專利名稱：導(dǎo)軌花鍵定向鉆井工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用轉(zhuǎn)盤作動力的定向鉆井工具，可替代螺桿鉆具用于油(氣)井勘探開發(fā)過程中的定向井和長、中、短半徑定向水平井、叢式井、分支井鉆井。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的定向水平井工具可參見名稱為轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，專利號為03236776.7的技術(shù)方案，傳統(tǒng)的定向水平井工具采用螺桿作動力，螺桿的動力不足，長度太大，造斜鉆進、穩(wěn)斜鉆進要反復(fù)起下鉆，致使施工周期長?，F(xiàn)有的短半徑水平井工具需將造斜和水平延伸分幾趟鉆完成，工作效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種導(dǎo)軌花鍵定向鉆井工具，它可以解決定向井鉆進中，在不起下鉆的情況下，既可造斜鉆進，也可穩(wěn)斜鉆進的問題；用同一個工具就可適用于不同半徑(長、中、短半徑)的定向井和定向水平井鉆進問題；由于斜向器(彎頭)離鉆頭很近，造斜率可以做到很高，使用同一個工具適用于長、中、短半徑井或在一趟鉆內(nèi)打出數(shù)個曲率半徑不同的井段的問題；解決螺桿鉆具動力不足、長度太大的問題；在不起下鉆的情況下，將造斜和水平延伸一趟鉆完成的技術(shù)問題。
增加內(nèi)花鍵和外花鍵傳遞鉆壓，代替游銷承載，由于花鍵沿軸向均布，受力均勻，克服游銷單側(cè)壁受力不均的缺點，降低游銷磨損及受力變形。導(dǎo)軌設(shè)計更順暢，防止游銷與導(dǎo)軌配合時卡住，特定的內(nèi)花鍵、外花鍵、游銷及導(dǎo)軌的位置和角度，只需上提或下放鉆具，游銷在導(dǎo)軌中沿軌道移動，使外殼相對轉(zhuǎn)動規(guī)定的角度及主動軸和外殼軸向相對位移，內(nèi)花鍵、外花鍵隨著對位，完成錯開穿過或交錯承載，游銷卡住或松開內(nèi)層與外層的作業(yè)，從而完成造斜鉆進與穩(wěn)斜鉆進的轉(zhuǎn)換，操作準(zhǔn)確方便，狀態(tài)直觀，不需人工對角度。本發(fā)明能承受更大的扭矩，它長度短，造斜率高，適應(yīng)更小的轉(zhuǎn)彎曲率半徑。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種導(dǎo)軌花鍵定向鉆井工具，它包括外殼、主動軸、游銷、游動密封、彈簧片、從動軸、軸承、球鍵萬向節(jié)、斜向器；所述主動軸外表有導(dǎo)軌，在其下部有內(nèi)六方，其內(nèi)部有供循環(huán)泥漿和游動密封用的孔；所述的外殼內(nèi)壁上有一個固定的游銷；所述的從動軸是一個外六方結(jié)構(gòu)，在其上固定有一組游動密封；將外殼、軸承、斜向器和鉆頭接頭連接形成一個外層；將主動軸、從動軸、球鍵萬向節(jié)、連接器和鉆頭接頭連接形成一個內(nèi)層；所述的主動軸和從動軸以六方結(jié)構(gòu)配合滑動連接；所述主動軸外表的導(dǎo)軌為游銷的導(dǎo)向滑道，在外層的下部安裝有一個斜向器；所述外殼內(nèi)壁有一個與游銷同相位的內(nèi)花鍵，主動軸的外表上有一個外花鍵，導(dǎo)軌呈單向環(huán)島形通道，只有一個進出口，進出口對面有兩個頂點，通道由進出口有一傾斜向下段，經(jīng)一平直向下段，又經(jīng)一傾斜向下段，又經(jīng)一傾斜向上段，又經(jīng)一傾斜向下段，又經(jīng)一平直向上段及一傾斜向上段，回到進出口；導(dǎo)軌內(nèi)設(shè)有游銷定位槽和定位點，滑道拐角為游銷運動方向限位轉(zhuǎn)角并為內(nèi)花鍵、外花鍵互穿準(zhǔn)確定向；所述內(nèi)花鍵、外花鍵相互穿過并交錯重疊后游銷掛入游銷定位槽中，內(nèi)層、外層為同步轉(zhuǎn)動狀態(tài)，游銷從導(dǎo)軌中移出，內(nèi)層、外層互為解脫狀態(tài)，內(nèi)花鍵、外花鍵錯開狀態(tài)可相互穿過，交錯重疊狀態(tài)相互接觸面承載傳遞鉆壓。
所述導(dǎo)軌的形狀為，以導(dǎo)軌進出口為沿圓周起點0°，平直向下段在圓周的90°位置，一個頂點回到圓周的0°位置，穩(wěn)斜鉆進狀態(tài)游銷所在點在圓周的-45°位置，另一個頂點及平直向上段在圓周的-90°位置。
在外殼的上端有一個密封總成。在外殼的兩端所配的軸承為止推軸承。內(nèi)層、外層間有限位軸承。外殼和彈簧片的下固定端兩側(cè)采用焊接，外殼在彈簧片的下固定端的下方開有排屑槽，排屑槽沿軸向從彈簧片下固定端的下方貫通，即彈簧片下固定端徑向至外殼有空間。
本發(fā)明的優(yōu)點及積極效果本發(fā)明用轉(zhuǎn)盤作動力，可替代螺桿鉆具，該工具有兩種工作狀態(tài)既造斜鉆井狀態(tài)和穩(wěn)斜鉆進狀態(tài)，工作狀態(tài)可通過上提下放鉆具來轉(zhuǎn)換，鉆具每上提、下放一次，工作方式就轉(zhuǎn)換一次，井口的反映是方入不同。以本發(fā)明170mm外徑工具為例，最大長度2550mm，造斜鉆進長度2080mm，穩(wěn)斜鉆進長度2410mm，方入差330mm，許用抗扭強度15000N-m能承受更大的扭矩，適應(yīng)更小的轉(zhuǎn)彎曲率半徑。
在外殼上端有密封總成，它能防止砂子進入工具內(nèi)，還能起到扶正主動軸的作用。在外殼的兩端所配的軸承為止推軸承，受力合理，承載力大。所述的內(nèi)層、外層間采用多個限位軸承連接，防止落魚。
通過外殼施加鉆壓，球鍵萬向節(jié)之間沒有正壓力，減小了球鍵萬向節(jié)之間的磨擦。用轉(zhuǎn)盤作動力，動力大，不受井深、排量、泵壓、鉆壓限制。不起下鉆的情況下，可變換鉆進方式，既可造斜鉆進，也可穩(wěn)斜鉆進，提高生產(chǎn)效率。一個工具能適應(yīng)不同曲率半徑的井眼軌跡或在一趟鉆內(nèi)打出多個不同曲率半徑的井段。


圖1是本發(fā)明游銷到M點時的整體結(jié)構(gòu)原理圖、對應(yīng)位置橫截面圖及導(dǎo)軌展開圖。
圖2是本發(fā)明游銷到A點時的局部放大圖、對應(yīng)位置內(nèi)花鍵與外花鍵橫截面圖及游銷導(dǎo)軌展開圖。
圖3是本發(fā)明游銷到B點時的局部放大圖、對應(yīng)位置內(nèi)花鍵與外花鍵橫截面圖及游銷導(dǎo)軌展開圖。
圖4是本發(fā)明游銷到L點時的局部放大圖、對應(yīng)位置內(nèi)花鍵與外花鍵橫截面圖及游銷導(dǎo)軌展開圖。
圖5是本發(fā)明游銷到C點時的局部放大圖、對應(yīng)位置內(nèi)花鍵與外花鍵橫截面圖及游銷導(dǎo)軌展開圖。
圖6是本發(fā)明游銷到D點時的局部放大圖、對應(yīng)位置內(nèi)花鍵與外花鍵橫截面圖及游銷導(dǎo)軌展開圖。
圖7是本發(fā)明造斜鉆進時彈簧片的工作狀態(tài)及排屑槽與彈簧片下固定端的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的工作原理及實施例可參見附圖在圖1至圖6中，中上方為游銷導(dǎo)軌展開圖，展開圖右側(cè)的刻度尺表示對應(yīng)圓周上的角度值。圖中1是上接頭，2是主動軸，3是止推軸承，4是彈簧片，5是外殼，6是內(nèi)花鍵，7是外花鍵，8是游動密封，9是游銷，10是導(dǎo)軌，11是從動軸，12是內(nèi)六方，13是內(nèi)球鍵，14是密封圈，15是外球鍵，16是斜向器，17是限位軸承，18連接器，19是鉆頭接頭，20是密封總成，21是排屑槽，22是焊口。
圖2是上提鉆具游銷到A點時各部件的位置關(guān)系。
圖3是上提鉆具游銷由A點到B點，外花鍵7穿過內(nèi)花鍵6后各部件的位置關(guān)系。
圖4是上提鉆具游銷進入L點時各部件的位置關(guān)系。
圖5是下放鉆具游銷在C點時各部件的位置關(guān)系，此時為穩(wěn)斜鉆進狀態(tài)。
圖6是上提鉆具游銷在D點時各部件的位置關(guān)系，在此點定向下放鉆具后進入造斜工作狀態(tài)。
如圖7所述外殼和彈簧片的下固定端采用焊接，22是焊口，外殼在彈簧片的下固定端的下方開有排屑槽21，排屑槽沿軸向從彈簧片下固定端的下方貫通，可保證彈簧片在上端壓力消失時能順利復(fù)位而不被沉淀的鉆屑或其它固相卡住。
一種導(dǎo)軌花鍵定向鉆井工具，它包括外殼、主動軸、游銷、游動密封、彈簧片、從動軸、軸承、球鍵萬向節(jié)、斜向器；所述主動軸外表有導(dǎo)軌，在其下部有內(nèi)六方，其內(nèi)部有供循環(huán)泥漿和游動密封用的孔；所述的外殼內(nèi)壁上有一個固定的游銷；所述的從動軸是一個外六方結(jié)構(gòu)，在其上固定有一組游動密封；將外殼、軸承、斜向器和鉆頭接頭連接形成一個外層；將主動軸、從動軸、球鍵萬向節(jié)、連接器和鉆頭接頭連接形成一個內(nèi)層；所述的主動軸和從動軸以六方結(jié)構(gòu)配合滑動連接；所述主動軸外表的導(dǎo)軌為游銷的導(dǎo)向滑道，在外層的下部安裝有一個斜向器；所述外殼內(nèi)壁有一個與游銷同相位的內(nèi)花鍵，主動軸的外表上有一個外花鍵，導(dǎo)軌呈單向環(huán)島形通道，只有一個進出口M，進出口對面有兩個頂點L、D，通道由進出口有一傾斜向下段MA，經(jīng)一平直向下段AB，又經(jīng)一傾斜向下段BL，又經(jīng)一傾斜向上段LC，又經(jīng)一傾斜向下段CD，又經(jīng)一平直向上段及一傾斜向上段DM，回到進出口M；導(dǎo)軌內(nèi)設(shè)有游銷定位槽和定位點，滑道拐角為游銷運動方向限位轉(zhuǎn)角并為內(nèi)花鍵、外花鍵互穿準(zhǔn)確定向；所述內(nèi)花鍵、外花鍵相互穿過并交錯重疊后游銷掛入游銷定位槽(圖5中C點-45°位置)中，內(nèi)層、外層為同步轉(zhuǎn)動狀態(tài)，游銷從導(dǎo)軌中移出，內(nèi)層、外層互為解脫狀態(tài)，內(nèi)花鍵、外花鍵錯開狀態(tài)可相互穿過，交錯重疊狀態(tài)相互接觸面承載傳遞鉆壓。
所述導(dǎo)軌的形狀為，以導(dǎo)軌進出口M為沿圓周起點0°，平直向下段AB在圓周的90°位置，一個頂點L回到圓周的0°位置，穩(wěn)斜鉆進狀態(tài)游銷所在點C在圓周的-45°位置，另一個頂點D及平直向上段在圓周的-90°位置。
在外殼的上端有一個密封總成。在外殼的兩端所配的軸承為止推軸承。內(nèi)層、外層間有限位軸承。外殼和彈簧片的下固定端兩側(cè)采用焊接，外殼在彈簧片的下固定端的下方開有排屑槽，排屑槽沿軸向從彈簧片下固定端的下方貫通，即彈簧片下固定端徑向至外殼有空間。
本發(fā)明由摘掛裝置、球鍵萬向節(jié)、導(dǎo)向系統(tǒng)三大部分組成。
地面摘掛裝置由上接頭1、主動軸2、內(nèi)六方12、從動軸11(外六方)游動密封8，游銷9、導(dǎo)軌10，內(nèi)花鍵6，外花鍵7等組成。
導(dǎo)向系統(tǒng)由鉆頭接頭1、止推軸承3、外殼5，彈簧片4、排屑槽21(見圖7)、斜向器16、下止推軸承組成。
如圖1將摘掛裝置、球鍵萬向節(jié)、導(dǎo)向系統(tǒng)三大部分組裝成一體就是本發(fā)明。造斜鉆進時、扭矩通過上接頭1、主動軸2、內(nèi)六方12、從動軸(外六方)11、球鍵萬向節(jié)(內(nèi)、外球鍵13 15)、連接器18，鉆頭接頭19到鉆頭。鉆壓則通過上接頭1、上止推軸承3、外殼5、斜向器、下止推軸承加到鉆頭上。游動密封8和密封圈14可保證泥漿正常循環(huán)。在上述過程中，由于主動軸2上的內(nèi)六方12與從動軸11(外六方)可沿軸向相對滑動，鉆壓會壓縮彈簧片4(有四根見圖7)，彈簧片的上端被燕尾槽約束在外殼5上，只能軸向滑動，彈簧片的下端兩側(cè)與外殼焊接，鉆壓迫使彈簧片中部突出帖緊井壁，其結(jié)果是外殼5不轉(zhuǎn)、與外殼5連接的斜向器16不轉(zhuǎn)，斜向器16會讓鉆頭始終朝著一個方向鉆進，這就是造斜鉆進。
這可以理解為把一個彎接頭分成了內(nèi)層和外層，內(nèi)層用來傳遞扭矩，外層用來控制導(dǎo)向。它有兩種工作狀態(tài)；內(nèi)、外層一起旋轉(zhuǎn)時為穩(wěn)斜鉆進，內(nèi)層轉(zhuǎn)外層不轉(zhuǎn)時為造斜鉆進，工作狀態(tài)可以通過上提下放鉆具來轉(zhuǎn)換。
如導(dǎo)軌示意圖所示，主動軸外表的導(dǎo)軌為游銷導(dǎo)向，它呈單向環(huán)島形通道，只有一個口進出，導(dǎo)軌內(nèi)設(shè)有游銷滑道、定位槽和定位點，滑道拐角為游銷運動方向限位轉(zhuǎn)角并為內(nèi)、外花鍵互穿準(zhǔn)確定向，當(dāng)游銷、內(nèi)花鍵、外花鍵同處于0°時，內(nèi)、外花鍵處于可穿過相位，另外兩個可穿過相位為±90°；所述的游銷掛入游銷定位槽C中，內(nèi)、外層為同步轉(zhuǎn)動狀態(tài)，游銷從導(dǎo)軌中移出，內(nèi)、外層互為解脫狀態(tài)。如果要將造斜鉆進變?yōu)榉€(wěn)斜鉆進則先停鉆，上提鉆具，彈簧片回位，在自重和泵壓的作用下，主動軸和導(dǎo)軌上行，與外殼一體的游銷由M點進入導(dǎo)軌，到A點時，內(nèi)花鍵7與外花鍵6同處于90°，A到B為一直線，游銷到達B點時，外花鍵穿過內(nèi)花鍵，游銷到L點時鉆頭離開井底，再下放鉆具使游銷進到定位槽C點-45°時，外花鍵不能通過內(nèi)花鍵，受到內(nèi)花鍵支撐(不到原方入)，受游銷和導(dǎo)軌相互約束，外殼和主動軸不能相對旋轉(zhuǎn)。再打鉆時主動軸上的導(dǎo)軌會帶著游銷旋轉(zhuǎn)，游銷是固定在外殼上的，外殼也一起旋轉(zhuǎn)，斜向器也轉(zhuǎn)，這時的斜向器是360度導(dǎo)向，結(jié)果是使井徑擴大，這就是穩(wěn)斜鉆進。這時的鉆壓是通過主動軸、外花鍵、內(nèi)花鍵、外殼加到鉆頭的。由于穩(wěn)斜鉆進時摘掛裝置變長了，不到原方入，這是判定是否掛上的唯一條件。要將穩(wěn)斜鉆進變?yōu)樵煨便@進，則需要將游銷從導(dǎo)軌中移出，方法是上提鉆具游銷到D(-90°)點，設(shè)此時測得斜向器的方位為N°，再下放鉆具游銷由D點回到M點(方入有變化)，此時的方位是N°-(90°+外殼多旋轉(zhuǎn)一個游銷半徑角度數(shù))，本發(fā)明為N°-105°，因為鉆頭先接觸井底后游銷才離開D點，導(dǎo)軌迫使游銷(外殼和斜向器)回到N°-105°，在游銷剛脫離導(dǎo)軌彈簧片就撐住井壁了，先加1-2噸鉆壓確保彈簧片被壓實，再啟動轉(zhuǎn)盤即可進行造斜鉆進，這時的造斜方位是(N-105)度。每提放一次鉆具，工具的工作狀態(tài)就改變一次，判斷工具的工作狀態(tài)的唯一方法是量方入。不管游銷位置如何，游動密封8和密封圈14均保證系統(tǒng)密封，循環(huán)正常。所述的內(nèi)層、外層間采用多個限位軸承連接，當(dāng)內(nèi)層被扭斷時，受限位軸承的限制，落魚被約束在外殼內(nèi)，井下不會有落魚。
所述的游銷與內(nèi)花鍵同相位；所述的游銷在導(dǎo)軌內(nèi)每進出一次，在導(dǎo)軌的引導(dǎo)下，外花鍵要完成以下幾個程序1、外花鍵上行在90°時穿過內(nèi)花鍵；2、外花鍵下行在-45°處壓住內(nèi)花鍵；3、上行至-90°時再向下行穿過內(nèi)花鍵而復(fù)位；所述的游銷在導(dǎo)軌內(nèi)-45°處的定位槽中，外花鍵壓住內(nèi)花鍵時，為穩(wěn)斜鉆進狀態(tài)，相互間的壓力就是鉆壓，游銷從導(dǎo)軌中移出為造斜鉆進狀態(tài)。
它采用游動密封和外層兩端密封。在導(dǎo)軌的控制下，主動軸上的外花健可以上、下穿過外殼內(nèi)壁的內(nèi)花鍵，主動軸上的外花鍵可以壓住外殼上的內(nèi)花鍵并能承受鉆壓，當(dāng)主動軸上的外花鍵壓住外殼上的內(nèi)花鍵時游銷正好處于導(dǎo)軌定位槽中，此時為穩(wěn)斜鉆進狀態(tài)。當(dāng)游銷從導(dǎo)軌中移出時為造斜鉆進狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)軌花鍵定向鉆井工具，它包括外殼、主動軸、游銷、游動密封、彈簧片、從動軸、軸承、球鍵萬向節(jié)、斜向器；所述主動軸外表有導(dǎo)軌，在其下部有內(nèi)六方，其內(nèi)部有供循環(huán)泥漿和游動密封用的孔；所述的外殼內(nèi)壁上有一個固定的游銷；所述的從動軸是一個外六方結(jié)構(gòu)，在其上固定有一組游動密封；將外殼、軸承、斜向器和鉆頭接頭連接形成一個外層；將主動軸、從動軸、球鍵萬向節(jié)、連接器和鉆頭接頭連接形成一個內(nèi)層；所述的主動軸和從動軸以六方結(jié)構(gòu)配合滑動連接；所述主動軸外表的導(dǎo)軌為游銷的導(dǎo)向滑道，在外層的下部安裝有一個斜向器；其特征在于所述外殼內(nèi)壁有一個與游銷同相位的內(nèi)花鍵，主動軸的外表上有一個外花鍵，導(dǎo)軌呈單向環(huán)島形通道，只有一個進出口，進出口對面有兩個頂點，通道由進出口有一傾斜向下段，經(jīng)一平直向下段，又經(jīng)一傾斜向下段，又經(jīng)一傾斜向上段，又經(jīng)一傾斜向下段，又經(jīng)一平直向上段及一傾斜向上段，回到進出口；導(dǎo)軌內(nèi)設(shè)有游銷定位槽和定位點，滑道拐角為游銷運動方向限位轉(zhuǎn)角并為內(nèi)花鍵、外花鍵互穿準(zhǔn)確定向；所述內(nèi)花鍵、外花鍵相互穿過并交錯重疊后游銷掛入游銷定位槽中，內(nèi)層、外層為同步轉(zhuǎn)動狀態(tài)，游銷從導(dǎo)軌中移出，內(nèi)層、外層互為解脫狀態(tài)，內(nèi)花鍵、外花鍵錯開狀態(tài)可相互穿過，交錯重疊狀態(tài)相互接觸面承載傳遞鉆壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)軌花鍵定向鉆井工具，其特征在于所述導(dǎo)軌的形狀為，以導(dǎo)軌進出口為沿圓周起點0°，平直向下段在圓周的90°位置，一個頂點回到圓周的0°位置，穩(wěn)斜鉆進狀態(tài)游銷所在點在圓周的-45°位置，另一個頂點及平直向上段在圓周的-90°位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)軌花鍵定向鉆井工具，其特征在于在外殼的上端有一個密封總成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)軌花鍵定向鉆井工具，其特征在于在外殼的兩端所配的軸承為止推軸承。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)軌花鍵定向鉆井工具，其特征在于內(nèi)層、外層間有限位軸承。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)軌花鍵定向鉆井工具，其特征在于外殼和彈簧片的下固定端兩側(cè)采用焊接，外殼在彈簧片的下固定端的下方開有排屑槽，排屑槽沿軸向從彈簧片下固定端的下方貫通，即彈簧片下固定端徑向至外殼有空間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)軌花鍵定向鉆井工具，它包括外殼、主動軸、游銷、游動密封、彈簧片、從動軸、軸承、球鍵萬向節(jié)、斜向器；所述主動軸外表有導(dǎo)軌，所述外殼內(nèi)壁有一個與游銷同相位的內(nèi)花鍵，主動軸的外表上有一個外花鍵，導(dǎo)軌呈單向環(huán)島形通道，只有一個進出口；內(nèi)花鍵、外花鍵錯開狀態(tài)可相互穿過，交錯重疊狀態(tài)相互接觸面承載傳遞鉆壓。本發(fā)明用轉(zhuǎn)盤作動力，可替代螺桿鉆具，該工具有兩種工作狀態(tài)即造斜鉆進狀態(tài)和穩(wěn)斜鉆進狀態(tài)，工作狀態(tài)可通過上提下放鉆具來轉(zhuǎn)換，操作準(zhǔn)確方便，狀態(tài)直觀，不需人工對角度。本發(fā)明能承受更大的扭矩，它長度短，適應(yīng)更小的轉(zhuǎn)彎曲率半徑。
文檔編號E21B7/04GK1854455SQ200510064660
公開日2006年11月1日 申請日期2005年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月19日
發(fā)明者杜莉婷, 杜炊 申請人:杜炊