CN103939017A - 静态偏置推靠式旋转导向钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静态偏置推靠式旋转导向钻井工具，包括旋转芯轴以及安装在旋转芯轴上的不旋转外套段、电路安装段和耦合器安装段，所述不旋转外套段、电路安装段和耦合器安装段三者沿轴向依次连接起来。本发明的旋转导向钻井工具采用分段设计，这样各段的结构更加简单，安装更加方便；同时本发明的油路部分采用阻尼孔来代替高压阀的进油和回油功能，不仅避免了高压阀的选型困难，而且还能够使柱塞缸内始终保持备压，提高了翼肋的反应速度。

Description

静态偏置推靠式旋转导向钻井工具

技术领域

本发明属于石油钻探领域，特别是涉及一种能够实现定向钻井、井眼造斜的旋转导向钻井工具，具体是涉及一种静态偏置推靠式旋转导向钻井工具。 

  

背景技术

旋转导向钻井技术是国际上20世纪90年代发展起来的一项尖端自动化钻井新技术，它是当今世界上钻井技术发展的最高阶段——闭环自动钻井的主要内容，它的出现是世界钻井技术的一次质的飞跃。与传统的滑动导向钻井相比，旋转导向钻井技术由于井下工具一直在旋转状态下工作，因此井眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，位移延伸能力更强，因此更适合于海洋油气资源开发以及在油田开发后期的复杂油气藏中钻超深井、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等特殊工艺井。 

在国家“863”项目的支持下，由中国石化集团公司胜利石油管理局钻井院和中国海洋石油总公司分别牵头对调制式旋转导向钻井***和静态偏置推靠式旋转导向钻井***进行了***的研究攻关，并在关键技术上取得了突破。旋转导向钻井***的核心是井下旋转导向钻井工具，其中，静态偏置推靠式旋转导向钻井***的井下旋转导向钻井工具主要由旋转芯轴和不旋转外套组成，其中，旋转芯轴的上端连接钻柱，下端连接钻头，主要起传递钻压、扭矩和输送钻井液的作用；不旋转外套通过轴承安装在旋转芯轴上，并且不旋转外套上设置有三个沿圆周方向均匀分布的翼肋，翼肋可伸缩地设置在靠近钻头的位置。在旋转导向钻井过程中，不旋转外套相对于井壁静止，旋转芯轴在钻柱的带动下转动，同时旋转芯轴驱动钻头钻进，三个翼肋在油压的作用下伸出，并且三个翼肋以不同的液压力推靠在井壁上，井壁对三个翼肋产生的反作用力的合力使钻头偏移，从而加大钻头的单边切削，实现对钻头钻进方向的控制，进而达到导向的目的。同时还可以通过调整三个翼肋的液压力，实现对合力的调整，以满足不同的导向需求。 

通常，井下旋转导向钻井工具还包括液压***和控制***，而液压***和控制***集成在不旋转外套上，这样就会增大不旋转外套的制造难度，同时还会使得旋转导向钻井工具的结构复杂，安装困难；同时，现有旋转导向钻井工具的液压***都是采用换向阀来实现***进油和回油的，由于油路中的压力较高，因此高压阀的选型非常困难，同时油路中的压力较高还会导致***的安全性差，对液压泵额定压强的要求较高，对油路的强度要求和密封要求较高。 

  

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种静态偏置推靠式旋转导向钻井工具，该旋转导向钻井工具采用分段设计，这样不仅能够使各段的结构更加简单，而且还能够使各段的安装更加方便。 

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种静态偏置推靠式旋转导向钻井工具，包括旋转芯轴以及安装在旋转芯轴上的不旋转外套段、电路安装段和耦合器安装段，所述不旋转外套段、电路安装段和耦合器安装段沿轴向依次连接起来； 

所述不旋转外套段上靠近钻头的位置设置有三个及三个以上沿圆周方向均匀分布的偏置执行机构，所述偏置执行机构包括偏置执行部分和集成油路部分，所述偏置执行部分包括翼肋集成块、翼肋、柱塞和复位弹簧，所述翼肋通过转轴可转动地设置在翼肋集成块上，所述翼肋集成块上具有一柱塞缸，所述柱塞缸位于翼肋一活动端的内侧，所述柱塞可伸缩地设置在柱塞缸内，并能够推动翼肋向外伸出，所述复位弹簧设置在翼肋另一活动端的内侧；所述集成油路部分包括油路集成块以及设置在油路集成块内的油囊、柱塞泵和伺服电机，所述油囊用于存储液压油，所述柱塞泵的输入端与油囊连通，柱塞泵的输出端通过注油管路与柱塞缸连通，所述伺服电机的输出轴与柱塞泵连接，用于带动柱塞泵工作；所述油路集成块内设置有阻尼孔，所述阻尼孔的一端与注油管路连通，另一端与油囊连通；

所述电路安装段上设置有控制电路板，所述控制电路板与伺服电机相连，用于控制伺服电机的转速；所述耦合器安装段上设置有电能发生装置，所述电能发生装置包括内、外两个能够相对转动并产生电流的部件，内层部件紧固在旋转芯轴上并能够随旋转芯轴转动，内、外两个部件相对转动产生的电流用于为控制电路板供电。

进一步，所述电路安装段包括电路仓和抗压筒，所述电路仓为圆筒形，电路仓套在旋转芯轴上，并且电路仓的外圆周上具有若干个安装槽，所述控制电路板安装在安装槽内；所述抗压筒套在电路仓的外部并将控制电路板包裹在内，并且抗压筒的两端与电路仓之间均设置有密封圈。 

进一步，所述电路仓的外圆周上具有六个沿圆周方向均匀分布的安装槽。 

进一步，所述不旋转外套段包括安装在旋转芯轴上的不旋转外套，所述翼肋集成块和油路集成块通过螺钉固定在不旋转外套上。 

进一步，所述翼肋集成块与油路集成块之间通过定位销连接起来。 

进一步，所述翼肋集成块上设置有限位块，所述翼肋的伸出端端部向内弯折，所述限位块位于弯折部的***，用于限制翼肋的最大伸出行程。 

进一步，所述注油管路内设置有压力传感器，所述压力传感器与控制电路板相连。

进一步，所述油路集成块内设置有溢流阀，所述溢流阀的输入端与注油管路连通，输出端与油囊连通。 

进一步，所述油路集成块上具有若干个用于使油囊表面与外部环境相接触的小孔。

本发明的有益效果在于： 

1、本发明的旋转导向钻井工具由不旋转外套段、电路安装段和耦合器安装段组成，即旋转导向钻井工具采用分段设计，这样各段的结构更加简单，安装更加方便。

2、本发明的油路部分采用阻尼孔来代替高压阀的进油和回油功能，不仅避免了高压阀的选型困难，而且还能够使柱塞缸内始终保持备压，提高了翼肋的反应速度。 

3、本发明将控制元件安装在电路仓外圆周上的安装槽内，这种设计方式使得控制元件的安装更加方便；同时由于在电路仓的外部设置了抗压筒，这样就可避免控制元件受到外部压力的影响而发生损坏；另外，由于在抗压筒与电路仓之间均设置了密封圈，这样就保证了电路安装段的密封效果，避免了控制元件受到外部湿环境的影响。 

4、由于翼肋的推出行程与柱塞缸内的油压呈正比关系，因此本发明在注油管路中增加了压力传感器，压力传感器用于检测注油管路中的油压，并将检测信号反馈到控制电路板，控制电路板根据检测信号发出控制指令调节伺服电机的转速，实现闭环控制，这样就更有利于实现对翼肋推出行程的精确控制。 

5、本发明在翼肋伸出端的端部***设置了限位块，限位块用以限制翼肋的最大推出行程，避免翼肋推出行程过大而损坏复位弹簧。 

6、本发明在注油管路中增加了溢流阀，溢流阀用于限制油路中的最大工作压力，保证油路***的安全性。 

7、本发明的油路集成块上具有用于使油囊安装腔室与外部环境连通的小孔，这样就可以使油囊表面与外部环境相接触，使油囊表面与外部环境的压强保持平衡，降低对柱塞泵额定压强的要求，同时降低对注油管路的强度要求以及密封要求。 

8、本发明的翼肋集成块与油路集成块之间通过定位销连接起来，这样不仅安装更加方便，而且可以避免翼肋集成块与油路集成块之间发生相对转动。 

9、本发明的翼肋集成块和油路集成块通过螺钉固定在不旋转外套上，这样不仅方便安装和拆卸，而且还方便后期维护。 

  

附图说明    

图1为本发明静态偏置推靠式旋转导向钻井工具的半剖图；

图2为本发明不旋转外套段上偏置执行机构的主视图，其中，偏置执行部分被剖开；

图3为本发明不旋转外套段上偏置执行机构的俯视图，其中，集成油路部分被剖开；

图4为本发明电路安装段的剖面图。

图中，1—不旋转外套，2—圆锥滚子轴承，3—O型圈，4—翼肋集成块，5—翼肋，6—柱塞，7—转轴，8—复位弹簧，9—限位块，10—油路集成块，11—定位销，12—电机座，13—油囊，14—伺服电机，15—联结器，16—柱塞泵，17—油囊头，18—压力传感器，19—泵安装座，20—注油管路，21—接头，22—电路仓，23—抗压筒，24—密封圈，25—控制电路板，26—蓄电池，27—外压传感器滤网，28—外压传感器，29—测试盖板，30—耦合器外壳，31—耦合器，32—出线盖板，33—上轴承座，34—旋转芯轴，35—下接头。 

  

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。 

参见图1至图4，一种静态偏置推靠式旋转导向钻井工具，包括旋转芯轴34以及安装在旋转芯轴34上的不旋转外套段、电路安装段和耦合器安装段，其中，旋转芯轴34为中空结构，不旋转外套34的上端（图中为左端）连接钻柱，下端（图中为右端）通过下接头35连接钻头，主要起传递钻矩、钻压和输送钻井液的作用；不旋转外套段、电路安装段和耦合器安装段由下至上依次连接起来，不旋转外套段包括不旋转外套1，不旋转外套1通过圆锥滚子轴承2安装在下接头35上，工作时不旋转外套1相对井壁静止；为了避免钻井液进入到不旋转外套1与下接头35之间的缝隙内，还可在不旋转外套1与下接头35之间设置O型圈3；不旋转外套1上靠近钻头的位置设置有三个及三个以上沿圆周方向均匀分布的偏置执行机构，作为优选，本实施例的不旋转外套1上靠近钻头的位置设置有三个沿圆周方向均匀分布的偏置执行机构，三个偏置执行机构既可保证钻头偏移的需要，同时又可降低结构的复杂程度；每个偏置执行机构均由偏置执行部分和集成油路部分组成，偏置执行部分包括翼肋集成块4、翼肋5、柱塞6和复位弹簧8，其中，翼肋5通过转轴7可转动地设置在翼肋集成块4上，翼肋集成块4上具有一柱塞缸，柱塞缸位于翼肋5的一个活动端的内侧，柱塞6可伸缩地设置在柱塞缸内，并能够推动翼肋5向外伸出，复位弹簧8设置在翼肋5的另一个活动端的内侧，用于使翼肋5复位。集成油路部分包括油路集成块10以及设置在油路集成块10内的油囊13、柱塞泵16和伺服电机14，其中，油囊13用于存储液压油，油囊13的端部采用油囊头17进行密封，油路集成块10内设置有泵安装座19，柱塞泵16安装在泵安装座19上，柱塞泵16的输入端与油囊13连通，柱塞泵16的输出端通过注油管路20与柱塞缸连通，柱塞泵16用于将油囊13中的液压油抽出并注入注油管路20中，再经注油管路20注入到柱塞缸中；油路集成块10内还设置有电机座12，伺服电机安装在电机座12上，伺服电机14的输出轴通过联结器15与柱塞泵16连接，用于带动柱塞泵16工作；油路集成块10内设置有阻尼孔（图中未显示），阻尼孔的一端与注油管路20连通，另一端与油囊13连通。 

对应地，电路安装段的两端各设置有三个沿圆周方向均匀分布的接头21，电路安装段上设置有控制电路板25，电路安装段下端的三个接头用于与不旋转外套段端部的三个接头相连，从而使控制电路板25与每个偏置执行机构的伺服电机14相连，并通过控制电路板25来控制三个伺服电机14的转速；电路安装段上端的三个接头用于与耦合器安装段端部的三个接头相连，耦合器安装段上设置有电能发生装置，作为优选，本实施例的电能发生装置为耦合器31，耦合器31包括能够相对转动并产生电流的内层线圈和外层线圈，内层线圈紧固在旋转芯轴34上，当旋转芯轴34转动时，旋转芯轴34带动内层线圈转动，从而使内层线圈与外层线圈之间产生相对转动，进而产生电流，产生的电流用于为控制电路板供电。 

作为优选，翼肋集成块4与油路集成块10之间通过定位销11相连，这样不仅安装更加方便，而且可以避免翼肋集成块4与油路集成块10之间发生相对转动。 

作为优选，翼肋集成块4与油路集成块10通过螺钉固定在不旋转外套1上，这样不仅方便安装和拆卸，而且还方便后期维护。 

作为优选，电路安装段包括电路仓22和抗压筒23，电路仓22为圆筒形，电路仓22套在旋转芯轴34上，并且电路仓22的外圆周上具有若干个安装槽，安装槽用于安装控制电路板25、蓄电池26等控制元件；本实施例的电路仓22的外圆周上具有六个沿圆周方向均匀分布的安装槽，控制电路板25、蓄电池26等控制元件分别安装在安装槽内，这样可避免将多个控制元件安装在相同的安装槽内引起的安装麻烦等问题，也可避免因安装槽的深度过大而影响电路仓的强度；抗压筒23套在电路仓22的外部，抗压筒23将安装槽内的控制元件包覆在内，用于避免控制元件受到外部环境压力的影响而发生损坏，在本实施例中，抗压筒23可保证在80MPa的外部环境下工作可靠；抗压筒23两端的内壁与电路仓22的外壁之间设置有密封圈24，密封圈24用于对抗压筒23两端内壁与电路仓22外壁之间的间隙进行密封，保证控制元件不受到外部湿环境的影响；为了提高密封效果，本实施例在抗压筒23两端的内壁与电路仓22的外壁之间各设置有五个沿轴向分布的密封圈24。 

电路仓22上还设置有外压传感器28和外压传感器滤网27，外压传感器28用于检测外部环境的压力，外压传感器滤网27设置在外压传感器28与外部环境连通的通道内，用于对外压传感器进行保护，避免淤泥进入而影响外压传感器的正常工作。 

电路仓22上还设置有可打开或关闭的测试盖板29，测试盖板29可通过螺钉固定连接在电路仓22上，测试盖板29内设置有与安装槽内的控制元件相连的测试接头，这样当控制电路出现故障时，可打开测试盖板29进行检修。 

耦合器安装段包括耦合器外壳30，耦合器外壳30套在旋转芯轴34上，耦合器31位于耦合器外壳30与旋转芯轴34之间；耦合器外壳30的上端与上轴承座33相连，上轴承座33通过圆锥滚子轴承安装在旋转芯轴上，工作时，耦合器外壳30相对于井壁静止；本实施例还在耦合器外壳30上设置有可打开或关闭的出线盖板32，出线盖板32内设置有与耦合器32相连的测试接头，这样当耦合器出线故障时，就可打开出线盖板32进行检修。 

本发明的工作过程如下：首先通过伺服电机14带动柱塞泵16工作，柱塞泵16将油囊13中的液压油抽出并输送到注油管路20中，当液压油流经阻尼孔时，由于阻尼孔的截流效应，因此会在柱塞缸内形成备压，在旋转过程中需要导向时，控制电路板25发出控制指令调节三个伺服电机14的转速，使三个柱塞缸内的压力达到各自所需值，此时三个翼肋以不同的液压力推靠在井壁上，井壁对三个翼肋产生的反作用力的合力使钻头发生偏移，从而加大钻头的单边切削，实现对钻井方向的控制；不需要导向时，控制电路板25再次发出控制指令调节三个伺服电机的转速，使柱塞缸内的部分液压油通过阻尼孔回流到油囊13中，柱塞缸内的压力降低，此时三个翼肋在复位弹簧8的驱动下复位。 

作为对上述实施方式的进一步改进，翼肋集成块4上还设置有限位块9，限位块9可与翼肋集成块4为一体结构，也可通过焊接等方式连接在翼肋集成块4上；翼肋5的伸出端端部向内弯折，限位块9位于弯折部的***，用于限制翼肋的最大伸出行程，避免翼肋推出行程过大而损坏复位弹簧8。 

作为对上述实施方式的进一步改进，油路集成块内设置有溢流阀（图中未显示），溢流阀的输入端与注油管路20连通，输出端与油囊13连通。溢流阀用于限制油路中的最大工作压力，当油路中的压力高于最大工作压力时，溢流阀打开卸压，保证了***的安全性。 

作为对上述实施方式的进一步改进，注油管路20内固定安装有压力传感器18，压力传感器18与控制***相连，压力传感器18用于检测注油管路20中的油压，并将检测信号反馈到控制***，控制***根据检测信号发出控制指令调节伺服电机14的转速，实现闭环控制，这样就更有利于实现对翼肋推出行程的精确控制。 

作为对上述实施方式的进一步改进，油路集成块10上具有若干个用于使油囊表面与外部环境相接触的小孔，这样就可以使油囊表面与外部环境的压强保持平衡，降低对柱塞泵额定压强的要求，同时降低对注油管路的强度要求以及密封要求。 

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (9)

1.一种静态偏置推靠式旋转导向钻井工具，其特征在于，包括旋转芯轴以及安装在旋转芯轴上的不旋转外套段、电路安装段和耦合器安装段，所述不旋转外套段、电路安装段和耦合器安装段沿轴向依次连接起来；

所述不旋转外套段上靠近钻头的位置设置有三个及三个以上沿圆周方向均匀分布的偏置执行机构，所述偏置执行机构包括偏置执行部分和集成油路部分，所述偏置执行部分包括翼肋集成块、翼肋、柱塞和复位弹簧，所述翼肋通过转轴可转动地设置在翼肋集成块上，所述翼肋集成块上具有一柱塞缸，所述柱塞缸位于翼肋一活动端的内侧，所述柱塞可伸缩地设置在柱塞缸内，并能够推动翼肋向外伸出，所述复位弹簧设置在翼肋另一活动端的内侧；所述集成油路部分包括油路集成块以及设置在油路集成块内的油囊、柱塞泵和伺服电机，所述油囊用于存储液压油，所述柱塞泵的输入端与油囊连通，柱塞泵的输出端通过注油管路与柱塞缸连通，所述伺服电机的输出轴与柱塞泵连接，用于带动柱塞泵工作；所述油路集成块内设置有阻尼孔，所述阻尼孔的一端与注油管路连通，另一端与油囊连通；

所述电路安装段上设置有控制电路板，所述控制电路板与伺服电机相连，用于控制伺服电机的转速；所述耦合器安装段上设置有电能发生装置，所述电能发生装置包括内、外两个能够相对转动并产生电流的部件，内层部件紧固在旋转芯轴上并能够随旋转芯轴转动，内、外两个部件相对转动产生的电流用于为控制电路板供电。

2.根据权利要求1所述的静态偏置推靠式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述电路安装段包括电路仓和抗压筒，所述电路仓为圆筒形，电路仓套在旋转芯轴上，并且电路仓的外圆周上具有若干个安装槽，所述控制电路板安装在安装槽内；所述抗压筒套在电路仓的外部并将控制电路板包裹在内，并且抗压筒的两端与电路仓之间均设置有密封圈。

3.根据权利要求2所述的静态偏置推靠式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述电路仓的外圆周上具有六个沿圆周方向均匀分布的安装槽。

4.根据权利要求1所述的静态偏置推靠式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述不旋转外套段包括安装在旋转芯轴上的不旋转外套，所述翼肋集成块和油路集成块通过螺钉固定在不旋转外套上。

5.根据权利要求1所述的静态偏置推靠式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述翼肋集成块与油路集成块之间通过定位销连接起来。

6.根据权利要求1所述的静态偏置推靠式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述翼肋集成块上设置有限位块，所述翼肋的伸出端端部向内弯折，所述限位块位于弯折部的***，用于限制翼肋的最大伸出行程。

7.根据权利要求1所述的静态偏置推靠式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述注油管路内设置有压力传感器，所述压力传感器与控制电路板相连。

8.根据权利要求1所述的静态偏置推靠式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述油路集成块内设置有溢流阀，所述溢流阀的输入端与注油管路连通，输出端与油囊连通。

9.根据权利要求1所述的静态偏置推靠式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述油路集成块上具有若干个用于使油囊表面与外部环境相接触的小孔。