CN110130830B - 基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置，包括钻具本体和钻头，钻具本体内设有泥浆流道，钻具本体的外壁上沿周向至少设有三个等间距布置的安装槽，每个安装槽内均设有推靠机构，钻具本体上还设有进液孔；推靠机构包括盖板、推靠活塞、常开阀和驱动机构，盖板的外壁上设有活塞安装槽和出液孔，推靠活塞固定安装在活塞安装槽内，驱动机构与常开阀连接；驱动机构用于驱动常开阀的阀芯在第一位置与第二位置之间移动，当阀芯位于第一位置时，第一出液口与第二出液口连通，当位于第二位置时，进液口与第二出液口连通。本发明使用钻井液的压力来驱动推靠活塞，具有结构简单、响应速度快和便于布置的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种导向装置，具体涉及一种用于钻井工具的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置。
背景技术
随着我国科技水平的不断提高，钻井技术也越来越成熟。在钻井领域中，旋转导向技术主要应用于定向井、水平井、大位移井等。依靠高精度的伺服控制机构和高精度的姿态测量机构，能够实时精确控制钻头的钻进方向，从而实现对井眼轨迹的精准控制。
现有技术中，改变钻头钻进方向主要是依靠设置在钻具上的推靠活塞，推靠活塞的驱动方式主要有两种，一种是液压驱动，最为代表的是Bakerhughes的AutoTrak产品。另一种是利用盘阀配流泥浆驱动，最为代表的是Schlumberger的PowerDrive X6产品。但是在实际使用中发现，这两种驱动方式均存在一定的缺陷。
液压驱动方式结构复杂，液压系统采用液压泵+阻尼阀式调压工作，在井下恶劣环境下，该系统对油液的真空度、洁净度要求极高。高的系统工作压力，对推靠活塞的密封要求也高。液压系统维修维护要求极高，且制造成本、维修维护成本高昂。
利用盘阀配流泥浆驱动方式，该方式无法在无须导向的模式下(如钻直井或者斜井时)停止推靠活塞的伸出，这就造成活塞的密封件寿命低，与井壁接触的活塞头磨损大。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于钻井液压差的推靠式基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置，以解决现有技术中的不足，它使用钻井液的压力来驱动推靠活塞，具有结构简单、响应速度快和便于布置的优点。
本发明提供了一种基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置，包括钻具本体和钻头，所述钻具本体内设有与所述钻头连通的泥浆流道，所述钻具本体的外壁上沿周向至少设有三个等间距布置的安装槽，每个所述安装槽内均设有一套推靠机构，所述钻具本体上还设有用于连通所述泥浆流道与所述安装槽的进液孔；所述推靠机构包括盖板、推靠活塞、常开阀和驱动机构，所述盖板的外壁上设有活塞安装槽和出液孔，所述推靠活塞固定安装在所述活塞安装槽内，所述驱动机构与所述常开阀连接；所述常开阀的进液口与所述进液孔连通，第一出液口与所述出液孔连通，第二出液口与所述推靠活塞连接；
所述驱动机构用于驱动所述常开阀的阀芯在第一位置与第二位置之间移动，当所述阀芯位于所述第一位置时，所述第一出液口与所述第二出液口连通，当位于所述第二位置时，所述进液口与所述第二出液口连通。
前述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置中，优选地，所述盖板通过螺栓固定安装在所述安装槽内，所述盖板的外周壁上设有多个密封圈。
前述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置中，优选地，所述活塞安装槽内设有活塞衬套，所述推靠活塞通过所述活塞衬套固定安装在所述活塞安装槽内，所述活塞衬套的内壁上设有密封圈安装槽，所述密封圈安装槽内设有活塞密封圈。
前述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置中，优选地，所述出液孔远离所述常开阀的一端设有出液过滤塞；所述进液孔与所述泥浆流道连通的一端设有进液过滤塞。
前述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置中，优选地，所述盖板朝向所述泥浆流道的一面设有阀安装槽和驱动机构安装槽，所述阀安装槽与所述驱动机构安装槽之间具有连接通道，所述盖板内还设有用于连通所述阀安装槽与所述活塞安装槽的连接流道，所述出液孔与所述阀安装槽连通；所述常开阀固定安装在所述阀安装槽内，所述第二出液口与所述连接流道连通，所述驱动机构固定安装在所述驱动机构安装槽内，并通过所述连接通道与所述常开阀连接。
前述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置中，优选地，所述常开阀包括所述阀芯和阀体，所述阀体上沿其轴向设有阀芯安装通道，所述第二出液口设于所述阀芯安装通道的一端，所述阀芯从所述阀芯安装通道的另一端伸出所述阀体，所述阀芯内具有连接流道。
前述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置中，优选地，所述驱动机构包括无刷电机和丝杠机构，所述无刷电机的动力输出轴通过所述丝杠机构与所述阀芯连接。
前述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置中，优选地，还包括密封胶囊，所述密封胶囊安装在所述丝杠机构上，所述密封胶囊内填充有润滑油。
前述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置中，优选地，所述无刷电机的动力输出轴上还设有角度传感器。
与现有技术相比，本发明在钻具本体上设置了推靠机构，通过推靠机构来改变钻头的钻进方向。本发明的推靠机构包括盖板、推靠活塞、常开阀和驱动机构，当需要改变钻进方向时，只需控制驱动机构的工作状态即可，当驱动机构带动阀芯运动，使阀芯位于第一位置时，第一出液口与第二出液口连通，泥浆流道内的液体不会进入到常开阀内，此时钻具外面的泥浆对推靠活塞施加压力，推靠活塞收缩并将多余的液体通过第一出液口和出液孔排出钻具本体，保持压力平衡；当驱动机构带动阀芯运动，使阀芯位于第二位置时，进液口与第二出液口连通，泥浆流道内的液体驱动推靠活塞快速伸出，并起到抵推作用，改变钻头的钻进方向。由于泥浆流道内的液体压力远远高于钻具外的液体压力，因此推靠活塞的响应速度非常快。由于本发明采用的推靠机构结构简单，便于设置，因此不但降低了加工难度，而且还降低了设备的制造成本，且能够实现更高精度的导向控制。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是推靠机构的放大图；
图3是盖板的一种实施方式的半剖视图。
附图标记说明：1-钻具本体，2-钻头，3-泥浆流道，4-安装槽，5-进液孔，6-盖板，7-推靠活塞，8-常开阀，9-驱动机构，10-活塞安装槽，11-出液孔，12-进液口，13-第一出液口，14-第二出液口，15-阀芯，16-螺栓，17-活塞衬套，18-活塞密封圈，19-出液过滤塞，20-进液过滤塞，21-阀安装槽，22-驱动机构安装槽，23-连接流道，24-阀体，26-连接流道，27-无刷电机，28-丝杠机构，29-密封胶囊，30-角度传感器，31-连接通道。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明的实施例：如图1所示，一种基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置，其应用于钻井工具，具体包括钻具本体1和钻头2，需要说明的是，钻具本体1的长度很长，图1中仅展示了含有基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置的一段，钻具本体1内设有与钻头2连通的泥浆流道3，钻具本体1的外壁上沿周向至少设有三个等间距布置的安装槽4，每个安装槽4内均设有一套推靠机构，钻具本体1上还设有用于连通泥浆流道3与安装槽4的进液孔5；推靠机构包括盖板6、推靠活塞7、常开阀8和驱动机构9，盖板6的外壁上设有活塞安装槽10和出液孔11，推靠活塞7固定安装在活塞安装槽10内，驱动机构9与常开阀8连接；常开阀8的进液口12与进液孔5连通，第一出液口13与出液孔11连通，第二出液口14与推靠活塞7连接；驱动机构9用于驱动常开阀8的阀芯15在第一位置与第二位置之间移动，当阀芯15位于第一位置时，第一出液口13与第二出液口14连通，当位于第二位置时，进液口12与第二出液口14连通。
在不需要改变钻头钻进方向时，在驱动机构9的作用下将阀芯15推至第一位置，第一出液口13与第二出液口14连通，此时钻具本体1外部的泥浆对推靠活塞7施加压力，使推靠活塞7缩至活塞安装槽10内，推靠活塞7将多余的液体通过第一出液口13和出液孔11排出钻具本体1外，从而达到内外压力平衡，需要说明的是，第二出液口14与推靠活塞7的连接方式可以为多种，既可以在常开阀8内设置连接流道，也可以通过连接管进行连接，其连接形式不受限制，同理，第一出液口13与出液孔11的连接也可直接连接或是通过连接管连接，无论是第二出液口14与推靠活塞7直接连接还是第一出液口13与出液孔11直接连接，均应设计密封结构(如密封圈)，做好密封工作，防止漏液。推靠活塞7为现有技术，可直接购买获得，其在钻具上的应用已经非常成熟，故其内部结构在此不再赘述。
当需要改变钻头钻进方向时，控制驱动机构9工作，将阀芯15拉至第二位置，此时阀芯15将进液口12与第二出液口14连通，此时外部泥浆无法进入出液孔11，而钻具本体1内的泥浆流道3内的高压泥浆通过进液孔5和进液口12进入常开阀8内，并从第二出液口14流出，并对推靠活塞7施加推力，由于泥浆流道3内的泥浆压力远远高于钻具本体1外部的泥浆压力，因此可以迅速将推靠活塞7推出，使其工作端伸出活塞安装槽10，并与井壁接触，施加推力，从而改变钻头2的钻进方向。
需要说明的是，钻具本体1始终处于高速旋转状态，以钻具本体1上设置三套推靠机构为例，当第一套推靠机构转至目标点后，推靠活塞需要快速伸出，当转离目标点后需要快速缩回至活塞安装槽10内，钻具本体1旋转120度后第二套推靠机构转至目标点，其推靠活塞需要快速伸出，当转离目标点后需要快速缩回至活塞安装槽10内，继续旋转120度第三套推靠机构转至目标点，其工作原理与前两套推靠机构相同。由于钻具本体1的转速很高，所以对每一套推靠机构的响应速度要求都非常高，响应时间越短越利于精准控制钻进方向。本案用钻井液(泥浆)的压力来控制推靠活塞7的伸缩，不但极大程度地简化了结构，降低了加工工艺的难度，而且降低了成本，提高了控制精度。
在一种具体地实施方式中，请结合图2，盖板6通过螺栓16固定安装在安装槽4内，盖板6的外周壁上设有多个密封圈。安装槽4内的四周具有安装凸台，安装凸台上具有螺纹孔，为了防止泥浆对盖板6冲刷腐蚀，优选地，当盖板6通过螺栓16固定在安装槽4上后，盖板6刚好与钻具本体1构成完整的圆柱体结构。为了便于盖板6的拆卸，可在盖板6的外壁面上设置拆卸孔。
通过密封圈的设置，可以有效防止外部泥浆通过缝隙处进入安装槽4内，对驱动机构9造成损坏。
进一步，活塞安装槽10内设有活塞衬套17，推靠活塞7通过活塞衬套17固定安装在活塞安装槽10内，活塞衬套17的内壁上设有密封圈安装槽，密封圈安装槽内设有活塞密封圈18。通过活塞衬套17的设置，不但可以使推靠活塞7便于拆装，而且可以极大地提高密封性，防止漏液。
此外，为了保证设备的使用寿命，优选地，在出液孔11远离常开阀8的一端设置出液过滤塞19；在进液孔5与泥浆流道3连通的一端设置进液过滤塞20。进液过滤塞20可以过滤掉泥浆中的杂质，降低泥浆对常开阀8和推靠活塞7的腐蚀速度，提高其使用寿命。
应用于本发明的驱动机构9和常开阀8可采用多种安装方式，例如直接将二者固定在安装槽4内，常开阀8与出液孔11以及推靠活塞7通过连接管连接即可，还可以将驱动机构9和常开阀8集成在盖板6内，使其成为一个整体。
针对后一种方式本实施例公开一种具体结构，请结合图2和图3，盖板6朝向泥浆流道3的一面设有阀安装槽21和驱动机构安装槽22，阀安装槽21与驱动机构安装槽22之间具有连接通道31，盖板6内还设有用于连通阀安装槽21与活塞安装槽10的连接流道23，出液孔11与阀安装槽21连通；常开阀8固定安装在阀安装槽21内，第二出液口14与连接流道23连通，驱动机构9固定安装在驱动机构安装槽22内，并通过连接通道与常开阀8连接。
采用这种结构形式，不但可以有效地固定常开阀8，还能够固定驱动机构9，而且在盖板6内设置了连接流道23，能够直接连接常开阀8的第二出液口14，出液孔11也能直接连接第一出液口13，简化了整体结构。
进一步，常开阀8包括阀芯15和阀体24，阀体24上沿其轴向设有阀芯安装通道，第二出液口14设于阀芯安装通道的一端，阀芯15从阀芯安装通道的另一端伸出阀体24，阀芯15内具有连接流道26。
驱动机构9包括无刷电机27和丝杠机构28，无刷电机27的动力输出轴通过丝杠机构28与阀芯15连接。丝杠机构28可采用常规结构，将丝套固定在无刷电机27的动力输出轴上，将丝杠固定在阀芯15上，通过丝套与丝杠的配合将无刷电机的转动力矩转化成水平作用力，从而实现阀芯15的位置调节。
在一种优选地实施方式中，还包括密封胶囊29，密封胶囊29安装在丝杠机构28上，密封胶囊29内填充有润滑油。无刷电机27的动力输出轴上还设有角度传感器30。
在该实施例中，密封胶囊29的设置可以起到平衡压力的作用，而且可以有效对丝杠机构进行润滑，保证其使用寿命。
而角度传感器30的设置可以有效增加本发明的控制精度。在没有角度传感器30的情况下，本发明可以正常使用，但是设置了角度传感器30后便可以进一步提高本发明的控制精度。因为角度传感器30可以测出无刷电机27输出轴的旋转圈数，而丝杠机构的丝套每旋转一圈，丝杆的水平位移是固定的，这样就可对阀芯15的位置做精准控制，从而控制阀芯15的开度大小，通过对开度大小的调节，可以改变泥浆对推靠活塞7施加的压力大小，从而改变推靠活塞7的伸出量，通过不同的伸出量来改变钻进轨迹的角度大小。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置，包括钻具本体(1)和钻头(2)，所述钻具本体(1)内设有与所述钻头(2)连通的泥浆流道(3)，其特征在于：所述钻具本体(1)的外壁上沿周向至少设有三个等间距布置的安装槽(4)，每个所述安装槽(4)内均设有一套推靠机构，所述钻具本体(1)上还设有用于连通所述泥浆流道(3)与所述安装槽(4)的进液孔(5)；所述推靠机构包括盖板(6)、推靠活塞(7)、常开阀(8)和驱动机构(9)，所述盖板(6)的外壁上设有活塞安装槽(10)和出液孔(11)，所述推靠活塞(7)固定安装在所述活塞安装槽(10)内，所述驱动机构(9)与所述常开阀(8)连接；所述常开阀(8)的进液口(12)与所述进液孔(5)连通，第一出液口(13)与所述出液孔(11)连通，第二出液口(14)与所述推靠活塞(7)连接；
所述驱动机构(9)用于驱动所述常开阀(8)的阀芯(15)在第一位置与第二位置之间移动，当所述阀芯(15)位于所述第一位置时，所述第一出液口(13)与所述第二出液口(14)连通，当位于所述第二位置时，所述进液口(12)与所述第二出液口(14)连通。
2.根据权利要求1所述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置，其特征在于：所述盖板(6)通过螺栓(16)固定安装在所述安装槽(4)内，所述盖板(6)的外周壁上设有多个密封圈。
3.根据权利要求1或2所述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置，其特征在于：所述活塞安装槽(10)内设有活塞衬套(17)，所述推靠活塞(7)通过所述活塞衬套(17)固定安装在所述活塞安装槽(10)内，所述活塞衬套(17)的内壁上设有密封圈安装槽，所述密封圈安装槽内设有活塞密封圈(18)。
4.根据权利要求1所述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置，其特征在于：所述出液孔(11)远离所述常开阀(8)的一端设有出液过滤塞(19)；所述进液孔(5)与所述泥浆流道(3)连通的一端设有进液过滤塞(20)。
5.根据权利要求1所述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置，其特征在于：所述盖板(6)朝向所述泥浆流道(3)的一面设有阀安装槽(21)和驱动机构安装槽(22)，所述阀安装槽(21)与所述驱动机构安装槽(22)之间具有连接通道，所述盖板(6)内还设有用于连通所述阀安装槽(21)与所述活塞安装槽(10)的连接流道(23)，所述出液孔(11)与所述阀安装槽(21)连通；所述常开阀(8)固定安装在所述阀安装槽(21)内，所述第二出液口(14)与所述连接流道(23)连通，所述驱动机构(9)固定安装在所述驱动机构安装槽(22)内，并通过所述连接通道与所述常开阀(8)连接。
6.根据权利要求1或5所述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置，其特征在于：所述常开阀(8)包括所述阀芯(15)和阀体(24)，所述阀体(24)上沿其轴向设有阀芯安装通道，所述第二出液口(14)设于所述阀芯安装通道的一端，所述阀芯(15)从所述阀芯安装通道的另一端伸出所述阀体(24)，所述阀芯(15)内具有连接流道(26)。
7.根据权利要求6所述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置，其特征在于：所述驱动机构(9)包括无刷电机(27)和丝杠机构(28)，所述无刷电机(27)的动力输出轴通过所述丝杠机构(28)与所述阀芯(15)连接。
8.根据权利要求7所述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置，其特征在于：还包括密封胶囊(29)，所述密封胶囊(29)安装在所述丝杠机构(28)上，所述密封胶囊(29)内填充有润滑油。
9.根据权利要求7所述的基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置，其特征在于：所述无刷电机(27)的输出轴上还设有角度传感器(30)。
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