CN116607882A - 定向井液力离合钻柱全旋转控制器 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种定向井液力离合钻柱全旋转控制器，包括旋转总成、动力总成、控制总成；其具有两种工作状态：复合钻进和定向钻进。根据工具面的变化，调整上部钻柱转速或钻井液排量，从而改变控制器工作状态，完成定向钻进工作。定向井液力离合钻柱全旋转控制器成本低、安全可靠性性高。定向时，钻柱保持旋转极大地减小了钻柱系统的摩阻，减轻了钻头的粘滑振动现象，从而提高机械钻速，该项技术的研发对石油行业具有重要意义。

Description

定向井液力离合钻柱全旋转控制器

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种用于导向钻井的定向井液力离合钻柱全旋转控制器。

背景技术

浅层油气资源已经无法满足国民的需要，随着油气开采装备技术的不断发展，使得油气井向深井、超深井、大位移井和水平井等复杂井方向发展。对比于常规井来说，水平井和大位移井可以使得井筒与油气藏的接触面积更大，进而提高采油率，节约开发成本；而且水平井和大位移井几乎能够应用于各种特殊工况油气井的勘探开发。由于井身结构越来越复杂，钻井作业装备质量的好坏将直接影响钻井作业效率、安全性以及经济效益，为了保证钻井工程的作业顺利开展，必须严格要求钻井设备的可靠性和稳定性。油气开采逐渐面向超深地层与深海领域，勘探和开采也愈发困难，因此，需要研发高精度、高效率、可靠性高的定向钻井设备。

为此，研发一种定向井液力离合钻柱全旋转控制器应用于导向钻进具有重要意义。定向井液力离合钻柱全旋转控制器能够控制上部钻柱转速和钻井液排量。工程师可通过随钻测量仪器观测工具面变化，根据实际需求，调整两个参数。定向井液力离合钻柱全旋转控制器定向钻进时，钻柱全程保持旋转，仅下部钻具组合外壳保持轴向滑动。这种状态极大减小了钻柱系统的摩阻，减轻了钻头的粘滑振动现象，从而提高机械钻速。定向井液力离合钻柱全旋转控制器安全可靠性性高，事故处理成本低。所以，该项技术的研发对整个石油工业的发展有着及其重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种定向井液力离合钻柱全旋转控制器，为了探索解决背景技术中所述的定向钻井工程的相关问题，提高井眼轨迹准确率。定向井液力离合钻柱全旋转控制器具有两种工作状态：复合钻进和定向钻进。当控制器处于复合钻进时，上部钻柱保持旋转，控制器产生的正向扭矩大于钻头破岩及螺杆钻具产生的反扭矩，此时钻头在一个方向钻进。下部钻具组合外壳正向旋转。当控制器处于定向钻进时，正向扭矩等于或略大于下部传递上来的反扭矩，控制器外壳与下部钻具外壳保持静止，钻头钻处的轨迹为非线性，此时上部钻柱的转速称为静态驱动转速。当钻柱转速大于静态驱动速度，控制器即处于复合钻进状态。根据工具面的变化，调整上部钻柱转速或钻井液排量，从而改变控制器工作状态，完成定向钻进工作。

不同地层反扭矩大小不同，在地面时，根据所钻地层信息，预计算反扭矩，从而改变控制总成中流道大小，转子两端压降发生变化，正向扭矩同样发生变化。

本发明的技术方案是：定向井液力离合钻柱全旋转控制器，其特征在于：定向井液力离合钻柱全旋转控制器位于上部钻柱与下部钻具组合之间，包括旋转总成、动力总成、控制总成；所述旋转总成包括上芯轴、上轴承件、轴承定位件A、轴承定位件、轴承组、下轴承件、上外壳、转换接头、水帽接头；所述旋转总成上端与钻柱连接，可实现内部旋转件与外壳独立旋转，上、下轴承件通过螺纹安装在上芯轴处，上芯轴传递钻柱扭矩至上活铰，轴承定位件A和轴承定位件B分别定位轴承组外圈和内圈并向下传递钻压。水帽接头上端通过直螺纹转换接头，二者使钻井液分流。

所述动力总成包括十字万向轴、流体转换接头、转子、定子外壳、内部衬套、挠轴、转换外壳、上封盖、轴承A、通油器、封油螺钉A、轴承B、连接头。动力总成通过转子与内部衬套过盈配合及压差水力作用，产生平衡钻头反扭矩的正向扭矩，并由定子外壳依次传递。转子、内部衬套、定子外壳实际作用为螺杆泵，挠轴平衡转子的行星运动。

所述控制总成包括控制外壳、防掉环、定位套、中心管、上控制器、下控制器、活塞、丝杠、丝杠螺母、电机、接收线圈、电源、稳控芯轴、圆柱滚针、稳控外壳和流量控制系统电路。控制总成可实现正向扭矩大小的控制以及防止钉子外壳反转，保证工具面稳定。不同的流道开口大小，转子两端压降不同，从而改变正向扭矩大小。

所述的流量控制系统电路由主控电路、电机控制电路、主控电源电路、电源转换电路、复位电路和无线接收电路组成。所述的主控电路基于STM32F103C8T6最小系统，用以处理无线接收模块的信号以及发出控制指令。所述的电机控制电路由两个继电器、两个二极管、两个三极管以及电阻构成，能够实现对电机的控制。所述的主控电源电路由五个电容组成。所述的电源转换电路包括24V转5V电路以及5V转3.3V电路；24V转5V电路基于TD1509P5，具体包括一个与电源相接的接口P2、三个二极管、三个电容以及一个电感；5V转3.3V电路基于AMS1117以及四个电容。所述的复位电路由一个电阻、一个电容和一个开关按键组成。所述的无线接收电路基于SIM800C模块和接收线圈，用以接收来自地面的控制信号。

转换接头和水帽接头均设有径向通孔以及通孔，钻井液流过上芯轴空腔，并由通孔和流向壳体环空，并在水帽接头处可得到充分减速。所述的流体转换接头设有通孔，使壳体环空钻井液一部分流入转子空腔，一部分钻井液由通孔流入转子与内部衬套形成的密封腔，两部分钻井液不相通直到在L型通孔完成汇流，流入下部钻具组合。

所述挠轴为中空轴，其上端通过螺纹连接转子末端，前端设有橡胶件增大使用寿命。密封件防止转子末端钻井液流入空腔，挠轴下端与连接头空载连接。

连接头上端设有上封盖防止钻井液流入内部从而保护轴承，内部安装有轴承A和轴承B。轴承B仅能正向旋转；两轴承之间设有通油器，装配前可通过连接头注入润滑油，并由封流螺钉A保证密封。通油器在圆周方向上90°均等分布通孔，从而使油路相通。

所述控制器由防掉环和定位套限制移动。控制器圆周方向上等间距布置六个流道，通过控制流道开口大小调整控制器两端之间的压差。

所述稳控芯轴前端设有L型通孔使定向井液力离合钻柱全旋转控制器内部钻井液汇流。圆柱滚针位于稳控芯轴和稳控外壳的弧形凹槽之间，其直径略小于凹槽最大间隙，当定子外壳有反转趋势时，圆柱滚针与稳控外壳凹槽间距变小，通过摩擦锁死反向转动，且越往反方向移动摩擦越大。

本发明与现有技术比较，其具有以下有益效果：(1)与传统滑动定向钻井相比，该定向井液力离合钻柱全旋转控制器减小了钻柱系统的摩阻，减轻了钻头粘滑振动，提高了机械钻速；(2)通过地面控制可随时改变定向井液力离合钻柱全旋转控制器的工作状态；(3)与旋转导向系统相比，定向井液力离合钻柱全旋转控制器制造成本低，可靠性高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是控制总成的结构示意图；

图3是流道示意图；

图4是电机控制电路和电源转换电路图；

图5是主控系统部分电路图；

图6是各部分剖面图；

图7是工具面变化关系图；

图8是定向井液力离合钻柱全旋转控制器操作流程图。

附图中零件名称：1.上芯轴，2.上轴承件，3.轴承定位件A，4.轴承定位件B，5.轴承组，6.下轴承件，601上外壳，7.旋转外壳，8.转换接头，9.水帽接头，101.上活绞，10.十字万向轴，11.流体转换接头，12.转子，13.定子外壳，14.内部衬套，15.挠轴，151.橡胶件，152.密封件，16.转换外壳，17.上封盖，18.轴承A，19.通油器，20.轴承B，21.连接头，22.控制外壳，23.防掉环，24.控制器，25.定位套，26.中心管，32.稳控芯轴，33.圆柱滚针，34.稳控外壳，35.封油螺钉A，240.流道口，241.花键，242.丝杠，243.丝杠螺母，245.电源，247.上控制器，249.活塞，250.电机，251.接收线圈，252.下控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参见附图1，本发明的技术方案是：定向井液力离合钻柱全旋转控制器，其特征在于：定向井液力离合钻柱全旋转控制器位于上部钻柱与下部钻具组合之间，包括旋转总成、动力总成、控制总成；所述旋转总成包括上芯轴1、上轴承件2、轴承定位件A 3、轴承定位件4、轴承组5、下轴承件6、上外壳601、旋转外壳7、转换接头8、水帽接头9；所述旋转总成上端与钻柱连接，可实现内部旋转件与外壳独立旋转，上轴承件2、下轴承件3通过螺纹安装在上芯轴1处，上芯轴1传递钻柱扭矩至上活铰101，轴承定位件A 3和轴承定位件B 4分别定位轴承组5外圈和内圈并向下传递钻压。水帽接头9上端通过直螺纹连接转换接头8，二者使钻井液分流。

所述动力总成包括十字万向轴10、流体转换接头11、转子12、定子外壳13、内部衬套14、挠轴15、转换外壳16、上封盖17、轴承A18、通油器19、封油螺钉A 35、轴承B 20、连接头21。动力总成通过转子12与内部衬套14过盈配合及压差水力作用，产生平衡钻头反扭矩的正向扭矩，并由定子外壳13依次传递。转子12、内部衬套14、定子外壳13实际作用为螺杆泵，挠轴平衡转子的行星运动。

参见附图2和附图3，所述的控制总成包括控制外壳22、防掉环23、定位套25、中心管26、上控制器247、下控制器252、活塞249、丝杠242、丝杠螺母243、电机250、接收线圈245、电源251、稳控芯轴32、圆柱滚针33、稳控外壳34。所述的电源251为流量控制系统和电机250提供电源，保证整个系统正工作。控制总成可实现正向扭矩大小的控制以及防止定子外壳13反转，保证工具面稳定。不同的流道开口大小，转子12两端压降不同，从而改变正向扭矩大小。

参见附图4和附图5，所述的流量控制系统通过接收线圈245接收来自地面的控制信号并将控制信号传递到SIM800C模块。控制信号经过处理后传递到STM32F103C8T6最小系统中，主控芯片STM32F103C8T6得到控制信号后对电机进行控制。PA4和PA5两个输出端口将控制信号输出到电机控制电路，电机控制电路对电机进行正反转控制。电机250正转推动活塞249向上移动，此时流道面积变小，电机250反转拖动活塞249下移使得流道开口增大。所述的电源转换电路将电源251提供的电源转换为各主控芯片所需的电压。

在一个具体实例中，转换接头8和水帽接头9均设有径向通孔801以及通孔901，钻井液流过上芯轴1空腔，流向壳体环空，并在水帽接头9处可得到充分减速。所述的流体转换接头11设有通孔111和通道112，使壳体环空钻井液一部分流入转子12空腔，一部分钻井液由通孔112流入转子12与内部衬套14形成的密封腔，两部分钻井液不相通直到在L型通孔完成汇流，流入下部钻具组合。

所述挠轴15为中空轴，其上端通过螺纹连接转子12末端，前端设有橡胶件151增大使用寿命。密封件152防止转子12末端钻井液流入空腔131，挠轴15下端与连接头21空载连接。连接头21上端设有上封盖17防止钻井液流入内部从而保护轴承，内部安装有轴承A18和轴承B20。轴承B20仅能正向旋转；两轴承之间设有通油器19，装配前可通过连接头注入润滑油，并由封流螺钉A35保证密封。通油器19在圆周方向上90°均等分布通孔，从而使油路相通。

所述控制器24通过防掉环23和定位套25限制移动；控制器24圆周方向上等间距布置六个流道248，每个流道248由一个活塞249控制流道口240大小，从而调整控制器两端的压差；活塞249与电机250连接，电机250与丝杠242连接，活塞249与丝杠螺母243固定，通过电机250旋转驱动丝杠螺母243轴向移动并带动活塞249轴向移动；活塞249与上控制器247通过花键241配合，实现周向定位及轴向移动，上控制器247与下控制器252通过花键241配合，便于装配时上下流道定位，接收线圈251接收来自地面的信号对电机进行控制。

参见附图6，在一个具体实例中，所述稳控芯轴32前端设有L型通孔321使定向井液力离合钻柱全旋转控制器内部钻井液汇流。圆柱滚针33位于稳控芯轴32和稳控外壳34的弧形凹槽之间，其直径略小于凹槽最大间隙，当定子外壳13有反转趋势时，圆柱滚针33与稳控外壳34凹槽间距变小，通过摩擦锁死反向转动，且越往反方向移动摩擦越大。连接头21内部轴承A18内外圈皆过盈配合，轴承B 20内圈间隙配合，外圈与连接头21内腔过盈配合，使连接头21只能在正方向发生转动。当正向扭矩足够大时，连接头21保持正向旋转，由中心管26传递至稳控芯轴32，稳控短节不工作。当工具面不稳定且定子外壳13开始反转，稳控芯轴32正向旋转，圆柱滚针33与稳控外壳34内壁间隙不断减小，随着间隙不断减小，摩擦扭矩不断增大，进而阻止定子外壳13反转，工具面稳定。

参见附图7，在一个具体实例中，在短期应用中，钻柱以大于或小于静态驱动转速旋转，可以用来调整工具面，以设置定向钻进或者在定向钻进期间使工具面重新回到窗口期。为了使控制装置尽量简单可靠，定向井工程师需保持对钻压的控制。若定向钻井时钻头钻压改变，那么钻头处产生的反扭矩也会发生变化，将导致工具面改变或者不稳定。因此控制单元若检测工具面已经改变，将调整驱动转速，补偿钻压变化引起的反扭矩改变，并修正工具面与目标工具面对应。

最后应说明的是,以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.定向井液力离合钻柱全旋转控制器，其特征在于：定向井液力离合钻柱全旋转控制器位于上部钻柱与下部钻具组合之间，包括旋转总成、动力总成、控制总成；

所述旋转总成包括上芯轴(1)、上轴承件(2)、轴承定位件A(3)、轴承定位件B(4)、轴承组(5)、下轴承件(6)、上外壳(601)、旋转外壳(7)、转换接头(8)、水帽接头(9)；所述旋转总成上端与钻柱连接，可实现内部旋转件与外壳独立旋转，上芯轴(1)传递钻柱扭矩至上活铰(101)，轴承定位件A(3)和轴承定位件B(4)分别定位轴承组(5)外圈和内圈，转换接头(8)和水帽接头(9)使钻井液分流；

所述动力总成包括十字万向轴(10)、流体转换接头(11)、转子(12)、定子外壳(13)、内部衬套(14)、挠轴(15)、转换外壳(16)、上封盖(17)、轴承A(18)、通油器(19)、封油螺钉A(35)、轴承B(20)、连接头(21)；所述动力总成产生平衡钻头反扭矩的正向扭矩，并由定子外壳(13)依次传递，挠轴(15)平衡转子(12)的行星运动；

所述控制总成包括控制外壳(22)、防掉环(23)、控制器(24)、定位套(25)、中心管(26)、稳控芯轴(32)、圆柱滚针(33)、稳控外壳(34)、以及流量控制电路；所述控制总成可实现正向扭矩大小的控制以及防止定子外壳(13)反转，保证工具面稳定。

2.根据权利要求1所述的定向井液力离合钻柱全旋转控制器，其特征在于：转换接头(8)和水帽接头(9)均设有径向通孔(801)以及通孔(901)，钻井液流过上芯轴(1)空腔，并由通孔(801)和(901)流向壳体环空，并在水帽接头(9)处可得到充分减速。

3.根据权利要求1所述的定向井液力离合钻柱全旋转控制器，其特征在于：所述的流体转换接头(11)设有通孔(111)，使壳体环空钻井液一部分流入转子(12)空腔(131)，一部分钻井液由通孔(112)流入转子(12)与内部衬套(14)形成的密封腔，两部分钻井液不相通直到在L型通孔(321)完成汇流，流入下部钻具组合。

4.根据权利要求1所述的定向井液力离合钻柱全旋转控制器，其特征在于：所述挠轴(15)为中空轴，其上端通过螺纹连接转子(12)末端，前端设有橡胶件(151)增大使用寿命，密封件(152)防止转子(12)末端钻井液流入空腔(131)，挠轴(15)下端与连接头(21)空载连接。

5.根据权利要求1所述的定向井液力离合钻柱全旋转控制器，其特征在于：连接头(21)上端设有上封盖(17)防止钻井液流入内部从而保护轴承，内部安装有轴承A(18)和轴承B(20)，轴承B(20)仅能正向旋转；两轴承之间设有通油器(19)，装配前可通过连接头(21)注入润滑油，并由封流螺钉A(35)保证密封；通油器(19)在圆周方向上90°均等分布通孔(351)，从而使油路相通。

6.根据权利要求1所述的定向井液力离合钻柱全旋转控制器，其特征在于：所述控制器(24)通过防掉环(23)和定位套(25)限制移动；控制器(24)圆周方向上等间距布置六个流道(248)，每个流道(248)由一个活塞(249)控制流道口(240)大小，从而调整控制器两端的压差；活塞(249)与电机(250)连接，电机(250)与丝杠(242)连接，活塞(249)与丝杠螺母(243)固定，通过电机(250)旋转驱动丝杠螺母(243)轴向移动并带动活塞(249)轴向移动；活塞(249)与上控制器(247)通过花键(241)配合，实现周向定位及轴向移动，上控制器(247)与下控制器(252)通过花键(241)配合，便于装配时上下流道定位，接收线圈(251)接收来自地面的信号对电机进行控制，电源(245)为所述控制供电；流量控制系统电路包括主控电路、电机控制电路、主控电源电路、电源转换电路、复位电路和无线接收电路。

7.根据权利要求1所述的定向井液力离合钻柱全旋转控制器，其特征在于：所述稳控芯轴(32)前端设有L型通孔(321)使定向井液力离合钻柱全旋转控制器内部钻井液汇流；圆柱滚针(33)位于稳控芯轴(32)和稳控外壳(34)的弧形凹槽之间，其直径略小于凹槽最大间隙，当定子外壳有反转趋势时，圆柱滚针(33)与稳控外壳(34)凹槽间距变小，通过摩擦锁死反向转动，且越往反方向移动摩擦越大。