之间设置下轴承组，所述活塞连接有顶杆，所述顶杆连接有转轴，所述顶杆能够绕所述转轴转动，所述转轴的轴线与所述上心轴的径向截面相平行，所述顶杆的一端与所述活塞座相连，所述顶杆的另一端与所述柔性心轴相抵接，所述活塞运动能够带动所述顶杆转动。

优选地，所述钟摆筒通过柔性安装条与所述钟摆筒固定座相连，所述柔性安装条由柔性材质制成。

优选地，所述钟摆筒为分体式结构，所述钟摆筒包括至少两个相连的单元节，所述单元节的侧壁具有能够容纳配重物的空腔，相邻的所述单元节通过连接板相连。

优选地，所述活塞座上设置多个连通口，多个所述连通口周向均布，所述弹性件为弹簧。

优选地，所述活塞座上设置活塞限位，所述活塞限位能够限制所述活塞的极限位置，所述活塞上设置泄流孔，所述泄流孔与所述活塞腔相连通。

优选地，所述活塞的底部设置插孔，所述顶杆的一端与所述活塞插接相连。

优选地，所述顶杆与所述柔性心轴相抵接的一端为弧形板状，所述转轴设置于所述下部外筒的内壁上。

优选地，所述上轴承组与所述上心轴之间设置碟簧，所述分流通道处设置过滤网。

优选地，所述柔性心轴由钛合金或铝合金材质制成。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的指向式自动垂直导向钻具，包括导向控制机构和顺次相连的上心轴、花键轴、柔性心轴、钻头接头，导向控制机构包括钟摆筒固定座、钟摆筒、上部外筒、活塞座、活塞和下部外筒，上心轴、花键轴、柔性心轴和钻头接头均为中空结构且内腔相连通，上心轴能够与驱动装置相连，钻头接头能够与钻头相连，柔性心轴由柔性材质制成，上心轴和花键轴均设置分流通道，分流通道与上心轴的内腔相连通，上心轴的外部套装有钟摆筒固定座，钟摆筒固定座与上心轴之间设置上轴承组，钟摆筒固定座连接有钟摆筒，钟摆筒能够在重力作用下保持铅垂向下，钟摆筒套装于上心轴的外部，钟摆筒与板阀相连，钟摆筒固定座还连接有上部外筒，上部外筒与钟摆筒固定座相连且套装于钟摆筒的外部，活塞座与上部外筒相连，活塞座具有活塞腔，活塞腔内设置活塞，活塞能够沿着上心轴的径向移动，钟摆筒与上心轴之间、钟摆筒与上部外筒之间均具有间隙并形成钻井液流道，钻井液流道与分流通道相连通，活塞座上设置连通口，钻井液流道通过连通口与活塞腔相连通，板阀设置于连通口处，板阀的开启方向设置弹性件，活塞座与上心轴之间设置中间轴承组；活塞座的底部连接有下部外筒，下部外筒套装于花键轴与柔性心轴的外部，下部外筒与柔性心轴之间设置下轴承组，活塞连接有顶杆，顶杆连接有转轴，顶杆能够绕转轴转动，转轴的轴线与上心轴的径向截面相平行，顶杆的一端与活塞座相连，顶杆的另一端与柔性心轴相抵接，活塞运动能够带动顶杆转动。当钻井过程发生井斜后，钟摆筒的底部向铅垂方向发生偏移，克服弹性件作用推开位于井眼较低一侧的板阀，打开连通口，钻井液进入活塞腔，活塞在钻具内外钻井液压差作用下向着远离上心轴的方向推出，进而带动与之相连的顶杆向外运动，顶杆绕转轴转动，顶杆与柔性心轴相抵接的另一端向柔性心轴施加朝向柔性心轴轴线方向的作用力，迫使柔性心轴与顶杆相抵接的部分向井眼较高一侧发生弯曲，柔性心轴与顶杆相抵接的部分位于柔性心轴的中部，从而带动柔性心轴的底端，即柔性心轴与钻头接头相连的一端朝向井眼较低一侧移动，加剧钻头在井眼较低一侧的切削，使钻井轨迹逐渐恢复至垂直状态。当井斜恢复至要求范围内时，钟摆筒无法克服弹性件的阻力，不会推动板阀，避免了井下振动工况下钟摆筒摆动混乱影响纠斜作用效果的现象，增强了钻具稳定控制能力，提高钻具适应性，提高了井眼轨迹控制的精度和钻井质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的指向式自动垂直导向钻具的剖切结构示意图；

图2为本发明的指向式自动垂直导向钻具的钟摆筒的结构示意图；

图3为本发明的指向式自动垂直导向钻具的钟摆筒的剖切结构示意图；

图4为图1中A处的放大结构示意图；

图5为图1中B处的放大结构示意图；

图6为图1中C处的放大结构示意图；

图7为本发明的指向式自动垂直导向钻具的工作时的结构示意图；

其中，1为上心轴，2为上轴承组，3为钟摆筒固定座，4为柔性安装条，5为钟摆筒，6为弹性件，7为板阀，8为活塞座，9为活塞，10为顶杆，11为中间轴承组，12为转轴，13为下部外筒，14为钻头接头，15为柔性心轴，16为花键轴，17为活塞限位，18为上部外筒，19为碟簧，20为单元节，21为连接板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种指向式自动垂直导向钻具，以解决上述现有技术存在的问题，实现机械控制式自动垂直钻具在破碎地层中的纠斜作用，提高钻钻具的轨迹控制精度、控制能力和适用能力。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-7，其中，图1为本发明的指向式自动垂直导向钻具的剖切结构示意图，图2为本发明的指向式自动垂直导向钻具的钟摆筒的结构示意图，图3为本发明的指向式自动垂直导向钻具的钟摆筒的剖切结构示意图，图4为图1中A处的放大结构示意图，图5为图1中B处的放大结构示意图，图6为图1中C处的放大结构示意图，图7为本发明的指向式自动垂直导向钻具的工作时的结构示意图。

本发明提供一种指向式自动垂直导向钻具，包括导向控制机构和顺次相连的上心轴1、花键轴16、柔性心轴15、钻头接头14，导向控制机构包括钟摆筒固定座3、钟摆筒5、上部外筒18、活塞座8、活塞9和下部外筒13，上心轴1、花键轴16、柔性心轴15和钻头接头14均为中空结构且内腔相连通，上心轴1能够与驱动装置相连，钻头接头14能够与钻头相连，柔性心轴15由柔性材质制成，上心轴1和花键轴16均设置分流通道，分流通道与上心轴1的内腔相连通，上心轴1的外部套装有钟摆筒固定座3，钟摆筒固定座3与上心轴1之间设置上轴承组2，钟摆筒固定座3连接有钟摆筒5，钟摆筒5能够在重力作用下保持铅垂向下，钟摆筒5套装于上心轴1的外部，钟摆筒5与板阀7相连，钟摆筒固定座3还连接有上部外筒18，上部外筒18与钟摆筒固定座3相连且套装于钟摆筒5的外部，活塞座8与上部外筒18相连且与板阀7相抵接，活塞座8内具有活塞腔，活塞腔内设置活塞9，活塞9能够沿着上心轴1的径向移动，钟摆筒5与上心轴1之间、钟摆筒5与上部外筒18之间均具有间隙并形成钻井液流道，钻井液流道与分流通道相连通，活塞座8上设置连通口，钻井液流道通过连通口与活塞腔相连通，板阀7设置于连通口处，板阀7与钟摆筒5相连，板阀7的开启方向设置弹性件6，板阀7的远离上心轴1的方向为其开启方向，活塞座8与上心轴1之间设置中间轴承组11。其中，上轴承组2包括推力轴承和径向轴承，中间轴承组11包括两个扶正深沟球轴承和一个推力球轴承。花键轴16与柔性心轴15通过花键连接，实现两者同步旋转的同时，花键轴16可沿轴向上下移动，补偿柔性心轴15弯曲造成的轴向位移。

活塞座8的底部连接有下部外筒13，下部外筒13套装于花键轴16与柔性心轴15的外部，下部外筒13与柔性心轴15之间设置下轴承组，活塞9连接有顶杆10，顶杆10连接有转轴12，顶杆10能够绕转轴12转动，转轴12的轴线与上心轴1的径向截面相平行，顶杆10的一端与活塞座8相连，顶杆10的另一端与柔性心轴15相抵接，活塞9运动能够带动顶杆10转动。下轴承组包括关节径向轴承和关节止推轴承。

当钻井过程发生井斜后，钟摆筒5的底部向铅垂方向发生偏移，克服弹性件6作用推开位于井眼较低一侧的板阀7，打开连通口，钻井液进入活塞腔，活塞9在钻具内外钻井液压差作用下向着远离上心轴1的方向推出，进而带动与之相连的顶杆10向外运动，顶杆10绕转轴12转动，顶杆10与柔性心轴15相抵接的另一端向柔性心轴15施加朝向柔性心轴15轴线方向的作用力，迫使柔性心轴15与顶杆10相抵接的部分向井眼较高一侧发生弯曲，柔性心轴15与顶杆10相抵接的部分位于柔性心轴15的中部，从而带动柔性心轴15的底端，即柔性心轴15与钻头接头14相连的一端朝向井眼较低一侧移动，加剧钻头在井眼较低一侧的切削，使钻井轨迹逐渐恢复至垂直状态。当井斜恢复至要求范围内时，钟摆筒5无法克服弹性件6的阻力，不会推动板阀7，避免了井下振动工况下钟摆筒5摆动混乱影响纠斜作用的现象，增强了钻具稳定控制能力和适应性，提高了井眼轨迹控制的精度和稳定性。

其中，钟摆筒5通过柔性安装条4与钟摆筒固定座3相连，柔性安装条4由柔性材质制成，确保当钻井过程发生井斜时，钟摆筒5能够相对钟摆筒固定座3发生偏转。柔性安装条4安装于上部外筒18上，上部外筒18与上轴承组2的外圈相连。

为了令钟摆筒5能够保持铅垂方向，钟摆筒5采用分体式可拆卸结构，钟摆筒5包括至少两个相连的单元节20，单元节20的侧壁具有能够容纳配重物的空腔，相邻的两个单元节20通过连接板21相连，可以通过向单元节20内的空腔内灌铅等方式作为配重，保证发生井斜时，钟摆筒5能够保持铅垂向下指向地心方向。在本具体实施方式中，单元节20的数量为四个，四个单元节20相连形成钟摆筒5，降低加工和装配难度，节约生产成本。

具体地，活塞座8上设置多个连通口，多个连通口周向均布，以提高钻具在纠斜过程中的稳定性，在本具体实施方式中，弹性件6为弹簧，在本具体实施方式中，连通口的数量为四个，相应地，板阀7、活塞9、顶杆10的数量均为四个。

更具体地，活塞座8上设置活塞限位17，活塞限位17能够限制活塞9的极限位置，避免活塞9与顶杆10脱离，活塞9上设置泄流孔，泄流孔与活塞腔相连通，泄流孔可在板阀7关闭后作泄压用。

在本具体实施方式中，活塞9的底部设置插孔，顶杆10的一端与活塞9插接相连，插接相连拆装方便快捷。

为了增大顶杆10与柔性心轴15的接触面积，便于顶杆10向柔性心轴15施力，顶杆10与柔性心轴15相抵接的一端为弧形板状，顶杆10与柔性心轴15面接触，避免出现顶杆10打滑无法发挥作用的问题。在本发明的其他具体实施方式中，顶杆10整体均为弧面板状结构，能够减少顶杆10变形，提高顶杆10刚度，转轴12设置于下部外筒13的内壁上。

进一步地，上轴承组2与上心轴1之间设置碟簧19，碟簧19能够起到减震的作用，保护上轴承组2，避免其收到强烈冲击振动损坏失效，分流通道处设置过滤网，保证进入钻具内部导向控制机构和润滑轴承所用的钻井液质量。

在本具体实施方式中，柔性心轴15由钛合金材质制成，在本发明的其他具体实施方式中，柔性心轴15可以由其他抗疲劳、大挠性金属材料制备，例如铝合金等制成，柔性心轴15的底部与钻头接头14螺纹连接，下部外筒13与柔性心轴15之间设置下轴承组，实现柔性心轴15在旋转时发生弯曲后带动钻头接头14同时旋转且弯曲。

本发明的指向式自动垂直导向钻具，当钻井过程发生井斜后，安装于柔性安装条4的钟摆筒5的下端向铅垂方向发生偏移运动，克服弹簧作用力并推开与弹簧相连接的位于井眼低边一侧的板阀7，打开其下部钻井液流道，钻井液涌入后进入活塞腔，活塞9在钻具内外钻井液压差的作用下向外推出，带动插入插孔的顶杆10上部向外运动，此时，由于顶杆10绕转轴12的旋转，顶杆10下端与柔性心轴15的接触部位向内运动，迫使柔性心轴15的中间部分向井眼高边一侧发生弯曲，带动柔性心轴15的下端带动钻头接头14和钻头指向井眼低边一侧，从而加剧钻头在井眼低边一侧的切削，使钻井轨迹逐渐恢复至垂直状态。当井斜恢复至要求范围内，钟摆筒5无法克服弹簧的阻力，不会推动板阀7，钻井液流道处于关闭状态，此时钻具处于不工作状态，不会出现偏心块控制式钻具的增斜作用，可实现更精确的井眼轨迹控制和更高的井眼质量。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种指向式自动垂直导向钻具，其特征在于：包括导向控制机构和顺次相连的上心轴、花键轴、柔性心轴、钻头接头，所述导向控制机构包括钟摆筒固定座、钟摆筒、上部外筒、活塞座、活塞和下部外筒，所述上心轴、所述花键轴、所述柔性心轴和所述钻头接头均为中空结构且内腔相连通，所述上心轴能够与驱动装置相连，所述钻头接头能够与钻头相连，所述柔性心轴由柔性材质制成，所述上心轴和所述花键轴均设置分流通道，所述分流通道与所述上心轴的内腔相连通，所述上心轴的外部套装有所述钟摆筒固定座，所述钟摆筒固定座与所述上心轴之间设置上轴承组，所述钟摆筒固定座连接有所述钟摆筒，所述钟摆筒能够在重力作用下保持铅垂向下，所述钟摆筒套装于所述上心轴的外部，所述钟摆筒与板阀相连，所述钟摆筒固定座还连接有所述上部外筒，所述上部外筒与所述钟摆筒固定座相连且套装于所述钟摆筒的外部，所述活塞座与所述上部外筒相连，所述活塞座具有活塞腔，所述活塞腔内设置所述活塞，所述活塞能够沿着所述上心轴的径向移动，所述钟摆筒与所述上心轴之间、所述钟摆筒与所述上部外筒之间均具有间隙并形成钻井液流道，所述钻井液流道与所述分流通道相连通，所述活塞座上设置连通口，所述钻井液流道通过所述连通口与所述活塞腔相连通，所述板阀设置于所述连通口处，所述板阀的开启方向设置弹性件，所述活塞座与所述上心轴之间设置中间轴承组；

所述活塞座的底部连接有所述下部外筒，所述下部外筒套装于所述花键轴与所述柔性心轴的外部，所述下部外筒与所述柔性心轴之间设置下轴承组，所述活塞连接有顶杆，所述顶杆连接有转轴，所述顶杆能够绕所述转轴转动，所述转轴的轴线与所述上心轴的径向截面相平行，所述顶杆的一端与所述活塞座相连，所述顶杆的另一端与所述柔性心轴相抵接，所述活塞运动能够带动所述顶杆转动。

2.根据权利要求1所述的指向式自动垂直导向钻具，其特征在于：所述钟摆筒通过柔性安装条与所述钟摆筒固定座相连，所述柔性安装条由柔性材质制成。

3.根据权利要求2所述的指向式自动垂直导向钻具，其特征在于：所述钟摆筒为分体式结构，所述钟摆筒包括至少两个相连的单元节，所述单元节的侧壁具有能够容纳配重物的空腔，相邻的所述单元节通过连接板相连。

4.根据权利要求1所述的指向式自动垂直导向钻具，其特征在于：所述活塞座上设置多个连通口，多个所述连通口周向均布，所述弹性件为弹簧。

5.根据权利要求1所述的指向式自动垂直导向钻具，其特征在于：所述活塞座上设置活塞限位，所述活塞限位能够限制所述活塞的极限位置，所述活塞上设置泄流孔，所述泄流孔与所述活塞腔相连通。

6.根据权利要求5所述的指向式自动垂直导向钻具，其特征在于：所述活塞的底部设置插孔，所述顶杆的一端与所述活塞插接相连。

7.根据权利要求6所述的指向式自动垂直导向钻具，其特征在于：所述顶杆与所述柔性心轴相抵接的一端为弧形板状，所述转轴设置于所述下部外筒的内壁上。

8.根据权利要求1所述的指向式自动垂直导向钻具，其特征在于：所述上轴承组与所述上心轴之间设置碟簧，所述分流通道处设置过滤网。

9.根据权利要求1-8任一项所述的指向式自动垂直导向钻具，其特征在于：所述柔性心轴由钛合金或铝合金材质制成。