CN105525872B - 静态推靠式旋转导向装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静态推靠式旋转导向装置，其包括：具有中心通道的芯轴，在芯轴的外壁上开设有周向凹槽；套接在周向凹槽内并且能够独立转动的外套；能够切断或传递芯轴向外套输入的动力的离合器。根据本发明的静态推靠式旋转导向装置在稳斜段、竖直段和水平段中不需要提供偏向力时既不会降低其的转动惯量，也不会降低其内部的能量贮藏，从而利于处于其下游的钻头高效稳定的钻井。

Description

静态推靠式旋转导向装置

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种静态推靠式旋转导向装置。

背景技术

在钻井技术领域中，旋转导向钻井系统得到了广泛的应用，旋转导向系统可以在旋转钻井过程中根据轨迹控制的需要，实时调节井斜和方位，具有井眼轨迹控制精度高、钻出的井眼圆滑、摩阻小、扭矩小、钻井极限位移大、钻井事故少、钻井速度快及钻井成本低等优点，因此其可以满足水平井、大位移井和三维多目标井等高难度特殊工艺井导向钻井的需求。

旋转导向钻井系统的工作机理都是依靠旋转导向装置的偏置导向机构使钻头或钻柱发生方向偏移，从而产生导向。根据导向方式的不同，该旋转导向装置可划分为推靠式和指向式两种。推靠式是在钻头附近直接给钻头提供侧向力，指向式是弯曲钻头附近处的钻柱以使钻头指向井眼轨迹控制方向。同时，根据偏置导向机构的工作方式又可分为静态偏置式和动态偏置式两种。静态偏置式是指偏置导向机构在钻进过程中不与钻柱一起旋转，从而在某个固定方向上提供侧向力；动态偏置式是指偏置导向机构在钻进过程中与钻柱一起旋转，依靠控制系统使其在某个位置定向支出提供导向力。然而，由于静态推靠式旋转导向装置的部分性能优越于其他类型的旋转导向装置，使得静态推靠式旋转导向装置得到了广泛应用。

然而，现有的静态推靠式旋转导向装置还存在很大的缺点。虽然该静态推靠式旋转导向装置在造斜段中可以提供精准、充足的偏向力，但是在稳斜段、竖直段和水平段中不需要提供偏向力时会降低其的转动惯量，降低其内部的能量贮藏，从而不利于钻头高效稳定的钻井，尤其是在深井、大位移井中影响更加突出。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种静态推靠式旋转导向装置，其在稳斜段、竖直段和水平段中不需要提供偏向力时既不会降低其的转动惯量，也不会降低其内部的能量贮藏，从而利于钻头高效稳定的钻井。

本发明提供了一种静态推靠式旋转导向装置，其包括：具有中心通道的芯轴，在芯轴的外壁上开设有周向凹槽；套接在周向凹槽内并且能够独立转动的外套；能够切断或传递芯轴向外套输入的动力的离合器。

在一个实施例中，离合器包括设在芯轴与外套之间且分别用于促动芯轴和外套转动的主动件和从动件，以及设置在外套内并用于促动从动件与主动件相互分离或接合的推动单元。

在一个实施例中，推动单元为至少一个直线电机或能够由液压动力源驱动的至少一个离合器液压缸。

在一个实施例中，主动件与从动件分别为能够相互啮合的齿轮、相互配合的花键件或相互摩擦的摩擦轮。

在一个实施例中，从动件通过设置在外套内的离合器液压缸的活塞杆固定在外套的端部外，而主动件固定于周向凹槽的槽侧壁，以便离合器液压缸的活塞杆能够在伸缩运动后促使从动件与主动件相接合或分离。

在一个实施例中，在外套的内壁与芯轴的周向凹槽的槽底面之间设有径向轴承，而在外套的两端与周向凹槽的槽侧壁之间分别设有推力轴承，主动件与从动件均处于推力轴承的径向内侧或径向外侧。

在一个实施例中，静态推靠式旋转导向装置还包括用于提供侧向力的偏置导向机构和能够控制偏置导向机构和离合器的测控机构，以及用于提供电力的供电机构。

在一个实施例中，偏置导向机构包括沿周向间隔开地设置在外套的外壁内的多个摆动式翼肋，以便提供导向时所需的侧向力。

在一个实施例中，偏置导向机构还包括能够由液压动力源驱动并能促动摆动式翼肋进行摆动的翼肋液压缸。

在一个实施例中，测控机构包括连接在液压动力源和翼肋液压缸之间的翼肋控制单元和连接在液压动力源和离合器液压缸之间的离合器控制单元，以及用于检测离合器液压缸内的流体的压力的第一压力传感器和用于检测翼肋液压缸内的流体的压力的第二压力传感器。

在本申请中，所述的上游定义为靠近井口的方向，而所述下游定义为远离井口的方向。

根据本发明的静态推靠式旋转导向装置可以通过离合器切断或传递芯轴向外套输入的动力，当钻井过程需要导向时，该静态推靠式旋转导向装置可以切断芯轴向外套输入的动力，允许外套不跟随芯轴进行旋转而是相对于井壁静止，从而保证该静态推靠式旋转导向装置提供的偏向力精准充足，以便钻头顺利进行方向偏移；当钻井过程不需要导向时，该静态推靠式旋转导向装置可以把芯轴动力传递给外套，促使外套跟随芯轴同步旋转，提高该旋转导向装置的转动惯量，增加其能量贮藏，有利于钻头高效稳定的钻井。

根据本发明的静态推靠式旋转导向装置的结构简单紧凑，加工方便，装配容易，使用安全高效，便于实施推广应用。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为根据本发明的静态推靠式旋转导向装置的结构示意图；

图2显示了根据本发明的静态推靠式旋转导向装置的离合器及芯轴；以及

图3为根据本发明的静态推靠式旋转导向装置的部分电路和液压的综合图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1显示了根据本发明的静态推靠式旋转导向装置100(以下简称旋转导向装置100)。该旋转导向装置100能够促动钻头或钻柱顺利进行方向偏移，从而产生导向作用。

该旋转导向装置100包括具有中心通道12a的芯轴12。芯轴12的上游端(图1中靠近左侧的端部)可通过螺纹结构与钻具或泥浆马达相连，而下游端(图1中靠近右侧的端部)也可通过螺纹结构与钻杆或钻头的转换接头相连。在芯轴12的外壁上开设有周向凹槽12b。周向凹槽12b可处于芯轴12的中央处，其由两个环形的槽侧壁和槽底面组成。

该旋转导向装置100还包括套接在周向凹槽12b内并且能够独立转动的外套14。为了安装外套14，芯轴12需要构造成由两个彼此可拆分的部分组成。在外套14的内壁与芯轴12的周向凹槽12b的槽底面之间设有径向轴承(例如深沟球轴承)，以便允许外套14进行独立转动。同时，在外套14的上游端与周向凹槽12b的槽侧壁之间设有推力轴承19，在外套14的下游端与周向凹槽12b的另个槽侧壁之间也设有推力轴承19，以便向芯轴12提供轴向支撑，使其能够承受钻压、钻具重量等。

根据本发明，该旋转导向装置100还包括能够切断或传递芯轴12向外套14输入的动力的离合器18。现有的静态推靠式旋转导向装置为了保证其可以在造斜段中提供精准、充足的偏向力，需要把其芯轴构造成能够相对于外套始终独立旋转。然而，由于该旋转导向装置在稳斜段、竖直段和水平段中不需要提供偏向力，因此不能跟随芯轴转动的外套会降低该装置的转动惯量，降低其内部能量贮藏，从而不利于钻头高效稳定的钻井，尤其是在深井、大位移井中影响更加突出。而本发明改进的旋转导向装置100可以通过离合器18切断或传递芯轴12向外套14输入的动力，当钻井过程需要导向时，该旋转导向装置100可以切断芯轴12向外套14输入的动力，允许外套14不跟随芯轴12进行旋转而是相对于井壁静止，从而可以保证该旋转导向装置100提供的偏向力精准充足，以便钻头顺利进行方向偏移；当钻井过程不需要导向时，该旋转导向装置100可以把芯轴12动力传递给外套14，促使外套14跟随芯轴12进行同步旋转，提高该旋转导向装置100的转动惯量，增加其能量贮藏，从而有利于钻头高效稳定的钻井。

如图2所示，该离合器18可包括设在芯轴12与外套14之间的主动件21和从动件20，以及促动主动件21与从动件20相互分离或接合的推动单元19。推动单元19通过主动件21与从动件20的分离或接合，可以实现芯轴12与外套14之间的动力的切断和接合。

推动单元19可为至少一个直线电机、液压缸或电磁位移机构。在该实施例中，推动单元19包括能由液压动力源45驱动的至少一个离合器液压缸180(见图3)。该离合器液压缸180能够带动从动件20与主动件21进行分离或接合，以便实现芯轴12与外套14之间的动力的切断和接合。从动件20与主动件21均设置在推力轴承19的径向外侧或径向内侧。从动件20与主动件21分别可选为能够相互啮合的齿轮、相互配合的花键件或相互摩擦的摩擦轮。

需要说明的是，所述的芯轴12与外套14之间包括轴向之间(即外套14的内壁与芯轴12的周向凹槽12b的槽底面之间)和径向之间(即外套14的端部与周向凹槽12b的槽侧壁之间)。主动件21与从动件20既可以设置在径向之间，也可设置在轴向之间。当主动件21与从动件20被设置在径向之间时，从动件20通过设置在外套14内的离合器液压缸180的活塞杆固定在外套14的端部外，而主动件21固定于周向凹槽12b的槽侧壁，以便该离合器液压缸180的活塞杆能够在伸缩运动后促使从动件20与主动件21进行接合或分离。当主动件21与从动件20被设置在轴向之间时，主动件21可选择成能够被设置在外套14内的离合器液压缸180的活塞杆沿径向推出的凸起，以便其可以进入到形成在周向凹槽12b的槽底面上的凹陷(即主动件21)内，从而实现从动件20与主动件21的分离或接合。

根据本发明的静态推靠式旋转导向装置100还包括提供侧向力的偏置导向机构30、能够控制偏置导向机构30和离合器18的测控机构40以及为该旋转导向装置100提供电能的供电机构。所述供电机构属于本领域技术人员熟知的，在此不作详细描述。

偏置导向机构30包括沿周向间隔开地设置在外套14的外壁内的摆动式翼肋17。摆动式翼肋17能够在摆动后把其端部抵靠于井壁，以便提供侧向力。为了促动该摆动式翼肋17，该偏置导向机构30还包括由液压动力源45驱动的能促动摆动式翼肋17进行摆动的翼肋液压缸170。该翼肋液压缸170可由直线电机或电磁位移机构来替换。但是相比于直线电机和电磁位移机构，该翼肋液压缸170可提供更大的侧向力。翼肋液压缸170所应用的液压动力源45和离合器液压缸180所应用的液压动力源45驱动可合为一个，并优选为与油箱相连的液压泵。通过这种方式，便于促使结构变得简单紧凑，从而方便加工制造，节约成本。

如图3所示，测控机构40包括连接在液压动力源45和翼肋液压缸170之间的翼肋控制单元171，以便其可以及时、准确地控制摆动式翼肋17的摆开程度，从而在导向时提供所需的侧向力。该测控机构40还包括连接在液压动力源45和离合器液压缸180之间的离合器控制单元181，以便其可以及时控制离合器18的分离和接合。其中，所述的翼肋控制单元171和离合器控制单元181均属于本领域技术人员熟知的，在此不作详细描述。

为了便于更加精准地控制离合器18和摆动式翼肋17，该测控机构40还包括用于检测离合器液压缸180内的流体的压力的第一压力传感器41和用于检测输翼肋液压缸170内的流体的压力的第二压力传感器42。由此，该测控机构40能够对摆动式翼肋17的展开程度和离合器的工作状态进行实时监控和调节。

测控机构40还包括三轴加速度传感器、测量处理电路、电机驱动器、控制器46等。三轴加速度传感器用于检测旋转该旋转导向装置100的空间姿态，包括其所处位置的井斜角、各摆动式翼肋17的工具面角。三轴加速度计和各压力传感器通过控制器46进行快速计算，得到旋转导向工具的空间姿态以及摆动式翼肋17所受液压力大小。控制器46还实时监测液压动力源45的工作状态，根据每个翼肋液压缸170的液压力大小，通过相应的控制算法，调整该液压动力源45，促使各摆动式翼肋17分别进行相应摆动。所述的三轴加速度传感器、测量处理电路、电机驱动器、控制器均属于本领域技术人员熟知的，在此不作更详细描述。

以下介绍根据本发明的静态推靠式旋转导向装置100的工作原理。在旋转导向装置100开启后，测控机构40的控制器46将通过离合器控制单元181来控制离合器18切断芯轴12向外套14输入的动力，然后通过翼肋控制单元171来控制翼肋液压缸170分别促动各摆动式翼肋17进行相应摆开，以便提供导向所需的侧向力。当导向完成后，控制器46通过离合器控制单元181来控制离合器18传动芯轴12向外套14输入的动力，促使外套14跟随芯轴12进行同步旋转，提高该旋转导向装置100的转动惯量，增加其能量贮藏，从而有利于钻头高效稳定的钻井。

根据本发明的静态推靠式旋转导向装置100在稳斜段、竖直段和水平段中不需要提供偏向力时既不会降低其的转动惯量，也不会降低其内部的能量贮藏，从而利于处于其下游的钻头高效稳定的钻井。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种静态推靠式旋转导向装置，包括：

具有中心通道的芯轴，在所述芯轴的外壁上开设有周向凹槽；

套接在所述周向凹槽内并且能够独立转动的外套；以及

能够切断或传递所述芯轴向所述外套输入的动力的离合器，

还包括用于提供侧向力的偏置导向机构和能够控制所述偏置导向机构和离合器的测控机构，以及用于提供电力的供电机构，所述偏置导向机构包括沿周向间隔开地设置在所述外套的外壁内的多个摆动式翼肋，以便提供导向时所需的侧向力。

2.根据权利要求1所述的静态推靠式旋转导向装置，其特征在于，所述离合器包括设在所述芯轴与外套之间且分别用于促动所述芯轴和外套转动的主动件和从动件，以及设置在所述外套内的用于促动所述从动件与所述主动件相互分离或接合的推动单元。

3.根据权利要求2所述的静态推靠式旋转导向装置，其特征在于，所述推动单元为至少一个直线电机或能够由液压动力源驱动的至少一个离合器液压缸。

4.根据权利要求3所述的静态推靠式旋转导向装置，其特征在于，所述主动件与从动件分别为能够相互啮合的齿轮、相互配合的花键件或相互摩擦的摩擦轮。

5.根据权利要求4所述的静态推靠式旋转导向装置，其特征在于，所述从动件通过设置在所述外套内的所述离合器液压缸的活塞杆固定在所述外套的端部外，而所述主动件固定在所述周向凹槽的槽侧壁，以便所述离合器液压缸的活塞杆能够在伸缩运动后促使所述从动件与所述主动件相接合或分离。

6.根据权利要求2到5中任一项所述的静态推靠式旋转导向装置，其特征在于，在所述外套的内壁与所述芯轴的所述周向凹槽的槽底面之间设有径向轴承，而在所述外套的两端与所述周向凹槽的槽侧壁之间分别设有推力轴承，所述主动件与从动件均处于所述推力轴承的径向内侧或径向外侧。

7.根据权利要求3所述的静态推靠式旋转导向装置，其特征在于，所述偏置导向机构还包括能够由所述液压动力源驱动并能促动所述摆动式翼肋进行摆动的翼肋液压缸。

8.根据权利要求7所述的静态推靠式旋转导向装置，其特征在于，所述测控机构包括连接在所述液压动力源和翼肋液压缸之间的翼肋控制单元和连接在所述液压动力源和离合器液压缸之间的离合器控制单元，以及用于检测所述离合器液压缸内的流体的压力的第一压力传感器和用于检测所述翼肋液压缸内的流体的压力的第二压力传感器。