CN111734307B - 一种推靠式旋转导向工具 - Google Patents

Abstract

本发明属于油田生产设备技术领域，具体涉及一种推靠式旋转导向工具。包括上接头、外壳，工具主要由动力系统、控制系统、传动系统、执行系统四部分组成。动力系统通过转子叶轮为井下电力设备提供电能。控制系统采集当前工具位置信号，并对信号处理分析，指导伺服电机转动。传动系统是通过伺服电机接受控制系统发出的执行信号后，驱动一对斜齿轮从而带动旋转阀体转动。执行系统是通过旋转阀体的转动实现动力流道和泄压流道的切换实现周期性推靠井壁，改变钻头方向，从而实现旋转导向功能。本装置集成机电液一体化技术，具有结构紧凑，构型简单，而且响应速度快，精度高的特点。

Description

一种推靠式旋转导向工具

技术领域：

本发明属于油田生产设备技术领域，具体涉及一种推靠式旋转导向工具。

背景技术：

在石油钻井领域中，旋转导向技术主要用于定向井、水平井、大位移井等。依靠其高精度的伺服控制系统和高精度姿态测量传感器，能够实时精准的控制井下钻进方向，从而调整钻具运行轨迹，实现准确高效快速的向目标点钻进。

现有技术中，以Bakerhughes的AutoTrack Curve旋转导向工具和Schlumberger的PD Archer旋转导向工具为代表。Bakerhughes的AutoTrack Curve旋转导向工具的驱动方式是液压驱动，通过精准控制三套高度集成且各自独立的电机液压泵模块，用液压油推靠油缸及其翼助推靠井壁，实现导向工具上部实现整体弯曲变形，以改变钻头方向。而Schlumberger的PD Archer旋转导向工具的驱动方式是泥浆压力差驱动，通过使用常开式盘阀配流来驱动活塞，进而活塞带动巴掌推靠井壁，以改变钻头方向。

另外，申请号为【CN109025820A】名称为【一种全旋转液压内推靠式高造斜率旋转导向工具】和申请号为【CN110130830A】名称为【基于钻井液压差的推靠式旋转导向装置】也公开了两种导向工具，但都存在设计缺陷。

液压驱动的工具结构复杂，系统采用的液压泵和阻尼阀调压，在井下恶劣的条件下，对油液的真空度，清洁度要求极高，而且对系统的密封性要求极高，从而导致制造和维护成本高昂。

泥浆压力差驱动的工具，采用常开式盘阀配流对活塞做工，会导致推靠巴掌在不需要导向的过程中仍往复推靠井壁工作，造成活塞寿命低，活塞头的磨损大。

发明内容：

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种推靠式旋转导向工具，它使用泥浆压力差的驱动方式，当工具接收到井上的执行信号后，伺服电机自动带动旋转阀体的转动实现配流，从而驱动推块伸出推靠井壁，在不需要导向的过程中会自动缩回推块，具有控制精度高，速度响应快，结构简单的特点。

本发明采用的技术方案为：一种推靠式旋转导向工具，所述导向工具主要由动力系统、传动系统、执行系统和控制系统；所述动力系统包括主轴、定子和转子，定子安装于主轴内部，转子安装于主轴外部，主轴安装于外壳内，外壳顶端与上接头螺纹连接，所述主轴上部焊接有导流叶片，所述转子外部焊接有叶片。主轴外部有转子，内部有定子，当流体从主轴上端流下时，主轴上端的固定叶片会改变环空流体的流向，进而推动下部转子的叶片使转子开始旋转，带磁性的转子通过转动，产生变化的磁场，绕有线圈的定子感应到变化的磁场产生电能，电能流入控制系统进行处理。动力系统通过将水能转换成电能来为工具提供动力。

传动系统包括伺服电机、小齿轮、大齿轮、转阀和导流体，所述伺服电机与小齿轮连接，小齿轮与导流体上的大齿轮啮合，转阀与大齿轮焊接，导流体与主轴螺纹连接。伺服电机的型号可为POWSM-T-M1-80-02430，电机和小齿轮固连，大齿轮和转阀固连。小齿轮和大齿轮均为斜齿轮。电机转动带动小齿轮，小齿轮再带动大齿轮和转阀，转阀的转动来实现配流的功能。

所述执行系统包括推块、弹簧和密封端盖，推块安装在外壳的安装孔内，弹簧套装在推块上，推块外部安装有密封端盖，推块的外圆周上设有对称分布的泄压孔，泄压孔内安装有单向阀，所述的转阀外部开有用于内外流通的流通槽和用于外围上下流通的泄压槽；在外壳的圆周方向等间距分布三个推块，外部有密封盖进行密封。当转阀上的流通槽转到推块对应位置时，由于工具内部内外流体存在压力差，推动推块；当转阀的泄压槽转到推块对应位置时，存留在推块后部的液体通过泄压孔排出，泄压孔装有单向阀，单向阀可以保证液体只出不进，单向阀可以选用市面上常用的DN15系列，推块与密封盖之间有弹簧，在弹簧和内外液体压力差的作用下，推块缩回，将多余液体排出。

所述控制系统包括集成在电路集成板上的整流稳压电路、姿态测量传感器、方位伽马传感器、电机驱动板和主控制器，电路集成板安装于主轴内，并通过密封盖密封。电路集成板与伺服电机电连接；整流稳压电路将动力系统产生的电能实现AC-DC、DC-DC变换，为各测控电路提供直流稳定电源。姿态测量传感器、方位伽马传感器主要负责采集工具当前的位置信息。主控制器对位置信息进行处理分析计算，将输出信号发送到电机驱动板，进而对伺服电机开始转动的时刻和转动的时间进行精确控制。

进一步地，所述推块是数量为三个，分别安装于外壳上圆周均布的三个动力流道内。

进一步，所述主轴上的导流叶片为顺时针方向，所述转子上的叶片为逆时针方向。

本发明的有益效果：提供了一种推靠式旋转导向工具，它使用泥浆压力差的驱动方式，当工具接收到井上的执行信号后，伺服电机自动带动旋转阀体的转动实现配流，从而驱动推块伸出推靠井壁，在不需要导向的过程中会自动缩回推块，具有控制精度高，速度响应快，结构简单的特点。主要优点如下：

（1）、通过发电系统将水能转化为电能，实现电力供给；

（2）、通过一个电机驱动一个转阀，实现对三路流道的控制，相对于传统三个电机驱动三路流道的工具，简化了结构，大幅降低了成本；

（3）、通过一对斜齿轮进行传动，相对于直齿轮传动具有传动平稳，精度高，传递扭矩大的特点；

（4）、通过转阀的旋转，打开不同的流道，致使高压泥浆液驱动推块推靠墙壁，由于高压泥浆液的压力远远大于井壁环空槽的钻井液压力，因此响应速度极快；

（5）、推靠力大小主要受泥浆液压力的控制，由于钻井液的压力可在地面进行调节，因此便于调整；

（6）、结构简单，易于实现，成本较低，便于在油田现场的推广应用。

工具外部特由上接头，外壳组成，上接头与外壳通过螺纹连接。外壳是一个圆筒的形状，其内部有台肩供主轴和导流体轴向定位；外壳的圆周方向有三个等间距分布的侧流道，是推块的动力流道。工具内部的零件自上而下主要由主轴、导流体组成。主轴通过螺纹连接固定在工具内部，主轴外轮廓的上端焊接有固定的导流叶片；主轴外轮廓的中间位置安装了转子，转子是由永磁体构成，并且其外轮廓也焊接有叶片；主轴外轮廓的下端有四个圆周方向等间距分布的圆形流道与主轴内流道连通；主轴内部安装有该装置所需要的的全部电子元件，并且下部有电路板密封盖。导流体与主轴通过螺纹连接，其内部开有主流道；导流体装有伺服电机，伺服电机的轴上装有小齿轮；小齿轮和导流体上的大齿轮啮合，大齿轮和转阀焊接在一起，大齿轮转动使转阀旋转，导流体下端开有三个圆周方向等间距分布的侧流道，为推块的动力流道，转阀旋转会打开和关闭导流体和外壳的动力流道，对流道进行切换，实现推块的伸出和缩回。旋转阀体的整体为环形圆柱结构，外部开有流通槽和泄压槽，流通槽实现内外流道连通，泄压槽实现外围上下流道连通。推块为实现周期性的向墙壁目标点撞击，外壳内部应设有沿周向均匀分布的三个动力流道和六个泄压流道。推块为了快速缩回，在其内部还应设有弹簧，在弹力的作用下加速缩回。

附图说明：

图1是实施例一的结构示意图；

图2是实施例一中主轴的结构示意图；

图3是实施例一中推块的结构示意图；

图4是实施例一中转阀的结构示意图

图5是实施例一中转阀的立体结构示意图；

图6是实施例一中推块推动前的位置示意图

图7是实施例一中推块推动过程中的位置示意图；

图8是实施例一中泄压孔导通后的示意图。

具体实施方式：

实施例一

参照各图，一种推靠式旋转导向工具，所述导向工具主要由动力系统、传动系统、执行系统和控制系统；所述动力系统包括主轴8、定子9和转子10，定子9安装于主轴8内部，转子10安装于主轴8外部，主轴8安装于外壳2内，外壳2顶端与上接头1螺纹连接，所述主轴8上部焊接有导流叶片，所述转子10外部焊接有叶片；所述传动系统包括伺服电机11、小齿轮12、大齿轮6、转阀7和导流体5，所述伺服电机11与小齿轮12连接，小齿轮12与导流体5上的大齿轮6啮合，转阀7与大齿轮6焊接，导流体5与主轴8螺纹连接；所述执行系统包括推块14、弹簧15和密封端盖13，推块14安装在外壳2的安装孔内，弹簧15套装在推块14上，推块14外部安装有密封端盖13，推块14的外圆周上设有对称分布的泄压孔17，泄压孔17内安装有单向阀16，所述的转阀7外部开有用于内外流通的流通槽和用于外围上下流通的泄压槽；所述控制系统包括集成在电路集成板3上的整流稳压电路、姿态测量传感器、方位伽马传感器、电机驱动板和主控制器，电路集成板3安装于主轴8内，并通过密封盖4密封，电路集成板3与伺服电机11电连接；所述推块14是数量为三个，分别安装于外壳2上圆周均布的三个动力流道内；所述主轴8上的导流叶片为顺时针方向，所述转子10上的叶片为逆时针方向。

图1为整个工具的剖面图，上接头和外壳螺纹连接。中轴内有定子，电路集成板，外有转子，实现发电和控制；导流体设有伺服电机，伺服电机和小齿轮固连，大齿轮和转阀固连，小齿轮和大齿轮啮合，能使转阀旋转；外壳上嵌入推块，推块和密封盖之间有弹簧、泄压孔内有单向阀，能实现推块推靠和缩回的功能。

图2为发电系统和控制系统的剖面图，发电系统原理：主轴上端有固定的导向叶片，中间位置有可旋转的转子，转子是由永磁体和叶片构成；主轴内部有定子和电路集成板，并用密封盖密封，定子的圆柱面绕有线圈。当环空流体流到主轴的导向叶片时，导向叶片固定不动，流体流向会发生改变，进而有利于推动下方转子的叶片使转子开始旋转，带有永磁的转子转动会产生变化的磁场，使内部绕有线圈的定子产生电能，传输给控制系统。控制系统原理：首先通过整流稳压电路，将定子产生的交流电能转换为直流电能供其他电子元件使用；姿态测量传感器、方位伽马传感器收集工具当前的位置信息，主控制器通过对位置信息进行分析处理，进而将输出信号发送给电机驱动板，从而控制电机的转动。

图3为传动系统和执行系统的剖面图，传动系统原理：电机带动小齿轮，小齿轮和大齿轮啮合，大齿轮带动转阀转动，可以实现配流功能。执行系统原理：当转阀的流通槽旋转到推块对应的位置时，导流管内的流体和工具外部的流体存在压力差，内部流体通过流通槽对推块产生作用力，实现推靠墙壁的功能。当转阀的泄压槽旋转到推块对应位置时，推块后部的高压积水与外壳体上的泄压孔连通，在内外压力差和弹簧弹力的共同作用下，推块缩回。

图4和图5为转阀的具体结构示意图，整体为环形圆柱结构，外部开有流通槽和泄压槽，流通槽实现内外流道连通，泄压槽实现外围上下流道连通。

图6-图8为推块运动过程示意图，状态1：在旋转钻井过程中，首先转阀的泄压槽对应各个推块，在弹簧的作用下推块均处于缩回状态，且内部流体向下正常流动。状态2：当需要进行导向的时候，转阀旋转，其流通槽旋转到推块对应位置，内部流体可通过转阀的流通槽流至推块后部，在内外流体压力差的作用下，为推块提供推力，实现推块伸出向墙壁推靠。状态3：由于此时钻具在旋转，推块推靠后应立即缩回，故转阀会继续旋转，转至其泄压槽到推块对应位置，此时推块后部的高压积水通过外壳上的泄压孔与外流体连通，在弹簧和流体压力差的作用下，推块缩回。完成1次推靠。由于圆周方向上均布3个推块，因此状态2和状态3应循环3次，从而实现工具旋转1圈推靠3次，以改变钻头方向，最终实现工具旋转状态下的导向功能。

Claims (3)

1.一种推靠式旋转导向工具，其特征在于：所述导向工具主要由动力系统、传动系统、执行系统和控制系统；所述动力系统包括主轴（8）、定子（9）和转子（10），定子（9）安装于主轴（8）内部，转子（10）安装于主轴（8）外部，主轴（8）安装于外壳（2）内，外壳（2）顶端与上接头（1）螺纹连接，所述主轴（8）上部焊接有导流叶片，所述转子（10）外部焊接有叶片；所述传动系统包括伺服电机（11）、小齿轮（12）、大齿轮（6）、转阀（7）和导流体（5），所述伺服电机（11）与小齿轮（12）连接，小齿轮（12）与导流体（5）上的大齿轮（6）啮合，转阀（7）与大齿轮（6）焊接，导流体（5）与主轴（8）螺纹连接；所述执行系统包括推块（14）、弹簧（15）和密封端盖（13），推块（14）安装在外壳（2）的安装孔内，弹簧（15）套装在推块（14）上，推块（14）外部安装有密封端盖（13），推块（14）的外圆周上设有对称分布的泄压孔（17），泄压孔（17）内安装有单向阀（16），所述的转阀（7） 外部开有用于内外流通的流通槽和用于外围上下流通的泄压槽；所述控制系统包括集成在电路集成板（3）上的整流稳压电路、姿态测量传感器、方位伽马传感器、电机驱动板和主控制器，电路集成板（3）安装于主轴（8）内，并通过密封盖（4）密封，电路集成板（3）与伺服电机（11）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种推靠式旋转导向工具，其特征在于：所述推块（14）是数量为三个，分别安装于外壳（2）上圆周均布的三个动力流道内。

3.根据权利要求1所述的一种推靠式旋转导向工具，其特征在于：所述主轴（8）上的导流叶片为顺时针方向，所述转子（10）上的叶片为逆时针方向。

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