CN102606073A - 一种指向式旋转导向钻井工具的导向机构 - Google Patents

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李晓红
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Abstract

一种指向式旋转导向钻井工具的导向机构，近钻头稳定器固定在旋转外套的末端，旋转外套内固定有万向节，偏置轴末端安装钻头，上端与钻井液通道相联，偏置轴承的外表面上有液压活塞，液压腔中安装有传感器，液压介质通道位于旋转外套内部，液压介质通道与两个伺服阀相联，伺服阀与控制单元相连，液压泵与电机相连，电机与涡轮相连，涡轮末端为钻井液通道，在液压力作用下，偏置机构产生位移，使万向轴倾斜，液压伸缩块动态可调，使变异万向轴在钻进的过程中保持在一定的角度。泥浆带动发电机产生电能，给液压泵提供能量，整个液压***为伺服控制，本发明***灵活、受力好、井斜方位控制准确，井眼质量好的优点。

Description

一种指向式旋转导向钻井工具的导向机构
技术领域
本发明涉及一种石油勘探导向钻井工具，特别涉及一种指向式旋转导向钻井工具的导向机构。 
背景技术
随着石油工业的发展，开发深井，超深井，大位移井，水平井，以及多目标井成为需要。并且要更经常地面对海洋，沙漠等一些复杂构造地层。勘探开发的难度大大增加。这些现状给钻井技术提出了提高效率，提高在恶劣环境和复杂地质条件下的钻井能力，和实现智能化等一系列新要求。 
旋转导向钻井技术是钻井工程领域的高新技术，代表着世界先进的钻井技术发展方向。目前，在世界范围内水平井、大位移井、分支井等高难度的复杂井正蓬勃发展，常规钻井技术难以适应需要，并且具有本身难以克服的缺点：井眼轨迹控制精度差，钻井极限深度受到限制，井眼清洗不良，较多的起下钻次数引起的钻井速度降低等。所以必须依靠先进的旋转导向钻井技术才能保证井眼轨迹的准确无误。 
目前旋转导向钻井工具主要分为静态偏置式旋转导向钻井工具和动态偏置式旋转导向钻井工具。按偏置机构的导向方式的不同，又可分为推靠式和指向式。推靠式旋转导向***侧向力大，造斜率高， 但旋转导向钻出的井眼狗腿大，轨迹波动大，不平滑。钻头和钻头轴承的磨损较严重。 
指向式旋转导向***能钻出较平滑的井眼；摩阻和扭矩较小；可以使用较大的钻压；机械钻速较高；有助于发挥钻头的性能；钻头及其轴承承受的侧向载荷较小；极限位移增加。 
而动态式旋转导向***相比静态式具有钻柱受力情况良好，调节更加灵活等优点，已经是旋转导向钻具领域研究的重点. 
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种指向式旋转导向钻井工具的导向机构，结合了动态式和指向式两者的特点，既有动态式钻柱受力情况良好，调节灵活的优点，又有指向式钻具在特殊地质条件导向能力强，井眼质量好的优点。 
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： 
一种指向式旋转导向钻井工具的导向机构，包括近钻头稳定器1，近钻头稳定器1固定在旋转外套2的末端，旋转外套2内固定有万向节5，万向节5中的钢球6放置在偏置轴3的球窝中，偏置轴3与外套2末端之间安装有第一密封圈8，偏置轴3末端用来安装钻头4，偏置轴3的上端伸入在偏置轴承10中，并通过柔性密封圈17与钻井液通道19相联，偏置轴承10的外表面上作用有四个液压活塞9，液压活塞9通过液压介质14推动，液压活塞9在液压腔22中运动，液压腔22开在旋转外套2上，液压腔22中安装有传感器11，液压介质通道15位于旋转外套2内部，液压介质通道15通过液压腔22与 两个伺服阀12相联，伺服阀12与控制单元21相连，液压介质14通过液压泵13提供压力能，液压泵13的输入轴与电机16的输出轴相连，电机16的输入轴与涡轮18的主轴相连，涡轮18末端为钻井液通道19，钻井液通道19与电机16之间安装有第二密封圈20。 
本发明结合了动态式和指向式两者的特点，兼有动态式***灵活，受力好的优点和指向式钻具更好的井斜方位控制，井眼质量好的优点。 
附图说明
图1是本发明的结构示意图。 
图2是本发明的A-A向结构示意图。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细叙述。 
参照图1、图2，一种指向式旋转导向钻井工具的导向机构，包括近钻头稳定器1，近钻头稳定器1通过螺纹连接形式固定在旋转外套2的末端，旋转外套2内固定有万向节5，万向节5中的钢球6放置在偏置轴3的球窝中，从而使偏置轴3和旋转外套2一同旋转，偏置轴3与外套2末端之间安装有第一密封圈8，用来阻止泥浆进入万向节5，偏置轴3末端用来安装钻头4，偏置轴3的上端伸入在偏置轴承10中，并通过柔性密封圈17和钻井液通道19相联，偏置轴承10的外表面上作用有四个液压活塞9，液压活塞9通过液压介质14推动，液压活塞9在液压腔22中运动，液压腔22开在旋转外套2上，液压腔22中安装有传感器11，用来检测液压活塞9的位置。液压介 质通道15位于旋转外套2内部，液压介质通道15通向液压腔22与两个伺服阀12相联，伺服阀12受到控制单元21的控制。液压介质14的压力能靠液压泵13提供，液压泵13靠电机16驱动，电机16依靠钻井液冲刷涡轮18旋转产生电能。涡轮18末端为钻井液通道19，钻井液通道19与电机16之间安装有第二密封圈20，用来阻止钻井液侵入电机16以及液压介质14. 
本发明的工作原理为：旋转导向钻井底部钻具中的近钻头稳定器1与旋转外套2紧密结合并保持旋转，旋转外套2受到钻柱驱动，钻柱由井上钻机带动旋转。偏置轴3通过联接方式安装在旋转外套2内，受到旋转外套的直接驱动来进行钻井工作。偏置轴的底部开有锥形螺纹，钻头4通过锥螺纹安装在偏置轴3上。偏置轴在工作中和旋转外套的轴线保持在指定的角度，从而使钻头沿着预设的方向钻进。钻直井段时可以通过将偏置角度调整为零来实现。 
旋转外套通过万向节5将力矩和压力传递到偏置轴3上，万向节的结构跟滚动轴承的结构相似，与之不同的是滚珠6嵌在球形凹槽7内，起到销子的作用，使得旋转外套2和偏置轴3之间没有相对的运动，并且允许了偏置轴3绕着万向节5的中心向着任何方向摆动。 
偏置轴3和旋转外套2轴心线之间的角度是通过旋转外套内部的液压活塞9来调整的，液压活塞9的控制通过液压伺服回路来实现。液压回路中起到关键调节作用的是液压伺服阀12。液压伺服阀12能根据传感器11采集到的信号来调节液压活塞9的运动。工作过程中，倾斜角度可以通过控制单元21的命令发生改变，实现动态可调。 
在本发明中，旋转外套2内配置有液压泵13。液压泵13由电机18驱动，为液压***提供压力介质。液压介质14受到伺服阀12控制，流入液压腔22。伺服阀12收到传感器11采集信号发出的命令后，改变液压介质14的流速或方向，使液压活塞9按一定规律运动。液压活塞9的合运动能够维持偏置轴3在钻进过程中轴心线静止，或者改变偏置轴3的倾角到调节范围内的任意角度。 
用来控制电子***以及伺服阀12运动的电能，由电机16产生，电机16依靠钻井液冲刷涡轮19或正位移马达来发电。电机16的电能也可用来给电子***的电池充电。 
在工作中，旋转外套2一直处于旋转状态，故液压***必须具备动态调节的能力，使钻轴的轴线相对于大地保持静止，按照预定的方向偏置。假设旋转外套的角速度为ω，则转轴摆动角速度必须为-ω。 
为使偏置轴3端部实现圆周运动，液压活塞9的合运动必须是圆周运动。本发明中每两对液压活塞9相互垂直布置，现假设一组为x方向，一组为y方向，那么当它们的运动规律如下：vx＝rωcosθ，vy＝rωsinθ，θ＝2π/ω.就可以使它们的合运动为圆周运动，且与旋转外套保持相同的角速度ω，从而抵消了旋转外套2旋转的效果。 
伺服阀12可以为两位四通阀，通过调节液流使液压活塞9按照给定的规律运动。伺服阀12由于快速性好，传动平稳等优点，可以很好地实现对液流方向，流量的实时调节。 
传感器11将采集到的信号传递到控制单元21，信号经控制单元 21计算处理后，变为伺服阀11的控制信号(如正弦，余弦信号)，伺服阀按给定的规律调节回路，从而实现了偏置机构可控的，连续的调节。 
图中：1稳定器，2旋转外套，3偏置轴，4钻头，5万向节，6钢球，7，凹槽，8第一密封圈，9液压活塞，10偏置轴承，11传感器，12伺服阀，13液压泵，14液压介质，15液压介质通道，16电机，17柔性密封圈，18涡轮，19钻井液通道，20第二密封圈，21控制单元，22液压腔。 

Claims (1)

1.一种指向式旋转导向钻井工具的导向机构，其特征在于，包括近钻头稳定器(1)，近钻头稳定器(1)固定在旋转外套(2)的末端，旋转外套(2)内固定有万向节(5)，万向节(5)中的钢球(6)放置在偏置轴(3)的球窝中，偏置轴(3)与外套(2)末端之间安装有第一密封圈(8)，偏置轴(3)末端用来安装钻头(4)，偏置轴(3)的上端伸入在偏置轴承(10)中，并通过柔性密封圈(17)与钻井液通道(19)相联，偏置轴承(10)的外表面上作用有四个液压活塞(9)，液压活塞(9)通过液压介质(14)推动，液压活塞(9)在液压腔(22)中运动，液压腔(22)开在旋转外套(2)上，液压腔(22)中安装有传感器(11)，液压介质通道(15)位于旋转外套(2)内部，液压介质通道(15)通过液压腔(22)与两个伺服阀(12)相联，伺服阀(12)与控制单元(21)相连，液压介质(14)通过液压泵(13)提供压力能，液压泵(13)的输入轴与电机(16)的输出轴相连，电机(16)的输入轴与涡轮(18)的主轴相连，涡轮(18)末端为钻井液通道(19)，钻井液通道(19)与电机(16)之间安装有第二密封圈(20)。 
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