CN103277047A - 用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置及其稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置及其稳定方法，钻铤内固联有承压壳体，承压壳体内设有单轴稳定平台本体、力矩电机、总电源、旋转导向控制系统和电力传输装置，单轴稳定平台本体支撑于承压壳体内；力矩电机与单轴稳定平台本体连接，电力传输装置设置在力矩电机与单轴稳定平台本体之间。在钻铤旋转时，通过旋转导向控制系统的控制，使力矩电机给单轴稳定平台本体一个与钻铤旋转方向相反的力，使单轴稳定平台本体相对于大地保持静止稳定。本发明能够使单轴稳定平台本体相对于大地保持静止稳定，隔离钻铤的旋转，为旋转导向工具系统提供空间姿态指示。从而实现井眼轨迹导向钻井。

Description

用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置及其稳定方法

技术领域

本发明涉及一种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置及其稳定方法,属于钻井技术领域。

背景技术

随着大位移井、空间S井等高难度井钻井的日益增多，现有被广泛使用的螺杆马达定向钻井技术，由于是滑动钻井，整个钻柱在井眼中不旋转以及大位移井长的水平段井眼轨迹钻井要求，使得钻具轴身摩阻大，井底工具面控制难度大，无法实现井眼轨迹精确定向和钻井施工。同时，由于大的钻具轴身摩阻，使得钻压及扭矩不易施加于钻头，钻井效率低。此外，钻柱不旋转，在长水平段，岩屑受重力作用，不易上返，易在井眼低边沉积，极易发生粘卡钻事故。由于螺杆马达定向钻井技术的自身缺点，已不能满足高难度井钻井的需求。因此，出现了旋转导向钻井技术。由于整个钻柱在井眼中都旋转，使得钻压和扭矩易于施加于钻头。同时，依靠安装于旋转导向工具本体上的高精度惯性传感器、导向力伺服控制系统以及导向力施力执行机构，从而实现了井眼轨迹的高精度控制和安全高效钻井。

在美国发明专利US6092610公开了一种旋转导向工具空间姿态测量与导向控制方法。该方法揭示了这种旋转导向工具是将空间姿态测量系统中的三轴加速传感器、三轴磁通门传感器、单轴速率陀螺传感器等固联安装于钻铤上，实现导向工具空间姿态测量，为捷联式结构设计。同样的，在中国专利200510044509.7公开了一种旋转导向钻井用捷联式稳定平台装置，该稳定平台将旋转导向工具空间姿态测量短节连同发电机电源短节、伺服控制短节都固联于旋转钻铤上，即：捷联式稳定平台装置相对于钻铤无相对转动。这类捷联式旋转导向工具空间姿态测量装置的缺点在于：

旋转导向工具在井眼中的空间姿态测量，通常都通过三轴磁通门传感器测量地球磁场分量、三轴加速度传感器测量地球重力场分量，从而获得导向工具在井眼中的井斜角、方位角以及工具面角。由于采用捷联式结构设计，捷联平台轴线即井眼轴线，三轴加速度传感器输出信号在钻井过程中受随机震动干扰大，且钻铤旋转不均匀造成捷联平台周向也有较大振动，从而造成信号滤波提取困难，通常都采用不受震动干扰的磁通门传感器测量钻铤相对于地球磁场分量的位置。当所钻井眼轴线与地球磁场分量夹角≤5°时，即：地球磁场分量在捷联平台横截面内的投影分量数值微小，超出了磁通门传感器的敏感范围。该捷联平台无法测得工具面角，使得基于该捷联式平台的旋转导向系统存在井眼“盲区”。该缺陷在持有美国发明专利US6092610的公司对应的产品PD Xceed性能说明中也有指出。因此，该类旋转导向系统无法做到全方位井眼轨迹导向钻井，现场使用也受限。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置及其稳定方法，它能够使单轴稳定平台本体相对于大地保持静止稳定，隔离钻铤的旋转，从而为旋转导向工具提供空间姿态指示。

本发明的技术方案：一种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置，钻铤内固联有承压壳体，承压壳体内设有单轴稳定平台本体、力矩电机、总电源、旋转导向控制系统、电力传输装置、上支撑轴承组件和下支撑轴承组件，单轴稳定平台本体的两端分别与上支撑轴承组件和下支撑轴承组件轴接，且与钻铤和承压壳体共轴线；力矩电机、电力传输装置均与单轴稳定平台本体连接，电力传输装置位于力矩电机与单轴稳定平台本体之间，总电源和旋转导向控制系统均与电力传输装置电连接。

前述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置中，单轴稳定平台本体包括单轴稳定平台轴体、电源转换模块、电机控制电路、空间姿态测量及解算硬件电路、三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器、速率陀螺和旋转变压器测角装置，电源转换模块、电机控制电路、空间姿态测量及解算硬件电路、三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器和速率陀螺均固连于单轴稳定平台轴体上，且电机控制电路、空间姿态测量及解算硬件电路、三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器、速率陀螺和力矩电机均与电源转换模块通过电线连接；单轴稳定平台轴体的上轴伸和下轴伸的中心均设有走线孔，旋转变压器测角装置设于单轴稳定平台轴体的下轴伸的下端。

前述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置中，所述电力传输装置为非接触式耦合变压器，所述单轴稳定平台轴体的上端设有非接触式耦合变压器A，下端设有非接触式耦合变压器B，非接触式耦合变压器A包括原边定子A和副边绕组A，原边定子A固定于上支撑轴承组件上，副边绕组A固定在上轴伸上，原边定子A的绕组出线与总电源连接，副边绕组A通过上轴伸中心的走线孔接至电源转换模块；非接触式耦合变压器B包括原边转子和副边定子绕组，原边转子固定在下轴伸上，副边定子绕组固定于下支撑轴承组件上，副边定子绕组通过信号线与旋转导向控制系统连接。

前述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置中，所述电力传输装置采用滑环式电力传输装置。

优选地用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置中，所述力矩电机为2个，分别为上力矩电机和下力矩电机，上力矩电机的壳体A固定在上支撑轴承组件上，上力矩电机永磁定子镶嵌于壳体A内，上力矩电机电枢转子固连于上轴伸上，上力矩电机电枢转子的三相输出导线穿过上轴伸中心的走线孔与电机控制电路连接；下力矩电机的壳体B固定在下支撑轴承组件上，下力矩电机永磁定子镶嵌于壳体B内，下力矩电机电枢转子固连于下轴伸上，下力矩电机电枢转子的三相输出导线穿过下轴伸中心的走线孔与电机控制电路连接。

前述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置中，所述上力矩电机和下力矩电机的旋转方向相反。

优选地用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置中，所述力矩电机为1个，设置在单轴稳定平台本体的上端，即上力矩电机，上力矩电机的壳体A固定在上支撑轴承组件上，上力矩电机永磁定子镶嵌于壳体A内，上力矩电机电枢转子固连于上轴伸上，上力矩电机电枢转子的三相输出导线穿过上轴伸中心的走线孔与电机控制电路连接。

优选地用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置中，所述力矩电机为1个，设置在单轴稳定平台本体的下端，即下力矩电机，下力矩电机的壳体B固定在下支撑轴承组件上，下力矩电机永磁定子镶嵌于壳体B内，下力矩电机电枢转子固连于下轴伸上，下力矩电机电枢转子的三相输出导线穿过下轴伸中心的走线孔与电机控制电路连接。

前述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置中，上力矩电机和下力矩电机采用直流无刷电机。

一种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法，在钻铤内固联一承压壳体，承压壳体内设有上支撑轴承组件和下支撑轴承组件，单轴稳定平台本体的两端分别与上支撑轴承组件和下支撑轴承组件轴接，单轴稳定平台本体相对于钻铤能够自由旋转；在钻铤旋转时，通过旋转导向控制系统的控制，使力矩电机给单轴稳定平台本体一个与钻铤旋转方向相反的力，使单轴稳定平台本体相对于大地保持静止稳定。

前述的这种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法中，所述力矩电机为1个，设置在单轴稳定平台本体的任意一端。

前述的这种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法中，所述力矩电机为2个，分别为上力矩电机和下力矩电机，上力矩电机设置在单轴稳定平台本体的上端，下力矩电机设置在单轴稳定平台本体的下端。

前述的这种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法中，所述上力矩电机和下力矩电机的旋转方向相反。

前述的这种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法中，所述单轴稳定平台本体包括单轴稳定平台轴体、电源转换模块、电机控制电路、空间姿态测量及解算硬件电路、三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器、速率陀螺和旋转变压器测角装置；

单轴稳定平台轴体，用于承载电源转换模块、电机控制电路、空间姿态测量及解算硬件电路、三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器、速率陀螺和旋转变压器测角装置；

电源转换模块，用于将交流电转变为直流电，将高压直流电转变为低压直流电，并为力矩电机、电机控制电路、空间姿态测量及解算硬件电路、三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器、速率陀螺和旋转变压器测角装置提供电能；

电机控制电路，用于控制力矩电机的转速，使单轴稳定平台本体相对于大地保持静止稳定；

空间姿态测量及解算硬件电路，用于解算三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器和速率陀螺测量到的数据，将数据解算后传输给旋转导向控制系统和电机控制电路；

三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器、速率陀螺和旋转变压器测角装置，用于测量方位角、井斜和工具面角。

前述的这种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法中，在钻井时，当所钻井眼轴线与地球磁场分量夹角≤5°时，采用安装在单轴稳定平台轴体上的三轴加速度传感器测量单轴稳定平台本体的转动角度，通过速率陀螺测量角速率，三轴加速度传感器和速率陀螺将测量的数据传输给空间姿态测量及解算硬件电路进行解算，解算后空间姿态测量及解算硬件电路将信号传输给电机控制电路，电机控制电路控制力矩电机旋转，使单轴平台本体在重力高边上相对于大地保持静止稳定；

当所钻井眼轴线与地球磁场分量夹角＞5°时，将三轴磁通门传感器的测量数据引入到速率陀螺的速率稳定回路上，使单轴平台本体在磁工具面上保持静止稳定。

前述的这种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法中，在钻井时，当井斜≤5°时，将三轴磁通门传感器的测量数据引入到速率陀螺的速率稳定回路，使单轴稳定平台本体稳定在磁工具面的0°上；

在井斜＞5°时，将三轴加速度传感器的测量数据引入到速率陀螺的速率稳定回路，使单轴稳定平台本体稳定在重力工具面0°上。

前述的这种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法中，在钻铤内设有总电源，总电源通过非接触式耦合变压器或滑环式电力传输装置把电能传给电源转换模块。

与现有技术相比，本发明采用上支撑轴承组件和下支撑轴承组件支撑单轴稳定平台本体，非相对于钻铤固联，沿钻铤轴线存在旋转自由度。在钻铤旋转时，单轴稳定平台本体受惯性力、轴承摩擦力等内阻力作用会发生随动，沿单轴稳定平台本体轴向安装的单轴速率陀螺与力矩电机构成速率稳定回路，使单轴稳定平台本体相对于大地保持静止稳定，从而实现隔离钻铤的旋转。

单轴稳定平台本体与导向机构伺服控制系统之间安装角度传感器，测量位于旋转钻铤上的导向机构产生的导向矢量相对于单轴稳定平台的角度，这就测得了旋转导向工具的工具面角。同样的，井斜≤5°时，采用磁工具面角指向。在井斜＞5°时，采用重力工具面指向。每秒100-1000次测量旋转导向工具的工具面角，给导向机构伺服控制系统，导向机构伺服控制系统反向随动，使旋转导向工具的导向矢量隔离钻铤转动，使导向工具保持在要求的工具面角稳定，从而实现任意井眼轨迹导向钻井作业。

当所钻井眼轴线与地球磁场分量夹角≤5°时，采用安装在单轴稳定平台上的三轴加速度传感器测量输出值以及速率陀螺构成稳定平台速率控制回路，使单轴稳定平台本体稳定在重力高边上且相对于大地保持静止稳定。通过旋转变压器测角传感器，测量位于钻铤上的导向执行机构产生的导向矢量相对于单轴稳定平台本体重力高边的角度，获得旋转导向工具的工具面角。相对于捷联式空间姿态测量平台固联结构，本发明克服了捷联式旋转导向系统存在导向“盲区”的缺点，采用本发明可实现旋转导向工具全方位定向钻井作业。

附图说明

图1是本发明的剖面结构示意图；

图2是单轴稳定平台装置采用2个力矩电机的结构示意图；

图3是单轴稳定平台装置仅设置上力矩电机的结构示意图；

图4是单轴稳定平台装置仅设置下力矩电机的结构示意图；

图5是单轴稳定平台上支撑及上力矩电机部分剖面图；

图6是单轴稳定平台下支撑及下力矩电机部分剖面图；

图7是旋转导向工具系统钻井过程示意图。

附图中的标记为：1-钻头，2-旋转导向工具系统，3-钻铤，4-钻杆,5-转盘,6-泥浆池,7-井架及天车，8-单轴稳定平台本体，9-上螺钉，10-承压壳体，11-力矩电机，111-上力矩电机，112-壳体A，113-壳体B，12-上支撑轴承组件，13-电力传输装置，131-非接触式耦合变压器A，14-电源转换模块，15-电机控制电路，16-空间姿态测量及解算硬件电路，17-三轴磁通门传感器，18-三轴加速度传感器，19-速率陀螺，20-非接触式耦合变压器B，21-下支撑轴承组件，22-下力矩电机，23-旋转变压器测角装置，24-标志位，25-旋转导向控制系统，26-下螺钉，27-非接触式旋转变压器B转子激励绕组，28-非接触式旋转变压器B定子绕组，29-下轴伸，30-下力矩电机永磁定子，31-下力矩电机电枢转子，32-单轴稳定平台轴体，33-原边转子，34-副边定子绕组，35-原边定子A，36-副边绕组A，37-上轴承，38-上力矩电机永磁定子，39-上力矩电机电枢转子，40-上轴伸，41-总电源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的实施例1：如图1所示，一种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置，钻铤3内设有承压壳体10，承压壳体10通过上螺钉9和下螺钉26固联于钻铤3内，承压壳体10内设有单轴稳定平台本体8、力矩电机11、总电源41、旋转导向控制系统25、电力传输装置13、上支撑轴承组件12和下支撑轴承组件21，单轴稳定平台本体8的上轴伸40与上轴承37内圈过盈安装为一体，上轴承37的外圈与上支撑轴承组件12中的轴承房内孔滑配，该轴承房通过螺钉与单轴稳定平台承压壳体10紧固，单轴稳定平台本体8与钻铤3和承压壳体10共轴线；力矩电机11、电力传输装置13均与单轴稳定平台本体8连接，电力传输装置13位于力矩电机11与单轴稳定平台本体8之间，总电源41和旋转导向控制系统25均与电力传输装置13电连接。

如图2所示，单轴稳定平台本体8包括单轴稳定平台轴体32、电源转换模块14、电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和旋转变压器测角装置23，电源转换模块14、电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18和速率陀螺19均固连于单轴稳定平台轴体32上，且电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和力矩电机11均与电源转换模块14通过电线连接；单轴稳定平台轴体32的上轴伸40和下轴伸29的中心均设有走线孔，旋转变压器测角装置23设于单轴稳定平台轴体32的下轴伸29的下端。

电力传输装置13为非接触式耦合变压器，所述单轴稳定平台轴体32的上端设有非接触式耦合变压器A131，下端设有非接触式耦合变压器B20，非接触式耦合变压器A131包括原边定子A35和副边绕组A36，原边定子A35固定于上支撑轴承组件12上，副边绕组A36固定在上轴伸40上，原边定子A35的绕组出线与总电源41连接，副边绕组A36通过上轴伸40中心的走线孔接至电源转换模块14；非接触式耦合变压器B20包括原边转子33和副边定子绕组34，原边转子33固定在下轴伸29上，副边定子绕组34固定于下支撑轴承组件21上，副边定子绕组34通过信号线与旋转导向控制系统25连接。

力矩电机11为2个，分别为上力矩电机111和下力矩电机22，如图5所示，上力矩电机111的壳体A112固定在上支撑轴承组件12上，上力矩电机永磁定子38镶嵌于壳体A112内，壳体A112通过螺钉紧固于上支撑轴承组件12的上支撑轴承房本体上，随承压壳体10以及钻铤3一同转动。上力矩电机电枢转子39固连于上轴伸40上，上力矩电机电枢转子39的三相输出导线穿过上轴伸40中心的走线孔与电机控制电路15连接；如图6所示，下力矩电机22的壳体B113固定在下支撑轴承组件21上，下力矩电机永磁定子30镶嵌于壳体B113内，壳体B113通过螺钉紧固于下支撑轴承组件21的轴承房本体上，随随承压壳体10以及钻铤3一同转动。下力矩电机电枢转子31固连于下轴伸29上，下力矩电机电枢转子31的三相输出导线穿过下轴伸29中心的走线孔与电机控制电路15连接。上力矩电机111和下力矩电机22的旋转方向相反。且上力矩电机111和下力矩电机22采用直流无刷电机。总电源41为蓄电池。

一种用于稳定旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置的方法，在钻铤3内固联一承压壳体10，承压壳体10内设有上支撑轴承组件12和下支撑轴承组件21，单轴稳定平台本体8的两端分别与上支撑轴承组件12和下支撑轴承组件21轴接，单轴稳定平台本体8相对于钻铤3能够自由旋转；在钻铤3旋转时，通过旋转导向控制系统25的控制，使力矩电机11给单轴稳定平台本体8一个与钻铤3旋转方向相反的力，使单轴稳定平台本体8相对于大地保持静止稳定。在钻铤3内设有总电源41，总电源41通过非接触式耦合变压器把电能传给电源转换模块14。

所述力矩电机11为2个，分别为上力矩电机111和下力矩电机22，上力矩电机111设置在单轴稳定平台本体8的上端，下力矩电机22设置在单轴稳定平台本体8的下端。上力矩电机111和下力矩电机22的旋转方向相反。

单轴稳定平台本体8包括单轴稳定平台轴体32、电源转换模块14、电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和旋转变压器测角装置23；

单轴稳定平台轴体32，用于承载电源转换模块14、电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和旋转变压器测角装置23；

电源转换模块14，用于将交流电转变为直流电，将高压直流电转变为低压直流电，并为力矩电机11、电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和旋转变压器测角装置23提供电能；

电机控制电路15，用于控制力矩电机11的转速，使单轴稳定平台本体8相对于大地保持静止稳定；

空间姿态测量及解算硬件电路16，用于解算三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18和速率陀螺19测量到的数据，将数据解算后传输给旋转导向控制系统25和电机控制电路15；

三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和旋转变压器测角装置23，用于测量方位角、井斜和工具面角。

在钻井时，当所钻井眼轴线与地球磁场分量夹角≤5°时，采用安装在单轴稳定平台轴体32上的三轴加速度传感器18测量单轴稳定平台本体8的转动角度，通过速率陀螺19测量角速率，三轴加速度传感器18和速率陀螺19将测量的数据传输给空间姿态测量及解算硬件电路16进行解算，解算后空间姿态测量及解算硬件电路16将信号传输给电机控制电路15，电机控制电路15控制力矩电机11旋转，使单轴平台本体8在重力高边上相对于大地保持静止稳定。当所钻井眼轴线与地球磁场分量夹角＞5°时，将三轴磁通门传感器17的测量数据引入到速率陀螺19的速率稳定回路上，使单轴平台本体8在磁工具面上保持静止稳定。

在钻井时，当井斜≤5°时，将三轴磁通门传感器17的测量数据引入到速率陀螺19的速率稳定回路，使单轴稳定平台本体8稳定在磁工具面的0°上；在井斜＞5°时，将三轴加速度传感器18的测量数据引入到速率陀螺19的速率稳定回路，使单轴稳定平台本体8稳定在重力工具面0°上。

本发明的实施例2：如图1所示，一种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置，钻铤3内设有承压壳体10，承压壳体10通过上螺钉9和下螺钉26固联于钻铤3内，承压壳体10内设有单轴稳定平台本体8、力矩电机11、总电源41、旋转导向控制系统25、电力传输装置13、上支撑轴承组件12和下支撑轴承组件21，单轴稳定平台本体8的两端分别与上支撑轴承组件12和下支撑轴承组件21轴接，且与钻铤3和承压壳体10共轴线；力矩电机11、电力传输装置13均与单轴稳定平台本体8连接，电力传输装置13位于力矩电机11与单轴稳定平台本体8之间，总电源41和旋转导向控制系统25均与电力传输装置13电连接。在钻铤3内设有总电源41，总电源41通过滑环式电力传输装置把电能传给电源转换模块14。

如图3所示，单轴稳定平台本体8包括单轴稳定平台轴体32、电源转换模块14、电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和旋转变压器测角装置23，电源转换模块14、电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18和速率陀螺19均固连于单轴稳定平台轴体32上，且电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和力矩电机11均与电源转换模块14通过电线连接；单轴稳定平台轴体32的上轴伸40和下轴伸29的中心均设有走线孔，旋转变压器测角装置23设于单轴稳定平台轴体32的下轴伸29的下端。

所述力矩电机11为1个，设置在单轴稳定平台本体8的上端，即上力矩电机111，如图5所示，上力矩电机111的壳体A112固定在上支撑轴承组件12上，上力矩电机永磁定子38镶嵌于壳体A112内，壳体A112通过螺钉紧固于上支撑轴承组件12的上支撑轴承房本体上，随承压壳体10以及钻铤3一同转动。上力矩电机电枢转子39固连于上轴伸40上，上力矩电机电枢转子39的三相输出导线穿过上轴伸40中心的走线孔与电机控制电路15连接。

电力传输装置13采用滑环式电力传输装置。上力矩电机111采用交流电机。总电源41为蓄电池。

一种用于稳定旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置的方法，在钻铤3内固联一承压壳体10，承压壳体10内设有上支撑轴承组件12和下支撑轴承组件21，单轴稳定平台本体8的两端分别与上支撑轴承组件12和下支撑轴承组件21轴接，单轴稳定平台本体8相对于钻铤3能够自由旋转；在钻铤3旋转时，通过旋转导向控制系统25的控制，使力矩电机11给单轴稳定平台本体8一个与钻铤3旋转方向相反的力，使单轴稳定平台本体8相对于大地保持静止稳定。所述力矩电机11为1个，设置在单轴稳定平台本体8的上端。

单轴稳定平台本体8包括单轴稳定平台轴体32、电源转换模块14、电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和旋转变压器测角装置23；

单轴稳定平台轴体32，用于承载电源转换模块14、电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和旋转变压器测角装置23；

电源转换模块14，用于将交流电转变为直流电，将高压直流电转变为低压直流电，并为力矩电机11、电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和旋转变压器测角装置23提供电能；

电机控制电路15，用于控制力矩电机11的转速，使单轴稳定平台本体8相对于大地保持静止稳定；

空间姿态测量及解算硬件电路16，用于解算三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18和速率陀螺19测量到的数据，将数据解算后传输给旋转导向控制系统25和电机控制电路15；

三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和旋转变压器测角装置23，用于测量方位角、井斜和工具面角。

在钻井时，当所钻井眼轴线与地球磁场分量夹角≤5°时，采用安装在单轴稳定平台轴体32上的三轴加速度传感器18测量单轴稳定平台本体8的转动角度，通过速率陀螺19测量角速率，三轴加速度传感器18和速率陀螺19将测量的数据传输给空间姿态测量及解算硬件电路16进行解算，解算后空间姿态测量及解算硬件电路16将信号传输给电机控制电路15，电机控制电路15控制力矩电机11旋转，使单轴平台本体8在重力高边上相对于大地保持静止稳定。当所钻井眼轴线与地球磁场分量夹角＞5°时，将三轴磁通门传感器17的测量数据引入到速率陀螺19的速率稳定回路上，使单轴平台本体8在磁工具面上保持静止稳定。

在钻井时，当井斜≤5°时，将三轴磁通门传感器17的测量数据引入到速率陀螺19的速率稳定回路，使单轴稳定平台本体8稳定在磁工具面的0°上；在井斜＞5°时，将三轴加速度传感器18的测量数据引入到速率陀螺19的速率稳定回路，使单轴稳定平台本体8稳定在重力工具面0°上。

本发明的实施例3：如图1所示，一种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置，钻铤3内设有承压壳体10，承压壳体10通过上螺钉9和下螺钉26固联于钻铤3内，承压壳体10内设有单轴稳定平台本体8、力矩电机11、总电源41、旋转导向控制系统25、电力传输装置13、上支撑轴承组件12和下支撑轴承组件21，单轴稳定平台本体8的上轴伸40与上轴承37内圈过盈安装为一体，上轴承37的外圈与上支撑轴承组件12中的轴承房内孔滑配，该轴承房通过螺钉与单轴稳定平台承压壳体10紧固，单轴稳定平台本体8与钻铤3和承压壳体10共轴线；力矩电机11、电力传输装置13均与单轴稳定平台本体8连接，电力传输装置13位于力矩电机11与单轴稳定平台本体8之间，总电源41和旋转导向控制系统25均与电力传输装置13电连接。如图4所示，单轴稳定平台本体8包括单轴稳定平台轴体32、电源转换模块14、电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和旋转变压器测角装置23，电源转换模块14、电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18和速率陀螺19均固连于单轴稳定平台轴体32上，且电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和力矩电机11均与电源转换模块14通过电线连接；单轴稳定平台轴体32的上轴伸40和下轴伸29的中心均设有走线孔，旋转变压器测角装置23设于单轴稳定平台轴体32的下轴伸29的下端。

电力传输装置13为非接触式耦合变压器，所述单轴稳定平台轴体32的上端设有非接触式耦合变压器A131，下端设有非接触式耦合变压器B20，非接触式耦合变压器A131包括原边定子A35和副边绕组A36，原边定子A35固定于上支撑轴承组件12上，副边绕组A36固定在上轴伸40上，原边定子A35的绕组出线与总电源41连接，副边绕组A36通过上轴伸40中心的走线孔接至电源转换模块14；非接触式耦合变压器B20包括原边转子33和副边定子绕组34，原边转子33固定在下轴伸29上，副边定子绕组34固定于下支撑轴承组件21上，副边定子绕组34通过信号线与旋转导向控制系统25连接。

力矩电机11为1个，设置在单轴稳定平台本体8的下端，即下力矩电机22，如图6所示，下力矩电机22的壳体B113固定在下支撑轴承组件21上，下力矩电机永磁定子30镶嵌于壳体B113内，壳体B113通过螺钉紧固于下支撑轴承组件21的轴承房本体上，随随承压壳体10以及钻铤3一同转动。下力矩电机电枢转子31固连于下轴伸29上，下力矩电机电枢转子31的三相输出导线穿过下轴伸29中心的走线孔与电机控制电路15连接。下力矩电机22采用直流无刷电机。

一种用于稳定旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置的方法，在钻铤3内固联一承压壳体10，承压壳体10内设有上支撑轴承组件12和下支撑轴承组件21，单轴稳定平台本体8的两端分别与上支撑轴承组件12和下支撑轴承组件21轴接，单轴稳定平台本体8相对于钻铤3能够自由旋转；在钻铤3旋转时，通过旋转导向控制系统25的控制，使力矩电机11给单轴稳定平台本体8一个与钻铤3旋转方向相反的力，使单轴稳定平台本体8相对于大地保持静止稳定。力矩电机11为1个，设置在单轴稳定平台的下端。

所述单轴稳定平台本体8包括单轴稳定平台轴体32、电源转换模块14、电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和旋转变压器测角装置23；

单轴稳定平台轴体32，用于承载电源转换模块14、电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和旋转变压器测角装置23；

电源转换模块14，用于将交流电转变为直流电，将高压直流电转变为低压直流电，并为力矩电机11、电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和旋转变压器测角装置23提供电能；

电机控制电路15，用于控制力矩电机11的转速，使单轴稳定平台本体8相对于大地保持静止稳定；

空间姿态测量及解算硬件电路16，用于解算三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18和速率陀螺19测量到的数据，将数据解算后传输给旋转导向控制系统25和电机控制电路15；

三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19和旋转变压器测角装置23，用于测量方位角、井斜和工具面角。

在钻井时，当所钻井眼轴线与地球磁场分量夹角≤5°时，采用安装在单轴稳定平台轴体32上的三轴加速度传感器18测量单轴稳定平台本体8的转动角度，通过速率陀螺19测量角速率，三轴加速度传感器18和速率陀螺19将测量的数据传输给空间姿态测量及解算硬件电路16进行解算，解算后空间姿态测量及解算硬件电路16将信号传输给电机控制电路15，电机控制电路15控制力矩电机11旋转，使单轴平台本体8在重力高边上相对于大地保持静止稳定。当所钻井眼轴线与地球磁场分量夹角＞5°时，将三轴磁通门传感器17的测量数据引入到速率陀螺19的速率稳定回路上，使单轴平台本体8在磁工具面上保持静止稳定。

在钻井时，当井斜≤5°时，将三轴磁通门传感器17的测量数据引入到速率陀螺19的速率稳定回路，使单轴稳定平台本体8稳定在磁工具面的0°上；在井斜＞5°时，将三轴加速度传感器18的测量数据引入到速率陀螺19的速率稳定回路，使单轴稳定平台本体8稳定在重力工具面0°上。

在钻铤3内设有总电源41，总电源41通过非接触式耦合变压器把电能传给电源转换模块14。

本发明的工作原理：图7为装有本发明装置的旋转导向钻井工具系统在井下导向钻井示意图。井下钻具组合包括钻头1、旋转导向工具系统2、钻铤3、钻杆4、转盘5、泥浆池6、井架及天车7。通过单轴稳定平台本体8，实时测量井下旋转导向系统的工具面角、井斜、方位角，控制旋转导向工具系统2中的导向机构，自动控制井眼轨迹按设计的井斜和方位延伸。

在钻井过程中，钻铤3沿顺时针方向转动，单轴稳定平台本体8由于受到上力矩电机永磁定子38与上力矩电枢转子39之间的磁耦合力、下力矩电机永磁定子30与下力矩电机电枢转子31之间的磁耦合力、轴承内摩阻力、钻铤转动产生的惯性力等力共同作用会随钻铤3沿顺时针方向转动，固联于单轴稳定平台轴体32的速率陀螺19用于测量单轴稳定平台绕Z轴方向（同钻铤3轴线）相对于大地的转动速率，位于单轴稳定平台下部的下力矩电机22通过电机控制电路15控制力矩输出，使单轴稳定平台本体8始终沿逆时针方向转动。通过速率陀螺19与下力矩电机22构成单轴稳定平台速率控制回路。但是，在钻井过的过程中，稳定平台本体受内阻力的不稳定性作用，如钻铤转速不均匀造成的稳定平台惯性力不稳等。当单轴稳定平台本体8内阻力小于下力矩电机22输出力矩时，该单轴稳定平台本体8发生逆时针方向滚动；当单轴稳定平台本体8内阻力大于下力矩电机22输出力矩时，该单轴稳定平台本体8发生顺时针方向滚动；从而造成在实际的钻井工况下，该单轴稳定平台本体8采用一个力矩电机控制达到相对于大地静止稳定难度较大。因此，本发明优选采用了速率陀螺19、沿顺时针方向旋转的上力矩电机111以及沿逆时针方向旋转的下力矩电机22构成单轴稳定平台滚动稳定控制回路。通过实时调整上、下彼此反向转动的电机力矩输出控制，实现单轴稳定平台本体8的净力矩控制，从而达到该平台的静止稳定以及顺、逆时针转动。在控制的过程中，上、下力矩电机可独立调整控制，也可同时输出力矩联合控制。

本发明的总电源41固联于承压壳体10内，稳定单轴稳定平台本体8相对于承压壳体10存在转动。通过电力传输装置13实现电力传递。此外，由于承压壳体10内为空气介质，电力传输装置13即可采用非接触式耦合变压器也可采用滑环供电方式。非接触式耦合变压器A131的原边定子A35固定于上支撑轴承房本体上，副边绕组A36固定于上轴伸40上，随稳定平台共同转动。原边定子A35绕组出线与总电源41连接，通过电磁耦合方式，将电力传输到副边绕组A36上。副边绕组A36通过上轴伸40中心走线孔引入电源转换模块14，进行AC－DC、DC－DC变换，为电机控制电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16、三轴加速度传感器18、三轴磁通门传感器17以及速率陀螺19等供电。

旋转导向控制系统25固联于壳体10内，随钻铤共同转动，通过非接触式高频耦合变压器20，实时获得旋转导向工具井下空间姿态测量数据如方位角、井斜、高边工具面角等，实现旋转导向系统导向控制。空间姿态测量数据信号通过导线沿下轴伸29中心孔与非接触式高频耦合变压器B20的原边转子33连接，通过高频交流电磁耦合，将信号传递到副边定子绕组34上，在通过通信线与旋转导向控制系统25实现通讯。

单轴稳定平台本体8通过位于其上的电机控制硬件电路15、空间姿态测量及解算硬件电路16以及三轴磁通门传感器17、三轴加速度传感器18、速率陀螺19实现相对于大地静止稳定。其中在井斜≤5°时，三轴磁通门传感器17测量数据引入到速率稳定回路，使下轴伸29朝向标志位24稳定在磁工具面的0°上。在井斜＞5°时，三轴加速度传感器18测量输出引入到速率陀螺的稳定回路，使下轴伸29朝向标志位24稳定在重力工具面0°上。在单轴稳定平台下轴伸29下端安装有旋转变压器测角装置23。非接触式旋转变压器B转子激励绕组27固联于下轴伸29，且激励绕组标志位与下轴伸29朝向标志位24共线。非接触式旋转变压器B定子绕组28通过螺钉固联于下力矩电机壳体B113上，壳体B113与下支撑轴承固联，这使得非接触式旋转变压器B定子绕组28与承压壳体10以及钻铤3固联，非接触式旋转变压器B定子绕组28输出的角度信号通过导线引入到旋转导向控制系统25。旋转导向控制系统25实时测量下轴伸29朝向标志位24相对于非接触式旋转变压器B的定子标志位的角度，由于非接触式旋转变压器B的定子固联于钻铤。因此，该角度为旋转导向工具的工具面角。每秒100-1000次测量该工具面给旋转导向控制系统25，控制旋转导向偏置执行机构输出的导向矢量指向该工具面角且相对于大地保持静止稳定。当井斜≤5°时，采用磁工具面角指向；在井斜＞5°时，采用重力工具面指向。

Claims (17)

1.一种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置，其特征在于：钻铤（3）内固联有承压壳体（10），承压壳体（10）内设有单轴稳定平台本体（8）、力矩电机（11）、总电源（41）、旋转导向控制系统（25）、电力传输装置（13）、上支撑轴承组件（12）和下支撑轴承组件（21），单轴稳定平台本体（8）的两端分别与上支撑轴承组件（12）和下支撑轴承组件（21）轴接，且与钻铤（3）和承压壳体（10）共轴线；力矩电机（11）、电力传输装置（13）均与单轴稳定平台本体（8）连接，电力传输装置（13）位于力矩电机（11）与单轴稳定平台本体（8）之间，总电源（41）和旋转导向控制系统（25）均与电力传输装置（13）电连接。

2.根据权利要求1所述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置，其特征在于：所述单轴稳定平台本体（8）包括单轴稳定平台轴体（32）、电源转换模块（14）、电机控制电路（15）、空间姿态测量及解算硬件电路（16）、三轴磁通门传感器（17）、三轴加速度传感器（18）、速率陀螺（19）和旋转变压器测角装置（23），电源转换模块（14）、电机控制电路（15）、空间姿态测量及解算硬件电路（16）、三轴磁通门传感器（17）、三轴加速度传感器（18）和速率陀螺（19）均固连于单轴稳定平台轴体（32）上，且电机控制电路（15）、空间姿态测量及解算硬件电路（16）、三轴磁通门传感器（17）、三轴加速度传感器（18）、速率陀螺（19）和力矩电机（11）均与电源转换模块（14）通过电线连接；单轴稳定平台轴体（32）的上轴伸（40）和下轴伸（29）的中心均设有走线孔，旋转变压器测角装置（23）设于单轴稳定平台轴体（32）的下轴伸（29）的下端。

3.根据权利要求2所述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置，其特征在于：所述电力传输装置（13）为非接触式耦合变压器，所述单轴稳定平台轴体（32）的上端设有非接触式耦合变压器A（131），下端设有非接触式耦合变压器B（20），非接触式耦合变压器A（131）包括原边定子A（35）和副边绕组A（36），原边定子A（35）固定于上支撑轴承组件（12）上，副边绕组A（36）固定在上轴伸（40）上，原边定子A（35）的绕组出线与总电源（41）连接，副边绕组A（36）通过上轴伸（40）中心的走线孔接至电源转换模块（14）；非接触式耦合变压器B（20）包括原边转子（33）和副边定子绕组（34），原边转子（33）固定在下轴伸（29）上，副边定子绕组（34）固定于下支撑轴承组件（21）上，副边定子绕组（34）通过信号线与旋转导向控制系统（25）连接。

4.根据权利要求2所述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置，其特征在于：所述电力传输装置（13）采用滑环式电力传输装置。

5.根据权利要求3或4所述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置，其特征在于：所述力矩电机（11）为2个，分别为上力矩电机（111）和下力矩电机（22），上力矩电机（111）的壳体A（112）固定在上支撑轴承组件（12）上，上力矩电机永磁定子（38）镶嵌于壳体A（112）内，上力矩电机电枢转子（39）固连于上轴伸（40）上，上力矩电机电枢转子（39）的三相输出导线穿过上轴伸（40）中心的走线孔与电机控制电路（15）连接；下力矩电机（22）的壳体B（113）固定在下支撑轴承组件（21）上，下力矩电机永磁定子（30）镶嵌于壳体B（113）内，下力矩电机电枢转子（31）固连于下轴伸（29）上，下力矩电机电枢转子（31）的三相输出导线穿过下轴伸（29）中心的走线孔与电机控制电路（15）连接。

6.根据权利要求5所述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置，其特征在于：所述上力矩电机（111）和下力矩电机（22）的旋转方向相反。

7.根据权利要求3或4所述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置，其特征在于：所述力矩电机（11）为1个，设置在单轴稳定平台本体（8）的上端，即上力矩电机（111），上力矩电机（111）的壳体A（112）固定在上支撑轴承组件（12）上，上力矩电机永磁定子（38）镶嵌于壳体A（112）内，上力矩电机电枢转子（39）固连于上轴伸（40）上，上力矩电机电枢转子（39）的三相输出导线穿过上轴伸（40）中心的走线孔与电机控制电路（15）连接。

8.根据权利要求3或4所述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置，其特征在于：所述力矩电机（11）为1个，设置在单轴稳定平台本体（8）的下端，即下力矩电机（22），下力矩电机（22）的壳体B（113）固定在下支撑轴承组件（21）上，下力矩电机永磁定子（30）镶嵌于壳体B（113）内，下力矩电机电枢转子（31）固连于下轴伸（29）上，下力矩电机电枢转子（31）的三相输出导线穿过下轴伸（29）中心的走线孔与电机控制电路（15）连接。

9.根据权利要求5所述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置，其特征在于：所述上力矩电机（111）和下力矩电机（22）采用直流无刷电机。

10.一种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法，其特征在于：在钻铤（3）内固联一承压壳体（10），承压壳体（10）内设有上支撑轴承组件（12）和下支撑轴承组件（21），单轴稳定平台本体（8）的两端分别与上支撑轴承组件（12）和下支撑轴承组件（21）轴接，单轴稳定平台本体（8）相对于钻铤（3）能够自由旋转；在钻铤（3）旋转时，通过旋转导向控制系统（25）的控制，使力矩电机（11）给单轴稳定平台本体（8）一个与钻铤（3）旋转方向相反的力，使单轴稳定平台本体（8）相对于大地保持静止稳定。

11.根据权利要求10所述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法，其特征在于：所述力矩电机（11）为1个，设置在单轴稳定平台本体（8）的任意一端。

12.根据权利要求10所述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法，其特征在于：所述力矩电机（11）为2个，分别为上力矩电机（111）和下力矩电机（22），上力矩电机（111）设置在单轴稳定平台本体（8）的上端，下力矩电机（22）设置在单轴稳定平台本体（8）的下端。

13.根据权利要求12所述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法，其特征在于：所述上力矩电机（111）和下力矩电机（22）的旋转方向相反。

14.根据权利要求11或12或13所述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法，其特征在于：所述单轴稳定平台本体（8）包括单轴稳定平台轴体（32）、电源转换模块（14）、电机控制电路（15）、空间姿态测量及解算硬件电路（16）、三轴磁通门传感器（17）、三轴加速度传感器（18）、速率陀螺（19）和旋转变压器测角装置（23）；

单轴稳定平台轴体（32），用于承载电源转换模块（14）、电机控制电路（15）、空间姿态测量及解算硬件电路（16）、三轴磁通门传感器（17）、三轴加速度传感器（18）、速率陀螺（19）和旋转变压器测角装置（23）；

电源转换模块（14），用于将交流电转变为直流电，将高压直流电转变为低压直流电，并为力矩电机（11）、电机控制电路（15）、空间姿态测量及解算硬件电路（16）、三轴磁通门传感器（17）、三轴加速度传感器（18）、速率陀螺（19）和旋转变压器测角装置（23）提供电能；

电机控制电路（15），用于控制力矩电机（11）的转速，使单轴稳定平台本体（8）相对于大地保持静止稳定；

空间姿态测量及解算硬件电路（16），用于解算三轴磁通门传感器（17）、三轴加速度传感器（18）和速率陀螺（19）测量到的数据，将数据解算后传输给旋转导向控制系统（25）和电机控制电路（15）；

三轴磁通门传感器（17）、三轴加速度传感器（18）、速率陀螺（19）和旋转变压器测角装置（23），用于测量方位角、井斜和工具面角。

15.根据权利要求14所述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法，其特征在于：在钻井时，当所钻井眼轴线与地球磁场分量夹角≤5°时，采用安装在单轴稳定平台轴体（32）上的三轴加速度传感器（18）测量单轴稳定平台本体（8）的转动角度，通过速率陀螺（19）测量角速率，三轴加速度传感器（18）和速率陀螺（19）将测量的数据传输给空间姿态测量及解算硬件电路（16）进行解算，解算后空间姿态测量及解算硬件电路（16）将信号传输给电机控制电路（15），电机控制电路（15）控制力矩电机（11）旋转，使单轴平台本体（8）在重力高边上相对于大地保持静止稳定；

当所钻井眼轴线与地球磁场分量夹角＞5°时，将三轴磁通门传感器（17）的测量数据引入到速率陀螺（19）的速率稳定回路上，使单轴平台本体（8）在磁工具面上保持静止稳定。

16.根据权利要求14所述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法，其特征在于：在钻井时，当井斜≤5°时，将三轴磁通门传感器（17）的测量数据引入到速率陀螺（19）的速率稳定回路，使单轴稳定平台本体（8）稳定在磁工具面的0°上；

在井斜＞5°时，将三轴加速度传感器（18）的测量数据引入到速率陀螺（19）的速率稳定回路，使单轴稳定平台本体（8）稳定在重力工具面0°上。

17.根据权利要求14所述的用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台的稳定方法，其特征在于：在钻铤（3）内设有总电源（41），总电源（41）通过非接触式耦合变压器或滑环式电力传输装置把电能传给电源转换模块（14）。

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