CN112065279A - 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,包括辅助单元、控制单元、执行单元。其技术方案是:当增大泵压时,钻井液通过中心管上端的孔洞进入换向器上端空腔,使其压缩下端复位弹簧向下运动,由于固定在上外壳的销钉与换向器外壁的特殊槽道配合,换向器将在向下运动的同时旋转一定角度,带动与之楔状配合的开关旋转并回到上端配合位,使高压钻井液通过中心管下端开孔、开关径向开孔进入执行机构,推块沿导向接头空腔向外运动使导向推翼沿径向绕转轴展开推靠岩壁,实现工具导向功能。当再次增大泵压时,换向器将再次挤压复位弹簧向下运动并带动开关旋转一定角度,使开关下端径向开孔错开执行机构空腔,断开中心管内部钻井液与执行结构空腔的连通,导向推翼失去推力在岩壁的作用下收回,停止导向工作。本发明是一种机械式旋转导向工具,能够在复杂井下环境下实现对井眼轨迹的控制,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与天然气勘探开发领域的新型钻井工具,可以通过调整钻井液压力实现导向钻进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效益,需要钻深井、超深井、大位移井和长距离水平井,而且常常要在更复杂的地层如高陡构造带钻井,这些都对定向钻井工具提出了更高的要求,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,既能够大幅度提高钻井速度,也能减少钻井事故,提高钻井安全性,降低钻井成本,并且有很高的轨迹控制精度,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。
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。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,在钻头破岩钻进的同时,及时调整井斜和方位,完成定向钻井。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旋转导向产品,这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重要的战略意义,在保证经济效益的基础上,也能够满足页岩气等非常规油气资源高效开发的迫切需要。旋转导向工具的开发不仅具有重要的研究价值,还具有广阔的市场前景,值得深入地创新与研究。发明内容
为解决背景技术中所述的实现在复杂地层定向钻井和突破石油工业强国对我国导向工具的技术封锁,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钻井工具,当正常钻进时,钻井液从工具内部正常流过,工具无任何动作;当需要导向钻进时,通过改变钻井液泵压,驱动控制机构改变钻井液流道,驱动执行机构伸出导向推翼推靠岩壁,实现工具的导向钻进功能。
本发明的技术方案为:所述的一种机械式旋转导向工具主要由辅助单元、控制单元、执行单元组成;所述的辅助单元包括上接头、串轴承a、套筒、中间接头、串轴承b、下接头,上接头通过螺纹连接在中间接头上端,中间接头下端与上外壳螺纹连接,串轴承a通过过盈配合安装在上接头下端并与中间接头内壁接触配合,套筒通过间隙配合安装在中心管与中间接头之间,串轴承b通过过盈配合安装在下接头上端并与导向接头内壁接触配合,下接头通过螺纹连接在导向接头下端,其下段与钻头连接配合;所述的控制单元包括中心管、上外壳、换向器、销钉、轴承、复位弹簧、开关,中心管上端与上接头内部下端面接触,下端与下接头内部上端面接触,其上端周向开有两个呈180°孔,下端开有一个孔,上外壳下端通过螺纹连接在导向接头上端,换向器与开关安装在中心管与上外壳和导向接头之间,换向器上端面与上外壳内端面接触配合,下端与开关上端楔状配合,销钉通过螺纹连接在上外壳上,并与换向器外壁的特殊槽道接触配合,轴承上端面与换向器下端面接触,下端面与复位弹簧上端面接触,复位弹簧安装在换向器与上外壳之间,下端面与上外壳内部下端面接触限位,开关下端面与下接头上端面接触,其下端内壁开有与中心管下端孔配合的环形槽与径向孔;所述的执行单元包括导向接头、导向推翼、推块、喷嘴,导向接头下端通过螺纹连接下接头上端,其下端径向开孔与开关开孔在同一轴线上,导向推翼通过转轴连接在导向接头外壁并可绕转轴径向转动,推块与导向接头下端空腔配合并可径向移动,喷嘴位于推块空腔内且与导向接头径向孔连通。
所述的机械式旋转导向工具在工作时,若不需要导向钻进时,钻井液通过上接头、中心管、下接头直接流入下部连接,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,钻井液通过中心管上端开孔进入换向器上端空腔,使其压缩下端复位弹簧向下运动,由于固定在上外壳的销钉与换向器外壁的特殊槽道配合,换向器将在向下运动的同时旋转一定角度,带动与之楔状配合的开关旋转一定角度并回到上端配合位,使高压钻井液通过中心管下端开孔、开关周向槽与径向开孔、导向接头下端开孔进入导向接头下端空腔,推动推块沿空腔向外运动使导向推翼沿径向绕转轴展开推靠岩壁,实现工具导向功能。当再次增大泵压时,换向器将再次挤压复位弹簧向下运动并带动开关旋转一定角度,使开关下端径向开孔错开导向接头空腔,与其内壁接触堵塞,断开中心管内部钻井液与其空腔的连通,导向推翼失去推力在岩壁的作用下收回,工具停止导向工作。
换向器与开关楔状配合并沿轴向向其位移,最小配合尺寸为10mm,最大配合尺寸为130mm;换向器外壁与销钉配合的特殊槽道一周有8个极限位置,对应开关下端径向开孔在周向的8个位置和导向接头周向的4个空腔;开关内壁开设周向环形槽与其下端径向孔连通并与中心管下端径向孔配合。
本发明的有益效果是:(1)通过调节钻井液泵压的方式驱动控制机构,从而实现对执行机构导向推翼的控制,可靠性高;(2)换向器的巧妙设计和开关的配合完成了对导向钻进的控制,使工具结构精妙,加工简单;(3)机械式旋转导向工具结构简单,操控方便可靠,能够实现稳定的导向钻进。
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是导向推翼工作时剖面图。
图5是换向器的结构示意图。
图6是开关的结构示意图。
上图中:1.上接头,2.中心管,3.串轴承a,4.套筒,5.中间接头,6.上外壳,7.换向器,8.销钉,9.轴承,10.复位弹簧,11.开关,12.导向接头,13.导向推翼,14.推块,15.喷嘴,16.串轴承b,17.下接头。
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,意在阐述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,所述的一种机械式旋转导向工具包括连接单元、辅助单元、控制单元、执行单元;所述的辅助单元包括上接头1、串轴承a3、套筒4、中间接头5、串轴承b16、下接头17,上接头1通过螺纹连接在中间接头5上端,中间接头5下端与上外壳6螺纹连接,串轴承a3通过过盈配合安装在上接头1下端并与中间接头5内壁接触配合,套筒4通过间隙配合安装在中心管2与中间接头5之间,串轴承b16通过过盈配合安装在下接头17上端并与导向接头12内壁接触配合,下接头17通过螺纹连接在导向接头12)下端,其下段与钻头连接配合;所述的控制单元包括中心管2、上外壳6、换向器7、销钉8、轴承9、复位弹簧10、开关11,中心管2上端与上接头1内部下端面接触,下端与下接头17内部上端面接触,其上端周向开有两个呈180°孔,下端开有一个孔,上外壳6下端通过螺纹连接在导向接头12上端,换向器7与开关11安装在中心管与上外壳6和导向接头12之间,换向器7上端面与上外壳6内端面接触配合,下端与开关11上端楔状配合,销钉8通过螺纹连接在上外壳6上,并与换向器外壁的特殊槽道接触配合,轴承9上端面与换向器7下端面接触,下端面与复位弹簧10上端面接触,复位弹簧10安装在换向器7与上外壳6之间,下端面与上外壳6内部下端面接触限位,开关11下端面与下接头17上端面接触,其下端内壁开有与中心管下端孔配合的环形槽与径向孔;所述的执行单元包括导向接头12、导向推翼13、推块14、喷嘴15,导向接头12下端通过螺纹连接下接头17上端,其下端径向开孔与开关11开孔在同一轴线上,导向推翼13通过转轴连接在导向接头12外壁并可绕转轴径向转动,推块14与导向接头12下端空腔配合并可径向移动,喷嘴15位于推块14空腔内且与导向接头12径向孔连通。
所述的机械式旋转导向工具在工作时,若不需要导向钻进时,钻井液通过上接头1、中心管2、下接头17)直接流入下部连接,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,钻井液通过中心管2上端开孔进入换向器7上端空腔,使其压缩下端复位弹簧10向下运动,由于固定在上外壳6的销钉8与换向器7外壁的特殊槽道配合,换向器7将在向下运动的同时旋转一定角度,带动与之楔状配合的开关11旋转一定角度并回到上端配合位,使高压钻井液通过中心管2下端开孔、开关11周向槽与径向开孔、导向接头12下端开孔进入导向接头12下端空腔,推动推块14沿空腔向外运动使导向推翼13沿径向绕转轴展开推靠岩壁,实现工具导向功能。当再次增大泵压时,换向器7将再次挤压复位弹簧10向下运动并带动开关11旋转一定角度,使开关11下端径向开孔错开导向接头12空腔,与其内壁接触堵塞,断开中心管2内部钻井液与其空腔的连通,导向推翼13失去推力在岩壁的作用下收回,工具停止导向工作。
所述的换向器7与开关11楔状配合并沿轴向向其位移,最小配合尺寸为10mm,最大配合尺寸为130mm。
所述的换向器7外壁与销钉8配合的特殊槽道一周有8个极限位置,对应开关11下端径向开孔在周向的8个位置和导向接头12周向的4个空腔。
所述的开关11内壁开设周向环形槽与其下端径向孔连通并与中心管2下端径向孔配合。
Claims (5)
1.一种机械式旋转导向工具,其特征在于:所述的一种机械式旋转导向工具包括连接单元、辅助单元、控制单元、执行单元;所述的辅助单元包括上接头(1)、串轴承a(3)、套筒(4)、中间接头(5)、串轴承b(16)、下接头(17),上接头(1)通过螺纹连接在中间接头(5)上端,中间接头(5)下端与上外壳(6)螺纹连接,串轴承a(3)通过过盈配合安装在上接头(1)下端并与中间接头(5)内壁接触配合,套筒(4)通过间隙配合安装在中心管(2)与中间接头(5)之间,串轴承b(16)通过过盈配合安装在下接头(17)上端并与导向接头(12)内壁接触配合,下接头(17)通过螺纹连接在导向接头(12)下端,其下段与钻头连接配合;所述的控制单元包括中心管(2)、上外壳(6)、换向器(7)、销钉(8)、轴承(9)、复位弹簧(10)、开关(11),中心管(2)上端与上接头(1)内部下端面接触,下端与下接头(17)内部上端面接触,其上端周向开有两个呈180°孔,下端开有一个孔,上外壳(6)下端通过螺纹连接在导向接头(12)上端,换向器(7)与开关(11)安装在中心管与上外壳(6)和导向接头(12)之间,换向器(7)上端面与上外壳(6)内端面接触配合,下端与开关(11)上端楔状配合,销钉(8)通过螺纹连接在上外壳(6)上,并与换向器外壁的特殊槽道接触配合,轴承(9)上端面与换向器(7)下端面接触,下端面与复位弹簧(10)上端面接触,复位弹簧(10)安装在换向器(7)与上外壳(6)之间,下端面与上外壳(6)内部下端面接触限位,开关(11)下端面与下接头(17)上端面接触,其下端内壁开有与中心管下端孔配合的环形槽与径向孔;所述的执行单元包括导向接头(12)、导向推翼(13)、推块(14)、喷嘴(15),导向接头(12)下端通过螺纹连接下接头(17)上端,其下端径向开孔与开关(11)开孔在同一轴线上,导向推翼(13)通过转轴连接在导向接头(12)外壁并可绕转轴径向转动,推块(14)与导向接头(12)下端空腔配合并可径向移动,喷嘴(15)位于推块(14)空腔内且与导向接头(12)径向孔连通。
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,若不需要导向钻进时,钻井液通过上接头(1)、中心管(2)、下接头(17)直接流入下部连接,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,钻井液通过中心管(2)上端开孔进入换向器(7)上端空腔,使其压缩下端复位弹簧(10)向下运动,由于固定在上外壳(6)的销钉(8)与换向器(7)外壁的特殊槽道配合,换向器(7)将在向下运动的同时旋转一定角度,带动与之楔状配合的开关(11)旋转一定角度并回到上端配合位,使高压钻井液通过中心管(2)下端开孔、开关(11)周向槽与径向开孔、导向接头(12)下端开孔进入导向接头(12)下端空腔,推动推块(14)沿空腔向外运动使导向推翼(13)沿径向绕转轴展开推靠岩壁,实现工具导向功能。当再次增大泵压时,换向器(7)将再次挤压复位弹簧(10)向下运动并带动开关(11)旋转一定角度,使开关(11)下端径向开孔错开导向接头(12)空腔,与其内壁接触堵塞,断开中心管(2)内部钻井液与其空腔的连通,导向推翼(13)失去推力在岩壁的作用下收回,工具停止导向工作。
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:换向器(7)与开关(11)楔状配合并沿轴向向其位移,最小配合尺寸为10mm,最大配合尺寸为130mm。
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:换向器(7)外壁与销钉(8)配合的特殊槽道一周有8个极限位置,对应开关(11)下端径向开孔在周向的8个位置和导向接头(12)周向的4个空腔。
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:开关(11)内壁开设周向环形槽与其下端径向孔连通并与中心管(2)下端径向孔配合。
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