CN110043188A - 静态指向式旋转导向钻井工具的偏置导向机构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构及控制方法，属于石油天然气钻井技术领域，包括钻头连接轴和不旋转外筒，所述的导向机构还包括柔性软管、偏置机构和滑块连接件，柔性软管与钻头连接轴连接，偏置机构安装在不旋转外筒内，所述偏置机构包括调心滑块、螺旋伸缩机构、控制电机，所述滑块连接件套设在钻头连接轴外部，所述调心滑块通过螺旋伸缩机构与控制电机连接，并安装在滑块连接件内，所述调心滑块在控制电机的带动下前后移动，推动钻头连接轴，实现结构弯角和工具面角的控制。接单根过程的扰动和施加在电机上的载荷都较小且较为稳定，***对电能的需求明显减少，提高了导向工具使用寿命；方案简单易行，结构紧凑。

Description

静态指向式旋转导向钻井工具的偏置导向机构及控制方法

技术领域

本发明属于石油天然气钻井技术领域，具体地说，涉及一种静态指向式旋转导向钻井工具的偏置导向机构及控制方法。

背景技术

旋转导向钻井工具代表着当今石油定向钻井工具发展的最高水平。旋转导向钻井工具按照导向机构作用方式可划分为推靠式和指向式，按照导向工具外筒是否旋转又可划分为动态式和静态式。推靠式是指导向机构与井壁作用，利用产生的反作用力控制钻头方向，这种方式会产生螺旋井眼，其导向能力受到地层结构的限制，在软地层中的导向能力较差；指向式是指工具内部的导向机构对钻头连接轴施加作用力，进而控制钻头方向，这种方式钻出井眼的较平滑、规则，其导向能力强且不受地层影响，有利于提高井身质量，保证井下安全。

目前国外Schlumberger公司、Halliburton公司和BakerHughes公司等都已经开发了各自的旋转导向钻井工具，但是他们对国内进行严格技术封锁，其产品在国内并不出售，只提供高价技术服务。国内多家研究机构都开展了旋转导向钻井工具的研究并取得了一定的成果，但与国外技术水平相比，仍然有一定的距离。

Halliburton公司公开了一种基于静态指向式旋转导向工具，该导向***利用防旋转装置使其外筒不旋转，其偏转导向机构由内外两个偏心环组合而成，在导向过程中，通过分别利用谐波驱动机构控制内外环的转动角度来调整柔性导向芯轴的位置，进而改变钻头的方向。当两个偏心环分别转动一定角度达到预期位置后，通过电磁离合器分别限制内外环的旋转，实现制动功能。其不足之处在于：①该案的导向作用由柔性芯轴实现，柔性导向芯轴需要承受高强度的交变应力，容易发生疲劳损坏；②该案的双偏心环偏置机构由谐波驱动机构驱动，谐波驱动机构中的柔性部件会周期性变形，容易疲劳损坏；③该案的制动作用通过与内环、外环相对应的电磁离合器实现，由于需要额外设计与偏置机构匹配的制动装置，增加了***的复杂性。

Halliburton公司公开了一种静态指向式旋转导向钻井工具的偏置装置，该装置包括内外偏心环，采用两个电机分别通过齿轮传动驱动内外偏心环转动，进而控制钻头指向期望的方向。当双偏心环到达期望位置后，该案提出采用矢量控制驱动电机来保持预期钻头方向。此外该案还提出在电机上加入制动装置或者在齿轮传动机构中加入自锁机构来锁定双偏心环的位置。其不足之处在于：①电机矢量控制属于动态调节钻头方向的方法，此方法较为复杂，控制效果会受钻井过程中钻头带来的扰动的影响；②通过在电机或者齿轮传动机构中加入额外的制动装置锁定偏心环位置的方法会增加***的复杂性，此案也未详细阐述制动装置的结构。

Weatherford公司公开了一种静态指向式旋转导向钻井工具，该工具具有非旋转外筒，按轴向6列、周向12个均匀分布的液压泵输出液压油，在电磁阀的控制下将液压油注入液压腔，进而控制各个活塞的伸出位移量，实现钻头的导向控制。其不足之处在于：电磁阀的导向控制属于动态调节钻头方向的方法，导向效果会受到钻头带来的干扰的影响，实现精确导向控制较为困难。

施卢默格公司公开了一种静态指向式旋转导向钻井***，由钻井液驱动的液压泵提供一定压力的液压流体，利用电磁伺服阀控制液压流体进入液压缸，进而控制X-Y方向两组液压泵活塞的位置，以实现导向功能。其不足之处在于：该***中的液压泵由钻井液提供动力，钻井液压力波动会影响导向效果，增大了精确液压导向控制的难度。

西南石油大学公开了推靠式全旋转导向工具，该案利用电机驱动齿轮转动，使齿轮上的通孔与钻井液流道连通，钻井液作用在弹簧上，进而驱动不旋转外筒内的三个均匀分布的活塞的运动。其不足之处在于：该液压控制***容易受到钻井液压力的影响，且多个部件与钻井液接触，使用寿命会受到影响，对钻井液密封要求较高。

静态指向式旋转导向工具按照导向原理可划分为两种，一种是Halliburton公司的发明采用的通过控制双偏心环转动实现导向作用，属于这种导向原理的发明还有天津大学发明的旋转导向钻井工具。另一种是Weatherford公司、施卢默格公司、西南石油大学的发明采用的通过液压***控制活塞运动实现导向作用，属于这种导向原理的发明还有中石化公司发明的旋转导向钻井工具。

目前现有的技术存在有以下缺陷亟待解决：①基于双偏心环结构的电机控制方法和基于液压***的伺服阀控制方法都属于动态导向方法，控制方法较为复杂，并会受到钻头带来的扰动的影响；②偏置机构的制动功能是通过额外加入的制动装置实现的，例如双偏心环的离合器、电机的制动器、齿轮传动的自锁机构，这些都增加了***的复杂性；③基于双偏心环的偏置导向机构采用谐波驱动机构驱动时，谐波驱动机构中的柔性部件容易疲劳损坏；④基于液压控制的偏置导向机构的设计需要考虑对钻井液的密封问题，且钻井液压力波动会对导向控制产生影响

发明内容

针对现有技术的问题，本发明提供了一种静态指向式旋转导向钻井工具的偏置导向机构及控制方法，所述的偏置导向机构能够克服钻头在钻进过程中带来的扰动对控制导向效果的影响，所述的控制方法简单易行，能够实现结构弯角和工具面角的控制。

本发明的技术方案是：一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，包括钻头连接轴和不旋转外筒，所述的导向机构还包括柔性软管、偏置机构和滑块连接件，柔性软管与钻头连接轴连接，偏置机构安装在不旋转外筒内，所述偏置机构包括调心滑块、螺旋伸缩机构、控制电机，所述滑块连接件套设在钻头连接轴外部，所述调心滑块通过螺旋伸缩机构与控制电机连接，并安装在滑块连接件内，所述调心滑块在控制电机的带动下前后移动，推动钻头连接轴。

进一步的，所述的偏置机构还包括齿轮同步器，所述螺旋伸缩机构包括主动螺旋伸缩机构和从动螺旋伸缩机构，所述控制电机与主动螺旋伸缩机构连接，主动螺旋伸缩机构通过齿轮同步器与从动螺旋伸缩机构连接，使主动螺旋伸缩机构与从动螺旋伸缩机构同步运动，所述主动螺旋伸缩机构和从动螺旋伸缩机构分别与调心滑块连接。

进一步的，所述的主动螺旋伸缩机构包括主动螺杆、主动蜗轮、主动蜗杆，所述主动蜗杆分别与控制电机和齿轮同步器连接，主动螺杆与主动蜗轮连接，主动蜗杆与主动蜗轮啮合连接，所述主动螺杆与调心滑块固定连接；所述从动螺旋伸缩机构包括从动螺杆、从动蜗轮、从动蜗杆，所述从动蜗杆与齿轮同步器连接，从动螺杆与从动蜗轮连接，从动蜗杆与从动蜗轮啮合连接，所述从动螺杆与调心滑块固定连接。

进一步的，所述齿轮同步器包括主动外齿轮、从动外齿轮、内齿轮，所述主动外齿轮与主动蜗杆连接，从动外齿轮与从动蜗杆连接，所述主动外齿轮和从动外齿轮分别与内齿轮啮合连接。

进一步的，所述的主动蜗杆与主动蜗轮的螺纹升角小于摩擦角；主动蜗轮与主动螺杆螺纹升角小于摩擦角；所述从动蜗杆与从动蜗轮的螺纹升角小于摩擦角；从动蜗轮与从动螺杆螺纹升角小于摩擦角；所述的主动蜗轮和从动蜗轮的两端分别通过止推型无油衬套固定，所述主动蜗杆和从动蜗杆两端分别采用深沟球轴承固定。

进一步的，所述的导向机构包括导向机构外壳和两个偏置机构，且两个偏置机构相互垂直安装在不旋转外筒内部，主动螺旋机构和从动螺旋机构密封安装在导向机构外壳内。

进一步的，所述的螺旋伸缩机构上设有限位开关，用于限制螺旋伸缩机构带动调心滑块移动的距离；所述的限位开关为霍尔传感器和磁铁，所述霍尔传感器安装在止推型无油衬套上，所述磁铁安装在相应的主动螺杆或者从动螺杆上。

进一步的，所述的钻头连接轴上端直径小于下端直径形成台阶，所述滑块连接件套设在钻头连接轴外部，并通过推力球轴承和滚针轴承连接，推力球轴承一端固定在钻头连接轴的台阶处，推力球轴承另一端与滚针轴承的外圈固定，钻头连接轴上端置于滚针轴承内部。

进一步的，所述的滑块连接件内设有扇环槽，调心滑块为扇环状，并安装在扇环槽内，滑块连接件内部扇环槽的扇厚度和圆心角比调心滑块的厚度和圆心角大。

基于所述的静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构的结构弯角和工具面角的控制方法，其特征在于在接单根的时候控制结构弯角和工具面角的角度，钻井时按照预设角度钻进，所述控制方法具体如下：

钻头连接轴截面圆心位置用P(x,y)表示，工具面角θ为以高边方向线OA为始边，在钻头附近截面圆上顺时针旋转到线段OC的角度，在螺旋伸缩机构处截面圆上，高边方向线O’A’延长线O’D与线段O’P之间的角度为θ’，延长线O’D与Y轴之间的角度为β。

螺杆位置的变化使截面圆心的位置发生变化，所述截面圆心的移动范围为一个圆，其最大半径为设计的最大螺杆位移，点P(x,y)到原点O’的线段O’P的长度决定了结构弯角α的大小，通过改变X、Y两组螺杆的位置P(x,y)，改变线段O’P的长度实现结构弯角α从0°到设计最大结构弯角值间变化；改变高边方向线延长线O’D与线段O’P的角度实现工具面角θ在0-360度范围内变化；所述结构弯角α、工具面角θ满足以下方程：

在接单根时，根据期望的结构弯角和工具面角由螺旋伸缩机构XY方向分解模块解算出期望的截面圆心的位置(x₁,y₁)，并与当前截面圆心的位置(x₂,y₂)求差，得到截面圆心需要的伸缩量(Δx,Δy)，该伸缩量即为X向和Y向螺杆位置的变化量，其中当前截面圆心位置可以为预先设置的截面圆心位置，如利用限位开关预先设置截面圆心处于极限位置，当前截面圆心位置还可以为上次导向过程完成后记录下来的位置；利用脉冲数转换单元将螺杆伸缩量(Δx,Δy)转换为X、Y轴方向脉冲数N_x、N_y，其中涉及到螺旋伸缩机构的参数为蜗轮蜗杆传动的减速比i和螺旋传动的导程S，涉及到控制电机14的参数为步进角λ；将X、Y轴方向脉冲数N_x、N_y输入到X、Y方向步进电机控制***，通过控制相应的控制电机来调整螺旋伸缩机构的位置，进而改变钻头连接轴1、钻头21的方向，最终实现结构弯角α和工具面角θ的控制。此外可通过设置在螺旋伸缩机构22上的霍尔传感器25来判断螺杆6是否达到极限位置，此极限位置可以作为下次导向过程的预设位置，当到达极限位置时电机14停止转动，霍尔传感器25具有电机累计失步误差清零的作用。

所述X、Y轴方向脉冲数N_x、N_y满足以下方程：

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过在周向间隔90°均匀放置四个螺旋伸缩机构，采用蜗轮蜗杆传动和螺旋传动方式驱动螺杆伸缩实现了结构弯角和工具面角的控制，从而实现了导向功能。

(2)本发明采用的螺旋伸缩机构具有电机扭矩放大的作用，而且利用机构自身具有的蜗轮蜗杆之间和螺杆蜗轮之间的双自锁功能，能够克服钻头带来的扰动，使螺杆具有定位和支撑的作用，保证了导向效果的稳定，所以不需要设计额外的制动机构，在钻进过程中不需要进行动态导向，降低了导向难度。

(3)本发明采用的齿轮同步器通过内齿轮传动使相对的蜗杆具有相同的速度，从而使两个螺杆运动一致，实现同步功能。本发明的螺杆同步实现方案简单易行，结构紧凑。

(4)本发明采用的步进电机导向控制方法属于开环控制方式，控制方法较为简单，易于实现，传感器测量要求较低，传感器只起到限位开关的作用，控制和测量的成本低廉。导向控制方法只应用在接单根过程中，与钻进过程相比，接单根过程的扰动和施加在电机上的载荷都较小且较为稳定，***对电能的需求明显减少，提高了导向工具使用寿命。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明剖面结构示意图；

图3为F处放大示意图；

图4为螺旋伸缩机构示意图；

图5为齿轮同步器结构示意图；

图6为本发明结构弯角和工具面角示意图；

图7为本发明无偏置状态时位置示意图；

图8为本发明最大偏置状态时位置示意图；

图9为本发明导向控制方法框图；

其中：1-钻头连接轴；2-推力球轴承；3-从动螺旋伸缩机构；4-滚针轴承；5-柔性软管；6-齿轮同步器；7-控制电机；8-主动螺旋伸缩机构；9-滑块连接件；10-不旋转外筒；11-钻头；12-调心滑块；13-主动螺杆；14-主动蜗轮；15-磁铁；16-止推型无油衬套；17-导向机构外壳；18-主动螺杆；19-主动外齿轮；20-联轴器；21-电机固定座；22-从动螺杆；23-从动外齿轮；24-无油衬套；25-无油垫片；26-从动蜗轮；27-从动蜗杆；28-深沟球轴承；29-霍尔传感器；30-内齿轮；O、O’-不旋转外筒截面圆圆心，A、A’-高边方向线与外筒截面圆的交点，B-钻头连接轴上的支点，P、C-钻头连接轴轴线与外筒截面圆的交点，D-高边方向线延长线与外筒截面圆的交点，X、Y-两组相对的螺旋伸缩机构所在的方向；α-结构弯角，θ-工具面角，θ’-高边方向线延长线O’D与线段O’P之间的角度，β-高边方向线延长线O’D与Y轴之间的角度。

具体实施方式

以下将结合说明书附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1至图3所示，该静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，包括不旋转外筒10、钻头11、钻头连接轴1、柔性软管5、滑块连接件9、导向机构外壳17和偏置机构，所述偏置机构设有两组，且相互垂直的安装在不旋转外筒10内，两个偏置机构的调节方向方别为X方向和Y方向。

具体来说，钻头连接轴1为中空体，中空部分作为钻井液的流通通道，钻头连接轴1下端连接钻头11，上端与柔性软管5螺纹连接，钻头连接轴1接近上端处存在一个外径变化，其上端直径小于下端直径形成台阶。所述滑块连接件9套设在钻头连接轴1外部，并通过推力球轴承2和滚针轴承4连接，所述推力球轴承2和滚针轴承4用于承受来自钻头连接轴1的轴向载荷和径向载荷，推力球轴承2一端固定在钻头连接轴1的台阶处，推力球轴承2另一端与滚针轴承4的外圈固定，钻头连接轴1上端置于滚针轴承4内部，滑块连接件9的中空孔与滚针轴承4外圈紧密相连，滚针轴承4用于实现钻头连接轴1与滑块连接件9之间的相对旋转。

所述偏置机构包括调心滑块12、螺旋伸缩机构、齿轮同步器6、控制电机7、电机固定座21，所述螺旋伸缩机构包括主动螺旋伸缩机构8和从动螺旋伸缩机构3，所述主动螺旋伸缩机构8包括主动螺杆13、主动蜗轮14、主动蜗杆18。从动螺旋伸缩机构3包括从动螺杆27、从动蜗轮26和从动蜗杆22。所述滑块连接件9用于引导钻头连接轴1的位置，调心滑块12置于滑块连接件9内部的槽中，主动螺杆13和从动螺杆27下端均分别与调心滑块12采用螺纹连接固定，主动螺杆13上端内部嵌有圆柱形磁铁15，主动蜗轮14和从动蜗轮26内腔加工为内螺纹，主动螺杆13置于主动蜗轮14内部，并与主动蜗轮14螺纹连接。从动螺杆27置于从动蜗轮26内部，与从动蜗轮26螺纹连接。主动蜗轮14和从动蜗轮26两端均采用止推型无油衬套16固定，以实现主动蜗轮14和从动蜗轮26的自转运动。主动蜗杆18与主动蜗轮14啮合，主动蜗杆18两端采用深沟球轴承29固定，以实现主动蜗杆18的自转运动。从动蜗杆22与从动蜗轮26啮合连接，从动蜗杆22两端同样采用深沟球轴承29固定，以实现从动蜗杆22的自转运动。主动蜗杆18和控制电机7通过联轴器20连接，控制电机7通过电机固定座21固定在不旋转外筒10的内壁上。

所述主动蜗轮14上的止推型无油衬套16安装有霍尔传感器29，主动蜗杆18上安装有磁铁15，霍尔传感器29和磁铁15也可以安装在从动螺旋伸缩机构上。本发明实施例所述的控制电机7优选为步进电机，霍尔传感器29放置在止推型无油衬套16外，磁铁15嵌入到主动螺杆13上端内部，含有磁铁15的主动螺杆13的伸缩运动会引起周围磁场的变化，霍尔传感器29通过检测磁场的变化来判断主动螺杆13是否到达最大缩回位置，当主动螺杆13到达最大伸缩位置时控制电机7停止转动。霍尔传感器9起到限位开关的作用，能够限制主动螺杆13运动的位置，也有防止控制电机7堵转、保护控制电机7的作用。

如图5所示，齿轮同步器包括主动外齿轮19、从动外齿轮23、内齿轮30。主动蜗杆10上设置有平键与主动外齿轮19连接，带动主动外齿轮19转动，主动外齿轮19与内齿轮30啮合连接，内齿轮30与从动外齿轮23啮合连接，从动蜗杆22上设置有平键与从动外齿轮12a连接并带动其转动，齿轮同步器6的传动使主动外齿轮19和从动外齿轮23以相同的速度转动，使主动蜗杆18和从动蜗杆22速度一致，进而实现主动螺杆18和从动螺杆22运动的同步。内齿轮30外圈外设有无油衬套24，内齿轮30两端采用无油垫片25固定，以保证内齿轮30只有自转运动的作用。

不旋转外筒10为中空环形体，由于偏置机构设有两组，共有两组主动螺旋伸缩机构8和两组从动螺旋伸缩机构3，四个螺旋伸缩机构按照圆周方向间隔90°均匀分布在不旋转外筒10内部，主动螺旋机构8与从动螺旋机构3对应间隔180°，采用闭式传动密封在导向机构外壳17里，导向机构外壳17固定在不旋转外筒10内壁上。

图4进一步描述了主动螺旋伸缩机8和从动螺旋伸缩机构3的导向原理。主动螺旋伸缩机构8和从动螺旋伸缩机构3具有双自锁功能。主动蜗杆18与主动蜗轮14组成主动传动机构，设计较小的螺纹升角使其小于摩擦角，进而使得主动蜗轮14和主动蜗杆18传动具有自锁功能，只能通过主动蜗杆18带动主动蜗轮14，而不能由主动蜗轮14带动主动蜗杆8。主动蜗轮14与主动螺杆13组成主动螺旋传动机构，与蜗轮蜗杆传动设计类似，同样设计较小的螺纹升角使得主动螺旋传动具有自锁功能，只能由主动蜗轮14带动主动螺杆13运动。同理，从动螺旋机构中，设计较小的螺纹升角使其小于摩擦角，进而使得只能通从动蜗杆22带动从动蜗轮26，只能由从动蜗轮26带动从动螺杆27运动。在钻进过程中钻头11带来的扰动会传导到主动螺杆13和从动螺杆27的轴向上，而当螺旋传动和蜗杆传动选取的螺旋升角都小于摩擦角时，无论螺杆的轴向载荷有多大，蜗轮和蜗杆之间、蜗轮和螺杆之间都不会产生相对轴向移动，螺杆不会因轴向载荷而发生移动。螺旋伸缩机构具有的双自锁功能可以保证机构能够依靠自身结构实现螺杆的定位和支撑作用，进而锁定导向机构位置，保持工具面角和结构弯角的稳定。同时螺旋伸缩机构中的蜗轮蜗杆传动和螺旋传动都具有减速功能，能够放大控制电机7的扭矩。

本发明例的螺旋伸缩导向原理为控制电机7驱动主动蜗杆18旋转，通过蜗轮蜗杆传动、蜗轮螺杆螺旋传动驱动主动螺杆13伸缩，通过齿轮同步器6实现相对的主动螺杆13和从动螺杆27一个伸出一个缩回，进而确定滑块连接件9的位置，实现导向功能。与主动螺杆13和从动螺杆27相连的调心滑块12和滑块连接件9内部四个槽的形状都为扇环，滑块连接件9的运动轨迹为以钻头连接轴1上的支点B为圆心的圆弧，而调心滑块5是以螺杆轴线上一点为圆心的圆弧，由于两个圆弧轨迹不完全一致，不能保证每个位置都完全契合，所以滑块连接件9内部槽的扇环厚度和圆心角都比调心滑块12的扇环厚度和圆心角大，其中一个方向的螺杆位置变化时，与之相连的调心滑块12随之会在滑块连接件9内的槽中运动，调心滑块12具有调心作用，能够处理螺杆轴线与钻头连接轴1轴线之间的角度变化，而这一方向的螺杆位置变化不会影响另一方向的螺杆的位置，因为另一个方向的调心滑块12会在滑块连接件9内部的槽中做平移运动，所以可以认为X、Y方向的螺杆运动是独立的。当确定了X、Y轴两个方向上的偏置导向机构的位置时，相连的滑块连接件4的位置也随之确定，进而确定了钻头连接轴1的位置，实现了工具面角和结构弯角的控制。当偏置导向机构使钻头连接轴轴线与不旋转外筒轴线出现不一致时，柔性软管5通过自身变形可以补偿轴线的不一致。

图6为本发明实施例中的结构弯角和工具面角示意图。螺旋伸缩机构对钻头连接轴1产生的作用力通过杠杆效应作用到钻头11上，线段O’B为钻头连接轴1上的支点B到螺旋伸缩机构的轴向距离，钻头连接轴1轴线PC和不旋转外筒轴线OO’所成的夹角为结构弯角α。如果以不旋转外筒截面圆圆心O为原点，以圆周均匀分布的两组螺旋伸缩机构所在的方向分别为X轴和Y轴，点P为在螺旋伸缩机构处的钻头连接轴1截面的圆心，钻头连接轴1的位置实质上也是螺杆的位置，圆心位置的移动由X、Y方向两组相对的螺杆的位置控制，工具面角θ为以高边方向线OA为始边，在钻头附近截面圆上顺时针旋转到线段OC的角度，而在螺旋伸缩机构处截面圆上，高边方向线O’A’延长线O’D与线段O’P之间的角度为θ’，延长线O’D与Y轴之间的角度为β。

需要特别指出的是，截面圆心位置P(x,y)的变化范围为一个圆，其最大半径为设计的最大螺杆位移，点P(x,y)到原点O’的线段O’P的长度决定了结构弯角α的大小。通过改变X、Y两组螺杆的位置可以改变圆心的位置从而可以改变线段O’P的长度实现结构弯角α从0°到设计最大结构弯角值间变化，也可以改变高边方向线延长线O’D与线段O’P的角度实现工具面角θ在0-360度范围内变化。

进一步的，结构弯角α、工具面角θ满足以下方程：

图7、图8分别是本发明实施例处于无偏置状态时和最大偏置状态时的位置示意图。如图7所示，当本发明实施例处于无偏置状态时，截面圆心的位置为(0,0)，钻头连接轴轴线PC和不旋转外筒轴线OO’重合，对应的结构弯角α和工具面角θ都为零度。如图8所示，当本发明实施例处于最大偏置状态时，截面圆心的位置为(0,ymax)，对应的结构弯角α为设计的最大结构弯角，若将Y轴方向放置在高边方向线延长线O’D上，则β为零度，工具面角θ为零度。

本发明实施例还提供一种针对该静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构的结构弯角α和工具面角θ的控制方法，如图9所示。本发明实施例优选的控制电机7优选为步进电机，是将电脉冲信号转变为角位移的装置，一个脉冲信号对应的转动角度称为步距角，电机控制***采用开环控制方式，此方式实现较为简单，通过输入脉冲数来控制控制电机7的角位移量，驱动螺旋伸缩机构运动，利用脉冲数与螺杆位移之间的对应关系以及螺旋伸缩机构自身具有的双自锁功能实现螺杆的伸缩和定位功能。本发明实施例优选的限位开关为霍尔传感器，机械、电感、电容等其他原理的限位开关也可实现同样的功能。该控制方法在接单根过程中实施，具体过程如下：根据期望的结构弯角和工具面角由螺旋伸缩机构XY方向分解模块解算出期望的截面圆心位置(x₁,y₁)，并与当截面圆心位置(x₂,y₂)求差，得到截面圆心需要的伸缩量(Δx,Δy)，该伸缩量即为螺旋伸缩机构中螺杆的伸缩量，其中当前截面圆心的位置可以为预先设置的截面圆心位置，如利用限位开关预先设置截面圆心处于极限位置，当前截面圆心位置还可以为上次导向过程完成后记录下来的位置；利用脉冲数转换单元将螺杆伸缩量(Δx,Δy)转换为X、Y轴方向脉冲数N_x、N_y，其中涉及到螺旋伸缩机构的参数为蜗轮蜗杆传动的减速比i和螺旋传动的导程S，涉及到控制电机7的参数为步进角λ；将X、Y轴方向脉冲数N_x、N_y输入到X、Y方向步进电机控制***，通过控制相应的电机来调整螺旋伸缩机构的位置，进而改变钻头连接轴1、钻头11的方向，最终实现结构弯角α和工具面角θ的控制。此外可通过设置在螺旋伸缩机构上的霍尔传感器29来判断螺杆是否达到极限位置，此极限位置可以作为下次导向过程的预设位置，当到达极限位置时控制电机7停止转动，霍尔传感器29具有电机累计失步误差清零的作用。

进一步的，X、Y轴方向脉冲数N_x、N_y满足以下方程：

进一步的，若需要进一步提高导向控制精度，可将电机的开环控制方法改成闭环控制方法，可选用霍尔、电容、光电、超声等不同原理的位移传感器，检测X、Y轴两个方向的螺杆位移并将其送入电机控制***中，从而实现更高精度的导向效果。

本发明实施例提供了一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，具体来说是一种基于X-Y轴两方向的双自锁螺旋伸缩原理的偏置导向机构，可实现钻井过程中表征钻头方向的结构弯角和工具面角的控制，实现导向功能。该偏置导向机构存在于不旋转的外筒内部，其工作方式为静态式，导向机构通过螺杆对钻头连接轴施加作用，其导向方式为指向式。本发明实施例利用防旋转装置抑制外筒旋转，并与钻柱或钻杆***相连，钻头与钻头连接轴相连；螺旋伸缩偏置导向机构置于外筒内，由控制电机驱动偏置机构改变钻头连接轴的位置，实现导向功能。钻井过程可分为接单根过程和钻进过程。在接单根过程中通过控制X、Y轴两个方向上的螺旋伸缩偏置导向机构，不仅可以实现钻轴中心线与外筒中心线所形成的结构弯角从0°到设计最大结构弯角值间变化，还能实现工具面角在0-360度范围内变化。在钻进过程中，不需要调节偏置机构的位置，而是利用蜗轮蜗杆传动与蜗轮螺杆的螺旋传动具有的双自锁作用克服钻头带来的扰动，锁定偏置导向机构位置，保持工具面角和结构弯角的稳定。

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，包括钻头连接轴(1)和不旋转外筒(10)，其特征在于所述的导向机构还包括柔性软管(5)、偏置机构和滑块连接件(9)，柔性软管(5)与钻头连接轴(1)连接，偏置机构安装在不旋转外筒(10)内，所述偏置机构包括调心滑块(12)、螺旋伸缩机构、控制电机(7)，所述滑块连接件(9)套设在钻头连接轴(1)外部，所述调心滑块(12)通过螺旋伸缩机构与控制电机(7)连接，并安装在滑块连接件(1)内，所述调心滑块(12)在控制电机(7)的带动下前后移动，推动钻头连接轴(1)。

2.根据权利要求1所述的一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，其特征在于所述的偏置机构还包括齿轮同步器(6)，所述螺旋伸缩机构包括主动螺旋伸缩机构(8)和从动螺旋伸缩机构(3)，所述控制电机(7)与主动螺旋伸缩机构(8)连接，主动螺旋伸缩机构(8)通过齿轮同步器(6)与从动螺旋伸缩机构(3)连接，使主动螺旋伸缩机构(8)与从动螺旋伸缩机构(3)同步运动，所述主动螺旋伸缩机构(8)和从动螺旋伸缩机构(3)分别与调心滑块(12)连接。

3.根据权利要求2所述的一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，其特征在于所述的主动螺旋伸缩机构(8)包括主动螺杆(13)、主动蜗轮(14)、主动蜗杆(18)，所述主动蜗杆(18)分别与控制电机(7)和齿轮同步器(6)连接，主动螺杆(13)与主动蜗轮(14)连接，主动蜗杆(18)与主动蜗轮(14)啮合连接，所述主动螺杆(13)与调心滑块(12)固定连接；所述从动螺旋伸缩机构(3)包括从动螺杆(27)、从动蜗轮(26)、从动蜗杆(22)，所述从动蜗杆(22)与齿轮同步器(6)连接，从动螺杆(27)与从动蜗轮(26)连接，从动蜗杆(22)与从动蜗轮(27)啮合连接，所述从动螺杆(26)与调心滑块(12)固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，其特征在于所述齿轮同步器(6)包括主动外齿轮(19)、从动外齿轮(23)、内齿轮(30)，所述主动外齿轮(19)与主动蜗杆(22)连接，从动外齿轮(23)与从动蜗杆(22)连接，所述主动外齿轮(19)和从动外齿轮(23)分别与内齿轮(30)啮合连接。

5.根据权利要求2所述的一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，其特征在于所述的主动蜗杆(18)与主动蜗轮(14)的螺纹升角小于摩擦角；主动蜗轮(14)与主动螺杆(13)螺纹升角小于摩擦角；所述从动蜗杆(22)与从动蜗轮(26)的螺纹升角小于摩擦角；从动蜗轮(26)与从动螺杆(27)螺纹升角小于摩擦角；所述的主动蜗轮(14)和从动蜗轮(26)的两端分别通过止推型无油衬套(16)固定，所述主动蜗杆(18)和从动蜗杆(22)两端分别采用深沟球轴承(28)固定。

6.根据权利要求2所述的一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，其特征在于所述的导向机构包括导向机构外壳(17)和两个偏置机构，且两个偏置机构相互垂直安装在不旋转外筒(10)内部，主动螺旋机构(8)和从动螺旋机构(3)密封安装在导向机构外壳(17)内。

7.根据权利要求5所述的一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，其特征在于所述的螺旋伸缩机构上设有限位开关，用于限制螺旋伸缩机构带动调心滑块(12)移动的距离；所述的限位开关为霍尔传感器(29)和磁铁(15)，所述霍尔传感器(29)安装在止推型无油衬套(16)上，所述磁铁(15)安装在相应的主动螺杆(13)或者从动螺杆(27)上。

8.根据权利要求1所述的一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，其特征在于所述的钻头连接轴(1)上端直径小于下端直径形成台阶，所述滑块连接件(9)套设在钻头连接轴(1)外部，并通过推力球轴承(2)和滚针轴承(4)连接，推力球轴承(2)一端固定在钻头连接轴(1)的台阶处，推力球轴承(2)另一端与滚针轴承(4)的外圈固定，钻头连接轴(1)上端置于滚针轴承(4)内部。

9.根据权利要求1所述的一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，其特征在于所述的滑块连接件(9)内设有扇环槽，调心滑块(12)为扇环状，并安装在扇环槽内，滑块连接件(9)内部扇环槽的扇厚度和圆心角比调心滑块(12)的厚度和圆心角大。

10.基于权利要求1至9任一所述的静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构的结构弯角和工具面角的控制方法，其特征在于在接单根的时候控制结构弯角和工具面角的角度，钻井时按照预设角度钻进，所述控制方法具体如下：

钻头连接轴截面圆心位置用P(x,y)表示，工具面角θ为以高边方向线OA为始边，在钻头附近截面圆上顺时针旋转到线段OC的角度，在螺旋伸缩机构处截面圆上，高边方向线O’A’延长线O’D与线段O’P之间的角度为θ’，延长线O’D与Y轴之间的角度为β；

螺杆位置的变化使截面圆心的位置发生变化，所述截面圆心的移动范围为一个圆，其最大半径为设计的最大螺杆位移，点P(x,y)到原点O’的线段O’P的长度决定了结构弯角α的大小，通过改变X、Y两组螺杆的位置P(x,y)，改变线段O’P的长度实现结构弯角α从0°到设计最大结构弯角值间变化；改变高边方向线延长线O’D与线段O’P的角度实现工具面角θ在0-360度范围内变化；所述结构弯角α、工具面角θ满足以下方程：

在接单根时，根据期望的结构弯角和工具面角由螺旋伸缩机构XY方向分解模块解算出期望的截面圆心的位置(x₁,y₁)，并与当前截面圆心的位置(x₂,y₂)求差，得到截面圆心需要的伸缩量(Δx,Δy)，该伸缩量即为X向和Y向螺杆位置的变化量，其中当前截面圆心位置可以为预先设置的截面圆心位置，如利用限位开关预先设置截面圆心处于极限位置，当前截面圆心位置还可以为上次导向过程完成后记录下来的位置；利用脉冲数转换单元将螺杆伸缩量(Δx,Δy)转换为X、Y轴方向脉冲数N_x、N_y，其中涉及到螺旋伸缩机构的参数为蜗轮蜗杆传动的减速比i和螺旋传动的导程S，涉及到控制电机14的参数为步进角λ；将X、Y轴方向脉冲数N_x、N_y输入到X、Y方向步进电机控制***，通过控制相应的控制电机来调整螺旋伸缩机构的位置，进而改变钻头连接轴1、钻头21的方向，最终实现结构弯角α和工具面角θ的控制；此外可通过设置在螺旋伸缩机构22上的霍尔传感器25来判断螺杆6是否达到极限位置，此极限位置可以作为下次导向过程的预设位置，当到达极限位置时电机14停止转动，霍尔传感器25具有电机累计失步误差清零的作用；

所述X、Y轴方向脉冲数N_x、N_y满足以下方程：