CN113756717A - 一种旋转导向装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种旋转导向装置，属于随钻测控技术领域，包括导向翼肋，所述导向翼肋构造成能够沿斜向方向支出并推靠井壁；连接所述导向翼肋的旋转导向头短节，所述旋转导向头短节内设置有控制电路，所述控制电路向所述导向翼肋发出控制指令控制其支出；以及通过线缆连接所述旋转导向头短节的测传短节，所述测传短节检测系统姿态参数；其中，所述测传短节将检测的系统姿态参数通过线缆传递至所述旋转导向头短节，所述控制电路根据所述井下位置信息和系统姿态参数控制所述导向翼肋顺序支出。

Description

一种旋转导向装置

技术领域

本发明涉及一种旋转导向装置，尤其是消除磁干扰的旋转导向装置，属于随钻测控技术领域。

背景技术

旋转导向钻井系统是20世纪90年代初期发展起来的一项尖端自动化钻井新技术，它的出现引起了一场定向钻井技术的革命，由于旋转导向钻井系统与滑动导向钻井系统相比，不但具有在旋转钻井的过程中任意调整井斜和方位的能力，而且具有磨阻与扭阻小、钻速高、建井周期短、井眼轨迹平滑易调控等诸多优点，所以为开发薄油藏，钻大位移井、长水平井、多分枝井等高难度特殊工艺井提供了有效解决途径。国外从80年代末期开始进行旋转自动导向钻井系统的理论研究，近20年来，国外在这一领域内的研究已日趋成熟，许多石油公司已形成了多种具有商业化应用价值的旋转导向钻井系统，取得了巨大的经济效益和社会效益，为钻井技术的发展带来了一次质的飞跃。

旋转导向系统的测控机构主要为两种：稳定式和捷联式。

稳定式是指在旋转导向系统中有一个相对应钻柱旋转而处于静止状态的稳定测控平台，使其测量、控制处于相对稳定状态。因此，其控制运算简单，比较适合复杂井下工况的需要。然而稳定测控平台会以一定转速差随钻杆转动，且由于其离钻头很近，将直接承受钻头破岩所产生的强烈振动及钻柱的横向振动，因此加速度计的输出信号不可避免地混杂大量的干扰信号。显然，这种状态下的井斜测量与静止状态下的测量有着很大差异。如果处理不好，就会使纠斜系统产生误动作，严重影响纠斜效果。

捷联式旋转导向系统不需要稳定平台，而是靠高灵敏度、高测量带宽的传感器配合控制运算实现测控功能。目前加拿大Precision公司开发的RevolutionTM系统采用捷联式，它的控制系统与钻柱连接，并随钻柱旋转，由位于旋转心轴上的外筒位置传感器和转动加速度计测量心轴旋转波形和外筒位置变化波形。经过比较运算计算出控制参数，并发出控制指令。然而这种模式的控制算法复杂，并且不适合井下工况。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种旋转导向装置，实现在旋转状态下旋转导向系统姿态参数的准确测量，并与旋转导向系统控制电路通信，保证旋转导向系统正常、准确的工作提供技术支撑。

本发明提出了一种旋转导向装置，包括：

导向翼肋，所述导向翼肋构造成能够沿斜向方向支出并推靠井壁；

连接所述导向翼肋的旋转导向头短节，所述旋转导向头短节内设置有控制电路，所述控制电路向所述导向翼肋发出控制指令控制其支出；以及

通过线缆连接所述旋转导向头短节的测传短节，所述测传短节检测系统姿态参数；

其中，所述测传短节将检测的系统姿态参数通过线缆传递至所述旋转导向头短节，所述控制电路根据所述井下位置信息和系统姿态参数控制所述导向翼肋顺序支出。

本发明的进一步改进在于，所述测传短节包括无磁钻铤，所述无磁钻铤内设置有检测系统姿态参数的旋转导向测量模块和检测井下位置信息的MWD无线随钻传输仪器。

本发明的进一步改进在于，所述旋转导向测量模块包括骨架，所述骨架上设置有高速两轴磁力计，用以测量井下位置的地磁参数；三轴加速计，用以测量井下位置的重力参数；高速测控电路，用以将所述地磁参数和重力参数进行处理并通过所述线缆传递给所述控制电路。

本发明的进一步改进在于，所述MWD无线随钻传输仪器连接有驱动脉冲发生器，所述驱动脉冲发生器将所述MWD无线随钻传输仪器检测的井下位置信息转化为泥浆脉冲信号传输到地面。

本发明的进一步改进在于，所述测传短节上设置有加长杆。

本发明的进一步改进在于，所述测传短节的下游设置有发电机短节，所述发电机短节通过钻井液发电并为所述测传短节、旋转导向短节和导向翼肋供电。

本发明的进一步改进在于，所述发电机短节包括设置在外部的钻铤，所述钻铤内设置有涡轮组件和电机组件；

所述涡轮组件包括引入钻井液的导轮以及随钻井液旋转的涡轮叶片，所述涡轮叶片带动所述电机组件的转子旋转从而发电。

本发明的进一步改进在于，所述侧传短节与所述旋转导向头短节之间设置有通信螺杆，所述通信螺杆包括螺杆本体和设置在所述螺杆本体内的转子，所述螺杆本体上设置有穿过所述线缆的槽孔。

本发明的进一步改进在于，所述旋转导向头短节包括筒形的外壳，所述外壳内同轴设置有旋转导向头芯轴；

所述外壳和所述旋转导向头芯轴之间设置所述控制电路以及供电电池。

本发明的进一步改进在于，所述导向翼肋包括若干均匀布置在钻柱周向上的导向翼肋单元，每个所述导向翼肋单元由一个独立的液压机构提供支出的动力。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的一种旋转导向装置，实现在旋转状态下旋转导向系统姿态参数的准确测量，并与旋转导向系统控制电路通信，保证旋转导向系统正常、准确的工作提供技术支撑。

本发明的一种旋转导向装置，通过把旋转导向测量模块安装在无磁钻铤中，消除磁干扰，实现了旋转导向系统姿态参数的准确测量，并传递给旋转导向系统控制电路，保证旋转导向系统正常、准确的工作。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1所示为本发明的一个实施例的旋转导向装置的结构示意图；

图2所示为本发明的一个实施例的测传短节的结构示意图，显示了外部无磁钻铤的结构；

图3所示为本发明的一个实施例的测传短节的结构示意图，显示了内部的结构；

图4所示为本发明的一个实施例的旋转导向头短节的结构示意图。

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下：1、导向翼肋，2、旋转导向头短节，3、测传短节，4、发电机短节，5、通信螺杆，11、无磁钻铤，12、旋转导向测量模块，13、MWD无线随钻传输仪器，14、加长杆，21、外壳，22、旋转导向头芯轴，23、控制电路，24、供电电池，51、线缆。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的一种旋转导向装置，包括导向翼肋1，所述导向翼肋1造成能够沿斜向方向支出并推靠井壁。所述导向翼肋1的上游连接有旋转导向短节，旋转导向头短节2内设置有控制电路23，所述控制电路23向所述导向翼肋1发出控制指令控制其支出。本实施例所述的旋转导向装置还包括测传短节3，所述测传短节3检测系统姿态参数，并且通过线缆51连接旋转导向头短节2。

在使用根据本实施例所述的旋转导向装置时，所述测传短节3将检测的系统姿态参数通过线缆51传递至所述旋转导向头短节2，所述控制电路23根据所述井下位置信息和系统姿态参数控制所述导向翼肋1顺序支出。

在一个实施例中，所述测传短节3包括无磁钻铤11，所述无磁钻铤11为管状的结构，其内部设置旋转导向测量模块12和MWD无线随钻传输仪器13。旋转导向测量模块12用于测量系统姿态参数，系统姿态参数反应了整个旋转导向装置的摆放状态，其包括倾斜角度等参数。MWD无线随钻传输仪器13用于检测井下位置信息，井下位置信息反应了井下的环境状态，根据井下位置信息可以计算出井斜、方位、工具面等数据。

在一个优选的实施例中，所述旋转导向测量模块12包括骨架，所述骨架上设置有高速两轴磁力计，用以测量井下位置的地磁参数；三轴加速计，用以测量井下位置的重力参数；高速测控电路，用以将所述地磁参数和重力参数进行处理并通过所述线缆51传递给所述控制电路23。

由于本申请的旋转导向装置的工作状态的特殊性，传统的测量控制方式效果不佳。在根据本实施例所述的旋转导向装置中，选用由一个高速两轴磁力计、三轴加速计、高速测控电路和骨架组成。利用高速两轴磁力计测量地磁信息计算得出工具面旋转位置。由于测传短节3安装在钻柱上，钻头由钻柱和井下专用螺杆共同来驱动。测量过程中，钻柱转速较低，因此利用磁性工具面可以满足控制要求，并且由于测量工具面角的速度快，底部钻具组合旋转对其不会产生影响。高速测控电路包括高速数据采集器和微控制器。旋转导向测量模块12测量的地磁参数和重力参数经过信号前级整形、放大，直接进入高速数据采集器，经由微控制器数字处理完成系统工具姿态参数的测量，并将当前测量到的工具姿态参数按要求时序放到线缆51上，供控制电路23使用。旋转导向测量模块12的测量对旋转导向井下工具系统的控制精度有很大影响，它是采用模块化设计、数字接口，直接与控制电路23通过总线方式进行数据交换，其特点是性能稳定、处理速度快，外围电路及接口电路简单。

在一个实施例中，所述MWD无线随钻传输仪器13连接有驱动脉冲发生器，所述驱动脉冲发生器将所述MWD无线随钻传输仪器13检测的井下位置信息转化为泥浆脉冲信号传输到地面。地面的工作人员通过计算机根据译码规则将井下位置信息转换成井斜，方位，工具面等数据，给定向工程师提供实时可靠的井下数据，以指导钻井工作。

在一个优选的实施例中，所述测传短节3上设置有加长杆14。加长杆14可以根据仪器长度与无磁钻铤11的对比控制可伸缩的长度，保证与下游组件(本实施例中为发电机短节4)的可靠连接。

在一个实施例中，所述测传短节3的下游设置有发电机短节4，所述发电机短节4通过钻井液发电并为所述测传短节3、旋转导向短节和导向翼肋1供电。

优选地，所述发电机短节4包括设置在外部的钻铤，所述钻铤内设置有涡轮组件和电机组件。涡轮组件是用于引入钻井液并随钻井液旋转的组件，电机组件是通过旋转而将机械能转化为电能的组件。其中，所述涡轮组件包括导轮和涡轮叶片。导轮设置在前端，用于引入钻井液，涡轮叶片连接所述电机组件并能够随钻井液流动而旋转。电机组件包括磁性装置、线圈和转子，转子连接所述涡轮叶片并随涡轮叶片一同旋转。转子旋转时带动线圈切割磁性装置的磁力线，从而产生电流。

在根据本实施例所述的旋转导向装置中，钻井时，涡轮组件前部的固定导轮调整高速钻井液流向，使钻井液有效冲击涡轮叶片旋转，叶片吸收了钻井液动能，将其转换成驱动涡轮旋转的机械能，带动涡轮轴旋转，涡轮轴增速后带动发电机转子旋转。由于发电机旋转轴外部安装绕组线圈，在磁场作用下，线圈切割磁力线产生了电流，从而保证旋转导向系统工作时的能量要求。由于井下发电机处于高电磁负荷状态，工作于高温、高压和强振动环境，受钻井液流量变化的影响，发电机转速变化范围很宽，对输出电压和功率的要求严格。

在一个实施例中，所述侧传短节与所述旋转导向头短节2之间设置有通信螺杆5，通信螺杆5为圆筒形的结构，其管壁上设置有安装所述线缆51的槽孔。优选地，通信螺杆5的圆筒形的螺杆本体下端部的管壁上设置有凹槽，凹槽外部与密封盖板相连。螺杆本体上部的外表面上设置有沟槽，沟槽内布好线缆51并用用耐磨防水胶填平，这样沟槽形成所述槽孔。旋转导向测量模块12的测量信号通过线缆51传递给旋转导向头短节2的控制电路23中。另外，旋转导向头短节2和通信螺杆5相配合的方式相连，因此为在大位移井、长水平段水平井等复杂结构井的应用提供了更加可靠的动力，实现双动力驱动模式。

在一个实施例中，所述旋转导向头短节2包括筒形的外壳21，所述外壳21内同轴设置有旋转导向头芯轴22。外壳21和旋转头芯轴之间形成环形的空间，所述控制电路23设置在所述环形空间内。在环形空间内还设置有供电电池24，其能够对控制电路23和导向翼肋1供电。在本实施例中，旋转导向头心轴通过一个万向轴与通信螺杆5的转子相连，外壳21与通信螺杆5的螺杆本体相连并由地面动力系统。

在一个实施例中，所述导向翼肋1包括若干均匀布置在钻柱周向上的导向翼肋单元，每个所述导向翼肋单元由一个独立的液压机构提供支出的动力。

在根据本实施例所述的旋转导向装置中，导向翼肋1是旋转导向系统的执行机构，主要由导向翼肋单元、内部液压控制系统及电子控制机构组成。在本实施例中，沿钻柱周向上设置3个导向翼肋单元，每个导向翼肋单元由独立的液压活塞提供动力支出，导向翼肋1距钻头约1.2m。导向翼肋1接受来自控制电路23的指令，控制导向翼肋1顺序支出推靠井壁，使钻头产生侧向力而实现造斜。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋转导向装置，其特征在于，包括：

导向翼肋(1)，所述导向翼肋(1)构造成能够沿斜向方向支出并推靠井壁；

连接所述导向翼肋(1)的旋转导向头短节(2)，所述旋转导向头短节(2)内设置有控制电路(23)，所述控制电路(23)向所述导向翼肋(1)发出控制指令控制其支出；以及

通过线缆(51)连接所述旋转导向头短节(2)的测传短节(3)，所述测传短节(3)检测系统姿态参数；

其中，所述测传短节(3)将检测的系统姿态参数通过线缆(51)传递至所述旋转导向头短节(2)，所述控制电路(23)根据所述井下位置信息和系统姿态参数控制所述导向翼肋(1)顺序支出。

2.根据权利要求1所述的旋转导向装置，其特征在于，所述测传短节(3)包括无磁钻铤(11)，所述无磁钻铤(11)内设置有检测系统姿态参数的旋转导向测量模块(12)和检测井下位置信息的MWD无线随钻传输仪器(13)。

3.根据权利要求2所述的旋转导向装置，其特征在于，所述旋转导向测量模块(12)包括骨架，所述骨架上设置有高速两轴磁力计，用以测量井下位置的地磁参数；三轴加速计，用以测量井下位置的重力参数；高速测控电路，用以将所述地磁参数和重力参数进行处理并通过所述线缆(51)传递给所述控制电路(23)。

4.根据权利要求2或3所述的旋转导向装置，其特征在于，所述MWD无线随钻传输仪器(13)连接有驱动脉冲发生器，所述驱动脉冲发生器将所述MWD无线随钻传输仪器(13)检测的井下位置信息转化为泥浆脉冲信号传输到地面。

5.根据权利要求4所述的旋转导向装置，其特征在于，所述测传短节(3)上设置有加长杆(14)。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的旋转导向装置，其特征在于，所述测传短节(3)的下游设置有发电机短节(4)，所述发电机短节(4)通过钻井液发电并为所述测传短节(3)、旋转导向短节和导向翼肋(1)供电。

7.根据权利要求6所述的旋转导向装置，其特征在于，所述发电机短节(4)包括设置在外部的钻铤，所述钻铤内设置有涡轮组件和电机组件；

所述涡轮组件包括引入钻井液的导轮以及随钻井液旋转的涡轮叶片，所述涡轮叶片带动所述电机组件的转子旋转从而发电。

8.根据权利要求7所述的旋转导向装置，其特征在于，所述侧传短节与所述旋转导向头短节(2)之间设置有通信螺杆(5)，所述通信螺杆(5)包括螺杆本体和设置在所述螺杆本体内的转子，所述螺杆本体上设置有穿过所述线缆(51)的槽孔。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的旋转导向装置，其特征在于，所述旋转导向头短节(2)包括筒形的外壳(21)，所述外壳(21)内同轴设置有旋转导向头芯轴(22)；

所述外壳(21)和所述旋转导向头芯轴(22)之间设置所述控制电路(23)以及供电电池(24)。

10.根据权利要求9所述的旋转导向装置，其特征在于，所述导向翼肋(1)包括若干均匀布置在钻柱周向上的导向翼肋单元，每个所述导向翼肋单元由一个独立的液压机构提供支出的动力。

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