旋轉導向鑽井系統的製作方法
2023-06-07 16:48:46 2
旋轉導向鑽井系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種旋轉導向鑽井系統，該系統包括：鑽鋌、鑽頭驅動軸、泥漿管、泥漿管連接器、萬向節、泥漿密封裝置和鑽頭，以及與鑽鋌的內壁相連接的定向控制模塊；鑽頭驅動軸通過萬向節和定向控制模塊機械耦合至鑽鋌內，鑽頭驅動軸能繞著萬向節旋轉；定向控制模塊為電磁導向結構，通過電磁導向結構內的磁力對鑽頭驅動軸進行定向控制。本發明通過帶有電磁導向結構的定向控制模塊的磁力對鑽頭驅動軸進行定位控制，控制方式可靠，且系統結構簡單，易於實現。
【專利說明】旋轉導向鑽井系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及地質勘探領域，具體而言，涉及一種旋轉導向鑽井系統。
【背景技術】
[0002]目如，定向鑽井系統王要有兩種:1)推罪式系統；2)指向式系統。其中，推罪式系統通過推動特定鑽井方位對面的井壁來控制鑽井方向。指向式系統直接將鑽頭對準確定好的鑽井方向。指向式系統通常至少包括鑽鋌內的一根鑽頭驅動軸，鑽頭驅動軸由鑽鋌內的萬向節支撐，通過鑽鋌實現旋轉驅動。
[0003]圖1是配有傳統隨鑽測井系統100的旋轉導向鑽井系統112的主視圖。傳統隨鑽測井系統100包括鑽機102、鑽柱106、鑽頭110以及一個旋轉導向鑽井系統112。鑽柱106由鑽機102支撐，可以從地面104表面往下延伸至鑽孔108。鑽柱106可以與鑽頭110和旋轉導向鑽井系統112配合，進行定向鑽井。
[0004]在定向鑽井中，鑽鋌旋轉期間，需要保持鑽頭驅動軸相對靜止且朝鑽鋌方向傾斜，該指向式系統會結合定向控制方法，確保在鑽井工具旋轉時鑽頭會向預定的方向偏置。但是，這種旋轉導向鑽井系統的機械設計較為複雜。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種旋轉導向鑽井系統，以解決上述的問題。
[0006]在本發明的實施例中提供了一種旋轉導向鑽井系統，該系統包括:鑽鋌、鑽頭驅動軸、泥漿管、泥漿管連接器、萬向節、泥漿密封裝置和鑽頭，以及與鑽鋌的內壁相連接的定向控制模塊；鑽頭驅動軸通過萬向節和定向控制模塊機械I禹合至鑽鋌內，鑽頭驅動軸能繞著萬向節旋轉；定向控制模塊為電磁導向結構，通過電磁導向結構內的磁力對鑽頭驅動軸進行定向控制。
[0007]上述定向控制模塊包括:一對導軌和定位架；其中，每對導軌由兩個橫截面為「L」形的導軌上下相對設置構成，每個導軌的一側固定在鑽鋌的內壁上；定位架由一個橫臂和一個豎臂組成，其橫截面為「T」形；其中，所述豎臂與鑽鋌的內壁平行，所述橫臂位於相對設置的導軌的中部，所述豎臂的兩端設置有與導軌耦合的支撐輪；上下相對設置的導軌的相對面分別設置有第一定位磁鐵組，橫臂對應第一定位磁鐵組的位置設置有第二定位磁鐵組；定位架的橫臂遠離所述豎臂一端設置有耦合管，耦合管與鑽頭驅動軸連接。
[0008]上述第一定位磁鐵組可以為電磁鐵組，每組所述電磁鐵組至少包括四塊電磁鐵；所述第二定位磁鐵組可以為永磁鐵組。
[0009]上述永磁鐵組與電磁鐵組徑向對齊。
[0010]上述永磁鐵組通過安裝在所述橫臂上的永磁鐵支架固定，所述永磁鐵支架為非磁性金屬材料。
[0011 ] 上述第一定位磁鐵組可以為永磁鐵組；所述第二定位磁鐵組可以為電磁鐵組。
[0012]上述電磁鐵組與所述永磁鐵組徑向對齊。
[0013]上述電磁鐵組通過安裝在所述橫臂上的電磁支架固定，所述電磁支架為非磁性金屬材料。
[0014]上述耦合管通過一套軸承連接到鑽頭驅動軸上。
[0015]上述鑽頭驅動軸的徑向方向上設置有多個定向控制模塊。
[0016]本發明實施例提供的旋轉導向鑽井系統，通過帶有電磁導向結構的定向控制模塊的磁力對鑽頭驅動軸進行定位控制，控制方式可靠，且系統結構簡單，易於實現。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是配有傳統隨鑽測井系統的旋轉導向鑽井系統的主視圖；
[0018]圖2是本發明實施例提供的旋轉導向鑽井系統的主視圖；
[0019]圖3是本發明實施例提供的圖2中旋轉導向鑽井系統的定向控制模塊的具體結構示意圖；
[0020]圖4A是本發明實施例提供的圖3中AA』沿線第一組電磁鐵的剖面圖；
[0021]圖4B是本發明實施例提供的圖3中BB』沿線第二組電磁鐵的剖面圖；
[0022]圖5A是本發明實施例提供的圖3中與鑽頭驅動軸耦合的定位架的仰視圖；
[0023]圖5B是本發明實施例提供的定位架、鑽頭驅動軸和永磁鐵另一布局的仰視圖；
[0024]圖6是本發明實施例提供的永磁鐵和電磁鐵兩者的磁力相互作用的示意圖；
[0025]圖7是本發明實施例提供的旋轉導向鑽井系統工作機制的示意圖；
[0026]圖8是本發明實施例提供的圖2所示的定向控制模塊的另一部署方式示意圖；
[0027]圖9是本發明實施例提供的圖8中AA』沿線永磁鐵的剖面圖；
[0028]圖1OA是本發明實施例提供的圖8中耦合到鑽頭驅動軸上的電磁鐵組和定位架的仰視圖；
[0029]圖1OB是本發明實施例提供的定位架、電磁鐵組和鑽頭驅動軸的另一部署方式示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面通過具體的實施例並結合附圖對本發明做進一步的詳細描述。
[0031]如圖2所示的本發明實施例提供的旋轉導向鑽井系統的主視圖，該旋轉導向鑽井系統200包括:鑽鋌202、鑽頭驅動軸212、泥漿管210、泥漿管連接器208、萬向節207、泥漿密封裝置204和214，以及鑽頭216 ;以及與鑽鋌202的內壁相連接的定向控制模塊206 ;該鑽頭驅動軸212通過萬向節207和定向控制模塊206機械耦合至鑽鋌202內，鑽頭驅動軸212能繞著萬向節207旋轉；定向控制模塊206為電磁導向結構,通過電磁導向結構內的磁力對鑽頭驅動軸212進行定向控制。
[0032]使用萬向節207和定向控制模塊206，可以把鑽頭驅動軸212機械耦合到鑽鋌202內。鑽頭驅動軸212會繞著萬向節207旋轉，因而萬向節207就相當於一個中心點。整根鑽柱和鑽鋌202的重量都通過萬向節207施加到鑽頭216上。鑽鋌202的轉矩也可以通過萬向節207傳送到鑽頭216上。鑽頭驅動軸212的位置和方向角可以通過定向控制模塊206進行控制。
[0033]本發明實施例提供的旋轉導向鑽井系統，通過帶有電磁導向結構的定向控制模塊的磁力對鑽頭驅動軸進行定位控制，控制方式可靠，且系統結構簡單，易於實現。
[0034]參見圖3，定向控制模塊206包括:一對導軌302和定位架314(圖3左側也有定位架314，為了清楚，未示意);其中，每對導軌302由兩個橫截面304為「L」形的導軌302上下相對設置構成，每個導軌302的一側固定在鑽鋌202的內壁上；
[0035]定位架314由一個橫臂和一個豎臂組成，其橫截面為「T」形；其中，豎臂與鑽鋌202的內壁316平行，橫臂位於相對設置的導軌302的中部，豎臂的兩端設置有與導軌302耦合的支撐輪308 ；
[0036]上下相對設置的導軌302的相對面分別設置有第一定位磁鐵組，例如圖3中的第一組電磁鐵310和第二組電磁鐵318，橫臂對應第一定位磁鐵組的位置設置有第二定位磁鐵組，例如圖3中的永磁鐵組312 ;
[0037]定位架314的橫臂遠離豎臂一端設置有耦合管306，耦合管306與鑽頭驅動軸212連接。
[0038]在有些方案中，導軌302可以用高導磁率金屬製造，以增強磁通量。
[0039]在有些方案中，第一組電磁鐵310和第二組電磁鐵318可以用線圈代替。
[0040]定位架314通過下列方法可以控制鑽頭驅動軸212和鑽頭216的方位:1)拉/推鑽頭驅動軸212使其傾向帶萬向節207的鑽鋌202的一側；2)推/拉定位架314的橫臂，以便確定鑽頭驅動軸212與鑽鋌202之間的傾角；3)豎臂沿導軌302旋轉。定位架314可以通過第一組電磁鐵310和第二組電磁鐵318以及永磁鐵組312之間的相互作用驅動。
[0041]如圖3所示，第一定位磁鐵組為電磁鐵組，每組電磁鐵組可以至少包括四塊電磁鐵；第二定位磁鐵組為永磁鐵組。永磁鐵組與電磁鐵組徑向對齊。
[0042]上述永磁鐵組通過安裝在橫臂上的永磁鐵支架固定，永磁鐵支架為非磁性金屬材料。
[0043]圖4A是圖3中AA』沿線第一組電磁鐵310的剖面圖。第一組電磁鐵310可以包括電磁鐵 402、406、410、414、418、422、426、430、434、438、442、446、450、454、458、462、466 和470。優選第一組電磁鐵310中至少包括四塊電磁鐵。
[0044]圖4B是圖3中BB』沿線第二組電磁鐵318的剖面圖。第二組電磁鐵318可以包括電磁鐵 404、408、412、416、420、424、428、432、436、440、444、448、452、456、460、464、468 和472。優選第二組電磁鐵318中至少包括四塊電磁鐵。
[0045]在有些方案中，第一組電磁鐵310和第二組電磁鐵318的電磁鐵數量可以完全相同，可以從徑向和方位角方向進行校準。
[0046]具體實現時，上述電磁鐵和永磁鐵的數量和類型不固定。
[0047]圖5A是圖3中與鑽頭驅動軸212耦合的定位架314的仰視圖。定位架314的一端可以通過耦合管306連接到鑽頭驅動軸212上，而另一端則可以通過支撐輪308耦合到導軌302 (圖5A中未顯示)上。使用一套軸承504可以把耦合管306連接到鑽頭驅動軸212上。定位架314和耦合管306可以組成一個牢固的實體，並沿著導軌302旋轉。
[0048]在有些方案中，圖3中的永磁鐵組312可以用永磁鐵支架502來固定。它用非磁性金屬製造而成，可以安裝在定位架314上。有了永磁鐵支架502，定位架314就能夠容納更多的永磁鐵，比如說，圖5A中的永磁鐵506、508和510。
[0049]在有些方案中，永磁鐵組312可以同第一組電磁鐵310和第二組電磁鐵318徑向對齊，從而產生較大的磁力。
[0050]運行中，永磁鐵組312同第一組電磁鐵310和第二組電磁鐵318之間產生的磁力足以能夠讓定位架314沿著導軌302旋轉。鑽井時，定位架314的旋轉方向與鑽鋌202和鑽頭216的旋轉方向相反,但是兩者之間的旋轉頻率相同。
[0051]根據本發明的一些方案，圖5B是定位架、鑽頭驅動軸和永磁鐵另一布局的仰視視圖。多個定位架513、支撐輪518、永磁鐵支架511以及永磁鐵516、514和512可以耦合到鑽頭驅動軸212上，以此增加驅動力。
[0052]在有些方案中，永磁鐵512、514和516的形狀和尺寸可以與永磁鐵506、508和510
的完全相同。
[0053]根據本發明的一些方案，圖6是永磁鐵和電磁鐵兩者的磁力相互作用的示意圖。為便於解釋，圖6中僅僅顯示了六塊電磁鐵418、420、422、424、426和428和兩塊永磁鐵508和510。永磁鐵508和510可以分別在朝上方向620和朝下方向622上被磁化。根據電磁規律，同極相斥，異極相吸。為了將永磁鐵508和510移至方位614的左側,可以激活電磁鐵426和428，從而分別產生向上的磁通量616和618。接下來，電磁鐵426和428就會對永磁鐵510產生相應的拉力602和拉力604,從而拉動永磁鐵510往左移動。同理,可以激活電磁鐵418和420,從而就會分別產生向下的磁通量624和626。然後，電磁鐵418和420就會產生相應的推力606和推力608，從而推動永磁鐵510往左移動，以及產生相應的拉力610和拉力612,拉動永磁鐵508向左移動。在這一階段，電磁鐵422和424處於閒置狀態，定位在永磁鐵510的中間，不會向永磁鐵510施加拉力或推。
[0054]當施加到電磁鐵418、420、426和428上的控制電壓極性相反時，永磁鐵508和510
就可以往右移動。
[0055]在有些方案中，會把霍爾傳感器(如圖6所示)連接到電磁導向系統(相當於上述定向控制模塊206)上，以便精確測定永磁鐵和電磁鐵之間的相對位置。這樣的話，當旋轉導向鑽井系統運行時，就可以精確計算出電壓值，然後再運用到電磁鐵上。
[0056]根據本發明的一些方案，圖7是旋轉導向鑽井系統工作機制的示意圖。如前所述，定位架314可以通過下列幾種方式來控制鑽頭驅動軸212以及鑽頭216的方位:1)拉/推鑽頭驅動軸212使其傾向帶萬向節207的鑽鋌202 —側708 ；2)推/拉橫臂，以便確定鑽頭驅動軸212與鑽鋌202之間的傾角；3)控制定位架314沿導軌302旋轉。定位架314可以通過第一組電磁鐵310和第二組電磁鐵318以及永磁鐵組312之間產生的相互作用來驅動。例如，當定位架314位於負y軸的方位時，鑽頭216就會朝正y-軸的方向移動。再比如說，當鑽井方向朝向正X-軸時，定位架314將會保持在負X-軸的方向。
[0057]鑽井期間，如果鑽鋌202和鑽頭216沿方向702不斷旋轉，並且定位架314位於與鑽鋌202的固定位置，那麼鑽頭216就會在Z-軸上左右擺動，並且鑽出來的孔也相對較大。要在預定的方向上鑽井，就需要對鑽頭216進行同步定位。比如說，當鑽鋌202和鑽頭216沿方向702旋轉時，鑽頭216會不斷指向正y_軸的方向。為了讓鑽頭驅動軸212和鑽頭216與地層保持穩定，定位架314要沿方向704、706旋轉，而這一位置恰巧位於鑽頭旋轉方向702的對面，且鑽鋌202和鑽頭216的旋轉頻率相同。這種包括永磁鐵和電磁鐵的電磁導向系統能夠控制定位架314的位置和轉向，並最終控制鑽孔的打鑽位置。
[0058]根據本發明的一些方案，上述第一定位磁鐵組還可以為永磁鐵組；第二定位磁鐵組為電磁鐵組。圖8是圖2所示的定向控制模塊206的另一部署方式示意圖，其區別在於將永磁鐵和電磁鐵的位置調換。例如:將永磁鐵組802和804安裝在導軌302上，在定位架314上安裝電磁鐵組806。
[0059]根據本發明的一些方案，圖9是圖8中AA』沿線永磁鐵的剖面圖。永磁鐵組802可以包括永磁鐵902、904、906和908。優選永磁鐵組802至少有兩個永磁鐵。
[0060]在有些方案中，永磁鐵極性會隨導軌302而變化。比如說，當永磁鐵902和906的北極朝上，那麼永磁鐵904和908的北極就要朝下，以此來驅動電磁作業。
[0061]在有些方案中，永磁鐵組804的部署可以與永磁鐵組802的部署完全一樣。
[0062]根據本發明的一些方案，圖1OA是圖8中耦合到鑽頭驅動軸212上的電磁鐵組806和定位架314的仰視圖。圖8中的電磁鐵組806可以用一個電磁支架1000來支撐。它用非磁性金屬製造而成，可以安裝在定位架314上。有了電磁支架1000,定位架314就可以同時容納更多的電磁鐵，比如圖1OA中的電磁鐵1002、1004、1006、1008、1010和1012。
[0063]根據本發明的一些方案，圖1OB是定位架、電磁鐵組和鑽頭驅動軸的另一部署方式示意圖。多個定位架513、支撐輪518、電磁支架1014以及電磁鐵1016、1018、1020、1022、1024和1026也可以耦合到鑽頭驅動軸212上，從而增加驅動力。
[0064]在有些方案中，上述定向控制模塊206中還可以設置連接裝置，比如滑環(圖中未顯示)，以便將定位架314的功率轉移到電磁鐵組806上。
[0065]在有些方案中，多個電磁鐵1016、1018、1020、1022、1024和1026的形狀和尺寸可以與電磁鐵1002、1004、1006、1008、1010和1012的形狀和尺寸完全相同。
[0066]上述鑽頭驅動軸212的徑向方向上設置有多個定向控制模塊206。
[0067]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種旋轉導向鑽井系統，包括:鑽鋌(202)、鑽頭驅動軸(212)、泥漿管(210)、泥漿管連接器(208)、萬向節(207)、泥漿密封裝置(204)和鑽頭(216);其特徵在於，還包括:與鑽鋌(202)的內壁相連接的定向控制模塊(206)； 鑽頭驅動軸(212)通過萬向節(207)和定向控制模塊(206)機械耦合至鑽鋌(202)內，鑽頭驅動軸(212)能繞著萬向節(207)旋轉； 定向控制模塊(206)為電磁導向結構，通過所述電磁導向結構內的磁力對鑽頭驅動軸(212)進行定向控制。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，定向控制模塊(206)包括:一對導軌(302)和定位架(314)； 其中，每對導軌(302)由兩個橫截面為「L」形的導軌(302)上下相對設置構成，每個導軌(302)的一側固定在鑽鋌(202)的內壁上； 定位架(314)由一個橫臂和一個豎臂組成，其橫截面為「T」形；其中，所述豎臂與鑽鋌(202)的內壁平行，所述橫臂位於相對設置的導軌(302)的中部，所述豎臂的兩端設置有與導軌(302)耦合的支撐輪； 上下相對設置的導軌(302)的相對面分別設置有第一定位磁鐵組，所述橫臂對應所述第一定位磁鐵組的位置設置有第二定位磁鐵組； 定位架(314)的橫臂遠離所述豎臂一端設置有耦合管(306)，耦合管(306)與鑽頭驅動軸(212)連接。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述第一定位磁鐵組為電磁鐵組，每組所述電磁鐵組至少包括四塊電磁鐵；所述第二定位磁鐵組為永磁鐵組。
4.根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述永磁鐵組與所述電磁鐵組徑向對齊。
5.根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述永磁鐵組通過安裝在所述橫臂上的永磁鐵支架固定，所述永磁鐵支架為非磁性金屬材料。
6.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述第一定位磁鐵組為永磁鐵組；所述第二定位磁鐵組為電磁鐵組。
7.根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述電磁鐵組與所述永磁鐵組徑向對齊。
8.根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述電磁鐵組通過安裝在所述橫臂上的電磁支架固定，所述電磁支架為非磁性金屬材料。
9.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，耦合管(306)通過一套軸承連接到鑽頭驅動軸(212)上。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的系統，其特徵在於，鑽頭驅動軸(212)的徑向方向上設置有多個定向控制模塊(206)。
【文檔編號】E21B7/04GK104196451SQ201410429279
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2014年8月27日
【發明者】劉乃震, 趙齊輝, 盧毓周, 李永和, 白銳, 劉策, 李敬, 張磊, 張美君 申請人:中國石油集團長城鑽探工程有限公司