CN116181228A - 一种旋转导向钻进机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种旋转导向钻井机构,包括钻头、带有泥浆通道的钻铤、多组调节钻头钻进方向的推靠组件、将泥浆通道的泥浆引入指定推靠组件内的通断阀组件,以及调整通断阀组件与推靠组件连通位置的检测控制组件,其中,所述钻铤与所述钻头连接;多组所述推靠组件沿所述钻头的周向间隔布置;所述通断阀组件位于所述钻铤内,并与所述钻头连接;所述检测控制组件固定安装于所述钻铤内。本发明具有结构简单、操作方便,定向钻进精准性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井领域,尤其涉及一种旋转导向钻井机构。
背景技术
旋转导向钻井技术已经广泛应用于石油钻井领域,尤其在页岩油和页岩气的开发勘探过程中,其提高了井眼质量及钻井速度,降低了钻井成本,减少了钻井事故,满足了水平井、多分支井、大位移井等高难度井的钻井需求。在钻井过程中,旋转导向钻井机构可以根据井眼轨迹的需要,连续、自动、实时的调节井斜和方位,实现高精度轨迹控制。
但现有的旋转导向钻井机构通常采用带非旋转套的推靠式旋转导向方式,在遇到较软地层时,现有结构的推靠翼肋容易陷入地层,其不仅降低了造斜率,且提高了井下卡钻风险;推靠翼肋安装在非旋转套上,由于机械结构空间的限制,推靠翼肋距离钻头达0.5米左右,其造斜率受到限制。同时,现有的旋转导向钻井机构采用独立的液压模块驱动各推靠翼肋伸缩,其结构复杂,制造及后期维护费用高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种结构简单、操作方便,定向钻进精准性高的旋转导向钻井机构。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种旋转导向钻井机构,包括钻头、带有泥浆通道的钻铤、多组调节钻头钻进方向的推靠组件、将泥浆通道的泥浆引入指定推靠组件内的通断阀组件,以及调整通断阀组件与推靠组件连通位置的检测控制组件,其中,所述钻铤与所述钻头连接;多组所述推靠组件沿所述钻头的周向间隔布置;所述通断阀组件位于所述钻铤内,并与所述钻头连接;所述检测控制组件固定安装于所述钻铤内。
作为上述技术方案的进一步改进:
所述通断阀组件包括旋转轴、随旋转轴转动的旋转盘,以及随钻头转动的固定盘,所述旋转盘和所述固定盘套设于所述旋转轴上;所述旋转盘设有一个旋转盘过浆孔,所述固定盘设有与所述推靠组件数量相同的固定盘过浆孔;所述旋转轴驱动所述旋转盘过浆孔转动至指定推靠组件的连通位置;所述固定盘过浆孔转动至与所述旋转盘过浆孔连通时,所述泥浆通道的泥浆进入指定所述推靠组件内。
所述通断阀组件还包括限位盘和压紧环,所述旋转盘设于所述固定盘与所述限位盘之间,且通过设于限位盘一侧的压紧环轴向限位;所述限位盘随所述钻头转动,且所述限位盘设有多个与所述固定盘过浆孔一一对应设置的限位盘过浆孔。
还包括与钻头固定连接的连接座,所述连接座包括盘体安装部和泥浆过流部,其中,所述旋转盘、所述固定盘和所述限位盘均安装于所述盘体安装部内;所述泥浆过流部设有多个与推靠组件数量相同的分流孔,所述钻头设有多个延伸至各推靠组件底端的轴向过浆孔,各所述分流孔的两端分别连通对应的所述固定盘过浆孔和所述轴向过浆孔。
所述推靠组件包括活塞部件,所述活塞部件包括从外至内依次套设的活塞套、活塞和活塞喷嘴,其中,所述活塞喷嘴内设有沿所述钻头中心至外周依次设置的大径入口段、锥形过渡段和小径出口段,以在泥浆进入推靠组件时产生压差;所述活塞在压差作用下沿所述活塞套的轴向移动,所述活塞套与所述活塞之间设有防止活塞脱出的轴向限位部。
所述推靠组件还包括活塞盖板,所述活塞盖板固定安装于所述钻头上并压紧所述活塞套;所述活塞盖板设有供所述活塞穿过的贯通孔。
所述检测控制组件包括姿态传感器单元、控制电路、驱动电机和数据上传单元,其中,所述控制电路接收所述姿态传感器单元的地层检测值、并通过所述数据上传单元传输至地面;所述控制电路根据地面下传的地面指令控制所述驱动电机旋转;所述驱动电机与所述通断阀组件连接,以调整所述通断阀组件与所述推靠组件的连通位置。
所述检测控制组件还包括由泥浆带动的发电机,所述泥浆通道的泥浆流量大小通过地面指令控制,以调节所述发电机转子的转速;所述控制电路根据所述发电机转子的转速解码地面指令,以控制所述驱动电机的转速及转向。
所述姿态传感器单元包括加速度计、磁位计、转速陀螺、温度传感器和传感器采集电路,其中,所述加速度计检测钻井机构的井斜和工具面,所述磁位计检测钻井机构的方位,所述转速陀螺检测钻井机构的转速,所述温度传感器检测转速陀螺的温度以补偿转速陀螺转速误差,所述传感器采集电路采集各检测数据并发送给所述控制电路。
所述检测控制组件还包括安装骨架和两个设于安装骨架两端的支撑座,所述安装骨架通过所述支撑座固定安装于所述钻铤的中部,所述支撑座上设有供泥浆通过的支撑座过浆孔;所述姿态传感器单元、控制电路、驱动电机和数据上传单元均设于所述安装骨架内;所述发电机的转子套设于所述安装骨架外,所述发电机的定子设于所述安装骨架内。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
本发明采用泥浆直接提供推靠组件的伸缩动力来源,避免了设置独立液压系统结构复杂、成本高的问题;同时,通断阀组件的设置可将泥浆通道的泥浆引入指定的推靠组件内,检测控制组件的设置可调整通断阀组件与推靠组件的连通位置,即本发明通过通断阀组件和检测控制组件组合设置的形式可控制泥浆流入指定推靠组件的下方,其使得推靠组件在地层的给定方位推靠井壁,有效实现钻头沿固定方向的偏转,达到定向钻进的目的,其操作方便、安全可靠性高,且通断阀组件和检测控制组件均安装于钻铤内,其结构紧凑、占用空间小。
本发明的推靠组件沿钻头的周向间隔布置,即将推靠组件设置在钻头上,其避免了推靠组件设置在钻铤时无法精确控制轨迹的问题,其使得钻井轨迹控制更加精准,且提高了钻井机构的理论造斜率。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中:
图1是本发明旋转导向钻井机构的立体示意图。
图2是本发明旋转导向钻井机构的剖视图。
图3是本发明推靠组件的剖视图。
图4是本发明通断阀组件的分解示意图。
图5是本发明连接座的剖视图。
图中各标号表示:
1、钻头;11、轴向过浆孔;2、钻铤;21、泥浆通道;3、推靠组件;31、活塞套;32、活塞;33、活塞喷嘴;331、大径入口段;332、锥形过渡段;333、小径出口段;34、轴向限位部;341、活塞限位台阶;342、活塞套限位台阶;35、活塞盖板;4、通断阀组件;41、旋转轴;42、旋转盘;421、旋转盘过浆孔;43、固定盘;431、固定盘过浆孔;44、限位盘;441、限位盘过浆孔;45、压紧环;5、检测控制组件;51、姿态传感器单元;52、控制电路;53、驱动电机;54、数据上传单元;55、发电机;551、转子;552、定子;55、安装骨架;56、支撑座;561、支撑座过浆孔;6、连接座;61、盘体安装部;62、泥浆过流部;621、分流孔;7、限位部件;71、多边形通孔;72、多边形卡部。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明,但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示,本实施例的旋转导向钻井机构,包括钻头1、钻铤2、通断阀组件4、检测控制组件5和多组推靠组件3。其中,钻铤2内部设有泥浆通道21;钻铤2与钻头1连接,以随钻头1转动;多组推靠组件3沿钻头1的周向间隔布置,用于调节钻头1的钻进方向;通断阀组件4位于钻铤2内,且通断阀组件4与钻头1连接,用于将泥浆通道21的泥浆引入指定推靠组件3内;检测控制组件5固定安装于钻铤2内,用于调整通断阀组件4与推靠组件3的连通位置。其结构紧凑、占用空间小。
本发明采用泥浆直接提供推靠组件3的伸缩动力来源,避免了设置独立液压系统结构复杂、成本高的问题;同时,通断阀组件4的设置可将泥浆通道21的泥浆引入指定的推靠组件3内,检测控制组件5的设置可调整通断阀组件4与推靠组件3的连通位置,即本发明通过通断阀组件4和检测控制组件5组合设置的形式可控制泥浆流入指定推靠组件3的下方,其使得推靠组件3在地层的给定方位推靠井壁,有效实现钻头1沿固定方向的偏转,达到定向钻进的目的,其操作方便、安全可靠性高。
同时,推靠组件3沿钻头1的周向间隔布置,即将推靠组件3设置在钻头1上,其避免了推靠组件3设置在钻铤2时无法精确控制轨迹的问题,其使得钻井轨迹控制更加精准,且提高了钻井机构的理论造斜率。
如图4所示,通断阀组件4包括旋转轴41、旋转盘42和固定盘43。旋转盘42和固定盘43套设于旋转轴41上,旋转盘42随旋转轴41转动,固定盘43随钻头1转动;同时,旋转盘42设有一个旋转盘过浆孔421,固定盘43设有多个固定盘过浆孔431,且固定盘过浆孔431的设置数量与推靠组件3的数量相同,且固定盘过浆孔431与推靠组件3一一对应连通。其结构紧凑、占用空间小,可在钻铤2有限空间内布置、实现泥浆通断功能。
在定向钻进时,旋转轴41驱动旋转盘过浆孔421转动至指定推靠组件3的连通位置;当钻头1带动固定盘过浆孔431转动至与旋转盘过浆孔421连通时,泥浆通道21的泥浆通过旋转盘过浆孔421、固定盘过浆孔431进入指定推靠组件3内,其实现了指定推靠组件3的有效推出,达到了定向钻进的目的,且操作方便、效率高。
进一步地,通断阀组件4还包括限位盘44和压紧环45。旋转盘42设于固定盘43与限位盘44之间,旋转盘42的两端与固定盘43和限位盘44之间留有间隙,旋转盘42通过设于限位盘44一侧的压紧环45轴向限位,其在限制旋转盘42轴向位移的同时,可避免各盘体在旋转时相互干涉问题的发生。
同时,限位盘44和固定盘43均随钻头1转动,限位盘44设有多个限位盘过浆孔441,限位盘过浆孔441的设置数量与固定盘过浆孔431的设置数量相同;同时,限位盘过浆孔441的一端与固定盘过浆孔431一一对应设置,限位盘过浆孔441的另一端连通泥浆通道21。在旋转盘过浆孔421与限位盘过浆孔441连通时,泥浆通道21的泥浆从限位盘过浆孔441流入固定盘过浆孔431中,以达到泥浆过流的目的。
进一步地,旋转轴41与旋转盘42之间设有限位部件7。限位部件7包括多边形通孔71和多边形卡部72,多边形通孔71设于旋转盘42上,多边形卡部72设于旋转轴41上,多边形通孔71和多边形卡部72相互卡接配合,以使旋转盘42随旋转轴41转动。
如图2和图5所述,旋转导向钻井机构还包括连接座6。连接座6与钻头1固定连接,并随钻头1转动。连接座6包括盘体安装部61和泥浆过流部62,其中,盘体安装部61设置有圆柱形安装槽,旋转盘42、固定盘43和限位盘44均安装于圆柱形安装槽内,且固定盘43和限位盘44均螺接于圆柱形安装槽内,以随钻头1转动。
同时,泥浆过流部62设有多个分流孔621,钻头1设有多个轴向过浆孔11,分流孔621和轴向过浆孔11的设置数量均与推靠组件3的设置数量相同。分流孔621的两端分别连通对应的固定盘过浆孔431和轴向过浆孔11,轴向过浆孔11的另一端延伸至各推靠组件3的底端。当通断阀组件4开启时,泥浆通道21的泥浆通过通断阀组件4进入分流孔621和轴向过浆孔11,从而将推靠组件3推出。
本实施例中,推靠组件3为三组,三组推靠组件3沿钻头1的周向均匀分布。同时,轴向过浆孔11、分流孔621、固定盘过浆孔431及限位盘过浆孔441均设置为三个,在旋转盘过浆孔421转至与其中一固定盘过浆孔431连通时,泥浆通道21与推靠组件3之间形成供泥浆通过的过浆流道。在其他实施例中,推靠组件3的设置数量可根据实际情况进行调整,如可设置为四组、五组等,此时,轴向过浆孔11、分流孔621、固定盘过浆孔431及限位盘44的设置数量进行相应调整。
如图2和图3所示,推靠组件3包括活塞部件。活塞部件包括活塞套31、活塞32和活塞喷嘴33。其中,活塞套31、活塞32和活塞喷嘴33从外至内依次套设设置,活塞32可沿活塞套31的轴向移动,活塞喷嘴33固定安装于活塞32内。活塞喷嘴33内设有大径入口段331、锥形过渡段332和小径出口段333,大径入口段331、锥形过渡段332和小径出口段333沿钻头1中心至外周依次设置,且大径入口段331与对应的轴向过浆孔11连通。本发明活塞喷嘴33的泥浆喷射孔设置形式使得泥浆在进入推靠组件3时产生压差,使得活塞32在压差作用下沿活塞套31轴向移动,以推出抵靠井壁、实现定向钻进功能。
同时,活塞套31与活塞32之间设有轴向限位部34,以避免活塞32在移动时脱出。进一步地,轴向限位部34包括设于活塞32上的活塞限位台阶341,以及设于活塞套31上的活塞套限位台阶342,在活塞32沿活塞套31轴向移动至一定位置时,活塞限位台阶341与活塞套限位台阶342限位配合,以防止活塞32脱出、提高定向钻进的安全可靠性。
本实施例中,各推靠组件3的活塞部件均为两组,两组活塞部件沿钻头1的轴向排列布置,以保证提供足够的推靠作用力,提高定向钻进效果。在其他实施例中,各推靠组件3的活塞部件的设置数量可根据实际情况进行设置,如可设置为三组、四组等。
本实施例中,活塞喷嘴33为耐冲蚀喷嘴,以有效减少泥浆对活塞32的冲蚀,通过更换活塞喷嘴33即可实现活塞部件的更换维护,其提高了活塞部件的使用寿命,且维护成本低。同时,活塞喷嘴33螺接于活塞32内,可方便更换。
进一步地,推靠组件3还包括活塞盖板35。活塞盖板35通过紧固件固定安装于钻头1上,且活塞盖板35压紧活塞套31,以防止活塞套31脱出掉落现象的发生;活塞盖板35设有贯通孔,以供活塞32穿过推靠至井壁。
如图2所示,检测控制组件5包括姿态传感器单元51、控制电路52、驱动电机53和数据上传单元54。其中,控制电路52接收姿态传感器单元51的地层检测值、并通过数据上传单元54传输至地面,之后,将地层检测值与设计值进行比较以计算出调整值,根据调整值发送地面指令;控制电路52根据地面下传的地面指令控制驱动电机53旋转;驱动电机53与通断阀组件4的旋转轴41驱动连接,以控制旋转轴41转动至旋转盘过浆孔421与指定的推靠组件3对应,其实现了钻进转向功能的精准调节。
进一步地,检测控制组件5还包括发电机55,发电机55包括转子551和定子552。泥浆循环带动转子551转动,此时,发电机55发电,经整流后,可为控制电路52、姿态传感器单元51、数据上传单元54和驱动电机53提供电能。同时,地面指令通过泥浆流量控制发电机55转速,控制电路52有检测发电机55转速的检测部件,通过检测发电机55转速的变化解码地面指令,控制电路52根据解码控制驱动电机53的转向和转速,以实现推靠方向的快速、精准调节。
本实施例中,姿态传感器单元51包括加速度计、磁位计、转速陀螺、温度传感器和传感器采集电路。其中,加速度计检测钻井机构的井斜和工具面;磁位计检测钻井机构的方位;转速陀螺检测钻井机构的转速;温度传感器检测转速陀螺的温度,以根据测试温度增加或减少相应的温漂转速差,以补偿温度带来的转速陀螺转速误差,保证检测结果的准确性。同时,传感器采集电路采集各检测数据并发送给控制电路52,控制电路52将收到的各检测数据发送至数据上传单元54,并由数据上传单元54通过无线的方式传递给钻铤2上方的脉冲器,再通过脉冲器传输至地面。姿态传感器单元51的各传感检测器的设置保证了各地层检测值的检测准确性,提高了后续定向钻进功能的精准控制。
如图1和图2所示,检测控制组件5还包括安装骨架55和两个支撑座56。其中,两个支撑座56分设于安装骨架55的两端,安装骨架55通过支撑座56固定安装于钻铤2的中部,以随钻铤2同步旋转;同时,支撑座56上设有支撑座过浆孔561,以供泥浆有效通过。姿态传感器单元51、控制电路52、驱动电机53和数据上传单元54均设于安装骨架55内,发电机55的转子551套设于安装骨架55外,发电机55的定子552设于安装骨架55内,其布局紧凑、占用空间小。
在定向钻进时,控制电路52根据地面指令控制驱动电机53旋转,此时,旋转盘42的旋转盘过浆孔421旋转到相对于地层的给定方位,以对应指定的推靠组件3,之后,控制电路52控制驱动电机53使旋转盘过浆孔421固定在上述给定方位。此时,固定盘43、限位盘44和连接座6随钻头1一起相对于地层旋转,当固定盘43上的其中一个固定盘过浆孔431旋转到旋转盘过浆孔421的位置时,一限位盘过浆孔441、旋转盘过浆孔421、一个固定盘过浆孔431以及一个分流孔621连通,泥浆通道21的泥浆从上述孔中通过并进入一组推靠组件3的底端;泥浆从活塞喷嘴33流出,由于活塞喷嘴33的入口直径大于出口直径,且活塞喷嘴33内的泥浆压力高于钻头1外的环空压力,因此,产生的高液压力将活塞32推出。当固定盘43继续旋转,固定盘过浆孔431与旋转盘过浆孔421错开后,对应的推靠组件3内不再有泥浆流入,活塞32内的液压力与钻头1外的环空压力相等,此时,活塞32在外部推力的作用下收回。当固定盘43的另一个固定盘过浆孔431与旋转盘过浆孔421连通时,对应的活塞32推出;之后,随着固定盘43的继续旋转,对应的活塞32收回。
如未收到地面指令,旋转盘42相对地层保持不动,钻头1相对地层旋转以带动固定盘43和限位盘44转动,此时,同一推靠组件3的活塞32被反复推出,以实现某一方向的定向钻进。当收到地面指令时,旋转盘42的旋转盘过浆孔421将相对地层旋转到相对于地层的给定方位,以对应指定的推靠组件3,实现钻进改向,从而使钻头1准确、快速的到达目标地层。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述,但在不脱离本发明的范围的情况下,可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是,只要不存在结构冲突,各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例,而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种旋转导向钻井机构,其特征在于,包括钻头、带有泥浆通道的钻铤、多组调节钻头钻进方向的推靠组件、将泥浆通道的泥浆引入指定推靠组件内的通断阀组件,以及调整通断阀组件与推靠组件连通位置的检测控制组件,其中,所述钻铤与所述钻头连接;多组所述推靠组件沿所述钻头的周向间隔布置;所述通断阀组件位于所述钻铤内,并与所述钻头连接;所述检测控制组件固定安装于所述钻铤内。
2.根据权利要求1所述的旋转导向钻井机构,其特征在于,所述通断阀组件包括旋转轴、随旋转轴转动的旋转盘,以及随钻头转动的固定盘,所述旋转盘和所述固定盘套设于所述旋转轴上;所述旋转盘设有一个旋转盘过浆孔,所述固定盘设有与所述推靠组件数量相同的固定盘过浆孔;所述旋转轴驱动所述旋转盘过浆孔转动至指定推靠组件的连通位置;所述固定盘过浆孔转动至与所述旋转盘过浆孔连通时,所述泥浆通道的泥浆进入指定所述推靠组件内。
3.根据权利要求2所述的旋转导向钻井机构,其特征在于,所述通断阀组件还包括限位盘和压紧环,所述旋转盘设于所述固定盘与所述限位盘之间,且通过设于限位盘一侧的压紧环轴向限位;所述限位盘随所述钻头转动,且所述限位盘设有多个与所述固定盘过浆孔一一对应设置的限位盘过浆孔。
4.根据权利要求3所述的旋转导向钻井机构,其特征在于,还包括与钻头固定连接的连接座,所述连接座包括盘体安装部和泥浆过流部,其中,所述旋转盘、所述固定盘和所述限位盘均安装于所述盘体安装部内;所述泥浆过流部设有多个与推靠组件数量相同的分流孔,所述钻头设有多个延伸至各推靠组件底端的轴向过浆孔,各所述分流孔的两端分别连通对应的所述固定盘过浆孔和所述轴向过浆孔。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的旋转导向钻井机构,其特征在于,所述推靠组件包括活塞部件,所述活塞部件包括从外至内依次套设的活塞套、活塞和活塞喷嘴,其中,所述活塞喷嘴内设有沿所述钻头中心至外周依次设置的大径入口段、锥形过渡段和小径出口段,以在泥浆进入推靠组件时产生压差;所述活塞在压差作用下沿所述活塞套的轴向移动,所述活塞套与所述活塞之间设有防止活塞脱出的轴向限位部。
6.根据权利要求5所述的旋转导向钻井机构,其特征在于,所述推靠组件还包括活塞盖板,所述活塞盖板固定安装于所述钻头上并压紧所述活塞套;所述活塞盖板设有供所述活塞穿过的贯通孔。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的旋转导向钻井机构,其特征在于,所述检测控制组件包括姿态传感器单元、控制电路、驱动电机和数据上传单元,其中,所述控制电路接收所述姿态传感器单元的地层检测值、并通过所述数据上传单元传输至地面;所述控制电路根据地面下传的地面指令控制所述驱动电机旋转;所述驱动电机与所述通断阀组件连接,以调整所述通断阀组件与所述推靠组件的连通位置。
8.根据权利要求7所述的旋转导向钻井机构,其特征在于,所述检测控制组件还包括由泥浆带动的发电机,所述泥浆通道的泥浆流量大小通过地面指令控制,以调节所述发电机转子的转速;所述控制电路根据所述发电机转子的转速解码地面指令,以控制所述驱动电机的转速及转向。
9.根据权利要求7所述的旋转导向钻井机构,其特征在于,所述姿态传感器单元包括加速度计、磁位计、转速陀螺、温度传感器和传感器采集电路,其中,所述加速度计检测钻井机构的井斜和工具面,所述磁位计检测钻井机构的方位,所述转速陀螺检测钻井机构的转速,所述温度传感器检测转速陀螺的温度以补偿转速陀螺转速误差,所述传感器采集电路采集各检测数据并发送给所述控制电路。
10.根据权利要求8所述的旋转导向钻井机构,其特征在于,所述检测控制组件还包括安装骨架和两个设于安装骨架两端的支撑座,所述安装骨架通过所述支撑座固定安装于所述钻铤的中部,所述支撑座上设有供泥浆通过的支撑座过浆孔;所述姿态传感器单元、控制电路、驱动电机和数据上传单元均设于所述安装骨架内;所述发电机的转子套设于所述安装骨架外,所述发电机的定子设于所述安装骨架内。
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