[发明专利]一种高造斜率混合式旋转导向系统及其控制方法

说明书

本发明提供一种高造斜率混合式旋转导向系统，所述旋转导向系统包括上扶正器、推靠巴掌和钻头，所述上扶正器、推靠巴掌和钻头与井壁接触三点，通过通过克服推靠式旋转导向系统导向能力受底层因素的影响，形成井眼曲率完成造斜功能，本发明外推靠与内指向相结合，系统造斜能力大大提升；外推靠与内指向液压动力系统共用，系统设计得到简化；系统对各种地层具有很好的适应性；将系统的弯曲芯轴断开，采用万向节连接传动结构，有效的改善了芯轴的受力状况，提高了系统的寿命和可靠性。

技术领域

本发明属于石油井下仪器技术领域，具体涉及一种高造斜率混合式旋转导向系统及其控制方法。

背景技术

旋转导向钻井技术是在钻柱全旋转的条件下进行导向钻井的，代表了当今钻井技术的最高水平，它在钻头上方装有一个可控偏置稳定器或可控制钻头侧向力(导向力)的旋转导向工具，并配有完整的旋转导向钻井控制系统，在钻柱旋转钻进时能调控井身轨迹的一项技术。利用旋转导向钻井技术进行钻井作业时，不需要频繁起下钻就可以实现三维井眼轨迹控制，且具有井眼轨迹更光滑，延伸距离更大的优点，对保证井眼轨迹质量，提高钻井速度和效率，满足钻复杂结构井的需求都有重要意义。

旋转导向系统按其导向方式分为2种:推靠钻头式(Push the Bit)和指向钻头式(Point the Bit)。推靠式旋转导向系统是在有一个远钻头支点的情况下，在尽量靠近钻头的位置,由偏置机构根据“力工作方式”产生一定的偏置力,接触井壁后,靠井壁的反作用力使钻头产生侧向切削力,从而实现导向。推靠式旋转导向系统对地层依赖性比较强，尤其是软地层导向能力受到限制。指向式旋转导向系统是偏置机构根据“位移工作方式”产生偏置,并最终使钻头产生一个相对于井眼轴线的倾角实现导向。指向式系统对弯曲芯轴的疲劳寿命要求较高，要产生大的造斜率要克服整个芯轴的刚度，且整个芯轴容易出现疲劳破坏现象。

传统的RSS造斜率范围为6-8°/100ft，并且钻遇软地层或者有夹层的薄岩层时，造斜率更低，井径扩大。本发明提出一种混合式旋转导向系统设计思路，将外推靠和内指向旋转导向系统的优点相结合，使得系统的造斜能力不受地层的限制，且能有效提高系统总的造斜能力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种高造斜率混合式旋转导向系统，所述旋转导向系统包括上扶正器、推靠巴掌和钻头，所述上扶正器、推靠巴掌和钻头与井壁接触三点，通过通过克服推靠式旋转导向系统导向能力受底层因素的影响，形成井眼曲率完成造斜功能；

进一步地，所述旋转导向系统还包括传动轴和万向节，所述传动轴通过万向节连接钻头，所述传动轴用于传递钻压和扭矩；

进一步地，所述旋转导向系统还包括球轴承、上轴承和非旋转套，所述传动轴与非旋转套之间具有上轴承和球轴承，所述上轴承和球轴承分别用于提供径向和轴向的装配；

进一步地，所述推靠巴掌沿非旋转套成120度径向均布；

进一步地，所述推靠巴掌的下部设有推力柱塞和拉力柱塞，所述推力柱塞和拉力柱塞均沿非旋转套成120度径向均布；

进一步地，所述拉力柱塞与传动轴通过铰接形式连接；

进一步地，一种高造斜率混合式旋转导向系统的控制方法，所述方法包括中立模式控制方法和系统导向模式控制方法；

进一步地，所述中立模式控制方法为系统不产生导向作用，钻头中心线和钻具中心线相重合，三个推力柱塞产生相同的侧向力，作为一个近钻头扶正器具有扶正钻头的作用，三个拉力柱塞产生相同的拉力作用，保持当前姿态稳斜钻进；

进一步地，所述系统导向模式控制方法为三条液压回路产生的液压力不相等，系统产生一定的偏心位移量OO₁’,沿推力柱塞截面可以产生与OO₁’方向相同的偏心位移量OO₂’，拉力柱塞对推靠巴掌会产生推力作用，增大钻具组合的侧向力，提升系统造斜率；