CN115387729B - 定向钻进钻柱旋转控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定向钻进钻柱旋转控制器，包括：反扭矩平衡模块，TC轴承挡圈，上TC轴承，上部推力球轴承，上哈佛环，中间密封挡圈，上芯轴，上外壳，旋转控制筒，上部弹簧，花键外壳，花键套，花键芯轴，下外壳，弹簧推套，下部弹簧，浮动活塞，下芯轴，闷头，下部推力球轴承，下哈佛环，下TC轴承，转换接头，防掉接头，下接头，控制销钉。花键套在旋转控制筒的作用下可实现花键芯轴与花键外壳的“啮合”与“脱离”，进一步控制定向钻进钻柱旋转控制器的复合钻进状态与滑动钻进状态的转换；所述花键芯轴、花键外壳与花键套“啮合”时，反扭矩平衡模块不承受反扭矩；所述花键芯轴、花键外壳与花键套“脱离”时，由反扭矩平衡模块中的滚柱外壳承受反扭矩。

Description

定向钻进钻柱旋转控制器

技术领域

本发明涉及一种用于钻探工程领域定向钻进钻柱旋转控制器，其主要应用领域包括石油天然气钻井工程、地质勘探、地热与新型油气资源开采等。

背景技术

定向钻井技术分为定向滑动钻进与旋转导向钻进。定向滑动钻进时，钻柱基本静止在井壁上，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。这种钻井方式存在的问题是钻头在破岩过程中会产生反扭矩，且该反扭矩通过钻头传递到动力马达和钻柱上，引起钻具反向旋转，导致工具面控制不稳，从而影响钻进的连续性和速度，浪费大量人力和时间。且滑动定向钻进，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。旋转导向钻进，其钻井效率大幅提高，但制造、使用、维护成本太高，如遇卡钻，被埋风险高，经济损失大。

因此综合弯螺杆定向的低成本以及旋转导向RSS高效率的特点，定向钻进钻柱旋转控制器对比现有定向技术，可以大幅度减小井壁摩阻，提高有效钻压、机械钻速与钻井效率。

定向钻进钻柱旋转控制器能实现滑动钻进，以及定向钻进时钻柱旋转钻进，BHA滑动钻进、破岩过程中反扭矩的控制。定向钻进钻柱旋转控制器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定向滑动钻进时钻井效率和钻井转速低，反扭矩不易控制，与旋转钻进成本高、遇卡钻被埋风险高等问题，本发明提供了一种定向钻进钻柱旋转控制器。本发明可以减小钻进时钻压波动，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定向钻进钻柱旋转控制器的运动状态转换实现复合钻进和滑动钻进，且钻进时能实现反扭矩的稳定控制。

本发明的技术方案是：定向钻进钻柱旋转控制器，其具有控制定向钻井工具实现复合钻进状态与滑动钻进状态相互转换的花键组模块，以及控制破岩过程中地层对钻头的反扭矩影响定向钻进钻柱旋转控制器正常工作的反扭矩平衡模块。

在上述本发明的定向钻进钻柱旋转控制器中，所述反扭矩平衡模块由上接头、耐磨环、滚柱外壳、滚柱、滚柱弹簧、弹簧底座、外壳接头组成，该模块下接上部轴承模块、控制筒模块。

在上述本发明的定向钻进钻柱旋转控制器中，所述控制筒模块由旋转控制筒、上部弹簧、控制销钉组成，是定向钻进钻柱旋转控制器的关键组件；当钻井液通过上芯轴分流孔进入定向钻进钻柱旋转控制器内部空腔时，旋转控制筒上端面承压，通过调节钻井液压力，可实现上部弹簧的压缩与复位，通过控制销钉限制旋转控制筒的运动和位置。

在上述本发明的定向钻进钻柱旋转控制器中，所述花键组模块由花键芯轴、花键外壳、花键套组成，花键套具有内花键与外花键，花键芯轴具有外花键，花键外壳具有内花键，花键套的内花键用于与花键芯轴啮合，花键套的外花键用于与花键外壳啮合。所述花键芯轴上接上芯轴、下接下芯轴，且均通过螺纹连接紧固。所述花键组模块上接控制筒模块，上芯轴上接上接头，上接头上接上部钻柱，上部钻柱的驱动扭矩通过上接头传递到上芯轴，上芯轴带动花键芯轴同步转动、花键芯轴带动下芯轴同步转动，其中控制筒模块中的控制销钉在泵压作用下移动，控制在旋转控制筒滑道中位置的变化，控制销钉在旋转控制筒滑道中位置的变化使得花键套位置的变化，从而控制花键套与花键芯轴、花键外壳的啮合，以实现定向钻进钻柱旋转控制器的复合钻进。

在上述本发明的定向钻进钻柱旋转控制器中，所述上芯轴外接由TC轴承挡圈、上TC轴承、上部推力球轴承、上限位环、中间密封挡圈组成的上部轴承模块，下芯轴外接由下部推力球轴承、下限位环、下TC轴承组成的下部轴承模块；上下轴承模块可以将定向钻进钻柱旋转控制器外壳和芯轴之间的转动隔开，实现外壳和芯轴的独立旋转。

在上述本发明的定向钻进钻柱旋转控制器中，花键组模块下接由下外壳、弹簧推套、下部弹簧组成的下部弹簧模块，下部弹簧模块内接浮动活塞、闷头；下部弹簧模块用于定向钻进钻柱旋转控制器由复合钻进状态转换为滑动钻进状态过程中辅助控制筒模块中的上部弹簧共同让花键套复位，使得花键套与花键芯轴、花键外壳脱开啮合。

在上述本发明的定向钻进钻柱旋转控制器中，花键组模块处于啮合状态，即定向钻进钻柱旋转控制器处于复合钻进状态时，定向钻进钻柱旋转控制器无需平衡反扭矩，即反扭矩平衡模块不起作用；花键组模块处于脱离状态，即定向钻进钻柱旋转控制器处于滑动钻进状态时，定向钻进钻柱旋转控制器需要平衡反扭矩，主要通过反扭矩平衡模块的滚柱外壳承受反扭矩。

本发明的有益效果是：(1)定向钻进钻柱旋转控制器依靠改变泵压的方式实现钻进状态的转换，可以实现在钻杆连续旋转时完成BHA定向滑动钻进，减少卡钻风险，利于井眼清洁；(2)定向时，实现BHA复合钻进和滑动钻进的高效转换，(3)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；(4)泵压变换过程中使用的钻井液介质，利用方便。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是旋转控制筒的滑道结构示意图；

图5是旋转控制筒的滑道结构展开示意图；

图6是反扭矩平衡模块工作示意图。

图中1.上接头，2.耐磨环，3.滚柱外壳，4.外壳接头，5.TC轴承挡圈，6.上TC轴承，7.上部推力球轴承，8.上限位环，9.中间密封挡圈，10.上芯轴，11.上外壳，12.旋转控制筒，13.上部弹簧，14.花键外壳，15.花键套，16.花键芯轴，17.下外壳，18.弹簧推套，19.下部弹簧，20.浮动活塞，21.下芯轴，22.闷头，23.下部推力球轴承，24.下限位环，25.下TC轴承，26.转换接头，27.防掉接头，28.下接头，29.滚柱，30.滚柱弹簧，31.弹簧底座，32.控制销钉。

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、附图2、附图3，定向钻进钻柱旋转控制器，其组装顺序为：将上部弹簧13与旋转控制筒12组装在一起，再一起安装到上外壳11中，预压上部弹簧13安装控制销钉32，组成上外壳组件，旋转控制筒12、上部弹簧13、控制销钉32组成控制筒模块；将TC轴承挡圈5、中间密封挡圈9、上部推力球轴承7、上限位环8、上部推力球轴承7、上TC轴承6内圈依次安装到上芯轴10，TC轴承挡圈5、中间密封挡圈9、上部推力球轴承7、上限位环8、上部推力球轴承7、上TC轴承6组成上部轴承模块；将上外壳组件组装到上芯轴10，并安装上TC轴承6外圈；将耐磨环2安装到上接头1，组装滚柱弹簧30与弹簧底座31，然后安装到滚柱外壳3，再一起安装到上接头1，然后安装滚柱29；将外壳接头4与上外壳11安装到一起，并使上接头1与上外壳11之间的螺纹连接紧固；上接头1、耐磨环2、滚柱外壳3、滚柱29、滚柱弹簧30、弹簧底座31、外壳接头4共同组成反扭矩平衡模块；将组装好的反扭矩平衡模块组装到上芯轴10，以夹持滚珠外壳3，配合外壳接头4夹持上接头1；将花键套15组装到花键芯轴16，再将花键芯轴16组装到上芯轴10，并紧固上芯轴10与花键芯轴16之间的螺纹连接；将花键套15往上推，将花键外壳14与上外壳11通过螺纹连接组装在一起、并紧固，花键外壳14、花键套15、花键芯轴16组成花键组模块；将弹簧推套18与下部弹簧19组装到花键芯轴16上，再组装下外壳17，并紧固花键外壳14与下外壳17之间的螺纹连接，下外壳17、弹簧推套18、下部弹簧19组成下部弹簧模块；将浮动活塞20组装到下外壳17中，再将闷头22组装到下外壳17中，并紧固；将下部推力球轴承23、下限位环24、下TC轴承25依次组装到下芯轴21，下部推力球轴承23、下限位环24、下TC轴承25组成下部轴承模块；将转换接头26与防掉接头27组装在一起，然后将下芯轴21与防掉接头27通过螺纹连接组装在一起；将组装好的下芯轴21与花键芯轴16组装在一起，最后接入下接头28。

定向钻进钻柱旋转控制器，工作过程为：将工具接入钻柱系统，检查工具动作状态无误后，下入工具，到达井底后，启动泥浆泵，加压到工具初始要求工作压力阈值，钻井液压力推动旋转控制筒12沿轴向下移，旋转控制筒12圆周上的滑槽与控制销钉32配合，推动花键组模块啮合，上部钻柱将扭矩和转速通过花键组模块传递到上外壳11、下外壳17和下接头28，驱动井底钻具组合（BHA）一起旋转，实现复合钻进。需要定向钻进时，减小泵压，旋转控制筒12和花键组模块在上部弹簧13、下部弹簧19的作用下沿轴向向上移动，花键组模块脱离啮合，然后再次增加泵压，可将花键组模块锁定在“脱离”啮合状态，上部钻柱和井底钻具组合（BHA）独立旋转，实现上部钻柱旋转钻进，井底钻具组合（BHA）定向滑动钻进。重复上述过程，从而实现花键组模块“啮合”与“脱离”状态的切换。

旋转控制筒12为实现“啮合”与“脱离”状态切换的关键零部件，旋转控制筒12的滑道设计参见附图4，将旋转控制筒12的滑道展开，如附图5所示，滑道与控制销钉32有4个不同顶点的状态位置，分别为“位置A”、“位置B”、“位置C”、“位置D”，其余顶点位置为该四个点的周期性重复位置。

参见附图5，对定向钻进钻柱旋转控制器工作过程进一步说明。定向钻进钻柱旋转控制器下入井下，增加泵压，旋转控制筒12下行，控制销钉32位于旋转控制筒12滑槽的顶端，即“位置A”。此时，下行的旋转控制筒12推动花键套15下行，将花键套15的内外花键与花键芯轴16和花键外壳14啮合，实现定向钻进钻柱旋转控制器“啮合”状态。泵压稳定或者小幅波动，定向钻进钻柱旋转控制器保持处于“啮合”的稳定状态，实现稳定的复合钻进。如需从复合钻进切换至滑动钻进，减小泵压，在上部弹簧13、下部弹簧19的作用下，花键套15和旋转控制筒12上行，控制销钉32从“位置A”到“位置B”，花键套15内外花键被推离出“啮合”状态，此时，定向钻进钻柱旋转控制器处于“脱离”的状态，但“位置B”是不稳定的“脱离”的状态。然后增大泵压，控制销钉32在滑道的“位置C”，此时定向钻进钻柱旋转控制器处于稳定的“啮合”状态，即使泵压有波动，也能保持旋转控制筒12滑槽与控制销钉32位置的相对稳定。从滑动钻进切换至复合钻进，减小泵压，在上部弹簧13、下部弹簧19的作用下，花键套15和旋转控制筒12上行，控制销钉32与旋转控制筒12的位置关系为从“位置C”到“位置D”，此时，钻井稳定控制器处于不稳定的“脱离”状态。然后增加泵压，推动旋转控制筒12下行，控制销钉32与旋转控制筒12的位置关系为从“位置D”到“位置A”，钻井稳定控制器处于稳定的“啮合”状态。

定向钻进钻柱旋转控制器会受到来自钻头破岩过程中地层传递给钻井工具的反扭矩，其中，复合钻进时，由于定向钻进钻柱旋转控制器花键组模块处于“啮合”状态，地层反作用扭矩通过上部钻柱平衡；滑动钻进时，由于花键组模块处于“脱离”状态，地层反作用扭矩则需要定向钻进钻柱旋转控制器平衡。

参见附图6，所述定向钻进钻柱旋转控制器的反扭矩平衡模块工作过程如下：

①初始状态，定向钻进钻柱旋转控制器花键组模块合上，稳控芯轴和外壳同步转动，扭矩相等。

②定向钻进钻柱旋转控制器花键组模块“分离”，滚柱外壳3不承受反扭矩，稳控芯轴转动，外壳不转动。

③定向钻进钻柱旋转控制器花键组模块“分离”，滚柱外壳3承受反扭矩，稳控芯轴转动，外壳有反向转动趋势，但无法反转，芯轴驱动扭矩部分用于抵消反扭矩。

④定向钻进钻柱旋转控制器花键组模块“分离”，滚柱外壳3承受反扭矩，芯轴驱动扭矩部分用于抵消反扭矩，同时，芯轴驱动扭矩大于反扭矩，芯轴挤压滚柱29。

⑤定向钻进钻柱旋转控制器花键组模块“分离”，滚柱外壳3不承受反扭矩，滚柱29被芯轴挤出，稳控芯轴转动，外壳不转动。

⑥定向钻进钻柱旋转控制器花键组模块复位合上，稳控芯轴和外壳同步转动，扭矩相等。

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 (6)

1.定向钻进钻柱旋转控制器，其特征在于：包括上接头（1），耐磨环（2），滚柱外壳（3），外壳接头（4），TC轴承挡圈（5），上TC轴承（6），上部推力球轴承（7），上限位环（8），中间密封挡圈（9），上芯轴（10），上外壳（11），旋转控制筒（12），上部弹簧（13），花键外壳（14），花键套（15），花键芯轴（16），下外壳（17），弹簧推套（18），下部弹簧（19），浮动活塞（20），下芯轴（21），闷头（22），下部推力球轴承（23），下限位环（24），下TC轴承（25），转换接头（26），防掉接头（27），下接头（28），滚柱（29），滚柱弹簧（30），弹簧底座（31），控制销钉（32）；上接头（1）、耐磨环（2）、滚柱外壳（3）、滚柱（29）、滚柱弹簧（30）、弹簧底座（31）、外壳接头（4）共同组成反扭矩平衡模块；TC轴承挡圈（5）、上TC轴承（6）、上部推力球轴承（7）、上限位环（8）、中间密封挡圈（9）组成上部轴承模块，下部推力球轴承（23）、下限位环（24）、下TC轴承（25）组成下部轴承模块；旋转控制筒（12）、上部弹簧（13）、控制销钉（32）组成控制筒模块，控制筒模块与上外壳（11）组装成上外壳组件；花键外壳（14）、花键套（15）、花键芯轴（16）组成花键组模块；下外壳（17）、弹簧推套（18）、下部弹簧（19）组成下部弹簧模块；定向钻进钻柱旋转控制器各模块的组装关系为反扭矩平衡模块下接上部轴承模块，上部轴承模块下接控制筒模块，上外壳（11）内接上部轴承模块、控制筒模块、上芯轴（10），上芯轴（10）外接上部轴承模块、控制筒模块，控制筒模块下接花键组模块，花键组模块下接下部弹簧模块、上接上外壳（11），下部弹簧模块内接浮动活塞（20）、闷头（22）、下芯轴（21）、下部轴承模块，下芯轴（21）外接浮动活塞（20）、闷头（22）、下部轴承模块，下部轴承模块下接转换接头（26），转换接头（26）下接防掉接头（27），防掉接头（27）下接下接头（28）；所述花键组模块中，花键芯轴（16）可将上部驱动的扭矩传递到花键套（15），花键套将扭矩传递给花键外壳（14），花键套（15）在旋转控制筒（12）的作用下可实现花键芯轴（16）与花键外壳（14）的“啮合”与“脱离”，从而起到传递或隔断上部驱动扭矩的作用，进一步控制定向钻进钻柱旋转控制器的复合钻进状态与滑动钻进状态的转换；所述花键芯轴（16）、花键外壳（14）与花键套（15）“啮合”时，定向钻进钻柱旋转控制器复合钻进，反扭矩平衡模块不承受反扭矩；所述花键芯轴（16）、花键外壳（14）与花键套（15）“脱离”时，定向钻进钻柱旋转控制器滑动钻进，反扭矩平衡模块承受反扭矩。

2.根据权利要求1所述的定向钻进钻柱旋转控制器，其特征在于：所述的反扭矩平衡模块中的滚柱（29）、滚柱弹簧（30）、弹簧底座（31）组成平衡模块，且在滚柱外壳（3）内呈120°均布，滚柱外壳（3）在破岩过程中起承受反扭矩的作用。

3.根据权利要求1所述的定向钻进钻柱旋转控制器，其特征在于：所述的上部轴承模块与下部轴承模块可以将定向钻进钻柱旋转控制器的外壳与芯轴之间的转动隔开，实现外壳与芯轴的独立旋转。

4.根据权利要求1所述的定向钻进钻柱旋转控制器，其特征在于：所述控制筒模块，旋转控制筒（12）上端面可承压，其运动与位置通过控制销钉（32）限制。

5.根据权利要求1所述的定向钻进钻柱旋转控制器，其特征在于：所述花键组模块中，花键套（15）具有内花键与外花键，花键芯轴（16）具有外花键，花键外壳（14）具有内花键，花键套（15）的内花键用于与花键芯轴（16）啮合，花键套（15）的外花键用于与花键外壳（14）啮合。

6.根据权利要求1所述的定向钻进钻柱旋转控制器，其特征在于：所述下部弹簧模块与控制筒模块内的上部弹簧（13）共同作用，组成定向钻进钻柱旋转控制器的弹簧系统，下部弹簧模块的作用是起辅助复位的功能。