一种钻头式智能导向钻井装置的制作方法

1.本技术涉及石油、天然气钻井勘探设备技术领域，特别涉及一种钻头式智能导向钻井装置。


背景技术：

2.在地层钻探中，特别是石油、天然气钻探，为了提高单井产量，普遍使用定向井、水平井钻井工艺，因此井眼轨迹控制成为非常重要的钻井技术。
3.目前旋转导向钻井技术是在钻柱全旋转的条件下进行导向钻井的，代表了当今钻井技术的最高水平，它在钻头上方装有一个可控偏置稳定器或可控制钻头侧向力(导向力)的旋转导向工具，并配有完整的旋转导向钻井控制系统，在钻柱旋转钻进时能调控井身轨迹的一项技术。
4.利用旋转导向钻井技术进行钻井作业时，不需要频繁起下钻就可以实现三维井眼轨迹控制，且具有井眼轨迹更光滑，延伸距离更大的优点，对保证井眼轨迹质量，提高钻井速度和效率，满足钻复杂结构井的需求都有重要意义。
5.相关技术中，旋转导向系统按其导向方式分为2种:推靠钻头式(push the bit)和指向钻头式(point the bit)。推靠式旋转导向系统是在有一个远钻头支点的情况下，在尽量靠近钻头的位置,由偏置机构根据“力工作方式”产生一定的偏置力,接触井壁后,靠井壁的反作用力使钻头产生侧向切削力,从而实现导向。推靠式旋转导向系统对地层依赖性比较强，尤其是软地层导向能力受到限制，造斜能力不佳。
6.指向式旋转导向系统是偏置机构根据“位移工作方式”产生偏置,并最终使钻头产生一个相对于井眼轴线的倾角实现导向。指向式系统对弯曲芯轴的疲劳寿命要求较高，要产生大的造斜率要克服整个芯轴的刚度，且整个芯轴容易出现疲劳破坏现象，造斜能力不佳。


技术实现要素：

7.本技术实施例提供一种钻头式智能导向钻井装置，以解决相关技术中推靠式旋转导向系统和指向式旋转导向系统造斜能力不足的技术问题。
8.本技术实施例提供了一种钻头式智能导向钻井装置，包括依次连接的测控接头、球铰接头和切削体；
9.所述球铰接头的一端设有与测控接头螺纹连接的螺纹接头，所述球铰接头的另一端设有与切削体活动连接的球头；
10.所述切削体的一端设有切削地层的切削部，所述切削体的另一端设有内孔，所述内孔的底部设有包围所述球头的球窝；
11.所述球铰接头的球头与所述切削体的球窝之间通过球面花键连接，所述球面花键将所述球铰接头的扭矩传递至切削体，以使切削体切削地层；
12.所述测控接头为圆柱体结构，所述测控接头内设有测控单元，所述测控单元控制
所述切削体围绕球铰接头的球头偏转运动。
13.在一些实施例中：所述测控单元包括控制系统和液压系统，所述控制系统包括控制器和采集井眼轨迹信息的传感器，所述液压系统包括依次连接的油泵、阀门和液压缸，所述控制器通过控制液压缸的伸缩长度来调节所述切削体的偏转角度。
14.在一些实施例中：所述切削体靠近所述测控接头的一端设有推靠面，所述液压缸包括缸体和位于缸体内的活塞和活塞杆，所述活塞杆的一端与活塞固定连接，所述活塞杆的另一端与切削体的推靠面抵接或铰接。
15.在一些实施例中：所述液压缸设有多个，多个所述液压缸沿所述测控接头的圆周均布排列，所述液压缸的轴线与所述测控接头的轴线平行，所述液压缸沿所述测控接头的轴线方向顶推所述切削体偏转运动。
16.在一些实施例中：测控单元还包括天线，所述天线与所述控制器电连接，所述控制器通过天线与无线随钻测量平台信号交互。
17.在一些实施例中：所述切削体与测控接头之间预留有切削体偏转的活动间隙，所述切削体与测控接头之间设有密封所述间隙的波纹管或橡胶管，所述波纹管或橡胶管的两端分别与切削体与测控接头密封连接。
18.在一些实施例中：所述切削体的内孔中设有将所述球头限位在球窝内的环形弹性隔套，所述环形弹性隔套的一端设有与球头贴合的凹槽；
19.所述切削体的内孔中还设有将所述环形弹性隔套固定在内孔中的环形挡圈，所述环形挡圈与内孔的孔壁连接；
20.所述环形弹性隔套和环形挡圈与球铰接头之间预留有切削体偏转的活动空间。
21.在一些实施例中：所述测控接头、球铰接头和切削体之间设有相互连通的泥浆通道，所述切削体靠近的切削部的一端设有多个与所述泥浆通道连通的喷嘴孔。
22.在一些实施例中：所述测控接头的一端设有用于连接钻铤、钻杆或井下动力钻具的外螺纹，所述测控接头的另一端设有连接球铰接头的内锥形螺纹。
23.在一些实施例中：所述测控接头的外壁设有多条螺旋棱、直棱或偏斜直棱，所述螺旋棱、直棱或偏斜直棱上敷焊有硬质合金层或镶嵌合金齿。
24.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
25.本技术实施例提供了一种钻头式智能导向钻井装置，由于本技术的钻头式智能导向钻井装置设置了依次连接的测控接头、球铰接头和切削体；球铰接头的一端设有与测控接头螺纹连接的螺纹接头，球铰接头的另一端设有与切削体活动连接的球头；切削体的一端设有切削地层的切削部，切削体的另一端设有内孔，内孔的底部设有包围球头的球窝；球铰接头的球头与切削体的球窝之间通过球面花键连接，球面花键将球铰接头的扭矩传递至切削体，以使切削体切削地层；测控接头为圆柱体结构，测控接头内设有测控单元，测控单元控制切削体围绕球铰接头的球头偏转运动。
26.因此，本技术的钻头式智能导向钻井装置的测控接头、球铰接头和切削体结构简单，连接可靠，能够将较大的旋转扭矩传递至切削体切削地层，提高了地层钻进效率。本技术的切削体与球铰接头之间通过球头和球窝活动连接，切削体能够在球铰接头上偏转运动，直接改变切削体的切削角度，完成高造斜率的造斜。在球铰接头的球头与切削体的球窝之间通过球面花键连接，球面花键将球铰接头的扭矩传递至切削体，保证切削体可靠切削
地层。本技术的测控接头上设有控制切削体偏转角度的测控单元，该测控单元能够精确控制切削体围绕球铰接头的球头偏转运动的角度，保证了井眼轨迹的准确性。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本技术实施例的结构示意图；
29.图2为本技术实施例球铰接头的结构俯视图。
30.附图标记：
31.1、测控接头；11、外螺纹；12、控制系统；13、液压系统；14、液压缸；15、天线；16、螺旋棱；17、泥浆通道；
32.2、球铰接头；21、螺纹接头；22、球头；23、球面花键；
33.3、切削体；31、切削部；32、球窝；33、推靠面；34、环形弹性隔套；35、环形挡圈；36、喷嘴孔。
具体实施方式
34.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
35.本技术实施例提供了一种钻头式智能导向钻井装置，其能解决相关技术中推靠式旋转导向系统和指向式旋转导向系统造斜能力不足的技术问题。
36.参见图1和图2所示，本技术实施例提供了一种钻头式智能导向钻井装置，包括依次连接的测控接头1、球铰接头2和切削体3，测控接头1与球铰接头2固定连接，球铰接头2与切削体3活动连接。
37.在球铰接头2的一端设有与测控接头1螺纹连接的螺纹接头21，在球铰接头2的另一端设有与切削体3活动连接的球头22。球铰接头2通过螺纹接头21与测控接头1可拆卸连接，以将测控接头1的扭矩传递至球铰接头2。球铰接头2通过球头22与切削体3活动连接，以使切削体3能够在球铰接头2上沿设定方向发生偏转运动。
38.在切削体3的一端设有切削地层的切削部31，在切削体3的另一端设有内孔，在内孔的底部设有包围球头22的球窝32，球铰接头2通过球头22向切削体3传递钻压。在球铰接头2的球头22与切削体3的球窝32之间通过球面花键23连接，球面花键23的数量根据实际需要具体设定。球面花键23将球铰接头2的扭矩传递至切削体3，以保证切削体3高转速、大扭矩的切削地层。切削体3的切削部31为镶嵌金刚石复合片的pdc钻头，或切削体3的切削部31为镶嵌硬质合金齿的牙轮钻头。
39.测控接头1为圆柱体结构，在测控接头1内设有测控单元，该测控单元控制切削体3围绕球铰接头2的球头22偏转运动。测控单元包括控制系统12和液压系统13，控制系统12包
括控制器(图中未画出)和采集井眼轨迹信息的传感器(图中未画出)。液压系统13包括依次连接的油泵(图中未画出)、阀门(图中未画出)和液压缸14，控制器通过控制液压缸14的伸缩长度来调节切削体3的偏转角度。
40.本技术实施例的钻头式智能导向钻井装置的测控接头1、球铰接头2和切削体3结构简单，连接可靠，球铰接头2的球头22与切削体3的球窝32之间通过球面花键23连接，球面花键23将球铰接头2的扭矩传递至切削体3，能够将较大的旋转扭矩传递至切削体3来高转速、大扭矩的切削地层，提高了地层钻进效率。切削体3与球铰接头2之间通过球头22和球窝32活动连接，测控单元控制切削体3能够在球铰接头2上偏转运动，直接改变切削体3的切削角度，完成高造斜率的造斜。
41.本技术实施例的测控接头1上设有控制切削体3偏转角度的测控单元，该测控单元设有控制系统12和液压系统13，控制系统12包括控制器和采集井眼轨迹信息的传感器，液压系统13包括依次连接的油泵、阀门和液压缸14。传感器能够实时采集井眼的轨迹信息并传输至控制器，控制器能够根据井眼的实际轨迹信息与井眼设定的轨迹信息进行比较和偏差计算，并通过液压缸14实时精确的控制切削体3围绕球铰接头2的球头22偏转运动的角度，保证了井眼轨迹的准确性。
42.在一些可选实施例中：参见图1所示，本技术实施例提供了一种钻头式智能导向钻井装置，该钻头式智能导向钻井装置的切削体3靠近测控接头1的一端设有推靠面33，该推靠面33与测控接头1的轴线垂直的平面。液压缸14包括缸体和位于缸体内的活塞和活塞杆，活塞杆的一端与活塞固定连接，活塞杆的另一端与切削体3的推靠面33抵接或铰接。液压缸14通过活塞杆的伸缩长度来调节切削体3的偏转角度。
43.液压缸14设有多个，液压缸14的具体数量根据实际需要具体设定，多个液压缸14沿测控接头1的圆周均布排列，液压缸14的轴线与测控接头1的轴线平行，多个液压缸14沿测控接头1的轴线方向顶推切削体3偏转运动。多个液压缸14均受控制器发出的控制指令独立动作，多个液压缸14相互协调配合精确控制切削体3的偏转角度。
44.在一些可选实施例中：参见图1所示，本技术实施例提供了一种钻头式智能导向钻井装置，该钻头式智能导向钻井装置的测控单元还包括天线15，该天线15与控制器电连接，控制器将传感器采集的井眼轨迹信息通过天线15无线发送至无线随钻测量平台，控制器通并过天线15接收无线随钻测量平台下发的控制指令，实现无线随钻测量平台与控制器之间的信号交互。
45.控制器将传感器采集的井眼轨迹信息(如井斜角、方位角和工具面角)，工况参数(如振动、转速等)和切削体3四周和前方的地层岩性数据(如伽马、电阻率等)通过天线15发送至无线随钻测量平台(mwd)，无线随钻测量平台再通过泥浆脉冲或电磁波方式传送至地面监控系统，地面监控系统根据井眼轨迹信息、工况参数和地层岩性数据对井眼轨迹进行优化，地面监控系统并将眼轨迹优化数据下传至控制器，控制器通过液压缸14精确控制切削体3的偏转角度。
46.在一些可选实施例中：参见图1所示，本技术实施例提供了一种钻头式智能导向钻井装置，该钻头式智能导向钻井装置的切削体3与测控接头1之间预留有切削体3偏转的活动间隙，以保证切削体3能够围绕球铰接头2的球头22自由偏转。切削体3与测控接头1之间设有密封间隙的波纹管或橡胶管，波纹管或橡胶管的两端分别与切削体3与测控接头1密封
连接。
47.切削体3的球窝32与测控接头1的球头22之间通过润滑脂润滑，在切削体3与测控接头1之间设有密封间隙的波纹管或橡胶管，波纹管或橡胶管不但具有密封功能，防止岩屑和钻井液进入切削体3的球窝32与测控接头1的球头22之间的配合面而损坏球窝32或球头22；且波纹管或橡胶管均为柔性结构，波纹管或橡胶管能够跟随切削体3沿设定方向偏转，不影响切削体3的自由偏转运动。
48.在一些可选实施例中：参见图1所示，本技术实施例提供了一种钻头式智能导向钻井装置，该钻头式智能导向钻井装置的切削体3的内孔中设有将球头22限位在球窝32内的环形弹性隔套34，环形弹性隔套34的一端设有与球头22贴合的凹槽。环形弹性隔套34将球铰接头2的球头22在环形弹性隔套34和球窝32形成的空间内活动。
49.在切削体3的内孔中还设有将环形弹性隔套34固定在内孔中的环形挡圈35，环形挡圈35与内孔的孔壁连接。环形挡圈35的外圆与内孔的孔壁丝扣连接，环形挡圈35将环形弹性隔套34限位在内孔中，防止环形弹性隔套34从内孔中脱出。为了防止环形挡圈35与内孔的丝扣松脱，在内孔的孔口设有孔用挡圈，在内孔的孔口设有安装孔用挡圈的环形凹槽，孔用挡圈位于环形凹槽内。
50.在环形弹性隔套34和环形挡圈35与球铰接头2之间预留有切削体3偏转的活动空间，具体的环形弹性隔套34和环形挡圈35的内孔直径略大于球铰接头2的直径，使切削体3在球铰接头2上有1
°
～3
°
的偏转空间即可。
51.在一些可选实施例中：参见图1所示，本技术实施例提供了一种钻头式智能导向钻井装置，该钻头式智能导向钻井装置的测控接头1、球铰接头2和切削体3之间设有相互连通的泥浆通道17，切削体3靠近的切削部31的一端设有多个与泥浆通道17连通的喷嘴孔36。泥浆依次从测控接头1、球铰接头2和切削体3中心的泥浆通道17流过，经喷嘴孔36喷出，喷出的泥浆冷却切削体3，并将井底岩屑通过井眼环空运移到地面。
52.在测控接头1的一端设有用于连接钻铤、钻杆或井下动力钻具的外螺纹11，测控接头1的另一端设有连接球铰接头2的内锥形螺纹。井口的泥浆从钻杆、钻铤和井下动力钻具进入测控接头1内。
53.在测控接头1的外壁设有多条螺旋棱16、直棱或偏斜直棱，螺旋棱16、直棱或偏斜直棱上敷焊有硬质合金层或镶嵌合金齿。在测控接头1的外壁设置螺旋棱16、直棱或偏斜直棱能够减少测控接头1与井壁的接触面积。同时在测控接头1的外壁设置螺旋棱16、直棱或偏斜直棱能够扶正测控接头1，防止测控接头1偏斜。
54.工作原理
55.本技术实施例提供了一种钻头式智能导向钻井装置，由于本技术的钻头式智能导向钻井装置设置了依次连接的测控接头1、球铰接头2和切削体3；球铰接头2的一端设有与测控接头1螺纹连接的螺纹接头21，球铰接头2的另一端设有与切削体3活动连接的球头22；切削体3的一端设有切削地层的切削部31，切削体3的另一端设有内孔，内孔的底部设有包围球头22的球窝32；球铰接头2的球头22与切削体3的球窝32之间通过球面花键23连接，球面花键23将球铰接头2的扭矩传递至切削体3，以使切削体3切削地层；测控接头1为圆柱体结构，测控接头1内设有测控单元，测控单元控制切削体3围绕球铰接头2的球头22偏转运动。
56.因此，本技术的钻头式智能导向钻井装置的测控接头1、球铰接头2和切削体3结构简单，连接可靠，能够将较大的旋转扭矩传递至切削体3切削地层，提高了地层钻进效率。本技术的切削体3与球铰接头2之间通过球头22和球窝32活动连接，切削体3能够在球铰接头2上偏转运动，直接改变切削体3的切削角度，完成高造斜率的造斜。在球铰接头2的球头22与切削体3的球窝32之间通过球面花键23连接，球面花键23将球铰接头2的扭矩传递至切削体3，保证切削体3可靠切削地层。本技术的测控接头1上设有控制切削体3偏转角度的测控单元，该测控单元能够精确控制切削体3围绕球铰接头2的球头22偏转运动的角度，保证了井眼轨迹的准确性。
57.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
58.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、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
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
59.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。