一种混合型高造斜率旋转导向钻井工具[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 109025821 A(43)申请公布日 2018.12.18

(21)申请号 201810911746.6(22)申请日 2018.08.10

(71)申请人 西安石油大学

地址 710065 陕西省西安市电子二路东段

18号(72)发明人 霍爱清　汪跃龙　程为彬　(74)专利代理机构 西安智大知识产权代理事务

所 61215

代理人 何会侠(51)Int.Cl.

E21B 7/06(2006.01)E21B 4/02(2006.01)E21B 17/10(2006.01)E21B 21/10(2006.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图1页

(54)发明名称

一种混合型高造斜率旋转导向钻井工具(57)摘要

一种混合型高造斜率旋转导向钻井工具，包括调制推靠式导向钻井短节和水力推靠指向式工具短节等两部分所组成；使用时，驱动涡轮力矩电机改变作用力矩，使得上盘阀稳定或运动；当稳定平台的所有作用力矩平衡时，将使得稳定平台相对大地稳定，从而使通过下盘阀及钻井液流道的泥浆推动推靠肋板总在同一个位置伸出、推靠井壁，从而达到造斜的目的；将钻铤的旋转力矩通过控制轴，传递给钻头，带动钻头旋转破碎岩石；本发明具有实现高造斜率旋转导向钻井工具和推广价值高的优点。

CN 109025821 ACN 109025821 A

权　利　要　求　书

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1.一种混合型高造斜率旋转导向钻井工具，包括钻铤(17)，其特征在于，钻铤(17)内设置有稳定平台，所述的稳定平台包括测控电子舱(3)，测控电子舱(3)通过上支撑轴承(21)和下支撑轴承(22)固定在钻铤(17)内，测控电子舱(3)通过控制主轴连接涡轮力矩电机(2)和涡轮发电机(1)，涡轮力矩电机(2)的输出轴连接上盘阀(4)，上盘阀(4)的一侧设置钻井液分配器(5)，钻井液分配器(5)上与上盘阀(4)配合的下盘阀通过连接管连接推靠肋板(7)，推靠肋板(7)设置在钻铤(17)外部，钻井液分配器(5)上均匀设置钻井液主流道(6)；上盘阀(4)通过盘阀连杆(8)连接主上盘阀(9)，盘阀连杆(8)穿过钻井液分配器(5)；主上盘阀(9)上设置有导流孔，主上盘阀(9)的一侧设置有水力推靠指向式工具短节。

2.根据权利要求1所述的一种混合型高造斜率旋转导向钻井工具，其特征在于，所述的水力推靠指向式工具短节包括主钻进液节流分配器(10)，主钻进液节流分配器(10)设置有多个均匀分布的过流水眼；钻井液节流分配器(10)一侧的中间连接水力推靠杯筒(11)，水力推靠杯筒(11)连通控制轴(13)，控制轴13上设置有侧向过流孔(12)，控制轴(13)通过万向节(14)固定在钻铤(17)内，控制轴(13)端部连接钻头(16)。

3.根据权利要求2所述的一种混合型高造斜率旋转导向钻井工具，其特征在于，所述的水力推靠杯筒(11)呈圆杯形筒状。

4.根据权利要求2所述的一种混合型高造斜率旋转导向钻井工具，其特征在于，所述的控制轴(13)穿过柔性变径接头(15)，控制轴(13)通过内螺纹(18)连接柔性变径接头(15)，柔性变径接头(15)通过外螺纹(19)连接钻铤(17)内层，控制轴(13)通过螺纹(20)连接钻头(16)。

5.根据权利要求1所述的一种混合型高造斜率旋转导向钻井工具，其特征在于，所述的主上盘阀(9)上的导流孔为月牙状。

6.根据权利要求1所述的一种混合型高造斜率旋转导向钻井工具，其特征在于，所述的钻铤(17)的上端设置有扶正器。

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CN 109025821 A

说　明　书

一种混合型高造斜率旋转导向钻井工具

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技术领域

[0001]本发明属于石油钻井工程领域，具体涉及一种混合型高造斜率旋转导向钻井工具。

背景技术

[0002]为了满足油气资源勘探开发特别是海洋油气资源开发，以及油田后期的复杂油气藏中钻超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井等特殊工艺井的开发要求，同时也满足闭环自动钻井发展的需要，迫切需要一种高造斜率的旋转导向钻井工具。

[0003]旋转导向钻井技术不仅可以解决钻井过程中大位移井等类复杂结构井面临的钻井技术方面的难题，降低开发成本，还可以实现增大石油产量的目的。旋转导向钻井技术是展现一个国家或集团的钻井工程自动化技术水平高低的重要依据之一。[0004]旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心，按其工作方式划分主要有四种：静态推靠式、静态指向式、动态推靠式与动态指向式四类。推靠式旋转导向钻井工具钻头的侧向力大，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。指向式旋转导向井下工具钻头的侧向力较小，造斜率较低，但旋转导向钻出的井眼狗腿小，轨迹平缓。从应用情况来看，指向式是旋转导向钻井系统的发展趋势。目前而言，国外较为成熟的旋转导向钻井工具主要以Baker Hughes的Auto Track系列、Schlumberger公司的Power Drive系列、Halliburton公司的Geo-Pilot系列最具代表性。贝克休斯公司的AutoTrack是典型的推靠式工具，其“驱动轴-不旋转套”结构通过控制不旋转外套上推力块作用于井壁的合力大小及方向进行导向作业(参照专利文献W02008101020A、US2013256034A等)。而典型的钻头指向式旋转导向工具如哈里伯顿公司的Geo-Pilot(参照专利文献W02014055068A)、威德福公司的Revolution(参照专利文献W02008120025A)及斯伦贝谢公司的Power Drive Xceed(参照专利文献N020061119A)等。其中Geo-Pilot和Revolution是静态指向式旋转导向工具，工具的造斜能力通过调整井下导向工具偏置位移实现，且可连续调节。而“全旋转”结构的Power Drive Xceed采用了固定导向偏置结构，其造斜率通过交替变化的导向和稳斜钻进模式来实现，依靠地面系统下传导向参数(工具面及导向比例)来进行控制。[0005]无论推靠式还是指向式都存在各自的优点和不足，单一方式的结构都不能很好满足高造斜的钻井要求，因此两者的结合可有效避免单一形式的缺点，混合式结构成为现行的趋势。国内在这方面的研究起步较晚，还未研发出能够成功商业化应用的高造斜旋转导向钻井工具。耿艳峰等人发明的“动态指向式旋转导向钻井工具及其测控方法”(授权公告号CN 104832088 B)，采用双偏心环机构进行造斜，结构复杂；唐雪平等人发明的“一种全旋转指向式导向工具及导向方法”(授权公告号104499940 B)，针对斯伦贝谢公司的Power Drive Xceed全旋转指向式导向工具存在的缺点，提出了一种改进的全旋转指向式导向工具；张晓广等人发明的“静态指向式旋转导向钻井工具”(授权公告号CN 104775757 B)，其上面部分是不旋转的静态结构；李洪涛等人发明的“指向式旋转导向钻井工具”(授权公告

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CN 109025821 A

说　明　书

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号CN 104343389 B)，采用集成液压缸实现芯轴的偏置，进而造斜，该发明只包含钻头指向式产生造斜；张策发明的“推靠指向式旋转导向钻井装置”(授权公告号CN 103437704 B)，采用稳定器与液压系统连接结构，其稳定器为不旋转装置，且只有钻头指向部分进行造斜。[0006]本专利提出一种混合式高造斜率旋转导向钻井工具结构，既包含推靠式又包含指向式，两种结构混合作用，为实现高造斜率旋转导向钻井工具提供有力保证。发明内容

[0007]为了克服上述现有技术的不足,本发明提供了一种混合型高造斜率旋转导向钻井工具，既包含调制推靠式又包含钻头指向式，两种结构混合作用，为实现高造斜率旋转导向钻井工具提供有力保证，具有很高的推广价值。[0008]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：[0009]一种混合型高造斜率旋转导向钻井工具，包括钻铤17，钻铤17内设置有稳定平台，所述的稳定平台包括测控电子舱3，测控电子舱3通过上支撑轴承21和下支撑轴承22固定在钻铤17内，测控电子舱3通过控制主轴连接涡轮力矩电机2和涡轮发电机1，涡轮力矩电机2的输出轴连接上盘阀4，上盘阀4的一侧设置钻井液分配器5，钻井液分配器5上与上盘阀4配合的下盘阀通过连接管连接推靠肋板7，推靠肋板7设置在钻铤17外部，钻井液分配器5上均匀设置钻井液主流道6；上盘阀4通过盘阀连杆8连接主上盘阀9，盘阀连杆8穿过钻井液分配器5；主上盘阀9上设置有导流孔，主上盘阀9的一侧设置有水力推靠指向式工具短节。[0010]所述的水力推靠指向式工具短节包括主钻进液节流分配器10，主钻进液节流分配器10设置有多个均匀分布的过流水眼；钻井液节流分配器10一侧的中间连接水力推靠杯筒11，水力推靠杯筒11连通控制轴13，控制轴13上设置有侧向过流孔12，控制轴13通过万向节14固定在钻铤17内，控制轴13端部连接钻头16。[0011]所述的主上盘阀9上的导流孔为月牙状。[0012]所述的水力推靠杯筒11呈圆杯形筒状。[0013]所述的控制轴13穿过柔性变径接头15，控制轴13通过内螺纹18连接柔性变径接头15，柔性变径接头15通过外螺纹19连接钻铤17内层，控制轴13通过螺纹20连接钻头16。[0014]所述的钻铤17的上端设置有扶正器。[0015]本发明的有益效果：

[0016]本发明采用驱动涡轮力矩电机2改变作用力矩，使得上盘阀4稳定或运动；当稳定平台的所有作用力矩平衡时，将使得稳定平台相对大地稳定(不做旋转运动)，从而使通过下盘阀5及钻井液流道6的泥浆推动推靠肋板7总在同一个位置伸出、推靠井壁，从而达到造斜的目的；将钻铤17的旋转力矩通过控制轴13，传递给钻头16，带动钻头16旋转破碎岩石。附图说明

[0017]图1是本发明的结构示意图。[0018]图2是本发明钻铤、柔性变径短接头、控制轴、钻头的示意图。[0019]图3是本发明水力推靠杯筒作用力剖面图。具体实施方式

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CN 109025821 A[0020]

说　明　书

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下面结合附图对本发明作进一步描述。

[0021]参照图1所示，一种混合型高造斜率旋转导向钻井工具，包括钻铤17，所述的钻铤17的上端设置有扶正器，钻铤17内设置有稳定平台，所述的稳定平台包括测控电子舱3，测控电子舱3通过上支撑轴承21和下支撑轴承22固定在钻铤17内，测控电子舱3通过控制主轴连接涡轮力矩电机2和涡轮发电机1，涡轮力矩电机2的输出轴连接上盘阀4，上盘阀4的一侧设置钻井液分配器5，钻井液分配器5上与上盘阀4配合的下盘阀通过连接管连接推靠肋板7，推靠肋板7设置在钻铤17外部，钻井液分配器5上均匀设置钻井液主流道6；上盘阀4通过盘阀连杆8连接主上盘阀9，盘阀连杆8穿过钻井液分配器5；主上盘阀9上设置有导流孔，主上盘阀9的一侧设置有水力推靠指向式工具短节。

[0022]所述的水力推靠指向式工具短节包括主钻进液节流分配器10，主钻进液节流分配器10设置有多个均匀分布的过流水眼；钻井液节流分配器10一侧的中间连接水力推靠杯筒11，水力推靠杯筒11连通控制轴13，控制轴13上设置有侧向过流孔12，控制轴13通过万向节14固定在钻铤17内，控制轴13端部连接钻头16。[0023]参照图2所示，所述的控制轴13穿过柔性变径接头15，控制轴13通过内螺纹18连接柔性变径接头15，柔性变径接头15通过外螺纹19连接钻铤17内层，控制轴13通过螺纹20连接钻头16。

[0024]参照图3所示，水力推靠杯筒11呈圆杯形筒状，主上盘阀9保持固定角度时，水力推靠杯筒11产生的射流冲击力始终保持在固定位置。[0025]本发明的工作原理：[0026]使用时，稳定平台动力源由上涡轮发电机1提供，测控电子舱3完成对近钻头信息的采集处理并产生相应的控制信号，从而驱动涡轮力矩电机2改变作用力矩，使得稳定平台控制轴连接的上盘阀4稳定或运动；当稳定平台的所有作用力矩平衡时，将使得稳定平台相对大地稳定(不做旋转运动)，从而使通过钻井液分配器5及钻井液流道6的泥浆推动推靠肋板7总在同一个位置伸出、推靠井壁，从而达到造斜的目的；钻头16和柔性变径接头15连接，钻头16通过螺纹20与控制轴13连接，并随控制轴13偏转和旋转，且连通控制轴的钻井液流道；柔性变径接头15通过外螺纹19与钻铤17相连，同时通过内螺纹18与控制轴13连接，以将钻铤17的旋转力矩通过控制轴13，传递给钻头16，带动钻头16旋转破碎岩石；当控制轴偏转13时，柔性变径接头15可柔性变形，以适应控制轴13的偏转。[0027]主上盘阀9通过盘阀连杆8与稳定平台联结、随稳定平台一同运动或相对大地静止。主上盘阀9为一个圆盘，其上开有月牙状的导流孔。主钻井液节流分配器10与主上盘阀9配套，主钻井液节流分配器10上开数个均布的过流水眼。水力推靠杯筒11呈圆杯形筒状。当过流水眼与主上盘阀的导流孔联通时，钻井液流入过流水眼通道，而后由射流喷嘴喷出，冲击水力推靠杯筒11形成射流冲击力，使得控制轴13产生偏转，从而形成导向力(造斜力)。当主上盘阀9保持固定角度时，水力推靠杯筒11产生的射流冲击力始终保持在固定位置，从而使控制轴13轴心线保持偏离钻铤17中心线的状态，控制轴13经过万向节14，带动钻头16，使得钻头16总在相同的角度位置斜向切削井壁，其累积效果是可以造成有一定斜度增量的井眼，是为“增斜”或“造斜”钻进；当主上盘阀9相对大地匀速旋转时，钻头16各处均匀斜向切削井壁，其累积效果是可以保持井眼中心稳定，但有一定扩眼效果，是为“稳斜”钻进。

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CN 109025821 A

说　明　书　附　图

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图1

图2

图3

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