专利名称：机械式导向钻具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及石油、天然气钻井装备制造领域，具体是一种石油、天然气井钻探过程中使用的机械式导向钻具。
背景技术：
勘探开发形势的需要推动着井型的演变与发展，大位移定向井、超薄油层水平井、 多底分支定向井等复杂结构井在油气田勘探开发中所占的比例越来越大。旋转导向钻井技术正是为了适应这些复杂结构井钻井作业的需要而及时出现的一项高新钻井技术，是现代导向钻井的研究重点和发展方向。国外发达国家在这方面的研究比我国要早，技术也处于领先和垄断地位，如今国外各大钻井服公司都已经形成各自的商品化旋转导向钻井系统。 我国还处于摸索阶段，对于某些大难度井，开始引入国外先进的旋转导向钻具，但是技术服务费过于昂贵，因此我国自主研发旋转导向系统的意义重大。国外从20世纪80年代末期开始进行旋转导向钻井系统的理论研究。20世纪90 年代，世界上多家公司包括Baker Hughes公司与ENIAgip公司的联合研究项目组、英国的 Camco公司、英国的Cambridge Drilling Automation公司、日本国家石油公司(JNOC)等分别形成了各自的旋转导向系统样机，并开始进行现场试验和应用。至20世纪末期，三家大的石油技术服务公司Baker Hughes公司、khlumberger公司和Halliburton公司分别形成了商业化应用的AutoTrak RCLS、PowerDrive和Geo-Pilot旋转导向钻井系统。我国是近几年才开始重视旋转导向钻井技术的研发，提出了各项旋转导向钻井技术研究计划，但大多属于推靠式，其研究成果跟国外也相差甚远，指向式旋转导向钻技术在国内更是属于一种“瓶颈”状态。现今世界最典型的指向式旋转导向钻具ge-pilot，缔属于哈里伯顿公司专利所有，其主要特点在于偏心环进行偏置作业使钻具导向的整个过程是受其RSS系统的井下电子测控机构的程序控制的，但是一般采用液压传动，而且由于电子测控机构的引入，导致其旋转导向钻具可靠性、电力和信号传输的稳定性大打折扣，加工及装配成本高昂，而且系统复杂，操作繁琐，不易维护。不适合小规模企业的购买和使用，同时，由于稳定性和可靠性较差，造成大量的浪费，不利于大规模使用和生产。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种稳定性高、成本低廉的机械式导向钻具。本实用新型采用的技术方案是—种机械式导向钻具，该导向钻具的下接头与钻头相连，所述导向钻具包括芯轴、 偏心环、套筒及其两端端盖，偏心环固定连接在套筒内部、将芯轴憋弯，芯轴相对套筒上下滑动，所述套筒外表面上，对应井壁设置有径向伸缩运动的推靠装置。所述推靠装置包括锥形套和推靠巴掌，锥形套的大直径端朝上设置、套接在芯轴上，套筒上设置有推靠巴掌的定位孔，推靠巴掌的前端设置在套筒外部、对应井壁表面，后端通过定位孔伸入套筒内部，接触锥形套锥面；锥形套推动推靠巴掌的末端，使其在定位孔内沿套筒径向运动。所述锥形套底部的芯轴表面上具有限位台阶。所述导向钻具上设置有强制定位装置，是一对键槽及其键形套，键槽设置在套筒上，键形套固定套接在键槽下方的芯轴上，两者活动配合、限位芯轴相对套筒上行的距离。所述推靠巴掌为若干个，均勻对称布置在套筒外表面的同一圆周面上。所述推靠巴掌前端是一个对应井壁表面的外弧面。所述推靠巴掌前端设置有纵向齿。所述套筒两端端盖是密封环，密封环内、外圆周面分别配合芯轴外表面和套筒内表面，使套筒内部成为一个封闭的空间。所述套筒上设置有注油孔，套筒端盖的内侧设置有卡环，卡环与芯轴外表面和套筒内表面滑动配合，注油孔设置在卡环内侧。本实用新型产生的有益效果是为了克服目前指向式旋转导向钻具的技术瓶颈，并且推动整个旋转导向钻井技术研究的发展，本实用新型提供了一种新型的纯机械的指向式旋转导向钻具。本实用新型是在石油、天然气井的钻探过程中，对地层进行定向钻井时的钻井工具，尤其适合在造斜段使用，并且本实用新型对钻井液流态没有特殊要求，液体井和气体井均可使用。该机械导向钻具主要用于造斜导向，采用机械的方法，没有任何电控设备，结构非常简单，加工及装备方便，可靠性极高，操作方便、简单、快速，成本低廉，易于大规模使用和推广。本实用新型在作业过程中芯轴全旋转，外套筒不旋转，工具面可以通过对转盘转动在360°范围内调节，使其在定向井钻井时，提供稳定的造斜率，并且造斜工具面360°可调。同时，锥形套和推靠巴掌的巧妙设计，使得本实用新型还具备了“推靠式”旋转导向钻具的特点，是独创的设计理念，同时兼有“推靠”和“指向” 二者之长，以指向特点为核心的一种“特殊”的指向式旋转导向钻具。
图1是本实用新型的结构示意图；图中标号表示1-下接头，2-套筒，3-密封橡胶，4-密封环，5-推靠巴掌，6-锥形套，7-螺柱，8-偏心环，9-注油孔，10-键槽，11-键形套，12-卡环，13-上接头，14-芯轴。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型公开的是一种纯机械式的旋转导向钻具，其结构设计和背景技术的ge-pilot完全不同。该导向钻具的下接头1利用螺纹连接有钻头，上接头13利用螺纹连接有无磁钻具(无磁钻铤，内置MWD随钻测量仪器)，配套形成旋转导向钻井系统。导向钻具包括芯轴14、偏心环8、套筒2及其两端端盖，套筒2两端端盖是密封环 4，密封环4的内圆周面配合芯轴14的外表面、外圆周面配合套筒2的内表面，使套筒2 成为一个封闭的空间。本实施例中，密封环4与套筒2内表面之间还安装有密封橡胶3， 使其密封更为牢靠、稳定。偏心环8固定连接在套筒2的内部，由于偏心环8中心与密封环 4中心不重合，具有一定偏差，使得芯轴14同时穿过偏心环8和套筒2两端的密封环4时，偏心环8将芯轴14憋弯。同时，偏心环8的侧面设置有螺柱7，将偏心环8顶紧，进一步憋弯芯轴14。芯轴14与偏心环8、套筒2两端的密封环4之间是滑擦配合、活动连接，芯轴14 相对套筒2可以上下滑动。套筒2表面还设置有注油孔9和卡环12，是套筒2内部的润滑部件。卡环12设置在密封环4的内侧、密封芯轴14和套筒2之间的空隙，与芯轴14外表面和套筒2内表面滑动配合。注油孔9设置在卡环12的内侧，套筒2内封闭空间内的润滑油由注油孔9注入，并封闭在套筒2内部。推靠装置是纯机械装置，包括锥形套6和推靠巴掌5，锥形套6推动推靠巴掌5沿套筒2径向运动，使得推靠巴掌5靠近和远离井壁表面。推靠巴掌5从功能和结构考虑，分为“巴掌”和“掌柄”两部分，两者是整体结构，“掌柄”固定连接在“巴掌”的末端“巴掌”是推靠巴掌5的推靠结构、“掌柄”是推靠巴掌5与锥形套6的连接部分。锥形套6的大直径端朝上设置、套接固定在芯轴14上，锥形套6底部的芯轴14表面上具有限位台阶。套筒2的外表面上设置有推靠巴掌5的定位孔，即“掌柄”的定位孔， “掌柄”通过定位孔沿套筒2径向布置、伸入套筒2内部，并且与锥形套6的外表面接触。当芯轴14相对套筒2移动时，“掌柄”末端由于芯轴14的上下移动，而在锥形套6的外表面上下移动。通过锥形套6的推靠，使得“掌柄”在定位孔内沿套筒2径向伸缩运动，从而使“巴掌”靠近和远离井壁表面。本实施例中，推靠巴掌5有3个，均勻对称布置，相邻两“掌柄”之间的夹角为 120°。同时，推靠巴掌5的“巴掌”前端是一个外弧面，与井壁内表面对应，且该外弧面表面设置有纵向齿，使得芯轴14旋转时，“巴掌”前端可以在轴向滑动，但是径向和周向贴紧井壁、不易产生位移。导向钻具上设置有强制定位装置，是一对键槽10及其键形套11，限位芯轴14相对套筒2上行的距离。键槽10设置在套筒2上，键形套11固定套接在键槽10下方的芯轴14 上，两者活动配合。当芯轴14相对套筒2上行过程中，强制将键形套11定位进入键槽10， 使芯轴14的上行运动停止，同时由于芯轴14上向上的提拉力，使得芯轴14依然具有向上运动的势能，芯轴14在是能的作用下发生弹性形变，从而改变导向钻具的工具面角。本实用新型的使用方法包括1)在下井之前组装完毕整套钻具的各个部件。首先，采用偏心环8在螺柱7的紧固作用下，把芯14憋弯，所以在下井之前该导向钻具就拥有了固定的造斜率。再将钻具的上、下接头分别与钻头和无磁钻铤(内置MWD)连接，然后下井。2)开始作业。首先上提钻具，使得锥形套6在底部芯轴14限位台阶的作用下，随芯轴14上行， 此时推靠巴掌5处在收缩状态，与此同时键槽10和键形套11瞬间坐封啮合，确保上部MWD 的工具面与套筒2的作用工具面同线，这样测出的工具面角也就是该导向钻具的工具面角。如果测出的工具面角满足施工要求，就下放钻具，键槽10和键形套11会随着芯轴 14的下行而松开，锥形套6随芯轴14下行被限位台阶下推，并同时推出推靠巴掌5，让巴掌前端紧贴井壁。保持钻进时的工具面稳定，然后驱动转盘加压钻井，整个钻进过程工具的芯轴14始终保持旋转状态。[0032]如果MWD测出的工具面角不满足施工要求，就需要对工具进行定向，在地面通过转盘转动钻具，将工具的工具面角转到符合要求的位置上，再下放钻具，进行导向钻井。另外，本旋转导向钻具的密封机构也很有特色。在钻进过程中，套筒2内处于润滑油环境，但是由于套筒2外承受巨大的钻井液液柱压力，造成套筒2内、外压差很大，为了平衡压差，密封环4和密封橡胶3与卡环12之间允许有一定位移，这样压差就可以通过位移来补偿，起到平衡套筒2内外压差的作用。
权利要求1.一种机械式导向钻具，该导向钻具的下接头与钻头相连，所述导向钻具包括芯轴、偏心环、套筒及其两端端盖，偏心环固定连接在套筒内部、将芯轴憋弯，芯轴相对套筒上下滑动，其特征在于所述套筒外表面上，对应井壁设置有径向伸缩运动的推靠装置。
2.根据权利要求1所述的机械式导向钻具，其特征在于所述推靠装置包括锥形套和推靠巴掌，锥形套的大直径端朝上设置、套接在芯轴上，套筒上设置有推靠巴掌的定位孔， 推靠巴掌的前端设置在套筒外部、对应井壁表面，后端通过定位孔伸入套筒内部，接触锥形套锥面；锥形套推动推靠巴掌的末端，使其在定位孔内沿套筒径向运动。
3.根据权利要求2所述的机械式导向钻具，其特征在于所述锥形套底部的芯轴表面上具有限位台阶。
4.根据权利要求1所述的机械式导向钻具，其特征在于所述导向钻具上设置有强制定位装置，是一对键槽及其键形套，键槽设置在套筒上，键形套固定套接在键槽下方的芯轴上，两者活动配合、限位芯轴相对套筒上行的距离。
5.根据权利要求2所述的机械式导向钻具，其特征在于所述推靠巴掌为若干个，均勻对称布置在套筒外表面的同一圆周面上。
6.根据权利要求2所述的机械式导向钻具，其特征在于所述推靠巴掌前端是一个对应井壁表面的外弧面。
7.根据权利要求2所述的机械式导向钻具，其特征在于所述推靠巴掌前端设置有纵向齿。
8.根据权利要求1所述的机械式导向钻具，其特征在于所述套筒两端端盖是密封环， 密封环内、外圆周面分别配合芯轴外表面和套筒内表面，使套筒内部成为一个封闭的空间。
9.根据权利要求1所述的机械式导向钻具，其特征在于所述套筒上设置有注油孔，套筒端盖的内侧设置有卡环，卡环与芯轴外表面和套筒内表面滑动配合，注油孔设置在卡环内侧。
专利摘要本实用新型是一种机械式导向钻具，该导向钻具的下接头与钻头相连，所述导向钻具包括芯轴、偏心环、套筒及其两端端盖，偏心环固定连接在套筒内部、将芯轴憋弯，芯轴相对套筒上下滑动，所述套筒外表面的上，对应井壁设置有径向伸缩运动的推靠装置。本实用新型是一种纯机械的指向式旋转导向钻具，主要用于造斜导向，同时兼有“推靠”和“指向”二者之长，没有任何电控设备，结构非常简单，加工及装备方便，可靠性极高，操作方便、简单、快速，成本低廉，易于大规模使用和推广。
文档编号E21B7/08GK201943580SQ20112002252
公开日2011年8月24日 申请日期2011年1月25日 优先权日2011年1月25日
发明者李立秀, 熊继有, 陈林 申请人:李立秀, 陈林