CN109387201A - 一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构，包括：置于一抗压管中的探管芯；所述探管芯包括驱动结构和旋转结构，其中：所述的旋转结构包括具有中心旋转轴的动力调谐陀螺仪、以及沿一侧的旋转轴w1依次设置的加表、滑环和轴承；所述的动力调谐陀螺仪的一端与固定加表的加表骨架一体化设计，所述滑环和轴承之间设有支撑座，并分别和所述的滑环和轴承连接，动力调谐陀螺仪的另一侧旋转轴w2的上端固定有轴承；所述驱动结构包括电机和齿轮，所述齿轮与旋转轴w2上的轴承连接。该探管结构的最大外径不超过能够覆盖整个油田井的使用，具有广阔的应用前景，且其精度高、耐高温、抗振效果优异，适合国内作业特点和需求，可工程化应用。

Description

一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构

技术领域

本发明涉及油气田钻井技术，具体涉及一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构。

背景技术

随钻陀螺测斜仪探管区别于传统的磁性随钻测斜仪，其是通过测量自转角速率和地球重力加速度，从而获得探管的姿态并作为井下钻具的姿态数据。目前，现有的随钻陀螺测斜仪系统掌握了陀螺姿态测量方法、电源管理、井下状态控制、大排量条件下信号传输等关键技术，在油气田钻井领域具有广阔的应用前景，而探管是整个随钻陀螺测斜仪的核心，井下工作环境十分恶劣，探管作为整个仪器的核心部件，因此其结构设计显得尤为重要。

目前的随钻陀螺测斜系统所具有的探管的外径均为大尺寸，例如CN201420330540.1公开了一种用于随钻陀螺测斜仪探管抗振的结构(为申请人在先申请)，其结构中安装的光纤陀螺的尺寸达到Φ58mm，因此其探管外径尺寸更大，达到Φ90mm，此类大尺寸的随钻陀螺测斜系统无法覆盖整个油田井的使用。而如果设计小型随钻陀螺测斜仪，其所需探管的尺寸必须要缩小，进一步导致其内部的各个部件均需小尺寸的，如何选择这些部件、如何进行匹配设计等是一个难点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构，所述的探管外径最大仅达到Φ48mm，且具有耐高温、精度高等优点。

本发明的技术解决方案：

一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构，包括：

置于一抗压管中的探管芯；

所述探管芯的一端连接一减振器，另一端连接一减振弹簧；

所述探管芯包括驱动结构和旋转结构，其中：

所述的旋转结构包括具有中心旋转轴的动力调谐陀螺仪、以及沿一侧的旋转轴w1依次设置的加表、滑环和轴承；所述的动力调谐陀螺仪的一端与固定加表的加表骨架一体化设计，所述滑环包括内环和外环，其中，内环与加表骨架连接，外环和一支撑座连接，所述支撑座起到固定旋转结构的作用，且所述轴承置于所述支撑座内部，用于带动所述旋转轴旋转，动力调谐陀螺仪的另一侧旋转轴w2的上端固定有轴承；

所述驱动结构包括电机和齿轮，所述齿轮与旋转轴w2上的轴承连接，

所述的齿轮采用的是两级减速结构，其中，两级减速结构中，齿轮的模数a，不根切的最小齿数z1及中心距m满足：

齿轮的模数a，中心距m及不根切的最小齿数z1满足：9mm≤a≤10mm,且m不小于0.273，且z1＝17

优选a＝9.3，且m＝0.3

所述探管外径最大不超过

所述的动力调谐陀螺仪的一端与固定加表的加表骨架一体化设计，其中，对一体化结构进行整个灌胶；

所述旋转结构还包括依次连接的联轴器和编码器，且所述联轴器与旋转轴w1的上端相接；

所述驱动结构还包括减速仓组件，减速仓组件的一端与电机相接，另一端与齿轮相连；

所述的探管芯还包括电机外罩，所述电机外罩保护电机的同时连接减振器，起到承上启下的作用；

所述的探管芯还包括一连接筒，所述的旋转结构置于所述连接筒内；

所述探管芯还包括一电路板骨架，位于所述旋转结构的上部，并和减振弹簧相连，所述电路板骨架内部安装有若干电路板，所述电路板全部封胶；

所述齿轮选用材料为40CrNiMoA,调质，高频淬火，硬度52-60HRC；

所述的探管结构还包括若干矩形圈，所述若干矩形圈的具体分布为：置于所述抗压管和电路板骨架之间，且至少为2个；以及，置于所述连接筒与抗压管之间，且至少为3个；

所述探管结构还包括将减振器以及减振弹簧压紧固定在抗压管内的两个堵头；

所述堵头还连接有十芯座套和半环。

本发明的结构小型化的难点及设计原理在于：

1)与现有大直径探管相比，本发明在结构中增加滑环，因为旋转结构与电路板骨架有连线，如果没有滑环旋转体旋转时就会绕线，滑环的作用就是使旋转体无限制的自由旋转，这样将会给控制系统带来很大的方便,同时也对电路板骨架中的电路起到保护作用，并且旋转结构两端用滚动球轴承支承，减少摩擦力，探管的重量集中于下部，这样设计有较好的稳定性，易于整个系统的控制；

2)电机的选择，对于现有技术中大直径探管(Φ90mm)，电机可以选择大尺寸的电机，大尺寸的扭矩大，这样很容易带动整个旋转体；小型化后探管变成Φ48mm，电机选择小尺寸的，小尺寸的电机扭矩小，带动探管比较吃力，基于这一难点，本发明对齿轮进行设计，本发明的齿轮设计复杂，采用两级减速结构，包括了齿轮中心距、模数和齿数的配合协同设计，以及材质的选取，通过齿轮合理的设计，满足了小型化的需求；

3)现有大直径探管采用光纤陀螺，目前国内没有满足探管外径小于等于Φ48mm的陀螺测斜仪使用的小尺寸光纤陀螺，本发明采用小尺寸的动力调谐陀螺，动力调谐陀螺的精度及抗震能力都不及光纤陀螺，精度方面结构采取的措施是：动力调谐陀螺仪和固定加表的加表骨架一体化设计，这样陀螺及加表的相互垂直度及同轴度都得以保证，现有的探管光纤陀螺与加表骨架是分开的通过螺钉固定的；抗震方面的措施是陀螺加表骨架一体化结构整个灌胶，再次是增加整个探管抗震性，整个探管芯下端与减振器固定，上端与减振弹簧固定，最后堵头压紧减振弹簧。减振器与橡胶弹簧对探管芯起到轴向减振的作用，探管周身上用的矩型圈对整个探管芯起到径向减振的作用，与现有探管的o型圈相比减震效果更好，矩型圈接触的是面，o型圈接触的是点。

本发明的有益效果为：

本发明的探管外径最大不超过Φ48mm，能够覆盖整个油田井的使用，具有广阔的应用前景，且其精度高、耐高温、抗振效果优异，适合国内作业特点和需求，可工程化应用，实现了国内加密井网轨迹防碰陀螺控制的技术突破。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明提供的用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构的一种实施例结构示意图；

图2为本发明提供的用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构的局部放大示意图；

其中：十芯座套1、半套2、堵头3、减振器4、电机外罩5、电机6、减速仓组件7、齿轮8、动力调谐陀螺仪9、加表10、连接筒11、滑环12、支撑座13、轴承14、联轴器15、编码器16、电路板骨架17、矩形圈18、抗压管19。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

如图1和2所示，一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构，该探管的外径(到抗压管19处)为Φ48，包括：十芯座套1、半套2、堵头3、减振器4、电机外罩5、电机6、减速仓组件7、齿轮8、动力调谐陀螺仪9、加表10、连接筒11、滑环12、支撑座13、轴承14、联轴器15、编码器16、内骨架17、矩形圈18、抗压管19。

其中，十芯座套1和半套2是固定十芯连接器从而实现与另一结构扶正器的电气连接，堵头3是将探管骨架(包括探管芯、减振器和减振弹簧)固定在抗压管19内，同时与过渡外筒连接，抗压管19对整个探管骨架起到压力保护作用。

探管芯包括驱动结构和旋转结构：

对于旋转结构来说：包含动力调谐陀螺仪9，随钻陀螺测斜仪工作时，采用动力调谐陀螺仪9采集角速度信息，动力调谐陀螺仪9的陀螺骨架整个灌胶，增加其本身强度和抗振性能，动力调谐陀螺仪9具有中心旋转轴，并分别伸出所述动力调谐陀螺仪9位于其两侧，因此，旋转结构还包括：沿一侧的旋转轴w1依次设置的加表10、滑环12和轴承14，其中：

所述的动力调谐陀螺仪9的一端与固定加表10的加表骨架一体化设计，加表10安装在动力调谐陀螺仪9的上端，三个相互正交安装的加表10负责敏感载体加速度的三个分量，所述滑环12包括内环和外环，内环同加表骨架固定，可随旋转部分一起旋转,外环是和支撑座13固连，轴承14固定于所述支撑座13内部，带动所述中心旋转轴旋转，旋转轴w1上端还相接有联轴器15以及和联轴器15连接的编码器16；

此外，动力调谐陀螺仪9的另一侧旋转轴w2的上端固定有轴承14；

优选的，所述的轴承14为滚动球轴承，以减少摩擦力；

优选的，所述整个旋转结构置于一连接筒11中；

所述探管芯还包括一电路板骨架17，位于所述整个旋转结构的上部，并和减振弹簧相连，所述电路板骨架17内部安装有若干电路板，所述电路板全部封胶；

进一步的，所述旋转结构与电路板骨架17有连线，如果没有滑环12，旋转体旋转时就会绕线，滑,12的作用就是使旋转体无限制的自由旋转；

所述驱动结构包括电机外罩5、电机6、减速仓组件7、齿轮8，其中，齿轮8与旋转轴w2上的轴承14连接，减速仓组件7的一端与电机相接，另一端与齿轮8相连，所述电机外罩5保护电机的同时连接减振器4，起到承上启下的作用，其中：

所述齿轮8选用材料为40CrNiMoA,调质，高频淬火，硬度52-60HRC，采用两级减速结构，其中，齿轮的模数a，中心距m及不根切的最小齿数z1满足：a不小于9.25，且m不小于0.273，且z1＝17；本实施例取a为9.3，m为0.3。

进一步的，整个探管芯下端和减振器4固定，上端和减振弹簧固定，最后堵头3压紧减振器4和减振弹簧，将整个探管芯压紧在抗压管19内，使其不得上下窜动。减振器4和橡胶弹簧起到轴向减振作用；此外，所述探管芯中，所述抗压管19和电路板骨架17之间设有至少2个矩形圈18；以及，所述连接筒11与抗压管19之间设有至少3个矩形圈18，所述的矩形圈18起到径向减振作用。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

本发明以上的装置和方法可以由硬件实现，也可以由硬件结合软件实现。本发明涉及这样的计算机可读程序，当该程序被逻辑部件所执行时，能够使该逻辑部件实现上文所述的装置或构成部件，或使该逻辑部件实现上文所述的各种方法或步骤。本发明还涉及用于存储以上程序的存储介质，如硬盘、磁盘、光盘、DVD、flash存储器等。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构，包括：

置于一抗压管中的探管芯；

所述探管芯的一端连接一减振器，另一端连接一减振弹簧；

其特征在于：所述探管芯包括驱动结构和旋转结构，其中：

所述的旋转结构包括具有中心旋转轴的动力调谐陀螺仪、以及沿一侧的旋转轴w1依次设置的加表、滑环和轴承；所述的动力调谐陀螺仪的一端与固定加表的加表骨架一体化设计，所述滑环包括内环和外环，其中，内环与加表骨架连接，外环和一支撑座连接，所述的轴承还置于所述支撑座内部，动力调谐陀螺仪的另一侧旋转轴w2的上端固定有轴承。

所述驱动结构包括电机和齿轮，所述齿轮采用两级减速结构，并与旋转轴w2上的轴承连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构，其特征在于：所述探管结构的外径最大不超过

3.根据权利要求1所述的一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构，其特征在于：两级减速结构中，齿轮的模数a，不根切的最小齿数z1及中心距m满足：

齿轮的模数a，中心距m及不根切的最小齿数z1满足：9mm≤a≤10mm,且m不小于0.273，且z1＝17。

4.根据权利要求1-3所述的一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构，其特征在于：所述旋转结构还包括依次连接的联轴器和编码器，且所述联轴器与旋转轴w1的上端相接。

5.根据权利要求1-4所述的一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构，其特征在于：所述的探管芯还包括一连接筒，所述的旋转结构置于所述连接筒内。

6.根据权利要求1-5所述的一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构，其特征在于：所述的探管芯还包括一电路板骨架，位于所述旋转结构的上部，其内部安装有若干电路板，所述电路板全部封胶。

7.根据权利要求1-6所述的一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构，其特征在于：所述驱动结构还包括减速仓组件，减速仓组件的一端与电机相接，另一端与齿轮相连。

8.根据权利要求1-7所述的一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构，其特征在于：所述的探管芯还包括电机外罩，所述电机外罩保护电机的同时连接所述减振器。

9.根据权利要求1-8所述的一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构，其特征在于：所述的探管结构还包括若干矩形圈，所述若干矩形圈的具体分布为：置于所述抗压管和电路板骨架之间，且至少为2个；以及，置于所述连接筒与抗压管之间，且至少为3个。

10.根据权利要求1-9所述的一种用于小型随钻陀螺测斜仪的探管结构，其特征在于：所述齿轮选用材料为40CrNiMoA,调质，高频淬火，硬度52-60HRC。