[发明专利]一种动态内偏置指向钻头式旋转导向装置

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井设备技术领域，特别是闭环旋转导向钻井技术。

背景技术

近十几年来，水平井、 大位移井、 多分支井等复杂结构井和“海油陆采”、页岩气开发的迅速发展，以及钻井工艺对提高效率、 降低成本、 提高在恶劣环境和复杂地质条件下钻井能力等的要求，国内外纷纷开展了对旋转导向钻井技术的研究。旋转导向钻井技术是一项尖端的自动化钻井新技术，国外钻井实践证明，在水平井、 大位移井、 大斜度井、 三维多目标井中推广应用旋转导向钻井技术，既提高了钻井速度，也减少了钻井事故，从而降低了钻井成本。旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心，决定了旋转导向钻井系统的工作特色和工作能力。

旋转导向技术是用钻盘（或顶驱）旋转钻柱钻井，随钻实现导向相应功能。其优点是：排除了滑动钻进、减少了扭矩和摩阻、提高了井眼质量、改善了井眼清洁、提高了机械钻速、降低了循环当量密度、选择最佳钻井参数获得最大机械钻速、降低了压差卡钻的风险、钻头的钻井性能选择优于钻头可导向性的选择、大位移钻井全过程定向控制、低风险钻进大多数高难度井眼轨迹的井节省钻机时间。此外，其极限井深可达15 km，钻井成本低。因此，旋转导向钻井技术是现代导向钻井技术发展的必然方向。

目前国外三大石油公司BakerHughes、Schlumberger和Halliburton 通过各种方式分别形成了其各自商业化应用的PowerDriveSRD、AutoTrakRCLS和 Geo-Pilot 旋转导向钻井系统，这 3 个系统的根本区别是井下钻井工具各不相同，这也充分说明了旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心。前面两种系统可归类为一种系统即推靠式( push – the - bit ) 旋转导向钻井系统； 而后一种属于指向式( point - the - bit ) 旋转导向钻井系统。推靠式旋转导向系统：侧向力大，造斜率高，但旋转导向钻出的井眼狗腿大，轨迹波动大，不平滑，钻头和钻头轴承的磨损较严重。指向式旋转导向系统：能钻出较平滑的井眼，摩阻和扭矩较小，可以使用较大的钻压，机械钻速较高，有助于发挥钻头的性能，钻头及其轴承承受的侧向载荷较小，极限位移增加，但是造斜率较低。目前推靠式旋转导向系统技术已基本成熟，而指向式旋转导向系统尚处于新兴起步阶段。

国内开展这方面的研究工作较晚。20世纪 90 年代才全面展开这方面的研究工作，2006 年以苏义脑院士为首的技术团队研制成功了 CGDS -1 近钻头地质导向旋转钻井系统，在冀东、辽河等油田应用 15 口井。另外，以张绍槐教授为首的研究团队，近年来与中国石化胜利油田合作，在旋转导向钻井方面也取得了突破性的成果。但大多研究在推靠式旋转导向钻井居多，指向式旋转导向钻井的研究在国内还处于“瓶颈 ”状态。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种指向式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，突破了现有国内推靠式旋转导向存在侧向力大，造斜率高，所钻井眼狗腿大，轨迹波动大，不平滑，钻头和钻头轴承的磨损较严重等问题，并较国外指向式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置结构更简单，控制更容易，可靠性更高的设计思路。回避了现有常规旋转导向技术中静态偏置推靠钻头式（工具系统外筒不旋转，如Auto TrakRCLS）、动态偏置推靠钻头式（全旋转，如Power Drive SRD）、静态偏置指向钻头式（工具系统外筒不旋转，如Geo-Pilot）等存在的缺点，形成一种新的动态内偏置指向钻头式（全旋转，且工具径向尺寸不会存在局部扩大现象）动态内偏置指向钻头式旋转导向装置。通过在钻柱靠近钻头端设置旋转偏阀芯推动液压活塞推杆式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，来使安装有钻头的球铰可沿一定偏角范围内360°周向旋转，提供了一种全新的指向式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，可通过偏阀芯旋转运动控制钻头“摇头晃脑”的周期，偏阀芯轴向运动控制钻头“摇头晃脑”的幅值，当把偏阀芯整体回拉远离活塞孔时候即可用来钻直井或者稳斜，而当偏阀芯靠近液压活塞孔越近，则造斜能力越强，能满足不同曲率半径的钻井；其不仅可适用于大曲率的钻井，还可用于中曲率和小曲率条件下的钻井，而且在钻进的过程中不存在工具局部径向尺寸扩大的问题，使岩屑排出的通道更加顺畅，提高了钻井的安全性和可靠性，因为是全旋转，减小了钻柱与井壁的摩擦力，可以让水平井段延伸的更长。

本发明采用的技术方案如下：