[发明专利]一种动态指向式旋转导向钻井工具

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井技术领域，特别涉及一种动态指向式旋转导向钻井工具。

背景技术

随着国内外多数油气田相继进入开发中后期，油气藏开发难度逐渐加大，钻遇地层特性日益复杂，加之海上石油，近海油气田、煤层气田的陆续钻探，对常规的大位移井、水平井和多分支井等钻井工艺技术提出了更高的要求。旋转导向钻井技术是近年来发展起来的一项尖端的闭环自动钻井新技术，它的出现是世界钻井技术的一次质的飞跃。

井下旋转导向钻井工具系统根据其导向方式划分为推靠式和指向式，按照偏置机构的工作方式又可分为静态偏置式和动态偏置式，从应用情况看，指向式旋转导向钻井系统的造斜能力不依赖于和井壁的接触，更加适用于大井径或大肚子井眼、软地层、极软底层和夹层等的裸眼悬空侧钻，使得钻进狗腿度和侧向钻井造斜能力大为提高，有助于将井眼控制在油藏的最佳位置，提高井身质量，保证井下安全。而其中动态指向式旋转导向钻井系统更是由于其钻具组合完全旋转，钻出井眼光滑、规整，并可有效提高机械钻速，增大扭矩、调节钻压，充分发挥钻头性能，受到世界范围内诸多油气田钻井公司的欢迎。

世界著名的石油技术服务公司Baker Hughes，Schlumberger，Halliburton等都已经开发出各自的旋转导向钻井工具系统。国内西安石油大学、胜利油田钻井院、中海石油研究中心、中国地质大学、西南石油大学、辽河油田天意石油装备公司等单位也开展了旋转导向钻井技术研究，陆续取得了一定的研究成果。总体上，旋转导向闭环钻井技术仍处于快速发展的阶段，国际竞争十分激烈。其中动态指向式旋转导向钻井工具系统是当今世界钻井技术发展的最高阶段，代表着高精度定向钻井技术的发展方向。

中国专利公告号CN 101586440A，公开日2009年11月25日，发明创造的名称为一种指向式旋转导向钻井工具(该发明申请亦为实用新型专利授权，授权公告号：CN 201450731U，授权公告日2010年5月12日)，该申请案公开了一种不依赖地层的表面力学特性，结构简单，并且能够准确有效控制井眼轨迹的指向式旋转导向钻井工具系统，该系统本质上是静态偏置指向式旋转导向钻井工具系统，其不足之处在于①所述钻井工具工作时外筒不旋转，其作用扭矩较小；②所述钻井工具的导向由芯轴弯曲实现，该导向芯轴需承受高强度的交变应力，容易发生疲劳损坏。

从技术层面看，动态指向式旋转导向钻井系统是一个集机、电、液于一体的闭环自动控制系统，其造斜能力不依赖于和井壁的接触，并以井下所有部件完全旋转为主要技术特征。

美国专利号6,109,372，申请日1999年3月15日，授权日2000年8月29日，发明创造的名称为采用液压伺服回路控制的旋转导向钻井工具系统(Rotary Steerable Well Drilling System UtilizingHydraulic Servo-loop)，该案公开了一种基于动态指向式旋转导向工具，其外筒直接带动偏置机构进而带动钻头旋转，通过X-Y方向两组液压驱动活塞不间断运动来控制工作时偏置机构与外筒的相对位置，以达到指向的目的，其特点在于需要随时已知准确的外筒旋转速度，并随动控制X-Y方向两组液压驱动活塞的运行位置，液压驱动活塞位移与外筒转速的联立控制加之其本身的高负荷工作，无疑会增大精确指向控制的难度。

美国专利号6,092,610，申请日1998年2月5日，授权日2000年7月25日，发明创造的名称为主动控制的旋转导向钻井工具系统与方法(Actively Controlled Rotary Steerable System and Method forDrilling Wells)，该案公开了一种动态指向式旋转导向钻井工具系统，其外筒带动钻轴进而带动钻头旋转，产生较大旋转扭矩，同时该案提出了一种基于偏心轴的指向式导向机构，其结构弯角可在0°到设计最大角度之间变化，通过保证偏心轴地理静止，可恒定结构弯角值。其特点在于，当不需调整结构弯角而需调整方位角时，要首先破坏偏心轴地理静止状态，待偏心轴转动到所需方位时，再使其等速反向跟踪外筒转速，同时该案未能清楚详细地阐明偏心环驱动方式，无法得知偏心机构细节。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种动态指向式旋转导向钻井工具及其设计方法,其旋转外筒向钻头直接施加钻压和扭矩，带动钻轴、钻头共同旋转，同时采用稳定平台对地静止的控制方法、并结合液压驱动活塞导向偏置机构工作原理，实现井斜角和方位角的精确控制。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：