本发明涉及钻井工具领域的一种旋转导向钻井装置主要由心轴、定向筒、定位器、定位键、拉伸弹簧、控制阀、控制销、压缩弹簧、偏置块、轴承、密封装置组成，心轴与钻柱及钻头连接。造斜时，偏置机构伸出，钻柱与井眼偏心，定向筒与偏置机构不旋转，钻压、扭矩通过心轴传递至钻头，实现造斜段旋转定向钻进；稳斜时，偏置机构缩回，钻柱与井眼同心，钻压、扭矩通过心轴传递至钻头，实现稳斜段旋转钻进。旋转导向钻井装置造斜能力强，应用范围广，可大幅降低复杂结构井钻井成本，同时具有结构设计简单可靠、加工方便、传递扭矩大、运行平稳等特点。
1.旋转导向钻井装置，其特征是：心轴(1)安装在定向筒(2)内部，心轴(1)与定向筒(2)之间通过设置在心轴(1)外壁上环形凸沿和设置在定向筒(2)内壁上的环形凹槽构成沿轴向移动和周向旋转配合，心轴(1)上加工有间隔分布的上旁通孔(9)、下旁通孔(19)，其中上旁通孔(9)上部的定向筒(2)内壁上设有环形定位腔，定位腔内设有定位器(6)和定位键(7)，定位器(6)和定位键(7)分别固连在心轴(1)和定向筒(2)上，定位器(6)上加工定位键槽(25)和斜面，定位键(7)能够沿定位器(6)斜面滑动并与定位键槽(25)轴向插接配合，控制阀(12)安装在定向筒(2)与心轴(1)之间环空内，心轴能够相对控制阀转动，控制阀(12)上端与定向筒(2)之间安装拉伸弹簧(10)，控制阀(12)内壁或外壁上加工控制滑槽(13)，与之对应的心轴(1)或定向筒(2)上固定有控制销(14)，控制滑槽(13)和控制销(14)构成轴向往复移动的限位配合，心轴(1)上旁通孔(9)与控制阀(12)顶端腔室相通，控制阀(12)下端加工连通孔(16)，连通孔(16)在控制阀(12)相对心轴(1)往复移动过程与下旁通孔(19)构成关闭或相通配合，在下旁通孔(19)下部的定向筒(2)筒壁径向设有偏置块(18)，偏置块(18)与定向筒(2)之间安装压缩弹簧(17)，偏置块(18)、定向筒(2)、心轴(1)外壁形成密封腔。
2.根据权利要求1所述的旋转导向钻井装置，其特征是：心轴（1）上端与定向筒（2）上端之间设有浮动轴承（4）和止推轴承（5），心轴（1）下端与定向筒（2）下端之间设有浮动轴承（22）和止推轴承（21）。
3.根据权利要求1或2所述的旋转导向钻井装置，其特征是：控制滑槽(13)设有三个轴向位移控制止点；偏置块(18)安装在定向筒(2)上靠近钻头的一端并非均匀分布在定向筒(2)上。
4.根据权利要求3所述的旋转导向钻井装置，其特征是：由心轴(1)、定向筒(2)、定位器(6)、定位键(7)形成的腔室内充满润滑油；控制滑槽(13)内充满润滑油。
5.根据权利要求4所述的旋转导向钻井装置，其特征是：偏置块(18)外表面加工直棱，且与轴线平行；定向筒(2)为非圆形结构。
6.根据权利要求1所述的旋转导向钻井装置，其特征是：心轴(1)与定向筒(2)之间、控制阀(12)与定向筒(2)和心轴(1)外壁之间均安装密封装置。
旋转导向钻井装置
技术领域
[0001] 本发明主要涉及石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探行业领域的一种旋转导向钻井装置。
背景技术
[0002] 为了满足油气资源勘探开发的要求，大位移井、三维多目标井、长水平段水平井、分支井等复杂结构井越来越多，常规滑动钻井技术虽然能够满足钻井工艺的技术要求，但钻进效率大大低于旋转钻进，并且存在井眼净化差、井身质量差、井下复杂情况频发等诸多问题，直接影响了油气藏的高效开发。因此发展了旋转导向钻井技术，即采用旋转导向钻井系统在旋转钻井方式下实现井斜和方位的调整，配合随钻测量技术和井下控制技术，在进行井下测量信息实时反馈的同时，自动调整井下工具的造斜能力，实现复杂井眼轨迹的连续、自动控制，提高钻井效率和开发效益。国外石油公司根据各种偏置原理研发出了多种类型的旋转导向钻井系统，并已经成功进行了商业化应用，取得了较高的经济效益，例如philips公司的井底旋转闭环控制变径稳定器tracks系统，sperry-sun公司的遥控变径稳定器AGS系统在复杂结构井的钻井过程中发挥了重要作用，但由于只能调整井斜不能调整方位，因此使用范围受到了限制；Baker Hughes公司的带地质导向的井下闭环旋转导向钻井系统RCLS属于静止式旋转导向钻井系统，camco公司的旋转导向钻井系统SRD属于调节式旋转导向钻井系统，施卢默格公司的滑动套筒旋转导向钻井系统(专利号99127768.6)、液压伺服环路旋转可转向钻井系统(专利号00104162.2)、自动控制的旋转可控钻井系统及方法(专利号99127889.5)等，实现了三维控制。国内研究机构根据国外技术资料的基础上也进行了旋转导向钻井装置的研究，例如舵板式钻头导向器(专利号96211800.1)、偏心稳定器钻井导向工具(专利号91210649)、井眼轨迹控制器(专利号96226289.6)等，虽然能够进行定向钻井和方位调整，但不能连续实时控制井眼轨迹，并且由于关键技术的垄断以及元器件的限制，国内旋转导向钻井技术的研究仍处于室内研究阶段，难以满足国内油气田高效开发的迫切需要。
发明内容
[0003] 本发明是针对现有技术存在的问题，提出一种在采用旋转钻井方式钻进的前提下，利用液压、钻压，并配合随钻测量工具进行井斜和方位控制，实现井下连续实时调整，提升复杂井眼轨迹的控制能力，提高钻井效率和安全性，并且能够达到结构设计简单、适用范围广、性能平稳可靠、维修保养方便、使用成本低廉的旋转导向钻井装置。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0005] 旋转导向钻井装置，心轴1安装在定向筒2内部，心轴1与定向筒2之间通过设置在心轴1外壁上环形凸沿和设置在定向筒2内壁上的环形凹槽构成沿轴向移动和周向旋转配合，心轴1上加工有间隔分布的上旁通孔9、下旁通孔19，其中上旁通孔9上部的定向筒2内壁上设有环形定位腔，定位腔内设有定位器6和定位键7，定位器6和定位键7分别固连在心轴1和定向筒2上，定位器6上加工定位键槽25和斜面，定位键7能够沿定位器6斜面滑动并与定位键槽25轴向插接配合，控制阀12安装在定向筒2与心轴1之间环空内，并能够相对转动，控制阀12上端与定向筒2之间安装拉伸弹簧10，控制阀12内壁或外壁上加工控制滑槽13，与之对应的心轴1或定向筒2上固有控制销14，控制滑槽13和控制销14构成轴向往复移动的限位配合，心轴1上旁通孔9与控制阀12顶端腔室相通，控制阀12下端加工连通孔16，连通孔16在控制阀12相对心轴1往复移动过程与下旁通孔19关闭或相通，在下旁通孔19下部的定向筒2筒壁径向设有偏置块18，偏置块18与定向筒2之间安装压缩弹簧17，偏置块18、定向筒2、心轴1外壁形成密封腔。
[0006] 上述方案进一步包括：
[0007] 心轴1与定向筒2结合部设有浮动轴承4、浮动轴承22和止推轴承5、止推轴承21。
[0008] 控制滑槽13设有三个轴向位移控制止点；偏置块18安装在定向筒2上靠近钻头的一端并非均匀分布定向筒2上。
[0009] 由心轴1、定向筒2、定位器6、定位键7形成的腔室内充满润滑油；控制滑槽13内充满润滑油。
[0010] 偏置块18外表面加工直棱，且与轴线平行；定向筒2为非圆形结构。
[0011] 心轴1与定向筒2之间、控制阀12与定向筒2和心轴1外壁之间均安装密封装置。
[0012] 本发明的旋转导向钻井装置能够在采用旋转钻井方式钻进的同时，利用液压、钻压，并配合随钻测量工具进行井斜和方位控制，实现井下实时调整，从而提高复杂井眼轨迹的控制能力，提高钻井效率和安全性，打破国外技术垄断，到达利用低成本、高效率、高安全性钻井技术开发油气藏的目的。
[0013] 同时，旋转导向钻井装置还具有结构设计简单可靠、加工方便、传递扭矩大、运行平稳等特点，对于提高复杂结构井的钻井效率和延伸能力具有重要意义。
附图说明
[0014] 图1是依据本发明所提出的一种旋转导向钻井装置结构示意图。
[0015] 图2是图1中的旋转导向钻井装置定位键脱离定位器的示意图。
[0016] 图3是图1中的旋转导向钻井装置定位键进入定位器的示意图。
[0017] 图4是图1中的旋转导向钻井装置定位槽的放大展开示意图。
[0018] 图5是图1中A—A断面示意图。
[0019] 图中：1-心轴、2-定向筒、3-密封装置、4-浮动轴承、5-止推轴承、6-定位器、7-定位键、8-密封装置、9-旁通孔、10-拉伸弹簧、11-密封装置、12-控制阀、13-控制滑槽、14-控制销、15-密封装置、16-连通孔、17-压缩弹簧、18-偏置块、19-旁通孔、20-腔室、21-止推轴承、22-浮动轴承、23-密封装置、24-中心孔、25-定位键槽。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图和实施例来详细描述本发明。
[0021] 参照附图1，旋转导向钻井装置，心轴1安装在定向筒2内部，心轴1与定向筒2之间通过设置在心轴1外壁上环形凸沿和设置在定向筒2内壁上的环形凹槽构成沿轴向移动和周向旋转配合，心轴1上加工有间隔分布的上旁通孔9、下旁通孔19，其中上旁通孔9上部的定向筒2内壁上设有环形定位腔，定位腔内设有定位器6和定位键7，定位器6和定位键7分别固连在心轴1和定向筒2上，定位器6上加工定位键槽25和斜面，定位键7能够沿定位器6斜面滑动并与定位键槽25轴向插接配合(参照附图2和3)，控制阀12安装在定向筒2与心轴1之间环空内，并能够相对转动，控制阀12上端与定向筒2之间安装拉伸弹簧10，控制阀12内壁或外壁上加工控制滑槽13，与之对应的心轴1或定向筒2上固有控制销14，控制滑槽13和控制销14构成轴向往复移动的限位配合，心轴1上旁通孔9与控制阀12顶端腔室相通，控制阀12下端加工连通孔16，连通孔16在控制阀12相对心轴1往复移动过程与下旁通孔19关闭或相通，在下旁通孔19下部的定向筒2筒壁径向设有偏置块18，偏置块18与定向筒2之间安装压缩弹簧17，偏置块18、定向筒2、心轴1外壁形成密封腔。
[0022] 上述实施例进一步包括：
[0023] 心轴1与定向筒2结合部设有浮动轴承4、浮动轴承22和止推轴承5、止推轴承21。
[0024] 参照附图4，控制滑槽13设有三个轴向位移控制止点；参照附图5偏置块18安装在定向筒2上靠近钻头的一端并非均匀分布定向筒2上。
[0025] 由心轴1、定向筒2、定位器6、定位键7形成的腔室内充满润滑油；控制滑槽13内充满润滑油。
[0026] 参照附图5，偏置块18外表面加工直棱，且与轴线平行；定向筒2为非圆形结构。
[0027] 上述实施例的应用说明：
[0028] 心轴与钻柱及钻头连接，当进行造斜井段钻进时，高压钻井液首先经过心轴上部旁通孔进入控制阀上部，并推动控制阀下行，当控制阀连通孔与心轴下部旁通孔相通时，高压钻井液进入偏置块下部腔室，推动偏置块伸出并与井壁接触，产生侧向力使得近钻头钻具组合与井眼形成偏心，施加钻压使得定位键脱离定位器，然后旋转钻柱驱动钻头破岩钻进；当进行稳斜井段钻进时，停泵，偏置块缩回，控制阀上行，将连通孔与心轴下部旁通孔关闭，同时由于控制销和控制滑槽的作用使得控制阀在开泵时下行锁死，然后开泵，施加钻压，由于高压钻井液不会进入偏置块下部腔室，因此不会伸出，近钻头钻具组合与井眼同心，同时旋转钻柱驱动钻头破岩钻进；当进行摆工具面时，停泵，上提钻柱，此时心轴沿定位器斜面进入定位槽，转动钻柱驱动心轴、定位筒同时转动，直至设计方位。
