CN110748296A - 一种机械指向式旋转导向钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下工具，具体涉及一种机械指向式旋转导向钻井工具。它由壳体、上接头、下接头、中心杆、转向组件、传动筒、偏心管、控制组件、上套筒和下套筒构成，壳体的一端端口内螺纹安装有上接头，壳体的另一端端口内螺纹安装有下接头，下接头和上接头之间的壳体内套装有中心杆，中心杆由上杆、中杆和下杆构成，所述的下杆上套装有偏转组件和传动筒，传动筒与壳体键连接，所述的上杆上通过锁紧螺母固装有偏心管，所述的中杆上套装有控制组件，控制组件和偏心管之间的壳体内套装有上套筒，控制组件和偏转组件之间的壳体内套装有下套筒。它具有成本较低、工作稳定和易于维护的特点，满足了钻井工作的需要。

Description

一种机械指向式旋转导向钻井工具

技术领域

本发明涉及一种井下工具，具体涉及一种机械指向式旋转导向钻井工具。

背景技术

石油资源是现代社会不可缺少的重要资源，但是经过多年的大规模开采工作，许多油田的浅层石油储量已经难以满足人们的需要，因此石油的开采段在逐渐向大斜度井、深井和超深井发展。随着勘探和开发过程的深入，钻头在钻进时需要根据地层环境的变化不断调整钻井的井眼轨迹，以使井眼轨迹能准确到达石油储层，因此利用导向钻井技术来调整井眼轨迹，在现代化钻井过程中具有重要的作用。旋转导向钻井技术相比于传统的滑动钻井技术，具有钻速高、井眼轨迹平滑和钻井周期短等优点，是导向钻井技术的重要发展方向。

目前常见的旋转导向工具以电控式为主，其工作过程为：井下测量系统将井眼轨迹信息传输到地面控制平台，地面控制平台对信息进行处理，然后通过井下CPU控制导向系统进行旋转导向钻井，但该过程所用到的成熟电控系统技术含量较高，往往采用的是国外公司的电控系统，且需要与国外钻井公司的相关技术服务相配合，成本十分高昂；此外，随着钻井深度的增加，地层的温度和压力也随之增大，电子元件受高温影响容易失效，导致电控系统工作不稳定，且难以排查受损元件，只能更换模块来使系统恢复工作，不易进行维护，因此需要一种机械指向式旋转导向钻井工具来克服电控系统的不足。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种成本较低、工作稳定和易于维护，以解决现有电控式旋转导向工具存有的成本高昂、工作容易失效和不易维护问题的机械指向式旋转导向钻井工具。

本发明的技术方案是：

一种机械指向式旋转导向钻井工具，它由壳体、上接头、下接头、中心杆、转向组件、传动筒、偏心管、控制组件、上套筒和下套筒构成，其特征在于：壳体的一端端口内螺纹安装有上接头，壳体的另一端端口内螺纹安装有下接头，下接头和上接头之间的壳体内套装有中心杆，中心杆由上杆、中杆和下杆构成，所述的下杆上套装有偏转组件和传动筒，传动筒与壳体键连接，所述的上杆上通过锁紧螺母固装有偏心管，所述的中杆上套装有控制组件，控制组件和偏心管之间的壳体内套装有上套筒，控制组件和偏转组件之间的壳体内套装有下套筒。

所述的上杆、中杆和下杆之间通过锁紧球连接，锁紧球上方的中杆和下杆上分别插装有锁紧杆，上杆、中杆和下杆之间能产生相对旋转。

所述的上杆呈变径管状，上杆的上端口内设置有憋压凸缘。

所述的中杆的内壁上设置有封隔盘，封隔盘与中杆一体成型，封隔盘上部的中杆上对称状设置有分流孔，分流孔与中杆上部的内孔连通，封隔盘下部的中杆上设置有一个泄流孔，泄流孔与中杆下部的内孔连通。

所述的偏转组件由上阀盘、下阀盘、推杆和推板构成，上阀盘与中杆键连接，上阀盘下方的下杆上螺纹安装有锁紧螺母，锁紧螺母和上阀盘之间的下杆上套装有下阀盘，下阀盘与壳体固定连接，下阀盘内放射状设置有多个活塞腔，活塞腔内分别滑动安装有推杆，推杆上固装有活塞，活塞和下阀盘之间装有弹簧，推杆的端头延伸到下阀盘外，延伸到下阀盘外的推杆端头装有推板。

所述的推板为弧形板。

所述的上阀盘上轴向设置有旁通孔，旁通孔内侧的上阀盘内径向设置有上横孔，上横孔分别与旁通孔和泄流孔连通，上横孔内设置有单向阀。

所述的下阀盘的上端呈放射状设置有多个传压孔，传压孔与活塞腔连通，下阀盘的下端设置有多个泄压槽，泄压槽与传压孔呈错位状设置，泄压槽内侧的下阀盘内设置有下横孔，泄压槽通过下横孔与活塞腔连通。

所述的传动筒的外壁呈弧形。

所述的控制组件由控制筒、销钉和挡环构成，控制筒与中杆键连接，控制筒上插装有销钉，销钉固装在壳体上，控制筒下方的中杆上螺纹安装有锁紧螺母，锁紧螺母和控制筒之间的中杆上套装有挡环，挡环和控制筒之间装有弹簧。

所述的控制筒上设置有一圈控制槽，控制槽内的一侧均布有多个上控制齿，控制槽内的另一侧均布有多个下控制齿，上控制齿和下控制齿呈错位状设置。

本发明的优点在于：

该机械指向式旋转导向钻井工具具有成本较低、工作稳定和易于维护的特点，通过改变钻井液的流量来切换中杆的角度，进而改变钻进角度，实现了机械化控制，无需安装额外的电控设备，节省了生产成本，且机械结构不易受高温影响，工作十分稳定，各组件易于维修或替换，维护容易，解决了现有电控式旋转导向工具存有的成本高昂、工作容易失效和不易维护的问题，满足了钻井工作的需要。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中的A-A向的剖面结构示意图；

图3为本发明的上杆的结构示意图；

图4为图1中的B处的局部放大示意图；

图5为本发明的中杆的结构示意图；

图6为图1中的C处的局部放大示意图；

图7为本发明的控制筒的结构示意图；

图8为本发明的控制槽的展开示意图；

图9为图1中的D处的局部放大示意图；

图10为图9中的F-F向的剖面结构示意图；

图11为本发明的上阀盘的结构示意图；

图12为本发明的下阀盘的俯视结构示意图；

图13为本发明的下阀盘的仰视结构示意图；

图14为图1中的E-E向的剖面结构示意图。

图中：1、壳体，2、上接头，3、下接头，4、转向组件，4-1、上阀盘，4-2、下阀盘,4-3、推杆,4-4、推板，4-5、旁通孔，4-6、上横孔，4-7、单向阀，4-8、活塞，4-9、传压孔，4-10、泄压槽，4-11、下横孔，5、传动筒，6、偏心管，7、控制组件，7-1、控制筒，7-2、销钉，7-3、挡环，7-4、控制槽，7-5、上控制齿，7-6、下控制齿，8、上套筒，9、下套筒，10、上杆，10-1、憋压凸缘，11、中杆，11-1、封隔盘，11-2、分流孔，11-3、泄流孔，12、下杆， 13、锁紧球，14、锁紧杆，15、锁紧螺母，16、弹簧。

具体实施方式

该机械指向式旋转导向钻井工具由壳体1、上接头2、下接头3、中心杆、转向组件4、传动筒5、偏心管6、控制组件7、上套筒8和下套筒9构成，壳体1的一端端口内螺纹安装有上接头2，上接头2用来连接上部的钻井工具，以使壳体1随上部的钻井工具同步旋转，壳体1的另一端端口内螺纹安装有下接头3，下接头3和上接头2之间的壳体1内套装有中心杆，中心杆由上杆10、中杆11和下杆12构成，上杆10、中杆11和下杆12之间通过锁紧球13连接，锁紧球13上方的中杆11和下杆12上分别插装有锁紧杆14，锁紧杆14和锁紧球13配合使上杆10、中杆11和下杆12无法产生脱离，但使上杆10、中杆11和下杆12之间能产生相对旋转。

上杆10呈变径管状，上杆10的上端口内设置有憋压凸缘10-1，上杆10上通过锁紧螺母15固装有偏心管6，上杆10在偏心管6的作用下保持稳定，即壳体1随上部的钻井工具同步旋转时，上杆10不会随壳体1同步旋转。

中杆11的内壁上设置有封隔盘11-1，封隔盘11-1与中杆11一体成型，封隔盘11-1用来封住中杆11的内孔，使钻井液无法直接通过中杆11的内孔向下流动，封隔盘11-1上部的中杆11上对称状设置有分流孔11-2，分流孔11-2与中杆11上部的内孔连通；封隔盘11-1下部的中杆11上设置有一个泄流孔11-3，泄流孔11-3与中杆11下部的内孔连通。

中杆11上套装有控制组件7，控制组件7由控制筒7-1、销钉7-2和挡环7-3构成，控制筒7-1与中杆11键连接，控制筒7-1上设置有一圈控制槽7-4，控制槽7-4内的一侧均布有多个上控制齿7-5，控制槽7-4内的另一侧均布有多个下控制齿7-6，上控制齿7-5和下控制齿7-6呈错位状设置，且上控制齿7-5端头和下控制齿7-6端头之间存有间隙，上控制齿7-5端头和下控制齿7-6端头之间的控制槽7-4内插装有销钉7-2，销钉7-2固装在壳体1上，且销钉7-2不与上控制齿7-5和下控制齿7-6接触，控制筒7-1下方的中杆11上螺纹安装有锁紧螺母15，锁紧螺母15和控制筒7-1之间的中杆11上套装有挡环7-3，挡环7-3和控制筒7-1之间装有弹簧16，控制筒7-1和偏心管6之间的壳体1内套装有上套筒8，上套筒8用来配合弹簧16对控制筒7-1进行限位。

下杆12上套装有传动筒5，传动筒5与壳体1键连接，且传动筒5的外花键与壳体1的内花键之间存有间隙，以使传动筒5在随壳体1旋转时能产生小幅的径向位移，传动筒5的外壁呈弧形，传动筒5的弧形外壁能减小偏转时与壳体1产生的干涉，下杆12的下端头用来安装钻头，以便将旋转和偏移传导给钻头，实现旋转导向钻进的功能；传动筒5上方的下杆12上套装有偏转组件，偏转组件由上阀盘4-1、下阀盘4-2、推杆4-3和推板4-4构成，上阀盘4-1与中杆11键连接，且中杆11上对应于上阀盘4-1的外花键留有轴向的余量，以使上阀盘4-1相对于中杆11产生轴向滑动时，上阀盘4-1仍能与中杆11保持键连接。

上阀盘4-1上轴向设置有旁通孔4-5，旁通孔4-5内侧的上阀盘4-1内径向设置有上横孔4-6，上横孔4-6分别与旁通孔4-5和泄流孔11-3连通，上横孔4-6内设置有单向阀4-7，单向阀4-7在钻井液的液压力过高时打开，使钻井液沿着上横孔4-6和泄流孔11-3进入中杆11下部的内孔，进而排出壳体1，上阀盘4-1和偏转组件之间的壳体1内套装有下套筒9，上阀盘4-1下方的下杆12上螺纹安装有锁紧螺母15，锁紧螺母15用来配合下套筒9对偏转组件进行限位。

锁紧螺母15和上阀盘4-1之间的下杆12上套装有下阀盘4-2，下阀盘4-2与壳体1固定连接，下阀盘4-2内放射状设置有多个活塞腔，活塞腔内分别滑动安装有推杆4-3，推杆4-3上固装有活塞4-8，活塞4-8和下阀盘4-2之间装有弹簧16，推杆4-3的端头延伸到下阀盘4-2外，延伸到下阀盘4-2外的推杆4-3端头装有推板4-4，推板4-4为弧形板，推板4-4在工作过程中推动下杆12偏转，进而带动钻头偏转实现导向功能；下阀盘4-2的上端呈放射状设置有多个传压孔4-9，传压孔4-9与活塞腔连通，当下阀盘4-2旋转到特定角度，传压孔4-9与旁通孔4-5连通，钻井液进入活塞腔推动推杆4-3工作，下阀盘4-2的下端设置有多个泄压槽4-10，泄压槽4-10与传压孔4-9呈错位状设置，泄压槽4-10内侧的下阀盘4-2内设置有下横孔4-11，泄压槽4-10通过下横孔4-11与活塞腔连通，以便将完成工作的钻井液排出活塞腔。

该钻井工具的工作过程为：常规使用时，钻井液通过上接头2进入该钻井工具，然后经过上杆10的内孔进入中杆11的上部，进入中杆11上部的钻井液通过分流孔11-2进入中杆11与壳体1之间的环空，然后沿旁通孔4-5进入上阀盘4-1；由于上杆10在偏心管6的作用下保持不动，因此没有额外的力来带动中杆11和上阀盘4-1转动，而下阀盘4-2在不断随着壳体1旋转，即下阀盘4-2在相对于上阀盘4-1旋转。

当下阀盘4-2旋转到特定的角度时，下阀盘4-2的传压孔4-9与上阀盘4-1的旁通孔4-5连通，钻井液通过传压孔4-9进入下阀盘4-2的各活塞腔，钻井液通过活塞4-8压缩弹簧16并推动推杆4-3运动，推杆4-3通过推板4-4推动下杆12，使下杆12产生偏转，下杆12带动钻头产生偏转，使钻头朝着某个方向钻进，由于下杆12在传动筒5的作用下随壳体1同步旋转，因此钻头在产生偏转的同时保持旋转，实现旋转钻进的功能，此外，下杆12是通过锁紧球13与中杆11连接，因此下杆12的旋转力无法传导给中杆11，即在常规使用时，中杆11和上阀盘4-1保持着初始角度，上阀盘4-1的旁通孔4-5的旋转角度也是固定的，因此钻头的钻进方向只取决于中杆11的旋转角度。

当下阀盘4-2继续旋转，下阀盘4-2的传压孔4-9与上阀盘4-1的旁通孔4-5不连通时，液压力降低，弹簧16推动活塞4-8使推杆4-3归位，并挤压活塞腔内的钻井液，钻井液沿泄压槽4-10排出活塞腔，然后沿下杆12和壳体1之间的环空排出壳体1。

需要改变钻进角度时，地面的工作人员短暂地增大钻井液流量，钻井液流量增大时，液压力给予憋压凸缘10-1一个冲力，使上杆10、中杆11和下杆12同步向下运动，并压缩控制筒7-1和挡板之间的弹簧16，由于中杆11上对应于上阀盘4-1的外花键留有轴向的余量，因此上阀盘4-1相对于中杆11向上轴向滑动时，上阀盘4-1仍与中杆11保持键连接；中杆11带动控制筒7-1向下运动，销钉7-2相对于控制筒7-1向上运动，销钉7-2向上运动后卡在上控制齿7-5之间，由于销钉7-2随壳体1旋转，销钉7-2卡进上控制齿7-5之间后带动控制筒7-1和中杆11旋转，中杆11带动下阀盘4-2同步旋转。

当钻井液的流量恢复原状，控制筒7-1和挡板之间的弹簧16推动上杆10、中杆11和下杆12归位，销钉7-2离开上控制齿7-5，中杆11旋转一定角度后便停止旋转，保持在新的角度，下阀盘4-2和下阀盘4-2上的传压孔4-9也旋转到一个新的角度。因此在后续的工作过程中，当下阀盘4-2旋转到新的角度时，下阀盘4-2的传压孔4-9才与上阀盘4-1的旁通孔4-5连通，钻井液推动推杆4-3工作，使下杆12向另一个方向产生偏转，下杆12带动钻头产生偏转，从而实现转向作用。

Claims (10)

1.一种机械指向式旋转导向钻井工具，它由壳体（1）、上接头（2）、下接头（3）、中心杆、转向组件（4）、传动筒（5）、偏心管（6）、控制组件（7）、上套筒（8）和下套筒（9）构成，其特征在于：壳体（1）的一端端口内螺纹安装有上接头（2），壳体（1）的另一端端口内螺纹安装有下接头（3），下接头（3）和上接头（2）之间的壳体（1）内套装有中心杆，中心杆由上杆（10）、中杆（11）和下杆（12）构成，所述的下杆（12）上套装有偏转组件和传动筒（5），传动筒（5）与壳体（1）键连接，所述的上杆（10）上通过锁紧螺母（15）固装有偏心管（6），所述的中杆（11）上套装有控制组件（7），控制组件（7）和偏心管（6）之间的壳体（1）内套装有上套筒（8），控制组件（7）和偏转组件之间的壳体（1）内套装有下套筒（9）。

2.根据权利要求1所述的一种机械指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述的上杆（10）、中杆（11）和下杆（12）之间通过锁紧球（13）连接，锁紧球（13）上方的中杆（11）和下杆（12）上分别插装有锁紧杆（14），上杆（10）、中杆（11）和下杆（12）之间能产生相对旋转。

3.根据权利要求2所述的一种机械指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述的上杆（10）呈变径管状，上杆（10）的上端口内设置有憋压凸缘（10-1）。

4.根据权利要求2所述的一种机械指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述的中杆（11）的内壁上设置有封隔盘（11-1），封隔盘（11-1）与中杆（11）一体成型，封隔盘（11-1）上部的中杆（11）上对称状设置有分流孔（11-2），分流孔（11-2）与中杆（11）上部的内孔连通，封隔盘（11-1）下部的中杆（11）上设置有一个泄流孔（11-3），泄流孔（11-3）与中杆（11）下部的内孔连通。

5.根据权利要求1所述的一种机械指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述的偏转组件由上阀盘（4-1）、下阀盘（4-2）、推杆（4-3）和推板（4-4）构成，上阀盘（4-1）与中杆（11）键连接，上阀盘（4-1）下方的下杆（12）上螺纹安装有锁紧螺母（15），锁紧螺母（15）和上阀盘（4-1）之间的下杆（12）上套装有下阀盘（4-2），下阀盘（4-2）与壳体（1）固定连接，下阀盘（4-2）内放射状设置有多个活塞腔，活塞腔内分别滑动安装有推杆（4-3），推杆（4-3）上固装有活塞（4-8），活塞（4-8）和下阀盘（4-2）之间装有弹簧（16），推杆（4-3）的端头延伸到下阀盘（4-2）外，延伸到下阀盘（4-2）外的推杆（4-3）端头装有推板（4-4）。

6.根据权利要求5所述的一种机械指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述的推板（4-4）为弧形板。

7.根据权利要求5所述的一种机械指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述的上阀盘（4-1）上轴向设置有旁通孔（4-5），旁通孔（4-5）内侧的上阀盘（4-1）内径向设置有上横孔（4-6），上横孔（4-6）分别与旁通孔（4-5）和泄流孔（11-3）连通，上横孔（4-6）内设置有单向阀（4-7）。

8.根据权利要求5所述的一种机械指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述的下阀盘（4-2）的上端呈放射状设置有多个传压孔（4-9），传压孔（4-9）与活塞腔连通，下阀盘（4-2）的下端设置有多个泄压槽（4-10），泄压槽（4-10）与传压孔（4-9）呈错位状设置，泄压槽（4-10）内侧的下阀盘（4-2）内设置有下横孔（4-11），泄压槽（4-10）通过下横孔（4-11）与活塞腔连通。

9.根据权利要求1所述的一种机械指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述的控制组件（7）由控制筒（7-1）、销钉（7-2）和挡环（7-3）构成，控制筒（7-1）与中杆（11）键连接，控制筒（7-1）上插装有销钉（7-2），销钉（7-2）固装在壳体（1）上，控制筒（7-1）下方的中杆（11）上螺纹安装有锁紧螺母（15），锁紧螺母（15）和控制筒（7-1）之间的中杆（11）上套装有挡环（7-3），挡环（7-3）和控制筒（7-1）之间装有弹簧（16）。

10.根据权利要求9所述的一种机械指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述的控制筒（7-1）上设置有一圈控制槽（7-4），控制槽（7-4）内的一侧均布有多个上控制齿（7-5），控制槽（7-4）内的另一侧均布有多个下控制齿（7-6），上控制齿（7-5）和下控制齿（7-6）呈错位状设置。

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