[發明專利]一種動態指向式旋轉導向鉆井工具

有效

• 申請號: 201210402593.5
• 申請日: 2012-10-19
• 公開（公告）號: CN102913131A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 鄢志丹;耿艷峰;楊錦舟;吳仲華
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: E21B7/04
• 分類號: E21B7/04;E21B4/00;E21B44/00
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明涉及石油天然氣鉆井技術領域，特別涉及一種動態指向式旋轉導向鉆井工具。

背景技術

隨著國內外多數油氣田相繼進入開發中后期，油氣藏開發難度逐漸加大，鉆遇地層特性日益復雜，加之海上石油，近海油氣田、煤層氣田的陸續鉆探，對常規的大位移井、水平井和多分支井等鉆井工藝技術提出了更高的要求。旋轉導向鉆井技術是近年來發展起來的一項尖端的閉環自動鉆井新技術，它的出現是世界鉆井技術的一次質的飛躍。

井下旋轉導向鉆井工具系統根據其導向方式劃分為推靠式和指向式，按照偏置機構的工作方式又可分為靜態偏置式和動態偏置式，從應用情況看，指向式旋轉導向鉆井系統的造斜能力不依賴于和井壁的接觸，更加適用于大井徑或大肚子井眼、軟地層、極軟底層和夾層等的裸眼懸空側鉆，使得鉆進狗腿度和側向鉆井造斜能力大為提高，有助于將井眼控制在油藏的最佳位置，提高井身質量，保證井下安全。而其中動態指向式旋轉導向鉆井系統更是由于其鉆具組合完全旋轉，鉆出井眼光滑、規整，并可有效提高機械鉆速，增大扭矩、調節鉆壓，充分發揮鉆頭性能，受到世界范圍內諸多油氣田鉆井公司的歡迎。

世界著名的石油技術服務公司Baker?Hughes，Schlumberger，Halliburton等都已經開發出各自的旋轉導向鉆井工具系統。國內西安石油大學、勝利油田鉆井院、中海石油研究中心、中國地質大學、西南石油大學、遼河油田天意石油裝備公司等單位也開展了旋轉導向鉆井技術研究，陸續取得了一定的研究成果。總體上，旋轉導向閉環鉆井技術仍處于快速發展的階段，國際競爭十分激烈。其中動態指向式旋轉導向鉆井工具系統是當今世界鉆井技術發展的最高階段，代表著高精度定向鉆井技術的發展方向。

中國專利公告號CN?101586440A，公開日2009年11月25日，發明創造的名稱為一種指向式旋轉導向鉆井工具(該發明申請亦為實用新型專利授權，授權公告號：CN?201450731U，授權公告日2010年5月12日)，該申請案公開了一種不依賴地層的表面力學特性，結構簡單，并且能夠準確有效控制井眼軌跡的指向式旋轉導向鉆井工具系統，該系統本質上是靜態偏置指向式旋轉導向鉆井工具系統，其不足之處在于①所述鉆井工具工作時外筒不旋轉，其作用扭矩較小；②所述鉆井工具的導向由芯軸彎曲實現，該導向芯軸需承受高強度的交變應力，容易發生疲勞損壞。

從技術層面看，動態指向式旋轉導向鉆井系統是一個集機、電、液于一體的閉環自動控制系統，其造斜能力不依賴于和井壁的接觸，并以井下所有部件完全旋轉為主要技術特征。

美國專利號6,109,372，申請日1999年3月15日，授權日2000年8月29日，發明創造的名稱為采用液壓伺服回路控制的旋轉導向鉆井工具系統(Rotary?Steerable?Well?Drilling?System?UtilizingHydraulic?Servo-loop)，該案公開了一種基于動態指向式旋轉導向工具，其外筒直接帶動偏置機構進而帶動鉆頭旋轉，通過X-Y方向兩組液壓驅動活塞不間斷運動來控制工作時偏置機構與外筒的相對位置，以達到指向的目的，其特點在于需要隨時已知準確的外筒旋轉速度，并隨動控制X-Y方向兩組液壓驅動活塞的運行位置，液壓驅動活塞位移與外筒轉速的聯立控制加之其本身的高負荷工作，無疑會增大精確指向控制的難度。

美國專利號6,092,610，申請日1998年2月5日，授權日2000年7月25日，發明創造的名稱為主動控制的旋轉導向鉆井工具系統與方法(Actively?Controlled?Rotary?Steerable?System?and?Method?forDrilling?Wells)，該案公開了一種動態指向式旋轉導向鉆井工具系統，其外筒帶動鉆軸進而帶動鉆頭旋轉，產生較大旋轉扭矩，同時該案提出了一種基于偏心軸的指向式導向機構，其結構彎角可在0°到設計最大角度之間變化，通過保證偏心軸地理靜止，可恒定結構彎角值。其特點在于，當不需調整結構彎角而需調整方位角時，要首先破壞偏心軸地理靜止狀態，待偏心軸轉動到所需方位時，再使其等速反向跟蹤外筒轉速，同時該案未能清楚詳細地闡明偏心環驅動方式，無法得知偏心機構細節。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種動態指向式旋轉導向鉆井工具及其設計方法,其旋轉外筒向鉆頭直接施加鉆壓和扭矩，帶動鉆軸、鉆頭共同旋轉，同時采用穩定平臺對地靜止的控制方法、并結合液壓驅動活塞導向偏置機構工作原理，實現井斜角和方位角的精確控制。

本發明通過以下技術方案來實現上述目的：