[发明专利]一种控制工具面变化范围的导向装置

说明书

技术领域

本发明专利属于矿场钻井机械领域，具体涉及一种控制工具面变化范围的导向装置，主要用于研制地质、石油和煤炭等各种矿藏导向钻井工具，包括垂直钻井工具和旋转导向钻井工具。

背景技术

钻井是发现或开采地下矿藏资源的必然途径。根据设计井眼轨迹不同，矿藏井可划分成直井、定向井(或斜井)和水平井。

为确保实钻井眼轨迹沿着设计井眼轨迹钻进，必须按照设计测斜井深或测斜间距测斜，并计算出实钻井眼空间参数。如果实钻井眼轨迹偏离设计井眼轨迹，那么，就要利用特种钻井工具(例如弯螺杆钻具，旋转导向钻井工具等)调整井眼轨迹或改变井眼空间钻进方向，使其回到设计井眼轨迹控制范围内。在钻井术语中，把利用特种钻井工具调整井眼轨迹的方法称之为定向，井眼轨迹所在平面上倾方向称之为井眼高边，特种钻井工具所在平面上倾方向称之为工具面，二者之间夹角称之为装置角。工具面等于井眼高边与装置角二者之和，装置角不同，定向钻进结果迥异。当装置角0°时，增井斜钻进；当装置角90°时，增方位钻进；当装置角180°时，降井斜钻进；当装置角270°时，减方位钻进；当装置角介于任意二者之间时，增(或降)井斜和/或增(或减)方位钻进。

通常情况下，当井斜角＜3°时，采用磁性高边定向法；当井斜角≥3°时，采用重力高边定向法。所谓重力高边定向法，就是井眼轨迹所在铅垂平面上倾方向称之为井眼重力高边，表示为0°，因此，简单地认为工具面等于装置角，可直接按照工具面定向钻进。当工具面0°时，增井斜钻进；当工具面90°时，增方位钻进；当工具面180°时，降井斜钻进；当工具面270°时，减方位钻进；当工具面介于任意二者之间时，增(或降)井斜和/或增(或减)方位钻进。

目前，国外油服公司拥有成熟的旋转导向钻井工具，租赁服务费用昂贵。国内多家科技院校和油田企业尚处在研制过程中，至今未商业化推广应用。以贝克休斯为例，旋转导向钻井工具主要由控制端、测量端和液压端组成，其中，控制端包括涡轮发电系统、地面指令信号接收及反馈确认装置、工具面数据处理及控制集成电路等；测量端包括井眼参数测量、伽玛测量、电阻测量、井底压力及井温测量装置等；液压端周向120°均布设计三个推板，均对应加工安装有柱塞、柱塞缸、液压油通道、液压油泵、伺服电机、液压油腔室等部件(工具结构不同，柱塞缸数量可能不同，一个、两个或多个柱塞缸，多个柱塞缸内柱塞共同推动推板，因此，柱塞缸可称为一组柱塞缸或一个柱塞缸组，为避免混淆，下文所述柱塞缸均指柱塞缸组)。控制端“工具面数据处理及控制集成电路”通过导线连接液压端伺服电机，控制三个推板有序伸出或收回，迫使旋转导向钻井工具按照给定工具面导向钻进。

为确保旋转导向钻井工具持续高效导向钻进，控制端除通过“地面指令信号接收及反馈确认装置”给定工具面外，还在“工具面数据处理及控制集成电路”中设置50°-70°工具面变化范围，因此，作用在旋转导向钻井工具推板上的井壁反作用力(或称之为导向力)不是给定工具面的瞬间作用力，而是持续一段时间或50°-70°变化范围的连续作用力。例如，旋转导向钻井工具现场作业时通过“地面指令信号接收及反馈确认装置”给定工具面100°，“工具面数据处理及控制集成电路”中设置工具面变化范围60°，因此，旋转导向钻井工具现场作业工具面70°-130°。在某井段钻进过程中，液压端推板相对井眼缓慢旋转，测量端“井眼参数测量装置”定时测量出三个推板工具面位置，控制端“工具面数据处理及控制集成电路”根据推板工具面适时计算出各推板对应伺服电机所需电量，驱动伺服电机和液压油泵，液压油经液压油泵进入柱塞缸，柱塞伸出，推动推板压迫井壁，对应所产生井壁反作用力矢量和方向始终在现场作业工具面70°-130°范围内，且井壁反作用力矢量和大小满足井眼造斜率要求，推动钻头侧向切削地层导向钻进。

本发明专利提出了一种控制工具面变化范围的导向装置，其工具面变化范围不是人为设置的，而是由导向装置结构所控制的。利用该导向装置揭示的工具面范围变化规律及工具面范围大小对导向效率影响，可研制出多种矿藏导向钻井工具，包括垂直钻井工具和旋转导向钻井工具。

发明专利内容

本发明专利的目的是提供一种控制工具面变化范围的导向装置，主要用于研制地质、石油和煤炭等各种矿藏导向钻井工具，包括垂直钻井工具和旋转导向钻井工具。

本发明专利采用如下具体技术方案实现：

控制工具面变化范围的导向装置主要由圆环轨道面、控制开关和扇形控制环组成。