一种协同井下动力钻具进行定向作业的工具及方法

技术领域

本发明涉及石油气钻井工具技术领域，具体涉及一种协同井下动力钻具进行定向作业的工具及方法。

背景技术

随着油气井的开采规模加大，碰到复杂结构的井越来越多，一些油气藏如低孔隙度低渗透率油气藏，海上油气藏，页岩气藏等开采效果不是很理想，所以研制高效率的定向技术在提高产量和效益方面有较大优势。定向钻井通常使用滑动钻井和旋转导向技术，由于现在绝大部分旋转导向技术掌握在国外油服公司手上且租用价格昂贵，国内主流还是使用弯外壳动力钻具+MWD的滑动钻井技术。

常规的滑动钻井，由于钻柱不旋转，钻柱与井壁间容易产生较大的摩阻。会出现两种问题：一是钻压消耗在克服井壁对钻柱的摩阻上，钻压无法有效的传递给钻头，产生‘托压’现象，表现为机械钻速降低、泵压降低，导致滑动钻井速度慢；二是当司钻通过顶驱旋转调整工具面时，工具面响应速度慢，且由于影响因素多，需要反复调整才能得到所要的工具面，非常耗时，效率较低。近年来，国内外为了减小井下摩阻影响，使用水力振荡器和顶驱扭摆来减小摩阻，通过钻柱转动，使静摩擦变为动摩擦，摩阻减小，因此可增加钻进时的机械钻速并降低所需钻压。由于定向段较深，无法准确将地面调整的角度传递到地下，工具面仍无法准确的控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种协同井下动力钻具进行定向作业的工具及方法，本工具与钻头距离较近，能够保证电机带来的角度调整快速有效地向下传递并控制工具面，响应速度快，准确度高。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种协同井下动力钻具进行定向作业的工具，安装在钻柱和下部钻井组合之间，包括工具本体，其中：

所述工具本体包括上连接块、上连接块驱动轴、外壳体、滑动齿轮、下连接块和下连接块驱动轴；

所述工具本体内设有钻井液流动的通道，包括设置在上连接块和下连接块上的中间通道、外壳体中部的通道孔和环空区域以及下连接块驱动轴上的斜通道；

所述上连接块驱动轴和下连接块驱动轴上均设有均匀分布的花键段，均插入外壳体内部且穿过滑动齿轮中心；

所述外壳体内壁上还设有与滑动齿轮外花键相对应的花键凹槽；

所述上连接块驱动轴和下连接块驱动轴均通过推力轴承和径向轴承与外壳体相接；

所述外壳体内密封有控制系统；

所述控制系统通过液压驱动轴控制滑动齿轮移动；

所述外壳体外侧壁上还设有扶正器刀翼。

可选或优选的，所述下部钻井组合包括定向接头和弯外壳井下动力钻具，所述定向接头一端设有MWD，另一端设有扶正器，所述弯外壳井下动力钻具安装在扶正器上，所述弯外壳井下动力钻具上设有钻头。

可选或优选的，所述上连接块和下连接块上均设有与钻柱和下部钻井组合对应的连接螺纹。

可选或优选的，所述控制系统包括电控液压总成、控制单元、电机和电控阀门，所述控制单元与MWD电连接，所述控制单元通过电控阀门控制电控液压总成泄压或者加压，所述电控液压总成通过液压驱动轴控制滑动齿轮块移动，所述电机上设有可伸缩电机驱动轴，所述可伸缩电机驱动轴和下连接块驱动轴上设有互相对应的牙嵌面。

可选或优选的，所述推力轴承和径向轴承均为密封件。

可选或优选的，所述推力轴承和径向轴承与外壳体相接处均设有弹性缓冲件。

基于上述技术方案，可产生如下技术效果：

本发明实施例提供的一种协同井下动力钻具进行定向作业的工具，适用于在复杂结构的油气井内作业。本发明通过设置的钻柱保持旋转，减小钻头钻进时钻柱与井壁间的摩阻，避免钻压难以有效地传递给钻头，产生“托压”现象，使得钻井效率较低，本工具与钻头距离较近，能够保证电机带来的角度调整快速有效地向下传递并控制工具面，响应速度快，准确度高。解决了常规滑动钻井摩阻较大导致钻井效率低以及工具面调整响应速度较慢导致工具面控制准确度较差的技术问题。

本发明还提供了一种协同井下动力钻具进行定向作业的方法，基于如上述协同井下动力钻具进行定向作业的工具，包括以下步骤：

S1 正常钻进

S101 通过控制单元控制左右两端液压总成分别加压和泄压，使液压驱动轴向上移动滑动齿轮；

S102 当滑动齿轮与花键段相啮合时，关闭电控阀门使滑动齿轮和花键段保持啮合状态，使钻柱和下部钻井组合正常钻进；

S2 定向滑动钻进

S201 控制单元接收地面信号后，降低钻柱的转速，并控制左侧电控液压总成泄压，右侧液压总成加压，使液压驱动轴向下移动滑动齿轮；

S202 当滑动齿轮与花键段脱离，即使上连接块和下连接块与外壳体脱离时，关闭电控阀门使滑动齿轮和花键段保持分离状态；

S203 弯外壳井下动力钻具带动钻头旋转，钻柱转动且不影响其他部分转动，外壳体和下连接块保持静止状态；

S204 控制单元读取MWD采集的数据后，控制电机转动，使可伸缩电机驱动轴伸出；

S205 使可伸缩电机驱动轴和下连接块驱动轴上对应的牙嵌面互相啮合；

S206 电机产生的扭矩传递给下部钻井组合，根据需要调整工具面角度，配合扶正器刀翼消除钻头旋转造成的反扭矩和摩阻导致工具面漂移的现象，使工具面稳定在需要的位置，保持稳定定向钻进。

本发明提供的一种协同井下动力钻具进行定向作业的方法，操作简单，实施方便，能够在控制单元的控制下实现钻柱和下部钻井组合的分离和结合，在钻柱分离的情况下，通过控制电机的旋转，实现井下弯外壳动力钻具工具面的调整，操作简单可靠，精确度高。

附图说明

图1为本发明使用的一种钻具组合示意图；

图2为本发明工具的结构示意图；

图3为图2中A-A横截面结构示意图；

图4为图2中B-B横截面结构示意图；

图5为图2中C-C横截面结构示意图；

图6为图2中D-D横截面结构示意图；

图7为图2中E-E横截面结构示意图；

图中：1-钻头；2-弯外壳井下动力钻具；3-外壳体；4-定向接头；5-MWD；6-工具本体；601-上连接块；602-上连接块驱动轴；603-外壳体；604-花键段；605-滑动齿轮；606-推力轴承；607-径向轴承；608-弹性缓冲件；609-电控液压总成；610-控制单元；611-电机；612-液压驱动轴；613-电控阀门；614-可伸缩电机驱动轴；615-牙嵌面；616-下连接块；617-下连接块驱动轴；618-扶正器刀翼；619-中间通道；620-通道孔；621-环空区域；622-斜通道；7-钻柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1-7所示：

本发明提供了一种协同井下动力钻具进行定向作业的工具，安装在钻柱7和下部钻井组合之间，包括工具本体6，其中：

所述工具本体6包括上连接块601、上连接块驱动轴602、外壳体603、滑动齿轮605、下连接块616和下连接块驱动轴617；

所述工具本体6内设有钻井液流动的通道，包括设置在上连接块601和下连接块616上的中间通道619、外壳体中部的通道孔620和环空区域621以及下连接块驱动轴617上的斜通道622；

所述上连接块驱动轴602和下连接块驱动轴617上均设有均匀分布的花键段604，均插入外壳体603内部且穿过滑动齿轮605中心；

所述外壳体603内壁上还设有与滑动齿轮605外花键相对应的花键凹槽；

所述上连接块驱动轴602和下连接块驱动轴617均通过推力轴承606和径向轴承607与外壳体603相接；

所述外壳体603内密封有控制系统；

所述控制系统通过液压驱动轴612控制滑动齿轮605移动；

所述外壳体3外侧壁上还设有扶正器刀翼618。

作为可选地实施方式，所述下部钻井组合包括定向接头4和弯外壳井下动力钻具2，所述定向接头4一端设有MWD5，另一端设有扶正器3，所述弯外壳井下动力钻具2安装在扶正器3上，所述弯外壳井下动力钻具2上设有钻头1。

作为可选的实施方式，所述上连接块601和下连接块616上均设有与钻柱7和下部钻井组合对应的连接螺纹。

作为可选的实施方式，所述控制系统包括电控液压总成609、控制单元610、电机611和电控阀门613，所述控制单元610与MWD5电连接，所述控制单元610通过电控阀门613控制电控液压总成609泄压或者加压，所述电控液压总成609通过液压驱动轴612控制滑动齿轮块605移动，所述电机611上设有可伸缩电机驱动轴614，所述可伸缩电机驱动轴614和下连接块驱动轴617上设有互相对应的牙嵌面615，所述控制单元可以通过直接连接下方MWD5或者设置电磁通信装置接收MWD5内工具面测量信息，所述电磁通信装置为泥浆脉冲接收装置。

作为可选的实施方式，所述推力轴承606和径向轴承607均为密封件。

作为可选的实施方式，所述推力轴承606和径向轴承607与外壳体603相接处均设有弹性缓冲件608，防止滑动齿轮605上下移动造成相接位置损坏。

作为可选的实施方式，所述工具本体6内设有钻井液流动的通道，包括设置在上连接块601和下连接块616上的中间通道619、外壳体中部的通道孔620和环空区域621以及下连接块驱动轴617上的斜通道622，钻井液可从上连接块601中间通道619流出，经外壳体中部的通道孔620到中部的环空区域621，通过下连接块驱动轴斜通道622流向下连接块616中间通道619，最后流入下部钻井组合。

作为可选的实施方式，所述外壳体603内壁上还设有与滑动齿轮605外花键相对应的花键凹槽，即滑动齿轮605可在固定在上连接块驱动轴602与外壳体603内壁的空间里，沿着花键凹槽所形成的轨道内移动。

作为可选的实施方式，所述外壳体3外侧壁上还设有扶正器刀翼618，用来平衡反扭矩和电机运动时可能造成的摩阻。

作为可选的实施方式，所述控制单元为闭环自动控制系统，根据井上工程师设置工具面需要的变化位置，控制单元610自动控制工具面微调变化，即通过电机611旋转控制下部钻井组合，来消除动力钻具2旋转造成的反扭矩和摩阻的存在而可能导致的工具面漂移现象，使工具面稳定在需要的位置，保持稳定地定向钻进。

作为可选的实施方式，滑动齿轮605和花键段604的数量可随不同地质情况而改变。

作为可选的实施方式，本发明所用工具可以和各种常规设备兼容，尤其是在设计井眼轨迹时，可以和通常一样基于该钻具的造斜能力来设计轨迹，适用面广。

本发明还提供一种协同井下动力钻具进行定向作业的方法，基于如上述的协同井下动力钻具进行定向作业的工具，其特征在于：包括以下步骤：

S1 正常钻进

S101 通过控制单元610控制左右两端液压总成609分别加压和泄压，使液压驱动轴612向上移动滑动齿轮605；

S102 当滑动齿轮605与花键段604相啮合时，关闭电控阀门613使滑动齿轮605和花键段604保持啮合状态，使钻柱7和下部钻井组合正常钻进；

S2 定向滑动钻进

S201 控制单元610接收地面信号后，降低钻柱7的转速，并控制左侧电控液压总成609泄压，右侧液压总成609加压，使液压驱动轴612向下移动滑动齿轮605；

S202 当滑动齿轮605与花键段604脱离，即使上连接块601和下连接块616与外壳体603脱离时，关闭电控阀门613使滑动齿轮605和花键段604保持分离状态；

S203 弯外壳井下动力钻具2带动钻头1旋转，钻柱7转动且不影响其他部分转动，外壳体603和下连接块616保持静止状态；

S204 控制单元601读取MWD5采集的数据后，控制电机611转动，使可伸缩电机驱动轴614伸出；

S205 使可伸缩电机驱动轴614和下连接块驱动轴617上对应的牙嵌面615互相啮合；

S206 电机611产生的扭矩传递给下部钻井组合，根据需要调整工具面角度，配合扶正器刀翼618消除钻头1旋转造成的反扭矩和摩阻导致工具面漂移的现象，使工具面稳定在需要的位置，保持稳定定向钻进。