静态指向式造斜率可控导向钻具

1.本发明涉及高端井下装备的技术领域，尤其是涉及一种静态指向式造斜率可控导向钻具。


背景技术：

2.目前，国内土壤地下水污染现象突出，已呈现出从点状污染向带状和面状污染发展的态势。针对大面积的污染场地的原位修复方法，需要在污染场地内钻进大量的竖直修复钻孔，导致钻孔工作量大、修复药剂扩散半径小、施工周期长成本高，但通过多分枝水平井技术可有效减少竖孔钻孔数量，增加单孔辐射修复面积。多分枝水平井技术的关键在于井眼的造斜，使得井斜角达到或接近90
°
，井身沿着水平方向具有一定长度。
3.各种井眼造斜的钻井工具根据运转状态可分为静态和动态导向工具；根据导向造斜机制又可分为推靠式和指向式两种，其中静态推靠式和动态指向式的导向钻井工具比较成熟，但是上述造斜工具在硬地层造斜效果显著，而对于进行土壤修复的土层以及破碎疏松地层存在造斜困难，导向钻进方位、井斜角不易控制等问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有导向造斜工具在土层以及破碎疏松地层中水平造斜困难，造斜率大，导向钻进方位、井斜角不易控制的缺点，本发明提供了一种造斜半径小，造斜稳定，导向钻进方位、井斜角易控，操作简便的静态指向式造斜率可控导向钻具。
5.本技术提供的一种静态指向式造斜率可控导向钻具，采用如下的技术方案：
6.一种静态指向式造斜率可控导向钻具，由传扭定位装置和柔性可控导向装置组成，所述传扭定位装置和所述柔性可控导向装置采用螺纹连接，传扭定位装置位于柔性可控导向装置上部，其特征在于，所述传扭定位装置由上接头、伸缩花键轴、半圆接头、外管、花键轴套、主传动轴、定位导向管接头、轴承串、弹簧、tc轴承a和tc轴承b组成，上接头与伸缩花键轴上部为螺纹连接，伸缩花键轴的上部台阶处套有tc轴承b，并通过上接头将其固定住，伸缩花键轴中部台阶上套有半圆接头，半圆接头内孔的台阶上固结有tc轴承a，tc轴承a与tc轴承b为可旋转接触，半圆接头内孔的两个凹槽内安装两个密封环，半圆接头下部与外管为螺纹连接；伸缩花键轴中部台阶下面套有弹簧，弹簧的下部为花键轴套并与其接触，花键轴套套装在伸缩花键轴的底部光轴上，花键轴套的内孔设置有密封凹槽，密封凹槽内安装有密封环a，花键轴套下部与主传动轴为螺纹连接，主传动轴上套有轴承串；外管的下部与定位导向管接头之间为螺纹连接，定位导向管接头套装在主传动轴的细光轴上并与轴承串接触，定位导向管接头内孔中设置有两个密封凹槽，密封凹槽内安装两个密封环a。
7.所述的传扭定位装置中的半圆接头下部的螺纹轴有半圆离合器b，伸缩花键轴中部台阶上有半圆离合器a，半圆离合器a与半圆离合器b可实现啮合与分离，分离的距离为c；所述的半圆接头内孔台阶上固结有tc轴承a,伸缩花键轴上部台阶上套有tc轴承b，tc轴承a与tc轴承b接触可滑动；所述的半圆接头内孔中设置有两个密封槽，密封槽内安装有密封
环。
8.所述的传扭定位装置中的伸缩花键轴中部台阶下端面与弹簧上端连接，弹簧下端与花键轴套连接，花键轴套设置有密封槽，密封槽内安装密封环a；所述的伸缩花键轴中下部为外花键，花键轴套的内部为内花键，两者可实现滑动啮合，伸缩花键轴的下部为光轴，可在花键轴套光孔内滑动。
9.所述的主传动轴与花键轴套为螺纹连接，主传动轴的台阶下安装有轴承串，轴承串下部为定位导向管接头，定位导向管接头也套在主传动轴上，定位导向管接头上设置有两个密封槽，密封槽内安装有两个密封环a。
10.所述的伸缩花键轴、弹簧、花键轴套、主传动轴都位于外管内，并通过半圆接头和定位导向管接头进行上、下固定，半圆接头、定位导向管接头和外管之间为螺纹连接。
11.所述的定位导向管接头由盖板、弹簧a，探棒、矩形密封件和内六角螺钉组成，弹簧a固定在盖板左侧的圆环深孔内，探棒设置有台阶的一端插入到弹簧a中固定，探棒的另一端插入到盖板内右侧的圆柱孔内固定，四个内六角螺栓将盖板与定位导向管接头固定，定位导向管接头外孔内设有矩形密封槽，密封槽内安装有矩形密封件。
12.所述的柔性可控导向装置由花键柔性短节、导向管、导向管下接头、钻头接头、钻头、tc轴承c和tc轴承d组成，花键柔性短节与主传动轴下部为螺纹连接，多个花键柔性短节之间为螺纹连接；导向管上、下部分别与定位导向管接头和导向管下接头采用螺纹连接，导向管内的最后一个花键柔性短节与钻头接头为螺纹连接，钻头接头与底部钻头采用螺纹连接；tc轴承d固结在钻头接头的外表面，tc轴承c固结在导向管下接头的内孔表面，tc轴承c与tc轴承d为可旋转接触关系。
13.所述的花键柔性短节位于导向管内，花键柔性短节与主传动轴之间为螺纹连接，导向管与定位导向管接头之间为螺纹连接，多个花键柔性短节之间为螺纹连接。
14.所述的花键柔性短节由母接头、o型密封圈a、公接头、o型密封圈b、o型密封圈c、球座和花键套组成，公接头位于母接头内，公接头上部的球形外表面与母接头的球形内表面接触，公接头球形表面设置有上、下两个密封槽，密封槽内依次安装有o型密封圈a和o型密封圈b，公接头的球形下表面与球座的曲面接触，球座的外圆柱面设置有密封槽，密封槽内为o型密封圈c，球座与母接头的内孔面接触，球座下面与花键套接触。
15.所述的花键套与母接头之间为螺纹连接，公接头的外螺纹可以与下一个花键柔性短节的母接头的上部内螺纹孔连接；所述的公接头的上部为球面，与其接触的母接头的内表面也为球面。
16.所述的花键套内表面设置有内花键，公接头球面下的轴上设置有外花键，内花键与外花键相啮合，外花键和内花键键齿有高度差，两花键键齿高度从上至下逐渐降低；所述的公接头的中心轴线与母接头的中心轴线能够沿轴向最大倾斜角度θ＝3
°
。
17.所述的公接头的外花键齿与花键套的内花键齿既可以沿母接头中心轴线对称啮合，也可以沿着母接头中心轴线偏转θ＝0
°‑3°
啮合。
18.所述的导向管内的最后一节花键柔性短节中的公接头与钻头接头之间为螺纹连接，钻头接头与钻头之间为螺纹连接；所述的钻头接头外圆柱表面固结有tc轴承d，导向管下接头与导向管之间为螺纹连接，导向管下接头的内孔固结有tc轴承c，tc轴承d与tc轴承c接触并可旋转。
19.所述的导向管的管体上设有多个瓦状曲面割缝，瓦状曲面割缝沿导向管中心轴线等间距分布，导向管中下部的几个瓦状割缝上焊接有曲面焊板。
20.本发明包括以下至少一种有益的效果：
21.1.本技术中的静态指向式造斜率可控导向钻具结构简单、造斜半径小、静态指向导向可控、造斜率可控，设计合理，具有极高的推广价值。
22.2.静态指向式造斜率可控导向钻具通过安装在定位导向管接头中的探棒与导向管管体上等间距分布的瓦状曲面焊缝的角度差来定位，然后在通过探棒向地面控制设备发送方位坐标，从而能够实现钻具整体的精准方位定位。
23.3.静态指向式造斜率可控导向钻具的导向管内分布有通过螺纹连接的花键柔性短节，每一个花键柔性短节既可实现沿中心轴线3
°
的角度偏转，也可通过花键柔性短节中的公接头与母接头之间的螺纹连接实现扭矩传递；导向管配合导向管内分布的多个花键柔性短节可实现钻具根据所给钻压的大小来准确控制井眼的井斜角，从而实现造斜率可控钻进。
24.4.静态指向式造斜率可控导向钻具中的伸缩花键轴与半圆接头上的半圆离合器a与半圆离合器b的啮合、分离作用可以实现钻具整体的旋转，也可实现外管、导向管和定位导向管接头不旋转、钻头等其他钻具零件旋转。当钻头未到达井底时，伸缩花键轴上的半圆离合器a在弹簧的作用下与半圆接头上的半圆离合器b相啮合，伸缩花键轴上的外花键与花键轴套上的内花键脱离啮合，从而实现钻具的整体旋转；当钻头到达井底时，由于钻具自身重力和钻压的作用，弹簧被压缩，伸缩花键轴上的半圆离合器a在与半圆接头上的半圆离合器b分离啮合，伸缩花键轴上的外花键与花键轴套上的内花键滑动啮合，实现外管、导向管和定位导向管接头不旋转，钻头等其他内部零件旋转钻进，此时导向管不旋转只随着钻头钻进逐渐弯曲跟进，从而实现钻具平稳可靠的完成静态指向式导向钻进。
25.5.导向管上设置有多个沿着其中心轴线等距分布的瓦状曲面割缝，保证了导向管控制花键柔性短节往有割缝的方向弯曲；导向管中下部的多个瓦状曲面割缝上焊接有曲面焊板，能有效的防止导向管出现断裂，实现平稳、高效的造斜导向钻进。
附图说明
26.图1是本技术实施例中静态指向式造斜率可控导向钻具的整体结构示意图；
27.图2a、2b分别是本发明的花键柔性短节的结构示意图；
28.图3a、3b分别是本发明的伸缩花键轴、半圆接头上的半圆离合器a与半圆离合器b啮合、分离示意图；
29.图4是体现本发明内部结构的a-a剖视图；
30.图5是半圆接头的具体结构示意图；
31.图6是伸缩花键轴的具体结构示意图；
32.图7是图1中d部分的局部放大示意图；
33.图8是体现本发明内部结构的b-b剖视图；
34.图9是体现本发明内部结构的c-c剖视图；
35.图10是体现导向管具体结构的展开示意图；
36.附图标记说明：
37.1、上接头；2、伸缩花键轴；21、伸缩花键轴外花键键齿；22、半圆离合器a；23、伸缩花键轴中部台阶；3、半圆接头；31、半圆离合器b；4、外管；5、花键轴套；51、花键轴套内花键键齿；6、主传动轴；7、定位导向管接头；71、盖板；72、弹簧a；73、探棒；74、矩形密封件；75、内六角螺钉；8、花键柔性短节；81、母接头；82、o型密封圈a；83、公接头；831、公接头外花键；84、o型密封圈b；85、o型密封圈c；86、球座；87、花键套；871、花键套内花键；9、导向管；91、曲面焊板；92、瓦状曲面割缝；10、导向管下接头；11、钻头接头；12、钻头；13、tc轴承c；14、tc轴承d；15、密封环a；16、轴承串；17、弹簧；18、密封环；19、tc轴承a；20、tc轴承b。
具体实施方式
38.以下结合附图1-10对本技术进一步详细说明。
39.本技术实施例公开了静态指向式造斜率可控导向钻具。参照图1、图4和图6，静态指向式造斜率可控导向钻具由传扭定位装置和柔性可控导向装置组成，传扭定位装置和柔性可控导向装置采用螺纹连接，传扭定位装置位于柔性可控导向装置上部，传扭定位装置由上接头1、伸缩花键轴2、半圆接头3、外管4、花键轴套5、主传动轴6、定位导向管接头7、轴承串16、弹簧17、tc轴承a19、tc轴承b20组成。在本实施例中，定义有上接头1的一端为钻具的上端，有钻头12的一端为钻具的下端。上接头1与伸缩花键轴2上部为螺纹连接，伸缩花键轴2的上部台阶23处套有tc轴承b20，并通过上接头1将其固定住，伸缩花键轴2中部台阶上套有半圆接头3，半圆接头3内孔的台阶上固结有tc轴承a19，tc轴承a19与tc轴承b20为可旋转接触，半圆接头3内孔中设置有两个密封槽，密封槽内安装两个密封环18，半圆接头3下部与外管4为螺纹连接；伸缩花键轴2中部台阶下面套有弹簧17，弹簧17的下部为花键轴套5并与其接触，花键轴套5套装在伸缩花键轴2的底部光轴上，花键轴套5的内孔设置有密封凹槽，密封凹槽内安装有密封环a15，花键轴套5下部与主传动轴6为螺纹连接，主传动轴6上套有轴承串16；外管4的下部与定位导向管接头7之间为螺纹连接，定位导向管接头7套在主传动轴6的细光轴上并与轴承串16接触，定位导向管接头7内孔中设置有两个密封凹槽，密封凹槽内安装两个密封环a15。
40.柔性可控导向装置由花键柔性短节8、导向管9、导向管下接头10、钻头接头11、钻头12、tc轴承c13和tc轴承d14组成，花键柔性短节8与主传动轴6下部为螺纹连接，多个花键柔性短节8之间为螺纹连接；导向管9上、下部分别与定位导向管接头7和导向管下接头10采用螺纹连接，导向管9内的最后一个花键柔性短节8与钻头接头11为螺纹连接，钻头接头11与底部钻头12采用螺纹连接；tc轴承d14固结在钻头接头11的外表面，tc轴承c13固结在导向管下接头10的内孔表面，tc轴承c13与tc轴承d14为可旋转接触关系。
41.参照图2a、2b、图9，柔性可控导向装置中的花键柔性短节8由母接头81、o型密封圈a82、公接头83、o型密封圈b84、o型密封圈c85、球座86和花键套87组成，公接头83位于母接头81内，公接头83上部的球形外表面与母接头81的球形内表面接触，公接头83球形表面设置有上、下两个密封凹槽，密封凹槽内依次安装有o型密封圈a82和o型密封圈b84，公接头83的球形下表面与球座86的曲面接触，球座86的外圆柱面设置有密封槽，密封槽内安装有o型密封圈c85，球座86与母接头81的内孔面接触，球座86下面为花键套87，花键套87与母接头81之间为螺纹连接，公接头83的外螺纹可以与下一个花键柔性短节8的母接头81的上部内螺纹孔连接。
42.公接头83的上部为球面，与其接触的母接头81的内表面也为球面；花键套87的内表面为内花键871，公接头83球面下为外花键831，内花键871与外花键831可倾斜啮合，外花键831和内花键871键齿有高度差，两花键键齿高度从上至下逐渐降低，公接头83的中心轴线与母接头81的中心轴线能够沿轴向倾斜角度θ＝0
°‑3°
。
43.参照图1、图3a、3b、图5和图6，传扭定位装置中伸缩花键轴2中部台阶上有半圆离合器a22，半圆接头3下部螺纹轴有半圆离合器b31，半圆离合器a22与半圆离合器b31可接触啮合。
44.传扭定位装置中与伸缩花键轴2中部台阶下端面与弹簧17上部连接，弹簧17下部与花键轴套5连接，伸缩花键轴2底部外花键轴键齿21与花键轴套5内花键键齿51可滑动啮合，从而实现扭矩传递。
45.参照图1、图7和图8，传扭定位装置中定位导向管接头7由盖板71、弹簧a72、探棒73、矩形密封件74和内六角螺钉75组成，盖板71内部左面设置有圆环状凹槽，右面设置有圆柱状凹槽，弹簧a72固结在左边的圆环状凹槽内，探棒73带有台阶的一端伸入弹簧a72中，探棒73另一端插入盖板71的右面圆柱状凹槽内，盖板71通过四个内六角螺钉75与定位导向管接头7固定在一起，矩形密封件74位于定位导向管接头7的矩形凹槽内。
46.参照图1、图10，柔性可控导向装置中的导向管9的管体设置有多个瓦状曲面割缝92，瓦状曲面割缝92沿导向管9中心轴线等间距分布，导向管中下部的几个瓦状曲面割缝92上焊接有曲面焊板91。
47.该静态指向式造斜率可控导向钻具工作时，首先在地面上将钻具整体组装好；具体为：确定好伸缩花键轴2中部台阶上的半圆离合器a22在弹簧17弹力的作用下与半圆接头3下部的半圆离合器b31处于完整啮合状态；伸缩花键轴2下部的外花键键齿21与花键轴套3的内花键键齿51处于没有啮合状态，并压缩伸缩花键轴2挤压弹簧17能够实现往下滑动；多个花键柔性短节8之间螺纹连接，安装在导向管9内；确定好定位导向管接头7中的探棒73与导向管9上瓦状曲面割缝92的相位差。
48.上述工作完成后，将上接头1与其他井下钻具进行螺纹连接后，即可整体入井，在静态指向式造斜率可控导向钻具的钻头12未接触到井底时，其他井下钻具将旋转扭矩传递给上接头1，上接头1带动伸缩花键轴2旋转，由于弹簧17弹力的作用下使得伸缩花键轴2中部台阶上的半圆离合器a22在弹簧17弹力的作用下与半圆接头3下部的半圆离合器b31处于完整啮合状态，伸缩花键轴2下部的外花键键齿21与花键轴套3的内花键键齿51处于没有啮合状态，所以整个静态指向式造斜率可控导向钻具跟随其他井下钻具一起旋转，通过在地面上的设备确定好探棒73的相位，从而钻具整体旋转确定导向管9上瓦状曲面割缝92的相位，实现导向方位可控。
49.当静态指向式造斜率可控导向钻具的钻头12接触井底时，在其他井下钻具重力和钻压的作用下，弹簧17被压缩，使得伸缩花键轴2下部的外花键键齿21与花键轴套3的内花键键齿51处于啮合状态，其他井下钻具将旋转扭矩传递给上接头1，上接头1带动伸缩花键轴2旋转，从而伸缩花键轴2带动主传动轴6、花键柔性短节8、钻头接头11和钻头旋转破岩；此时伸缩花键轴2中部台阶上的半圆离合器a22与半圆接头3下部的半圆离合器b31处于脱离啮合状态，半圆接头3、外管4、定位导向管接头7、导向管9和导向管下接头10不跟随伸缩花键轴2旋转，实现钻具下部柔性可控导向装置实现静态指向式钻进。
50.当泵压继续加大，导向管9内的所有花键柔性短节8受到更大的压力时，由于花键柔性短节8中的公接头83的上部为球面，与其接触的母接头81的内表面也为球面，花键套87的内表面为内花键871，公接头83球面下为外花键831，内花键871与外花键831可倾斜啮合，外花键831和内花键871键齿有高度差，两花键键齿高度从上至下逐渐降低，所以每一个花键柔性短节8中的公接头83的中心轴线与母接头81的中心轴线能够沿轴向可倾斜0
°‑3°
，导向管9与其内部的多个连接在一起的花键柔性短节8可根据所施加在上接头1上的钻压的大小来实现造斜率可调的水平井钻进，施加的钻压大，造斜率就大，施加的钻压小，造斜率就小；导向管9上设置有多个瓦状曲面割缝92，所以导向管会往有瓦状曲面割缝92的一侧方向弯曲，从而使得导向管9内的多个花键柔性短节8的倾斜方位固定；钻井液从上接头1中进入，沿着伸缩花键轴2、花键轴套5、主传动轴、花键柔性短节8、钻头接头11的中心孔流入钻头12，钻井液然后从钻头12的孔内流出，携带碎岩返回地表；在钻具导向钻进的过程中，导向管9、半圆接头3、外管4、定位导向管接头7与导向管下接头10只跟随钻头钻进弯曲、不旋转，实现静态指向式导向钻进。
51.该静态指向式造斜率可控导向钻具通过传扭定位装置和柔性可控导向装置可准确的控制水平井眼的方位和井斜角，解决了现有导向钻具在土层或者破碎疏松地层中由于土体较软而导致的造斜困难、造斜率大，且定位导向不准确的问题，具有静态指向式导向精确可靠，曲率半径小、造斜率可调、操作简单方便的特点，有着积极的推广意义。
52.以上为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。