CN114352199A - 一种近钻头旋转导向钻井工具 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种近钻头旋转导向钻井工具，涉及石油钻探技术领域，包括钻铤，所述钻铤上从底端到上端依次设置有切削结构、测量单元、偏置执行单元和稳定平台；所述测量单元包括三轴重力加速度计、磁力计陀螺仪和伽马射线盒，所述偏置执行单元包括上盘阀、下盘阀和导向系统，所述导向系统位于下盘阀贴近切削结构的一侧，所述上盘阀位于下盘阀远离切削结构的一侧；所述稳定平台包括上支撑轴承、下支撑轴承、上涡轮发电机、下涡轮发电机、控制单元和控制轴。本申请通过将切削结构和导向系统的完全集成并配备近钻头的测量单元实现旋转导向钻井并在曲线钻进过程中持续提供高狗腿度，具有高轨道控制精度和高造斜率。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻探技术领域，具体涉及一种近钻头旋转导向钻井工具。
背景技术
导向钻井技术先后经历了滑动导向钻井、地面控制导向钻井和旋转自动导向钻井三个发展阶段，滑动导向钻井采用弯接头加直马达，以滑动钻进和旋转钻进的方式交替进行。地面控制导向钻井是在随钻测量仪器的基础上通过地面控制实现对钻头运动方向的控制。旋转自动导向钻井是在旋转钻柱过程中，实现井斜和方位实时连续调整的一种导向式钻井系统，该系统集机、电、液于一体化，能适应恶劣井下环境的自动化钻井新技术。
旋转导向钻井技术按照旋转导向原理的不同可划分为推靠钻头式和指向钻头式两大类，其中推靠式旋转导向是通过在靠近钻头处对井壁施加特定大小和方向的作用力以获得井壁对近钻头处钻具的反作用力来实现导向，其导向效果与钻头的侧切能力和钻头偏转角直接相关。推靠式旋转导向的作用力多是通过液压方式来实现的。推靠式旋转导向技术自面世以来，解决了常规马达导向滑动钻井中钻压施加与工具面控制困难的问题，提高了井眼清洁效率，改善了井壁质量，并为后续固井、完井工作打下了良好的基础。
然而，目前对于非常规油气资源的开发，特别是页岩气的开发，对钻井技术的要求不断增加，常规的旋转导向钻井技术对于非常规油气资源开采需要的大位移井、丛式水平井或三维多目标井中，大多数钻具组合的旋转导向系统中的导向系统和切割结构是相分离的，导向系统无法位于离钻头更近的位置，致使旋转导向钻井工具在曲线钻进过程中无法持续提供所需的高狗腿度，从而在曲线处钻进过程中被迫使用泥浆马达，水平段再使用旋转导向系统进行额外下钻，严重限制了旋转导向系统在曲线段和水平段的导向控制能力。因此，亟待研制一种近钻头旋转导向钻井工具。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种近钻头旋转导向钻井工具，能够实现旋转导向钻井并在曲线钻进过程中持续提供高狗腿度，具有高轨道控制精度和高造斜率。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
一种近钻头旋转导向钻井工具，包括钻铤，所述钻铤上从底端到上端依次设置有切削结构、测量单元、偏置执行单元和稳定平台；
所述偏置执行单元包括上盘阀、下盘阀和导向系统，所述导向系统位于下盘阀贴近切削结构的一侧，所述上盘阀位于下盘阀远离切削结构的一侧；
所述稳定平台包括上支撑轴承、下支撑轴承、上涡轮发电机、下涡轮发电机、控制单元和控制轴，所述控制单元密封通过控制轴安装在上涡轮发电机和下涡轮发电机之间，所述上涡轮发电机和下涡轮发电机分别与上支撑轴承和下支撑轴承相固定，所述上支撑轴承和下支撑轴承分别通过螺钉固定在钻铤内，且上支撑轴承和下支撑轴承与控制轴均转动连接，所述下涡轮发电机通过控制轴与上盘阀相连接。
优选地，所述切削结构采用脊状斧式切削齿。
基于上述技术特征，结合剪切破岩和挤压破岩的作用方式，钻头以一种全新的方式切削岩石，这种切削方式能加深钻头吃入深度，破碎更多的地层岩石。
优选地，所述测量单元包括三轴重力加速度计、磁力计陀螺仪和伽马射线盒，所述三轴重力加速度计的数量为三组，所述测量单元与切削结构紧密结合。
基于上述技术特征，测量单元与切削结构完全集成，测量单元是用于精确井定位和采集岩性变化的数据，并送入控制单元进行处理。
优选地，所述导向系统的数量为三组，三组所述导向系统沿钻铤周向环形阵列排布，所述切削结构与偏置执行单元的导向系统距离为1m。
基于上述技术特征，切削结构与导向系统的完全集成使近钻头旋转导向钻井工具在曲线段和水平段能够提供高狗腿度和最佳的转向控制。
优选地，所述导向系统包括两组弹簧、推靠片、活塞缸、活塞片、活塞柱和单向阀，所述活塞片位于活塞缸的内腔，所述推靠片位于活塞缸远离钻铤中轴线的一侧，所述推靠片通过活塞柱与活塞片相固定，所述活塞柱与活塞缸活动连接，且活塞柱位于两组弹簧之间，两组所述弹簧固定安装在活塞缸的内腔顶部与活塞片之间，所述活塞缸与推靠片采用金属对金属液压密封。
基于上述技术特征，通过弹簧的弹性复位，便于使推靠片回到原始位置。
优选地，所述活塞片贴近钻铤中轴线的一侧壁均匀开设有第一小孔，所述推靠片远离钻铤中轴线的一侧壁均匀开设有第二小孔，所述第一小孔的一端与活塞缸的内腔相通，所述第一小孔的另一端通过活塞柱的内腔与第二小孔相连通。
基于上述技术特征，活塞片与推靠片上开有很多个细微的小孔，通过活塞柱作为管道一一对应，目的是当没有工作液进来时，活塞缸内部的工作液能在弹簧弹力的作用下将工作液从小孔排出。
优选地，所述活塞缸的外壁一侧底部设置有排液通道，所述单向阀设置在排液通道上，所述排液通道与钻铤中轴线的夹角为30°。
基于上述技术特征，当弹簧的弹力和活塞缸内压强减退到一定程度，单向阀会导通，加快工作液的排出。
优选地，所述下盘阀远离上盘阀的一侧壁开设有三个工作液通孔，三个所述工作液通孔在下盘阀上呈环形阵列排布，所述工作液通孔与导向系统一一对应相连接，所述上盘阀贴近下盘阀的一侧壁开设有工作液通道，所述工作液通道呈月牙型。
基于上述技术特征，保证控制轴旋转时带动上盘阀转动，使上盘阀的工作液通道能与下盘阀的工作液通孔重叠。
优选地，所述上盘阀和下盘阀相互贴近的工作面上均设置有圆凸起，所述工作液通道位于上盘阀工作面上的圆凸起上，两组所述圆凸起相贴合，所述圆凸起采用硬质合金材料制成。
基于上述技术特征，减少上盘阀转动时两组圆凸起之间的磨损量。
优选地，所述控制单元包括系统主控板和控制电路。
基于上述技术特征，地面指令通过工作液将既定的井眼轨迹发送至系统主控板，系统主控板通过下涡轮发电机作为执行器以机械的方式对控制轴进行控制。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益效果：
第一、将切削结构与导向系统紧密结合在1m左右，可以使钻头获得更大的曲率，无需额外施加液压便能够实现更高的造斜率。
第二：能够实现旋转导向钻井工具在曲线钻进过程中持续提供所需的高狗腿度，提高轨道控制精度和钻井效率。
第三、近钻头的测量单元可以提供更精确的井定位数据，并且能更早地识别岩性变化的迹象，进而实现导向校正，有助于实时决策。
附图说明
图1为本发明的近钻头旋转导向钻井工具结构示意图；
图2为本发明的导向系统的结构示意图；
图3为本发明的上盘阀与下盘阀的结构示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：测量单元，101：三轴重力加速度计，102：磁力计陀螺仪，103：伽马射线盒，2：切削结构，3：导向系统，31：弹簧，32：推靠片，33：活塞缸，34：活塞片，35：活塞柱，36：单向阀，4：下盘阀，5：上盘阀，6：下涡轮发电机，7：控制轴，8：下支撑轴承，9：控制单元，10：上涡轮发电机，11：上支撑轴承，12：钻铤，13：螺钉。
具体实施方式
以下结合附图1-3对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种实施例：一种近钻头旋转导向钻井工具，包括钻铤12，钻铤12上从底端到上端依次设置有切削结构2、测量单元1、偏置执行单元和稳定平台(参看说明书附图图1)。
切削结构2采用脊状斧式切削齿，即脊状金刚石钻头，结合剪切破岩和挤压破岩的作用方式，钻头以一种全新的方式切削岩石，这种切削方式能加深钻头吃入深度，破碎更多的地层岩石(参看说明书附图图1)。
测量单元1包括三轴重力加速度计101、磁力计陀螺仪102和伽马射线盒103，三轴重力加速度计101的数量为三组，测量单元1与切削结构2紧密结合，测量单元1与切削结构2完全集成，测量单元1将采集到的井定位和岩性变化的数据送入控制单元9进行处理(参看说明书附图图1)。
偏置执行单元包括上盘阀5、下盘阀4和导向系统3，导向系统3位于下盘阀4贴近切削结构2的一侧，上盘阀5位于下盘阀4远离切削结构2的一侧，导向系统3的数量为三组，三组导向系统3沿钻铤12周向环形阵列排布，切削结构2与偏置执行单元的导向系统3距离为1m左右，切削结构2与导向系统3的完全集成使近钻头旋转导向钻井工具在曲线段和水平段能够提供高狗腿度和最佳的转向控制(参看说明书附图图1)。
导向系统3包括两组弹簧31、推靠片32、活塞缸33、活塞片34、活塞柱35和单向阀36，活塞片34位于活塞缸33的内腔，推靠片32位于活塞缸33远离钻铤12中轴线的一侧，推靠片32通过活塞柱35与活塞片34相固定，活塞柱35与活塞缸33活动连接，且活塞柱35位于两组弹簧31之间，两组弹簧31固定安装在活塞缸33的内腔顶部与活塞片34之间，活塞缸33与推靠片32采用金属对金属液压密封(参看说明书附图图2)。
活塞片34贴近钻铤12中轴线的一侧壁均匀开设有第一小孔，推靠片32远离钻铤12中轴线的一侧壁均匀开设有第二小孔，第一小孔的一端与活塞缸33的内腔相通，第一小孔的另一端通过活塞柱35的内腔与第二小孔相连通，活塞片34与推靠片32上开有很多个细微的小孔(第一小孔和第二小孔)，通过活塞柱35作为管道一一对应，目的是当没有工作液进来时，活塞缸33内部的工作液能在弹簧31弹力的作用下将工作液从小孔排出；活塞缸33的外壁一侧底部设置有排液通道，单向阀36设置在排液通道上，排液通道与钻铤12中轴线的夹角为30°，当弹簧31的弹力和活塞缸35内压强减退到一定程度，单向阀36会导通，便于加快工作液从排液通道的排出(参看说明书附图图2)。
下盘阀4远离上盘阀5的一侧壁开设有三个工作液通孔，且三个工作液通孔在下盘阀4上呈环形阵列排布，三个工作液通孔分别通过管路通向对应的活塞缸33，上盘阀5与控制轴7相连接，上盘阀5贴近下盘阀4的一侧壁开设有工作液通道，工作液通道呈月牙型，保证控控制轴7旋转时带动上盘阀5转动，使上盘阀5的工作液通道能与下盘阀4的工作液通孔重叠；上盘阀5和下盘阀4相互贴近的工作面上均设置有圆凸起，工作液通道位于上盘阀5工作面上的圆凸起上，两组圆凸起相贴合，圆凸起采用硬质合金材料制成，减少上盘阀转动时两组圆凸起之间的磨损量(参看说明书附图图3)。
当需要造斜时，上盘阀5的月牙型工作液通道与下盘阀4其中一个或两个工作液通孔重叠，工作液通过上盘阀5和下盘阀4进入活塞缸33推动推靠片32向外伸出，当无需造斜时，月牙型工作液通道与下盘阀4无孔部分重叠，弹簧31恢复原状，使推靠片32回到原始位置，偏置执行单元通过将工具面角调整到所需的井斜相反的位置，用于实现切削结构转向。
稳定平台包括上支撑轴承11、下支撑轴承8、上涡轮发电机10、下涡轮发电机6、控制单元9和控制轴7，控制单元9用于信息决策和校正导向，控制单元9包括系统主控板和控制电路，地面指令通过工作液将既定的井眼轨迹发送至系统主控板，系统主控板通过下涡轮发电机6作为执行器以机械的方式对控制轴7进行控制，控制单元9密封通过控制轴7安装在上涡轮发电机10和下涡轮发电机6之间，上涡轮发电机10和下涡轮发电机6分别与上支撑轴承11和下支撑轴承8相固定，上支撑轴承11和下支撑轴承8分别通过螺钉13固定在钻铤12内，且上支撑轴承11和下支撑轴承8与控制轴7均转动连接，下涡轮发电机6通过控制轴7与上盘阀5相连接，用于控制上盘阀5转动，上涡轮发电机10为测量单元1和控制单元9提供电源，沿顺时针方向旋转，下涡轮发电机6为稳定平台提供所需的扭矩，沿逆时针方向旋转，上涡轮发电机10和下涡轮发电机6的联合扭矩作用实现力矩平衡，可产生一个不受外界影响、相对稳定的平台(参阅说明书附图图1)。
工作原理：
如图1所示，当近钻头旋转导向钻井工具需要造斜时，地面指令发送装置通过工作液将既定的井眼轨迹控制指令发送至控制单元9，控制单元9通过下涡轮发电机6使控制轴7带动上盘阀5转动，使上盘阀5的工作液通道与下盘阀4某一个或两个工作液通孔相通，即将工具面角调至与既定的井斜和方向相反的位置，工作液通过上盘阀5和下盘阀4进入对应的活塞缸33中，推动活塞片34，压缩弹簧32，进而推动推靠片32作用井壁，井壁会给其反作用力使切削结构朝着既定的井眼轨迹运动；当近钻头旋转导向钻井工具不需要造斜时，地面指令发送装置通过工作液将停止造斜的指令发送至控制单元9，控制单元9通过下涡轮发电机6使控制轴7带动上盘阀5转动，使上盘阀5的工作液通道与下盘阀4的三个工作液通孔都不相通，活塞缸33内没有工作液进入，弹簧31推动活塞片34恢复到原始状态。
在导向系统3中，当有工作液进入活塞缸33中时，活塞缸33缸内压力大于缸外压力和弹簧31的弹力，使单向阀36处于关闭状态，当没有工作液进入活塞缸33时，活塞缸33内的工作液通过活塞片34和推靠片32的第一小孔和第二小孔流出，单向阀36处于通合状态，工作液经此流出。
在近钻头旋转导向工具运动过程中，工作液流经上涡轮发电机10和下涡轮发电机6为控制单元9和测量单元1提供电源，位于近钻头的测量单元1中的三个三轴重力加速计101，三个三轴磁力计，一个倾斜陀螺仪和一个伽马射线盒103会实时采集切削结构井斜角、方位角和岩石岩性变化的数据，并将数据传递给控制单元9进行决策和处理来进行导向校正。
本申请将切削结构2和导向系统3完成集成使钻头获得更大的曲率，可实现在曲线钻进过程中持续提供高狗腿度，以此现实更高的造斜；近钻头的测量单元1可以提供更精确的井定位数据，提高轨道控制精度和钻井效率。
以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种近钻头旋转导向钻井工具，包括钻铤(12)，其特征在于：所述钻铤(12)上从底端到上端依次设置有切削结构(2)、测量单元(1)、偏置执行单元和稳定平台；
所述偏置执行单元包括上盘阀(5)、下盘阀(4)和导向系统(3)，所述导向系统(3)位于下盘阀(4)贴近切削结构(2)的一侧，所述上盘阀(5)位于下盘阀(4)远离切削结构(2)的一侧；
所述稳定平台包括上支撑轴承(11)、下支撑轴承(8)、上涡轮发电机(10)、下涡轮发电机(6)、控制单元(9)和控制轴(7)，所述控制单元(9)密封通过控制轴(7)安装在上涡轮发电机(10)和下涡轮发电机(6)之间，所述上涡轮发电机(10)和下涡轮发电机(6)分别与上支撑轴承(11)和下支撑轴承(8)相固定，所述上支撑轴承(11)和下支撑轴承(8)分别通过螺钉(13)固定在钻铤(12)内，且上支撑轴承(11)和下支撑轴承(8)与控制轴(7)均转动连接，所述下涡轮发电机(6)通过控制轴(7)与上盘阀(5)相连接。
2.根据权利要求1所述一种近钻头旋转导向钻井工具，其特征在于：所述切削结构(2)采用脊状斧式切削齿。
3.根据权利要求1所述一种近钻头旋转导向钻井工具，其特征在于：所述测量单元(1)包括三轴重力加速度计(101)、磁力计陀螺仪(102)和伽马射线盒(103)，所述三轴重力加速度计(101)的数量为三组，所述测量单元(1)与切削结构(2)紧密结合。
4.根据权利要求1所述一种近钻头旋转导向钻井工具，其特征在于：所述导向系统(3)的数量为三组，三组所述导向系统(3)沿钻铤(12)周向环形阵列排布，所述切削结构(2)与偏置执行单元的导向系统(3)距离为1m。
5.根据权利要求1所述一种近钻头旋转导向钻井工具，其特征在于：所述导向系统(3)包括两组弹簧(31)、推靠片(32)、活塞缸(33)、活塞片(34)、活塞柱(35)和单向阀(36)，所述活塞片(34)位于活塞缸(33)的内腔，所述推靠片(32)位于活塞缸(33)远离钻铤(12)中轴线的一侧，所述推靠片(32)通过活塞柱(35)与活塞片(34)相固定，所述活塞柱(35)与活塞缸(33)活动连接，且活塞柱(35)位于两组弹簧(31)之间，两组所述弹簧(31)固定安装在活塞缸(33)的内腔顶部与活塞片(34)之间，所述活塞缸(33)与推靠片(32)采用金属对金属液压密封。
6.根据权利要求5所述一种近钻头旋转导向钻井工具，其特征在于：所述活塞片(34)贴近钻铤(12)中轴线的一侧壁均匀开设有第一小孔，所述推靠片(32)远离钻铤(12)中轴线的一侧壁均匀开设有第二小孔，所述第一小孔的一端与活塞缸(33)的内腔相通，所述第一小孔的另一端通过活塞柱(35)的内腔与第二小孔相连通。
7.根据权利要求5所述一种近钻头旋转导向钻井工具，其特征在于：所述活塞缸(33)的外壁一侧底部设置有排液通道，所述单向阀(36)设置在排液通道上，所述排液通道与钻铤(12)中轴线的夹角为30°。
8.根据权利要求1所述一种近钻头旋转导向钻井工具，其特征在于：所述下盘阀(4)远离上盘阀(5)的一侧壁开设有三个工作液通孔，且三个工作液通孔在下盘阀(4)上呈环形阵列排布，所述工作液通孔与导向系统(3)一一对应相连接，所述上盘阀(5)贴近下盘阀(4)的一侧壁开设有工作液通道，所述工作液通道呈月牙型。
9.根据权利要求8所述一种近钻头旋转导向钻井工具，其特征在于：所述上盘阀(5)和下盘阀(4)相互贴近的工作面上均设置有圆凸起，所述工作液通道位于上盘阀(5)工作面上的圆凸起上，两组所述圆凸起相贴合，所述圆凸起采用硬质合金材料制成。
10.根据权利要求1所述一种近钻头旋转导向钻井工具，其特征在于：所述控制单元(9)包括系统主控板和控制电路。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115142788A (zh) * | 2022-07-04 | 2022-10-04 | 西安石油大学 | 一种基于涡轮发电机驱动的自动垂直钻井装置 |
| CN115628010A (zh) * | 2022-12-21 | 2023-01-20 | 中海油田服务股份有限公司 | 一种旋转导向工具和应用其的钻井工具 |
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2021
- 2021-12-03 CN CN202111469469.6A patent/CN114352199A/zh active Pending
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