本發(fā)明屬于石油井下儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高造斜率混合式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)是在鉆柱全旋轉(zhuǎn)的條件下進行導向鉆井的，代表了當今鉆井技術(shù)的最高水平，它在鉆頭上方裝有一個可控偏置穩(wěn)定器或可控制鉆頭側(cè)向力(導向力)的旋轉(zhuǎn)導向工具，并配有完整的旋轉(zhuǎn)導向鉆井控制系統(tǒng)，在鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進時能調(diào)控井身軌跡的一項技術(shù)。利用旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)進行鉆井作業(yè)時，不需要頻繁起下鉆就可以實現(xiàn)三維井眼軌跡控制，且具有井眼軌跡更光滑，延伸距離更大的優(yōu)點，對保證井眼軌跡質(zhì)量，提高鉆井速度和效率，滿足鉆復雜結(jié)構(gòu)井的需求都有重要意義。

旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)按其導向方式分為2種:推靠鉆頭式(pushthebit)和指向鉆頭式(pointthebit)。推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)是在有一個遠鉆頭支點的情況下，在盡量靠近鉆頭的位置,由偏置機構(gòu)根據(jù)“力工作方式”產(chǎn)生一定的偏置力,接觸井壁后,靠井壁的反作用力使鉆頭產(chǎn)生側(cè)向切削力,從而實現(xiàn)導向。推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)對地層依賴性比較強，尤其是軟地層導向能力受到限制。指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)是偏置機構(gòu)根據(jù)“位移工作方式”產(chǎn)生偏置,并最終使鉆頭產(chǎn)生一個相對于井眼軸線的傾角實現(xiàn)導向。指向式系統(tǒng)對彎曲芯軸的疲勞壽命要求較高，要產(chǎn)生大的造斜率要克服整個芯軸的剛度，且整個芯軸容易出現(xiàn)疲勞破壞現(xiàn)象。

傳統(tǒng)的rss造斜率范圍為6-8°/100ft，并且鉆遇軟地層或者有夾層的薄巖層時，造斜率更低，井徑擴大。本發(fā)明提出一種混合式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)設(shè)計思路，將外推靠和內(nèi)指向旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的優(yōu)點相結(jié)合，使得系統(tǒng)的造斜能力不受地層的限制，且能有效提高系統(tǒng)總的造斜能力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種高造斜率混合式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)，所述旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)包括上扶正器、推靠巴掌和鉆頭，所述上扶正器、推靠巴掌和鉆頭與井壁接觸三點，通過通過克服推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)導向能力受底層因素的影響，形成井眼曲率完成造斜功能；

進一步地，所述旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)還包括傳動軸和萬向節(jié)，所述傳動軸通過萬向節(jié)連接鉆頭，所述傳動軸用于傳遞鉆壓和扭矩；

進一步地，所述旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)還包括球軸承、上軸承和非旋轉(zhuǎn)套，所述傳動軸與非旋轉(zhuǎn)套之間具有上軸承和球軸承，所述上軸承和球軸承分別用于提供徑向和軸向的裝配；

進一步地，所述推靠巴掌沿非旋轉(zhuǎn)套成120度徑向均布；

進一步地，所述推靠巴掌的下部設(shè)有推力柱塞和拉力柱塞，所述推力柱塞和拉力柱塞均沿非旋轉(zhuǎn)套成120度徑向均布；

進一步地，所述拉力柱塞與傳動軸通過鉸接形式連接；

進一步地，一種高造斜率混合式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的控制方法，所述方法包括中立模式控制方法和系統(tǒng)導向模式控制方法；

進一步地，所述中立模式控制方法為系統(tǒng)不產(chǎn)生導向作用，鉆頭中心線和鉆具中心線相重合，三個推力柱塞產(chǎn)生相同的側(cè)向力，作為一個近鉆頭扶正器具有扶正鉆頭的作用，三個拉力柱塞產(chǎn)生相同的拉力作用，保持當前姿態(tài)穩(wěn)斜鉆進；

進一步地，所述系統(tǒng)導向模式控制方法為三條液壓回路產(chǎn)生的液壓力不相等，系統(tǒng)產(chǎn)生一定的偏心位移量oo1’,沿推力柱塞截面可以產(chǎn)生與oo1’方向相同的偏心位移量oo2’，拉力柱塞對推靠巴掌會產(chǎn)生推力作用，增大鉆具組合的側(cè)向力，提升系統(tǒng)造斜率。

本發(fā)明的有益效果如下：

1）外推靠與內(nèi)指向相結(jié)合，系統(tǒng)造斜能力大大提升；

2）外推靠與內(nèi)指向液壓動力系統(tǒng)共用，系統(tǒng)設(shè)計得到簡化；

3）系統(tǒng)對各種地層具有很好的適應性；

4）將系統(tǒng)的彎曲芯軸斷開，采用萬向節(jié)連接傳動結(jié)構(gòu)，有效的改善了芯軸的受力狀況，提高了系統(tǒng)的壽命和可靠性。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)工作原理圖；

圖2為高造斜率旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)總體組成示意圖;

圖3為高造斜率旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)中立模式控制示意圖;

圖4為高造斜率旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)導向模式控制示意圖;

圖5為高造斜率旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)側(cè)向力及鉆頭傾角示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本發(fā)明有更好的了解，在下文對本發(fā)明的細節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不作為對本發(fā)明的限定。下面為本發(fā)明的舉出最佳實施例：

如圖1-圖5所示，本發(fā)明提供一種高造斜率混合式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)，所述旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)包括上扶正器、推靠巴掌和鉆頭，所述上扶正器、推靠巴掌和鉆頭與井壁接觸三點，通過通過克服推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)導向能力受底層因素的影響，形成井眼曲率完成造斜功能，所述旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)還包括傳動軸和萬向節(jié)，所述傳動軸通過萬向節(jié)連接鉆頭，所述傳動軸用于傳遞鉆壓和扭矩，所述旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)還包括球軸承、上軸承和非旋轉(zhuǎn)套，所述傳動軸與非旋轉(zhuǎn)套之間具有上軸承和球軸承，所述上軸承和球軸承分別用于提供徑向和軸向的裝配，所述推靠巴掌沿非旋轉(zhuǎn)套成120度徑向均布，所述推靠巴掌的下部設(shè)有推力柱塞和拉力柱塞，所述推力柱塞和拉力柱塞均沿非旋轉(zhuǎn)套成120度徑向均布，所述拉力柱塞與傳動軸通過鉸接形式連接。

一種高造斜率混合式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的控制方法，所述方法包括中立模式控制方法和系統(tǒng)導向模式控制方法，所述中立模式控制方法為系統(tǒng)不產(chǎn)生導向作用，鉆頭中心線和鉆具中心線相重合，三個推力柱塞產(chǎn)生相同的側(cè)向力，作為一個近鉆頭扶正器具有扶正鉆頭的作用，三個拉力柱塞產(chǎn)生相同的拉力作用，保持當前姿態(tài)穩(wěn)斜鉆進，所述系統(tǒng)導向模式控制方法為三條液壓回路產(chǎn)生的液壓力不相等，系統(tǒng)產(chǎn)生一定的偏心位移量oo1’,沿推力柱塞截面可以產(chǎn)生與oo1’方向相同的偏心位移量oo2’，拉力柱塞對推靠巴掌會產(chǎn)生推力作用，增大鉆具組合的側(cè)向力，提升系統(tǒng)造斜率。

圖2為高造斜率旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)總體組成示意圖，由上扶正器1、拉力柱塞22、推靠巴掌3、推力柱塞4、鉆頭5、球軸承6、萬向節(jié)7、上軸承8、傳動軸9及非旋轉(zhuǎn)套10組成。

導向系統(tǒng)的造斜原理基于三點定圓法基本準則，實際工作時上扶正器1、推靠巴掌3及鉆頭組成與井壁接觸的三點，通過形成一定的井眼曲率完成系統(tǒng)的造斜功能。系統(tǒng)造斜性能的影響因素很多，有地層的因素也有鉆具組合本身的因素，推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)對地層有一定的依賴性，對硬地層有很好的適應性，但對軟地層由于依賴推力巴掌與井壁之間的反作用力，使得整個系統(tǒng)的造斜能力受到限制。指向式導向系統(tǒng)由于是位移工作模式，只需要產(chǎn)生一定的鉆頭傾角就能實現(xiàn)系統(tǒng)的導向功能，因此對側(cè)向力的要求不高也能實現(xiàn)導向功能。本發(fā)明將外推靠與內(nèi)指向兩種導向方式相結(jié)合，提出一種新的混合式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)設(shè)計及控制方法，充分融合兩者的優(yōu)點，有效的提高了系統(tǒng)的造斜能力。

傳動軸9用來傳遞鉆壓和扭矩，與鉆頭5通過萬向節(jié)7相連，傳動軸9與非旋轉(zhuǎn)套10之間具有上軸承8和球軸承6來提供徑向和軸向的裝配。推靠巴掌3沿非旋轉(zhuǎn)套10成120度徑向均布，推靠巴掌3下部裝有推力柱塞4和拉力柱塞2，且推力柱塞4和拉力柱塞2也是沿非旋轉(zhuǎn)套10成120度徑向均布。推力柱塞4通過推靠巴掌3與井壁接觸產(chǎn)生使鉆頭發(fā)生傾角的側(cè)向力，拉力柱塞2與傳動軸部分通過鉸接形式相連接，利用指向式工作原理，通過內(nèi)部彎曲鉆頭相連的主軸產(chǎn)生鉆頭傾角，系統(tǒng)總的造斜率大小為推靠式與指向式兩者之和。將旋轉(zhuǎn)主軸9與鉆頭相連部分采用萬向節(jié)連接后，由于萬向節(jié)不傳遞彎矩，能有效降低主軸剛度對指向式造斜能力的影響。

圖3為系統(tǒng)處于中立模式時沿非旋轉(zhuǎn)套推力柱塞4和拉力柱塞2的截面示意圖，系統(tǒng)處于中立模式時，系統(tǒng)不產(chǎn)生導向作用，及鉆頭中心線和鉆具中心線相重合，此時三個推力柱塞4產(chǎn)生相同的側(cè)向力，作為一個近鉆頭扶正器具有扶正鉆頭的作用，同樣三個拉力柱塞2也產(chǎn)生相同的拉力作用，保持當前姿態(tài)穩(wěn)斜鉆進。這種模式特別適合于大位移井的穩(wěn)斜段。

圖4為系統(tǒng)導向模式控制示意圖，系統(tǒng)進行導向作業(yè)時，三條液壓回路產(chǎn)生的液壓力不再相等。圖4c表示了推力柱塞截面示意圖，系統(tǒng)在不相等的沿液壓壓力作用下會產(chǎn)生一定的偏心位移量oo1’,由于每套拉力柱塞與推力柱塞共用一套液壓系統(tǒng)，因此沿推力柱塞截面可以產(chǎn)生與oo1’方向相同的偏心位移量oo2’，同時此時拉力柱塞對推靠巴掌會產(chǎn)生推力作用，增大了鉆具組合的側(cè)向力，也會對系統(tǒng)造斜率的提升有一定程度的幫助。

圖5為系統(tǒng)側(cè)向力及鉆頭傾角示意圖，圖5e表示單純由推靠式產(chǎn)生的鉆頭傾角th1及鉆頭側(cè)向力fs1’,圖5f表示由于指向式作用產(chǎn)生的鉆頭傾角th2及鉆頭側(cè)向力fs2’，顯然導向模式下鉆頭總傾角為th1+th2以及側(cè)向力fs1’+fs2’產(chǎn)生的鉆頭傾角的合成，由于系統(tǒng)設(shè)計原理可知，兩種作用情況下產(chǎn)生的鉆頭傾角方向和側(cè)向力的方向一致，通過設(shè)計合理的鉆具組合尺寸及合適的側(cè)向力輸出，混合式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)與單純指向式或者推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)系統(tǒng)相比，能顯著提高系統(tǒng)的造斜能力。

以上所述的實施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實施方式的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進行的通常變化和替換都應包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。