CN105422004A - 基于空心无刷电机的连续管电控定向装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了连续管电控定向装置，包括由上到下依次布置的上接头(1)、电路舱体、空心电机及减速器总成、以及下接头(18)，上述部件位于装置本体内，其中，上接头(1)的下端与装置本体采用丝扣连接，下接头(18)的下端用于连接导向工具，其中，空心电机及减速器总成为上下贯通的空心结构，其中形成钻井液流道。

Description

基于空心无刷电机的连续管电控定向装置

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井领域，具体的讲是一种基于空心无刷电机的连续管钻井电控定向装置。

背景技术

连续管钻井以其钻井成本低和时效高、污染小和自动化程度高等优势，被广泛应用于老井侧钻、浅层定向钻井、小井眼加深等，是目前钻井技术的一个重要发展方向，对国内老油田稳产增效具有非常重要的意义。现有的一种连续管钻井系统井底钻具组合(BottomHoleAssembly，简称为BHA)由钻头、动力钻具、定向工具、工程/地质参数随钻测量仪器、供电与信息(双向)传输工具、安全丢手接头、其它功能接头和连续管连接器等配套工具组成，其中定向工具是连续管定向钻井的核心工具，该工具下端为可控转动接头，可直接与动力钻具上端连接，通过其转动调整动力钻具工具面以控制井眼轨迹。

连续管钻井定向工具主要有液控、电液控、电控方式三种。液控定向工具的特点是结构简单、成本较低、精度低、可控性差等；电液控定向工具需要微电机、微型泵、液压阀等部件，结构复杂，更难维护；电控定向工具可实现顺时针和逆时针全范围(360°)无任何限制地对动力钻具工具面进行调节，具有控制精度高、数据实时传输等特点。

已授权的发明专利(CN102758587B)中公开了一种连续管液控定向工具，主要是通过调节钻井液排量在工具内产生脉冲压力，该压力脉冲沿连续管内钻井液通道推动工具上的换向机构移动来实现旋转的目的。其优点是结构相对简单，主要缺点是每次旋转角度固定，不能实现工具面精确摆放，同时受到钻井液类型的限制，不能应用于两相或气相钻井液钻井和欠平衡钻井中。已公布的发明专利申请(CN103670278A)中公开了一种连续管电液机控定向工具机械系统，采用液压系统经油路通道推动活塞产生直线移动，使得换向机构产生转动，利用芯轴套筒内壁上的花键配合换向套筒实现工具锁紧。其优点是定向工具可以双向转动，工具面调整精度和可控性均较好，但缺点是结构复杂，液压组件较多，需要频繁维护。已公布的发明专利申请(CN102787804A)中公开了一种全电动复合材料连续管钻井装置及方法，提出了利用地面系统通过连续管内置电缆为井下系统提高电力和双向通讯，并控制电动马达驱动钻头转动，其中提及了改变钻头指向的导向工具，但所述的导向工具并不明确是何种类型，其具体结构也不明确。

发明内容

本申请的发明人在深入调研国外连续管定向工具的基础上，提出了一种基于空心无刷电机及减速器的定向工具。

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种适用于定向钻井的连续管电控定向装置，其优点是可双向实时调节导向马达工具面、控制精度高、便于维护。克服了现有液控定向工具可控性差、精度低以及电液控定向工具结构复杂、维护较为繁琐等不足。

本发明专利的创新性之处在于充分利用了井下工具的径向尺寸，并结合压力平衡装置，大幅提高了定向工具的输出扭矩和工作可靠性，并在电机转动轴上集成了电子制动器，以及增加了转角实时跟踪检测功能，保证了定向工具双向转动的控制精度。

根据本发明的实施例，提供了一种连续管电控定向装置，包括由上到下依次布置的上接头(1)、电路舱体、空心电机及减速器总成、以及下接头(18)，上述部件位于装置本体内，

其中，上接头(1)的下端与装置本体采用丝扣连接，下接头(18)的下端用于连接导向工具，其中，空心电机及减速器总成为上下贯通的空心结构，其中形成钻井液流道。

本发明有益效果在于，通过提供一种基于空心无刷电机的连续管电控定向装置，其中电机轴和减速器组件均采用空心结构，最大程度上增加了传动结构的直径，实现了大扭矩，同时利用空心结构保证了外排泥浆的流道，从而克服了现有定向工具中存在的不足。本发明可被广泛用于连续管定向钻井、连续管老井侧钻等领域。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的定向装置的原理框图；

图2是根据本发明的实施例的定向装置的机械结构图；

图3和4是根据本发明的实施例的定向装置的控制流程图。

具体实施方式

下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。

另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1是根据本发明的实施例的连续管电控定向装置的原理框图，其中，为了便于阅读，图中的装置方向相对于实际使用时的方向有所调整。如图1所示，该连续管电控定向装置主要包括由上到下(图中是由左到右)依次布置的上接头1、4芯滑环2、流道转换总成3、电路舱体(包括电池组舱体4、测控电路舱体5)、轴瓦6、压力平衡装置7、电子制动器8、旋转变压器9、空心电机及减速器总成(包括空心无刷电机本体10、空心电机轴11、谐波减速器12、隔离套筒13、行星减速器14、旋转密封15、弹性联轴器16、轴承组17)、下接头18等；上接头1的下端(图1中的右端)与装置本体采用丝扣连接，4芯滑环2通过流道转换总成3与装置本体连接，装置本体中布置了多个电路舱体，包括电池组舱体4、测控电路舱体5，用于安装电池组和测控电路，并通过多个单芯密封插针(图中未示出)连接电机，空心无刷电机及减速器组件与隔离套筒13之间由多个防松螺钉固定，减速器输出轴与下接头18的上端安装了柔性联轴器，下接头18的上端与定向装置本体之间安装有轴承组17用于支撑，并通过丝扣连接到定向装置本体，下接头18的下端则与导向马达(图中未示出)相连。

如图2所示，本发明提出的电控定向装置的工作原理是：由于连续管在定向钻井过程中不能旋转，井眼方位和井斜的改变只能通过滑动钻进来完成，需要定向装置实现井底钻具方位的调整。通过连续管内置电缆，地面系统一方面向井下工具提供所需电力，另一方面实时下传马达工具面调节指令至定向装置控制电路；电机控制电路驱动无刷电机正转、反动、停转以及电机转动轴的锁紧与解锁，为了提高调节效率，控制电路改变电机绕组通电顺序实现定向装置的双向转动；因定向装置与导向马达之间存在相对转动，需要采用转角检测电路实时跟踪导向马达工具面与初始零点的相对转动角度，在实际调节马达工具面时，根据马达工具面与定向装置初始零点之间的偏差大小对定向装置转动角度进行修正；当马达工具面摆放到预期位置后，无刷电机则停止转动，电子制动器将其锁紧；电机驱动轴直径是制约其输出扭矩大小的关键，为了满足定向装置低转速、大扭矩要求，以上无刷电机、减速器及驱动轴等各个部件(包括空心无刷电机本体10、空心电机轴11、谐波减速器12、隔离套筒13、行星减速器14、旋转密封15、弹性联轴器16、轴承组17、下接头18等)均采用空心结构，最大程度上增加了传动结构的直径，同时保证了外排泥浆的流道。考虑到整个空心结构的承压能力与可靠性，在空心电机总成的型腔内充油，用弹簧柱塞平衡内外压差，保证了旋转密封的可靠性。

如图1所示，上接头1的下端与工具本体采用丝扣连接，4芯滑环2上端与MWD(随钻测量)工具对接，4芯滑环2的4芯分别与24VDC、GND、RS485总线相连，并加多道密封圈隔离了钻井液浸入舱体内部，保证了供电与通讯的可靠性，4芯滑环2下端和定向装置的流道转换总成3连接，安装在工具本体的中心水眼，将电源、接地、RS485总线连接到定向装置本体的电路舱体中；定向装置本体上布置了多个电路舱体，包括电池组舱体4和测控电路舱体5，分别用于安装电池组和测控电路，电机控制线通过多个单芯密封插针连接至测控电路舱体5；空心电机及减速器总成由压力平衡装置7、隔离套筒13、电子制动器8、旋转变压器9、电机本体10与减速器、弹性联轴器16、驱动轴、轴承组17等组成，空心电机及减速器总成与定向装置本体采用多个防松螺钉联接。空心电机转子轴为空心轴(空心电机轴)，中心孔作为钻井液流道，因此与空心电机及减速器总成其他部件(压力平衡装置和减速器输出轴)之间布置有密封圈隔离钻井液，电机转动轴上端安装了轴瓦用于支撑电机，减速器输出轴和下接头上端之间安装了一个弹性联轴器，下接头上端安装了轴承组、密封圈以及轴向限位结构，其下端通过丝扣与导向马达相连，定向钻井时用于调整马达工具面。压力平衡装置7主要由弹簧、柱塞、密封圈以及密封插针等组成，安装于电机轴上端，与电机外壳之间采用防松螺钉进行固定，其目的是保证空心电机内外的压力保持平衡，以提高其承压能力和动密封性能。

如图2所示，当定向装置下到井底开始定向钻井时，地面系统通过连续管内置电缆向井下工具提供所需电力，井下测控系统开始工作等待调节工具面，控制电路接收到来自地面下传的工具面调节指令后，根据工具面调整角度计算电机轴转动角度，进一步换算成电机运行时间，打开制动器解锁电机转动轴，控制电机按照一定转速正转或反动，当工具面摆放到预期位置后，电机则停止转动，利用制动器将其锁紧，具体的工作流程如图3所示。因定向装置驱动轴与导向马达之间存在相对转动，需要采用转角检测电路实时跟踪导向马达工具面与初始点的相对转动角度，如图4所示，定向装置在工作之前，其驱动轴的初始点与工具面初始点重合，在实际调节马达工具面时，控制电路直接将工具面调节角度换算成电机转动轴角度，确定电机运行时间；当定向装置在工作之后，其驱动轴的位置与工具面初始点存在一定角度θ，此时控制电路将工具面调节角度加上或减去θ后，再换算成电机转动轴角度，确定电机运行时间。

考虑到承压能力和可靠性，空心电机及空心减速器总成的型腔内充油，用弹簧柱塞平衡内外压差，不仅改善了整个空心结构的承压能力，而且保证了旋转密封的可靠性，也提高了电机及减速箱的润滑效果。电子制动器工作方式为断电时制动，通电时解锁，为了实际跟踪检测θ，电机轴上安装了旋转变压器作为电机位置传感器，一方面用于确定电机换向时刻，另一方面用于检测驱动轴绝对位置。本发明中电机额定电压24VDC，减速比为1000:1，其中谐波减速(速比1:100)和两级行星减速(速比1:10)，减速器效率约55％，驱动轴最大工作扭矩为1000Nm，额定输出转速为0.5RPM。

最后，本领域的技术人员能够理解，对本发明的上述实施例能够做出各种修改、变型、以及替换，其均落入如所附权利要求限定的本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种连续管电控定向装置，包括由上到下依次布置的上接头(1)、电路舱体、空心电机及减速器总成、以及下接头(18)，上述部件位于装置本体内，

其中，上接头(1)的下端与装置本体采用丝扣连接，下接头(18)的下端用于连接导向工具，

其中，空心电机及减速器总成为上下贯通的空心结构，其中形成钻井液流道。

2.根据权利要求1所述的连续管电控定向装置，其中，所述空心电机及减速器总成包括依次连接的空心无刷电机、多级减速器，所述空心电机及减速器总成与装置本体采用多个防松螺钉联接，

其中，所述电路舱体包括电池组舱体(4)和测控电路舱体(5)。

3.根据权利要求1所述的连续管电控定向装置，还包括4芯滑环(2)、流道转换总成(3)，所述4芯滑环(2)通过流道转换总成(3)与装置本体连接。

4.根据权利要求3所述的连续管电控定向装置，还包括被安装于空心无刷电机的电机轴(11)上端的轴瓦(6)、连接于轴瓦(6)下端的压力平衡装置(7)，所述电机轴(11)为空心轴，

所述压力平衡装置(7)被安装于电机轴(11)上端，与空心无刷电机的电机本体(10)之间采用防松螺钉进行固定。

5.根据权利要求2所述的连续管电控定向装置，其中，所述多级减速器包括依次连接的谐波减速器(12)、隔离套筒(13)、行星减速器(14)、旋转密封(15)、弹性联轴器(16)、轴承组(17)，谐波减速器(12)、行星减速器(14)与隔离套筒(13)之间分别由多个防松螺钉固定，行星减速器(14)的输出轴通过弹性联轴器(16)和轴承组(17)与下接头(18)的上端连接。

其中，所述导向工具是导向马达，电子制动器(8)用于在连续管电控定向装置将导向马达的马达工具面调整到预期位置之后，使空心无刷电机制动并锁紧，

旋转变压器(9)被安装在电机轴(11)上，用于确定电机换向时刻、以及驱动轴的绝对位置。

6.根据权利要求5所述的连续管电控定向装置，其中，轴承组(17)被安装在下接头(18)的上端与装置本体之间，下接头(18)通过丝扣连接到装置本体，下接头(18)的上端安装有密封圈以及轴向限位结构，通过丝扣与导向马达相连。

7.根据权利要求3所述的连续管电控定向装置，其中，所述4芯滑环(2)的4芯分别与电源、接地、串口总线相连，并带有多道密封圈，用于防止钻井液进入舱体内部，

所述4芯滑环(2)下端和流道转换总成(3)连接，用于将电源、接地、串口总线连接到电路舱体中。