CN117646609A - 旋转导向工具流体控制阀 - Google Patents

Abstract

本发明属于钻井导向工具技术领域，具体是涉及了一种旋转导向工具流体控制阀，由流体控制阀阀体、内六角螺钉、活塞通道、排气通道、流体控制阀内腔室、套筒、第一轴承、第二轴承、阀芯组成；阀芯具有第一流体通道和第二流体通道，通过传动轴旋转阀芯使第一流体通道和第二流体通道交替对齐活塞通道，实现旋转导向功能；在流体控制阀内腔室中阀芯与套筒、第一轴承和第二轴承配合形成紧密配合公差，有利于保持有效流体密封和便于低摩擦转动，使流体泄漏量最小，同时也便于置换和维护阀芯，在能够实现所需的高造斜率，特别是在更高的钻柱转速下,大大降低了旋转导向工具的使用维护成本，为钻井人员提供更灵活的工具性能需求。

Description

旋转导向工具流体控制阀

技术领域

本发明涉及钻井导向工具技术领域，具体是涉及旋转导向工具中的流体控制阀。

背景技术

在石油和天然气勘探和开采工业中,定向井及水平井工艺已成为开采油气藏的主要手段，定向钻井人员普遍使用旋转导向钻井工具技术进行造斜，以获得所需的斜率。旋转导向工具一般包括被称为流体控制阀的阀门，用于控制钻井液或泥浆进入活塞的流量，但活塞中的通道可能会被漏失物质或外来碎屑堵塞,在迫使活塞回到它的内部位置时能量被消耗,导致实际转向控制的活塞力的减少，这将降低旋转导向工具的工作速率，特别是在较高的钻柱转速下。有时流体控制阀组件的设计无法适应高、低压侧之间的巨大压差，不能保持有效的流体密封，因此，我们需要的是一种改进的旋转导向工具，不仅能够满足水平井、大位移井、复杂结构井以及地质导向钻井轨迹控制的要求，提高导向钻井作业效率，它还能够实现所需的高造斜率，使流体泄漏量最小，大大降低了旋转导向工具的使用维护成本，特别是在更高的钻柱转速下,从而为定向钻井人员提供所需工具的性能灵活性。

发明内容

为解决和改进现有定向钻井技术的缺陷，提高导向钻井作业效率，实现所需的高造斜率，使流体泄漏量最小，大大降低旋转导向工具的使用维护成本，特别是在更高的钻柱转速下,提升旋转导向工具性能的灵活性。

为实现以上目标，本发明采用的技术方案：

一种旋转导向工具流体控制阀，其特征在于，旋转导向工具由钻铤、转向垫、转向体、稳定器组成；所述钻铤上端设置所述转向体，所述转向体上装配有所述转向垫，所述钻铤下端设置所述稳定器。

所述钻铤内设置有流体控制阀、过滤器、电子控制单元、钻铤内腔；所述流体控制阀置于所述过滤器上方，所述过滤器置于所述电子控制单元上方，所述流体控制阀、所述过滤器和所述电子控制单元与所述钻铤之间形成所述钻铤内腔；钻井液进入所述钻铤内腔后，通过所述过滤器上面的小孔过滤掉所述钻井液中的碎屑颗粒和其他泥浆杂质，使不含碎屑颗粒和其他泥浆杂质的所述钻井液进入所述流体控制阀工作。

所述流体控制阀由流体控制阀阀体、内六角螺钉、流体控制阀内腔室、活塞通道、排气通道、套筒、第一轴承、第二轴承、阀芯组成；所述流体控制阀内腔室壁面装配有所述套筒，所述套筒内装配有所述第一轴承、所述第二轴承和所述阀芯；所述阀芯将所述流体控制阀内腔室分成了井口腔室和井下腔室两部分；所述流体控制阀周向设置有所述内六角螺钉，用来连接所述流体控制阀阀体和所述套筒；所述流体控制阀阀体周向还设置有所述活塞通道和所述排气通道，所述活塞通道从所述流体控制阀内腔室延伸到活塞通道出口，所述排气通道从所述流体控制阀内腔室延伸到排气通道出口。

所述阀芯包含钻孔、第一流体通道、高压侧、上侧壁、第一流体通道出口、低压侧、第二流体通道、下侧壁、第二流体通道入口、销钉孔；所述过滤器内设置有钻井液进口端和延伸到所述阀芯第一流体通道的传动轴，销钉将所述传动轴和所述阀芯连接，使所述阀芯随所述传动轴的转动而转动；当所述阀芯的所述第一流体通道出口旋转到与所述活塞通道入口对齐时，则称阀芯位于驱动位置，同时可以控制所述第一流体通道出口与所述活塞通道入口对齐的大小，来控制钻井液流量；当所述阀芯的所述第二流体通道入口旋转到与所述活塞通道入口对齐时，则称阀芯位于排出位置，同时也可以控制所述第二流体通道入口与所述活塞通道入口对齐的大小，来控制钻井液流量；当所述阀芯的所述第一流体通道出口和所述第二流体通道入口都不与所述活塞通道入口对齐时，则阀芯内钻井液停止工作。

所述阀芯位于驱动位置时，所述钻井液从所述第一流体通道进入所述活塞通道，推动所述转向体内活塞向外移动，使活塞对应的所述转向垫与井壁贴合生成周向力，控制连接在所述转向体上的钻头朝活塞移动相反的方向钻进；所述阀芯位于排出位置时，所述钻井液从所述活塞通道进入第二流体通道流入井下腔室部分，继而从井下腔室部分的排气通道流入环空，活塞向内退回，停止导向功能；所述阀芯在驱动位置和排出位置交替旋转，最后得到所需的造斜率。

所述流体控制阀与所述过滤器通过螺纹连接或焊接，所述过滤器上设置有密封槽放置密封垫圈，所述过滤器内设置有与电机相连且同轴的所述传动轴。

所述流体控制阀阀体可以包括有3-6个所述内六角螺钉，连接固定所述流体控制阀阀体和所述套筒，可以包括有3-6个所述活塞通道和1-3所述排气通道。

所述转向垫可周向均匀间隔布置1-3个在所述转向体上，每个转向垫上可轴向布置1-2个活塞。

所述阀芯周向或轴向设置有1-6个所述钻孔，使所述钻井液从所述钻井液进口端流入所述第一流体通道。

所述排气通道过流面积需要大于所述第一流体通道过流面积和所述第二流体通道过流面积的一半。

所述阀芯长度必须延伸至整个所述流体控制阀内腔室，与传动轴通过销钉同轴连接并转动。

作为本发明的优选方案，所述流体控制阀有3个所述活塞通道和1所述排气通道，且每个所述活塞通道出口均匀布置在所述流体控制阀端面周向，间隔120°的夹角。

作为本发明的优选方案，所述流体控制阀阀体有3个所述内六角螺钉，连接固定所述流体控制阀阀体和所述套筒。

作为本发明的优选方案，所述阀芯周向间隔120°设置3个所述钻孔，使所述钻井液从所述钻井液进口端流入所述第一流体通道。

作为本发明的优选方案，排气通道过流面积与第一通道过流面积和第二通道过流面积相同。

综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:

(1)本发明提供一种旋转导向工具流体控制阀，流体控制阀内腔室壁面装配有套筒，套筒内装配有第一轴承、第二轴承和阀芯，有利于保持有效流体密封的同时便于低摩擦转动，同时也便于置换和阀芯维护，使阀芯、轴承和套筒之间的间隙控制更加严格，流体泄漏量最小，大大降低了旋转导向工具的使用维护成本。

(2)本发明能满足水平井、大位移井、复杂结构井以及地质导向钻井轨迹控制的要求，能实现有效控制钻井方向，提高导向钻井作业效率。

(3)本发明改进的旋转导向工具，它能够实现所需的高造斜率，特别是在更高的钻柱转速下,为钻井人员提供更灵活的工具性能需求。

附图说明

图1是根据本发明的实施方案对钻井系统的示意图。

图2为本发明旋转导向工具的整体结构立体图。

图3为本发明旋转导向工具的剖视图(局部)。

图4为本发明旋转导向工具部分结构示意图。

图5为本发明实施例1的阀芯横截面图。

图6为本发明实施例1的阀芯的整体结构立体图。

图7为本发明实施例1的过滤器本体和流体控制阀、转向体的横截面图，其阀芯位于驱动位置。

图8为本发明实施例1的过滤器本体和流体控制阀、转向体的横截面图，其阀芯位于排出位置。

图9为本发明实施例2的阀芯横截面图。

图10为本发明实施例2的阀芯的整体结构立体图。

图11为本发明实施例2的过滤器本体和流体控制阀、转向体的横截面图，其阀芯位于驱动位置。

图12为本发明实施例2的过滤器本体和流体控制阀、转向体的横截面图，其阀芯位于排出位置。

图中：1、钻机；2、油管；3、钻井液；4、钻井液储罐；5、环空；6、井筒；7、钻柱；8、钻铤；9、旋转导向工具；10、转向垫；11、转向体；12、钻头；13、页岩地层；14、油气层；15、稳定器；16、流体控制阀；17、过滤器；18、电子控制单元；19、钻柱内腔；20、排气通道出口；21、活塞通道出口；22、阀芯；23、销钉孔；24、第一流体通道；25、高压侧；26、上侧壁；27、第一流体通道出口；28、低压侧；29、第二流体通道；30、下侧壁；31、第二流体通道入口；32、钻孔；33、传动轴；34、销钉；35、流体控制阀阀体；36、内六角螺钉；37、流体控制阀内腔室；37a、井口腔室；37b、井下腔室；38、活塞通道；39、钻井液进口端；40、第一轴承；41、套筒；42、第二轴承；43、排气通道。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的,而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下,技术人员可以构想基于本发明的任意可能的改变，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，一般的钻井系统包括地面控制系统、钻井液系统、工具控制系统；地面控制系统可用于与旋转导向工具9通信，地面控制系统接收来自井下传感器系统的数据，并向所述旋转导向工具9发送指令，以控制工具控制系统驱动从而确定井壁形成过程中的钻进方向；所述旋转导向工具9下方装有电子控制单元18,所述电子控制单元18既可以与定向传感器配合控制钻进向，也可以与地面控制系统通信，接收定向指令并将钻井相关信息转发给地面控制系统；钻井液系统可与钻机1配合使用，从钻井液储罐4输送钻井液3通过适当的油管2泵入，并通过所述钻机1和钻柱7的中心腔或孔向下输送，在许多应用中所述钻井液3回流通过钻柱和井壁之间的环空5到地面，回流可用于清除钻头12操作产生的钻屑，所述钻井液3也可用作驱动液来控制所述旋转导向工具9操作；在工具控制系统的控制下，驱动活塞可以同时驱动转向垫10上的活塞作用于周围的井壁，以提供方向控制，工具控制系统被安装在8钻铤内，所述钻铤8和所述转向体10与所述钻头12相结合一起形成可旋转导向工具9本体，该钻头12旋转切割页岩地层13到达油气层14。

结合图2～4所示，旋转导向工具9由钻铤8、转向垫10、转向体11、稳定器15组成；所述钻铤8上端设置所述转向体11，所述转向体11上装配有所述转向垫10，所述钻铤8下端设置所述稳定器15；所述钻铤8内设置有流体控制阀1、过滤器(17、电子控制单元18、钻铤内腔19；所述流体控制阀16置于所述过滤器17上方，所述过滤器17置于所述电子控制单元18上方，所述流体控制阀16、所述过滤器17和所述电子控制单元18与所述钻铤8之间形成所述钻铤内腔19；钻井液3进入所述钻铤内腔19后，通过所述过滤器17上面的小孔过滤掉所述钻井液3中的碎屑颗粒和其他泥浆杂质，使不含碎屑颗粒和其他泥浆杂质的所述钻井液3进入所述流体控制阀16工作。

实施例1

结合图5～8所示，所述流体控制阀16由流体控制阀阀体3、内六角螺钉(36、流体控制阀内腔室37、活塞通道38、排气通道43、套筒41、第一轴承40、第二轴承42、阀芯22组成；所述流体控制阀内腔室37壁面装配有所述套筒41，所述套筒41内装配有所述第一轴承40、所述第二轴承42和所述阀芯22；所述阀芯22将所述流体控制阀内腔室37分成了井口腔室37a和井下腔室37b两部分；所述流体控制阀16周向设置有所述内六角螺钉36，用来连接所述流体控制阀阀体35和所述套41)；所述流体控制阀阀体35周向还设置有所述活塞通道38和所述排气通道43，所述活塞通道38从所述流体控制阀内腔37)延伸到活塞通道出口21，所述排气通道43从所述流体控制阀内腔室37延伸到排气通道出口20；所述阀芯22包含销钉孔23、第一流体通道24、高压侧25、上侧壁26、第一流体通道出口27、低压侧28、第二流体通道29、下侧壁30、第二流体通道入口31、钻孔32；所述过滤器17内设置有钻井液进口端39和延伸到所述阀芯22第一流体通道24的传动轴33，销钉34将所述传动33)和所述阀芯22连接，使所述阀芯22随所述传动轴33的转动而转动；当所述阀芯22的所述第一流体通道出口27旋转到与所述活塞通道38入口对齐时，则称阀芯22位于驱动位置，同时可以控制所述第一流体通道出口27与所述活塞通道38入口对齐的大小，来控制钻井液流量；当所述阀芯22的所述第二流体通道入口31旋转到与所述活塞通道38入口对齐时，则称阀芯22位于排出位置，同时也可以控制所述第二流体通道入口31与所述活塞通道38入口对齐的大小，来控制钻井液流量；当所述阀芯22的所述第一流体通道出口27和所述第二流体通道入口31都不与所述活塞通道38入口对齐时，则阀芯22内钻井液3停止工作；所述阀芯22位于驱动位置时，所述钻井液3从所述第一流体通道24进入所述活塞通道38，推动所述转向体11内活塞向外移动，使活塞对应的所述转向垫10与井壁贴合生成周向力，控制连接在所述转向体11上的钻头12朝活塞移动相反的方向钻进；所述阀芯22位于排出位置时，所述钻井液3从所述活塞通道38进入第二流体通道29流入井下腔室37b部分，继而从井下腔室37b部分的排气通道43流入环空5，活塞向内退回，停止导向功能；所述阀芯22在驱动位置和排出位置交替旋转，最后得到所需的造斜率。

实施例2

结合图9～12所示，根据阀芯22的可选外形,流体控制阀16可以包括备用阀芯即第二种阀芯22,所述阀芯22包含销钉孔23、第一流体通道24、高压侧25、上侧壁26、第一流体通道出口27、低压侧28、第二流体通道29、下侧壁30、第二流体通道入口31、钻孔32；然而,由于在正常工作的钻井液3中，井口腔室37a部分的流体与第一流体通道出口27之间存在的低压差可以忽略不计,因此阀芯22不需要一个延伸到流体控制阀内腔室37墙壁外围上侧壁26靠近第一流体通道出口27范围部分来提供密封；由于在正常作业的钻井液3中，井下腔室37b部分与第二流体通道入口31之间存在的低压差可以忽略不计，阀芯22不需要一个延伸到流体控制阀内腔室37墙壁外围的下侧壁30靠近第二流体通道入口31范围部分来提供密封；这样可以在钻井液3中含有大量容易漏失的材料的情况下，避免在可以通过其他方式提供充分密封的区域使用上侧壁26和下侧壁30，从而使阀芯22和套筒41壁之间的阻力和摩擦减少,便于阀芯22在流体控制阀内腔室37内的旋转运动。

以上显示和描述本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种旋转导向工具流体控制阀，其特征在于，旋转导向工具(9)由钻铤(8)、转向垫(10)、转向体(11)、稳定器(15)组成；所述钻铤(8)上端设置所述转向体(11)，所述转向体(11)上装配有所述转向垫(10)，所述钻铤(8)下端设置所述稳定器(15)；

所述钻铤(8)内设置有流体控制阀(16)、过滤器(17)、电子控制单元(18)、钻铤内腔(19)；所述流体控制阀(16)置于所述过滤器(17)上方，所述过滤器(17)置于所述电子控制单元(18)上方，所述流体控制阀(16)、所述过滤器(17)和所述电子控制单元(18)与所述钻铤(8)之间形成所述钻铤内腔(19)；钻井液(3)进入所述钻铤内腔(19)后，通过所述过滤器(17)上面的小孔过滤掉所述钻井液(3)中的碎屑颗粒和其他泥浆杂质，使不含碎屑颗粒和其他泥浆杂质的所述钻井液(3)进入所述流体控制阀(16)工作；

所述流体控制阀(16)由流体控制阀阀体(35)、内六角螺钉(36)、流体控制阀内腔室(37)、活塞通道(38)、排气通道(43)、套筒(41)、第一轴承(40)、第二轴承(42)、阀芯(22)组成；所述流体控制阀内腔室(37)壁面装配有所述套筒(41)，所述套筒(41)内装配有所述第一轴承(40)、所述第二轴承(42)和所述阀芯(22)；所述阀芯(22)将所述流体控制阀内腔室(37)分成了井口腔室(37a)和井下腔室(37b)两部分；所述流体控制阀(16)周向设置有所述内六角螺钉(36)，用来连接所述流体控制阀阀体(35)和所述套筒(41)；所述流体控制阀阀体(35)周向还设置有所述活塞通道(38)和所述排气通道(43)，所述活塞通道(38)从所述流体控制阀内腔室(37)延伸到活塞通道出口(21)，所述排气通道(43)从所述流体控制阀内腔室(37)延伸到排气通道出口(20)；

所述阀芯(22)包含销钉孔(23)、第一流体通道(24)、高压侧(25)、上侧壁(26)、第一流体通道出口(27)、低压侧(28)、第二流体通道(29)、下侧壁(30)、第二流体通道入口(31)、钻孔(32)；所述过滤器(17)内设置有钻井液进口端(39)和延伸到所述阀芯(22)第一流体通道(24)的传动轴(33)，销钉(34)将所述传动轴(33)和所述阀芯(22)连接，使所述阀芯(22)随所述传动轴(33)的转动而转动；当所述阀芯(22)的所述第一流体通道出口(27)旋转到与所述活塞通道(38)入口对齐时，则称阀芯(22)位于驱动位置，同时可以控制所述第一流体通道出口(27)与所述活塞通道(38)入口对齐的大小，来控制钻井液流量；当所述阀芯(22)的所述第二流体通道入口(31)旋转到与所述活塞通道(38)入口对齐时，则称阀芯(22)位于排出位置，同时也可以控制所述第二流体通道入口(31)与所述活塞通道(38)入口对齐的大小，来控制钻井液流量；当所述阀芯(22)的所述第一流体通道出口(27)和所述第二流体通道入口(31)都不与所述活塞通道(38)入口对齐时，则阀芯(22)内钻井液(3)停止工作；

所述阀芯(22)位于驱动位置时，所述钻井液(3)从所述第一流体通道(24)进入所述活塞通道(38)，推动所述转向体(11)内活塞向外移动，使活塞对应的所述转向垫(10)与井壁贴合生成周向力，控制连接在所述转向体(11)上的钻头(12)朝活塞移动相反的方向钻进；所述阀芯(22)位于排出位置时，所述钻井液(3)从所述活塞通道(38)进入第二流体通道(29)流入井下腔室(37b)部分，继而从井下腔室(37b)部分的排气通道(43)流入环空(5)，活塞向内退回，停止导向功能；所述阀芯(22)在驱动位置和排出位置交替旋转，最后得到所需的造斜率。

2.根据权利要求1所述的一种旋转导向工具流体控制阀，其特征在于，所述流体控制阀(16)与所述过滤器(17)通过螺纹连接或焊接，所述过滤器(17)上设置有密封槽放置密封垫圈，所述过滤器(17)内设置有与电机相连且同轴的所述传动轴(33)。

3.根据权利要求1所述的一种旋转导向工具流体控制阀，其特征在于，所述流体控制阀(16)可以包括有3-6个所述活塞通道(38)和1-3个所述排气通道(43)。

4.根据权利要求1所述的一种旋转导工具流体控制阀，其特征在于，所述流体控制阀阀体(35)可以包括有3-6个所述内六角螺钉(36)，连接固定所述流体控制阀阀体(35)和所述套筒(41)。

5.根据权利要求1所述的一种旋转导向工具流体控制阀，其特征在于，所述阀芯(22)周向或轴向设置有1-6个所述钻孔(32)，使所述钻井液(3)从所述钻井液进口端(39)流入所述第一流体通道(24)。

6.根据权利要求1所述的一种旋转导向工具流体控制阀，其特征在于，所述排气通道(43)过流面积需要大于所述第一流体通道(24)过流面积和所述第二流体通道(29)过流面积的一半。

7.根据权利要求1所述的一种旋转导向工具流体控制阀，其特征在于，所述阀芯(22)长度必须延伸至整个所述流体控制阀内腔室(37)，与传动轴(33)通过销钉(34)同轴连接并转动。