[发明专利]一种指向式自动垂直导向钻具

说明书

本发明公开一种指向式自动垂直导向钻具，包括导向控制机构和顺次相连的上心轴、花键轴、柔性心轴、钻头接头，当发生井斜后，钟摆筒的底部向铅垂方向发生偏移，克服弹性件作用推开位于井眼较低一侧的板阀，打开连通口，钻井液进入活塞腔，活塞在钻具内外压差作用下向着远离上心轴的方向推出，带动与之相连的顶杆向外运动，顶杆绕转轴转动，顶杆与柔性心轴相抵接的另一端向柔性心轴施加朝向柔性心轴轴线方向的作用力，迫使柔性心轴与顶杆相抵接的部分向井眼较高一侧发生弯曲，从而带动柔性心轴的底端，即柔性心轴与钻头接头相连的一端朝向井眼较低一侧移动，加剧钻头在井眼较低一侧的切削，使钻井轨迹逐渐恢复至垂直状态。

技术领域

本发明涉及自动垂直钻具技术领域，特别是涉及一种指向式自动垂直导向钻具。

背景技术

钻井过程中因地质因素、钻具因素和工艺因素等造成的井斜问题始终是钻井工程最为重要的关键技术之一，尤其是对于超深井、特深井、科学钻探等高技术风险的系统工程而言，井斜的控制直接决定着钻井目标的成败。随着资源勘探与开发不断地向深部地层、复杂地层拓展，传统的钟摆钻具、满眼钻具等防斜技术已不能够满足现代钻井的需要，自动垂直钻井技术的出现为井下防斜纠斜带来了巨大的技术突破，在主动防斜纠斜的过程中实现了井眼的高垂直度，很好地满足了现代钻井技术的发展要求。

自动垂直钻井技术是一种利用井下钻具实现主动防斜纠斜作业的直井钻进技术，可大幅释放钻压，降低钻杆扭矩和摩阻，进而提高机械钻速，提升钻井效率并降低钻进成本。目前自动垂直钻具主要包括电子控制式钻具及机械控制式钻具两大类，电子控制式钻具通过内部高精度传感器及控制系统对井眼垂直度进行控制，具有控制精度高、纠斜能力强等特点，但造价及维护成本高昂，且受内部电子元器件抗温性能的限制，电子控制式钻具无法承担高温高压的井下工况；相对而言，因不包含电子元器件，机械控制式自动垂直钻具在耐温耐压方面具有明显的优势，且制造成本和维护成本较低，已成为自动垂直钻具极具潜力的重要发展方向。

目前机械控制式自动垂直钻具均采用推靠式的工作模式，利用导向翼肋推靠井壁的方式迫使钻头获得纠斜和降斜的作用力，但在破碎地层的钻进过程中，因井径扩大明显导致导向翼肋在最大位移处仍旧无法接触井壁，进而导致钻具失效，无法完成井眼轨迹垂直度的控制任务。

机械控制式自动垂直钻具依靠机械式稳定平台控制钻具的推靠行为，机械式稳定平台在重力作用下的工作模式主要有两种：偏重块偏转模式，利用偏重物体在重力作用下自动偏转向重力低边的特性，带动盘阀打开位于井壁高边的钻井液流道，在钻具内外钻井液压差的作用下推动导向翼肋推靠井壁。由于偏重物体在偏转过程中需要克服轴承摩擦、盘阀摩擦等阻力，且在钻具在处于接近垂直姿态时，偏重物体能够提供的偏转扭矩急剧减小，故该控制方案存在纠斜极限，控制精度较低，钻具在接近垂直状态时还会起到造斜的负面作用；钟摆筒摆动模式，利用钟摆筒在重力作用下维持铅锤方向的特性，当钻具发生偏斜时，由于稳定平台中的钟摆筒与钻具发生相对摆动，钟摆筒推动位于井眼低边位置的盘阀，涌入的钻井液经过导流通道被引导至井壁高边方向，推动位于高边的导向翼肋推靠井壁。钟摆筒方案较偏重块偏转方案而言，具有垂直状态不造斜的优势，但是现有钟摆筒易受井下振动的影响，尤其是井下振动剧烈的工况下，现有钟摆筒会因振动发生不规则摆动导致纠斜降斜作用大幅下降甚至失效。

因此，如何改变现有技术中，机械控制式自动垂直钻具无法满足破碎地层垂直钻进需求以及钻具机械式稳定平台井斜控制性能不佳现状，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种指向式自动垂直导向钻具，以解决上述现有技术存在的问题，实现机械控制式自动垂直钻具在破碎地层中的纠斜作用，提高钻钻具的轨迹控制精度、控制能力和适用能力。