一种易造斜混合式旋转导向钻井系统技术方案

一种易造斜混合式旋转导向钻井系统，包括前置承载本体、钻压扭矩偏转传递短节和偏转控制系统，还包括设于钻压扭矩偏转传递短节后方的多个串接的万向钻压扭矩传递短节；钻压扭矩偏转传递短节和万向钻压扭矩传递短节均包括万向节，前置承载本体前端固定连接有钻头、后端固定连接所述万向节的输出端，前置承载本体的周向表面设有前置推靠组件；偏转控制系统通过控制前置推靠组件的径向推靠件沿着前置承载本体的径向方向推靠井壁，使前置承载本体以万向节中心点位置为中心相对万向节的输入轴产生偏转角来控制钻井方向，进而提高造斜率。由于产生偏转角仅需克服万向节发生偏转的较小力，进而可以通过高曲率井眼实现定向钻井。进而可以通过高曲率井眼实现定向钻井。进而可以通过高曲率井眼实现定向钻井。

【技术实现步骤摘要】
一种易造斜混合式旋转导向钻井系统


[0001]本专利技术涉及石油开采及钻探
，特别是一种易造斜混合式旋转导向钻井系统。

技术介绍

[0002]旋转导向钻井技术是目前世界上最具代表性和先进性的钻井技术，根据井下工具系统的工作方式将旋转导向系统(RSS，Rotary Steerable Systems)分为以下4种：静态偏置推靠式、动态偏置推靠式、静态偏置指向式和动态偏置指向式。其中，推靠式和指向式是按照钻头导向原理的不同对现有的导向钻井系统进行的两类。推靠钻头式是通过偏置机构(活塞推靠井壁)在钻头附近偏置钻头直接给钻头提供侧向力。指向钻头式是通过偏置机构(偏心环或偏心盘)直接或间接使钻头偏离井眼轴线，指向导向方向。同时，偏置机构的工作方式分为静态偏置和动态偏置。静态偏置是指在钻井过程中，偏置机构不与钻柱一起旋转，可在某一方向上固定提供侧向力；动态偏置是指偏置机构在钻进过程中与钻柱一起旋转，依靠控制系统使其在某一位置产生定向周期性的侧向力。
[0003]在郑德帅、高德利、冯江鹏和张洪宝发表的“推靠式和指向式旋转导向工具的造斜性能研究”.石油钻采工艺.2011,33(6):10
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13中，对各种旋转导向工具的造斜性能的优劣进行了评价，具体的，推靠式旋转导向系统，需要其偏置机构的驱动活塞使用非常大的侧向力推动钻头偏离原井眼实现缓慢导向，即能够实现的钻头转角(井斜角)较小，不能高效地完成造斜功能，造斜率较低；且在导向过程中，需对钻头施加非常大的侧向力，不易控制井眼走向，故而形成的井眼轨迹质量较差，即造斜的稳定性较差。具体地，静态偏置推靠式钻头除了上述缺点外，造斜率也异常低下，无法钻出高造斜率井眼。
[0004]此外，经过长期的实践检验，动态偏置推靠式钻头系统的推靠件要随着钻头旋转，并且在数百公斤至数吨的推靠压力下与岩石产生极大的摩擦，磨损非常严重，工作寿命低，钻井作业常常因推靠件失效而失败。所以急需一种能够使造斜更容易实现的导向结构来适应现场遇到的问题。
[0005]静态偏置指向式旋转导向系统，通过在钻头的上方控制偏心环的组合进而使钻头产生一个固定方向的偏置，虽然能够产生稳定的造斜率，但是钻头下侧没有能适应井眼外形的可变径的可靠支撑，导向时偏心环、中心驱动轴等机构和部件受到高强度的交变应力，容易发生疲劳破坏；且其控制单元必须设置于稳定平台。动态偏置指向式旋转导向系统，需要独立的反转电机维持其偏转，对电机功率需求大。此外，其他形式的动态偏置旋转导向也存在井眼轨迹不易控制等问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种易造斜混合式旋转导向钻井系统，通过控制前置推靠组件的径向推靠件向所述前置承载本体的径向推靠井壁产生推靠偏转力，使所述前置承载本体以钻压扭矩偏转传递短节的万向节中心点位置为中心、以所述扶正器与井壁的接触点为
支点、相对所述万向节的输入轴产生偏转角，进而完成混合式旋转导向功能，该系统只需通过前置推靠组件产生极小的推靠偏转力，便可使万向节旋转进而实现对钻头的旋转导向功能，且以扶正器与井壁的接触点为支点，增加了系统的可靠性和造斜稳定性。
[0007]本专利技术技术方案如下：
[0008]一种易造斜混合式旋转导向钻井系统，包括前置承载本体、钻压扭矩偏转传递短节和偏转控制系统，所述钻压扭矩偏转传递短节包括万向节，所述前置承载本体前端固定连接有钻头、后端固定连接所述万向节的输出端，所述前置承载本体的周向表面设有前置推靠组件；所述偏转控制系统通过控制所述前置推靠组件的径向推靠件沿着所述前置承载本体的径向方向推靠井壁，使所述前置承载本体以所述万向节中心点位置为中心、相对所述万向节的输入端产生偏转角。
[0009]作为优选，所述易造斜混合式旋转导向钻井系统还包括设于所述前置推靠组件后方的扶正器，若所述扶正器中心点位置位于所述万向节中心点位置的后方，则所述扶正器中心点位置与所述万向节中心点位置的距离不大于钻头直径的3倍；所述偏转控制系统通过控制所述前置推靠组件的径向推靠件沿着所述前置承载本体的径向推靠井壁，使所述前置承载本体以所述万向节中心点位置为中心、以所述扶正器与井壁的接触点为支点，相对所述万向节的输入端轴线产生偏转角。
[0010]作为优选，所述前置承载本体及所述钻压扭矩偏转传递短节均为贯通结构，且其贯通结构组成供钻井循环介质流通的主流道。
[0011]作为优选，所述易造斜混合式旋转导向钻井系统还包括穿过所述万向节的空心结构连接所述万向节的输入端和输出端的弹性流管。
[0012]作为优选，所述钻压扭矩偏转传递短节中设置有用于阻碍前置推靠组件带动所述前置承载本体围绕所述万向节转动的弹性稳定装置，所述弹性稳定装置使万向节的输入轴与输出轴保持同轴状态。所述输入轴可以是与万向节输入端相连的承载钻铤，所述输出轴可以是与万向节输出端相连的承载钻铤。
[0013]作为优选，所述弹性稳定装置包括穿过所述万向节的空心结构连接所述万向节的输入端和输出端的弹性管；所述贯通结构可以充分利用万向节附近的空间，给弹性管留有更充足的变形空间，使其可以承受更大的变形量。所述弹性管提供使所述万向节的输入轴与输出轴处于同一直线上的阻尼力，该阻尼力远小于传统柔性节发生偏转需克服的力，且发生弯曲的偏转点更靠下，更有利于工具导向性能的释放。
[0014]作为优选，所述限位机构包括杠杆结构和承载钻铤外壳，所述杠杆结构与所述承载钻铤外壳的内壁间产生有偏转空间，所述杠杆结构与承载钻铤外壳的内壁接触，用于承受旋转导向液压活塞的推力和/或井下的振动所带来的弯矩和/或钻压带来的侧向分力。
[0015]作为优选，所述弹性稳定装置包括中心对称环设于所述万向节承载钻铤壳体内的多根弹性轴，所述弹性轴提供使所述万向节的输入轴与输出轴处于同一直线上的阻尼力；和/或所述弹性稳定装置包括设于所述杠杆结构和承载钻铤外壳之间的偏转空间内的多块板簧。
[0016]作为优选，所述钻压扭矩偏转传递短节还包括限制所述偏转角在0
°
～5
°
范围内的限位机构；在钻压扭矩偏转传递短节的偏转角在0
°
～5
°
范围转动任意角度时，所述弹性稳定装置提供的驱使万向节输入端和万向节输出端恢复同轴状态的回复力可以克服该角度
下额定最大钻压下产生的径向分力。所述径向分力约为钻压乘以sinα。使万向节输入端和万向节输出端保持恢复同轴状态的趋势。
[0017]作为优选，所述偏转控制系统包括用于控制径向推靠件向所述前置承载本体的径向推靠井壁产生偏转力的电气执行设备、用于测量所述前置承载本体偏转角的姿态测量设备和井下计算设备；所述井下计算设备包括与所述姿态测量设备、所述电气执行设备和供电设备电连接的计算芯片。
[0018]作为优选，所述计算芯片接收所述姿态测量设备采集的偏转角信息与目标偏转角信息比对以计算导向方向和导向力，进而控制电气执行机构使前置推靠组件对井壁产生与所述导向方向相反的推力合力，通过闭环控制使钻压扭矩偏转传递短本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种易造斜混合式旋转导向钻井系统，其特征在于，包括前置承载本体、钻压扭矩偏转传递短节和偏转控制系统，还包括设于所述钻压扭矩偏转传递短节后方的多个串接的万向钻压扭矩传递短节；所述钻压扭矩偏转传递短节和所述万向钻压扭矩传递短节均包括万向节，所述前置承载本体前端固定连接有钻头、后端固定连接所述万向节的输出端，所述前置承载本体的周向表面设有前置推靠组件；所述偏转控制系统通过控制所述前置推靠组件沿着所述前置承载本体的径向方向推靠井壁，使所述前置承载本体以所述万向节中心点位置为中心相对所述万向节的输入端产生偏转角。2.根据权利要求1所述易造斜混合式旋转导向钻井系统，其特征在于，所述钻压扭矩偏转传递短节和所述万向钻压扭矩传递短节均还包括限制所述偏转角在0
°
～5
°
范围内的限位机构。3.根据权利要求1或2所述易造斜混合式旋转导向钻井系统，其特征在于，还包括设于所述前置推靠组件后方的扶正器，若所述扶正器中心点位置位于所述万向节中心点位置的后方，则所述扶正器中心点位置与所述万向节中心点位置的距离不大于钻头直径的3倍；所述偏转控制系统通过控制所述前置推靠组件的径向推靠件沿着所述前置承载本体的径向推靠井壁，使所述前置承载本体以所述万向节中心点位置为中心、以所述扶正器与井壁的接触点为支点，相对所述万向节的输入端轴线产生偏转角。4.根据权利要求3所述易造斜混合式旋转导向钻井系统，其特征在于，所述前置承载本体及所述钻压扭矩偏转传递短节均为贯通结构，且其贯通结构组成供钻井循环介质流通的主流道。5.根据权利要求4所述易造斜混合式旋转导向钻井系统，其特征在于，还包括穿过所述万向节的空心结构连接所述万向节的输入端和输出端的弹性流管；和/或所述钻压扭矩偏转传递短节还包括使万向节的输入轴与输出轴保持同轴状态的弹性稳定装置；所述弹性稳定装置包括穿过所述万向节的贯通结构，并分别与所述万向节的输入端和输出端同轴连接的弹性管。6.根据权利要求5所述易造斜混合式旋转导向钻井系统，其特征在于，所述限位机构包括杠杆结构和承载钻铤外壳，所述杠杆结构与所述承载钻铤外壳的内壁间产生有偏转空间，所述杠杆结构与承载钻铤外壳的内壁接触，用于承受旋转导向液压活塞的推力和/或井下的振动所带来的弯矩和/或钻压带来的侧向分力。7.根据权利要求5所述易造斜混合式旋转导向钻井系统，其特征在于，所述弹性管与万向节间留有活动间隙。8.根据权利要求5或6所述易造斜混合式旋转导向钻井系统，其特征在于，所述弹性稳定装置包括中心对称环设于所述承载钻铤外壳内表面的多根弹性杆，所述弹性杆提供使所述万向节的输入轴与输出轴处于同一直线上的回复力；和/或所述弹性稳定装置包括设于所述杠杆结构和承载钻铤外壳之间的偏转空间内的多块板簧，在钻压扭矩偏转传递短节的偏转角在0
°
～5
°
范围转动任意角度时，所述弹性稳定装置提供的驱使万向节输入端和万向节输出端恢复同轴状态的阻尼力应当大于该角度下额定最大钻压下产生的径向分力。9.根据权利要求1所述易造斜混合式旋转导向钻井系统，其特征在于，所述偏转控制系统包括用于控制径向推靠件向所述前置承载本体的径向推靠井壁产生偏转力的电气执行设备、用于测量所述前置承载本体偏转角的姿态测量设备和井下计算设备；所述井下计算
设备包括与所述姿态测量设备、所述电气执行设备和供电设备电连接的计算芯片。10.根据权利要求9所述易造斜混合式旋转导向钻井系统，其特征在于，所述计算芯片接收所述姿态测量设备采集的偏转角信息与目标偏转角信息比对以计算导向方向和导向力，进而控制电气执行机构使前置推靠组件对井壁产生与所述导向方向相反的推力合力，通过闭环控制使钻压扭矩偏转传递短节的转角大小和转动幅度与预设值一致，进而控制井眼轨迹。11.根据权利要求9或10所述易造斜混合式旋转导向钻井系统，其特征在于，所述姿态测量设备包括用于测量钻压扭矩偏转传递短节的万向节转角大小和转动方向的偏转传感器，对应的所述偏转角信息包括偏转传感器测得的所述前置承载本体相对所述万向节输入轴的转动方向信息和转角大小信息；所述目标偏转角信息包括预先存储于井下计算设备或通过通讯设备下传到所述井下计算设备的所述前置承载本体相对所述万向节输入轴的转动方向信息和转角大小信息。12.根据权利要求11所述易造斜混合式旋转导向钻井系统，其特征在于，所述姿态测量设备包括设于所述前置承载本体的第一加速度计和/或第一磁力计，对应的所述偏转角信息包括所述加速度计和/或磁力计测量的井斜角信息和/或方位角信息；所述目标偏转角信息包括预先存储于井下计算设备或通过通讯设备下传到所述井下计算设备的所述前置承载本体相对所述万向节输入轴的目标井斜角信息和/或目标方位角信息。13.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐梓辰，万晓跃，
申请(专利权)人：万晓跃，
类型：发明
国别省市：