CN115726688B - 一种用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性钻具技术领域，具体涉及一种用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置，钻进轨迹保持装置包括上壳体、下壳体、将上壳体与下壳体铰接的铰接杆、传动轴组件和补正机构。传动轴组件贯穿上壳体和下壳体，并与柔性钻具连接，传动轴组件上环绕设置有永磁铁；补正机构位于上壳体内，至少两个补正机构环绕传动轴组件设置，并与铰接杆铰接；铰接杆能够带动补正机构沿第一方向移动，补正机构切割永磁铁的磁感线产生电流，以使补正机构沿第一方向的反方向移动。通过柔性钻具的转动产生旋转磁场，通过铰接杆的摆动使补正机构进入旋转磁场切割磁感线产生电流，进而使补正机构能够对铰接杆的摆动角度进行纠正。

Description

一种用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置

技术领域

本发明涉及钻具技术领域，具体涉及一种用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置。

背景技术

在石油、天然气、煤层气、天然气水合物、稀有矿产资源开采中，应用超短半径水平井钻井技术可大幅提高单一井筒内分支井布井密度，提高单井产量、采收率、储层钻遇率和动用度，降低成本，提供新的技术途径，在低渗储层、薄油层、稠油等油气藏开发领域有巨大应用前景。

另一方面，由于超短半径水平井钻进为满足较小的曲率半径多采用多节短节连接而成的柔性或半柔性钻具，导致水平段内钻柱整体性较差，不能按照预定轨迹钻进，即难以保持直线钻进。而且受重力影响，柔性钻具在水平段钻进中钻进轨迹天然向下倾斜。

在这种条件下，为了克服超短半径水平钻进中轨迹不可控，亟需研制一种在钻进过程中可以自行调整钻头方向的辅助装置，并安装在接近钻头的位置，以使钻头能够在钻进过程中不断地修正钻进方向，保证钻进轨迹接近于直线。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点和不足，本发明提供一种用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置，其解决了柔性钻具钻进过程中易偏离直线钻进轨迹的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明的用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置包括：

上壳体、下壳体以及将所述上壳体与所述下壳体铰接的铰接杆；

传动轴组件，所述传动轴组件贯穿所述上壳体和所述下壳体，并与所述柔性钻具连接，所述传动轴组件上环绕设置有永磁铁；

补正机构，位于所述上壳体内，至少两个所述补正机构环绕所述传动轴组件设置，并与所述铰接杆铰接；

所述铰接杆能够带动所述补正机构沿第一方向移动，所述补正机构切割所述永磁铁的磁感线产生电流，以使所述补正机构沿所述第一方向的反方向移动。

可选地，所述补正机构包括安装条、驱动组件、感应线圈绕组和隔水套；

所述安装条与所述铰接杆铰接，所述驱动组件与所述安装条传动连接；

所述感应线圈绕组设置于所述安装条上，并与所述驱动组件电连接；

所述隔水套固定于所述上壳体的内壁，所述安装条穿设于所述隔水套内并与所述隔水套滑动连接。

可选地，所述隔水套上设置有滑槽，所述安装条与所述隔水套通过所述滑槽滑动连接。

可选地，所述驱动组件包括驱动单元、齿轮和齿条；

所述驱动单元的输出轴与所述齿轮连接；

所述齿条设置于所述安装条上，所述齿轮与所述齿条啮合传动。

可选地，所述补正机构还包括控制器；

所述控制器与所述上壳体连接，所述感应线圈绕组和所述驱动组件分别与所述控制器电连接。

可选地，所述铰接杆包括同轴设置的球头杆和连接杆；

所述球头杆设置于所述上壳体内，并与所述安装条铰接；所述连接杆的一端与所述球头杆连接，另一端与所述下壳体连接。

可选地，所述铰接杆内开设有一通孔，所述通孔与所述球头杆同轴，所述传动轴组件贯穿所述通孔。

可选地，所述传动轴组件包括依次连接的上芯轴、联轴器和下芯轴；

所述上芯轴设置于所述上壳体内，所述联轴器贯穿所述通孔，所述下芯轴设置于所述下壳体内。

可选地，所述球头杆上设置有密封圈，所述密封圈与所述上壳体的内壁抵接。

可选地，所述球头杆上开设有限位槽；

所述密封圈设置于所述限位槽与所述上壳体的内壁之间；

所述密封圈能够在所述限位槽内滑动。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：传动轴组件上环绕设置有永磁铁。传动轴组件能够随柔性钻头同步转动，从而使上壳体内形成旋转磁场。补正机构环绕传动轴组件设置，并与铰接杆铰接。铰接杆的摆动能够带动补正机构沿第一方向移动，从而使补正机构切割磁感线产生电流，电流再作用于补正机构，使补正机构能够驱动铰接杆沿第一方向的反方向移动，从而对铰接杆的摆动角度进行纠正，使上壳体和下壳体的轴线基本保持在同一直线上，从而使钻进轨迹保持装置在柔性钻具钻进的过程中始终保持直线钻进。

本发明的钻进轨迹保持装置能够通过柔性钻具的转动产生旋转磁场，通过转动过程中铰接杆的摆动使补正机构进入旋转磁场切割磁感线产生电流，进而使补正机构能够对铰接杆的摆动角度进行纠正。整个纠正过程中无需通入外部电流，利用磁生电原理能够自行生电，降低了钻进轨迹的纠正成本，也方便于上壳体内电线的布置。

附图说明

图1为本发明的用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置的结构示意图；

图2为本发明的用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置水平钻进时的结构示意图；

图3为本发明的补正机构的结构示意图。

【附图标记说明】

1：上壳体；2：上芯轴；3：控制器；4：铰接杆；41：通孔；42：限位槽；5：下壳体；6：联轴器；7：下芯轴；8：感应线圈绕组；9：永磁铁；10：齿轮；11：驱动单元；12：安装条；13：隔水套；14：密封圈。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接；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，除非另有明确的限定。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。

参见图1，本实施例提供一种用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置，其包括上壳体1、下壳体5以及将上壳体1与下壳体5铰接的铰接杆4、传动轴组件和补正机构。上壳体1和下壳体5的外形可以是长方体、圆柱体等形状，在本实施方式中为圆柱体形状，内部具有空腔，用于放置下面所涉相应部件；传动轴组件贯穿上壳体1和下壳体5，并与柔性钻具连接，传动轴组件上环绕设置有永磁铁9；补正机构位于上壳体1内，至少两个补正机构环绕传动轴组件设置，并与铰接杆4铰接；铰接杆4能够带动补正机构沿第一方向移动，补正机构切割永磁铁9的磁感线(磁力线)产生电流，以使补正机构沿第一方向的反方向移动。第一方向是指与上壳体1的轴线(或上芯轴2的轴线)平行，且远离铰接杆4的方向。

传动轴组件上环绕设置有永磁铁9。传动轴组件能够随柔性钻头同步转动，从而使上壳体1内形成旋转磁场。补正机构环绕传动轴组件设置，并与铰接杆4铰接。铰接杆4的摆动能够带动补正机构沿第一方向移动，从而使补正机构切割磁感线产生电流，电流再作用于补正机构，使补正机构能够驱动铰接杆4沿第一方向的反方向移动，从而对铰接杆4的摆动角度进行纠正，使上壳体1和下壳体5的轴线基本保持在同一直线上，从而使钻进轨迹保持装置在柔性钻具钻进的过程中始终保持直线钻进。

本实施例的钻进轨迹保持装置能够通过柔性钻具的转动产生旋转磁场，通过转动过程中铰接杆4的摆动使补正机构进入旋转磁场切割磁感线产生电流，进而使补正机构能够对铰接杆4的摆动角度进行纠正。整个纠正过程中无需通入外部电流，利用磁生电原理能够自行生电，降低了钻进轨迹的纠正成本。同时，也方便于上壳体1内电线的布置；传统电线的布置方式是从柔性钻具开始布线，最终将电线与补正机构电连接，需布置的电线长度较长，不利于布线，而本实施例只需要在上壳体1内布线即可。

柔性钻具包括马达和柔性钻头；柔性钻头设置于马达的输出轴上。上壳体1与马达的壳体固定连接，上芯轴2与马达的输出轴连接，下芯轴7和下壳体5均与柔性钻头连接。本申请的钻进轨迹保持装置可以视为一个辅助装置，能够纠正柔性钻具钻进过程中因岩层的反作用力而发生的偏移角度，使柔性钻具能够保持直线钻进，从而按预设路径钻进，提高钻进精度。

如图2和图3所示，补正机构包括安装条12、驱动组件、感应线圈绕组8和隔水套13；安装条12与铰接杆4铰接，驱动组件与安装条12传动连接；感应线圈绕组8设置于安装条12上，并与驱动组件电连接；隔水套13固定于上壳体1的内壁，安装条12穿设于隔水套13内并与隔水套13滑动连接。隔水套13既能够起到防水作用，又能够对安装条12进行限位和支撑。在本实施方式中，感应线圈绕组8的设置数量和永磁铁9的数量相对应，均设置有四个，四块永磁体9均匀镶嵌在上壳体1的外表面上且处于同一横截面内，在柔性钻具钻进时，传动轴组件同步转动，从而带动四块永磁体9同步转动，进而产生旋转磁场。四个感应线圈绕组8设置于对应的安装条12上，能够进入磁场切割磁感线而产生电流。

具体地，图2所示的状态为水平钻进时的理想直线钻进状态，此状态下未产生偏移角度，驱动组件未进入永磁铁9的磁场范围，驱动组件不工作。但由于在钻进过程中柔性钻头会受岩层的外作用力而发生一定的偏移角度，即图1所示的下壳体5的偏移状态，此状态下下壳体5的轴线偏移上壳体1的轴线，从而形成一定的偏移角度。当下壳体5偏移摆动时，与下壳体5固定连接的铰接杆4能够同步摆动，从而带动安装条12朝第一方向移动，进而带动感应线圈绕组8朝第一方向移动；当感应线圈绕组8移动至旋转磁场的磁场范围内时，感应线圈绕组8开始切割磁感线产生电流，并将电流传输至驱动组件，为驱动组件提供电力，驱动组件进而能够驱动安装条12朝第一方向的反方向移动，直至感应线圈绕组8脱离旋转磁场的磁场范围，感应线圈绕组8不再产生电流，驱动组件断电停止工作，铰接杆4被重新摆正，下壳体5的偏移角度被纠正回预设钻进的偏移角度公差范围内，最终能够使柔性钻具的钻进轨迹保持直线轨迹，有效地避免了柔性钻具在钻进过程中偏离预设钻进路径的情形。其中，预设钻进的偏移角度公差为直线钻进过程中允许存在的公差，这个预设公差与感应线圈绕组8和永磁铁9的安装位置相关，感应线圈绕组8能够更快地进入旋转磁场切割磁感线，就能够更快地纠正下壳体5的偏移角度，柔性钻具钻进的精度就更高，可根据实际需求对感应线圈绕组8和永磁铁9的安装位置进行设置。

进一步地，隔水套13上设置有滑槽，安装条12与隔水套13通过滑槽滑动连接。可选地，隔水套13与安装条12的滑动结构可以设置为T形滑动结构，即隔水套13内开设有T形槽，安装条12上设置有T形滑块，从而实现隔水套13对安装条12的支撑和限位，以使安装条12能够沿第一方向或第一方向的反方向移动。

其次，驱动组件包括驱动单元11、齿轮10和齿条；驱动单元11的输出轴与齿轮10连接；齿条设置于安装条12上，齿轮10与齿条啮合传动。具体地，驱动单元11可以选用伺服电机，驱动单元11可以通过其他连接件与上壳体1的内壁固定连接，只要能够将驱动组件固定即可。齿条和安装条12可以一体化设置，也可以将齿条和安装条12固定连接。

另外，补正机构还包括控制器3；控制器3与上壳体1连接，感应线圈绕组8和驱动组件分别与控制器3电连接。感应线圈绕组8切割磁感线产生电流后，电流传输至控制器3，控制器3能够对电流进行整流，整流再输送至驱动单元11。控制器3的数量可以根据实际需求进行设置，本实施方式中共设置有四个控制器3，控制器3分别对应于第一方向上的感应线圈绕组8和驱动单元11电连接，这种一一对应的电连接方式的电线布置更加简单和方便。同时，单个控制器3控制单个驱动单元11的实施方式，也能够简化控制器3的控制方式，例如一半的驱动组件的齿轮10通电时只进行顺时针转动，断电时配合齿条逆时针转动；另一半的驱动组件的齿轮10通电时只进行逆时针转动，断电时配合齿条顺时针转动。如此无需通过单个控制器3控制单个驱动单元11的正转和反转，只需控制正转或反转其中之一即可，从而简化了控制器3的电路控制，降低了控制器3的配置要求。对于控制器3具体的电路控制方式，为现有技术，本发明不做过多说明。

进一步地，铰接杆4包括同轴设置的球头杆和连接杆；球头杆设置于上壳体1内，并与安装条12铰接；连接杆的一端与球头杆连接，另一端与下壳体5连接。上壳体1和下壳体5通过铰接杆4连接形成铰接结构，使得上壳体1和下壳体5可以在一定程度上弯曲，以通过较小曲率半径的弯曲井眼。此外，如图1和图2所示，上壳体1在靠近下壳体5的一端设置有翻边，翻边能够对球头杆进行限位，以防止球头杆脱离上壳体1。球头杆与安装条12铰接，并通过隔水套13对安装条12的限位作用，能够将球头杆的摆动转化为安装条12的直线运动。连接杆可以直接与下壳体5的端面固定连接，也可以将下壳体5套设在连接杆外。

其次，铰接杆4内开设有一通孔41，通孔41与球头杆同轴，传动轴组件贯穿通孔41。在本实施方式中，上壳体1、下壳体5、上芯轴2和下芯轴7均同轴设置，这样设置能够统一各感应线圈绕组8产生的电流大小，便于对下壳体5偏转角度的纠正。

另外，传动轴组件包括依次连接的上芯轴2、联轴器6和下芯轴7；上芯轴2设置于上壳体1内，联轴器6贯穿通孔41，下芯轴7设置于下壳体5内。联轴器6的设置可以将传动轴组件视为万向轴，使得传动轴组件在弯曲钻进时也可以进行动力的传递。更具体地，下芯轴7与柔性钻头的主轴节的输入端连接，下壳体5与柔性钻头的主轴节的外壳连接。

需要说明的是，柔性钻具可以进行弯曲钻进，例如从垂直钻进转变为水平钻进，在这个过程中补正机构不工作，可通过控制器3根据预设钻进路径对补正机构进行控制。本实施例的钻进轨迹保持装置主要是应用于直线钻进时的路径保持，避免柔性钻具在钻进过程中偏离直线钻进路径。尤其对于水平钻进路径时，柔性钻具因自身重力的原因，有天然向下倾斜钻进的趋势，本实施例的钻进轨迹保持装置能够及时地纠正柔性钻头(或下壳体5)的偏移角度，通过钻进轨迹保持装置的频繁工作使柔性钻头(或下壳体5)不断弯曲复直，使钻进轨迹得到修正并保持接近水平状态，提高钻进精度。

进一步地，球头杆上设置有密封圈14，密封圈14与上壳体1的内壁抵接。密封圈14能够起到防水作用，与隔水套13形成两层防水结构，进一步减少钻进过程中进入上壳体1内部的水量，有效地保护了补正机构等电路设备，延长了使用寿命。

其次，球头杆上开设有限位槽42；密封圈14设置于限位槽42与上壳体1的内壁之间；密封圈14能够在限位槽42内滑动。具体地，密封圈14与上壳体1的内壁固定连接，限位槽42为一环形凹槽，球头杆能够通过限位槽42摆动一定角度，摆动角度与环形凹槽的开始尺寸以及密封圈14的安装位置相关，可根据实际需求进行设置。限位槽42和密封圈14的设置，能够对球头杆的摆动角度(偏移角度)进行限位，从而对柔性钻头的偏移角度进行限位，同时也对安装条12的移动距离进行了限位，能够有效地避免安装条12移动距离过长，导致感应线圈绕组8脱离旋转磁场造成死循环的情形。

本实施例的钻进轨迹保持装置的工作过程为：开启柔性钻具的马达，马达的输出轴带动上芯轴2、联轴器6和下芯轴7同步转动，上芯轴2上的永磁体9同步转动形成旋转磁场；

随着柔性钻头的钻进，下芯轴7因岩层的反作用力而发生偏移摆动，下芯轴7从而带动铰接杆4同步摆动，铰接杆4进而带动安装条12沿第一方向移动；

安装条12上的感应线圈绕组8进入旋转磁场切割磁感线产生电流，并将电流传输至控制器3，电流经控制器3整流后传输至驱动单元11，驱动单元11驱动齿轮10转动，齿轮10与安装条12上的齿条啮合传递，使安装条12沿第一方向的反方向移动，安装条12进而带动铰接杆4摆动，铰接杆4带动下壳体5同步摆动，最终将下壳体5摆动回原位，原位即图2所示的上壳体1和下壳体5的轴线趋近于同一直线的位置，以上则完成了一次钻进轨迹保持装置对柔性钻具钻进路径的纠正；

柔性钻头在钻进过程中反复摆动，钻进轨迹保持装置反复对柔性钻头的偏移角度进行纠正，最终能够保证柔性钻具以直线钻进路径钻进，保证钻进的精度。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置，其特征在于，所述钻进轨迹保持装置包括：

上壳体(1)、下壳体(5)以及将所述上壳体(1)与所述下壳体(5)铰接的铰接杆(4)；

传动轴组件，所述传动轴组件贯穿所述上壳体(1)和所述下壳体(5)，并与所述柔性钻具连接，所述传动轴组件上环绕设置有永磁铁(9)；

补正机构，位于所述上壳体(1)内，至少两个所述补正机构环绕所述传动轴组件设置，并与所述铰接杆(4)铰接；

所述铰接杆(4)能够带动所述补正机构沿第一方向移动，所述补正机构切割所述永磁铁(9)的磁感线产生电流，以使所述补正机构沿所述第一方向的反方向移动。

2.根据权利要求1所述的用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置，其特征在于，

所述补正机构包括安装条(12)、驱动组件、感应线圈绕组(8)和隔水套(13)；

所述安装条(12)与所述铰接杆(4)铰接，所述驱动组件与所述安装条(12)传动连接；

所述感应线圈绕组(8)设置于所述安装条(12)上，并与所述驱动组件电连接；

所述隔水套(13)固定于所述上壳体(1)的内壁，所述安装条(12)穿设于所述隔水套(13)内并与所述隔水套(13)滑动连接。

3.根据权利要求2所述的用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置，其特征在于，所述隔水套(13)上设置有滑槽，所述安装条(12)与所述隔水套(13)通过所述滑槽滑动连接。

4.根据权利要求2所述的用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置，其特征在于，

所述驱动组件包括驱动单元(11)、齿轮(10)和齿条；

所述驱动单元(11)的输出轴与所述齿轮(10)连接；

所述齿条设置于所述安装条(12)上，所述齿轮(10)与所述齿条啮合传动。

5.根据权利要求2所述的用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置，其特征在于，

所述补正机构还包括控制器(3)；

所述控制器(3)与所述上壳体(1)连接，所述感应线圈绕组(8)和所述驱动组件分别与所述控制器(3)电连接。

6.根据权利要求2-5中任意一项所述的用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置，其特征在于，

所述铰接杆(4)包括同轴设置的球头杆和连接杆；

所述球头杆设置于所述上壳体(1)内，并与所述安装条(12)铰接；所述连接杆的一端与所述球头杆连接，另一端与所述下壳体(5)连接。

7.根据权利要求6所述的用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置，其特征在于，

所述铰接杆(4)内开设有一通孔(41)，所述通孔(41)与所述球头杆同轴，所述传动轴组件贯穿所述通孔(41)。

8.根据权利要求7所述的用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置，其特征在于，

所述传动轴组件包括依次连接的上芯轴(2)、联轴器(6)和下芯轴(7)；

所述上芯轴(2)设置于所述上壳体(1)内，所述联轴器(6)贯穿所述通孔(41)，所述下芯轴(7)设置于所述下壳体(5)内。

9.根据权利要求6所述的用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置，其特征在于，

所述球头杆上设置有密封圈(14)，所述密封圈(14)与所述上壳体(1)的内壁抵接。

10.根据权利要求9所述的用于柔性钻具的钻进轨迹保持装置，其特征在于，

所述球头杆上开设有限位槽(42)；

所述密封圈(14)设置于所述限位槽(42)与所述上壳体(1)的内壁之间；

所述密封圈(14)能够在所述限位槽(42)内滑动。

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