CN115387731A - 一种泥浆驱动导向钻井系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泥浆驱动导向钻井系统,涉及石油与天然气钻井领域。现有旋转导向钻井系统尺寸大,极易卡钻;动密封结构较多、结构复杂,密封失效风险高;涉及超高温高压发电机、电机、泵、超高温高压密封,成本高昂,严重制约了产量低、投入高的页岩气、致密油气等非常规油气资源开发。本发明为泥浆驱动旋转导向钻井系统,由钻头、本体、反作用力机构压板、螺钉、反作用力推靠块、连杆、活塞、反作用力执行机构本体、密封盖板、上接头、液压腔堵头、压力传感器、连接螺栓、弹簧、二位三通插装电磁阀等组成。与现有技术相比具有以下优点:本发明密封失效风险更低,结构更简单,可靠性更高,成本更低;扩径率更大,本体尺寸更小,卡钻风险更低。

Description

一种泥浆驱动导向钻井系统
技术领域
本发明涉及石油与天然气钻井工程领域,尤其涉及一种泥浆驱动导向钻井系统。
背景技术
长水平井是促进页岩气经济长效开发的重要手段,水平井眼的形成需要井眼轨迹控制,当前主要包括弯螺杆滑动导向和旋转导向两种井眼轨迹控制技术:
弯螺杆滑动导向技术成本低,由此我国水平井导向依然以弯螺杆滑动导向为主,例如在2020年,青海页岩气弯螺杆滑动导向占比超过83%。在弯螺杆滑动导向过程中,钻柱不旋转,钻柱摩阻大极易“托压”,导致钻压不能有效传递,机械钻速通常仅为旋转钻井的1/10~ 1/5;“托压”导致工具面不易调整和控制,钻井时效降低超过30%;且极易形成岩屑床,粘附卡钻风险高。
旋转导向技术严重依赖进口,费用高昂:日费15~20万元,按45 天平均单井导向周期计算,仅旋转导向技术费用达675~900万元,达到整个钻井费用的10-20%。旋转导向工具外径尺寸较大,卡埋和经济风险极高:目前生产井井眼直径多数为215.9mm,旋转导向最大直径达210mm,间隙不到6mm,极易发生岩屑卡死埋钻。因此在2020年第32届全国天然气学术年会上,旋转导向技术依然被列为典型的“卡脖子”技术。综上所述,旋转导向技术是解决长水平段钻井“托压”、提高钻井效率、缩短建井周期的最有效手段。
旋转导向系统主要分为指向式和推靠式,其中指向式导向系统一般外壳不旋转,中心轴旋转,外壳在滑动钻进过程中极易发生岩屑堆积和粘滞卡钻,如US9556679B2、US9784036B2、US9528320、US9714564、 US6109372B2、US9828804B2等专利。推靠式旋转导向系统主要有 US8672056B2、US9206644、US8672056B2、US7389830B2、US9476263B2 等专利,目前存在以下技术难题:(1)导向部分尺寸大,极易发生岩屑堆积卡钻,例如四川页岩气总计埋钻旋转导向超过100余套,损失超过20个亿;(2)结构复杂,可靠性差,现有推靠式旋转导向系统推靠块控制系统主要为发电机+电机+泵+电磁阀+推靠块(液压油驱动或发电机+电机+转阀+推靠块(泥浆驱动)两种模式,两种模式均涉及高温高压发电机、电机转轴动密封,密封极易失效,导致旋转导向系统失效,电机转速控制精度要求高、难度大;(3)成本高昂,国产化难度异常艰难,由于涉及超高温高压发电机、电机、泵、超高温高压密封、超高温测控电路等,成本居高不下,同时这些超高温超高压电机、测控电路、密封等均被国外公司垄断,形成了严重的技术壁垒。
发明内容
为了克服现有技术的不足,发明了一种泥浆驱动导向钻井系统。所述:一种泥浆驱动导向钻井系统,由钻头(1)、本体(2)、反作用力机构压板(3、10)、螺钉(4、9、11、15)、反作用力推靠块 (5)、连杆(6),活塞(7)、反作用力执行机构本体(8)、密封盖板(12、14、16)、上接头(17),液压腔堵头(18)、压力传感器(19)、连接螺栓(26)、弹簧(27)、二位三通插装电磁阀(22) 组成,所述:反作用力推靠块(5)与连杆(6)左端通过连接螺栓(26) 连接,连杆(6)右端与活塞(7)通过连接螺栓(26)连接;活塞(7) 装配在反作用力执行机构本体(8)的液压腔(803)中,弹簧(27) 限位在反作用力执行机构本体(8)的活塞密封凸起(804)和活塞(7)之间,反作用力执行机构(31)由反作用力机构压板(3、10)限位,反作用力机构压板(3、10)通过螺钉(4、9)固定,压力传感器(19) 和二位三通插装电磁阀(28)均通过螺纹连接在本体(2)上,MEMS 陀螺仪(21)和测控电路板(23)利用紧固螺钉(20、22)固定在本体(2)上,电池(24)和电池堵头(25)装在本体(2)上。
所述:反作用力执行机构本体(8)左端加工左限位缺口(801),反作用力执行机构本体(8)右端加工右限位缺口(806),为固定反作用力执行机构本体(8)提供反作用力机构压板(3、10)安装空间,可限制反作用力执行机构本体(8)左右和上下移动;反作用力执行机构本体(8)底部加工驱动泥浆通道(802),可为驱动活塞(7)伸缩运动提供高压流体进出通道;反作用力执行机构本体(8)中部加工矩形通孔(807),增加反作用力推靠块(5)上下移动距离,提高井眼尺寸适用范围。
所述:本体(2)上加工了反作用力执行机构安装槽(201)、电磁阀和压力传感器安装槽(205)、MEMS陀螺仪安装槽(207)和电池接线工艺槽(209),反作用力执行机构安装槽(201)用于安装反作用力执行机构(31),电磁阀和压力传感器安装槽(205)用于安装二位三通插装电磁阀(28)和压力传感器(19),MEMS陀螺仪安装槽 (207)用于安装MEMS陀螺仪(21),MEMS陀螺仪安装槽(207)设置在本体(2)中间位置,减小带磁性零部件干扰MEMS陀螺仪测量数据,电池接线工艺槽(209)用于多根电池接线和安装测控电路板(23)。
所述:活塞液压连接孔(210)、活塞液压孔(202)连接,二位三通插装电磁阀T口液压孔(203)与二位三通插装电磁阀(28)T口连接,二位三通插装电磁阀P口液压孔(203)与二位三通插装电磁阀(28)P口连接;压力传感器测压孔(213),与压力传感器安装孔 (214)连接;测控穿线孔(208)贯穿于电池安装孔(215)、电池接线工艺槽(209)、MEMS陀螺仪安装槽(207)、电磁阀和压力传感器安装槽(205)。
所述:本体(2)上加工3-6个电池安装孔(215),并相应地并联3-6个电池(24)。
所述:本体(2)上加工1-4个反作用力执行机构安装槽(201),配套加工1-4个活塞液压连接孔(210)、1-4个电磁阀和压力传感器安装槽(205),并相应地安装1-4个二位三通插装电磁阀(28),以满足不同造斜率的导向钻井需求。
所述:反作用力执行机构(31)包括连杆式反作用力执行机构 (310-1)、弹簧片式反作用力执行机构(310-2)和斜块式的反作用力执行机构(31),所述:连杆式反作用力执行机构(310-2)中的反作用力推靠连杆(32)左右分别与连杆(6)和连杆B(33)通过连接螺栓(26)固定,连杆B(33)固定在反作用力执行机构本体(8)上;所述:弹簧片式反作用力执行机构(310-2)中的反作用力推靠弹簧片(34)左端与活塞(7)通过连接螺栓(26)固定,反作用力推靠弹簧片(34)右端通过连接螺栓(26)固定在反作用力执行机构本体(8) 上。
所述:当本体(2)上加工1个反作用力执行机构安装槽(201) 时,则泥浆通道加工为偏心泥浆循环通道(211-1),可显著增加反作用力执行机构安装槽(201)深度,进而增加反作用力执行机构(31) 安装空间,最终显著提高反作用力执行机构(31)伸出尺寸,减本体(2)外径,降低卡钻风险。
本发明与现有技术相比,具有的优点有:
(1)反作用力执行机构动力源来自于泥浆,并由电磁阀直接控制,避免了常规发电机+电机+增压泵的繁琐结构,避免了发电机、电机、转阀、电机驱动阀等动密封结构,除了反作用力执行机构具有动密封结构,本发明其他零部件不涉及动密封结构,本发明密封失效风险更低,结构更简单,可靠性更高,成本更低。
(2)本发明的反作用力执行机构为轴向布置,且有滑块、连杆、弹簧片等多种结构,扩径率更大,本体尺寸更小,卡钻风险更低。
附图说明
图1为本发明泥浆驱动导向钻井系统主视图。
图2为泥浆驱动导向钻井系统全剖面图。
图3为反作用力执行机构轴测图。
图4为反作用力执行机构全剖面图。
图5为反作用力执行机构本体全剖面图。
图6为反作用力执行机构本体轴测图。
图7为反作用力执行机构本体底部轴测图。
图8为本体主视图。
图9为本体轴测图。
图10为图8中的A-A剖面图。
图11为图8中的B-B剖面图。
图12为图8中的C-C剖面图。
图13为图8中的D-D剖面图。
图14为图10中的E-E剖面图。
图15为图13中的F-F剖面图。
图16为本体包含虚线显示的轴测图。
图17为1个反作用力执行机构的泥浆驱动导向钻井系统主视图。
图18为连杆式反作用力执行机构全剖面图。
图19为泥浆驱动导向钻井系统导向钻井示意图。
图20为弹簧片式反作用力执行机构全剖面图。
图21为目标工具角和控制工具面角示意图。
图22为泥浆驱动导向钻井系统导向钻井作业示意图。
图中:1-钻头,2-本体,3、10-反作用力机构压板,4、9、11、 15-螺钉,5-反作用力推靠块,6-连杆,7-活塞,8-反作用力执行机构本体,12、14、16-密封盖板,17-上接头,18-液压腔堵头,19-压力传感器,20、22-紧固螺钉,21-MEMS陀螺仪,23-测控电路板,24- 电池,25-电池堵头,26-连接螺栓,27-弹簧,28-二位三通插装电磁阀,29-防尘圈,30-密封圈,31-反作用力执行机构,32-反作用力推靠连杆,33-连杆B,34-反作用力推靠弹簧片,35-MWD,36-钻杆,37- 井壁,38-环空低压流体,201-反作用力执行机构安装槽,201-1-反作用力执行机构安装槽A,201-2-反作用力执行机构安装槽B,201- 3-反作用力执行机构安装槽C,202-活塞液压孔,202-1-活塞液压孔 A,202-2-活塞液压孔B,202-3-活塞液压孔C,203-二位三通插装电磁阀T口液压孔,203-1-二位三通插装电磁阀T口液压孔A,203-2- 二位三通插装电磁阀T口液压孔B,203-3-二位三通插装电磁阀T口液压孔C,204-二位三通插装电磁阀P口液压孔,204-1-二位三通插装电磁阀P口液压孔A,204-2-二位三通插装电磁阀P口液压孔B,204-3-二位三通插装电磁阀P口液压孔C,205-电磁阀、压力传感器安装槽,206-压力传感器液压孔,207-MEMS陀螺仪安装槽,208-测控穿线孔,209-电池接线工艺槽,210-活塞液压连接孔,210-1-活塞液压连接孔A,210-2-活塞液压连接孔B,210-3-活塞液压连接孔C, 211-泥浆循环通道,211-1-偏心泥浆循环通道,212-1-二位三通插装电磁阀安装孔A,212-2-二位三通插装电磁阀安装孔B,212-3-二位三通插装电磁阀安装孔C,213-压力传感器测压孔,214-压力传感器安装孔,215-电池安装孔,310-1-连杆式反作用力执行机构,310-2- 弹簧片式反作用力执行机构,801-左限位缺口,802-驱动泥浆通道, 803-液压腔,804-活塞密封凸起,805-燕尾槽,806-右限位缺口,807- 矩形通孔。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的效果有更加清楚的理解,现结合附图说明本发明的具体实施例。
由图1~图3所示,本实施例提供一种泥浆驱动导向钻井系统,由钻头(1),本体(2),反作用力机构压板(3、10),螺钉(4、9、 11、15),反作用力推靠块(5),连杆(6),活塞(7),反作用力执行机构本体(8),密封盖板(12、14、16),上接头(17),液压腔堵头(18),压力传感器(19),连接螺栓(26),弹簧(27),二位三通插装电磁阀组成(22),所述:反作用力推靠块(5)与连杆 (6)左端通过连接螺栓(26)连接,连杆(6)右端与活塞(7)通过连接螺栓(26)连接;活塞(7)装配在反作用力执行机构本体(8) 的液压腔(803)中,弹簧(27)限位在反作用力执行机构本体(8) 的活塞密封凸起(804)和活塞(7)之间,反作用力执行机构(31) 由反作用力机构压板(3、10)限位,反作用力机构压板(3、10)通过螺钉(4、9)固定,压力传感器(19)和二位三通插装电磁阀(28) 均通过螺纹连接在本体(2)上,MEMS陀螺仪(21)和测控电路板(23) 利用紧固螺钉(20、22)固定在本体(2)上,电池(24)和电池堵头 (25)装在本体(2)上。
具体地,如图1~图22所示,按照泥浆驱动导向钻井系统+MWD(35) +钻杆(36)的底部钻具组合下入到井底,工程师根据MWD(35)获取到的井斜、方位数据,根据利用井眼轨迹计算软件计算出实钻井眼轨迹,若需要进行井眼轨迹控制,则地面泥浆脉冲发射器发送目标工具面角A的泥浆脉冲信号,压力传感器(19)获取到目标工具面角A的泥浆脉冲,测控电路板(23)解码目标工具面角A的泥浆脉冲信号并获取到目标工具面角A,MEMS陀螺仪(21)实时测量当前工具面角B,测控电路板(23)根据当前工具面角B控制反作用力推靠机构(31)的反作用力推靠块(5)[或反作用力推靠连杆(32)或反作用力推靠弹簧片(34)]在目标工具面角A+180°-ΔC~A+180°+ΔC(ΔC为控制角度范围)伸出并接触井壁(37),井壁(37)对反作用力推靠机构(31)形成反作用力F,F的作用力方向在A-ΔC~A+ΔC之间,进而实现井眼轨迹控制。
具体地,当测控电路板(23)检测到反作用力推靠机构(31)所在位置的工具面角为A+180°-C时,二位三通插装电磁阀(28)通电,高压泥浆通过活塞液压连接孔(210)进入到液压腔(803),高压泥浆推动活塞(7)移动并压缩弹簧(27),连杆(6)随着活塞(7)移动,反作用力推靠块(5)在连杆(6)的作用下径向移动,直到反作用力推靠块(5)接触到井壁(37)停止运动,当测控电路板(23)检测到反作用力推靠机构(31)所在位置的工具面角为A+180°+C时二位三通插装电磁阀(28)断电,二位三通插装电磁阀(28)断电后环空低压流体(38)与液压腔(803)连通,在弹簧(27)恢复力的作用下,活塞(7)收缩,并带动连杆(6)和反作用力推靠块(5)收缩,完成反作用力推靠机构(31)单次导向作业,每个二位三通插装电磁阀(28)交替并持续通/断电,进而实现持续导向钻井。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式,并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员,在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化和修改,均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种泥浆驱动导向钻井系统,其特征在于:由钻头(1)、本体(2)、反作用力机构压板(3、10)、螺钉(4、9、11、15)、反作用力推靠块(5)、连杆(6),活塞(7)、反作用力执行机构本体(8)、密封盖板(12、14、16)、上接头(17),液压腔堵头(18)、压力传感器(19)、连接螺栓(26)、弹簧(27)、二位三通插装电磁阀(22)组成,所述:反作用力推靠块(5)与连杆(6)左端通过连接螺栓(26)连接,连杆(6)右端与活塞(7)通过连接螺栓(26)连接;活塞(7)装配在反作用力执行机构本体(8)的液压腔(803)中,弹簧(27)限位在反作用力执行机构本体(8)的活塞密封凸起(804)和活塞(7)之间,反作用力执行机构(31)由反作用力机构压板(3、10)限位,反作用力机构压板(3、10)通过螺钉(4、9)固定,压力传感器(19)和二位三通插装电磁阀(28)均通过螺纹连接在本体(2)上,MEMS陀螺仪(21)和测控电路板(23)利用紧固螺钉(20、22)固定在本体(2)上,电池(24)和电池堵头(25)装在本体(2)上。
2.根据权利要求1所述的一种泥浆驱动导向钻井系统,其特征在于:反作用力执行机构本体(8)左端加工左限位缺口(801),反作用力执行机构本体(8)右端加工右限位缺口(806),为固定反作用力执行机构本体(8)提供反作用力机构压板(3、10)安装空间,可限制反作用力执行机构本体(8)左右和上下移动;反作用力执行机构本体(8)底部加工驱动泥浆通道(802),可为驱动活塞(7)伸缩运动提供高压流体进出通道;反作用力执行机构本体(8)中部加工矩形通孔(807),增加反作用力推靠块(5)上下移动距离,提高井眼尺寸适用范围。
3.根据权利要求1所述的一种泥浆驱动导向钻井系统,其特征在于:本体(2)上加工了反作用力执行机构安装槽(201)、电磁阀和压力传感器安装槽(205)、MEMS陀螺仪安装槽(207)和电池接线工艺槽(209),反作用力执行机构安装槽(201)用于安装反作用力执行机构(31),电磁阀和压力传感器安装槽(205)用于安装二位三通插装电磁阀(28)和压力传感器(19),MEMS陀螺仪安装槽(207)用于安装MEMS陀螺仪(21),MEMS陀螺仪安装槽(207)设置在本体(2)中间位置,减小带磁性零部件干扰MEMS陀螺仪测量数据,电池接线工艺槽(209)用于多根电池接线和安装测控电路板(23)。
4.根据权利要求1所述的一种泥浆驱动导向钻井系统,其特征在于:活塞液压连接孔(210)、活塞液压孔(202)连接,二位三通插装电磁阀T口液压孔(203)与二位三通插装电磁阀(28)T口连接,二位三通插装电磁阀P口液压孔(203)与二位三通插装电磁阀(28)P口连接;压力传感器测压孔(213),与压力传感器安装孔(214)连接;测控穿线孔(208)贯穿于电池安装孔(215)、电池接线工艺槽(209)、MEMS陀螺仪安装槽(207)、电磁阀和压力传感器安装槽(205)。
5.根据权利要求1所述的一种泥浆驱动导向钻井系统,其特征在于:本体(2)上加工3-6个电池安装孔(215),并相应地并联3-6个电池(24)。
6.根据权利要求1所述的一种泥浆驱动导向钻井系统,其特征在于:本体(2)上加工1-4个反作用力执行机构安装槽(201),配套加工1-4个活塞液压连接孔(210)、1-4个电磁阀和压力传感器安装槽(205),并相应地安装1-4个二位三通插装电磁阀(28),以满足不同造斜率的导向钻井需求。
7.根据权利要求1所述的一种泥浆驱动导向钻井系统,其特征在于:反作用力执行机构(31)包括连杆式反作用力执行机构(310-1)、弹簧片式反作用力执行机构(310-2)和斜块式的反作用力执行机构(31),所述:连杆式反作用力执行机构(310-2)中的反作用力推靠连杆(32)左右分别与连杆(6)和连杆B(33)通过连接螺栓(26)固定,连杆B(33)固定在反作用力执行机构本体(8)上;所述:弹簧片式反作用力执行机构(310-2)中的反作用力推靠弹簧片(34)左端与活塞(7)通过连接螺栓(26)固定,反作用力推靠弹簧片(34)右端通过连接螺栓(26)固定在反作用力执行机构本体(8)上。
8.根据权利要求6所述的一种泥浆驱动导向钻井系统,其特征在于:当本体(2)上加工1个反作用力执行机构安装槽(201)时,则泥浆通道加工为偏心泥浆循环通道(211-1),可显著增加反作用力执行机构安装槽(201)深度,进而增加反作用力执行机构(31)安装空间,最终显著提高反作用力执行机构(31)伸出尺寸,减本体(2)外径,降低卡钻风险。
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