CN108412425A - 一种钻头导向式新型钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油钻井设备技术领域，具体涉及一种钻头导向式新型钻井工具,其主要包括：上接头、非旋转外壳、斜盘式单柱塞泵、液压控制***集成模块、万向联轴器、液压缸动力执行机构、可弯外壳和下接头；所述上接头与旋转钻杆相连，通过下接头连接钻头；所述液压缸动力执行机构包括上支撑座、液压缸和下支撑座；本发明通过将三个液压缸分别与上支撑座铰接和下支撑座球铰，构成三自由度RPS并联机构，通过三个液压缸活塞杆伸出量的组合变化带动下支撑座在360°任意方向上偏转，且通过万向联轴器将钻杆的旋转运动传递给钻头；具有轨迹平缓、造斜能力大的特点。

Description

一种钻头导向式新型钻井工具

技术领域

本发明涉及石油钻井设备技术领域，具体涉及一种钻头导向式新型钻井工具。

背景技术

对于定向井、水平井、大位移钻井工艺，要完成复杂井眼轨迹，尤其是实现井下闭环控制，传统钻井工具已不能满足要求，必须研制新型的旋转导向井下工具，其核心是能在旋转状态下，根据控制指令改变作用在钻头的合力或改变钻具偏心程度的偏置导向机构。将井下可控工具和随钻测量工具相结合，可实现井眼轨迹控制的几何导向或地质导向。目前常用的旋转导向钻井工具有贝克休斯公司的Auto Trak***、斯伦贝谢公司的Powerdriver***、Sperry-Sun公司的Geo-Pilot***。前面两种均是采用推靠式，通过液压***控制均布在钻杆周围的三个支撑翼肋，三个支撑翼肋伸出和缩回来实现钻杆角度的偏斜，从而实现导向钻井。这种推靠式***造斜率高，但是钻头受到的侧向载荷大，使钻头和钻头轴承磨损更加严重，钻头的使用寿命降低，并且轨迹波动较大。Geo-Pilot***是一种指向式导向钻井***，靠两个偏心环组成的偏心装置使钻头驱动轴弯曲，从而使钻头偏离井眼轴线，达到定向钻井效果。这种***钻头侧向载荷小，轨迹平缓，但是造斜率低。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种钻头导向式新型钻井工具。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种钻头导向式新型钻井工具，包括：上接头、非旋转外壳、斜盘式单柱塞泵、液压控制***集成模块、万向联轴器、液压缸动力执行机构、可弯外壳和下接头；所述上接头与旋转钻杆相连，通过下接头连接钻头；所述液压缸动力执行机构包括上支撑座、液压缸和下支撑座，所述上支撑座固定在非旋转外壳上，通过轴承组二与所述上接头的钻杆连接；所述液压缸包括液压缸缸体、活塞杆和液压缸端盖，所述液压缸缸体利用螺栓与上支撑座铰接，所述活塞杆通过球铰与下支撑座相连，三个所述液压缸均布在所述万向联轴器的虚拟中心轴线的周向上；所述上接头与非旋转外壳之间通过轴承组一连接，并利用密封组一与外界进行隔离；所述万向联轴器通过固定在所述上接头钻杆末端的法兰头与钻杆相连接，并通过螺钉与所述下接头相连；所述可弯外壳一端与上支撑座固定，另一端通过固定在下支撑座上的锁紧环锁紧；所述下接头与下支撑座通过轴承组三连接，并利用密封组二与外界进行隔离。

详细地，还包括斜盘式单柱塞泵和液压控制***集成模块，所述斜盘式单柱塞泵包括斜盘、柱塞和缸体；所述斜盘通过轴套一与所述上接头的钻杆固定在一起，所述上接头的钻杆带动斜盘旋转，所述斜盘的底面设置为斜坡面；所述缸体在圆周方向上均布三个与柱塞对应的柱塞腔，缸体固定在非旋转外壳上；所述柱塞与缸体上对应的柱塞腔底部之间放置有弹簧，弹簧使所述柱塞的伸出端与所述斜盘的底面相抵配合；所述缸体与柱塞对应的柱塞腔上开设有导通口，通过油管可以将所述导通口与所述液压控制***集成模块相连；三个所述单柱塞泵均布在以缸体中心轴线为中轴线的圆周上，所述上接头的钻杆与缸体同轴设置。

所述液压控制***集成模块包括液控单向阀、电磁换向阀、蓄能器、回油单向阀、溢流阀、吸油单向阀和油箱；所述液压控制***集成模块和所述柱塞泵的腔体一一对应；三个所述液压缸均单独设置有与之配套的所述液压控制***集成模块；所述吸油单向阀的进油口与油箱通过管路连通，所述吸油单向阀的出油口通过管路分别与所述回油单向阀和溢流阀的进油口连接，另外所述吸油单向阀的出油口通过油管与所述缸体柱塞腔的导通口相连；所述回油单向阀的出油口通过管路分别与所述电磁换向阀和蓄能器的进油口连接，液压油通过所述回油单向阀的出油口流入所述电磁换向阀，所述电磁换向阀通过控制液压油的流向可以控制液压缸的伸出和缩回；其中液控单向阀可实现液压缸的双向锁紧；蓄能器作辅助动力源并吸收压力脉动；溢流阀使泵的出口压力恒定。

详细地，所述万向联轴器为可伸缩万向联轴器；这样的可伸缩万向联轴器可随着下支撑座的偏转而变化长度，使得万向联轴器进一步地适应下支撑座的偏转。

详细地，所述万向联轴器为可伸缩导液式万向联轴器，可伸缩导液式万向联轴器还包括导液橡胶管，所述导液橡胶管通过螺钉固定在可伸缩万向联轴器两端面的凹槽上，导液橡胶管可使钻杆内的钻杆液顺利通过和传导。

本发明通过将三个液压缸分别与上支撑座铰接和下支撑座球铰，构成三自由度RPS并联机构，通过三个液压缸活塞杆伸出量的组合变化带动下支撑座在360°任意方向上偏转，且通过万向联轴器将钻杆的旋转运动传递给钻头；具有轨迹平缓、造斜能力大的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明沿图1中A-A方向的剖视图；

图3是本发明沿图1中B-B方向的剖视图；

图4是本发明中液压缸动力执行机构的原理图；

图5是本发明中液压控制***的原理图。

附图标记说明：

1-上接头，2-密封组一，3-非旋转外壳，4-轴承组一，5-轴套一，6-斜盘，7-柱塞，8-缸体，9-轴套二，10-液压控制***集成模块，11-轴承组二，12-上支撑座，13-法兰头，14-导液橡胶管，15-万向联轴器，16-液压缸缸体，17-活塞杆，18-液压缸端盖，19-可弯外壳，20-下支撑座，21-轴承组三，22-密封组二，23-锁紧环，24-下接头，25-油管通道，26-液压缸，27-液控单向阀，28-电磁换向阀，29-蓄能器，30-回油单向阀，31-溢流阀，32-吸油单向阀，33-油箱。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要理解的是，术语“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“一”、“二”、“三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“一”、“二”、“三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“一组”的含义是两个或两个以上。

实施例

如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种钻头导向式新型钻井工具，包括：上接头1、非旋转外壳3、斜盘式单柱塞泵、液压控制***集成模块10、万向联轴器15、液压缸动力执行机构、可弯外壳19、下接头24；所述钻头导向式新型钻井工具在使用过程中作为单独的一节固定在旋转钻杆的末端，上接头1与旋转钻杆相连传递动力，通过下接头24连接钻头；所述液压缸动力执行机构包括：上支撑座12、液压缸26、下支撑座20，所述上支撑座12固定在非旋转外壳3上，通过轴承组二11与所述上接头1的钻杆连接；所述液压缸26由液压缸缸体16、活塞杆17和液压缸端盖18组成，所述液压缸缸体16利用螺栓与上支撑座12铰接，所述活塞杆17通过球铰与下支撑座20相连，三个所述液压缸26均布在所述万向联轴器15的虚拟中心轴线的周向上；所述上接头1与非旋转外壳3之间通过轴承组一4连接，并利用密封组一2与外界进行隔离；所述万向联轴器15通过固定在所述上接头1钻杆末端的法兰头13与钻杆相连接，并通过螺钉与所述下接头24相连；所述可弯外壳19一端与上支撑座12固定，另一端通过固定在下支撑座20上的锁紧环23锁紧；所述下接头24与下支撑座20通过轴承组三21连接，并利用密封组二22与外界进行隔离。

如图4所示为本发明中液压缸动力执行机构的原理图，利用三个液压缸26分别与上支撑座12铰接和下支撑座20球铰构成三自由度RPS并联机构，通过三个液压缸26活塞杆17伸出量的组合变化带动下支撑座20在360°任意方向上偏转；当下支撑座20发生偏转时，通过万向联轴器15将钻杆的旋转运动传递给钻头。

详细地，还包括斜盘式单柱塞泵和液压控制***集成模块10，所述斜盘式单柱塞泵包括斜盘6、柱塞7和缸体8；所述斜盘6通过轴套一5与所述上接头1的钻杆固定在一起，所述上接头1的钻杆带动斜盘6旋转，所述斜盘6的底面设置为斜坡面；所述缸体8在圆周方向上均布三个与柱塞7对应的柱塞腔如图2所示，缸体8固定在非旋转外壳3上；所述柱塞7与缸体8上对应的柱塞腔底部之间放置有弹簧，弹簧使所述柱塞7的伸出端与所述斜盘6的底面相抵配合；所述缸体8与柱塞7对应的柱塞腔上开设有导通口，通过油管可以将所述导通口与所述液压控制***集成模块10相连；设有三个所述单柱塞泵均布在所述斜盘6的底面周向上，或者如图2所示在以缸体8中心轴线为中轴线的圆周上均布地开设三个独立腔体，所述上接头1的钻杆与缸体8同轴设置。

如图5所示为本发明中液压控制***的原理图；液压***包括斜盘式柱塞泵、液压缸26、液控单向阀27、电磁换向阀28、蓄能器29、回油单向阀30、溢流阀31、吸油单向阀32和油箱33，其中液控单向阀27、电磁换向阀28、蓄能器29、回油单向阀30、溢流阀31、吸油单向阀32、油箱33集成在所述液压控制***集成模块10中。所述液压控制***集成模块10在使用过程中作为单独结构通过螺钉固定在非旋转外壳3上；所述液压控制***集成模块10和所述柱塞泵的腔体一对一对应；三个所述液压缸26均单独设置有与之配套的所述液压控制***集成模块10；所述吸油单向阀32的进油口与油箱33通过管路连通，所述吸油单向阀32的出油口通过管路分别与所述回油单向阀30和溢流阀31的进油口连接，另外所述吸油单向阀32的出油口通过油管与所述缸体8柱塞腔的导通口相连；所述回油单向阀30的出油口通过管路分别与所述电磁换向阀28和蓄能器29的进油口连接，液压油通过所述回油单向阀30的出油口流入所述电磁换向阀28，所述电磁换向阀28通过控制液压油的流向可以控制液压缸26的伸出和缩回；其中液控单向阀27可实现液压缸26的双向锁紧；蓄能器29作辅助动力源并吸收压力脉动；溢流阀31使泵的出口压力恒定。

所述上接头1的钻杆旋转时，带动斜盘6旋转，而由于斜盘6的底面是带斜度的斜坡面，斜盘6的斜坡面和柱塞7之间会产生距离变化，且由于柱塞7与缸体8上对应的柱塞腔底部之间放置有弹簧，在斜盘6旋转过程中，斜盘6的斜坡面会驱动柱塞7缩回和伸出，这样缸体8上对应的柱塞腔的容积会产生变化；当柱塞腔的容积变大时，吸油单向阀32打开，回油单向阀30关闭，油箱33内的液压油通过吸油单向阀32流向柱塞泵；当柱塞腔的容积变小时，回油单向阀30打开，吸油单向阀32关闭，柱塞泵内的液压油通过回油单向阀30流向电磁换向阀28；通过回油单向阀30和吸油单向阀32的配合将油箱33内的液压油泵入电磁换向阀28进油口，通过控制信号来控制电磁换向阀28的工位，从而控制液压缸26的活塞杆17的伸缩；通过将所述上接头1钻杆的旋转动力巧妙地转换为液压缸26的液压动力，可以在不借助外在动力源的前提下，实现下支撑座20在360°任意方向上偏转，具有设计巧妙新颖的特点。

详细地，所述万向联轴器为可伸缩万向联轴器；这样的可伸缩万向联轴器可随着下支撑座20的偏转而变化长度，使得万向联轴器进一步地适应下支撑座20的偏转；

详细地，所述万向联轴器为可伸缩导液式万向联轴器，可伸缩导液式万向联轴器还包括导液橡胶管14，导液橡胶管14通过螺钉固定在可伸缩万向联轴器两端面的凹槽上；钻杆液又称钻孔冲洗液，是钻井、打孔过程中，孔内使用的循环冲洗介质，可伸缩万向联轴器内的导液橡胶管14可使钻杆内的钻杆液顺利通过和传导。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明一种钻头导向式新型钻井工具与现有导向钻井工具在动力上存在差别，本发明直接利用钻杆的旋转运动作为执行机构的原始动力，提高了导向钻井工具在使用过程中的稳定性；

(2)本发明一种钻头导向式新型钻井工具属于指向式导向钻井***，相比推靠式***钻头受到的侧向载荷小，轨迹比较平缓；相比现有的Geo–Pilot指向式钻井***，由于采用三自由度RPS并联机构使其造斜能力大幅提高，并且井眼轨迹控制更为简单；

(3)本发明一种钻头导向式新型钻井工具通过控制三个液压缸的伸出位置，可以实现钻头在360°任意方向上偏转；

(4)本发明一种钻头导向式新型钻井工具通过控制液压***可以实时地调整钻头的方向，提高了井眼轨迹的准确性。

本发明通过将三个液压缸分别与上支撑座铰接和下支撑座球铰，构成三自由度RPS并联机构，通过三个液压缸活塞杆伸出量的组合变化带动下支撑座在360°任意方向上偏转，且通过万向联轴器将钻杆的旋转运动传递给钻头；具有轨迹平缓、造斜能力大的特点。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种钻头导向式新型钻井工具，包括：上接头、非旋转外壳、斜盘式单柱塞泵、液压控制***集成模块、万向联轴器、液压缸动力执行机构、可弯外壳和下接头；所述上接头与旋转钻杆相连，通过下接头连接钻头；所述液压缸动力执行机构包括上支撑座、液压缸和下支撑座，所述上支撑座固定在非旋转外壳上，通过轴承组二与所述上接头的钻杆连接；所述液压缸包括液压缸缸体、活塞杆和液压缸端盖，所述液压缸缸体利用螺栓与上支撑座铰接，所述活塞杆通过球铰与下支撑座相连，三个所述液压缸均布在所述万向联轴器的虚拟中心轴线的周向上；所述上接头与非旋转外壳之间通过轴承组一连接，并利用密封组一与外界进行隔离；所述万向联轴器通过固定在所述上接头钻杆末端的法兰头与钻杆相连接，并通过螺钉与所述下接头相连；所述可弯外壳一端与上支撑座固定，另一端通过固定在下支撑座上的锁紧环锁紧；所述下接头与下支撑座通过轴承组三连接，并利用密封组二与外界进行隔离。

2.根据权利要求1所述的钻头导向式新型钻井工具，其特征在于，还包括斜盘式单柱塞泵和液压控制***集成模块，所述斜盘式单柱塞泵包括斜盘、柱塞和缸体；所述斜盘通过轴套一与所述上接头的钻杆固定在一起，所述上接头的钻杆带动斜盘旋转，所述斜盘的底面设置为斜坡面；所述缸体在圆周方向上均布三个与柱塞对应的柱塞腔，缸体固定在非旋转外壳上；所述柱塞与缸体上对应的柱塞腔之间放置有弹簧，弹簧使所述柱塞的伸出端与所述斜盘的底面相抵配合；所述缸体与柱塞对应的柱塞腔上开设有导通口，通过油管可以将所述导通口与所述液压控制***集成模块相连；三个所述单柱塞泵均布在以缸体中心轴线为中轴线的圆周上，所述上接头的钻杆与缸体同轴设置。

3.根据权利要求1所述的钻头导向式新型钻井工具,其特征在于，所述液压控制***集成模块包括液控单向阀、电磁换向阀、蓄能器、回油单向阀、溢流阀、吸油单向阀和油箱，所述液压控制***集成模块和所述柱塞泵的腔体一一对应；三个所述液压缸均单独设置有与之配套的所述液压控制***集成模块；所述吸油单向阀的进油口与油箱通过管路连通，所述吸油单向阀的出油口通过管路分别与所述回油单向阀和溢流阀的进油口连接，所述吸油单向阀的出油口通过油管与所述缸体柱塞腔的导通口相连；所述回油单向阀的出油口通过管路分别与所述电磁换向阀和蓄能器的进油口连接，液压油通过所述回油单向阀的出油口流入所述电磁换向阀，所述电磁换向阀通过控制液压油的流向可以控制液压缸的伸出和缩回；其中液控单向阀可实现液压缸的双向锁紧；蓄能器作辅助动力源并吸收压力脉动；溢流阀使泵的出口压力恒定。

4.根据权利要求1所述的钻头导向式新型钻井工具,其特征在于，所述万向联轴器为可伸缩万向联轴器。

5.根据权利要求4所述的钻头导向式新型钻井工具,其特征在于，所述万向联轴器为可伸缩导液式万向联轴器，可伸缩导液式万向联轴器还包括导液橡胶管，所述导液橡胶管通过螺钉固定在可伸缩万向联轴器两端面的凹槽上，导液橡胶管可使钻杆内的钻杆液顺利通过和传导。