专利名称：一种遥控式井下弯壳体变角方法、装置及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种石油、地质勘探与开发的定向钻井过程对导向钻具的结构弯角进行遥控式变角的方法、遥控型井下可调弯壳体变角装置及其应用。
在定向钻井中，导向钻具已成为钻井作业中造斜或纠斜的常用方法。导向钻具一般采用井下动力钻具加配弯接头或弯壳体动力钻具等。
动力钻具加配弯接头一般采用直动力钻具(螺杆钻具或涡轮钻具)加配小角度的弯接头，这种钻具组合称为弯接头-井下动力钻具组合。该组合比较简单，钻头接在动力钻具下端的传动轴上，动力钻具的上方接弯接头。对井下动力钻具组合钻头造斜率影响最大的参数是弯接头的弯角，井下动力钻具的长度和装置角。为了提高造斜率，有效的途径之一是缩短井下动力钻具的长度。一般来说，螺什钻具的长度要明显短于涡轮钻具，因此，使用螺杆钻具比使用涡轮钻具易于造斜。合理地选择弯接头，是设计井下动力钻具组合的一个关键环节，弯接头角度规格一般有0.5°、1°、1.5°、2°、2.5°、3°、3.5°和4°等。角度太大不易下井，造斜常用的弯角位1°、1.5°和2°，大于2°的多用于强行扭方位。
弯壳体动力钻具，根据其角度是固定不变还是可以调节分为固定式弯壳体动力钻具和可调式弯壳体动力钻具，对固定式弯壳体钻具，按弯角的个数不同可分为单弯、双弯动力钻具；又可根据两个弯角的组配方式分为同向双弯和反向双弯动力钻具。对每一种形式的弯壳体钻具，针对不同造斜率要求，又往往把弯壳体的结构弯角分为若干档次(如在0～2°范围按0.25°分级)；无论是同向双弯还是反向双弯，均要求两个弯角共面，即在同一个平面内，否则会引起钻具组合力学特性紊乱，严重影响造斜率。
以上所述的两种导向钻具在国内外定向钻井中应用十分普遍和广泛，国外在弯壳体螺杆钻具方面已有多种类型和规格的产品，但价格昂贵且需支付大量外汇。自1990年始，石油勘探开发科学研究院钻井工艺研究研制出了P5LZI65、P5LZI97、P5LZI20种直径系列。多种结构类型和规格的弯壳体螺杆钻具，按弯角配置划分有单弯、同向双弯、反向双弯三种，按弯壳体角度大小划分有0.5°、0.75°、1°、0.25°1.5°、1.75°、2°等6种，目前已推广至国内18个油田以及地矿、军工部门，并用于国际工程施工。另外，还成功地研制出了BW5LZI65可调弯外壳导向螺杆钻具，这种钻具的最大特点是根据现场对造斜率的要求，可在井口调节改变弯外壳的弯角，从而改变工具造斜率，达到一机多用，代替一个系列的固定弯外壳导向螺杆钻具，可广泛用于水平井和定向井。
尽管弯接头-井下动力钻具组合和弯壳体螺杆钻具或地面可调弯外壳螺杆钻具，具有很大的实用性，在水平井和定向井钻井作业中被广泛的应用，但仍不够理想。原因有二个①工具适应性差，工具无井下调节能力。导向钻具一经选定，其力学特性就随之确定，在钻进过程中一旦其力学特性与实际要求不相符合时，工具没有井下调节能力，只有人为控制起钻更换钻具组合或在井口调节钻具的结构弯角(弯接头一井下动力钻具组合弯接头的结构弯角是固定的，弯壳体螺杆钻具的弯壳体是不可调的，地面可调弯外壳螺杆钻具的结构弯角必须在地面完成调节)；②采用阶段性的而非适时的人工控制和结构固定而不能根据需要进行调整的钻具组合，一方面容易造成实钻轨道严重偏离设计轨道，另一方面加大了钻井辅助时间，增加了操作者的劳动强度，提高了钻井成本。随着石油勘探开发难度的加大，迫切需要赋予导向钻具具有井下调节能力，以提高轨道控制精度和钻井效率。
本发明的目的是提供一种对井下导向钻具的结构弯角进行遥控式变角方法及其装置-遥控型井下可调弯壳体，赋予导向钻具具有井下的调节能力，节约钻井辅助时间，减轻操作者的劳动强度，提高轨道控制精度和井身质量和降低钻井成本。
本发明的目的是这样实现的一种遥控式井下弯壳体变角方法，其特征在于在直动力钻具的万向轴总成与传动轴总成之间，至少设有一个呈固定夹角的两段构件组成的活动导杆，导杆的每一段由一个铰链约束；再利用行程遥控机构推动导杆的一端使导杆在双铰链内滑动并偏转时，导杆的另一段与双铰链中心连线之间的夹角在发生改变；连接于导杆机构下端的传动轴总成与直动力钻具本体之间的夹角在发生等量值的改变，从而改变导向钻具的结构弯角。所述结构弯角可在一定范围内按一定的角度间隔分级调节。结构弯角分级调节方法是，每给双铰链导杆机构输入一行程变量，则该机构输出一弯角增量，该行程变量的输入是通过地面的泥浆泵的开、停控制。
本发明的工作原理，是利用了双铰链导杆机构的平面运动。具有固定夹角的两段构件组成一活动构件，称之为导杆，导杆的每一段由一个铰链约束，导杆与铰链的组合称之为双铰链导杆机构。根据平面机构原理，该机构只有一个运动自由度。当推动导杆的一端在双铰链内滑动时，导杆的另一段与双铰链中心连线之间的夹角(锐角)在发生改变；推动导杆移动的距离在双铰心连线上的投影称之为行程，另一段与双铰链中心连线之间的夹角称之为弯角。因此，当给双铰链导杆机构输入一行程变量，则该机构输出一弯角增量，这是本发明最基本的思想。若在井下动力钻具的结构弯角部分用双铰链导杆机构替代，配之一地面遥控的行程控制机构，则可实现本发明的目的。
实现本发明目的的遥控型井下可调弯壳体变角装置，为遥控型井下可调弯壳体短节，该短节是由上下两段组成，下段相对于上段可作平面内的轴向伸缩和偏转运动；当下段相对上段有运动时，下段的轴线相对于上段的轴线由原来的重合形成了一定的夹角。井下可调弯壳体的上段与直动力钻具的万向轴总成连接，下段与传动轴总成连接，钻头装在传动轴总成下端的传动轴上。因此，可调弯壳体装置的下段-传动轴总成-钻头与该装置上段以上部分的轴线会产生一定的夹角，该夹角定义为导向钻具的结构弯角。结构弯角是可调的，在一定范围内按一定的角度间隔分级。结构弯角的调节是由可调弯壳体内部的行程遥控机构和结构弯角调节机构实现的，结构弯角调节控制信号来自地面的泥浆泵的开停信号。
实现本发明目的的遥控型井下可调弯壳体装置，在结构上由行程遥控机构、结构弯角调节机构和动力传动系统组成。
行程遥控机构中的芯轴在泥浆压力和芯轴弹簧作用下作上下运动，通过导向槽和拨销拨动上牙嵌周向转动；下牙嵌只能轴向滑动，不可周向转动；上牙嵌的下端部设有至少一级的台阶状的牙嵌，下牙嵌的上端部设有至少一级的台阶状的牙嵌。因此，上牙嵌周向转动到不同的位置，下牙嵌位置上移，对应着上、下牙嵌有不同的牙嵌配合，从而决定了不同的轴向行程；行程遥控机构中的芯轴、上牙嵌和下牙嵌旨为中空结构。
结构弯角调节机构中的导杆为具有一定夹角的两段轴组成的中空结构，上下两段分别由上球铰和下球铰约束，导杆可在球铰的约束下滑动；当导杆上段向下运行时，导杆下段与铅垂线之间的夹角在发生改变，为限制导杆作平面运动，导杆的下端有导向结构，导向块在壳体内的导向槽内滑动；定向钻进时传动轴总成的轴承所受的摩擦力矩、开转盘钻进时下稳定器所受的摩擦力矩以及装配时的拧紧力矩，都将对导杆产生扭矩作用，为了使导杆在正常工作状态，不会产生转动，在导杆的下端特设有抗扭结构。结构弯角调节机构中的导杆柔性接头可实现了导杆与下牙嵌轴向无间隙的连接，既可以满足下牙嵌轴向滑动，又能使导杆在设计平面内灵活转动。在弯角调节机构中的端面密封组件使连接壳体作轴向滑动或径向偏移时，球面橡胶垫始终与壳体的球端面接触。
动力传动系统分为上传动、中间传动和挠性轴传动三部分，皆穿过可调弯壳体的中心，把来自万向轴的动力传递到传动轴总成中。
综上所述，通过在地面控制泥浆泵的开与停(即泥浆泵排量的有与无)，控制井下行程遥控机构的行程增量，结构弯角调节机构接收位移信号后产生结构弯角变量。这样，实现了导向钻具的结构弯角在地面的遥控，赋予了钻具具有井下的调节能力。
本发明的操作过程十分简单主要是采用在井口开/停泥浆泵的控制方式，遥控行程控制机构上下牙嵌的配合，使其输出轴向行程增量；弯角调节机构接收位移信号，通过双球铰导杆机构产生结构弯角变量，以改变井下导向钻具的结构弯角。
本发明的优点1、本发明通过在井口的控制信号(开/停泥浆泵)，控制井下导向钻具的结构弯角的变化，从而改变钻具组合的力学特性，提高了井眼轨道质量，明显地提高了定向井的成功率。
2、本发明通过在井口对井下导向钻具结构弯角的控制，明显地减少了钻井辅助时间，减轻了操作者的劳动强度，降低了钻井总成本。
3、本发明的遥控型井下可调弯壳体装置的结构弯角范围大，造斜率可覆盖中、长半径范围，性能调节范围大，可适用于中、长半径水平井以及大斜度定向井和常规定向井。
4、本发明的遥控型井下可调弯壳体装置可用于滑动钻井，也可用于导向钻井。
5、本发明的遥控型井下可调弯壳体装置制造工艺简单，成本低，易于推广和普及。
6、本发明的调节结构弯角的思想方法可推广应用于井下闭环自动控制系统。
发明的具体结构由以下的实施例及其附图给出。
图1a、图1b、图1c为本发明的遥控型井下可调弯壳体装置剖视图。图1b的上端部接图1a的下端，图1c的上端接图1b的下端。
图2为调角机构原理示意图。
图3为上、下牙嵌的牙嵌结构示意图(展开图)图4为芯轴导向槽结构图(展开图)。
图5为上球铰结构图。
图6为零度结构弯角示位机构示意图。
下面结合图1和图6详细说明本发明变角方法的实现、遥控型井下可调弯壳体装置的具体细节结构、工作原理以及利用该装置进行进井下变角的方法。
本发明的结构弯角变角原理如图2所示。双铰链导杆机构由两个中心距为T铰链滑套1、2和带有固定结构弯角θ的导杆11组成。导杆11可在滑套1、2的孔内滑动，同时两铰链发生转动。在图2中导杆上段在双铰连线方向上发生位移时，如图2(右)所示，导杆发生平面转动，下段与其初始位置间发生偏角γ＝γ2-γ1，实现了变角作用。因此，只要输入一个主动位移，即可得到一个确定的弯角变化，而且操作简单，控制准确；由于该机构为径向尺寸较小的杆式机构，因而在井径苛刻的条件下也较易布置；由于该机构活动构件少，结构相对简单，所以有相对较高的工作可靠性，故可用于井下结构弯角的变角机构。
实现本发明变角方法的遥控型井下可调弯壳体变角装置，由行程遥控机构①、结构弯角调节装置②和动力传动系统③组成①行程遥控机构是由装在壳体60、48内的芯轴11、芯轴弹簧14。芯轴弹簧护套13、上拨销15、下拨销18、下拨销弹簧17、压紧螺钉16、上牙嵌53、下牙嵌21、导向块20、紧钉螺钉19、芯轴护套12、上牙嵌护套56、锁紧螺母49、钢珠55与阻挡螺钉54、定位螺钉57与垫圈58、0型密封圈61与密封挡圈62、孔用卡环63、孔用挡环64和孔用挡圈65组成；②结构弯角调节机构是由装在壳体23、27、29内的导杆28、上球铰44、下球铰43，导杆柔性连接内球面上接头22、导杆柔性连接球铰24、导杆柔性连接球座47、导杆柔性连接橡胶垫46，导杆柔性连接下接头45、防转动螺钉25与垫圈26、孔用卡环42-孔用挡环41-孔用挡圈40、球面密封垫36。球面密封垫压环37、密封压紧弹簧39、密封压紧弹簧档环38和连接壳体35组成。
③动力传动系统自上而下由上水帽1、上传动轴8、锁紧螺母2、上传动轴上滑动轴承4和5。推力调心滚于轴承67、推力球轴承66、上传动轴下滑动轴承6和7、中传动轴10、中水帽59、挠性轴30、挠性轴上扶正轴承50和52、锁紧螺母51、挠性轴下推力球轴承31、挠性轴下扶正轴承32和33及下水帽34组成。
当在井口开泵时，行程遥控机构中的芯轴11在泥浆压差的作用下，压缩芯轴弹簧14，作下行运动当停泵时，泥浆的压力消失，压缩的芯轴弹簧14恢复，芯轴11作上行运动。在本实施例中，芯轴11下端的外部设有周向分布的直导向槽和与轴线成角度设置的螺旋导向槽，导向槽拨动上牙嵌53上的上拨销15和下拨销18，使得上牙嵌53作周向转动；芯轴11作上下行运动一次，上牙嵌53转动一个方位；芯轴11作往复的上下运动，上牙嵌53作连续的周向转动，芯轴11上的导向槽和上牙嵌53上的上拨销15和下拨销把芯轴11的轴向运动变向为上牙嵌53的周向转动。上述螺旋导向槽，可依角度调整范围的级数串接有两个以上，如本实施例中，该角度的调整分成四级，因此，在上牙嵌(53)的下端至少要串接有四个螺旋导向槽，从而实现角度调整的连续操作。
为保证上述角度调整动作的准确，行程遥控机构中的上牙嵌(53)和下牙嵌(21)间的相对运动，只能是一个周向转动，而不能发生轴向移动，而另一个只能轴向移动而不能周向转动。在本实施例中，上牙嵌53由钢珠55和阻挡螺钉54松套在上牙嵌护套56上，只能周向转动；紧钉螺钉19使导向块20与下牙嵌21固连，导向块在上牙嵌护套的导向槽中滑动，保证了下牙嵌21只能轴向滑动，不可周向转动，如图1b所示。
本实施例中，上牙嵌53的下端部为四级台阶状的牙嵌，下牙嵌的上端部只有一种规格的牙嵌。因此，上牙嵌53周向转动到不同的位置，下牙嵌21位置上移，对应着上、下牙嵌有不同的牙嵌配合，以确定了不同的轴向行程。如图3所示，本实施例中，上牙嵌53分成四级A、B、C、D。而下牙嵌21分成一个级T，由如图所示的上牙嵌53和下牙嵌21的不同配合状态，可形成TA(γ＝0°)、TB(γ＝0.75°)、TC(γ＝1.25°)、TD(γ＝2°)，四种不同的外壳体的结构弯角γ的变化。
在本实施例中，行程遥控机构中芯轴11与壳体60间设有沿轴向的导向机构，即该芯轴11上端设有起导向作用突缘，该突缘在壳体60的导向槽内沿轴向滑动，因而芯轴11在泥浆压力或芯轴弹簧14的作用下，只能作上、下的轴向运动，如图1b所示。
芯轴11的下端有由沿周向分布的直导向槽和与轴线呈角度的螺旋导向槽形成的两个区域(A区和B区)，如图4所示，其中，直槽531为上拨销15提供转换方位的通路，螺旋槽532的作用是拨动上牙嵌53作周向转动；B区的直槽和螺旋槽使B区的圆柱面形成了周向等角度分布的凸台，凸台的下端面为斜面，凸台表面和下端面的作用是压迫下拨销18使其沿径向向外运动，斜槽则拨动上牙嵌53作周向转动。
行程遥控机构中的芯轴11通过嵌入在上牙嵌53不同周向位置的上拨销15和下拨销18，拨动上牙嵌53作周向运动。考虑芯轴11作轴向往返运动一次，当芯轴11上行时，首先是B区的螺旋槽拨动下拨销18，使上拨销15和上牙嵌53同时作周向转动，然后A区的螺旋槽拨动上拨销15，上牙嵌53继续作周向运动；当芯轴11下行时，首先、下拨销18逐次被B区凸台的斜端面和表面压迫，缩入上牙嵌53内部，然后弹出，与此同时，一直在A区直槽内的上拨销15无任何运动，在此整个芯轴11下行运动过程中，上牙嵌53无转动。
行程遥控机构中的芯轴11、上牙嵌53和下牙嵌21为中空结构，如图1b所示。
行程遥控机构中壳体60与上牙嵌53间设有导向定位机构。在本实施例中，该导向定位机构是由定位螺钉57构成，由该定位螺钉57保证了壳体60上端导向槽的基准母线与上牙嵌护套53下端导向槽的基准母线重合，使得在装配上牙嵌53时不必考虑与下牙嵌21能否配合上的问题；锁紧螺母49防止芯轴11壳体的轴向转动，便上、下牙嵌准确配合，如图1b所示。
在行程遥控机构中。芯轴的上端设有轴向定位装置和密封装置，以防止芯轴11滑出导向槽，并同时防止泥浆较大的颗粒通过芯轴护套12内壁与芯轴11外壁形成的环形空间进入钢珠55的滚道，影响上牙嵌53的转动灵活性。该导向定位装置是由壳体的上端设有的卡环63、挡环65和孔用挡圈65组成；该密封装置为在芯轴护套12的上端孔设有O型密封圈61和密封挡圈62，如图1b所示。
在结构弯角调节机构中的导杆28为由具有一定夹角的两段轴组成的中空结构，上下两段分别由上球铰44和下球铰43约束，导杆28可在球铰的约束下滑动，当导杆28上段向下运行时，导杆28下段与铅垂线之间的夹角在发生改变；为限制导杆28作平面运动，导杆28的下端有导向结构，导向块在壳体27下端的导向槽内滑动；定向钻进时传动轴系统的轴承所受的摩擦力矩、开转盘钻进时下稳定器所受的摩擦力矩以及装配时的拧紧力矩，都将导杆28产生扭矩作用，为了使导杆在正常工作状态，不会产生转动，在导杆28的下端的导向块同时也构成导杆的抗扭结构，可防止导杆28的轴向转动，如图1c所示。
在结构弯角调节机构中的铰链采用中空的球铰结构，上球铰44和下球铰43被安装在壳体27的内壁上；螺钉25约束了球铰绕轴向转动的自由度；在本实施例中，从装配工艺角度考虑，在与铰链的限位槽成90°的两侧加工为与轴平面平行的平面，如图5所示。
在结构弯角调节机构中的导杆柔性接头由导杆柔性上接头22、导杆柔性连接球绞24、导杆柔性下接头45、导杆柔性连接橡胶垫46、导杆柔性连接球座47，如图1c所示，通过上述导杆导杆柔性接头组件，使得导杆下端柔性地顶持于下牙嵌，实现了导杆28与下牙嵌21轴向无间隙的连接，既可以满足下牙嵌21轴向滑动，又能使导杆28在设计平面内灵活转动。
在结构弯角调节机构中的端面密封结构36～39使连接壳体35作轴向滑动或径向偏移时，球面橡胶垫始终与壳体29的球端面接触，如图1c所示。
在结构弯角调节机构中导杆28的下端设有轴向限位机构，以限定导杆28下滑的最大距离。该轴向限位机构是由卡环42、挡环41和孔用挡圈40构成，当导杆下滑的距离达到最大时承受下滑的所有部件所产生的重力，并把作用力转移到壳体上去。
在动力传动系统分为上传动、中间传动和挠性轴传动三部分。上传动部分包括上水帽1、锁紧螺母2、上滑动轴承3和4、推力调心滚子轴承67，推力球轴承66、下滑动轴承6和7、上传动轴8以及壳体3和9；中间传动包括中传动轴10和中水帽59；挠性轴传动部分包括挠性轴上扶正轴承50和52、锁紧螺母51、挠性轴30、挠性轴下推力球轴承31、下扶正轴承32和33以及下水帽34。
在动力传动系统中泥浆主流道为由上水帽1流入上传动轴8的腔体，经上传动轴8下端的水眼流出上传动轴8，流经中传动轴10的外部，通过中水帽59的水眼流入挠性轴30中空的腔体，最后，由下水帽34流出。
在动力传动系统中的上传动轴8与中传动轴10的连接为较大径向间隙的花键连接，上传动轴8传递扭矩给中传动轴10，中传动轴10可在一定范围内作轴向滑动。
利用上述遥控式井下弯壳体变角装置的井下弯壳体变角方法，包括有如下步骤①不停泵，将钻具提离井底；②导杆上没有钻压作用，在自重和泥浆压差的作用下，导杆沿壳体27下端的导向槽下滑，下牙嵌(21)也随之下滑并与上牙嵌(53)脱开；③确定结构弯角的调整角度；或首先确定零角度结构弯角，通过控制开停泥浆泵的次数，确定结构弯角的调整角度；④停泵，解除导杆上的泥浆压力，芯轴(11)在复位性力的作用下上行，带动上牙嵌(53)周向转动一个角度；⑤下放钻具，下牙嵌(21)上滑，与上牙嵌(53)配合，双铰链导杆机构输入一行程变量，限位变角；
⑥开泵，钻进。
利用本发明的装置，确定结构弯角的零角度的方法是，在芯轴11与中传动轴10构成结构弯角调节机构的正脉冲示位信号机构，如图6所示。芯轴11在泥浆压差的作用下，下行的距离由上拨销15和芯轴A区的导向槽限定。使上拨销15在某一直导向槽时，芯轴11下行的距离达到最大值位置III，此时，芯轴11内径与中传动轴10的外径之间的环空在某处突然减小，从而使泥浆压力突然生高，在地面识别到该正脉冲信号时，可确定此时的弯角调节装置处于零角度的状态。图中位置II正常工作位，位置I为停泵位或装配位。
本发明在角级角度调节时，在地面开、停一次，芯轴11作上、下行运动，上牙嵌53转动一个方位，上、个牙嵌的配合输出一个行程增量，下牙嵌21推动导杆28和连接壳体35产生一变角。通过遥控型井下可调弯壳体在井下接收来自地面的控制信号，经行程控制机构和结构弯角调节机构，实现机构弯角在井下的自动调节，控制导向钻具结构弯角的变化以改变钻具组合的力学性质，满足定向钻井过程中对井眼轨道实时控制的需要。
权利要求
1.一种遥控式井下弯壳体变角方法，其特征在于在直动力钻具的万向轴总成与传动轴总成之间，至少设有一个呈固定夹角的两段构件组成的活动导杆，导杆的每一段由一个铰链约束；再利用行程遥控机构推动导杆的一端使导杆在双铰链内滑动并偏转时，导杆的另一段与双铰链中心连线之间的夹角在发生改变；连接于导杆机构下端的传动轴总成与直动力钻具本体之间的夹角在发生等量值的改变，从而改变导向钻具的结构弯角。
2.根据权利要求1所述的遥控式井下弯壳体变角方法，其特征在于所述结构弯角可在一定范围内按一定的角度间隔分级调节。
3.根据权利要求2所述的遥控式井下弯壳体变角方法，其特征在于所述结构弯角分级调节方法是，每给双铰链导杆机构输入一行程变量，则该机构输出一弯角增量，该行程变量的输入是通过地面的泥浆泵的开、停控制。
4.根据权利要求1或3所述的遥控式井下弯壳体变角方法，其特征在于所述结构弯角分级调节步骤为①不停泵，将钻具提离井底；②导杆上没有钻压作用，在自重和泥浆压差的作用下，导杆与传动轴总成下滑；③停泵，给双铰链导杆机构输入一行程变量；④下放钻具，导杆与传动轴总成嵌上移，限位变角；⑤开泵，钻进。
5.一种遥控式井下弯壳体变角装置，其特征在于该变角装置可为遥控型井下可调弯壳体短节，该短节由行程遥控机构，结构弯角调节机构和动力传动系统组成。
6.根据权利要求5所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征在于所述的行程遥控机构中的芯轴(11)由芯轴弹簧(14)顶撑复位；芯轴的下端拨动上拨销(15)和下拨销(18)使上牙嵌(53)周向转动，下牙嵌(21)与上牙嵌(53)轴向配合并使下牙嵌轴向移动；由下牙嵌(21)连接于结构弯角调节机构。
7.根据权利要求5所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征在于所述的结构弯角调节机构至少包括有一个装在壳体内的导杆(28)，该导杆(28)由由一定夹角的两段轴组成，并由上球铰(44)、下球铰(43)滑动支撑；导杆(28)的上端由导杆柔性接头连接于行程遥控机构。
8.根据权利要求7所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征在于所述的导杆柔性接头由上接头(22)和下接头(45)由螺纹连接形成一腔体，内含球铰(24)、球座(47)和橡胶垫(46)。
9.根据权利要求5所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征在于所述的动力传动系统依次连接有上水帽(1)、上传动轴(8)、中传动轴(10)、中水帽(59)、挠性轴(30)、下水帽(34)。
10.根据权利要求5所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征是该装置安装在直动力钻具的万向轴总成与传动轴总成之间，上端与钻具的万向轴总成相连，下端同螺杆钻具的传动轴总成相接。
11.根据权利要求6所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征是行程遥控机构中上牙嵌(53)松套在上牙嵌护套(56)上，只能周向转动；紧钉螺钉(19)使导向块(20)与下牙嵌(21)连接，导向块在上牙嵌护套的导向槽中滑动，保证了下牙嵌只能轴向滑动，不可周向转动；上牙嵌的下端部设有至少为一级的台阶状牙嵌，下牙嵌的上端部设有至少为一级的台阶状牙嵌；上牙嵌与下牙嵌相互配合，上牙嵌的周向转动可得到上、下牙嵌有不同的牙嵌配合，从而决定了不同的轴向行程。
12.根据权利要求5所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征是行程遥控机构中芯轴(11)上端的突缘，起导向作用，在壳体(60)上端的导向槽内沿轴向滑动，因而芯轴在泥浆压力或芯轴弹簧(14)的作用下，只能作轴向运动；芯轴的下端至少设有一个沿周向分布的直导向槽和一个轴线成角度的螺旋导向槽。
13.根据权利要求5或12所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征是，芯轴的螺旋导向槽可在周向串联两个以上，并形成A、B两个区域，直导向槽为上拨销(15)提供转换方位的通路，螺旋槽的作用是拨动上牙嵌(53)作周向转动；B区的直槽和螺旋槽使B区的圆柱面形成了周向等角度分布的凸台，凸台的下端面为斜面，凸台外表面和下端面的作用是压迫下拨销(18)使其沿径向向外运动，斜槽拨动下拨销使上牙嵌作周向转动。
14.根据权利要求5或13所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征是行程遥控机构中的芯轴(11)通过嵌入在上牙嵌(53)不同周向位置的上拨销(15)和下拨销(18)，拨动上牙嵌作周向运动。当芯轴上行时，首先是B区的螺旋槽拨动下拨销，使上牙嵌作周向转动，然后A区的螺旋槽拨动上拨销，上牙嵌继续作周向运动；当芯轴下行时，首先时下拨销逐次被B区凸台的斜端面和外表面压迫，缩入上牙嵌内部，然后弹出，与此同时，一直在A区直槽内的上拨销无任何运动，在此整个芯轴下行运动过程中，上牙嵌无转动。
15.根据权利要求5所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征是行程遥控机构中的芯轴(11)、上牙嵌(53)和下牙嵌(21)为中空结构。
16.根据权利要求5所述的遥控型井下可调弯壳体装置，其特征是行程遥控机构中由定位机构确定壳体(60)上端导向槽的基准母线与上牙嵌护套(53)下端导向槽的基准母线重合；以及一个可防止上牙嵌护套周向转动的机构，使上、下牙嵌准确配合。
17.根据权利要求5或7所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征是在行程遥控机构中设有可防止芯轴滑出导向槽的轴向限位机构；在芯轴与芯轴护套的上端孔间设有密封装置。
18.根据权利要求5或7所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征是在弯角调节机构中，导杆的下端有可限定导杆作平面运动的导向结构，该导向机构由至少一个导向块在设于壳体上的导向槽内滑动构成；定向钻进时传动轴系统的轴承所受的摩擦力矩、开转盘钻进时下稳定器所受的摩擦力矩以及装配时的拧紧力矩，都将导杆产生扭矩作用，为了使导杆在正常工作状态，不会产生转动，在导杆的下端特设有抗扭结构。
19.根据权利要求5或7所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征是在弯角调节机构中的铰链采用中空的球铰结构，上球铰(44)和下球铰(43)被安装在壳体(27)的内壁上；并设有可约束球铰绕轴向转动的自由度结构。
20.根据权利要求7所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征是在弯角调节机构中的导杆柔性接头(22、24、45、46、47)，顶持于导杆(28)的上端，使导杆与下牙嵌(21)轴向无间隙的连接，既可以满足下牙嵌轴向滑动，又能使导杆在设计平面内灵活转动。
21.根据权利要求5所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征是在弯角调节机构中的端面密封结构(36-39)在连接壳体(35)作轴向滑动或径向偏移时，球面密封橡胶垫始终与壳体(29)的球端面接触。
22.根据权利要求5所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征是在弯角调节机构中导杆的下端设有轴向限位装置，限制导杆下滑的最大距离；并且当导杆下滑的距离达到最大时，承受下滑的所有部件产生的重力，并把作用力转移到壳体上去。
23.根据权利要求5或9所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征是在动力传动系统中泥浆的主流道为由上水帽流入上传动轴的腔体，经上传动轴下端的水眼流出上传动轴，然后流经中传动轴的外部，通过中水帽的水眼流入挠性轴中空的腔体，最后，由下水帽流出。
24.根据权利要求5所述的遥控式井下弯壳体变角装置，其特征是在动力传动系统中的上传动轴(8)与中传动轴(10)的最佳连接为较大径向间隙的花键连接，上传动轴传递扭矩给中传动轴，中传动轴可在一定范围内作轴向滑动。
25.一种利用如权利要求5所述的遥控式井下弯壳体变角装置的井下弯壳体变角方法，包括有如下步骤①不停泵，将钻具提离井底；②导杆上没有钻压作用，在自重和泥浆压差的作用下，导杆沿壳体27下端的导向槽下滑，下牙嵌(21)也随之下滑并与上牙嵌(53)脱开；③确定结构弯角的调整角度；或首先确定零角度结构弯角，通过控制开停泥浆泵的次数，确定结构弯角的调整角度；④停泵，解除导杆上的泥浆压力，芯轴(11)在复位性力的作用下上行，带动上牙嵌(53)周向转动一个角度；⑤下放钻具，下牙嵌(21)上滑，与上牙嵌(53)配合，双铰链导杆机构输入一行程变量，限位变角；⑥开泵，钻进。
26.根据权利要求25所述的遥控式井下弯壳体变角方法，其特征在于零角度的确定方法是，芯轴(11)与中传动轴(10)构成结构弯角调节机构的正脉冲示位信号机构；芯轴在泥浆压差的作用下，下行的距离由上拨销(1 5)和芯轴A区的导向槽限定；上拨销(15)处于直导向槽时，芯轴下行的距离达到最大值，此时，芯轴(11)内径与中传动轴的外径之间的环空在某处突然减小，从而使泥浆压力突然升高，在地面识别到该正脉冲信号时，可确定此时的结构弯角处于零角度的状态。
27.根据权利要求25所述的遥控式井下弯壳体变角方法，其特征是在地面开、停一次，芯轴(11)作下、上行运动，上牙嵌(53)转动一个方位，上、下牙嵌(21)的配合输出一个行程增量，下牙嵌推动导杆(28)，使连接壳体(35)产生一变角。
全文摘要
本发明公开了一种用于石油和地质勘探开发的定向井钻井过程中对动力钻具弯壳体结构弯角进行遥控变角的方法及其装置－遥控型井下可调弯壳体,该装置由行程控制控机构、结构弯角调节机构和动力传动系统组成。本发明将赋予导向钻具具有井下调节能力,能够提高井眼轨道控制精度和降低钻井成本。
文档编号E21B7/08GK1332308SQ00107819
公开日2002年1月23日 申请日期2000年6月22日 优先权日2000年6月22日
发明者苏义脑, 窦修荣, 梁涛 申请人:石油勘探开发科学研究院钻井工艺研究所