CN114109256A - 钻井定向装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井定向装置，包括：驱动轴，驱动轴沿轴向方向延伸，在驱动轴的外侧面上形成有多个第一定位凸起，多个第一定位凸起在周向上彼此均匀间隔开布置，在相邻的第一定位凸起之间形成第一定位通道，在驱动轴的外侧面上还形成有多个第二定位凸起，多个第二定位凸起在周向上彼此间隔开布置，在相邻的第二定位凸起之间形成第二定位通道，多个第二定位凸起在轴向上间隔开地设置在多个第一定位凸起之下一定距离处，并在周向上与多个第一定位凸起交错一定角度布置，使得第一定位通道与第二定位通道彼此连通但在周向上错开；以及传动筒，传动筒沿轴向方向延伸，并套设在驱动轴外，在传动筒的内侧面上形成有至少一个配合凸起。

Description

钻井定向装置

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，特别是涉及一种连续管钻井定向装置。

背景技术

在连续管钻井过程中，有时需要改变钻井方向，例如为了钻斜井和水平井，或者为了绕开特定区域等。在现有技术中，通常由钻井定向工具与弯曲的底部钻具组合的配合来实现上述改向，其中钻井定向工具作为核心工具决定了井眼轨迹的控制水平。

CN105888550A公开了一种连续管钻井电液控定向工具。该工具通过螺纹式的驱动轴的转动来带动底部钻具组合进行转向和定向。然而，这种螺纹式驱动轴难以实现准确的定向，需要配合较多的位移传感器和复杂的控制算法。另外，这种螺旋式的配合本身不能实现自锁，容易出现溜滑现象。为了保证驱动轴的位置锁定，需要设置另外的锁定机构。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种钻井定向装置。通过这种钻井定向装置能消除或至少减弱上述问题中的至少一项。

根据本发明提出了一种钻井定向装置，包括：驱动轴，所述驱动轴沿轴向方向延伸，在所述驱动轴的外侧面上形成有多个第一定位凸起，所述多个第一定位凸起在周向上彼此均匀间隔开布置，在相邻的第一定位凸起之间形成第一定位通道，在所述驱动轴的外侧面上还形成有多个第二定位凸起，所述多个第二定位凸起在周向上彼此间隔开布置，在相邻的第二定位凸起之间形成第二定位通道，所述多个第二定位凸起在轴向上间隔开地设置在所述多个第一定位凸起之下一定距离处，并在周向上与所述多个第一定位凸起交错一定角度布置，使得第一定位通道与第二定位通道彼此连通但在周向上错开；以及传动筒，所述传动筒沿轴向方向延伸，并套设在所述驱动轴外，在所述传动筒的内侧面上形成有至少一个配合凸起；在所述驱动轴沿轴向移动时，通过所述传动筒的至少一个配合凸起与所述驱动轴的第一定位凸起和第二定位凸起的配合，使得所述至少一个配合凸起能在彼此错开的第一定位通道和第二定位通道之间移动，以实现传动筒的旋转。

在钻井过程中，配合凸起可以定位在第一定位通道或第二定位通道内。此时，在相邻的第一定位凸起或相邻的第二定位凸起的限定作用下，传动筒不能相对于驱动轴进行转动。由此，与传动筒相连的底部钻具组合的钻进方向不会发生变化。在需要改变钻进方向时，通过驱动轴的轴向移动而使得配合凸起离开原本所在的第一定位通道或第二定位通道，而进入到连通但在周向上错开一定角度的第二定位通道或第一定位通道内。此时，传动筒相对于驱动轴转动与第一定位通道和第二定位通道在周向上相差角度相对应的角度。通过上述结构，能够在配合凸起位于第一定位通道或第二定位通道内时有效地卡住配合凸起，从而能避免传动筒相对于驱动轴发生非预期的转动，避免“溜滑现象”。另外，通过这种第一定位凸起和第二定位凸起的两排布置，能够有效确保凸起结构的稳定性，从而确保钻井定向装置在长期使用中的运行稳定性和使用寿命。

在一个实施例中，在所述第一定位凸起的下端的第一侧设置有第一定位倾斜面，所述第一定位倾斜面的至少一部分与第二定位通道相对，以接收来自第二定位通道的配合凸起；在所述第二定位凸起的上端的第一侧形成有第二定位倾斜面，所述第二定位倾斜面的至少一部分与第一定位通道相对，以接收来自第一定位通道的配合凸起；在所述传动筒的配合凸起的上端的与第一侧相反的第二侧上形成有与所述第一定位倾斜面相配合的第一配合倾斜面，在所述配合凸起的下端的第二侧上形成有与所述第二定位倾斜面相配合的第二配合倾斜面。

在一个实施例中，在所述传动筒的内侧面上形成有多个配合凸起，所述多个配合凸起在周向上彼此等间隔布置，相邻的配合凸起之间的间隔角度与所述驱动轴上的相邻的第一定位凸起之间的间隔角度以及相邻的第二定位凸起之间的间隔角度相同。

在一个实施例中，在所述至少一个配合凸起处于第一定位通道和第二定位通道中任一个内时，所述传动筒均能固定在一取向方向上。

在一个实施例中，所述钻井定向装置还包括：活塞筒，所述活塞筒沿轴向方向延伸，所述活塞筒的下端与所述驱动轴的上端固定相连，所述活塞筒构造为能驱动所述驱动轴沿轴向移动，在所述活塞筒的外侧壁上构造有朝向下方的台阶面；棘齿筒，所述棘齿筒的上端套设在所述活塞筒之外，并与所述台阶面间隔开，所述棘齿筒的下端与所述传动筒的上端相接合，在所述棘齿筒的下端和所述传动筒的上端构造有彼此配合的棘齿；以及弹簧，所述弹簧设置在所述活塞筒的台阶面与所述棘齿筒的上端之间，并构造为使所述棘齿筒的下端抵在所述传动筒的上端处。

在一个实施例中，所述第一定位凸起和第二定位凸起的数量相等，所述棘齿筒上的棘齿的数量与所述第一定位凸起和第二定位凸起的数量之和相等。

在一个实施例中，所述钻井定向装置构造为能通过所述驱动轴的上下往复运动而实现所述棘齿筒的连续转动。

在一个实施例中，所述钻井定向装置还包括输出接头，所述输出接头的上端插入到所述传动筒的下端内，并与所述传动筒的下端固定连接，所述输出接头的插入所述传动筒内的上端与所述驱动轴的下端间隔开。

在一个实施例中，所述钻井定向装置还包括套设在所述传动筒外的外壳，在所述外壳的下端处连接有密封接头，所述密封接头套设在所述输出接头的至少一部分外，在所述输出接头与所述密封接头之间设置有旋转密封圈，所述旋转密封圈允许所述输出接头相对于所述密封接头旋转式密封。

在一个实施例中，所述密封接头的上端插入到所述外壳的下端内，并与所述外壳的下端螺纹连接，所述密封接头的上端面与所述传动筒的下端面相对并通过推力轴承相接合。

附图说明

在下文中参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明的一个实施方案的钻井定向装置的示意图；

图2显示了图1中的钻井定向装置的驱动轴的结构示意图；

图3显示了图1中的钻井定向装置的传动筒的结构示意图；

图4显示了根据本发明的一个实施方案的钻井定向装置的示意性原理图。

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。

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的钻井定向装置100。在图1 所示的实施例中，左侧为靠近井口的一端，即上端；右侧为靠近井底的一端，即下端。

该钻井定向装置100包括筒状的外壳1在该外壳1内套设有活塞筒3，该活塞筒的上游端设置有液压系统(未显示)。通过液压系统能驱动活塞筒3沿轴向方向向上移动和向下移动。该液压系统为本领域的技术人员所熟知的，在此不加赘述。

在外壳1的内部还设置有驱动轴6。驱动轴6的上端与活塞筒3的下端固定连接。由此，在活塞筒3受液压系统驱动而沿轴向方向移动时，驱动轴6能受到活塞筒3的驱动而沿轴向方向移动。例如，如图1所示，活塞筒3的下端插入到驱动轴6的上端内，并且在它们之间进行螺纹连接，以此来实现驱动轴6相对于活塞筒3的固定连接。优选地，如图1所示，在驱动轴6的上端内侧构造有朝向上方的限位台阶，以用于限制活塞筒3插入驱动轴6的位置。

在一个优选的实施例中，如图1所示，在活塞筒3的下端与驱动轴6的上端之间设置有密封圈5。密封圈5可用于避免井内流体通过活塞筒3和驱动轴6之间的连接处而流向驱动轴6的外侧。

在外壳1的内部还设置有棘齿筒4。棘齿筒4的上端套设在活塞筒3之外，并位于驱动轴6的上端之上。棘齿筒4的下端延伸到驱动轴6的外侧。在棘齿筒 4的下端边缘处构造有棘齿。在下文中对该棘齿的作用进行详细描述。

如图1所示，在活塞筒3的外侧构造有朝向下方的台阶面3A。该台阶面3A 与棘齿筒4的上端面相对间隔开设置。在它们之间设置有弹簧2。在钻井定向装置100装配好之后，弹簧2始终处于压缩状态，以向下推抵着棘齿筒4。可以理解的是，弹簧2也可替换为其他任意适当的弹性件。

在外壳1的内部还设置有传动筒8。传动筒8套设在驱动轴6的内侧，即处于外壳1与驱动轴6之间的环形间隙内。如图3所示，在传动筒3的内侧面上构造有至少一个配合凸起8A。优选地，可构造有多个(例如，6个)配合凸起8A。这些配合凸起8A在周向上彼此间隔开地布置。上述配合凸起8A例如可以是沿轴向延伸的内键齿。

相应地，如图2所示，在驱动轴6的外侧面上设置有多个(例如，6个)第一定位凸起6A。各个第一定位凸起6A在周向上彼此间隔开地布置。在相邻的第一定位凸起6A之间形成有第一定位通道。另外，在驱动轴6的外侧面上还设置有多个(例如，6个)第二定位凸起6B。各个第二定位凸起6B在周向上彼此间隔开地布置。在相邻的第二定位凸起6B之间形成有第二定位通道。多个第一定位凸起6A和多个第二定位凸起6B在轴向上彼此间隔开一段距离。各个第一定位凸起6A和各个第二定位凸起6B沿周向错开，由此各个第一定位凸起6A和第二定位凸起6B在轴向上不正相对。这使得第一定位通道和第二定位通道彼此连通但不正相对。上述第一定位凸起6A和第二定位凸起6B例如可以是沿轴向延伸的外花键。

由此，在钻井定向装置100装配好之后，传动筒8套设在驱动轴6之外，使得传动筒8上的配合凸起8A能在第一定位凸起6A形成的第一定位通道与第二定位凸起6B形成的第二定位通道之间移动。当配合凸起8A处于第一定位通道或第二定位通道内时，配合凸起8A在周向上与第一定位凸起6A或第二定位凸起6B 卡接配合，由此来实现驱动轴6与传动筒8在周向上的相对固定。在钻井过程中，这种设置可有效避免溜滑现象，避免与传动筒8相连的底部钻具组合在钻进过程中发生钻进方向的偏离。

在一个优选的实施例中，第一定位通道和/或第二定位通道的长度在70mm至100mm之间。这有利于在其中保持配合凸起8A。

另外，如图2所示，在驱动轴6的外侧面上还构造有缩颈部6C。该缩颈部 6C处于第一定位凸起6A和第二定位凸起6B之间的间隔空间内。由此，在配合凸起8A移动到该缩颈部6C时，配合凸起8A不会与驱动轴6的外侧面直接接触。这有利于减小传动筒8与驱动轴6之间的摩阻，使得它们之间的相对运动更加灵活。

参见图4，在第一定位凸起6A的下端的第一侧(即，朝向定向旋转方向的一侧)上构造有第一定位倾斜面。该第一定位倾斜面的至少一部分与第二定位通道相对。由此，在配合凸起8A相对向上移动离开第二定位通道时，其会与第一定位凸起6A的第一定位倾斜面相接合。在该第一定位倾斜面与配合凸起8A的配合下，配合凸起8A能在周向上偏置地继续向上移动，并由此进入到与上述第二定位通道在周向上错开一定角度的第一定位通道内。优选地，在配合凸起8A的上端的第二侧(即，背向定向旋转方向的一侧)上构造有能与该第一定位倾斜面相接合的第一配合倾斜面通过这两个倾斜面之间的配合有利于实现配合凸起8A相对于第一定位凸起6A的稳定移动。

类似地，在第二定位凸起6B的上端的第一侧上构造有第二定位倾斜面。该第二定位倾斜面的至少一部分与第一定位通道相对。由此，在配合凸起8A相对向下移动离开第一定位通道时，其会与第二定位凸起6B的第二定位倾斜面相接合。在该第二定位倾斜面与配合凸起8A的配合下，配合凸起8A能在周向上偏置地继续向下移动，并由此进入到与上述第一定位通道在周向上错开一定角度的第二定位通道内。优选地，在配合凸起8A的下端的第二侧上构造有能与该第二定位倾斜面相接合的第二配合倾斜面。通过这两个倾斜面之间的配合有利于实现配合凸起8A相对于第二定位凸起6B的稳定移动。

在一个优选的实施例中，配合凸起8A始终与第一定位凸起6A和第二定位凸起6B中的至少一个进行配合。也就是说，配合凸起8A不存在同时脱离第一定位凸起6A和第二定位凸起6B的情况。

如图3所示，传动筒8的上端边缘处也构造有棘齿8B。在弹簧2的推压作用下，该棘齿8B能与上文所述的棘齿筒4的下端边缘处的棘齿抵接配合。通过棘齿间的配合，能避免传动筒8发生反向转动。

还如图3所示，在传动筒8的侧壁上还构造有沿径向贯穿传动筒8的通孔8C。在驱动轴6与外壳1之间可充满润滑剂。润滑剂可以通过通孔8C而在驱动轴6 与传动筒8之间的空间以及传动筒8与外壳1之间的空间之间流动。由此，进一步有利于传动筒8与驱动轴6之间的相对运动更加灵活。

如图1所示，在传动筒8的下端处连接有输出接头13。例如，该输出接头 13的上端可插入到传动筒8的下端内，并与其螺纹连接。由此，在传动筒8发生旋转时，输出接头13可以相应地一起旋转。输出接头13的下端可与底部钻具组合相连。由此，上述转动可传递至底部钻具组合，并由此带动底部钻具组合发生钻进方向的变化。该输出接头13的上端与驱动轴6的下端相对间隔开，由此允许在驱动轴6与传动筒8之间发生轴向的相对运动。优选地，在输出接头13的上端与传动筒8的下端之间设置有密封圈9，以避免井内流体通过输出接头13与传动筒8之间的连接处而流到传动筒8的外侧。

如上文所述，通过第一定位凸起6A、第二定位凸起6B和配合凸起8A的配合，能实现传动筒8相对稳定地旋转预定角度。这使得本发明的钻井定向装置100 能实现底部钻具组合的有效定向。

另外，通过第一定位凸起6A和第二定位凸起6B的两排布置，使得第一定位凸起6A和第二定位凸起6B以及配合凸起8A的形状尺寸可以较大。这对于钻井定向装置100的结构稳定性和使用寿命来说是非常有利的。详细来说，第一定位凸起6A和第二定位凸起6B的数量相同，并且它们的数量与传动筒8的棘齿8B 的数量的一半。由此，传动筒8和底部钻具组合在周向上能够确定取向的角度为第一定位凸起6A(或第二定位凸起6B)的数量的两倍。例如，在需要12个取向位置的情况下，第一定位凸起6A和第二定位凸起6B的数量可以为6个，相对较少。这使得单个定位凸起和配合凸起的结构可以较大，所能承载的力也更大。

还如图1所示，在外壳1的下端处连接有密封接头11。密封接头11的上端插入到外壳1的下端内，并与其螺纹连接。密封接头11套设在输出接头13的外侧，并且在密封接头11的内侧设置有旋转式密封圈12。该旋转式密封圈12接合在密封接头11和输出接头13之间，从而在输出接头13相对于密封接头11发生旋转时，旋转时密封圈12可保持它们之间的密封接合。由此，环空中的流体不会通过它们之间的接合处而流到输出接头13的内侧。

在如图1所示的实施例中，密封接头11的上端面与传动筒8的下端面正相对，在它们之间设置有推力轴承10。该推力轴承围绕在输出接头13的周围。推力轴承10能在引导传动筒8旋转的同时，传递外壳1的轴向拉力。

下面将结合图4来详细说明根据本发明的钻井定向装置100的工作过程和有益效果。

图3显示了3个工作状态，分别为状态I、状态II和状态III。它们显示了传动筒8转动一预设的定向角度的过程。

在状态I中，配合凸起8A位于第二定位通道A中。此时，由于第二定位通道A的左右两侧的第二定位凸起6B能有效卡住配合凸起8A。由此，传动筒8 不会相对于驱动轴6旋转，能够有效确保下方连接的底部钻具组合的取向。同时，弹簧2下压着棘齿筒4，使得其下端的棘齿与传动筒8上端的棘齿8B啮合在一起。

通过液压系统下压活塞筒3进而下压驱动轴6，使得驱动轴6相对于传动筒 8向下移动。由此，可使配合凸起8A相对于第二定位通道A向上移动而前进至状态II。

在状态II中，配合凸起8A即将脱离第二定位通道A。此时，配合凸起8A 的上端的第一配合倾斜面与夹在第一定位通道B和C之间的第一定位凸起6A的第一定位倾斜面相接合。在从状态I到状态II的过程中，传动筒8还未发生转动。因此，在状态II中，棘齿筒4与传动筒8的棘齿仍保持啮合在一起。由此，即便配合凸起8A已经脱离了第二定位通道A的第二侧的第二定位凸起6B的限制，传动筒8也不会发生反向转动。

随着液压系统进一步下压活塞筒3进而下压驱动轴6，在配合凸起8A的第一配合倾斜面与第一定位凸起6A的第一定位倾斜面之间的配合下，配合凸起8A 会转向第一定位通道C(背离第一定位通道B)，并由此进入到第一定位通道C 中。在此过程中，传动筒8不仅相对于驱动轴6发生了一预定角度的转动，还相对于棘齿筒4发生了一预定角度的转动。传动筒8上端的棘齿与棘齿筒4下端的棘齿错开，并在转动上述预定角度之后，再次啮合在一起，进入到状态III。

在状态III中，配合凸起8A位于第一定位通道C内，并受到左右两侧的第一定位凸起6A的限位。由此，传动筒8又不会相对于驱动轴6旋转，能够有效确保下方连接的底部钻具组合的取向。

类似地，通过上提驱动轴6即可使传动筒8再转动一预定角度，使得配合凸起8A移动至与第二定位通道A相邻(位于其左侧)的另一第二定位通道内。

通过反复地上提和下压液压系统可以驱使驱动轴6发生连续的往复运动。由此，可以实现传动筒8的取向的连续变化。在需要大角度地改变底部钻具组合的钻进角度的情况下，这是非常高效而有利的。

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 (10)

1.一种钻井定向装置，包括：

驱动轴，所述驱动轴沿轴向方向延伸，在所述驱动轴的外侧面上形成有多个第一定位凸起，所述多个第一定位凸起在周向上彼此均匀间隔开布置，在相邻的第一定位凸起之间形成第一定位通道，在所述驱动轴的外侧面上还形成有多个第二定位凸起，所述多个第二定位凸起在周向上彼此间隔开布置，在相邻的第二定位凸起之间形成第二定位通道，所述多个第二定位凸起在轴向上间隔开地设置在所述多个第一定位凸起之下一定距离处，并在周向上与所述多个第一定位凸起交错一定角度布置，使得第一定位通道与第二定位通道彼此连通但在周向上错开；以及

传动筒，所述传动筒沿轴向方向延伸，并套设在所述驱动轴外，在所述传动筒的内侧面上形成有至少一个配合凸起；

在所述驱动轴沿轴向移动时，通过所述传动筒的至少一个配合凸起与所述驱动轴的第一定位凸起和第二定位凸起的配合，使得所述至少一个配合凸起能在彼此错开的第一定位通道和第二定位通道之间移动，以实现传动筒的旋转。

2.根据权利要求1所述的钻井定向装置，其特征在于，在所述第一定位凸起的下端的第一侧设置有第一定位倾斜面，所述第一定位倾斜面的至少一部分与第二定位通道相对，以接收来自第二定位通道的配合凸起；

在所述第二定位凸起的上端的第一侧形成有第二定位倾斜面，所述第二定位倾斜面的至少一部分与第一定位通道相对，以接收来自第一定位通道的配合凸起；

在所述传动筒的配合凸起的上端的与第一侧相反的第二侧上形成有与所述第一定位倾斜面相配合的第一配合倾斜面，在所述配合凸起的下端的与第一侧相反第二侧上形成有与所述第二定位倾斜面相配合的第二配合倾斜面。

3.根据权利要求1或2所述的钻井定向装置，其特征在于，在所述传动筒的内侧面上形成有多个配合凸起，所述多个配合凸起在周向上彼此等间隔布置，相邻的配合凸起之间的间隔角度与所述驱动轴上的相邻的第一定位凸起之间的间隔角度以及相邻的第二定位凸起之间的间隔角度相同。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的钻井定向装置，其特征在于，在所述至少一个配合凸起处于第一定位通道和第二定位通道中任一个内时，所述传动筒均能固定在一取向方向上。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的钻井定向装置，其特征在于，所述钻井定向装置还包括：

活塞筒，所述活塞筒沿轴向方向延伸，所述活塞筒的下端与所述驱动轴的上端固定相连，所述活塞筒构造为能驱动所述驱动轴沿轴向移动，在所述活塞筒的外侧壁上构造有朝向下方的台阶面；

棘齿筒，所述棘齿筒的上端套设在所述活塞筒之外，并与所述台阶面间隔开，所述棘齿筒的下端与所述传动筒的上端相接合，在所述棘齿筒的下端和所述传动筒的上端构造有彼此配合的棘齿；以及

弹簧，所述弹簧设置在所述活塞筒的台阶面与所述棘齿筒的上端之间，并构造为使所述棘齿筒的下端抵紧在所述传动筒的上端处。

6.根据权利要求5所述的钻井定向装置，其特征在于，所述第一定位凸起和第二定位凸起的数量相等，所述棘齿筒上的棘齿的数量与所述第一定位凸起和第二定位凸起的数量之和相等。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的钻井定向装置，其特征在于，所述钻井定向装置构造为能通过所述驱动轴的上下往复运动而实现所述棘齿筒的连续转动。

8.根据权利要求5或6所述的钻井定向装置，其特征在于，所述钻井定向装置还包括输出接头，所述输出接头的上端插入到所述传动筒的下端内，并与所述传动筒的下端固定连接，所述输出接头的插入所述传动筒内的上端与所述驱动轴的下端间隔开。

9.根据权利要求8所述的钻井定向装置，其特征在于，所述钻井定向装置还包括套设在所述传动筒外的外壳，在所述外壳的下端处连接有密封接头，所述密封接头套设在所述输出接头的至少一部分外，在所述输出接头与所述密封接头之间设置有旋转密封圈，所述旋转密封圈允许所述输出接头相对于所述密封接头旋转式密封。

10.根据权利要求9所述的钻井定向装置，其特征在于，所述密封接头的上端插入到所述外壳的下端内，并与所述外壳的下端螺纹连接，所述密封接头的上端面与所述传动筒的下端面相对并通过推力轴承相接合。

Images