CN107780920A - 一种控制工具面变化范围的导向装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种控制工具面变化范围的导向装置，主要由圆环轨道面、控制开关和扇形控制环组成。对于圆环轨道面及其N个周向均布控制开关导向装置来说，无论扇形控制环开口圆心角大小，均可研制出多种N个推板矿藏导向钻井工具，包括垂直钻井工具和旋转导向钻井工具，但是，扇形控制环开口圆心角决定着N个推板矿藏导向钻井工具导向效率，当扇形控制环开口圆心角或圆心角大于任意相邻两个控制开关之间夹角，且开口圆心角等于任意相邻两个控制开关之间夹角之半角奇数倍时，工具面变化范围恒为任意相邻两个控制开关之间夹角一半，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板矿藏导向钻井工具导向效率相对较高。

Description

一种控制工具面变化范围的导向装置

技术领域

本发明专利属于矿场钻井机械领域，具体涉及一种控制工具面变化范围的导向装置，主要用于研制地质、石油和煤炭等各种矿藏导向钻井工具，包括垂直钻井工具和旋转导向钻井工具。

背景技术

钻井是发现或开采地下矿藏资源的必然途径。根据设计井眼轨迹不同，矿藏井可划分成直井、定向井(或斜井)和水平井。

为确保实钻井眼轨迹沿着设计井眼轨迹钻进，必须按照设计测斜井深或测斜间距测斜，并计算出实钻井眼空间参数。如果实钻井眼轨迹偏离设计井眼轨迹，那么，就要利用特种钻井工具(例如弯螺杆钻具，旋转导向钻井工具等)调整井眼轨迹或改变井眼空间钻进方向，使其回到设计井眼轨迹控制范围内。在钻井术语中，把利用特种钻井工具调整井眼轨迹的方法称之为定向，井眼轨迹所在平面上倾方向称之为井眼高边，特种钻井工具所在平面上倾方向称之为工具面，二者之间夹角称之为装置角。工具面等于井眼高边与装置角二者之和，装置角不同，定向钻进结果迥异。当装置角0°时，增井斜钻进；当装置角90°时，增方位钻进；当装置角180°时，降井斜钻进；当装置角270°时，减方位钻进；当装置角介于任意二者之间时，增(或降)井斜和/或增(或减)方位钻进。

通常情况下，当井斜角＜3°时，采用磁性高边定向法；当井斜角≥3°时，采用重力高边定向法。所谓重力高边定向法，就是井眼轨迹所在铅垂平面上倾方向称之为井眼重力高边，表示为0°，因此，简单地认为工具面等于装置角，可直接按照工具面定向钻进。当工具面0°时，增井斜钻进；当工具面90°时，增方位钻进；当工具面180°时，降井斜钻进；当工具面270°时，减方位钻进；当工具面介于任意二者之间时，增(或降)井斜和/或增(或减)方位钻进。

目前，国外油服公司拥有成熟的旋转导向钻井工具，租赁服务费用昂贵。国内多家科技院校和油田企业尚处在研制过程中，至今未商业化推广应用。以贝克休斯为例，旋转导向钻井工具主要由控制端、测量端和液压端组成，其中，控制端包括涡轮发电系统、地面指令信号接收及反馈确认装置、工具面数据处理及控制集成电路等；测量端包括井眼参数测量、伽玛测量、电阻测量、井底压力及井温测量装置等；液压端周向120°均布设计三个推板，均对应加工安装有柱塞、柱塞缸、液压油通道、液压油泵、伺服电机、液压油腔室等部件(工具结构不同，柱塞缸数量可能不同，一个、两个或多个柱塞缸，多个柱塞缸内柱塞共同推动推板，因此，柱塞缸可称为一组柱塞缸或一个柱塞缸组，为避免混淆，下文所述柱塞缸均指柱塞缸组)。控制端“工具面数据处理及控制集成电路”通过导线连接液压端伺服电机，控制三个推板有序伸出或收回，迫使旋转导向钻井工具按照给定工具面导向钻进。

为确保旋转导向钻井工具持续高效导向钻进，控制端除通过“地面指令信号接收及反馈确认装置”给定工具面外，还在“工具面数据处理及控制集成电路”中设置50°-70°工具面变化范围，因此，作用在旋转导向钻井工具推板上的井壁反作用力(或称之为导向力)不是给定工具面的瞬间作用力，而是持续一段时间或50°-70°变化范围的连续作用力。例如，旋转导向钻井工具现场作业时通过“地面指令信号接收及反馈确认装置”给定工具面100°，“工具面数据处理及控制集成电路”中设置工具面变化范围60°，因此，旋转导向钻井工具现场作业工具面70°-130°。在某井段钻进过程中，液压端推板相对井眼缓慢旋转，测量端“井眼参数测量装置”定时测量出三个推板工具面位置，控制端“工具面数据处理及控制集成电路”根据推板工具面适时计算出各推板对应伺服电机所需电量，驱动伺服电机和液压油泵，液压油经液压油泵进入柱塞缸，柱塞伸出，推动推板压迫井壁，对应所产生井壁反作用力矢量和方向始终在现场作业工具面70°-130°范围内，且井壁反作用力矢量和大小满足井眼造斜率要求，推动钻头侧向切削地层导向钻进。

本发明专利提出了一种控制工具面变化范围的导向装置，其工具面变化范围不是人为设置的，而是由导向装置结构所控制的。利用该导向装置揭示的工具面范围变化规律及工具面范围大小对导向效率影响，可研制出多种矿藏导向钻井工具，包括垂直钻井工具和旋转导向钻井工具。

发明专利内容

本发明专利的目的是提供一种控制工具面变化范围的导向装置，主要用于研制地质、石油和煤炭等各种矿藏导向钻井工具，包括垂直钻井工具和旋转导向钻井工具。

本发明专利采用如下具体技术方案实现：

控制工具面变化范围的导向装置主要由圆环轨道面、控制开关和扇形控制环组成。

矿藏导向钻井工具结构不同，圆环轨道面、控制开关和扇形控制环空间形态均不相同，进一步说，导向装置结构不同。同时，进、出柱塞缸液体也不同，液压油或钻井液，因此，液压油腔室统称为液体腔室，液压油通道统称为液体通道。

矿藏导向钻井工具液压端周向均布N(N≥3且为正整数)个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸。当连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿轴向向上延伸到液压端顶部圆环形平面，液体通道周向均布且与推板方向一致时，圆环轨道面是矿藏导向钻井工具液压端顶部圆环形平面，控制开关是液压端顶部液体通道，直接连通液体腔室和柱塞缸，扇形控制环是放置在圆环形平面上的扇形圆环，扇形圆环与圆环形平面接触面技术参数相匹配且配套研磨，确保密封承压。进一步说，为确保扇形圆环在圆环形平面上自由移动，可增加U型轨道槽、圆形驱动环及其他部件，U型轨道槽安装在液压端顶部且液体通道相连通，因此，圆环轨道面演变成U型轨道槽底部圆环形平面，控制开关演变成U型轨道槽底部液体通道。

矿藏导向钻井工具液压端周向均布N(N≥3且为正整数)个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸。当连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿径向向内延伸到液压端轴孔内壁圆柱面，液体通道周向均布且与推板方向一致时，圆环轨道面是矿藏导向钻井工具液压端轴孔内壁圆柱面，控制开关是液压端轴孔液体通道，直接连通液体腔室和柱塞缸，扇形控制环是放置在内壁圆柱面中的扇形圆管，扇形圆管与内壁圆柱面接触面技术参数相匹配且配套研磨，确保密封承压。进一步说，为防止液压端轴孔液体通道刺坏，可增加硬质轨道缸，硬质轨道缸安装在液压端轴孔且液体通道相连通，为确保扇形圆管在内壁圆柱面中自由旋转，可延长圆形驱动管且在液体通道位置被加工成扇形圆管，因此，圆环轨道面演变成硬质轨道缸轴孔内壁圆柱面，控制开关演变成硬质轨道缸轴孔液体通道，扇形控制环演变成圆形驱动管中的扇形圆管。

矿藏导向钻井工具液压端周向均布N(N≥3且为正整数)个推板，且对应加工安装有柱塞、柱塞缸、液体通道、液压油泵、伺服电机、溢流阀、液体腔室及其他部件，伺服电机和溢流阀由控制端电子控制开关通过导线连接，电子控制开关可同时打开伺服电机和关闭溢流阀，确保液压油经液压油泵进入柱塞缸时，柱塞缸内液压油无法经溢流阀回流到液体腔室，或者，电子控制开关可同时关闭伺服电机和打开溢流阀，确保井壁挤压推板后退，柱塞收回时，柱塞缸内液压油经溢流阀回流到液体腔室，因此，电子控制开关相当于液体通道，间接连通液体腔室和柱塞缸。矿藏导向钻井工具液压端和控制端分开加工制造，使研制电子自动旋转导向钻井工具成为可能。当电子控制开关安装在矿藏导向钻井工具控制端某部件圆环形平面(或内壁圆柱面)，周向均布且与推板方向一致时，圆环轨道面是矿藏导向钻井工具控制端某部件圆环形平面(或内壁圆柱面)，控制开关是电子控制开关，通过电子控制开关、液压油泵、伺服电机和溢流阀间接连通液体腔室和柱塞缸，扇形控制环是安装在可打开(或关闭)电子控制开关位置的镶嵌在金属圆环(或金属圆管)上的扇形绝缘环(或扇形绝缘管)，例如由绝缘电木、陶瓷、塑料或其他绝缘材料加工制造。当金属圆环(或金属圆管)带电时，处在扇形绝缘环(或扇形绝缘管)区域外电子控制开关接通电源，同时打开伺服电机和关闭溢流阀；处在扇形绝缘环(或扇形绝缘管)区域内电子控制开关断开电源，同时关闭伺服电机和打开溢流阀，因此，扇形绝缘环(或扇形绝缘管)相当于扇形圆环(或扇形圆管)。为叙述方便，在电子控制开关导向装置中，下文所述扇形圆环(或扇形圆管)均指扇形绝缘环(或扇形绝缘管)，接通(或断开)扇形圆环(或扇形圆管)电源均指接通(或断开)金属圆环(或金属圆管)电源。

无论何种空间形态，如果从圆环形平面所在平面径向观察、内壁圆柱面所在柱面轴向观察导向装置，那么，圆环轨道面(包括圆环形平面和内壁圆柱面)均可看作“圆”，控制开关(包括液体通道和电子控制开关)均可看作“圆”上周向均布“点”，扇形控制环(包括扇形圆环和扇形圆管)均可看作“圆”上等直径“弧”。简化后数学模型相同，因此，不同结构导向装置的导向机理相同。进一步说，利用任何一种结构导向装置推导得出的导向机理，完全适用其他结构导向装置。

在导向装置中，N个推板对应N个控制开关，N个控制开关在圆环轨道面上周向均布且与推板方向一致，因此，任意相邻两个控制开关之间夹角等于360°/N，即Φ＝360°/N。同时，假设扇形控制环开口圆心角为任意值给定工具面为任意值θ，那么，给定工具面就是扇形控制环所在方位，在扇形控制环对称线上且朝向扇形控制环方向，用扇形控制环与工具面驱动机构联接点G表示。

对于圆环轨道面及其N个周向均布控制开关导向装置来说，当扇形控制环开口圆心角时，工具面变化范围恒为对应所产生井壁反作用力是间断的，不连续的，因此，矿藏导向钻井工具导向效率相对较低；当扇形控制环开口圆心角时，工具面变化范围恒为对应所产生井壁反作用力是间断的，不连续的，因此，矿藏导向钻井工具导向效率相对较低；当扇形控制环开口圆心角且等于Φ/2偶数倍时，工具面变化范围恒为Φ，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，矿藏导向钻井工具导向效率相对较低；当扇形控制环开口圆心角且由Φ/2偶数倍逐渐趋近Φ/2奇数倍时，工具面变化范围由Φ逐渐趋近Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，矿藏导向钻井工具导向效率逐渐提高；当扇形控制环开口圆心角且等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，矿藏导向钻井工具导向效率相对较高。

进一步说，无论扇形控制环开口圆心角大小，利用该导向装置均可研制出多种N个推板矿藏导向钻井工具，但是，扇形控制环开口圆心角直接决定着工具面变化范围，进而决定着N个推板矿藏导向钻井工具导向效率。当扇形控制环开口圆心角或圆心角大于任意相邻两个控制开关之间夹角，且开口圆心角等于任意相邻两个控制开关之间夹角之半角奇数倍时，工具面变化范围恒为任意相邻两个控制开关之间夹角一半，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板矿藏导向钻井工具导向效率相对较高。

本发明专利的有益效果是：利用控制工具面变化范围的导向装置可研制出一种N个推板液压自动垂直钻井工具。对于矿藏导向钻井工具来说，液压端通过轴孔安装在传动轴上，传动轴旋转驱动钻头破岩钻进，液压端相对井眼不旋转。液压端顶部圆环形平面与传动轴垂直，且与传动轴、外筒及其他部件共同组成液体腔室。液压端周向均布N个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸。连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿轴向向上延伸到液压端顶部圆环形平面(或液压端顶部安装U型轨道槽且液体通道相连通)，液体通道周向均布且与推板方向一致，液压端顶部(或U型轨道槽底部)圆环形平面上放置着由钢珠(或圆形驱动环和钢珠)驱动的扇形圆环，因此，圆环形平面、液体通道、扇形圆环、钢珠(或圆形驱动环和钢珠)共同组成导向装置，其中，液压端顶部(或U型轨道槽底部)圆环形平面相当于圆环轨道面，液压端顶部(或U型轨道槽底部)液体通道相当于控制开关，扇形圆环相当于扇形控制环，钢珠(或圆形驱动环和钢珠)相当于井眼重力高边工具面驱动机构。由于所钻井眼都是倾斜的，因此，圆环形平面一定是斜平面，钢珠利用自身重力作用始终处在圆环形平面所在平面下倾方向自动识别井眼重力高边，直接(或通过圆形驱动环)驱动扇形圆环移动到圆环形平面底侧扇形环面且左右对称。在某井段钻进过程中，圆环形平面和扇形圆环相对静止，高压液体通过圆环形平面顶侧扇形环面液体通道进入对应柱塞缸内，柱塞伸出，推动推板压迫井壁，对应所产生井壁反作用力矢量和方向始终朝向圆环形平面所在平面下倾方向且处在导向装置所控制工具面变化范围内，液压自动垂直钻井工具降斜钻进。对于圆环形平面及其N个周向均布液体通道导向装置来说，无论扇形圆环开口圆心角大小，均可研制出一种N个推板液压自动垂直钻井工具，但是，扇形圆环开口圆心角与N个推板液压自动垂直钻井工具降斜效率有关，当扇形圆环开口圆心角且开口圆心角等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板液压自动垂直钻井工具降斜效率相对较高。

利用控制工具面变化范围的导向装置可研制出一种N个推板液压电动旋转导向钻井工具。对于矿藏导向钻井工具来说，液压端通过轴孔安装在传动轴上，传动轴旋转驱动钻头破岩钻进，液压端相对井眼不旋转。液压端顶部圆环形平面与传动轴垂直，且与传动轴、外筒及其他部件共同组成液体腔室。液压端周向均布N个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸。连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿轴向向上延伸到液压端顶部圆环形平面(或液压端顶部安装U型轨道槽且液体通道相连通)，液体通道周向均布且与推板方向一致，液压端顶部(或U型轨道槽底部)圆环形平面上放置着由扇形补环、齿轮、伺服电机、电磁阀、井眼高边测量装置、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和密闭容器驱动的扇形圆环，因此，圆环形平面、液体通道、扇形圆环、扇形补环、齿轮、伺服电机、电磁阀、井眼高边测量装置、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和密闭容器共同组成导向装置，其中，液压端顶部(或U型轨道槽底部)圆环形平面相当于圆环轨道面，液压端顶部(或U型轨道槽底部)液体通道相当于控制开关，扇形圆环相当于扇形控制环，扇形补环、齿轮、伺服电机、电磁阀、井眼高边测量装置、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和密闭容器相当于井眼高边工具面驱动机构。在液体腔室内，伺服电机、电磁阀、井眼高边测量装置、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路和电池组安装在密闭容器内部，扇形补环和齿轮安装在密闭容器外部；密闭容器通过轴孔安装在传动轴上且在伺服电机和齿轮驱动下可绕着传动轴旋转；扇形圆环、扇形补环与密闭容器周向位置固定不变，但是，通过电磁阀可推出或收回。扇形补环圆心角等于扇形圆环开口圆心角，稳斜钻进时协助扇形圆环完全覆盖液压端顶部(或U型轨道槽底部)圆环形平面。在某井段钻进过程中，液压端随着钻具旋转可能出现缓慢旋转，致使实际工具面发生缓慢变化，因此，井眼高边测量装置按照给定时间间隔测量出井眼高边，工具面控制集成电路根据最新地面指令及时校核工具面，如果实际工具面与给定工具面误差超标，通过地面指令信号接收及反馈装置发出地面纠错指令，否则，继续导向钻进。接到纠错指令后，先停泵，再开泵。停泵期间，如果最新地面指令为给定工具面导向钻进指令，工具面控制集成电路接通伺服电机电源，按照最新井眼高边和最新地面指令，通过齿轮驱动密闭容器绕着传动轴旋转，带动扇形圆环到达给定工具面位置，然后接通电磁阀电源，扇形圆环推出且密封圆环形平面上对应扇形环面；如果最新地面指令为稳斜钻进指令，工具面控制集成电路接通电磁阀电源，扇形圆环和扇形补环同时推出且完全密封圆环形平面。对于圆环形平面及其N个周向均布液体通道导向装置来说，无论扇形圆环开口圆心角大小，均可研制出一种N个推板液压电动旋转导向钻井工具，但是，扇形圆环开口圆心角与N个推板液压电动旋转导向钻井工具导向效率有关，当扇形圆环开口圆心角且开口圆心角等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板液压电动旋转导向钻井工具导向效率相对较高。

利用控制工具面变化范围的导向装置可研制出一种N个推板机械自动垂直钻井工具。对于矿藏导向钻井工具来说，液压端旋转驱动钻头破岩钻进，圆形驱动管安装在液压端轴孔中，圆形驱动管相对井眼不旋转，但与偏重块同步旋转。液压端轴孔内壁圆柱面与圆形驱动管平行，且与圆形驱动管、扇形圆管及其他部件共同组成液体腔室。液压端周向均布N个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸。连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿径向向内延伸到液压端轴孔内壁圆柱面(或内壁圆柱面中安装硬质轨道缸且液体通道相连通)，液体通道周向均布且与推板方向一致，液压端(或硬质轨道缸)轴孔中放置着由圆形驱动管、偏重块驱动的扇形圆管，因此，内壁圆柱面、液体通道、扇形圆管、圆形驱动管和偏重块共同组成导向装置，其中，液压端(或硬质轨道缸)轴孔内壁圆柱面相当于圆环轨道面，液压端(或硬质轨道缸)轴孔液体通道相当于控制开关，扇形圆管相当于扇形控制环，圆形驱动管和偏重块相当于井眼重力高边工具面驱动机构。由于所钻井眼都是倾斜的，因此，圆形驱动管一定是倾斜的，偏重块利用自身重力作用始终处在圆形驱动管所在铅垂平面下倾方向自动识别井眼重力高边，通过圆形驱动管驱动扇形圆管旋转到内壁圆柱面底侧扇形柱面且左右对称。在某井段钻进过程中，内壁圆柱面和扇形圆管相对旋转，高压液体通过内壁圆柱面顶侧扇形柱面液体通道进入对应柱塞缸内，柱塞伸出，推动推板压迫井壁，对应所产生井壁反作用力矢量和方向始终朝向圆形驱动管所在铅垂平面下倾方向且处在导向装置所控制工具面变化范围内，机械自动垂直钻井工具降斜钻进。对于内壁圆柱面及其N个周向均布液体通道导向装置来说，无论扇形圆管开口圆心角大小，均可研制出一种N个推板机械自动垂直钻井工具，但是，扇形圆管开口圆心角与N个推板机械自动垂直钻井工具降斜效率有关，当扇形圆管开口圆心角且开口圆心角等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板机械自动垂直钻井工具降斜效率相对较高。

利用控制工具面变化范围的导向装置可研制出一种N个推板机械电动旋转导向钻井工具。对于矿藏导向钻井工具来说，液压端旋转驱动钻头破岩钻进，圆形驱动管安装在液压端轴孔中，圆形驱动管相对井眼不旋转，但与偏重块同步旋转。液压端轴孔内壁圆柱面与圆形驱动管平行，且与圆形驱动管、扇形圆管及其他部件共同组成液体腔室。液压端周向均布N个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸。连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿径向向内延伸到液压端轴孔内壁圆柱面(或内壁圆柱面中安装硬质轨道缸且液体通道相连通)，液体通道周向均布且与推板方向一致，液压端(或硬质轨道缸)轴孔中放置着由圆形驱动管、齿轮、伺服电机、电磁阀、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块驱动的扇形圆管，因此，内壁圆柱面、液体通道、扇形圆管、圆形驱动管、齿轮、伺服电机、电磁阀、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块共同组成导向装置，其中，液压端(或硬质轨道缸)轴孔内壁圆柱面相当于圆环轨道面，液压端(或硬质轨道缸)轴孔液体通道相当于控制开关，扇形圆管相当于扇形控制环，齿轮、伺服电机、电磁阀、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块相当于井眼重力高边工具面驱动机构。在液压端顶部环形腔室内，伺服电机、电磁阀、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路和电池组安装在偏重块内部，齿轮安装在偏重块外部；偏重块通过轴孔安装在圆形驱动管上，通过伺服电机和齿轮驱动偏重块绕着圆形驱动管相对旋转或静止，通过电磁阀控制偏重块和外筒相对旋转或静止。由于所钻井眼都是倾斜的，因此，圆形驱动管一定是倾斜的，偏重块利用自身重力作用始终处在圆形驱动管所在铅垂平面下倾方向自动识别井眼重力高边，通过伺服电机、齿轮、圆形驱动管驱动扇形圆管旋转到给定工具面位置。在某井段钻进过程中，液压端推板随着钻具同步旋转，当接收地面指令为给定工具面导向钻进指令时，工具面控制集成电路接通伺服电机电源，通过齿轮和圆形驱动管驱动扇形圆管旋转到给定工具面位置；当接收地面指令为稳斜钻进指令时，工具面控制集成电路接通电磁阀电源，偏重块与外筒同步旋转。对于内壁圆柱面及其N个周向均布液体通道导向装置来说，无论扇形圆管开口圆心角大小，均可研制出一种N个推板机械电动旋转导向钻井工具，但是，扇形圆管开口圆心角与N个推板机械电动旋转导向钻井工具导向效率有关，当扇形圆管开口圆心角且开口圆心角等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板机械电动旋转导向钻井工具导向效率相对较高。

利用控制工具面变化范围的导向装置可研制出一种N个推板电子自动旋转导向钻井工具。对于矿藏导向钻井工具来说，液压端周向均布N个推板，且对应加工安装有柱塞、柱塞缸、液体通道、液压油泵、伺服电机、溢流阀、液体腔室及其他部件，伺服电机和溢流阀由控制端电子控制开关通过导线连接，电子控制开关可同时打开伺服电机和关闭溢流阀，确保液压油经液压油泵进入柱塞缸时，柱塞缸内液压油无法经溢流阀回流到液体腔室，或者，电子控制开关可同时关闭伺服电机和打开溢流阀，确保井壁挤压推板后退，柱塞收回时，柱塞缸内液压油经溢流阀回流到液体腔室，因此，电子控制开关相当于液体通道，间接连通液体腔室和柱塞缸。电子控制开关安装在矿藏导向钻井工具控制端某部件圆环形平面(或内壁圆柱面)，周向均布且与推板方向一致，扇形圆环(或扇形圆管)安装在可打开(或关闭)电子控制开关位置，由齿轮、伺服电机、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块驱动，因此，圆环形平面(或内壁圆柱面)、电子控制开关、扇形圆环(或扇形圆管)、齿轮、伺服电机、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块共同组成导向装置，其中，圆环形平面(或内壁圆柱面)相当于圆环轨道面，电子控制开关相当于控制开关，扇形圆环(或扇形圆管)相当于扇形控制环，齿轮、伺服电机、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块相当于井眼重力高边工具面驱动机构。在控制端内，圆形冲管由圆形驱动管演化而成，其内孔是高压钻井液通道，偏重块通过轴孔安装在圆形冲管上且绕着圆形冲管可自由旋转，伺服电机、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路和电池组安装在偏重块内部，齿轮安装在偏重块外部，工具面控制集成电路通过伺服电机和齿轮驱动扇形圆环(或扇形圆管)旋转。由于所钻井眼都是倾斜的，因此，圆形冲管一定是倾斜的，偏重块利用自身重力作用始终处在圆形冲管所在铅垂平面下倾方向自动识别井眼重力高边。当接收地面指令为给定工具面导向钻进指令时，工具面控制集成电路同时接通伺服电机和扇形圆环(或扇形圆管)电源，伺服电机通过齿轮驱动扇形圆环(或扇形圆管)旋转到给定工具面位置，电子控制开关处在扇形圆环(或扇形圆管)区域内时关闭伺服电机和打开溢流阀，处在扇形圆环(或扇形圆管)区域外时打开伺服电机和关闭溢流阀；当接收地面指令为稳斜钻进指令时，工具面控制集成电路同时断开伺服电机和扇形圆环(或扇形圆管)电源，扇形圆环(或扇形圆管)自动复位到初始工具面位置。在某井段钻进过程中，电子控制开关按照给定工具面和导向装置所控制工具面变化范围有序打开(或关闭)伺服电机和关闭(或打开)溢流阀，控制N个推板有序伸出或收回，迫使N个推板电子自动旋转导向钻井工具按照给定工具面导向钻进。对于圆环形平面(或内壁圆柱面)及其N个周向均布电子控制开关导向装置来说，无论扇形圆环(或扇形圆管)开口圆心角大小，均可研制出一种N个推板电子自动旋转导向钻井工具，但是，扇形圆环(或扇形圆管)开口圆心角与N个推板电子自动旋转导向钻井工具导向效率有关，当扇形圆环(或扇形圆管)开口圆心角且开口圆心角等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板电子自动旋转导向钻井工具导向效率相对较高。

附图说明

附图1是本发明专利一种控制工具面变化范围的导向装置俯视图及A-A剖面图。

附图标记说明：1-液压端顶部圆环形平面、2-液体通道、3-扇形圆环。

附图2是本发明专利一种控制工具面变化范围的导向装置俯视图及A-A剖面图。

附图标记说明：1-液压端轴孔内壁圆柱面、2-液体通道、3-扇形圆管。

具体实施方式

一种控制工具面变化范围的导向装置主要由圆环轨道面(1)、控制开关(2)和扇形控制环(3)组成。

下面结合附图和实施例对本发明专利一种控制工具面变化范围的导向装置作进一步说明。

矿藏导向钻井工具结构不同，圆环轨道面(1)、控制开关(2)和扇形控制环(3)空间形态均不相同，进一步说，导向装置结构不同。同时，进、出柱塞缸液体也不同，液压油或钻井液，因此，液压油腔室统称为液体腔室，液压油通道统称为液体通道。

矿藏导向钻井工具液压端周向均布N(N≥3且为正整数)个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸。当连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿轴向向上延伸到液压端顶部圆环形平面，液体通道周向均布且与推板方向一致时，圆环轨道面(1)是矿藏导向钻井工具液压端顶部圆环形平面，控制开关(2)是液压端顶部液体通道，直接连通液体腔室和柱塞缸，扇形控制环(3)是放置在圆环形平面上的扇形圆环，扇形圆环与圆环形平面接触面技术参数相匹配且配套研磨，确保密封承压。进一步说，为确保扇形圆环在圆环形平面上自由移动，可增加U型轨道槽、圆形驱动环及其他部件，U型轨道槽安装在液压端顶部且液体通道相连通，因此，圆环轨道面(1)演变成U型轨道槽底部圆环形平面，控制开关(2)演变成U型轨道槽底部液体通道。

矿藏导向钻井工具液压端周向均布N(N≥3且为正整数)个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸。当连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿径向向内延伸到液压端轴孔内壁圆柱面，液体通道周向均布且与推板方向一致时，圆环轨道面(1)是矿藏导向钻井工具液压端轴孔内壁圆柱面，控制开关(2)是液压端轴孔液体通道，直接连通液体腔室和柱塞缸，扇形控制环(3)是放置在内壁圆柱面中的扇形圆管，扇形圆管与内壁圆柱面接触面技术参数相匹配且配套研磨，确保密封承压。进一步说，为防止液压端轴孔液体通道刺坏，可增加硬质轨道缸，硬质轨道缸安装在液压端轴孔且液体通道相连通，为确保扇形圆管在内壁圆柱面中自由旋转，可延长圆形驱动管且在液体通道位置被加工成扇形圆管，因此，圆环轨道面(1)演变成硬质轨道缸轴孔内壁圆柱面，控制开关(2)演变成硬质轨道缸轴孔液体通道，扇形控制环(3)演变成圆形驱动管中的扇形圆管。

矿藏导向钻井工具液压端周向均布N(N≥3且为正整数)个推板，且对应加工安装有柱塞、柱塞缸、液体通道、液压油泵、伺服电机、溢流阀、液体腔室及其他部件，伺服电机和溢流阀由控制端电子控制开关通过导线连接，电子控制开关可同时打开伺服电机和关闭溢流阀，确保液压油经液压油泵进入柱塞缸时，柱塞缸内液压油无法经溢流阀回流到液体腔室，或者，电子控制开关可同时关闭伺服电机和打开溢流阀，确保井壁挤压推板后退，柱塞收回时，柱塞缸内液压油经溢流阀回流到液体腔室，因此，电子控制开关相当于液体通道，间接连通液体腔室和柱塞缸。矿藏导向钻井工具液压端和控制端分开加工制造，使研制电子自动旋转导向钻井工具成为可能。当电子控制开关安装在矿藏导向钻井工具控制端某部件圆环形平面(或内壁圆柱面)，周向均布且与推板方向一致时，圆环轨道面(1)是矿藏导向钻井工具控制端某部件圆环形平面(或内壁圆柱面)，控制开关(2)是电子控制开关，通过电子控制开关、液压油泵、伺服电机和溢流阀间接连通液体腔室和柱塞缸，扇形控制环(3)是安装在可打开(或关闭)电子控制开关位置的镶嵌在金属圆环(或金属圆管)上的扇形绝缘环(或扇形绝缘管)，例如由绝缘电木、陶瓷、塑料或其他绝缘材料加工制造。当金属圆环(或金属圆管)带电时，处在扇形绝缘环(或扇形绝缘管)区域外电子控制开关接通电源，同时打开伺服电机和关闭溢流阀；处在扇形绝缘环(或扇形绝缘管)区域内电子控制开关断开电源，同时关闭伺服电机和打开溢流阀，因此，扇形绝缘环(或扇形绝缘管)相当于扇形圆环(或扇形圆管)。为叙述方便，在电子控制开关导向装置中，下文所述扇形圆环(或扇形圆管)均指扇形绝缘环(或扇形绝缘管)，接通(或断开)扇形圆环(或扇形圆管)电源均指接通(或断开)金属圆环(或金属圆管)电源。

无论何种空间形态，如果从圆环形平面所在平面径向观察、内壁圆柱面所在柱面轴向观察导向装置，那么，圆环轨道面(包括圆环形平面和内壁圆柱面)均可看作“圆”，控制开关(包括液体通道和电子控制开关)均可看作“圆”上周向均布“点”，扇形控制环(包括扇形圆环和扇形圆管)均可看作“圆”上等直径“弧”。简化后数学模型相同，因此，不同结构导向装置的导向机理相同。进一步说，利用任何一种结构导向装置推导得出的导向机理，完全适用其他结构导向装置。

在导向装置中，N个推板对应N个控制开关(2)，N个控制开关(2)在圆环轨道面(1)上周向均布且与推板方向一致，因此，任意相邻两个控制开关(2)之间夹角等于360°/N，即Φ＝360°/N。同时，假设扇形控制环(3)开口圆心角为任意值给定工具面为任意值θ，那么，给定工具面就是扇形控制环(3)所在方位，在扇形控制环(3)对称线上且朝向扇形控制环(3)方向，用扇形控制环(3)与工具面驱动机构联接点G表示。

对于圆环轨道面(1)及其N个周向均布控制开关(2)导向装置来说，当扇形控制环(3)开口圆心角时，工具面变化范围恒为对应所产生井壁反作用力是间断的，不连续的，因此，矿藏导向钻井工具导向效率相对较低；当扇形控制环(3)开口圆心角时，工具面变化范围恒为对应所产生井壁反作用力是间断的，不连续的，因此，矿藏导向钻井工具导向效率相对较低；当扇形控制环(3)开口圆心角且等于Φ/2偶数倍时，工具面变化范围恒为Φ，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，矿藏导向钻井工具导向效率相对较低；当扇形控制环(3)开口圆心角且由Φ/2偶数倍逐渐趋近Φ/2奇数倍时，工具面变化范围由Φ逐渐趋近Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，矿藏导向钻井工具导向效率逐渐提高；当扇形控制环(3)开口圆心角且等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，矿藏导向钻井工具导向效率相对较高。

进一步说，无论扇形控制环(3)开口圆心角大小，利用该导向装置均可研制出多种N个推板矿藏导向钻井工具，但是，扇形控制环(3)开口圆心角直接决定着工具面变化范围，进而决定着N个推板矿藏导向钻井工具导向效率。当扇形控制环(3)开口圆心角或圆心角大于任意相邻两个控制开关(2)之间夹角，且开口圆心角等于任意相邻两个控制开关(2)之间夹角之半角奇数倍时，工具面变化范围恒为任意相邻两个控制开关(2)之间夹角一半，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板矿藏导向钻井工具导向效率相对较高。

实施例1

利用控制工具面变化范围的导向装置可研制出一种N个推板液压自动垂直钻井工具。对于矿藏导向钻井工具来说，液压端通过轴孔安装在传动轴上，传动轴旋转驱动钻头破岩钻进，液压端相对井眼不旋转。液压端顶部圆环形平面与传动轴垂直，且与传动轴、外筒及其他部件共同组成液体腔室。液压端周向均布N个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸。连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿轴向向上延伸到液压端顶部圆环形平面(或液压端顶部安装U型轨道槽且液体通道相连通)，液体通道周向均布且与推板方向一致，液压端顶部(或U型轨道槽底部)圆环形平面上放置着由钢珠(或圆形驱动环和钢珠)驱动的扇形圆环，因此，圆环形平面、液体通道、扇形圆环、钢珠(或圆形驱动环和钢珠)共同组成导向装置，其中，液压端顶部(或U型轨道槽底部)圆环形平面相当于圆环轨道面(1)，液压端顶部(或U型轨道槽底部)液体通道相当于控制开关(2)，扇形圆环相当于扇形控制环(3)，钢珠(或圆形驱动环和钢珠)相当于井眼重力高边工具面驱动机构。由于所钻井眼都是倾斜的，因此，圆环形平面一定是斜平面，钢珠利用自身重力作用始终处在圆环形平面所在平面下倾方向自动识别井眼重力高边，直接(或通过圆形驱动环)驱动扇形圆环移动到圆环形平面底侧扇形环面且左右对称。在某井段钻进过程中，圆环形平面和扇形圆环相对静止，高压液体通过圆环形平面顶侧扇形环面液体通道进入对应柱塞缸内，柱塞伸出，推动推板压迫井壁，对应所产生井壁反作用力矢量和方向始终朝向圆环形平面所在平面下倾方向且处在导向装置所控制工具面变化范围内，液压自动垂直钻井工具降斜钻进。对于圆环形平面及其N个周向均布液体通道导向装置来说，无论扇形圆环开口圆心角大小，均可研制出一种N个推板液压自动垂直钻井工具，但是，扇形圆环开口圆心角与N个推板液压自动垂直钻井工具降斜效率有关，当扇形圆环开口圆心角且开口圆心角等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板液压自动垂直钻井工具降斜效率相对较高。

实施例2

利用控制工具面变化范围的导向装置可研制出一种N个推板液压电动旋转导向钻井工具。对于矿藏导向钻井工具来说，液压端通过轴孔安装在传动轴上，传动轴旋转驱动钻头破岩钻进，液压端相对井眼不旋转。液压端顶部圆环形平面与传动轴垂直，且与传动轴、外筒及其他部件共同组成液体腔室。液压端周向均布N个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸。连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿轴向向上延伸到液压端顶部圆环形平面(或液压端顶部安装U型轨道槽且液体通道相连通)，液体通道周向均布且与推板方向一致，液压端顶部(或U型轨道槽底部)圆环形平面上放置着由扇形补环、齿轮、伺服电机、电磁阀、井眼高边测量装置、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和密闭容器驱动的扇形圆环，因此，圆环形平面、液体通道、扇形圆环、扇形补环、齿轮、伺服电机、电磁阀、井眼高边测量装置、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和密闭容器共同组成导向装置，其中，液压端顶部(或U型轨道槽底部)圆环形平面相当于圆环轨道面(1)，液压端顶部(或U型轨道槽底部)液体通道相当于控制开关(2)，扇形圆环相当于扇形控制环(3)，扇形补环、齿轮、伺服电机、电磁阀、井眼高边测量装置、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和密闭容器相当于井眼高边工具面驱动机构。在液体腔室内，伺服电机、电磁阀、井眼高边测量装置、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路和电池组安装在密闭容器内部，扇形补环和齿轮安装在密闭容器外部；密闭容器通过轴孔安装在传动轴上且在伺服电机和齿轮驱动下可绕着传动轴旋转，扇形圆环、扇形补环与密闭容器周向位置固定不变，但是，通过电磁阀可推出或收回。扇形补环圆心角等于扇形圆环开口圆心角，稳斜钻进时协助扇形圆环完全覆盖液压端顶部(或U型轨道槽底部)圆环形平面。在某井段钻进过程中，液压端随着钻具旋转可能出现缓慢旋转，致使实际工具面发生缓慢变化，因此，井眼高边测量装置按照给定时间间隔测量出井眼高边，工具面控制集成电路根据最新地面指令及时校核工具面，如果实际工具面与给定工具面误差超标，通过地面指令信号接收及反馈装置发出地面纠错指令，否则，继续导向钻进。接到纠错指令后，先停泵，再开泵。停泵期间，如果最新地面指令为给定工具面导向钻进指令，工具面控制集成电路接通伺服电机电源，按照最新井眼高边和最新地面指令，通过齿轮驱动密闭容器绕着传动轴旋转，带动扇形圆环到达给定工具面位置，然后接通电磁阀电源，扇形圆环推出且密封圆环形平面上对应扇形环面；如果最新地面指令为稳斜钻进指令，工具面控制集成电路接通电磁阀电源，扇形圆环和扇形补环同时推出且完全密封圆环形平面。对于圆环形平面及其N个周向均布液体通道导向装置来说，无论扇形圆环开口圆心角大小，均可研制出一种N个推板液压电动旋转导向钻井工具，但是，扇形圆环开口圆心角与N个推板液压电动旋转导向钻井工具导向效率有关，当扇形圆环开口圆心角且开口圆心角等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板液压电动旋转导向钻井工具导向效率相对较高。

实施例3

利用控制工具面变化范围的导向装置可研制出一种N个推板机械自动垂直钻井工具。对于矿藏导向钻井工具来说，液压端旋转驱动钻头破岩钻进，圆形驱动管安装在液压端轴孔中，圆形驱动管相对井眼不旋转，但与偏重块同步旋转。液压端轴孔内壁圆柱面与圆形驱动管平行，且与圆形驱动管、扇形圆管及其他部件共同组成液体腔室。液压端周向均布N个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸。连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿径向向内延伸到液压端轴孔内壁圆柱面(或内壁圆柱面中安装硬质轨道缸且液体道道相连通)，液体通道周向均布且与推板方向一致，液压端(或硬质轨道缸)轴孔中放置着由圆形驱动管、偏重块驱动的扇形圆管，因此，内壁圆柱面、液体通道、扇形圆管、圆形驱动管和偏重块共同组成导向装置，其中，液压端(或硬质轨道缸)轴孔内壁圆柱面相当于圆环轨道面(1)，液压端(或硬质轨道缸)轴孔液体通道相当于控制开关(2)，扇形圆管相当于扇形控制环(3)，圆形驱动管和偏重块相当于井眼重力高边工具面驱动机构。由于所钻井眼都是倾斜的，因此，圆形驱动管一定是倾斜的，偏重块利用自身重力作用始终处在圆形驱动管所在铅垂平面下倾方向自动识别井眼重力高边，通过圆形驱动管驱动扇形圆管旋转到内壁圆柱面底侧扇形柱面且左右对称。在某井段钻进过程中，内壁圆柱面和扇形圆管相对旋转，高压液体通过内壁圆柱面顶侧扇形柱面液体通道进入对应柱塞缸内，柱塞伸出，推动推板压迫井壁，对应所产生井壁反作用力矢量和方向始终朝向圆形驱动管所在铅垂平面下倾方向且处在导向装置所控制工具面变化范围内，机械自动垂直钻井工具降斜钻进。对于内壁圆柱面及其N个周向均布液体通道导向装置来说，无论扇形圆管开口圆心角大小，均可研制出一种N个推板机械自动垂直钻井工具，但是，扇形圆管开口圆心角与N个推板机械自动垂直钻井工具降斜效率有关，当扇形圆管开口圆心角且开口圆心角等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板机械自动垂直钻井工具降斜效率相对较高。

实施例4

利用控制工具面变化范围的导向装置可研制出一种N个推板机械电动旋转导向钻井工具。对于矿藏导向钻井工具来说，液压端旋转驱动钻头破岩钻进，圆形驱动管安装在液压端轴孔中，圆形驱动管相对井眼不旋转，但与偏重块同步旋转。液压端轴孔内壁圆柱面与圆形驱动管平行，且与圆形驱动管、扇形圆管及其他部件共同组成液体腔室。液压端周向均布N个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸。连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿径向向内延伸到液压端轴孔内壁圆柱面(或内壁圆柱面中安装硬质轨道缸且液体通道相连通)，液体通道周向均布且与推板方向一致，液压端(或硬质轨道缸)轴孔中放置着由圆形驱动管、齿轮、伺服电机、电磁阀、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块驱动的扇形圆管，因此，内壁圆柱面、液体通道、扇形圆管、圆形驱动管、齿轮、伺服电机、电磁阀、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块共同组成导向装置，其中，液压端(或硬质轨道缸)轴孔内壁圆柱面相当于圆环轨道面(1)，液压端(或硬质轨道缸)轴孔液体通道相当于控制开关(2)，扇形圆管相当于扇形控制环(3)，齿轮、伺服电机、电磁阀、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块相当于井眼重力高边工具面驱动机构。在液压端顶部环形腔室内，伺服电机、电磁阀、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路和电池组安装在偏重块内部，齿轮安装在偏重块外部；偏重块通过轴孔安装在圆形驱动管上，通过伺服电机和齿轮驱动偏重块绕着圆形驱动管相对旋转或静止，通过电磁阀控制偏重块和外筒相对旋转或静止。由于所钻井眼都是倾斜的，因此，圆形驱动管一定是倾斜的，偏重块利用自身重力作用始终处在圆形驱动管所在铅垂平面下倾方向自动识别井眼重力高边，通过伺服电机、齿轮、圆形驱动管驱动扇形圆管旋转到给定工具面位置。在某井段钻进过程中，液压端推板随着钻具同步旋转，当接收地面指令为给定工具面导向钻进指令时，工具面控制集成电路接通伺服电机电源，通过齿轮和圆形驱动管驱动扇形圆管旋转到给定工具面位置；当接收地面指令为稳斜钻进指令时，工具面控制集成电路接通电磁阀电源，偏重块与外筒同步旋转。对于内壁圆柱面及其N个周向均布液体通道导向装置来说，无论扇形圆管开口圆心角大小，均可研制出一种N个推板机械电动旋转导向钻井工具，但是，扇形圆管开口圆心角与N个推板机械电动旋转导向钻井工具导向效率有关，当扇形圆管开口圆心角且开口圆心角等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板机械电动旋转导向钻井工具导向效率相对较高。

实施例5

利用控制工具面变化范围的导向装置可研制出一种N个推板电子自动旋转导向钻井工具。对于矿藏导向钻井工具来说，液压端周向均布N个推板，且对应加工安装有柱塞、柱塞缸、液体通道、液压油泵、伺服电机、溢流阀、液体腔室及其他部件，伺服电机和溢流阀由控制端电子控制开关通过导线连接，电子控制开关可同时打开伺服电机和关闭溢流阀，确保液压油经液压油泵进入柱塞缸时，柱塞缸内液压油无法经溢流阀回流到液体腔室，或者，电子控制开关可同时关闭伺服电机和打开溢流阀，确保井壁挤压推板后退，柱塞收回时，柱塞缸内液压油经溢流阀回流到液体腔室，因此，电子控制开关相当于液体通道，间接连通液体腔室和柱塞缸。电子控制开关安装在矿藏导向钻井工具控制端某部件圆环形平面(或内壁圆柱面)，周向均布且与推板方向一致，扇形圆环(或扇形圆管)安装在可打开(或关闭)电子控制开关位置，由齿轮、伺服电机、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块驱动，因此，圆环形平面(或内壁圆柱面)、电子控制开关、扇形圆环(或扇形圆管)、齿轮、伺服电机、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块共同组成导向装置，其中，圆环形平面(或内壁圆柱面)相当于圆环轨道面(1)，电子控制开关相当于控制开关(2)，扇形圆环(或扇形圆管)相当于扇形控制环(3)，齿轮、伺服电机、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块相当于井眼重力高边工具面驱动机构。在控制端内，圆形冲管由圆形驱动管演化而成，其内孔是高压钻井液通道，偏重块通过轴孔安装在圆形冲管上且绕着圆形冲管可自由旋转，伺服电机、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路和电池组安装在偏重块内部，齿轮安装在偏重块外部，工具面控制集成电路通过伺服电机和齿轮驱动扇形圆环(或扇形圆管)旋转。由于所钻井眼都是倾斜的，因此，圆形冲管一定是倾斜的，偏重块利用自身重力作用始终处在圆形冲管所在铅垂平面下倾方向自动识别井眼重力高边。当接收地面指令为给定工具面导向钻进指令时，工具面控制集成电路同时接通伺服电机和扇形圆环(或扇形圆管)电源，伺服电机通过齿轮驱动扇形圆环(或扇形圆管)旋转到给定工具面位置，电子控制开关处在扇形圆环(或扇形圆管)区域内时关闭伺服电机和打开溢流阀，处在扇形圆环(或扇形圆管)区域外时打开伺服电机和关闭溢流阀；当接收地面指令为稳斜钻进指令时，工具面控制集成电路同时断开伺服电机和扇形圆环(或扇形圆管)电源，扇形圆环(或扇形圆管)自动复位到初始工具面位置。在某井段钻进过程中，电子控制开关按照给定工具面和导向装置所控制工具面变化范围有序打开(或关闭)伺服电机和关闭(或打开)溢流阀，控制N个推板有序伸出或收回，迫使N个推板电子自动旋转导向钻井工具按照给定工具面导向钻进。对于圆环形平面(或内壁圆柱面)及其N个周向均布电子控制开关导向装置来说，无论扇形圆环(或扇形圆管)开口圆心角大小，均可研制出一种N个推板电子自动旋转导向钻井工具，但是，扇形圆环(或扇形圆管)开口圆心角与N个推板电子自动旋转导向钻井工具导向效率有关，当扇形圆环(或扇形圆管)开口圆心角且开口圆心角等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板电子自动旋转导向钻井工具导向效率相对较高。

以上对本发明专利的说明仅是优选范例，并不能被理解为对本发明专利技术方案内容的限制。以上内容在具体应用中，技术人员有可能需要根据具体情况作个别调整和改变，所述调整和改变均应落入本发明专利所附权利要求的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种控制工具面变化范围的导向装置主要由圆环轨道面(1)、控制开关(2)和扇形控制环(3)组成；

矿藏导向钻井工具结构不同，圆环轨道面(1)、控制开关(2)和扇形控制环(3)空间形态均不相同，进一步说，导向装置结构不同；

矿藏导向钻井工具液压端周向均布N(N≥3且为正整数)个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸；当连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿轴向向上延伸到液压端顶部圆环形平面，液体通道周向均布且与推板方向一致时，所述圆环轨道面(1)是矿藏导向钻井工具液压端顶部圆环形平面，所述控制开关(2)是液压端顶部液体通道，所述扇形控制环(3)是放置在圆环形平面上的扇形圆环；进一步说，为确保扇形圆环在圆环形平面上自由移动，可增加U型轨道槽和圆形驱动环，U型轨道槽安装在液压端顶部且液体通道相连通，因此，圆环轨道面(1)演变成U型轨道槽底部圆环形平面，控制开关(2)演变成U型轨道槽底部液体通道；

矿藏导向钻井工具液压端周向均布N(N≥3且为正整数)个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸；当连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿径向向内延伸到液压端轴孔内壁圆柱面，液体通道周向均布且与推板方向一致时，所述圆环轨道面(1)是矿藏导向钻井工具液压端轴孔内壁圆柱面，所述控制开关(2)是液压端轴孔液体通道，所述扇形控制环(3)是放置在内壁圆柱面中的扇形圆管；进一步说，为防止液压端轴孔液体通道刺坏，可增加硬质轨道缸，硬质轨道缸安装在液压端轴孔且液体通道相连通，为确保扇形圆管在内壁圆柱面中自由旋转，可延长圆形驱动管且在液体通道位置被加工成扇形圆管，因此，圆环轨道面(1)演变成硬质轨道缸轴孔内壁圆柱面，控制开关(2)演变成硬质轨道缸轴孔液体通道，扇形控制环(3)演变成圆形驱动管中的扇形圆管；

矿藏导向钻井工具液压端周向均布N(N≥3且为正整数)个推板，且对应加工安装有柱塞、柱塞缸、液体通道、液压油泵、伺服电机、溢流阀和液体腔室，伺服电机和溢流阀由控制端电子控制开关通过导线连接；当电子控制开关安装在矿藏导向钻井工具控制端某部件圆环形平面(或内壁圆柱面)，周向均布且与推板方向一致时，所述圆环轨道面(1)是矿藏导向钻井工具控制端某部件圆环形平面(或内壁圆柱面)，所述控制开关(2)是电子控制开关，所述扇形控制环(3)是安装在可打开(或关闭)电子控制开关位置的镶嵌在金属圆环(或金属圆管)上的扇形绝缘环(或扇形绝缘管)。

2.根据权利要求1所述的一种控制工具面变化范围的导向装置，其特征在于：无论何种空间形态，圆环轨道面(包括圆环形平面和内壁圆柱面)均可看作“圆”，控制开关(包括液体通道和电子控制开关)均可看作“圆”上周向均布“点”，扇形控制环(包括扇形圆环和扇形圆管)均可看作“圆”上等直径“弧”，简化后数学模型相同，因此，不同结构导向装置的导向机理相同；

在导向装置中，N个推板对应N个控制开关(2)，N个控制开关(2)在圆环轨道面(1)上周向均布且与推板方向一致，因此，任意相邻两个控制开关(2)之间夹角等于360°/N，即Φ＝360°/N，同时，假设扇形控制环(3)开口圆心角为任意值给定工具面为任意值θ，那么，给定工具面就是扇形控制环(3)所在方位，在扇形控制环(3)对称线上且朝向扇形控制环(3)方向，用扇形控制环(3)与工具面驱动机构联接点G表示；

对于圆环轨道面(1)及其N个周向均布控制开关(2)导向装置来说，当扇形控制环(3)开口圆心角时，工具面变化范围恒为对应所产生井壁反作用力是间断的，不连续的，因此，矿藏导向钻井工具导向效率相对较低；当扇形控制环(3)开口圆心角时，工具面变化范围恒为对应所产生井壁反作用力是间断的，不连续的，因此，矿藏导向钻井工具导向效率相对较低；当扇形控制环(3)开口圆心角且等于Φ/2偶数倍时，工具面变化范围恒为Φ，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，矿藏导向钻井工具导向效率相对较低；当扇形控制环(3)开口圆心角且由Φ/2偶数倍逐渐趋近Φ/2奇数倍时，工具面变化范围由Φ逐渐趋近Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，矿藏导向钻井工具导向效率逐渐提高；当扇形控制环(3)开口圆心角且等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，矿藏导向钻井工具导向效率相对较高；

进一步说，无论扇形控制环(3)开口圆心角大小，利用该导向装置均可研制出多种N个推板矿藏导向钻井工具，但是，扇形控制环(3)开口圆心角直接决定着工具面变化范围，进而决定着N个推板矿藏导向钻井工具导向效率；当扇形控制环(3)开口圆心角或圆心角大于任意相邻两个控制开关(2)之间夹角，且开口圆心角等于任意相邻两个控制开关(2)之间夹角之半角奇数倍时，工具面变化范围恒为任意相邻两个控制开关(2)之间夹角一半，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板矿藏导向钻井工具导向效率相对较高。

3.根据权利要求1或2所述的一种控制工具面变化范围的导向装置，其特征在于：利用控制工具面变化范围的导向装置可研制出一种N个推板液压自动垂直钻井工具；

对于矿藏导向钻井工具来说，液压端通过轴孔安装在传动轴上，传动轴旋转驱动钻头破岩钻进，液压端相对井眼不旋转；液压端顶部圆环形平面与传动轴垂直，且与传动轴和外筒共同组成液体腔室；液压端周向均布N个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸；

连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿轴向向上延伸到液压端顶部圆环形平面(或液压端顶部安装U型轨道槽且液体通道相连通)，液体通道周向均布且与推板方向一致，液压端顶部(或U型轨道槽底部)圆环形平面上放置着由钢珠(或圆形驱动环和钢珠)驱动的扇形圆环，因此，圆环形平面、液体通道、扇形圆环、钢珠(或圆形驱动环和钢珠)共同组成导向装置，其中，液压端顶部(或U型轨道槽底部)圆环形平面相当于圆环轨道面(1)，液压端顶部(或U型轨道槽底部)液体通道相当于控制开关(2)，扇形圆环相当于扇形控制环(3)，钢珠(或圆形驱动环和钢珠)相当于井眼重力高边工具面驱动机构；

对于圆环形平面及其N个周向均布液体通道导向装置来说，无论扇形圆环开口圆心角大小，均可研制出一种N个推板液压自动垂直钻井工具，但是，扇形圆环开口圆心角与N个推板液压自动垂直钻井工具降斜效率有关，当扇形圆环开口圆心角且开口圆心角等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板液压自动垂直钻井工具降斜效率相对较高。

4.根据权利要求1或2所述的一种控制工具面变化范围的导向装置，其特征在于：利用控制工具面变化范围的导向装置可研制出一种N个推板液压电动旋转导向钻井工具；

对于矿藏导向钻井工具来说，液压端通过轴孔安装在传动轴上，传动轴旋转驱动钻头破岩钻进，液压端相对井眼不旋转；液压端顶部圆环形平面与传动轴垂直，且与传动轴和外筒共同组成液体腔室；液压端周向均布N个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸；

连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿轴向向上延伸到液压端顶部圆环形平面(或液压端顶部安装U型轨道槽且液体通道相连通)，液体通道周向均布且与推板方向一致，液压端顶部(或U型轨道槽底部)圆环形平面上放置着由扇形补环、齿轮、伺服电机、电磁阀、井眼高边测量装置、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和密闭容器驱动的扇形圆环，因此，圆环形平面、液体通道、扇形圆环、扇形补环、齿轮、伺服电机、电磁阀、井眼高边测量装置、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和密闭容器共同组成导向装置，其中，液压端顶部(或U型轨道槽底部)圆环形平面相当于圆环轨道面(1)，液压端顶部(或U型轨道槽底部)液体通道相当于控制开关(2)，扇形圆环相当于扇形控制环(3)，扇形补环、齿轮、伺服电机、电磁阀、井眼高边测量装置、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和密闭容器相当于井眼高边工具面驱动机构；

在液体腔室内，伺服电机、电磁阀、井眼高边测量装置、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路和电池组安装在密闭容器内部，扇形补环和齿轮安装在密闭容器外部；密闭容器通过轴孔安装在传动轴上且在伺服电机和齿轮驱动下可绕着传动轴旋转；扇形圆环、扇形补环与密闭容器周向位置固定不变，但是，通过电磁阀可推出或收回；

对于圆环形平面及其N个周向均布液体通道导向装置来说，无论扇形圆环开口圆心角大小，均可研制出一种N个推板液压电动旋转导向钻井工具，但是，扇形圆环开口圆心角与N个推板液压电动旋转导向钻井工具导向效率有关，当扇形圆环开口圆心角且开口圆心角等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板液压电动旋转导向钻井工具导向效率相对较高。

5.根据权利要求1或2所述的一种控制工具面变化范围的导向装置，其特征在于：利用控制工具面变化范围的导向装置可研制出一种N个推板机械自动垂直钻井工具；

对于矿藏导向钻井工具来说，液压端旋转驱动钻头破岩钻进，圆形驱动管安装在液压端轴孔中，圆形驱动管相对井眼不旋转，但与偏重块同步旋转；液压端轴孔内壁圆柱面与圆形驱动管平行，且与圆形驱动管和扇形圆管共同组成液体腔室；液压端周向均布N个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸；

连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿径向向内延伸到液压端轴孔内壁圆柱面(或内壁圆柱面中安装硬质轨道缸且液体通道相连通)，液体通道周向均布且与推板方向一致，液压端(或硬质轨道缸)轴孔中放置着由圆形驱动管、偏重块驱动的扇形圆管，因此，内壁圆柱面、液体通道、扇形圆管、圆形驱动管和偏重块共同组成导向装置，其中，液压端(或硬质轨道缸)轴孔内壁圆柱面相当于圆环轨道面(1)，液压端(或硬质轨道缸)轴孔液体通道相当于控制开关(2)，扇形圆管相当于扇形控制环(3)，圆形驱动管和偏重块相当于井眼重力高边工具面驱动机构；

对于内壁圆柱面及其N个周向均布液体通道导向装置来说，无论扇形圆管开口圆心角大小，均可研制出一种N个推板机械自动垂直钻井工具，但是，扇形圆管开口圆心角与N个推板机械自动垂直钻井工具降斜效率有关，当扇形圆管开口圆心角且开口圆心角等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板机械自动垂直钻井工具降斜效率相对较高。

6.根据权利要求1或2所述的一种控制工具面变化范围的导向装置，其特征在于：利用控制工具面变化范围的导向装置可研制出一种N个推板机械电动旋转导向钻井工具；

对于矿藏导向钻井工具来说，液压端旋转驱动钻头破岩钻进，圆形驱动管安装在液压端轴孔中，圆形驱动管相对井眼不旋转，但与偏重块同步旋转；液压端轴孔内壁圆柱面与圆形驱动管平行，且与圆形驱动管和扇形圆管共同组成液体腔室；液压端周向均布N个推板，且对应加工安装有柱塞和柱塞缸；

连通柱塞缸和液体腔室的液体通道沿径向向内延伸到液压端轴孔内壁圆柱面(或内壁圆柱面中安装硬质轨道缸且液体通道相连通)，液体通道周向均布且与推板方向一致，液压端(或硬质轨道缸)轴孔中放置着由圆形驱动管、齿轮、伺服电机、电磁阀、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块驱动的扇形圆管，因此，内壁圆柱面、液体通道、扇形圆管、圆形驱动管、齿轮、伺服电机、电磁阀、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块共同组成导向装置，其中，液压端(或硬质轨道缸)轴孔内壁圆柱面相当于圆环轨道面(1)，液压端(或硬质轨道缸)轴孔液体通道相当于控制开关(2)，扇形圆管相当于扇形控制环(3)，齿轮、伺服电机、电磁阀、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块相当于井眼重力高边工具面驱动机构；

在液压端顶部环形腔室内，伺服电机、电磁阀、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路和电池组安装在偏重块内部，齿轮安装在偏重块外部；偏重块通过轴孔安装在圆形驱动管上，通过伺服电机和齿轮驱动偏重块绕着圆形驱动管相对旋转或静止，通过电磁阀控制偏重块和外筒相对旋转或静止；

对于内壁圆柱面及其N个周向均布液体通道导向装置来说，无论扇形圆管开口圆心角大小，均可研制出一种N个推板机械电动旋转导向钻井工具，但是，扇形圆管开口圆心角与N个推板机械电动旋转导向钻井工具导向效率有关，当扇形圆管开口圆心角且开口圆心角等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板机械电动旋转导向钻井工具导向效率相对较高。

7.根据权利要求1或2所述的一种控制工具面变化范围的导向装置，其特征在于：利用控制工具面变化范围的导向装置可研制出一种N个推板电子自动旋转导向钻井工具；

对于矿藏导向钻井工具来说，液压端周向均布N个推板，且对应加工安装有柱塞、柱塞缸、液体通道、液压油泵、伺服电机、溢流阀和液体腔室，伺服电机和溢流阀由控制端电子控制开关通过导线连接，电子控制开关可同时打开(或关闭)伺服电机和关闭(或打开)溢流阀；

电子控制开关安装在矿藏导向钻井工具控制端某部件圆环形平面(或内壁圆柱面)，周向均布且与推板方向一致，扇形圆环(或扇形圆管)安装在可打开(或关闭)电子控制开关位置，由齿轮、伺服电机、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块驱动，因此，圆环形平面(或内壁圆柱面)、电子控制开关、扇形圆环(或扇形圆管)、齿轮、伺服电机、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块共同组成导向装置，其中，圆环形平面(或内壁圆柱面)相当于圆环轨道面(1)，电子控制开关相当于控制开关(2)，扇形圆环(或扇形圆管)相当于扇形控制环(3)，齿轮、伺服电机、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路、电池组和偏重块相当于井眼重力高边工具面驱动机构；

在控制端内，圆形冲管由圆形驱动管演化而成，其内孔是高压钻井液通道，偏重块通过轴孔安装在圆形冲管上且绕着圆形冲管可自由旋转，伺服电机、地面指令信号接收及反馈装置、工具面控制集成电路和电池组安装在偏重块内部，齿轮安装在偏重块外部，工具面控制集成电路通过伺服电机和齿轮驱动扇形圆环(或扇形圆管)旋转；

对于圆环形平面(或内壁圆柱面)及其N个周向均布电子控制开关导向装置来说，无论扇形圆环(或扇形圆管)开口圆心角大小，均可研制出一种N个推板电子自动旋转导向钻井工具，但是，扇形圆环(或扇形圆管)开口圆心角与N个推板电子自动旋转导向钻井工具导向效率有关，当扇形圆环(或扇形圆管)开口圆心角且开口圆心角等于Φ/2奇数倍时，工具面变化范围恒为Φ/2，对应所产生井壁反作用力是连续的，不间断的，因此，N个推板电子自动旋转导向钻井工具导向效率相对较高。