CN105134071A - 一种连续管钻井电液控定向装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连续管钻井电液控定向装置，包括从上向下依次连接的驱动轴(1)和输出轴(40)，驱动轴(1)和输出轴(40)外套设有外套筒，驱动轴(1)和该外套筒之间设有用于使输出轴(40)和该外套筒锁紧固定的锁紧机构。该连续管钻井电液控定向装置可以连续双向旋转工具面；当工具面达到预定角度时，可以通过单作用液压缸进行液压锁紧，在控制连续管钻侧钻井、水平井等井型的钻进方向与井眼轨迹方面，动作迅速、精确可靠。

Description

一种连续管钻井电液控定向装置

技术领域

本发明涉及石油开采设备造领域，具体的是一种连续管钻井电液控定向装置。

背景技术

连续管钻井定向装置是连续管钻井过程中的核心工具，其通过调整马达工具面来控制井眼方向，决定了连续管钻井过程中轨迹控制的技术水平。定向装置的发展经历了机械控、液控、电控和电液控等几个阶段。目前国外主要采用电液控和电控等高端定向装置，它可以连续旋转、双向定向，效率高、精度高，并能够消除定向段的“鱼尾现象”，有利于水平段的延伸；能够完成水平井、侧钻水平井、欠平衡钻井等复杂连续管定向钻井施工。国内现有的液压定向器虽然结构简单、操控方便、成本较低，但是其精度差、可控性差，每次旋转角度固定，每次调整工具面都需要起钻，而且易受钻井液类型的限制，不能应用于两相或气相钻井液钻井。

发明内容

为了解决现有定向装置调整工具面时精度差、可控性差的问题，本发明提供了一种连续管钻井电液控定向装置，该连续管钻井电液控定向装置可连续双向旋转工具面角度，当工具面角度达到要求时可锁紧工具面，实现了能够精确、可靠地控制连续管钻进方向与井眼轨迹。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种连续管钻井电液控定向装置，包括从上向下依次连接的驱动轴和输出轴，驱动轴和输出轴外套设有外套筒，驱动轴和该外套筒之间设有用于使输出轴和该外套筒锁紧固定的锁紧机构。

驱动轴内含有沿竖直方向贯通的内流道，该外套筒包括从上向下依次固定连接的上外筒和下外筒，上外筒和驱动轴之间套设有内筒，内筒和上外筒之间形成环形的泥浆通道，驱动轴的侧壁上设有区域流端口，内筒的侧壁上设有开口，泥浆通道依次通过开口和区域流端口与驱动轴内的所述内流道连通。

内筒的下端与上外筒的下端固定连接，内筒的侧壁内设有电缆通道，内筒的下部设有角度传感器，电缆通道内设有电缆连接角度传感器。

驱动轴的外径等于内筒的内径，驱动轴的外壁设有环形凸缘，内筒的下端内设有能够容纳该环形凸缘的环形凹槽，驱动轴和内筒之间设有止推轴承和滚动轴承，止推轴承位于该环形凸缘的上部，滚动轴承位于该环形凸缘的下部。

该锁紧机构包括从上向下依次设置的活塞缸盖、活塞和锁紧套，活塞缸盖和活塞之间形成液压腔，锁紧套能够将输出轴和下外筒锁紧固定，活塞和锁紧套之间通过支撑套筒固定连接，活塞、支撑套筒和锁紧套能够沿竖直方向同步往复运动，活塞缸盖、活塞、支撑套筒和锁紧套均套设于驱动轴和下外筒之间。

活塞缸盖与下外筒固定连接，活塞缸盖内含有沿竖直方向设置的液压油通道，活塞缸盖的上端面设有上环形凹槽，上环形凹槽位于液压油通道的上端，内筒的侧壁内含有沿竖直方向设置的液压油通道，内筒内的液压油通道通过上环形凹槽与活塞缸盖内的液压油通道连通。

活塞缸盖的下端面设有下环形凹槽，下环形凹槽位于液压油通道的下端，活塞的上端设有环形的缓冲柱塞，缓冲柱塞与下环形凹槽的位置相对应，缓冲柱塞上端的内外两侧设有楔形槽。

输出轴的上端固定套设于驱动轴的下端外，锁紧套的外壁设有外轴向花键，下外筒的内壁设有与外轴向花键相配合的内花键槽，锁紧套的内壁设有内轴向花键，输出轴上端的外壁设有能够与内轴向花键相配合的外轴向花键槽，当锁紧套位于上极限位置时，锁紧套外的外轴向花键与下外筒内的内花键槽配合连接，锁紧套内的内轴向花键与输出轴外的外轴向花键槽分离；当锁紧套位于下极限位置时，锁紧套外的外轴向花键与下外筒内的内花键槽配合连接，锁紧套内的内轴向花键与输出轴外的外轴向花键槽配合连接。

锁紧套内套设有复位弹簧，复位弹簧套设于驱动轴外，复位弹簧的上端与锁紧套的上端抵接，复位弹簧的下端与输出轴上端的上端抵接。

输出轴为阶梯轴，锁紧套的下端设有第一粗糙面，输出轴的抬肩上设有用于和第一粗糙面摩擦配合的第二粗糙面，输出轴外套设有支撑套筒和耐磨垫圈，耐磨垫圈套设在支撑套筒外，支撑套筒与输出轴固定连接，支撑套筒和耐磨垫圈均位于下外筒的下端内。

所述连续管钻井电液控定向装置还包括电马达、减速机构和控制单元，该电马达的输出轴通过减速机构与驱动轴连接，该控制单元能够通过控制该电马达的转动圈数来控制输出轴的转动角度。

本发明的有益效果是，该连续管钻井电液控定向装置可以连续双向旋转工具面；当工具面达到预定角度时，可以通过单作用液压缸进行液压锁紧，在控制连续管钻侧钻井、水平井等井型的钻进方向与井眼轨迹方面，动作迅速、精确可靠。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

图1为连续管钻井电液控定向装置的结构示意图。

图2为连续管钻井电液控定向装置上部的结构示意图。

图3为连续管钻井电液控定向装置下部的结构示意图。

图4为连续管钻井电液控定向装置的使用状态示意图。

图5为图3中沿A-A方向的示意图。

其中1.驱动轴，2.上外筒，3.泥浆通道，4.内筒，5.开口，6.区域流端口，7.电缆通道，8.液压油通道，9.O型密封圈，10.紧定螺钉，11.角度传感器，12.换向阀，13.止推轴承，14.滚动轴承，15.密封垫片，16.上环形凹槽，17.液压油通道，18.活塞缸盖，19.O型密封圈，20.O型密封圈，21.下环形凹槽，22.楔形槽，23.缓冲柱塞，24.V型密封圈，25.V型密封圈，26.活塞，27.支撑套筒，28.下外筒，29.锁紧套，30.复位弹簧，31.内花键槽，32.内轴向花键，33.外轴向花键，34.外轴向花键槽，35.平键，36.O型密封圈，37.支撑套筒，38.耐磨垫圈，39.紧定螺钉，40.输出轴，41.外筒接头，42.止推轴承，43.止推轴承，44.耐磨垫圈，45.密封圈座，46.O型密封圈，47.紧定螺钉，48.第一粗糙面，49.第二粗糙面，50.弯马达，51.钻头。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种连续管钻井电液控定向装置，包括从上向下依次连接的驱动轴1和输出轴40，驱动轴1和输出轴40外套设有外套筒，驱动轴1和该外套筒之间设有用于使输出轴40和该外套筒锁紧固定的锁紧机构，如图1所示。

在本实施例中，驱动轴1的轴线和输出轴40的轴线均沿竖直方向设置，驱动轴1的轴线和输出轴40的轴线重合，驱动轴1的下端与输出轴40的上端固定连接。驱动轴1为空心轴，驱动轴1内含有沿竖直方向贯通的内流道，该外套筒包括从上向下依次固定连接的上外筒2和下外筒28，如图1所示。上外筒2和驱动轴1之间套设有内筒4，内筒4和上外筒2之间形成环形的泥浆通道3，驱动轴1的侧壁上设有区域流端口6，内筒4的侧壁上设有开口5，泥浆通道3依次通过开口5和区域流端口6与驱动轴1内的所述内流道连通，如图1和图2所示。

内筒4的下端与上外筒2的下端固定连接，内筒4的侧壁内设有电缆通道7，内筒4的下部设有角度传感器11，电缆通道7内设有电缆连接角度传感器11。驱动轴1的外径等于内筒4的内径，驱动轴1的外壁设有环形凸缘，内筒4的下端内设有能够容纳该环形凸缘的环形凹槽，驱动轴1和内筒4之间设有止推轴承13和滚动轴承14，止推轴承13位于该环形凸缘的上部，滚动轴承14位于该环形凸缘的下部。

具体的，如图1和图2所示，空心的驱动轴1上端开有三个面积较大的区域流端口4，区域流端口4互成120°；空心的驱动轴1外侧套有内筒4，内筒4的右侧开有电缆通道7，电缆通道7内放置电缆连接角度传感器11，角度传感器11放置在内筒4下部，角度传感器11下面安装有止推轴承I13，止推轴承I13由空心驱动轴1外壁伸出的环形凸缘上端面轴向定位；在该环形凸缘之下驱动轴1的外壁与内筒4内壁之间放置有滚动轴承14，滚动轴承14减小两者之间的摩擦。

在本实施例中，该锁紧机构包括从上向下依次设置的活塞缸盖18、活塞26和锁紧套29，活塞缸盖18和活塞26之间形成封闭的液压腔，锁紧套29能够将输出轴40和下外筒28之间锁紧固定，活塞26和锁紧套29之间通过支撑套筒27固定连接，即活塞26的下端和锁紧套29的上端通过支撑套筒27固定连接，如图1所示，活塞26、支撑套筒27和锁紧套29能够沿竖直方向同步往复运动，活塞缸盖18、活塞26、支撑套筒27和锁紧套29均套设于驱动轴1和下外筒28之间，即活塞缸盖18、活塞26、支撑套筒27和锁紧套29均套设于驱动轴1外，活塞缸盖18、活塞26、支撑套筒27和锁紧套29均套设于下外筒28内。

活塞缸盖18与下外筒28固定连接，活塞缸盖18内含有沿竖直方向设置的液压油通道17，活塞缸盖18的上端面设有上环形凹槽16，下环形凹槽16位于液压油通道17的上端，内筒4的侧壁内含有沿竖直方向设置的液压油通道8，内筒4内的液压油通道8通过上环形凹槽16与活塞缸盖18内的液压油通道17连通。活塞缸盖18的下端面设有下环形凹槽21，下环形凹槽21位于液压油通道17的下端，活塞26的上端设有环形的缓冲柱塞23，缓冲柱塞23与下环形凹槽21的位置相对应，缓冲柱塞23上端的内外两侧设有楔形槽22，该楔形槽22可以起到减缓流体冲击的作用。

具体的，如图2和图3所示，内筒4下部与上外筒2下部螺纹连接，内筒4的左侧开有液压油通道8，换向阀12放置在液压油通道8的下部；下外筒28的上端与上外筒2的下端螺纹连接，下外筒28内壁的上部与活塞缸盖18的外壁螺纹连接，活塞缸盖18的上端开有上环形凹槽16，上环形凹槽16的上端与液压油通道8相连通，上环形凹槽16的下端与液压油通道17相连通；活塞缸盖18的下端开有下环形凹槽21，下环形凹槽21与液压油通道17的下端相连通；活塞26放置在下外筒28与驱动轴1之间的环空内。

在本实施例中，输出轴40的上端固定套设于驱动轴1的下端外，锁紧套29的外壁设有外轴向花键33，下外筒28的内壁设有与外轴向花键33相配合的内花键槽31，锁紧套29的内壁设有内轴向花键32，输出轴40上端的外壁设有能够与内轴向花键32相配合的外轴向花键槽34。当锁紧套29位于上极限位置时，锁紧套29外的外轴向花键33与下外筒28内的内花键槽31配合连接，锁紧套29内的内轴向花键32与输出轴40外的外轴向花键槽34分离；当锁紧套29位于下极限位置时，锁紧套29外的外轴向花键33与下外筒28内的内花键槽31配合连接，锁紧套29内的内轴向花键32与输出轴40外的外轴向花键槽34配合连接。即当锁紧套29下至极限位置时，锁紧套29的外壁与下外筒28的内壁通过花键形状锁合固定，锁紧套29的内壁与输出轴40上端的外壁通过花键形状锁合固定。锁紧套29内套设有复位弹簧30，复位弹簧30套设于驱动轴1外，复位弹簧30的上端与锁紧套29的上端抵接，复位弹簧30的下端与输出轴40上端的上端抵接，如图1和图3所示。

具体的，活塞26的下端与支撑套筒27螺纹连接，支撑套筒27与锁紧套29的上端螺纹连接；锁紧套29的下部外壁加工有外轴向花键33，锁紧时该外轴向花键31与下外筒28内壁上的内花键槽31相配合，防止锁紧套29的旋转；锁紧套29下部的内壁加工有内轴向花键32，锁紧时内轴向花键32与输出轴40外壁上端的外轴向花键槽34相配合，防止输出轴40旋转，输出轴40呈阶梯状；复位弹簧30放置在锁紧套29与空心的驱动轴1之间的环空内。

在本实施例中，锁紧套29的下端设有第一粗糙面48，输出轴40的抬肩上设有用于和第一粗糙面48摩擦配合的第二粗糙面49，输出轴40外套设有支撑套筒37和耐磨垫圈38，耐磨垫圈38套设在支撑套筒37外，支撑套筒37与输出轴40固定连接，支撑套筒37和耐磨垫圈38均位于下外筒28的下端内。

具体的，锁紧套29的下端面加工有第一粗糙面48，锁紧时第一粗糙面48与输出轴40抬肩上的第二粗糙面49相互接触，增大旋转阻力；输出轴40内壁的上部与驱动轴1下部通过平键35连接，输出轴40外壁的中部与支撑套筒37的内壁螺纹连接；外筒接头41上端与下外筒28的下端螺纹连接，外筒接头41的内壁中部加工有抬肩；该抬肩上端面与支撑套筒37的下端面之间放置止推轴承42，该抬肩的下端面与输出轴40的抬肩之间放置止推轴承43，抬肩通过支撑套筒37和止推轴承42、止推轴承43对输出轴40轴向定位。

另外，驱动轴1与内筒4之间通过O型密封圈9进行密封。上外筒2与下外筒28的螺纹连接处通过紧定螺钉10固定。内筒4的下端面与活塞缸盖18的上端面之间通过密封垫片15进行密封。活塞缸盖18与驱动轴1之间通过O型密封圈19进行密封，活塞缸盖18与下外筒28之间通过O型密封圈20进行密封。活塞26与驱动轴1之间通过V型密封圈25进行密封，活塞26与下外筒28之间通过V型密封圈24进行密封。驱动轴1的下端与输出轴40之间通过O型密封圈36进行密封。支撑套筒37与下外筒28之间放置耐磨垫圈38。下外筒28与外筒接头41的螺纹连接处通过紧定螺钉39固定。外筒接头41的下端与输出轴40的下部之间通过O型密封圈46进行密封。外筒接头41的下部与输出轴40之间放置耐磨垫圈44。密封圈座45与外筒接头41的末端之间通过紧定螺钉47固定。

本发明所述连续管钻井电液控定向装置还包括电马达、减速机构、液压泵和控制单元，该电马达的输出轴通过减速机构与驱动轴1连接，该控制单元能够通过控制该电马达的转动圈数来控制输出轴40的转动角度。电马达、液压泵、角度传感器11和换向阀12均与该控制单元连接。角度传感器11能够精确的测量驱动轴1相对于下外筒28的转动角度，该减速机构可以为行星齿轮。

应用时，先将该连续管钻井电液控定向装置的上端与微型液压泵相连，下端与弯马达50相连，如图4所示。初始状态为锁紧套29外壁的外轴向花键33与下外筒28内壁的内花键槽31配合连接，如图5所示，锁紧套29内壁的内轴向花键32不与输出轴59上端的外轴向花键槽34配合连接，即锁紧套29内壁的内轴向花键32与输出轴59上端的外轴向花键槽34分离，驱动轴1与输出轴40能够相对于该外套筒转动，锁紧套29处于上极限位。当工具面角度达不到要求时，该控制单元驱动电马达运转，该电马达经过减速机构带动驱动轴1旋转，驱动轴1与输出轴40平键连接，输出轴40与弯马达50螺纹连接，经过行星齿轮减速机构，将电马达的高转速、低扭矩转变为低转速、高扭矩输出到输出轴40。因此，控制电马达的旋转速度、旋转方向和旋转角度(或圈数)就控制了输出轴40的旋转速度、旋转方向和旋转角度，角度传感器11能够精确的测量驱动轴1和输出轴40相对于下外筒28的转动角度，从而控制工具面角度的调整，如图4所示。驱动轴1的角度传感器将驱动轴1的旋转角度及方向实时传递到控制单元，当工具面角度达到预定目标时，控制单元控制电马达停止旋转，同时控制单元控制液压泵开泵，油箱中的液压油通过换向阀12进入液压腔推动活塞26工作，液压缸盖18、活塞26、下外筒28内壁、驱动轴1的外壁、支撑套筒27、缓冲柱塞22、密封圈等组成单作用液压缸，锁紧套29在活塞26的推动下克服复位弹簧30的作用力迅速下移，锁紧套29的内轴向花键32与输出轴40外壁的外轴向花键槽34相配合，锁紧套29外壁的外轴向花键33与外筒内壁的内花键槽31相配合，输出轴40处于被锁定的状态，即此时锁紧套29位于下极限位置。由于下外筒28固定不动，在外筒28的作用下，通过锁紧套29将输出轴40的工具面固定，与弯马达50的输出轴相连的钻头51将沿此工具面角度定向钻进。当需要重新调整工具面角度时，液压泵关泵，在复位弹簧30的作用下，锁紧套30与输出轴40迅速分离，输出轴40解除锁定状态，活塞26上移，液压腔中的液压油通过换向阀12返回油箱，同时电马达重新启动，重复上述定向过程以调整输出轴40的转动角度。

控制单元能够控制电马达的输出轴正反向转动，所以该连续管钻井电液控定向装置可以连续双向旋转工具面；另外，当工具面达到预定角度时，可以通过单作用液压缸进行液压锁紧，在控制连续管钻侧钻井、水平井等井型的钻进方向与井眼轨迹方面，动作迅速、精确可靠。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (11)

1.一种连续管钻井电液控定向装置，其特征在于，所述连续管钻井电液控定向装置包括从上向下依次连接的驱动轴（1）和输出轴（40），驱动轴（1）和输出轴（40）外套设有外套筒，驱动轴（1）和该外套筒之间设有用于使输出轴（40）和该外套筒锁紧固定的锁紧机构。

2.根据权利要求1所述的连续管钻井电液控定向装置，其特征在于，驱动轴（1）内含有沿竖直方向贯通的内流道，该外套筒包括从上向下依次固定连接的上外筒（2）和下外筒（28），上外筒（2）和驱动轴（1）之间套设有内筒（4），内筒（4）和上外筒（2）之间形成环形的泥浆通道（3），驱动轴（1）的侧壁上设有区域流端口（6），内筒（4）的侧壁上设有开口（5），泥浆通道（3）依次通过开口（5）和区域流端口（6）与驱动轴（1）内的所述内流道连通。

3.根据权利要求2所述的连续管钻井电液控定向装置，其特征在于，内筒（4）的下端与上外筒（2）的下端固定连接，内筒（4）的侧壁内设有电缆通道（7），内筒（4）的下部设有角度传感器（11），电缆通道（7）内设有电缆连接角度传感器（11）。

4.根据权利要求3所述的连续管钻井电液控定向装置，其特征在于，驱动轴（1）的外径等于内筒（4）的内径，驱动轴（1）的外壁设有环形凸缘，内筒（4）的下端内设有能够容纳该环形凸缘的环形凹槽，驱动轴（1）和内筒（4）之间设有止推轴承（13）和滚动轴承（14），止推轴承（13）位于该环形凸缘的上部，滚动轴承（14）位于该环形凸缘的下部。

5.根据权利要求2所述的连续管钻井电液控定向装置，其特征在于，该锁紧机构包括从上向下依次设置的活塞缸盖（18）、活塞（26）和锁紧套（29），活塞缸盖（18）和活塞（26）之间形成液压腔，锁紧套（29）能够将输出轴（40）和下外筒（28）锁紧固定，活塞（26）和锁紧套（29）之间通过支撑套筒（27）固定连接，活塞（26）、支撑套筒（27）和锁紧套（29）能够沿竖直方向同步往复运动，活塞缸盖（18）、活塞（26）、支撑套筒（27）和锁紧套（29）均套设于驱动轴（1）和下外筒（28）之间。

6.根据权利要求5所述的连续管钻井电液控定向装置，其特征在于，活塞缸盖（18）与下外筒（28）固定连接，活塞缸盖（18）内含有沿竖直方向设置的液压油通道（17），活塞缸盖（18）的上端面设有上环形凹槽（16），上环形凹槽（16）位于液压油通道（17）的上端，内筒（4）的侧壁内含有沿竖直方向设置的液压油通道（8），内筒（4）内的液压油通道（8）通过上环形凹槽（16）与活塞缸盖（18）内的液压油通道（17）连通。

7.根据权利要求6所述的连续管钻井电液控定向装置，其特征在于，活塞缸盖（18）的下端面设有下环形凹槽（21），下环形凹槽（21）位于液压油通道（17）的下端，活塞（26）的上端设有环形的缓冲柱塞（23），缓冲柱塞（23）与下环形凹槽（21）的位置相对应，缓冲柱塞（23）上端的内外两侧设有楔形槽（22）。

8.根据权利要求5所述的连续管钻井电液控定向装置，其特征在于，输出轴（40）的上端固定套设于驱动轴（1）的下端外，锁紧套（29）的外壁设有外轴向花键（33），下外筒（28）的内壁设有与外轴向花键（33）相配合的内花键槽（31），锁紧套（29）的内壁设有内轴向花键（32），输出轴（40）上端的外壁设有能够与内轴向花键（32）相配合的外轴向花键槽（34）；

当锁紧套（29）位于上极限位置时，锁紧套（29）外的外轴向花键（33）与下外筒（28）内的内花键槽（31）配合连接，锁紧套（29）内的内轴向花键（32）与输出轴（40）外的外轴向花键槽（34）分离；

当锁紧套（29）位于下极限位置时，锁紧套（29）外的外轴向花键（33）与下外筒（28）内的内花键槽（31）配合连接，锁紧套（29）内的内轴向花键（32）与输出轴（40）外的外轴向花键槽（34）配合连接。

9.根据权利要求8所述的连续管钻井电液控定向装置，其特征在于，锁紧套（29）内套设有复位弹簧（30），复位弹簧（30）套设于驱动轴（1）外，复位弹簧（30）的上端与锁紧套（29）的上端抵接，复位弹簧（30）的下端与输出轴（40）上端的上端抵接。

10.根据权利要求2所述的连续管钻井电液控定向装置，其特征在于，输出轴（40）为阶梯轴，锁紧套（29）的下端设有第一粗糙面（48），输出轴（40）的抬肩上设有用于和第一粗糙面（48）摩擦配合的第二粗糙面（49），输出轴（40）外套设有支撑套筒（37）和耐磨垫圈（38），耐磨垫圈（38）套设在支撑套筒（37）外，支撑套筒（37）与输出轴（40）固定连接，支撑套筒（37）和耐磨垫圈（38）均位于下外筒（28）的下端内。

11.根据权利要求1所述的连续管钻井电液控定向装置，其特征在于，所述连续管钻井电液控定向装置还包括电马达、减速机构和控制单元，该电马达的输出轴通过减速机构与驱动轴（1）连接，该控制单元能够通过控制该电马达的转动圈数来控制输出轴（40）的转动角度。