CN110118058A - 花瓣式旋转导向钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明为一种花瓣式旋转导向钻井工具，包括外壳体，所述外壳体上沿轴向贯通设置中心孔，所述外壳体的侧壁一端设置花瓣连接部，所述花瓣连接部上花瓣式连接设置钻头座，所述钻头座与所述外壳体之间的弯角呈可调整设置；所述中心孔内设置角度调整结构，所述角度调整结构用于驱动所述钻头座摆动改变弯角大小和弯角方位。该花瓣式旋转导向钻井工具能同时调节工具的弯角和方位，自动导向钻井，实现大位移井和丛式水平井等钻进过程中井眼轨迹的控制，满足造斜能力要求，利于广泛使用。

Description

花瓣式旋转导向钻井工具

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种花瓣式旋转导向钻井工具。

背景技术

近年来，为了满足现代油气田勘探开发的需要，需要在钻进过程中对井眼轨迹控制上不断的创新和优化，尤其是在水平井、大位移井等方面，所以钻井工具所面临的地层条件日益复杂，为了达到提高产能的目的，需要对井眼轨迹进行有效的控制。

而在进入21世纪后，海洋油气资源、非常规油气和新能源的开发利用已经成为各国谋求未来发展的制高点，尤其是可燃冰、地热等新能源的开发，显著影响着国际能源的格局。目前，这类资源的开采以大位移井和丛式水平井为主，其开发对钻井工具的造斜能力要求比较高，传统的导向钻井工具不能满足这类井的开发。

旋转导向钻井技术是从上世纪以来，得到了不断的发展，并取得了很好的应用效果。该技术可以实现自动导向、井眼质量较好以及下井次数较少等优势，使得目前该技术已经成为钻井工程中一个核心的技术。

旋转导向钻井技术是在滑动导向钻井的基础上发展而来的，是通过安装在近钻头处的导向执行机构使得钻柱在旋转的同时对其方位和井斜进行改变，从而达到自动导向的目的。

国内对旋转导向钻井技术的研究相对较晚，目前大部分处于对国外产品进行仿制的阶段。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种花瓣式旋转导向钻井工具，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种花瓣式旋转导向钻井工具，该花瓣式旋转导向钻井工具能同时调节工具的弯角和方位，自动导向钻井，实现大位移井和丛式水平井等钻进过程中井眼轨迹的控制，满足造斜能力要求，利于广泛使用。

本发明的目的是这样实现的，一种花瓣式旋转导向钻井工具，包括外壳体，所述外壳体上沿轴向贯通设置中心孔，所述外壳体的侧壁一端设置花瓣连接部，所述花瓣连接部上花瓣式连接设置钻头座，所述钻头座与所述外壳体之间的弯角呈可调整设置；所述中心孔内设置角度调整结构，所述角度调整结构用于驱动所述钻头座摆动改变弯角大小和弯角方位。

在本发明的一较佳实施方式中，所述角度调整结构包括能沿所述中心孔的轴向移动且能周向转动的导向套，所述导向套的一端设有沿轴向倾斜设置的导向孔；所述钻头座上沿轴向固定设置的中空的传动轴，所述传动轴的自由端设置能相切套设于所述导向孔内的球状轴头，所述球状轴头能在所述导向孔的运动导向下摆动。

在本发明的一较佳实施方式中，所述角度调整结构包括第一驱动结构和第二驱动结构，所述第一驱动结构用于驱动所述导向套沿所述中心孔的轴向移动，所述第二驱动结构用于驱动所述导向套周向转动。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一驱动结构包括设置于所述外壳体内的第一驱动电机，所述第一驱动电机的输出轴上设置第一齿轮，所述第一齿轮上啮合套设有轴向固定且能周向转动的内齿轮套，所述内齿轮套远离所述第一驱动电机的一端外壁上设置外螺纹部，所述外螺纹部上套设周向固定且能沿所述内齿轮套轴向移动的调整套，所述调整套的内壁上设置与所述外螺纹部匹配的内螺纹部，所述导向套轴向固定且能周向转动地套设于所述调整套内。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第二驱动结构包括设置于所述调整套内的第二驱动电机，所述第二驱动电机的输出轴上设置第二齿轮，所述导向套上设置与所述导向孔连通的第二齿轮容置孔，所述第二齿轮容置孔的内壁上设置与所述第二齿轮啮合的导向套内齿轮部。

在本发明的一较佳实施方式中，所述中心孔的侧壁上设置内花键，所述调整套的外壁上设置与所述内花键匹配的外花键。

在本发明的一较佳实施方式中，所述内齿轮套通过第一悬挂滚珠套设于所述外壳体的中心孔内，所述导向套通过第二悬挂滚珠套设于所述调整套内。

在本发明的一较佳实施方式中，所述钻头座靠近所述外壳体的一端设置球状座头，所述中心孔内位于所述花瓣连接部远离所述钻头座的一侧设置半球型槽，所述球状座头与所述半球型槽呈球式配合。

在本发明的一较佳实施方式中，所述传动轴上套设动密封套，所述中心孔靠近所述钻头座的一端设置直径向所述钻头座方向渐缩的锥孔部，所述动密封套位于所述锥孔部内，所述动密封套的外径尺寸小于所述锥孔部的内径尺寸。

在本发明的一较佳实施方式中，所述钻头座包括钻头座本体，所述钻头座本体的一端设置所述球状座头，所述钻头座本体上沿轴向贯通设置钻头座通孔，所述钻头座通孔内固定连接所述传动轴，所述钻头座本体的外侧固定套设能与所述花瓣连接部花瓣式连接的连接花瓣套，所述钻头座通孔远离所述外壳体的一端设置用于连接钻头的钻头连接孔。

由上所述，本发明提供的花瓣式旋转导向钻井工具具有如下有益效果：

本发明提供一种花瓣式旋转导向钻井工具中，钻头座与外壳体花瓣式连接，满足钻头座能相对外壳体摆动形成符合要求的弯角，弯角调节范围大，实现大位移井和丛式水平井等钻进过程中造斜能力要求；角度调整结构能同时调节改变钻头座相对外壳体的弯角大小和弯角方位，实现钻进过程中井眼轨迹的控制，自动导向钻井，利于广泛使用。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的花瓣式旋转导向钻井工具的内部结构示意图。

图2：为本发明的花瓣式旋转导向钻井工具的外观图。

图3：为本发明的外壳体的示意图。

图4：为本发明的内齿轮套的示意图。

图5：为本发明的调整套的示意图。

图6：为本发明的导向套的示意图。

图中：

100、花瓣式旋转导向钻井工具；

1、外壳体；

10、中心孔；101、内花键；102、半球型槽；103、锥孔部；

11、花瓣连接部；

2、钻头座；

20、钻头座本体；

21、传动轴；211、球状轴头；

22、球状座头；

23、动密封套；

24、连接花瓣套；

25、钻头连接孔；

3、角度调整结构；

311、内齿轮套；3111、外螺纹部；

312、调整套；3121、内螺纹部；3122、外花键；

321、第一悬挂滚珠；322、第二悬挂滚珠；

33、导向套；331、导向孔；332、第二齿轮容置孔；333、导向套内齿轮部；

41、第一驱动电机；411、第一齿轮；

42、第二驱动电机；421、第二齿轮；422、第二驱动电机安装座；

51、第一环沟槽；52、第二环沟槽；54、第四环沟槽。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图6所示，本发明提供一种花瓣式旋转导向钻井工具100，包括外壳体1，外壳体1上沿轴向贯通设置中心孔10，外壳体1的顶端固定连接上部钻具(一般通过中心孔10顶部的连接螺纹进行连接)，外壳体1的侧壁一端设置花瓣连接部11，花瓣连接部11上花瓣式连接设置钻头座2，钻头座2用于固定连接钻头，钻进过程中的扭矩通过花瓣连接部11、钻头座2传递给钻头，钻进过程中的钻压通过外壳体1、钻头座2传递至钻头；钻头座2与外壳体1之间的弯角(钻头座2的中心轴与外壳体1的中心轴之间的夹角，该角度亦即钻头的中心轴与管柱的中心轴之间的夹角)呈可调整设置；中心孔10内设置角度调整结构3，角度调整结构3用于驱动钻头座2摆动改变弯角大小和弯角方位。

本发明提供一种花瓣式旋转导向钻井工具中，钻头座与外壳体花瓣式连接，满足钻头座能相对外壳体摆动形成符合要求的弯角，弯角调节范围大，实现大位移井和丛式水平井等钻进过程中造斜能力要求；角度调整结构能同时调节改变钻头座相对外壳体的弯角大小和弯角方位，实现钻进过程中井眼轨迹的控制，自动导向钻井，利于广泛使用。

进一步，如图1、图6所示，角度调整结构3包括能沿中心孔10的轴向移动且能周向转动的导向套33，导向套33的一端设有沿轴向倾斜设置的导向孔331，导向孔331的横截面呈圆形设置；钻头座2上沿轴向固定设置的中空的传动轴21，传动轴21的自由端设置能相切套设于导向孔331内的球状轴头211，球状轴头211能在导向孔331的运动导向下摆动。球状轴头211与导向孔331的配合，构成万向转动连接，满足导向套33同时周向转动和轴向移动状态下，球状轴头211依然无阻碍的匹配设置于导向孔331内。导向套33周向转动，改变导向孔331的倾斜方向，从而改变弯角方位，即钻头座2与外壳体1之间的弯角所处的周向位置，可以是上弯、下弯及其他任何方向摆动弯转，实现弯角方位调节；导向套33轴向移动，改变导向孔331的轴向位置，从而改变球状轴头211的径向位置，实现传动轴21及与之固定连接的钻头座2的摆动，实现弯角大小调节。

进一步，角度调整结构3包括第一驱动结构和第二驱动结构，第一驱动结构用于驱动导向套33沿中心孔10的轴向移动，第二驱动结构用于驱动导向套33周向转动。

如图1、图4、图5所示，在本实施方式中，第一驱动结构包括设置于外壳体1内的第一驱动电机41，第一驱动电机41的输出轴上设置第一齿轮411(在本发明的一具体实施例中，第一齿轮411通过螺母固定于第一驱动电机41的输出轴上)，第一齿轮411上啮合套设有轴向固定且能周向转动的内齿轮套311，内齿轮套311远离第一驱动电机41的一端外壁上设置外螺纹部3111，外螺纹部3111上套设周向固定且能沿内齿轮套311轴向移动的调整套312，调整套312的内壁上设置与外螺纹部3111匹配的内螺纹部3121，导向套33轴向固定且能周向转动地套设于调整套312内。启动第一驱动电机41，第一齿轮411转动驱动内齿轮套311转动，内齿轮套311的外螺纹部3111和调整套312的内螺纹部3121之间匹配连接形成螺母螺杆结构，该结构将内齿轮套311的转动转化为调整套312的轴向移动，调整套312移动的同时驱动导向套33沿中心孔10的轴向移动。

第一驱动电机41的转速及转角是可以调节的，第一驱动电机41的转动会带动内齿轮套311转动，而内齿轮套311的转动会通过螺母螺杆结构转化为调整套312的轴向移动，从而改变导向孔331的轴向位置；导向孔331的轴向位置的改变会改变传动轴21的球状轴头211径向位置，从而改变钻头座2的中心轴与外壳体1的中心轴之间的夹角大小(即弯角大小)。

在本实施方式中，如图1、图3所示，中心孔10的侧壁上设置内花键101，调整套312的外壁上设置与内花键101匹配的外花键3122。内花键101和外花键3122匹配连接，满足调整套312相对外壳体1周向固定且轴向能移动的要求。

在本实施方式中，如图1、图3、图4和图6所示，内齿轮套311通过第一悬挂滚珠321套设于外壳体1的中心孔10内，导向套33通过第二悬挂滚珠322套设于调整套312内。为安装第一悬挂滚珠321，外壳体1的中心孔10侧壁上设置第一环沟槽51，内齿轮套311的外壁上设置第二环沟槽52，第一环沟槽51和第二环沟槽52扣合构成第一悬挂滚珠321的安装槽；为安装第二悬挂滚珠322，调整套312的内壁上第三环沟槽，导向套33的外壁上设置第四环沟槽54，第三环沟槽和第四环沟槽54扣合构成第二悬挂滚珠322的安装槽。

在本实施方式中，如图1、图6所示，第二驱动结构包括设置于调整套312内的第二驱动电机42，第二驱动电机42的输出轴上设置第二齿轮421(在本发明的一具体实施例中，第二齿轮421通过螺母固定于第二驱动电机42的输出轴上)，导向套33上设置与导向孔331连通的第二齿轮容置孔332，第二齿轮容置孔332的内壁上设置与第二齿轮421啮合的导向套内齿轮部333。在本实施方式中，调整套312内设置第二驱动电机安装座422。启动第二驱动电机42，通过第二齿轮421和导向套内齿轮部333驱动导向套33周向转动。第二驱动电机42的转速及转角是可以调节的，第二驱动电机42的转动会带动导向套33周向转动，从而改变导向孔331的周向位置，其周向位置的改变会使得传动轴21带动钻头座2钻进方向的方位发生改变。

进一步，如图1所示，钻头座2靠近外壳体1的一端设置球状座头22，中心孔10内位于花瓣连接部11远离钻头座2的一侧设置半球型槽102，球状座头22与半球型槽102呈球式配合，使得钻头座2能绕外壳体1摆动。钻进过程中，钻压通过外壳体1和球状座头22最终传递至钻头。

进一步，如图1所示，传动轴21上套设动密封套23(在本发明的一具体实施例中，动密封套23通过螺纹固定连接于传动轴21上)，中心孔10靠近钻头座2的一端设置直径向钻头座方向渐缩的锥孔部103，动密封套23位于锥孔部103内，动密封套23的外径尺寸小于锥孔部103的内径尺寸。动密封套23能实现传动轴21摆动过程中的密封，动密封套23的外径尺寸小于锥孔部103的内径尺寸，以避免动密封套23随传动轴21摆动的过程中磕碰锥孔部103的侧壁。

进一步，如图1所示，钻头座2包括钻头座本体20，钻头座本体20的一端设置前述的球状座头22，钻头座本体20上沿轴向贯通设置钻头座通孔，钻头座通孔内固定连接前述的传动轴21(在本发明的一具体实施例中，传动轴21通过螺纹固定连接于钻头座通孔内)，钻头座本体20的外侧固定套设能与花瓣连接部11花瓣式连接的连接花瓣套24(在本发明的一具体实施例中，连接花瓣套24通过螺纹固定连接于钻头座本体20上)，钻头座通孔远离外壳体1的一端设置用于连接钻头的钻头连接孔25，钻头连接孔25一般为孔径自端部向内渐缩的连接锥螺纹孔，使得钻头连接密封性防松性更好。

使用本发明的花瓣式旋转导向钻井工具100进行钻井时，外壳体1的顶端与上部钻具连接，钻头座2底端的钻头连接孔25处连接钻头，外壳体1的中心孔10、内齿轮套311的内腔、调整套312的内腔、第二齿轮容置孔332、导向孔331及传动轴21的内腔构成钻井液的流道，上部钻具的扭矩通过花瓣连接部11、钻头座2传递给钻头，钻压通过外壳体1、钻头座2传递至钻头。

需要进行弯角大小调节时，启动第一驱动电机41(转速及转角根据实际需要调节)，第一驱动电机41的转动会带动内齿轮套311转动，而内齿轮套311的转动会通过螺母螺杆结构转化为调整套312的轴向移动，从而改变导向孔331的轴向位置；导向孔331的轴向位置的改变会改变传动轴21的球状轴头211径向位置，从而改变钻头座2的中心轴与外壳体1的中心轴之间的夹角大小(即弯角大小)。

需要进行弯角方位调节时，启动第二驱动电机42(转速及转角根据实际需要调节)，第二驱动电机42的转动会带动导向套33周向转动，从而改变导向孔331的周向位置，其周向位置的改变会使得传动轴21带动钻头座2钻进方向的方位发生改变。

由上所述，本发明提供的花瓣式旋转导向钻井工具具有如下有益效果：

本发明提供一种花瓣式旋转导向钻井工具中，钻头座与外壳体花瓣式连接，满足钻头座能相对外壳体摆动形成符合要求的弯角，弯角调节范围大，实现大位移井和丛式水平井等钻进过程中造斜能力要求；角度调整结构能同时调节改变钻头座相对外壳体的弯角大小和弯角方位，实现钻进过程中井眼轨迹的控制，自动导向钻井，利于广泛使用。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种花瓣式旋转导向钻井工具，包括外壳体，所述外壳体上沿轴向贯通设置中心孔，其特征在于，所述外壳体的侧壁一端设置花瓣连接部，所述花瓣连接部上花瓣式连接设置钻头座，所述钻头座与所述外壳体之间的弯角呈可调整设置；所述中心孔内设置角度调整结构，所述角度调整结构用于驱动所述钻头座摆动改变弯角大小和弯角方位。

2.如权利要求1所述的花瓣式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述角度调整结构包括能沿所述中心孔的轴向移动且能周向转动的导向套，所述导向套的一端设有沿轴向倾斜设置的导向孔；所述钻头座上沿轴向固定设置的中空的传动轴，所述传动轴的自由端设置能相切套设于所述导向孔内的球状轴头，所述球状轴头能在所述导向孔的运动导向下摆动。

3.如权利要求2所述的花瓣式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述角度调整结构包括第一驱动结构和第二驱动结构，所述第一驱动结构用于驱动所述导向套沿所述中心孔的轴向移动，所述第二驱动结构用于驱动所述导向套周向转动。

4.如权利要求3所述的花瓣式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述第一驱动结构包括设置于所述外壳体内的第一驱动电机，所述第一驱动电机的输出轴上设置第一齿轮，所述第一齿轮上啮合套设有轴向固定且能周向转动的内齿轮套，所述内齿轮套远离所述第一驱动电机的一端外壁上设置外螺纹部，所述外螺纹部上套设周向固定且能沿所述内齿轮套轴向移动的调整套，所述调整套的内壁上设置与所述外螺纹部匹配的内螺纹部，所述导向套轴向固定且能周向转动地套设于所述调整套内。

5.如权利要求4所述的花瓣式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述第二驱动结构包括设置于所述调整套内的第二驱动电机，所述第二驱动电机的输出轴上设置第二齿轮，所述导向套上设置与所述导向孔连通的第二齿轮容置孔，所述第二齿轮容置孔的内壁上设置与所述第二齿轮啮合的导向套内齿轮部。

6.如权利要求4所述的花瓣式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述中心孔的侧壁上设置内花键，所述调整套的外壁上设置与所述内花键匹配的外花键。

7.如权利要求4所述的花瓣式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述内齿轮套通过第一悬挂滚珠套设于所述外壳体的中心孔内，所述导向套通过第二悬挂滚珠套设于所述调整套内。

8.如权利要求2所述的花瓣式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述钻头座靠近所述外壳体的一端设置球状座头，所述中心孔内位于所述花瓣连接部远离所述钻头座的一侧设置半球型槽，所述球状座头与所述半球型槽呈球式配合。

9.如权利要求2所述的花瓣式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述传动轴上套设动密封套，所述中心孔靠近所述钻头座的一端设置直径向所述钻头座方向渐缩的锥孔部，所述动密封套位于所述锥孔部内，所述动密封套的外径尺寸小于所述锥孔部的内径尺寸。

10.如权利要求2所述的花瓣式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述钻头座包括钻头座本体，所述钻头座本体的一端设置所述球状座头，所述钻头座本体上沿轴向贯通设置钻头座通孔，所述钻头座通孔内固定连接所述传动轴，所述钻头座本体的外侧固定套设能与所述花瓣连接部花瓣式连接的连接花瓣套，所述钻头座通孔远离所述外壳体的一端设置用于连接钻头的钻头连接孔。