[发明专利]静态指向式旋转导向钻井工具的偏置导向机构及控制方法

说明书

本发明公开了一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构及控制方法，属于石油天然气钻井技术领域，包括钻头连接轴和不旋转外筒，所述的导向机构还包括柔性软管、偏置机构和滑块连接件，柔性软管与钻头连接轴连接，偏置机构安装在不旋转外筒内，所述偏置机构包括调心滑块、螺旋伸缩机构、控制电机，所述滑块连接件套设在钻头连接轴外部，所述调心滑块通过螺旋伸缩机构与控制电机连接，并安装在滑块连接件内，所述调心滑块在控制电机的带动下前后移动，推动钻头连接轴，实现结构弯角和工具面角的控制。接单根过程的扰动和施加在电机上的载荷都较小且较为稳定，系统对电能的需求明显减少，提高了导向工具使用寿命；方案简单易行，结构紧凑。

技术领域

本发明属于石油天然气钻井技术领域，具体地说，涉及一种静态指向式旋转导向钻井工具的偏置导向机构及控制方法。

背景技术

旋转导向钻井工具代表着当今石油定向钻井工具发展的最高水平。旋转导向钻井工具按照导向机构作用方式可划分为推靠式和指向式，按照导向工具外筒是否旋转又可划分为动态式和静态式。推靠式是指导向机构与井壁作用，利用产生的反作用力控制钻头方向，这种方式会产生螺旋井眼，其导向能力受到地层结构的限制，在软地层中的导向能力较差；指向式是指工具内部的导向机构对钻头连接轴施加作用力，进而控制钻头方向，这种方式钻出井眼的较平滑、规则，其导向能力强且不受地层影响，有利于提高井身质量，保证井下安全。

目前国外Schlumberger公司、Halliburton公司和BakerHughes公司等都已经开发了各自的旋转导向钻井工具，但是他们对国内进行严格技术封锁，其产品在国内并不出售，只提供高价技术服务。国内多家研究机构都开展了旋转导向钻井工具的研究并取得了一定的成果，但与国外技术水平相比，仍然有一定的距离。

Halliburton公司公开了一种基于静态指向式旋转导向工具，该导向系统利用防旋转装置使其外筒不旋转，其偏转导向机构由内外两个偏心环组合而成，在导向过程中，通过分别利用谐波驱动机构控制内外环的转动角度来调整柔性导向芯轴的位置，进而改变钻头的方向。当两个偏心环分别转动一定角度达到预期位置后，通过电磁离合器分别限制内外环的旋转，实现制动功能。其不足之处在于：①该案的导向作用由柔性芯轴实现，柔性导向芯轴需要承受高强度的交变应力，容易发生疲劳损坏；②该案的双偏心环偏置机构由谐波驱动机构驱动，谐波驱动机构中的柔性部件会周期性变形，容易疲劳损坏；③该案的制动作用通过与内环、外环相对应的电磁离合器实现，由于需要额外设计与偏置机构匹配的制动装置，增加了系统的复杂性。

Halliburton公司公开了一种静态指向式旋转导向钻井工具的偏置装置，该装置包括内外偏心环，采用两个电机分别通过齿轮传动驱动内外偏心环转动，进而控制钻头指向期望的方向。当双偏心环到达期望位置后，该案提出采用矢量控制驱动电机来保持预期钻头方向。此外该案还提出在电机上加入制动装置或者在齿轮传动机构中加入自锁机构来锁定双偏心环的位置。其不足之处在于：①电机矢量控制属于动态调节钻头方向的方法，此方法较为复杂，控制效果会受钻井过程中钻头带来的扰动的影响；②通过在电机或者齿轮传动机构中加入额外的制动装置锁定偏心环位置的方法会增加系统的复杂性，此案也未详细阐述制动装置的结构。

Weatherford公司公开了一种静态指向式旋转导向钻井工具，该工具具有非旋转外筒，按轴向6列、周向12个均匀分布的液压泵输出液压油，在电磁阀的控制下将液压油注入液压腔，进而控制各个活塞的伸出位移量，实现钻头的导向控制。其不足之处在于：电磁阀的导向控制属于动态调节钻头方向的方法，导向效果会受到钻头带来的干扰的影响，实现精确导向控制较为困难。

施卢默格公司公开了一种静态指向式旋转导向钻井系统，由钻井液驱动的液压泵提供一定压力的液压流体，利用电磁伺服阀控制液压流体进入液压缸，进而控制X-Y方向两组液压泵活塞的位置，以实现导向功能。其不足之处在于：该系统中的液压泵由钻井液提供动力，钻井液压力波动会影响导向效果，增大了精确液压导向控制的难度。