一种机械式静态推靠自动垂直钻井系统.pdf

本发明公开了一种机械式静态推靠自动垂直钻井系统，包括导向套，导向套的下部设有导向结构，导向结构通过驱动机构驱动，所述导向套内设有主轴和偏心块，主轴上套设有轴承，偏心块固定在轴承上；导向套内设置有钻井液流道、至少三条导通至驱动机构的第一流道以及至少三条导通至导向套外的第二流道；所述轴承上还设有阀门结构，偏心块转动时可带动阀门结构旋转，阀门结构位于偏心块所在一侧的部分能够使该侧的第一流道、第二流道均与钻井液流道导通，阀门结构与偏心块相对一侧的部分能够封闭该侧的第二流道，仅使第一流道与钻井液流道连通。

1.  一种机械式静态推靠自动垂直钻井系统，包括导向套，导向套的下部设有导向结构，导向结构通过驱动机构驱动，其特征在于，
所述导向套内设有主轴和偏心块，主轴上套设有轴承，偏心块固定在轴承上；
导向套内设置有钻井液流道、至少三条导通至驱动机构的第一流道以及至少三条导通至导向套外的第二流道；
所述轴承上还设有阀门结构，偏心块转动时可带动阀门结构旋转，阀门结构位于偏心块所在一侧的部分能够使该侧的第一流道、第二流道均与钻井液流道导通，阀门结构与偏心块相对一侧的部分能够封闭该侧的第二流道，仅使第一流道与钻井液流道连通。

2.  根据权利要求1所述的一种械式静态推靠自动垂直钻井系统，其特征在于，所述阀门结构包括一个设置在所述轴承上的偏心环，随偏心块绕主轴一同转动；
偏心环于远离偏心块的一侧设有第一开口，第一开口能够将钻井液流道与该侧的第一流道导通，第一开口下部的偏心环环壁能够阻断第二流道与钻井液流道的导通；
偏心环于偏心块所在一侧设有第二开口，第二开口能够将钻井液流道与该侧的第一流道和第二流道同时导通。

3.  根据权利要求1所述的一种机械式静态推靠自动垂直钻井系统，其特征在于，所述导向结构包括导向块，驱动机构能够使导向块沿着导向套的径向伸缩运动。

4.  根据权利要求3所述的一种机械式静态推靠自动垂直钻井系统，其特征在于，所述驱动机构包括设置在导向套下部的底座，底座的侧面设有活塞腔，活塞腔内设有能够沿着导向套径向移动的活塞，活塞向远离底座的方向移动时可以推动所述导向块，活塞腔连通所述第一流道，第一流道远离活塞腔的一端与所述钻井液流道连通，第二流道一端连通至钻井液流道，另一端连通至导向套外部。

5.  根据权利要求4所述的一种机械式静态推靠自动垂直钻井系统，其特 征在于，所述阀门结构在偏心块所在位置的相对一侧导通三条第一流道，从而使三个导向块伸出。

6.  根据权利要求5所述的一种机械式静态推靠自动垂直钻井系统，其特征在于，所述导向块包括4个第一导向块和4个第二导向块，第一导向块和第二导向块均沿着导向套的周向呈间隔分布，第一导向块与第二导向块的位置相互错开，使每个第一导向块与其相邻的两个第二导向块形成三角形分布。

7.  根据权利要求6所述的一种机械式静态推靠自动垂直钻井系统，其特征在于，所述第一导向块和第二导向块均沿着导向套的周向呈等间隔分布。

8.  根据权利要求2所述的一种机械式静态推靠自动垂直钻井系统，其特征在于，所述轴承包括上轴承和下轴承，所述偏心的块的上端固定在上轴承上，偏心块的下端固定在下轴承上，所述偏心环固定在下轴承的下部。

一种机械式静态推靠自动垂直钻井系统
技术领域
本发明涉及钻井设备领域，特别是一种机械式静态推靠自动垂直钻井系统。
背景技术
目前，钻探工程作为资源和环境勘探的重要手段，其研究领域正从传统的地表延伸到极地、海洋，以及地球深部、海洋底部。深部钻探将是地球深部探测的重要手段，也是获得地球深部实物的唯一方法，然而在深部钻探过程中，如何保持井眼垂直是一大难题，井斜的问题将直接制约钻进速度和钻孔质量，甚至是整个钻探工程的成败。像松科二井欲使井深达到6400米，随着井深的不断增加，井斜问题将愈加突出，危害愈加严重。
许多钻探工程如前苏联Kola超深井(设计终孔深度15000m、实际终孔深度12262m)和德国KTB主孔(设计终孔深度10000m、实际终孔深度9101m)因孔斜无法控制而被迫提前终孔。为了解决这一难题，国内外进行了大量的理论分析和现场实践，相继提出了刚性满眼钻具、钟摆组合钻具、偏轴钻具等防斜方法，但这些方法都是以牺牲钻压，降低机械钻速来换取防斜效果的被动防斜方式，效果并不明显，甚至有些地层完全达不到防斜纠斜的效果。尤其是在深孔及超深孔的钻探施工中，被动防斜方法成效有限，用于纠斜的施工时间所占比重还很大。
自动垂直钻井以及旋转导向钻井系统的出现，为防斜纠斜带来了重大技术突破，是一种集机电液于一体化的井下智能闭环导向钻井系统，可实现井下主动防斜纠斜，不需要人为干预而自动跟踪预定的井眼轨迹，可以成功解决高陡构造、大倾角复杂地层的防斜纠斜难题，在保证井眼质量的同时，释放钻压，提高机械钻速。德国KTB工程主孔达到终孔深度的最重要的先决条件是成功的实施了垂直钻进战略，研制的自动垂直钻井系统(VDS)成功应用至7500m的孔深范围，使得KTB成为当时世界上最垂直的钻孔，而且成功限制了研磨负荷和扭矩，为后期实施小间隙钻进和套管战略提供了必要的 先决条件。自动垂直钻井系统的发展进一步带动了旋转导向技术的进步，国外从20世纪80年代开始进行主动防斜技术研究至今，已经有10余家公司形成了各自的旋转导向系统，并进行了现场试验和应用，其无一例外都带有垂直钻进功能。目前，具有商业化应用能力的主要还是BakerHughes、Schlumberger和Halliburton三家公司。
目前的静态推靠式自动垂直钻井系统主要包括一个设置在外部相对不转动的导向套，导向套下部用于外接钻头，导向套内设有重力加速度计，用于感应井斜，导向套的下部设有由液压驱动的导向块，当感应到井斜时，向导向套内的微处理器发送信号，控制液压系统，从而使导向块向外侧突出顶在井内壁，以起到纠正井斜的作用。但是，现有的上述自动垂直钻井系统存在如下问题：
第一，用于驱动导向块的液压驱动系统需要独立的液压泵等机构，结构复杂，使得导向套的尺寸过大，无法应用于小直径井口的钻进。
第二，对井斜的校正效果不理想，存在着较大的误差，申请人经大量工程试验发现，引起这种误差的原因之一是因为导向块结构设计不合理，不能全面、精确、稳定地起到导向作用。
第三，重力加速度计等传感器属于电子器件，受井下温度的限制，无法在温度高于120℃的井眼中使用。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种机械式静态推靠自动垂直钻井系统。
为了实现上述目的，本发明提供的机械式静态推靠自动垂直钻井系统，包括导向套，导向套的下部设有导向结构，导向结构通过驱动机构驱动，
所述导向套内设有主轴和偏心块，主轴上套设有轴承，偏心块固定在轴承上；
导向套内设置有钻井液流道、至少三条导通至驱动机构的第一流道以及至少三条导通至导向套外的第二流道；
所述轴承上还设有阀门结构，偏心块转动时可带动阀门结构旋转，阀门 结构位于偏心块所在一侧的部分能够使该侧的第一流道、第二流道均与钻井液流道导通，阀门结构与偏心块相对一侧的部分能够封闭该侧的第二流道，仅使第一流道与钻井液流道连通。
优选地，所述阀门结构包括一个设置在所述轴承上的偏心环，随偏心块绕主轴一同转动；
偏心环于远离偏心块的一侧设有第一开口，第一开口能够将钻井液流道与该侧的第一流道导通，第一开口下部的偏心环环壁能够阻断第二流道与钻井液流道的导通；
偏心环于偏心块所在一侧设有第二开口，第二开口能够将钻井液流道与该侧的第一流道和第二流道同时导通。
优选地，导向结构包括导向块，驱动机构能够使导向块沿着导向套的径向伸缩运动。
优选地，所述驱动机构包括设置在导向套下部的底座，底座的侧面设有活塞腔，活塞腔内设有能够沿着导向套径向移动的活塞，活塞向远离底座的方向移动时可以推动所述导向块，活塞腔连通所述第一流道，第一流道远离活塞腔的一端与所述钻井液流道连通，第二流道一端连通至钻井液流道，另一端连通至导向套外部。
优选地，所述阀门结构在偏心块所在位置的相对一侧导通三条第一流道，从而使三个导向块伸出。
优选地，所述导向块包括4个第一导向块和4个第二导向块，第一导向块和第二导向块均沿着导向套的周向呈间隔分布，第一导向块与第二导向块的位置相互错开，使每个第一导向块与其相邻的两个第二导向块形成三角形分布。
优选地，第一导向块和第二导向块均沿着导向套的周向呈等间隔分布。
优选地，所述轴承包括上轴承和下轴承，所述偏心的块的上端固定在上轴承上，偏心块的下端固定在下轴承上，所述偏心环固定在下轴承的下部。
本发明提供的机械式静态推靠自动垂直钻井系统，具有如下有益效果：
(1)采用偏心块和偏心环来控制导向块的伸缩，仅涉及机械结构，与陀螺仪、重力加速度计等电子器件相比，不受井下温度影响。
(2)采用动态推靠式自动垂直钻井控制原理，但利用了钻井液内外液差作为动力来源，减少了系统的结构部件，适用于小直径的自动垂直钻井作业；
(3)导向执行机构采用了8导向块的分布式设计，增大了推力，提高了控制精度，并且在导向块推出时，形成三点支撑结构，提高了稳定性。
附图说明
图1为本发明所提供的机械式静态推靠自动垂直钻井系统的主剖视图；
图2为机械式静态推靠自动垂直钻井系统驱动机构与阀门结构的局部放大示意图；
图3为导向结构底座部分的局部立体结构示意图；
图4为偏心环的立体结构示意图；
图5为导向块的侧面展开分布图。
图中：
1.导向套2.钻杆3.钻井液流道4.上轴承5.下轴承6.偏心块7.底座8.导向块9.活塞腔10.活塞11.第一流道12.第二流道13.偏心环81.第一导向块82.第二导向块131.第一开口132.第二开口
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
术语解释：
重力高边和重力低边：仪器轴线方向线和重力垂线组成的平面上，仪器所在的边为重力高边，相差180°为重力低边。
请参考图1-4，本发明提供的一种机械式静态推靠自动垂直钻井系统，包括导向套1，导向套1内设置钻杆2，钻杆2的下端连接钻头，导向套1在外部相对静止，不随钻杆2转动。在导向套1内部设置钻井液流道3，用于流通钻井系统的钻井液。以钻杆2作为主轴，在主轴上部和下部分别套设上轴承4和下轴承5，主轴与导向套1内壁之间设有偏心块6，偏心块6的两端分别固定在上轴承4和下轴承5上，当钻井系统发生倾斜时，偏心块6能够以主轴(钻杆2)为轴，沿着导向套1内壁旋转滑动至重力低边。
在导向套1的下端设有导向结构，导向结构包括一个整体呈柱状的底座7，在底座7外侧沿底座7的周向分布多个导向块8，底座7上设有驱动导向块8沿导向套1径向伸缩运动的驱动机构，在导向套1上还设置有与导向块8位置对应的开口，使导向块8能够从开口处伸出。本实施例中导向块8的数量为8个，分为两组，每组4个，第一组导向块中的各导向块称为第一导向块81、第二组导向块中的各导向块称为第二导向块82。第一组导向块呈等间隔沿着底座的周向分布，第二组导向块位于第一组导向块的下部，也沿着底座呈等间隔周向分布，但是第二组导向中每个导向块的位置与第一组导向块的位置相互隔开，这样，第一组导向块中的每个导向块，都能够与其相邻的第二组导向块中的导向块形成三角形的分布。
用于驱动导向块8的驱动机构包括从底座侧面凹陷下去形成的活塞腔9，活塞腔9内设有活塞10，数量和位置与各导向块8对应，以推动各导向块8，导向块8内侧相应设置复位弹簧(图中未标出)，每个活塞10远离导向块8的一端连接至一条第一流道11。第一流道11远离活塞腔9的一端导通至钻井液流道3。在导向套1内还设有第二流道12，第二流道12的一端与钻井液流道3导通，另一端连通至导向套1的外部。
在下轴承5的下端固定连接有偏心环13，使得偏心环13随着偏心块6一同转动。偏心环13于远离偏心块6的一侧的环壁上开设有第一开口131，第一开口131呈条形，能够将钻井液流道3与该侧的第一流道11导通，而第一开口131下部的偏心环13环壁能够阻断该侧第二流道12与钻井液流道3的导通；偏心环13于偏心块6所在一侧的环壁上设有第二开口132，第二开口132能够将钻井液流道3与该侧的第一流道11和第二流道12同时导通。这样，当偏心块6转动到重力低边时，重力高边的偏心环13环壁能够将该边的第一流道11与钻井液流道3导通，而第二流道12封堵，钻井液3通过第一流道11流入活塞腔9，推动活塞10进而推动导向块8伸出。重力低边的偏心环13环壁能够将该侧的第一流道11和第二流道12同时与钻井液流道3连通，若第一流道11内原先流入了钻井液，可以在内外压差下经第二流道12泄压，使原本突出的导向块8在复位弹簧的作用下复位。
工作时，导向套1连同钻头随着整个钻井系统钻进，当钻具发生倾斜时， 偏心块6旋转滑动到重力低边，此时偏心环13的第一开口131位于重力高边，能够截断第二流道12与钻井液流道3的连通，而使第一流道11与钻井液流道3导通。钻井液自动流入位于重力高边的三条第一流道11，其中一条第一流道连通至第一导向块81对应的活塞腔9，另外两条第一流道连通至与第一导向块81相邻的两个第二导向块82对应的活塞腔，通过活塞腔9内活塞10推动重力高边的一个第一导向块81以及与其相邻的两个第二导向块82，构成三角形支撑结构支撑在井内壁，因为三角形支撑结构支撑面大，对井内壁的覆盖面也大，纠正井斜的效果更加精确全面，而且三角形的支撑结构也更加稳定可靠。此时，偏心环13的第二开口132位于重力低边，能够使第一流道11与钻井液流道3导通，也能使钻井液流道3与第二流道12导通，此时该侧的钻井液无论是在钻井液流道3中还是在第一流道11中，都会会因内外压差沿第二流道12流出导向套1泄压，以使该侧的导向块8收回并保持缩入状态。
以上对本发明所提供的机械式静态推靠自动垂直钻井系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。