CN115853441A - 一种全机械式调整定向钻具工具面角的工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全机械式调整定向钻具工具面角的工具，涉及钻探技术领域，主要结构包括外管体、定子旋转管、动子旋转管、传扭接头、密封接头、悬挂单动机构、密封件和复位弹簧；外管体一端与钻具连接；外管体另一端与密封接头连接；复位弹簧设于外管体内；定子旋转管设于外管体内；动子旋转管的一端伸入外管体内；悬挂单动机构设于外管体与动子旋转管之间；传扭接头一端与动子旋转管相连接，传扭接头另一端与钻具相连接；密封件设于密封接头与动子旋转管之间。本发明中的全机械式调整定向钻具工具面角的工具，通过下压和上提钻具的方式，实现井下定向钻具组合工具面角的阶梯式调整，使得工具面角调整更容易、精度更高、稳定性更好、可操作性更强。

Description

一种全机械式调整定向钻具工具面角的工具

技术领域

本发明涉及钻探技术领域，特别是涉及一种全机械式调整定向钻具工具面角的工具。

背景技术

随着钻探技术的飞速发展，以及石油与天然气、地热能等地下能源资源的勘探开发需要，定向井技术逐渐发展成为油气、地质钻探中极为重要的一种技术。定向钻探的优势也极为明显：①确保井眼按照设计井眼轨道钻至目标靶区；②井下钻遇复杂情况难以解决时，基于定向技术进行侧钻绕障；③大斜度定向井或水平井有效增加井筒与目标地层中流体的接触面积；④当目标储层上方不适宜建设井场开展钻探作业时，就近选址建设进场进行定向作业钻至目标储层。

目前国内外定向作业主要采用井下动力钻具配合弯接头，或使用弯外壳井下动力钻具。动力钻具上侧连接无磁钻具，无磁钻具内固定放置MWD等随钻测井工具实时测量并传输井斜、方位、井温、工具面角等参数。定向钻进时，一般通过调整弯接头或弯外壳动力钻具的工具面角，来实现降斜、增斜、降方位、增方位等定向作业，确保井眼轨迹尽量与设计方案吻合。而目前主要是通过地表的转盘或顶驱等动力设备旋转带动下部钻具旋转，再结合MWD实时反馈的工面角数据来进行井下动力钻具的工具面角调整。对于井深较浅且井斜较小的井眼，通过现有的转动全井钻具方式来调整工具面角的方式效果较好、可操作性也较强。但对于深井或井斜稍大的井眼，由于钻具较长且反扭力较大，通过旋转全井钻具的方式调整工具面角的方式可操作性极差，调整工具面角有时会花上数小时，同时由于钻具反扭导致调整好的工具面角在加压钻进时扭力释放，造成工具面角发生变化。因此，现有的通过转动全井钻具来调整工具面角的方法实用性较差，工具面角稳定性较低。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种全机械式调整定向钻具工具面角的工具，解决在定向钻井尤其是大斜度深井定向钻进时，定向钻具组合工具面角调整难的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种全机械式调整定向钻具工具面角的工具，包括外管体、定子旋转管、动子旋转管、传扭接头、密封接头、悬挂单动机构、密封件和复位弹簧；所述外管体一端内壁上设置有锥形内螺纹，所述锥形内螺纹用于与钻具连接；所述外管体另一端内壁上设置有内螺纹，所述内螺纹用于与所述密封接头的外壁相连接；所述复位弹簧设置于所述外管体内靠近所述锥形内螺纹的一端；所述定子旋转管设置于所述外管体内，且所述定子旋转管的一端与所述复位弹簧限位连接；所述外管体内壁与所述定子旋转管之间导向连接；所述动子旋转管的一端伸入所述外管体内，且所述动子旋转管的一端与所述定子旋转管的另一端防转动连接；所述悬挂单动机构设置于所述外管体与所述动子旋转管之间；所述传扭接头一端与所述动子旋转管相连接，所述传扭接头另一端用于与钻具相连接；所述密封件设置于所述密封接头与所述动子旋转管之间。

可选地，所述外管体的内壁从一端至另一端依次为锥形内螺纹段、过渡段、轴向限位段、键槽段、活动腔段、轴承腔段和内螺纹段；所述锥形内螺纹段设置有所述锥形内螺纹；所述过渡段从所述锥形内螺纹段至所述轴向限位段的直径逐渐缩小；所述轴向限位段的直径大于所述过渡段的最小直径，所述轴向限位段用于限制所述复位弹簧的轴向位移；所述键槽段的内侧壁上沿周向均匀设置有多个管体键槽，所述多个管体键槽的键的部分朝向所述活动腔段的一端设置有第一斜面；所述多个管体键槽与所述定子旋转管相匹配，用于实现所述定子旋转管的轴向滑动并防止所述定子旋转管转动；所述活动腔段的直径大于所述键槽段的直径；所述轴承腔段的直径大于所述活动腔段的直径，所述轴承腔段用于安装所述悬挂单动机构；所述内螺纹段设置有所述内螺纹。

可选地，所述定子旋转管的一端为外径较小的圆管，所述定子旋转管的另一端为外径较大的圆管，所述定子旋转管的另一端的外壁上设置有多个定子键槽，所述多个定子键槽用于与所述外管体相匹配，用于实现所述定子旋转管的轴向滑动并防止所述定子旋转管转动；所述定子旋转管的另一端的端面上设置有沿周向均匀分布的锯齿状结构，所述锯齿状结构用于与所述动子旋转管的端部相匹配。

可选地，所述动子旋转管的一端外壁上设置有多个动子键槽，所述多个动子键槽的键的部分朝向所述定子旋转管的一端设置有第二斜面；所述多个动子键槽的键的部分远离所述定子旋转管的一端设置有向外延伸的限位部；所述动子旋转管的中部沿周向设置有多个通孔；所述动子旋转管的另一端设置有与所述传扭接头相连接的螺纹。

可选地，所述定子旋转管的外壁上设置有多个定子键槽，所述动子旋转管的外壁上设置有所述动子键槽的数量是所述定子键槽数量的一半。

可选地，所述动子键槽的长度小于所述定子键槽的长度。

可选地，所述多个管体键槽的键的部分的一端设置有第一斜面，所述第二斜面的朝向与所述第一斜面的朝向相反。

可选地，所述悬挂单动机构包括两个推力轴承和两个球轴承；所述两个球轴承设置于中部，所述两个推力轴承分别位于所述两个球轴承的两侧。

可选地，所述密封件包括两组耐高温密封圈。

可选地，所述复位弹簧为螺旋弹簧。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中的全机械式调整定向钻具工具面角的工具，通过下压和上提钻具的机械方式，实现井下定向钻具组合工具面角的阶梯式调整，使得工具面角调整更容易、精度更高、稳定性更好、可操作性更强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明全机械式调整定向钻具工具面角的工具的结构示意图；

图2为本发明全机械式调整定向钻具工具面角的工具中外管体的剖视结构示意图；

图3为本发明全机械式调整定向钻具工具面角的工具中定子转向管的结构示意图；

图4为本发明全机械式调整定向钻具工具面角的工具中动子转向管的结构示意图。

附图标记说明：1、外管体；2、定子旋转管；3、动子旋转管；4、传扭接头；5、密封接头；6、悬挂单动机构；61、推力轴承；62、球轴承；7、密封件；8、复位弹簧。

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。

如图1至4所示，本实施例提供一种全机械式调整定向钻具工具面角的工具，包括外管体1、定子旋转管2、动子旋转管3、传扭接头4、密封接头5、悬挂单动机构6、密封件7和复位弹簧8；外管体1一端内壁上设置有锥形内螺纹，锥形内螺纹用于与钻具连接；外管体1另一端内壁上设置有内螺纹，内螺纹用于与密封接头5的外壁相连接；复位弹簧8设置于外管体1内靠近锥形内螺纹的一端；定子旋转管2设置于外管体1内，且定子旋转管2的一端与复位弹簧8限位连接；外管体1内壁与定子旋转管2之间防转动连接；动子旋转管3的一端伸入外管体1内，且动子旋转管3的一端与定子旋转管2的另一端导向连接；悬挂单动机构6设置于外管体1与动子旋转管3之间；传扭接头4一端与动子旋转管3相连接，传扭接头4另一端用于与钻具相连接；密封件7设置于密封接头5与动子旋转管3之间。

于本具体实施例中，外管体1的内壁从一端至另一端依次为锥形内螺纹段、过渡段、轴向限位段、键槽段、活动腔段、轴承腔段和内螺纹段；锥形内螺纹段设置有锥形内螺纹；过渡段从锥形内螺纹段至轴向限位段的直径逐渐缩小；轴向限位段的直径大于过渡段的最小直径，轴向限位段用于限制复位弹簧8的轴向位移；键槽段的内侧壁上沿周向均匀设置有多个管体键槽，多个管体键槽的键的部分朝向活动腔段的一端设置有第一斜面；多个管体键槽与定子旋转管2相匹配，用于实现定子旋转管2的轴向滑动并防止定子旋转管2转动；活动腔段的直径大于键槽段的直径；轴承腔段的直径大于活动腔段的直径，轴承腔段用于安装悬挂单动机构6；内螺纹段设置有内螺纹。

定子旋转管2的一端为外径较小的圆管，定子旋转管2的另一端为外径较大的圆管，定子旋转管2的另一端的外壁上设置有多个定子键槽，多个定子键槽用于与外管体1相匹配，用于实现定子旋转管2的轴向滑动并防止定子旋转管2转动；定子旋转管2的另一端的端面上设置有沿周向均匀分布的锯齿状结构，锯齿状结构用于与动子旋转管3的端部相匹配。

动子旋转管3的一端外壁上设置有多个动子键槽，多个动子键槽的键的部分朝向定子旋转管2的一端设置有第二斜面；多个动子键槽的键的部分远离定子旋转管2的一端设置有向外延伸的限位部；动子旋转管3的中部沿周向设置有多个通孔，用于平衡动子旋转管3内腔与上外管体1及动子旋转管3形成的环形空腔之间的压力，同时使得管内流体可对悬挂单动机构6进行润滑与冷却；动子旋转管3的另一端设置有与传扭接头4相连接的螺纹。

定子旋转管2的上设置有多个定子键槽，动子旋转管3的外壁上设置有动子键槽的数量是定子键槽数量的一半。

动子键槽的长度小于定子键槽的长度。

多个管体键槽的键的部分的一端设置有第一斜面，第二斜面的朝向与第一斜面的朝向相反。

传扭接头4为一高强度金属材质中空圆管，其两端均车有螺纹扣，左端与动子旋转管3右端螺纹连接，右端车有钻杆扣公扣可与钻铤连接；其左端设置有变径，其外径大于动子旋转管3外径且小于密封接头5内径。

密封接头5为一金属材质中空圆管，其左端车有螺纹公扣与外管体1右端母扣螺纹连接；其内壁设置有两处密封圈槽，用于安装密封件7。

悬挂单动机构6包括两个推力轴承61和两个球轴承62；两个球轴承62设置于中部，两个推力轴承61分别位于两个球轴承62的两侧。推力轴承61主要用于悬挂动子旋转管3，且内圈直径略大于动子旋转管3右端外径、小于动子旋转管3左端键外径。球轴承62内圈与动子旋转管3间隙配合，主要用于减小动子旋转管3的径向移动，同时确保动子旋转管3与上外管体1之间为单动状态。

密封件7包括两组耐高温密封圈，设置于密封接头5内部的两处密封圈槽内，与动子旋转管3相互作用以对上外管体1内腔形成密封。

复位弹簧8为螺旋弹簧。复位弹簧8设置于上外管体1内部，其同心套设于定子旋转管2左端的小外径管体外部，复位弹簧8内径稍大于定子旋转管2左端的小外径管体外径，复位弹簧8外径小于上外管体1键槽左端部分管体内径；定子旋转管2左端的小外径管体对复位弹簧8起导向作用，使得定子旋转管2向左移动并压缩复位弹簧8。

在井底下压工况下，动子旋转管3与传扭接头4连接且动子旋转管3键位于上外管体1内部键槽内；当需要调整井下定向钻具工具面角并进行滑动钻进时，可上提钻具并提离井底，在复位弹簧8的作用下，定子旋转管2与动子旋转管3一同下行直至动子旋转管3左端键坐挂于悬挂单动机构6上端，在下行过程中，定子旋转管2推动动子旋转管3下行并小角度旋转至键斜面与上外管体1内部键槽右侧末端斜面刚好相对；此时，动子旋转管3脱离上外管体1内部的键槽。可由司钻控制绞车使得底部钻具受压，此时动力旋转管与传扭接头4相对于上外管体1上行，动子旋转管3左端(即上端)键斜面与上外管体1键槽右端(即下端)键斜面相互作用，从而带动动子旋转管3与传扭接头4顺时针旋转(俯视)，直到动子旋转管3的键与上外管体1内部的键槽相平行，动子旋转管3在钻压作用下继续上行至其n/2键进入上外管体1内部的键槽内并继续上行，直至因传扭接头4左端变径斜面与密封接头5右端平面接触而限位。此时，动力旋转管与传扭接头4相对于上外管体1已顺时针旋转了360°/n。当需要继续进行工具面角调整时，可重复上述步骤继续进行上提钻具提离井底并再次下压，以继续顺时针调整360°/n。其中，n为外管体内的管体键槽数量和定子键槽的数量，n/2为动子键槽的数量。

由于动力旋转管与上外管体1的键槽配合，使得需要进行复合钻进时，上部钻具带动上外管体1旋转，同时在键槽配合下上外管体1带动动力旋转管及下部的传扭接头4旋转，传扭接头4进而带动下部井底定向钻具组合旋转。而在滑动钻进时，由于该工具安装于无磁钻铤上部，无磁钻铤下部为驱动钻头旋转的井底动力工具，不影响下部钻具的加压以及钻头的旋转。因而，该工具可同时满足滑动定向钻进与复合钻进的需要。

本说明书中所说的“左”和“右”，均是相对于附图1中的方向。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种全机械式调整定向钻具工具面角的工具，其特征在于，包括外管体、定子旋转管、动子旋转管、传扭接头、密封接头、悬挂单动机构、密封件和复位弹簧；所述外管体一端内壁上设置有锥形内螺纹，所述锥形内螺纹用于与钻具连接；所述外管体另一端内壁上设置有内螺纹，所述内螺纹用于与所述密封接头的外壁相连接；所述复位弹簧设置于所述外管体内靠近所述锥形内螺纹的一端；所述定子旋转管设置于所述外管体内，且所述定子旋转管的一端与所述复位弹簧限位连接；所述外管体内壁与所述定子旋转管之间导向连接；所述动子旋转管的一端伸入所述外管体内，且所述动子旋转管的一端与所述定子旋转管的另一端防转动连接；所述悬挂单动机构设置于所述外管体与所述动子旋转管之间；所述传扭接头一端与所述动子旋转管相连接，所述传扭接头另一端用于与钻具相连接；所述密封件设置于所述密封接头与所述动子旋转管之间。

2.根据权利要求1所述的全机械式调整定向钻具工具面角的工具，其特征在于，所述外管体的内壁从一端至另一端依次为锥形内螺纹段、过渡段、轴向限位段、键槽段、活动腔段、轴承腔段和内螺纹段；

所述锥形内螺纹段设置有所述锥形内螺纹；

所述过渡段从所述锥形内螺纹段至所述轴向限位段的直径逐渐缩小；

所述轴向限位段的直径大于所述过渡段的最小直径，所述轴向限位段用于限制所述复位弹簧的轴向位移；

所述键槽段的内侧壁上沿周向均匀设置有多个管体键槽，所述多个管体键槽的键的部分朝向所述活动腔段的一端设置有第一斜面；所述多个管体键槽与所述定子旋转管相匹配，用于实现所述定子旋转管的轴向滑动并防止所述定子旋转管转动；

所述活动腔段的直径大于所述键槽段的直径；

所述轴承腔段的直径大于所述活动腔段的直径，所述轴承腔段用于安装所述悬挂单动机构；

所述内螺纹段设置有所述内螺纹。

3.根据权利要求1所述的全机械式调整定向钻具工具面角的工具，其特征在于，所述定子旋转管的一端为外径较小的圆管，所述定子旋转管的另一端为外径较大的圆管，所述定子旋转管的另一端的外壁上设置有多个定子键槽，所述多个定子键槽用于与所述外管体相匹配，用于实现所述定子旋转管的轴向滑动并防止所述定子旋转管转动；所述定子旋转管的另一端的端面上设置有沿周向均匀分布的锯齿状结构，所述锯齿状结构用于与所述动子旋转管的端部相匹配。

4.根据权利要求1所述的全机械式调整定向钻具工具面角的工具，其特征在于，所述动子旋转管的一端外壁上设置有多个动子键槽，所述多个动子键槽的键的部分朝向所述定子旋转管的一端设置有第二斜面；所述多个动子键槽的键的部分远离所述定子旋转管的一端设置有向外延伸的限位部；所述动子旋转管的中部沿周向设置有多个通孔；所述动子旋转管的另一端设置有与所述传扭接头相连接的螺纹。

5.根据权利要求4所述的全机械式调整定向钻具工具面角的工具，其特征在于，所述定子旋转管的外壁上设置有多个定子键槽，所述动子旋转管的外壁上设置有所述动子键槽的数量是所述定子键槽数量的一半。

6.根据权利要求4所述的全机械式调整定向钻具工具面角的工具，其特征在于，所述动子键槽的长度小于所述定子键槽的长度。

7.根据权利要求4所述的全机械式调整定向钻具工具面角的工具，其特征在于，所述多个管体键槽的键的部分的一端设置有第一斜面，所述第二斜面的朝向与所述第一斜面的朝向相反。

8.根据权利要求1所述的全机械式调整定向钻具工具面角的工具，其特征在于，所述悬挂单动机构包括两个推力轴承和两个球轴承；所述两个球轴承设置于中部，所述两个推力轴承分别位于所述两个球轴承的两侧。

9.根据权利要求1所述的全机械式调整定向钻具工具面角的工具，其特征在于，所述密封件包括两组耐高温密封圈。

10.根据权利要求1所述的全机械式调整定向钻具工具面角的工具，其特征在于，所述复位弹簧为螺旋弹簧。

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