一种基于压力或排量调节方向的定向装置的制作方法

1.本发明涉及一种基于压力或排量调节方向的定向装置，属于钻完井技术领域。


背景技术：

2.现代石油钻井大多采用水平井、定向井。在这类井的钻探过程中，需要调整钻头钻进方向改变井筒轨迹，最终实现和设计轨迹相吻合的目的。现有技术需要在钻柱中连接具有一定角度的弯接头或者弯螺杆。钻进过程中，通过在地面上转动钻柱，调整弯接头或弯螺杆在井筒内的方向，进而调整钻头的钻进方向，实现控制钻孔轨迹。
3.近年来开发了高压水射流钻孔方法，通过小直径管高压射流在储层内制造微细井眼。由于尺寸限制，无法在小直径管上安装弯接头或者弯螺杆，另外小直径管未延续到地面，无法通过地面直接转动，因此不能通过现有技术实现小直径管钻进方向的调整。


技术实现要素：

4.针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于压力或排量调节方向的定向装置，其通过控制泵送压力，使工具在井下按照设计的方位和角度偏转，实现井下工具定向。
5.本发明提出了一种基于压力或排量调节方向的定向装置，包括：
6.外壳，所述外壳内设置有活塞机构；
7.设置在所述外壳的下端的万向连接器，所述万向连接器包括转动相连的上部短节和下部短节，所述上部短节和所述下部短节的中部设置有相互连通的中心孔；
8.设置在所述万向连接器的下端的转向套筒，所述转向套筒内设置有弯曲孔道；
9.其中，所述活塞机构上设置有伸入所述弯曲孔道的凸缘结构，所述活塞机构在压力或排量的作用下沿轴向移动，所述凸缘结构与所述弯曲孔道相配合使所述转向套筒改变方向。
10.本发明的进一步改进在于，所述活塞机构包括滑动设置在所述外壳内的活塞，所述活塞的中部固定设置有管状的调向芯轴，所述调向芯轴的端部延伸到所述转向套筒内并固定设置所述凸缘结构。
11.本发明的进一步改进在于，所述外壳的内部设置有供所述活塞滑动的腔体，所述外壳的下端设置有防偏转凸台，所述防偏转凸台的中部设置有与所述调向芯轴配合的内孔。
12.本发明的进一步改进在于，所述活塞与所述防偏转凸台之间设置有复位弹簧，所述外壳的下部的侧面沿径向设置有传压孔。
13.本发明的进一步改进在于，所述内孔为方形、六边形或其他无法绕轴线转动的形状；所述调向芯轴的截面的形状与所内孔的形状相匹配。
14.本发明的进一步改进在于，所述弯曲孔道为折线型孔道，其包括若干朝向不同方向倾斜的孔道段，每个所述孔道段的孔径均与所述凸缘结构相匹配。
15.本发明的进一步改进在于，所述弯曲孔道为螺旋型孔道。
16.本发明的进一步改进在于，所述凸缘结构的外表面设置有减少摩擦力的光滑涂层。
17.本发明的进一步改进在于，所述上部短节为筒形结构，其下部设置有圆形的转向槽；所述下部短节的上部设置有圆形的转向球，所述转向球卡接在所述转向槽内，并能够在所述转向槽内转动。
18.本发明的进一步改进在于，所述转向套筒的顶部设置有喷嘴。
19.与现有技术相比，本发明的优点在于：
20.本发明所述一种基于压力或排量控制射流的定向装置，其通过控制泵送压力，使工具在井下按照设计的方位和角度偏转，实现井下工具定向。转向套筒与外壳间通过万向连接器连接，两者间能保持同轴，也能产生一定的夹角；外壳内设置受液压驱动的活塞和活塞的复位弹簧，活塞能在液压力和复位弹簧力的作用下在设定位置保持平衡。
21.本发明中转向套筒内设置了平面或空间曲线形的弯曲孔道，弯道截面的几何中心在不同位置相对转向套筒的轴线产生设定的偏移。调向芯轴受驱动活塞驱动，沿外壳轴线移动，其凸缘结构与转向套筒内的曲线形弯道配合。通过压力或排量控制调向芯轴和曲线形弯道在不同位置配合，使转向套筒相对外壳产生对应的偏转角度，进而实现井下工具的定向。
附图说明
22.下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
23.图1所示为本发明的一个实施例的基于压力或排量调节方向的定向装置的结构示意图；
24.图2所示为本发明的一个实施例的活塞机构的结构示意图；
25.图3所示为本发明的一个实施例的外壳的结构示意图；
26.图4所示为本发明的一个实施例的转向套筒的结构示意图；
27.图5所示为本发明的一个实施例的万向连接器的结构示意图；
28.图6所示为本发明的一个实施例的基于压力或排量调节方向的定向装置的结构示意图，显示了一个方向的定向状态；
29.图7所示为本发明的一个实施例的基于压力或排量调节方向的定向装置的结构示意图，显示了另一个方向的定向状态。
30.附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
31.在附图中各附图标记的含义如下：1、外壳，2、活塞机构，3、万向连接器，4、转向套筒，11、腔体，12、防偏转凸台，13、内孔，14、传压孔，21、活塞，22、调向芯轴，23、凸缘结构，24、密封件，25、复位弹簧，31、上部短节，32、下部短节，33、转向球，34、中心孔，41、弯曲孔道，42、喷嘴，43、连接螺纹。
具体实施方式
32.为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是
所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。
33.图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的一种基于压力或排量调节方向的定向装置，包括外壳1。外壳1为圆筒形的结构，其内部为空腔，并且在空腔内设置有活塞机构2。活塞机构2能够在压力或排量的驱动下在外壳1内移动。在外壳1的下端设置有万向连接器3，万向连接器3包括上部短节31和下部短节32。上部短节31用于连接上方的钻杆，下部短节32用于连接下方的导流装置，并且上部短节31和下部短节32转动相连。上部短节31和下部短节32的中心均设置有互相连通的中心孔34，在上部短节31和下部短节32转动的过程中两个中心孔34始终相连通。所述万向连接器3的下端设置有转向套筒4，所述转向套筒4内设置有弯曲孔道41。
34.在使用根据本实施例所述的基于压力或排量调节方向的定向装置时，所述活塞机构2上设置有伸入所述弯曲孔道41的凸缘结构23，所述活塞机构2在压力或排量的作用下沿轴向移动，由于活塞机构2只沿轴向方向移动，而不会发生弯曲或偏斜。在活塞21移动的过程中，凸缘结构23沿轴向伸缩，从而与弯曲孔道41的不同位置配合，从而驱动弯曲孔道41的位置和角度发生边缘，进而使转向套筒4的端部的方向发生变化。
35.在一个实施例中，如图2所示，所述活塞机构2包括滑动设置在所述外壳1内的活塞21，所述活塞21为圆柱状的结构，其边缘与外壳1内的腔体11密封滑动相连。活塞21的中部固定设置有管状的调向芯轴22，调向芯轴22为中空的结构，其端部延伸到所述转向套筒4内并固定设置所述凸缘结构23。
36.在根据本实施例所述的基于压力或排量调节方向的定向装置中，调向芯轴22的中部为中空结构，可以流通流体。而调向芯轴22的中部的中空结构的内径小于外壳1的内径，使活塞21的上端面形成压差面，外壳1内的压力会对活塞21的上端面施加压力，在该压力的作用下活塞21会沿轴向向下移动。凸缘结构23的外径大于调向芯轴22其它部分，使转向套筒4发生偏转后，其弯曲孔道41不与调向芯轴22其它部分发生干涉。
37.在一个实施例中，如图3所示，所述外壳1的内部设置有供所述活塞21滑动的腔体11，所述外壳1的下端设置有防偏转凸台12，所述防偏转凸台12的中部设置有与所述调向芯轴22配合的内孔13。所述防偏转凸台12为环形的结构，中部的内孔13的形状与芯轴的形状相同，并套在芯轴外。在活塞21移动的过程中，芯轴能够沿内孔13伸缩。
38.在一个优选的实施例中，如图1所示，所述活塞21与所述防偏转凸台12之间设置有复位弹簧25，所述外壳1的下部的侧面沿径向设置有传压孔14。活塞21能在液压力和复位弹簧25力的作用下在设定位置保持平衡。
39.在组装根据本实施例所述装置时，通过设置弹簧的刚度，得到压力与复位弹簧25压缩量之间的关系，并设计完全孔道的形状，从而使其满足定向的功能。
40.在一个实施例中，所述内孔13为方形、六边形或其他无法绕轴线转动的形状；所述调向芯轴22的截面也为方形、六边形或其他无法绕轴线转动的形状，使调向芯轴22与内孔13的形状相匹配，保证调向芯轴22在沿轴向移动的过程中不会发生转动或偏斜。
41.在一个实施例中，如图4所示，所述弯曲孔道41为折线型孔道，其包括若干朝向不同方向倾斜的孔道段，每个所述孔道段的孔径均与所述凸缘结构23相匹配。
42.在另一个实施例中，所述弯曲孔道41为螺旋型孔道。
43.在根据本实施例所述装置中，弯曲孔道41为空间弯曲孔道41，并不一定是像图1中表现的在一个平面内弯曲，而是可以实现空间角度的变化。弯曲孔道41中心线上点a距端面的距离为x1，距转向套筒4轴线距离为l1；点b距端面的距离为x2，距转向套筒4轴线距离为l2。通过设计弯曲孔道41的轴线，可实现轴向位移对应不同方位、不同角度的偏转。
44.在一个实施例中，所述凸缘结构23的外表面设置有减少摩擦力的光滑涂层。所述光滑涂层为金属铜、聚四氟乙烯等材料。凸缘结构23通过设置涂层减少了摩擦力，在导向芯轴伸缩时凸缘结构23更加顺利地在弯曲孔道41内滑动。
45.在一个实施例中，如图5所示，所述上部短节31为筒形结构，其下部设置有圆形的转向槽；所述下部短节32的上部设置有圆形的转向球33，所述转向球33卡接在所述转向槽内，并能够在所述转向槽内转动。
46.通过根据本实施例所述装置，万向连接器3能绕中心点相对转动，本实施例中为球头万向连接器3，也可使用其它形式的万向连接器3，如波纹管等。
47.在一个实施例中，所述转向套筒4的顶部设置有喷嘴42。转向套筒4的两端设置了连接螺纹43，一端与万向连接器3连接，另一端与喷嘴42连接。
48.在使用根据本实施例所述装置的过程中，根据弯曲孔道41的结构和复位弹簧25的弹力确定外壳1内引入的压力(或排量)的大小与转向套筒4的偏转方向的关系。当外壳1内流体的压力或排量到达一定值时，活塞21在压力的驱动下克服复位弹簧25的弹力带动芯轴向下移动。在芯轴向下移动的过程中凸缘结构23与弯曲孔道41相配合滑动，由于凸缘结构23的中心与弯曲孔道41的中心重合，万向连接器3发生转动，从而使转向套筒4的角度发生改变。
49.提高工具内部流体排量，由于调向芯轴22内孔13的节流作用，驱动活塞21的上方压力升高，带动调向芯轴22下移压缩弹簧，达到新的平衡位置。此时凸缘结构23的中心与转向套筒4的a点重合，转向套筒4的轴线相对调向芯轴22的轴线偏转一定角度α，如图6所示。
50.进一步提高工具内部流体排量，由于调向芯轴22内孔13的节流作用，驱动活塞21的上方压力升高，带动调向芯轴22下移压缩弹簧，达到新的平衡位置。此时凸缘结构23的中心与转向套筒4的b点重合，转向套筒4的轴线相对调向芯轴22的轴线偏转一定角度β，如图7所示。
51.通过设计弹簧的刚度，得到压力与复位弹簧25压缩量间的关系；通过设计弯曲孔道41的曲线结构，使其在转向套筒4轴线方向的特定位置x的截面中心点，沿设定方向偏移转向套筒4轴线特定的距离l。通过以上设计可以建立起压力与转向套筒4相对外壳1偏转角度和方位间的关系，进而能够根据压力或排量调整钻进轨迹。
52.降低工具内部流体排量，驱动活塞21的上方压力降低，复位弹簧25推动驱动活塞21上移，定向系统逐步回到直线状态。
53.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。