CN116291247A - 一种基于钻柱转速控制的复合导向工具及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于钻柱转速控制的复合导向钻井工具及方法，包括上接头、联轴器A、轴承组A、泵转子、泵定子、分流器壳体、分流杆、固定套、连接杆、马达转子、马达定子、轴承组B、联轴器B以及下接头；所述上接头下端与泵定子上端通过轴承组A连接；泵定子、分流器壳体、马达定子从上到下依次连接；下接头上端与马达定子下端通过轴承组B连接；分流杆下端与固定套连接；马达转子上端与连接杆下端通过螺纹连接，马达转子下端通过联轴器B与下接头的内壁连接。本发明将低成本滑动导向钻井与高效旋转钻井的优点相结合，搭配常规弯外壳螺杆钻具，实现了水平井快速滑动导向钻井与高效减阻的双重目标，复合导向钻井工具拥有很好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于钻柱转速控制的复合导向工具及方法，属于油气资源钻井工具技术领域。
背景技术
我国页岩气储量丰富，水平井是实现页岩气等非常规油气资源规模效益开发的重要手段。水平井钻井普遍面临钻柱摩阻高、定向“托压”严重等问题，目前已经成为制约页岩油气水平井优快钻井的技术瓶颈之一，旋转导向系统虽能一定程度解决该问题，但由于其使用成本高等因素，该系统尚未在国内现场广泛应用。
目前国内所公开的文献中，专利CN115467907通过钻井液排量驱动其工具内部的电气系统工作，电气系统通过控制工具内部流体的流动方向，实现了电气控制上下钻柱扭矩的分离与啮合，由于该工具的离合系统采用了花键啮合的方式，存在内外啮合齿状结构在不旋转情况下的随机有效啮合问题，同时电气部件在井下的适应性较低，导致工具在井下的可靠性不能得到保障。类似的，专利CN111411904也同样存在上述两个问题。专利CN114293913通过三组并联的涡轮结构实现了上下钻柱扭矩的离合功能，其结构简单，由于涡轮结构所输出的扭矩有限，可能存在输出扭矩过小，下部钻柱无法克服井壁摩阻，从而导致下部钻柱无法转动的问题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明旨在提供一种基于钻柱转速控制的复合导向工具及方法。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种基于钻柱转速控制的复合导向工具，包括上接头、联轴器A、轴承组A、泵转子、具有泵空腔的泵定子、具有分流空腔的分流器壳体、分流杆、固定套、具有内部流道的连接杆、具有转子流道的马达转子、具有螺杆状空腔的马达定子、轴承组B、联轴器B、下接头以及T形轴；
所述上接头下端与泵定子上端通过轴承组A连接；所述泵定子、分流器壳体、马达定子从上到下依次连接；所述下接头上端与马达定子下端通过轴承组B连接；
所述泵转子安装在泵定子内，其上端通过联轴器A与上接头的内壁连接；
所述分流杆安装在分流器壳体内部，且分流杆内轴向设有大径流道、小截面流道、小径流道，径向设有与大径流道相通的通孔；
所述分流空腔包括从上到下依次连通的连通空腔、安装空腔、大空腔，所述安装空腔的内壁上径向设有活塞滑道，所述活塞滑道内设有活塞、弹簧以及与分流空腔相通的小孔，所述活塞一端压缩弹簧，另一端堵塞通孔；
所述T形轴上端通过固定套安装在分流杆下端内；
所述T形轴、连接杆、马达转子依次连接并安装在马达定子内；所述马达转子下端设有与转子流道相通的排液孔；
所述马达转子通过联轴器B与下接头的内壁连接；
所述泵定子的泵空腔下部、分流器壳体的连通空腔以及分流杆的大径流道依次相通形成高压腔；
所述分流器壳体与分流杆之间的环空和所述马达定子分别分流杆、固定套、连接杆、马达转子之间的环空从上到下依次相通形成环形高压腔；
所述分流杆的小径流道、T形轴的内部流道、连接杆的内部流道以及马达转子的转子流道依次相通形成低压流道。
进一步的技术方案是，所述上接头、下接头的内腔内均设有连接构件，所述联轴器A、联轴器B分别与上接头、下接头内的连接构件连接。
进一步的技术方案是，所述上接头、下接头内均径向均布2个连接构件。
进一步的技术方案是，所述上接头下端与泵定子上端通过轴承组A过盈配合轴向固定连接，允许上接头能够相对泵定子转动；
进一步的技术方案是，所述马达定子下端与下接头上端通过轴承组B过盈配合轴向固定连接，允许马达定子能够相对于下接头转动。
进一步的技术方案是，所述分流器壳体两端与泵定子、马达定子之间均为螺纹连接。
进一步的技术方案是，所述泵转子与上接头1具有偏心距，所述马达转子13与下接头也具有偏心距。
进一步的技术方案是，所述联轴器A包括联轴器壳体和分别安装在联轴器壳体两端的十字轴A、十字轴B。
进一步的技术方案是，所述轴承组A的底部、轴承组B的顶部分别设有轴承密封圈A、轴承密封圈B。
一种基于钻柱转速控制的复合导向工具的导向方法，包括以下步骤：
S1、将钻头、螺杆钻具、随钻测量工具、无磁钻铤、复合导向工具、钻杆依次连接并放入井下；
S2、驱动顶驱或转盘转动，扭矩传递至上接头，扭矩再传递至泵转子，在泵转子转动的过程中，由泵转子和泵定子所组成的螺杆泵不断向高压腔输送钻井液，高压腔内所有液体均经过低压流道流向下部钻柱；
S3、当需要采用复合钻井方式进行水平段钻进时，井口工作人员将顶驱或转盘转速升高，这时泵转子和泵定子所组成的螺杆泵输出至高压腔的钻井液流量升高，钻井液在经过分流杆内的小截面流道时，钻井液受到大阻力，高压腔内钻井液压力升高，高压腔内部的高压钻井液推动活塞向两侧运动，从而使得高压腔与环形高压腔连通，钻井液经过环形高压腔，驱动马达转子转动，进而带动下部钻柱转动；
S4、当需要采用复合钻井模式进行造斜钻进时，井口工作人员将顶驱或转盘转速降低，泵转子与泵定子所形成螺杆泵输出的钻井液流量降低，高压腔内钻井液压力降低，在弹簧的作用下，活塞恢复到初始状态，高压腔与环形高压腔之间的流道关闭，高压腔内所有钻井液经过低压流道流向下部钻柱，进而使得马达转子保持静止状态，从而使得下部钻柱相对于井壁保持静止，进而实现上部旋转的同时，下部钻柱保持滑动钻进。
本发明具有以下有益效果：本发明能够综合滑动导向低成本的特点与旋转导向高钻速、高钻井效率的特点，能够实现在绝大部分的钻柱在旋转的前提下，保留井下螺杆钻具滑动导向的方法及复合导向工具具有很好的经济效益。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中上接头与图1径向成90°角的剖面视图；
图3为本发明图1联轴器结构示意图；
图4为本发明中图1分流杆剖面视图。
图中所示：1-上接头、2-联轴器A、3-轴承组A、4-轴承密封圈A、5-泵转子、6-泵定子、7-活塞、8-弹簧、9-分流器壳体、10-分流杆、11-固定套、12-连接杆、13-马达转子、14-马达定子、15-轴承密封圈B、16-轴承组B、17-联轴器B、18-下接头、19-T形轴、101-高压腔、102-环形高压腔、103-低压流道、201-十字轴A、202-联轴器壳体、203-十字轴B。
实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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1-4所示，本发明的一种基于钻柱转速控制的复合导向工具，包括上接头1、联轴器A2、轴承组A3、泵转子5、具有泵空腔的泵定子6、具有分流空腔的分流器壳体9、分流杆10、固定套11、具有内部流道的连接杆12、具有转子流道的马达转子13、具有螺杆状空腔的马达定子14、轴承组B16、联轴器B17、下接头18以及具有内部流道的T形轴19；
所述上接头1下端与泵定子6上端通过轴承组A3过盈配合轴向固定连接，允许上接头1能够相对泵定子6转动；所述泵定子6、分流器壳体9、马达定子14从上到下依次螺纹连接；所述马达定子14下端与下接头18上端通过轴承组B16过盈配合轴向固定连接，允许马达定子14能够相对于下接头18转动；
所述泵转子5安装在泵定子6内，其上端通过联轴器A2与上接头1的内壁连接；
所述分流杆10安装在分流器壳体9内部，且分流杆10内轴向设有依次连通的大径流道、小截面流道、小径流道，径向设有与大径流道相通的通孔；
所述分流空腔包括从上到下依次连通的连通空腔、安装空腔、大空腔，所述安装空腔的内壁上径向设有活塞滑道，所述活塞滑道内设有活塞7、弹簧8以及与分流空腔相通的小孔，所述活塞7一端压缩弹簧，另一端堵塞通孔；
所述T形轴19上端通过固定套11安装在分流杆10下端内；所述分流杆10的下端内腔具有带内螺纹的T形孔，所述固定套11具有外螺纹，且套在所述T形轴19上，所述T形轴19上端通过固定套11安装在分流杆10下端内，即是固定套11螺纹连接在T形孔内，将T形轴19固定在分流杆10下端内；所述T形孔限制了T形轴19的轴向运动，同时允许T形轴19上端在T形孔内周向转动；
所述T形轴19、连接杆12、马达转子13依次连接并安装在马达定子14内；所述马达转子13下端设有与转子流道相通的排液孔；
所述马达转子13下端通过联轴器B17与下接头18的内壁连接；
所述泵定子6的泵空腔下部、分流器壳体9的连通空腔以及分流杆10的大径流道依次相通形成高压腔101；
所述分流器壳体9与分流杆10之间的环空和所述马达定子14分别分流杆10、轴向固定件11、离合杆12、马达转子13之间的环空从上到下依次相通形成环形高压腔102；
所述分流杆10的小径流道、离合杆12的离合流道以及马达转子13的转子流道依次相通形成低压流道103。
在本实施例中，如图1和2所示，所述联轴器A2包括联轴器壳体202和分别安装在联轴器壳体202两端的十字轴A201、十字轴B203根据权利要求1所述的一种基于钻柱转速控制的复合导向工具，其特征在于，所述上接头1、下接头18内均径向均布2个连接构件，所述联轴器A2、联轴器B17分别与上接头1、下接头18内的连接构件连接。
在本实施例中，如图1所示，为了提高密封效果，优选的实施方式是，所述轴承组A3的底部、轴承组B16的顶部分别设有轴承密封圈A4、轴承密封圈B15。
本发明的工作状态包括单钻井和复合钻井；
其中单钻井状态是上接头1具有较低的转速，钻井液依次通过上接头1内腔、泵定子6的内腔、分流杆10的流道、下接头18的内腔；
其中复合钻井状态是上接头1具有较高的转速，使得分流杆10的大径流道具有较高的液压，从而推动活塞7径向移动，最终改变钻井液的液路，具体钻井液的液路在分流杆10的大径流道处分为两股，其中一股也是依次通过分流杆10的流道、下接头18的内腔；另一股则经过活塞滑道、小孔流到环形高压腔102内，从而驱动马达转子转动，进而带动下部钻柱转动。
本发明复合导向工具的具体导向方法，具体包括以下步骤：
S1、将钻头、螺杆钻具、随钻测量工具、无磁钻铤、复合导向工具、钻杆依次连接并放入井下；
S2、驱动顶驱或转盘以30r/min的转速转动，扭矩传递至上接头1，扭矩再传递至泵转子5，这时泵转子5也以30r/min左右转速的转动，在泵转子5转动的过程中，由泵转子5和泵定子6所组成的螺杆泵不断向高压腔101输送钻井液，由于泵转子5的转速相对较低，高压腔102内的液体在通过分流杆10内的小截面流道时，钻井液受到的流动阻力较低，这个时候高压腔101内的液体压力较低，不足以推动安装在分流器壳体8内的活塞7运动，高压腔101内所有液体均经过低压流道103流向下部钻柱。
S3、当需要采用复合钻井方式进行水平段钻进时，即全井钻柱处于旋转状态，以进一步降低摩阻的影响，井口工作人员将顶驱或转盘转速提升至60r/min，泵转子6以60r/min左右转速的转动，这时泵转子5和泵定子6所组成的螺杆泵输出至高压腔101的钻井液流量升高至较高水平，钻井液在经过分流杆10内的小截面流道时，钻井液受到了较大阻力，这是高压腔101内钻井液压力升高，而流过小截面流道的钻井液流速升高，使得流向低压流道103的钻井液压力较低，这部分钻井液经过马达转子13内部流道流向下部钻柱，而高压腔101内部的高压钻井液推动活塞7向两侧运动，这时高压腔101与环形高压腔102连通，较高压力的钻井液经过环形高压腔102，驱动马达转子转动，进而带动下部钻柱转动。
S4、当需要采用复合钻井模式进行造斜钻进时，需要下部钻柱保持滑动状态，以稳定工具面，井口工作人员将顶驱或转盘转速降低至30r/min，泵转子5与泵定子6所形成螺杆泵输出的钻井液流量降低，高压腔101内钻井液压力降低，在弹簧8的作用下，活塞7恢复到S1所述状态，高压腔101与环形高压腔102之间的流道关闭，高压腔101内所有钻井液经过低压流道103流向下部钻柱，由于环形高压腔102内没有流体输入，马达转子13没有了动力来源，进而使得马达转子保持静止状态，从而使得下部钻柱相对于井壁保持静止，进而实现上部旋转的同时，下部钻柱保持滑动钻进。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种基于钻柱转速控制的复合导向工具，其特征在于，包括上接头(1)、联轴器A(2)、轴承组A(3)、泵转子(5)、具有泵空腔的泵定子(6)、具有分流空腔的分流器壳体(9)、分流杆(10)、固定套(11)、具有内部流道的连接杆(12)、具有转子流道的马达转子(13)、具有螺杆状空腔的马达定子(14)、轴承组B(16)、联轴器B(17)、下接头(18)以及T形轴(19)；
所述上接头(1)下端与泵定子(6)上端通过轴承组A(3)连接；所述泵定子(6)、分流器壳体(9)、马达定子(14)从上到下依次连接；所述下接头(18)上端与马达定子(14)下端通过轴承组B(16)连接；
所述泵转子(5)安装在泵定子(6)内，其上端通过联轴器A(2)与上接头(1)的内壁连接；
所述分流杆(10)安装在分流器壳体(9)内部，且分流杆(10)内轴向设有大径流道、小截面流道、小径流道，径向设有与大径流道相通的通孔；
所述分流空腔包括从上到下依次连通的连通空腔、安装空腔、大空腔，所述安装空腔的内壁上径向设有活塞滑道，所述活塞滑道内设有活塞(7)、弹簧(8)以及与分流空腔相通的小孔，所述活塞(7)一端压缩弹簧，另一端堵塞通孔；
所述T形轴(19)上端通过固定套(11)安装在分流杆(10)下端内；
所述T形轴(19)、连接杆(12)、马达转子(13)依次连接并安装在马达定子(14)内；所述马达转子(13)下端设有与转子流道相通的排液孔；
所述马达转子(13)通过联轴器B(17)与下接头(18)的内壁连接；
所述泵定子(6)的泵空腔下部、分流器壳体(9)的连通空腔以及分流杆(10)的大径流道依次相通形成高压腔(101)；
所述分流器壳体(9)与分流杆(10)之间的环空和所述马达定子(14)分别分流杆(10)、固定套(11)、连接杆(12)、马达转子(13)之间的环空从上到下依次相通形成环形高压腔(102)；
所述分流杆(10)的小径流道、T形轴(19)的内部流道、连接杆(12)的内部流道以及马达转子(13)的转子流道依次相通形成低压流道(103)。
2.根据权利要求1所述的一种基于钻柱转速控制的复合导向工具，其特征在于，所述上接头(1)、下接头(18)的内腔内均设有连接构件，所述联轴器A(2)、联轴器B(17)分别与上接头(1)、下接头(18)内的连接构件连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于钻柱转速控制的复合导向工具，其特征在于，所述上接头(1)、下接头(18)内均径向均布2个连接构件。
4.根据权利要求1所述的一种基于钻柱转速控制的复合导向工具，其特征在于，所述上接头(1)下端与泵定子(6)上端通过轴承组A(3)过盈配合轴向固定连接，允许上接头(1)能够相对泵定子(6)转动。
5.根据权利要求1所述的一种基于钻柱转速控制的复合导向工具，其特征在于，所述马达定子(14)下端与下接头(18)上端通过轴承组B(16)过盈配合轴向固定连接，允许马达定子(14)能够相对于下接头(18)转动。
6.根据权利要求1所述的一种基于钻柱转速控制的复合导向工具，其特征在于，所述分流器壳体(9)两端与泵定子(6)、马达定子(14)之间均为螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于钻柱转速控制的复合导向工具，其特征在于，所述泵转子5与上接头1具有偏心距，所述马达转子13与下接头18也具有偏心距。
8.根据权利要求1所述的一种基于钻柱转速控制的复合导向工具，其特征在于，所述联轴器A(2)包括联轴器壳体(202)和分别安装在联轴器壳体(202)两端的十字轴A(201)、十字轴B(203)。
9.根据权利要求1所述的一种基于钻柱转速控制的复合导向工具，其特征在于，所述轴承组A(3)的底部、轴承组B(16)的顶部分别设有轴承密封圈A(4)、轴承密封圈B(15)。
10.一种基于钻柱转速控制的复合导向工具的导向方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将钻头、螺杆钻具、随钻测量工具、无磁钻铤、复合导向工具、钻杆依次连接并放入井下；
S2、驱动顶驱或转盘转动，扭矩传递至上接头(1)，扭矩再传递至泵转子(5)，在泵转子(5)转动的过程中，由泵转子(5)和泵定子(6)所组成的螺杆泵不断向高压腔(101)输送钻井液，高压腔(101)内所有液体均经过低压流道(103)流向下部钻柱；
S3、当需要采用复合钻井方式进行水平段钻进时，井口工作人员将顶驱或转盘转速升高，这时泵转子(5)和泵定子(6)所组成的螺杆泵输出至高压腔(101)的钻井液流量升高，钻井液在经过分流杆(10)内的小截面流道时，钻井液受到大阻力，高压腔(101)内钻井液压力升高，高压腔(101)内部的高压钻井液推动活塞(7)向两侧运动，从而使得高压腔(101)与环形高压腔(102)连通，钻井液经过环形高压腔(102)，驱动马达转子转动，进而带动下部钻柱转动；
S4、当需要采用复合钻井模式进行造斜钻进时，井口工作人员将顶驱或转盘转速降低，泵转子(5)与泵定子(6)所形成螺杆泵输出的钻井液流量降低，高压腔(101)内钻井液压力降低，在弹簧(8)的作用下，活塞(7)恢复恢复到初始状态，高压腔(101)与环形高压腔(102)之间的流道关闭，高压腔(101)内所有钻井液经过低压流道(103)流向下部钻柱，进而使得马达转子保持静止状态，从而使得下部钻柱相对于井壁保持静止，进而实现上部旋转的同时，下部钻柱保持滑动钻进。
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| CN202310166417.4A CN116291247A (zh) | 2023-02-27 | 2023-02-27 | 一种基于钻柱转速控制的复合导向工具及方法 |
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|---|---|---|---|
| CN202310166417.4A CN116291247A (zh) | 2023-02-27 | 2023-02-27 | 一种基于钻柱转速控制的复合导向工具及方法 |
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| CN116291247A true CN116291247A (zh) | 2023-06-23 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202310166417.4A Pending CN116291247A (zh) | 2023-02-27 | 2023-02-27 | 一种基于钻柱转速控制的复合导向工具及方法 |
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2023
- 2023-02-27 CN CN202310166417.4A patent/CN116291247A/zh active Pending
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