CN111677445B - 一种推靠式旋转导向钻井系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种推靠式旋转导向钻井系统，包括钻头和旋转轴，旋转轴包括上旋转轴和下旋转轴；转向部，套置在旋转轴外侧；推靠组件，包括沿转向部的周向间隔布置的多个推靠件；传动装置，包括驱动推靠件伸出转向部的传动机构；传动机构包括设置于上旋转轴的主动电磁齿轮以及设置于转向部的从动电磁齿轮；还包括运动转换单元，将从动电磁齿轮的旋转运动转换为推靠件的直线运动；以及控制单元，用于调制磁场以使主、从动电磁齿轮通过磁耦合实现联动，并使主、从动电磁齿轮以可调节的传动比运转。本申请中的系统，不需要在转向部设置电路元器件和导电插口等，简化了转向部的结构，有效缩小转向部的尺寸，提高井下进给运动的灵活性，并且降低成本。

Description

一种推靠式旋转导向钻井系统

技术领域

本申请涉及钻探领域，尤其涉及一种推靠式旋转导向钻井系统。

背景技术

为了获取地下贮藏的自然资源需要进行钻井勘探，在很多情况下，井孔与井架都不是对齐的，而是需要形成一定的偏移或者弯曲，这种形成水平或者竖直偏移或者其他类型的复杂井孔的过程叫做定向钻井。而在定向钻井过程中对钻头方向进行方向控制的过程叫做导向。现代导向钻井有滑动导向与旋转导向两种类型，常用的旋转导向技术也有两种，一种是指向式导向，一种是推靠式导向。

现有的推靠式旋转导向钻井系统由地面监控系统和井下工具构成。井下工具分为导向短节、随钻测量系统、双向通讯和动力模块三大模块，各模块之间通过标准化接头连接。该标准化接头包含钻杆和导电装置，可同时完成各模块间的连接、密封和电子连接。

其中，随钻测量系统由无磁钻铤和随钻测量探管构成，作用是测量井斜和方位并将测得的数据发送给脉冲发生器和导向控制系统。双向通讯和动力模块主要由无磁钻铤、泥浆发电机、脉冲发生器、电子仓等构成，作用是为井下工具提供电能，完成地面-井下双向通讯的大部分工作(即捕捉地面监控系统下传的指令信号，向地面发送钻井液正脉冲信号)。导向短节是旋转导向钻井系统在钻柱旋转的条件下进行定向钻井时的井下决策和执行机构，作用是将转盘扭矩传递给钻头并控制钻头侧向切削地层的侧向力大小和方向。导向短节结构复杂，工况复杂，承受的载荷复杂，其性能和寿命直接决定旋转导向系统的优劣，是旋转导向钻井系统最核心的部分。

现有的导向短节是一套机-电-液高度一体化的井下工具，包括导向执行机构、导向控制系统、传输装置、旋转芯轴、不旋转外筒和下接头等机械结构。导向执行机构包括翼片，翼片可以自由伸缩来推靠井壁，以改变导向短节的姿态，进而调整钻头的姿态。导向控制系统是旋转导向钻井系统相对独立的井下分析、决策机构，作用是分析、计算井眼轨迹偏差和导向短节姿态，并据此或根据地面发送的指令控制导向执行机构工作。现有的导向控制系统由基体和控制电路构成，安装在不旋转外筒和旋转芯轴间的环空内中部偏上的位置，与旋转芯轴间有一定的间隙，通过密封系统和限位装置紧贴在不旋转外筒的内壁，旋转芯轴转动时导向控制系统和不旋转外筒相对旋转芯轴静止。导向控制系统下部有3个周向均匀分布的导电插槽和螺纹孔，螺纹孔的作用是将液压模块的上部与导向控制系统连接起来，导电插槽的作用是连通液压模块和导向控制系统的供电和通讯线路。传输装置的任务是实现信号和电能在相对旋转的旋转芯轴和不旋转外筒间的传递。旋转芯轴、不旋转外筒和下接头等机械结构是导向短节的承载结构，是导向短节3个子系统的载体，并传递钻压和扭矩。

现有的不旋转外筒内集成了复杂的机-电-液驱动装置以驱动钻头姿态的偏转，例如现有技术公开了一种基于径向驱动力的旋转导向装置，该导向装置的不旋转外筒内设置有至少三个液压驱动机构，该液压驱动机构用于驱动下接头偏转以使设置于下接头的下扶正器偏转以推靠井壁，从而改变钻头姿态。又如现有技术中存在一种旋转导向装置，为实现所述液压驱动机构的正常运转，需要在不旋转外筒内设置相应的电路元器件。在不旋转外筒内设置相应的电路元器件，一方面需要在不旋转外筒处开设导电插口等电接口或用于引入电线的开口，另一方面需要设置相应的用于安装电路元器件等其它结构部件的安装结构，限位结构等，再者还需要为电路元器件预留安装空间，造成了不旋转外筒结构复杂和尺寸的增大，从而导致整个导向钻井系统尺寸的增大，整机尺寸的增大带来的不仅仅是成本的上升，更重要的是影响导向钻井系统井下进给运动的灵活性。

另外，井下环境复杂、恶劣，在钻井过程中，为避免井下杂质通过旋转芯轴与不旋转外筒之间，不旋转外筒与下接头之间的接合间隙进入不旋转外筒，而对不旋转外筒内电子元器件的正常运行造成影响，需要设计相应的密封结构等等，密封成本大大提升，而且对于由设置于不旋转外筒的液压机构驱动下接头偏转的技术而言，一般通过液压缸驱动活塞并由活塞驱动相应的推靠部件伸缩以驱动下接头偏转，推靠部件的伸缩在井下是常态，为避免井下杂质通过推靠部件与不旋转外筒的接合位置处进入不旋转外筒，需要设置相应的动态密封结构，成本高，可靠性差。

发明内容

本申请提供了一种推靠式旋转导向钻井系统，以解决上述技术问题中的至少一个技术问题。

本申请所采用的技术方案为：

一种推靠式旋转导向钻井系统，包括钻头和用于驱动所述钻头旋转的旋转轴，所述旋转轴包括上旋转轴以及与所述钻头相连的下旋转轴，所述系统还包括转向部，所述转向部套置在所述上旋转轴和所述下旋转轴外侧；推靠组件，所述推靠组件设置于所述转向部靠近所述钻头的一端，所述推靠组件包括沿所述转向部的周向间隔布置的多个推靠件；传动装置，所述传动装置包括与所述推靠件一一对应以驱动所述推靠件移动以伸出所述转向部的传动机构，所述传动机构包括设置于所述上旋转轴的主动电磁齿轮以及由所述主动电磁齿轮驱动旋转且设置于所述转向部的从动电磁齿轮，所述传动机构还包括设置于所述转向部的运动转换单元，所述运动转换单元适于将所述从动电磁齿轮的旋转运动转换为所述推靠件的直线运动；以及设置于所述上旋转轴的控制单元，所述控制单元与所述主动电磁齿轮电连接，所述控制单元用于调制磁场以使所述主动电磁齿轮与所述从动电磁齿轮通过磁耦合实现联动，并使所述主动电磁齿轮和所述从动电磁齿轮以可调节的传动比运转。

进一步的，所述钻井系统还包括数据采集单元，所述数据采集单元包括动态姿态测量模块和检测模块，所述动态姿态测量模块设置于所述上旋转轴，所述动态姿态测量模块用于采集井下数据和所述上旋转轴转速数据，并将检测到的数据传输至所述控制单元，所述检测模块用于测量所述上旋转轴和所述转向部之间的相对转速信息和位置信息，并将检测到的信息传输至所述控制单元，所述控制单元根据所述数据和所述信息调制所述磁场。

进一步的，所述检测模块包括设置于所述上旋转轴的非接触位置传感器，以及设置于所述转向部且能够与所述非接触位置传感器配合以实现所述信息检测的配合件，所述非接触位置传感器与所述控制单元电连接。

进一步的，所述控制单元通过调节供向所述主动电磁齿轮的激励、频率、电流和/或电压，以调制磁场，使所述主动电磁齿轮和所述从动电磁齿轮获得可调节的传动比。

进一步的，所述运动转换单元包括第一运动转换件、第二运动转换件以及连接件，所述第一运动转换件分别与所述从动电磁齿轮和所述连接件相连，且所述第一运动转换件适于将所述从动电磁齿轮的旋转运动转换为所述连接件的直线运动，所述第二运动转换部件分别与所述连接件和所述推靠件相连，且所述第二运动转换部件适于将所述连接件的直线运动转换为所述推靠件沿所述转向部径向的移动。

进一步的，所述连接件的移动方向与所述转向部的轴向平行。

进一步的，在所述旋转轴旋转驱动所述钻头的状态下，所述转向部相对于所述旋转轴大体呈非旋转状态。

进一步的，所述上旋转轴与所述转向部同轴布置，所述上旋转轴包括主体部及与所述主体部固连的延伸部，所述控制单元设置于所述主体部，所述主动电磁齿轮设置于所述延伸部，所述延伸部与所述转向部沿所述转向部的轴向至少部分重合。

进一步的，所述下旋转轴与所述转向部同轴布置，所述下旋转轴具有与所述上旋转轴相连的第一连接部以及与所述钻头相连的第二连接部，所述第一连接部与所述转向部沿所述转向部的轴向部分重合。

进一步的，所述钻井系统还包括设置于所述上旋转轴和所述转向部之间的第一摩擦副，所述第一摩擦副包括第一内轴承和第一外轴承；设置于所述下旋转轴和所述转向部之间的第二摩擦副，所述第二摩擦副包括第二内轴承和第二外轴承。

由于采用了上述技术方案，本申请所取得的有益效果为：

1.相较于推靠件的伸出动作由设置于转向部内部的机-电-液一体化的系统驱动的技术方案而言，本申请采用电磁齿轮的磁力传动方式，实现了无机械接触式的动力传动，并通过运动转换单元，将旋转轴的旋转运动转换为推靠件的直线运动：

一方面，不需要在转向部设置电路元器件和导电插口等，简化了转向部的内部结构，有效缩小了转向部的尺寸，进而有利于整个导向钻井系统的小型化，提高导向钻井系统井下进给运动的灵活性，并且降低成本；

另一方面，由于转向部无需设置电路元器件和导电插口等，因此传动装置的可靠性受井下杂质的影响较小，因此对上旋转轴与转向部之间，下旋转轴与转向部之间，以及推靠件与转向部之间的接合间隙的密封要求大大降低，不仅降低密封成本，而且提升了工作性能的可靠性和稳定性；

再者，因电磁齿轮是非接触传动，主动电磁齿轮和从动电磁齿轮的传动过程中无需润滑、无摩擦损耗、无磨损、传动平稳，且无振动噪音，且电磁齿轮的启动力矩较低，系统的输出力可调，具有过载保护作用，能适应不对称性，即使在井下振动和冲击的恶劣环境条件下，也能保证推靠件作用力输出的稳定性，从而保证了姿态调整的顺畅性和可靠性。

2.本申请中的所述控制单元能够调节制动，使得主动电磁齿轮和从动电磁齿轮能够以期望的传动比运转，以实现导向钻井系统输出作用力的调整，进而实现造斜率的调整。作为本申请的一种优选实施方式，所述数据采集单元将检测到的信息传输至控制单元，控制单元可以根据井下环境以及上旋转轴与转向部的相对姿态信息调制磁场，实时改变主动电磁齿轮和从动电磁齿轮的传动比，实现了钻头姿态的动态实时调整。而且本申请中主、从动电磁齿轮之间传动比的调节方式是通过调制磁场实现，其可调节范围大，从而能够提供更大的可选地造斜率范围，以满足不同地层的要求，从而扩大了本申请中所述旋转导向钻井系统的适用范围。

3.作为本申请的一种优选实施方式，通过非接触位置传感器与配合件的配合来检测上旋转轴与转向部的相对转速和相对位置，配合件只需与非接触位置传感器配合即可完成数据和信息的检测与采集，配合件无需采用电子类的检测元件，因此无需在转向部设置电接口，进一步地简化了转向部的结构，缩小了转向部的尺寸，且进一步解决了现有技术中需要在转向部内设置电子元器件以实现转向部实时姿态检测所带来的密封成本增加、可靠性降低等问题。

4.作为本申请的一种优选实施方式，控制单元通过调节主动电磁轮的激励、频率、电流和/或电压，能够调节制动，使得主动电磁齿轮和从动电磁齿轮能够以期望的传动比运转，以根据井下环境调节传递给转向部内各运动转换单元的力矩，调整推靠块的作用力，进而实现造斜率的调节。此外，制动调节的多样性也为传动比的控制提供了多种选择，单纯通过相应电路的控制即可实现传动比的调节控制，降低了控制成本，且控制方式简单易行，很好地适应了钻井技术的复杂工况。

5.作为本申请的一种优选实施方式，在所述旋转轴旋转驱动所述钻头的状态下，所述转向部相对于所述旋转轴大体呈非旋转状态，该非旋转状态并非绝对静止，实际工作过程中，转向部会由于摩擦力和惯性作用下以较低的速度转动，转向部相对于旋转轴的非旋转状态，可为钻头姿态的调整提供条件，方便了钻头的姿态控制。

6.作为本申请的一种优选实施方式，所述上旋转轴和所述转向部之间设置有第一摩擦副，所述下旋转轴和所述转向部之间设置有第二摩擦副，通过设置第一、第二摩擦副可以降低上、下旋转轴相对于转向部旋转时，上、下旋转轴与转向部接触端面之间的摩擦力，提升导向钻井系统的耐磨能力，同时可以降低上、下旋转轴与转向部接触端面沿上、下旋转轴径向的摩擦力，使上、下旋转轴能够实现动态运转过程中的位置居中，保证了导向钻井系统运行的可靠性和稳定性。

附图说明

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

图1为本申请一种实施方式下的所述推靠式旋转导向钻井系统的结构示意图。

其中：

1钻头；

2上旋转轴；21主体部；22延伸部；

3下旋转轴；31第一连接部；32第二连接部；

4转向部；

5推靠件；

61传动机构；611主动电磁齿轮；612从动电磁齿轮；613第一运动转换件；614连接件；615第二运动转换件；62控制单元；

71动态姿态测量模块；721非接触位置传感器；722配合件；

8第一摩擦副；

9第二摩擦副。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

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

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请中，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；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；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。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申请中的具体含义。

在本申请中，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申请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，一种推靠式旋转导向钻井系统，包括钻头1和用于驱动所述钻头1旋转的旋转轴，所述旋转轴包括上旋转轴2以及与所述钻头1相连的下旋转轴3。

所述钻井系统还包括：转向部4，所述转向部4套置在所述上旋转轴2和所述下旋转轴3外侧；推靠组件，所述推靠组件设置于所述转向部4靠近所述钻头1的一端，所述推靠组件包括沿所述转向部4的周向间隔布置的多个推靠件5；传动装置，所述传动装置包括与所述推靠件5一一对应以驱动所述推靠件5移动以伸出所述转向部4的传动机构61，所述传动机构61包括设置于所述上旋转轴2的主动电磁齿轮611以及由所述主动电磁齿轮611驱动旋转且设置于所述转向部4的从动电磁齿轮612，所述传动机构61还包括设置于所述转向部4的运动转换单元，所述运动转换单元适于将所述从动电磁齿轮612的旋转运动转换为所述推靠件5的直线运动；以及设置于所述上旋转轴2的控制单元62，所述控制单元62与所述主动电磁齿轮611电连接，所述控制单元62用于调制磁场以使所述主动电磁齿轮611与所述从动电磁齿轮612通过磁耦合实现联动，并使所述主动电磁齿轮611和所述从动电磁齿轮612以可调节的传动比运转。

需要说明的是，本申请对于所述推靠件的数量不做具体限定，作为本申请的一个优选实施例，所述转向部的周向间隔布置有三个所述推靠件5，更进一步地，三个所述推靠件5沿所述转向部的周向均匀布置。一个所述推靠件5由一套所述传动机构61对应驱动。每一套传动机构中所述主动电磁齿轮611和所述从动电磁齿轮612的传动比又受控于所述控制单元，通过所述控制单元调节所述主动电磁齿轮611和所述从动电磁齿轮612的传动比，各套传动机构的传动比可以相同，也可以不同，通过对传动比的控制，实现对所述推靠件5输出力的控制，推靠件5从所述转向部伸出并靠向井壁，在摩擦力的作用下所述转向部不随所述上旋转轴和所述下旋转轴旋转，井壁对所述推靠件产生反作用力，多个所述推靠件所受到的反作用力的合力可以形成任意大小和方向的导向力，从而调整钻头姿态，使钻头侧向切削井壁地层，进而完成导向作业。当不需要进行导向时，所述控制单元控制切断所述主动电磁齿轮的供电，所述推靠件停止作业。

本申请中所述推靠件5伸出所述转向部的运动由所述传动机构61驱动实现，而所述传动机构61通过设置于所述上旋转轴2的主动电磁齿轮611和设置于所述转向部4的从动电磁齿轮612的磁力耦合实现无机械接触式的动力传动，相较于以往的接触式传动，本申请中所述主、从动电磁齿轮的动力传动方式，能够减少传动环节的机械磨损，且结构简单，零部件少，不仅成本低，而且运行可靠、稳定，而且相较于传统的电机驱动旋转的方式而言，可以有效地避免电机发热严重的问题，在保证钻井工作顺利进行的同时，能够明显地减小钻井系统的宽度，有助于提升整机的灵活性，方便了整机的进给。而且，由于电磁齿轮的启动力矩较低，在传动机构中具有过载保护作用，能适应不对称性，即使在井下振动和冲击的恶劣环境条件下，也能保证推靠件作用力输出的稳定性，从而保证了姿态调整的顺畅性和可靠性。此外，电磁齿轮是一种无污染的环保型产品，大幅降低了钻井过程中的噪声污染和环境污染。

相较于所述推靠件的伸出动作由设置于转向部内部的机-电-液一体化的系统驱动的技术方案而言：一方面，本申请中无机械接触式的传动方式，使得不需要在所述转向部4设置电路元器件和导电插口等，简化了所述转向部4内结构，且减小了所述转向部4的尺寸，从而减小整个导向钻井系统的尺寸，整机尺寸的减小带来的不仅仅是成本的降低，更重要的是提高了导向钻井系统井下进给运动的灵活性；另一方面，因无需在所述转向部内设置电路元器件，从而降低了对所述转向部的密封成本，且提升了所述钻井系统运行的可靠性和稳定性。

本申请中所述控制单元62能够调节制动，使得所述主动电磁齿轮611和所述从动电磁齿轮612的传动比能够实时调整，以期望的传动比运转，以实现所述导向钻井系统输出作用力的调整，进而实现造斜率的调整。

如图1所示，作为本申请的一种优选实施方式，所述钻井系统还包括数据采集单元，所述数据采集单元包括动态姿态测量模块71和检测模块，所述动态姿态测量模块71设置于所述上旋转轴，所述动态姿态测量模块71用于采集井下数据和所述上旋转轴2转速数据，并将检测到的数据传输至所述控制单元62，所述检测模块用于测量所述上旋转轴2和所述转向部4之间的相对转速信息和位置信息，并将检测到的信息传输至所述控制单元62，所述控制单元62根据所述数据和所述信息调制所述磁场。更为具体地，控制单元62根据所述数据采集单元传输来的井下数据以及上旋转轴2与转向部4的相对姿态信息控制所述主动电磁齿轮611、所述从动电磁齿轮612的运转，实现了所述钻头1姿态的动态实时调整。

作为本实施方式下的一种优选实施例，如图1所示，所述检测模块包括设置于所述上旋转轴2的非接触位置传感器721，以及设置于所述转向部4且能够与所述非接触位置传感器721配合以实现所述信息检测的配合件722，所述非接触位置传感器721与所述控制单元62电连接。

通过所述非接触位置传感器721与所述配合件722的配合来检测所述上旋转轴2与所述转向部4的相对转速和相对位置，所述配合件722只需与所述非接触位置传感器721配合即可，所述配合件722无需采用电子类的检测元件，因此无需在所述转向部4设置电接口，简化了所述转向部4的结构，有效缩小了所述转向部4的尺寸，进而有利于整个所述导向钻井系统的小型化，提高所述导向钻井系统井下进给运动的灵活性，并且降低成本。

作为本实施例下的一个优选示例，所述非接触位置传感器721为电磁感应传感器。采用电磁感应传感器，在测量中无机械位移损耗，可靠性高，使用寿命长。

当然，所述非接触位置传感器721也可以采用其他类型的传感器，只要能够实现非接触检测所述上旋转轴2与所述转向部4的相对转速和相对位置便可，如霍尔元件类，激光式传感器、红外传感器、光电传感器等等。

更进一步地，所述控制单元62通过调节供向所述主动电磁齿轮611的激励、频率、电流和/或电压，以调制磁场，使所述主动电磁齿轮611和所述从动电磁齿轮612获得可调节的传动比。所谓调节供向所述主动电磁齿轮611的激励，指的是通过控制接通或断开用于控制主动电磁齿轮的控制电路以对主动电磁齿轮产生的磁场进行调控。

所述主动电磁齿轮611与所述从动电磁齿轮612的传动比改变，对应的传递力矩也发生改变，最终通过所述运动转换单元传递到所述推靠件5的作用力也会发生改变，实际工作过程中利用这种规律可以实现整个导向工具输出作用力的调整，进而实现所述旋转导向系统造斜率的调整。

当然，本实施方式中，对于所述控制单元62改变所述主动电磁齿轮611和所述从动电磁齿轮612的传动比的方式不做具体限定，只要改变所述主动电磁齿轮611和所述从动电磁齿轮612之间的磁场，使所述主动电磁齿轮611和所述从动电磁齿轮612的传动比发生改变即可。

例如，作为本实施方式下的一种实施例，所述主动电磁齿轮611是用铝镍钴永磁材料制成的，具有高剩磁、低矫顽力特性，通过所述控制单元62施加瞬时的充去磁电流脉冲改变主动电磁齿轮的磁化状态，以改变主动电磁齿轮611和从动电磁齿轮612的磁极对数，进而改变所述主动电磁齿轮611与所述从动电磁齿轮612的传动比。

又如，作为本实施方式下的另一实施例，在所述主动电磁齿轮611和从动电磁齿轮612之间加设调磁极片，通过所述调磁极片调制所述主动电磁齿轮611和所述从动电磁齿轮612的磁场，使调制好的磁场具有的谐波与主、从动电磁齿轮相互作用，从而达到通过主动电磁齿轮611带动从动电磁齿轮612转动的目的。

再如，作为本实施方式下的另一种实施例，所述控制单元62通过改变施加电流的大小，以改变所述主动电磁齿轮611和所述从动电磁齿轮612之间的磁场大小，进而改变所述主动电磁齿轮611和所述从动电磁齿轮612的传动比，从而使作用力矩可调。实际应用过程中，所述控制单元可以根据所述数据采集单元采集到的实时数据和信息对所述磁场进行调控，以使所述传动机构可随负载的变化自动调节传动力矩，从而使系统传动平稳，节约能耗。

需要说明的是，本申请中所述控制单元对于所述主动电磁齿轮和所述从动电磁齿轮的传动比的调节，可以是阶跃式调节，也可以是无级调节，实际应用过程中可以根据具体的工况实现相应的调节。电磁耦合的无级调节方式属于现有技术，因此在此不再详述其作用原理。

本申请中，在所述旋转轴旋转驱动所述钻头1的状态下，所述转向部4相对于所述旋转轴大体呈非旋转状态，所述的非旋转状态是一个相对概念，并非绝对，在实际工作环境中，所述转向部4会由于摩擦力和惯性作用下以较低的速度转动。所述转向部4相对于所述旋转轴处于不旋转的状态，可为所述钻头1姿态的调整提供条件，方便了所述钻头1的姿态控制。

下面结合附图，对本申请的结构做进一步地详细说明。

作为本申请的一种优选实施方式，如图1所示，所述运动转换单元包括第一运动转换件613、第二运动转换件615以及连接件614，所述第一运动转换件613分别与所述从动电磁齿轮612和所述连接件614相连，且所述第一运动转换件613适于将所述从动电磁齿轮612的旋转运动转换为所述连接件614的直线运动，所述第二运动转换件615分别与所述连接件614和所述推靠件5相连，且所述第二运动转换件615适于将所述连接件614的直线运动转换为所述推靠件5沿所述转向部4径向的移动。

本申请通过所述第一运动转换件613、第二运动转换件615以及连接件614，实现所述推靠件5的驱动，避免了在所述转向部4内设置电路元器件，简化所述转向部4结构，大大缩小了所述转向部4的尺寸，进而缩小整个所述旋转导向钻井系统的尺寸，降低成本，增加导向钻井系统井下进给运动的灵活性。此外，由于所述转向部内无需设置电路元器件，因此受井下杂质影响较小，进而降低对密封的要求，大大降低密封成本。

作为本实施方式下的一个优选实施例，所述连接件614的移动方向与所述转向部4的轴向平行，既方便了所述转向部4内各结构件的布置，又有助于缩小所述转向部4的径向尺寸，从而有助于所述钻井系统的小型化。

当然，所述连接件614的移动方向也可以根据实际需要，与所述转向部4的轴线成一定夹角，以提高传动效率。

需要说明的是，本实施方式下对于所述第一运动转换件613的结构不做具体限定，只要能够实现将所述从动电磁齿轮612的旋转运动转换为所述连接件614的直线运动即可，其包含但不限于以下实施例描述的形式:

实施例1：所述第一运动转换件613为凸轮机构，所述凸轮机构包括转轴及套置于所述转轴的凸轮，所述转轴由所述从动电磁齿轮612带动旋转，所述连接件614的一端与所述凸轮的凸轮面接触，所述从动电磁齿轮612带动所述凸轮转动的过程中，所述凸轮面推动所述连接件614沿所述转向部4的轴线方向直线运动。采用凸轮机构，只需设计适当的凸轮面轮廓，便可使连接件得到任意的预期运动和行程，而且结构简单、紧凑、设计方便。

实施例2：所述第一运动转换件613为滚珠丝杠，所述滚珠丝杠包括丝杠及套设在丝杠上的螺母，所述丝杠由所述从动电磁齿轮612带动转动，从而带动所述螺母移动，所述连接件614与所述螺母连接。所述从动电磁齿轮612转动带动所述丝杠转动，所述丝杠带动所述螺母做直线运动，以带动所述连接件614沿所述转向部4轴线方向直线运动。采用滚珠丝杠，摩擦损失小、传动效率高，并可以实现高速进给和微进给。

同时，本实施方式下对于所述第二运动转换件615的结构也不做具体限定，只要能够实现将所述连接件614的直线运动转换为所述推靠件5沿所述转向部4径向的直线运动即可，其包含但不限于以下实施例描述的形式:

实施例1：所述第二运动转换件615为滑块，且所述滑块面向所述推靠件5的一侧为斜面，所述连接件614沿所述转向部4的轴线方向直线运动时，带动所述滑块沿所述转向部4的轴线方向进给，在所述滑块的斜面作用下所述推靠件5沿所述转向部径向方向移动。采用斜面结构，结构简单，效率高。

实施例2：所述第二运动转换件615为曲柄摇杆机构，所述曲柄摇杆机构包括曲柄及与所述曲柄铰接的摇杆，作为本实施例下的一个优选示例，所述推靠件5与摇杆连接，所述连接件614驱动曲柄移动，所述曲柄带动所述摇杆沿所述转向部4径向方向移动，进而带动所述推靠件5沿所述转向部4径向方向移动。本实施例采用曲柄摇杆机构实现推靠件5的驱动，具有较好的急回特性，从而使得所述推靠件5的伸出动作更加的平稳，所述推靠件5的回程动作速度加快，从而提升了推靠件5的工作效率，提高了响应的及时性，且曲柄摇杆机构制做方便简单,容易实现。

所述转向部4设置有用于安装所述推靠件5的安装槽，作为本申请的一种优选实施方式，所述推靠件5具有用于防止所述推靠件5自所述安装槽内脱出的限位部，所述限位部的外径大于所述安装槽的内径。更进一步地，各所述安装槽内设置有与所述推靠件5相连以辅助所述推靠件5复位的弹性复位件。

钻井过程中，所述推靠件5作为与井壁直接接触的部件，为提升其耐磨性，延长其使用寿命，所述推靠件5与井壁接触的一面设置有耐磨层，作为优选，所述耐磨层为硬质合金。

如图1所示，作为本申请的一种优选实施方式，所述上旋转轴2与所述转向部4同轴布置，所述上旋转轴2包括主体部21及与所述主体部固连的延伸部22，所述控制单元62设置于所述主体部21，所述主动电磁齿轮611设置于所述延伸部22，所述延伸部22与所述转向部4沿所述转向部4的轴向至少部分重合。

所述上旋转轴2与所述转向部4同轴布置，既方便了所述钻头1的姿态控制，又缩小了所述钻井系统的径向尺寸，有助于整机的小型化。所述延伸部22与所述转向部4至少部分重合，既为所述主动电磁齿轮611、从动电磁齿轮612的磁耦合创造了条件，也方便了所述上旋转轴2向所述下旋转轴3传递力矩。

更进一步的，所述下旋转轴3与所述转向部4同轴布置，所述下旋转轴3具有与所述上旋转轴2相连的第一连接部31以及与所述钻头1相连的第二连接部32，所述第一连接部31与所述转向部4沿所述转向部4的轴向部分重合。

所述下旋转轴3与所述转向部4部分重合，使所述推靠式旋转导向钻井系统的结构更加稳固，姿态调整更方便。

作为本申请的一种优选实施方式，如图1所示，所述钻井系统还包括设置于所述上旋转轴2和所述转向部4之间的第一摩擦副8，所述第一摩擦副包括第一内轴承和第一外轴承；设置于所述下旋转轴和所述转向部之间的第二摩擦副9，所述第二摩擦副包括第二内轴承和第二外轴承。

作为本实施方式下的一个优选实施例，所述第一内轴承和所述第一外轴承其中一个为径向轴承，另一个为轴向轴承，所述第二内轴承和所述第二外轴承其中一个为径向轴承，另一个为轴向轴承。

更进一步地，所述主体部21的外径大于所述延伸部22的外径，所述主体部21与所述延伸部22的接合位置处形成第一台阶部，所述第一摩擦副8设置于所述第一台阶部处；所述第一连接部31的外径小于所述第二连接部32的外径，所述第一连接部31和所述第二连接部32的接合位置处形成第二台阶部，所述第二摩擦副9设置于所述第二台阶部。上述的尺寸设计，使得所述主体部21、所述转向部4及所述第二连接部32的外表面能够位于同一条直线上，一方面避免了在所述主体部21与所述转向部4的接触端面以及在所述第二连接部32与所述转向部4的接触端面形成台阶结构，提升了整机外型的流畅性，大幅降低了钻井过程中外部泥浆在整机外轮廓的积聚，另一方面有助于整机的小型化，提升了整机运动的灵活性。

而通过设置所述第一摩擦副8、所述第二摩擦副9可以降低所述上旋转轴2、所述下旋转轴3相对于所述转向部4旋转时，所述上旋转轴2、所述下旋转轴3与所述转向部4接触端面之间的摩擦力，提升所述导向钻井系统的耐磨能力，同时可以降低所述上旋转轴2、所述下旋转轴3与所述转向部4接触端面沿所述上旋转轴2、所述下旋转轴3径向的摩擦力，使所述上旋转轴2、所述下旋转轴3能够实现动态运转过程中的居中，保证了所述导向钻井系统运行的可靠性和稳定性。

本申请中未述及的地方采用或借鉴已有技术即可实现。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种推靠式旋转导向钻井系统，包括钻头和用于驱动所述钻头旋转的旋转轴，所述旋转轴包括上旋转轴以及与所述钻头相连的下旋转轴；其特征在于，所述系统还包括：

转向部，所述转向部套置在所述上旋转轴和所述下旋转轴外侧；

推靠组件，所述推靠组件设置于所述转向部靠近所述钻头的一端，所述推靠组件包括沿所述转向部的周向间隔布置的多个推靠件；

传动装置，所述传动装置包括与所述推靠件一一对应以驱动所述推靠件移动以伸出所述转向部的传动机构；所述传动机构包括设置于所述上旋转轴的主动电磁齿轮以及由所述主动电磁齿轮驱动旋转且设置于所述转向部的从动电磁齿轮；所述传动机构还包括设置于所述转向部的运动转换单元，所述运动转换单元适于将所述从动电磁齿轮的旋转运动转换为所述推靠件的直线运动；以及

设置于所述上旋转轴的控制单元，所述控制单元与所述主动电磁齿轮电连接，所述控制单元用于调制磁场以使所述主动电磁齿轮与所述从动电磁齿轮通过磁耦合实现联动，并使所述主动电磁齿轮和所述从动电磁齿轮以可调节的传动比运转。

2.根据权利要求1所述的一种推靠式旋转导向钻井系统，其特征在于，

所述钻井系统还包括数据采集单元，所述数据采集单元包括动态姿态测量模块和检测模块；所述动态姿态测量模块设置于所述上旋转轴，所述动态姿态测量模块用于采集井下数据和所述上旋转轴转速数据，并将检测到的数据传输至所述控制单元；所述检测模块用于测量所述上旋转轴和所述转向部之间的相对转速信息和位置信息，并将检测到的信息传输至所述控制单元；

所述控制单元根据所述数据和所述信息调制所述磁场。

3.根据权利要求2所述的一种推靠式旋转导向钻井系统，其特征在于，

所述检测模块包括设置于所述上旋转轴的非接触位置传感器，以及设置于所述转向部且能够与所述非接触位置传感器配合以实现所述信息检测的配合件，所述非接触位置传感器与所述控制单元电连接。

4.根据权利要求2所述的一种推靠式旋转导向钻井系统，其特征在于，

所述控制单元通过调节供向所述主动电磁齿轮的激励、频率、电流和/或电压，以调制磁场，使所述主动电磁齿轮和所述从动电磁齿轮获得可调节的传动比。

5.根据权利要求1所述的一种推靠式旋转导向钻井系统，其特征在于，

所述运动转换单元包括第一运动转换件、第二运动转换件以及连接件；

所述第一运动转换件分别与所述从动电磁齿轮和所述连接件相连，且所述第一运动转换件适于将所述从动电磁齿轮的旋转运动转换为所述连接件的直线运动；

所述第二运动转换件分别与所述连接件和所述推靠件相连，且所述第二运动转换件适于将所述连接件的直线运动转换为所述推靠件沿所述转向部径向的移动。

6.根据权利要求5所述的一种推靠式旋转导向钻井系统，其特征在于，

所述连接件的移动方向与所述转向部的轴向平行。

7.根据权利要求1至6任一项权利要求所述的一种推靠式旋转导向钻井系统，其特征在于，

在所述旋转轴旋转驱动所述钻头的状态下，所述转向部相对于所述旋转轴大体呈非旋转状态。

8.根据权利要求7所述的一种推靠式旋转导向钻井系统，其特征在于，

所述上旋转轴与所述转向部同轴布置，所述上旋转轴包括主体部及与所述主体部固连的延伸部，所述控制单元设置于所述主体部，所述主动电磁齿轮设置于所述延伸部；

所述延伸部与所述转向部沿所述转向部的轴向至少部分重合。

9.根据权利要求8所述的一种推靠式旋转导向钻井系统，其特征在于，

所述下旋转轴与所述转向部同轴布置，所述下旋转轴具有与所述上旋转轴相连的第一连接部以及与所述钻头相连的第二连接部，所述第一连接部与所述转向部沿所述转向部的轴向部分重合。

10.根据权利要求7所述的一种推靠式旋转导向钻井系统，其特征在于，所述钻井系统还包括：

设置于所述上旋转轴和所述转向部之间的第一摩擦副，所述第一摩擦副包括第一内轴承和第一外轴承；

设置于所述下旋转轴和所述转向部之间的第二摩擦副，所述第二摩擦副包括第二内轴承和第二外轴承。

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