CN117211756A - 定向井旋转控制平衡工具 - Google Patents

Abstract

本发明属于定向石油钻井技术领域，具体涉及一种定向井旋转控制平衡工具，包括状态转换总成和反扭矩平衡总成；定向井旋转控制平衡工具具有两种工作状态：定向钻进状态和复合钻进状态。在需要定向钻井时，钻具会受到不断变化的反扭矩。根据钻具所受反扭矩的变化，利用定向井旋转控制平衡工具中的反扭矩平衡总成，通过调节钻柱的旋转速度来平衡钻具外壳所受反扭矩。本发明可以实现在需要定向钻进时对井下钻具稳定且精准的控制，有效解决了在定向钻进状态下由于无法平衡钻具外壳所受反扭矩导致不能精准定位的问题。在提高钻井效率的同时，有效提高了钻井中靶精度，该项工具的研发对定向石油钻井具有重要意义。

Description

定向井旋转控制平衡工具

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旋转控制平衡工具。

背景技术

随着油气开发行业的不断发展，油气资源开发方向不断发生变化，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，油气开发逐渐朝着新型非常规油气资源转变，导致井眼轨迹逐渐朝着复杂化发展，并且分支井、大位移井和鱼骨井等复杂井身结构应用日渐广泛。相较于常规井来说，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；另一方面水平井、大位移井可以应用于断块油气藏、近海油田、海上油气田和环境敏感地区等特殊工况井型和油层的勘探开发。可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，为了保证钻井工程作业的顺利开展，必须严格要求钻井设备的可靠性和稳定性。因此，需要研发高精度、高效率、并且可靠性高的定向钻井设备。

基于上述提到的现存问题，研发出一种定向井旋转控制平衡工具应用于定向钻井具有重要意义。定向井旋转控制平衡工具可以平衡掉在定向钻进过程中所产生的反扭矩，让钻头保持稳定钻向角度。地面工作人员可以通过随钻测量仪器传回的数据观测工具面的变化，根据钻井实际需求，调整芯轴钻速大小。钻具在定向钻进时，上部钻柱保持旋转状态，仅下部钻具组合外壳保持轴向滑动。这种状态可以极大减小钻柱系统的摩阻，减轻钻头的粘滑振动，提高机械钻速；定向井旋转控制平衡工具对于稳定钻柱系统，保持定向钻进可靠性高，事故处理成本低。所以，该项技术的研发对整个石油行业的发展有着极其重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种定向井旋转控制平衡工具，为探索解决背景技术中所述的定向钻井工程的相关难点，提高井眼轨迹准确率。钻具在井下工作时有两种工作状态：复合钻进和定向钻进。当钻具处于复合钻进时，上部钻柱与下部钻具均保持同步旋转，平衡控制部分保持相对静止状态，平衡工具对外部无输出扭矩。当钻具处于定向钻进时， 上部钻柱仍保持旋转，但下部钻具外壳保持静止，上部钻柱的转速称为静态驱动钻速。此时芯轴保持旋转，定向井旋转控制平衡工具为钻具外壳传递正向平衡扭矩。地面上的工作人员根据工具面的变化，调整上部钻柱转速，从改变平衡工具所输出正向扭矩的大小，实现对反扭矩的精准平衡控制。

对于不同地质环境的地层，所产生的反扭矩大小也会有所不同。在钻进过程中，根据所钻地层信息，预先计算出反扭矩的大小，从而改变钻柱与芯轴的钻速，反扭矩平衡控制总成腔体内部液压油流动速度发生变化，正向扭矩同样发生变化。

本发明的技术方案是：定向井旋转控制平衡工具，其特征在于：定向井旋转控制平衡工具位于上部钻柱与下部钻具组合之间，包括状态转换总成和反扭矩平衡总成；所述状态转换总成包括上外壳、定位套、连接套、端帽、推力球轴承A、上部花键外壳、上花键套、上芯轴、花键套、花键芯轴、上弹簧推套、花键外壳、推力球轴承B、下弹簧推套、弹簧；所述状态转换总成上端与控制机构以及钻柱连接，可实现内部旋转件与外壳独立旋转，扭矩经钻柱至上芯轴，连接套、端帽、推力球轴承A、上花键套、花键套、上弹簧推套、推力球轴承B、下弹簧推套构成滑动传力组，可以在上芯轴与花键芯轴间上下滑动，上部控制机构可以实现整个滑动传力组下移，依靠弹簧来进行辅助复位；以此来实现整个钻进状态的转换。

所述反扭矩平衡总成包括下芯轴、动力连接轴、上壳体、轴承A、输出短节、上套筒、单向轴承、导向轮、下套筒、泵轮、轴承B、花键座；所述反扭矩平衡总成产生平衡钻头反扭矩的正向扭矩，并由下部花键外壳依次传递，保证工具面稳定。对于不同的钻柱旋转速度，反扭矩平衡总成内部液压油具有不同离心速度，其内部叶片所受冲击也就有所不同，从而改变正向平衡扭矩的大小。

所述上芯轴、花键芯轴、下芯轴、动力连接轴、输出短节、花键座均为内径一致的中空轴,上下端均用螺纹连接。钻井液流经这些中空轴后流入下部钻具组合。

所述上壳体与泵轮的外壳体光滑焊接为一体，内部形成密封空腔，在空腔内部充满液压油。壳体外径略小于下部花键外壳，上部钻柱为上壳体与泵轮提供动力。泵轮通过密封空腔内的液压油经由导向轮增压后给予输出短节正向扭矩，当钻具外壳具有反转趋势时，增大上部钻柱的转速，以此增大输出的正向扭矩，以此令钻具外壳保持静止，从而实现钻具准确的定向钻进。同时可以根据实际需求，在平衡掉钻具外壳所受反扭矩后，继续增大钻柱转速，在没有离合控制总成的情况下，实现复合钻进；或适当减小钻柱钻速，释放出部分反扭矩，使下部钻具反向旋转；地面上的工作人员根据地下数据与实际需求，只需改变钻柱钻速，就可实现对定向钻进角度的调整。

本发明与现有技术比较，其具有以下有益效果：（1）相较于传统滑动定向钻井，定向井旋转控制平衡工具大大减小钻柱系统的摩阻，减轻了钻头在钻进过程中的粘滑振动，提高了机械钻速；（2）地面工作人员通过地面控制能够随时改变钻具的工作状态；（3）钻具在保持定向钻进过程中，地面操作人员仍然可以通过调节相关参数对钻井角度进行微调；（4）与旋转导向钻井系统相比，定向井旋转控制平衡工具的制造成本低，可靠性高。

附图说明

图1为本发明所述定向井旋转控制平衡工具的结构示意图；

图1中零件名称：1-上外壳、2-定位套、3-连接套、4-端帽、5-推力球轴承A、6-上部花键外壳、7-上花键套、8-上芯轴、9-花键套、10-花键芯轴、11-上弹簧推套、12-花键外壳、13-推力球轴承B、14-下弹簧推套、15-弹簧、16-下芯轴、17-下部花键外壳、18-动活塞、19-动力连接轴、20-上壳体、21-轴承A、22-输出短节、23-上套筒、24-单向轴承、25-导向轮、26-下套筒、27-泵轮、28-轴承B、29-花键座、30-转换接头。

图2为本发明所述反扭矩平衡总成；

图3为本发明所述导向轮的俯视图；

图4为本发明所述导向轮的正视图；

图5为剖面视图A-A;

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明：

参见图1，本发明的技术方案是：定向井旋转控制平衡工具，其特征在于：定向井旋转控制平衡工具位于上部钻柱与下部钻具组合之间，包括状态转换总成和反扭矩平衡总成；所述状态转换总成包括上外壳1、定位套2、连接套3、端帽4、推力球轴承A 5、上部花键外壳6、上花键套7、上芯轴8、花键套9、花键芯轴10、上弹簧推套11、花键外壳12、推力球轴承B13、下弹簧推套14、弹簧15；所述状态转换总成上端与控制机构以及钻柱连接，可实现内部旋转件与外壳独立旋转，扭矩经钻柱至上芯轴8，连接套3、端帽4、推力球轴承A 5、上花键套7、花键套9、上弹簧推套11、推力球轴承B 13、下弹簧推套14构成滑动传力组，可以在上芯轴8与花键芯轴10间上下滑动，上部控制机构可以实现整个滑动传力组下移，依靠弹簧来进行辅助复位；以此来实现整个钻进状态的转换。

参见图2，所述反扭矩平衡总成包括：下芯轴16、动力连接轴19、上壳体20、轴承A21、输出短节22、上套筒23、单向轴承24、导向轮25、下套筒26、泵轮27、轴承B 28、花键座29；所述反扭矩平衡总成产生平衡钻具外壳所受反扭矩的正向扭矩，并由下部花键外壳17依次传递，保证工具面稳定。对于不同的钻具钻速，反扭矩平衡总成内部液压油具有不同离心速度，从而改变正向平衡扭矩的大小。

参见图3和图4，所述反扭矩平衡总成中的导向轮25，在其周向分布有用来导向的叶片，叶片与平衡总成的壳体之间形成液压油的流道，且由于单向轴承24的存在，导向轮25的反向旋转被阻碍。反扭矩平衡总成在工作时，液压油经过泵轮27的离心作用，流经导向轮25，在导向轮25的导向下，实现增压。高速流动的液压油冲击输出短节22的叶片上，以此实现扭矩的产生与传递；导向轮25以起到关键的增压作用。

在一个具体工作实例中，上芯轴1、花键芯轴10、下芯轴16、动力连接轴19、输出短节22、花键座29均为内径一致的中空轴,上下端均用螺纹连接，钻井液流过流经这些中空轴后流入下部钻具组合。连接套3、端帽4、推力球轴承A 5、上花键套7、花键套9、上弹簧推套11、推力球轴承B 13、下弹簧推套14构成滑动传力组，通过控制上部所连接的控制机构，实现滑动传力组的上下滑动，在需要复合钻进状态时，花键套9与花键外壳12相啮合；反扭矩平衡总成的各个零件之间无相对运动，整个平衡总成不对外输出扭矩，此时整个钻具系统保持复合钻进。当钻具需要保持钻进角度定向钻进时，花键套9与花键外壳12脱离啮合，钻具外壳需保持静止，上部钻柱继续转动；反扭矩平衡总成通过花键座29传递给钻具外壳正向的平衡扭矩，以此平衡钻具外壳存在的反扭矩。当钻具外壳所受反扭矩过大，具有反转趋势时，地面工作人员通过提高上部钻柱的钻速，实现增大反扭矩平衡总成所产生的正向平衡扭矩，以此实现稳定且准确的定向钻进。若是需要对钻进角度进行调整，可以增大或者减小上部钻柱的旋转速度。增大钻柱的旋转速度，可以实现复合钻进的效果；减小钻柱的旋转速度，钻具在反扭矩的作用下反向转动；这两种情况下对钻进角度的调整具有不同的效果。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选方案而已，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，或者对其中部分相关技术参数进行等效替换。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 (5)

1.定向井旋转控制平衡工具，其特征在于：定向井旋转控制平衡工具位于上部钻柱与下部钻具组合之间，包括状态转换总成与反扭矩平衡总成；

所述状态转换总成包括上外壳（1）、定位套（2）、连接套（3）、端帽（4）、推力球轴承A（5）、上部花键外壳（6）、上花键套（7）、上芯轴（8）、花键套（9）、花键芯轴（10）、上弹簧推套（11）、花键外壳(12)、推力球轴承B(13)、下弹簧推套(14)、弹簧(15)；所述状态转换总成上端与控制部分以及钻柱连接，可实现内部旋转件与外壳独立旋转，扭矩经钻柱传至上芯轴（8），连接套（3）、端帽（4）、推力球轴承A（5）、上花键套（7）、花键套（9）、上弹簧推套（11）、推力球轴承B(13)、下弹簧推套(14)构成滑动传力组，可以在上芯轴（8）与花键芯轴（10）上滑动，上部控制机构控制滑动传力组，可以实现整个滑动传力组向下滑动，花键套（9）与花键外壳（12）间的啮合与脱离；

所述反扭矩平衡总成包括下芯轴（16）、动力连接轴（19）、上壳体（20）、轴承A（21）、输出短节（22）、上套筒（23）、单向轴承（24）、导向轮（25）、下套筒（26）、泵轮（27）、轴承B（28）、花键座（29）；所述反扭矩平衡总成产生平衡钻头反扭矩的正向扭矩，并由下部花键外壳（17）依次传递，保证工具面稳定。

2.根据权利要求1所述的定向井旋转控制平衡工具，其特征在于：上壳体（20）与动力连接轴（19）之间采用螺纹连接，上壳体（20）与泵轮（27）外壳相焊接形成一处密封空间，其中充入有液压油；动力连接轴（19）与输出短节（22）间依靠轴承A（21）连接，两部件间存在周向自由度，导向轮（25）与单向轴承（24）之间过盈配合；单向轴承（24）安装在输出短节（22）上，上下分别安装有上套筒（23）与下套筒（26），可以实现单向轴承（24）与导向轮（25）的轴向定位。

3.根据权利要求1所述的定向井旋转控制平衡工具，其特征在于：所述泵轮（27）管口处设有橡胶圈密封，防止内部液压油泄漏，反扭矩平衡总成内部安装有轴承A（21）与轴承B（28），泵轮（27）与输出短节（22）可以相对转动；花键座（29）上台面周向阵列布置有12根凸起圆柱，与输出短节（22）连接，花键座（29）与下部花键外壳（17）之间为花键连接，以实现正向平衡扭矩的传递。

4.根据权利要求1所述的定向井旋转控制平衡工具，其特征在于：所述动力连接轴（19）头部与上壳体（20）间采用螺纹连接，尾部设计有花键槽，动力连接轴（19）尾部与下芯轴（16）头部采用花键连接；下芯轴上有一个动活塞（18）保证下芯轴（16）的稳定性。

5.根据权利要求1所述的定向井旋转控制平衡工具，其特征在于：所述上芯轴（8）、花键芯轴（10）和下芯轴（16）间采用螺纹连接，实现对上部钻压的传递；花键套（9）在花键芯轴（10）上可以自由滑动，在上部滑动传力组的推动下花键套（9）与花键外壳（12）相啮合。