CN111270992B - 一种静态推靠式旋转导向工具用导向单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静态推靠式旋转导向工具用导向单元，包括同轴相连的控制短节和执行短节，所述控制短节包括控制短节本体、套筒、电子仓、电路板、接插件、液压模块、耐冲蚀腔、近钻头测量探管等；所述执行短节主要包括上芯轴、连接环、动密封芯轴、动密封组、轴承、不旋转套、双柱塞推靠组件、下芯轴等。本发明所提供的静态推靠式旋转导向工具用导向单元，结构设计合理而紧凑，工作原理更有先进性，有利于旋转导向工具用导向单元的小型化，提高了工具的能量传递效率、信息传递的准确性和轴承的使用寿命，提高了旋转导向工具的性能、稳定性、可靠性，延长旋转导向工具的使用寿命。

Description

一种静态推靠式旋转导向工具用导向单元

技术领域

本发明涉及一种能够定向钻井的旋转导向工具，具体涉及一种静态推靠式旋转导向工具用导向单元。

背景技术

随着油气田开发进程的不断推进和深度发展，国内外越来越多的老油田年产量不断下降，相继进入油气开发的中后期，新发现的油气田很多位于海上、湖泊、城市等，一些非常规油气田，如页岩气、页岩油、煤层气等需要提高储层钻遇率等。这些情况的出现对大位移井、水平井、分支井、鱼骨井等复杂结构井的需求越来越多。

旋转导向钻井技术在国际上是20世纪90年代发展起来的一种机、电、液一体化的尖端钻井技术，是依靠旋转导向工具的偏置机构使钻头或钻柱发生方向偏移，从而产生导向作用，相比于常规的定向钻井技术——滑动导向钻井技术，由于旋转导向工具在井底一直处于旋转钻进状态，井眼清洁效果更好更光滑，井眼轨迹控制精度更高，降低了水平井、大位移井等井段易托压的问题，增大了水平段的延伸极限长度，可以大幅缩短钻井周期。

旋转导向工具是旋转导向钻井技术的核心工具，根据导向方式的不同，可划分为推靠式和指向式两种。推靠式是直接在钻头附近形成一个支撑于井壁的支点，给钻头提供一个推靠力，将钻头推向井眼轨迹的目标方向；指向式是使钻头附近的钻柱发生弯曲，以使钻头指向井眼轨迹的目标方向。根据推靠式旋转导向工具偏置机构工作模式的不同，又将推靠式旋转导向工具分为静态推靠式旋转导向工具和动态推靠式旋转导向工具。静态推靠式旋转导向工具是指在钻进过程中偏置导向机构不与钻柱一起旋转，而是支撑在井壁的一定方向上为钻头提供一个推靠力；动态推靠式旋转导向工具是指在钻进过程中偏置导向机构与钻柱一起旋转，依靠控制***在一定方向上偏置导向机构不断伸出以支撑井壁，为钻头提供一个推靠力。

静态推靠式旋转导向工具目前已研制出多种结构，具有操作简单、容易控制等优点，得到了广泛的应用，一般包括地面工具、井下工具、辅助工具等，井下工具主要有井下动力与脉冲发生单元、MWD单元、LWD单元、柔性短节、导向单元等组成，其中导向单元又是井下工具的核心部分，主要进行井底信息的测量、通过接受地面下发的信号指令控制导向单元上支撑块的伸出或缩回，进而实现对井眼轨迹的控制。

目前已知的静态推靠式旋转导向工具用的导向单元有多种结构，主要有芯轴、不旋转套、轴承、非接触旋转变压器等部分组成。芯轴上端连接钻柱，下端连接钻头，主要是传递钻压、扭矩、输送钻井液的作用。不旋转套通过轴承安装在芯轴上，通过非接触旋转变压器实现不旋转外套与芯轴之间的能量、信息的传递。不旋转套上面安装有间隔120°分布的3个支撑块、测量***、控制***、液压模块等。通过测量***实现井底压力、振动等参数的测量；通过控制***和液压模块来控制3个支撑块的伸缩，为钻头提供一个预期的推靠力。

目前已知的静态推靠式旋转导向工具用的导向单元仍然存在一些缺点和不足。由于液压模块与支撑块处于不旋转套的同一段圆周上，导致导向单元的小型化存在困难，难以将导向单元的直径设计的更小，如中发明专利CN108894729A所公开的压推靠式旋转导向工具，其将液压模块镶嵌在支撑块之下，使支撑块与液压模块安装在不旋转套的同一段位置上。导向单元的芯轴与不旋转外套之间能量、信息的传递依靠非接触旋转变压器，降低了能量传递效率、增加了能量损耗，同时降低了信息传递的准确性和可靠性。轴承处于与泥浆接触的工况下，由于泥浆含有固相颗粒、岩屑等，加快了轴承的磨损疲劳，降低了轴承的使用寿命。

基于目前已经公开的旋转导向工具用导向单元存在的上述问题，有必要对旋转导向工具用导向单元从结构上进行改进，以期解决目前旋转导向工具用导向单元存在的问题和不足，有利于缩小其直径，提高工具的能量传递效率、信息传递的准确性和轴承的使用寿命，提高旋转导向工具的性能、稳定性、可靠性，延长旋转导向工具的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种静态推靠式旋转导向工具用导向单元，其克服了现有技术之不足，能有效解决现有的导向单元直径不易小型化、能量传递效率低、信息传递准确性差、轴承使用寿命短的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种静态推靠式旋转导向工具用导向单元，包括同轴相连的控制短节和执行短节；

所述控制短节包括控制短节本体、套筒、电子仓、电路板、接插件、液压模块、耐冲蚀腔、近钻头测量探管；

所述执行短节包括上芯轴、连接环、动密封芯轴、动密封组、轴承、不旋转套、双柱塞推靠组件、下芯轴；

套筒套在控制短节本体外，若干电子仓设置在控制短节本体内且内装有用于控制该控制短节内电器件的电路板；若干液压模块设置在控制短节本体内，各个液压模块中的伺服电机通过接插件与一电路板相连，每一液压模块分别通过控制短节本体上的一个第一液压油通孔与执行短节中的双柱塞推靠组件连接；近钻头测量探管放置在控制短节本体的中部并与所述电路板相连；耐冲蚀腔其设置在控制短节本体内并靠近所述近钻头测量探管；

上芯轴、下芯轴依次同轴相连，所述上芯轴与所述控制短节本体的下端相连；上芯轴上开设有第二液压油通孔，第二液压油通孔的上端通过第一液压油通孔与控制短节的液压模块连通，第二液压油通孔的下端通过连接环与动密封芯轴上的第五液压油通孔连接，动密封芯轴上的第五液压油通孔通过第一动密封组形成的环形密封腔与套在该动密封芯轴上的不旋转套中第三液压油通孔连接，不旋转套上的第三液压油通孔与套在不旋转套上的双柱塞推靠组件中活塞的活塞腔连接。

作为优选，所述控制短节本体的下端与执行短节上芯轴之间通过密封圈组件密封。

作为优选，所述套筒的一端和所述控制短节本体之间设置有调整环。

作为优选，所述动密封芯轴上套设有防止不旋转套轴向移动的上止推轴承和防止不旋转套径向移动的上径向轴承；该动密封芯轴上套设第一动密封套筒、第二动密封套筒、第三动密封套筒；第一动密封套筒、第二动密封套筒、第三动密封套筒分别通过第一动密封组、第二动密封组、第三动密封组与动密封芯轴密封；动密封芯轴上套设有防止第二动密封套筒轴向移动的下止推轴承和防止第二动密封套筒径向移动的下径向轴承。

作为优选，所述动密封芯轴上套设有第一平衡橡胶罩；该第一平衡橡胶罩的外面一侧是钻柱与井壁之间的环空，里面一侧是与第一动密封组、上止推轴承、上径向轴承相通。

作为优选，所述动密封芯轴上套设有第二平衡橡胶罩；该第二平衡橡胶罩的外面一侧是钻柱与井壁之间的环空，里面一侧是与第三动密封组、下止推轴承、下径向轴承相通。

作为优选，所述连接环有一个中心孔，两个端面上分别设有与中心孔相连的贯通槽以及与贯通槽相连的环形槽；所述贯通槽与环形槽一一对应；该连接环外还套设有两道密封圈。

本发明结构设计合理而紧凑，工作原理更有先进性，有利于旋转导向工具用导向单元的直径小型化，提高了工具的能量传递效率、信息传递的准确性和轴承的使用寿命，提高了旋转导向工具的性能、稳定性、可靠性，延长旋转导向工具的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的静态推靠式旋转导向工具用导向单元的结构图；

图2为本发明实施例提供的静态推靠式旋转导向工具用导向单元中控制短节的结构图；

图3为本发明实施例提供的静态推靠式旋转导向工具用导向单元中执行短节的结构图；

图4为本发明实施例提供的静态推靠式旋转导向工具用导向单元中执行短节中双柱塞推靠组件剖视结构图；

图5为本发明实施例提供的静态推靠式旋转导向工具用导向单元中行短节中液压模块剖视结构图；

图6为本发明实施例提供的静态推靠式旋转导向工具用导向单元中执行短节中连接环右视图；

图7为本发明实施例提供的静态推靠式旋转导向工具用导向单元中执行短节中连接环剖视图；

图8为本发明实施例提供的静态推靠式旋转导向工具用导向单元中执行短节中连接环左视图。

附图标记说明：

1、控制短节；2、执行短节；3、钻头；4、控制短节本体；5、套筒；6、电子仓；7、电路板；8、接插件；9、伺服电机；10、液压模块；11、调整环；12、耐冲蚀腔；13、近钻头测量探管；14、注油堵头；15、液压油通孔；16、密封圈组件；17、上芯轴；18、第二液压油通孔；19、连接环；20、第五液压油通孔；21、动密封芯轴；22、第一平衡橡胶罩；23、第一动密封组；24、第一动密封套筒；25、不旋转套；26、上止推轴承；27、上径向轴承；28、第三液压油通孔；29、第二动密封组；30、第四液压油通孔；31、双柱塞推靠组件；32、活塞；33、复位弹簧；34、润滑油通孔；35、垫块；36、下径向轴承；37、下止推轴承；38、第三动密封组；39、注油堵头；40、第三动密封套筒；41、第二平衡橡胶罩；42、第二动密封套筒；43、下芯轴；44、支撑块；45、贯通槽；46、中心孔；47、密封圈；48、环形槽。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

如图1所示，一种静态推靠式旋转导向工具用导向单元，包括同轴相连的控制短节1和执行短节2。

如图2所示，所述控制短节1包括控制短节本体4、套筒5、电子仓6、电路板7、接插件8、液压模块10、耐冲蚀腔12、近钻头测量探管13。

如图3所示，所述执行短节2包括上芯轴17、连接环19、动密封芯轴21、第一动密封组23、不旋转套25、双柱塞推靠组件31、下芯轴43；

套筒5套在控制短节本体4外，若干电子仓6设置在控制短节本体4内且内装有电路板7；若干液压模块10设置在控制短节本体4内，各个液压模块10中的伺服电机9通过接插件8与一电路板7相连；近钻头测量探管13放置在控制短节本体4的中部；耐冲蚀腔12其设置在控制短节本体4内并靠近所述近钻头测量探管13；

上芯轴17、下芯轴43依次同轴相连；上芯轴17上开设有第二液压油通孔18，第二液压油通孔18与液压模块10连通，下端通过连接环19与第五液压油通孔20连接。第一动密封组23形成的环形密封腔通过第三液压油通孔28与双柱塞推靠组件31中活塞32的活塞腔连接。

所述控制短节本体4的下端与执行短节上芯轴17之间通过密封圈组件16密封。

所述套筒5的一端和所述控制短节本体4之间设置有调整环11。

所述控制短节本体4上靠近所述近钻头测量探管13处开设有注油孔，该注油孔上塞有注油堵头14。

所述动密封芯轴21上套设有上止推轴承26和上径向轴承27。该动密封芯轴21上套设第一动密封套筒24、第二动密封套筒42、第三动密封套筒40。动密封芯轴21上套设有下止推轴承37和下径向轴承36。

所述动密封芯轴21上套设有第一平衡橡胶罩22；该第一平衡橡胶罩22的外面一侧是钻柱与井壁之间的环空。

所述动密封芯轴21上套设有第二平衡橡胶罩41；该第二平衡橡胶罩41的外面一侧是钻柱与井壁之间的环空。

所述液压模块10为三个，这三个液压模块10绕着控制短节本体4的中心轴线间隔120°设置。

不旋转套25上的双柱塞推靠组件31为三套，这三套双柱塞推靠组件31绕着不旋转套25的中心轴线间隔120°设置。

所述连接环19有一个中心孔46，两个端面上分别设有与中心孔46相连的贯通槽45以及与贯通槽45相连的环形槽48；所述贯通槽45与环形槽48一一对应；该连接环19外还套设有两道密封圈47。

如图1所示，控制短节1上端与钻柱螺纹连接，下端与上芯轴17螺纹连接。执行短节2中的下芯轴43与钻头3连接。

如图2所示，控制短节1上加工了若干电子仓6，在电子仓6里安装有电路板7；电路板7包括电源管理板、导向控制板、电机驱动板、近钻头测量板等。

液压模块10有三个，分别各通过一个第一液压油通孔15与执行短节2中的双柱塞推靠组件31连接；

近钻头测量探管13可以测量钻头的井斜角、方位角、工具面角、井底压力、钻具振动等。

耐冲蚀腔12具有耐钻井液冲蚀的特点。通过注油堵头14处的注油孔为液压模块10和第一液压油通孔15注入液压油。

如图3所示，执行短节2的上止推轴承26与上径向轴承27的空隙由润滑油填充；第一动密封组23可以保证动密封芯轴21与第一动密封套筒24之间的润滑油动密封；下止推轴承37与下径向轴承36的空隙由润滑油填充；第二动密封组29可以保证动密封芯轴21与第二动密封套筒42之间的润滑油动密封；第三动密封组38可以保证其第二动密封套筒42与第三动密封套筒40之间的润滑油动密封。

执行短节2的第一平衡橡胶罩22可以调节其内外的压力，使环空压力与第一平衡橡胶罩22里面的润滑油的压力达到平衡；

执行短节2的第二平衡橡胶罩41可以调节其内外的压力以达到平衡；上止推轴承26、上径向轴承27、下径向轴承36、下止推轴承37处于充满润滑油的密闭空间中，大大延长轴承的使用寿命。

控制短节1的三个液压模块10间隔120°分布，分别由伺服电机9、液压泵等零部件组成。分别安装在控制短节1的控制短节本体4上的三个凹槽内。如图5所示，三个凹槽在控制短节本体4中心轴线的垂直面上，通过三个凹槽底边中点的垂线不通过控制短节本体4的中心轴线，有利于减小控制短节本体4的直径。

执行短节2中上芯轴17和动密封芯轴21之间的连接环19有两道密封圈47；如图6至图8所示，所述连接环19有一个中心孔46，两个端面上分别设有与中心孔46相连的贯通槽45以及与贯通槽45相连的环形槽48；所述贯通槽45与环形槽48一一对应。通过这种结构可以连通第一液压油通孔15与第二液压油通孔18；通过改变环形槽48与中心孔46轴线之间的距离，使第二液压油通孔18与第五液压油通孔20的位置有更大的选择余地。

如图3和图4所示，执行短节2的双柱塞推靠组件31有三套，间隔120°安装于不旋转套25上。每套双柱塞推靠组件31上有一个支撑块44、两个活塞32、两个复位弹簧33等零部件。

上述静态推靠式旋转导向工具用导向单元，结构设计合理而紧凑，工作原理更有先进性，有利于旋转导向工具用导向单元的小型化，提高了工具的能量传递效率、信息传递的准确性和轴承的使用寿命，提高了旋转导向工具的性能、稳定性、可靠性，延长旋转导向工具的使用寿命。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (5)

1.一种静态推靠式旋转导向工具用导向单元，包括同轴相连的控制短节和执行短节，其特征在于，所述控制短节包括控制短节本体、套筒、电子仓、电路板、接插件、液压模块、耐冲蚀腔、近钻头测量探管；

所述执行短节包括上芯轴、连接环、动密封芯轴、第一动密封组、上止推轴承、不旋转套、双柱塞推靠组件、下芯轴；

套筒套在控制短节本体外，若干电子仓设置在控制短节本体内且内装有用于控制该控制短节内电器件的电路板；若干液压模块设置在控制短节本体内，各个液压模块中的伺服电机通过接插件与所述电路板相连，每一液压模块分别通过控制短节本体上的一个第一液压油通孔与执行短节中的双柱塞推靠组件连接；近钻头测量探管放置在控制短节本体的中部并与所述电路板相连；耐冲蚀腔设置在控制短节本体内并靠近所述近钻头测量探管；

上芯轴、下芯轴依次同轴相连，所述上芯轴与所述控制短节本体的下端相连；上芯轴上开设有第二液压油通孔，第二液压油通孔的上端通过第一液压油通孔与控制短节的液压模块连通，第二液压油通孔的下端通过连接环与动密封芯轴上的第五液压油通孔连接，动密封芯轴上的第五液压油通孔通过第一动密封组形成的环形密封腔与套在该动密封芯轴上的不旋转套中第三液压油通孔连接，不旋转套上的第三液压油通孔与套在不旋转套上的双柱塞推靠组件中活塞的活塞腔连接；

所述动密封芯轴上套设有防止不旋转套轴向移动的上止推轴承和防止不旋转套径向移动的上径向轴承。

2.根据权利要求1所述的静态推靠式旋转导向工具用导向单元，其特征在于，所述控制短节本体的下端与执行短节上芯轴之间通过密封圈组件密封。

3.根据权利要求1所述的静态推靠式旋转导向工具用导向单元，其特征在于，所述套筒的一端和所述控制短节本体之间设置有调整环。

4.根据权利要求1所述的静态推靠式旋转导向工具用导向单元，其特征在于，该动密封芯轴上套设第一动密封套筒、第二动密封套筒、第三动密封套筒；第一动密封套筒、第二动密封套筒、第三动密封套筒分别通过第一动密封组、第二动密封组、第三动密封组与动密封芯轴密封；动密封芯轴上套设有防止第二动密封套筒轴向移动的下止推轴承和防止第二动密封套筒径向移动的下径向轴承。

5.根据权利要求1所述的静态推靠式旋转导向工具用导向单元，其特征在于，所述连接环有一个中心孔，两个端面上分别设有与中心孔相连的贯通槽以及与贯通槽相连的环形槽；所述贯通槽与环形槽一一对应；该连接环外还套设有两道密封圈。

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