專利名稱：一種旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油鉆探領(lǐng)域的機械工具，更具體地說，涉及一種旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向器。
背景技術(shù)：
20世紀90年代末，國外開始研制旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)，其中斯侖貝謝(Schlumberger)的PowerDrive (旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng))、貝克休斯(Baker Hughes)的AUTO-TRACK (井下閉環(huán)自動跟蹤控制系統(tǒng))及埃尼-阿吉普(ENI-Agip)和貝克休斯共同研制的SDD系統(tǒng)(垂直鉆井裝置)較為成功，國內(nèi)把旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)列為863攻關(guān)項目，只有勝利油田鉆井院研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)開始井下試驗，我們1996年開始研究旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向器，目前工具結(jié)構(gòu)和原理較為成熟。 斯侖貝謝(Schlumberger)的PowerDrive (旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng))是在鉆具軸上設(shè)計120度夾角的三個液壓活塞翼板，翼板都隨軸轉(zhuǎn)動，在鉆具軸的內(nèi)通孔設(shè)計一個主供液口，主供液口不隨鉆具軸轉(zhuǎn)動，但可以通過地面電信號以泥漿脈沖形式傳至主供液口的控制裝置進行控制，可以360度調(diào)整主供液口的方位，主供液口的母盤有三個支液體管道，通三個液壓活塞，給翼板活塞供液，主供液口與它的母盤可以在密封狀態(tài)下相互轉(zhuǎn)動，主供液口可以接受地面指令調(diào)轉(zhuǎn)方位，并不隨鉆具轉(zhuǎn)動，而三個分支管隨鉆具轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)一圈分別與主供液口對接一次，使活塞推動翼板，產(chǎn)生鉆頭的側(cè)向切削力，若要鉆頭向正南方向鉆進，主供液口應(yīng)調(diào)到正北，這樣每個翼板轉(zhuǎn)到北就被供液一次，給鉆頭向南一個側(cè)向切屑力，達到控制井眼軌跡的目的。該工具在我國南海西江油田的XJ24-3-A18井使用，該井設(shè)計井深8800m,水平位移7500m,用PowerDrive節(jié)約10天鉆井周期，去PowerDrive日租金每天數(shù)萬美圓后，仍節(jié)約鉆井費用500萬元，但第二口井出現(xiàn)翼板落井事故。其主要缺點是1、控制系統(tǒng)復(fù)雜，加工難度大。2、工具造價高，一套要一千多萬美元。3、翼板跟鉆具轉(zhuǎn)易造成落井事故。為了克服翼板隨鉆具轉(zhuǎn)的缺點，貝克休斯設(shè)計了 AUT0-TRACK (井下閉環(huán)自動跟蹤控制系統(tǒng))，AUT0-TRACK把三個翼板設(shè)計在不旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向扶正套上，導(dǎo)向扶正套與鉆具軸通過軸承聯(lián)系，可以相互轉(zhuǎn)動，三個翼板的供液通道由電子閥控制，地面可以通過泥漿脈沖無線控制電子閥的開啟，工具上有無線測量系統(tǒng)，同地面指揮系統(tǒng)形成閉環(huán)，工作時驅(qū)動軸轉(zhuǎn)，導(dǎo)向扶正套不轉(zhuǎn)，軌跡控制原理同PowerDrive。但是其存在的缺點為1、加工難度大，成本高。2、現(xiàn)場使用成本高。3、液壓密封件和電子閥易壞，工具壽命短。而SDD系統(tǒng)(垂直鉆井裝置)工作原理和結(jié)構(gòu)與AUT0-TRACK基本相同，只是軸和不旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向扶正套可以鎖定一起轉(zhuǎn)動。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺點，本發(fā)明的目的是提供一種旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向器，能夠直接由轉(zhuǎn)盤驅(qū)動鉆井，液壓傳遞鉆壓，鉆壓平穩(wěn)，鉆井效率高，勞動強度低，井眼軌跡質(zhì)量好，同時可以防止鉆具事故。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案該旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向器包括旋轉(zhuǎn)軸、六方油缸套和異徑套，旋轉(zhuǎn)軸的兩端分別設(shè)有與鉆頭、鉆具相連的下接頭和上接頭；六方油缸套套設(shè)于旋轉(zhuǎn)軸上，并通過絲扣與上接頭連接，六方油缸套一端設(shè)有與其配合形成高壓油腔的限位活塞環(huán)；異徑套通過軸承套設(shè)于六方油缸套一側(cè)的旋轉(zhuǎn)軸上，異徑套上還設(shè)有一對用以造斜的翼板，翼板上設(shè)有控制翼板支起、縮回的翼板驅(qū)動機構(gòu)，并通過高壓油腔供油控制，旋轉(zhuǎn)軸上還設(shè)有用以與異徑套相鎖定、松脫控制的鎖定機構(gòu)，也由高壓油腔供油控制。所述的限位活塞環(huán)、異徑套與旋轉(zhuǎn)軸之間形成與高壓油腔連通的供油通道，所述的六方油缸套隨上接頭一起上、下行，以壓縮高壓油腔，并通過供油通道實現(xiàn)對翼板驅(qū)動機構(gòu)和鎖定機構(gòu)的供油控制。所述的異徑套上開設(shè)有一對翼板安裝槽，所述的一對翼板分設(shè)于相應(yīng)的翼 板安裝槽內(nèi)，所述的翼板驅(qū)動機構(gòu)包括翼板活塞缸和翼板活塞，翼板通過翼板活塞缸與異徑套相連接。所述的每個翼板的翼板驅(qū)動機構(gòu)數(shù)量為一個或多個。所述的鎖定機構(gòu)包括鎖定活塞和彈簧，所述的旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)有活塞安裝槽、所述的異徑套上設(shè)有與供油通道相通的鎖定凹槽，鎖定活塞一端通過彈簧設(shè)于活塞安裝槽內(nèi)，另一端插入鎖定凹槽內(nèi)。所述的旋轉(zhuǎn)軸的一端設(shè)有壓緊螺母，壓緊螺母與六方油缸套之間依次設(shè)有限位活塞和液壓控制閥。所述的六方油缸套與限位活塞環(huán)之間、異徑套與限位活塞環(huán)、旋轉(zhuǎn)軸之間還設(shè)有密封件。在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向器包括旋轉(zhuǎn)軸、六方油缸套和異徑套，旋轉(zhuǎn)軸的兩端分別設(shè)有與鉆頭、鉆具相連的下接頭和上接頭；六方油缸套套設(shè)于旋轉(zhuǎn)軸上，并通過絲扣與上接頭連接，六方油缸套一端設(shè)有與其配合形成高壓油腔的限位活塞環(huán)；異徑套通過軸承套設(shè)于六方油缸套一側(cè)的旋轉(zhuǎn)軸上，異徑套上還設(shè)有一對用以造斜的翼板，翼板上設(shè)有控制翼板支起、縮回的翼板驅(qū)動機構(gòu)，并通過高壓油腔供油控制，旋轉(zhuǎn)軸上還設(shè)有用以與異徑套相鎖定、松脫控制的鎖定機構(gòu)，也由高壓油腔供油控制。該導(dǎo)向器通過壓差自動送鉆的同時，通過油壓來控制翼板的支起，從而控制鉆頭切削軌跡，并且具有鉆井效率高，勞動強度低，井眼軌跡質(zhì)量好，大大降低了井下事故風(fēng)險等優(yōu)點。


圖I是本發(fā)明的導(dǎo)向器的立體示意圖；圖2是本發(fā)明的導(dǎo)向器的剖視圖；圖3是本發(fā)明的異徑套的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的異徑套的徑向剖視圖；圖5是本發(fā)明的翼板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明的鎖定機構(gòu)的放大示意圖；圖7是本發(fā)明的受力分析圖；圖8是本發(fā)明的使用狀態(tài)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。請結(jié)合圖I 圖5所示，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向器100主要包括旋轉(zhuǎn)軸13、六方油缸套4和異徑套8，其中，旋轉(zhuǎn)軸13是連接鉆具、形成高壓泥漿的通道，也是異徑套8和六方油缸套4的載體，旋轉(zhuǎn)軸13的兩端分別設(shè)有與鉆頭、鉆具相連的下接頭16和上接頭I ;六方油缸套4套設(shè)于旋轉(zhuǎn)軸13上，其一端通過絲扣與上接頭I連接，并且六方油缸套4另一端設(shè)有與其配合形成高壓油腔17的限位活塞環(huán)5 ;異徑套8套設(shè)于六方油缸套4 一側(cè)的旋轉(zhuǎn)軸13上，并通過上圓錐滾子軸承6和下圓錐滾子軸承11與旋轉(zhuǎn)軸13建立轉(zhuǎn)動關(guān)系，六方油缸套4上還設(shè)有一對用以造斜的翼板7，翼板7上設(shè)有控制翼板7支起、縮回的翼板驅(qū)動機構(gòu)，并通過高壓油腔17供油控制，旋轉(zhuǎn)軸13上還設(shè)有用以與異徑套8相鎖定、松脫控制的鎖定機構(gòu)14，也由高壓油腔17供油控制。所述的限位活塞環(huán)5、異徑套8與旋轉(zhuǎn)軸13之間形成與高壓油腔17連通的供油通、道18，所述的六方油缸套4隨上接頭I 一起上、下行，以壓縮高壓油腔17，并通過供油通道18實現(xiàn)對翼板驅(qū)動機構(gòu)和鎖定機構(gòu)14的供油控制。所述的異徑套8上開設(shè)有一對翼板安裝槽19,所述的一對翼板7分設(shè)于相應(yīng)的翼板安裝槽19內(nèi)，所述的翼板驅(qū)動機構(gòu)包括翼板活塞缸10和翼板活塞9，翼板7通過翼板活塞缸10與異徑套8相連接。所述的每個翼板7的翼板驅(qū)動機構(gòu)數(shù)量可以為一個或多個，圖I中所示的翼板驅(qū)動機構(gòu)的數(shù)量為三個。所述的旋轉(zhuǎn)軸的一端通過螺扣連接設(shè)有壓緊螺母2，壓緊螺母2與六方油缸套4之間依次設(shè)有限位活塞3和液壓控制閥5。旋轉(zhuǎn)軸在泥漿液柱壓力的作用下，鉆具內(nèi)容積與環(huán)空存在一個壓差(有6M Pa以上)，這個壓差可以給鉆頭產(chǎn)生近10噸的鉆壓，進行破巖鉆進。六方油缸套4與上接頭I的連接對限位活塞的行程進行限制，隨著上接頭I傳遞下來的鉆具重量，推動六方油缸套4下行，壓迫高壓油腔17內(nèi)的油，使高壓油腔17產(chǎn)生油壓，當(dāng)油壓達到推動液壓控制閥5的閥芯時，液壓控制閥5打開，通過供油通道18給異徑套8的翼板活塞9供油。該液壓控制閥15是雙向液壓驅(qū)動的限位裝置，當(dāng)油壓升高推動限位活塞3前行，并在導(dǎo)規(guī)作用下轉(zhuǎn)動近45度，進入限位位子，供油通道18被打開，再加油壓后，在泵壓和液柱壓力的作用下，限位活塞3回位，供油通道18被關(guān)閉(同圓珠筆限位原理)。上述異徑套8是翼板7的母體，工作時，在翼板7與井壁摩擦力作用下克服軸承等旋轉(zhuǎn)阻力，保證翼板7隨井深上下移動，不隨鉆具轉(zhuǎn)動。翼板7的工作原理是形成近鉆頭穩(wěn)定方位支點的工具，給鉆頭一個側(cè)向切削分力，在工作時不轉(zhuǎn)動。翼板驅(qū)動機構(gòu)是通過下壓鉆具，使六方油缸套4和限位活塞環(huán)5的腔內(nèi)產(chǎn)生油壓、以及通過液壓控制閥15進行控制，上提鉆具時，油壓釋放，可使翼板7回位。請結(jié)合圖6所示，所述的鎖定機構(gòu)14包括鎖定活塞20和彈簧21，所述的旋轉(zhuǎn)軸13上設(shè)有活塞安裝槽22、所述的異徑套8上設(shè)有與供油通道18相通的鎖定凹槽23，鎖定活塞20—端通過彈簧21設(shè)于活塞安裝槽22內(nèi)，另一端插入鎖定凹槽23內(nèi)。在無油壓的情況下，受彈簧21作用，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動軸13和異徑套8的鎖定，可以通過轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動調(diào)整導(dǎo)向器100的導(dǎo)向方位，在有油壓時，活塞受油壓作用脫離鎖定凹槽23，從而解除轉(zhuǎn)動軸13和異徑套8的鎖定，在井壁轉(zhuǎn)動阻力作用下，能夠保證翼板7的導(dǎo)向方位不變。并且翼板7與鎖定機構(gòu)14通過油壓為聯(lián)動控制，即在有油壓時翼板7支出，鎖定機構(gòu)14回位，鎖定解除，翼板7同異徑套8—起不隨鉆具轉(zhuǎn)動，工具處于造斜狀態(tài)，通過鉆壓控制油壓，可以任意控制翼板7的支出程度。而無油壓時，翼板7復(fù)位，而在彈簧21作用下，鎖定活塞20彈出，轉(zhuǎn)動軸13和異徑套8被鎖銷固定，不能相互轉(zhuǎn)動，異徑套8隨轉(zhuǎn)動軸13 一起轉(zhuǎn)動，工具處于穩(wěn)斜狀態(tài)，限位活塞環(huán)5是對兩軸承進行固定和調(diào)節(jié)油壓與鉆壓關(guān)系的重要部件。而翼板7的最大支出程度可由翼板活塞缸10控制，防止支出程度大，造成翼板7的固定破壞而產(chǎn)生井下事故。
另外，在所述的六方油缸套4與限位活塞環(huán)5之間、異徑套8與限位活塞環(huán)5、旋轉(zhuǎn)軸13之間還設(shè)有密封件，用以保證密封性能，避免泄漏。請結(jié)合圖7 圖8所示，本發(fā)明的導(dǎo)向器100就是在近鉆頭點形成一個穩(wěn)定方位的支點，并給鉆頭200 —個側(cè)向切削力F，F(xiàn)的大小與翼板7的支出程度、地層的硬度及油壓有關(guān)，當(dāng)有井斜后，在地心引力的作用下，鉆具重量產(chǎn)生的鉆頭側(cè)向分力和翼板7的支點作用，使鉆具產(chǎn)生彎曲，增加了工具的造斜能力。并且該導(dǎo)向器100直接安裝在鉆頭200上，上接無磁鉆鋌和常規(guī)鉆具，同常規(guī)鉆井方式一樣鉆直井段，但鉆壓要小于8噸，而當(dāng)增加鉆壓大于12噸時，上接頭I下行，帶動六方油缸套4下行，并與限位活塞環(huán)5的高壓油腔17內(nèi)產(chǎn)生油壓，油壓迫使翼板活塞9動作，推動翼板7支出，形成近鉆頭支點，從而使得鉆頭切削軌跡偏離軸線，工具造斜鉆進；而當(dāng)降低鉆壓到8噸以下時，油壓回零，在泥漿液柱壓力的作用下，翼板7回位，近鉆頭支點消失，工具穩(wěn)斜鉆進。綜上所述，本發(fā)明的導(dǎo)向器100能夠適用于所有鉆井的井眼軌跡控制和地下管道穿越和其他類型的井眼軌跡控制。硬地層效益更明顯，是旋轉(zhuǎn)造斜工具，可直接用轉(zhuǎn)盤驅(qū)動定向鉆井，對泥漿凈化沒有要求，不用起鉆更換鉆具組合來控制井眼軌跡，鉆井效率高，勞動強度低，井眼軌跡質(zhì)量好，大大降低了井下事故的風(fēng)險。因此，可以說是鉆井軌跡控制技術(shù)的一次革命，也是國家863重點攻關(guān)項目，克服了現(xiàn)有技術(shù)所存在的諸多難點和瓶頸。本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質(zhì)精神范圍內(nèi)，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向器，其特征在干 包括旋轉(zhuǎn)軸、六方油缸套和異徑套，旋轉(zhuǎn)軸的兩端分別設(shè)有與鉆頭、鉆具相連的下接頭和上接頭；六方油缸套套設(shè)于旋轉(zhuǎn)軸上，并通過絲扣與上接頭連接，六方油缸套一端設(shè)有與其配合形成高壓油腔的限位活塞環(huán)；異徑套通過軸承套設(shè)于六方油缸套ー側(cè)的旋轉(zhuǎn)軸上，異徑套上還設(shè)有一對用以造斜的翼板，翼板上設(shè)有控制翼板支起、縮回的翼板驅(qū)動機構(gòu)，并通過高壓油腔供油控制，旋轉(zhuǎn)軸上還設(shè)有用以與異徑套相鎖定、松脫控制的鎖定機構(gòu)，也由高壓油腔供油控制。
2.如權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向器，其特征在干 所述的限位活塞環(huán)、異徑套與旋轉(zhuǎn)軸之間形成與高壓油腔連通的供油通道，所述的六方油缸套隨上接頭一起上、下行，以壓縮高壓油腔，并通過供油通道實現(xiàn)對翼板驅(qū)動 機構(gòu)和鎖定機構(gòu)的供油控制。
3.如權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向器，其特征在干 所述的異徑套上開設(shè)有一對翼板安裝槽，所述的ー對翼板分設(shè)于相應(yīng)的翼板安裝槽內(nèi)，所述的翼板驅(qū)動機構(gòu)包括翼板活塞缸和翼板活塞，翼板通過翼板活塞缸與異徑套相連接。
4.如權(quán)利要求I 3中仍ー項所述的旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向器，其特征在于 所述的每個翼板的翼板驅(qū)動機構(gòu)數(shù)量為ー個或多個。
5.如權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向器，其特征在于 所述的鎖定機構(gòu)包括鎖定活塞和彈簧，所述的旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)有活塞安裝槽、所述的異徑套上設(shè)有與供油通道相通的鎖定凹槽，鎖定活塞一端通過彈簧設(shè)于活塞安裝槽內(nèi)，另一端插入鎖定凹槽內(nèi)。
6.如權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向器，其特征在干 所述的旋轉(zhuǎn)軸的一端設(shè)有壓緊螺母，壓緊螺母與六方油缸套之間依次設(shè)有限位活塞和液壓控制閥。
7.如權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向器，其特征在干 所述的六方油缸套與限位活塞環(huán)之間、異徑套與限位活塞環(huán)、旋轉(zhuǎn)軸之間還設(shè)有密封件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向器，其包括旋轉(zhuǎn)軸、六方油缸套和異徑套，旋轉(zhuǎn)軸的兩端分別設(shè)有與鉆頭、鉆具相連的下接頭和上接頭；六方油缸套套設(shè)于旋轉(zhuǎn)軸上，并通過絲扣與上接頭連接，六方油缸套一端設(shè)有與其配合形成高壓油腔的限位活塞環(huán)；異徑套通過軸承套設(shè)于六方油缸套一側(cè)的旋轉(zhuǎn)軸上，異徑套上還設(shè)有一對用以造斜的翼板，翼板上設(shè)有控制翼板支起、縮回的翼板驅(qū)動機構(gòu)，并通過高壓油腔供油控制，旋轉(zhuǎn)軸上還設(shè)有用以與異徑套相鎖定、松脫控制的鎖定機構(gòu)，也由高壓油腔供油控制。該導(dǎo)向器通過壓差自動送鉆的同時，通過油壓來控制翼板的支起，來控制鉆頭切削軌跡，具有鉆井效率高，勞動強度低，井眼軌跡質(zhì)量好，大大降低了井下事故風(fēng)險等優(yōu)點。
文檔編號E21B7/08GK102733755SQ20121023958
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月11日
發(fā)明者王國祥, 錢順利 申請人:上?？塑饺R金屬加工有限公司