CN115324496A

CN115324496A - 液压推靠控制定向钻井工具

Info

Publication number: CN115324496A
Application number: CN202211012379.9A
Authority: CN
Inventors: 田家林; 何波; 郭林鹏; 任堰牛; 杨琳; 邢春雨; 李俊; 查磊; 张哲�; 魏鈺
Original assignee: Sichuan Huming Technology Co ltd; Southwest Petroleum University
Current assignee: Sichuan Huming Technology Co ltd; Southwest Petroleum University
Priority date: 2022-08-23
Filing date: 2022-08-23
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2042-08-23
Also published as: CN115324496B

Abstract

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及液压推靠控制定向钻井工具。具体的技术方案为：液压推靠控制定向钻井工具上接头连接上部钻具，下接头连接钻头；通过芯轴来传递钻杆的扭矩与钻压，非旋转外壳通过TC轴承组件和串轴承套在芯轴上，从而实现外壳相对于井壁静止；下压外壳套住芯轴上，上提或下放可以实现启动液压缸，使其启动活塞轴向移动；通过开泵，停泵使钻杆内存在钻井液压力变化，通过压力传感器可以接收此信号，传递到液压控制系统，进而控制电磁阀的进出流量，滞留在推靠液缸内的液压油流量增加或者减少，从而实现推动推块的伸缩。本发明以机械机构为主，辅以简单的指令控制，结构简单、性能可靠，性价比高。

Description

液压推靠控制定向钻井工具

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及液压推靠控制定向钻井工具。

背景技术

近年来，随着经济的发展，全球对于油气资源的需求也在增长。全球浅层油气资源的储量已经不能满足全球市场的需要，使得钻井技术向深井、超深井方向发展。经过多年的飞速发展，旋转导向钻井技术无论在地面控制、信号传输与测量、井下控制和旋转导向工具方面均取得了显著的成就。随着深井、超深井、特殊工艺井、高温高压井等复杂结构的井的数量和比例的逐渐增多，旋转导向钻井技术必须在技术上不断创新，便于更好的适应日益复杂的钻井环境。目前国内外的旋转导向系统性能先进，结构复杂，可靠性偏低，使用成本高，因此，急需要设计一种结构简单，造价低，使用可靠而便宜的低成本旋转导向工具，大幅度地降低页岩气、致密砂岩气的钻井成本，使页岩气等更具有开发的价值。

因此，如何实现结构简单、性能可靠，性价比高的低成本旋转导向工具是本领域需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是能够实现旋转导向的基本功能，同时去掉旋转导向工具许多复杂的结构，以机械机构为主，辅以简单的指令控制，实现结构简单、性能可靠，性价比高的低成本液压推靠控制定向钻井工具。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种液压推靠控制定向钻井工具，所述液压式推靠定向旋转导向钻井工具上接头连接上部钻具，下接头连接钻头;通过芯轴来传递钻杆的扭矩与钻压，非旋转外壳通过TC轴承组件和串轴承套在芯轴上，从而实现外壳相对于井壁静止；所述液压式推靠定向旋转导向钻井工具包括液压控制系统、外壳施压总成、液压推靠机构、定向耦合机构、TC轴承以及串轴承等；

所述液压控制系统包括电源，由阀体、阀芯挡板、阀芯弹簧、阀芯和球体组成的单流凡尔和回流单流凡尔，由节流阀、控制弹簧和节流阀阀芯组成的电磁控制阀；单流凡尔通过管道3、管道5分别连接到高压液缸和外壳施压总成，回流单流凡尔通过管道1、管道5分别连接到电磁控制阀和外壳施压总成；

所述外壳施压总成包括母体、弹簧、柱塞通道、柱塞、中心轴、限位块、静止外套、柱塞螺帽；限位螺栓安装在静止外套的限位孔中，起到限制柱塞轴向运动的距离的作用；

所述液压推靠机构包括母体、盖板、推块、压盖背冒、推块柱塞、弹簧；在液压油的作用下推块柱塞会推动推块伸出，在弹簧的作用下，会使得推块柱塞和推块复位；

所述定向耦合机构包括柱塞通道和安装在其中的弹簧、限位螺帽和柱塞，中心轴和固定连接在上面的限位块，静止外套和安装其限位孔的限位螺栓；柱塞在弹簧和液压的作用下始终与静止外套紧密接触，并可以推动静止外套沿轴向方向产生位移，位移的距离由限位块和安装在静止外套限位孔中的限位螺栓之间的耦合关系决定，当限位块与限位螺栓耦合接触时，静止外套位移达到最大值。

优选的，所述母体外部均布三个液压推靠装置，在液压油和弹簧的作用下，可以实现推块柱塞和推动推块的推出与复位；均布的三个液压推靠装置分别由三个电磁控制阀控制每处的液压控制总成及执行结构单独工作，互不干扰；通过下达的不同指令可以控制相应的液压控制总成，进而控制其执行机构，换言之，当需要进行不同的钻井作业时，对其下达对应的控制指令。

优选的，所述限位块与中心轴固定连接，限位块与静止外套为间隙配合；限位块、中心轴和静止外套均可沿轴向方向移动，限位块的移动距离由静止外套上的限位螺栓决定，静止外套的移动距离由柱塞决定。

优选的，所述柱塞通道一端端面均布圆形台阶深孔，柱塞通道与柱塞螺帽为过盈配合，柱塞通道与柱塞为间隙配合；柱塞在液压油的压力作用下，向上伸出的同时带动静止外套沿轴向移动，在弹簧的作用下复位。

优选的，所述母体分别与柱塞通道和下TC静套连接，母体一端的端面为台阶孔，与轴承和下TC静套为间隙配合；一端为异形花键，与液压推靠机构和柱塞通道相连接。

优选的，所述单流凡尔和回流单流凡尔由阀体、阀芯挡板、阀芯弹簧、阀芯和球体组成；单流凡尔两端分别连接液压缸和外壳施压总成，回流单流凡尔两端分别连接电磁控制阀和外壳施压总成，单流凡尔和回流单流凡尔形成液压回路闭环。

优选的，所述推块与推块柱塞上部球头配合处为圆弧凹槽，以保证配合工作时提供稳定可靠的推力；在母体上安装有盖板，通过螺栓连接，可保证推块连接的可靠性。

优选的，所述阀体内部安装阀芯挡板、阀芯弹簧、阀芯和球体；阀芯、节流阀阀芯与球体配合处均为球形凹槽，可以有效传递推力。阀芯与阀体配合处均倒斜角，形成楔形配合，有效提高装置密闭性和可靠性。

本发明具有以下有益效果：本发明为液压式推靠定向旋转导向钻井工具，是一种结构简单，造价低，使用可靠而便宜的低成本旋转导向工具，能够大幅度地降低页岩气、致密砂岩气的钻井成本，使页岩气等更具有开发的价值。在结构的的设计上，去掉了旋转导向工具许多先进的结构和性能，采用的方案是以机械机构为主，辅以简单的指令控制，实现结构简单、性能可靠，性价比高的低成本旋转导向工具。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案提供的的液压式推靠定向旋转导向钻井工具示意图；

图2是液压系统实施方案的示意图；

图3是外壳施压总成实施方案示意图；

图4是液压推靠机构实施方案示意图；

图5是图1的E-E剖面视图；

图6是图1的F-F剖面视图；

图7是液压系统实施方案指令示意图。

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。

在附图中各附图标记的含义如下：2、下接头，3、花键套，4、中心轴，5、下隔套，6、下静套，7、TC垫圈，8、TC动套，9、外套，10、上接头，11、母体，12、限位块，13、柱塞通道，14、柱塞螺帽，15、弹簧，16下限位块，17、上背冒，18、柱塞，19、压盖背冒，20推块柱塞，21、弹簧，22、限位螺栓，24、阀体，29、高压缸，33、电源，37、管道4，38、管道5,39、盖板，41、推块，42、推块盖板，44、轴承，45、滚珠，50、串轴承，102、阀芯挡板，103、阀芯弹簧，104、阀芯，105、球体，106、管道1,107、节流阀，108、管道2，109、控制弹簧，110、节流阀阀芯，113、管道3，167、封装。

图7各指令对应响应如下：

A：控制a、b、c液缸的电磁阀开关打开；

B：控制a液缸的电磁阀开关关闭；

C：控制b、c液缸的电磁阀开关关闭；

D; 控制b液缸的电磁阀开关关闭；

E：控制a、c液缸的电磁阀开关关闭；

F：控制c液缸的电磁阀开关关闭；

G：控制a、b液缸的电磁阀开关关闭。

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显示了根据本发明的一个实施方式提供的液压式推靠定向旋转导向钻井工具。值得说明的是，所述液压式推靠定向旋转导向钻井工具可用于多种需要导向钻井情况。下面以应用于石油钻井为例进行详述。

如图1所示，本实施方式的液压式推靠定向旋转导向钻井工具上接头10连接上部钻具，下接头2连接钻头，通过芯轴4来传递钻杆的扭矩与钻压，非旋转外壳9通过TC轴承组件44和串轴承50套在芯轴上，从而实现非旋转外壳9相对于井壁静止。下压非旋转外壳9套在芯轴上，上提或下放可以实现启动液压缸29，使其启动活塞18轴向移动。

在使用时，当到达预定地层，需要导向钻进时，通过开泵，停泵使钻杆内存在钻井液压力变化，通过压力传感器可以接收此信号，传递到液压控制系统，进而控制电磁阀的进出流量，滞留在推靠液缸29内的液压油流量增加或者减少，从而实现推动推块41的伸缩。

工具的工作状态可分为:下钻，循环，归零回位，定向，导向钻进，稳斜钻进，循环划眼及复杂情况，起钻。下钻时液压缸29压力为零，三个液压缸29的电磁阀均处于开的位置,三个推块41处于回位状态，压力传感器55测到的是所在位置的泥浆液柱压力Px。

起钻控制:当压力传感器55测到停泵时间超过5min, 控制三个液缸29的电磁阀均处于开的位置。起下钻中途因井下情况需要开泵循环划眼或处理井下复杂情况是，压力传感器55没有接收到任何控制指令，工具处于起下钻状态。

以a为工作面为例:正常下钻到底后,先开泵循环，然后在单位时间T内3次降低循环泵压(执行下传指令C)，压力传感器55接受到该指令后，控制b、c液缸29的电磁阀开关关闭，然后下放钻具加压到设计值，使液压缸29b、c的液压值达到要求。上提钻具1-3m, 然后旋转钻具几圈，让定向耦合器耦合，停止转动，继续循环，利用MWD测取工具面(液缸a的方向)，然后转动钻具进行定向。定向结束后，停止转动钻具，下放钻具2-3m,然后转动钻具加压进行旋转导向钻进。接单根停泵时间不超过5min, 工具不会改变工作模式。待接完单根及时开泵，下放钻具接近井底，再上提钻具2-3m转动几圈,测量定向，重复定向操作(如果接单根等原因造成停泵时间超过5min,则需要下传指令C做归零回位)。当井眼轨迹控制需要稳斜钻进时，在单位时间T内2次降低循环泵压(执行下传指令B),压力传感器55接收到该指令后，控制a液缸29的电磁阀开关关闭，此时三个液缸29的电磁阀开关均处于关的位置，然后下放钻具加压，恢复三个液缸的压力值，此时三个推块41均处于打开支撑的状态，然后转动钻具进行稳斜钻进。在工具钻进至水平段时，不需要工具造斜，则收回所有推块41，则在单位时间T内1次降低循环泵压(执行下传指令A)，压力传感器55接受到该指令后，此时控制a、b、c三个液缸29的电磁阀打开，工具处于归零状态。若b或c为工作面，原理同上。

需要施压时:上提芯轴4，限位块12随芯轴4上移而向上移动，启动液缸29失去下压压力，回位弹簧15在压缩工况下恢复原状，推动启动活塞18向上运动，运动到所限定的距离时，限位块12与下压外壳上的限位螺钉22相接触，此时芯轴4停止上提。

下放芯轴4，限位块135随之向下移动一段距离后与下压外壳9接触，继续下放芯轴4，在钻杆的压力作用下，通过限位块135将钻压传递给下压外壳9，再传递到启动液缸29上，下压启动活塞133，激活液压控制系统。控制总成接收到指令后，会做出相应的动作来控制电磁阀通过的液压油流量。当上述的外壳施压总成激活液压系统后,启动活塞18下压复位弹簧15，将液压缸29内的液压油压出，通过输油管线进入单向阀再流入高压液缸29内，再通过输油管线进入液压推靠系统，然后液压油通过回油管线进入电磁控制阀，再通过管线进入单向阀，最后经回油管线再流入液压缸29内。在此过程中，通过下传指令控制电磁控制阀通过的液压油流量，可以控制推块41的伸出或者缩回，以及推靠力的大小。在非旋转外壳9上，沿圆周方向均匀设置了三处液压控制总成，分别控制三处执行结构。每处的液压控制总成及执行结构单独工作，互不干扰。通过下达的不同指令可以控制相应的液压控制总成，进而控制其执行机构，换言之，当需要钻井进行不同的作业时，则需对其下达不同的控制指令。此时推靠液缸29内，在油压的作用下，推靠液缸29开始工作，向上推出推靠活塞20，压缩推靠液缸29内的回位弹簧21,推靠活塞20上部为球头，与推块41对应位置处的球槽相配合，可以提供稳定可靠的推力，在非旋转外壳9上设置有推块挡板42，防止推块41掉出。当需要推块41收回时，下达指令，控制电磁控制阀流通流量打开,此时执行机构不受到液压油的油压作用，在回位弹簧21的恢复力作用下，推靠液缸29恢复常态，推块41缩回。

Claims

1.液压推靠控制定向钻井工具，其特征在于：液压推靠控制定向钻井工具上接头连接上部钻具，下接头连接钻头；通过芯轴来传递钻杆的扭矩与钻压，非旋转外壳通过TC轴承组件和串轴承套在芯轴上，从而实现外壳相对于井壁静止；液压推靠控制定向钻井工具包括液压控制系统、外壳施压总成、液压推靠机构、定向耦合机构、TC轴承（44）以及串轴承（50）；

所述液压控制系统包括电源（33），由阀体（24）、阀芯挡板（102）、阀芯弹簧（103）、阀芯（104）和球体（105）组成的单流凡尔和回流单流凡尔，由节流阀（107）、控制弹簧（109）和节流阀阀芯(110)组成的电磁控制阀；单流凡尔通过管道3（113）、管道5（100）分别连接到高压液缸（29）和外壳施压总成，回流单流凡尔通过管道1（106）、管道5（100）分别连接到电磁控制阀和外壳施压总成；

所述外壳施压总成包括母体（11）、弹簧（15）、柱塞通道（13）、柱塞（18）、中心轴（4）、限位块（12）、静止外套（9）、柱塞螺帽（14）；限位螺栓（22）安装在静止外套（9）的限位孔中，起到限制柱塞轴向运动的距离的作用；

所述液压推靠机构包括母体（11）、盖板（42）、推块（41）、压盖背冒（19）、推块柱塞（20）、弹簧（21）；在液压油的作用下推块柱塞（20）会推动推块（41）伸出，在弹簧（21）的作用下，会使得推块柱塞（20）和推块（41）复位；

所述定向耦合机构包括柱塞通道（13）和安装在其中的弹簧（15）、限位螺帽（14）和柱塞（18），中心轴（4）和固定连接在上面的限位块（12），静止外套（9）和安装其限位孔的限位螺栓（22）；柱塞（18）在弹簧（15）和液压的作用下始终与静止外套（9）紧密接触，并可以推动静止外套（9）沿轴向方向产生位移，位移的距离由限位块（12）和安装在静止外套（9）限位孔中的限位螺栓（22）之间的耦合关系决定，当限位块（12）与限位螺栓（22）耦合接触时，静止外套（9）位移达到最大值。

2.根据权利要求1所述的液压推靠控制定向钻井工具，其特征在于：

所述母体（11）外部均布三个液压推靠装置，在液压油和弹簧（21）的作用下，可以实现推块柱塞（20）和推动推块（41）的推出与复位；均布的三个液压推靠装置分别由三个电磁控制阀控制每处的液压控制总成及执行结构单独工作，互不干扰；通过下达的不同指令可以控制相应的液压控制总成，进而控制其执行机构，换言之，当需要进行不同的钻井作业时，对其下达对应的控制指令。

3.根据权利要求1所述的液压推靠控制定向钻井工具，其特征在于：

所述限位块（12）与中心轴（4）固定连接，限位块（12）与静止外套（9）为间隙配合；限位块（12）、中心轴（4）和静止外套（9）均可沿轴向方向移动，限位块（12）的移动距离由静止外套（9）上的限位螺栓（22）决定，静止外套（9）的移动距离由柱塞（18）决定。

4.根据权利要求1所述的液压推靠控制定向钻井工具，其特征在于：所述柱塞通道（13）一端端面均布圆形台阶深孔，柱塞通道（13）与柱塞螺帽（14）为过盈配合，柱塞通道（13）与柱塞（18）为间隙配合；柱塞（18）在液压油的作用下，向上伸出的同时带动静止外套（9）沿轴向移动，在弹簧（15）的作用下复位。

5.根据权利要求1所述的液压推靠控制定向钻井工具，其特征在于：所述母体（11）分别与柱塞通道（13）和下TC静套（6）连接，母体（11）一端的端面为台阶孔，与轴承（44）和下TC静套（6）为间隙配合；一端为异形花键，与液压推靠机构和柱塞通道（13）相连接。

6.根据权利要求1所述的液压推靠控制定向钻井工具，其特征在于：所述单流凡尔和回流单流凡尔由阀体（24）、阀芯挡板（102）、阀芯弹簧（103）、阀芯（104）和球体（105）组成；单流凡尔两端分别连接液压缸（29）和外壳施压总成，回流单流凡尔两端分别连接电磁控制阀和外壳施压总成，单流凡尔和回流单流凡尔形成液压回路闭环。

7.根据权利要求2所述的液压推靠控制定向钻井工具，其特征在于：所述推块（41）与推块柱塞（20）上部球头配合处为圆弧凹槽，以保证配合工作时提供稳定可靠的推力；在母体（11）上安装有盖板（42），通过螺栓连接，可保证推块（41）连接的可靠性。

8.根据权利要求2所述的液压推靠控制定向钻井工具，其特征在于：所述阀体（24）内部安装阀芯挡板（102）、阀芯弹簧（103）、阀芯（104）和球体（105）；阀芯（104）、节流阀阀芯（110）与球体（105）配合处均为球形凹槽，可以有效传递推力，阀芯（104）与阀体（101）配合处均倒斜角，形成楔形配合，有效提高装置密闭性和可靠性。