CN113073938A - 一种旋转导向工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转导向工具，包括上传动轴总成、上万向轴总成、直外壳、上螺杆马达定转子、柔性管、控制阀、测量装置、下螺杆马达定转子、弯外壳、下万向轴总成、下传动轴总成和钻头。本发明仅由常规的螺杆马达、井下控制阀等组成，即可实现旋导向的基本功能；且由于在井下完成了测量及控制，不需要对测量的信号进行泥浆编码，节约了大量时间，控制精度、响应速度可以大大提高，本发明可大大降低旋转导向工具的使用维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，特别是一种旋转导向工具。
背景技术
随着石油钻井工艺的发展，定向井及水平井工艺已成为开采油气藏的主要手段。但在进行定向钻井时，若使用传统的弯螺杆马达则需要保持弯螺杆马达上部的钻柱保持非旋转状态，增加了钻井过程中上部钻柱及下部钻具组合受到的摩擦力，造成“托压”现象，钻井速度受到极大的限制。若使用常规旋转导向工具，可以通过井下钻具上的微型电液系统实现上部钻柱旋转的同时，保持下部钻具沿着某个特定的方向进行造斜。但旋转导向工具的使用及维护成本极高，大大增加了钻井成本。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种旋转导向工具，该工具可大大降低旋转导向工具的使用维护成本，并实现旋导向的基本功能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种旋转导向工具，包括上传动轴总成、上万向轴总成、直外壳、上螺杆马达定转子、柔性管、控制阀、测量装置、下螺杆马达定转子、弯外壳、下万向轴总成、下传动轴总成和钻头，
所述上传动轴总成包括上心轴和上传动轴外壳，所述上心轴的上部用于连接钻柱，所述上螺杆马达定转子包括上转子和上定子，所述上转子内设有第二过流孔，所述上万向轴总成分别与所述上心轴的下部、所述上转子的上部固定连接，所述上万向轴总成上设有第一过流孔，
所述上转子的下部通过所述柔性管连接所述控制阀，所述控制阀包括阀体和阀芯，所述阀体设有第三过流孔，所述第一过流孔、所述第二过流孔、所述第三过流孔相互连通，所述阀芯位于所述第三过流孔内，所述阀芯连接有驱动杆，所述驱动杆驱动所述阀芯在所述第三过流孔内运动，所述驱动杆连接有控制器，
所述测量装置包括测量探管和测控外壳，所述测量探管与所述控制阀固定连接，所述测量探管与所述控制器通信连接，
所述下螺杆马达定转子包括下转子和下定子，所述传动轴总成包括下心轴和下传动轴外壳，所述下万向轴总成分别与所述下转子的下部、所述下心轴的上部固定连接，所述下心轴的下部与所述钻头固定连接，
所述上心轴设有第四过流孔，所述下心轴设有第五过流孔，所述第四过流孔用于使钻井泥浆流出所述上心轴的中心孔，所述第五过流孔用于使钻井泥浆流入所述下心轴的中心孔，
所述上定子的上部通过所述直外壳固定连接所述上传动轴外壳，所述上定子的下部通过所述测控外壳固定连接所述下定子的上部，所述下定子的下部通过所述弯外壳固定连接所述下传动轴外壳。
所述上心轴和所述上传动轴外壳之间可间隙配合也可密封配合，但需保证所述上心轴和所述上传动轴外壳之间能够进行相对转动。而在钻井过程中会产生高热，若采用间隙配合，钻井泥浆通过上心轴和上传动外壳之间的间隙溢出，则溢出的钻井泥浆起到冷却液的作用，从而对整个导向工具外部起到降温的作用。
使用时，假设钻柱以顺时针转速R1旋转，当钻井泥浆依次通过钻柱、上传动轴总成进入上螺杆马达定转子时，由于上转子通过上万向轴总成与上心轴连接，因此上转子的转速与钻柱转速相同，均为R1，在钻井泥浆排量作用下，上定子将带动直外壳、测控外壳、下定子、弯外壳相对于上转子以转速R2逆时针旋转，由于钻柱转速与上定子转速方向相反，因此转速可以部分抵消。调节经过上螺杆马达定转子的泥浆排量时，可以改变上定子的转速，当其转速R2与钻柱转速R1相等时，则上定子与钻柱的转速完全抵消，上定子所连接的直外壳、测控外壳、下定子、弯外壳相对大地静止，且此时钻柱以顺时针R1转速旋转，从而达到旋转导向的目的。
本发明仅由常规的螺杆马达、井下控制阀等组成，即可实现旋导向的基本功能。且由于在井下完成了测量及控制，不需要对测量的信号进行泥浆编码，节约了大量时间，控制精度、响应速度可以大大提高，本发明可大大降低旋转导向工具的使用维护成本。
作为本发明的优选方案，所述上转子为空心转子，所述第二过流孔即为所述上转子的空心轴。
作为本发明的优选方案，所述上转子的下部与所述柔性管的螺纹连接或焊接。
作为本发明的优选方案，所述柔性管的下部插入所述阀体，且所述柔性管和所述阀体为间隙配合。
作为本发明的优选方案，所述测量探管能够探测工具面信息和转速信息。
作为本发明的优选方案，所述控制器设有传感器和电池，所述传感器用于测量工具面信息和转速信息，所述电池用于为所述控制器供电。
作为本发明的优选方案，所述固定连接方式包括螺纹连接，螺纹连接更加适用于井下环境。
作为本发明的优选方案，所述上万向轴总成包括上轴承连接杆和上转子连接杆，所述上轴承连接杆和所述上心轴的下部螺纹连接，所述上转子连接杆和所述上转子的上部螺纹连接。
作为本发明的优选方案，所述下万向轴总成包括下转子连接杆和下轴承连接杆，所述下转子连接杆和所述下转子的下部螺纹连接，所述下轴承连接杆和所述下心轴的上部螺纹连接。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明仅由常规的螺杆马达、井下控制阀等组成，即可实现旋导向的基本功能。且由于在井下完成了测量及控制，不需要对测量的信号进行泥浆编码，节约了大量时间，控制精度、响应速度可以大大提高，本发明可大大降低旋转导向工具的使用维护成本。
(2)本发明增设了上传动轴总成、上万向轴总成、直外壳、上螺杆马达定转子、柔性管、控制阀等部件，从而使得测量数据能及时得到反馈，操作人员能及时进行处理，减少了处理不及时现象，进而能较大程度的避免误操作。
(3)采用本发明所述的旋转导向装置进行调节操作时，钻柱不需要停止转动，从而不会出现卡钻现象。
附图说明
图1是本发明所述的旋转导向工具的结构示意图。
图2是本发明实施例1所述的旋转导向工具的剖视图(局部)。
图3是本发明实施例2所述的旋转导向工具的剖视图(局部)。
图标：1-上传动轴总成，1a-上心轴，1b-上传动轴外壳，1c-第四过流孔，2-上万向轴总成，2a-上轴承连接杆，2b-上转子连接杆，2c-第一过流孔，3-直外壳，4-上螺杆马达定转子，4a-上转子，4b-上定子，4c-第二过流孔，5-柔性管，6-控制阀，6a-阀体，6b-阀芯，6c-驱动杆，6d-控制器，6e-控制阀外壳，6f-第三过流孔，6g-传感器，6h-电池，7-测量装置，7a-测量探管，7b-测控外壳，8-下螺杆马达定转子，8a-下转子，8b-下定子，9-弯外壳，10-下万向轴总成，10a-下转子连接杆，10b-下轴承连接杆，11-下传动轴总成，11a-下心轴，11b-下传动轴外壳，11c-第五过流孔，12-钻头。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种旋转导向工具，包括上传动轴总成1、上万向轴总成2、直外壳3、上螺杆马达定转子4、柔性管5、控制阀6、测量装置7、下螺杆马达定转子8、弯外壳9、下万向轴总成10、下传动轴总成11和钻头12。
所述上传动轴总成1包括上心轴1a和上传动轴外壳1b，所述上心轴1a置于所述上传动轴外壳1b内，所述上心轴1a的上部用于连接钻柱。所述上心轴1a的下部开设有通孔，即第四过流孔1c。所述第四过流孔1c用于使钻井泥浆流出所述上心轴1a的中心孔。
所述上万向轴总成2包括上轴承连接杆2a和上转子连接杆2b，所述上轴承连接杆2a和所述上心轴1a的下部螺纹连接，所述上转子连接杆2b和所述上转子4a的上部螺纹连接。所述上转子连接杆2b开设有第一过流孔2c。
所述上螺杆马达定转子4包括上转子4a和上定子4b，所述上转子4a置于所述上定子4b内，所述上传动轴外壳1b和所述上定子4b通过所述直外壳3螺纹连接。所述上转子4a为空心转子，其空心区域形成了第二过流孔4c。
所述控制阀6包括阀体6a和阀芯6b。所述上转子4a的下部与所述柔性管5螺纹连接或焊接。所述柔性管5下部以微小径向间隙插入所述阀体6a上端并形成一定密封性。所述阀体6a设有第三过流孔6f，所述第一过流孔2c、所述第二过流孔4c、所述第三过流孔6f相互连通，且所述阀芯6b位于所述第三过流孔6f内。所述阀芯6b的下方固定连接有驱动杆6c，所述驱动杆6c驱动所述阀芯6b在所述第三过流孔6f内运动，所述驱动杆6c连接有控制器6d。所述驱动杆6c和所述控制器6d位于控制阀外壳6e内。本实施例的控制器6d的电源来自于测量装置7中的发电机或电池。
所述测量装置7包括测量探管7a和测控外壳7b，所述测量探管7a置于所述测控外壳7b内，所述测量探管7a与所述控制阀6固定连接，所述测量探管7a与所述控制器6d通信连接。所述测量探管7a能够探测工具面信息和转速信息。
所述下螺杆马达定转子8包括下转子8a和下定子8b，所述下转子8a置于所述下定子8b内。所述传动轴总成11包括下心轴11a和下传动轴外壳11b，所述下心轴11a置于所述下传动轴外壳11b内。所述下万向轴总成10包括下转子连接杆10a和下轴承连接杆10b，所述下转子连接杆10a和所述下转子8a的下部螺纹连接，所述下轴承连接杆10b和所述下心轴11a的上部螺纹连接。所述下心轴11a的下部与所述钻头12螺纹连接。所述下心轴11a的上部开设有通孔，即第五过流孔11c。所述第五过流孔11c用于使钻井泥浆流入所述下心轴11a的中心孔。
所述上定子4b的下部和所述测控外壳7b的上部螺纹连接，所述测控外壳7b的下部与所述下定子8b的上部螺纹连接。所述下定子8b的下部和所述下传动轴外壳11b通过所述弯外壳9螺纹连接。
实施原理如下：
假设钻柱以顺时针转速R1旋转，当钻井泥浆依次通过钻柱、上传动轴总成1进入上螺杆马达定转子4时，由于上转子4a通过上万向轴总成2与上心轴1a连接，因此上转子4a的转速与钻柱转速相同，均为R1。在钻井泥浆排量作用下，上定子4b将带动直外壳3、测控外壳7b、下定子8b、弯外壳9相对于上转子4a以转速R2逆时针旋转，由于钻柱转速与上定子4b转速方向相反，因此转速可以部分抵消。调节经过上螺杆马达定转子4的泥浆排量时，可以改变上定子4b的转速，当其转速R2与钻柱转速R1相等时，则上定子4b与钻柱的转速完全抵消，上定子4b所连接的直外壳3、测控外壳7b、下定子8b、弯外壳9相对大地静止，且此时钻柱以顺时针R1转速旋转，从而达到旋转导向的目的。
下转子8a的转动是由第三过流孔6f流出的钻泥浆和本来就在壁腔间的钻井泥浆合流后驱动的，且下转子8a的转动不受上转子4a和上定子4b转动的影响，下转子8a能够持续转动。
经过定转子的流量调节过程：
控制经过上螺杆马达定转子4的泥浆排量通过泥浆分流的原理及控制阀6完成。根据图2所示，当钻井泥浆通过上心轴1a进入工具后，将有部分泥浆直接通过上螺杆马达定转子4，并驱动上定子4b以一定转速逆时针旋转，另外一部分泥浆则依次通过上万向轴总成2的上转子连接杆2b上开的第一过流孔2c、上转子4a中间的第二过流孔4c、柔性管5进入到控制阀6，并通过控制阀6的阀体6a上的第三过流孔6f排出，通过改变第三过流孔6f与阀芯6b之间的相对轴向位置，则可以改变通过阀体6a上的第三过流孔6f的流量，由于进入工具的总流量为经过阀体6a上的第三过流孔6f的流量与经过上螺杆马达定转子4的流量之和，因此通过上述方式可以改变通过上螺杆马达定转子4的流量，从而改变上定子4b的旋转速度R2。
阀体6a与测量装置7的测控外壳7b固定连接，当阀芯6b在驱动杆6c(电推杆或液缸)的作用下向上运动时，阀体6a的第三过流孔6f与阀芯6b形成的过流窗口变小，此时经过上螺杆马达定转子4的流量增大，则上定子4b的逆时针转速增加，反之，当阀芯6b在驱动杆6c的作用下向下运动时，阀体6a的第三过流孔6f与阀芯6b形成的过流窗口变大，此时经过上螺杆马达定转子4的流量减小，则上定子4b的逆时针转速减小。
测量装置7内的测量探管7a可以测量工具相对于大地转速，工具面等参数。控制器6d与测量装置7内的测量探管7a电气连接并进行通讯，控制器6d根据测量探管7a的测量结果计算并驱动驱动杆6c(电推杆或液缸)的动作，从而调整阀芯6b的上下动作。
钻井过程描述：
定向钻井时：控制器6d控制驱动杆6c伸缩，在驱动杆6c作用下阀芯6b上下运动，从而控制阀6的过流窗口面积，进而调节经过上螺杆马达定转子4的流量，进而保持上定子4b的逆时针转速R2与钻柱转速R1相等。
当需要顺时针调节工具面时：
控制器6d控制驱动杆6c，使阀芯6b向下运动，从而降低上定子4b的逆时针转速R2，此时钻柱顺时针转速R1大于上定子4b逆时针转速R2，则上定子4b将带动直外壳3、下定子8b、弯外壳9顺时针转动，当工具转动到合适的工具面时，控制器6d控制驱动杆6c，使阀芯6b向上运动，从而提高上定子4b的逆时针转速R2，使其再次与钻柱转速R1相等，则工具可以恢复到正常定向。
当需要逆时针调节工具面时：
控制器6d控制驱动杆6c，使阀芯6b向上运动，从而提高上定子4b的逆时针转速R2，此时钻柱顺时针转速R1小于上定子4b逆时针转速R2，则上定子4b可带动直外壳3、下定子8b、弯外壳9逆时针转动，当工具转动到合适的工具面时，控制器6d控制驱动杆6c，使阀芯6b向下运动，从而降低上定子4b的逆时针转速R2，使其再次与钻柱转速R1相等，则工具可以恢复到正常定向。
复合钻井时：控制器6d控制驱动杆6c，使阀芯6b向上运动或向下运动，并保持上定子4b的逆时针转速R2小于钻柱顺时针转速R1即可。
实施例2
如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例在控制器6d内置有传感器6g和电池6h，所述传感器6g用于测量工具面信息和转速信息，所述电池6h用于为所述控制器6d供电。此时，在导向工具内同时设有两套测量装置，其一为测量探管7a，其二为传感器6g。控制器6d可读取测量探管7a或传感器6g的测量信息，并根据测量信息控制驱动杆6c。而本实施例采用两套测量装置，可起到一备一用的效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种旋转导向工具，其特征在于，包括上传动轴总成(1)、上万向轴总成(2)、直外壳(3)、上螺杆马达定转子(4)、柔性管(5)、控制阀(6)、测量装置(7)、下螺杆马达定转子(8)、弯外壳(9)、下万向轴总成(10)、下传动轴总成(11)和钻头(12)，
所述上传动轴总成(1)包括上心轴(1a)和上传动轴外壳(1b)，所述上心轴(1a)的上部用于连接钻柱，所述上螺杆马达定转子(4)包括上转子(4a)和上定子(4b)，所述上转子(4a)内设有第二过流孔(4c)，所述上万向轴总成(2)分别与所述上心轴(1a)的下部、所述上转子(4a)的上部固定连接，所述上万向轴总成(2)上设有第一过流孔(2c)，
所述上转子(4a)的下部通过所述柔性管(5)连接所述控制阀(6)，所述控制阀(6)包括阀体(6a)和阀芯(6b)，所述阀体(6a)设有第三过流孔(6f)，所述第一过流孔(2c)、所述第二过流孔(4c)、所述第三过流孔(6f)相互连通，所述阀芯(6b)位于所述第三过流孔(6f)内，所述阀芯(6b)连接有驱动杆(6c)，所述驱动杆(6c)驱动所述阀芯(6b)在所述第三过流孔(6f)内运动，所述驱动杆(6c)连接有控制器(6d)，
所述测量装置(7)包括测量探管(7a)和测控外壳(7b)，所述测量探管(7a)与所述控制阀(6)固定连接，所述测量探管(7a)与所述控制器(6d)通信连接，
所述下螺杆马达定转子(8)包括下转子(8a)和下定子(8b)，所述传动轴总成(11)包括下心轴(11a)和下传动轴外壳(11b)，所述下万向轴总成(10)分别与所述下转子(8a)的下部、所述下心轴(11a)的上部固定连接，所述下心轴(11a)的下部与所述钻头(12)固定连接，
所述上心轴(1a)设有第四过流孔(1c)，所述下心轴(11a)设有第五过流孔(11c)；
所述上定子(4b)的上部通过所述直外壳(3)固定连接所述上传动轴外壳(1b)，所述上定子(4b)的下部通过所述测控外壳(7b)固定连接所述下定子(8b)的上部，所述下定子(8b)的下部通过所述弯外壳(9)固定连接所述下传动轴外壳(11b)。
2.根据权利要求1所述的一种旋转导向工具，其特征在于，所述上转子(4a)为空心转子。
3.根据权利要求1所述的一种旋转导向工具，其特征在于，所述上转子(4a)的下部与所述柔性管(5)的螺纹连接或焊接。
4.根据权利要求1所述的一种旋转导向工具，其特征在于，所述柔性管(5)的下部插入所述阀体(6a)，且所述柔性管(5)和所述阀体(6a)为间隙配合。
5.根据权利要求1所述的一种旋转导向工具，其特征在于，所述测量探管(7a)能够探测工具面信息和转速信息。
6.根据权利要求1所述的一种旋转导向工具，其特征在于，所述控制器(6d)设有传感器(6g)和电池(6h)，所述传感器(6g)用于测量工具面信息，所述电池(6h)用于为所述控制器(6d)供电。
7.根据权利要求1所述的一种旋转导向工具，其特征在于，所述固定连接方式包括螺纹连接。
8.根据权利要求1所述的一种旋转导向工具，其特征在于，所述上万向轴总成(2)包括上轴承连接杆(2a)和上转子连接杆(2b)，所述上轴承连接杆(2a)和所述上心轴(1a)的下部螺纹连接，所述上转子连接杆(2b)和所述上转子(4a)的上部螺纹连接。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种旋转导向工具，其特征在于，所述下万向轴总成(10)包括下转子连接杆(10a)和下轴承连接杆(10b)，所述下转子连接杆(10a)和所述下转子(8a)的下部螺纹连接，所述下轴承连接杆(10b)和所述下心轴(11a)的上部螺纹连接。
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