CN103510872B - 一种可控弯接头导向机构 - Google Patents
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Abstract
一种可控弯接头导向机构，包括旋转外套，旋转外套内部有变异万向轴，变异万向轴的左端插入内偏心环中，内偏心环安装在外偏心环内部且套接在球面轴承上，内偏心环的左端安装有偏心控制器，外偏心环由轴承支撑并通过驱动轴与电动机相连；变异万向轴右端装有球面导向机构，球面导向机构的右端为扭矩传递机构，压力补偿机构安装在旋转外套内，扭矩传递机构右端设置有密封装置该机构可以使变异万向轴的角位移连续改变，不会产生变异万向轴卡死或不能连续改变角位移的现象，从而稳定旋转导向钻井工具的导向；本发明也提供了一种椭圆形滚道，使钢球在传递动力时受力状况得到改善。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋转导向钻井工具，特别涉及一种可控弯接头导向机构。
背景技术
旋转导向钻井技术是20世纪末期发展起来的一项尖端自动化钻井技术，在一些复杂构造如海洋，滩海，沙漠等勘探开发难度和成本大大增加的地层有着广发的应用。它具有降低摩阻和卡钻风险，提高井眼质量和钻井效率，降低钻井成本等特点，因此是现代导向钻井的研究重点和发展方向。
传统的钻井技术依靠弯接头和动力钻具结合的方式进行导向，弯接头连接在不旋转钻柱和动力钻具之间，由于弯接头的弯角，钻头的钻进角度和钻柱轴线形成一定的夹角。这种导向钻具结构简单，成本较小，广泛应用于定向井的导向。但此种导向钻井技术具有很多缺陷，如弯接头承受较大的弯矩和钻压，容易损坏；滑动钻进的方式使钻柱的摩擦阻力不断增大进而导致的钻井极限深度受限；无法完成水平井等特殊井的钻探；井眼清洗不良等。
上世纪90年代，一种全新的闭环钻井技术——旋转导向钻井技术问世，旋转导向钻井技术克服了传统导向钻井技术的缺陷，能够适应复杂地质条件和完成水平井、大位移井等特殊井的钻探。旋转导向钻井工具是在钻柱旋转作业的状态下实现钻井轨迹的导向控制，是钻井技术上一次质的飞跃，代表着当今钻井技术的最高水平。
旋转导向钻井工具导向的实现依靠井下的导向机构。导向机构按照导向方式的不同，可以分为推靠式和指向式；按照工作状态的不同，可以分为静态式和动态式调制式。
推靠式旋转导向系统的特点是侧向力大，造斜率高，但旋转导向钻出的井眼狗腿度大，轨迹波动大，不平滑，钻头和钻头轴承的磨损较严重，在松软的地层中存在导向力不足的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可控弯接头导向机构，该机构可以使变异变异万向轴的角位移连续改变，不会产生变异万向轴卡死或不能连续改变角位移的现象，从而稳定旋转导向钻井工具的导向；本发明也提供了一种椭圆形滚道，使钢球在传递动力时受力状况得到改善。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术：
一种可控弯接头导向机构，包括旋转外套1，旋转外套1内部有变异万向轴14，变异万向轴14的左端插入内偏心环4中，内偏心环4安装在外偏心环2内部且套接在球面轴承15上，内偏心环4的左端安装有偏心控制器16，外偏心环2由轴承3支撑并通过驱动轴17与电动机18相连；变异万向轴14右端装有球面导向机构，球面导向机构由四个球面导向块构成，分别为第一球面导向块5、第四球面导向块13、第三球面导向块12和第二球面导向块11，在第四球面导向块13上靠近第三球面导向块12的一边开有四个销孔，四个推力销6部分插入到销孔中，部分与球面导向块13配合传递压力给变异万向轴14，球面导向机构的右端为扭矩传递机构，扭矩传递机构有球笼壳7、钢球8、保持架9和变异万向轴14构成，球笼壳7以及变异万向轴14的球形段开有8个滚道，滚道的截面为椭圆形，滚道的母线为圆弧，钢球8位于球笼壳滚道20和变异万向轴滚道21之间，钢球面与滚道面保持相切，球笼壳7和变异万向轴14的球形段之间放置有保持架9，钢球8同时也位于保持架9的开孔中；压力补偿机构19安装在旋转外套1内，压力补偿机构19的内孔与偏心机构2配合，右端面与轴承3相配合；扭矩传递机构右端设置有密封装置10。
所述的变异万向轴14的右端开有锥螺纹22，变异万向轴14具有球形轮廓段23，球形轮廓段23的中心为变异万向轴的摆动中心，变异万向轴14的球形轮廓段23的左端开有四个变异万向轴销孔24，变异万向轴销孔24和第三球面导向块12上的销孔联合构成方形的空间与推力销6相适配。
本发明由于采用以上机构；其具有以下优点：
1、本发明球笼壳7、钢球8、保持架9和变异万向轴14共同组成一个扭矩传递机构，使得该导向机构的偏置位移可实现连续的变化。
2、本发明传递压力时候，通过球面导向机构和推力销6结合的方式进行，球面导向机构由球面导向块5,13,12,11组成，所有导向块的球心都在扭矩传递机构的中心位置，起到了定位和适应角位移变化的作用。
3、椭圆的优势本发明采用椭圆形滚道，使钢球与滚道两点接触，在受到大载荷时能够精确，可靠地传递运动和扭矩。
4、本发明采用偏心环组设计进行偏心如图2示，当两个偏心环的偏心方向相同时，所述偏心机构产生最大偏心位移，当两者偏心方向相反时，偏心距相互抵消，偏心位移为零。两个外偏心环分别由各自的动力驱动，外偏心环通过可控电机驱动，内偏心环也可通过电机或其他方式驱动。两个偏心环在各自驱动下产生不同的位移，使偏置轴达到所需角位移。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的A-A向剖视图，其中图2A是偏心距最大时的示意图，图2B是偏心距最小时的示意图。
图3是图1的B-B向剖视图。
图4是钢球8在扭矩传递机构内椭圆滚道20上的接触示意图。
图5是变异万向轴14的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
参照图1，图3，一种可控弯接头导向机构，包括旋转外套1，旋转外套1内部有变异万向轴14，变异万向轴14的左端插入内偏心环4中，内偏心环4安装在外偏心环2内部且套接在球面轴承15上，内偏心环4的左端安装有偏心控制器16，偏心控制器16控制内偏心环4，内偏心环4、外偏心环2、球面轴承15和偏心控制器16组成偏心控制机构，外偏心环2由轴承3支撑并通过驱动轴17与电动机18相连，电动机18通过驱动轴17带动外偏心环2转动；变异万向轴14右端装有球面导向机构，球面导向机构由四个球面导向块构成，分别为第一球面导向块5、第四球面导向块13、第三球面导向块12和第二球面导向块11。在第四球面导向块13上靠近第三球面导向块12的一边开有四个销孔，四个推力销6部分插入到销孔中，部分与球面导向块13配合传递压力给变异万向轴14。球面导向机构的右端为扭矩传递机构，扭矩传递机构有球笼壳7、钢球8、保持架9和变异万向轴14构成，球笼壳7以及变异万向轴14的球形段开有8个滚道，滚道的截面为椭圆形，滚道的母线为圆弧，钢球8位于球笼壳滚道20和变异万向轴滚道21之间，钢球面与滚道面保持相切，钢球在滚道内运动，运动轨迹轨迹为圆弧。球笼壳7和变异万向轴14的球形段之间放置有保持架9，钢球8同时也位于保持架9的开孔中。保持架9随钢球沿圆弧中心摆动。所述结构能使偏置轴相对外筒沿圆弧中心摆动。压力补偿机构19安装在旋转外套1内，压力补偿机构19的内孔与偏心机构2配合，右端面与轴承3相配合，起到密封及压力补偿的作用。扭矩传递机构右端设置有密封装置10，阻止钻井过程中的泥浆等侵入。
参照图5，所述的变异万向轴14的右端开有锥螺纹22，用于安装钻头；变异万向轴14具有球形轮廓段23，球形轮廓段23的中心为变异万向轴的摆动中心，球形轮廓段23上开有8个变异万向轴滚道21，变异万向轴14的球形轮廓端23的左端开有四个变异万向轴销孔24。变异万向轴销孔24和第三球面导向块12上的销孔联合构成方形的空间与推力销6相适配。
本发明的工作原理为：旋转外套1保持旋转，球笼壳7固定在旋转外套1上，随旋转外套一起运动，球笼壳7通过钢球8，将扭矩传递至变异万向轴14。钢球8在滚道20、滚道21内运动，运动轨迹为圆弧，使得变异万向轴14绕自身轴线转动的同时，还能沿圆弧的中心进行摆动。
参照图4，钢球8的球面与椭圆滚道20、21相切，根据几何关系，由钢球直径、压力角可以计算出椭圆滚道的半短轴a，半长轴b以及钢球球心到椭圆中心的距离e。本设计中，钢球直径为24，压力角为45°。钢球与轨道始终保持两点接触，能够精确，可靠地传递运动和扭矩。
变异万向轴14的最右端开有锥螺纹，用于安装钻头，变异万向轴14摆动产生的角位移使钻头钻进的方向发生相应的改变。
变异万向轴14上开有四组销孔，销孔中放置推力销6，推力销6与变异万向轴14的销孔和球面导向块13的开孔配合。这样钻井压力通过旋转外套1，经过球面导向块5，球面导向块13，由推力销6传递到变异万向轴14上。变异万向轴14的左端与球形座15配合，形成一个圆柱副，球形座15和内偏心环组14形成球铰副，使得变异万向轴14在摆动的过程中不会被卡死。内偏心环组绕外偏心环2的中心o1旋转，外偏心环2绕旋转外套中心o旋转，如图2所示。内外偏心环相对位置的变化，导致合偏心位移的变化，合偏心位移为零时，变异万向轴14的轴线与旋转外套的轴线重合，系统进入直线模式；合偏心位移最大时，变异万向轴相对于旋转外套轴线的角位移最大，系统进入导向模式。由于内外偏心环的合位移能够实现零到最大值之间的连续调节，故而变异万向轴14摆动角度也能够实现零到最大值之间的连续调节。
内偏心环4受偏心控制器16驱动产生旋转运动，外偏心环2受可控电机18驱动产生旋转运动。当得到控制指令，驱动装置16和可控电机18开始调节内外偏心环，到达预定的位置后，驱动装置16停止运动，可控电机18的转速调整至和旋转外套1的速度相等，但方向相反。
综上所述，通过采用上述的可控弯接头结构，可以保证在钻进过程中钻头的角位移实现连续的变化，并且稳定在一定的角度。
Claims (1)
1.一种可控弯接头导向机构，其特征在于，包括旋转外套(1)，旋转外套(1)内部有变异万向轴(14)，变异万向轴(14)的左端插入内偏心环(4)中，内偏心环(4)安装在外偏心环(2)内部且套接在球面轴承(15)上，内偏心环(4)的左端安装有偏心控制器(16)，外偏心环(2)由轴承(3)支撑并通过驱动轴(17)与电机(18)相连；变异万向轴(14)右端装有球面导向机构，球面导向机构由四个球面导向块构成，分别为第一球面导向块(5)、第四球面导向块(13)、第三球面导向块(12)和第二球面导向块(11)，第二球面导向块(11)的右端面与球笼壳(7)左端面相靠，第三球面导向块(12)的右端面为球面且与第二球面导向块(11)左端球面直径相同匹配安装，第四球面导向块(13)右端平面与第三球面导向块(12)左端平面相靠，第一球面导向块(5)的右端面为球面且与第四球面导向块(13)左端球面直径相同匹配安装，第一球面导向块(5)的左端平面与旋转外套(1)内的凸台平面相靠；球面导向机构中的第一球面导向块(5)以及第二球面导向块(11)的外径与跟其配合部分的旋转外套(1)的内径相同，安装在旋转外套(1)内部，第三球面导向块(12)和第四球面导向块(13)的内径与变异万向轴(14)配合部分的外径相同，套在变异万向轴(14)上；同时第一球面导向块(5)以及第二球面导向块(11)内径大于变异万向轴(14)与其配合部分的外径，第三球面导向块(12)和第四球面导向块(13)的外径小于旋转外套(1)与其配合部分的内径，四个球面导向块组成的球面导向机构使得变异万向轴(14)在与其配合的部分不会被固定，从而可以在偏心机构的作用下实现摆动；在第四球面导向块13上靠近第三球面导向块(12)的一边开有四个销孔，四个推力销(6)部分插入到销孔中，部分与第四球面导向块(13)配合传递压力给变异万向轴(14)，球面导向机构的右端为扭矩传递机构，扭矩传递机构有球笼壳(7)、钢球(8)、保持架(9)和变异万向轴(14)构成，扭矩传递机构中球笼壳(7)的外径和与其配合处的旋转外套(1)的内径相同，其左右端面分别被第二球面导向块(11)和密封装置(10)固定，球笼壳(7)将旋转外套(1)的扭矩传递给变异万向轴(14)，从而实现扭矩传递机构的功能；球笼壳(7)以及变异万向轴(14)的球形段开有8个滚道，滚道的截面为椭圆形，滚道的母线为圆弧，钢球(8)位于球笼壳滚道(20)和变异万向轴滚道(21)之间，钢球面与滚道面保持相切，球笼壳(7)和变异万向轴(14)的球形段之间放置有保持架(9)，钢球(8)同时也位于保持架(9)的开孔中，压力补偿机构(19)安装在旋转外套(1)内，压力补偿机构(19)的内孔与外偏心环(2)配合，右端面与轴承(3)相配合；扭矩传递机构右端设置有密封装置(10)，所述的变异万向轴(14)的右端开有锥螺纹(22)，变异万向轴(14)具有球形轮廓段(23)，球形轮廓段(23)的中心为变异万向轴的摆动中心，变异万向轴(14)的球形轮廓段(23)的左端开有四个变异万向轴销孔(24)，变异万向轴销孔(24)和第三球面导向块(12)上的销孔联合构成方形的空间与推力销(6)相适配，电机(18)通过支架固结在旋转外套(1)内部，电机(18)输出轴与驱动轴(17)连接。
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