专利名称:套筒型钻井变向器的制作方法
本发明是涉及石油转盘钻定向钻井领域，用于有效控制或改变井眼的方位角和井斜角的多功能新型工具。
随着石油，天然气勘探，开采的需要，尤其是海上和水域，沼泽区域地下油气勘探开采及某些事故井处理技术等的特殊需要，定向钻井技术日益发展起来。定向钻井成败的技术关键就在于对不断钻进的井眼之方位角和井斜角的有效控制和改变。经过长期实践，人们对于井斜的控制，已有了不少的成功的办法。对于方位角的有效控制，到目前为止，世界上可供工业应用的技术尚且为数不多，能推广应用的专门工具不仅很少而且存在着各种难以克服的缺点。
如“偏心楔”，一次造斜或变方位幅度很小，需多次反复下楔，反复定向，扩孔的繁重工序，才能满足一定的设计要求，这对于大规模的定向钻井工程就显得很不适宜了。
在如“弧线造斜器”，如果井壁不规则，不稳定或井眼超径较大(这些正是钻井工程中最普遍的现象)，这就会发生钻头不能沿井眼母线钻进，且轨迹是螺旋状的异常结果，这非但不能实现定方位或变方位的技术要求，而且还会影响钻井后续工序的进行和井的正常使用。
又如，国外也有采用“凸缘接头式变向器”来解决定向钻井的工程问题的，但这种工具，不仅对井下条件要求高(如井壁光滑，岩性适中，井径稳定而适当等)，而且还必须与“接管(短钻铤)”、“过渡接头(异径接头)”、“特性轴承”等附助部件配合使用。该工具本身又是由“偏重管”、“上下凸缘接头”组成，而起变方位作用的“上下凸缘”又得受“偏重管”的重力控制和影响，再加上“特性轴承”又容易磨损和失效，所以此种工具的成功率是极不可靠的。其变方位的技术效力也是很不确定的，井斜角大时，工具的效果就较明显。井斜角小时，或井下情况稍事复杂时，工具效果就没有保证。这实际上就大大削减了该工具的工程意义。
在转盘钻定向钻井变方位专用工具领域中，与本发明最相关的已有技术是《Rebel Tool叶片式变方位器》。这种工具不仅被《美国油田设备综合样本》(本专业最有威信的出版物之一)宣称为“用于防止或纠正方位偏差的唯一商品化的工具”，而且也为不少国外专家所公认的比较成熟的工具。(见United States Patent Office 3092188 Patented June 4，1963，INTERPAS，PoOoBOX101，The Netherlands)组成该工具的主要部件有①带有特形槽穴、沟道的工具体;②上下两个叶片(浆片、爪片);③传动轴;④两副对开轴承;⑤两副安全推力轴承;⑥两副端外侧轴承等。工具全长按其直径从6吋到12吋的不同规格，从10呎至16呎不等。由于这种工具原理结构存在着严重的不足，因而工具本身就固有一些难以克服的重大缺陷，这就是该工具问世以来，至今应用不广泛的根本原因所在。归纳其缺点，突出表现以下四个方面
1、传动刚度差。这是由该工具的设计结构所至。固定在轴承上的传动轴，上端顺钻具旋转方向装一主动叶片(上叶片)，下端逆钻具旋转方向装一被动叶片(下叶片)，三位一体互相协动是产生偏移方位效果的核心。而工具壳体的内径和壁厚决定了位于壳体中的传动轴不能做得较大，但是工具的技术目的又要求尽可能地增大上下叶片之间的距离，这就必然使主、被动叶片间的传动，是由一根细长轴来完成的。(如R6-01型该工具，传动轴直径为40毫米，上下叶片的安装位置间轴的长度为1560毫米-细长比约为0.0256;R12-01型该工具，传动轴的直径为50毫米，上下叶片的安装位置间轴的长度为3000毫米，细长比约为0.0167)。这样的细长轴不可能有高刚度的力(或功)的传递效果。而且工具在工作时，处于受扭状态，当井斜角较大时，传动轴的扭矩也就更大，因之而产生的轴的扭矩变形也就随之增大。无疑，这些现象的综合结果-传动刚度差就导致传动机构的实际效力远远地低于理想的设计水平。特别是在要求同时完成增斜和变方位的工作情况下，此种工具就完全无能为力了。
2、密封性差。该工具没有任何密封部件或保护部件。主要的传动部件-传动轴、上下叶片、工具体上与叶片配组的特形凹穴等，全都裸露、浸泡在工作泥浆中，随时受到钻屑的冲击，随时可能被卡塞、砂滞和泥包。如果岩屑泥砂卡塞在叶片与工具体的凹穴之间(这一点实际上在钻进中是不可避免的)，叶片将无法正常动作，无法按设计而收拢和摆动。工具便成了一根不起任何变向作用的多余的“柱体”了。为了解决这个问题，也有人进行了某些局部性改进，如在工具体叶片穴处钻一小水眼，使泥浆从此向外喷射出，起到冲洗滞留在凹穴间异物的作用。但这只能冲掉一些堆积泥砂或部分泥包，而根本解决不了岩屑的卡塞问题。另外，由于工具体上钻了这两个冲砂水眼，必然使钻进泥浆压力因分流损失而降低，不仅不利于破碎岩石，而且又影响钻头的正常工作和使用寿命。更值得重视的是当泥浆从冲砂水眼向外喷射时，叶片将受到一个向外的冲力，减小了叶片向内的收拢力，这就更影响了该工具的效能。
3、上、下叶片(主动、被动叶片)的有效支撑面积偏小，工具效率低。工具的结构所限，叶片不能做得太大，这就导致叶片与井壁只是一个条状接触，工具动作过程，叶片仅在一个很小的角度范围内发生，触撞井壁，变向力的有效作用周期很短，既便是完全不发生前边所指恶劣现象的极理想的情况下，工具的变方位的能力也是有限的。(据所公布的有关资料看出，平均每钻进30米变方位角仅有1.5°左右，最低的一个实用结果只有0.5°)同时，就由于叶片的有效支撑面积小，也限制了它的应用范围，在钻及较为松软的地层时，这种工具就不能奏效了。
4、工具制造用料要求高，加工工序多，工具的制造成本高。仅工具体就需要①先在一园钢柱上，加工出偏心的泥浆通道;②再加工容置上、下叶片的特殊形状凹穴;③再加工容置细长传动轴的长槽;④再加工容置两组轴承座的四个固定沟槽等多种机加工工序。再者，耐强扭矩和脉动式的强冲击力的细长传动轴，要求很高的加工技术水平和工装水平，要求很高的材质水平。
为了解决上述诸缺点，本发明在机构上采用套筒与心轴的相对摆动原理，使套筒在近钻头处产生横向力，推动钻头产生增方位或减方位的作用。在力学基础上，虽与已有技术中最先进的浆片型变向器(叶片型变向器)有类似之处，但在结构原理和设计思想上则具突出特色和明显的进步。
本发明的结构方案和工作原理如附图1、附图2、附图3和附图4所示。图1所示本发明的总装正视图;图2所示本发明的总装侧剖视图，图3所示本发明增方位机构的沿图1A-A线的剖视图，图4所示本发明减方位机构的沿图1A-A线的剖视图。
本发明-套筒型变向器图1所示的主要零部件;
①心轴为一空心园柱体，其内孔为泥浆通道，上端与钻具组合常规联接，下端与钻头常规联接;
②套筒为筒状薄壳体，其内壁与心轴之间保持一定的径向间隙;
③异型小轴有上、下两个。两个小轴位于同一条心线上，其分别与固定在心轴上的轴承座构成使套筒绕心轴摆动的转动副;
④轴承座以螺钉固定于心轴上，与心轴构成上述的转动副;
⑤螺钉可为标准件，用于固定小轴和轴承座;
⑥密封端盖上、下各一个，由螺钉固定在心轴上;
⑦上瓦片(上叶片)由钢或耐磨高强度的材料制成或表面嵌镶硬质合金条块，以螺钉固定于套筒上;
⑧下瓦片(下叶片)由钢或耐磨高强度的材料制成或表面嵌镶硬质合金条块，以螺钉固定于套筒上;
从图1、2、3、4中可看出，套筒②与心轴①之间，构成一个摆动副，即套筒②以轴线3-3为轴，相对心轴①产生一种绕形摆动。变向器整体按图1、图3、图4所示的“n”方向，随钻具一起做旋转运动。当变向器在倾斜井眼内工作时，由于钻具的自重，上瓦片⑦转到与下井壁接触而发生挤撞时，套筒②即与心轴①之间发生摆动，使上瓦片⑧处的套筒与心轴之间的间隙减小，同时使下瓦片处的套筒与心轴之间的间隙增大，下瓦片的侧向运动将迫使钻头产生侧向偏移，从而改变钻进井眼轨迹，达到变向的目的。
图3所示为增方位机构沿图1中A-A线剖视图。从中可以看出本发明所以有变方位角功能，所以其变向效力有可控性的设计原理。如图中所示，上瓦片⑦、下瓦片⑧、小轴③、套筒②和心轴①按设计的组配关系。即下瓦片与小轴线3-3“夹角为“θ”，上瓦片则相应的与小轴线3-3的“夹角”为“ψ”。(两个角度的大小由使用情况为依据确定)若某瞬时，上瓦片⑦转到与下井壁相触的位置，下瓦片⑧由于相应间隙的增大在左侧与井壁相触而产生反作用力F下，同时在上瓦片⑦处有一反作用力F上产生作用。力F下即为使钻头发生增方位作用效果的主要来源。反之，如上、下瓦片的相对位置如图4所示时，力F下即为使钻头发生减方位作用效果的主要来源。
由于套筒②与心轴①之间必须保持适当的间隙，变向器才能正常工作，所以防止固体异物侵入此间隙就是极为突出的技术要点之一了。为了解决这一重要的密封问题，本发明采用了在套筒上、下两端安装密封端盖⑥的方案。即将设计的端盖用螺钉固定在心轴上，使心轴与套筒之间的环状间隙与外界相隔开。在本工具工作过程中，当套筒②与心轴①发生相对摆动时，此密封端盖与套筒端面之间亦发生相对滑动。这一巧妙的设计，在结构上，密封端盖⑥，不仅起到了密封作用，而且还同时起到了承受由套筒②产生的轴向力的作用。
本发明的另一个突出进步是瓦片⑦、⑧与套筒②之间是可拆卸的装配关系。是采用了常规的螺钉方式联接的。这种可拆卸的联接方式，不仅允许在瓦片⑦、⑧严重磨损后来调换新的瓦片，而且更可贵的是可允许上、下瓦片的相对位置在同一套筒上由增方位机构换成减方位机构，反之也可由减方位机构换成增方位机构。而已有技术的瓦片是不可拆卸的，增方位器和减方位器是两个单独的专一机构。
本发明的再一个突出进步表现于控制小轴③的位置和夹角θ、ψ等工具制造技术参数，能使同一工具具有多功能的技术效果。图3、图4所示的小轴中心线位置约在上、下瓦片夹角的分角线上，这样由于杠杆力臂相等，F下与F上两个力在数值也是相近似的。如将小轴中心线的相对位置作一定的调整，则F下和F上在数值上就会发生按一定比例关系的变化。特别是如果把θ设计得小一些，那么，在同样数值F上的条件下，就能产生较大数值的F下，从而产生较大的变向力。
在图3和图4所示的结构中，上瓦片⑦与下瓦片⑧之间的夹角为90°，如暂忽略摩擦力的作用，由受力的定性中可看出侧井壁作用于下瓦片⑧的反力F下只能改变方位角，而下井壁作用于上瓦片⑦的反力F上则会发生增斜的作用。此外，由于变向器装置于钟摆钻具的下端，所以当上瓦片⑦转离下井壁时，整个钻具的钟摆力则会发生降斜作用。这样，F上的增斜与钟摆钻具的降斜作用互相抵消，结果可使这种组合在变向的同时可能按工程技术要求而保持井斜角不变，或使井斜角不断增加和不断减小。
假如使上下瓦片⑦、⑧之间的夹角不为90°，则下瓦片⑧上的反力F下也存在一个增斜或降斜的分力。实际上，当这个夹角小于90°时，F下可发生一个增斜的分力，使变向器在不同程度上具有增斜与变方位的双重作用。
假如使上下瓦片⑦、⑧之间的夹角大于90°时，下瓦片⑧反力F下则可发生一个降斜分力，使变向器在不同程度上具有降斜与变方位的双重作用。在极端的情况下，可将此夹角设计成180°，则此工具不再具有变方位的作用，而只存在降斜和防斜作用。这种特殊的结构可用于打直井，并可命名为“抗斜器”。
综合上述本发明的主要目的可归纳为
1、提供出一种用于转盘钻打定向井中结构简单，使用方便，效果可靠，易造耐用的变向工具。使用时只需将本工具装置在钻头与钟摆钻具组合之间，以正常的钻速钻进而达到改变方位角和井斜角的作用;
2、在结构设计上，把容易磨损的瓦片设计成可拆卸的部件，并在套筒的适当位置上预先钻好螺钉孔，这不仅可在瓦片磨损一定程度后进行调换、而且可将上下瓦片的相对位置进行调换，使本工具兼有增方位和减方位两种不同的变向功能;
3、在结构上可改变小轴中心线与瓦片的夹角，使上下瓦片在受力时具有不同的力臂，如将下瓦片与小轴中心线的夹角缩小，则可使下瓦片产生较大的变向力，使工具的变向效果具可控性。
4、在结构设计上可改变上下两瓦片之间的夹角，使本工具具有同时改变方位角和井斜角的双重效果。具体设计时，如使夹角小于90°，即可得到增斜与变向的双重效果;如使夹角大于90°，即可得到降斜与变向的双重效果;
5、在结构设计上使上下瓦片之间的夹角正好等于180°，本工具则成为一种在钟摆钻具基础上具有一定附加降斜力的“抗斜器”，这种工具可提高打直井的钻进速度;
6、在结构设计上，安装有上下密封端盖，使心轴与套筒之间的间隙在正常钻进和起下钻过程中与外界相隔离，因而可保证工具在使用中一直处于正常工作状态，避免了工具由于异物侵入间隙而发生不利于变向性能的后果。
此外，本发明在现有的结构基础上按一定的技术要求做某些加工参数上的改进和修改。本发明即为多功能的系列化产品。
总之，本发明与已有技术中最先进的“Rebel Tool浆片(叶片)式变向器”相比，除具备原有的一切长处外，还具有本身所特有的以下6个突出的优点
1、本工具是用刚度极强的套筒来做上、下瓦片(叶片、爪片)的传动体，明显地提高了力(功)的传递效率，解决了已有技术中长期存在由于传力刚度差而产生的效率低和推广应用价值低的根本问题;
2、本工具设计了由上、下密封端盖等零件组成的“密封”系统，有效的防止了钻井过程中泥砂、岩屑等异物的有害冲击和卡塞及泥包等现象，保证了工具的性能和效力。
3、本工具的上、下瓦片可根据不同的技术要求，制成不同规格，不但提高了工具的变向能力，而且也扩大了工具的使用范围。并且上、下瓦片是可装卸的可调换的，不仅延长了工具主体的使用寿命，而且使工具具有了多功能性，这是一个突出的发展。
4、本工具的加工制造方便、易行，成本低。如工具主体心轴①只需在现成的钻铤上加工两个长方形的槽，以容置上下一组轴承座就基本完成了。再如本工具的主要传动体套筒②，材料可直接选用尺寸适宜的现成普通套管，加工也只需在套管上按设计用常规方法在相应位置上钻一定的螺钉孔即可。
5、本工具在小到5°左右的低井斜角井段中也能有很好的变向作用效果，而“Rebel Tool变向器”在井斜角10°以下时，既便是一切条件都理想化了，也不能使用了。
6、本工具是利用转盘钻来进行变方位的，这本身就克服了井下动力钻(如涡轮钻、螺杆钻等)的钻井轨迹有曲率激变点的重大缺陷。又因为本工具不需任何附属设备，与整个钻具组合同步运转，每旋转一周就有效动作一次，所以是连续、渐近的使钻头来完成变方位钻进的，故而所钻出的定向井井眼轨迹呈平滑曲线状，避免或减少“狗腿区”(钻井过程中发生的突变拐变的恶劣情况)的出现，这就使本工具具有了钻井井身质量高、钻井效率高、钻井成本低等突出的优越性。
鉴于本发明有上述的主要优点，而且产品可系列化，现仅举其中一种适用于9 5/8吋钻头的该工具主要部件的加工实施方案如下
1、心轴①-选用现成的6吋的API钻铤为材料加工而成。
Ⅰ、其长度以与套筒②合理配合、正常运转为准。(如此实施例套筒②长为3000毫米，心轴①长为4000毫米)
Ⅱ、其上下两端按常规方法加工成与所适用的钻铤和钻头联接丝扣。
Ⅲ、在轴体的两端相应位置(以保证套筒②能围绕心轴①作摆动为准)加工成适当的平台状，并加工两组用以固定轴承座④的螺钉孔。
Ⅳ、在轴体的两端相应位置(以上、下密封端盖⑥设计尺寸为据，以保证密封端盖⑥的有效工作为准)加工成固定密封端盖⑥的均布螺孔，此实施例是为3个。
2、套筒②-选用现成的7 5/8吋的API套管为材料加工而成。
Ⅰ、在同一设计轴线上，上下两端分别加工出能用螺钉固定小轴③的一组(3对6个)螺孔。
Ⅱ、在套筒体两端分别加工一群能用螺钉固定上下瓦片⑦、⑧的螺孔，以与上、下瓦片⑦⑧的装配螺孔对应，并能按设计调整瓦片安裂位置为准。因本发明所选用的螺钉⑤是标准体加工此群螺孔时，切要标准化。在已根据技术要求确定了瓦片的位置并用螺钉固定后，其余备用螺孔，可安装好相应的螺钉以确保套筒②与心轴①之间工作环形间隙的密封性。
Ⅲ、套筒体的上、下端面用常规机加工方法切平，以保证与密封端盖⑥的平面接触。
3、上瓦片⑦-选用A35钢制造。(未采用表面嵌镶硬质合金设计)-附图5所示。
Ⅰ、长度设计为360毫米，弧形包角不小于90°。与套筒②为同心弧形体，内半径R1与套筒②外半径等，外半径R2为R1加30毫米。各边缘按机加工常规技术要求做导角。
Ⅱ、加工一组均布的与套筒②上端固定本瓦片用的螺孔群相对应的螺孔-本实施例中共加工了12对，24个螺孔于瓦片上。
Ⅲ、在安装本瓦片于套筒上时，还采用了上述的两孔一组相对应的“一片二孔”式防松垫。
4、下瓦片⑧-选用A35钢制造。(未采用表面嵌镶硬质合金设计)-附图5所示。
Ⅰ、长度设计为360毫米，弧形包角不大于30°。与套筒②同心的弧形体的内半径、外半径分别与上瓦片⑦的R1R2相同。各边缘按机加工常规技术要求做有导角。
Ⅱ、加工一组均布的与套筒②下端固定本瓦片用的螺孔群相对应的螺孔-本实施例中共加工了8对16个螺孔于瓦片上。
Ⅲ、在安装本瓦片于套筒②上时，还采用了与上述的两孔一组相对应的“一片二孔”式防松垫。
5、上、下密封端盖⑥-实际上是一个环形薄体。选用普通钢材A2按常规机加工要求制造。
Ⅰ、端盖的内径与心轴①相配合。端盖的外径必须大于套筒②的内径且当套筒摆动到最大位移时，端盖仍起密封作用为准。本实施例中端盖内径R内为152毫米，端盖外径R外为215毫米。
Ⅱ、端盖钻有径向的3个均布的与心轴对应的螺孔，用以使用螺钉将端盖固定在心轴①之上。
6、异型小轴③-选用45钢材料制造。(见附图6)
Ⅰ、本小轴是用于支撑套筒②相对于心轴①作绕形摆动。一端与固定在心轴①上的承轴座④构成转动副。在本实施例中小轴直径30毫米。
Ⅱ、小轴的另一端为异型端。加工成一面与套筒②内壁吻合的曲面，一面为平面，其高以不影响套筒绕心轴的工作摆动为准。本实施例中，其高为30毫米。小轴的全长不限，以保证足够的工作强度为准。本实施例中其长度为园轴端长为40毫米(注意轴承座④与之必须对应)。异型端长度为150毫米。园轴端与异型端之间有10毫米的加工过渡段，以备机加工过程中需要。异型端宽70毫米，并在与套筒②的相关位置处钻螺孔三对6个(这个孔数仅限于本实施例中，在其它规格的本工具制造中，可随机设计)用来将小轴③整体固定在套筒②之上。
将以上主要部件及必要部件组装成如图1所示的本工具的整体，下井试验，可取得明显的变向效果。如在某油田某区755号井的实验中，选井深从890米钻进到1031米为一试验井段，共钻进141米，井斜角从9°变化到16°10′，方位角从235°变化到227°，平均每钻进30米，井斜角变化量就为1°35′和方位角变化量就为1°40′。而抽测其中890米到930这段来看，则每钻进30米就有井斜角变化量为1°10′，方位角变化量竟高达3°30′的突出效果，这些技术特性，都是所有的已有技术所不能比美的。
在这里再附加说明一点本发明中所谓的密封问题，并非一般概念中的连空气都不能透过的完全的隔离状态，而是指仍有一定程度的流体穿过的情况，颗粒较大的岩屑等异物完全被“封闭”在本工具的套筒②之外，确保了工具不会因受异物的冲击和卡塞而不起变向作用的现象发生。
权利要求
1、一种包括工具体，传动机构和撞触井壁产生变向力的瓦片而进行定向钻井的变向工具，本发明的特征在于有一个两端分别与钻具组合，钻头常规联接的心轴(1)，一个内壁与心轴(1)保持径向间隙的传动套筒(2)，一对固定在心轴(1)上的轴承座(4)，一对与轴承座(4)构成摆动副支撑套筒(2)并使套筒(2)绕心轴(1)摆动的异形小轴(3)一对分别装于套筒(2)上，下两端外表面且分布于上，下小轴同轴线两侧的上，下瓦片(7)，(8)，一对装于套筒(2)上，下两端且固定在心轴(1)上的密封端盖(6)。
2、根据权利要求
1定向钻井的变向工具，其特征在于上，下密封端盖(6)与套筒(2)上，下两环形端面成平面接触，端盖的外缘半径大于套筒(2)的内径与套筒(2)正常工作过程中的最大位移量之和。
3、根据权利要求
1定向钻井的变向工具，其特征在于绕心轴(1)摆动的传动的套筒(2)的两端钻有能按技术要求固定上，下瓦片(7)，(8)的一群螺孔。
4、根据权利要求
1定向钻井的变向工具，其特征在于由耐磨，高强度的材料制造的瓦片(7)，(8)(或表面镶嵌更加坚硬的条块体)钻有一组与套筒②两端螺孔群其中某部分相应使用的固定螺孔;
5、根据权利要求
1、4定向钻井的变向工具，其特征在于将上、下瓦片⑦、⑧的夹角安装成小于90°，则为增加井斜角改变方位角的变向器;
6、根据权利要求
1、4定向钻井的变向工具，其特征在于将上、下瓦片⑦、⑧的夹角安装成大于90°则为降低井斜角改变方位角的变向器;
7、根据权利要求
1、4定向钻井的变向工具，其特征在于瓦片⑦、⑧的夹角安装成180°，则为钻井用的钟摆钻具增效防斜器。
专利摘要
本发明是有效改变和控制转盘钻定向钻井井眼的方位角、井斜角的多功能工具。 采用装有上、下瓦片的套筒与心轴的相对摆动，使近钻头处产生横向力而有效地控制和改变井眼的方位角和井斜角。设计了专有的密封系统，避免了岩屑冲击、卡塞及泥包等引起的工具失效，上、下瓦片是可调换的，提高了变向能力，并具增减方位、增降斜等组合功能和钟摆钻具打直井时增效防斜性能。
文档编号E21B7/08GK85103611SQ85103611
公开日1986年11月19日 申请日期1985年5月17日
发明者白家祉 申请人:石油工业部石油勘探开发科学研究院钻井工艺研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan