一种全旋转导向工具

技术领域

本发明涉及钻井导向工具技术领域，具体是一种全旋转导向工具。

背景技术

随着油气勘探开发不断深入，高温低压、低压漏失、窄密度窗口、非均质地层等复杂地质条件给油气钻探工程提出了严峻的考验和挑战，钻井过程中复杂事故与安全隐患多，钻井安全风险大，钻井周期长，成本高，严重制约了油气勘探开发的进程和效益。旋转导向工具作为提高钻井效率的有效手段得到了广泛的应用，旋转导向钻井技术有着机械钻速高，建井周期短，井身轨迹平滑的优点，相比于常规钻井工具，有着非常显著的技术和经济优势。

随着水平井、大位移井、丛式井等复杂结构井的迅速发展，而出现的一种新型钻井工具，主流市场发展为以Schlumberger Anadrill公司的Power Driver SRD推靠式(参照专利文献W02008101020A、US2013256034A)和Halliburton公司的Geo-Pilot指向式(参照专利文件W02008101020A、W02008120025A)为代表的两类旋转导向工具，具有轨迹控制精度高和位移延伸钻井能力强的特点，非常适用于超深井、边缘油藏的开发方案中的深井、大位移井的导向钻井作业。井眼轨迹要靠钻头的切削完成，但上述钻井工具在挖井过程中，单一钻头长期工作之后产生消耗，加上复杂的地质条件，会产生侧向力和转角不足的情况，导致井眼轨迹偏离和精度降低，影响作业效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的提供一种全旋转导向工具，其能够解决钻头虽作业前进轨迹偏离的问题；

实现本发明的目的的技术方案为：一种全旋转导向工具，包括轴承总成、动力总成和控制总成，轴承总成的一端可拆卸连接在动力总成的一端，轴承总成的另一端安装有钻头组，钻头组包括若干个钻头，动力总成的另一端可拆卸地与控制总成连接，控制总成用于在所述全旋转导向工具转动过程中调整不同位置处钻头的旋转速度,与全旋转导向工具作业前进方向距离远的钻头的旋转速度小于与全旋转导向工具作业前进方向距离近的钻头的旋转速度，且同一个钻头在靠近全旋转导向工具作业前进方向时的旋转速度逐渐增大，远离全旋转导向工具作业前进方向时的旋转速度逐渐减小，钻头处于所在作业前进方向最近点时的旋转速度最大，钻头处于所在作业前进方向最远点时的旋转速度最小。

进一步的，所述轴承总成包括轴承接头、轴承密封筒和扩眼短节，轴承接头的一端连接钻头，另一端插入扩眼短节的孔中，扩眼短节可拆卸连接在轴承密封筒,轴承密封筒内有润滑油。

进一步的，扩眼短节内置有防尘密封胶圈，防尘密封胶圈用于阻挡外接灰尘进入轴承总成。

进一步的，所述动力总成包括与钻头数量对应的的独立螺杆、第一接头、密封胶筒，独立螺杆一端插入第一接头的孔内，另一端插入到密封胶筒内，独立螺杆、第一接头、密封胶筒组合后整体置入动力总成的第一外筒中。

进一步的，动力总成的独立螺杆依次穿过密封胶筒、轴承总成的扩孔短节后和轴承总成的轴承接头螺纹连接。

进一步的，所述控制总成中包括阀座、阀芯、阀杆、第二接头、控制模块、双向接头、第一外筒和第二外筒，阀座插入双向接头孔内后固定，阀芯和阀杆的一端可拆卸连接，然后整体套入控制总成的第二外筒内，第二接头和第二外筒可拆卸的固定连接，控制模块安装在控制总成的第二外筒上，然后整体套入第三外筒之内，第三外筒上部与第二接头可拆卸连接，第三外筒的下部和双向接头可拆卸连接。

进一步的，阀杆用于驱动阀芯进入和离开阀座，以调整阀芯和阀座之间的间隙。

进一步的，阀座插入双向接头孔内后采用销钉固定。

进一步的，控制总成的双向接头的一端和动力总成的第一接头可拆卸连接。

进一步的，可拆卸连接为螺纹连接。

本发明的有益效果为：本发明提供一种全旋转导向工具，其采用多钻头实时调整钻头的方位和倾角，能够实现闭环导向控制有效控制钻井方向，中途无需停钻，提高导向钻井的作业效率，提高井眼轨迹的控制精度，满足水平井、大位移井、复杂结构井及地质导向钻井轨迹控制的要求。

附图说明

图1为全旋转导向工具的整体结构立体图。

图2为全旋转导向工具的轴承总成的部件结构示意图。

图3为全旋转导向工具的动力总成的部件结构示意图。

图4为全旋转导线工具的控制总成的部件结构示意图。

图5为全旋转导向工具的4个钻头分布正视图。

图6为全旋转导向工具单一钻头在全旋转工具导向时运行速度曲线。

图7为全旋转导向工具向上导向立体图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1所示，是本申请为一种全旋转导向工具的整体结构示意图，该工具包括：轴承总成01、动力总成02、控制总成03。轴承总成01的一端安装有钻头组，钻头组包括若干钻头，轴承总成01的另一端和动力总成02的一端通过螺纹固定连接，动力总成的另一端和控制总成03通过螺纹固定连接。

如图2所示，是本申请全旋转导向工具的轴承总成01的部件结示意图。轴承总成01的一端包括若干个轴承接头11，各个轴承接头11的一端内置于扩眼短节12的孔内，各个轴承接头11的另一端均安装有一个钻头，所有钻头构成所述钻头组，各个钻头之间根据轴承接头11的位置分布。全旋转导向工具一般需要上下左右4个方位导向，对应的，轴承接头11的数量优选为4个，对应上述4个方位，当然，轴承接头数量也可以更多，以提高导向精度。

以下以4个钻头为例解释本发明。

全旋转导向工具的轴承总成01上安装有四个轴承接头11，各个轴承接头11的一端内置于扩眼短节12的孔内，各个轴承接头11另一端均安装有一个钻头，各个钻头之间根据轴承接头11的位置分布。扩眼短节12内还设置有防尘密封胶圈，防尘密封圈用于防止外部细小颗粒进入轴承总成01。

扩眼短节12与轴承密封筒13螺纹连接，并通过销钉或者其他部件固定，防止作业过程中扩眼短节12与轴承密封筒13有相对运动；轴承密封筒13内充满润滑油，用于润滑和保护轴承接头11和扩眼短节12的相对运动。

如图3所示，全旋转导向工具的动力总成02的结构示意图，和钻头数量对应的4根独立螺杆23的一端和第一接头24连接，另一端依次穿过密封胶筒22、轴承总成的扩孔短节12后和轴承总成01的轴承接头11螺纹连接，密封胶筒22、独立螺杆23、第一接头24组合后整体置入第一外筒21内。

独立螺杆23的旋转动力来自于全旋转导向工具外部的螺杆马达。

如图4所示，是全旋转导线工具的控制总成03的部件结构示意图。阀座321置入双向接头31内，通过卡箍固定，阀芯322与阀杆323通过螺纹连接，然后阀芯322、阀杆323和双向接头31的一端组合后整体套入第二外筒36之内；控制模块33内置入了通信单元、测量控制单元以及执行单元，控制模块33安装在第二外筒36上，第二外筒36套入第三外筒35中；接头34分别和第二外筒36、第三外筒35螺纹连接，双向接头31的一端与第一接头24螺纹连接，另一端分别与第三外筒35和第二外筒36通过螺纹连接。

阀杆323伸缩运动带动阀芯322进入或者离开阀座321，用于调整从阀芯322和阀座之间321进入动力总成02的独立螺杆23的泥浆排量，从而钻头旋转速度的快慢由泥浆排量的大小调整。

上述控制模块33的通信单元包括正脉冲发生器、电阻、伽马测量模块、无限短传接收及发送模块，实现全旋转导向工具和地面的双向通信；测量控制单元包括信号接收器、磁力计、定向传感器、加速度计、压力传感器、旋转变压器以及CPU计算单元，测量全旋转导向工具的实时信息；执行单元包括电机、伸缩机构、密封结构等。测量控制单元实时测量地面的各个数据，通过通信单元把地面数据反馈到测量控制单元的CPU计算单元，计算出合适运行轨迹后，发送数据到执行单元，调整伸缩机构带动阀杆323运作，阀杆323带动阀芯322进入或者离开阀座321，调节独立螺杆23的泥浆排量，进而控制钻头转速。也即控制模块33用于驱动阀杆323带动阀芯322靠近或远离阀座321。

控制总成03可以接入常规的供电单元，供电单元为旋转导向工具提供动力，由涡轮发电机、电池、供电控制电路组成。

接下来结合图1-7，介绍本发明的具体运行方式：

为实现本发明全旋转导向工具的导向，通过测量控制单元向执行单元发出指令，操纵阀杆323带动阀芯322向阀座321伸缩活动，调节阀芯322进入或者离开阀座321,从而控制泥浆进入独立螺杆23的量,对应调整独立钻头的切削速度，当泥浆进入独立螺杆23的量大，则钻头旋转速度快，钻头切削泥土速度快；当泥浆进入独立螺杆23的量小，则钻头的旋转速度慢，钻头切削速度慢；切削泥土速度快的一侧空间增大，最终迫使钻具的前进方向倾向于切削泥土速度快的一侧，达到全旋转导向工具导向目的。

如图7所示，现在以全旋转导向工具需要向上导向为例，钻头分布如图5所示，此钻头组的钻头数量为4个，呈相位分布，钻头组其中一个钻头111处于最上部位置，也就是最靠近需要导向的位置，控制总成03控制钻头111对应的阀芯322完全离开阀座321，从阀芯322和阀座321之间进入对应的独立螺杆23的泥浆排量最大，此时钻头111旋转速度为最高速，钻头111切削泥土速度最快；此时钻头111相邻的钻头112和钻头114处于右边和左边，控制总成03控制钻头111相邻的钻头112和钻头114对应的阀芯322和阀座321之间保持半离开状态，从阀芯322和阀座321之间进入对应的独立螺杆23的泥浆排量降低，此时钻头112和钻头114半速旋转；此时钻头113处于最下部位置，也就是最远离需要导向的位置，控制总成03控制钻头111相对的钻头113对应的阀芯322完全进入阀座321，阀芯322和阀座321之间的泥浆通道关闭，泥浆不能进入对应的独立螺杆23，钻头113不旋转。

随着全旋转导向工具的整体旋转，当钻头111离开最上部位置时，也就是最靠近需要导向的位置，控制总成03控制钻头111对应的阀芯322向阀座321进入，阀芯322和阀座321之间间隙减小，从阀芯322和阀座321之间进入对应的独立螺杆23的泥浆排量降低，钻头111旋转速度逐渐下降，当钻头111转到原钻头112位置时，也就是右边位置时候，控制总成03控制钻头111对应的阀芯322和阀座321之间保持半离开状态，从阀芯322和阀座321之间进入对应的独立螺杆23的泥浆排量降低，此时钻头111半速旋转；当钻头111转到原钻头113位置的时候，也即最下部，也即最远离需要导向位置的时候，控制总成03控制钻头111对应的阀芯322完全进入阀座321，对应的阀芯322和阀座321之间完全关闭，泥浆不能进入对应的独立螺杆23，钻头速度为0，钻头111停止旋转，钻头111不切削泥土。

继续随着全旋转导向工具的整体旋转，当钻头111离开原钻头113的位置时，控制总成03控制钻头111对应的阀芯322逐渐离开阀座321，对应的阀芯322和阀座321之间的间隙逐渐重新打开，从阀芯322和阀座321之间进入对应的独立螺杆23的泥浆排量提高，当钻头111转到原独立钻头114位置时，也就是左边位置，此时钻头111半速旋转；继续随着全旋转导向工具的整体旋转，控制总成03控制钻头111对应的阀芯322继续离开阀座321，对应的阀芯322和阀座321之间的间隙更大，从阀芯322和阀座321之间进入对应的独立螺杆23的泥浆排量提高，当钻头111重新到达原钻头111位置也即图5最上部的时候，也即最靠近需要导向位置的时候，控制总成03控制钻头111对应的阀芯322完全离开阀座321，阀芯322和阀座321间隙完全打开，从阀芯322和阀座321之间进入对应的独立螺杆23的泥浆排量达到最大，钻头111此时旋转速度达到最高速，导向位置的钻头111切削泥土速度最大。

其他独立钻头的旋转原理和上述钻头111的旋转原理一样，全旋转导向工具作业前进方向距离远的钻头的旋转速度小于与全旋转导向工具作业前进方向距离近的钻头的旋转速度，且同一个钻头在靠近全旋转导向工具作业前进方向时的旋转速度逐渐增大，远离全旋转导向工具作业前进方向时的旋转速度逐渐减小，钻头的切削速度和钻头的旋转速度是相关的；当到达全旋转导向工具需要导向的位置时旋转速度达到最高速，切削泥土速度最大；在最远离需要导向的位置则停止转动，不切削泥土。切削泥土速度快的位置空间大，切削泥土速度慢的空间小。全旋转导向工具前进方向倾向切削泥土速度快的位置进行导向，调整钻头的方位及倾角，实现改变井斜和方位的目的。

如果全旋转导向工具只有一个钻头的情况下也能实现本申请的导向功能，只要钻头在全旋转导向工具钻头一端的平面上不是在平面中央。同样和上面原理一样，随着全旋转导向工具的整体旋转，钻头到达需要导向位置时为最高速，离开导向位置时旋转速度下降，到距离需要导向位置最远位置时旋转速度为0，到距离需要导向位置最远位置旋转速度上升，到需要导向位置时钻头达到最高速，。实现全旋转导向工具需要导向位置切削泥土的速度快，切削掉的空间大，调整全旋转导向工具的导向方向。

图6所示，在确定一个全旋转导向工具需要的导向后，在需要导向的位置上的钻头的旋转速度会达到最高速，也就是曲线最高点；离开需要导向位置的钻头的旋转速度开始下降，到达距离需要导向位置最远的位置时旋转速度减少到0，也就是曲线最低点，最终任意钻头的旋转速度会呈图6曲线所示，随运动时间呈正弦曲线变化。

要实现全旋转导向工具导向和钻头旋转速度的配合，需要在全旋转导向工具下井作业之前，在测控单元的CPU中预存钻井轨迹基本参数以及设计井眼轨迹的分段节点数据，在需要导向的时候通过CPU控制阀芯322和阀座321的开关情况来控制独立螺杆23的泥浆排量进而控制切削速度，实现调整全旋转导向工具向预存钻井轨迹导向的目的。

井下工作时，全旋转导向工具和随钻测量单元上的定向测量参数，自动监测井斜角、方向角和井眼曲率的变化按照计算导向参数自动控制井眼轨迹，将MWD测量的井眼轨迹信息或LWD测量的地层信息与设计数据进行对比，自动控制泥浆排量，也可根据接收到的地面指令调整设计参数，控制钻头的切削速度，以实现导向钻进。若井眼轨迹与预定的井斜角或方位角发生偏差，测控单元的CPU将用设定好的四个独立钻头切削速度来修正井眼轨迹斜率、方位改变率及降斜率等，控制狗腿度，直到恢复预定的井斜角和方位角，在不停钻的情况下，实现全旋转导向工具井下闭环控制。

本发明通过提供一种旋转导向工具，通过一个旋转导向工具实现了增斜、降斜、稳斜以及自动钻进的过程。通过整个工具既能实现钻井方位及倾角的实时控制，又能实现按照预定井眼轨迹的自动钻进，从而突破了国外技术限制，解决了旋转导向工具结构复杂，加工成本高的难题，为复杂钻井提供了一种可靠的旋转导向自动钻井的产品。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。