CN110080682A - 一种旋转导向工具及传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转导向工具，包括：动力单元，具有能够输出扭矩的输出轴以及能够输出径向力和/或轴向力的偏置驱动部；与所述输出轴连接的传动轴；与所述传动轴通过转动结构连接的支撑轴，所述转动结构的转动轴线与所述输出轴的轴线垂直；所述支撑轴具有限定容置腔的内壁及形成于所述容置腔两端的前向端和后向端；所述转动结构的转动中心位于所述容置腔内；所述支撑轴的后向端能够被所述偏置驱动部输出的径向力驱动；钻头，具有钻头尾端，所述钻头与所述支撑轴的前向端连接于所述钻头尾端。能够提高钻具的造斜能力，并降低驱动钻具的能耗。

Description

一种旋转导向工具及传动装置

技术领域

本发明涉及一种旋转导向工具及设备装置，用来提高旋转导向钻井设备的造斜能力,属于石油钻井领域。

背景技术

目前，旋转导向钻井技术是当今国内外开发的各种先进钻井技术与工艺中颇具突破性和战略意义的技术，自20世纪90年代出现以来便掀起了一场定向钻井技术的革命。

在旋转导向钻井技术出现以前，多采用由泥浆马达驱动的滑动导向钻井系统实施导向钻井，滑动导向钻井系统在导向钻井过程中钻柱不旋转，而是沿井壁轴向滑动，并通过滑动导向工具改变井眼的井斜角和方位角，从而控制井眼轨迹。滑动导向钻井系统存在的问题有滑动困难，需要保持定向，井眼的清洁度较差，并且钻速较低，可能形成屈曲和自锁等，这些问题的存在影响钻进的进度和钻井设备的正常运行。

而旋转导向钻井系统在钻进过程中保持井眼方向旋转钻进，与滑动导向钻井系统相比，具有摩阻与扭阻小、钻速高、成本低、建井周期短、井眼轨迹平滑易调控并可延长水平段长度等优势。

常用的旋转导向技术有两种，一种是指向式导向，一种是推靠式导向。美国公司哈里伯顿获得的中国授权专利CN104619944B公开了一种指向式导向工具，其提供了模块化的致动器、导向工具和旋转式导向钻井系统，模块化致动器包括筒部，构造为耦接到外壳的外周。蓄液器容置在筒部中，液压致动的致动器滑动地设置在筒部内，在激活位置和未激活位置之间移动，使得致动器活塞选择性地挤压驱动轴的斜坡面从而改变钻柱的方向。

美国专利申请文件US20140209389A1公开了一种旋转导向工具，其包括一个非旋转体，一个包括可偏转单元的旋转轴，通过控制偏芯轴套的周向位置使得可偏转单元进行偏转，进而调整钻头的钻孔方向。

美国专利申请文件US20170107762A1公开了另一种类型的旋转导向技术，即推靠式旋转导向技术，其包括设置在钻杆四周的推靠件和用于驱动这些推靠件的液压驱动系统，液压驱动系统可选择地驱动推靠件在推靠位置和非推靠位置之间移动，在推靠位置时推靠件能够以拍打的方式推靠井壁从而产生导向力并改变钻孔的方向。推靠式旋转导向系统实际作业过程中需要将导向力作用到整个钻具组合，而由于钻具组合的刚度比较大，使得单纯推靠式的造斜能力受到限制。

需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种旋转导向工具，其特征在于，包括：

动力单元，具有能够输出扭矩的输出轴以及能够输出径向力和/或轴向力的偏置驱动部；

与所述输出轴连接的传动轴；

与所述传动轴通过转动结构连接的支撑轴，所述转动结构的转动轴线与所述输出轴的轴线垂直；所述支撑轴具有

限定容置腔的内壁及形成于所述容置腔两端的前向端和后向端；所述转动结构的转动中心位于所述容置腔内；所述支撑轴的后向端能够被所述偏置驱动部输出的径向力驱动；

钻头，具有钻头尾端，所述钻头与所述支撑轴的前向端连接于所述钻头尾端。

通过上述的旋转导向工具传递动力单元的驱动力矩至钻头，其中支撑轴套设在传动轴的外部，是传动轴与支撑轴在轴向上部分重合，以使连接传动轴与支撑轴的转动结构尽可能接近钻头，在进行造斜作业时，连接动力单元与钻头的传动装置发生弯曲的曲率半径尽可能小，在由径向载荷驱动下，发生同样幅度的径向移动时，曲率半径越小，弯曲的角度就越大，从而能够提高井斜角及方位角的变化效率，以提高旋转导向工具的造斜能力。

并且，支撑轴构成前述传动装置的外部结构，动力单元通过施力结构将横向力或者径向力作用到上支撑轴上，在轴向力或者径向力作用下，支撑轴将产生绕转动结构的偏置，从而使得传动轴的中心线与钻具及支撑轴的组合轴线产生一个偏置角度，同时在支点的作用下，支撑轴所承受的作用力会直接传递到钻头，最终使整个旋转导向工具产生指定方向的造斜率。如上所述，在动力单元施加的驱动造斜的作用力下，受力部分只有支撑轴，而非整个钻具组合(包含钻铤等其他结构)，可缩短自重载荷和反作用力载荷的带来的阻力的力臂，故而此种形式的结构能够减少不必要的能量消耗，降低包括动力单元的驱动系统的功耗。

此外，传动轴和支撑轴的轴向嵌套重合以及驱动力的受力位置的改变还可以减少出现自锁的可能性，在造斜作业中，钻孔的方向是会根据需要发生变化的，此时，采用三点定圆使钻具发生弯曲，当钻孔的方向改变幅度较大时，传动轴与支撑轴将有可能卡在不同段的钻孔中发生自锁，这也意味着，采用三点定圆的弯曲驱动方式，需要逐渐改变井斜角和方位角，限制了钻具的造斜能力，而本发明的方案中，将改变钻具方向的驱动力直接施加在与钻头连接的支撑轴上，不再使用三点定圆的方式，同时也缩短转动节点与钻头的距离，主要是有利于缩短支撑轴的长度，从而降低发生自锁的可能性。

在优选的实施例中，所述转动结构包括与支撑轴形成球面副的转动关节；穿过所述转动关节与所述支撑轴连接的挠性件。

转动结构的实现方式优选采用柔性铰接结构，为了让传动轴与支撑轴发生相对的转动，形成实质的弯曲，球面副提供转动的轨道，而挠性件产生弯曲变形，从而实现柔性地铰接。挠性件本身还具备储备弹性势能，逐渐驱使转动结构回直的作用。

在优选的实施例中，所述转动关节包括接近所述支撑轴的前向端的具有第一截断球面部的第一凸起，所述支撑轴具有第一凹槽，所述第一凹槽与所述第一凸起于第一截面球面部配合形成球面副。

球面副的形成至少分布于传动轴接近支撑轴的前向端的一端，传动轴伸入支撑轴形成的容置腔，在容置腔内形成的第一凹槽首先止动传动轴接近前向端的移动趋势，此外，还提供发生转动的接除面，无论驱动力是轴向力还是径向力，都在推动支撑轴后，都将驱使支撑轴基于球面副与传动轴发生相对转动。此处的球面副处的接触面都将承担一定载荷，球面副形成区域将为截断球面状，该截断球面部分的角度范围将大于允许的最大转动角，该最大转动角被定义为传动轴和支撑轴被允许的最大的相对转动角度。

球面副还起到支撑作用，钻头承受钻探层地质的反作用力载荷时，球面副有利于稳定支撑传动轴于支撑轴中。

在优选的实施例中，所述第一凹槽的表面硬度大于所述第一凸起的表面硬度。

使第一凹槽的表面硬度高于第一凸起，表现为耐磨材质，例如，采用耐磨铸铁材质或者在第一凹槽的表面形成表面处理的耐磨层。一种实现方式是在支撑轴的容置腔内设置可拆卸的耐磨套，第一凹槽形成在耐磨套上。球面副形成位置将是载荷集中作用的位置，也是磨损多发位置，设置为可拆卸的结构，可以方便维修、替换。

在优选的实施例中，所述转动结构包括以传动轴的转动中轴线为对称轴设置的一对连接键，一对所述连接键安装于所述转动关节；所述支撑轴形成有与所述连接键配合的键槽；

所述连接键具有第二凸起，所述第二凸起的表面为以转动结构的转动轴线为中心轴线的截断圆柱面形状。

为了可靠传递扭矩，将支撑轴与传动轴设置为键连接，同时为了实现相对转动，连接键顶部设置为圆柱面，以支撑转动时连接键顶部不与键槽发生干涉。

在优选的实施例中，所述转动关节还包括形成于所述连接键远离所述支撑轴的前向端一端的第三凸起；所述第三凸起具有与所述第一截断球面部同心的第二截断球面部；

所述支撑轴具有第三凹槽，所述第三凹槽与所述第三凸起于第二截面球面部配合形成球面副。

进一步完善的转动结构中，设置与第一凸起相对的第三凸起，即相对于第一凸起远离支撑轴前向端的第三凸起，相对的两端设置球面支撑，在止动传动轴远离支撑轴前向端移动的趋势的同时，将转动关节通过第一凹槽与第三凹槽共同限位，转动关节稳定地被支撑。

优选地实现方式中，第三凹槽形成于设置在安装于支撑轴的容置腔内封堵结构，利于止回件，传动轴伸入支撑轴的容置腔，接近支撑轴前端的移动趋势被支撑轴内部结构止动，脱出支撑的移动趋势将被封堵结构所止动。

在优选的实施例中，所述挠性件的一端安装于所述支撑轴具有的固定部，所述挠性件的另一端由所述传动轴具有的支撑部所支撑；所述转动结构的转动中心位于所述固定部与所述支撑部之间。

挠性件被设置为穿过转动结构的转动中心，也就是弯曲变形结构与转动结构形成部分重合的位置关系，这也是缩短弯曲结构的整体曲率半径的进一步优化方式。此外，挠性件优选挠性套结构，具有中空通道和通道两端的开口，穿过转动中心，位于连接支撑轴的一端的开口供穿过钻头的泥浆流入，进入中空通道，然后再由位于传动轴的一端的开口流出流入动力单元，后端泥浆的排除与传统的转向钻具方式、原理一致。也就是再此优选方式中，穿过转动结构的泥浆通路由挠性套提供，挠性套的中心轴线优选与传动轴的中心轴重合或接近重合。

在优选的实施例中，还包括连接所述支撑轴内壁与所述传动轴的外壁的环形的压力平衡部，所述支撑轴的部分内壁、所述传动轴的部分外壁与所述压力平衡部的内表面共同限定介质腔。

作为转动结构的缓冲和润滑，在支撑轴与传动轴之间形成介质腔，以冲入润滑介质例如液压油，主要针对各接触面形成的转动副与球面副进行润滑，同时填充的介质还能够起到缓冲载荷冲击的作用。压力平衡部例如具弹性的套状构件，两端分别连接在传动轴和支撑轴上，套状构件与传动轴之间形成与介质腔连通的介质延伸腔，当传动轴与支撑轴发生相对转动时，介质延伸腔中的介质被压缩，套状构件的一侧也将被压缩，这两种压缩都将产生能量得蓄积，将有利于保持转动结构整体得压力平衡。一个典型的套状构件是波纹管，也可以选用类似波纹管形状的耐热橡胶套。

在优选的实施例中，所述转动中心与所述钻头尾端之间的最短距离不大于所述支撑轴最大径向尺寸的3.5倍。

作为有利的设计，将安装钻头支撑轴设计得更短，参考支撑轴的径向尺寸，缩短支撑轴，尤其是支撑轴中转动中心到钻头安装位置的尺寸，更有利于发挥本发明技术方案描述的转动结构的优势，即缩小曲率半径，提高造斜能力，降低钻具损耗。

同时，在本发明中，传动轴与支撑轴共同构成的传动装置也将作为独立的技术方案进行释明，以期进行保护。方案如下：

传动装置分别连接：

动力单元，具有能够输出扭矩的输出轴以及能够输出径向力的偏置驱动部；

钻头，具有钻头尾端；

装置包括：

与所述输出轴同轴连接的传动轴；

与所述传动轴通过转动结构同轴连接的支撑轴，所述转动结构的转动轴线与所述输出轴的轴线垂直；所述支撑轴具有

容置腔及形成于所述容置腔两端的前向端和后向端；所述转动结构的转动中心位于所述容置腔内；所述支撑轴的后向端能够被所述偏置驱动部输出的径向力驱动；所述前向端与所述钻头同轴连接于钻头尾端。

传动装置的优点将通过在前述传动导向工具中的运用体现，在此不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1绘示了本发明一实施例中的旋转导向工具的结构组成示意图。

图2绘示了本发明一实施例中的旋转导向工具中传动装置的结构组成示意图；

图3绘示了本发明一实施例中的旋转导向工具中传动轴的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面再结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

需说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。但注明直接连接则说明连接地两个主体之间并不通过过度结构构建连接关系，只通过连接结构相连形成一个整体。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，描述了井下钻具仪器组件的结构示意图，其中，旋转导向工具包括钻头110、传动装置120及动力单元130，另外组件还包括与旋转导向工具配合的MWD单元140。

对于各部分结构，钻头110为钻探、切削破坏岩层的工作，起破岩作用，与传动装置120直接相连；动力单元组件130为传动装置120提供驱动力，驱动力可以是径向力也可是轴向力，同时还提供驱动钻具旋转的扭矩；MWD单元140为常规配置的监控器件，可实施测量监控井眼轨迹参数和旋转导向工具工作装置，并配有泥浆脉冲发生器或者电磁波传输单元将井下有用信息传到地面操作系统。

图2为传动装置120的结构总成示意图。主要包含传动轴与支撑轴，并且传动轴伸入支撑轴内部，并通过转动关节连接，该转动关节可以在传动轴与支撑轴之间传递扭矩，并且传动轴与支撑轴可以通过转动关节相对转动。以改变钻头的朝向，从而调整井斜角及方位角。

如图，支撑轴包括上支撑轴1211及下支撑轴1201，下支撑轴1201与钻头相连，传动轴1202及连接键1203是动力传递主要结构件，外形形状如图3所示，连接键1203将于形成于下支撑轴1201具有容置腔内的键槽配合传递扭矩，同时连接键还与键槽配合形成转动副，如图，两对连接键均通过孔柱结构与传动轴前段的转动关节连接，当其中下支撑轴相对于其中一对连接键旋转，则以另一对连接键具有孔柱连接结构的中轴为旋转轴。各连接键的孔柱连接的中心交汇于转动关节的转动中心

传动轴1202与动力单元通过螺纹结构固连，由此可以承受动力单元提供的扭矩和驱动力。

顶紧件1204和挠性耐磨套1205用来实现装置内泥浆通道与外部环空泥浆通道的密封隔离。同时顶紧件与下支撑轴固接，可视为支撑轴的一部分，也就是挠性耐磨套的一端固接于支撑轴。挠性耐磨套的另一端则支撑在传动轴具有的内孔，并通过密封结构密封。

耐磨套1206与传动轴1202之间具有球面副结构，由此组成万向传动节点。球面副的构成如图，包含前端球面副和后端球面副。具体而言，转动关节包括接近支撑轴的前向端的具有第一截断球面部的第一凸起，支撑轴具有第一凹槽，第一凹槽与第一凸起于第一截面球面部配合形成前端球面副；转动关节还包括形成于连接键远离支撑轴的前向端一端的第三凸起；第三凸起具有与第一截断球面部同心的第二截断球面部；支撑轴具有第三凹槽，第三凹槽与第三凸起于第二截面球面部配合形成后端球面副。

防掉件1207主要用来防止传动导向工具上提过程中传动装置与钻具仪器组的脱离。具体而言就是防止传动轴与支撑轴的脱离。

转动关节浸泡在填充在介质腔中的密闭液压油里，工作前液压油要进行抽真空操作，油路系统具有套状的压力平衡构件1208，两端分别连接在传动轴和支撑轴上，可以是耐高温橡胶件，也可以是金属波纹管或其它类型的平衡结构。能够自适应的平衡外界泥浆压力，以自动适用井下高温高压环境。

注油堵头1209、1212用来密封容纳液压油的介质腔的充油口，在工具组装后将注油堵头1209、1212卸下。然后连接外部抽真空注油装置，完成注油操作。密封构件1213、1214为高温静密封结构件，如O型圈，用来实现密封功能。

实际工作过程中上支撑轴1211与动力单元，动力单元通过合适的施力结构将作用力作用到上支撑轴1211上，这种作用力可以是径向力也可以是轴向力，在这个外部作用力的作用下产生绕转动结构的偏置，从而使得旋转导向工具的中心线与钻具组合轴线产生一个偏置角度，同时在支点的作用下，上支撑轴所承受的作用力会通过下支撑轴直接传递到钻头部分，最终使整个钻具组合产生指定方向的造斜率，由于受力部分只有传动装置，而非整个钻具组合，因此这种类型的旋转导向结构减少了不必要的能量消耗，同时造斜能力也会得到提高。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种旋转导向工具，其特征在于，包括：

动力单元，具有能够输出扭矩的输出轴以及能够输出径向力和/或轴向力的偏置驱动部；

与所述输出轴连接的传动轴；

与所述传动轴通过转动结构连接的支撑轴，所述转动结构的转动轴线与所述输出轴的轴线垂直；所述支撑轴具有

限定容置腔的内壁及形成于所述容置腔两端的前向端和后向端；所述转动结构的转动中心位于所述容置腔内；所述支撑轴的后向端能够被所述偏置驱动部输出的径向力驱动；

钻头，具有钻头尾端，所述钻头与所述支撑轴的前向端连接于所述钻头尾端。

2.如权利要求1所述的旋转导向工具，其特征在于，所述转动结构包括与支撑轴形成球面副的转动关节；穿过所述转动关节与所述支撑轴连接的挠性件。

3.如权利要求2所述的旋转导向工具，其特征在于，所述转动关节包括接近所述支撑轴的前向端的具有第一截断球面部的第一凸起，所述支撑轴具有第一凹槽，所述第一凹槽与所述第一凸起于第一截面球面部配合形成球面副。

4.如权利要求3所述的旋转导向工具，其特征在于，所述第一凹槽的表面硬度大于所述第一凸起的表面硬度。

5.如权利要求3所述的旋转导向工具，其特征在于，所述转动关节还包括以传动轴的转动中轴线为对称轴设置的一对连接键，一对所述连接键安装于所述转动关节；所述支撑轴形成有与所述连接键配合的键槽；

所述连接键具有第二凸起，所述第二凸起的表面为以转动结构的转动轴线为中心轴线的截断圆柱面形状。

6.如权利要求3至5中任一项所述的旋转导向工具，其特征在于，所述转动关节还包括形成于所述连接键远离所述支撑轴的前向端一端的第三凸起；所述第三凸起具有与所述第一截断球面部同心的第二截断球面部；

所述支撑轴具有第三凹槽，所述第三凹槽与所述第三凸起于第二截面球面部配合形成球面副。

7.如权利要求2至5中任一项所述的旋转导向工具，其特征在于，所述挠性件的一端安装于所述支撑轴具有的固定部，所述挠性件的另一端由所述传动轴具有的支撑部所支撑；所述转动结构的转动中心位于所述固定部与所述支撑部之间。

8.如权利要求1至5中任一项所述的旋转导向工具，其特征在于，还包括连接所述支撑轴内壁与所述传动轴的外壁的环形的压力平衡部，所述支撑轴的部分内壁、所述传动轴的部分外壁与所述压力平衡部的内表面共同限定介质腔。

9.如权利要求1所述的旋转导向工具，其特征在于，所述转动中心与所述钻头尾端之间的最短距离不大于所述支撑轴最大径向尺寸的3.5倍。

10.一种传动装置，分别连接：

动力单元，具有能够输出扭矩的输出轴以及能够输出径向力的偏置驱动部；

钻头，具有钻头尾端；

其特征在于，包括：

与所述输出轴同轴连接的传动轴；

与所述传动轴通过转动结构同轴连接的支撑轴，所述转动结构的转动轴线与所述输出轴的轴线垂直；所述支撑轴具有

容置腔及形成于所述容置腔两端的前向端和后向端；所述转动结构的转动中心位于所述容置腔内；所述支撑轴的后向端能够被所述偏置驱动部输出的径向力驱动；所述前向端与所述钻头同轴连接于钻头尾端。