专利名称：导轨花键定向钻井工具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用转盘作动力的定向钻井工具，可替代螺杆钻具用于油(气)井勘探开发过程中的定向井和长、中、短半径定向水平井、丛式井、分支井钻井。
背景技术：
现有的定向水平井工具可参见名称为转盘旋转导向钻井工具，专利号为03236776.7的技术方案，传统的定向水平井工具采用螺杆作动力，螺杆的动力不足，长度太大，造斜钻进、稳斜钻进要反复起下钻，致使施工周期长。现有的短半径水平井工具需将造斜和水平延伸分几趟钻完成，工作效率低。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种导轨花键定向钻井工具，它可以解决定向井钻进中，在不起下钻的情况下，既可造斜钻进，也可稳斜钻进的问题；用同一个工具就可适用于不同半径(长、中、短半径)的定向井和定向水平井钻进问题；由于斜向器(弯头)离钻头很近，造斜率可以做到很高，使用同一个工具适用于长、中、短半径井或在一趟钻内打出数个曲率半径不同的井段的问题；解决螺杆钻具动力不足、长度太大的问题；在不起下钻的情况下，将造斜和水平延伸一趟钻完成的技术问题。
增加内花键和外花键传递钻压，代替游销承载，由于花键沿轴向均布，受力均匀，克服游销单侧壁受力不均的缺点，降低游销磨损及受力变形。导轨设计更顺畅，防止游销与导轨配合时卡住，特定的内花键、外花键、游销及导轨的位置和角度，只需上提或下放钻具，游销在导轨中沿轨道移动，使外壳相对转动规定的角度及主动轴和外壳轴向相对位移，内花键、外花键随着对位，完成错开穿过或交错承载，游销卡住或松开内层与外层的作业，从而完成造斜钻进与稳斜钻进的转换，操作准确方便，状态直观，不需人工对角度。本实用新型能承受更大的扭矩，它长度短，造斜率高，适应更小的转弯曲率半径。
本实用新型的目的是这样实现的一种导轨花键定向钻井工具，它包括外壳、主动轴、游销、游动密封、弹簧片、从动轴、轴承、球键万向节、斜向器；所述主动轴外表有导轨，在其下部有内六方，其内部有供循环泥浆和游动密封用的孔；所述的外壳内壁上有一个固定的游销；所述的从动轴是一个外六方结构，在其上固定有一组游动密封；将外壳、轴承、斜向器和钻头接头连接形成一个外层；将主动轴、从动轴、球键万向节、连接器和钻头接头连接形成一个内层；所述的主动轴和从动轴以六方结构配合滑动连接；所述主动轴外表的导轨为游销的导向滑道，在外层的下部安装有一个斜向器；所述外壳内壁有一个与游销同相位的内花键，主动轴的外表上有一个外花键，导轨呈单向环岛形通道，只有一个进出口，进出口对面有两个顶点，通道由进出口有一倾斜向下段，经一平直向下段，又经一倾斜向下段，又经一倾斜向上段，又经一倾斜向下段，又经一平直向上段及一倾斜向上段，回到进出口；导轨内设有游销定位槽和定位点，滑道拐角为游销运动方向限位转角并为内花键、外花键互穿准确定向；所述内花键、外花键相互穿过并交错重叠后游销挂入游销定位槽中，内层、外层为同步转动状态，游销从导轨中移出，内层、外层互为解脱状态，内花键、外花键错开状态可相互穿过，交错重叠状态相互接触面承载传递钻压。
所述导轨的形状为，以导轨进出口为沿圆周起点0°，平直向下段在圆周的90°位置，一个顶点回到圆周的0°位置，稳斜钻进状态游销所在点在圆周的-45°位置，另一个顶点及平直向上段在圆周的-90°位置。
在外壳的上端有一个密封总成。在外壳的两端所配的轴承为止推轴承。内层、外层间有限位轴承。外壳和弹簧片的下固定端两侧采用焊接，外壳在弹簧片的下固定端的下方开有排屑槽，排屑槽沿轴向从弹簧片下固定端的下方贯通，即弹簧片下固定端径向至外壳有空间。
本实用新型的优点及积极效果本实用新型用转盘作动力，可替代螺杆钻具，该工具有两种工作状态既造斜钻井状态和稳斜钻进状态，工作状态可通过上提下放钻具来转换，钻具每上提、下放一次，工作方式就转换一次，井口的反映是方入不同。以本实用新型170mm外径工具为例，最大长度2550mm，造斜钻进长度2080mm，稳斜钻进长度2410mm，方入差330mm，许用抗扭强度15000N-m能承受更大的扭矩，适应更小的转弯曲率半径。
在外壳上端有密封总成，它能防止砂子进入工具内，还能起到扶正主动轴的作用。在外壳的两端所配的轴承为止推轴承，受力合理，承载力大。所述的内层、外层间采用多个限位轴承连接，防止落鱼。
通过外壳施加钻压，球键万向节之间没有正压力，减小了球键万向节之间的磨擦。用转盘作动力，动力大，不受井深、排量、泵压、钻压限制。不起下钻的情况下，可变换钻进方式，既可造斜钻进，也可稳斜钻进，提高生产效率。一个工具能适应不同曲率半径的井眼轨迹或在一趟钻内打出多个不同曲率半径的井段。
图1是本实用新型游销到M点时的整体结构原理图，图3至图8是图1的对应位置横截面图，图2是图1的导轨展开图。
图9是本实用新型游销到A点时的局部放大图，图11是图9的对应位置内花键横截面图，图12是图9的外花键横截面图，图10是图9的游销导轨展开图。
图13是本实用新型游销到B点时的局部放大图，图15是图13的对应位置内花键横截面图，图16是图13的外花键横截面图，图14是图13的游销导轨展开图。
图17是本实用新型游销到L点时的局部放大图，图19是图17的对应位置内花键横截面图，图20是图17的外花键横截面图，图18是图17的游销导轨展开图。
图21是本实用新型游销到C点时的局部放大图，图23是图21的对应位置内花键横截面图，图24是图21的外花键横截面图，图22是图21的游销导轨展开图。
图25是本实用新型游销到D点时的局部放大图，图27是图25的对应位置内花键横截面图，图28是图25的外花键横截面图，图26是图25的游销导轨展开图。
图29是本实用新型造斜钻进时弹簧片的工作状态及排屑槽与弹簧片下固定端的结构图。
具体实施方式
本实用新型的工作原理及实施例可参见附图在第1至第6页附图中，中上方为游销导轨展开图，展开图右侧的刻度尺表示对应圆周上的角度值。附图中1是上接头，2是主动轴，3是止推轴承，4是弹簧片，5是外壳，6是内花键，7是外花键，8是游动密封，9是游销，10是导轨，11是从动轴，12是内六方，13是内球键，14是密封圈，15是外球键，16是斜向器，17是限位轴承，18连接器，19是钻头接头，20是密封总成，21是排屑槽，22是焊口。
图9至图12是上提钻具游销到A点时各部件的位置关系。
图13至图16是上提钻具游销由A点到B点，外花键7穿过内花键6后各部件的位置关系。
图17至图20是上提钻具游销进入L点时各部件的位置关系。
图21至图24是下放钻具游销在C点时各部件的位置关系，此时为稳斜钻进状态。
图25至图28是上提钻具游销在D点时各部件的位置关系，在此点定向下放钻具后进入造斜工作状态。
如图29所述外壳和弹簧片的下固定端采用焊接，22是焊口，外壳在弹簧片的下固定端的下方开有排屑槽21，排屑槽沿轴向从弹簧片下固定端的下方贯通，可保证弹簧片在上端压力消失时能顺利复位而不被沉淀的钻屑或其它固相卡住。
一种导轨花键定向钻井工具，它包括外壳、主动轴、游销、游动密封、弹簧片、从动轴、轴承、球键万向节、斜向器；所述主动轴外表有导轨，在其下部有内六方，其内部有供循环泥浆和游动密封用的孔；所述的外壳内壁上有一个固定的游销；所述的从动轴是一个外六方结构，在其上固定有一组游动密封；将外壳、轴承、斜向器和钻头接头连接形成一个外层；将主动轴、从动轴、球键万向节、连接器和钻头接头连接形成一个内层；所述的主动轴和从动轴以六方结构配合滑动连接；所述主动轴外表的导轨为游销的导向滑道，在外层的下部安装有一个斜向器；所述外壳内壁有一个与游销同相位的内花键，主动轴的外表上有一个外花键，导轨呈单向环岛形通道，只有一个进出口M，进出口对面有两个顶点L、D，通道由进出口有一倾斜向下段MA，经一平直向下段AB，又经一倾斜向下段BL，又经一倾斜向上段LC，又经一倾斜向下段CD，又经一平直向上段及一倾斜向上段DM，回到进出口M；导轨内设有游销定位槽和定位点，滑道拐角为游销运动方向限位转角并为内花键、外花键互穿准确定向；所述内花键、外花键相互穿过并交错重叠后游销挂入游销定位槽(图21至图24中C点-45°位置)中，内层、外层为同步转动状态，游销从导轨中移出，内层、外层互为解脱状态，内花键、外花键错开状态可相互穿过，交错重叠状态相互接触面承载传递钻压。
所述导轨的形状为，以导轨进出口M为沿圆周起点0°，平直向下段AB在圆周的90°位置，一个顶点L回到圆周的0°位置，稳斜钻进状态游销所在点C在圆周的-45°位置，另一个顶点D及平直向上段在圆周的-90°位置。
在外壳的上端有一个密封总成。在外壳的两端所配的轴承为止推轴承。内层、外层间有限位轴承。外壳和弹簧片的下固定端两侧采用焊接，外壳在弹簧片的下固定端的下方开有排屑槽，排屑槽沿轴向从弹簧片下固定端的下方贯通，即弹簧片下固定端径向至外壳有空间。
本实用新型由摘挂装置、球键万向节、导向系统三大部分组成。
地面摘挂装置由上接头1、主动轴2、内六方12、从动轴11(外六方)游动密封8，游销9、导轨10，内花键6，外花键7等组成。
导向系统由钻头接头1、止推轴承3、外壳5，弹簧片4、排屑槽21(见图29)、斜向器16、下止推轴承组成。
如图1至图8将摘挂装置、球键万向节、导向系统三大部分组装成一体就是本实用新型。造斜钻进时、扭矩通过上接头1、主动轴2、内六方12、从动轴(外六方)11、球键万向节(内、外球键13 15)、连接器18，钻头接头19到钻头。钻压则通过上接头1、上止推轴承3、外壳5、斜向器、下止推轴承加到钻头上。游动密封8和密封圈14可保证泥浆正常循环。在上述过程中，由于主动轴2上的内六方12与从动轴11(外六方)可沿轴向相对滑动，钻压会压缩弹簧片4(有四根见图29)，弹簧片的上端被燕尾槽约束在外壳5上，只能轴向滑动，弹簧片的下端两侧与外壳焊接，钻压迫使弹簧片中部突出帖紧井壁，其结果是外壳5不转、与外壳5连接的斜向器16不转，斜向器16会让钻头始终朝着一个方向钻进，这就是造斜钻进。
这可以理解为把一个弯接头分成了内层和外层，内层用来传递扭矩，外层用来控制导向。它有两种工作状态；内、外层一起旋转时为稳斜钻进，内层转外层不转时为造斜钻进，工作状态可以通过上提下放钻具来转换。
如导轨示意图所示，主动轴外表的导轨为游销导向，它呈单向环岛形通道，只有一个口进出，导轨内设有游销滑道、定位槽和定位点，滑道拐角为游销运动方向限位转角并为内、外花键互穿准确定向，当游销、内花键、外花键同处于0°时，内、外花键处于可穿过相位，另外两个可穿过相位为±90°；所述的游销挂入游销定位槽C中，内、外层为同步转动状态，游销从导轨中移出，内、外层互为解脱状态。如果要将造斜钻进变为稳斜钻进则先停钻，上提钻具，弹簧片回位，在自重和泵压的作用下，主动轴和导轨上行，与外壳一体的游销由M点进入导轨，到A点时，内花键7与外花键6同处于90°，A到B为一直线，游销到达B点时，外花键穿过内花键，游销到L点时钻头离开井底，再下放钻具使游销进到定位槽C点-45°时，外花键不能通过内花键，受到内花键支撑(不到原方入)，受游销和导轨相互约束，外壳和主动轴不能相对旋转。再打钻时主动轴上的导轨会带着游销旋转，游销是固定在外壳上的，外壳也一起旋转，斜向器也转，这时的斜向器是360度导向，结果是使井径扩大，这就是稳斜钻进。这时的钻压是通过主动轴、外花键、内花键、外壳加到钻头的。由于稳斜钻进时摘挂装置变长了，不到原方入，这是判定是否挂上的唯一条件。要将稳斜钻进变为造斜钻进，则需要将游销从导轨中移出，方法是上提钻具游销到D(-90°)点，设此时测得斜向器的方位为N°，再下放钻具游销由D点回到M点(方入有变化)，此时的方位是N°-(90°+外壳多旋转一个游销半径角度数)，本实用新型为N°-105°，因为钻头先接触井底后游销才离开D点，导轨迫使游销(外壳和斜向器)回到N°-105°，在游销刚脱离导轨弹簧片就撑住井壁了，先加1-2吨钻压确保弹簧片被压实，再启动转盘即可进行造斜钻进，这时的造斜方位是(N-105)度。每提放一次钻具，工具的工作状态就改变一次，判断工具的工作状态的唯一方法是量方入。不管游销位置如何，游动密封8和密封圈14均保证系统密封，循环正常。所述的内层、外层间采用多个限位轴承连接，当内层被扭断时，受限位轴承的限制，落鱼被约束在外壳内，井下不会有落鱼。
所述的游销与内花键同相位；所述的游销在导轨内每进出一次，在导轨的引导下，外花键要完成以下几个程序1、外花键上行在90°时穿过内花键；2、外花键下行在-45°处压住内花键；3、上行至-90°时再向下行穿过内花键而复位；所述的游销在导轨内-45°处的定位槽中，外花键压住内花键时，为稳斜钻进状态，相互间的压力就是钻压，游销从导轨中移出为造斜钻进状态。
它采用游动密封和外层两端密封。在导轨的控制下，主动轴上的外花健可以上、下穿过外壳内壁的内花键，主动轴上的外花键可以压住外壳上的内花键并能承受钻压，当主动轴上的外花键压住外壳上的内花键时游销正好处于导轨定位槽中，此时为稳斜钻进状态。当游销从导轨中移出时为造斜钻进状态。
权利要求1.一种导轨花键定向钻井工具，它包括外壳、主动轴、游销、游动密封、弹簧片、从动轴、轴承、球键万向节、斜向器；所述主动轴外表有导轨，在其下部有内六方，其内部有供循环泥浆和游动密封用的孔；所述的外壳内壁上有一个固定的游销；所述的从动轴是一个外六方结构，在其上固定有一组游动密封；将外壳、轴承、斜向器和钻头接头连接形成一个外层；将主动轴、从动轴、球键万向节、连接器和钻头接头连接形成一个内层；所述的主动轴和从动轴以六方结构配合滑动连接；所述主动轴外表的导轨为游销的导向滑道，在外层的下部安装有一个斜向器；其特征在于所述外壳内壁有一个与游销同相位的内花键，主动轴的外表上有一个外花键，导轨呈单向环岛形通道，只有一个进出口，进出口对面有两个顶点，通道由进出口有一倾斜向下段，经一平直向下段，又经一倾斜向下段，又经一倾斜向上段，又经一倾斜向下段，又经一平直向上段及一倾斜向上段，回到进出口；导轨内设有游销定位槽和定位点，滑道拐角为游销运动方向限位转角并为内花键、外花键互穿准确定向；所述内花键、外花键相互穿过并交错重叠后游销挂入游销定位槽中，内层、外层为同步转动状态，游销从导轨中移出，内层、外层互为解脱状态，内花键、外花键错开状态可相互穿过，交错重叠状态相互接触面承载传递钻压。
2.根据权利要求1所述的导轨花键定向钻井工具，其特征在于所述导轨的形状为，以导轨进出口为沿圆周起点0°，平直向下段在圆周的90°位置，一个顶点回到圆周的0°位置，稳斜钻进状态游销所在点在圆周的-45°位置，另一个顶点及平直向上段在圆周的-90°位置。
3.根据权利要求1所述的导轨花键定向钻井工具，其特征在于在外壳的上端有一个密封总成。
4.根据权利要求1所述的导轨花键定向钻井工具，其特征在于在外壳的两端所配的轴承为止推轴承。
5.根据权利要求1所述的导轨花键定向钻井工具，其特征在于内层、外层间有限位轴承。
6.根据权利要求1所述的导轨花键定向钻井工具，其特征在于外壳和弹簧片的下固定端两侧采用焊接，外壳在弹簧片的下固定端的下方开有排屑槽，排屑槽沿轴向从弹簧片下固定端的下方贯通，即弹簧片下固定端径向至外壳有空间。
专利摘要本实用新型涉及一种导轨花键定向钻井工具，它包括外壳、主动轴、游销、游动密封、弹簧片、从动轴、轴承、球键万向节、斜向器；所述主动轴外表有导轨，所述外壳内壁有一个与游销同相位的内花键，主动轴的外表上有一个外花键，导轨呈单向环岛形通道，只有一个进出口；内花键、外花键错开状态可相互穿过，交错重叠状态相互接触面承载传递钻压。本实用新型用转盘作动力，可替代螺杆钻具，该工具有两种工作状态既造斜钻进状态和稳斜钻进状态，工作状态可通过上提下放钻具来转换，操作准确方便，状态直观，不需人工对角度。本实用新型能承受更大的扭矩，它长度短，适应更小的转弯曲率半径。
文档编号E21B7/04GK2825915SQ200520016090
公开日2006年10月11日 申请日期2005年4月19日 优先权日2005年4月19日
发明者杜莉婷, 杜炊 申请人:杜炊