CN114109251B - 复合定向钻井的控制装置与使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合定向钻井的控制装置与使用方法，包括上接头、复位模块、执行控制模块、辅助模块、防掉模块和下接头。其技术方案是：复合钻进时，该控制装置的花键处于啮合状态，芯轴带动与下接头相连的井底钻具组合一起转动；定向滑动钻进时，增加钻压，钻压从上部钻柱传递给上接头，压缩控制装置中的碟簧，使得花键处于脱离状态，外壳将不会带动芯轴转动；当减小钻压时，控制装置依靠碟簧的推力复位，花键重新处于啮合状态，此时处于复合钻进状态。本发明的利用钻压实现复合定向钻井的控制装置，能够实现在复合钻进与定向滑动钻进之间的切换，提高钻井效率，减少卡钻风险，并且大幅度节约成本。

Description

复合定向钻井的控制装置与使用方法

技术领域

本发明涉及一种用于钻探工程领域的复合定向钻井的控制装置与使用方法，其主要应用于石油天然气钻井工程、地质勘探、新能源（比如煤层气、页岩气、页岩油、地热等）的勘探开发工程。

背景技术

随着石油钻采技术的不断发展，油气开发难度逐渐增加，地层环境日益复杂，面临的挑战也越来越多，而定向钻井技术已经成为提高石油和天然气开采效益的一个重要的手段。通过定向井等技术可以实现现代油气资源经济高效地开采。现有的定向钻井技术包括弯螺杆定向和旋转导向技术。弯螺杆定向其成本低，属于滑动定向，易导致钻柱拖压严重，钻井效率和机械钻速低，井眼轨迹不易控制，钻屑堆积不易排出的情况。而旋转导向钻井系统由于钻进过程中钻柱全程旋转，可以减少由于钻柱滑动而产生的阻力，提高钻压的传输效率，并大幅度提高井眼清洁效果，但其制造、使用、维护成本太高，如遇卡钻等问题，经济损失较大。因此，开发一种可靠性高、维护成本低、操作简单的钻进控制器具有重要的经济价值与工程实际意义。

定向滑动钻进时，上部钻柱与井壁不发生相对转动，钻头靠井下动力马达旋转，通过控制下部钻具的工具面实现定向和钻进。如果能实现在钻杆连续旋转时完成定向滑动钻进，将大大降低钻柱与井壁摩擦，提高机械钻速，减少卡钻风险，有利于井眼清洁度且提高井壁质量。

对比弯螺杆定向的低成本以及旋转导向高效率的特点，利用该控制装置可以实现复合钻进、井底钻具组合被芯轴和下接头带着一起转动，以及定向钻进时钻柱旋转钻进、井底钻具组合滑动钻进。该控制装置可以有效提高定向钻井的效率，大幅度节约成本，且方便维护、安全性高。

发明内容

为了探索解决背景技术中所述的在钻井过程中综合弯螺杆定向的低成本以及旋转导向高效率的特点，本发明提供了一种复合定向钻井的控制装置与使用方法。本发明的控制装置可以在复合钻进和定向钻进之间切换，减小无效钻压，并且减少了钻具和钻头等工具的磨损，提高了钻井效率，减少了卡钻风险。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种复合定向钻井的控制装置，所述装置包括：包括上接头、执行模块、复位模块、辅助模块以及下接头，

所述的上接头与上部钻柱相连接，下接头与井底钻具组合相连接；

所述的复合定向钻井的控制装置的内腔可以通过钻井液，使其可以流向螺杆钻具；

所述执行模块，包括：外筒、上部外壳、下部外壳、花键外壳、活塞、芯轴a、芯轴b、花键芯轴，其中，所述外筒与上接头通过螺纹连接，所述上部外壳与外筒通过螺纹连接，所述下部外壳与上部外壳通过螺纹连接，所述花键外壳与下部外壳通过螺纹连接，所述活塞与芯轴a通过螺纹连接，所述芯轴a与防掉接头通过螺纹连接，所述芯轴b上端与防掉接头通过销连接，其下端与花键芯轴通过螺纹连接；所述活塞可在外筒内随着芯轴整体的上下移动而移动，其中芯轴包括：芯轴a、芯轴b以及花键芯轴。

当花键芯轴的所有花键与花键外壳啮合时，通过上接头将上部钻柱的转动传递到与其相连的花键外壳，再由花键外壳带动花键芯轴一起转动，通过与其花键芯轴相连的下接头将转动传递至井底钻具组合；相反的，当花键芯轴的所有花键与花键外壳脱开时，上部钻柱的转动带动花键外壳转动，花键芯轴将不会转动，与其相连的井底钻具组合也不会转动。

所述复位模块包括碟簧组a和碟簧组b，所述碟簧组a安装于外筒的下端与芯轴a外侧的凸台之间，所述碟簧组b安装于芯轴b的凸台下端与花键芯轴的上端之间，所述复位模块的碟簧组a和碟簧组b中的碟簧在定向滑动钻进状态时被压缩，当需要切换至复合钻进状态时，降低钻压至复合钻进所需的钻压，通过复位模块的碟簧组a和碟簧组b回程的推力使得花键与花键槽处于啮合状态。

所述辅助模块包括O型密封圈a、O型密封圈b、B型密封圈a、耐磨环a、垫圈a、耐磨环b、B型密封圈b、防掉接头、垫圈b、止动销、O型密封圈c、B型密封圈c、B型密封圈d、耐磨环c、B型密封圈e、刮油环，所述O型密封圈a安装于外筒外侧螺纹上端对应的凹槽内；所述两个O型密封圈b安装于外筒内侧的凹槽内；所述B型密封圈a和耐磨环a安装于外筒底端内侧对应的凹槽内；所述垫圈a同心安装于上部外壳内侧凸台的上端，其中，垫圈a的作用为了避免芯轴a外侧凸台与上部外壳内侧凸台的碰撞而导致破坏，所述耐磨环b与B型密封圈b安装于上部外壳内侧凸台对应的凹槽内；所述O型密封圈c安装于下部外壳上端对应的凹槽内，所述B型密封圈c安装于芯轴b对应的凹槽内；所述B型密封圈d安装于花键芯轴上端凸台对应的凹槽内，所述耐磨环c、B型密封圈e、刮油环安装于花键外壳底端内侧对应的凹槽内。

进一步的，所述防掉接头的上端与芯轴a通过螺纹连接，其下端与芯轴b通过止动销连接，所述的防掉接头的三个销孔沿圆周方向间隔为120°，防掉接头的三个销孔与芯轴b上端的三个销孔对应，防掉接头与芯轴b通过止动销固定，下部外壳的上端可控制防掉接头向下移动的位移，从而保证与防掉接头相连的芯轴a与芯轴b不会发生掉井现象。

进一步的，所述花键外壳最下端的花键槽下方设有凸台，其作用是为了避免花键芯轴在损坏后，发生掉井现象。

进一步的，所述碟簧组a和碟簧组b的刚度可满足复合钻进过程中所需的刚度要求，即在复合钻进的过程中，花键与花键槽的啮合状态不发生改变，花键不脱离花键槽，花键外壳带动花键芯轴转动；所述复位模块设置有两段碟簧组可增加芯轴整体移动的行程，其行程能够满足每个花键完全从花键槽脱离。

进一步的，所述芯轴b与下部外壳同心装配，芯轴b可以在下部外壳内随着控制装置状态的改变而上下移动；所述下接头与花键外壳也为同心装配，下接头与花键芯轴随着控制装置状态的改变在花键外壳内上下移动。

进一步的，复合定向钻井的控制装置的使用方法，控制装置包括上接头、执行模块、复位模块、辅助模块以及下接头；使用方法包括：

步骤S1、当钻井过程需要增降井斜、改变方位、调整工具面时，此时需要定向滑动钻进，则增加钻压，钻压通过上部钻柱传递到与其连接的上接头，其执行模块中的花键a、花键b、花键c与其在花键外壳中对应的花键槽脱开，则花键外壳的转动将不会带动花键芯轴转动，也不会带动与下接头相连的井底钻具组合一起转动；

步骤S2、当钻井过程满足钻井现场要求的井斜、方位、工具面时，此时需要复合钻进，则将钻压降低至复合钻进所需的钻压，通过复位模块的碟簧组a和碟簧组b将芯轴a、防掉接头、芯轴b和花键芯轴一起向下推动，使得花键啮合，则花键外壳的转动将带动花键芯轴一起转动，使得与下接头相连的井底钻具组合一起转动；

步骤S3、由于钻井现场条件的复杂多样性，如果工况发生变化，则根据需求选择步骤S1、步骤S2。

本方法中，通过花键芯轴上的花键与花键外壳上的花键槽的配合关系，即可实现定向滑动钻进与复合钻进的之间的切换。

本发明的具有以下优点和有益效果：（1）本发明复合定向钻井的控制装置与使用方法，可以依靠改变钻压的方式实现钻杆连续转动时完成定向滑动钻进与复合钻进之间的转换，降低卡钻的风险，并有利于井眼清洁，保证井壁质量；(2)该控制装置安装简单，且性能稳定；(3) 该控制装置可兼容各种钻井马达和MWD装置等井下工具；(4) 减小无效钻压，减轻粘滑，避免憋钻，提高钻具使用寿命，保证井下作业安全。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

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是放掉接头的结构示意图；

图5是花键芯轴的结构示意图；

图6是花键芯轴中花键的结构示意图；

图7是花键外壳的结构示意图；

图8是芯轴a的结构示意图。

图中1.上接头，2.外筒，3.活塞，4.O型密封圈a，5.O型密封圈b，6. B型密封圈a，7.耐磨环a，8.芯轴a，9.碟簧组a，10.上部外壳，11.垫圈a，12.耐磨环b，13.B型密封圈b，14.防掉接头，15.垫圈b，16.芯轴b，17.止动销，18.O型密封圈c，19.下部外壳，20. B型密封圈c，21.碟簧组b，22.B型密封圈d，23.花键芯轴，24.花键外壳，25.花键a，26.花键b，27.花键c，28.耐磨环c，29.B型密封圈e，30.刮油环，31.下接头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内侧”、“外侧”、“底端”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便与描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或零件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

如图1所示复合定向钻井的控制装置，包括上接头1、执行模块、复位模块、辅助模块以及下接头31。所述上接头1与上部钻柱连接，所述下接头31与井底钻具组合连接；所述执行模块包括：外筒2、活塞3、芯轴a8、上部外壳10、芯轴b16、下部外壳19、花键芯轴23、花键外壳24；所述复位模块包括：碟簧组a9和碟簧组b21；所述辅助模块包括O型密封圈a4、O型密封圈b5、B型密封圈a6、耐磨环a7、垫圈a11、耐磨环b12、B型密封圈b1、防掉接头14、垫圈b15、止动销17、O型密封圈c18、B型密封圈c20、B型密封圈d22、耐磨环c28、B型密封圈e29、刮油环30；

其中，上接头1、外筒2、活塞3、芯轴a8、防掉接头14、芯轴b16、花键芯轴23、下接头31的内腔连通，可将在上接头1的内腔泵送的钻井液通过联通的内腔流向螺杆钻具，驱动螺杆钻具工作。

在一个实施例中，所述活塞3与芯轴a8通过螺纹连接，所述芯轴a8与防掉接头14上端通过螺纹连接，如图2所示，所述防掉接头14下端与芯轴b16通过周向的三个止动销17连接，所述芯轴b16下端与花键芯轴23通过螺纹连接，所述花键芯轴23下端与下接头31通过螺纹连接；当复合定向钻井的控制装置的状态发生改变时，活塞3、芯轴a8、防掉接头14、芯轴b16、花键芯轴23与下接头31可以整体上下移动，但下接头31向上移动的最大范围不会使下接头的凸台碰撞花键外壳24的底端。

如图2与图3所示，防掉接头14可以在上部外壳10内上下移动，芯轴b16可在下部外壳19内上下移动。

如图5所示，花键芯轴23上沿轴向设有三层花键，分别为花键a25，花键b26，花键c27，每层花键沿周向有5个花键，其作用是在碟簧的有效行程内，可以使得花键在定向滑动钻井状态下完全脱离花键槽；花键芯轴23上端设有内螺纹与芯轴b16下端连接，花键芯轴23下端设有外螺纹与花键芯轴23连接，花键芯轴23上端设有凸台，凸台设有密封槽，其密封槽安装B型密封圈d22，花键芯轴23上端设有凸台的原因：一个是为了给碟簧组b21进行定位，另一个是为了方便安装密封圈。

如图7所示，花键外壳24最下端的花键槽设有凸台，可以保证发生意外情况下，花键芯轴23不会发生掉井现象。

如图8所示，芯轴a8上端设有外螺纹与活塞3连接，芯轴a8下端设有内螺纹与防掉接头14连接，芯轴a8上还设有凸台，设置凸台的原因是为了给碟簧组a9进行定位。

根据图6与图7，可以更清楚的明白以下花键与花键槽的关系，复合定向钻井的控制装置初始状态为花键芯轴23的所有花键与花键外壳24的花键槽啮合，此时的状态为“复合钻进”；因为碟簧组a9与碟簧组b21的刚度范围在4000N/mm~6000N/mm，大于复合钻进时的刚度要求，所以在复合钻进过程中不会改变花键与花键槽的啮合状态；钻井根据钻井现场工况需要定向滑动钻进时，增加钻压，碟簧组a9与碟簧组b21被压缩，花键芯轴23上的所有花键脱离，活塞3在外筒2内向上移动，此状态下，由上部钻柱传递给上接头1的转动将不会通过花键外壳24传递给花键芯轴23，因此，转动也不会通过下接头31传递给井底钻具组合。当需要切换至复合钻井时，减小钻压，碟簧组a9与碟簧组b21的碟簧依靠复位推力，推动花键芯轴23的所有花键与花键外壳24上的花键槽啮合，活塞3在外筒2内向下移动，此状态下，由上部钻柱传递给上接头1的转动将将通过花键外壳24传递给花键芯轴23，因此，转动也会通过下接头31传递给井底钻具组合。

本发明在工作时，只需通过改变下放钻柱的压力就可以实现定向滑动钻进和复合钻进的状态切换，具体改变过程如下：增加钻压，压力通过上部钻柱传递到上接头1，此时上接头1、外筒2、上部外壳10、下部外壳19与花键外壳24下移，碟簧组a9和碟簧组b21中的碟簧被压缩，所有花键与花键槽脱离，上部钻柱的转动通过上接头1传递至花键外壳24，但不会传递给花键芯轴23，所以其转动也不会通过下接头31传递给井底钻具组合，此时为定向滑动钻进；降低钻压，，碟簧组a9和碟簧组b21中的碟簧依靠复位推力将花键与花键槽进行啮合，上部钻柱的转动通过上接头1传递至花键外壳24，但由于花键与花键外壳24的花键槽处于啮合状态，所以花键外壳24的转动将带动花键芯轴23进行转动，其转动也将通过下接头31传递给井底钻具组合，此时为复合钻进。

本申请还包括使用方法，所述复合定向钻井的控制装置的方法包括：

步骤S1、根据现场实际情况来判读是否需要在钻井过程中增降井斜、改变方位、调整工具面，如有需要此时可以利用复合定向钻井的控制装置切换至定向滑动钻进状态，通过定向滑动钻进来改变井斜、方位以及工具面，具体操作为增加钻压，钻压通过上部钻柱传递到与其连接的上接头1，其执行模块中的花键a25、花键b26、花键c27与在花键外壳24中对应的花键槽脱开，当执行模块中的所有花键与对应的花键槽脱开后，花键外壳24的转动将不会带动花键芯轴23转动，也不会带动与下接头31相连的井底钻具组合一起转动，此状态即为定向滑动钻进；

步骤S2、通过步骤1达到钻井现场要求的井斜、方位、工具面时，此时不再需要定向复合钻进状态，需要切换至复合钻进状态，将钻压降低至复合钻进所需的钻压，通过复位模块的碟簧组a9和碟簧组b21回程的推力，将芯轴a8、防掉接头14、芯轴b16和花键芯轴23一起向下推动，使得花键芯轴23上的所有花键与花键外壳24的花键槽啮合，花键啮合后，花键外壳24的转动将带动花键芯轴23一起转动，并使得与下接头31相连的井底钻具组合一起转动，此状态即为复合钻井状态；

步骤S3、由于钻井现场条件的复杂多样性，如果工况发生变化，可以根据现场的需求选择步骤S1、步骤S2的使用顺序。

以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.复合定向钻井的控制装置，其特征在于：包括上接头（1）、执行模块、复位模块、辅助模块以及下接头（31）：

所述执行模块包括与上接头（1）通过螺纹连接的外筒（2）、与外筒（2）通过螺纹连接的上部外壳（10）、与上部外壳（10）通过螺纹连接的下部外壳（19）、以及在外筒（2）内上下移动的活塞（3）、与活塞（3）通过螺纹连接的芯轴a（8）、与防掉接头（14）通过止动销（17）连接的芯轴b（16）、与芯轴b（16）螺纹连接的花键芯轴（23），所述花键芯轴（23）包括花键a（25）、花键b（26）、花键c（27），所述执行模块包括与下部外壳（19）通过螺纹连接的花键外壳（24）；

当花键芯轴（23）的所有花键与花键外壳（24）啮合时，由花键外壳（24）带动花键芯轴（23）一起转动；

当花键芯轴（23）的所有花键与花键外壳（24）脱开时，花键外壳（24）转动，花键芯轴（23）不转动；

所述复位模块包括：碟簧组a（9）和碟簧组b（21），所述碟簧组a（9）安装于外筒（2）的下端与芯轴a（8）的凸台之间，所述碟簧组b（21）安装于芯轴b（16）的凸台下端与花键芯轴（23）的上端之间；

所述辅助模块包括：O型密封圈a（4）、O型密封圈b（5）、B型密封圈a（6）、耐磨环a（7）、垫圈a（11）、耐磨环b（12）、B型密封圈b（13）、防掉接头（14）、垫圈b（15）、止动销（17）、O型密封圈c（18）、B型密封圈c（20）、B型密封圈d（22）、耐磨环c（28）、B型密封圈e（29）、刮油环（30），所述O型密封圈a（4）安装于外筒（2）外侧凹槽内，所述两个O型密封圈b（5）安装于外筒（2）内侧的凹槽内，所述B型密封圈a（6）和耐磨环a（7）安装于外筒（2）底端内侧对应的凹槽内，所述垫圈a（11）同心安装于上部外壳（10）内侧凸台的上端，所述耐磨环b（12）与B型密封圈b（13）安装于上部外壳（10）内侧凸台对应的凹槽内，所述防掉接头（14）的上端与芯轴a（8）通过螺纹连接，防掉接头（14）的下端与芯轴b（16）通过止动销（17）连接，所述O型密封圈c（18）安装于下部外壳（19）上端凹槽内，所述B型密封圈c（20）安装于芯轴b（16）凹槽内，所述B型密封圈d（22）安装于花键芯轴（23）上端凸台对应的凹槽内，所述耐磨环c（28）、B型密封圈e（29）、刮油环（30）安装于花键外壳（24）底端内侧对应的凹槽内；

在工作时，只需通过改变下放钻柱的压力就可以实现定向滑动钻进和复合钻进的状态切换，具体改变过程如下：增加钻压，压力通过上部钻柱传递到上接头（1），此时上接头（1）、外筒（2）、上部外壳（10）、下部外壳（19）与花键外壳（24）下移，碟簧组a（9）和碟簧组b（21）中的碟簧被压缩，所有花键与花键槽脱离，上部钻柱的转动通过上接头（1）传递至花键外壳（24），但不会传递给花键芯轴（23），所以其转动也不会通过下接头（31）传递给井底钻具组合，此时为定向滑动钻进；降低钻压，碟簧组a（9）和碟簧组b（21）中的碟簧依靠复位推力将花键与花键槽进行啮合，上部钻柱的转动通过上接头（1）传递至花键外壳（24），但由于花键与花键外壳（24）的花键槽处于啮合状态，所以花键外壳（24）的转动将带动花键芯轴（23）进行转动，其转动也将通过下接头（31）传递给井底钻具组合，此时为复合钻进。

2.根据权利要求1所述的复合定向钻井的控制装置，其特征在于：所述的防掉接头（14）的三个销孔沿圆周方向间隔为120°，防掉接头（14）的三个销孔与芯轴b（16）上端的三个销孔对应，防掉接头（14）与芯轴b（16）通过止动销（17）固定。

3.根据权利要求1所述的复合定向钻井的控制装置，其特征在于：所述花键外壳（24）最下端的花键槽下方设有凸台。

4.根据权利要求1所述的复合定向钻井的控制装置，其特征在于：所述碟簧组a（9）和碟簧组b（21）的刚度满足在复合钻进过程中不改变花键与花键槽的啮合状态的要求。

5.根据权利要求1所述的复合定向钻井的控制装置，其特征在于：所述芯轴b（16）与下部外壳（19）同心装配，且芯轴b（16）在下部外壳（19）内上下移动。

6.根据权利要求1所述的复合定向钻井的控制装置，其特征在于：所述下接头（31）上端与花键芯轴（23）通过螺纹连接，所述下接头（31）与花键外壳（24）同心装配，下接头（31）与花键芯轴（23）在花键外壳（24）内上下移动。

7.根据权利要求1所述的复合定向钻井的控制装置的使用方法，其特征在于：复合定向钻井的控制装置包括上接头（1）、执行模块、复位模块、辅助模块以及下接头（31）；其使用方法包括：

步骤S1、当钻井过程需要增降井斜、改变方位、调整工具面时，进行定向滑动钻进，增加钻压，钻压通过上部钻柱传递到上接头（1），执行模块中的花键a（25）、花键b（26）、花键c（27）与花键外壳（24）中对应的花键槽脱开，花键外壳（24）的转动不带动花键芯轴（23）转动，也不带动与下接头相连的井底钻具组合转动；

步骤S2、当钻井过程满足要求的井斜、方位、工具面时，进行复合钻进，降低钻压，复位模块的碟簧组a（9）和碟簧组b（21）向下推动芯轴a（8）、防掉接头（14）、芯轴b（16）和花键芯轴（23），花键a（25）、花键b（26）、花键c（27）与花键外壳（24）中对应的花键槽啮合，花键外壳（24）带动花键芯轴（23）转动，带动与下接头相连的井底钻具组合转动；

步骤S3、根据现场生产作业需求选择步骤S1、步骤S2。