CN211900459U

CN211900459U - 一种钻井旋转导向工具

Info

Publication number: CN211900459U
Application number: CN202020477064.1U
Authority: CN
Inventors: 周跃云; 范翔宇; 谢炜; 汪丹; 强瑜; 陈林
Original assignee: Sichuan Haist Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Sichuan Haist Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2020-04-03
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2030-04-03

Abstract

一种钻井旋转导向工具，包括一对上、下布置且对接的空心接头，空心接头有整体结构的螺纹头段和光管段，上、下空心接头的螺纹头段反向布置，在上、下空心接头的光管段分别有一滚动轴承，滚动轴承外围有一个外套，该外套支承于滚动轴承上；在外套上开有三个周向布置的空窗，每一空窗布置有一支撑块，每一支撑块配有一只液压缸，液压缸以钻柱内、外的泥浆压差为动力，驱动支撑块沿空窗伸出，贴靠井壁；在钻柱旋转的情况下，具有导向能力，在不起钻的情况下从地面发出指令改变井眼轨迹的控制模式，实现造斜和稳斜的转换，采用人工定向实现旋转导向，可以保证光滑的井眼轨迹。

Description

一种钻井旋转导向工具

技术领域

本实用新型属于石油钻采工具领域，涉及一种钻井旋转导向工具。

背景技术

旋转导向钻井系统是国外上世纪发展起来的一种先进的定向井、水平井轨迹控制系统，现已成为页岩气水平井等高难度井轨迹控制必须采用的技术，也是未来智能钻井（闭环钻井）不可或缺的基础平台。本世纪以来，国内各油田和院所对旋转导向系统进行了大量的研制开发，取得了一系列的成果，多家产品通过了鉴定验收，但由于是简单的仿制，结构复杂，可靠性差，价格昂贵，还没有正式产品投入商业应用。

导向钻井的实现主要靠导向工具，导向工具分两大类：

1、滑动式导向工具

滑动式导向工具的特征是导向作业时钻柱不旋转，钻柱随钻头向前推进，沿井壁滑动。滑动式导向存在许多缺点：钻柱的扭矩、摩阻大；井眼清洗不彻底；机械钻速慢等等，但目前仍占主导地位。

定向钻井大多使用井下动力钻具，主要的滑动式导向工具有：弯外壳马达、可调弯接头、可变径稳定器等。滑动式导向工具组合方式：钻柱+MWD/LWD+动力钻具+钻头。

2、旋转式导向系统（RSS）

旋转式导向工具直接引导钻头沿期望的轨迹钻进，从而避免钻柱躺在井壁上滑动，使井眼得到很好的清洗，同时允许根据地层选择合适的钻头。这样可显著地减轻或消除滑动式导向工具的不足。

旋转式导向工具主要有：VDS自动垂直直井钻井系统、SDD自动直井钻井系统、ADD自动定向钻井系统、RSD旋转导向钻井系统，RCLS旋转闭环钻井系统等。

目前我国页岩气市场使用的旋转导向工具，基本被斯伦贝谢、贝克休斯、哈里伯顿等少数几家国外公司所垄断，工具性能优良，自动化程度高，但结构非常复杂，价格特别昂贵。随着我国石油工业的迅猛发展，油气钻采规模越来越大，钻井工具消耗十分巨大，研制具有自主知识产权的旋转导向工具替代进口已经迫在眉睫。

发明内容

本实用新型的目的在于，研制一套具有国外旋转导向工具的基本功能，而又结构简单，性能可靠，价格低廉的旋转导向工具，以替代进口，其技术方案是：

一种钻井旋转导向工具，包括一对上、下同心布置且对接的空心接头，所述空心接头具有整体结构的螺纹头段和光管段，上、下空心接头的螺纹头段反向布置，即上空心接头的螺纹头在上，用于连接钻柱，下空心接头的螺纹头在下，用于连接钻头；在上、下空心接头的光管段分别设有一滚动轴承，在滚动轴承外围设有一个外套，该外套支承于所述滚动轴承上；在外套上开有三个周向均匀布置的空窗，每一空窗布置有一支撑块，每一支撑块均配有一只液压缸，所述液压缸以工具内、外的泥浆压差为动力，可驱动支撑块沿空窗伸出，贴靠井壁；在停钻后工具内、外泥浆无压差时，液压缸的复位弹簧可使支撑块缩回；所述上、下空心接头的连接部设有泥浆通道，可使工具内的泥浆进入液压缸，驱动活塞进而推动支撑块伸出；其中一个支撑块的液压缸还配有换向阀，用于使该支撑块的液压缸接通工具内的泥浆或工具外的泥浆，配有换向阀的液压缸称为可控液压缸；在钻进工况下，若可控液压缸的换向阀接通工具内的泥浆，则三个支撑块都处于伸出状态，工具居中，实现稳斜钻进工作模式；若可控液压缸的换向阀接通工具外的泥浆，则由该液压缸控制的支撑块处于收缩状态，另两个支撑块处于伸出状态，工具在井眼内发生偏斜，实现旋转导向工作模式，偏斜方向即工具面方向；在停钻工况下，工具内外泥浆无压差，三个支撑块都处于收缩状态，实现全闭起钻工作模式。

所述上、下空心接头的对接端采用牙嵌配合结构，下空心接头光管段的上端为牙嵌结构；所述上空心接头的光管段外围套有一耦合套，该耦合套与上空心接头的光管紧配合，配合面设有轴向键，耦合套的下端为牙嵌结构，与下空心接头光管段的牙嵌相啮合，啮合部的缝隙构成通往液压缸的泥浆通道。

在外套上设有一径向定位销，沿径向指向上空心接头光管段，所述上空心接头光管段耦合套的上端有限位台肩，台肩面上有与定位销适配的定位槽；所述上空心接头光管段与其轴承的内圈是活动配合。

所述定位销的方向与由可控液压缸驱动的支撑块的方向一致，代表了工具的工具面方向；上空心接头光管段耦合套的台肩面上有与定位销适配的定位槽，在工具入井前，在地面将定位槽的方向调整到与位于钻柱上部的MWD中的工具面刻线方向保持一致。当定位销与定位键耦合时，上部MWD所测出的工具面方向即是定位销的方向。

所述换向阀采用电磁换向阀。

本工具还配有压力传感器，用于检测井下泥浆压力，作为电磁换向阀换向的触发信号。

本工具还配有电路模块，该模块包括泥浆压力检测及数据发送单元、电磁换向阀执行电路单元。

所述液压缸的泥浆进口设有滤塞，防止泥浆中的固体物质进入液压缸的腔室。

所述滚动轴承配有背帽及密封盘根，避免钻柱内压力从轴承泄漏。

本实用新型的有益技术效果：

（1）在钻柱旋转的情况下，具有导向能力；可配全系列标准的地层参数及钻井参数检测仪器LWD/MWD，进行所需要的导向钻井作业，根据MWD随钻测取的数据，可在不起钻的情况下从地面发出指令改变井眼轨迹的控制模式，实现造斜和稳斜的转换，采用人工定向实现旋转导向，可以保证光滑的井眼轨迹。

（2）技术方案构思巧妙，在具备导向工具的基本功能的前提下，结构简单，性能可靠，适用工况宽泛，可以在150℃以上的高温井中使用。工具设计制造模块化、集成化，利于批量生产，价格低廉，不到进口工具的十分之一，经济适用，缺点仅仅是导向切换的操作稍微繁琐一点，与悬殊的价格优势相比，利大于弊，有望取代价格昂贵的进口旋转导向工具，不仅适应国内市场需求，也有广阔的国际市场前景。

附图说明

图1是本旋转导向工具的结构图

图2是本工具中上耦合套与上空心接头的配合结构图

图3是图2的俯视图

图4是可控液压缸的液压系统放大图

图中代号含义：

1-上空心接头；2-上空心接头的光管（光管段）；3-上轴承背帽；4-上轴承盘根；5-上轴承；6-定位销；7-压力传感器；8-电路模块；9-电磁换向阀；10-液压缸缸体；11-活塞；12-支撑块；13-外套；14-下轴承；15-下轴承盘根；16-下轴承背帽；17-下接头的光管；18-下接头；19-上耦合套的定位台肩；20-上耦合套；21-液压缸装配槽盖板；22-盖板螺钉；23-上耦合套的牙嵌；24-下接头的牙嵌；26-定位槽；27-轴向键；28-液压缸的复位弹簧；29-外泥浆通道的滤塞；30-换向阀的传压孔；31-换向阀的密封圈；32-内泥浆通道的滤塞。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型。

参见图1、图2、图3、图4。

本工具包括上空心接头1，具有整体结构的螺纹头和光管段2，螺纹头朝上，用于连接钻柱；在光管段2外围套有一个耦合套20，耦合套20与光管段2为过盈配合，配合面设有轴向键27，光管段2的下端是牙嵌23。

下空心接头18，具有整体结构的螺纹头和光管段17，螺纹头朝下，用于连接钻头，光管段17的上端是牙嵌24，与光管段2的下端牙嵌23相啮合，以传递扭矩。

在上、下空心接头1、18的外围，有一个外套13，通过一对轴承5、14支承于光管段2、17上，上部的轴承5设有背帽3和盘根4，下部的轴承14设有背帽16和盘根15，防止工具内的压力从轴承外泄。特别要说明的是，上部轴承5的内圈与光管段2是活动配合，二者之间可以发生相对位移。

在外套13上设有三个周向均匀分布（相间120度）的空窗，每个空窗内都设有一个支撑块12，每个支撑块12配有一个液压缸，作为支撑块12的沿空窗伸出或缩回的驱动器，该液压缸以钻具内的泥浆为压力介质，利用钻具内、外泥浆的压差为动力，通过液压缸的活塞11驱动支撑块12伸出，当钻具内、外泥浆无压差（停泵工况下）时，液压缸的复位弹簧28驱动支撑块12缩回。另外，位于外套13上的三个液压缸装配槽均设有盖板21，由螺栓22固定。

下面将着重说明实现导向功能的特殊结构，是本发明的要点。

在上述三个液压缸中，有一个配有电磁换向阀9，该液压缸称为可控液压缸。见图3，在该液压缸的缸体10上设有两条通入液压缸的泥浆通道，一条连通工具内部，入口设有滤塞32，另一条连通工具外部，入口设有滤塞29，滤塞29、32的作用是过滤泥浆中的固体物质，避免其进入液压缸的压力腔室，磨损活塞。电磁换向阀9是旋塞结构，阀体与阀芯的配合面设有密封圈31，通过操作电磁换向阀9，使其传压孔30择一地接通钻具内泥浆或钻具外泥浆，使支撑块处于伸出或缩回状态。这是第一个结构要点。

第二个结构要点是，如图1所示，在外套13上设有一个径向的定位销6，从径向指向上接头1的光管段2，定位销6的方向与可控液压缸驱动的支撑块的方向一致，也就是说，定位销6的方向就是工具面方向，再看图2、图3，在耦合套20 的顶端有定位台肩19，台肩面上有与定位销适配的定位槽26，在工具入井前，在地面将定位槽26的方向调整到与位于钻柱上部的MWD中的工具面刻线方向保持一致，当定位销6落入定位槽26内时，外套13与上接头1实现定向耦合，二者之间的相对位置被锁定，上部MWD所测出的工具面方向即是定位销的方向。

本工具还设有控制电路模块8和压力传感器7。

压力传感器7用于检测井下泥浆压力。控制电路模块8主要包括泥浆压力检测及信号数据传输单元，电磁换向阀执行电路单元。

下面介绍本工具的使用方法。有三种工作模式。分述如下：

一、下钻全闭工作模式

将钻头装在本工具的下接头18上，再将本工具的上接头1与钻柱连接，随钻柱下井，此时，本工具的液压缸没有压力差，三个支撑块12全部处于收缩状态，外套13是通过定位销6悬挂在耦合套20的定位台19的台面上；耦合套20的牙嵌23与下接头的牙嵌24啮合部分行程；一直到钻头下至井底，在没有开泵循环之前，工具三个支撑块12全部处于收缩状态。

二、导向钻进工作模式

这里所述的导向钻进工作模式是本工具的主要工作模式，是本发明的要点，具体步骤是：

1、预先把电磁换向阀的传压孔接通工具外泥浆通道，再下钻到底，开泵循环，此时可控液压缸与环空泥浆连通，不会动作，由可控液压缸驱动的支承块仍处于收缩状态，而其余二个支撑块液压缸与工具内泥浆连通，支承块伸出，工具发生偏斜，直至三个支撑块都贴住井壁；

2、上提钻柱，由于上接头光管2与轴承5的内圈是活动配合，钻柱与外套13发生竖直方向相对位移，当钻柱行程超过Y1后，外套13又被定位销6挂在耦合套20定位台肩19的台肩面上，此时外套13与钻柱同步上行。

3、停止上提钻具，然后在地面人工转动钻柱，当台肩19台面上的定位槽26对准定位销6时，在外套13（含液压缸、支撑块、钻头）的重力作用下，定位销6自动落入定位键槽26内，此时，外套13与上接头1实现了定位耦合；有必要说明以下两点，一是外套13与上接头1耦合的上提行程y₁远小于上、下牙嵌23、24的啮合行程y_2，也就是说，耦合套的牙嵌23与下接头的牙嵌24依然是啮合的。二是，由于在开泵循环，三个支撑块紧贴井壁，有摩擦力，该摩擦力远大于定位销6在台肩19台面上的摩擦力，故转动钻柱时，外套13不会跟着转动；而支撑块与井壁的摩擦力不足以克服外套13（含液压缸、支撑块、钻头）的重力，不会影响定位销6落入定位槽26内。

4、当定位耦合后，外套13与钻柱的相对位置被锁定，定位销6与位于钻柱上部的MWD 的工具面刻线保持一致，也就是说，MWD 的工具面刻线即代表工具面方向；继续开泵循环泥浆，由MWD测出工具面方向。

5、然后地面人工转动钻具进行定向，将工具面的方向转动到需要定向的位置上。

6，定向后，继续开泵循环，下放钻柱，让钻头慢慢接触井底，然后转动钻具，逐步加压进行旋转导向钻进。此时，定位销已经从定位耦合器中脱开，MWD 测不到工具面方向。钻进时，外套13通过支撑块沿井壁向下滑动，与钻柱下行同步，但因支撑块与井壁的摩擦力远大于轴承的摩擦力，外套13始终不会转动，也就是说，工具面方向设定之后，不会在钻进过程中改变。

7、当钻进完一个单根后，停泵接单根，然后开泵循环，重复上述操作，继续旋转导向钻进。

三、稳斜钻进工作模式

稳斜钻进模式，是由导向钻进模式转换而来。是通过地面实施短时间内的两次开停泵来实现的，具体步骤是：

1、当需要稳斜钻进时，在地面实施短时间内的两次开停泵操作，此时工具内的压力传感器7测到这种压力变化信号，通过执行电路单元控制向电磁换向阀换向，可调支承块的传压孔30接通工具内泥浆通道，支承块伸出。此时三个支承块均处于伸出状态，使外套上三个支承块均匀地支承井壁，工具处于居中状态；

2、然后下放旋转钻具钻进，实现稳斜工作模式。

3、每钻完一个单根，在接单根后，均需要重新开泵，重复上述过程，实现继续的稳斜钻进。

四、起钻全闭模式

关泵停钻，待工具内外压差消失，三个支撑块12都收缩，提钻上行，将钻柱提出井眼。

Claims

1.一种钻井旋转导向工具，其特征在于，包括一对上、下同心布置且对接的空心接头，所述空心接头具有整体结构的螺纹头段和光管段，上、下空心接头的螺纹头段反向布置，即上空心接头的螺纹头在上，用于连接钻柱，下空心接头的螺纹头在下，用于连接钻头；在上、下空心接头的光管段分别设有一滚动轴承，在滚动轴承外围设有一个外套，该外套支承于所述滚动轴承上；在外套上开有三个周向均匀布置的空窗，每一空窗布置有一支撑块，每一支撑块均配有一只液压缸，所述液压缸以工具内、外的泥浆压差为动力，驱动支撑块沿空窗伸出，贴靠井壁；在停钻后工具内、外泥浆无压差时，液压缸的复位弹簧使支撑块缩回；所述上、下空心接头的连接部设有泥浆通道，使工具内的泥浆进入液压缸，驱动活塞进而推动支撑块伸出；其中一个支撑块的液压缸还配有换向阀，用于使该支撑块的液压缸接通工具内的泥浆或工具外的泥浆，配有换向阀的液压缸称为可控液压缸；在钻进工况下，若可控液压缸的换向阀接通工具内的泥浆，则三个支撑块都处于伸出状态，工具居中，实现稳斜钻进工作模式；若可控液压缸的换向阀接通工具外的泥浆，则由该液压缸控制的支撑块处于收缩状态，另两个支撑块处于伸出状态，工具在井眼内发生偏斜，实现旋转导向工作模式，偏斜方向即工具面方向；在停钻工况下，工具内外泥浆无压差，三个支撑块都处于收缩状态，实现全闭起钻工作模式。

2.如权利要求1所述的钻井旋转导向工具，其特征在于，所述上、下空心接头的对接端采用牙嵌配合结构，所述上空心接头的光管段外围套有一耦合套，该耦合套与上空心接头的光管紧配合，配合面设有轴向键，耦合套的下端为牙嵌结构，与下空心接头光管段的牙嵌相啮合，啮合部的缝隙构成通往液压缸的泥浆通道。

3.如权利要求1所述的钻井旋转导向工具，其特征在于，在外套上设有一径向定位销，沿径向指向上空心接头光管段，所述上空心接头光管段耦合套的上端有限位台肩，台肩面上有与定位销适配的定位槽；所述上空心接头光管段与其轴承的内圈是活动配合。

4.如权利要求3所述的钻井旋转导向工具，其特征在于，所述定位销的方向与由可控液压缸驱动的支撑块的方向一致，代表了工具的工具面方向；上空心接头光管段耦合套的台肩面上有与定位销适配的定位槽，在工具入井前，在地面将定位槽的方向调整到与位于钻柱上部的MWD中的工具面刻线方向保持一致，当定位销与定位键耦合时，上部MWD所测出的工具面方向即是定位销的方向。

5.如权利要求1所述的钻井旋转导向工具，其特征在于，所述换向阀采用电磁换向阀。

6.如权利要求5所述的钻井旋转导向工具，其特征在于，本工具还配有压力传感器，用于检测井下泥浆压力，作为电磁换向阀换向的触发信号。

7.如权利要求5所述的钻井旋转导向工具，其特征在于，本工具还配有电路模块，该模块包括泥浆压力检测及数据传送单元、电磁换向阀执行电路单元。

8.如权利要求1所述的钻井旋转导向工具，其特征在于，所述液压缸的泥浆进口设有滤塞，防止泥浆中的固体物质进入液压缸的腔室。

9.如权利要求1所述的钻井旋转导向工具，其特征在于，所述滚动轴承配有背帽及密封盘根，避免钻柱内压力从轴承泄漏。