CN105473806B - 井下可调弯度马达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于底部钻具组合件中的在泥浆马达的动力部分与钻头之间的弯曲接头，其在保持在井下时可使其弯曲角度从地面更改，以及一种用于调整弯曲接头的弯度的方法。偏置机构包括径向地位于工具中心线周围且被定向用于轴向运动的多个线性致动器。线性致动器连接至游动滑车，所述游动滑车与枢转轴承组合件的内圈的上端啮合。所述内圈的下端连接至所述泥浆马达轴承组合件。所述线性致动器可被协调地致动以倾斜所述内圈，且因此使所述泥浆马达轴承组合件在任何径向方向上倾斜各种可选择的角度以用于控制工具面。在实施方案中，致动器是电池供电的马达驱动的导螺杆。

Description

井下可调弯度马达

技术领域

本公开一般来说涉及油田设备，且具体地说涉及井下工具。

背景技术

导向钻井系统用以从井筒的笔直部分钻探偏斜的井孔。导向钻井系统通常使用由从地面泵送的钻井流体供电的井下马达(泥浆马达)来使钻头旋转。最常见的是，采用Moineau型容积式马达，其使用由通过转子与定子之间的流体压力驱动的螺旋转子。此类泥浆马达能够产生导向应用通常需要的高扭矩、低速钻井。

在实例实现方式中，从延伸至井表面的钻柱支撑马达和钻头。马达可操作以经由定速(CV)驱动连杆来使钻头旋转，驱动连杆延伸穿过位于马达的动力部分与马达的轴承组合件之间的弯曲接头或弯曲壳体。除了在弯曲角度上提供动力输送之外，CV连杆还允许泥浆马达的动力部分进行螺旋章动。

弯曲壳体(固定的或可调的)用作泥浆马达的部分以更改钻探井筒的钻头的方向。通常弯曲壳体将使工具面(即，钻头的与地层啮合的面)从离钻柱和井筒的中心线1度到5度间移动，进而导致井筒的方向改变。

使用旋转钻井来钻探井孔的笔直部分，在旋转钻井中从地面处的钻机使钻柱旋转。泥浆马达和弯曲接头随钻柱一起旋转，结果是将要钻探的稍微放大的井孔。然而，为了导向钻头，操作者固持钻柱以防旋转且对井下马达供电以使钻头旋转。非旋转钻柱和泥浆马达组合件在穿透期间沿着井孔向前滑动。在此滑动操作期间，弯头引导钻头远离井孔的轴线以提供稍微弯曲的井孔部分，其中弯曲实现所要偏斜或形成角度。

泥浆马达通常由弯曲壳体组成，弯曲壳体的弯曲角度在井下时不能受控制。为了改变弯曲壳体的倾度，有必要将弯曲壳体拉离井孔(称作“脱开”)以改变倾度设置。井孔的脱开增加非生产时间。需要具有在井下时允许操作者改变弯曲壳体的倾度的系统或机构。

附图说明

下文中参看附图详细描述实施方案，附图中：

图1是根据优选实施方案的地面致动的井下可调泥浆马达弯曲接头和下部轴承部分的轴向截面，其示出目前设置为零度弯度的可调弯曲部分，其中的定速接合轴用于泥浆马达的上部动力部分下面的连接；

图2是图1的弯曲部分和下部轴承部分的透视分解图，其示出可调弯曲部分中含有的电池组合件、电子控制组合件和偏置单元，偏置单元由线性致动器组合件和枢转轴承组合件组成；

图3A是图1和图2的弯曲部分偏置单元的枢转轴承组合件的放大轴向截面，其示出轴向对准的内圈和外圈；

图3B是图3A的枢转轴承组合件的放大轴向截面，其示出用于在图1和图2的弯曲部分与下部轴承部分之间形成弯曲角度的轴向失准的内圈和外圈；

图4是图1的井下工具的偏置单元的透视图，其示出有壳体剖面以揭示内部组件，包括线性致动器、游动滑车和轴承组合件；

图5是图4线性致动器、游动滑车和轴承组合件的轴向截面的放大透视图；

图6是从仰视角度看的图4和图5的偏置单元的分解图，其示出包括上部和下部滚子推力轴承和中心径向滚珠轴承的枢转轴承组合件、固持在马达单元环内以用于使导螺杆旋转的电动马达，在导螺杆上行进且与径向滚珠轴承的内圈啮合的独立游动滑车、和具有防止游动滑车在导螺杆旋转时旋转的槽的游动滑车环；

图7是从俯视角度看的图6的偏置单元的分解图；以及

图8是图1的地面致动的井下可调泥浆马达弯曲接头和下部轴承部分的轴向截面，其示出通过其中的钻进流体流动路径。

具体实施方式

图1和图2说明根据优选实施方案的地面致动的井下可调泥浆马达10。具体地说，图式说明具有定速轴组合件14的可调弯曲部分12和下部轴承部分16。可包括常规泥浆马达动力部分的元件，但图1中不对其进行详细描述。尽管泥浆马达的合适的元件包括容积式Moineau型马达，但适当时可使用包括涡轮型马达的其它动力部分。泥浆马达动力部分和定速轴组合件14可具有本领域技术人员已知的一般设计和构造。

弯曲部分12包括圆柱形壳体20，其具有用于连接至泥浆马达动力部分的定子(未图示)的上部带螺纹的销连接器22。管状电池组合件30和管状电子控制组合件40收纳在壳体20中。电池组合件39和电子控制组合件40界定空心轴向管道35，其以用于预期章动和弯曲角度范围的充足间隙容纳钻井流体流动通过工具和定速轴组合件14。电池组合件30和电子控制组合件40对偏置单元50中的多个电动线性致动器供电且控制所述多个电动线性致动器，如下文中更具体地描述。

偏置单元50包括作用于枢转轴承组合件70上的线性致动器组合件60。下部轴承部分16基本上具有常规设计和构造，不同之处在于其仅经由枢转轴承组合件70的内圈72连接至可调弯曲部分12而不是像典型的一样连接至壳体20。在特定实施方案中，下部轴承部分16包括下部轴承壳体18，其具有通过颈缩直径表征的上端19，上端19螺旋至或用其它方式连接至内圈72。

图3A和图3B解释根据优选实施方案的枢转轴承组合件70的操作。基本上，枢转轴承组合件70是包括外圈74的球形轴承组合件，外圈74在中心点71周围的半径处具有球形轮廓，在其中操作两行桶形滚子76。桶形滚子76又由内圈72导引。球形滚子轴承具有在任一方向上用于径向载荷和轴向载荷的大容量。包括外圈80、内圈82和一行滚珠84的任选径向轴承可包括在桶形滚子76的上行与下行之间。如同外圈74一样，外圈80具有在中心点71周围是球形的轮廓。如轴承设计领域中已知，可能使用或可能不使用罩来导引滚子76和滚珠84。类似地，适当时可使用包括内圈和外圈的整体设计和构造的其它轴承配置，条件是轴承在内圈与外圈之间提供有限失准且耐受所需轴向和径向载荷。

在壳体20内按压外圈74和80。将下部轴承壳体18的上端19固定至内圈72和82。在图3A中，对准内圈72与外圈74，使得下部轴承壳体18与弯曲部分圆柱形壳体20同轴地对准。在图3B中，线性致动器组合件60(图1和图2)在箭头88指示的方向上作用于内圈72、82上以使下部轴承壳体18相对于弯曲部分圆柱形壳体20弯曲角度α。

尽管如上文描述的枢转轴承组合件70允许弯曲部分壳体20与下部轴承壳体部分19之间的相对旋转，但在替代实施方案中，可提供仅允许弯曲部分壳体20与下部轴承壳体部分19之间的铰接而无旋转的轴承组合件。

现在参看图4至图7，偏置单元50包括枢转轴承组合件70，如上文所描述。在所说明的特定实施方案中，枢转轴承组合件70包括相应的上部球形滚子推力轴承90和下部球形滚子推力轴承92，和中心球形滚珠径向轴承94。图4中省略上部推力轴承90的外圈74以揭示线性致动器组合件60与径向轴承组合件的内圈82的交互，如下文所描述。下部推力轴承92的内圈72经由上部颈部分19连接至下部轴承壳体18。

线性致动器组合件60作用于径向轴承94的内圈82上，这使下部推力轴承90、92的内圈72、上部颈部分19和下部轴承壳体18枢转。线性致动器组合件60包括一个，但理想地包括几个线性致动器100，其径向地位于工具中心线周围且被定向用于轴向运动。线性致动器各自适于使游动滑车102移动，游动滑车102与内圈82邻接且转移内圈82上的轴向力。在优选实施方案中，从工具10的顶部到游动滑车与内圈82啮合102的点的距离小于测量的从工具10的顶部到枢转轴承组合件70的枢转点的距离。换句话说，线性致动器作为第1类杠杆作用于枢转点上方以使下部壳体倾斜。

每个线性动器100被个别地控制以更改其相关联的游动滑车102的相对位置，且因此更改工具10的弯度。线性致动器100经由架设通过提供的一个或多个线槽42(图4)、电池组合件30、电子控制组合件40和马达单元环104的线从电池组合件30接收电力且从电子控制组合件40接收控制信号。在优选实施方案中，电子控制组合件40持续地监测当前工具面数据。在任何工具面改变要求的情况下，电子控制组合件40将控制信号发送至个别致动器100以实现所要工具面。

在三个或更多个线性致动器100的情况下，倾斜方向以及倾斜角度两者可由本发明的系统控制。可使用单个致动器100，但此配置将操作者可对倾斜方向进行的控制减到最小。在所说明的实施方案中，使用四个线性致动器100。尽管说明了四个螺钉和游动滑车，但在其它实施方案中，可使用不同的数目，其中较大数目增大操作者对倾斜方向的控制。

在优选实施方案中，每一线性致动器100通常由电动马达108组成，电动马达108使导螺杆110旋转。游动滑车102带螺纹且在马达108旋转时在导螺杆110上行进。电动马达108优选地安装在马达单元环104中。游动滑车环120位于马达单元环104下方。游动滑车环120包括形成穿过其中的孔122，导螺杆110穿过孔122。游动滑车环120的内壁中形成有槽124，且游动滑车102具有互补轴向肋条126，肋条126在槽124内滑动以用于在导螺杆110旋转时防止游动滑车102旋转。

尽管说明了电动马达108和导螺杆110，但在其它实施方案中，可使用其它类型的线性致动器100，如机械领域中的技术人员已知。

在马达单元环104、游动滑车环120和内圈82通道钻井流体内设置具有O形圈或类似密封件132的内部套管130，且防止钻井流体进入线性致动器组合件60。

图8是图1的地面致动的井下可调泥浆马达弯曲接头和下部轴承部分的轴向截面，其中箭头140示出通过其中的钻井流体流动路径。

本公开的摘要仅用于向美国专利和商标局和公众充分地提供根据粗略阅读迅速地确定技术公开内容的本质和要点的方式，且其仅表示一个或多个实施方案。

尽管已详细图示各种实施方案，但本公开不限于所示实施方案。本领域技术人员可想到以上实施方案的修改和适应。此类修改和适应在本公开的精神和范围内。

Claims (20)

1.一种用于连接至钻柱的井下可调弯度工具，其包括：

圆柱形第一壳体，其界定第一纵向轴线；

圆柱形第二壳体，其界定第二纵向轴线；

轴承组合件，其包括内圈和外圈，所述外圈连接至所述第一壳体，所述内圈连接至所述第二壳体，所述轴承组合件包括所述内圈与所述外圈之间的可枢转连接，借此所述第二壳体可围绕垂直于所述第一纵向轴线的轴线相对于所述第一壳体枢转；以及

第一线性致动器，其固定在所述第一壳体内距所述第一纵向轴线的第一径向距离处且被定向用于平行于所述第一纵向轴线的运动，所述第一线性致动器操作地耦合至所述内圈以用于向其施加轴向力，使得所述第一线性致动器的致动使所述第二壳体相对于所述第一壳体枢转。

2.如权利要求1所述的工具，其中：

所述轴承组合件包括径向轴承；且

所述第一线性致动器与所述径向轴承邻接。

3.如权利要求1所述的工具，其进一步包括：

多个线性致动器，其径向地设置在所述第一纵向轴线周围，被定向用于平行于所述第一纵向轴线的运动，且操作地耦合至所述内圈以用于向其施加轴向力；以及

电子控制组合件，其被设计和布置用于提供所述多个线性致动器的协调的致动以使所述第二壳体相对于所述第一壳体在用户能够选择的方向上倾斜用户能够选择的角度。

4.如权利要求3所述的工具，其中：

所述多个线性致动器中的每一者包括耦合至导螺杆以用于其选择性旋转的电动马达和螺旋至所述导螺杆以用于线性平移的游动滑车；且

多个所述游动滑车与所述内圈啮合。

5.如权利要求4所述的工具，其中所述多个线性致动器中的每一者进一步包括：

轨道和槽，其耦合在所述游动滑车与所述第一壳体之间，所述轨道被设计尺寸以在所述槽内滑动；借此

防止每一游动滑车随其相应的所述导螺杆一起旋转。

6.如权利要求5所述的工具，其进一步包括：

游动滑车环，其界定其中形成有多个所述槽的内部圆柱形壁。

7.如权利要求1所述的工具，其进一步包括：

定速轴组合件，其设置在所述第一壳体内；

泥浆马达动力部分，其耦合至所述第一壳体的上端；以及

泥浆马达下部轴承部分，其设置在所述第二壳体内。

8.如权利要求1所述的工具，其中：

所述轴承组合件界定枢转点；

所述第一壳体位于所述第二壳体上方；且

所述第一线性致动器与所述内圈啮合的点位于所述枢转点上方。

9.如权利要求1所述的工具，其进一步包括：

电池组合件，其位于所述第一壳体内且电耦合至所述第一线性致动器以用于对所述第一线性致动器供电。

10.如权利要求1所述的工具，其中：

所述轴承组合件是球形轴承组合件。

11.如权利要求1所述的工具，其中：

所述轴承组合件包括第一和第二推力轴承。

12.一种用于调整弯曲接头的弯度的方法，其包括：

提供弯曲接头，所述弯曲接头具有：圆柱形第一壳体，其界定第一纵向轴线；圆柱形第二壳体，其界定第二纵向轴线；轴承组合件，其界定内圈和外圈，所述轴承组合件准许所述内圈与所述外圈之间的围绕枢转点的枢转，所述外圈连接至所述第一壳体，所述内圈连接至所述第二壳体，借此所述第二壳体能够围绕垂直于所述第一纵向轴线的轴线相对于所述第一壳体枢转；以及

将轴向力施加至距所述第一纵向轴线为第一径向距离的所述内圈，以使所述第二壳体相对于所述第一壳体枢转。

13.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：

提供第一线性致动器，所述第一线性致动器固定在所述第一壳体内距所述第一纵向轴线的所述第一径向距离处且被定向用于平行于所述第一纵向轴线的运动，所述第一线性致动器操作地耦合至所述内圈以用于向其施加轴向力；以及

致动所述第一线性致动器以使所述第二壳体相对于所述第一壳体枢转。

14.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：

提供多个线性致动器，所述多个线性致动器径向地设置在所述第一纵向轴线周围，被定向用于平行于所述第一纵向轴线的运动，且操作地耦合至所述内圈以用于向其施加轴向力；以及

提供电子控制组合件，所述电子控制组合件被设计和布置用于所述多个线性致动器的协调的致动；

借助所述电子控制组合件控制所述多个线性致动器以使所述第二壳体相对于所述第一壳体在用户能够选择的方向上倾斜用户能够选择的角度。

15.如权利要求14所述的方法，其中：

所述多个线性致动器中的每一者包括耦合至导螺杆以用于其选择性旋转的电动马达和螺旋至所述导螺杆以用于线性平移的游动滑车；且

多个所述游动滑车与所述内圈啮合。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述多个线性致动器中的每一者进一步包括：

轨道和槽，其耦合在所述游动滑车与所述第一壳体之间，所述轨道被设计尺寸以在所述槽内滑动；借此

防止每一游动滑车随其相应的所述导螺杆一起旋转。

17.如权利要求16所述的方法，其进一步包括：

提供游动滑车环，所述游动滑车环界定其中形成有多个所述槽的内部圆柱形壁。

18.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：

提供定速轴组合件，所述定速轴组合件设置在所述第一壳体内；

提供泥浆马达动力部分，所述泥浆马达动力部分耦合至所述第一壳体的上端；以及

提供泥浆马达下部轴承部分，所述泥浆马达下部轴承部分设置在所述第二壳体内；以及

调整所述动力部分与所述下部轴承部分之间的弯曲角度。

19.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：

将所述第一壳体定位在所述第二壳体上方；以及

在所述轴承组合件的所述枢转点上方的点处通过所述第一线性致动器来啮合所述内圈。

20.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：

在所述第一壳体内提供电池组合件；以及

通过所述电池组合件对所述第一线性致动器供电。