CN104265168B - 一种动态内偏置指向钻头式旋转导向装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，属于石油钻井设备技术领域。本发明中下接头的端部球铰有球铰杆，球铰杆上连接有钻头；下接头的侧壁内设有若干在圆周上均布的活塞孔，每个活塞孔内均匹配有活塞，活塞上连接的活塞杆活动连接于球铰杆上；上接头内设置的控制器上连接有偏阀芯，偏阀芯的工作面与活塞孔相对，偏阀芯的转动，使活塞孔内的活塞运动来控制球铰杆的旋转导向。本发明可通过偏阀芯旋转运动控制钻头“摇头晃脑”的周期，偏阀芯轴向运动控制钻头“摇头晃脑”的幅值，当把偏阀芯整体回拉远离活塞孔时候即可用来钻直井或者稳斜，而当偏阀芯靠近液压活塞孔越近，则造斜能力越强，能满足不同曲率半径的钻井。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井设备技术领域，特别是闭环旋转导向钻井技术。
背景技术
近十几年来，水平井、 大位移井、 多分支井等复杂结构井和“海油陆采”、页岩气开发的迅速发展，以及钻井工艺对提高效率、 降低成本、 提高在恶劣环境和复杂地质条件下钻井能力等的要求，国内外纷纷开展了对旋转导向钻井技术的研究。旋转导向钻井技术是一项尖端的自动化钻井新技术，国外钻井实践证明，在水平井、 大位移井、 大斜度井、三维多目标井中推广应用旋转导向钻井技术，既提高了钻井速度，也减少了钻井事故，从而降低了钻井成本。旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心，决定了旋转导向钻井系统的工作特色和工作能力。
旋转导向技术是用钻盘（或顶驱）旋转钻柱钻井，随钻实现导向相应功能。其优点是：排除了滑动钻进、减少了扭矩和摩阻、提高了井眼质量、改善了井眼清洁、提高了机械钻速、降低了循环当量密度、选择最佳钻井参数获得最大机械钻速、降低了压差卡钻的风险、钻头的钻井性能选择优于钻头可导向性的选择、大位移钻井全过程定向控制、低风险钻进大多数高难度井眼轨迹的井节省钻机时间。此外，其极限井深可达15 km，钻井成本低。因此，旋转导向钻井技术是现代导向钻井技术发展的必然方向。
目前国外三大石油公司BakerHughes、Schlumberger和Halliburton 通过各种方式分别形成了其各自商业化应用的PowerDriveSRD、AutoTrakRCLS和 Geo-Pilot 旋转导向钻井系统，这 3 个系统的根本区别是井下钻井工具各不相同，这也充分说明了旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心。前面两种系统可归类为一种系统即推靠式( push –the - bit ) 旋转导向钻井系统； 而后一种属于指向式( point - the - bit ) 旋转导向钻井系统。推靠式旋转导向系统：侧向力大，造斜率高，但旋转导向钻出的井眼狗腿大，轨迹波动大，不平滑，钻头和钻头轴承的磨损较严重。指向式旋转导向系统：能钻出较平滑的井眼，摩阻和扭矩较小，可以使用较大的钻压，机械钻速较高，有助于发挥钻头的性能，钻头及其轴承承受的侧向载荷较小，极限位移增加，但是造斜率较低。目前推靠式旋转导向系统技术已基本成熟，而指向式旋转导向系统尚处于新兴起步阶段。
国内开展这方面的研究工作较晚。20世纪 90 年代才全面展开这方面的研究工作，2006 年以苏义脑院士为首的技术团队研制成功了 CGDS -1 近钻头地质导向旋转钻井系统，在冀东、辽河等油田应用 15 口井。另外，以张绍槐教授为首的研究团队，近年来与中国石化胜利油田合作，在旋转导向钻井方面也取得了突破性的成果。但大多研究在推靠式旋转导向钻井居多，指向式旋转导向钻井的研究在国内还处于“瓶颈 ”状态。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种指向式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，突破了现有国内推靠式旋转导向存在侧向力大，造斜率高，所钻井眼狗腿大，轨迹波动大，不平滑，钻头和钻头轴承的磨损较严重等问题，并较国外指向式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置结构更简单，控制更容易，可靠性更高的设计思路。回避了现有常规旋转导向技术中静态偏置推靠钻头式（工具系统外筒不旋转，如Auto TrakRCLS）、动态偏置推靠钻头式（全旋转，如Power Drive SRD）、静态偏置指向钻头式（工具系统外筒不旋转，如Geo-Pilot）等存在的缺点，形成一种新的动态内偏置指向钻头式（全旋转，且工具径向尺寸不会存在局部扩大现象）动态内偏置指向钻头式旋转导向装置。通过在钻柱靠近钻头端设置旋转偏阀芯推动液压活塞推杆式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，来使安装有钻头的球铰可沿一定偏角范围内360°周向旋转，提供了一种全新的指向式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，可通过偏阀芯旋转运动控制钻头“摇头晃脑”的周期，偏阀芯轴向运动控制钻头“摇头晃脑”的幅值，当把偏阀芯整体回拉远离活塞孔时候即可用来钻直井或者稳斜，而当偏阀芯靠近液压活塞孔越近，则造斜能力越强，能满足不同曲率半径的钻井；其不仅可适用于大曲率的钻井，还可用于中曲率和小曲率条件下的钻井，而且在钻进的过程中不存在工具局部径向尺寸扩大的问题，使岩屑排出的通道更加顺畅，提高了钻井的安全性和可靠性，因为是全旋转，减小了钻柱与井壁的摩擦力，可以让水平井段延伸的更长。
本发明采用的技术方案如下：
本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，包括相互连接的上接头与下接头，所述下接头的端部球铰有球铰杆，所述球铰杆上连接有钻头；所述下接头的侧壁内设有若干在圆周上均布的活塞孔，每个活塞孔内均匹配有活塞，所述活塞上连接的活塞杆活动连接于球铰杆上；所述上接头内设置的控制器上连接有偏阀芯，所述偏阀芯的工作面与活塞孔相对，所述偏阀芯的转动，使活塞孔内的活塞运动来控制球铰杆的旋转导向。
由于采用了上述结构，钻头安装在球铰杆上，而球铰杆球铰（采用球铰结构进行连接）于下接头上，使得球铰杆可以该球铰结构为中心沿着一定的偏角范围内360°周向旋转；该偏角范围受到球铰杆活动范围的限制，在本发明中受限于活塞杆活动连接于球铰杆上的位置，可根据需要进行设定，因此可根据该球铰杆可在一定偏角范围内360°周向旋转的特性，使其带动钻头在一定偏角范围内360°周向旋转，从而使用到钻井过程中，解决了现有技术中可变径稳定器仅能对井斜进行微调，仅能适合大曲率钻井的问题。为了实现球铰杆在一定偏角范围内360°周向旋转，需要在钻井过程中给予球铰杆一个偏执力，而球铰杆的偏执力来源于活塞孔内的活塞杆，活塞杆的个数为3个以上，其中活塞杆的靠近钻头端受到的泥浆压强P基本相同，而活塞杆另一端的泥浆压强P则是变动的，变动的泥浆压强P由偏阀芯的旋转运动和轴向运动引起的，而偏阀芯的运动则由控制器控制。其中偏阀芯的旋转运动是为了让活塞受到的力，随着偏阀芯的旋转运动依次发生变化，偏阀芯旋转过程中，阀芯整体与阀座轴向位移恒定，但是阀芯上内凹部位离阀座相对距离较远，此处会产生较大的压强，而阀芯外凸部位离阀座较近，此处压强会相对减小，当阀芯旋转起来，则使阀芯周围形成一个压强依次变化且旋转起来的压力循环场，这样就可以使活塞受到的力依次变化，从而使球铰杆以及连接在球铰杆上的钻头也会随着连续摆动，因此要求偏阀芯的工作面需对应于活塞孔。偏阀芯轴向运动是为了让3个以上活塞受到的力随着偏阀芯的轴向运动而发生偏执角度幅度的变化。即偏阀芯的轴向运动确定钻头偏执角度的大幅度的调整，而偏阀芯的旋转运动确定钻头偏执角度的旋转速度，当这个速度与钻柱转动的速度达到一定关系时候，钻头就朝着一个方向钻进（通俗讲，偏阀芯旋转运动控制钻头摇头晃脑的周期，而偏阀芯轴向运动控制钻头摇头晃脑的幅值）。本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，突破了现有国内推靠式旋转导向存在侧向力大，造斜率高，所钻井眼狗腿大，轨迹波动大，不平滑，钻头和钻头轴承的磨损较严重等问题，并较国外指向式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置结构更简单，控制更容易，可靠性更高的设计思路。回避了现有常规旋转导向技术中静态偏置推靠钻头式（工具系统外筒不旋转，如Auto TrakRCLS）、动态偏置推靠钻头式（全旋转，如Power Drive SRD）、静态偏置指向钻头式（工具系统外筒不旋转，如Geo-Pilot）等存在的缺点，形成一种新的动态内偏置指向钻头式（全旋转，且工具径向尺寸不会存在局部扩大现象）动态内偏置指向钻头式旋转导向装置。通过在钻柱靠近钻头端设置旋转偏阀芯推动液压活塞推杆式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，来使安装有钻头的球铰可沿一定偏角范围内360°周向旋转，提供了一种全新的指向式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，可通过偏阀芯旋转运动控制钻头“摇头晃脑”的周期，偏阀芯轴向运动控制钻头“摇头晃脑”的幅值，当把偏阀芯整体回拉远离活塞孔时候即可用来钻直井或者稳斜，而当偏阀芯靠近液压活塞孔越近，则造斜能力越强，能满足不同曲率半径的钻井；其不仅可适用于大曲率的钻井，还可用于中曲率和小曲率条件下的钻井，而且在钻进的过程中不存在工具局部径向尺寸扩大的问题，使岩屑排出的通道更加顺畅，提高了钻井的安全性和可靠性，因为是全旋转，减小了钻柱与井壁的摩擦力，可以让水平井段延伸的更长。
本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，所述偏阀芯为圆锥形结构，在所述偏阀芯的锥面上开设有相邻的内凹部和外凸部，其中外凸部靠近偏阀芯的顶部，内凹部靠近偏阀芯的底部，所述偏阀芯的锥面对准活塞孔。
由于采用了上述结构，偏阀芯作为主要控制活塞杆运动的部件，其主要作用是通过其旋转，来使阀芯周围形成一个压强依次变化且旋转起来的压力循环场，这样就可以使3个或以上的活塞杆受到的力依次变化，从而使球铰杆以及连接在球铰杆上的钻头也会随着连续摆动；因此就对偏阀芯的结构要求比较特殊，而本发明特将偏阀芯制成圆锥形结构，且其工作面为该偏阀芯的倾斜面，为了达到上述效果，需要在偏阀芯的倾斜面的同一圆锥母线上设置内凹部和外凸部，其中外凸部靠近偏阀芯的顶部，内凹部靠近偏阀芯的底部，也即阀芯上的内凹部离阀座（下接头内壁倾斜配合面）相对距离较远，此处会产生较大的压强，而阀芯的外凸部离阀座（下接头内壁倾斜配合面）较近，此处压强会相对减小，当泥浆从上接头和下接头中通过时，冲击偏阀芯的倾斜面时，通过其外凸部和内凹部可改变部分泥浆的方向，使得偏阀芯的内凹部对准活塞孔，从而在阀芯周围形成一个压强依次变化且旋转起来的压力循环场，这样就可以使偏阀芯对准活塞孔时，3个（或以上）活塞杆受到的力依次变化，从而驱动活塞杆相对运动，从而使球铰杆以及连接在球铰杆上的钻头也会随着连续摆动。
本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，所述球铰杆的一端设为球形结构，可与下接头的端部采用球面配合形成球铰结构，所述球铰杆可相对于下接头以该球铰结构为中心旋转，其中所述球铰杆与下接头的中通孔相互连通，；所述球铰杆的中部外套设于有花键盘头，其中匹配于每个活塞孔内的活塞杆活动连接于花键盘头上。
由于采用上述结构，钻头通过转换接头安装在球铰杆伸出的端头上，而球铰杆的另外一端头设为球形结构，从而便于将该球形端头与下接头上端部中通孔的口部面接触形成球铰结构，使得球铰杆的可以该球铰结构为中心，在一定偏角的范围内360°周向旋转，而该偏角的大小主要取决于下接头上对球铰杆的干涉，可以根据钻井曲率的大小进行调节，当需要钻头摆动的幅度越小，也即需要该偏角越小，而当需要钻头摆动的幅度越大，则需要该偏角越大。因此本发明通过控制该球铰杆在360°周向上的旋转来控制钻头的转向，实现旋转导向的作用；其中为了确保在导向过程中泥浆可正常通过，将该球铰杆制成中通结构。其中花键盘头套设于铰接杆的中部外，使活塞杆活动连接在其边部位置，便于通过活塞带动活塞杆运动时，通过花键盘头控制铰接杆发生偏转，从而实现对钻头旋转导向的控制。
本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，所述球铰结构外套设有连接于下接头上的大球铰压盖；所述球铰杆的中部外套设有限制花键盘头的压盖螺母；所述下接头上靠近钻头的一端上连接有套于球铰杆外的防掉接头，所述防掉接头的最小通径大于花键盘头的外径。
由于采用了上述结构，大球铰压盖主要是限制球铰杆的端部球头，避免其与下接头之间的连接脱落；压盖螺母则主要将花键盘头锁于球铰杆上，避免花键盘头从球铰杆上发生脱落。防掉接头螺纹连接在下接头上，防止活塞杆断掉后，球铰和钻头落入井内；花键盘头外径小于防掉接头的最小内通径。
本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，所述活塞杆的一端球铰于花键盘头上，所述活塞杆的另一端上设置活塞杆上密封盘根形成活塞，所述活塞杆可带动活塞杆上密封盘根相对于活塞孔运动；所述活塞杆外套设有可相对密封运动的活塞杆下密封盘根，所述活塞杆下密封盘根固定于下接头上。
由于采用了上述结构，活塞杆上设置活塞杆上密封盘根形成活塞，使其与受到偏阀芯旋转产生的压力场P的变化时，可驱动活塞杆相对于活塞孔移动，继而可使活塞杆的另一端通过球铰结构带动花键盘头，并向球铰杆传递扭矩；因此为了避免活塞杆在带动花键盘头时受到干涉，需要将活塞杆与花键盘头的连接采用球铰的结构，既可相对转动又可摆动旋转；其中活塞杆下密封盘根可与活塞杆形成动密封，避免杂物进入到活塞孔内。
本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，所述下接头上在活塞孔中部的位置开设有与活塞孔连通的容纳槽，所述容纳槽内安设有液压囊，所述液压囊被液压囊压盖密封于该容纳槽内。
由于采用了上述结构，下接头上在位于活塞孔的中部位置还开有一个容纳槽，该容纳槽内安置有液压囊，液压囊被液压囊压盖密封在壳体的槽内，液压囊的作用是存储活塞杆与壳体活塞孔之间的液压油，从而便于活塞杆及其上的活塞杆上密封盘根，在受到压力场P变化时能轻易地发生相对滑动，从而通过花键盘头向球铰杆传动扭矩，控制钻头摆动。
本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，所述上接头的中心设有容纳控制器的中心开孔，在所述上接头的侧壁内设有若干位于同一圆周上的旁通孔，所述旁通孔、下接头的中通孔和球铰杆的中通孔相对连通形成通道；所述偏阀芯位于通道内下接头与上接头的连接区域。
由于采用了上述结构，旁通孔主要用于上接头中的泥浆通过，因此该旁通孔需要与下接头的中通孔、球铰杆的中通孔连通形成通道，便于钻井过程中的泥浆通过；偏阀芯也设置于该通道内，为了便于拆卸和安装，将其置于下接头与上接头的连接区域内。
本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，所述控制器包括位于中心开孔内同一轴线上的旋转电机与拖动电机；其中所述偏阀芯设于偏阀杆的一端，所述偏阀杆的另一端通过传动轴一连接于旋转电机上，所述旋转电机通过传动轴二连接于拖动电机上；所述上接头侧壁上开设的凹槽区域内放置有控制模块，所述旋转电机和拖动电机分别连接并受控于控制模块。
由于采用了上述结构，旋转电机可通过传动轴一带动偏阀杆转动，继而控制偏阀杆上的偏阀芯转动，实现对活塞杆往复运动的控制，完成对球铰杆摆动的控制；而拖动电机则可通过传动轴二带动旋转电机以及偏阀芯在上接头内相对移动，从而控制偏阀芯与阀座之间的相对位置，从而控制活塞杆移动的幅度，继而控制钻头摆动的幅度，因此偏阀芯的轴向运动确定钻头偏执角度的大幅度的调整，而偏阀芯的旋转运动确定钻头偏执角度的旋转速度，当这个速度与钻柱转动的速度达到一定关系时候，钻头就朝着一个方向钻进（通俗讲，偏阀芯旋转运动控制钻头摇头晃脑的周期，而偏阀芯轴向运动控制钻头摇头晃脑的幅值）。在上接头靠近旋转电机附近区域开设有凹槽用来安装控制模块，该区域被控制区盖板密封、旋转电机、控制模块和拖动电机，由信号通道联通，信号通道末端由信号通道堵头堵死（也可以在钻通后直接焊死），信号通道上开设有信号接口，与外界进行信息传递。
本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，所述中心开孔内设有电机套一和电机支架；所述旋转电机卡设于电机套一内，所述电机套一外设置的凸块匹配于中心开孔内壁的电机套滑槽内，使电机套一可相对于中心开孔滑动；所述电机套一的尾部设有电机套端盖一，所述电机套端盖一与传动轴二采用螺纹配合，所述传动轴二连接于设于电机套二内的拖动电机上。
由于采用了上述结构，旋转电机安装在电机套一内，旋转电机自身开有凹槽，正好插入电机套的电机键槽处相对固定，通过键槽与电机套一固定并传递扭矩，电机套一周向开有两个凸起（凸块）正好插入上接头中心孔处开有的电机套滑槽内。电机套一的端部伸出上接头，阀芯杆下端与偏阀芯螺纹联接，阀芯杆上端与传动轴一螺纹联接，电机输出轴卡入传动轴一，传动轴一的凸肩处被轴承组一约束，轴承组一被阀芯杆密封盘根压在电机套上。旋转电机、电机套一与附属在电机套一上的阀芯杆、轴承组一、传动轴一、阀芯杆密封盘根、偏阀芯都能被拖动电机整体轴向拖动；而该拖动是由拖动电机带动传动轴二转动，由于电机套端盖一与传动轴二之间采用螺纹连接，而电机套端盖一以及电机套一仅能相对于上接头滑动，而不能发生相对转动，因此即可实现将电机整体轴向拖动的效果。拖动电机卡在电机套二内，电机套安装在电机支架，电机支架螺纹联接在上接头中心孔偏上的位置，被电机套端盖二压着，电机套端盖二与电机支架螺纹连接。电机套端盖一上端车削有梯形螺纹，与传动轴二下端的螺纹配对，起到将旋转运动转变为轴向移动的作用。传动轴二被限位隔环一、限位隔环二、上接头中心孔中部台阶、电机支架下端部所约束。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，突破了现有国内推靠式旋转导向存在侧向力大，造斜率高，所钻井眼狗腿大，轨迹波动大，不平滑，钻头和钻头轴承的磨损较严重等问题，并较国外指向式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置结构更简单，控制更容易，可靠性更高的设计思路。
2、本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，回避了现有常规旋转导向技术中静态偏置推靠钻头式（工具系统外筒不旋转，如Auto TrakRCLS）、动态偏置推靠钻头式（全旋转，如Power Drive SRD）、静态偏置指向钻头式（工具系统外筒不旋转，如Geo-Pilot）等存在的缺点，形成一种新的动态内偏置指向钻头式（全旋转，且工具径向尺寸不会存在局部扩大现象）动态内偏置指向钻头式旋转导向装置。通过在钻柱靠近钻头端设置旋转偏阀芯推动液压活塞推杆式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，来使安装有钻头的球铰可沿一定偏角范围内360°周向旋转。
3、本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，可通过偏阀芯旋转运动控制钻头“摇头晃脑”的周期，偏阀芯轴向运动控制钻头“摇头晃脑”的幅值，当把偏阀芯整体回拉远离活塞孔时候即可用来钻直井或者稳斜，而当偏阀芯靠近液压活塞孔越近，则造斜能力越强，能满足不同曲率半径的钻井；
4、本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，不仅可适用于大曲率的钻井，还可用于中曲率和小曲率条件下的钻井，而且在钻进的过程中不存在工具局部径向尺寸扩大的问题，使岩屑排出的通道更加顺畅，提高了钻井的安全性和可靠性，因为是全旋转，减小了钻柱与井壁的摩擦力，可以让水平井段延伸的更长。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的旋转偏阀芯推动液压活塞推杆式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置的结构示意图。
图2是图1中A-A的剖视图。
图中标记：1-钻头、2-转换接头、3-下接头、4-上接头、5-防掉接头、6-压盖螺母，7-花键盘头，8-小球铰，9-小球铰压盖，10-销钉，11-活塞杆，12-球铰杆，13-大球铰压盖，14-液压囊压盖，15-液压囊，16-活塞杆上密封盘根，17-偏阀芯，18-偏阀杆，19-阀芯杆密封盘根，20-轴承组一，21-传动轴一，22-旋转电机，23-控制模块，24-控制区压盖，25-电机套一，26-电机套端盖一，27-限位隔环一，28-轴承组二，29-传动轴二，30-限位隔环二，31-拖动电机，32-电机套二，33-电机支架，34-电机套端盖二，35-信号通道堵头，36-信号接口，37-信号通道，38-旁通孔，39-电机键槽，40-电机套滑槽，41-活塞杆下密封盘根。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1和图2所示，本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，包括上接头4、下接头3以及球铰杆12；所述上接头4与下接头3螺纹连接，所述下接头3以及球铰杆12的中心均设有中通孔，所述下接头3的侧壁内均布有三个以上位于同一圆周上的贯通活塞孔，每个活塞孔内匹配有可相对移动的活塞，所述活塞通过活塞杆11球铰接于（铰接仅为其中一种方式，可通过其它类似的活动连接方式进行连接）花键盘头7上，所述花键盘头7套设于球铰杆12外（根据花键盘头的作用，可在球铰杆的中部外设置圆凸台，将活塞杆11活动连接于凸台的边部，同样能实现其功能），所述球铰杆12的一端球铰于下接头3内，所述球铰杆12的另一端通过转换接头2连接有钻头1。所述球铰杆12的一端设为球形结构，可与下接头3的端部球面配合形成球铰结构，使所述球铰杆12可相对下接头3并以该球铰结构为中心旋转，所述球铰杆12与下接头3的中通孔相对连通，所述球铰结构外套设有连接于下接头3上的大球铰压盖13。所述球铰杆12的中部上套设有花键盘头7和压盖螺母6，所述压盖螺母6将花键盘头7锁于球铰杆12上。所述下接头3上靠近钻头1的一端上连接有中通的防掉接头5，球铰杆12从该防掉接头5中穿过，所述防掉接头5的最小通径大于花键盘头7的外径。所述下接头3上在活塞孔中部的位置开设有与活塞孔连通的容纳槽，所述容纳槽内安设有液压囊15，所述液压囊15被液压囊压盖14密封于该容纳槽内。所述上接头4内设有可放置控制器的中心开孔，且在所述上接头4的侧壁内设有若干位于同一圆周上的旁通孔38，所述旁通孔38、下接头3的中通孔和球铰杆12的中通孔相对连通形成通道。所述通道内位于下接头3与上接头4的连接区域内设有偏阀芯17，所述偏阀芯17为圆锥形结构，在所述偏阀芯17的锥面上开设有相邻的内凹部和外凸部，其中外凸部靠近偏阀芯17的顶部，内凹部靠近偏阀芯17的底部，其中外凸部与内凹部布置于同一圆锥母线上，从而使得偏阀芯17上形成偏心结构，所述偏阀芯17的锥面对应活塞孔，每个活塞孔内均匹配有活塞杆11，所述活塞杆11的一端球铰于花键盘头7上，所述活塞杆11的另一端上设有活塞杆上密封盘根16形成活塞，使活塞杆11可带动活塞杆上密封盘根16相对于活塞孔运动；所述活塞杆11外套设有活塞杆下密封盘根41，所述活塞杆下密封盘根41固定于下接头3上，使所述活塞杆11可相对于活塞杆下密封盘根41运动，所述偏阀芯17通过偏阀杆18连接并受控于旋转拖动控制器上。所述中心开孔内设有旋转拖动控制器，所述旋转拖动控制器包括设于同一轴线上的旋转电机22与拖动电机31，所述偏阀芯17设于偏阀杆18的一端，所述偏阀杆18的另一端通过传动轴一21连接于旋转电机22上，所述旋转电机22通过传动轴二29连接于拖动电机31上；所述上接头4侧壁上开设的凹槽区域内放置有控制模块23，所述旋转电机22和拖动电机31分别连接并受控于控制模块23。所述中心开孔内设置有容纳旋转电机22的电机套一25、以及容纳电机套二32的电机支架33，所述电机支架33螺纹连接于中心开孔的内壁，所述旋转电机22卡于电机套一25内，所述电机套一25周向开设的凸起槽置于中心开孔内壁的电机套滑槽内，使电机套一25可相对于中心开孔滑动；所述电机套一25的尾部设有电机套端盖一26，所述电机套端盖一26与传动轴二29采用螺纹配合，所述传动轴二29连接于拖动电机31上，所述拖动电机31设于电机套二32内。
本发明中，钻头安装在球铰杆上面，球铰杆可以沿着一定的偏角范围内360°周向旋转，球铰杆是空心的，可以过泥浆。球铰杆偏执的力来源于与球铰链接的3个（或以上）活塞杆，3个活塞杆的靠近钻头端受到的泥浆压强P基本相同，而活塞杆另一端的泥浆压强P则是由变动的。活塞杆另一端的泥浆压强P的变动是由偏阀芯的旋转运动和轴向运动引起的。旋转运动是为了让3个（或以上）活塞杆受到的力随着偏阀芯的旋转运动依次发生变化，偏阀芯旋转中，阀芯整体与阀座轴向位移恒定，但是阀芯上内凹的部位离阀座相对距离较远，此处会产生较大的压强，而阀芯外凸的部位离阀座较近，此处压强会相对减小，当阀芯旋转起来，则使阀芯周围形成一个压强依次变化且旋转起来的压力循环场，这样就可以使3个（或以上）活塞杆受到的力依次变化，从而使球铰杆以及连接在球铰杆上的钻头也会随着连续摆动。轴向运动是为了让3个（或以上）活塞杆受到的力随着偏阀芯的轴向运动而发生偏执角度幅度的变化。即偏阀芯的轴向运动确定钻头偏执角度的大幅度的调整，而偏阀芯的旋转运动确定钻头偏执角度的旋转速度，当这个速度与钻柱转动的速度达到一定关系时候，钻头就朝着一个方向钻进（通俗讲，偏阀芯旋转运动控制钻头摇头晃脑的周期，而偏阀芯轴向运动控制钻头摇头晃脑的幅值）。
本发明的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置突破了现有国内推靠式旋转导向存在侧向力大，造斜率高，所钻井眼狗腿大，轨迹波动大，不平滑，钻头和钻头轴承的磨损较严重等问题，并较国外指向式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置结构更简单，控制更容易，可靠性更高的设计思路。回避了现有常规旋转导向技术中静态偏置推靠钻头式（工具系统外筒不旋转，如Auto TrakRCLS）、动态偏置推靠钻头式（全旋转，如Power Drive SRD）、静态偏置指向钻头式（工具系统外筒不旋转，如Geo-Pilot）等存在的缺点，形成一种新的动态内偏置指向钻头式（全旋转，且工具径向尺寸不会存在局部扩大现象）动态内偏置指向钻头式旋转导向装置。通过在钻柱靠近钻头端设置旋转偏阀芯推动液压活塞推杆式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，来使安装有钻头的球铰可沿一定偏角范围内360°周向旋转，提供了一种全新的指向式动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，可通过偏阀芯旋转运动控制钻头“摇头晃脑”的周期，偏阀芯轴向运动控制钻头“摇头晃脑”的幅值，当把偏阀芯整体回拉远离活塞孔时候即可用来钻直井或者稳斜，而当偏阀芯靠近液压活塞孔越近，则造斜能力越强，能满足不同曲率半径的钻井；其不仅可适用于大曲率的钻井，还可用于中曲率和小曲率条件下的钻井，而且在钻进的过程中不存在工具局部径向尺寸扩大的问题，使岩屑排出的通道更加顺畅，提高了钻井的安全性和可靠性，因为是全旋转，减小了钻柱与井壁的摩擦力，可以让水平井段延伸的更长。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (8)
1.一种动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，包括相互连接的上接头（4）与下接头（3），其特征在于：所述下接头（3）的端部球铰有球铰杆（12），所述球铰杆（12）上连接有钻头（1）；所述下接头（3）的侧壁内设有若干在圆周上均布的活塞孔，每个活塞孔内均匹配有活塞，所述活塞上连接的活塞杆（11）活动连接于球铰杆（12）上；所述上接头（4）内设置的控制器上连接有偏阀芯（17），所述偏阀芯（17）的工作面与活塞孔相对，所述偏阀芯（17）的转动，使活塞孔内的活塞运动来控制球铰杆（12）的旋转导向；所述偏阀芯（17）为类圆锥形结构，在所述偏阀芯（17）的锥面上开设有内凹部和外凸部，所述偏阀芯（17）在转动时，内凹部和外凸部可分别对准活塞孔。
2.如权利要求1所述的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，其特征在于：所述球铰杆（12）的一端设为球形结构，可与下接头（3）的端部采用球面配合形成球铰结构，所述球铰杆（12）可相对于下接头（3）以该球铰结构为中心旋转，其中所述球铰杆（12）与下接头（3）的中通孔相互连通，所述球铰杆（12）的中部外套设于有花键盘头（7），其中匹配于每个活塞孔内的活塞杆（11）活动连接于花键盘头（7）上。
3.如权利要求2所述的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，其特征在于：所述球铰结构外套设有连接于下接头（3）上的大球铰压盖（13）；所述球铰杆（12）的中部外套设有限制花键盘头（7）的压盖螺母（6）；所述下接头（3）上靠近钻头（1）的一端上连接有套于球铰杆（12）外的防掉接头（5），所述防掉接头（5）的最小通径大于花键盘头（7）的外径。
4.如权利要求2所述的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，其特征在于：所述活塞杆（11）的一端球铰于花键盘头（7）上，所述活塞杆（11）的另一端上设置活塞杆上密封盘根（16）形成活塞，所述活塞杆（11）可带动活塞杆上密封盘根（16）相对于活塞孔运动；所述活塞杆（11）外套设有可相对密封运动的活塞杆下密封盘根（41），所述活塞杆下密封盘根（41）固定于下接头（3）上。
5.如权利要求1或3或4所述的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，其特征在于：所述下接头（3）上在活塞孔中部的位置开设有与活塞孔连通的容纳槽，所述容纳槽内安设有液压囊（15），所述液压囊（15）被液压囊压盖（14）密封于该容纳槽内。
6.如权利要求1或3或4所述的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，其特征在于：所述上接头（4）的中心设有容纳控制器的中心开孔，在所述上接头（4）的侧壁内设有若干位于同一圆周上的旁通孔（38），所述旁通孔（38）、下接头（3）的中通孔和球铰杆（12）的中通孔相对连通形成通道；所述偏阀芯（17）位于通道内下接头（3）与上接头（4）的连接区域。
7.如权利要求6所述的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，其特征在于：所述控制器包括位于中心开孔内同一轴线上的旋转电机（22）与拖动电机（31）；其中所述偏阀芯（17）设于偏阀杆（18）的一端，所述偏阀杆（18）的另一端通过传动轴一（21）连接于旋转电机（22）上，所述旋转电机（22）通过传动轴二（29）连接于拖动电机（31）上；所述上接头（4）侧壁上开设的凹槽区域内放置有控制模块（23），所述旋转电机（22）和拖动电机（31）分别连接并受控于控制模块（23）。
8.如权利要求7所述的动态内偏置指向钻头式旋转导向装置，其特征在于：所述中心开孔内设有电机套一（25）和电机支架（33）；所述旋转电机（22）卡设于电机套一（25）内，所述电机套一（25）外设置的凸块匹配于中心开孔内壁的电机套滑槽内，使电机套一（25）可相对于中心开孔滑动；所述电机套一（25）的尾部设有电机套端盖一（26），所述电机套端盖一（26）与传动轴二（29）采用螺纹配合，所述传动轴二（29）连接于设于电机套二（32）内的拖动电机（31）上。
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