CN104314470B - 垂直钻井工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油气钻井井下工具技术领域，是一种垂直钻井工具，其包括中心管、短钻铤、本体、供电装置、凸块旋转装置、测控装置和非接触输电装置；中心管上端安装有短钻铤，本体通过上轴承和下轴承安装在中心管外部并能够相对中心管转动，短钻铤的内部安装有供电装置，本体的外侧沿圆周均匀分布有三个轴向凸台。本发明结构合理而紧凑，使用方便，其通过测控装置使凸块旋转装置凸出本体外侧，支撑在井壁上并带动本体旋转，通过传感器自动跟踪检测井斜方位，通过使防转推力装置和纠偏推力装置推动推力板支撑在井壁上，形成与井斜方向相反的反作用力实现侧推防斜，具有结构简单、定位准确、可靠性高的特点，能够大幅度降低设备应用成本。
Description
技术领域
本发明涉及油气钻井井下工具技术领域，是一种垂直钻井工具。
背景技术
在石油或地质勘探钻井过程中，经常会遇见在地层倾角大、高陡构造带、山前逆掩推覆体区域等复杂地质条件下钻深井、超深井，尤其是钻深探井、超深探井以及区域第一口预探井、大陆科探井时, 普遍要求防斜打快和安全低成本, 而常规钻井技术在复杂易斜地层钻深井、钻遇高陡构造或是地应力异常地层时，钻头在地层倾角、地应力及钻压的共同作用下，会偏离正常的井眼轨迹垂直轴线而出现井斜。出现井斜后往往会给后续的钻井、测井和完井作业带来很大的风险，如出现起下钻具、套管或测井仪器困难，极易发生卡钻等事故，严重时甚至可能会导致油井的报废。同时为了防止井斜的发生，通常将钻压控制在较低的范围内进行钻进，严重制约了钻井效率的提高。
目前，常规的被动防斜打直技术 (如塔式钻具、钟摆钻具、满眼钻具、旋冲钻井等)均无法实现在复杂地质条件下的快速防斜打直，并且具有很大的局限性，因此针对这一技术难题，国外各大石油公司多年前就开展了主动防斜技术的研究。经过多年的攻关研究，目前该项技术已获得了突破性进展，三家大的石油技术服务公司Baker Hughes、Schlumberger和Halliburton分别形成了其各自商业化应用的AutoTrak RCLS、PowerDriveSRD和Geo-Pilot旋转导向钻井系统。国内的多家石油公司如中石油西部钻探公司和中石化胜利油田分公司等也分别开展了该项技术的研究并获得了成功。经过现场实际应用，上述防斜工具实现了对井眼轨迹控制的目的，有效的防止了井斜的发生。但是第一代主动防斜工具在工具的结构、控制方法、可靠性及成本方面也存在着不足，如工具的结构复杂、数据处理量大，可靠性不高、维修难度大、使用成本高等，这些缺陷成为了制约该项技术普遍推广应用的瓶颈。
发明内容
本发明提供了一种垂直钻井工具，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有防斜工具存在的结构复杂、可靠性低、维修难度大、使用成本高的问题。
本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种垂直钻井工具，包括中心管、短钻铤、本体、供电装置、凸块旋转装置、测控装置和非接触输电装置；中心管上端安装有短钻铤，本体通过上轴承和下轴承安装在中心管外部并能够相对中心管转动，短钻铤的内部安装有供电装置，本体的外侧沿圆周均匀分布有三个轴向凸台，各轴向凸台的上部体内分别安装有能伸出轴向凸台并支撑在井壁上带动本体旋转的凸块旋转装置；各轴向凸台的下部分别设有推板安装槽，其中一个推板安装槽内安装有带推力板的防转推力装置，其余推板安装槽内安装有带推力板的纠偏推力装置，防转推力装置能使推力板支撑在井壁上以防止本体旋转，纠偏推力装置能使推力板支撑在井壁上以防止本体倾斜，纠偏推力装置的推力大于防转推力装置；本体的中部体内安装有旋转装置液泵、推力装置液泵和测控装置，测控装置上有能够检测井斜及倾斜方位的传感器，本体下部内壁与中心管之间安装有非接触输电装置，供电装置通过非接触输电装置与测控装置的电源端子电连接，传感器的输出端子与测控装置的信号输入端子电连接，测控装置的信号输出端子与旋转装置液泵的控制端子及推力装置液泵的控制端子电连接，旋转装置液泵能够驱动凸块旋转装置工作，推力装置液泵能够驱动防转推力装置及纠偏推力装置工作。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
上述各轴向凸台的外侧中部分别可有舱盖安装槽并固定安装有舱盖板；轴向凸台包括第一轴向凸台、第二轴向凸台和第三轴向凸台；对应第一轴向凸台的舱盖安装槽的槽底中部有泵舱，旋转装置液泵和推力装置液泵固定安装在泵舱内壁上；对应第二轴向凸台的舱盖安装槽的槽底中部有平衡舱，平衡舱内安装有平衡胶囊，平衡舱的舱盖板中部有平衡通孔并固定安装有平衡接头，平衡胶囊的口部固定安装在平衡接头内端，平衡胶囊的内腔通过平衡接头内腔与本体外部相连通；对应第三轴向凸台的舱盖安装槽的槽底中部有控制舱，测控装置固定安装在控制舱内壁上；泵舱与平衡舱之间有衡压通孔，泵舱与控制舱之间有装有密封塞的线缆孔。
上述防转推力装置可包括两个小柱塞，纠偏推力装置可包括推力活塞；各推力板的上部和下部分别有上压台和下压台，对应上压台位置的轴向凸台上设有上限位槽并固定安装有上限位块，对应下压台位置的轴向凸台上设有下限位槽并固定安装有下限位块，上压台与上限位块之间安装有上复位簧，下压台与下限位块之间安装有下复位簧；第一轴向凸台、第二轴向凸台和第三轴向凸台下部的推板安装槽分别为第一推板安装槽、第二推板安装槽和第三推板安装槽；第一推板安装槽和第三推板安装槽的底面中部设有活塞安装腔，推力活塞安装在活塞安装腔内；第二推板安装槽的上部底面上和下部底面上分别设有上柱塞安装腔和下柱塞安装腔，两个小柱塞分别安装在上柱塞安装腔和下柱塞安装腔内，上下两个小柱塞的直径之和小于推力活塞的直径；本体的下部有下油环安装槽，下油环安装槽内安装有上端带有导油槽的下导油环，第一推板安装槽的活塞安装腔底部有第一轴向油孔，上柱塞安装腔和下柱塞安装腔的底部通过第二轴向油孔相连通，第三推板安装槽的活塞安装腔底部有第三轴向油孔；第一轴向油孔的上端与推力装置液泵的出液口相连通，第一轴向油孔的上端与推力装置液泵的出液口之间安装有溢流阀；第一轴向油孔、第二轴向油孔和第三轴向油孔的下端分别与下导油环的导油槽相连通。
上述凸块旋转装置可包括推力胶囊、驱动凸块、回位弹簧和凸块压板；各轴向凸台的上部分别有沿右上左下方向倾斜布置的凸块安装腔，各凸块安装腔的内端分别安装有推力胶囊，推力胶囊外部的凸块安装腔内安装有驱动凸块，驱动凸块的外侧左右两边分别设有凸棱，凸棱为沿凸块安装腔方向布置的螺旋状凸棱，驱动凸块的外侧中部设有弹簧安装槽并安装有回位弹簧，对应凸块安装腔上下端位置的轴向凸台外侧设有压板槽，压板槽内固定安装有凸块压板，回位弹簧的外端压紧在凸块压板的中部，回位弹簧的内端压紧在弹簧安装槽的槽底面上并使驱动凸块的凸棱位于凸块安装腔内；本体的上端有上油环安装槽，上油环安装槽内安装有下端带有导油槽的上导油环，各推力胶囊内腔之间通过平衡油管与上导油环的导油槽相互连通；其中一个推力胶囊的内腔下端通过导油管与旋转装置液泵的出液口相连通，导油管与旋转装置液泵的出液口之间安装有限压阀。
上述供电装置可包括泥浆发电机和电源舱；短钻铤的内部有钻铤腔，泥浆发电机的外壳固定安装在钻铤腔的上部内壁上，泥浆发电机的驱动轴上安装有叶轮，泥浆发电机的下端安装有电源舱，电源舱的输入端子与泥浆发电机的输出端子电连接；电源舱的输出端子通过初级电力传输装置与非接触输电装置的输入端子电连接，非接触输电装置的输出端子与测控装置的电源端子电连接；钻铤腔上端通过叶轮的叶片间隙、泥浆发电机外侧环空、电源舱外侧环空与中心管的内腔相连通。
上述初级电力传输装置可包括电缆导管、导电管、导管座、导电插头、导电插座、初级电缆和连接电缆；电源舱下端固定安装有电缆导管，中心管的内部有心管腔，对应非接触输电装置下端位置的心管腔内壁上有贯穿中心管的径向通孔，径向通孔内安装有导电管，导电管的内端位于心管腔内并固定安装有导管座，电缆导管的下端固定安装在导管座上；电缆导管的下端安装有导电插头，电缆导管内部安装有初级电缆，初级电缆的上端与电源舱的输出端子电连接，初级电缆的下端与导电插头电连接，导管座内安装有导电插座，导电插头与导电插座电连接，导电管内安装有连接电缆，连接电缆的内端与导电插座的输出端电连接，连接电缆的外端与非接触输电装置的输入端子电连接；心管腔上端通过电缆导管外侧环空、导管座外侧环空与心管腔下端相连通。
上述非接触输电装置可包括输电座套、磁芯套管、接收套管、发送线圈和接收线圈；中心管的下部轴颈外侧固定安装有磁芯套管，磁芯套管的外侧面上固定安装有发送线圈，发送线圈与非接触输电装置的输入端子电连接；对应磁芯套管位置的本体下部内腔壁上有输电座安装环槽，输电座套固定安装在输电座安装环槽内，接收套管固定安装在输电座套内部，接收套管套装在磁芯套管外部并能相对磁芯套管转动，对应发送线圈位置的接收套管内壁上固定安装有接收线圈，接收线圈与非接触输电装置的输出端子电连接；非接触输电装置的输入端子与供电装置的输出端电连接，非接触输电装置的输出端子通过次级电力传输装置与测控装置的电源端子电连接。
上述次级电力传输装置可包括次级线缆和导电接头；输电座安装环槽上端与控制舱下端之间的本体内壁上有线缆槽，控制舱的下部侧壁上有内端连通线缆槽的径向线缆孔，次级线缆安装在线缆槽和径向线缆孔内，径向线缆孔内固定安装有能使径向线缆孔保持密封的导电接头；导电管内连接电缆的外端通过非接触输电装置的输入端子与发送线圈电连接，接收线圈通过非接触输电装置的输出端子与次级线缆下端电连接，次级线缆上端与导电接头的输入端电连接，导电接头的输出端与测控装置的电源端子电连接。
本发明结构合理而紧凑，使用方便，其通过测控装置使凸块旋转装置凸出本体外侧，支撑在井壁上并带动本体旋转，通过传感器自动跟踪检测井斜方位，通过使防转推力装置和纠偏推力装置推动推力板支撑在井壁上，形成与井斜方向相反的反作用力实现侧推防斜，具有结构简单、定位准确、可靠性高的特点，能够大幅度降低设备应用成本。
附图说明
附图1为本发明最佳实施例的主视半剖视结构示意图。
附图2为附图1中A-A处的剖视结构示意图。
附图3为附图1中B-B处的剖视结构示意图。
附图4为附图2中的第一轴向凸台的主视结构示意图。
附图5为附图2中的第一轴向凸台安装凸块压板、舱盖板和推力板后的主视结构示意图。
附图6为附图2中C-C处旋转剖的上部放大结构示意图。
附图7为附图2中C-C处旋转剖的下部放大结构示意图。
附图中的编码分别为：1为中心管，2为短钻铤，3为本体，4为测控装置，5为上轴承，6为下轴承，7为推力板，8为小柱塞，9为推力活塞，10为旋转装置液泵，11为活塞驱动液泵，12为舱盖板，13为第一轴向凸台，14为第二轴向凸台，15为第三轴向凸台，16为泵舱，17为平衡舱，18为控制舱，19为衡压通孔，20为线缆孔，21为平衡胶囊，22为平衡接头，23为第一推板安装槽，24为第二推板安装槽，25为第三推板安装槽，26为上限位块，27为下限位块，28为上复位簧，29为下复位簧，30为下导油环，31为第一轴向油孔，32为第二轴向油孔，33为第三轴向油孔，34为泥浆发电机，35为电源舱，36为叶轮，37为导电管，38为导管座，39为电缆导管，40为导电插头，41为导电插座，42为推力胶囊，43为驱动凸块，44为回位弹簧，45为凸块压板，46为凸块安装腔，47为凸棱，48为上导油环，49为平衡油管，50为导油管，51为输电座套，52为磁芯套管，53为接收套管，54为导电接头，55为线缆槽，56为径向线缆孔，57为限压阀，58为溢流阀。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：
如附图1、2、3、4、5、6、7所示，该垂直钻井工具包括中心管1、短钻铤2、本体3、供电装置、凸块旋转装置、测控装置4和非接触输电装置；中心管1上端安装有短钻铤2，本体3通过上轴承5和下轴承6安装在中心管1外部并能够相对中心管1转动，短钻铤2的内部安装有供电装置，本体3的外侧沿圆周均匀分布有三个轴向凸台，各轴向凸台的上部体内分别安装有能伸出轴向凸台并支撑在井壁上带动本体3旋转的凸块旋转装置；各轴向凸台的下部分别设有推板安装槽，其中一个推板安装槽内安装有带推力板7的防转推力装置，其余推板安装槽内安装有带推力板7的纠偏推力装置，防转推力装置能使推力板7支撑在井壁上以防止本体3旋转，纠偏推力装置能使推力板7支撑在井壁上以防止本体3倾斜，纠偏推力装置的推力大于防转推力装置；本体3的中部体内安装有旋转装置液泵10、推力装置液泵11和测控装置4，测控装置4上有能够检测井斜及倾斜方位的传感器，本体3下部内壁与中心管1之间安装有非接触输电装置，供电装置通过非接触输电装置与测控装置4的电源端子电连接，传感器的输出端子与测控装置4的信号输入端子电连接，测控装置4的信号输出端子与旋转装置液泵10的控制端子及推力装置液泵11的控制端子电连接，旋转装置液泵10能够驱动凸块旋转装置工作，推力装置液泵11能够驱动防转推力装置及纠偏推力装置工作。本发明通过采用磁定向技术，能够实现自动跟踪井斜和实现侧推防斜，防转推力装置和纠偏推力装置最好为柱塞式的推力装置，以便于采用结构较为简单的一套液压系统就能够实现控制，大大简化了控制程序。本发明随钻头一起工作时，通过测控装置4使旋转装置液泵10工作，使凸块旋转装置凸出本体3的轴向凸台外侧，凸块旋转装置支撑在井壁上并带动本体3旋转，通过传感器自动跟踪检测井斜方位，传感器检测出井斜方位后，当本体3上的防转推力装置旋转至与井斜方向相反的方位时，推力装置液泵11工作，使防转推力装置和纠偏推力装置工作，推动推力板7支撑在井壁上，由于纠偏推力装置推力大于防转推力装置，各纠偏推力装置产生推力的合力作用在井斜方向的井壁上，对本体3形成一个与井斜方向相反的反作用力，最终推动钻头向井斜的反方向运动，通过液压装置实现侧推防斜，具有结构简单、定位准确、可靠性高的特点，能够大幅度降低设备的应用成本。
可根据实际需要，对上述垂直钻井工具作进一步优化或/和改进：
如附图1、2、4、5、6、7所示，各轴向凸台的外侧中部分别有舱盖安装槽并固定安装有舱盖板12；轴向凸台包括第一轴向凸台13、第二轴向凸台14和第三轴向凸台15；对应第一轴向凸台13的舱盖安装槽的槽底中部有泵舱16，旋转装置液泵10和推力装置液泵11固定安装在泵舱16内壁上；对应第二轴向凸台14的舱盖安装槽的槽底中部有平衡舱17，平衡舱17内安装有平衡胶囊21，平衡舱17的舱盖板12中部有平衡通孔并固定安装有平衡接头22，平衡胶囊21的口部固定安装在平衡接头22内端，平衡胶囊21的内腔通过平衡接头22内腔与本体3外部相连通；对应第三轴向凸台15的舱盖安装槽的槽底中部有控制舱18，测控装置4固定安装在控制舱18内壁上；泵舱16与平衡舱17之间有衡压通孔19，泵舱16与控制舱18之间有装有密封塞的线缆孔20。平衡胶囊21则用于平衡防转推力装置和纠偏推力装置的柱塞伸缩引起的油液体积变化所形成的压力波动；泵舱16内腔与平衡舱17内腔通过衡压通孔19相连通；测控装置4的信号输出端子通过穿过线缆孔20的线缆与旋转装置液泵10的控制端子及推力装置液泵11的控制端子电连接。
如附图1、3、4、5、7所示，防转推力装置包括两个小柱塞8，纠偏推力装置包括推力活塞9；各推力板7的上部和下部分别有上压台和下压台，对应上压台位置的轴向凸台上设有上限位槽并固定安装有上限位块26，对应下压台位置的轴向凸台上设有下限位槽并固定安装有下限位块27，上压台与上限位块26之间安装有上复位簧28，下压台与下限位块27之间安装有下复位簧29；第一轴向凸台13、第二轴向凸台14和第三轴向凸台15下部的推板安装槽分别为第一推板安装槽23、第二推板安装槽24和第三推板安装槽25；第一推板安装槽23和第三推板安装槽25的底面中部设有活塞安装腔，推力活塞9安装在活塞安装腔内；第二推板安装槽24的上部底面上和下部底面上分别设有上柱塞安装腔和下柱塞安装腔，两个小柱塞8分别安装在上柱塞安装腔和下柱塞安装腔内，上下两个小柱塞8的直径之和小于推力活塞9的直径；本体3的下部有下油环安装槽，下油环安装槽内安装有上端带有导油槽的下导油环30，第一推板安装槽23的活塞安装腔底部有第一轴向油孔31，上柱塞安装腔和下柱塞安装腔的底部通过第二轴向油孔32相连通，第三推板安装槽25的活塞安装腔底部有第三轴向油孔33；第一轴向油孔31的上端与推力装置液泵11的出液口相连通，第一轴向油孔31的上端与推力装置液泵11的出液口之间安装有溢流阀58；第一轴向油孔31、第二轴向油孔32和第三轴向油孔33的下端分别与下导油环30的导油槽相连通。通过上复位簧28和下复位簧29使推力板7外端与轴向凸台外侧平齐；通过溢流阀58能够保护液压系统，防止因压力过大损坏液压管路。
如附图1、6所示，凸块旋转装置包括推力胶囊42、驱动凸块43、回位弹簧44和凸块压板45；各轴向凸台的上部分别有沿右上左下方向倾斜布置的凸块安装腔46，各凸块安装腔46的内端分别安装有推力胶囊42，推力胶囊42外部的凸块安装腔46内安装有驱动凸块43，驱动凸块43的外侧左右两边分别设有凸棱47，凸棱47为沿凸块安装腔46方向布置的螺旋状凸棱，驱动凸块43的外侧中部设有弹簧安装槽并安装有回位弹簧44，对应凸块安装腔46上下端位置的轴向凸台外侧设有压板槽，压板槽内固定安装有凸块压板45，回位弹簧44的外端压紧在凸块压板45的中部，回位弹簧44的内端压紧在弹簧安装槽的槽底面上并使驱动凸块43的凸棱47位于凸块安装腔46内；本体3的上端有上油环安装槽，上油环安装槽内安装有下端带有导油槽的上导油环48，各推力胶囊42内腔之间通过平衡油管49与上导油环48的导油槽相互连通；其中一个推力胶囊42的内腔下端通过导油管50与旋转装置液泵10的出液口相连通，导油管50与旋转装置液泵10的出液口之间安装有限压阀57。限压阀57能够保护液压系统，防止因压力过大损坏液压管路。
如附图1、6所示，供电装置包括泥浆发电机34和电源舱35；短钻铤2的内部有钻铤腔，泥浆发电机34的外壳固定安装在钻铤腔的上部内壁上，泥浆发电机34的驱动轴上安装有叶轮36，泥浆发电机34的下端安装有电源舱35，电源舱35的输入端子与泥浆发电机34的输出端子电连接；电源舱35的输出端子通过初级电力传输装置与非接触输电装置的输入端子电连接，非接触输电装置的输出端子与测控装置4的电源端子电连接；钻铤腔上端通过叶轮36的叶片间隙、泥浆发电机34外侧环空、电源舱35外侧环空与中心管1的内腔相连通。
如附图1、6、7所示，初级电力传输装置包括电缆导管39、导电管37、导管座38、导电插头40、导电插座41、初级电缆和连接电缆；电源舱35下端固定安装有电缆导管39，中心管1的内部有心管腔，对应非接触输电装置下端位置的心管腔内壁上有贯穿中心管1的径向通孔，径向通孔内安装有导电管37，导电管37的内端位于心管腔内并固定安装有导管座38，电缆导管39的下端固定安装在导管座38上；电缆导管39的下端安装有导电插头40，电缆导管39内部安装有初级电缆，初级电缆的上端与电源舱35的输出端子电连接，初级电缆的下端与导电插头40电连接，导管座38内安装有导电插座41，导电插头40与导电插座41电连接，导电管37内安装有连接电缆，连接电缆的内端与导电插座41的输出端电连接，连接电缆的外端与非接触输电装置的输入端子电连接；心管腔上端通过电缆导管39外侧环空、导管座38外侧环空与心管腔下端相连通。
如附图1、7所示，非接触输电装置包括输电座套51、磁芯套管52、接收套管53、发送线圈和接收线圈；中心管1的下部轴颈外侧固定安装有磁芯套管52，磁芯套管52的外侧面上固定安装有发送线圈，发送线圈与非接触输电装置的输入端子电连接；对应磁芯套管52位置的本体3下部内腔壁上有输电座安装环槽，输电座套51固定安装在输电座安装环槽内，接收套管53固定安装在输电座套51内部，接收套管53套装在磁芯套管52外部并能相对磁芯套管52转动，对应发送线圈位置的接收套管53内壁上固定安装有接收线圈，接收线圈与非接触输电装置的输出端子电连接；非接触输电装置的输入端子与供电装置的输出端电连接，非接触输电装置的输出端子通过次级电力传输装置与测控装置4的电源端子电连接。供电装置的电能通过导电管37内的连接电缆传输给非接触输电装置的输入端子，再由输入端子传送给发送线圈，发送线圈通过其与接收线圈之间的电磁耦合将电能传输给接收线圈，接收线圈再将电能传输给非接触输电装置的输出端子，输出端子通过次级电力传输装置将电能传输给测控装置4，由于发送线圈和接收线圈为无接触传输，因此工作可靠性高、寿命长。
如附图7所示，次级电力传输装置包括次级线缆和导电接头54；输电座安装环槽上端与控制舱18下端之间的本体3内壁上有线缆槽55，控制舱18的下部侧壁上有内端连通线缆槽55的径向线缆孔56，次级线缆安装在线缆槽55和径向线缆孔56内，径向线缆孔56内固定安装有能使径向线缆孔56保持密封的导电接头54；导电管37内连接电缆的外端通过非接触输电装置的输入端子与发送线圈电连接，接收线圈通过非接触输电装置的输出端子与次级线缆下端电连接，次级线缆上端与导电接头54的输入端电连接，导电接头54的输出端与测控装置4的电源端子电连接。通过导电接头54传输电力，能够防止压力液体进入控制舱18内。
以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。
本发明最佳实施例的使用过程：首先，通过本发明将钻头与上方的钻铤连接在一起，开启泥浆泵建立稳定的泥浆循环，叶轮36在泥浆的驱动下带动泥浆发电机34发电，发出的电经过电源舱35处理后，电源舱35输出的电能通过电缆导管39内的初级电缆和导电管37内的连接电缆，输送至非接触输电装置的磁芯套管52外侧面上的发送线圈，接收套管53内壁上的接收线圈接收后，通过线缆槽55和径向线缆孔56内的次级线缆传输给导电接头54，导电接头54再传输给测控装置4；其次，在未启动转盘的情况下，测控装置4上的传感器先进行井斜和方位的测量；接着，测控装置4发出信号使旋转装置液泵10开始工作，压力液体通过导油管50、平衡油管49和上导油环48进入推力胶囊42，使驱动凸块43伸出，驱动凸块43外侧的凸棱47支撑在井壁上，当油压高于设定值时可通过限压阀57调节；然后，开动转盘钻进，上方钻铤带动中心管1旋转向下运动的同时也推动本体3一起向下运动，由于凸棱47紧紧支撑在井壁上，因此在驱动凸块43的带动下，本体3将以中心管1为心轴旋转下行，并且由测控装置4的凸棱47在旋转过程中连续测量防转推力装置与井斜方位的夹角，当防转推力装置旋转至与井斜方向相反的方位时，由测控装置4通过线缆孔20内的线缆输出信号启动推力装置液泵11，由溢流阀58控制压力，压力液体通过第一轴向油孔31、下导油环30、第二轴向油孔32和第三轴向油孔33使小柱塞8和推力活塞9同时伸出，并推动推力板7支撑在井壁上，由于推力活塞9的截面积大于小柱塞8的截面积，因此推力活塞9产生的支撑力将大于小柱塞8产生合力，形成一个与井斜方向相反的推力作用在本体3上，最终推动钻头向井斜的反方向运动，实现防斜打直的目的；最后，在推力装置液泵11启动的同时，旋转装置液泵10停止工作，推力胶囊42内的压力液体因限压阀57上的泄压孔而泄压，驱动凸块43在回位弹簧44的作用下缩回本体3内，不再带动本体3旋转，直到停泵进入下一个工作循环，推力活塞9因溢流阀58上的泄压孔而泄压，推力板7在复位弹簧11的作用下复位。
Claims (20)
1.一种垂直钻井工具，其特征在于包括中心管、短钻铤、本体、供电装置、凸块旋转装置、测控装置和非接触输电装置；中心管上端安装有短钻铤，本体通过上轴承和下轴承安装在中心管外部并能够相对中心管转动，短钻铤的内部安装有供电装置，本体的外侧沿圆周均匀分布有三个轴向凸台，各轴向凸台的上部体内分别安装有能伸出轴向凸台并支撑在井壁上带动本体旋转的凸块旋转装置；各轴向凸台的下部分别设有推板安装槽，其中一个推板安装槽内安装有带推力板的防转推力装置，其余推板安装槽内安装有带推力板的纠偏推力装置，防转推力装置能使推力板支撑在井壁上以防止本体旋转，纠偏推力装置能使推力板支撑在井壁上以防止本体倾斜，纠偏推力装置的推力大于防转推力装置；本体的中部体内安装有旋转装置液泵、推力装置液泵和测控装置，测控装置上有能够检测井斜及倾斜方位的传感器，本体下部内壁与中心管之间安装有非接触输电装置，供电装置通过非接触输电装置与测控装置的电源端子电连接，传感器的输出端子与测控装置的信号输入端子电连接，测控装置的信号输出端子与旋转装置液泵的控制端子及推力装置液泵的控制端子电连接，旋转装置液泵能够驱动凸块旋转装置工作，推力装置液泵能够驱动防转推力装置及纠偏推力装置工作。
2.根据权利要求1所述的垂直钻井工具，其特征在于各轴向凸台的外侧中部分别有舱盖安装槽并固定安装有舱盖板；轴向凸台包括第一轴向凸台、第二轴向凸台和第三轴向凸台；对应第一轴向凸台的舱盖安装槽的槽底中部有泵舱，旋转装置液泵和推力装置液泵固定安装在泵舱内壁上；对应第二轴向凸台的舱盖安装槽的槽底中部有平衡舱，平衡舱内安装有平衡胶囊，平衡舱的舱盖板中部有平衡通孔并固定安装有平衡接头，平衡胶囊的口部固定安装在平衡接头内端，平衡胶囊的内腔通过平衡接头内腔与本体外部相连通；对应第三轴向凸台的舱盖安装槽的槽底中部有控制舱，测控装置固定安装在控制舱内壁上；泵舱与平衡舱之间有衡压通孔，泵舱与控制舱之间有装有密封塞的线缆孔。
3.根据权利要求2所述的垂直钻井工具，其特征在于防转推力装置包括两个小柱塞，纠偏推力装置包括推力活塞；各推力板的上部和下部分别有上压台和下压台，对应上压台位置的轴向凸台上设有上限位槽并固定安装有上限位块，对应下压台位置的轴向凸台上设有下限位槽并固定安装有下限位块，上压台与上限位块之间安装有上复位簧，下压台与下限位块之间安装有下复位簧；第一轴向凸台、第二轴向凸台和第三轴向凸台下部的推板安装槽分别为第一推板安装槽、第二推板安装槽和第三推板安装槽；第一推板安装槽和第三推板安装槽的底面中部设有活塞安装腔，推力活塞安装在活塞安装腔内；第二推板安装槽的上部底面上和下部底面上分别设有上柱塞安装腔和下柱塞安装腔，两个小柱塞分别安装在上柱塞安装腔和下柱塞安装腔内，上下两个小柱塞的直径之和小于推力活塞的直径；本体的下部有下油环安装槽，下油环安装槽内安装有上端带有导油槽的下导油环，第一推板安装槽的活塞安装腔底部有第一轴向油孔，上柱塞安装腔和下柱塞安装腔的底部通过第二轴向油孔相连通，第三推板安装槽的活塞安装腔底部有第三轴向油孔；第一轴向油孔的上端与推力装置液泵的出液口相连通，第一轴向油孔的上端与推力装置液泵的出液口之间安装有溢流阀；第一轴向油孔、第二轴向油孔和第三轴向油孔的下端分别与下导油环的导油槽相连通。
4.根据权利要求1或2或3所述的垂直钻井工具，其特征在于凸块旋转装置包括推力胶囊、驱动凸块、回位弹簧和凸块压板；各轴向凸台的上部分别有沿右上左下方向倾斜布置的凸块安装腔，各凸块安装腔的内端分别安装有推力胶囊，推力胶囊外部的凸块安装腔内安装有驱动凸块，驱动凸块的外侧左右两边分别设有凸棱，凸棱为沿凸块安装腔方向布置的螺旋状凸棱，驱动凸块的外侧中部设有弹簧安装槽并安装有回位弹簧，对应凸块安装腔上下端位置的轴向凸台外侧设有压板槽，压板槽内固定安装有凸块压板，回位弹簧的外端压紧在凸块压板的中部，回位弹簧的内端压紧在弹簧安装槽的槽底面上并使驱动凸块的凸棱位于凸块安装腔内；本体的上端有上油环安装槽，上油环安装槽内安装有下端带有导油槽的上导油环，各推力胶囊内腔之间通过平衡油管与上导油环的导油槽相互连通；其中一个推力胶囊的内腔下端通过导油管与旋转装置液泵的出液口相连通，导油管与旋转装置液泵的出液口之间安装有限压阀。
5.根据权利要求1或2或3所述的垂直钻井工具，其特征在于供电装置包括泥浆发电机和电源舱；短钻铤的内部有钻铤腔，泥浆发电机的外壳固定安装在钻铤腔的上部内壁上，泥浆发电机的驱动轴上安装有叶轮，泥浆发电机的下端安装有电源舱，电源舱的输入端子与泥浆发电机的输出端子电连接；电源舱的输出端子通过初级电力传输装置与非接触输电装置的输入端子电连接，非接触输电装置的输出端子与测控装置的电源端子电连接；钻铤腔上端通过叶轮的叶片间隙、泥浆发电机外侧环空、电源舱外侧环空与中心管的内腔相连通。
6.根据权利要求4所述的垂直钻井工具，其特征在于供电装置包括泥浆发电机和电源舱；短钻铤的内部有钻铤腔，泥浆发电机的外壳固定安装在钻铤腔的上部内壁上，泥浆发电机的驱动轴上安装有叶轮，泥浆发电机的下端安装有电源舱，电源舱的输入端子与泥浆发电机的输出端子电连接；电源舱的输出端子通过初级电力传输装置与非接触输电装置的输入端子电连接，非接触输电装置的输出端子与测控装置的电源端子电连接；钻铤腔上端通过叶轮的叶片间隙、泥浆发电机外侧环空、电源舱外侧环空与中心管的内腔相连通。
7.根据权利要求5所述的垂直钻井工具，其特征在于初级电力传输装置包括电缆导管、导电管、导管座、导电插头、导电插座、初级电缆和连接电缆；电源舱下端固定安装有电缆导管，中心管的内部有心管腔，对应非接触输电装置下端位置的心管腔内壁上有贯穿中心管的径向通孔，径向通孔内安装有导电管，导电管的内端位于心管腔内并固定安装有导管座，电缆导管的下端固定安装在导管座上；电缆导管的下端安装有导电插头，电缆导管内部安装有初级电缆，初级电缆的上端与电源舱的输出端子电连接，初级电缆的下端与导电插头电连接，导管座内安装有导电插座，导电插头与导电插座电连接，导电管内安装有连接电缆，连接电缆的内端与导电插座的输出端电连接，连接电缆的外端与非接触输电装置的输入端子电连接；心管腔上端通过电缆导管外侧环空、导管座外侧环空与心管腔下端相连通。
8.根据权利要求6所述的垂直钻井工具，其特征在于初级电力传输装置包括电缆导管、导电管、导管座、导电插头、导电插座、初级电缆和连接电缆；电源舱下端固定安装有电缆导管，中心管的内部有心管腔，对应非接触输电装置下端位置的心管腔内壁上有贯穿中心管的径向通孔，径向通孔内安装有导电管，导电管的内端位于心管腔内并固定安装有导管座，电缆导管的下端固定安装在导管座上；电缆导管的下端安装有导电插头，电缆导管内部安装有初级电缆，初级电缆的上端与电源舱的输出端子电连接，初级电缆的下端与导电插头电连接，导管座内安装有导电插座，导电插头与导电插座电连接，导电管内安装有连接电缆，连接电缆的内端与导电插座的输出端电连接，连接电缆的外端与非接触输电装置的输入端子电连接；心管腔上端通过电缆导管外侧环空、导管座外侧环空与心管腔下端相连通。
9.根据权利要求1或2或3所述的垂直钻井工具，其特征在于非接触输电装置包括输电座套、磁芯套管、接收套管、发送线圈和接收线圈；中心管的下部轴颈外侧固定安装有磁芯套管，磁芯套管的外侧面上固定安装有发送线圈，发送线圈与非接触输电装置的输入端子电连接；对应磁芯套管位置的本体下部内腔壁上有输电座安装环槽，输电座套固定安装在输电座安装环槽内，接收套管固定安装在输电座套内部，接收套管套装在磁芯套管外部并能相对磁芯套管转动，对应发送线圈位置的接收套管内壁上固定安装有接收线圈，接收线圈与非接触输电装置的输出端子电连接；非接触输电装置的输入端子与供电装置的输出端电连接，非接触输电装置的输出端子通过次级电力传输装置与测控装置的电源端子电连接。
10.根据权利要求4所述的垂直钻井工具，其特征在于非接触输电装置包括输电座套、磁芯套管、接收套管、发送线圈和接收线圈；中心管的下部轴颈外侧固定安装有磁芯套管，磁芯套管的外侧面上固定安装有发送线圈，发送线圈与非接触输电装置的输入端子电连接；对应磁芯套管位置的本体下部内腔壁上有输电座安装环槽，输电座套固定安装在输电座安装环槽内，接收套管固定安装在输电座套内部，接收套管套装在磁芯套管外部并能相对磁芯套管转动，对应发送线圈位置的接收套管内壁上固定安装有接收线圈，接收线圈与非接触输电装置的输出端子电连接；非接触输电装置的输入端子与供电装置的输出端电连接，非接触输电装置的输出端子通过次级电力传输装置与测控装置的电源端子电连接。
11.根据权利要求5所述的垂直钻井工具，其特征在于非接触输电装置包括输电座套、磁芯套管、接收套管、发送线圈和接收线圈；中心管的下部轴颈外侧固定安装有磁芯套管，磁芯套管的外侧面上固定安装有发送线圈，发送线圈与非接触输电装置的输入端子电连接；对应磁芯套管位置的本体下部内腔壁上有输电座安装环槽，输电座套固定安装在输电座安装环槽内，接收套管固定安装在输电座套内部，接收套管套装在磁芯套管外部并能相对磁芯套管转动，对应发送线圈位置的接收套管内壁上固定安装有接收线圈，接收线圈与非接触输电装置的输出端子电连接；非接触输电装置的输入端子与供电装置的输出端电连接，非接触输电装置的输出端子通过次级电力传输装置与测控装置的电源端子电连接。
12.根据权利要求6所述的垂直钻井工具，其特征在于非接触输电装置包括输电座套、磁芯套管、接收套管、发送线圈和接收线圈；中心管的下部轴颈外侧固定安装有磁芯套管，磁芯套管的外侧面上固定安装有发送线圈，发送线圈与非接触输电装置的输入端子电连接；对应磁芯套管位置的本体下部内腔壁上有输电座安装环槽，输电座套固定安装在输电座安装环槽内，接收套管固定安装在输电座套内部，接收套管套装在磁芯套管外部并能相对磁芯套管转动，对应发送线圈位置的接收套管内壁上固定安装有接收线圈，接收线圈与非接触输电装置的输出端子电连接；非接触输电装置的输入端子与供电装置的输出端电连接，非接触输电装置的输出端子通过次级电力传输装置与测控装置的电源端子电连接。
13.根据权利要求7所述的垂直钻井工具，其特征在于非接触输电装置包括输电座套、磁芯套管、接收套管、发送线圈和接收线圈；中心管的下部轴颈外侧固定安装有磁芯套管，磁芯套管的外侧面上固定安装有发送线圈，发送线圈与非接触输电装置的输入端子电连接；对应磁芯套管位置的本体下部内腔壁上有输电座安装环槽，输电座套固定安装在输电座安装环槽内，接收套管固定安装在输电座套内部，接收套管套装在磁芯套管外部并能相对磁芯套管转动，对应发送线圈位置的接收套管内壁上固定安装有接收线圈，接收线圈与非接触输电装置的输出端子电连接；非接触输电装置的输入端子与供电装置的输出端电连接，非接触输电装置的输出端子通过次级电力传输装置与测控装置的电源端子电连接。
14.根据权利要求8所述的垂直钻井工具，其特征在于非接触输电装置包括输电座套、磁芯套管、接收套管、发送线圈和接收线圈；中心管的下部轴颈外侧固定安装有磁芯套管，磁芯套管的外侧面上固定安装有发送线圈，发送线圈与非接触输电装置的输入端子电连接；对应磁芯套管位置的本体下部内腔壁上有输电座安装环槽，输电座套固定安装在输电座安装环槽内，接收套管固定安装在输电座套内部，接收套管套装在磁芯套管外部并能相对磁芯套管转动，对应发送线圈位置的接收套管内壁上固定安装有接收线圈，接收线圈与非接触输电装置的输出端子电连接；非接触输电装置的输入端子与供电装置的输出端电连接，非接触输电装置的输出端子通过次级电力传输装置与测控装置的电源端子电连接。
15.根据权利要求9所述的垂直钻井工具，其特征在于次级电力传输装置包括次级线缆和导电接头；输电座安装环槽上端与控制舱下端之间的本体内壁上有线缆槽，控制舱的下部侧壁上有内端连通线缆槽的径向线缆孔，次级线缆安装在线缆槽和径向线缆孔内，径向线缆孔内固定安装有能使径向线缆孔保持密封的导电接头；导电管内连接电缆的外端通过非接触输电装置的输入端子与发送线圈电连接，接收线圈通过非接触输电装置的输出端子与次级线缆下端电连接，次级线缆上端与导电接头的输入端电连接，导电接头的输出端与测控装置的电源端子电连接。
16.根据权利要求10所述的垂直钻井工具，其特征在于次级电力传输装置包括次级线缆和导电接头；输电座安装环槽上端与控制舱下端之间的本体内壁上有线缆槽，控制舱的下部侧壁上有内端连通线缆槽的径向线缆孔，次级线缆安装在线缆槽和径向线缆孔内，径向线缆孔内固定安装有能使径向线缆孔保持密封的导电接头；导电管内连接电缆的外端通过非接触输电装置的输入端子与发送线圈电连接，接收线圈通过非接触输电装置的输出端子与次级线缆下端电连接，次级线缆上端与导电接头的输入端电连接，导电接头的输出端与测控装置的电源端子电连接。
17.根据权利要求11所述的垂直钻井工具，其特征在于次级电力传输装置包括次级线缆和导电接头；输电座安装环槽上端与控制舱下端之间的本体内壁上有线缆槽，控制舱的下部侧壁上有内端连通线缆槽的径向线缆孔，次级线缆安装在线缆槽和径向线缆孔内，径向线缆孔内固定安装有能使径向线缆孔保持密封的导电接头；导电管内连接电缆的外端通过非接触输电装置的输入端子与发送线圈电连接，接收线圈通过非接触输电装置的输出端子与次级线缆下端电连接，次级线缆上端与导电接头的输入端电连接，导电接头的输出端与测控装置的电源端子电连接。
18.根据权利要求12所述的垂直钻井工具，其特征在于次级电力传输装置包括次级线缆和导电接头；输电座安装环槽上端与控制舱下端之间的本体内壁上有线缆槽，控制舱的下部侧壁上有内端连通线缆槽的径向线缆孔，次级线缆安装在线缆槽和径向线缆孔内，径向线缆孔内固定安装有能使径向线缆孔保持密封的导电接头；导电管内连接电缆的外端通过非接触输电装置的输入端子与发送线圈电连接，接收线圈通过非接触输电装置的输出端子与次级线缆下端电连接，次级线缆上端与导电接头的输入端电连接，导电接头的输出端与测控装置的电源端子电连接。
19.根据权利要求13所述的垂直钻井工具，其特征在于次级电力传输装置包括次级线缆和导电接头；输电座安装环槽上端与控制舱下端之间的本体内壁上有线缆槽，控制舱的下部侧壁上有内端连通线缆槽的径向线缆孔，次级线缆安装在线缆槽和径向线缆孔内，径向线缆孔内固定安装有能使径向线缆孔保持密封的导电接头；导电管内连接电缆的外端通过非接触输电装置的输入端子与发送线圈电连接，接收线圈通过非接触输电装置的输出端子与次级线缆下端电连接，次级线缆上端与导电接头的输入端电连接，导电接头的输出端与测控装置的电源端子电连接。
20.根据权利要求14所述的垂直钻井工具，其特征在于次级电力传输装置包括次级线缆和导电接头；输电座安装环槽上端与控制舱下端之间的本体内壁上有线缆槽，控制舱的下部侧壁上有内端连通线缆槽的径向线缆孔，次级线缆安装在线缆槽和径向线缆孔内，径向线缆孔内固定安装有能使径向线缆孔保持密封的导电接头；导电管内连接电缆的外端通过非接触输电装置的输入端子与发送线圈电连接，接收线圈通过非接触输电装置的输出端子与次级线缆下端电连接，次级线缆上端与导电接头的输入端电连接，导电接头的输出端与测控装置的电源端子电连接。
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