CN105134077A - 一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统，包括导向套，导向套下部设有可沿导向套径向伸缩的导向结构，还包括驱动导向结构的驱动机构，所述驱动机构包括伺服电机，伺服电机的输出轴通过减速器驱动连接螺栓，螺栓上螺纹连接有滑块，滑块的内外两侧设有限位结构，使螺栓转动时能够带动滑块沿螺栓的轴向运动，螺栓向一个方向转动时，滑块能够将导向结构推出，螺栓向另一个方向转动时，能使导向结构在复位机构的作用下收缩。该钻井系统特别适用于小直径井口的钻进作业。

Description

一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，特别是一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统。

背景技术

目前，钻探工程作为资源和环境勘探的重要手段，其研究领域正从传统的地表延伸到极地、海洋，以及地球深部、海洋底部。深部钻探将是地球深部探测的重要手段，也是获得地球深部实物的唯一方法，然而在深部钻探过程中，如何保持井眼垂直是一大难题，井斜的问题将直接制约钻进速度和钻孔质量，甚至是整个钻探工程的成败。像松科二井欲使井深达到6400米，随着井深的不断增加，井斜问题将愈加突出，危害愈加严重。

许多钻探工程如前苏联Kola超深井(设计终孔深度15000m、实际终孔深度12262m)和德国KTB主孔(设计终孔深度10000m、实际终孔深度9101m)因孔斜无法控制而被迫提前终孔。为了解决这一难题，国内外进行了大量的理论分析和现场实践，相继提出了刚性满眼钻具、钟摆组合钻具、偏轴钻具等防斜方法，但这些方法都是以牺牲钻压，降低机械钻速来换取防斜效果的被动防斜方式，效果并不明显，甚至有些地层完全达不到防斜纠斜的效果。尤其是在深孔及超深孔的钻探施工中，被动防斜方法成效有限，用于纠斜的施工时间所占比重还很大。

自动垂直钻井以及旋转导向钻井系统的出现，为防斜纠斜带来了重大技术突破，是一种集机电液于一体化的井下智能闭环导向钻井系统，可实现井下主动防斜纠斜，不需要人为干预而自动跟踪预定的井眼轨迹，可以成功解决高陡构造、大倾角复杂地层的防斜纠斜难题，在保证井眼质量的同时，释放钻压，提高机械钻速。德国KTB工程主孔达到终孔深度的最重要的先决条件是成功的实施了垂直钻进战略，研制的自动垂直钻井系统(VDS)成功应用至7500m的孔深范围，使得KTB成为当时世界上最垂直的钻孔，而且成功限制了研磨负荷和扭矩，为后期实施小间隙钻进和套管战略提供了必要的先决条件。自动垂直钻井系统的发展进一步带动了旋转导向技术的进步，国外从20世纪80年代开始进行主动防斜技术研究至今，已经有10余家公司形成了各自的旋转导向系统，并进行了现场试验和应用，其无一例外都带有垂直钻进功能。目前，具有商业化应用能力的主要还是BakerHughes、Schlumberger和Halliburton三家公司。

目前的静态推靠式自动垂直钻井系统主要包括一个设置在外部相对不转动的导向套，导向套下部用于外接钻头，导向套内设有重力加速度计，用于感应井斜，导向套的下部设有由液压驱动的导向块，当感应到井斜时，向导向套内的微处理器发送信号，控制液压系统，从而使导向块向外侧突出顶在井内壁，以起到纠正井斜的作用。但是，用于驱动导向块的液压驱动系统需要独立的液压泵等机构，结构复杂，使得导向套的尺寸过大，无法应用于小直径井口的钻进。

发明内容

本发明的目的是提供一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统，特别适用于小直径井口的钻进作业。

为了实现上述目的，本发明提供的一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统，包括导向套，导向套下部设有可沿导向套径向伸缩的导向结构，还包括驱动导向结构的驱动机构，所述驱动机构包括伺服电机，伺服电机的的输出轴通过减速器驱动连接螺栓，螺栓上螺纹连接有滑块，滑块的内外两侧设有限位结构，使螺栓转动时能够带动滑块沿螺栓的轴向运动，螺栓向一个方向转动时，滑块能够将导向结构推出，螺栓向另一个方向转动时，能使导向结构在复位机构的作用下收缩。

优选地，所述限位结构为：导向结构的内侧相抵于滑块的外侧，所述导向套内设置限位面相抵于滑块的内侧。

更优选地，所述导向结构为导向块，导向块的内表面上设有斜面，使导向块与螺栓之间形成由宽到窄的空间。

进一步地，所述斜面包括第一斜面以及设置在第一斜面下方的第二斜面，第一斜面与螺栓之间形成的空间自上而下逐渐变窄，第二斜面与螺栓之间形成的空间自上而下逐渐变宽；所述滑块包括第一滑块，设置在第一斜面的内侧；以及第二滑块，设置在第二斜面的内侧；第一滑块与第二滑块的内螺纹方向相反。

更进一步地，第一斜面与第二斜面的数量各为两个，两个第一斜面的倾斜程度相同且两个第二斜面的倾斜程度也相同；第一滑块两端凸起，中部凹陷，使第一滑块两端的凸起各与一个第一斜面相抵；第二滑块两端凸起，中部凹陷，使第二滑块两端的凸起各与一个第二斜面相抵。

优选地，所述螺栓与减速器之间通过六方杆连接。

优选地，所述复位机构为设置在导向结构内侧的复位弹簧。

优选地，钻井系统的控制系统包括陀螺仪、加速度计和磁通门，陀螺仪、加速度计和磁通门的输出端连接模数转换器，模数转换器的输出端连接控制器，控制器控制连接所述伺服电机。

更优选地，所述陀螺仪为MEMS陀螺仪，所述加速度计为MEMS加速度计。

优选地，还包括以可拆卸的方式连接在导向套上的压板，用于压住所述导向结构。

本发明提供的一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统，通过伺服电机驱动螺栓转动，进而带动滑块来推动导向结构，避免使用复杂的液压机构，节省空间，也无需考虑液压系统中各种密封问题，简化了驱动机构的结构，作业更加稳定。

附图说明

图1为本发明所提供的一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统的剖视图。

图2为导向结构部分的俯视结构示意图；

图3为钻井系统的控制系统结构示意图。

图中：

1.导向套2.导向块3.伺服电机4.减速器5.螺栓6.第一滑块7.第二滑块8.限位面9.压板10.六方杆21.第一斜面22.第二斜面

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

为了方便描述，本发明中所述的上、下、内、外等词用于描述各部件的相对位置关系，由于钻井系统在工作过程中是钻头朝下的，因此本文中的“上”指的是远离钻头的方向，“下”指的是靠近钻头的方向。“内”指的是靠近钻井系统中心轴的方向，“外”指的远离钻井系统中心轴的方向。

请参考图1，微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统，包括一个不随钻杆转动的外部导向套1，导向套1内中部为钻杆，钻杆下端用于连接钻头。导向套1内的下部设有导向块2，导向块2在驱动机构的驱动下，能够从导向套1内伸出，用于支持井壁。当驱动机构的驱动作用消失，导向块2通过设置在其内侧的复位弹簧(图中未标出)收缩回导向套1内。

所述驱动机构包括伺服电机3，伺服电机3的输出轴连接减速器4，在导向套1内还设有螺栓5，减速器4通过六方杆10与螺栓5固定连接，使得螺栓5能够在伺服电机3驱动下转动。螺栓5位于导向块2内侧，导向块2的内表面上设有两个第一斜面21和两个位于第一斜面21下方的第二斜面22，第一斜面21与螺栓5之间形成的空间自上而下逐渐变窄，第二斜面22的倾斜方向与第一斜面21相反，即第二斜面22与螺栓5之间形成的空间自上而下逐渐变宽。且第一斜面21和第二斜面22的倾斜程度均相同，形成轴对称结构。在螺栓5上螺纹连接有第一滑块6和第二滑块7，第一滑块6设置在第一斜面21内侧，第一滑块6的中部凹陷，靠近第一斜面21的两端凸起，并借助两端的凸起各与一个第一斜面21相抵，同样地，第二滑块7设置在第二斜面22内侧，其中部凹陷，两端凸起，并借助两端的凸起各与一个第二斜面22相抵。第一滑块6与第二滑块7的远离导向块2的一侧设有限位面8，限位面8也可以沿导向套1的周向延伸从而将两个滑块包裹住，这样，当螺栓5转动时，第一滑块6与第二滑块7就能够沿着螺栓5的轴向滑动，此外，第一滑块6和第二滑块7与螺栓5连接所用的内螺纹方向相反，使得螺栓5转动时，第一滑块6与第二滑块7的运动方向相反。例如，当螺栓5沿顺时针转动时，第一滑块6与第二滑块7相向移动，此时第一滑块6与第二滑块7上的凸起各沿着第一斜面21和第二斜面22向着空间变窄的方向移动，从而将导向块2推出。当螺栓5沿逆时针方向转动时，第一滑块6与第二滑块7向着远离彼此的方向运动，即此时第一滑块6与第二滑块7上的凸起各沿着第一斜面21和第二斜面22向着空间变宽的方向移动，导向块2在复位弹簧的作用下收缩回导向套1内。第一斜面21与第二斜面22各设置两个，相当于延长的滑块的推靠距离，使得导向块2的长度可以设计的足够长，发生井斜时与井壁的接触面积足够大，扶正效果更佳稳定。导向套上以可拆卸的方式安装有压板9，用于压住导向块2。这样在钻井系统运输过程中导向块2不会自动伸出，方便运输。

请参考图3，钻井系统的控制系统部分包括陀螺仪、加速度计和磁通门，用于感应钻井系统在井下的空间姿态。其中陀螺仪、加速度计采用基于MEMS(微机电系统)的MEMS陀螺仪和MEMS加速度计。陀螺仪、加速度计和磁通门的输出端通过模数转换器连接至控制器的输入端，控制器的输出端连接伺服电机3的电机控制板，当陀螺仪、加速度计和磁通门等传感器检测到井斜发生时，控制器控制伺服电机3启动，导向块2在驱动机构作用下伸出顶住井壁，扶正后控制器控制伺服电机3反转，导向块2收回。本发明采用的导向块数量为三个，沿导向套周向等间隔分布(如图2所示)，因此需要三套伺服电机和驱动机构来驱动。

以上对本发明所提供的微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统，包括导向套，导向套下部设有可沿导向套径向伸缩的导向结构，其特征在于，还包括驱动导向结构的驱动机构，所述驱动机构包括伺服电机，伺服电机的的输出轴通过减速器驱动连接螺栓，螺栓上螺纹连接有滑块，滑块的内外两侧设有限位结构，使螺栓转动时能够带动滑块沿螺栓的轴向运动，螺栓向一个方向转动时，滑块能够将导向结构推出，螺栓向另一个方向转动时，能使导向结构在复位机构的作用下收缩。

2.根据权利要求1所述的一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统，其特征在于，所述限位结构为：导向结构的内侧相抵于滑块的外侧，所述导向套内设置限位面相抵于滑块的内侧。

3.根据权利要求2所述的一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统，其特征在于，所述导向结构为导向块，导向块的内表面上设有斜面，使导向块与螺栓之间形成由宽到窄的空间。

4.根据权利要求3所述的一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统，其特征在于，所述斜面包括第一斜面以及设置在第一斜面下方的第二斜面，第一斜面与螺栓之间形成的空间自上而下逐渐变窄，第二斜面与螺栓之间形成的空间自上而下逐渐变宽；所述滑块包括第一滑块，设置在第一斜面的内侧；以及第二滑块，设置在第二斜面的内侧；第一滑块与第二滑块的内螺纹方向相反。

5.根据权利要求4所述的一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统，其特征在于，第一斜面与第二斜面的数量各为两个，两个第一斜面的倾斜程度相同且两个第二斜面的倾斜程度也相同；第一滑块两端凸起，中部凹陷，使第一滑块两端的凸起各与一个第一斜面相抵；第二滑块两端凸起，中部凹陷，使第二滑块两端的凸起各与一个第二斜面相抵。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统，其特征在于，所述螺栓与减速器之间通过六方杆连接。

7.根据权利要求1-5任一所述的一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统，其特征在于，所述复位机构为设置在导向结构内侧的复位弹簧。

8.根据权利要求1-5任一所述的一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统，其特征在于，钻井系统的控制系统包括陀螺仪、加速度计和磁通门，陀螺仪、加速度计和磁通门的输出端连接模数转换器，模数转换器的输出端连接控制器，控制器控制连接所述伺服电机。

9.根据权利要求8所述的一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统，其特征在于，所述陀螺仪为MEMS陀螺仪，所述加速度计为MEMS加速度计。

10.根据权利要求1-5任一所述的一种微型电机驱动下的小直径静态推靠垂直钻井系统，其特征在于，还包括以可拆卸的方式连接在导向套上的压板，用于压住所述导向结构。