CN108286413B - 一种钻井导向工具及钻井系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻井导向工具及钻井系统，属于钻井工具领域。钻井导向工具包括空心外套、旋转轴、空心钻铤和驱动机构。空心外套套设于旋转轴的外侧，旋转轴与所述空心外套通过球面轴承连接。空心钻铤可转动的设置于空心外套内，空心钻铤支撑于旋转轴。驱动机构包括旋转体、偏心轮、第一驱动装置和第二驱动装置，旋转体可转动的设置于空心外套内，偏心轮与旋转体转动连接，第一驱动装置用于驱动旋转体相对空心外套围绕旋转轴转动，第二驱动装置用于驱动偏心轮相对旋转体转动。偏心轮相对旋转体转动能够使旋转轴弯曲。这种钻井导向工具，偏心轮转动使旋转轴弯曲，偏心轮与旋转轴为线接触，偏心轮不会限制旋转轴的弯曲。

Description

一种钻井导向工具及钻井系统

技术领域

本发明涉及钻井工具领域，具体而言，涉及一种钻井导向工具及钻井系统。

背景技术

旋转导向钻井系统是靠空心外套与旋转轴之间的驱动机构使旋转轴弯曲偏执，从而为钻头提供一个与井眼轴线不一致的倾角，产生导向作用。现有的旋转导向钻井系统中的驱动机构一般都采用偏心环，旋转轴套设在偏心环内，偏心环对旋转轴的弯曲具有一定的限制作用，旋转轴的弯曲效果差，从而导致钻头的倾斜效果不佳，钻井效果不能达到预期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻井导向工具，以改善驱动机构对旋转轴的弯曲具有限制作用的问题。

本发明的目的在于提供一种钻井系统，以改善驱动机构对旋转轴的弯曲具有限制作用的问题。

本发明是这样实现的：

基于上述第一目的，本发明提供一种钻井导向工具，包括：

空心外套；

旋转轴，所述空心外套套设于所述旋转轴的外侧，所述旋转轴与所述空心外套通过球面轴承连接；

空心钻铤，所述空心钻铤可转动的设置于所述空心外套内，所述空心钻铤支撑于所述旋转轴，所述空心钻铤与所述旋转轴能够同步转动；

驱动机构，所述驱动机构包括旋转体、偏心轮、第一驱动装置和第二驱动装置，所述旋转体可转动的设置于所述空心外套内，所述偏心轮与所述旋转体转动连接，所述第一驱动装置用于驱动所述旋转体相对所述空心外套围绕所述旋转轴转动，所述第二驱动装置用于驱动所述偏心轮相对所述旋转体转动；

所述偏心轮与所述旋转轴接触，所述偏心轮相对所述旋转体转动能够使所述旋转轴弯曲。

进一步地，所述旋转体包括第一旋转环和第二旋转环，所述第二旋转环与所述第一旋转环滑动连接，所述第二旋转环与所述第一旋转环之间设置有第一限位结构，以限制所述第二旋转环相对第一旋转环转动，所述第一旋转环与所述空心外套转动连接，所述偏心轮与所述第二旋转环转动连接；

所述第一旋转环与所述第二旋转环之间设有第三驱动装置，所述第二驱动装置用于驱动所述第二旋转环相对第一旋转环轴向滑动；

所述旋转轴具有接触面，接触面为圆锥面，所述第二旋转环相对所述第一旋转环轴向移动能够使所述偏心轮与所述接触面接触并沿所述接触面移动。

进一步地，所述第一旋转环包括基环和沿所述基环轴向延伸的导向环，所述基环的外壁与所述空心外套接触并形成转动配合，所述第二旋转环套设于所述导向环的外侧，所述第二旋转环的内壁与所述导向环接触并形成滑动配合。

进一步地，所述第一限位结构包括设于所述导向环的外壁上的凸出部和设于所述第二旋转环的内壁上的滑槽，所述凸出部延伸至所述滑槽内；

所述第二旋转环相对所述第一旋转环轴向移动时，所述凸出部能够在所述滑槽内滑动。

进一步地，所述偏心轮相对旋转体转动的轴线垂直于旋转体相对所述空心外套转动的轴线。

进一步地，所述空心钻铤上设有限位孔，所述旋转轴插设于所述限位孔内，所述限位孔的孔壁与所述旋转轴的外壁存在间隙，所述空心钻铤与所述旋转轴间设有第二限位结构，以限制所述旋转轴相对所述空心钻铤转动。

进一步地，所述第二限位结构包括设于多个推杆、多个第一弹性件和设于所述旋转轴上的多个圆周分布的卡槽，所述推杆、第一弹性件与卡槽一一对应；

所述卡槽沿所述旋转轴的轴向布置，所述推杆与所述空心钻铤滑动连接，所述推杆能够沿所述空心钻铤的径向滑动，所述第一弹性件作用于所述推杆，以使所述推杆卡于所述卡槽内。

进一步地，所述空心钻铤与旋转轴间设有密封结构。

进一步地，所述密封结构包括滑动体、固定体和第二弹性件；

所述滑动体可滑动的设置于所述旋转轴上，所述滑动体与所述旋转轴滑动密封，所述滑动体具有第一球面；

所述固定体固定于所述旋转轴上；

所述空心钻铤上设有凹槽，所述凹槽具有第二球面，所述第二弹性件作用于所述滑动体与所述固定体之间，以使所述第一球面与所述第二球面接触密封。

基于上述第二目的，本发明提供一种钻井系统，包括钻机、钻柱、钻头和上述的钻井导向工具，钻柱的一端与钻机连接，钻柱的另一端与所述空心钻铤连接，所述钻头与旋转轴连接。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种钻井导向工具，驱动机构由旋转体、偏心轮、第一驱动装置和第二驱动装置构成。当第二驱动装置工作时，偏心轮将发生转动，偏心轮可向旋转轴施加压力，从而使旋转轴发生弯曲。当第一驱动装置工作时，旋转体将围绕旋转轴转动，从而使偏心轮可从多个方向上向旋转轴施加压力，使得旋转轴能够在多个方向上发生弯曲，实现钻头的任意转向。这种钻井导向工具中，偏心轮转动使旋转轴弯曲，偏心轮与旋转轴为线接触，偏心轮不会限制旋转轴的弯曲，可保证旋转轴能够很好的弯曲，使得钻头的倾斜效果更好。

本发明提供一种钻井系统，包括上述钻井导向工具，具有上述钻井导向工具的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的钻井导向工具的结构示意图；

图2为图1所示的空心外套的结构示意图；

图3为图1所示的空心轴的结构示意图；

图4为图3所示的IV-IV剖视图；

图5为图1所示的空心钻铤的结构示意图；

图6为图1所示的旋转体的结构示意图；

图7为图1所示的钻井导向工具的局部视图；

图8为本发明实施例2提供的钻井系统的结构示意图。

图标：200-钻井导向工具；10-空心外套；11-第一筒体；111-第一限位环；12-过渡体；13-第二筒体；131-第二限位环；20-旋转轴；21-轴头；22-第一轴部；23-锥形部；231-接触面；24-第二轴部；241-卡槽；30-空心钻铤；31-周壁；32-底壁；33-限位孔；34-插孔；35-推杆；36-第一弹性件；37-凹槽；38-第二球面；40-驱动机构；41-旋转体；411-第一旋转环；4111-基环；4112-导向环；4113-凸出部；412-第二旋转环；4121-环体；4122-凸环；4123-滑槽；413-第三驱动装置；42-偏心轮；43-第一驱动装置；44-第二驱动装置；50-轴承；60-第一压盖；70-第一密封圈；80-球面轴承；90-第二压盖；100-第二密封圈；110-密封结构；1101-滑动体；1102-固定体；1103-第二弹性件；1104-第一球面；300-钻井系统；310-钻机；320-钻柱；330-钻头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种钻井导向工具200，包括空心外套10、旋转轴20、空心钻铤30和驱动机构40，旋转轴20可转动的设置在空心外套10内，空心钻铤30与旋转轴20连接，空心钻铤30能够与旋转轴20一同转动，驱动机构40设于空心外套10内，驱动机构40用于使旋转轴20弯曲。

如图2所示，空心外套10为两端开口的空心结构，其截面为环形。空心外套10包括同轴设置的第一筒体11、过渡体12和第二筒体13，第一筒体11与第二筒体13通过过渡体12连接，第一筒体11的内径大于第二筒体13的内径。第一筒体11的内壁上设有第一限位环111，第一限位环111靠近第一筒体11远离第二筒体13的远端。第二筒体13的内壁上设有第二限位环131，第二限位环131靠近第二筒体13远离第一筒体11的一端。

如图3所示，旋转轴20为空心轴，旋转轴20包括同轴设置的轴头21、第一轴部22、锥形部23和第二轴部24，第一轴部22与第二轴部24通过锥形部23连接，第一轴部22远离锥形部23的一端与轴头21连接。第一轴部22的外径大于第二轴部24的外径，锥形部23的外壁接触面231，接触面231为圆锥面，第一轴部22的外壁通过接触面231过渡到第二轴部24。如图4所示，第二轴部24的外壁上设有多个圆周均匀分布的卡槽241，卡槽241沿第二轴部24的轴向延伸，卡槽241贯通第二轴部24远离锥形部23的一端。

如图5所示，空心钻铤30为圆形结构，空心钻铤30包括周壁31和设于周壁31底部的底壁32。其中，底壁32上设有限位孔33，限位孔33的孔径大于旋转轴20的第二轴部24的外径。限位孔33的孔壁上设有多个圆周均匀分布的插孔34，插孔34沿限位孔33的半径方向布置，插孔34内设有推杆35和第一弹性件36，本实施例中，第一弹性件36为弹簧，推杆35可在插孔34内滑动，第一弹性件36作用于第一弹性件36，使得第一弹性件36的一端延伸至限位孔33内。推杆35、第一弹性件36和旋转轴20上的卡槽241的个数一一对应。此外，空心钻铤30的底壁32的内表面设有凹槽37，凹槽37与限位孔33连通，凹槽37具有第二球面38。

如图1所示，空心外套10、旋转轴20和空心钻铤30连接时，空心钻铤30设于空心外套10的第一筒体11远离第二筒体13的一端，空心钻铤30与第一筒体11通过轴承50连接，以实现空心钻铤30与空心外套10的转动连接。第一筒体11远离第二筒体13的一端螺接有第一压盖60，第一压盖60将轴承50压于第一限位环111上，第一压盖60与空心钻铤30间设有第一密封圈70。旋转轴20设于空心外套10内，旋转轴20的轴头21延伸至空心外套10外，旋转轴20的第一轴部22与空心外套10的第二筒体13通过球面轴承80连接。第二筒体13远离第一筒体11的一端螺接有第二压盖90，第二压盖90将球面轴承80压于第二限位环131上，第二压盖90与旋转轴20的第一轴部22件设有第二密封圈100。旋转轴20的第二轴部24延伸至空心钻铤30的限位孔33内，第二轴部24的外壁与限位孔33的孔壁存在间隙，在第一弹性件36的作用下，推杆35插设在第二轴部24的卡槽241内。所有推杆35、所有第一弹性件36和所有卡槽241构成第二限位结构，以限制空心钻铤30与旋转轴20的相对转动，从而实现空心钻铤30与旋转轴20的同步转动。

驱动机构40的作用是使旋转轴20发生弯曲。如图1所示，驱动机构40包括旋转体41、偏心轮42、第一驱动装置43和第二驱动装置44。旋转体41与空心外套10转动连接，第一驱动装置43用于驱动旋转体41相对空心外套10转动，偏心轮42与旋转体41转动连接，第二驱动装置44用于驱动偏心轮42相对旋转体41转动。本实施例中，偏心轮42相对旋转体41转动的轴线垂直于旋转体41相对空心外套10转动的轴线。

如图6所示，旋转体41包括同轴设置的第一旋转环411和第二旋转环412，第二旋转环412与第一旋转环411滑动连接，第二旋转环412与第一旋转环411之间设有第一限位结构，即第二旋转环412只能相对第一旋转环411轴向移动，第二旋转环412不能相对第一旋转环411转动。第一旋转环411与第二旋转环412之间设有第三驱动装置413，第三驱动装置413用于驱动第二旋转环412相对第一旋转环411滑动。

其中，第一旋转环411包括基环4111和沿基环4111轴向延伸的导向环4112，基环4111的外径与空心外套10的第一筒体11的内径相匹配，导向环4112的内径大于基环4111的内径，导向环4112的外径小于基环4111的外径，基环4111的内径大于旋转轴20的第一轴部22的外径。导向环4112的外壁上设有凸出部4113，凸出部4113为圆柱形。第二旋转环412包括环体4121和设于环体4121内壁的凸环4122，环体4121的内径与导向环4112的外径相匹配，凸环4122的内径大于旋转轴20的第一轴部22的外径。环体4121的内壁上设有滑槽4123，滑槽4123沿环体4121的轴向布置。第二旋转环412的环体4121套设于第一旋转环411的导向环4112的外侧，环体4121的内壁与导向环4112的内壁形成滑动配合，导向环4112上的凸出部4113延伸至环体4121上的滑槽4123内，凸出部4113与滑槽4123形成第一限位结构，以限制第二旋转环412相对第一旋转环411轴向转动。当第二旋转环412相对第一旋转环411轴向滑动时，凸出部4113将在滑槽4123内滑动。本实施例中，第三驱动装置413为直线电机，直线电机的两端分别与基环4111、凸环4122连接。当直线电机工作时，第二旋转环412将相对第一旋转环411轴向滑动。

如图1所示，旋转轴20位于第一旋转环411和第二旋转环412的中心位置，第一旋转环411的基环4111的外壁与空心外套10的第一筒体11的内壁形成转动配合，偏心轮42与第二旋转环412的环体4121转动连接，偏心轮42转动的轴线垂直于第二旋转环412的轴线。本实施例中，第一驱动装置43为无框电机，无框电机的定子与空心外套10固定，无框电机的转子与第一旋转环411的基环4111连接。第二驱动装置44为伺服电机，伺服电机于第二旋转环412固定，伺服电机的输出轴与偏心轮42连接。偏心轮42与旋转轴20的第二轴部24的外壁接触，当第三驱动装置413工作并使第二旋转环412相对第一旋转环411向靠近接触面231的方向移动时，偏心轮42将与接触面231接触并沿接触面231移动，从而向旋转轴20施加径向压力，使旋转轴20发生弯曲。

此外，如图7所示，空心钻铤30与旋转轴20间设有密封结构110，以实现旋转轴20与空心钻铤30之间的密封。

密封结构110包括滑动体1101、固定体1102和第二弹性件1103，滑动体1101和固定体1102均为环形，滑动体1101的轴向的一端的端面为第一球面1104，第一球面1104与第二球面38的半径一致。本实施例中，第二弹性件1103为弹簧。滑动体1101套设于旋转轴20的第二轴部24的外侧，并形成滑动密封；固定体1102螺接在第二轴部24上，实现固定体1102与旋转轴20的轴向固定；第二弹性件1103套设于第二轴部24的外侧，第二弹性件1103作用于滑动体1101与固定体1102之间，在第二弹性件1103的作用下，第一球面1104与第二球面38接触并形成密封。

在实际使用过程中，旋转轴20的轴头21安装钻头，当钻头需要变向时，可使第二驱动装置44工作，偏心轮42发生转动，偏心轮42向旋转轴20施加压力，从而使旋转轴20发生弯曲，从而使钻头变向。当需要改变钻头的变向方向时，可使第一驱动装置43工作，使旋转体41围绕旋转轴20转动，从而改变偏心轮42在周向上的位置，偏心轮42可从不同的方向上对旋转轴20施加压力，以使旋转轴20从不同的方向上发生弯曲。若旋转轴20的弯曲程度不够时，可使第三驱动装置413工作，以使滑轮在旋转轴20的接触面231上移动，从而推动旋转轴20进一步弯曲。这种钻井导向工具200，利用偏心轮42转动使旋转轴20弯曲，偏心轮42与旋转轴20为线接触，偏心轮42不会限制旋转轴20的弯曲，可保证旋转轴20能够很好的弯曲，使得钻头的倾斜效果更好，可实现旋转轴20的大幅度弯曲。

由于旋转轴20的第二轴部24的外壁与空心钻铤30上的限位孔33的孔壁存在间隙，旋转轴20在弯曲过程中，限位孔33的孔壁不会对旋转轴20造成干扰。此外，旋转轴20受力弯曲后，在第一弹性件36的作用下，推杆35将始终卡在卡槽241内，从而很好的实现旋转轴20与空心钻铤30的同步转动。当然，旋转轴20在弯曲过程中，滑动体1101将在凹槽37内转动，滑动体1101在转动的同时将沿旋转轴20轴向滑动并压缩第二弹性件1103，滑动件不会对转动轴的弯曲造成干扰。滑动体1101在凹槽37转动时，在第二弹性件1103的作用下第一球面1104与第二球面38始终接触，从而保证密封性。

实施例2

如图8所示，本实施例提供一种钻井系统300，包括钻机310、钻柱320、钻头330和上述实施例中的钻井导向工具200。

钻机310放置于地面，钻柱320的一端与钻机310连接，钻柱320延伸至地面以下的钻孔内，钻柱320的另一端与钻井导向工具200中的空心钻铤30连接，钻头330与旋转轴20的轴头21连接。当钻机310工作时，钻柱320将带动空心钻铤30及旋转轴20转动，从而使钻头330转动，完成钻孔动作。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钻井导向工具，其特征在于，包括：

空心外套；

旋转轴，所述空心外套套设于所述旋转轴的外侧，所述旋转轴与所述空心外套通过球面轴承连接；

空心钻铤，所述空心钻铤可转动的设置于所述空心外套内，所述空心钻铤支撑于所述旋转轴，所述空心钻铤与所述旋转轴能够同步转动；

驱动机构，所述驱动机构包括旋转体、偏心轮、第一驱动装置和第二驱动装置，所述旋转体可转动的设置于所述空心外套内，所述偏心轮与所述旋转体转动连接，所述第一驱动装置用于驱动所述旋转体相对所述空心外套围绕所述旋转轴转动，所述第二驱动装置用于驱动所述偏心轮相对所述旋转体转动；

所述偏心轮与所述旋转轴接触，所述偏心轮相对所述旋转体转动能够使所述旋转轴弯曲。

2.根据权利要求1所述的钻井导向工具，其特征在于，所述旋转体包括第一旋转环和第二旋转环，所述第二旋转环与所述第一旋转环滑动连接，所述第二旋转环与所述第一旋转环之间设置有第一限位结构，以限制所述第二旋转环相对第一旋转环转动，所述第一旋转环与所述空心外套转动连接，所述偏心轮与所述第二旋转环转动连接；

所述第一旋转环与所述第二旋转环之间设有第三驱动装置，所述第二驱动装置用于驱动所述第二旋转环相对第一旋转环轴向滑动；

所述旋转轴具有接触面，接触面为圆锥面，所述第二旋转环相对所述第一旋转环轴向移动能够使所述偏心轮与所述接触面接触并沿所述接触面移动。

3.根据权利要求2所述的钻井导向工具，其特征在于，所述第一旋转环包括基环和沿所述基环轴向延伸的导向环，所述基环的外壁与所述空心外套接触并形成转动配合，所述第二旋转环套设于所述导向环的外侧，所述第二旋转环的内壁与所述导向环接触并形成滑动配合。

4.根据权利要求3所述的钻井导向工具，其特征在于，所述第一限位结构包括设于所述导向环的外壁上的凸出部和设于所述第二旋转环的内壁上的滑槽，所述凸出部延伸至所述滑槽内；

所述第二旋转环相对所述第一旋转环轴向移动时，所述凸出部能够在所述滑槽内滑动。

5.根据权利要求1所述的钻井导向工具，其特征在于，所述偏心轮相对旋转体转动的轴线垂直于旋转体相对所述空心外套转动的轴线。

6.根据权利要求1所述的钻井导向工具，其特征在于，所述空心钻铤上设有限位孔，所述旋转轴插设于所述限位孔内，所述限位孔的孔壁与所述旋转轴的外壁存在间隙，所述空心钻铤与所述旋转轴间设有第二限位结构，以限制所述旋转轴相对所述空心钻铤转动。

7.根据权利要求6所述的钻井导向工具，其特征在于，所述第二限位结构包括多个推杆、多个第一弹性件和设于所述旋转轴上的多个圆周分布的卡槽，所述推杆、所述第一弹性件与所述卡槽一一对应；

所述卡槽沿所述旋转轴的轴向布置，所述推杆与所述空心钻铤滑动连接，所述推杆能够沿所述空心钻铤的径向滑动，所述第一弹性件作用于所述推杆，以使所述推杆卡于所述卡槽内。

8.根据权利要求7所述的钻井导向工具，其特征在于，所述空心钻铤与所述旋转轴间设有密封结构。

9.根据权利要求8所述的钻井导向工具，其特征在于，所述密封结构包括滑动体、固定体和第二弹性件；

所述滑动体可滑动的设置于所述旋转轴上，所述滑动体与所述旋转轴滑动密封，所述滑动体具有第一球面；

所述固定体固定于所述旋转轴上；

所述空心钻铤上设有凹槽，所述凹槽具有第二球面，所述第二弹性件作用于所述滑动体与所述固定体之间，以使所述第一球面与所述第二球面接触密封。

10.一种钻井系统，其特征在于，包括钻机、钻柱、钻头和权利要求1-9任一项所述的钻井导向工具，钻柱的一端与钻机连接，钻柱的另一端与所述空心钻铤连接，所述钻头与旋转轴连接。