钻井旋转导向系统及旋转导向执行器

摘要

一种钻井用旋转导向系统和旋转导向执行器，用于解决现有旋转导向工具液缸及活塞的数量被限制住和导向不易控制的问题。本发明的导向系统包括固定安装在钻挺(1)内的至少三个旋转导向执行器，所述的至少三个旋转导向执行器由下至上周向分布。本发明的旋转导向执行器包括液压执行模块、导线密封模块和用于控制流体进出活塞腔(27)的电磁阀模块；所述导线密封模块固定在密封盖(19)上并包括插接头(24)，导线通过插接头(24)与电磁阀模块密封连接。本发明在定向钻井施工中不仅能够对井身轨迹安全可靠的进行全方位连续精确自动控制，而且精确分度不受泥浆性能影响。

说明书

技术领域：

本发明涉及油田钻井领域钻定向井所用的旋转导向工具，尤其是油田钻井用旋转导向系统和旋转导向执行器。

背景技术：

随着油田的开发，技术不断的发展，定向井技术是当今世界石油勘探开发领域最先进的钻井技术之一，定向钻井就是使井身沿着预先设计的井斜和方位钻达目的层的钻井方法。它是由特殊井下工具、测量仪器和工艺技术有效控制井眼轨迹，使钻头沿着特定方向钻达地下预定目标的钻井工艺技术。采用定向井技术可以使地面和地下条件受到限制的油气资源得到经济、有效的开发，能够大幅度提高油气产量和降低钻井成本，有利于保护自然环境，具有显著的经济效益和社会效益。

旋转导向钻井系统是定向钻井的核心。其中旋转导向钻井系统主要由井下旋转导向钻井工具系统、双向通讯系统和地面监控系统三大部分组成，其测试元件将测得的井眼参数通过短程通讯传输到随钻测量仪，再由随钻测量仪将信息传输到地面。

在旋转导向钻井系统中，旋转导向工具又处于旋转导向钻井系统核心地位，旋转导向工具是导向执行机构，是旋转导向钻井系统功能实现的最终执行机构。旋转导向工具根据井下工程、地质、几何参数的监测及实际需要，按已设定的程序或交互给定的指令进行井身轨迹的控制和调整，包括井斜、方位。

现有旋转导向工具主要由3个互成120°角的液缸及活塞组成，旋转导向工具接收由地面发出的指令，并通过稳定平台单元调控工作液来控制分配单元中的上盘闻高压孔的位置，工作液控制分配单元将过滤后的泥浆依次分配到某个液缸，旋转状态下液缸能够按控制指令控制使某个活塞的伸出量，某个液缸带动某个活塞的伸出，给推板提供推靠动力，并使该推靠力的合力方向始终保持在上盘阀高压孔所对应的位置，在近钻头处形成拍打井壁的侧向力，通过对侧向力的大小、方向和拍打频率的调整，可直接控制活塞改变作用在钻头上的合力或钻具偏心度，在钻具的相应位置形成1个偏心位移矢量，使可控偏心器偏离井眼中心线，形成1个等效弯接头，通过调整3个液缸的偏心位移矢量，可形成不同的工具面角和弯接头弯角，从而进行导向。

现有旋转导向工具由于采用三个液缸及活塞是在同一平面，再因钻铤内径及过液通道等因素限制，液缸及活塞的数量被限制住，这样当某个液缸失灵时，旋转导向工具就失去一定的导向角度，进而增加了起下钻次数，影响了钻井成本、效率和质量。同时现有旋转导向工具由于采用工作液控制，导向不易控制，因而不易实现自动化控制导向。

发明内容：

为了解决现有旋转导向工具液缸及活塞的数量被限制住，当某个液缸失灵时，易失去一定的导向角和导向不易控制的问题，本发明提供一种油田钻井旋转导向系统和旋转导向执行器，该油田钻井用旋转导向系统在定向钻井施工中不仅能够对井身轨迹安全可靠的进行全方位连续精确自动控制，而且精确分度不受泥浆性能影响。

本发明的技术方案是：

本发明的钻井旋转导向系统包括至少三个固定安装在钻挺内的旋转导向执行器，所述的至少三个旋转导向执行器由下至上周向分布，也就是说，所述至少三个旋转导向执行器在钻挺1内既有周向排布，每个旋转导向执行器之间也存在纵向(也即钻挺轴向)上的间隔。旋转导向执行器的个数可为3-6个，优选3、4或6个。

本发明的旋转导向执行器，包括主壳体、后壳体、密封盖和液压执行模块、导线密封模块、电磁阀模块；所述液压执行模块包括由主壳体与后壳体组成的活塞腔、容纳在活塞腔内的活塞；电磁阀模块用于控制流体进出活塞腔；所述导线密封模块固定在密封盖上并包括插接头，导线通过插接头与电磁阀模块密封连接。

本发明具有的有益效果是：该油田钻井用旋转导向系统由于采用钻铤内由下端至上固定有至少3个旋转导向执行器，旋转导向执行器由电磁阀控制液压缸进液及出液状态，液压缸的活塞能够伸出钻铤外，电磁阀与控制装置相连结构。利用控制装置控制线圈，开关液压缸进液及出液，使活塞能够伸出或缩回，实现导向目的。因在钻铤内可以轴向螺旋均匀固定有3个及3个以上旋转导向执行器，增加了作用点，不仅能够保证正常导向，而且提高导向精度。同时因采用控制装置控制线圈，线圈控制液压缸，进而实现自动控制导向的目的，最终解决了现有旋转导向工具，当某个液缸失灵时，旋转导向工具就失去一定的导向角度，进而增加了起下钻次数，影响了钻井成本、效率和质量，导向不易控制，不易实现自动化控制导向的问题。

本装置电磁阀的是针对井下工况而设计的，其工作线圈为全封闭结构，不承受井底液柱压力，相当于在常压下工作，这样保证了线圈工作的有效性，进而保证了旋转导向侧推液缸工作的有效性。

附图说明：

附图1是本发明的钻铤外示意图；

附图2是图1A-A向俯视图；

附图3是旋转导向执行器安装在钻铤结构示意图；

附图4是旋转导向执行器结构示意图；

附图5是旋转导向执行器缸体结构示意图；

附图6是阀塞结构示意图。

图中1-钻铤，2-锥套，3-活塞，4-锁紧头，5-主壳体，6-后壳体，7-阀体，8-出液通道，9-第一液流孔，10-出液孔，11-磨损块，12-过滤网，13-阀塞，14-阀杆，15-磁铁套，16-复位弹簧，17-线圈，18-绕线柱，19-密封盖，20-过液孔，21-螺纹套，22-连接帽，23-第二液流孔，24-插接头，25-进液通道，26-回位弹簧，27-活塞腔，28-线圈腔。

具体实施方式：

下面结合附图将对本发明作进一步说明：

由附图1结合图2、图3所示，本发明的钻井旋转导向系统包括至少三个固定安装在钻挺1内的旋转导向执行器，所述的至少三个旋转导向执行器由下至上周向分布，也就是说，所述至少三个旋转导向执行器在钻挺1内既有周向排布，每个旋转导向执行器之间也存在纵向(也即钻挺轴向)上的间隔。优选地是，钻挺1内固定安装3、4、6个本发明的旋转导向执行器，图2所示的是采用4个旋转导向执行器时的情况。在本发明中，可以按照设计和施工需要，各个执行器之间具有在周向上均匀布置，也可以在周向上以不同的角度进行间隔；同理，纵向上的间隔也是如此，各个旋转导向执行器之间的间隔距离可以相同也可以不同。采用这种结构可增加旋转导向执行器的数量，进而不仅能够保证正常导向，而且提高了造斜时的导向精度，同时还有利于进行地面控制。下面将结合附图首先对本发明的旋转导向执行器进行详尽说明。

本发明的旋转导向执行器包括导线密封模块、电磁阀模块和液压执行模块。参看附图4、5，导线密封模块固定在密封盖19上，其主要是起连接、密封、保护导线的作用。导线密封模块包括锥套2、锁紧头4、螺纹套21、连接帽22和插接头24。连接帽22下端通过螺纹连接有螺纹套21，螺纹套21通过半环固定连接在密封盖19上的接头上，并且插接头24密封固定在密封盖19上的接头内，电磁阀模块的线圈17的接线端就通过密封盖19内的过线孔连接在插接头24上，通过这种设计就可保证钻井液无论如何也不能顺着导线流过密封盖19从而进入到电磁阀模块内线圈17处，进而保证了线圈17不会收到钻井液的侵蚀等因素的破坏。连接帽22上端呈锥形，上端内有一锥形孔，该锥形孔内安装有锥套2和锁紧头4。锥套2及锁紧头4轴向居中分别有过线孔。锁紧头4下端与插接头24之间可具有一空腔，并且空腔内注满硅胶。

电磁阀模块包括阀体7、阀塞13、阀杆14、磁铁套15、复位弹簧16和线圈17。线圈17位于后壳体6上的线圈腔28内并缠绕在线圈腔28内的中空的绕线柱18上。线圈腔28上端通过密封盖19密封，从而确保外界物质(如钻井液)不会进入到线圈腔28内并保持线圈腔28内的常压状态。绕线柱18内置有磁铁套15，磁铁套15为具有磁性的磁体，阀杆14固定在磁铁套15内，并且阀杆14的下端固定有阀塞13。控制线圈17通电和断电，借助磁力作用和阀塞13下方的复位弹簧16的弹力，磁铁套15在绕线柱18内上下运动，从而带动阀杆14上下运动，进而带动阀塞13在阀体7内上下运动。如图6，阀塞13中部具有一过液孔20。阀体7的外上端设置有第二液流孔23、内下端从上至下设置有第一液流孔9和出液孔10。当阀塞13上行至上端点时，正好保证过液孔20将第一液流孔9和第二液流孔23连通，并同时关闭出液孔10；当阀塞13下行至下端点时，正好保证过液孔20将第一液流孔9、出液孔10和出液通道8连通，而将第二液流孔23关闭。

进一步如图4、5所示，液压执行模块包括由主壳体5与后壳体6组成的活塞腔27、设置在活塞腔27内的活塞3、固定在活塞3与后壳体6的内壁之间的回位弹簧26、固定在活塞3外侧的磨损块11、后壳体6上的进液通道25和主壳体5上的出液通道8。磨损块11用于保护活塞3，并方便更换。当活塞3在液压的作用下向外伸出钻挺，使磨损块11顶靠在井壁上，从而完成导向造斜。进液通道25与第二液流孔23保持联连通，而出液通道8与出液孔10保持连通。进液通道25外侧可设置有过滤网12，以便对进入进液通道25内的流体(如钻井液)进行过滤。

工作原理：

组装时，导线依次穿过连接帽22、锥套2、锁紧头4后，通过接头插接在插接头24上端，再通过密封盖19内的导线与线圈17相连。在组装时，通过旋转锁紧头4带动锥套2向上移动，锥套2向上移动过程中，由于受连接帽22内锥形的挤压，锥套2内孔变小，进而将导线固定密封住，再向连接帽22内注满硅胶，防止了钻井液进入导线密封模块内。

单个旋转导向执行器的工作过程具体为，在钻井过程中，在转向或调偏时，由控制装置根据调整导向参数给一个旋转导向执行器的线圈17供电，线圈17产生磁力，线圈17产生的磁力与磁铁套15的磁力相互作用，在磁力作用下磁铁套15带动阀杆14向上运动，阀杆14拉动阀塞13向上运动，当阀塞13上的过液孔20完全将第一液流孔9和第二液流孔23连通时，阀塞13向上运动停止，此时阀塞13正好将出液孔10完全关闭，钻井液经过滤网12、进液通道25、第二液流孔23、过液孔20、第一液流孔9进入液压缸活塞腔27中，在钻井液压力作用下活塞3向外伸出，通过活塞3使磨损块11作用在井壁上并产生反作用力，使钻具偏移实现导向。反之，由控制装置根据调整导向参数给一个旋转导向执行器的线圈17断电，线圈17磁力消失，在复位弹簧16作用下，阀塞13及其磁铁套15和拉动杆14向下运动，当阀塞13上的过液孔20完全将出液孔10和第一液流孔9连通时，阀塞13向下运动停止，此时，第二液流孔23完全被阀塞13关闭，在回位弹簧26和井壁推力作用下，活塞3被收回到活塞腔27中，并且钻井液经第一液流孔9、过液孔20、出液孔10、出液通道8排出钻铤1外，导向停止。

本发明中钻井旋转导向系统具有至少三个上述的旋转导向执行器，控制装置可以根据需要同时控制其中的一个或多个(多数情况下为一个)同时工作，从而在一个或多个活塞3的作用下完成整个导向过程，具有导向精度高和操作简便的特点。