CN108035677B - 一种混合式旋转导向装置 - Google Patents

Abstract

一种混合式旋转导向装置，包括：旋转轴，所述旋转轴旋转驱动工具头，所述旋转轴包括上轴部、下轴部和可转向部，所述上轴部和所述下轴部在轴向上具有间隔距离，所述上轴部和所述下轴部通过所述可转向部可转向地连接；安装于所述上轴部的至少三个第一液压机构和安装于所述下轴部的至少三个第二液压机构，所述第二液压机构适于驱动推靠件推靠井壁以对工具头进行导向，其中，所述第一液压机构和所述第二液压机构如此地连接以使得所述第一液压机构能够驱动所述第二液压机构进而驱动所述推靠件。本申请结合指向式导向和推靠式导向的优点，在很大程度上消除地层性质对造斜率的影响，能够提供更高的造斜率，对耗能的需求得到了极大的降低。

Description

一种混合式旋转导向装置

技术领域

本申请涉及钻探领域，尤其涉及控制钻进导向的混合式旋转导向装置。

背景技术

为了获取地下贮藏的自然资源需要进行钻井勘探，在很多情况下，井孔与井架都不是对齐的，而是需要形成一定的偏移或者弯曲，这种形成水平或者竖直偏移或者其他类型的复杂井孔的过程叫做定向钻井。而在定向钻井过程中对钻头方向进行方向控制的过程叫做导向。现代导向钻井有滑动导向与旋转导向两种类型。滑动导向钻井时，钻柱不旋转；用井底动力钻具（涡轮钻具、螺杆钻具）带动钻头旋转。螺杆钻具及部分钻柱与扶正器贴靠井壁只能在井壁上下滑动。它的缺点是摩阻大、有效钻压、扭矩与功率小，钻速低、井眼呈螺旋状不光滑不干净、井身质量差、易事故，往往被迫启动钻盘采用“复合钻进”，而“复合钻进”往往只能有限使用。滑动导向的极限井深小于4000m左右。要较大改变井斜方位时，需起钻改变钻柱结构。旋转导向钻井系统是转盘驱动钻柱旋转，钻柱及旋转导向工具等在井壁上滚动，滚动摩擦阻力小，旋转导向钻井系统能在钻进中控制调整其造斜与定向功能，能随钻实时完成造斜、增斜、稳斜、降斜，且摩阻小、扭矩小、钻速高、钻头进尺多、时效高、成本低、井身平滑井轨易控。极限井身可达15km，是钻复杂结构井和海油陆系及超大位移井（10km）的新式武器。

常用的旋转导向技术也有两种，一种是指向式导向，一种是推靠式导向。美国公司哈里伯顿获得的中国授权专利CN104619944B公开了一种指向式导向工具，其提供了模块化的致动器、导向工具和旋转式导向钻井系统，模块化致动器包括筒部，构造为耦接到外壳的外周。蓄液器容置在筒部中，液压致动的致动器滑动地设置在筒部内，在激活位置和未激活位置之间移动，使得致动器活塞选择性地挤压驱动轴的斜坡面从而改变钻柱的方向。美国专利申请文件US20140209389A1公开了一种旋转导向工具，其包括一个非旋转体，一个包括可偏转单元的旋转轴，通过控制偏芯轴套的周向位置使得可偏转单元进行偏转，进而调整钻头的钻孔方向。美国专利申请文件US20170107762A1公开了另一种类型的旋转导向技术，即推靠式旋转导向技术，其包括设置在钻杆四周的推靠件和用于驱动这些推靠件的液压驱动系统，液压驱动系统可选择地驱动推靠件在推靠位置和非推靠位置之间移动，在推靠位置时推靠件能够以拍打的方式推靠井壁从而产生导向力并改变钻孔的方向。

指向式导向和推靠式导向具有各自的特点，一般而言，指向式导向的造斜率是比较稳定的，受钻压和地层条件影响较小，但是其造斜率极值较低，在需要高造斜率的情况下难以满足要求，相对而言，推靠式导向的造斜率却不太稳定，受到钻压和地层条件影响较大，当钻压较低并且地层硬度合适时，造斜率较大，可以快速调整井眼轨迹，但是遇到过软地层时导向能力降低明显。

近期也有人提出混合式导向工具，但是对于提供驱动力的驱动方式一直没有得到很好的实现方式。除此以外，在井下的测控难度和能耗问题同样是非常重要的，一方面，当井下部件随着钻杆转动时造成相应部件的测量困难也是不能忽视的问题，如何使得数据测量变得简单是一项重要课题；另一方面，井下的能源主要来自于泥浆发电，除了保证井下的电子元件的工作外，还需要提供导向驱动装置所需要的能量，如何尽可能地以较低的功耗提供导向驱动同样十分重要。

因此，现有技术需要一种可降低控制难度的高造斜率的随钻旋转导向驱动技术。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种混合式旋转导向装置，包括：

旋转轴，所述旋转轴旋转驱动工具头，所述旋转轴包括上轴部、下轴部和可转向部，所述上轴部和所述下轴部在轴向上具有间隔距离，所述上轴部和所述下轴部通过所述可转向部可转向地连接；

安装于所述上轴部的至少三个第一液压机构和安装于所述下轴部的至少三个第二液压机构，所述第二液压机构适于驱动推靠件推靠井壁以对工具头进行导向，其中，所述第一液压机构和所述第二液压机构如此地连接以使得所述第一液压机构能够驱动所述第二液压机构进而驱动所述推靠件。

优选地，所述第一液压机构和所述第二液压机构通过连杆连接，所述连杆两端分别与第一液压机构和所述第二液压机构铰接。

优选地，所述第一液压机构包括设置于所述上轴部内的第一液压腔和设置于所述第一液压腔内的第一活塞，所述第一活塞适于驱动所述连杆一端轴向地移动；

所述第二液压机构包括设置于所述下轴部内的第二液压腔和设置于所述第二液压腔内的第二活塞，所述连杆适于驱动所述推靠件大体径向地移动。

优选地，所述第一液压机构还包括设置于所述第一液压腔内的第一滑块，所述第一活塞适于驱动所述第一滑块；

所述第二液压机构还包括设置于所述第二液压腔内的第二滑块，所述第二滑块适于驱动所述第二活塞；

所述连杆一端所述第一滑块铰接，所述连杆的另一端所述第二滑块铰接。

优选地，所述下轴部上设置有用于限位结构，所述限位结构限制所述推靠件在径向上移动的范围。

优选地，所述可转向部包括万向传动件或者柔性轴。

通过本申请提出的混合式旋转导向装置，能够提供更大的可选造斜率范围，满足不同地层要求，同时对于混合式导向中的推靠部分而言，其带动的不再是整个钻具组件，而只需要带动下轴部绕可旋转部进行转动导向，极大的节省了井下用于导向的能耗。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请第一实施例涉及的混合式旋转导向装置。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其他任何类似的描述意在涵盖非排他行的包含，从而使得包括一系列的过程、方法、物品或者设备不仅仅包括这些要素，而且包括没有明确列出的其他要素，或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”等限定的要素，并不排除在包括所述要素外，还包括另外的相同要素。

本申请公开的旋转导向装置涉及到油田钻井或者其他勘探钻井的应用场景，与旋转导向装置相关的其它系统部件，例如井架系统，动力系统以及信号系统作为公知常识在此不做过多描述。

实施例

如图1所示，本实施例提出了一种旋转导向装置，在该实施例中，旋转导向装置属于混合式的旋转导向，具体来说，该混合导向装置包括：旋转轴，所述旋转轴包括上轴部1、下轴部2和可转向部3，如图1所示，所述上轴部1和所述下轴部2在轴向上具有间隔距离，该间隔距离能够为所述下轴部2相对于所述上轴部1的转动提供空间，所述上轴部1和所述下轴部2通过所述可转向部3可转向地连接。从而在驱动力作用下，连接工具头B的下轴部2能够以局部活动的方式提供导向，而不再需要对整个钻具组件进行驱动。

如图1中所示，该混合导向装置包括还安装于所述上轴部1的至少三个第一液压机构和安装于所述下轴部的至少三个第二液压机构，所述第二液压机构适于驱动推靠件8推靠井壁以对工具头B进行导向，其中，所述第一液压机构和所述第二液压机构如此地连接以使得所述第一液压机构能够驱动所述第二液压机构进而驱动所述推靠件9。由于所述第一液压机构和所述第二液压机构的这种连接方式，在第一液压机构进行驱动的过程中，其驱动力一方面能够提供指向式导向的作用力，另一方面，第一液压机构的驱动力还可以为第二液压机构提供动力，进而驱动所述推靠件9。

在钻进过程中，所述推靠件9除了提供推靠力的同时还能与上扶正器12一同起到扶正器的作用共同为钻具组合提供保持稳定的扶正作用力，尤其在工具头需要保持当前状态和方向时，液压机构为各个推靠件9提供相同的作用力使得推靠件能够扶靠在井壁以保持钻具组合的方向。

所述第一液压机构和所述第二液压机构通过连杆6连接，所述连杆6两端分别与第一液压机构和所述第二液压机构铰接。通过连杆6的连接，所述第一液压机构的驱动力能够传递到所述第二液压机构中为推靠件9提供作用力。并且由于所述连杆6两端分别与第一液压机构和所述第二液压机构铰接，所述下轴部2相对于所述上轴部1是具有可导向的自由度的。

所述第一液压机构包括设置于所述上轴部1内的第一液压腔和设置于所述第一液压腔内的第一活塞4，所述第一活塞4适于驱动所述连杆6一端轴向地移动。所述第二液压机构包括设置于所述下轴部2内的第二液压腔和设置于所述第二液压腔内的第二活塞8，所述连杆6适于驱动所述推靠件9大体径向地移动。

所述第一液压机构还包括设置于所述第一液压腔内的第一滑块5，所述第一活塞4与所述第一滑块5抵靠，当液压腔里的液压驱动所述第一活塞4向右移动时，所述第一活塞4能够驱动所述第一滑块5向右移动，进而带动连杆6移动。所述第二液压机构还包括设置于所述第二液压腔内的第二滑块7，所述第二滑块7适于驱动所述第二活塞。所述连杆6一端所述第一滑块5铰接，所述连杆6的另一端所述第二滑块7铰接。

在一个图中没有展示的部分处，所述下轴部2上设置有用于限位结构，所述限位结构限制所述推靠件在径向上移动的范围。所述的限位结构使得推靠件9在径向上具有上下两个极限位置，当没有驱动力作用于推靠件9上时，推靠件9处于自由状态，来自井壁的作用力不会通过推靠件9对下轴部2产生反作用力，当有驱动力作用于推靠件9上时，推靠件9向外伸出并作用于井壁，来自井壁的作用力能够对下轴部2产生反作用力。

在图1中展示的可转向部为万向传动件，本领域技术人员可以理解的是，所述可转向部可以是柔性轴。

如图1所示，所述上轴部1内还包括液压单元10以及电路仓11。

在一个图1没有详细展示的优选实施方式中，导向驱动机构包括至少三个推靠部件9，所述推靠部件9适于沿所述旋转轴的径向上移动以推靠井壁从而改变所述工具头的方向。各个推靠部件9分别与前述的液压驱动机构驱动连接。在图1展示的实施方式中，所述推靠部件9与井壁作用提供导向驱动力同时还能够承担扶正器的作用。活塞4驱动滑块5带动连杆6驱动滑块7进而驱动滑块8从而驱动推靠部件9。

所述下轴部2上设置有用于限制所述的推靠部件9活动范围的限位结构或者限位装置（图中未示出），从而使得所述推靠部件9能够在限定的范围内径向地活动。在导向驱动时，活塞8驱动推靠部件9径向向外移动，并推靠井壁，产生导向驱动力。举例来说，所述导向驱动机构可以具有三个液压驱动机构和三个推靠部件9，一方面，三个液压驱动机构能够分别产生使下轴部2相对于可转向部3产生一定的转矩，三者产生的转矩之和便为实际的轴向驱动的转矩，另一方面，三个推靠部件9也可以分别地产生径向的作用力，这些径向作用力同样能够产生相对于可转向部3的转矩，作用于可转向部3的转矩之和便形成当前的导向驱动力。

对于提高造斜率十分有利的是，本实施例的提供了混合式的导向驱动，能够结合指向式导向和推靠式导向的优点，并且在很大程度上消除地层性质对造斜率的影响，与此同时，本实施例的驱动结构中，单个驱动链中产生的轴向驱动力和径向驱动力所产生的转矩方向是一致的，造斜率是两者的叠加，因而能够提供更高的造斜率。另一方面，本实施例提供的导向驱动在推靠井壁时，不再需要推靠整个钻具组件，而只需要推靠下轴部，对耗能的需求得到了极大的降低。

说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种混合式旋转导向装置，其特征在于，包括：

旋转轴，所述旋转轴旋转驱动工具头，所述旋转轴包括上轴部、下轴部和可转向部，所述上轴部和所述下轴部在轴向上具有间隔距离，所述上轴部和所述下轴部通过所述可转向部可转向地连接；

安装于所述上轴部的至少三个第一液压机构和安装于所述下轴部的至少三个第二液压机构，所述第二液压机构适于驱动推靠件推靠井壁以对工具头进行导向，其中，所述第一液压机构和所述第二液压机构如此地连接以使得所述第一液压机构能够驱动所述第二液压机构进而驱动所述推靠件。

2.根据权利要求1所述的混合式旋转导向装置，其特征在于，

所述第一液压机构和所述第二液压机构通过连杆连接，所述连杆两端分别与第一液压机构和所述第二液压机构铰接。

3.根据权利要求2所述的混合式旋转导向装置，其特征在于，

所述第一液压机构包括设置于所述上轴部内的第一液压腔和设置于所述第一液压腔内的第一活塞，所述第一活塞适于驱动所述连杆一端轴向地移动；

所述第二液压机构包括设置于所述下轴部内的第二液压腔和设置于所述第二液压腔内的第二活塞，所述连杆适于驱动所述推靠件大体径向地移动。

4.根据权利要求3所述的混合式旋转导向装置，其特征在于，

所述第一液压机构还包括设置于所述第一液压腔内的第一滑块，所述第一活塞适于驱动所述第一滑块；

所述第二液压机构还包括设置于所述第二液压腔内的第二滑块，所述第二滑块适于驱动所述第二活塞；

所述连杆一端所述第一滑块铰接，所述连杆的另一端所述第二滑块铰接。

5.根据权利要求1所述的混合式旋转导向装置，其特征在于，

所述下轴部上设置有用于限位结构，所述限位结构限制所述推靠件在径向上移动的范围。

6.根据权利要求1所述的混合式旋转导向装置，其特征在于，

所述可转向部包括万向传动件或者柔性轴。