CN114109252A - 实现钻柱全旋转定向的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现钻柱全旋转定向的控制装置，由上接头、O型密封圈、上筒、电磁装置、离合齿轮轴、复位弹簧、上外壳、中外壳、芯轴、下外壳、注油孔、排气孔筛孔、闷头、止动销、串轴承外圈定位套、串轴承内圈定位套、串轴承、TC轴承动圈、TC轴承静圈、TC轴承动摩擦块、TC轴承静摩擦块、转换接头、防掉接头、下接头组成；所述的离合齿轮轴在电磁装置的斥力作用下，轴向运动到啮合位置，实现齿轮传动，从而实现全旋转定向的控制装置的“合”，这时钻进状态为复合钻进；离合齿轮轴在电磁装置的引力与复位弹簧的回复力共同作用下，脱开啮合，从而实现全旋转定向的控制装置的“离”，这时钻进状态为滑动钻进。

Description

实现钻柱全旋转定向的控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于油气资源钻探工程领域实现钻柱全旋转定向的控制装置，其主要应用于石油天然气工程的定向钻井。

背景技术

定向钻井是指按照预先设计的井斜、方位进行钻进，达到预期井眼轨迹的钻井技术。现有的定向钻井技术，根据导向工具工作方式的不同可分为滑动定向钻井技术与旋转导向钻井技术。

滑动定向工具中使用较多的是弯螺杆，其成本低，但是也存在钻柱拖压严重，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不足。旋转导向工具分为井斜控制式旋转导向工具与全角控制式旋转导向工具，前者的核心是可变径稳定器，可变径稳定器能较好地控制井斜但是不能理想地控制方位；后者既能控制井斜又能控制方位。全角控制式旋转导向工具的钻井效率较滑动定向工具大幅提高，可是其制造、使用、维护成本太高，如遇卡钻，被埋风险高，经济损失大。由于工况的不同，综合考虑钻井条件、机械钻速、安全风险、事故成本，是选择滑动钻进或旋转钻进的主要因素，因此，开发成本低、可靠性好、性价比高的钻柱全旋转定向的控制装置具有重要的经济价值与工程实际意义。

实现钻柱全旋转定向的控制装置能分别实现转速的复合与独立，非定向时为复合钻进；定向钻进时钻柱旋转钻进，BHA滑动钻进。全旋转定向的控制装置可以提高定向钻井效率，大幅度减小成本，且安全性高，事故处理成本低。

发明内容

为了探索解决背景技术中所述的滑动钻进效率低、井眼轨迹不易控制和旋转钻进成本高等问题，本发明设计一种实现钻柱全旋转定向的控制装置。本发明的全旋转定向控制装置容易控制机械钻速与井眼轨迹，同时实现井底钻具组合（BHA）和钻杆各自独立运动。当复合钻进时，钻柱系统和BHA共同旋转钻进；当定向钻进时，上部钻柱旋转钻进，BHA滑动钻进，定向井工程师可以通过控制离合状态实现复合钻进和定向钻进。

本发明的技术方案是：实现钻柱全旋转定向的控制装置，其具有上外壳、中外壳、下外壳以及设置在这些外壳内的复位弹簧、芯轴、电磁装置和离合齿轮轴，电磁装置固定在上外壳内，并与芯轴配合；复位弹簧固定在中外壳内，并与芯轴配合。上外壳上接上筒，下外壳下接防掉接头、防掉接头下接下接头、下接头下接MWD、螺杆钻具、钻头；芯轴外伸段上接上接头、上接头上接上部钻柱。

在上述本发明的实现钻柱全旋转定向的控制装置中，由于在上外壳内设置了电磁装置、在中外壳内设置了复位弹簧，二者的共同作用控制离合齿轮轴的轴向运动；离合齿轮轴的状态控制实现钻柱全旋转定向的控制装置的“离”状态与“合”状态，从而控制钻井工具的钻进状态。钻井工具的测量仪器对井下钻井工具的钻进状态判定为复合钻进时，由测量仪器的信号通道将指令传输给地面的计算机，再通过计算机对电磁装置发出产生电磁斥力的指令，离合齿轮轴在电磁斥力的作用下，轴向运动到与上外壳齿轮结构、芯轴齿轮结构所在的位置，啮合后在芯轴的转动下进行传动，并压缩复位弹簧，当上部钻柱带动芯轴转动时，上外壳、中外壳、下外壳与芯轴同步转动，实现钻柱全旋转定向的控制装置为“合”状态。钻井工具的测量仪器对井下钻井工具的钻进状态判定为滑动钻进时，由测量仪器的信号通道将指令传输给地面的计算机，再通过计算机对电磁装置发出产生电磁吸力的指令，离合齿轮轴在电磁吸力与复位弹簧的回复力的共同作用下，远离上外壳齿轮结构与芯轴齿轮结构所在的位置，齿轮结构之间脱开啮合，当上部钻柱带动芯轴转动时，中外壳、下外壳与芯轴同步转动，上外壳不发生转动，实现钻柱全旋转定向的控制装置为“离”状态。

在上述本发明的实现钻柱全旋转定向的控制装置中，所述中外壳内设置了复位弹簧，复位弹簧具有大刚度，使离合齿轮轴在装配后不会因为自重下落，实现了实现钻柱全旋转定向的控制装置在工作前离合齿轮轴的轴向限位。

在上述本发明的实现钻柱全旋转定向的控制装置中，所述下外壳的结构设置了注油孔、排气孔、筛孔、销孔。下井前需要注油润滑，注油孔则是便于灌输润滑油，灌输的润滑油中会含有气体杂质，气体杂质会阻碍润滑油从注油孔向闷头的流动。气体杂质经排气孔排出后，润滑油顺利地向闷头方向流动。下外壳设置了筛孔，筛孔是实现钻柱全旋转定向的控制装置与井眼环空液压平衡的桥梁。销孔用于安装止动销，对闷头进行轴向固定。

在上述本发明的实现钻柱全旋转定向的控制装置中，所述下外壳内部闷头下部安装有串轴承外圈定位套、串轴承内圈定位套、串轴承、TC轴承运动组件、转换接头。所述TC轴承运动组件包括TC轴承静摩擦块、TC轴承动摩擦块、TC轴承静圈、TC轴承动圈，所述TC轴承运动组件下端由转换接头进行轴向限位，上端由串轴承进行轴向限位。

在上述本发明的实现钻柱全旋转定向的控制装置中，所述串轴承轴向承载能力大，上部钻柱传递大的钻压不会对TC轴承运动组件造成损坏。所述串轴承上端由串轴承内圈与串轴承外圈实现轴向限位，串轴承内圈与串轴承外圈由止动销固定的闷头实现轴向限位。

在上述本发明的实现钻柱全旋转定向的控制装置中，所述转换接头下接防掉接头、防掉接头下接下接头，当芯轴与外壳存在过大的相对滑动速度时，防掉接头防止芯轴发生抽筒。

本发明的有益效果是：(1)兼容各种钻井马达和MWD装置；(2)可按照定向井设计的要求调整合适的钻井马达弯角；(3)定向时，可以实现BHA旋转钻进和滑移钻进的高效转换；(4)能减小钻压摩阻，降粘防卡，提高机械钻速，增加钻具的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是为离合齿轮轴的结构示意图。

图中1.上接头、2.O型密封圈、3.上筒、4.电磁装置、5.离合齿轮轴、6.复位弹簧、7.上外壳、8.中外壳、9.芯轴、10.下外壳、11.注油孔、12.排气孔、13.筛孔、14.闷头、15.止动销、16.串轴承外圈定位套、17.串轴承内圈定位套、18.串轴承、19.TC轴承动圈、20.TC轴承静圈、21.TC轴承动摩擦块、22.TC轴承静摩擦块、23.转换接头、24.防掉接头、25.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：

参见附图1，本发明涉及安装有离合齿轮轴5的实现钻柱全旋转定向的控制装置，通过离合齿轮轴5其齿轮结构同芯轴9以及上外壳7齿轮结构的啮合与脱开啮合完成对实现钻柱全旋转定向的控制装置进行“离”状态与“合”状态的控制。

实现钻柱全旋转定向的控制装置，具有上外壳7、中外壳8、下外壳10，上外壳7内设置有离合齿轮轴5，上外壳7、中外壳8、下外壳10这三部分外壳共同包围了芯轴9。离合齿轮轴5的三段结构中的上部结构为齿轮结构，上外壳7的下部设置有内齿轮结构，芯轴9的上部设置有外齿轮结构，当这三部分齿轮结构都啮合实现传动时，在上部钻柱带动芯轴9转动的工况下，芯轴9带动中外壳8转动、中外壳8带动下外壳10转动，同时，芯轴9的外齿轮与离合齿轮轴5的齿轮处啮合并实现传动，将运动传递给上外壳7的内齿轮结构，上外壳7实现转动，实现钻柱全旋转定向的控制装置的状态为“合”状态，钻井工具的工作方式为复合钻进；当离合齿轮轴5与芯轴9和上外壳7的齿轮结构脱开啮合时，上部钻柱带动芯轴9转动，芯轴9带动中外壳8转动，没有运动传递给上外壳7，上外壳7不发生转动，实现钻柱全旋转定向的控制装置的状态为“离”状态，钻井工具的工作方式为滑动钻进。

实现钻柱全旋转定向的控制装置，所述上外壳7内部设置有电磁装置4，电磁装置4控制离合齿轮轴5的轴向位置，既便于装配、又便于实现钻柱全旋转定向的控制装置的“合”状态与“离”状态的切换。由地面计算机控制电磁装置4产生电磁吸力，电磁吸力与上外壳7共同将离合齿轮轴5的轴向位置固定，防止装配过程中离合齿轮轴5的位置变动影响装配。实现钻柱全旋转定向的控制装置的“合”状态与“离”状态的切换由电磁装置4对离合齿轮轴5的电磁吸力与电磁斥力进行控制，控制离合齿轮轴5的齿轮结构和芯轴9的外齿轮、上外壳7的内齿轮的啮合状态。

实现钻柱全旋转定向的控制装置，所述中外壳8内设置了复位弹簧6，在离合齿轮轴5与上外壳7装配后，具有大刚度的复位弹簧6限制了离合齿轮轴的轴向移动，防止了离合齿轮轴5的位置变动给后续装配造成影响；所述离合齿轮轴5在实现传动之前，在电磁装置4对离合齿轮轴5的电磁斥力与复位弹簧6被压缩后产生的回复力的作用下实现离合齿轮轴5的轴向定位，保证了离合齿轮轴5与上外壳7的内齿轮结构、芯轴9的外齿轮结构进行啮合。

实现钻柱全旋转定向的控制装置，所述下外壳10上有注油孔11、排气孔12、筛孔13，注油孔11便于定期注油润滑装置，排气孔12便于排出注入油液中的气体，所述筛孔13使得实现钻柱全旋转定向的控制装置的与环空井眼连通，平衡井下液压。

实现钻柱全旋转定向的控制装置，所述防掉接头24可以防止芯轴9与中外壳8和转换接头23的相对滑动速度过大而发生抽筒。

实现钻柱全旋转定向的控制装置，包含上外壳7、中外壳8、下外壳10，外壳分为三段既便于加工并保证加工精度，又便于装配内部零件，还便于钻井时压力的传递。

实现钻柱全旋转定向的控制装置，其组装顺序为：将TC轴承动圈19、TC轴承动摩擦块21、TC轴承静摩擦块22、TC轴承静圈20从里向外依次组装为TC轴承运动组件，再将闷头14、对串轴承18的外圈与内圈起定位作用的串轴承外圈定位套16与串轴承内圈定位套17、串轴承18、TC轴承运动组件依次组装到下外壳10中，在TC轴承运动组件的下端转换接头23通过螺纹连接与下外壳10进行组装，所述闷头14由止动销15进行固定；再将芯轴9与防掉接头24通过螺纹连接进行组装，并在转换接头23的下端依次将组装好的芯轴9与防掉接头24、下接头25与转换接头23装配，所述的下接头25通过螺纹连接与转换接头23进行装配；再将中外壳8与下外壳10进行装配，并将复位弹簧6组装到中外壳8内部；再将电磁装置4从上外壳7的上端组装到上外壳7内部，将4个离合齿轮轴5从上外壳7的下端组装到上外壳7内部，再将组装好的上外壳7装到中外壳8的上端；最后将O型密封圈2组装到上接头1中，再将上筒3与上外壳7进行组装、并将装好O型密封圈2的上接头1与芯轴9进行组装。

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 (4)

1. 实现钻柱全旋转定向的控制装置，由上接头（1）、O型密封圈（2）、上筒（3）、电磁装置（4）、离合齿轮轴（5）、复位弹簧（6）、上外壳（7）、中外壳（8）、芯轴（9）、下外壳（10）、注油孔（11）、排气孔（12）、筛孔（13）、闷头（14）、止动销（15）、串轴承外圈定位套（16）、串轴承内圈定位套（17）、串轴承（18）、TC轴承动圈（19）、TC轴承静圈（20）、TC轴承动摩擦块（21）、TC轴承静摩擦块（22）、转换接头（23）、防掉接头（24）、下接头（25）组成；其特征在于： TC轴承动圈（19）、TC轴承动摩擦块（21）、TC轴承静摩擦块（22）、TC轴承静圈（20）组装为TC轴承运动组件；组装的TC轴承运动组件与闷头（14）、串轴承外圈定位套（16）、串轴承内圈定位套（17）、串轴承（18）组装到下外壳（10）中，TC轴承运动组件的下端转换接头（23）与下外壳（10）进行组装，止动销（15）固定闷头（14）；芯轴（9）与防掉接头（24）螺纹连接，下接头（25）与转换接头（23）装配；中外壳（8）与下外壳（10）装配，并将复位弹簧（6）组装在中外壳（8）内部；电磁装置（4）从上外壳（7）的上端组装到上外壳（7）内部，4个离合齿轮轴（5）从上外壳（7）的下端组装到上外壳（7）内部，上外壳（7）与中外壳（8）进行组装；O型密封圈（2）组装到上接头（1）中，上筒（3）与上外壳（7）进行组装，上接头（1）与芯轴（9）进行组装；离合齿轮轴（5）在电磁装置（4）的斥力作用下，与上外壳（7）的内齿轮进行啮合，结合芯轴（9）的齿轮结构，实现全旋转定向的控制装置“合”状态；离合齿轮轴（5）在电磁装置（4）的吸引力与复位弹簧（6）的回复力共同作用下，与上外壳（7）的内齿轮和芯轴（9）的齿轮脱开啮合，实现全旋转定向的控制装置的“离”状态。

2.根据权利要求1所述的实现钻柱全旋转定向的控制装置，其特征在于：所述离合齿轮轴（5）组装时在电磁装置（4）的电磁吸力作用下，通过上外壳（7）的约束实现轴向限位与装配。

3.根据权利要求1所述的实现钻柱全旋转定向的控制装置，其特征在于：所述下外壳（10）上有注油孔（11）、排气孔（12）、筛孔（13），注油孔（11）定期注油实现装置润滑，排气孔（12）排出注入油液中的气体，所述筛孔(13)连通环空井眼，平衡井下液压。

4.根据权利要求1所述的实现钻柱全旋转定向的控制装置，其特征在于：所述防掉接头(24)限制芯轴(9)与中外壳（8）和转换接头(23)发生相对滑动，避免抽筒。

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