CN107386970B - 一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统，其包括下接头、推靠臂、主活塞、不旋转外套、液压泵、行星轮从动轮、行星轮主动轮、外磁体、内磁体、外磁体支架、主轴，当旋转导向工具工作时，主轴在钻杆的驱动下持续旋转，持续旋转的主轴与其四周镶嵌的内磁体一同旋转，内磁体通过磁场带动其外部的外磁体旋转，该旋转力矩通过外磁体传递至外磁体支架并经过外磁体支架上的行星轮主动轮传递至行星轮从动轮，由于行星轮从动轮与泵连接，本发明通过磁力驱动的方法将主轴能量直接传递给液压泵，液压泵提供的高压持续给辅助活塞提供压力，将推靠臂顶在井壁上，电磁阀则选择性的控制主活塞内的压力供给，至此便实现的对导向钻井工具推靠方向的调节。

Description

一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种导向钻井装置，具体涉及一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统，属于石油钻井技术领域。

背景技术

在钻井技术领域中，导向钻井技术得到了石油行业的普遍认可和广泛应用。导向钻井技术可以根据需求，调整井眼的轨迹，达到油气田开发最井眼轨迹的各项要求。

现行的导向钻井装置，分为推靠式旋转导向钻井装置和指向式旋转导向钻井装置，这些导向钻井装置需要依靠电动机驱动且系统复杂，井下电能消耗量巨大，导向钻井系统所需的电能需通过专门的井下发电机来实现，并通过复杂的井下变电等方式进行电力传输。

本发明针对以上问题，提供一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统，以便降低能耗的同时提高钻井导向效果。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统的实现方法，所述系统中的主轴处于旋转状态，该系统的不旋转外套处于缓慢旋转或不旋转状态；主轴转动的能量通过磁场传输到不旋转外套中的可旋转机构中，该可旋转机构驱动液压系统，液压系统驱动推靠臂实现对井壁的推靠，随即将推靠力传递至井壁，推动钻柱改变行进方向，达到调整井眼轨迹的目的，其中，所述可旋转机构为外磁体支架。

进一步，作为优选，液压推靠系统通过电磁阀控制高压油路通断的方法控制主活塞中的液体压力，进而控制主活塞传递给推靠臂的推靠力，沿导向钻井工具周向布置多组液压推靠系统，通过电磁阀调节各个系统中活塞内压力的方法达到调节多套系统所施加的推靠力合力方向的目的。

进一步，作为优选，所述磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统通过设置节流阀截流液压泵泵出的高压流体的方法产生压力降，进而获得活塞工作所需的工作压差。

本发明还提供了一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统，其包括下接头、推靠臂、主活塞、不旋转外套、液压泵、行星轮从动轮、行星轮主动轮、外磁体、内磁体、外磁体支架、主轴，其特征在于，所述主轴的上端设置有与钻杆连接的上接头，所述主轴的外侧同轴设置不旋转外套，所述主轴上部的外侧有槽位，所述槽位中镶有内磁体，所述主轴下端设置有下接头，所述内磁体的外部设有外磁铁，且所述外磁体固定设置在外磁体支架上，所述外磁体与外磁体支架形成一个整体套在主轴外部，所述外磁体与外磁体支架形成的整体可相对主轴自由旋转，当主轴旋转时，主轴上的内磁体利用磁场带动外磁体及外磁体支架一同旋转，所述外磁体支架下部连接设置行星轮主动轮，所述外磁体支架与行星轮主动轮同步转动；所述星轮主动轮与行星轮从动轮啮合传动，以便使得所述星轮主动轮与行星轮从动轮构成行星轮机构，所述行星轮从动轮下部连接液压泵，所述行星轮从动轮直接驱动液压泵旋转为导向钻井工具液压推靠系统提供压力，所述主轴的下部外侧套设置有多个可摆动的推靠臂，所述推靠臂的下部与所述主轴之间设置有主活塞，所述主活塞沿着所述主轴的径向方向往复运动，所述主活塞由所述液压提供液压力，以便使得所述主活塞在受到液压泵产生的压力后可向主轴径向方向运动将推靠力传递至推靠臂，所述推靠臂随即将推靠力传递至井壁，推动钻柱改变行进方向，达到调整井眼轨迹的目的。

进一步，作为优选，所述液压泵通过总液压管线与电磁阀相连，所述电磁阀通过主活塞液压控制管线与主活塞相连。

进一步，作为优选，所述液压泵采用高转速液压泵，所述液压泵的高压出口处后方的液压管路中任意位置设置节流阀。所述节流阀可在液压泵泵送的流体通过时产生节流压差。

进一步，作为优选，所述行星轮从动轮和行星轮主动轮构成的行星轮机构中，从动轮与主动轮的齿比在1：4至1：12之间。其目的在于将主轴的转速的放大。

进一步，作为优选，所述推靠臂、主活塞、主活塞液压控制管线、电磁阀、总液压管线组成的液压推靠系统沿主轴的周向均匀布置，布置份数为3-4份，其中所述每套液压推靠系统中的电磁阀负责对液压控制管线施以不同的开关组合，达到变换推靠方向的目的。

进一步，作为优选，所述还包括辅活塞，辅活塞设置在主活塞上方以便推动所述推靠臂，所述总液压管线上连接总液压管线支路，所述总液压管线支路连接所述辅活塞。

进一步，作为优选，所述主轴设置内磁体处的外直径大于主轴下部的直径，所述主轴中心设置有水眼以保证钻井液的通过。

进一步，作为优选，所述辅活塞的面积比所述主活塞的面积小，辅活塞的面积为主活塞的面积的1/3-1/10之间。

进一步，作为优选，所述节流阀为可调开度的节流阀，以便根据不同的主轴转速和需求的节流压力设置不同的开度，其压力调节范围在3-25兆帕的范围内。

进一步，作为优选，所述不旋转外套的上端与下端分别设置上止推轴承和下止推轴承，上止推轴承和下止推轴承采用PDC复合片止推轴承、硬质合金止推轴承、滚珠止推轴承中的一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的旋转导向系统摆托了对大功率电源的依赖，在测试阶段，该液压推靠系统实现了20MPa的系统压力，并在电磁阀的控制下使多套推靠臂组合产生了特定方向的推力。本发明中所述的磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统可使导向钻井工具的井下电能消耗下降至40瓦以内，耐温能力提高至200摄氏度，而以传统的旋转导向钻井工具为例，其电能消耗可达600-1000瓦，需要井下发电模块或者高能电池组驱动。综上所述本发明达到了为钻完井施工降本增效的目的，并有望在高温高压井中获得更高的可靠性。

附图说明

图1是本发明一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统的推靠臂处径向剖视结构示意图；

图2是本发明一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统的轴向剖视结构示意图；

图3是本发明一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统的外观结构示意图；

图4是本发明一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统的局部轴向剖视结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统的实现方法，当钻井作业开始后，所述系统中的主轴17在钻杆的带动下始终处于旋转状态，同时主轴17带动沿周向镶嵌的磁体持续旋转，相对旋转的主轴而言，在该系统的不旋转外套8处于缓慢旋转或不旋转状态；主轴17转动的能量通过磁场传输到不旋转外套8中的可旋转机构中，其中，所述可旋转机构可以是外磁体（13）与外磁体支架（15）组成的动力传递系统，该可旋转机构驱动液压推靠系统，液压推靠系统通过电磁阀控制高压油路通断的方法控制主活塞中的液体压力，进而控制主活塞传递给推靠臂的推靠力。液压系统驱动推靠臂实现对井壁的推靠，随即将推靠力传递至井壁，推动钻柱改变行进方向。沿导向钻井工具周向布置多组液压推靠系统，通过电磁阀调节各个系统中活塞内压力的方法达到调节多套系统所施加的推靠力合力方向的目的。

在本实施例中，本发明还提供了一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统，其包括下接头1、推靠臂3、主活塞4、不旋转外套8、液压泵10、行星轮从动轮11、行星轮主动轮12、外磁体13、内磁体14、外磁体支架15、主轴17，所述主轴的上端设置有与钻杆连接的上接头，所述主轴的外侧同轴设置不旋转外套，所述主轴外侧沿周向设置有4-8个槽位，所述槽位中镶有内磁体14，所述主轴下端可通过螺纹连接下接头1，所述主轴17设置内磁体处的外直径大于主轴下部的直径，所述主轴17内部设置水眼，可保证钻井液的畅通，所述内磁体的外部设有外磁铁，且所述外磁体13固定设置在外磁体支架15上，所述外磁体13与外磁体支架15形成一个整体套在主轴外部，所述外磁体13与外磁体支架15形成的整体可相对主轴17自由旋转，当主轴旋转时，主轴17上的内磁体14利用磁场带动外磁体13及外磁体支架15一同旋转，所述外磁体支架15下部连接设置行星轮主动轮12，所述外磁体支架15与行星轮主动轮12同步转动；所述星轮主动轮12与行星轮从动轮11啮合传动，以便使得所述星轮主动轮12与行星轮从动轮11构成行星轮机构，所述行星轮从动轮11下部连接液压泵10，所述行星轮从动轮11直接驱动液压泵旋转10为导向钻井工具液压推靠系统提供压力，所述主轴的下部外侧套设置有多个可摆动的推靠臂，所述推靠臂的下部与所述主轴之间设置有主活塞，所述主活塞沿着所述主轴的径向方向往复运动，所述主活塞由所述液压提供液压力，以便使得所述主活塞在受到液压泵产生的压力后可向主轴径向方向运动将推靠力传递至推靠臂3，所述推靠臂随即将推靠力传递至井壁，推动钻柱改变行进方向，达到调整井眼轨迹的目的。

在本实施例中，为了便于控制，所述液压泵10通过总液压管线9与电磁阀7相连，所述电磁阀7通过主活塞液压控制管线6与主活塞4相连，采用所述电磁阀7即可通过连接或切断主活塞液压控制管线的动作向主活塞4提供或切断液压泵10产生的压力。即电磁阀通过开合动作实现对主活塞内部的压力控制。

为了保证工作的稳定性，作为较佳的一个实施例，该系统所述还包括辅活塞5，辅活塞5设置在主活塞上方以便推动所述推靠臂，所述总液压管线9上连接总液压管线支路18，所述总液压管线支路18连接所述辅活塞5，这样只要钻柱在旋转，辅活塞就可以持续不断的接受液压泵10产生的压力，辅活塞5设置于推靠臂3可将一定的推靠力传递给推靠臂；主活塞不产生推靠力时，推靠臂仅由辅活塞支撑、主活塞产生推靠力时，主活塞和辅活塞可共同支撑推靠臂。其目的在于辅活塞可以持续为推靠臂提供一个较小的推力，可以在钻进全过程中使推靠臂全程张开，保证推靠臂持续顶在井壁上保证不旋转外套8缓慢旋转或者不旋转，利用推靠臂与井壁的摩擦力使不旋转外套处于不旋转或慢速旋转的状态，该设计便于磁力矩的传递和导向钻井工具其他系统的稳定工作。

另外，作为更佳的实施例，所述液压泵采用高速斜盘泵，所述液压泵10的高压出口处设置节流阀19，当液压泵10持续旋转并提供排量时，节流阀19产生节流压力，该压力即为提供给导向钻井工具推靠系统的液压压力，从节流阀流出的液压油通过液压泵与不旋转外套间隙流回液压泵的入口，并以此方式实现液压油的循环重复使用。

在本实施例中，所述行星轮从动轮11和行星轮主动轮12构成的行星轮机构中，从动轮与主动轮的齿比在1：4至1：10之间，该机构可将主轴转速放大4-10倍传递给液压泵。所述推靠臂3、主活塞4、辅活塞5、主活塞液压控制管线6、电磁阀7、总液压管线9组成的液压推靠系统沿主轴的周向均匀布置，布置份数为3-4份，以便于达到稳定的推靠效果，以便于达到稳定的推靠效果。每套系统中的电磁阀可以对液压控制管线施以不同的开关组合，达到变换推靠方向的目的。所述主轴设置内磁体处的外直径大于主轴下部的直径，所述主轴中心设置有水眼以保证钻井液的通过。所述辅活塞5的面积比所述主活塞4的面积小，辅活塞5的面积为主活塞4的面积的1/3-1/10之间。所述节流阀19为可调开度的节流阀，以便根据不同的主轴转速和需求的节流压力设置不同的开度，其压力调节范围在3-25兆帕的范围内。所述不旋转外套8的上端与下端分别设置上止推轴承16和下止推轴承2，上止推轴承16和下止推轴承2采用PDC复合片止推轴承、硬质合金止推轴承、滚珠止推轴承中的一种。

本发明的工作过程如下：当旋转导向工具工作时，主轴由钻杆带动而持续旋转，持续旋转的主轴与其四周镶嵌的内磁体一同旋转，由于内磁体对应位置设置了安装有外磁体的外磁体支架，因此内磁的旋转带动了其外部的外磁体及外磁体支架的旋转；由于外磁体支架下设置有行星轮主动轮，因此该旋转力矩通过外磁体支架上的行星轮主动轮传递至行星轮从动轮，在这个过程中，该系统实现了转速的放大；由于行星轮从动轮与液压泵连接，故本发明实现了通过磁力驱动的方法将主轴能量直接传递给液压泵。由于液压泵的出口处设置的节流阀，因此液压泵泵出的液压油在经过节流阀时产生了节流压力，该压力持续给辅助活塞提供压力，将推靠臂顶在井壁上，使不旋转外套不旋转或者慢速旋转；电磁阀则选择性的控制是否向主活塞提供压力，至此便实现的对推靠臂的推力调节。

该设计条件下，旋转导向系统摆托了对电力的以来，在系统测试阶段，该液压推靠系统可实现20MPa的系统压力，并在电磁阀的控制下三组推靠臂可实现特定方向的推力。本发明中所述的磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统可使导向钻井工具的井下电能消耗大幅下降，耐温能力大幅度提高。达到为钻完井施工降本增效的目的。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统，其包括下接头（1）、推靠臂（3）、主活塞（4）、不旋转外套（8）、液压泵（10）、行星轮从动轮（11）、行星轮主动轮（12）、外磁体（13）、内磁体（14）、外磁体支架（15）、主轴（17），其特征在于，所述主轴的上端设置有与钻杆连接的上接头，所述主轴的外侧同轴设置不旋转外套，所述主轴上部外侧有槽位，所述槽位中设置内磁体（14），所述主轴下端设置有下接头（1），所述内磁体的外部设有外磁铁，且所述外磁体（13）固定设置在外磁体支架（15）上，所述外磁体（13）与外磁体支架（15）形成一个整体套在主轴外部，所述外磁体（13）与外磁体支架（15）形成的整体可相对主轴（17）自由旋转，当主轴旋转时，主轴（17）上的内磁体（14）利用磁场带动外磁体（13）及外磁体支架（15）一同旋转，所述外磁体支架（15）下部连接设置行星轮主动轮（12），所述外磁体支架（15）与行星轮主动轮（12）同步转动；所述行星轮主动轮（12）与行星轮从动轮（11）啮合传动，以便使得所述行星轮主动轮（12）与行星轮从动轮（11）构成行星轮机构，所述行星轮从动轮（11）下部连接液压泵（10），所述行星轮从动轮（11）直接驱动液压泵（10）旋转为导向钻井工具液压推靠系统提供压力，所述主轴的下部外侧套设置有多个推靠臂，所述推靠臂的下部与所述主轴之间设置有主活塞（4），所述主活塞沿着所述主轴的径向方向往复运动，所述主活塞由液压提供液压力，以便使得所述主活塞在受到液压泵产生的压力后可向主轴径向方向运动将推靠力传递至推靠臂（3），所述推靠臂随即将推靠力传递至井壁（21），推动钻柱改变行进方向，达到调整井眼轨迹的目的。

2.根据权利要求1所述的一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统，其特征在于：所述液压泵（10）通过总液压管线（9）与电磁阀（7）相连，所述电磁阀（7）通过主活塞液压控制管线（6）与主活塞（4）相连，电磁阀通过开合动作实现对主活塞内部的压力控制。

3.根据权利要求1所述的一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统，其特征在于：所述行星轮从动轮（11）和行星轮主动轮（12）构成的行星轮机构中，从动轮与主动轮的齿比在1：4至1：12之间。

4.根据权利要求2所述的一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统，其特征在于：所述推靠臂（3）、主活塞（4）、主活塞液压控制管线（6）、电磁阀（7）、总液压管线（9）组成的液压推靠系统沿主轴的周向均匀布置，布置份数为3-4份，其中每套所述液压推靠系统中的电磁阀负责对液压控制管线施以不同的开关组合，达到变换推靠方向的目的。

5.根据权利要求2所述的一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统，其特征在于：所述磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统还包括辅活塞（5），辅活塞（5）与主活塞相邻，且与主活塞一并设置在推靠臂下方，以便为所述推靠臂施加持续的推靠力，所述总液压管线（9）上连接总液压管线支路（18），所述总液压管线支路（18）连接所述辅活塞（5）。

6.根据权利要求5所述的一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统，其特征在于：所述辅活塞（5）的面积比所述主活塞（4）的面积小，辅活塞（5）的面积为主活塞（4）的面积的1/3-1/10之间。

7.根据权利要求1所述的一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统的实现方法，其特征在于：所述系统中的主轴（17）在钻杆驱动下处于旋转状态，该系统的不旋转外套（8）处于缓慢旋转或不旋转状态；主轴（17）转动的能量通过磁场传输到不旋转外套（8）中的可旋转机构中，该可旋转机构驱动液压推靠系统，液压推靠系统驱动推靠臂实现对井壁（21）的推靠，随即将推靠力传递至井壁（21），推动钻柱改变行进方向，达到调整井眼轨迹的目的。

8.根据权利要求7所述的一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统的实现方法，其特征在于：液压推靠系统通过电磁阀（7）控制高压油路通断的方法控制主活塞中的液体压力，进而控制主活塞传递给推靠臂的推靠力，沿导向钻井工具周向布置多组液压推靠系统，通过电磁阀调节各个系统中活塞内压力的方法达到调节多套系统所施加的推靠力合力方向的目的。

9.根据权利要求7所述的一种磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统的实现方法，其特征在于：所述磁力驱动式导向钻井工具导向执行系统通过设置节流阀（19）截流液压泵（10）泵出的高压流体的方法产生压力降，进而获得活塞工作所需的工作压差。