CN115538940B - 一种全旋转导向钻井装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全旋转导向钻井装置，包括上端连接模块、开关控制模块、推块模块和下端连接模块组成，其中上端连接模块包括上接头、前轴套、角接触球轴承；开关控制模块包括中心管、开关控制器、碟形弹簧、固定套管、控制销；推块模块包括推块壳体、推块、盖板、螺钉、单向阀；下端连接模块包括下接头、后轴套、角接触球轴承、锥扣；本发明的开关控制模块中的开关控制器具有一个特殊槽道的设计，使位于固定套管上的控制销可通过开关控制器上的特殊槽道实现对开关控制器的轴向及径向位移的控制；推块模块中的推块缩回推块壳体内之后，原处于推块壳体内的钻井液可以通过推块壳体的前后两端的单向阀排出。

Description

一种全旋转导向钻井装置

技术领域

本发明涉及油气资源钻井工具技术领域，具体涉及一种全旋转导向钻井装置。

背景技术

为了节约开发新油田的成本和提高石油产量, 对那些受地理位置限制或处于油气开发后期的油气田，通常利用开发深井、超深井、大位移井和长距离水平井来实现，进而造成油气井的结构越来越复杂。传统的导向钻井工具已经无法应对各种新型钻井工艺的需求。快速发展的全旋转导向钻井装置能够有效地弥补了传统定向钻具倾斜能力差、钻井效率低等问题，同时相比于传统钻井工具，全旋转导向钻井装置可实现对复杂井眼轨迹的灵活、精确的控制，在降低了钻井作业成本的同时，还有效地提高了钻井作业成功率。

然而，鉴于外国的技术垄断，国外企业只进行高价的技术服务，并不对外销售和出口，我国在该此类装备的研究进度与外国相比还十分落后。因此，为改变我国在该装备领域大量依赖进口的现状，规避国外企业对我国进行技术断供、封锁等重大风险，研发一种可以精确控制井眼轨迹、有较高造斜能力、高效和低成本的全旋转导向钻井装置，是本领域急需解决的重大技术难题之一。

发明内容

本发明的目的是公开一种全旋转导向钻井装置，以解决上述背景中提出的问题。

本发明为解决上述背景技术的问题所采取的技术方案为：

一种全旋转导向钻井装置，其特征在于：所述的一种全旋转导向钻井装置包括上端连接模块、开关控制模块、推块模块和下端连接模块；

所述的上端连接模块包括上接头、前轴套和角接触球轴承，上接头的上端为公扣，上接头的下端为母扣，上接头的下端与开关控制模块的中心管相连接，前轴套的前端与开关控制模块的中心管的前端由过度配合的方式连接在一起，前轴套的后端和开关控制模块的开关控制器的前端配合，角接触球轴承夹在前轴套和开关控制模块的中心管之间；

所述的开关控制模块包括中心管、开关控制器、碟形弹簧、固定套管和控制销，中心管的阶梯结构处和开关控制器、上端连接模块的前轴套相连接，固定套管通过中心管的阶梯结构定位与上端连接模块的前轴套实现连接，固定套管内部装有碟形弹簧，碟形弹簧的下端与固定套管的端面接触，碟形弹簧的上端与开关控制器的端面接触，控制销通过固定套管的定位孔实现定位，使开关控制器沿着开关控制器的特殊槽道设计的轨迹运动；所述的碟形弹簧为标准件；所述的控制销为标准件；

所述的推块模块包括推块壳体、推块、盖板、螺钉和单向阀，推块壳体的前端与开关控制模块的固定套管相连接，推块壳体的后端与下端连接模块的后轴套配合，推块壳体安装有推块和盖板，推块紧密安装在推块壳体较深的矩形槽内，盖板通过螺钉固定在推块壳体较浅的矩形槽内，单向阀由过度配合的方式和推块壳体上的单向阀孔连接；所述的单向阀包括阀体、单向阀弹簧、单向阀芯和单向阀弹簧座，阀体安装在推块壳体上的单向阀孔里，单向阀芯安装在阀体的最里侧，单向阀芯的另一端安装有单向阀弹簧，单向阀弹簧和单向阀弹簧座连接在一起；

所述的下端连接模块包括下接头、后轴套、角接触球轴承和锥扣，下接头的上下端均为母扣，下接头的上端和锥扣的前端相连接，锥扣的后端和开关控制模块的中心管相连接，后轴套的前端通过推块模块的推块壳体的内阶梯结构实现定位，后轴套由过度配合的方式和推块模块的推块壳体连接，后轴套的后端通过锥扣的阶梯结构实现定位，后轴套与锥扣由间隙配合的方式连接，角接触球轴承夹在锥扣和后轴套之间。

作为本发明进一步的技术方案，所述的锥扣和后轴套之间安装有第一密封圈和第三密封圈。

作为本发明进一步的技术方案，所述的推块壳体上安装有第二密封圈、第四密封圈和第五密封圈。

作为本发明进一步的技术方案，所述的角接触球轴承共6个，其中3个角接触球轴承夹在前轴套和开关控制模块的中心管之间，另3个角接触球轴承夹在锥扣和后轴套之间，角接触球轴承之间均采用轴肩定位的方式定位。

作为本发明进一步的技术方案，所述的开关控制器的特殊槽道在轴向的最大位移为21mm，对应碟形弹簧的最大工作压力20MPa。

作为本发明进一步的技术方案，所述的控制销有4个，所述的固定套管的中部开有4个径向的定位孔，该孔用于控制销的定位。

作为本发明进一步的技术方案，所述的推块壳体在径向方向上开有4个较浅的矩形槽，每个矩形槽内均有1个尺寸更小但较深的矩形槽，推块壳体上一共开有8个单向阀安装孔、32个螺钉安装孔、8个用于引导钻井液进入推块壳体的引流孔。

作为本发明进一步的技术方案，所述的推块有4个，分别呈90°布置在推块壳体内，4个推块可实现导向钻井装置向多个方位造斜。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、与其它推靠式全旋转导向装置的控制机构相比，本发明的创新之处在于开关控制器上的特殊槽道，固定套管上的控制销可通过该特殊槽道实现对开关控制器的轴向及径向位移的控制。

2、当推块缩回推块壳体内后，原先处于推块壳体内的钻井液可通过推块壳体前后两端的单向阀排出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的外观结构示意图。

图3为本发明的图2中的A-A截面图。

图4为本发明的图2中的B-B截面图。

图5为本发明的开关控制器结构示意图。

图中：1-下接头，2-锥扣，3-角接触球轴承，4-后轴套，5-推块壳体，6-盖板，7-推块，8-阀体，9-单向阀弹簧，10-固定套管，11-碟形弹簧，12-开关控制器，13-控制销，14-前轴套，15-中心管，16-上接头，17-第一密封圈，18-第二密封圈，19-第三密封圈，20-第四密封圈，21-单向阀芯，22-单向阀弹簧座，23-第五密封圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，本发明提供一种全旋转导向钻井装置，其特征在于：所述的一种全旋转导向钻井装置包括上端连接模块、开关控制模块、推块模块和下端连接模块；

所述的上端连接模块包括上接头16、前轴套14和角接触球轴承3，上接头16的上端为公扣，上接头16的下端为母扣，上接头16的下端与开关控制模块的中心管15相连接，前轴套14的前端与开关控制模块的中心管15的前端由过度配合的方式连接在一起，前轴套14的后端和开关控制模块的开关控制器12的前端配合，角接触球轴承3夹在前轴套14和开关控制模块的中心管15之间；

所述的开关控制模块包括中心管15、开关控制器12、碟形弹簧11、固定套管10和控制销13，中心管15的阶梯结构处和开关控制器12、上端连接模块的前轴套14相连接，固定套管10通过中心管15的阶梯结构定位与上端连接模块的前轴套14实现连接，固定套管10内部装有碟形弹簧11，碟形弹簧11的下端与固定套管10的端面接触，碟形弹簧11的上端与开关控制器12的端面接触，控制销13通过固定套管10的定位孔实现定位，使开关控制器12沿着开关控制器12的特殊槽道设计的轨迹运动；所述的碟形弹簧11为标准件；所述的控制销13为标准件；

所述的推块模块包括推块壳体5、推块7、盖板6、螺钉和单向阀，推块壳体5的前端与开关控制模块的固定套管10相连接，推块壳体5的后端与下端连接模块的后轴套4配合，推块壳体5安装有推块7和盖板6，推块7紧密安装在推块壳体5较深的矩形槽内，盖板6通过螺钉固定在推块壳体5较浅的矩形槽内，单向阀由过度配合的方式和推块壳体5上的单向阀孔连接；所述的单向阀包括阀体8、单向阀弹簧9、单向阀芯21和单向阀弹簧座22，阀体8安装在推块壳体5上的单向阀孔里，单向阀芯21安装在阀体8的最里侧，单向阀芯21的另一端安装有单向阀弹簧9，单向阀弹簧9和单向阀弹簧座22连接在一起；

所述的下端连接模块包括下接头1、后轴套4、角接触球轴承3和锥扣2，下接头1的上下端均为母扣，下接头1的上端和锥扣2的前端相连接，锥扣2的后端和开关控制模块的中心管15相连接，后轴套4的前端通过推块模块的推块壳体5的内阶梯结构实现定位，后轴套4由过度配合的方式和推块模块的推块壳体5连接，后轴套4的后端通过锥扣2的阶梯结构实现定位，后轴套4与锥扣2由间隙配合的方式连接，角接触球轴承3夹在锥扣2和后轴套4之间。

本实施例中，上端连接模块位于全旋转导向钻井装置上端，其功能是实现全旋转导向钻井装置与上端钻柱相连接。

本实施例中，开关控制模块是全旋转导向钻井装置的核心模块，其功能是控制开关控制器12与推块壳体5之间开口的接合与错位，开口接合，钻井液流入推块壳体5，并推动推块7向外推出；反之，开口错位，则钻井液不能流入推块壳体5，推块7在井壁反作用力的作用下收回；开关控制器12下端有一段管的直径略小于外圆直径，因此开关控制器12与推块壳体5内壁配合时，在开关控制器12的下端会存在一个环形空间，其作用为：当压力从20MPa降低到15MPa的过程中，推块7收回，此时开关控制器12的开口与中心管15开口已错位，故推块壳体5内的液体在推块7的挤压作用下会被挤压回开关控制器12与推块壳体5内壳共同组成的环形空间，并经由此处通过推块壳体5两端的单向阀向外排出。

本实施例中，碟形弹簧11用于开关控制器12的复位，当钻井液压力从正常工作状态的15MPa上升到20MPa时，碟形弹簧11压缩，开关控制器12下移，当压力从20MPa降低到正常工作状态的15MPa时，由于此时碟形弹簧11处于压缩状态，其弹力大小刚好等于20MPa钻井液作用于开关控制器12的前端面的压力，故压力降低后在弹力的作用下开关控制器12将复位。

本实施例中，推块模块的功能是控制推块7的伸出与收回，以及将推块7收回时压入推块壳体5与开关控制器12之间环形空间的钻井液排出。

本实施例中，下端连接模块的功能是实现全旋转导向钻井装置与下端钻头相连接。

本实施例中，盖板6是一通过螺钉固定在推块壳体5上的零件，其主要作用是用于对推块7位移的限制，通过其控制推块7的位移量，可实现对全旋转导向钻井装置造斜率的控制。盖板6是一上下表面为弧面的长方体，开有8个用于安装螺钉的通孔，盖板中心还有一矩形通孔，推块7上端通过此矩形通孔向外伸出，推块7下端由于尺寸较大，故当推块7下端的上表面接触到盖板6下表面的时候，即为推块7到达最大伸出量的时候。

本实施例中，当全旋转导向钻井装置内部液体进入单向阀后，液体冲击单向阀芯21，单向阀弹簧9带动单向阀芯21收缩，液体向外流出；而外部液体从反方向进入单向阀后，液体冲击单向阀芯21使其紧贴单向阀的阀体8，开口闭合，因此单向阀能实现内部钻井液流出的同时可避免外部液体的进入导致内部液体污染。

本实施例中，后轴套4为一回转体零件，后轴套4的前端通过推块壳体5的内台阶实现定位，并由过度配合的方式与推块壳体5连接在一起，后轴套4的后端通过锥扣2的台阶实现定位，后轴套4与锥扣2之间的配合关系为间隙配合，有利于避免后轴套4在工作中由于锥扣2的旋转导致后轴套4的后端面磨损。

本实施例中，锥扣2的前端有螺纹，后端开有内孔，内孔也开有螺纹，锥扣2的前端可实现与下接头1相连接，锥扣2的后端可实现与中心管15相连接；由于井下工具所传递的扭矩非常大，而中心管15的后端内径过小，因此锥扣2这一连接件有利于中心管15通过锥扣2将扭矩传递给下接头1，同时避免了中心管15后端内径过小可能引起的强度失效。

所述的锥扣2和后轴套4之间安装有第一密封圈17和第三密封圈19。

所述的推块壳体5上安装有第二密封圈18、第四密封圈20和第五密封圈23。

所述的角接触球轴承3共6个，其中3个角接触球轴承3夹在前轴套14和开关控制模块的中心管15之间，另3个角接触球轴承3夹在锥扣2和后轴套4之间，角接触球轴承3之间均采用轴肩定位的方式定位。

所述的开关控制器12的特殊槽道在轴向的最大位移为21mm，对应碟形弹簧11的最大工作压力20MPa。

所述的控制销13有4个，所述的固定套管10的中部开有4个径向的定位孔，该孔用于控制销13的定位。

所述的推块壳体5在径向方向上开有4个较浅的矩形槽，每个矩形槽内均有1个尺寸更小但较深的矩形槽，推块壳体5上一共开有8个单向阀安装孔、32个螺钉安装孔、8个用于引导钻井液进入推块壳体5的引流孔。

所述的推块7有4个，分别呈90°布置在推块壳体5内，4个推块7可实现导向钻井装置向多个方位造斜。

本实施例中，所述的推块7是推块模块的核心零件，推块7下端表面为弧面，其作用是与推块壳体5内较深的矩形槽紧密配合，推块7的上端是一外表面倒圆角的长方体，推块的作用是使全旋转导向钻井装置造斜，其原理为：推块的推出会对井壁产生一个推靠力，与此同时井壁也会对全旋转导向装置产生一个反向的作用力，通过该反向的作用力可使全旋转导向钻井装置在钻井过程中的运动轨迹逐渐偏离其轴线，达到造斜的目的。

工作原理：该全旋转导向钻井装置的开关控制器12上开有特殊槽道，固定套管10上开有通孔，控制销13穿过通孔并刚好安装在开关控制器12特殊槽道的轨迹曲线上，当控制销13位于特殊槽道轨迹曲线最下端时，开关控制器12与推块壳体5的开口错位，推块7不推出；当控制销13位于环槽轨迹曲线最上端时，开关控制器12与推块壳体5的开口接通，推块7向外推出；工作过程中，开关控制器12在液压力的作用下向下移动，由于开关控制器12上开有特殊槽道，而控制销13在工作过程中不产生移动，故迫使开关控制器12沿着特殊环槽的轨迹产生径向旋转，特殊环槽的轨迹曲线具有周期性，整个轨迹曲线共有四个周期，每当开关控制器12沿着轨迹曲线旋转半个周期，则其刚好在径向旋转45°，同时将该特殊槽道在轴向上的最大距离设计为碟形弹簧11的压缩位移量，因此当压力从15MPa提升到20MPa时，控制销13刚好实现从特殊环槽的最下端移动到最上端，与此同时带动开关控制器12旋转45°。当压力从20MPa下降到15MPa时，控制销13刚好实现从特殊环槽的最上端移动到最下端，继续带动开关控制器12旋转45°。推块壳体5在径向方向有四个开口，每个开口占45°，因此开关控制器12每旋转45°即可实现一次对口的接通或错位，从而实现推块7的一次推出或收回，如此可实现利用内部压力的升降控制整个全旋转导向钻井装置沿指定方向推出推块7，推块7推出后，推块7向井壁作用了一个推靠力，通过井壁对推块7的反作用力即可实现全旋转导向钻井装置沿推靠力的反方向导向；当无需导向时，只需按正常工作压力15MPa钻进，此时控制销13位于特殊槽道轨迹曲线最下端，开关控制器12与推块壳体5的开口错位，推块7不推出，装置处于正常钻进工作状态。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种全旋转导向钻井装置，其特征在于：所述的一种全旋转导向钻井装置包括上端连接模块、开关控制模块、推块模块和下端连接模块；

所述的上端连接模块包括上接头（16）、前轴套（14）和角接触球轴承（3），上接头（16）的上端为公扣，上接头（16）的下端为母扣，上接头（16）的下端与开关控制模块的中心管（15）相连接，前轴套（14）的前端与开关控制模块的中心管（15）的前端由过度配合的方式连接在一起，前轴套（14）的后端和开关控制模块的开关控制器（12）的前端配合，角接触球轴承（3）夹在前轴套（14）和开关控制模块的中心管（15）之间；

所述的开关控制模块包括中心管（15）、开关控制器（12）、碟形弹簧（11）、固定套管（10）和控制销（13），中心管（15）的阶梯结构处和开关控制器（12）、上端连接模块的前轴套（14）相连接，固定套管（10）通过中心管（15）的阶梯结构定位与上端连接模块的前轴套（14）实现连接，固定套管（10）内部装有碟形弹簧（11），碟形弹簧（11）的下端与固定套管（10）的端面接触，碟形弹簧（11）的上端与开关控制器（12）的端面接触，控制销（13）通过固定套管（10）的定位孔实现定位，使开关控制器（12）沿着开关控制器（12）的特殊槽道设计的轨迹运动；所述的碟形弹簧（11）为标准件；所述的控制销（13）为标准件；

所述的推块模块包括推块壳体（5）、推块（7）、盖板（6）、螺钉和单向阀，推块壳体（5）的前端与开关控制模块的固定套管（10）相连接，推块壳体（5）的后端与下端连接模块的后轴套（4）配合，推块壳体（5）安装有推块（7）和盖板（6），推块（7）紧密安装在推块壳体（5）较深的矩形槽内，所述的推块（7）有4个，分别呈90°布置在推块壳体（5）内，4个推块（7）可实现导向钻井装置向多个方位造斜；盖板（6）通过螺钉固定在推块壳体（5）较浅的矩形槽内，单向阀由过度配合的方式和推块壳体（5）上的单向阀孔连接；所述的单向阀包括阀体（8）、单向阀弹簧（9）、单向阀芯（21）和单向阀弹簧座（22），阀体（8）安装在推块壳体（5）上的单向阀孔里，单向阀芯（21）安装在阀体（8）的最里侧，单向阀芯（21）的另一端安装有单向阀弹簧（9），单向阀弹簧（9）和单向阀弹簧座（22）连接在一起；

所述的下端连接模块包括下接头（1）、后轴套（4）、角接触球轴承（3）和锥扣（2），下接头（1）的上下端均为母扣，下接头（1）的上端和锥扣（2）的前端相连接，锥扣（2）的后端和开关控制模块的中心管（15）相连接，后轴套（4）的前端通过推块模块的推块壳体（5）的内阶梯结构实现定位，后轴套（4）由过度配合的方式和推块模块的推块壳体（5）连接，后轴套（4）的后端通过锥扣（2）的阶梯结构实现定位，后轴套（4）与锥扣（2）由间隙配合的方式连接，角接触球轴承（3）夹在锥扣（2）和后轴套（4）之间。

2.根据权利要求1所述的一种全旋转导向钻井装置，其特征在于：所述的锥扣（2）和后轴套（4）之间安装有第一密封圈（17）和第三密封圈（19）。

3.根据权利要求1所述的一种全旋转导向钻井装置，其特征在于：所述的推块壳体（5）上安装有第二密封圈（18）、第四密封圈（20）和第五密封圈（23）。

4.根据权利要求1所述的一种全旋转导向钻井装置，其特征在于：所述的角接触球轴承（3）共6个，其中3个角接触球轴承（3）夹在前轴套（14）和开关控制模块的中心管（15）之间，另3个角接触球轴承（3）夹在锥扣（2）和后轴套（4）之间，角接触球轴承（3）之间均采用轴肩定位的方式定位。

5.根据权利要求1所述的一种全旋转导向钻井装置，其特征在于：所述的开关控制器（12）的特殊槽道在轴向的最大位移为21mm，对应碟形弹簧（11）的最大工作压力20MPa。

6.根据权利要求1所述的一种全旋转导向钻井装置，其特征在于：所述的控制销（13）有4个，所述的固定套管（10）的中部开有4个径向的定位孔，该孔用于控制销（13）的定位。

7.根据权利要求1所述的一种全旋转导向钻井装置，其特征在于：所述的推块壳体（5）在径向方向上开有4个较浅的矩形槽，每个矩形槽内均有1个尺寸更小但较深的矩形槽，推块壳体（5）上一共开有8个单向阀安装孔、32个螺钉安装孔、8个用于引导钻井液进入推块壳体（5）的引流孔。

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