CN116753243A - 一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钻井工具的技术领域，尤其是一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统，其包括芯轴、外套、组合滤波器，所述芯轴的外表面依次固定连接有滑动轴承、偏置机构、调心球轴承，所述芯轴的一端固定连接有钻头，所述芯轴的外表面固定连接有两个三轴加速度计、一个单轴陀螺仪，两个所述三轴加速度计分别位于偏置机构的两侧。本发明具有通过三轴加速度计、单轴陀螺仪可实现钻井工具的高精度导向，有利于减小钻井过程的振动、转速波动、温度变化等参数对动态工具面角测量的影响，方便于获得芯轴中心的位移及方向，通过滑动轴承对钻压和钻头的冲击载荷进行分载，减轻滑动轴承振动、预防摩擦副失效、延长轴承寿命的效果。

Description

一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统
技术领域
本发明涉及钻井工具的技术领域，尤其是涉及一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统。
背景技术
旋转导向系统在超深井、高难定向井、水平井、大位移井、丛式分支井等油藏开发工艺井的导向钻井中及其重要，在动态指向式旋转导向钻井工具中，依靠偏置机构的偏置导向力使旋转芯轴在弯曲强度允许的情况下挠曲，从而实现钻头的导向。
现有的一部分偏置机构的导向不便于精准控制钻头的位移延伸，传力轴承长时间承受钻压和钻头的冲击载荷，传力轴承在井下很容易发生磨损和疲劳剥落。
发明内容
为了方便于控制偏置机构的导向，对偏置机构内的钻压进行分载，延长轴承的使用寿命，本发明提供一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统。
本发明提供的一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统采用如下的技术方案：
一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统，包括芯轴、外套、组合滤波器，所述芯轴的外表面依次固定连接有滑动轴承、偏置机构、调心球轴承，所述芯轴的一端固定连接有钻头，所述芯轴的外表面固定连接有两个三轴加速度计、一个单轴陀螺仪。
通过采用上述技术方案，通过偏置机构的驱动，芯轴在外套内以调心球轴承为支撑点进行偏摆，从而带动钻头发生偏转移动。
优选的，两个所述三轴加速度计分别位于偏置机构的两侧，所述单轴陀螺仪位于其中一个三轴加速度计与偏置机构之间。
通过采用上述技术方案，两个三轴加速度计7和单轴陀螺仪8对芯轴的工具面角实时测量，有利于员工掌握钻头的偏转。
优选的，两个所述三轴加速度计、所述单轴陀螺仪均与组合滤波器通信连接。
通过采用上述技术方案，通过组合滤波器融合两个三轴加速度计7和单轴陀螺仪8的测量结果，使得芯轴的测量结果更加精确，有利于实现钻井工具的高精度导向。
优选的，所述偏置机构包括外偏心环，所述外偏心环的内部转动连接有内偏心环，所述内偏心环的内部固定连接有关节轴承，所述关节轴承的内部固定连接于芯轴的外表面。
优选的，所述外套的内部固定连接有两个无框电机，所述外偏心环的一侧、所述内偏心环的一侧均固定连接有法兰头，两个所述无框电机的转轴均传动连接于对应的法兰头的一侧。
通过采用上述技术方案，通过两个无框电机进一步控制内偏心环和外偏心环的旋转速度和旋转方向，有利于控制芯轴的偏置方位。
优选的，所述滑动轴承通过其外表面设有的轴承座与外套相连接，所述滑动轴承包括径向滑动轴承、止推滑动轴承，所述径向滑动轴承包括内层、外层，所述内层的内部固定连接有若干个摩擦块一，所述外层的内部固定连接有若干个摩擦块二。
优选的，所述止推滑动轴承包括固定空心盘、转动空心盘，所述固定空心盘的外表面螺纹连接于外层的外表面，所述转动空心盘的一侧转动连接于固定空心盘的一侧，所述固定空心盘转动连接有若干个呈圆周阵列的摩擦柱一，所述转动空心盘的内部转动连接有若干个呈圆周阵列的摩擦柱二。
通过采用上述技术方案，在旋转导向工具工作时，滑动轴承内的各摩擦块一、摩擦块二、摩擦柱一、摩擦柱二，有利于减轻滑动轴承振动、 预防摩擦副失效、 延长径向滑动轴承使用寿命的效果。
优选的，其中一个所述三轴加速度计位于滑动轴承与偏置机构之间，另外一个所述三轴加速度计位于偏置机构与调心球轴承之间。
通过采用上述技术方案，通过将两个三轴加速度计对置来消除运动加速度的影响。
优选的，每个所述摩擦块二均位于对应的两个所述摩擦块一之间，所述摩擦块一、所述摩擦块二均围绕外层呈圆周阵列，每个所述摩擦柱一的外表面均搭接于对应的摩擦柱二的外表面。
通过采用上述技术方案，摩擦柱一3023与摩擦柱二3024发生自转，有利于支撑止推滑动轴承承载钻压的径向力，保护径向滑动轴承。
优选的，所述外套的内部固定连接有密封组件，所述密封组件的内部固定连接于芯轴的外表面，所述密封组件位于调心球轴承与钻头之间。
通过采用上述技术方案，通过密封组件实现动态密封芯轴1与外套2之间的空间，有利于与外界隔离开来，防止外界环境中的泥沙进入，造成导向钻井工具的磨损。
综上所述，本发明具有如下的有益技术效果：
1.通过两个无框电机进一步控制内偏心环和外偏心环的旋转速度和旋转方向，从而使得员工可以控制偏置后芯轴的轴线与外套的轴线所形成的面在外套内的方位，进一步控制芯轴的偏置方位，采用互补滤波和卡尔曼滤波数据融合处理的方法，通过组合滤波器融合两个三轴加速度计和单轴陀螺仪的测量结果，从而通过三轴加速度计、单轴陀螺仪可实现钻井工具的高精度导向，有利于减小钻井过程的振动、转速波动、温度变化等参数对动态工具面角测量的影响，方便于获得外套内部偏置机构处芯轴中心的位移及方向，从而对钻井施工、钻井轨迹进行控制；
2.通过滑动轴承对钻压和钻头的冲击载荷进行分载，径向滑动轴承、止推滑动轴承均可承受钻压作用产生的径向力，在旋转导向工具工作时，滑动轴承内的各摩擦块一、摩擦块二、摩擦柱一、摩擦柱二，可达到减轻滑动轴承振动、 预防摩擦副失效、 延长径向滑动轴承使用寿命的效果。
附图说明
图1是本发明一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统侧视的结构示意图；
图2是图1中沿A-A线的剖视图；
图3是本发明一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统去掉外套2、两个三轴加速度计7和一个单轴陀螺仪8后的立体结构示意图；
图4是图3中C向视图；
图5是图4中沿B-B线的剖视图；
图6是本发明一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统中滑动轴承3的立体爆炸结构示意图。
附图标记说明：
1、芯轴；2、外套；
3、滑动轴承；301、径向滑动轴承；3011、内层；3012、外层；3013、摩擦块一；3014、摩擦块二；302、止推滑动轴承；3021、固定空心盘；3022、转动空心盘；3023、摩擦柱一；3024、摩擦柱二；
4、偏置机构；401、外偏心环；402、内偏心环；403、关节轴承；
5、调心球轴承；6、钻头；7、三轴加速度计；8、单轴陀螺仪；9、无框电机。
具体实施方式
以下结合附图1-6对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例公开一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统，参照图1-4，包括芯轴1、外套2、组合滤波器（公知技术），外套2在工作时相对于井壁旋转非常缓慢，为轴内所需的偏转提供支撑，芯轴1及其偏置机构4在一个不旋转的外套2里进行工作，并通过密封组件与外界隔离开来，防止外界环境中的泥沙进入外套2的内部，造成滑动轴承3、偏置机构4、调心球轴承5的磨损，芯轴1的外表面依次固定连接有滑动轴承3、偏置机构4、调心球轴承5，调心球轴承5采用现有的具有自动调心功能的轴承，在芯轴1发生转动时，内、外圈轴线在一定的偏转角度内也可正常运转，芯轴1的一端固定连接有钻头6，芯轴1的外表面固定连接有两个三轴加速度计7（公知技术）、一个单轴陀螺仪8（公知技术），三轴加速度计7、单轴陀螺仪8均为常见的工具面角测量传感器，单轴陀螺仪8采用单轴速率陀螺仪。
参照图2，两个三轴加速度计7分别位于偏置机构4的两侧，钻井过程中加速度计测量值中不仅包含重力分量，还含有运动加速度和钻具振动产生的振动加速度，加速度计测量值可以直接得到工具面角，通过将两个三轴加速度计7对置来消除运动加速度的影响，单轴陀螺仪8位于其中一个三轴加速度计7与偏置机构4之间，通过三轴加速度计7、单轴陀螺仪8可实现钻井工具的高精度导向，获得外套2内部偏置机构4处芯轴1中心的位移及方向，从而对钻井施工、钻井轨迹进行控制。
参照图2，两个三轴加速度计7、单轴陀螺仪8均与组合滤波器通信连接，两个三轴加速度计7、单轴陀螺仪8和组合滤波器的数据可传入对应的数据处理器内，数据处理器再将数据显示于对应的设备显示屏上，员工可在设备显示屏上查看三轴加速度计7、单轴陀螺仪8和组合滤波器的数据，陀螺仪长期工作时存在漂移，其角速长时间测量时测量误差会很大，通过组合滤波器使用互补滤波和卡尔曼滤波数据融合方法，与两个三轴加速度计7、单轴陀螺仪8的测量数据相融合，进而得到测量结果，有利于减小钻井过程的振动、转速波动、温度变化等参数对动态工具面角测量的影响，方便于实时掌控芯轴1的动态工具面角，从而判断钻头6当前的位置，得知钻头6的钻井轨迹。
参照图5，偏置机构4包括外偏心环401，外偏心环401的内部转动连接有内偏心环402，内偏心环402的内部固定连接有关节轴承403，关节轴承403的内部固定连接于芯轴1的外表面，员工通过调整外偏心环401、内偏心环402转动时环心的位置，实现增斜、 稳斜和降斜的目的。
参照图2，外套2的内部固定连接有两个无框电机9（公知技术），外偏心环401的一侧、内偏心环402的一侧均固定连接有法兰头，两个无框电机9的转轴均传动连接于对应的法兰头的一侧，无框电机9带动对应的法兰头进行转动，使得外偏心环401、内偏心环402发生转动，进而改变芯轴1及钻头6的倾斜方向，通过三轴加速度计7和单轴陀螺仪8得知芯轴1的工具面角和偏转角，当芯轴1的工具面角和偏转角需要调整时，控制两个无框电机9使得外偏心环401、内偏心环402的转动方向及转动频率发生改变，进而改变钻头6的偏转角度，使得钻头6按照既定的运动轨迹发生移动。
参照图2、6，滑动轴承3通过其外表面设有的轴承座与外套2相连接，滑动轴承3、关节轴承403、调心球轴承5组成轴承系统，通过轴承系统使得芯轴1相对外套2进行转动，滑动轴承3对钻压和钻头6的冲击载荷进行分载，滑动轴承3包括径向滑动轴承301、止推滑动轴承302，径向滑动轴承301包括内层3011、外层3012，内层3011的内部固定连接有若干个摩擦块一3013，外层3012的内部固定连接有若干个摩擦块二3014，径向滑动轴承301可承受钻压作用产生的径向力，止推滑动轴承302也可承受径向的冲击力，分载滑动轴承3的钻压，保护径向滑动轴承301，在旋转导向工具工作时，滑动轴承3内的各摩擦块一3013、摩擦块二3014、摩擦柱一3023、摩擦柱二3024，可达到减轻滑动轴承3振动、 预防摩擦副失效、 延长径向滑动轴承301使用寿命的效果。
参照图2、6，止推滑动轴承302包括固定空心盘3021、转动空心盘3022，转动空心盘3022的一侧转动连接于固定空心盘3021的一侧，固定空心盘3021的外表面螺纹连接于外层3012的外表面，固定空心盘3021转动连接有若干个呈圆周阵列的摩擦柱一3023，转动空心盘3022的内部转动连接有若干个呈圆周阵列的摩擦柱二3024，摩擦柱一3023与摩擦柱二3024在转动过程中承受一定的径向力，减轻固定空心盘3021、转动空心盘3022的摩擦损耗。
参照图2，其中一个三轴加速度计7位于滑动轴承3与偏置机构4之间，另外一个三轴加速度计7位于偏置机构4与调心球轴承5之间，通过将两个三轴加速度计7对置来消除芯轴1运动加速度的影响。
参照图2、6，每个摩擦块二3014均位于对应的两个摩擦块一3013之间，摩擦块一3013、摩擦块二3014均围绕外层3012呈圆周阵列，该摩擦块一3013、摩擦块二3014的圆周阵列有四组，呈线性排列，每个摩擦柱一3023的外表面均搭接于对应的摩擦柱二3024的外表面，当转动空心盘3022转动时，摩擦柱一3023与摩擦柱二3024发生碰撞，从而摩擦柱一3023与摩擦柱二3024发生自转。
参照图2，外套2的内部固定连接有密封组件，密封组件的内部固定连接于芯轴1的外表面，密封组件位于调心球轴承5与钻头6之间，密封组件采用可以在井下高温高压情况下工作的材质，例如波纹管，当芯轴1发生旋转和摆动时，同时可以动态密封芯轴1与外套2之间的空间。
本发明实施例一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统的实施原理为：
1.导向钻井工具中的两个无框电机9驱动偏置机构4的内偏心环402和外偏心环401独立的旋转，通过内偏心环402和外偏心环401的旋转配合驱动芯轴1在外套2内以调心球轴承5为支撑点进行偏摆，以实现芯轴1带动钻头6相对导向钻井工具的轴线偏置，通过进一步控制内偏心环402和外偏心环401的旋转速度和旋转方向，可以控制偏置后芯轴1的轴线与外套2的轴线所形成的面在外套2内的方位，进一步控制芯轴1的偏置方位；
2.通过组合滤波器融合两个三轴加速度计7和单轴陀螺仪8的测量结果，掌握芯轴1的动态工具面角；
3.滑动轴承3对钻压和钻头6的冲击载荷进行分载，减少偏置机构4、调心球轴承5的钻压，径向滑动轴承301可承受钻压作用产生的径向力，止推滑动轴承302也可承受径向的冲击力，分载滑动轴承3的分压，保护径向滑动轴承301，在旋转导向工具工作时，滑动轴承3内的各摩擦块一3013、摩擦块二3014、摩擦柱一3023、摩擦柱二3024，可达到减轻滑动轴承3振动、 预防摩擦副失效、 延长径向滑动轴承301使用寿命的效果，避免传力轴承在井下很容易发生磨损和疲劳剥落。
以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统，其特征在于：包括芯轴（1）、外套（2）、组合滤波器，所述芯轴（1）的外表面依次固定连接有滑动轴承（3）、偏置机构（4）、调心球轴承（5），所述芯轴（1）的一端固定连接有钻头（6），所述芯轴（1）的外表面固定连接有两个三轴加速度计（7）、一个单轴陀螺仪（8）。
2.根据权利要求1所述的一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统，其特征在于：两个所述三轴加速度计（7）分别位于偏置机构（4）的两侧，所述单轴陀螺仪（8）位于其中一个三轴加速度计（7）与偏置机构（4）之间。
3.根据权利要求2所述的一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统，其特征在于：两个所述三轴加速度计（7）、所述单轴陀螺仪（8）均与组合滤波器通信连接。
4.根据权利要求2所述的一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统，其特征在于：所述偏置机构（4）包括外偏心环（401），所述外偏心环（401）的内部转动连接有内偏心环（402），所述内偏心环（402）的内部固定连接有关节轴承（403），所述关节轴承（403）的内部固定连接于芯轴（1）的外表面。
5.根据权利要求4所述的一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统，其特征在于：所述外套（2）的内部固定连接有两个无框电机（9），所述外偏心环（401）的一侧、所述内偏心环（402）的一侧均固定连接有法兰头，两个所述无框电机（9）的转轴均传动连接于对应的法兰头的一侧。
6.根据权利要求5所述的一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统，其特征在于：所述滑动轴承（3）通过其外表面设有的轴承座与外套（2）相连接，所述滑动轴承（3）包括径向滑动轴承（301）、止推滑动轴承（302），所述径向滑动轴承（301）包括内层（3011）、外层（3012），所述内层（3011）的内部固定连接有若干个摩擦块一（3013），所述外层（3012）的内部固定连接有若干个摩擦块二（3014）。
7.根据权利要求6所述的一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统，其特征在于：所述止推滑动轴承（302）包括固定空心盘（3021）、转动空心盘（3022），所述转动空心盘（3022）的一侧转动连接于固定空心盘（3021）的一侧，所述固定空心盘（3021）的外表面螺纹连接于外层（3012）的外表面，所述固定空心盘（3021）转动连接有若干个呈圆周阵列的摩擦柱一（3023），所述转动空心盘（3022）的内部转动连接有若干个呈圆周阵列的摩擦柱二（3024）。
8.根据权利要求2所述的一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统，其特征在于：其中一个所述三轴加速度计（7）位于滑动轴承（3）与偏置机构（4）之间，另外一个所述三轴加速度计（7）位于偏置机构（4）与调心球轴承（5）之间。
9.根据权利要求7所述的一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统，其特征在于：每个所述摩擦块二（3014）均位于对应的两个所述摩擦块一（3013）之间，所述摩擦块一（3013）、所述摩擦块二（3014）均围绕外层（3012）呈圆周阵列，每个所述摩擦柱一（3023）的外表面均搭接于对应的摩擦柱二（3024）的外表面。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种动态指向式旋转导向的传力轴承系统，其特征在于：所述外套（2）的内部固定连接有密封组件，所述密封组件的内部固定连接于芯轴（1）的外表面，所述密封组件位于调心球轴承（5）与钻头（6）之间。
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