一种旋转滑动定向工具

技术领域

本发明属于油气开采技术领域，具体涉及一种旋转滑动定向工具。

背景技术

现有技术中，定向井、水平井主要利用螺杆钻具进行井眼轨迹控制。目前的螺杆导向，钻杆连接的是弯外壳，芯轴靠水力能量驱动旋转，在通过螺杆钻具进行定向时，整个钻柱以保证螺杆钻具工具面的稳定，从而导致钻柱与井壁之产生很大轴向摩阻，尤其对于长水平段水平井和大位移井，巨大的轴向摩阻会导致钻压传递不顺利，机械钻速低。为了解决螺杆钻具滑动定向钻进时机械钻速低的缺点，国内外开发了各种技术，主要的思路是使钻柱旋转起来以降低摩阻提高机械钻速。

目前，最先进的是旋转导向工具，旋转导向工具可以在有效控制井眼轨迹的同时旋转钻柱，克服了滑动导向技术的不足，钻压传递顺利，机械钻速高，井眼质量好。然而，由于旋转导向工具为机电液一体化设备，使用及维护成本昂贵，不利于钻井成本的降低。

中国专利文献CN108343380A公开了一种煤矿井下近水平钻进用指向式旋转定向钻进工具及方法，关泵后花键进入键槽，使芯轴与弯外壳结合，可以调节工具面；开泵后花键与键槽脱开，弯外壳在井壁摩擦的作用下处于静止状态，钻杆带动芯轴及钻头旋转，从而进行旋转定向。主要缺陷在于钻进时只能进行定向钻进，不能进行弯外壳旋转的复合钻进，且测量探管与芯轴系统连接，无法在井下测量弯外壳的工具面。实际钻进时既需要弯外壳静止不动进行定向钻进，也需要弯外壳旋转进行复合钻进，两者交替进行并根据实际井眼轨迹调整两种钻进状态的比例，才能实现准确的井眼轨迹控制。

中国专利文献ZL201620363357.0公开了一种井下管柱转动控制开关，其安放于螺杆钻具以上300m左右的位置，可以通过钻井液打开开关，钻柱旋转时利用300m左右钻柱的摩擦力来克服螺杆钻具的反扭矩，从而实现定向钻进时旋转钻柱的目标。主要的缺陷在于利用钻柱的重力产生摩擦力受运动状态影响较大，可能出现不能稳定螺杆钻具的情况，300m左右的钻柱不能旋转，缩小了钻柱旋转的比例，影响了降摩提速的效果。

中国专利文献CN201220454297公开了上转下滑钻井减摩降扭工具，其通过采用上提下放的控制方式，实际钻进过程中存在剧烈轴向振动，会出现控制困难的问题，且基本未涉及传动部分的设计，对于承受100KN左右轴向力的短节而言，将出现较快磨损，因此实用性差。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种旋转滑动定向工具，该旋转滑动定向工具通过芯轴连接钻杆，使得顶驱能够通过钻杆和芯轴直接驱动钻头钻进，并且弯外壳通过钻压控制旋转姿态，能够在加强井眼轨迹控制能力的同时显著提高机械钻速。此外，该旋转滑动定向工具还能够通过测量系统能够实现近钻头测试。

为此，根据本发明提供了一种旋转滑动定向工具，包括：定向外壳；同心布置在所述定向外壳内的芯轴，所述芯轴的上端连接钻杆，下端连接钻头；安装在所述定向外壳上的测量系统，其设置在靠近钻头位置处；以及定向外壳旋转控制系统，其包括万向轴；其中，钻杆通过所述芯轴驱动钻头旋转钻进，并且通过所述测量系统进行近钻头测量，在第一状态下，通过所述定向外壳旋转控制系统调节钻压大于预定值，使所述芯轴产生弯曲而靠向所述定向外壳的内壁并产生摩擦力，进而能够通过摩擦力带动所述定向外壳旋转，从而进行复合钻进，或者旋转调节工具面，在第二状态下，通过所述定向外壳旋转控制系统调节钻压小于预定值，使所述定向外壳与所述芯轴脱开，并在井壁摩擦力的作用下保持工具面不变，从而使所述定向外壳能够在钻柱旋转时进行定向钻进。

在一个实施例中，所述芯轴包括从上到下依次连接的空心杆、出水接头、无磁实心杆，以及入水接头，所述万向轴连接在所述无磁实心杆与所述入水接头之间，所述万向轴通过万向接头与所述无磁实心杆形成连接。

在一个实施例中，在所述万向接头的外表面设有摩擦材料层，所述芯轴能够通过所述万向接头靠向所述定向外壳的内壁面并通过所述摩擦材料层产生摩擦力。

在一个实施例中，在所述入水接头的下端固定连接有下接头，所述下接头用于连接钻头，在所述下接头与所述定向外壳之间设有推力轴承总成。

在一个实施例中，所述出水接头设有第一过流孔，所述入水接头设有第二过流孔，所述空心杆的内部流道、所述第一过流孔、所述定向外壳与所述芯轴之间的径向环空、所述第二过流孔，以及所述下接头的内部流道依次连通而形成过流通道，钻井液能够通过所述过流通道流向钻头。

在一个实施例中，所述定向外壳包括测量系统外壳和连接在所述测量系统外壳下端的推力轴承外壳。

在一个实施例中，所述测量系统外壳构造成包括一段弯外壳，所述弯外壳处于靠近钻头的一端。

在一个实施例中，在所述推力轴承外壳的外表面上设有垫块，所述弯外壳和所述垫块能够共同作用而对所述定向外壳形成定向。

在一个实施例中，所述垫块与所述下接头之间的轴向间距处于1-1.5m的范围内。

在一个实施例中，在所述测量系统外壳上设有仪器仓，所述测量系统包括安装在所述仪器仓内的电池、定向传感器、伽马传感器及无线发射线圈，所述仪器仓通过密封盖板密封，所述定向传感器和伽马传感器能够测量地层测量参数，并利用所述无线发射线圈将数据发射出去。

在一个实施例中，所述推力轴承外壳的下端内壁固定连接有硬质合金外套，所述下接头的外壁上固定连接有硬质合金内套，所述硬质合金内套处于所述硬质合金外套的内侧且在两者之间形成有间隙，从而形成为径向轴承。

在一个实施例中，所述芯轴的上端通过上接头连接钻杆，在所述测量系统外壳的上端固定连接有密封筒，所述密封筒与所述上接头之间形成转动密封。

在一个实施例中，还包括冷却润滑系统。

与现有技术相比，本申请的优点之处在于：

根据本发明的旋转滑动定向工具通过芯轴连接钻杆，使得顶驱能够通过钻杆和芯轴直接驱动钻头钻进。弯外壳通过钻压控制旋转姿态，能够在加强井眼轨迹控制能力的同时显著提高机械钻速，在井眼轨迹与设计出现偏差时，旋转滑动定向工具能够实现钻柱旋转时进行定向钻进的效果，能够大幅度降低摩阻，提高机械钻速，且采用钻压控制的手段简单可靠，能替代目前昂贵的旋转导向工具，非常有利于降低成本。此外，该旋转滑动定向工具还能够通过测量系统能够实现近钻头测试，以测量地层参数，这能够有效保证测量参数的准确性，非常有利于进行钻进作业。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1显示了根据本发明的旋转滑动定向工具的结构。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行介绍。

在本申请中，需要说明的是，将根据本发明的旋转滑动定向工具下入到井筒中靠近井口的一端定义为上端或相似用语，而将远离井口的一端定义为下端或相似用语。另外需要说明的是，本申请中使用的方向性用语或限定词“上”、“下”等均是针对所参照的附图1而言。它们并不用于限定所涉及零部件的绝对位置，而是可以根据具体情况而变化。

图1显示了根据本发明的旋转滑动定向工具100的结构。如图1所示，旋转滑动定向工具100包括定向外壳1、同心布置在定向外壳1的内部的芯轴2、安装在定向外壳1上的测量系统，以及定向外壳旋转控制系统。芯轴2的上端连接钻杆(未示出)，下端连接钻头。钻杆连接顶驱，通过顶驱驱动钻杆，使得钻杆能够通过芯轴2直接驱动钻头钻进。测量系统设置在靠近钻头位置处，通过测量系统能够实现近钻头测试。定向外壳旋转控制系统包括万向轴4，芯轴2通过万向轴4能够在钻压作用下产生弯角。定向外壳1能够通过控制钻压控制旋转姿态，其能够在外壳旋转控制系统的控制下处于静止或转动状态。

当需要复合钻进时，通过定向外壳旋转控制系统调节钻压大于预定值，使芯轴2产生弯曲而靠向定向外壳1的内壁并产生摩擦力，进而能够通过摩擦力带动定向外壳1旋转，开动顶驱旋转，使得钻柱、芯轴2、钻头及定向外壳1同步旋转，从而进行复合钻进，或者缓慢旋转调节工具面。此时，旋转滑动定向工具100处于第一状态。

当需要进行定向钻进时，通过定向外壳旋转控制系统调节钻压小于预定值，使定向外壳1与芯轴2脱开，定向外壳1在井壁摩擦力的作用下保持工具面不变，从而进行定向钻进。此时，旋转滑动定向工具100处于第二状态。

根据本发明，如图1所示，芯轴2包括从上到下依次连接的空心杆21、出水接头22、无磁实心杆23，以及入水接头24。空心杆21、出水接头22、无磁实心杆23，以及入水接头24均通过螺纹连接扣形成连接。无磁实心杆23采用无磁材料制成，空心杆21、出水接头22、入水接头24采用4330V高强合金钢制成。

芯轴2的上端通过上接头9与钻杆形成连接。上接头9的上端为钻杆扣，外径与钻头接头外径相同，用于连接上部钻杆，上接头9的下端构造成梯形扣，用于连接芯轴2中的空心杆21。上接头9通过钻杆连接顶驱。由此，能够通过顶驱驱动钻杆，使得钻杆能够通过芯轴2直接驱动钻头钻进。

万向轴4连接在无磁实心杆23与入水接头24之间，万向轴4通过万向接头41与无磁实心杆23的下端形成连接。万向接头41的上端与无磁实心杆23的下端固定连接，万向接头41的下端与入水接头24形成万向连接。万向接头41使芯轴2可以以一定角度连接，从而使芯轴2能够适应外部的弯外壳(见下文)结构。

根据本发明，在万向接头41的外表面设有摩擦材料层(未示出)，摩擦材料层采用高摩擦系数材料形成。芯轴2能够通过万向接头41靠向定向外壳1的内壁面并通过摩擦材料层产生摩擦力。由此，实现芯轴2通过摩擦力带动定向外壳1旋转而进入复合钻进。

如图1所示，在芯轴2的入水接头24的下端固定连接有下接头5，下接头5用于连接钻头。由此，钻头通过下接头5连接在芯轴2的下端。在一个实施例中，下接头5构造成包括圆筒状本体，并且圆筒状本体的下端构造成锥形连接扣，用于与钻头连接。圆筒状本体的上端形成有管状连接部，管状连接部插入定向外壳1内且向上延伸至与芯轴2的入水接头24形成连接。管状连接部的外径小于圆筒状本体的外径，从而在外接头5的外表面形成有端面朝上的台阶。

根据本发明，出水接头22构造成筒状结构，且出水接头22两端分别构造成梯形扣，用于分别连接空心杆21和无磁实心杆23。出水接头22的侧壁设有贯穿侧壁的第一过流孔221，第一过流孔221设置在出水接头22的靠近轴向中部的位置。第一过流孔221设有多个，且在周向上均匀分布，例如可以设有4-6个。第一过流孔221的孔眼直径设置为出水接头22的外径的1/4。

入水接头24和出水接头22结构类似，入水接头24也构造成筒状结构，且两端分别构造成梯形扣，用于分别连接万向轴4和下接头5。入水接头24的侧壁设有贯穿侧壁的第二过流孔241，第二过流孔241设置在入水接头24的靠近轴向中部的位置。第二过流孔241设有多个，且在周向上均匀分布，例如可以设有4-6个。第二过流孔241的孔眼直径设置为入水接头24的外径的1/4。

定向外壳1套设在芯轴2的外侧，并在定向外壳1与芯轴2之间形成径向环空。空心杆21的内部流道、出水接头22的第一过流孔221、定向外壳1与芯轴2之间的径向环空、入水接头24的第二过流孔241，以及下接头5的内部流道依次连通，从而形成过流通道。钻井液从上接头9进入空心杆21的内部流道，进而经过过流通道，最终流经钻头。

如图1所示，在下接头5与定向外壳1之间设有推力轴承总成2。推力轴承总成2包括6-10组推力轴承。定向外壳1与推力轴承组的外圈固定，芯轴2与推力轴承组的内圈固定，由此将定向外壳1固定在芯轴2上，且使芯轴2能够在定向钻进时相对于定向外壳1转动，同时旋转阻力比较小，易于控制。

根据本发明，定向外壳1包括测量系统外壳11和连接在测量系统外壳11下端的推力轴承外壳12。芯轴2对应处于测量系统外壳11内，推力轴承总成2对应处于推力轴承外壳12内。定向外壳1的外径比井眼直径小40-50mm。在一个实施例中，测量系统外壳11与推力轴承外壳12可以通过锥形扣形成连接。

在一个实施例中，推力轴承外壳12的下端内壁固定连接有硬质合金外套7，优选地，硬质合金外套7通过螺纹与推力轴承外壳12的下端内壁形成固定连接。同时，在下接头5的管状连接部的外壁上固定连接有硬质合金内套8。硬质合金内套8处于硬质合金外套7的内侧，且硬质合金内套8与硬质合金外套7之间形成有间隙，优选地，间隙为0.3mm，由此硬质合金内套8与硬质合金外套7形成为耐磨性能优秀的径向轴承结构。

在本实施例中，在推力轴承外壳12的内壁设有端面朝上的内限位台阶，在下接头5的管状连接部的外壁设有端面朝上的外限位台阶。推力轴承总成2中的推力轴承组的外圈的上端面抵靠在内限位台阶上，下端面抵靠硬质合金外套7的上端面。同时，推力轴承总成2中的推力轴承组的内圈的上端面抵靠在外限位台阶上，下端面抵靠硬质合金内套8的上端面。由此，对推力轴承总成2形成轴向限位。

根据本发明，测量系统外壳11构造成包括一段弯外壳，弯外壳处于靠近钻头的一端。外向轴4和万向接头41对应于弯外壳位置处。万向接头41使芯轴2可以以一定角度连接，从而使芯轴2能够适应外部的弯外壳结构。由此，芯轴2能够在钻压作用下产生一定弯角，实现通过钻压来调节控制旋转滑动定向工具100的旋转姿态。弯外壳具有引领钻头指向，从而达到定向的作用。

如图1所示，推力轴承总成外壳12的下部外圆处加工一个圆弧状的垫块6，垫块6能够形成支点，使得弯外壳和垫块6能够共同作用而对定向外壳1形成定向。垫块6与下接头5的外部台阶的端面之间的轴向间距为1-1.5m。当垫块6位于下端时相当于推靠钻头向上钻进，从而形成造斜能力，反之则钻头向下钻进，从而形成降斜能力。

在一个实施例中，垫块6的外部为圆弧状，并且安装若干硬质合金，显著提高了耐磨能力。

在测量系统外壳11上设有仪器仓30，测量系统包括安装在仪器仓30内的电池、定向传感器、伽马传感器及无线发射线圈(未示出)。并且，仪器仓30通过密封盖板密封。定向传感器和伽马传感器能够测量地层测量参数，并利用无线发射线圈将数据发射出去。定向传感器用于实时测量井斜角、方位角及工具面角三个参数，伽马传感器用于测量地层的伽马值，两种传感器测量后利用无线发射线圈将数据发射出去。电池为定向传感器和伽马传感器，以及线圈供电。

在一个实施例中，测量系统外壳11为无磁材料，测量系统外壳11的外周表面上分别加工有4个槽，分别用于安放电池、定向传感器、伽马传感器及无线发射线圈。4个槽上安装有4个密封盖板，对应于无线发射线圈槽的盖板中间留有5mm宽的缝隙，用塑料填封，利于线圈发射电磁波。测量系统外壳11的内径比无磁实心杆23的外径大10mm，以在测量系统外壳11与芯轴2之间形成径向环空，以便形成钻井液的过流通道。

如图1所示，在测量系统外壳11的上端固定连接有密封筒10，密封筒10与上接头9之间形成转动密封。

根据本发明，旋转滑动定向工具100还包括冷却润滑系统。冷却润滑系统分上下部分，钻井液从出水接头22的第一过流孔221流出后，大约5％的钻井液经过推力轴承组和硬质合金内套8与硬质合金外套7之间，从而对推力轴承组、硬质合金内套8及硬质合金外套7进行冷却和润滑，之后泄流到外环空。

下面简述根据本发明旋转滑动定向工具100的工作过程。

在实际作业时，首先，根据钻井工艺的要求，确定可行的钻压范围，取中间值为临界值(即，预定值)。然后，将旋转滑动定向工具100下端通过下接头5连接钻头，上端通过上接头9连接上部钻杆。上部钻杆包括无磁承压钻杆及钻杆。上部钻杆与顶驱连接。顶驱通过钻杆、芯轴2直接驱动钻头钻进。

当钻压调节至临界值以上，开动顶驱调节至正常转速，根据井眼轨迹的要求，如果井眼轨迹符合设计要求不需要定向，则继续按上述参数进行钻进。

钻进一段距离后，如果井眼轨迹与设计出现偏差，需要定向钻进时，首先根据井眼轨迹的要求确定工具面，即，弯外壳的弯角和垫块的周向位置。进而在低转速下调整工具面，工具面调整到位后，通过定向外壳旋转控制系统降低钻压至临界值以下，使得万向接头41与定向外壳1脱开，芯轴2与定向外壳1脱开，由于定向外壳1的垫块6与井壁之间存在摩擦力，从而使定向外壳1保持静止。最后重新开动顶驱转速至正常转速，顶驱带动钻柱、芯轴2及钻头旋转钻进，而定向外壳1在井壁摩擦力的作用下保持工具面不变，从而实现了钻柱旋转，定向外壳滑动定向钻进的目的，可以大幅度降低摩阻，提高机械钻速。此时，旋转滑动定向工具100处于定向钻进状态，即处于第一状态。

经过一段钻进，已经达到井眼轨迹设计目标，再次调节钻压至复合钻进状态。具体为，通过定向外壳旋转控制系统调节钻压高于预定值，使芯轴2产生弯曲而靠向定向外壳1的内壁，并使万向接头41通过摩擦材料层与定向外壳1的内壁接触而产生摩擦力，进而能够通过摩擦力带动定向外壳1旋转，由此，使定向外壳1与芯轴2形成一体，开动顶驱旋转，钻柱、芯轴2、钻头及定向外壳1同步旋转，从而进行复合钻进，或者缓慢旋转调节工具面。此时，旋转滑动定向工具100重新处于第二状态。

旋转滑动定向工具100在钻进作业过程中，根据需要实现第一状态和第二状态之间的切换，以使井眼轨迹符合设计要求，从而完成钻进作业。

根据本发明的旋转滑动定向工具100通过芯轴2连接钻杆，使得顶驱能够通过钻杆和芯轴2直接驱动钻头钻进。弯外壳通过钻压控制旋转姿态，能够在加强井眼轨迹控制能力的同时显著提高机械钻速，在井眼轨迹与设计出现偏差时，旋转滑动定向工具100能够实现钻柱旋转时进行定向钻进的效果，能够大幅度降低摩阻，提高机械钻速，且采用钻压控制的手段简单可靠，能替代目前昂贵的旋转导向工具，非常有利于降低成本。此外，该旋转滑动定向工具100还能够通过测量系统能够实现近钻头测试，以测量地层参数，这能够有效保证测量参数的准确性，非常有利于进行钻进作业。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。