CN106677703B - 一种动态指向式旋转导向钻井工具偏心机构 - Google Patents

Abstract

一种动态指向式旋转导向钻井工具偏心机构，外偏心环无框直驱电机编码器与外偏心环法兰连接，外偏心环法兰与外偏心环无框直驱电机相连，外偏心环无框直驱电机转子与外偏心环相连接，外偏心环的外壁与外偏心环保持轴承相配合，外偏心环保持轴承外壁与旋转外套内壁配合，外偏心环内壁与内外偏心环配合轴承外壁相配合，内外偏心环配合轴承的内壁与内偏心环外壁相配合，内偏心环的内壁与内偏心环保持轴承外壁相配合，内偏心环无框直驱电机转子与内偏心环法兰连接，内偏心环法兰与内偏心环无框直驱电机编码器连接；偏心机构主要通过控制无框直驱电机实现对内外偏心环的控制，从而实现工具的导向，能实现井眼轨迹的精确控制。

Description

一种动态指向式旋转导向钻井工具偏心机构

技术领域

本发明涉及钻探领域的一种旋转导向钻井工具，特别涉及一种动态指向式旋转导向钻井工具偏心机构。

背景技术

目前的井下旋转导向钻井工具按工作方式基本可以分为：静态偏置推靠式、动态偏置推靠式、静态偏置指向式和动态偏置指向式四类。静态偏置推靠式缺点是小型化能力差、结构复杂等；动态偏置推靠式缺点是钻头和钻头轴承的磨损较严重,工作寿命短；静态偏置指向式缺点是芯轴承受高强度的交变应力,芯轴容易发生疲劳破坏。动态指向式旋转导向钻井工具作为一种最新的设计理念，代表了当今世界钻井技术发展的最高水平。

在国内一些研究机构所研究的指向式旋转导向钻井工具，还停留在静态偏置指向式，而且结构复杂，加工和装配困难；工具中的控制电机属于开环控制，控制不够精准。例如天津大学发明了一种静态指向式旋转导向工具，使用伺服电机带动少齿差偏心行星轮系实现芯轴的偏置，通过采用中空万向连轴节连接钻柱和芯轴，改善了芯轴的受力状况，但是空间结构复杂，芯轴指向精度一般，伺服电机处于开环状态，控制不够精准。

申请号为2015108646986的发明专利提出了一种动态指向式旋转导向钻井工具，该钻井工具主要包括旋转外套、偏心机构、导向轴、扭矩传递机构和密封装置。该专利对一种动态指向式旋转导向钻井工具整体进行了介绍，并未对钻井工具偏心机构的具体结构进行说明。为了使这种钻井工具达到加工装配性能良好，实现预定功能，实现工具的商业化，依据目前现有技术和发展方向，对该专利提出的一种动态指向式旋转导向钻井工具的偏心机构进行了研究并加以改进，使其更具有实用性。希望经过不断的研究，反复试做样机，最终设计出确具实用价值的本发明。

发明内容

为了克服目前技术上存在的问题，本发明提供了一种动态指向式旋转导向钻井工具偏心机构，该工具通过采用编码器测量反馈实现无框直驱电机动态闭环控制，编码器与无框直驱电机之间采用法兰过渡，再由无框直驱电机直接驱动偏心机构控制导向轴偏置，偏心环采用阶梯状套筒结构，并配合相应的轴承，解决了加工问题，确保了无框直驱电机的正常工作，极大程度的利用了工具空间尺寸，并且能很好的实现内外偏心环配合偏置，保证芯轴连续稳定无间隙变化，指向精度高；改善了钻具的受力状况，具有更长的使用寿命；本发明的工具不受地层复杂性的影响，能够实现井眼轨迹的精确控制；同时具有响应的快速性、较高的可靠性和良好的稳定性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种动态指向式旋转导向钻井工具偏心机构，包括外偏心环无框直驱电机编码器8，外偏心环无框直驱电机编码器8的右端与外偏心环法兰9的左端连接，外偏心环法兰9的右端与外偏心环无框直驱电机10转子左端相连接，外偏心环无框直驱电机10转子右端与外偏心环11相连接，外偏心环11的外壁与外偏心环保持轴承12相配合，外偏心环保持轴承12外壁与旋转外套3内壁配合，外偏心环11内壁与内外偏心环配合轴承13外壁相配合，内外偏心环配合轴承13的内壁与内偏心环14外壁相配合，内偏心环14的内壁与内偏心环保持轴承15外壁相配合，内偏心环14的右端外壁与内偏心环无框直驱电机16转子相连接，内偏心环无框直驱电机16转子右端与内偏心环法兰17左端连接，内偏心环法兰17右端与内偏心环无框直驱电机编码器18左端连接。

所述外偏心环11，形状为四级阶梯状套筒，最大直径阶梯套筒19内壁制造为偏心孔，并且直接与内偏心环无框直驱电机16定子相配合，近最大直径阶梯套筒的中间阶梯套筒20与外偏心环保持轴承12配合，近直径最小阶梯套筒的中间套筒21，周向均布有6个螺纹孔，通过螺钉与外偏心环无框直驱电机10的转子相连接，将外偏心环无框直驱电机10的转子的运动传递给外偏心环11；直径最小阶梯套筒22插入外偏心环无框直驱电机10的转子内部，对外偏心环无框直驱电机10的转子起到支撑作用。

所述内偏心环14，形状为三级阶梯状套筒，最左端阶梯套筒23内壁制造为偏心孔结构，偏心孔结构通过内偏心环保持轴承15与芯轴1配合，为整个内偏心环14起到周向支撑作用，中间阶梯套筒24与最左端阶梯套筒23之间的凸台端面为内外偏心环配合轴承13起到限位作用，最右端阶梯套筒25插入内偏心环无框直驱电机16的转子内部，为内偏心环无框直驱电机16的转子起到支撑作用。

所述外偏心环法兰9，形状为二级阶梯状套筒，大直径阶梯套筒26的凸台端面均布有6个螺纹孔，通过螺钉与外偏心环无框直驱电机编码器8上的螺纹孔相接；小直径阶梯套筒27的凸台端面均布6个螺纹孔，通过螺钉与外偏心环无框直驱电机10转子上的螺纹孔相接。

所述内偏心环法兰17，形状为二级阶梯状套筒，大直径阶梯套筒28的凸台端面均布有6个螺纹孔，通过螺钉与内偏心环无框直驱电机编码器18上的螺纹孔相接；小直径阶梯套筒29的凸台端面均布6个螺纹孔，通过螺钉与内偏心环无框直驱电机16转子上的螺纹孔相接。

所述内偏心环保持轴承15选用调心滚子轴承。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明一种动态指向式旋转导向钻井工具偏心机构是对申请号为2015108646986的发明专利的完善，实现了无框直驱电机的动态闭环控制，解决了加工问题，确保了无框直驱电机的正常工作，极大程度的利用了工具空间尺寸，并且能很好的实现内外偏心环配合偏置，保证芯轴连续稳定无间隙变化，指向精度高；改善了钻具的受力状况，具有更长的使用寿命；本发明的工具不受地层复杂性的影响，能实现井眼轨迹的精确控制；同时具有响应的快速性、较高的可靠性和良好的稳定性。

本发明具有的优点和积极效果是：

(1)采用无框直驱电机与内外偏心环直接相连，无框直驱电机直接驱动内外偏心环，实现芯轴的偏置，使该工具简化了结构形状尺寸，极大的减小了机构尺寸，且偏置调节过程连续无间隙；改善了钻具的受力状况，具有更长的寿命；不受地层复杂性的影响，能实现井眼轨迹的精确控制；同时具有响应的快速性、较高的可靠性和良好的稳定性。

(2)采用编码器作为测量反馈元件，实现了无框直驱电机的闭环控制。又由于无框直驱电机与内外偏心环直接相连，即实现了对内外偏心环的闭环控制。

(3)通过内外偏心环法兰将编码器与无框直驱电机相连，起到桥梁作用，使得编码器能够实现预定的功能。

(4)通过控制偏心环实现芯轴的偏置，由内外偏心环的不同组合得到不同的造斜率，在实际使用中不需要提钻即可实现多种工作状态，达到增斜、降斜和稳斜的目的。

(5)内外偏心环均采用阶梯状套筒，并配合了相应的轴承，解决了加工问题，确保了无框直驱电机的正常工作，极大程度的利用了工具空间尺寸，并且能很好的实现内外偏心环配合偏置。

(6)内偏心环保持轴承15选用调心滚子轴承，该轴承既能实现周向旋转运动，又能实现轴向偏摆运动。该轴承的选用，极大的减少了工具内部的空间和工具零件的加工难度。

附图说明

图1是本发明应用在一种动态指向式旋转导向钻井工具中的总体示意图。

图2是本发明偏心机构的结构剖视图。

图3是本发明偏心机构偏心环零偏置状态。

图4是本发明偏心机构偏心环极大偏置状态。

图5是本发明外偏心环结构示意图，其中图5(a)是主视图，图5(b)是后视图。

图6是本发明内偏心环结构示意图。

图7是本发明外偏心环法兰结构示意图。

图8是本发明内偏心环法兰结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

本发明应用在申请号为2015108646986一种动态指向式旋转导向钻井工具中，参照图1，所述的一种动态指向式旋转导向钻井工具，包括旋转外套3，在旋转外套3内从左至右依次连接有芯轴1、密封机构2、扭矩传递机构4、钻压传递机构5、偏心机构6、电子仓7。

参照图2，所述的偏心机构6包括外偏心环无框直驱电机编码器8、外偏心环法兰9、外偏心环无框直驱电机10、外偏心环11、外偏心环保持轴承12、内外偏心环配合轴承13、内偏心环14、内偏心环保持轴承15、内偏心环无框直驱电机16、内偏心环法兰17、内偏心环无框直驱电机编码器18。外偏心环无框直驱电机编码器8可以测量外偏心环无框直驱电机10的转速与转角，直接可以上传至上位机，实现外偏心环无框直驱电机10的动态闭环控制。外偏心环无框直驱电机编码器8的右端与外偏心环法兰9的左端连接，外偏心环法兰9的右端与外偏心环无框直驱电机10转子左端相连接。外偏心环无框直驱电机10转子右端与外偏心环11相连接。外偏心环11的外壁与外偏心环保持轴承12相配合，外偏心环保持轴承12外壁与旋转外套3内壁配合，外偏心环保持轴承12为外偏心环11起到周向定位作用，使得外偏心环无框直驱电机10可以稳定工作，确保了外偏心环11的运动轨迹。外偏心环11内壁与内外偏心环配合轴承13外壁相配合，内外偏心环配合轴承13的内壁与内偏心环14外壁相配合，内偏心环14的内壁与内偏心环保持轴承15外壁相配合。内外偏心环配合轴承13和内偏心环保持轴承15共同配合使得内偏心环无框直驱电机16可以稳定工作，确保了内偏心环14的运动轨迹。内偏心环14的右端外壁与内偏心环无框直驱电机16转子相连接，内偏心环无框直驱电机16转子右端与内偏心环法兰17左端连接。内偏心环法兰17右端与内偏心环无框直驱电机编码器18左端连接。内偏心环无框直驱电机编码器18可以测量内偏心环无框直驱电机16的转速与转角，直接可以上传至上位机，实现内偏心环无框直驱电机16的动态闭环控制。

参照图5，所述外偏心环11，形状为四级阶梯状套筒，最大直径阶梯套筒19内壁制造为偏心孔，实现外偏心环11偏心作用，并且直接与内偏心环无框直驱电机16定子相配合，通过内外偏心环配合轴承13与内偏心环14配合，实现内外偏心环之间的配合偏置。近最大直径阶梯套筒的中间阶梯套筒20与外偏心环保持轴承12配合，利用与最大直径阶梯套筒19之间的凸台端面为外偏心环保持轴承12起限位作用，并为整个套筒在周向起支撑作用，使得外偏心环无框直驱电机10能够正常工作，保证了外偏心环11运动轨迹始终沿着周向旋转。近直径最小阶梯套筒的中间套筒21，周向均布有6个螺纹孔，通过螺钉与外偏心环无框直驱电机10的转子相连接，将外偏心环无框直驱电机10的转子的运动传递给外偏心环11。直径最小阶梯套筒22插入外偏心环无框直驱电机10的转子内部，对外偏心环无框直驱电机10的转子起到支撑作用。这样设计的主要目的是在实现外偏心环11的基本功能的同时，充分利用工具空间，极大的减少空间尺寸。

参照图6，所述内偏心环14，形状为三级阶梯状套筒，最左端阶梯套筒23内壁制造为偏心孔结构，实现内偏心环14偏心作用，偏心孔结构再通过内偏心环保持轴承15与芯轴1配合，为整个内偏心环14起到周向支撑作用，使得内偏心环无框直驱电机16能够正常工作，保证了内偏心环14运动轨迹始终沿着周向旋转。外壁通过内外偏心环配合轴承13与外偏心环11配合，实现内外偏心环之间的配合偏置。中间阶梯套筒24与最左端阶梯套筒23之间的凸台端面为内外偏心环配合轴承13起到限位作用。最右端阶梯套筒25插入内偏心环无框直驱电机16的转子内部，为内偏心环无框直驱电机16的转子起到支撑作用。

参照图7，所述外偏心环法兰9，形状为二级阶梯状套筒，大直径阶梯套筒26的凸台端面均布有6个螺纹孔，通过螺钉与外偏心环无框直驱电机编码器8上的螺纹孔相接。小直径阶梯套筒27的凸台端面均布6个螺纹孔，通过螺钉与外偏心环无框直驱电机10转子上的螺纹孔相接。起到外偏心环无框直驱电机编码器8与外偏心环无框直驱电机10之间的桥梁作用，使得外偏心环无框直驱电机编码器8能够正常工作，尺寸上也进行了优化，使得工具空间尺寸最小化。

参照图8，所述内偏心环法兰17，形状为二级阶梯状套筒，大直径阶梯套筒28的凸台端面均布有6个螺纹孔，通过螺钉与内偏心环无框直驱电机编码器18上的螺纹孔相接。小直径阶梯套筒29的凸台端面均布6个螺纹孔，通过螺钉与内偏心环无框直驱电机16转子上的螺纹孔相接。起到内偏心环无框直驱电机16与内偏心环无框直驱电机编码器18之间的桥梁作用，使得外偏心环无框直驱电机编码器8能够正常工作，尺寸上也进行了优化，使得工具空间尺寸最小化。

所述内偏心环保持轴承15选用调心滚子轴承，该轴承既能实现周向旋转运动，又能实现轴向偏摆运动。该轴承的选用，极大的减少了工具内部的空间和工具零件的加工难度。

本发明的工作原理:

在无框直驱电机工作的情况下，通过对应的编码器进行测量，将无框直驱电机的实际转速和位置反馈给上位机，上位机通过对数据的处理，将指令再发给无框直驱电机，进行调节，实现了无框直驱电机的动态闭环控制。又由于无框直驱电机与偏心环直接连接，也即实现了偏心环的动态闭环控制。

采用外偏心环保持轴承12与外偏心环11外壁配合，对外偏心环11起到周向支撑作用，使得外偏心环无框直驱电机10可以正常工作。外偏心环11内壁，通过内外偏心环配合轴承13与内偏心环14外壁配合，外偏心环11的内壁同时与内偏心环无框直驱电机16定子相配合，使得内外偏心环可以配合使用，实现对芯轴1的偏置。内偏心环14的内壁通过内偏心环保持轴承15与芯轴1相连接，实现了对内偏心环14的周向支撑，确保了内偏心环无框直驱电机16的正常工作。

当外偏心环无框直驱电机10的转速与外套转速保持一致时，外偏心环11相对大地静止。由于内偏心环无框直驱电机16固定在外偏心环11，当内偏心环无框直驱电机16无转动时，内偏心环14相对大地静止。此时内偏心环无框直驱电机16直接驱动内偏心环14为整个偏心机构提供动力。芯轴1在内偏心环14的带动下，绕转动支点即扭矩传递机构4产生一定的偏角，实现芯轴1偏置角的偏置。

在内偏心环无框直驱电机16不转动的情况下，内偏心环14无转动。外偏心环无框直驱电机10直接驱动外偏心环11为整个偏心机构提供动力。芯轴1在外偏心环11的带动下，绕转动支点即扭矩传递机构4转过一定的角度，实现芯轴1方位角的偏置。

在两个无框直驱电机同时转动的情况下，外偏心环11和内偏心环14同时转动，能更快速有效的实现芯轴1的偏置位移从零到最大值的之间的连续调节。如图3所示，外偏心环11绕O点旋转，内偏心环14绕O₁点旋转，O₂为内偏心环偏心孔的中心即芯轴1的中心线在A-A截面的位置，合偏心距为O-O₂。当外偏心环11和内偏心环14方向相反时，O点与O₂点重合，偏心距相互抵消，可实现图3所示的零偏置状态；当外偏心环11和内偏心环14的偏心方向相同时，合偏心距O-O₂距离最大，偏心机构产生最大偏心位移，可实现图4所示的极大偏置状态。

综上所述，对本发明进行了详细的描述，上述的内容仅是示意性的，通过采用编码器测量反馈实现无框直驱电机动态闭环控制，编码器与无框直驱电机之间采用法兰过渡，再由无框直驱电机直接驱动偏心机构控制导向轴偏置。偏心环采用阶梯状套筒结构，并配合相应的轴承，解决了加工问题，确保了无框直驱电机的正常工作，极大程度的利用了工具空间尺寸，并且能很好的实现内外偏心环配合偏置，保证芯轴连续稳定无间隙变化，指向精度高；改善了钻具的受力状况，具有更长的使用寿命；本发明的工具不受地层复杂性的影响，能实现井眼轨迹的精确控制；同时具有响应的快速性、较高的可靠性和良好的稳定性。

Claims (2)

1.一种动态指向式旋转导向钻井工具偏心机构，其特征在于，包括外偏心环无框直驱电机编码器(8)，外偏心环无框直驱电机编码器(8)的右端与外偏心环法兰(9)的左端连接，外偏心环法兰(9)的右端与外偏心环无框直驱电机(10)转子左端相连接，外偏心环无框直驱电机(10)转子右端与外偏心环(11)相连接，外偏心环(11)的外壁与外偏心环保持轴承(12)相配合，外偏心环保持轴承(12)外壁与旋转外套(3)内壁配合，外偏心环(11)内壁与内外偏心环配合轴承(13)外壁相配合，内外偏心环配合轴承(13)的内壁与内偏心环(14)外壁相配合，内偏心环(14)的内壁与内偏心环保持轴承(15)外壁相配合，内偏心环(14)的右端外壁与内偏心环无框直驱电机(16)转子相连接，内偏心环无框直驱电机(16)转子右端与内偏心环法兰(17)左端连接，内偏心环法兰(17)右端与内偏心环无框直驱电机编码器(18)左端连接；

所述外偏心环(11)，形状为四级阶梯状套筒，最大直径阶梯套筒(19)内壁制造为偏心孔，并且直接与内偏心环无框直驱电机(16)定子相配合，近最大直径阶梯套筒的中间阶梯套筒(20)与外偏心环保持轴承(12)配合，近直径最小阶梯套筒的中间套筒(21)，周向均布有6个螺纹孔，通过螺钉与外偏心环无框直驱电机(10)的转子相连接，将外偏心环无框直驱电机(10)的转子的运动传递给外偏心环(11)；直径最小阶梯套筒(22)插入外偏心环无框直驱电机(10)的转子内部，对外偏心环无框直驱电机(10)的转子起到支撑作用；

所述内偏心环(14)，形状为三级阶梯状套筒，最左端阶梯套筒(23)内壁制造为偏心孔结构，偏心孔结构通过内偏心环保持轴承(15)与芯轴(1)配合，为整个内偏心环(14)起到周向支撑作用，中间阶梯套筒(24)与最左端阶梯套筒(23)之间的凸台端面为内外偏心环配合轴承(13)起到限位作用，最右端阶梯套筒(25)插入内偏心环无框直驱电机(16)的转子内部，为内偏心环无框直驱电机(16)的转子起到支撑作用；

所述外偏心环法兰(9)，形状为二级阶梯状套筒，大直径阶梯套筒(26)的凸台端面均布有6个螺纹孔，通过螺钉与外偏心环无框直驱电机编码器(8)上的螺纹孔相接，小直径阶梯套筒(27)的凸台端面均布6个螺纹孔，通过螺钉与外偏心环无框直驱电机(10)转子上的螺纹孔相接；

所述内偏心环法兰(17)，形状为二级阶梯状套筒，大直径阶梯套筒(28)的凸台端面均布有6个螺纹孔，通过螺钉与内偏心环无框直驱电机编码器(18)上的螺纹孔相接；小直径阶梯套筒(29)的凸台端面均布6个螺纹孔，通过螺钉与内偏心环无框直驱电机(16)转子上的螺纹孔相接。

2.根据权利要求1所述的一种动态指向式旋转导向钻井工具偏心机构，其特征在于，所述内偏心环保持轴承(15)选用调心滚子轴承。