CN110056323A - 高效复式防别卡钻钻绞式铣锥 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效复式防别卡钻钻绞式铣锥，包括旋转外筒、稳定平台、导向偏置机构、钻压传递机构、扭矩传递机构、上支撑板、下支撑板、钻轴、钻头、密封波纹管、钻轴连接轴承和导电滑环所述旋转外筒与钻杆或钻杆***连接，所述钻杆上设置有与地面监控***无线连接的信号控制装置和电源装置，所述电源装置连接信号控制装置，所述信号控制装置通过电源线和/或信号线与导电滑环连接；所述导向偏置机构设置于稳定平台的内部，所述稳定平台设置于旋转外筒的内部。本发明的防别卡钻钻绞式铣锥与传统的钻绞式铣锥相比，不仅扭矩力度大，而且性能稳定，钻进精确、效率高，且使用寿命长、智能化程度高，能够有效提升钻井效率。
Description
技术领域
本发明涉及油气钻井领域，尤其涉及一种高效复式防别卡钻钻绞式铣锥。
背景技术
导向钻井是由高效能钻头、导向动力钻具和MWD组成一体，并辅之计算机软件,组成导向钻井***，应用于石油钻井工程中，可适时变更定向和开转盘两种工况，连续完成定向造斜、增斜、稳斜、降斜及扭方位操作，而不用起钻变更钻具组合，就能快速钻出高质量的井眼轨迹的钻井方式。
随着国内外多数油气田相继进入开发中后期，油气藏开发难度逐渐加大，钻遇地层特性日益复杂，加之海上石油，近海油气田、煤层气田的陆续钻探，对常规的大位移井、水平井和多分支井等钻井工艺技术提出了更高的要求。旋转导向钻井技术是近年来发展起来的一项尖端的闭环自动钻井新技术，它的出现是世界钻井技术的一次质的飞跃。
井下旋转导向钻井工具***根据其导向方式划分为推靠式和指向式，按照偏置机构的工作方式又可分为静态偏置式和动态偏置式，从应用情况看，指向式旋转导向钻井***的造斜能力不依赖于和井壁的接触，更加适用于大井径或大肚子井眼、软地层、极软底层和夹层等的裸眼悬空侧钻，使得钻进狗腿度和侧向钻井造斜能力大为提高，有助于将井眼控制在油藏的最佳位置，提高井身质量，保证井下安全。而其中动态指向式旋转导向钻井***更是由于其钻具组合完全旋转，钻出井眼光滑、规整，并可有效提高机械钻速，增大扭矩、调节钻压，充分发挥钻头性能，受到世界范围内诸多油气田钻井公司的欢迎。
世界著名的石油技术服务公司Baker Hughes，Schlumberger，Halliburton等都已经开发出各自的旋转导向钻井工具***。国内西安石油大学、胜利油田钻井院、中海石油研究中心、中国地质大学、西南石油大学、辽河油田天意石油装备公司等单位也开展了旋转导向钻井技术研究，陆续取得了一定的研究成果。总体上，旋转导向闭环钻井技术仍处于快速发展的阶段，国际竞争十分激烈。其中动态指向式旋转导向钻井工具***是当今世界钻井技术发展的最高阶段，代表着高精度定向钻井技术的发展方向。
中国专利公告号CN 101586440A，公开日2009年11月25日，发明创造的名称为一种指向式旋转导向钻井工具(该发明申请亦为实用新型专利授权，授权公告号：CN 201450731U，授权公告日2010年5月12日)，该申请案公开了一种不依赖地层的表面力学特性，结构简单，并且能够准确有效控制井眼轨迹的指向式旋转导向钻井工具***，该***本质上是静态偏置指向式旋转导向钻井工具***，其不足之处在于①所述钻井工具工作时外筒不旋转，其作用扭矩较小；②所述钻井工具的导向由芯轴弯曲实现，该导向芯轴需承受高强度的交变应力，容易发生疲劳损坏。
从技术层面看，动态指向式旋转导向钻井***是一个集机、电、液于一体的闭环自动控制***，其造斜能力不依赖于和井壁的接触，并以井下所有部件完全旋转为主要技术特征。
美国专利号6,109,372，申请日1999年3月15日，授权日2000年8月29日，发明创造的名称为采用液压伺服回路控制的旋转导向钻井工具***(Rotary Steerable WellDrilling System Utilizing Hydraulic Servo-loop)，该案公开了一种基于动态指向式旋转导向工具，其外筒直接带动偏置机构进而带动钻头旋转，通过X-Y方向两组液压驱动活塞不间断运动来控制工作时偏置机构与外筒的相对位置，以达到指向的目的，其特点在于需要随时已知准确的外筒旋转速度，并随动控制X-Y方向两组液压驱动活塞的运行位置，液压驱动活塞位移与外筒转速的联立控制加之其本身的高负荷工作，无疑会增大精确指向控制的难度。
现有技术申请号为CN201210402593.5的发明授权专利，公开了一种动态指向式旋转导向钻井工具，包括旋转外筒、稳定平台、导向偏置机构、钻压传递机构、扭矩传递机构、上支撑板、下支撑板、钻轴、钻头、密封波纹管、钻轴连接轴承和导电滑环，其特征在于：旋转外筒向钻头直接施加钻压和扭矩，带动钻轴、钻头共同旋转，根据预置井眼轨迹参数或地面监控***遥控指令由计算单元解算出所要控制的井斜角和方位角信息，采用稳定平台对地静止的控制方法、并结合液压驱动活塞导向偏置机构工作原理，实现偏置机构结构弯角、特别是井斜角和方位角的精确控制。该***本质上虽然能够很好的解决钻轴的偏向，但是，其钻轴的稳定以及支撑得不到很好的保证，容易出现卡钻，以及在使用时不能很好的掌握钻井的速度。
鉴于上述所述，我们有必要研究一套更加完善的钻井设备，在提高钻井导向支撑的稳定同时增加钻井的效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种高效复式防别卡钻钻绞式铣锥，本发明的防别卡钻钻绞式铣锥与传统的钻绞式铣锥相比，不仅扭矩力度大，而且性能稳定，钻进精确、效率高，且使用寿命长、智能化程度高，能够有效提升钻井效率。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种高效复式防别卡钻钻绞式铣锥，包括旋转外筒、稳定平台、导向偏置机构、钻压传递机构、扭矩传递机构、上支撑板、下支撑板、钻轴、钻头、密封波纹管、钻轴连接轴承和导电滑环所述旋转外筒与钻杆或钻杆***连接，所述钻杆上设置有与地面监控***无线连接的信号控制装置和电源装置，所述电源装置连接信号控制装置，所述信号控制装置通过电源线和/或信号线与导电滑环连接；所述导向偏置机构设置于稳定平台的内部，所述稳定平台设置于旋转外筒的内部，包括中空圆柱形的稳定平台主体、稳定平台连接轴承、稳定平台伺服电机和稳定平台电机联轴器；所述稳定平台主体上端由安装在旋转外筒的下支撑板和下支撑板内嵌轴承连接固定，下端通过稳定平台连接轴承与旋转外筒内壁紧密配合，所述稳定平台伺服电机安装在旋转外筒的上支撑板上，所述上支撑板与下支撑板通过内六角螺丝紧固在旋转外筒上并随之一起运动，所述稳定平台电机联轴器用于连接稳定平台伺服电机与稳定平台主体，所述稳定平台主体上设置有陀螺仪，所述陀螺仪与控制器连接，所述控制器与导电滑环、信号控制装置和稳定平台伺服电机连接，所述稳定平台伺服电机驱动稳定平台主体相对于旋转外筒等速相反旋转，使其在工作状态下保持对地静止；所述钻头上还设置有连接控制器的传感器。
作为优选，所述导向偏置机构由三个连接控制器的液压驱动活塞呈120°安装组成，所述液压驱动活塞所围成的中心区域有一钻轴连接轴承；该钻轴连接轴承为角接触轴承，其内侧与钻轴上部连接头紧密配合，外部与各个液压驱动活塞直接相连；通过改变液压驱动活塞的直线运动位移，就会改变钻轴的结构弯角。
作为优选，所述导电滑环包括与电源线连接的电影导电滑环以及与信号线连接的信号导电滑环；所述电源导电滑环用于给控制器以及与控制器相连的各电子元件单元供电；所述信号导电滑环用于控制器与信号控制装置之间的信号传输。
作为优选，所述控制器包括电路板以及设置在电路板上的信号放大器和微处理器，所述电路板用于与导电滑环、传感器、陀螺仪、稳定平台伺服电机和液压驱动活塞连接；所述微处理器通过接收陀螺仪相对于地面的角度信号以及地面监控***的信号，控制稳定平台伺服电机驱动稳定平台主体相对于旋转外筒等速相反旋转，使其在工作状态下保持对地静止以及驱动液压驱动活塞控制钻头所连接的钻轴进行移动，以纠正或倾斜钻头的钻角。
作为优选，所述钻轴上设置有相对于钻轴旋转而保持静止的钻轴陀螺仪，所述钻轴陀螺仪与控制器连接。钻轴陀螺仪用于将钻轴的角度信号发送给控制器，由控制器根据接收到的角度信号与内部设定的程序和/或地面发送的程序进行比对，当接收到的角度信号与内部设定的角度信号和/或地面发送的角度信号不一致时，驱动连接的液压驱动活塞，由液压驱动活塞上的直线滑块驱动钻轴移动以进行角度纠正，使钻轴的角度与内部设定的角度信号和/或地面发送的角度信号一致。其中，钻轴陀螺仪安装在钻轴座上，钻轴座通过轴承与钻轴4以及钻轴上安装的伺服电机连接，伺服电机设置于钻轴固定板上，钻轴固定板通过钢球与上万向节球笼和下万向节球笼连接，下万向节球笼通过螺纹固定在上万向节球笼，上万向节球笼通过内六角螺丝与旋转外筒固定连接。此外，设置的万向节球笼和钢珠不仅可以辅助支撑钻轴固定板连接的钻轴，而且便于钻轴倾斜，与扭矩传递机构配合有助于增加钻轴的稳定，减少钻轴的晃动，提升钻轴的使用性能以及使用寿命。另外，钻轴座的位置远离扭矩传递机构，靠近稳定平台的一侧。
作为优选，所述信号控制装置包括与钻杆连接的底座以及设置在底座上的主控电路板和设置在主控电路板上的处理器、信号放大器和无线收发器；所述信号放大器用于将接收到的信号放大后发送给控制器和/或无线接收器，由无线收发器与地面监控***中的无线收发器进行无线通讯连接。其中，底座通过内六角螺丝固定在钻杆上，随钻杆一起旋转。
作为优选，所述电源装置包括设置在底座上的导电滑柱以及设置在导电滑柱上的导电滑套，所述导电滑套与外部电源连接，所述导电滑柱与信号控制装置连接，所述信号控制装置通过单向快速插头与钻杆上的快速插口连接。采用此技术方案，由外部电源通过导电滑套将电源传递给导电滑柱，再由导电滑柱给信号控制装置以及旋转外筒内的各电子元件进行供电。其中，外部电源包括市电或发电机或大容量的蓄电池。
作为优选，所述钻杆的两端分别设置有快速插口，所述快速插口之间通过电源线和信号线连接，所述电源线和信号线位于钻杆一侧设置的理线槽中，所述理线槽中还设置有与钻杆外表面连接的保护盖，其相邻的两个钻杆之间通过双向快速插头与快速插口连接。其中，相邻的两个钻杆连接后，其理线槽在位于同一直线上。
作为优选，所述地面监控***包括计算机以及与计算机连接的显示器和输入键鼠以及设置在计算机上用于跟信号控制装置无线通讯的信号收发器。采用此技术方案，输入键鼠用于输入程序指令，由计算机中设置的程序处理分析后通过信号收发器发送给信号控制装置，由信号控制装置将接收的信号处理分析后转发给控制器。其中，计算机还与转盘钻钻井设备连接，用于控制转盘钻钻井的转速以及钻杆进给速度。
作为优选，所述传感器内嵌在钻头靠近切削端的一侧，其传感器包括声波传感器、数字图像传感器、振动传感器、温度传感器、张力扭矩传感器和压力传感器中的一种或多种。其中，数字图像传感器用于捕捉并拍摄井底钻头破碎的岩屑，并将拍摄的岩屑通过控制器发送到地面信号控制装置，由信号控制装置发送给地面监控***；振动传感器用将钻头破碎岩屑所产生的振动信号发送给控制器；力扭矩传感器用将钻头破碎岩屑所产生的扭力信号发送给控制器；由控制器发送给信号控制装置，再由信号控制装置发送给地面监控***，由信号控制装置或地面监控***根据接收的振动信号和扭力信号判定地下钻头破碎层的软硬以及钻头的受力，并将此信号发送给地面监控***，由地面监控***根据内部设定的控制程序控制转盘钻钻井的转速以及进给速度，从而保护钻头以及调整钻井的速度。
作为优选，所述的稳定平台伺服电机和伺服电机为中空轴式电机。
作为优选，所述导向偏置机构为互成120°安装的三个液压驱动活塞，所述液压驱动活塞所围成的中心区域有一钻轴连接轴承，可通过调整各个液压驱动活塞的直线位移，形成结构弯角，该直线位移存在最大设计直线位移，该结构弯角从0°到最大设计角度变化，结构弯角最大设计角度与液压驱动活塞最大设计直线位移决定了钻轴从钻轴连接轴承下端面到扭矩传递机构中导向旋转中心点的设计距离；所述钻轴连接轴承为角接触轴承，其内侧与钻轴上部连接头紧密配合，外部与各个液压驱动活塞直接相连；改变液压驱动活塞的直线运动位移，就会改变钻轴的结构弯角；其中，液压驱动活塞为电动液压驱动活塞。在钻进过程中，外筒始终旋转，并将扭矩与钻压高效地传递给钻头；通过调整导向偏置机构中两组液压驱动活塞的伸缩直线位移，可实现钻轴中心线与外筒中心线所形成结构弯角从0°到设计最大结构弯角值间变化，进而达到控制井斜角的目的；通过调整稳定平台相对旋转外筒的角位移，可使钻轴中心线指向东西南北0～360°范围内任意控制方位。
作为优选，钻压传递机构自上而下包括钻压承压环、弹性垫圈、球面止推环和球面旋转环；所述扭矩传递机构包括上万向节球笼、下万向节球笼、钢球、连接键以及用于保护扭矩传递机构的内套环和外套环；钻压传递机构内穿有钻轴，其上端通过钻轴连接轴承与内偏心环的偏心中空体紧固连接，中部伸出有圆柱形“凸”台与球面旋转环中间内凹面相接触，以至于可将来自旋转外筒上的钻压进一步传递至钻轴上，进而可传递至安装于钻轴前端的钻头上；所述的钻压承压环为一中间有孔的“凹”形圆柱结构，其上端置于旋转外筒内壁凹台之上，下端同扭矩传递机构的上万向节球笼套相接触，直接承载来自旋转外筒上的钻压，弹性垫圈、球面止推环和球面旋转环均依次置于钻压承压环内部，球面止推环和球面旋转环的球心O为钻轴的导向旋转中心，所述的上万向节球笼与下万向节球笼主体结构类似，均为中空圆柱体，内壁处均布有8个1/4“凹球面”，其正好与钻轴相应位置上的另1/2“凹球面”组成全球面，所述全球面内置有优质钢球，动力扭矩由均布在外筒周围的八个连接键传递至上万向节球笼与下万向节球笼，而后利用八个大直径钢球以球面接触的方式将扭矩施加于钻轴，进而作用于钻头上。
作为优选，所述高效复式防别卡钻钻绞式铣锥包括安装在上支撑板下端面的用于连接稳定平台伺服电机的电源及控制信号线的稳定平台导电滑环；所述的钻轴与钻轴连接轴承的泥浆密封可用密封波纹管来实现；所述钻轴与下万向节球笼的泥浆密封可用密封波纹管来实现。
作为优选，所述高效复式防别卡钻钻绞式铣锥还可包括位于旋转外筒上方的钻铤，以改善旋转外筒的作用钻压；位于旋转外筒上方的泥浆马达，以改变旋转外筒的旋转扭矩；位于旋转外筒上方的涡轮发电机，用于为该钻绞式铣锥提供电力支持。
为实现高效复式防别卡钻钻绞式铣锥的灵活导向和平稳工作，本发明还提供一种对该设备的井眼轨迹随动和稳定控制方法，依据井眼轨迹随动控制的特点，采用含有模糊PID控制器的闭环控制方案，以更大限度地消除钻井参数在较大范围内变化以及负载扰动对井眼轨迹的影响；跟踪预置井眼轨迹参数或地面监控***遥控指令，计算出不同井深处的机械钻速、井斜角和方位角等信息作为控制***输入变量；综合考虑测量井斜角偏差、方位角偏差、钻速偏差以及各偏差变化率，确定模糊变量的隶属度函数及控制规则，设计出稳定平台随动模糊控制器和井斜角、方位角导向模糊控制器，完善多输入单输出的模糊控制***，实现对稳定平台、导向偏置机构和钻轴的控制要求。
本发明的有益效果是：
1.与传统的钻绞式铣锥相比，本发明的钻绞式铣锥不仅扭矩力度大，而且性能稳定，钻进精确、效率高，且使用寿命长、智能化程度高，能够有效提升钻井效率，并且不易卡钻；
2.本发明设计新颖，结构合理，方便调整，通过其动态指向的旋转钻进方式，可对水平井、大位移井、大斜度井和分支井等的钻进过程进行有效导向，并可增大扭矩、调节钻压，改善机械钻速以满足不同地质需求，充分发挥钻头性能，进而提高钻进效率；
3.本发明钻绞式铣锥中的稳定平台主体由控制器通过设置的陀螺仪自动调整稳定平台伺服电机的转速，其智能化程度高，可有效保障稳定平台主体在工作状态下保持对地静止；
4.本发明钻绞式铣锥中的钻轴陀螺仪能够有效的反馈钻轴的角度信号，并能够通过设定的控制程序自动控制导向偏置机构，以调整钻轴的钻角，从而提升钻井轨迹的精确率；
5.本发明钻绞式铣锥中的传感器能够有效的将钻头破碎岩屑所产生的信号反馈到控制器、信号控制装置和地面监控***，由人工或***根据破碎岩屑的地质自动控制转盘钻钻井的转速以及进给速度，从而保护钻头以及调整钻井的速度；
6.本发明钻绞式铣锥中的钻轴固定板通过钢珠与万向节球笼连接，不仅可以辅助支撑钻轴，而且便于钻轴倾斜，与扭矩传递机构配合有助于增加钻轴的稳定，减少钻轴的震动、晃动以及卡钻，有效提升钻轴的使用性能以及使用寿命；
7.本发明的地面监控***通过无线信号与钻绞式铣锥上的信号控制装置进行双向无线通信，有效减少了地面监控***对钻绞式铣锥的线缆依赖。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明涉及的结构示意图；
图2为本发明涉及的钻轴陀螺仪位置安装示意图；
图3为本发明涉及的钻轴与导向偏置机构的连接示意图；
图4为本发明涉及的钻杆与信号控制装置和电源装置的示意图；
图5为本发明涉及的理性槽截面示意图。
图中标号说明：旋转外筒1，上支撑板2，下支撑板3，钻轴4，钻头5，密封波纹管6，钻轴连接轴承7，导电滑环8，钻杆9，信号控制装置10，电源装置11，稳定平台主体12，稳定平台连接轴承13，稳定平台伺服电机14，稳定平台电机联轴器15，双向快速插头16，下支撑板内嵌轴承17，保护盖18，内六角螺丝19，陀螺仪20，控制器21，传感器22，钻轴陀螺仪23，直线滑块24，钢球25，上万向节球笼26，下万向节球笼27，单向快速插头28，快速插口29，电源线和信号线30，钻压承压环31，弹性垫圈32，球面止推环33，球面旋转环34，内套环35，外套环36，底座101，无线收发器102，导电滑柱111，导电滑套112，外部电源113，钻轴座231，轴承232，伺服电机233，钻轴固定板234，理线槽901。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
参照图1至图5所示，一种高效复式防别卡钻钻绞式铣锥，包括旋转外筒1、稳定平台、导向偏置机构、钻压传递机构、扭矩传递机构、上支撑板2、下支撑板3、钻轴4、钻头5、密封波纹管6、钻轴连接轴承7和导电滑环8所述旋转外筒1与钻杆9或钻杆***连接，所述钻杆9上设置有与地面监控***无线连接的信号控制装置10和电源装置11，所述电源装置11连接信号控制装置10，所述信号控制装置10通过电源线和/或信号线与导电滑环8连接；所述导向偏置机构设置于稳定平台的内部，所述稳定平台设置于旋转外筒1的内部，包括中空圆柱形的稳定平台主体12、稳定平台连接轴承13、稳定平台伺服电机14和稳定平台电机联轴器15；所述稳定平台主体12上端由安装在旋转外筒1的下支撑板3和下支撑板内嵌轴承17连接固定，下端通过稳定平台连接轴承13与旋转外筒1内壁紧密配合，所述稳定平台伺服电机12安装在旋转外筒1的上支撑板2上，所述上支撑板2与下支撑板3通过内六角螺丝19紧固在旋转外筒1上并随之一起运动，所述稳定平台电机联轴器15用于连接稳定平台伺服电机14与稳定平台主体12，所述稳定平台主体12上设置有陀螺仪20，所述陀螺仪20与控制器21连接，所述控制器21与导电滑环8、信号控制装置10和稳定平台伺服电机14连接，所述稳定平台伺服电机14驱动稳定平台主体12相对于旋转外筒1等速相反旋转，使其在工作状态下保持对地静止；所述钻头5上还设置有连接控制器21的传感器22。
作为优选，所述导向偏置机构由三个连接控制器21的液压驱动活塞呈120°安装组成，所述液压驱动活塞所围成的中心区域有一钻轴连接轴承7；该钻轴连接轴承7为角接触轴承，其内侧与钻轴4上部连接头紧密配合，外部与各个液压驱动活塞直接相连；通过改变液压驱动活塞的直线运动位移，就会改变钻轴4的结构弯角。
作为优选，所述导电滑环8包括与电源线连接的电影导电滑环以及与信号线连接的信号导电滑环；所述电源导电滑环用于给控制器21以及与控制器21相连的各电子元件单元供电；所述信号导电滑环用于控制器21与信号控制装置10之间的信号传输。
作为优选，所述控制器21包括电路板以及设置在电路板上的信号放大器和微处理器，所述电路板用于与导电滑环8、传感器21、陀螺仪20、稳定平台伺服电机14和液压驱动活塞连接；所述微处理器通过接收陀螺仪20相对于地面的角度信号以及地面监控***的信号，控制稳定平台伺服电机14驱动稳定平台主体12相对于旋转外筒1等速相反旋转，使其在工作状态下保持对地静止以及驱动液压驱动活塞控制钻头5所连接的钻轴4进行移动，以纠正或倾斜钻头5的钻角。
作为优选，所述钻轴4上设置有相对于钻轴4旋转而保持静止的钻轴陀螺仪23，所述钻轴陀螺仪23与控制器21连接。钻轴陀螺仪23用于将钻轴4的角度信号发送给控制器21，由控制器21根据接收到的角度信号与内部设定的程序和/或地面发送的程序进行比对，当接收到的角度信号与内部设定的角度信号和/或地面发送的角度信号不一致时，驱动连接的液压驱动活塞，由液压驱动活塞上的直线滑块24驱动钻轴4移动以进行角度纠正，使钻轴4的角度与内部设定的角度信号和/或地面发送的角度信号一致。其中，钻轴陀螺仪23安装在钻轴座231上，钻轴座231通过轴承232与钻轴4以及钻轴4上安装的伺服电机233连接，伺服电机233设置于钻轴固定板234上，钻轴固定板234通过钢球25与上万向节球笼26和下万向节球笼27连接，下万向节球笼27通过螺纹固定在上万向节球笼26，上万向节球笼26通过内六角螺丝19与旋转外筒1固定连接。此外，设置的万向节球笼和钢珠25不仅可以辅助支撑钻轴固定板234连接的钻轴4，而且便于钻轴4倾斜，与扭矩传递机构配合有助于增加钻轴4的稳定，减少钻轴4的晃动，提升钻轴4的使用性能以及使用寿命。另外，钻轴座231的位置远离扭矩传递机构，靠近稳定平台的一侧。
作为优选，所述信号控制装置10包括与钻杆9连接的底座101以及设置在底座101上的主控电路板和设置在主控电路板上的处理器、信号放大器和无线收发器102；所述信号放大器用于将接收到的信号放大后发送给控制器和/或无线接收器102，由无线收发器102与地面监控***中的无线收发器进行无线通讯连接。其中，底座101通过内六角螺丝固定在钻杆9上，随钻杆9一起旋转。采用此技术方案，与底座101连接的钻杆9设置为方钻杆，用于在井底随钻头5和外筒一起旋转的钻杆9设置为钻柱。
作为优选，所述电源装置11包括设置在底座101上的导电滑柱111以及设置在导电滑柱111上的导电滑套112，所述导电滑套112与外部电源113连接，所述导电滑柱111与信号控制装置10连接，所述信号控制装置10通过单向快速插头28与钻杆9上的快速插口29连接。采用此技术方案，由外部电源113通过导电滑套112将电源传递给导电滑柱111，再由导电滑柱111给信号控制装置10以及旋转外筒1内的各电子元件进行供电。其中，外部电源113包括市电或发电机或大容量的蓄电池。
作为优选，所述钻杆9的两端分别设置有快速插口29，所述快速插口29之间通过电源线和信号线30连接，所述电源线和信号线30位于钻杆9一侧设置的理线槽901中，所述理线槽901中还设置有与钻杆9外表面连接的保护盖18，其相邻的两个钻杆9之间通过双向快速插头16与快速插口29连接。其中，相邻的两个钻杆9连接后，其理线槽901在位于同一直线上。采用此技术方案，上下钻杆9连接后，将双向快速插头16分别***到上下钻杆9上的快速插口29中，然后，将打开的保护盖18扣回去，其中，双向快速插头16上设置有绝缘的密封胶，用于防水。
作为优选，所述地面监控***包括计算机以及与计算机连接的显示器和输入键鼠以及设置在计算机上用于跟信号控制装置无线通讯的信号收发器。采用此技术方案，输入键鼠用于输入程序指令，由计算机中设置的程序处理分析后通过信号收发器发送给信号控制装置10，由信号控制装置10将接收的信号处理分析后转发给控制器21。其中，计算机还与转盘钻钻井设备连接，用于控制转盘钻钻井的转速以及钻杆进给速度。
作为优选，所述传感器22内嵌在钻头5靠近切削端的一侧，其传感器22包括声波传感器、数字图像传感器、振动传感器、温度传感器、张力扭矩传感器和压力传感器中的一种或多种。其中，数字图像传感器用于捕捉并拍摄井底钻头5破碎的岩屑，并将拍摄的岩屑通过控制器21发送到地面信号控制装置10，由信号控制装置10发送给地面监控***；振动传感器用将钻头5破碎岩屑所产生的振动信号发送给控制器21；力扭矩传感器用将钻头5破碎岩屑所产生的扭力信号发送给控制器21；由控制器21发送给信号控制装置10，再由信号控制装置10发送给地面监控***，由信号控制装置10或地面监控***根据接收的振动信号和扭力信号判定地下钻头5破碎层的软硬以及钻头5的受力，并将此信号发送给地面监控***，由地面监控***根据内部设定的控制程序控制转盘钻钻井的转速以及进给速度，从而保护钻头5以及调整钻井的速度。
作为优选，所述的稳定平台伺服电机14和伺服电机233为中空轴式电机。
作为优选，所述导向偏置机构为互成120°安装的三个液压驱动活塞，所述液压驱动活塞所围成的中心区域有一钻轴连接轴承7，可通过调整各个液压驱动活塞的直线位移，形成结构弯角，该直线位移存在最大设计直线位移，该结构弯角从0°到最大设计角度变化，结构弯角最大设计角度与液压驱动活塞最大设计直线位移决定了钻轴4从钻轴连接轴承7下端面到扭矩传递机构中导向旋转中心点的设计距离；所述钻轴连接轴承7为角接触轴承，其内侧与钻轴4上部连接头紧密配合，外部与各个液压驱动活塞直接相连；改变液压驱动活塞的直线运动位移，就会改变钻轴4的结构弯角；其中，液压驱动活塞为电动液压驱动活塞。在钻进过程中，外筒始终旋转，并将扭矩与钻压高效地传递给钻头5；通过调整导向偏置机构中两组液压驱动活塞的伸缩直线位移，可实现钻轴4中心线与外筒中心线所形成结构弯角从0°到设计最大结构弯角值间变化，进而达到控制井斜角的目的；通过调整稳定平台相对旋转外筒1的角位移，可使钻轴4中心线指向东西南北0～360°范围内任意控制方位。
作为优选，钻压传递机构自上而下包括钻压承压环31、弹性垫圈32、球面止推环33和球面旋转环34；所述扭矩传递机构包括上万向节球笼26、下万向节球笼27、钢球25、连接键以及用于保护扭矩传递机构的内套环35和外套环36；钻压传递机构内穿有钻轴4，其上端通过钻轴连接轴承7与内偏心环的偏心中空体紧固连接，中部伸出有圆柱形“凸”台与球面旋转环34中间内凹面相接触，以至于可将来自旋转外筒1上的钻压进一步传递至钻轴4上，进而可传递至安装于钻轴4前端的钻头5上；所述的钻压承压环31为一中间有孔的“凹”形圆柱结构，其上端置于旋转外筒1内壁凹台之上，下端同扭矩传递机构的上万向节球笼套26相接触，直接承载来自旋转外筒1上的钻压，弹性垫圈32、球面止推环33和球面旋转环34均依次置于钻压承压环31内部，球面止推环33和球面旋转环34的球心O为钻轴4的导向旋转中心，所述的上万向节球笼26与下万向节球笼27主体结构类似，均为中空圆柱体，内壁处均布有8个1/4“凹球面”，其正好与钻轴4相应位置上的另1/2“凹球面”组成全球面，所述全球面内置有优质钢球25，动力扭矩由均布在外筒周围的八个连接键传递至上万向节球笼26与下万向节球笼27，而后利用八个大直径钢球25以球面接触的方式将扭矩施加于钻轴4，进而作用于钻头5上。
作为优选，所述高效复式防别卡钻钻绞式铣锥包括安装在上支撑板18下端面的用于连接稳定平台伺服电机14的电源及控制信号线的稳定平台导电滑环；所述的钻轴4与钻轴连接轴承24的泥浆密封可用密封波纹管6来实现；所述钻轴4与下万向节球笼27的泥浆密封可用密封波纹管6来实现。
作为优选，所述高效复式防别卡钻钻绞式铣锥还可包括位于旋转外筒1上方的钻铤，以改善旋转外筒1的作用钻压；位于旋转外筒1上方的泥浆马达，以改变旋转外筒1的旋转扭矩；位于旋转外筒1上方的涡轮发电机，用于为该旋转钻绞式铣锥提供电力支持。
为实现高效复式防别卡钻钻绞式铣锥的灵活导向和平稳工作，本发明还提供一种对该设备的井眼轨迹随动和稳定控制方法，依据井眼轨迹随动控制的特点，采用含有模糊PID控制器的闭环控制方案，以更大限度地消除钻井参数在较大范围内变化以及负载扰动对井眼轨迹的影响；跟踪预置井眼轨迹参数或地面监控***遥控指令，计算出不同井深处的机械钻速、井斜角和方位角等信息作为控制***输入变量；综合考虑测量井斜角偏差、方位角偏差、钻速偏差以及各偏差变化率，确定模糊变量的隶属度函数及控制规则，设计出稳定平台随动模糊控制器和井斜角、方位角导向模糊控制器，完善多输入单输出的模糊控制***，实现对稳定平台、导向偏置机构和钻轴的控制要求。
具体实施例
在钻井时，由控制器通过陀螺仪实时控制稳定平台伺服电机和伺服电机的转速，使稳定平台主体和钻轴座在工作时相对于地静止，当钻轴在钻井时发生倾斜，由钻轴陀螺仪将钻轴的倾斜信号发送给控制器，由控制器根据接收到的角度信号与内部设定的程序和/或地面发送的程序进行比对，当接收到的角度信号与内部设定的角度信号和/或地面发送的角度信号不一致时，驱动连接的液压驱动活塞，由液压驱动活塞上的直线滑块驱动钻轴移动以进行角度纠正，使钻轴的角度与内部设定的角度信号和/或地面发送的角度信号一致；钻头在井底破碎岩屑时，通过设置的传感器将钻头破碎岩屑所产生的信号发送给地面监控***由地面监控***根据接收的信号分析地下岩层的软硬，并根据其地下岩层的软硬调整转盘钻钻井的转速以及进给速度，从而保护钻头以及调整钻井的速度。
钻进时，上部钻柱，包括钻铤、泥浆马达等产生的钻压和动力转矩都将施加于旋转外筒上，其中的绝大部分钻压由钻压承压环依次传递给弹性垫圈,、球面止推环和球面旋转环，然后作用于钻轴上，而小部分钻压经扭矩传递机构也最终作用于钻轴上；钻进时岩石对钻头的绝大部分纵向阻力则通过钻轴经球面旋转环、球面止推环、弹性垫圈和钻压承压环传递给旋转外筒。动力扭矩由均布在旋转外筒周围的八个连接键传递给上万向节球笼与下万向节球笼，而后采用大直径钢球以球面接触的方式可将扭矩施加于钻轴。得益于球面止推环与球面旋转环的球面接触，以及上万向节球笼与下万向节球笼同钻轴的球面连接方式，可在钻压扭矩高效传递的同时，实现无障碍的旋转导向。
该实施例中心轴线的一定范围内留有中空间隙，内部有泥浆运行通道，使泥浆运行至钻头内部后从钻头中喷射出来，而后通过旋转外筒与井壁间的环空返回到地面。特别的，作为非常重要的钻轴与下万向节球笼的泥浆密封可用密封波纹管来实现，同样地，密封波纹管也可以实现钻轴与液压驱动活塞的良好泥浆密封效果。
该实施例中位于旋转外筒上方的钻铤，以改善旋转外筒的作用钻压；位于旋转外筒上方的泥浆马达，以改变旋转外筒的旋转扭矩；位于旋转外筒上方的涡轮发电机，用于为该旋转导向工具提供电力支持。
该***采用随钻(MWD)测量***和井下旋转导向钻井工具***。外层是通过随钻(MWD)测量***实现地面监控与人工决策的导向回路，内层为井下旋转导向控制回路，其导向轨迹设定值可以是下井前预设的几何导向轨迹参数，也可以是通过MWD实测地层参数后确定的地质导向轨迹参数。
根据预置井眼轨迹参数由计算单元解算出所要控制的井斜角和方位角信息，以及所需结构弯角值，并结合液压驱动活塞导向偏置机构工作原理，进一步得出各个液压驱动活塞的直线运行位移和稳定平台主体相对于旋转外筒的相对旋转角位移。为实现该井斜角和方位角的准确控制，由控制***通过陀螺仪控制稳定平台伺服电机的转速，使其稳定平台伺服电机所连接的稳定平台主体跟随旋转外筒的反向等速控制，实现其地理静止，这对精确指向控制具有极其重要的意义。
可在不影响钻井作业的前提下，结合井斜角与方位测量数据，在保持稳定平台的对地静止状态时、通过调整各个液压驱动活塞的直线运行位移和稳定平台主体相对于旋转外筒的相对旋转角位移，可实现动态指向式的精确控制，有效提高钻井效率，该实施例可以广泛应用于各种力学特性的地层，特别是软地层、极软底层中。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种高效复式防别卡钻钻绞式铣锥，包括旋转外筒(1)、稳定平台、导向偏置机构、钻压传递机构、扭矩传递机构、上支撑板(2)、下支撑板(3)、钻轴(4)、钻头(5)、密封波纹管(6)、钻轴连接轴承(7)和导电滑环(8)，其特征在于：所述旋转外筒(1)与钻杆(9)或钻杆***连接，所述钻杆(9)上设置有与地面监控***无线连接的信号控制装置(10)和电源装置(11)，所述电源装置(11)连接信号控制装置(10)，所述信号控制装置(10)通过电源线和/或信号线与导电滑环(8)连接；所述导向偏置机构设置于稳定平台的内部，所述稳定平台设置于旋转外筒(1)的内部，包括中空圆柱形的稳定平台主体(12)、稳定平台连接轴承(13)、稳定平台伺服电机(14)和稳定平台电机联轴器(15)；所述稳定平台主体(12)上端由安装在旋转外筒(1)的下支撑板(16)和下支撑板内嵌轴承(17)连接固定，下端通过稳定平台连接轴承(13)与旋转外筒(1)内壁紧密配合，所述稳定平台伺服电机(12)安装在旋转外筒(1)的上支撑板(18)上，所述上支撑板(18)与下支撑板(16)通过内六角螺丝(19)紧固在旋转外筒(1)上并随之一起运动，所述稳定平台电机联轴器(15)用于连接稳定平台伺服电机(14)与稳定平台主体(12)，所述稳定平台主体(12)上设置有陀螺仪(20)，所述陀螺仪(20)与控制器(21)连接，所述控制器(21)与导电滑环(8)、信号控制装置(10)和稳定平台伺服电机(14)连接，所述稳定平台伺服电机(14)驱动稳定平台主体(12)相对于旋转外筒(1)等速相反旋转，使其在工作状态下保持对地静止；所述钻头(5)上还设置有连接控制器(21)的传感器(22)。
2.根据权利要求1所述的一种高效复式防别卡钻钻绞式铣锥，其特征在于：所述导向偏置机构由三个连接控制器(21)的液压驱动活塞呈120°安装组成，所述液压驱动活塞所围成的中心区域有一钻轴连接轴承(7)；该钻轴连接轴承(7)为角接触轴承，其内侧与钻轴(4)上部连接头紧密配合，外部与各个液压驱动活塞直接相连；通过改变液压驱动活塞的直线运动位移，就会改变钻轴(4)的结构弯角。
3.根据权利要求1所述的一种高效复式防别卡钻钻绞式铣锥，其特征在于：所述导电滑环(8)包括与电源线连接的电影导电滑环以及与信号线连接的信号导电滑环；所述电源导电滑环用于给控制器(21)以及与控制器(21)相连的各电子元件单元供电；所述信号导电滑环用于控制器(21)与信号控制装置(10)之间的信号传输。
4.根据权利要求1所述的一种高效复式防别卡钻钻绞式铣锥，其特征在于：所述控制器(21)包括电路板以及设置在电路板上的信号放大器和微处理器，所述电路板用于与导电滑环(8)、传感器(21)、陀螺仪(20)、稳定平台伺服电机(14)和液压驱动活塞连接；所述微处理器通过接收陀螺仪(20)相对于地面的角度信号以及地面监控***的信号，控制稳定平台伺服电机(14)驱动稳定平台主体(12)相对于旋转外筒(1)等速相反旋转，使其在工作状态下保持对地静止以及驱动液压驱动活塞控制钻头(5)所连接的钻轴(4)进行移动，以纠正或倾斜钻头(5)的钻角。
5.根据权利要求1所述的一种高效复式防别卡钻钻绞式铣锥，其特征在于：所述钻轴(4)上设置有相对于钻轴(4)旋转而保持静止的钻轴陀螺仪(23)，所述钻轴陀螺仪(23)与控制器(21)连接。钻轴陀螺仪(23)用于将钻轴(4)的角度信号发送给控制器(21)，由控制器(21)根据接收到的角度信号与内部设定的程序和/或地面发送的程序进行比对，当接收到的角度信号与内部设定的角度信号和/或地面发送的角度信号不一致时，驱动连接的液压驱动活塞，由液压驱动活塞上的直线滑块(24)驱动钻轴(4)移动以进行角度纠正，使钻轴(4)的角度与内部设定的角度信号和/或地面发送的角度信号一致。
6.根据权利要求1所述的一种高效复式防别卡钻钻绞式铣锥，其特征在于：所述信号控制装置(10)包括与钻杆(9)连接的底座(101)以及设置在底座(101)上的主控电路板和设置在主控电路板上的处理器、信号放大器和无线收发器(102)；所述信号放大器用于将接收到的信号放大后发送给控制器和/或无线接收器(102)，由无线收发器(102)与地面监控***中的无线收发器进行无线通讯连接。
7.根据权利要求1所述的一种高效复式防别卡钻钻绞式铣锥，其特征在于：所述电源装置(11)包括设置在底座(101)上的导电滑柱(111)以及设置在导电滑柱(111)上的导电滑套(112)，所述导电滑套(112)与外部电源(113)连接，所述导电滑柱(111)与信号控制装置(10)连接，所述信号控制装置(10)通过单向快速插头(28)与钻杆(9)上的快速插口(29)连接。
8.根据权利要求1所述的一种高效复式防别卡钻钻绞式铣锥，其特征在于：所述钻杆(9)的两端分别设置有快速插口(29)，所述快速插口(29)之间通过电源线和信号线(30)连接，所述电源线和信号线(30)位于钻杆(9)一侧设置的理线槽(901)中，所述理线槽(901)中还设置有与钻杆(9)外表面连接的保护盖(18)，其相邻的两个钻杆(9)之间通过双向快速插头(16)与快速插口(29)连接。
9.根据权利要求1所述的一种高效复式防别卡钻钻绞式铣锥，其特征在于：所述地面监控***包括计算机以及与计算机连接的显示器和输入键鼠以及设置在计算机上用于跟信号控制装置无线通讯的信号收发器。
10.根据权利要求1所述的一种高效复式防别卡钻钻绞式铣锥，其特征在于：所述传感器(22)内嵌在钻头(5)靠近切削端的一侧，其传感器(22)包括声波传感器、数字图像传感器、振动传感器、温度传感器、张力扭矩传感器和压力传感器中的一种或多种。
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