一种摆动式旋转导向钻井钻具的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种摆动式旋转导向钻井钻具，包括导向控制机构、钻井液分配机构和导向执行机构。导向控制机构包括上、下钻杆接头，无磁钻铤，涡轮发电机，扭矩发生器，上、下轴承组件和电子仓；钻井液分配机构包括旋转控制盘和柱塞上支撑盘；导向执行机构包括柱塞缸、球笼式万向节、柱塞下支撑盘、密封部分和钻头。本发明通过钻井液作用于柱塞缸使钻头以球笼式万向节为回转中心向一侧摆动，能避免现有推靠式或指向式旋转导向钻井系统出现的狗腿度大或芯轴寿命短的问题。本钻具通过控制扭矩发生器的输出转矩来自动纠偏和稳斜，不需起下钻更换孔底钻具组合就能实现增斜、降斜和稳斜，从而调整钻具姿态。本钻具受地层影响小，造斜率稳定，使用寿命长。
【专利说明】一种摆动式旋转导向钻井钻具
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于石油、天然气等钻探领域的摆动式旋转导向钻井钻具。
【背景技术】
[0002] 随着科技的不断进步，钻井行业正迅速的发展。为了进一步提高钻进效率以及降 低钻进成本，利用先进手段实现钻进过程的自动化已经成为当今钻探领域的研究重点。目 前能实现智能钻进的导向工具主要有滑动导向钻井钻具和旋转导向钻井钻具两种。滑动导 向钻井钻具存在井壁与钻柱间的摩擦力大，工具面难以控制等诸多缺点，尤其在水平井、深 井和超深井中，缺点将表现的更为明显，已不能?两足现代地下资源勘探向深井、超深井、大 位移井和水平井等特殊工艺井发展的需求。旋转导向钻井钻具则能避免这些问题。目前市 场上的旋转导向钻具根据导向方式的不同主要有推靠式和指向式两种。推靠式旋转导向钻 井钻具在导向时因为需要不断推靠井壁，所以钻出的井眼轨迹受地层因素影响大，不平滑， 质量差，存在严重的狗腿度问题。指向式旋转导向钻井系统是通过控制驱动芯轴的弯曲来 实现钻头轴线的导控，这种导向方法的不足在于，驱动芯轴在交变应力的作用下容易发生 疲劳破坏，工具寿命短。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为解决现有推靠式和指向式两种旋转导向钻井钻具所存在的问 题，而提供一种受地层影响小，能获得稳定的造斜率，且使用寿命较长的摆动式旋转导向钻 井钻具。
[0004] 为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：提供一种摆动式旋转导向钻井 钻具，包括导向控制机构、钻井液分配机构和导向执行机构，所述的导向控制机构包括上钻 杆接头，无磁钻铤，下钻杆接头，涡轮发电机，扭矩发生器，上、下轴承组件和电子仓；无磁钻 铤通过螺纹分别与上钻杆接头和下钻杆接头连接，所述的涡轮发电机和扭矩发生器安装在 无磁钻铤中，所述的上、下轴承组件均用内六角圆柱头螺钉分别固定在上钻杆接头和下钻 杆接头上，所述上轴承组件包括有轴承保护腔、定位套筒、角接触滚动轴承、轴承端盖、调整 垫片及密封毡圈；所述下轴承组件包括有轴承保护腔、控制轴、角接触滚动轴承、轴承端盖、 调整垫片及密封毡圈；所述角接触滚动轴承置于轴承保护腔内，上轴承保护腔中的两个角 接触滚动轴承的内圈用定位套筒定位，下轴承保护腔中的两个角接触滚动轴承内圈用控制 轴的轴肩定位，角接触滚动轴承外圈用轴承端盖压紧，并用调整垫片进行调整，轴承端盖内 设有密封毡圈实现密封，轴承端盖通过螺钉固定在轴承保护腔上；所述电子仓设在涡轮发 电机与扭矩发生器之间，电子仓由电子仓密封桶、电路板支柱、螺帽、电路板支架、下电子仓 端盖、电路板、螺栓、上电子仓端盖组成，电子仓密封桶两端设有上电子仓端盖和下电子仓 端盖，上电子仓端盖和下电子仓端盖中设有电路板支柱，电路板安装在电路板支架上，电路 板支架通过螺栓螺帽固定在电路板支柱上；
[0005] 所述的钻井液分配机构包括旋转控制盘、柱塞上支撑盘，旋转控制盘安装在柱塞 上支撑盘内；所述旋转控制盘上部与控制轴连接，旋转控制盘与控制轴上安装有弹簧，旋转 控制盘下部的底座与柱塞上支撑盘贴合，弹簧用于使旋转控制盘的底座与柱塞上支撑盘压 紧；旋转控制盘的底座上开有1个钻井液通道，底部开有1个钻井液的卸荷通道；所述柱塞 上支撑盘内底面上开有六个斜孔分别通过斜孔通道与六个柱塞缸相通，柱塞上支撑盘的圆 柱壁上开有一个卸荷孔道，卸荷孔道与旋转控制盘的卸荷通道相连；
[0006] 所述的导向执行机构包括柱塞缸、球笼式万向节、柱塞下支撑盘、密封部分、下部 连接轴和钻头，柱塞缸由柱塞缸缸体、柱塞、上滑靴、下滑靴组成，六个柱塞缸通过六对上、 下滑靴焊在所述柱塞上支撑盘和柱塞下支撑盘之间，柱塞缸缸体上端置于上滑靴内，柱塞 缸缸体内部安装有柱塞，柱塞下端置于下滑靴内；所述球笼式万向节由万向节上半轴、钢 球、万向节下半轴组成，钢球连接万向节上半轴和万向节下半轴，万向节上半轴和万向节下 半轴分别与柱塞上支撑盘和下部连接轴用螺纹连接，钢球安装在密封桶中；所述密封部分 由密封活塞、端盖和密封桶组成，端盖内装有密封活塞，密封桶上端用螺钉固结在柱塞上支 撑盘上，密封桶下端与端盖用螺纹连接，并将密封活塞压紧在端盖内；柱塞下支撑盘焊接在 下部连接轴上，下部连接轴下端与钻头用螺纹连接。
[0007] 所述的导向控制机构的控制轴下部轴段采用矩形轴的形式与钻井液分配机构的 旋转控制盘连接来传递转矩。
[0008] 所述的旋转控制盘上开有的钻井液通道是1个圆心角为120°的高压通道，底面 开有的卸荷通道是1个圆心角为180°的低压卸荷通道。
[0009] 本发明的摆动式旋转导向钻井钻具具有如下优点：
[0010] (1)本发明的钻具可通过控制扭矩发生器的输出转矩来自动纠偏和稳斜，不需要 起下钻更换孔底钻具组合，就能实现增斜、降斜和稳斜，从而调整钻具姿态。
[0011] (2)本发明的钻具通过钻井液作用于柱塞缸使得钻头以球笼式万向节为回转中心 向一侧摆动，工作时受地层影响小，能获得稳定的造斜率，且使用寿命较长。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本发明的摆动式旋转导向钻井钻具的整体结构示意图。
[0013] 图2为本发明中上轴承组件结构示意图。
[0014] 图3为本发明中旋转控制盘结构示意图。
[0015] 图4为本发明中柱塞上支撑盘结构示意图。
[0016] 图5为本发明中柱塞缸结构示意图。
[0017] 上述图中：1 一上钻杆接头；2-轴承保护腔；3 -内六角圆柱头螺钉；4一调整垫 片；5-密封毯圈；6 -电子仓密封桶；7 -电路板支柱；8-螺帽；9 一电路板支架；10-无磁 钻铤；11 一下钻杆接头；12-旋转控制盘；13-万向节上半轴；14 一钢球；15-万向节下半 轴；16-柱塞缸缸体；17-柱塞；18-下滑靴；19 一下部连接轴；20-钻头；21-柱塞下支 撑盘；22-密封活塞；23-端盖；24-密封桶；25-上滑靴；26-柱塞上支撑盘；27-弹簧； 28 一控制轴；29-扭矩发生器；30-下电子仓端盖；31 -电路板；32-螺检；33-上电子仓 端盖；34 -润轮发电机；35-轴承端盖；36-定位套筒；37-角接触滚动轴承；38-螺钉； 39-钻井液；121-高压通道；122-卸荷通道；261-斜孔；262-斜孔通道；263-卸荷孔 道。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
[0019] 实施例1 :本发明提供一种摆动式旋转导向钻井钻具，其结构如图1所示，包括导 向控制机构、钻井液分配机构和导向执行机构，所述的导向控制机构包括上钻杆接头1，无 磁钻铤10,下钻杆接头11，涡轮发电机34,扭矩发生器29,上、下轴承组件和电子仓；无磁钻 铤10通过螺纹分别与上钻杆接头1和下钻杆接头11连接，所述的涡轮发电机34和扭矩发 生器29安装在无磁钻铤10中，所述的上、下轴承组件均用内六角圆柱头螺钉3分别固定在 上钻杆接头1和下钻杆接头11上。参见图2,所述上轴承组件包括有轴承保护腔2、定位套 筒36、角接触滚动轴承37、轴承端盖35、调整垫片4及密封毡圈5 ;所述下轴承组件包括有 轴承保护腔2、控制轴28、角接触滚动轴承37、轴承端盖35、调整垫片4及密封毡圈5 ;所述 角接触滚动轴承37置于轴承保护腔2内，上轴承组件中的两个角接触滚动轴承37的内圈 用定位套筒36定位，下轴承组件中的两个角接触滚动轴承37的内圈用控制轴28的轴肩定 位，角接触滚动轴承37外圈用轴承端盖35压紧，并用调整垫片4进行调整，轴承端盖35内 设有密封毡圈5实现密封，轴承端盖35通过螺钉38固定在轴承保护腔2上；所述电子仓设 在涡轮发电机34与扭矩发生器29之间，电子仓由电子仓密封桶6、电路板支柱7、螺帽8、 电路板支架9、下电子仓端盖30、电路板31、螺栓32、上电子仓端盖33组成，电子仓密封桶 6两端设有上电子仓端盖33和下电子仓端盖30,上电子仓端盖33和下电子仓端盖30中设 有电路板支柱7,电路板31安装在电路板支架9上，电路板支架9通过螺栓32、螺帽8固定 在电路板支柱7上。
[0020] 参见图1、3、4,所述的钻井液分配机构包括旋转控制盘12、柱塞上支撑盘26,旋转 控制盘12安装在柱塞上支撑盘26内；所述旋转控制盘12上部与控制轴28连接，旋转控制 盘12与控制轴28上安装有弹簧27,旋转控制盘12下部的底座与柱塞上支撑盘26贴合，弹 簧27用于使旋转控制盘12的底座与柱塞上支撑盘26压紧，旋转控制盘12的底座上开有 1个钻井液通道，是1个圆心角为120°的高压通道121，底部开有1个钻井液39的卸荷通 道122,是1个圆心角为180°的低压卸荷通道122 ;所述柱塞上支撑盘26内底面上开有六 个斜孔261分别通过斜孔通道262与六个柱塞缸相通，柱塞上支撑盘26的圆柱壁上开有一 个卸荷孔道263,卸荷孔道263与旋转控制盘12的低压卸荷通道122相连。
[0021] 参见图1、5,所述的导向执行机构包括柱塞缸、球笼式万向节、柱塞下支撑盘21、 密封部分、下部连接轴19和钻头20,柱塞缸由柱塞缸缸体16、柱塞17、上滑靴25、下滑靴18 组成，六个柱塞缸通过六对上、下滑靴焊在所述柱塞上支撑盘26和柱塞下支撑盘21之间， 柱塞缸缸体16上端置于上滑靴25内，柱塞缸缸体16内部安装有柱塞17,柱塞17下端置于 下滑靴18内；所述球笼式万向节由万向节上半轴13、钢球14、万向节下半轴15组成，钢球 14连接万向节上半轴13和万向节下半轴15,万向节上半轴13和万向节下半轴15分别与 柱塞上支撑盘26和下部连接轴19用螺纹连接，钢球14安装在密封桶24中；所述密封部分 由密封活塞22、端盖23、密封桶24组成，端盖23内装有密封活塞22,密封桶24上端用螺钉 固结在柱塞上支撑盘26上，密封桶24下端与端盖23用螺纹连接，并将密封活塞22压紧在 端盖23内；柱塞下支撑盘21焊接在下部连接轴19上，下部连接轴19下端与钻头20用螺 纹连接。
[0022] 本发明的摆动式旋转导向钻井钻具，所述导向控制机构的控制轴28下部轴段采 用矩形轴的形式与钻井液分配机构的旋转控制盘12连接来传递转矩。
[0023] 本发明的摆动式旋转导向钻井钻具工作过程是：钻具工作中需要导向时，柱塞上 支撑盘26与无磁钻铤10 -起旋转，通过控制扭矩发生器29输出一定扭矩来使得旋转控制 盘12处于相对大地静止的状态。当柱塞上支撑盘26有两个斜孔261与旋转控制盘12的 高压通道121相通时，高压钻井液39将通过斜孔通道262流向与两个斜孔通道262对应的 两个柱塞缸内，利用钻具内外压差来推动柱塞17,并在柱塞下支撑盘21上产生一个推力， 此时会在球笼式万向节处产生一个位于两个高压柱塞缸中心平面上的转矩，从而带动钻头 20以球笼式万向节为回转中心向一侧摆动。当柱塞上支撑盘26的斜孔通道262与旋转控 制盘12的低压卸荷通道122相通时，柱塞缸内高压钻井液39将通过低压卸荷通道122进 行卸荷。不需要导向时，则通过控制扭矩发生器29带动旋转控制盘12以一个与无磁钻铤 10转速不同的设定转速匀速转动，这时钻头20能在360 °工具面角的方向上进行导向，综 合表现为不导向。
[0024] 本发明的钻具通过控制扭矩发生器的输出转矩来自动纠偏和稳斜，不需起下钻更 换孔底钻具组合就能实现增斜、降斜和稳斜，从而调整钻具姿态。本钻具工作时受地层影响 小，造斜率稳定，使用寿命长，适用于深井、超深井、大位移井和水平井的钻井。
【权利要求】
1. 一种摆动式旋转导向钻井钻具，包括导向控制机构、钻井液分配机构和导向执行机 构，其特征在于：所述的导向控制机构包括上钻杆接头，无磁钻铤，下钻杆接头，涡轮发电 机，扭矩发生器，上、下轴承组件和电子仓；无磁钻铤通过螺纹分别与上钻杆接头和下钻杆 接头连接，所述的涡轮发电机和扭矩发生器安装在无磁钻铤中，所述的上、下轴承组件均用 内六角圆柱头螺钉分别固定在上钻杆接头和下钻杆接头上，所述上轴承组件包括有轴承保 护腔、定位套筒、角接触滚动轴承、轴承端盖、调整垫片及密封毡圈；所述下轴承组件包括有 轴承保护腔、控制轴、角接触滚动轴承、轴承端盖、调整垫片及密封毡圈；所述角接触滚动轴 承置于轴承保护腔内，上轴承保护腔中的两个角接触滚动轴承的内圈用定位套筒定位，下 轴承保护腔中的两个角接触滚动轴承内圈用控制轴的轴肩定位，角接触滚动轴承外圈用轴 承端盖压紧，并用调整垫片进行调整，轴承端盖内设有密封毡圈实现密封，轴承端盖通过螺 钉固定在轴承保护腔上；所述电子仓设在涡轮发电机与扭矩发生器之间，电子仓由电子仓 密封桶、电路板支柱、螺帽、电路板支架、下电子仓端盖、电路板、螺栓、上电子仓端盖组成， 电子仓密封桶两端设有上电子仓端盖和下电子仓端盖，上电子仓端盖和下电子仓端盖中设 有电路板支柱，电路板安装在电路板支架上，电路板支架通过螺栓螺帽固定在电路板支柱 上； 所述的钻井液分配机构包括旋转控制盘、柱塞上支撑盘，旋转控制盘安装在柱塞上支 撑盘内；所述旋转控制盘上部与控制轴连接，旋转控制盘与控制轴上安装有弹簧，旋转控制 盘下部的底座与柱塞上支撑盘贴合，弹簧用于使旋转控制盘的底座与柱塞上支撑盘压紧； 旋转控制盘的底座上开有1个钻井液通道，底部开有1个钻井液的卸荷通道；所述柱塞上支 撑盘内底面上开有六个斜孔分别通过斜孔通道与六个柱塞缸相通，柱塞上支撑盘的圆柱壁 上开有一个卸荷孔道，卸荷孔道与旋转控制盘的卸荷通道相连； 所述的导向执行机构包括柱塞缸、球笼式万向节、柱塞下支撑盘、密封部分、下部连接 轴和钻头，柱塞缸由柱塞缸缸体、柱塞、上滑靴、下滑靴组成，六个柱塞缸通过六对上、下滑 靴焊在所述柱塞上支撑盘和柱塞下支撑盘之间，柱塞缸缸体上端置于上滑靴内，柱塞缸缸 体内部安装有柱塞，柱塞下端置于下滑靴内；所述球笼式万向节由万向节上半轴、钢球、万 向节下半轴组成，钢球连接万向节上半轴和万向节下半轴，万向节上半轴和万向节下半轴 分别与柱塞上支撑盘和下部连接轴用螺纹连接，钢球安装在密封桶中；所述密封部分由密 封活塞、端盖和密封桶组成，端盖内装有密封活塞，密封桶上端用螺钉固结在柱塞上支撑盘 上，密封桶下端与端盖用螺纹连接，并将密封活塞压紧在端盖内；柱塞下支撑盘焊接在下部 连接轴上，下部连接轴下端与钻头用螺纹连接。
2. 根据权利要求1所述的摆动式旋转导向钻井钻具，其特征在于：所述的导向控制机 构的控制轴下部轴段采用矩形轴的形式与钻井液分配机构的旋转控制盘连接来传递转矩。
3. 根据权利要求1所述的摆动式旋转导向钻井钻具，其特征在于：所述的旋转控制盘 上开有的钻井液通道是1个圆心角为120°的高压通道，底面开有的卸荷通道是1个圆心角 为180°的低压卸荷通道。
【文档编号】E21B7/04GK104120974SQ201410350074
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】文国军, 张鹏, 王玉丹 申请人:中国地质大学（武汉）