双推型静态推靠式旋转导向工具

摘要

本发明涉及石油、天然气钻探领域的钻井工具，是一种双推型静态推靠式旋转导向工具。技术问题：增加造斜效果。技术特征：包括，芯轴，偏置机构，外筒，基座；偏置机构包括内偏心圆筒，外偏心圆筒，锁紧机构,驱动圆筒,驱动机构。内偏心圆筒套接芯轴；外偏心圆筒套接内偏心圆筒；锁紧机构可锁紧外偏心圆筒与内偏心圆筒。驱动圆筒与内偏心圆筒本体固定连接，外筒一端套接驱动圆筒；驱动机构可驱动外筒与内偏心圆筒转动。偏置机构为两套，偏置机构A与外筒前端可旋转的连接，偏置机构B与外筒后端可旋转的连接。有益效果：通过前后两套偏置机构，加大钻头偏移的角度，实现导向目的；相对现有技术，前后两套偏置机构，偏移角度更大。

权利要求

1.一种双推型静态推靠式旋转导向工具，包括，芯轴（10），偏置机构（20），外筒（30），基座（40）；

基座（40）后端固定连接钻柱（3）；芯轴（10）后端固定连接基座（40），芯轴（10）前端固定连接钻头（1）； 外筒（30）可旋转的套接在芯轴（10）上；

偏置机构（20）包括内偏心圆筒（22），外偏心圆筒（26），锁紧机构（50）, 驱动圆筒（23）,驱动机构（32），圆套筒（28）；

内偏心圆筒（22）可旋转的套接在芯轴（10）上；外偏心圆筒（26）可旋转的套接在内偏心圆筒（22）上； 锁紧机构（50）设置于内偏心圆筒（22）与外偏心圆筒（26）之间，可把外偏心圆筒（26）与内偏心圆筒（22）锁紧在一起；

驱动圆筒（23）与内偏心圆筒（22）固定连接，驱动圆筒（23）可旋转的套接在芯轴（10）上，外筒（30）一端可旋转的套接在驱动圆筒（23）上；驱动机构（32）设置于外筒（30）与驱动圆筒（23）之间，可受控驱动外筒（30）与内偏心圆筒（22）相对转动；

其特征在于：

所述偏置机构（20）的数量为两套，即，偏置机构（20）A、偏置机构（20）B  ,偏置机构（20）A与外筒（30）前端可旋转的连接，偏置机构（20）B与外筒（30）后端可旋转的连接；

所述圆套筒（28）可旋转的套接在外偏心圆筒（26）上。

2.根据权利要求1所述的双推型静态推靠式旋转导向工具，其特征在于：锁紧机构（50）是摩擦型锁紧机构（50）； 摩擦型锁紧机构（50）包括腔体（52）、推力机构（54）、摩擦块（56）、摩擦面（58）；推力机构（54）可在腔体（52）内来回移动，推动摩擦块（56）挤压或脱离摩擦面（58）。

3.根据权利要求2所述的双推型静态推靠式旋转导向工具，其特征在于：锁紧机构（50）的腔体（52）设置在外偏心圆筒（26）筒内最大壁厚位置，摩擦面（58）设置在内偏心圆筒（22）筒壁对应位置外周。

4.根据权利要求1所述的双推型静态推靠式旋转导向工具，其特征在于：锁紧机构（60）是卡合型锁紧机构（60），卡合型锁紧机构（60）包括腔体（62）、推力机构（64）、活动卡舌（66）、卡槽（68）；推力机构（64）可在腔体（62）内来回移动，推动活动卡舌（66）插入或拔出卡槽（68）。

5.根据权利要求4所述的双推型静态推靠式旋转导向工具，其特征在于：锁紧机构（50）的腔体（52）设置在外偏心圆筒（26）筒内最大壁厚位置，卡槽（68）设置在内偏心圆筒（22）筒壁对应位置外周，卡槽（68）数量为两个，一个设置在内偏心圆筒（22）筒壁最大壁厚位置；一个设置在内偏心圆筒（22）筒壁最小壁厚位置。

6.根据权利要求1、3、5任一项所述的双推型静态推靠式旋转导向工具，其特征在于：内偏心圆筒（22）筒壁最小壁厚与外偏心圆筒（26）筒壁最小壁厚相等；且，内偏心圆筒（22）筒壁最大壁厚与外偏心圆筒（26）筒壁最大壁厚相等。

7.根据权利要求6所述的双推型静态推靠式旋转导向工具，其特征在于：锁紧机构（50）使用电力驱动；驱动机构（32）使用电力驱动。

8.根据权利要求6所述的双推型静态推靠式旋转导向工具，其特征在于：锁紧机构（50）使用泥浆驱动； 驱动机构（32）使用泥浆驱动。

9.一种钻具组合，其特征在于：包括权利要求1-8任一项所述的双推型静态推靠式旋转导向工具，所述双推型静态推靠式旋转导向工具后端连接钻柱（3），前端连接钻头（1）。

说明书

双推型静态推靠式旋转导向工具

技术领域

[0001] 本发明涉及石油、天然气等钻探领域的钻井工具，是一种双推型静态推靠式旋转导向工具。

背景技术

[0002] 随着超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井的发展，旋转导向工具因为井眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，位移延伸能力更强，
逐渐替代了传统的滑动导向工具。然而，现有旋转导向工具的一项关键技术指标--造斜
率--相对传统滑动导向钻井工具没有优势，所以，在一些井段，例如水平井造斜段、水平井
阶梯段、特殊地层段等位置不得不造继续使用传统滑动导向钻井工具以增加斜率。

[0003] 所以，发明新的旋转导向工具，增加造斜效果，是时之所需。

发明内容

[0004] 本发明针对的技术问题是：怎样增加造斜效果，及现有技术的不足。

[0005] 本发明采用的技术方案是：使用两套偏置机构，前后设置，以增加单边造斜率。

[0006] 本发明包含的技术特征有：一种双推型静态推靠式旋转导向工具，包括，芯轴，偏置机构，外筒，基座。

[0007] 基座后端固定连接钻柱，用于将所述双推型静态推靠式旋转导向工具连接在钻柱上。

[0008] 芯轴后端固定连接基座，芯轴前端固定连接钻头；用于将钻柱旋转产生的扭矩传递到钻头，实现对岩层的切削。芯轴是所述双推型静态推靠式旋转导向工具的承载体。

[0009] 外筒可旋转的套接在芯轴上。用于包裹所述歪头旋转导向工具内部组件，外筒可通过摩擦以相对井壁横向静止（相对井壁不转动），为芯轴转动提供支承。

[0010] 偏置机构包括内偏心圆筒，外偏心圆筒，锁紧机构，驱动圆筒，驱动机构。

[0011] 内偏心圆筒可旋转的套接在芯轴上；外偏心圆筒可旋转的套接在内偏心圆筒上，用于可产生偏置效果；锁紧机构设置于内偏心圆筒与外偏心圆筒之间，可把外偏心圆筒与
内偏心圆筒锁紧在一起；驱动圆筒与内偏心圆筒本体固定连接，驱动圆筒可旋转的套接在
芯轴上，外筒一端可旋转的套接在驱动圆筒上；驱动机构设置于外筒与驱动圆筒之间，可受
控驱动外筒与内偏心圆筒相对转动，用于调节偏置机构的偏置指向（即调节工具面角）。通
过内偏心圆筒与外偏心圆筒的相对旋转，驱动双推型静态推靠式旋转导向工具向设定的方
向凸出以推靠井壁，使钻头偏移，从而加大钻头的单边切削，实现任意方向的造斜。当所述
双推型静态推靠式旋转导向工具处于稳斜钻进状态或造斜钻进状态，通过锁紧机构锁紧以
维持外偏心圆筒相对内偏心圆筒位置不变。另外，在定向钻进过程中，双推型静态推靠式旋
转导向工具可能偏离设定的偏置方向，通过驱动外筒与偏置机构相对转动，可维持双推型
静态推靠式旋转导向工具始终指向设定的偏置方向。

[0012] 所述偏置机构的数量为两套，即，偏置机构A、偏置机构B, 偏置机构A与外筒前端可旋转的连接，偏置机构B与外筒后端可旋转的连接。用于增强偏置效果。

[0013] 现有技术中，旋转导向工具（如静态推靠式旋转导向工具）通常通常使用一套偏置机构，钻头向一侧偏移的角度太小，导致在一些井段造斜率不足，不得不继续使用传统滑动
导向钻井工具以增加造斜率。本方案通过使用前后两套偏置机构，可加大钻头向一侧偏移
的角度，以增加造斜率。

[0014] 本申请中，所述前端是指靠近钻头的一端；所述后端，是指靠近钻柱的一端，与前端对应。本申请中，设定一词是指事先设置、确定。

[0015] 进一步，所述偏置机构还包括圆套筒；所述圆套筒可旋转的套接在在外偏心圆筒上；在调节偏置机构的偏置指向时，外偏心圆筒需要旋转，当外偏心圆筒直接裸露于井壁，
其间摩擦阻力大，外偏心圆筒难以旋转；圆套筒作用是减少外偏心圆筒旋转时的摩擦阻力。

[0016] 进一步，锁紧机构可以是摩擦型锁紧机构； 摩擦型锁紧机构包括腔体、推力机构、摩擦块、摩擦面；推力机构可在腔体内来回移动，推动摩擦块挤压或脱离摩擦面，用于实现
锁紧或解锁状态。

[0017] 进一步，锁紧机构的腔体设置在外偏心圆筒筒内最大壁厚位置，摩擦面设置在内偏心圆筒筒壁对应位置外周；腔体设置在最大壁厚位置，有益于增加构造强度。

[0018] 进一步，锁紧机构也可以是卡合型锁紧机构，卡合型锁紧机构包括腔体、推力机构、活动卡舌、卡槽；推力机构可在腔体内来回移动，推动活动卡舌插入或拔出卡槽，用于实
现锁紧或解锁状态。

[0019] 进一步，锁紧机构的腔体设置在外偏心圆筒筒内最大壁厚位置，卡槽设置在内偏心圆筒筒壁对应位置外周，卡槽数量为两个，一个设置在内偏心圆筒筒壁最大壁厚位置，可
用于钻头维持造斜状态钻进；一个设置在内偏心圆筒筒壁最小壁厚位置，可用于钻头维持
稳斜状态钻进；腔体设置在最大壁厚位置，有益于增加构造强度。

[0020] 进一步，内偏心圆筒筒壁最小壁厚与外偏心圆筒筒壁最小壁厚相等；且，内偏心圆筒筒壁最大壁厚与外偏心圆筒筒壁最大壁厚相等；用于双推型静态推靠式旋转导向工具的
外周各点到芯轴轴线距离相等，以稳斜钻进。另外，仅内偏心圆筒筒壁最小壁厚、最大壁厚
之和与外偏心圆筒筒壁最小壁厚、最大壁厚之和相等，也可实现双推型静态推靠式旋转导
向工具的外周各点到芯轴轴线距离相等，但构造强度要差。

[0021] 进一步，锁紧机构使用电力驱动；驱动机构使用电力驱动。

[0022] 例如，电源可以位于钻柱上，在芯轴、内偏心圆筒、外偏心圆筒和外筒设置导电滑环将电流引入锁紧机构、 驱动机构；也可以通过无线感应将电流引入锁紧机构、 驱动机
构。

[0023] 进一步，锁紧机构使用泥浆驱动； 驱动机构使用泥浆驱动。

[0024] 例如，在芯轴上设置有可控的开口，在内偏心圆筒、外偏心圆筒和外筒设置对应的管路将泥浆可控的引入锁紧机构和驱动机构，并在芯轴、内偏心圆筒、外偏心圆筒和外筒对
应连接处设置密封装置，用于避免泥浆流失。

[0025] 本发明还提供一种钻具组合，设置有所述双推型静态推靠式旋转导向工具，所述双推型静态推靠式旋转导向工具后端连接钻柱，前端连接钻头。

[0026] 因为，双推型静态推靠式旋转导向工具本方案通过前后两套偏置机构，加大钻头偏移的角度，以实现导向目的，所以，将本方案名称定义为双推型静态推靠式旋转导向工
具，简单、准确、形象。

[0027] 本发明中，根据发动机领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统。例如在钻柱上设置电源，在钻柱上设置控制系统，在必要处设置轴承，在必要处设置密
封件，在必要处设置内偏心圆筒、外偏心圆筒位置检测机构。

[0028] 本发明的有益效果有：1）通过前后两套偏置机构，加大钻头偏移的角度，实现导向目的；2）相对现有技术用翼肋推靠井壁，前后两套偏置机构，钻头偏移的角度更大，造斜率
更高；3）结构紧凑、内部空腔少，有益于降低对材料的要求，提高双推型静态推靠式旋转导
向工具的工作寿命。

附图说明

[0029] 图1 双推型静态推靠式旋转导向工具结构示意图。

[0030] 图2 造斜原理示意图。

[0031] 图3 偏置机构结构示意图。

[0032] 图4 驱动机构结构示意图。

[0033] 图5 摩擦型锁紧机构结构示意图。

[0034] 图6 卡合型锁紧机构结构示意图。

[0035] 图中，1钻头，3 钻柱，5 偏移角度，7井壁，10芯轴，20偏置机构，22内偏心圆筒，23驱动圆筒，26外偏心圆筒，28 圆套筒，30外筒，32 驱动机构，34第一部分, 36第二部分,40
基座，50/60 锁紧机构，52腔体，54推力机构，56摩擦块，58摩擦面，62腔体，64推力机构，66
活动卡舌，68卡槽。

具体实施方式

[0036] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

[0037] 下面结合图1至图6，对本发明的优选实施例作进一步详细说明。

[0038] 如图1所示，为造斜状态时过芯轴10轴线的双推型静态推靠式旋转导向工具剖面。

[0039] 基座40后端固定连接钻柱3，用于将所述双推型静态推靠式旋转导向工具连接在钻柱3上。

[0040] 芯轴10后端固定连接基座40，芯轴10前端固定连接钻头1；用于将钻柱3旋转产生的扭矩传递到钻头1，实现对岩层的切削。芯轴10是所述双推型静态推靠式旋转导向工具的
承载体。

[0041] 外筒30可旋转的套接在芯轴10上。用于包裹所述歪头旋转导向工具内部组件，外筒30可通过摩擦以相对井壁7横向静止相对井壁不转动，为芯轴10转动提供支承。

[0042] 偏置机构20包括内偏心圆筒22，外偏心圆筒26，锁紧机构50, 驱动圆筒23,驱动机构32。

[0043] 内偏心圆筒22可旋转的套接在芯轴10上；外偏心圆筒26可旋转的套接在内偏心圆筒22上；用于可产生偏置效果。

[0044] 锁紧机构50设置于内偏心圆筒22与外偏心圆筒26之间，可把外偏心圆筒26与内偏心圆筒22锁紧在一起。驱动圆筒23与内偏心圆筒22本体固定连接，驱动圆筒23可旋转的套
接在芯轴10上，外筒30一端可旋转的套接在驱动圆筒23上；驱动机构32设置于外筒30与驱
动圆筒23之间，可受控驱动外筒30与内偏心圆筒22相对转动。用于调节偏置机构20的偏置
指向（即调节工具面角）。通过内偏心圆筒22与外偏心圆筒26的相对旋转，驱动双推型静态
推靠式旋转导向工具向设定的方向凸出以推靠井壁7，使钻头1偏移，从而加大钻头1的单边
切削，实现任意方向的造斜。当所述双推型静态推靠式旋转导向工具处于稳斜钻进状态或
造斜钻进状态，通过锁紧机构50锁紧以维持外偏心圆筒26相对内偏心圆筒22位置不变。另
外，在定向钻进过程中，双推型静态推靠式旋转导向工具可能偏离设定的偏置方向，通过驱
动外筒30与偏置机构20相对转动，可维持双推型静态推靠式旋转导向工具始终指向设定的
偏置方向。

[0045] 所述偏置机构20的数量为两套，即，偏置机构20A、偏置机构20B, 偏置机构20A与外筒30前端可旋转的连接，偏置机构20B与外筒30后端可旋转的连接。用于增强偏置效果。

[0046] 现有技术中，旋转导向工具如静态推靠式旋转导向工具通常通常使用一套偏置机构20，钻头1向一侧偏移角度5太小，导致在一些井段造斜率不足，不得不继续使用传统滑动
导向钻井工具以增加造斜率。本方案通过使用前后两套偏置机构20，可加大钻头1向一侧偏
移角度5，以增加造斜率。

[0047] 所述双推型静态推靠式旋转导向工具还包括圆套筒28；所述圆套筒28可旋转的套接在在外偏心圆筒26上；在调节偏置机构20的偏置指向时，外偏心圆筒26需要旋转，当外偏
心圆筒26直接裸露于井壁7，其间摩擦阻力大，外偏心圆筒26难以旋转；圆套筒28作用是减
少外偏心圆筒26旋转的摩擦阻力。

[0048] 图1中，偏置机构20B设定为向上侧凸出，以使钻柱3更加贴近下侧井壁7，偏置机构20A设定为向下侧凸出，使钻柱3前端和钻头1偏移至上侧井壁7，以加大钻头1对上侧的单边
切削，进而达到向上侧造斜的目的。

[0049] 如图2所示，图中，图的上部为现有技术的静态推靠式旋转导向工具，单个偏置机构20的向下推靠井壁7，钻柱3前端向上偏移，产生了一个较小的偏移角度5，导致了钻头1增
加了对上侧井壁7的单边切削，达到导向的目的；图的下部为本方案的双推型静态推靠式旋
转导向工具，后端的偏置机构20B向上推靠井壁7，钻柱3后端更加贴近下侧井壁7，前端的偏
置机构20A的向下推靠井壁7，钻柱3前端则向上偏移，结合偏置机构20B导致的钻柱3后端贴
近下侧井壁7，就产生了一个较大的偏移角度5，导致了钻头1对上侧井壁7的单边切削的角
度加大，达到了产生更大的造斜率的效果。

[0050] 如图3所示，为图1中C-C剖面，内偏心圆筒22筒壁最小位置与外偏心圆筒26筒壁最小位置对应，内偏心圆筒22筒壁最大位置与外偏心圆筒26筒壁最大位置对应，圆套筒28中
心偏离芯轴10中心，向下凸出；锁紧机构50处于锁紧状态，用于维持偏置机构20向下凸出。

[0051] 内偏心圆筒22筒壁最小壁厚与外偏心圆筒26筒壁最小壁厚相等；且，内偏心圆筒22筒壁最大壁厚与外偏心圆筒26筒壁最大壁厚相等；用于双推型静态推靠式旋转导向工具
的外周各点到芯轴10轴线距离相等，以稳斜钻进。另外，仅内偏心圆筒22筒壁最小壁厚、最
大壁厚之和与外偏心圆筒26筒壁最小壁厚、最大壁厚之和相等，也可实现双推型静态推靠
式旋转导向工具的外周各点到芯轴10轴线距离相等，但构造强度要差。

[0052] 如图4所示，为图1中D-D剖面；驱动机构32设置于外筒30与驱动圆筒23之间，可受控驱动外筒30与驱动圆筒23相对转动。驱动机构32可以是这样的，包括第一部分34和第二
部分36，第一部分34例如电机定子固定设置在外筒30内，第二部分36例如电机转子固定套
接在驱动圆筒23上，第一部分34与第二部分36配合转动，驱动外筒30与驱动圆筒23相对转
动。在定向钻进过程中，双推型静态推靠式旋转导向工具可能偏离设定的偏置方向，通过驱
动外筒30与驱动圆筒23相对转动，可维持偏置机构20始终指向设定的偏置方向。在定向钻
进与稳斜钻进两种状态转换时，外偏心圆筒26与内偏心圆筒22之间需要相对转动，通过锁
紧机构50解锁，驱动机构32驱动内偏心圆筒22转动，而外偏心圆筒26不动，可实现定向钻进
与稳斜钻进两种状态相互转换。在定向钻进与稳斜钻进两种状态转换时，可以在外偏心圆
筒26与圆套筒28之间设置一个可解锁的锁紧装置，以使外偏心圆筒26不动。

[0053] 如图5所示，锁紧机构50可以是摩擦型锁紧机构50；摩擦型锁紧机构50包括腔体52、推力机构54、摩擦块56、摩擦面58；推力机构54可在腔体52内来回移动，推动与之连接的
摩擦块56挤压或脱离摩擦面58，用于实现锁紧或解锁状态。

[0054] 如图6所示，锁紧机构60也可以是卡合型锁紧机构60，卡合型锁紧机构60包括腔体62、推力机构64、活动卡舌66、卡槽68；推力机构64可在腔体62内来回移动，推动与之连接的
活动卡舌66插入或拔出卡槽68，用于实现锁紧或解锁状态。

[0055] 本发明的工作方式有：1)定向钻进模式，偏置机构20A和偏置机构20B,其内偏心圆筒22筒壁最小位置与外偏心圆筒26筒壁最小位置对应，内偏心圆筒22筒壁最大位置与外偏
心圆筒26筒壁最大位置对应，锁紧机构50锁紧，偏置机构20处于偏置状态，外筒30相对井壁
7横向静止；其中，偏置机构20B向一侧井壁7凸出，偏置机构20A向相对方向的另一侧井壁7
凸出，导致钻头1向一侧井壁7的单边切削的角度加大，达到产生更大的造斜率的效果； 2)
稳斜钻进模式，偏置机构20A和偏置机构20B,其内偏心圆筒22筒壁最小位置与外偏心圆筒
26筒壁最大位置对应，内偏心圆筒22筒壁最大位置与外偏心圆筒26筒壁最小位置对应，锁
紧机构50锁紧，偏置机构20中心与钻柱3轴线重合，处于未偏置状态，可稳斜钻进。

[0056] 以上所述，仅是本发明较佳实施例，可以理解的是，本发明并不局限于所公开的实施方式和构件，相反，旨在涵盖包括在所附的权利要求书的主旨和范围之内的各种改型、特
征结合、等效的装置以及等效的构件。此外，出现在附图中的各构件的特征的尺寸并不是限
制性的，其中各构件的尺寸可以与描绘在附图中的构件的尺寸不同。因此，本发明用于覆盖
对本发明的改型和变形，只要它们均在所附的权利要求书和它们的等效方案的范围之内即
可。