一種頁巖氣開發用導向鑽井工具的製作方法
2023-06-24 04:10:11
專利名稱：一種頁巖氣開發用導向鑽井工具的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種導向鑽井工具，尤其涉及一種頁巖氣開發用導向鑽井工具。
背景技術：
頁巖氣作為ー種非常規能源。在非常規能源頁巖氣的開發中，為了增加產氣量，通常需要鑽水平井，但是由於地層的各項異性，常常引起井眼軌跡偏離，給頁巖氣的開發帶來一定的困難。目前，傳統的水平井開發技術分為垂直井段、增斜井段和水平井段三段鑽井，需要耗費大量時間，無形中増加了開發成本。而國外先進的導向鑽井工具能在水平井開發中全、井段使用，能減少起鑽次數，大大提高作業效率。目前國外商業應用的旋轉鑽井導向工具，一種鑽進過程採用靜態推靠式的滑動鑽進的方式，由於導向推臂伸出非連續，同時由於滑動鑽進，易產生螺旋井眼。另ー種為動態推靠式旋轉鑽進方式，其導向推臂由於推靠井壁使導向推臂損壞明顯。另外，國外商業應用的導向鑽井工具多安裝渦輪發電系統，BakerHughes的AutoTrak RCLS利用潤輪發電來給測控系統和液壓系統供電，Schlumberger的PowerDrive SRD利用潤輪發電來給穩定平臺供電；而國內的相關導向鑽井工具中採用徑向柱塞泵形式，利用旋轉中心軸和導向套之間的旋轉驅動徑向柱塞泵工作，由於徑向柱塞泵的作用，導向套會產生跟轉現象，從而引起導向鑽井工具導向精度降低，同時採用徑向柱塞泵形式由於導向套徑向尺寸的限制，柱塞泵的設計空間很小，導致泵的排量很小，活塞工作時響應慢。
發明內容
本發明針對上述現有技術中存在的問題提供ー種提高導向精度和鑽井效率的頁巖氣開發用導向鑽井工具。本發明為解決上述問題所採用的技術方案為
一種頁巖氣開發用導向鑽井工具，包括螺杆鑽具、傳動軸、液壓系統、導向套及套在螺杆鑽具外的外殼，螺杆鑽具上端與鑽鋌連接，螺杆鑽具下端與傳動軸連接，傳動軸下端通過下穩定器與鑽頭相連接，外殼與導向套相連接，所述的導向套套裝在傳動軸外，導向套上端內腔安設有上軸承，下端內腔安設有下軸承，所述的液壓系統包括柱塞泵、電磁換向閥，導向套上安設有測控系統、電磁換向閥，其特徵在於在導向套的下端外周設置有與軸向方向平行的4個油缸，4個油缸互成90°均布在導向套上，每2個相隔180°的油缸構成ー對反向同步油缸，形成兩對反向同步油缸，在導向套上對應於4個油缸設有4個導向推臂，所述的導向推臂的一端鉸接在導向套上，所述的4個油缸的活塞杆端分別通過椎塊與導向推臂的另一端配置，構成可調的上穩定器。按上述技術方案，所述四個油缸的活塞杆均與椎塊的錐面相連接，其中，每對反向同步油缸中的每兩個有杆腔相連接，每兩個無杆腔通過液壓鎖分別與電磁換向閥相連接。按上述技術方案，在每個油缸內安設有能控制油缸位移的位移傳感器，所述的位移傳感器能將檢測到的油缸位移數據反饋給測控系統。按上述技術方案，所述的柱塞泵為軸向柱塞泵，軸向柱塞泵包括斜盤、滑靴、柱塞、缸體、配油塊，軸向柱塞泵安設在外殼與傳動軸之間，柱塞泵的缸體通過花鍵與傳動軸相連接。按上述技術方案，所述的電磁換向閥為三位四通電磁換向閥，中位機能為Y型。本發明的工作過程為本發明通過配套使用的MWD/LWD測得井斜角和方位角等參數，若井眼軌跡與預定的井斜角或方位發生偏差，井下測控系統中的微處理器將設定好的控制指令來修正井眼軌跡，微處理器發出指令控制三位四通電磁換向閥動作，液壓油推動 油缸動作，油缸的活塞杆通過椎塊推動導向推臂運動，油缸內的位移傳感器將位移反饋給測控系統，活塞杆到達指定位置，電磁換向閥斷電回到中位，油缸在液壓鎖的輔助下自鎖。直到恢復預設定的井斜角和方位角。此時微處理器發出指令，油缸回到原位。同時，導向推臂相當於可控偏心上穩定器，實現定向偏心，鑽具組合在鑽壓作用下，加強偏心效果，同時結合槓桿原理，執行機構將鑽壓作用下的偏心力通過下穩定器傳遞給鑽頭，以實現工具的近鑽頭旋轉導向。與現有技術相比，本發明取得了明顯的技術效果
I、本發明通過導向推臂與下穩定器相結合，結合槓桿原理，執行機構在鑽壓作用下的偏心力通過下穩定器傳遞給鑽頭，以實現工具的近鑽頭旋轉導向。採用近鑽頭旋轉的穩定器，使井眼軌跡更加平滑，提高了井眼軌道的控制精度及效率。2、採用帶位移傳感器的串聯反向同步油缸，由一個液壓泵驅動，大大筒化了液壓系統，有利於工具的小型化。3、利用螺杆鑽具旋轉驅動軸向柱塞泵工作的技術效果為第一、避免利用電機驅動需要的渦輪發電系統；第二、避免了在導向套和傳動軸上安裝徑向柱塞泵導致導向套跟轉的問題；第三、採用軸向柱塞泵形式有效利用鑽井工具的可用空間，軸向柱塞泵的排量大，活塞工作時響應快；第四、採用軸向柱塞泵，有利於工具的小型化。
圖I為本發明的一個實施例的結構圖。圖2為圖I中液壓系統示意圖。圖3為圖I中軸向柱塞泵的結構圖。其中1 一螺杆鑽具；2—橡膠襯套；3—外殼；4ー軸向柱塞泵；5—柔性萬向軸；6一導向套；7—上軸承；8—液壓系統；9一測控系統；10—傳動軸；11 一油缸；lla —油缸；IIb—油缸；IIcー油缸；IId—油缸；12 —導向推臂；13—推體；14一下軸承；15—承壓軸承；16—穩定器；17—短節；18—鑽頭；19a—三位四通電磁換向閥；19b—三位四通電磁換向閥；20a —液壓鎖；20b—液壓鎖；21—單向閥；22—溢流閥；23—油箱；24_滑靴；25_斜盤；26-柱塞；27-缸體；28-花鍵；29-配油塊。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作進ー步說明。如圖I所示，一種頁巖氣開發用導向鑽井工具，包括螺杆鑽具I、橡膠襯套2、柔性萬向軸5、傳動軸10、導向套6及套在螺杆鑽具外的外殼3，螺杆鑽具上端與鑽鋌連接，下端與柔性萬向軸5連接，柔性萬向軸5與傳動軸10相連接，傳動軸下端通過穩定器16與鑽頭18相連接，穩定器16通過短節17與鑽頭18連接，傳動軸10和導向套6通過上軸承7和下軸承14連接形成可相對轉動的結構，導向套6上安設有測控系統9、三位四通電磁換向閥19。導向套6的下端外周設置有與軸向方向平行的4個油缸，油缸11a、油缸lib、油缸11c、油缸Ild互成90°均布在導向套6上，每2個相隔180°的油缸構成一對反向同步油缸，形成兩對反向同步油缸，在導向套上對應於4個油缸設有4個導向推臂12，所述的導向推臂12的一端鉸接在導向套上，4個油缸的活塞杆端分別通過椎塊與導向推臂的另一端配置，構成可調的上穩定器，其中活塞杆端與徑向椎塊相連接。如圖2所示，液壓系統8包括軸向柱塞泵4、三位四通電磁換向閥19、油缸11、液壓鎖20、單向閥21、溢流閥22及油箱23 ;測控系統9與三位四通電磁換向閥19控制連接，三位四通電磁換向閥19的中位機能為Y型；三位四通電磁換向閥為2個，分別為19a、19b，液壓鎖有2個，分別為20a，20b，所述液壓鎖分別由兩個液控單向閥構成。其中油缸Ila的無杆腔通過液壓鎖20b與三位四通電磁換向閥19b連接，油缸Ila的有杆腔與油缸Ilc的 有杆腔相連接構成ー對反向同步油缸，油缸Ilc的無杆腔通過液壓鎖20b與三位四通電磁換向閥19b相連接,三位四通電磁換向閥19b通過單向閥與軸箱柱塞泵4相連接；油缸Ilb的無杆腔通過液壓鎖20a與電磁換向閥19a連接，油缸Ilb的有杆腔與油缸Ild的有杆腔相連接構成另ー對反向同步油缸，油缸Ild的無杆腔通過液壓鎖20a與三位四通電磁換向閥19a相連接，三位四通電磁換向閥19a通過單向閥與軸箱柱塞泵4相連接。軸向柱塞泵4安設在外殼3與柔性萬向軸5之間，軸向柱塞泵包括滑靴24、斜盤25、柱塞26、缸體27、配油塊29，軸向柱塞泵的缸體27通過矩形花鍵花鍵28與柔性萬向軸5相連接。在油缸內有能控制油缸位移的位移傳感器，該位移傳感器能將檢測到的油缸位移數據反饋給測控系統。當井眼軌跡發生偏移時，配套使用的MWD/LWD能最準確的測量井眼的井斜及導向推臂相對於井眼高邊的方位，並將數據傳遞給測控系統的微處理器，井下測控系統接受MWD/LWD測得的數據，比對工具下井前預設的井眼軌跡數據，測控系統發出指令控制三位四通電磁換向閥動作，液壓油進入油缸，油缸動作，油缸中位移傳感器測得位移數據反饋給微處理器，當油缸到達指定位置後，三位四通電磁換向閥在測控系統的控制下回到中位，液壓鎖鎖緊油缸，此時，傳動軸與井壁中心形成ー個偏心距，實現定向偏心。導向推臂相當於可控偏心穩定器，導向推臂與近鑽頭旋轉的下穩定器相結合，結合槓桿原理，執行機構在鑽壓作用下的偏心力通過下穩定器傳遞給鑽頭，以實現工具的近鑽頭旋轉導向。當恢復預設定的井斜角和方位角時，在井眼回到預設軌跡上後，井下測控系統發出指令，三位四通電磁換向閥反向換向，油缸在液壓油的作用下，在位移傳感器的檢測下，油缸回到初始位置，此時鑽頭與井眼同心，四組導向推臂依然與井壁接觸，相當於上穩定器。這樣在井下形成的ー種自動反饋閉環控制，提高了井眼軌跡的控制精度，還節約了鑽井作業時間。雖然本發明只例舉了ー種水平定向井的實施方式，但本領域技術人員還能想到多分枝井、大位移井的實施方式，此處不再詳舉。
權利要求
1.一種頁巖氣開發用導向鑽井工具，包括螺杆鑽具、傳動軸、液壓系統、導向套及套在螺杆鑽具外的外殼，螺杆鑽具上端與鑽鋌連接，螺杆鑽具下端與傳動軸連接，傳動軸下端通過下穩定器與鑽頭相連接，外殼與導向套相連接，所述的導向套套裝在傳動軸外，導向套上端內腔安設有上軸承，下端內腔安設有下軸承，所述的液壓系統包括柱塞泵、電磁換向閥，導向套上安設有測控系統、電磁換向閥，其特徵在於在導向套的下端外周設置有與軸向方向平行的4個油缸，4個油缸互成90°均布在導向套上，每2個相隔180°的油缸構成一對反向同步油缸，形成兩對反向同步油缸，在導向套上對應於4個油缸設有4個導向推臂，所述的導向推臂的一端鉸接在導向套上，所述的4個油缸的活塞杆端分別通過椎塊與導向推臂的另一端配置，構成可調的上穩定器。
2.根據權利要求I所述的一種頁巖氣開發用導向鑽井工具，其特徵在於所述四個油缸的活塞杆均與椎塊的錐面相連接，其中，每對反向同步油缸中的每兩個有杆腔相連接，每兩個無杆腔通過液壓鎖分別與電磁換向閥相連接。
3.根據權利要求2所述的一種頁巖氣開發用導向鑽井工具，其特徵在於在每個油缸內安設有能控制油缸位移的位移傳感器，所述的位移傳感器能將檢測到的油缸位移數據反饋給測控系統。
4.根據權利要求3所述的一種頁巖氣開發用導向鑽井工具，其特徵在於所述的柱塞泵為軸向柱塞泵，軸向柱塞泵包括斜盤、滑靴、柱塞、缸體、配油塊，軸向柱塞泵安設在外殼與傳動軸之間，柱塞泵的缸體通過花鍵與傳動軸相連接。
5.根據權利要求I或2所述的一種頁巖氣開發用導向鑽井工具，其特徵在於所述的電磁換向閥為三位四通電磁換向閥，中位機能為Y型。
全文摘要
本發明公開了一種頁巖氣開發用導向鑽井工具，包括螺杆鑽具、傳動軸、液壓系統、導向套及套在螺杆鑽具外的外殼，在導向套的下端外周設置有與軸向方向平行的4個油缸，互成90°均布在導向套上，每2個相隔180°的油缸構成一對反向同步油缸，形成兩對反向同步油缸，在導向套上對應於4個油缸設有4個導向推臂，所述的導向推臂的一端鉸接在導向套上，所述的4個油缸的活塞杆端分別通過椎塊與導向推臂的另一端配置，構成可調的上穩定器。導向推臂相當於可控偏心上穩定器，它與近鑽頭旋轉的下穩定器相結合，使井眼軌跡更加平滑，提高了井眼軌道的控制精度及效率。
文檔編號E21B7/04GK102704841SQ20121017281
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月30日 優先權日2012年5月30日
發明者吳剛, 張策, 胡鵬 申請人:中國石化集團江漢石油管理局石油機械研究院, 中國石油化工集團公司