CN103278657B - 动态指向式旋转导向钻井工具中稳定平台的转速测量机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态指向式旋转导向钻井工具中稳定平台的转速测量机构，包括旋转外筒和稳定平台台体，旋转外筒上安装有电机，该测量机构还设置有至少一个磁钢和至少一组含有霍尔传感器的霍尔元件电路，磁钢和霍尔传感器分别与旋转外筒和稳定平台台体刚性连接，且各磁钢和各霍尔传感器中心与电机转轴中心距离相等，依据镶嵌于紧固螺帽中部突出圆板下侧的磁钢和霍尔传感器电路板上的霍尔传感器间的相互作用，通过对霍尔脉冲信号的电路处理和算法解析，可以测得稳定平台相对于旋转外筒的转速，为实现稳定平台地理静止状态的精确控制提供高精度实时转速测量数据，以保证钻进过程中导向井斜与方位角度的有效调控。

Description

动态指向式旋转导向钻井工具中稳定平台的转速测量机构

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井技术领域，特别涉及一种动态指向式旋转导向钻井工具中稳定平台的转速测量机构。

背景技术

钻井方式需求的变化促使钻井工具不断地改进。随着钻井技术的不断提高，各种井下导向工具相继出现。动态指向式旋转导向钻井技术是近些年发展起来的一项前沿的闭环自动钻井新技术，存在巨大的市场应用潜力和科学研究价值。由于井下钻具工作在全旋转状态下，有利于减少滑动摩阻和扭矩，提高位移延伸能力和井眼净化效果，钻出井眼光滑、规整，能够更好地控制井斜和方位，降低狗腿度，提高机械钻速和钻具寿命，可以更好的保证井身质量和井下安全。

钻进过程中，井斜角和方位角的精确测量和控制是钻井成功与否的关键性因素，直接决定着实际井眼状况与预期井眼坐标的吻合程度，以及能否准确到达油藏位置的能力。井斜角和方位角的实际参数可采用先进的磁通门、加速度计或集成测量仪测量得到，而在其稳斜或调控过程中，稳定平台相对于旋转外筒的转速（以下简称稳定平台转速）将是一个重要的输入变量。能否保证稳定平台地理静止状态，即精确测量稳定平台转速，并实现其与旋转外筒转速等大反向，以维持结构弯角和指向方位稳定性，减少或消除实际眼轨迹与预制轨迹位置偏差，是高质量钻进时面临的重要考验。

针对井下实际工况，针对井下实际工况，稳定平台转速测量可采用旋转变压器或霍尔元件电路。旋转变压器是一种电磁式传感器，由定子和转子组成，其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。由于旋转变压器的原边、副边绕组随转子的角位移发生相对位置的改变，其输出电压的大小因之变化，通常与转子转角成正弦、余弦，或保持某一比例关系。旋转变压器测量精度高、稳定性好、抗震性强、适用温度高，是一种很好的可用于井下转速测量元件。但是，它也存在着一些自身的缺点，诸如结构复杂、信号处理繁琐，应用成本较高等。

而霍尔传感器具有成本低、灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强、输出信号处理简便、不受油污等介质的影响等优点。若采用霍尔传感器，通过选择满足井下工况要求的电子元器件，并合理设计安装结构及高精度转速测量电路，将其应用到井下动态指向式旋转导向钻井工具的稳定平台转速测量中无疑具有很大的优势，对实现稳定平台地理静止状态的精确控制，保证钻进过程中导向井斜与方位角度的有效调控具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有油气钻井钻进过程中测量稳定平台转速时存在的测量精度不高、测量工具结构复杂、信号处理繁琐等上述不足，提供了一种动态指向式旋转导向钻井工具中稳定平台的转速测量机构，所述的转速测量机构结构简单、设计合理，能够实现为稳定平台地理静止状态的精确控制提供高精度实时转速测量数据，保证钻井钻进过程中导向井斜与方位角度的有效控制。

本发明的技术方案是：一种动态指向式旋转导向钻井工具中稳定平台的转速测量机构，包括旋转外筒和套装在旋转外筒内的稳定平台台体，旋转外筒的内侧连接有电机安装板，电机安装板的中心部位安装有电机，电机的下端与稳定平台台体配合；稳定平台台体的上端通过安装在旋转外筒内侧的轴承套及嵌装在轴承套内的双列角接触球轴承与旋转外筒连接，稳定平台台体的上端外侧套接有紧固螺帽，紧固螺帽的中部设置有突出的圆板，圆板的下侧嵌装有至少一个磁钢；所述轴承套上端安装有轴承限位环，轴承限位环连接有霍尔传感器电路板，霍尔传感器电路板上设置有一个单片机、一个与门和至少一组含有霍尔传感器的霍尔元件电路，各组霍尔元件电路通过与门与单片机连接。

优选的是，稳定平台台体设置为圆台体结构，其上部直径小于下部直径，且上部与下部连接处平滑过渡；稳定平台台体的下端设置为中空圆柱体，其外侧通过稳定平台连接轴承与旋转外筒内壁过渡配合；所述稳定平台台体下端的内部空腔内安装有导向机构。

进一步的，所述轴承套下端设置有内凸台，该内凸台与双列角接触球轴承下端外圈接触连接，所述轴承限位环与双角列接触球轴承上端的外圈接触连接。

进一步的，所述紧固螺帽通过稳定平台台体上端外侧螺纹与稳定平台台体上端连接，并与双列角接触球轴承上端内圈接触连接。

进一步的，每个磁钢和每个霍尔传感器的径向安装角度可在稳定平台任意稳定转速时输出等时间间隔的脉冲信号。

优选的是，所述每个磁钢和每个霍尔传感器的中心距电机转轴中心线的垂直距离相等。

优选的是，所述磁钢设置有三个，三个磁钢按照的间隔角度镶嵌于圆板的下侧，其中，x、y可为任意自然数。

优选的是，所述x、y≥0，且x、y≤8。

优选的是，三个磁钢按照2π/3角度间隔均布于圆板的下侧。

优选的是，所述霍尔元件电路设置有八组，并均布于霍尔传感器电路板的圆周上

进一步的，所述每组霍尔元件电路均包括一个霍尔传感器和与霍尔传感器连接的一个信号拾取电路，所述信号拾取电路由电阻、比较器、发光二极管、电容和电源组成。

优选的是，电机的下端通过联轴器与稳定平台台体连接，且旋转外筒、电机安装板、电机、联轴器、稳定平台台体、紧固螺帽、霍尔传感器电路板、轴承限位环、双列角接触球轴承和轴承套在安装时各中心轴线互相重合。

本发明的有益效果是：本发明结构紧凑、设计合理，调试方便，依据嵌装于紧固螺帽中部突出圆板下侧的磁钢和安装在霍尔传感器电路板上的霍尔传感器的相互作用，通过霍尔脉冲信号的电路处理和算法解析，可以测得稳定平台相对于旋转外筒的转速，实时提供精确的稳定平台转速测量数据，并将该稳定平台转速值传输至转速控制中心以控制钻进过程中导向井斜和方位角度，实现稳定平台地理静止状态的精确控制，为准确、平稳地钻进提供重要的数据支撑；本发明旋转外筒、电机安装板、电机、联轴器、稳定平台台体、紧固螺帽、霍尔传感器电路板、轴承限位环、双列角接触球轴承和轴承套在安装时各中心轴线互相重合，保证本发明测量机构的中心对称性，以避免旋转时的偏心摆动。

附图说明

附图1为本发明具体实施例的结构图；

附图2为本发明具体实施例的磁钢安装示意图；

附图3为本发明具体实施例霍尔传感器安装示意图；

附图4为本发明具体实施例信号拾取电路示意图。

其中，1：稳定平台台体，2：双列角接接触轴承，3：霍尔传感器电路板，4、41-48：霍尔传感器，5：联轴器，6：旋转外筒，7：电机安装板，8：无刷直流电机，9：紧固螺帽，10、101-103：磁钢，11：轴承限位环，12：轴承套，13：稳定平台连接轴承，14：与门，15：单片机，161-168：霍尔元件电路，A1-A8：比较器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1所示，一种动态指向式旋转导向钻井工具中稳定平台的转速测量机构，包括旋转外筒6和套装在旋转外筒6内的稳定平台台体1，旋转外筒6的内侧连接有电机安装板7，电机安装板7的中心部位安装有电机8，电机8的下端通过联轴器5与稳定平台台体1过渡配合，驱动稳定平台台体1旋转；稳定平台台体1的上端通过安装在旋转外筒6内侧的轴承套12及嵌装在轴承套12内的双列角接触球轴承2与旋转外筒6连接，稳定平台台体1的上端外侧套接有紧固螺帽9，紧固螺帽9的中部设置有突出的圆板，圆板的下侧嵌装有三个磁钢；所述轴承套12上端安装有轴承限位环11，轴承限位环11连接有霍尔传感器电路板3，霍尔传感器电路板3上设置有一个单片机15、一个与门14和八组含有霍尔传感器4的霍尔元件电路，各组霍尔元件电路通过与门与单片机连接。

上述旋转外筒6为中空环形体，由钻杆和泥浆马达二者或其一驱动，用于向钻具施加较大的钻压和扭矩。

稳定平台台体1设置为圆台体结构，其上部直径小于下部直径，且上部与下部连接处平滑过渡；稳定平台台体1的下端设置为中空圆柱体，其外侧通过稳定平台连接轴承13与旋转外筒6内壁过渡配合；所述稳定平台台体1下端的内部空腔内安装有导向机构。

双角列接触球轴承能承受较大的径向和轴向联合负荷和力矩负荷，可限制稳定平台台体双向轴向位移；同时为了防止双角列接触球轴承自身发生双向轴向位移，上述轴承套12下端设置有内凸台，该内凸台与双列角接触球轴承2下端外圈接触连接，用来限制双角列接触球轴承向下的轴向运动；所述轴承限位环11与双角列接触球轴承2上端的外圈接触连接，用于限定双角列接触球轴承向上的轴向运动。

为了进一步限定双列角接触球轴承向上的轴向运动，上述紧固螺帽9通过稳定平台台体1上端外侧螺纹与稳定平台台体1上端连接，并与双列角接触球轴承2上端内圈接触连接。

上述三个磁钢101、102、103可以按照的间隔角度镶嵌于圆板的下侧，其中，x、y可为任意自然数，一般选择x、y≥0，x、y≤8。

本实施例中，为了尽可能的减少磁钢间的相互干扰，如图2所示，三个磁钢101、102、103按照2π/3角度间隔均布于圆板的下侧。

如图3所示，本实施例中所述八组霍尔元件电路中的霍尔传感器均布在霍尔传感器电路板3上。

如图4所示，本实施例中所述的每组霍尔元件电路均包括一个霍尔传感器和与霍尔传感器连接的一个信号拾取电路，所述信号拾取电路由电阻、比较器、发光二极管、电容和电源组成。

上述每个磁钢101、102、103和每个霍尔传感器41-48的中心距电机8转轴中心线的垂直距离相等，由于磁钢与霍尔传感器分别与旋转外筒和稳定平台台体刚性连接，当电机转动时，其转轴带动磁钢旋转，并产生三个局部磁场，当磁场与某一霍尔传感器接近时，产生低电平，经比较器整定输出为0，而当磁场原理霍尔传感器时，产生高电平，经比较器整定输出为1。

为了保证本发明的中心对称性，避免旋转时的偏心摆动，上述组成部件中，旋转外筒6、电机安装板3、电机8、联轴器5、稳定平台台体1、紧固螺帽9、霍尔传感器电路板3、轴承限位环11、双列角接触球轴承2和轴承套12在安装时各中心轴线互相重合。

本实施例中，电机8采用无刷直流电机，为中空轴式伺服电机，在本实施例中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而后喷射出来。

工作原理：无刷直流电机8每旋转一周，每个霍尔元件电路产生三个低脉冲，经八路与门14处理后，累计可均匀产生24个低脉冲，即每隔π/12就会有一次低脉冲触发，将此序列低脉冲接入单片机15捕获端口，能获取任意m个脉冲出现间隔△t_m(s)。因此，可通过检测霍尔效应引起的低脉冲信号来计算稳定平台相对于旋转外筒6的转速n：

$n=\frac{\mathrm{m\π}}{{12\mathrm{\Δt}}_m}(\mathrm{rad}/s)=\frac{5\mathrm{m\π}}{{2\mathrm{\Δt}}_m}(r/\min )$

当n=100r/min，其测量相对误差δ为：

$\mathrm{\δ}=(\frac{\mathrm{\π}}{12}/2\mathrm{\π})/100=4.17e^{-4}(r/\min ).$

实施例2：与实施例1不同的是，实施例2中，紧固螺帽9的中部突出圆板的下侧嵌装有三个磁钢；各磁钢按0、的间隔角度分布；霍尔传感器电路板3上设置有单片机15、一个与门14和六组含有霍尔传感器4的霍尔元件电路，六组霍尔元件电路中的霍尔传感器4均布在霍尔传感器电路板3上，各组霍尔元件电路通过与门14与单片机15连接。

实施例3：与实施例1不同的是，实施例3中，紧固螺帽9的中部突出圆板的下侧嵌装有四个磁钢；各磁钢按0、的间隔角度分布；霍尔传感器电路板3上设置有一个单片机15、一个与门14和六组含有霍尔传感器4的霍尔元件电路，六组霍尔元件电路中的霍尔传感器4均布在霍尔传感器电路板3上，各组霍尔元件电路通过与门与单片机连接。

实施例4：与实施例1不同的是，实施例4中，紧固螺帽9的中部突出圆板的下侧按2π/5角度间隔均布嵌装有五个磁钢。

由上述实施例可知，磁钢和霍尔元件电路的组数（即乘积）越多，稳定平台转速越精确，但若磁钢或霍尔元件电路的组数过多，测量电路结构设计相对复杂，元件之间的干扰增大，测量数据反而不准确，若霍尔元件电路的组数太少，虽然结构简单，但稳定平台转速测量精度也会降低。因此，本发明在具体使用过程中一般选择3-5个磁钢和6-8组霍尔元件电路，可以根据具体井下工具设计尺寸而定。

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 (6)

1.一种动态指向式旋转导向钻井工具中稳定平台的转速测量机构，包括旋转外筒和套装在旋转外筒内的稳定平台台体，其特征在于：旋转外筒的内侧连接有电机安装板，电机安装板的中心部位安装有电机，电机的下端与稳定平台台体配合；稳定平台台体的上端通过安装在旋转外筒内侧的轴承套及嵌装在轴承套内的双列角接触球轴承与旋转外筒连接，稳定平台台体的上端外侧套接有紧固螺帽，紧固螺帽的中部设置有突出的圆板，圆板的下侧嵌装有3-5个磁钢；所述轴承套上端安装有轴承限位环，轴承限位环连接有霍尔传感器电路板，霍尔传感器电路板上设置有一个单片机、一个与门和6-8组含有霍尔传感器的霍尔元件电路，各组霍尔元件电路通过与门与单片机连接；稳定平台台体设置为圆台体结构，其上部直径小于下部直径，且上部与下部连接处平滑过渡；稳定平台台体的下端设置为中空圆柱体，其外侧通过稳定平台连接轴承与旋转外筒内壁过渡配合；所述稳定平台台体下端的内部空腔内安装有导向机构；每个磁钢和每个霍尔传感器的径向安装角度在稳定平台任意稳定转速时输出等时间间隔的脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具中稳定平台的转速测量机构，其特征在于：所述轴承套下端设置有内凸台，该内凸台与双列角接触球轴承下端外圈接触连接，所述轴承限位环与双角列接触球轴承上端的外圈接触连接；

3.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具中稳定平台的转速测量机构，其特征在于：所述紧固螺帽通过稳定平台台体上端外侧螺纹与稳定平台台体上端连接，并与双列角接触球轴承上端内圈接触连接。

4.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具中稳定平台的转速测量机构，其特征在于：所述每个磁钢和每个霍尔传感器的中心距电机转轴中心线的垂直距离相等。

5.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具中稳定平台的转速测量机构，其特征在于：所述每组霍尔元件电路均包括一个霍尔传感器和与霍尔传感器连接的一个信号拾取电路，所述信号拾取电路由电阻、比较器、发光二极管、电容和电源组成。

6.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具中稳定平台的转速测量机构，其特征在于：电机的下端通过联轴器与稳定平台台体连接，且旋转外筒、电机安装板、电机、联轴器、稳定平台台体、紧固螺帽、霍尔传感器电路板、轴承限位环、双列角接触球轴承和轴承套在安装时各中心轴线互相重合。