一种旋转导向钻井工具及其使用方法与流程

    技术2026-07-20  9


    本发明涉及油田钻探工程,具体涉及一种旋转导向钻井工具及其使用方法。


    背景技术:

    1、定向钻井是地质勘探中的常用手段,对于油气勘探开发而言,定向钻井能够获得更大的油气藏接触面积,提高油气的采收率,降低开发成本。目前的定向钻井工具主要有两类,一种是推靠式系统,其通过推动特定钻井方位对面的井壁来控制钻井方向;另一种便是指向式系统,其通过机械结构改变钻头与钻铤之间的角度。

    2、专利cn201610848045.3公开了一种推靠式全旋转导向工具,由扶正器机构、导向执行机构、花键万向轴机构组成,导向执行机构前端连接花键万向轴机构,后端连接扶正器机构;扶正器机构包括锁紧环、卡环、变径块、扶正器主体,将变径块焊接在卡环上后,将其组合体安装到扶正器主体上,并利用锁紧环进行锁紧固定,卡环由左右两部分组成,通过矩形齿使左右两部分连接在一起,旋转导向工具在导向钻进时,变径块与井壁接触,实现扶正器作用。该推靠式全旋转导向工具的结构十分复杂。

    3、专利cn201410429279.5公开了一种旋转导向钻井系统,参照图1,其钻铤13经第一万向节21与钻头驱动轴19连接,定向控制模块14则对钻头驱动轴19的一端施加径向力,从而带动钻头驱动轴19的下端绕第一万向节21转动以改变角度,其运行时钻头驱动轴19与钻铤13同轴转动,定向控制模块14中的定位架则同频率沿导轨反向转动,这样就维持钻头的倾斜角度不变,但钻头驱动轴19为刚性的硬质管且其两端分别被上密封结构16、第一万向节21定位在钻铤13中部固定位置,因而定向控制模块14推动钻头驱动轴19一端径向移动时需要促使钻头驱动轴19弯曲,需要很大的推动力,此外该装置中整根钻柱和钻铤13的重量都通过第一万向节21施加到钻头11上,这导致其钻头驱动轴19与第一万向节21竖直位置相对固定,钻头驱动轴19弯曲后其上端会沿上密封结构16轴向移动,因而钻头驱动轴19与上密封结构16之间是动密封,存在间隙,常常会有泥浆侵入定向控制模块14所在腔室导致电路出现故障。

    4、因此目前的旋转导向钻井工具存在结构非常复杂或者耗能高且常常会有泥浆侵入定向控制模块所在腔室导致电路出现故障的问题。


    技术实现思路

    1、本发明所要解决的技术问题是目前的旋转导向钻井工具存在结构非常复杂或者耗能高且常常会有泥浆侵入定向控制模块所在腔室导致电路出现故障的问题,目的在于提供一种旋转导向钻井工具及其使用方法,解决了目前的旋转导向钻井工具存在结构非常复杂或者耗能高且常常会有泥浆侵入定向控制模块所在腔室导致电路出现故障的问题。

    2、本发明通过下述技术方案实现:

    3、一种旋转导向钻井工具,包括钻铤、安装在钻铤内的钻头驱动轴、与钻铤的内壁相连接的定向控制模块、由上密封结构和下密封结构形成的泥浆密封结构,所述钻头驱动轴上连接有钻头,所述钻头驱动轴下端通过第一万向节机械耦合在所述钻铤的内壁上,位于所述上密封结构和定向控制模块之间的所述钻头驱动轴由多段管段串联而成,相邻的管段之间通过第二万向节连接,位于所述上密封结构和定向控制模块之间的管段总长度大于所述上密封结构与所述定向控制模块之间的距离。

    4、将位于上密封结构和定向控制模块之间的钻头驱动轴采用多段管段串联的连接方式,使得钻头驱动轴再径向移动时具有一定的柔性,降低了定向控制模块驱动钻油驱动轴时需要的力矩,进而起到了节约能源的效果。

    5、进一步的,所述第一万向节由固定环和多个环形架构成。

    6、进一步的,所述第一万向节由固定环和两个环形架构成。

    7、进一步的,所述第一万向节包括第一环形架、第二环形架和固定环,所述固定环位于所述第一环形架中并经第一支撑杆与所述第一环形架转动连接,使得所述固定环能够绕第一支撑杆转动;所述第一环形架位于第二环形架中并经第二支撑杆与第二环形架转动连接,使得第一环形架能够绕第二支撑杆转动;所述第一支撑杆和第二支撑杆不平行。

    8、本技术中的第一万向节的结构具有限位的功能,其一是限制钻头驱动轴沿第一万向节轴向移动,其二是限制钻头驱动轴与第一万向节同步转动;同时第一支撑杆和第二支撑杆采用不平行的安装方式,使得固定环可以沿第二环形架进行三维转动。

    9、进一步的,位于所述上密封结构和定向控制模块之间的所述钻头驱动轴由四段管段串联而成,所述管段的中心线是一条折线。

    10、进一步的,所述第二万向节包括连接块,所述连接块上设置有球型凹槽,所述管段上设置有用于与所述球型凹槽转动连接的球型转动块。

    11、进一步的,所述钻头驱动轴的上端与所述上密封结构和下密封结构之间均采用固定密封连接,两者之间为静态密封。

    12、进一步的,所述下密封结构采用柔性材质制成。

    13、上密封结构为挡板,钻头驱动轴的上端与上密封结构固定密封连接,两者之间采用静态密封,因此不存在泥浆从上部窜入由上密封结构和下密封结构形成的腔室内的情况;下密封结构采用柔性材质制成,钻头驱动轴与下密封装置之间也是固定连接,同样采用的是静态密封方式,因此也可以避免外部的泥浆侵入腔室内。

    14、进一步的,向由所述上密封结构和下密封结构形成的腔室内充入绝缘液体。

    15、由于井下压力较高,下密封结构采用柔性材质可能存在承压能力较差的问题,下密封结构两侧压差较大时容易被损坏,通过向腔室内通入绝缘液体即可起到传导力的作用,将下密封结构的受力传导至上密封结构,因此钻铤内外的泥浆压差主要由上密封结构承担,避免了下密封结构承受大压差而损坏。

    16、为了实现上述目的,本技术还提出了一种旋转导向钻井工具的使用方法,通过定向控制模块的电磁导向结构内的磁力对钻头驱动轴一端进行定向控制,使钻头驱动轴的一端沿钻铤径向移动;

    17、钻头驱动轴径向移动时,通过第二万向节改变倾角来降低驱动力;通过第一万向节限制钻头驱动轴沿第一万向节轴向移动,同时限制钻头驱动轴与第一万向节同步转动。

    18、本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:

    19、(1)将位于上密封结构和定向控制模块之间的钻头驱动轴采用多段管段串联的连接方式,使得钻头驱动轴再径向移动时具有一定的柔性,降低了定向控制模块驱动钻油驱动轴时需要的力矩,进而起到了节约能源的效果;

    20、(2)第一万向节的结构具有限位的功能,其一是限制钻头驱动轴沿第一万向节轴向移动,其二是限制钻头驱动轴与第一万向节同步转动;同时第一支撑杆和第二支撑杆采用不平行的安装方式,使得固定环可以沿第二环形架进行三维转动;

    21、(3)钻头驱动轴的上端与上密封结构固定密封连接,两者之间采用静态密封,因此不存在泥浆从上部窜入由上密封结构和下密封结构形成的腔室内的情况;下密封结构采用柔性材质制成,钻头驱动轴与下密封装置之间也是固定连接,同样采用的是静态密封方式,因此也可以避免外部的泥浆侵入腔室内;

    22、(4)通过向腔室内通入绝缘液体即可起到传导力的作用,将下密封结构的受力传导至上密封结构,因此钻铤内外的泥浆压差主要由上密封结构承担,避免了下密封结构承受大压差而损坏。


    技术特征:

    1.一种旋转导向钻井工具,包括钻铤(13)、安装在钻铤(13)内的钻头驱动轴(19)、与钻铤(13)的内壁相连接的定向控制模块(14)、由上密封结构(16)和下密封结构(12)形成的泥浆密封结构,所述钻头驱动轴(19)上连接有钻头(11),其特征在于,所述钻头驱动轴(19)下端通过第一万向节(21)机械耦合在所述钻铤(13)的内壁上,位于所述上密封结构(16)和定向控制模块(14)之间的所述钻头驱动轴(19)由多段管段(18)串联而成,相邻的管段(18)之间通过第二万向节(17)连接,位于所述上密封结构(16)和定向控制模块(14)之间的管段(18)总长度大于所述上密封结构(16)与所述定向控制模块(14)之间的距离。

    2.根据权利要求1所述的一种旋转导向钻井工具,其特征在于,所述第一万向节(21)由固定环(25)和多个环形架构成。

    3.根据权利要求2所述的一种旋转导向钻井工具,其特征在于,所述第一万向节(21)由固定环(25)和两个环形架构成。

    4.根据权利要求3所述的一种旋转导向钻井工具,其特征在于,所述第一万向节(21)包括第一环形架(24)、第二环形架(23)和固定环(25),所述固定环(25)位于所述第一环形架(24)中并经第一支撑杆(22)与所述第一环形架(24)转动连接,使得所述固定环(25)能够绕第一支撑杆(22)转动;所述第一环形架(24)位于第二环形架(23)中并经第二支撑杆(26)与第二环形架(23)转动连接,使得第一环形架(24)能够绕第二支撑杆(26)转动;所述第一支撑杆(22)和第二支撑杆(26)不平行。

    5.根据权利要求1所述的一种旋转导向钻井工具,其特征在于,位于所述上密封结构(16)和定向控制模块(14)之间的所述钻头驱动轴(19)由四段管段(18)串联而成,所述管段(18)的中心线是一条折线。

    6.根据权利要求1所述的一种旋转导向钻井工具,其特征在于,所述第二万向节(17)包括连接块,所述连接块上设置有球型凹槽(28),所述管段(18)上设置有用于与所述球型凹槽(28)转动连接的球型转动块(27)。

    7.根据权利要求1所述的一种旋转导向钻井工具,其特征在于,所述钻头驱动轴(19)的上端与所述上密封结构(16)和下密封结构(12)之间均采用固定密封连接,两者之间为静态密封。

    8.根据权利要求1所述的一种旋转导向钻井工具,其特征在于,所述下密封结构(12)采用柔性材质制成。

    9.根据权利要求1所述的一种旋转导向钻井工具,其特征在于,向由所述上密封结构(16)和下密封结构(12)形成的腔室(15)内充入绝缘液体(29)。

    10.一种权利要求1~9任意一项所述的旋转导向钻井工具的使用方法,其特征在于,通过定向控制模块(14)的电磁导向结构内的磁力对钻头驱动轴(19)一端进行定向控制,使钻头驱动轴(19)的一端沿钻铤(13)径向移动;


    技术总结
    本发明公开了一种旋转导向钻井工具及其使用方法,涉及油田钻探工程技术领域,包括钻铤、安装在钻铤内的钻头驱动轴、与钻铤的内壁相连接的定向控制模块、由上密封结构和下密封结构形成的泥浆密封结构,钻头驱动轴上连接有钻头,钻头驱动轴下端通过第一万向节机械耦合在钻铤的内壁上,位于上密封结构和定向控制模块之间的钻头驱动轴由多段管段串联而成,相邻的管段之间通过第二万向节连接,位于上密封结构和定向控制模块之间的管段总长度大于上密封结构与定向控制模块之间的距离。将钻头驱动轴采用多段管段串联的连接方式,使得钻头驱动轴再径向移动时具有一定的柔性,降低了定向控制模块驱动钻油驱动轴时需要的力矩,进而起到了节约能源的效果。

    技术研发人员:范宇,郭建华,刘森,胡锡辉,沈欣宇,孟鐾桥,徐卫强,苏强
    受保护的技术使用者:中国石油天然气股份有限公司
    技术研发日:
    技术公布日:2024/10/24
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