CN112360350B - 机械式旋转导向钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种机械式旋转导向钻井工具。具体技术方案为：一种机械式旋转导向钻井工具，机械式旋转导向钻井工具两端分别与上部钻具和钻头连接；机械式旋转导向钻井工具包括测试短节、离合装置、控制机构以及执行部分；所述测试短节同时也作为机械式旋转导向钻井工具的上接头，与工具配合使用；所述离合装置外连导向本体，内接芯轴，合上之后两部分只有唯一的周向位置；所述开关控制筒外圆柱面上的槽道配合控制螺钉，控制流体通道的开关旋转；所述执行部分的推块在流体通道打开后伸出推靠井壁，推动钻头导向钻进。本发明为纯机械结构控制导向钻井，在井下复杂多变的环境中不易失效，操作简单，定向可靠。

Description

机械式旋转导向钻井工具

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种机械式旋转导向钻井工具。

背景技术

随着全球浅层油气资源日渐枯竭，但是经济发展的需求逐年增加，浅层油气资源已经不能满足需要，使得钻井向深井、超深井、大位移井和水平井等特殊工艺井方向发展。相对于常规井来说，特殊工艺井能够获得更大的油气藏接触面积，提高原油的采收率，降低开发成本。为了获得更好的经济效益，在特殊工艺井中应用旋转导向钻进方式，灵活地调整井斜和方位，大大提高了钻井速度和钻井安全性，井眼轨迹控制精度也非常高。旋转导向工具非常适合开发特殊工艺井的需要，既能够提高钻井速度，减少甚至避免钻井事故，也可以有效降低钻井成本；但是现有的旋转导向钻井系统都非常昂贵，并且由于存在电子设备，可靠性不高。

因此，如何快速、高效、低成本实现井眼轨迹定向钻进，是本领域渴望解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过机械结构控制的、稳定可靠实现导向钻井的机械式旋转导向钻井工具。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种机械式旋转导向钻井工具，所述机械式旋转导向钻井工具两端分别与上部钻具和钻头可拆卸螺纹连接；所述机械式旋转导向钻井工具包括测试短节、离合装置、控制机构、执行部分、平面轴承以及TC轴承等；

所述测试短节同时作为机械式旋转导向钻井工具的上接头，内部与芯轴通过螺纹连接；所述测试短节具有测试方位角、工具面角、井斜角等功能，同时能将测试到的相关数据传到地面；

所述离合装置包括由TC轴承静环轴向定位的弹簧架，固定在芯轴键槽里的离合键，固定离合键的离合键固定螺钉，连接芯轴与导向本体的离合器控制筒，以及位于弹簧架与离合器之间的离合器弹簧；所述离合装置脱离时，芯轴与导向本体相互独立转动，而在合上时，芯轴与导向本体一起转动；

所述控制机构包括将轴向运动转换为转动的开关控制筒，装配在导向本体上限制开关控制筒轴向位移的螺钉，驱动开关控制筒复位的控制弹簧，避免开关控制筒带动控制弹簧转动的推力轴承，以及开启或关闭孔d的开关；所述控制机构的开关控制筒驱动开关转动开启或关闭孔d；

所述执行部分包括装配在导向本体空腔a内的推块，限制推块径向行程的推块盖板，固定盖板的盖板螺钉，以及允许单向导通的推块单向喷嘴；所述执行部分的推块伸出后对井壁施加推靠力。

优选的，所述离合器控制筒外部均布四个花键，导向本体内部与离合器控制筒外花键对应、配套设置键槽；所述离合器控制筒内部与芯轴间隙配合，离合器控制筒外花键与导向本体花键槽间隙配合，离合器控制筒能沿轴向滑动；所述离合器控制筒的滑动行程以及离合器弹簧的最大压缩行程大于离合键的长度。

优选的，所述离合键只设置一个，离合键两端为圆弧面；离合器控制筒内部与离合键对应、配套设置一个键槽；所述弹簧架外部均布四个花键，导向本体内部与弹簧架外花键对应、配套设置键槽；所述弹簧架开有均布的三个平衡压力的孔a，导向本体对应、配套设置三个平衡压力的孔b。

优选的，所述开关控制筒内部与芯轴间隙配合，外部与导向本体间隙配合，开关控制筒能沿轴向滑动；开关控制筒外圆柱面开设有“W”形凹槽道，与装配在导向本体上的控制螺钉相互配合，带动开关旋转；所述控制弹簧的最大压缩行程大于或等于开关控制筒的轴向滑动距离。

优选的，所述开关控制筒与开关插接在一起，允许开关控制筒与开关有相对轴向位置关系变化，限制开关控制筒与开关相对周向位置关系变化；所述开关上分两层开六个孔g，每层均布三个，轴向位置与导向本体上的孔d对应；开关外圆柱面上，每个孔g的周围均有一条装配密封圈的环形凹槽道。

优选的，所述推块在导向本体周向上相差120°设置两个，由推块盖板限制在导向本体的空腔a内伸缩；所述推块单向喷嘴只允许流体流出空腔a，限制流体流入空腔a。

优选的，所述推块单向喷嘴通过喷嘴外壳外部的螺纹与推块连接；喷嘴外壳内部一段为螺纹，与喷嘴内挡板对应、配套设置，另一段为内花键槽，最小内径为喷嘴阀芯的外径；所述喷嘴内挡板外部为螺纹，中间开小于喷嘴阀芯外径的内六角通孔。

优选的，所述导向本体设置有两个相差120°的装配推块的空腔a；与两空腔a相差120°的位置保留不加工空腔a的翼块；所述导向本体在装配控制弹簧的位置均布有三个平衡压力的孔c；所述芯轴开有进入空腔b的孔e和进入空腔a的孔f；芯轴上端与作为工具上接头的测试短节通过螺纹相连，芯轴下端与下接头作为一体。

优选的，所述导向本体上下两端各设置一对TC轴承；所述TC轴承静环靠近工具两端面的位置设置平面轴承；所述平面轴承由TC轴承静环和调节螺母轴向定位；所述调节螺母利用卡在芯轴上的弹簧挡圈防松。

优选的，所述离合器弹簧的刚度值比控制弹簧的刚度值大，保证改变空腔b处流体压力后，离合器控制筒受大于等于开关控制筒液压推力时，开关控制筒先旋转下行，离合器控制筒再滑动脱开。

本发明具有以下有益效果：本发明为纯机械结构控制执行导向钻井，在井下复杂多变的环境中不易失效。在需要导向钻进时，只需改变工具内部流体压力，调整工具面到导向钻进的方向后，恢复流体压力钻进即可，操作简单，无需对操作人员进行特殊培训。不存在电子设备，稳定可靠，制造成本低。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案的机械式旋转导向钻井工具的示意图；

图2是图1的A-A剖面视图，显示了根据本发明的离合装置的截面示意图；

图3是图1的B-B剖面视图，显示了根据本发明的执行部分的截面示意图；

图4是图1的推块单向喷嘴放大结构示意图；

图5是图1的止推轴承放大结构示意图；

图6是图1的TC轴承放大结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下：1、测试短节，2、弹簧挡圈，3、调节螺母，4、止推轴承，41、止推轴承挡圈a，42、滚珠保持架，43、滚珠，44、止推轴承挡圈b，5、平键a，6、平键b，7、弹簧架，71、孔a，8、离合器弹簧，9、导向本体，91、孔b，92、孔c，93、孔d，924、空腔a， 10、离合器控制筒，1014、空腔b，11、离合键固定螺钉，12、离合键，13、密封圈a，14、开关控制筒，15、控制螺钉，16、密封圈b，17、推力轴承，18、控制弹簧，19、芯轴，191、孔e，192、孔f，20、开关,201、孔g，21、推块盖板，22、盖板螺钉，23、密封圈c，24、推块，25、密封圈，26、推块单向喷嘴，261、喷嘴外壳，262、喷嘴内挡板，263、喷嘴阀芯，264、喷嘴弹簧，27、TC轴承，271、TC轴承静环，272、TC轴承静耐磨带，273、TC轴承动耐磨带，274、TC轴承动环，28、止推轴承挡圈。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例机械式旋转导向钻井工具。需要说明的是，所述机械式旋转导向钻井工具可用于多种需要导向钻井情况。本发明附图将其应用于石油钻井中，并非限定其只能应用于此。下面以应用于石油钻井为例。

如图1所示，本实施例的机械式旋转导向钻井工具包括测试短节1；该测试短节1同时作为机械式旋转导向钻井工具的上接头，内部与芯轴19通过螺纹连接；所述测试短节1具有测试方位角、工具面角、井斜角等功能，同时能将测试到的相关数据传到地面。本实施例的机械式旋转导向钻井工具还包括离合装置；该离合装置脱离时，芯轴19与导向本体9相互独立转动，而在合上时，芯轴19与导向本体9一起转动。本实施例的机械式旋转导向钻井工具还包括控制机构；该控制机构的开关控制筒14驱动开关20转动开启或关闭导向本体9的孔d93。本实施例的机械式旋转导向钻井工具还包括执行部分；该执行部分的推块24伸出后对井壁施加推靠力。

在使用时，到达预定地层，需要导向钻进时：降低钻井液压力，空腔b1014处的钻井液压力降低，开关控制筒14在控制弹簧18的作用下复位；离合器控制筒10在离合器弹簧8的作用下复位，内连芯轴19，外连导向本体9，利用地面转盘或者顶驱转动钻柱，调整机械式旋转导向钻井工具的工具面角；恢复钻井液压力，空腔b1014处的钻井液压力升高，推动开关控制筒14旋转下行，控制开关20旋转，开关20的孔g201连通芯轴19的孔f192和导向本体9的孔d93；高压钻井液依次通过芯轴19的孔f192、开关20的孔g201、导向本体9的孔d93，进入空腔a924，推块24伸出，推靠井壁，产生推靠钻头的作用力；空腔b1014处的高压钻井液推动离合器控制筒10，离合装置脱离，导向钻进。导向钻进完成，需要恢复正常钻进时：降低钻井液压力，开关控制筒14在控制弹簧18的作用下复位；恢复钻井液压力，推动开关控制筒14旋转下行，控制开关20旋转，阻断芯轴19的孔f192与导向本体9的孔d93；空腔a924通过推块单向喷嘴26与井眼环空连通卸压，在井壁的作用下，推块24缩回，结束导向钻进过程，恢复正常钻进。

在一个优选实施例中，如图1和图2所示，离合器控制筒10外部均布四个花键，导向本体9内部与离合器控制筒10外花键对应、配套设置键槽；离合器控制筒10内部与芯轴19间隙配合，离合器控制筒10外花键与导向本体9花键槽间隙配合，离合器控制筒10能沿轴向滑动；离合装置随导向本体9静止或者一起转动；离合器控制筒10的滑动行程以及离合器弹簧8的最大压缩行程大于离合键12的长度，确保离合装置能完全脱离开。

在一个优选实施例中，如图1和图2所示，离合键12只设置一个，离合键12两端为圆弧面；离合器控制筒10内部与离合键12对应、配套设置一个键槽，离合装置合上时，芯轴19、离合器控制筒10以及导向本体9周向位置唯一确定，便于调整工具面角；弹簧架7外部均布四个花键，导向本体9内部与弹簧架7外花键对应、配套设置键槽；所述弹簧架7开有均布的三个平衡压力的孔a71，导向本体9对应、配套设置三个平衡压力的孔b91，使得离合器控制筒10两端承受工具内外的压差，而不是工具内部的钻井液压力，确保离合器弹簧8的刚度值能达到要求。

在一个优选实施例中，开关控制筒14内部与芯轴19间隙配合，外部与导向本体9间隙配合，开关控制筒14能沿轴向滑动；开关控制筒14外圆柱面开设有“W”形凹槽道，与装配在导向本体9上的控制螺钉15相互配合，带动开关20旋转；控制弹簧18的最大压缩行程大于或等于开关控制筒14的轴向滑动距离。

进一步的，开关控制筒14与开关20插接在一起，允许开关控制筒14与开关20有相对轴向位置关系变化，限制开关控制筒14与开关20相对周向位置关系变化；开关控制筒14既有旋转运动，又有轴向运动，而开关20只保留旋转运动；开关20上开六个孔g201分两层，每层均布三个，轴向位置与导向本体9上的孔d93对应，确保改变一次钻井液压力，开关20的状态改变一次；开关20外圆柱面上，每个孔g201的周围均有一条装配密封圈25的环形凹槽道，使得开关20能达到完全的开启或者关闭。

在一个优选实施例中，如图1和图3所示，推块24在导向本体9周向上相差120°设置两个，由推块盖板21限制在导向本体9的空腔a924内伸缩；推块单向喷嘴26只允许流体流出空腔a924，限制流体流入空腔a924。

进一步的，如图1和图4所示，推块单向喷嘴26通过喷嘴外壳261外部的螺纹与推块24连接；喷嘴外壳261内部一段为螺纹，与喷嘴内挡板262对应、配套设置，另一段为内花键槽，最小内径为喷嘴阀芯263的外径；喷嘴内挡板262外部为螺纹，中间开小于喷嘴阀芯263外径的内六角通孔，用于通流体和松紧喷嘴内挡板262。

在一个优选实施例中，如图1和图3所示，导向本体9设置有两个相差120°的装配推块24的空腔a924；与两空腔a924相差120°的位置保留不加工空腔a924的翼块；导向本体9在装配控制弹簧18的位置均布有三个平衡压力的孔c92，使得开关控制筒14两端承受工具的内外压差，而不是工具内部的钻井液压力，确保控制弹簧18的刚度值能达到要求；芯轴19开有进入空腔b1014的孔e191和进入空腔a924的孔f192；芯轴19上端与作为工具上接头的测试短节1通过螺纹相连，芯轴19下端与下接头作为一体，装配工具时，能确保测试短节1与芯轴19连接螺纹达到装配扭矩。

在一个优选实施例中，如图1、图4和图5所示，导向本体9上下两端各设置一对TC轴承27，用于承受推块24推靠井壁时产生的径向力；TC轴承静环271靠近工具两端面的位置设置平面轴承4，用于承受轴向力；平面轴承4由TC轴承静环271和调节螺母3轴向定位；调节螺母3利用卡在芯轴19上的弹簧挡圈2防松，避免因为工具工作过程震动而导致调节螺母3松动而不能对平面轴承4进行轴向限位。

在一个优选实施例中，离合器弹簧8的刚度值比控制弹簧18的刚度值大，保证改变空腔b1014处流体压力后，离合器控制筒10受大于等于开关控制筒14液压推力时，开关控制筒14先旋转下行，离合器控制筒10再滑动脱开。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种机械式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述机械式旋转导向钻井工具两端分别与上部钻具和下部钻头可拆卸螺纹连接；所述机械式旋转导向钻井工具包括测试短节（1）、离合装置、控制机构、执行部分、止推轴承（4）以及TC轴承（27）；

所述测试短节（1）同时作为机械式旋转导向钻井工具的上接头，内部与芯轴（19）通过螺纹连接；所述测试短节（1）具有测试方位角、工具面角、井斜角功能，同时能将测试到的相关数据传到地面；

所述离合装置包括由TC轴承静环（271）轴向定位的弹簧架（7），固定在芯轴（19）键槽里的离合键（12），固定离合键（12）的离合键固定螺钉（11），连接芯轴（19）与导向本体（9）的离合器控制筒（10），以及位于弹簧架（7）与离合键（12）之间的离合器弹簧（8）；所述离合装置脱离时，芯轴（19）与导向本体（9）相互独立转动，而在合上时，芯轴（19）与导向本体（9）一起转动；

所述控制机构包括将轴向运动转换为转动的开关控制筒（14），装配在导向本体（9）上限制开关控制筒（14）轴向位移的螺钉（15），驱动开关控制筒（14）复位的控制弹簧（18），避免开关控制筒（14）带动控制弹簧（18）转动的推力轴承（17），以及开启或关闭孔d（93）的开关（20）；所述控制机构的开关控制筒（14）驱动开关（20）转动开启或关闭孔d（93）；

所述执行部分包括装配在导向本体（9）空腔a（924）内的推块（24），限制推块（24）径向行程的推块盖板（21），固定推块盖板（21）的盖板螺钉（22），以及允许单向导通的推块单向喷嘴（26）；所述执行部分的推块（24）伸出后对井壁施加推靠力；

所述开关控制筒（14）内部与芯轴（19）间隙配合，外部与导向本体（9）间隙配合，开关控制筒（14）能沿轴向滑动；开关控制筒（14）外圆柱面开设有“W”形凹槽道，与装配在导向本体（9）上的控制螺钉（15）相互配合，带动开关（20）旋转；所述控制弹簧（18）的最大压缩行程大于或等于开关控制筒（14）的轴向滑动距离；

所述开关控制筒（14）与开关（20）插接在一起，允许开关控制筒（14）与开关（20）有相对轴向位置关系变化，限制开关控制筒（14）与开关（20）相对周向位置关系变化；所述开关（20）上分两层开六个孔g（201），每层均布三个，轴向位置与导向本体（9）上的孔d（93）对应；开关（20）外圆柱面上，每个孔g（201）的周围均有一条装配密封圈（25）的环形凹槽道；

所述导向本体（9）设置有两个相差120°的装配推块（24）的空腔a（924）；与两空腔a（924）相差120°的位置保留不加工空腔a（924）的翼块；所述导向本体（9）在装配控制弹簧（18）的位置均布有三个平衡压力的孔c（92）；所述芯轴（19）开有进入空腔b（1014）的孔e（191）和进入空腔a（924）的孔f（192）；芯轴（19）上端与作为工具上接头的测试短节（1）通过螺纹相连，芯轴（19）下端与下接头作为一体。

2.根据权利要求1所述的机械式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述离合器控制筒（10）外部均布四个花键，导向本体（9）内部与离合器控制筒（10）外花键对应、配套设置键槽；所述离合器控制筒（10）内部与芯轴（19）间隙配合，离合器控制筒（10）外花键与导向本体（9）花键槽间隙配合，离合器控制筒（10）能沿轴向滑动；所述离合器控制筒（10）的滑动行程以及离合器弹簧（8）的最大压缩行程大于离合键（12）的长度。

3.根据权利要求1所述的机械式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述离合键（12）只设置一个，离合键（12）两端为圆弧面；离合器控制筒（10）内部与离合键（12）对应、配套设置一个键槽；所述弹簧架（7）外部均布四个花键，导向本体（9）内部与弹簧架（7）外花键对应、配套设置键槽；所述弹簧架（7）开有均布的三个平衡压力的孔a（71），导向本体（9）对应、配套设置三个平衡压力的孔b（91）。

4.根据权利要求1所述的机械式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述推块（24）在导向本体（9）周向上相差120°设置两个，由推块盖板（21）限制在导向本体（9）的空腔a（924）内伸缩；所述推块单向喷嘴（26）只允许流体流出空腔a（924），限制流体流入空腔a（924）。

5.根据权利要求4所述的机械式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述推块单向喷嘴（26）通过喷嘴外壳（261）外部的螺纹与推块（24）连接；喷嘴外壳（261）内部一段为螺纹，与喷嘴内挡板（262）对应、配套设置，另一段为内花键槽，最小内径为喷嘴阀芯（263）的外径；所述喷嘴内挡板（262）外部为螺纹，中间开小于喷嘴阀芯（263）外径的内六角通孔。

6.根据权利要求1所述的机械式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述导向本体（9）上下两端各设置一对TC轴承（27）；所述TC轴承静环（271）靠近工具两端面的位置设置止推轴承（4）；所述止推轴承（4）由TC轴承静环（271）和调节螺母（3）轴向定位；所述调节螺母（3）利用卡在芯轴（19）上的弹簧挡圈（2）防松。

7.根据权利要求1所述的机械式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述离合器弹簧（8）的刚度值比控制弹簧（18）的刚度值大，保证改变空腔b（1014）处流体压力后，离合器控制筒（10）受大于等于开关控制筒（14）液压推力时，开关控制筒（14）先旋转下行，离合器控制筒（10）再滑动脱开。

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