CN117513983B - 实现钻柱全旋转的智能定向装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于钻探工程领域中的实现钻柱全旋转的智能定向装置，包括驱动总成、执行总成、辅助总成；该装置能实现定向钻进和复合钻进两种工作状态，需要复合钻进时，通过主控板获得钻井参数信息，并将数据反馈至地面处理系统，地面处理系统将控制信号传输至主控板，主控板控制旋转电机正转，推动丝杆套和推块轴在滚珠丝杆上一同下行，推块轴将推块沿径向方向推出，芯轴壳体通过推块将扭矩传递至滚柱外壳，滚柱外壳和芯轴壳体一同旋转，实现复合钻进；当需要进行定向钻进时，主控模块控制旋转电机反转，推块轴将推块沿径向方向收回，滚柱外壳不旋转，实现定向钻进。该发明具有智能化控制，装配要求低，离合精度高的特点。

Description

实现钻柱全旋转的智能定向装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于钻探工程领域涉及一种实现钻柱全旋转的智能定向装置，其主要应用领域包括石油天然气钻井工程，地质勘探等。

背景技术

由于长期的开采，浅层油气资源不断减少，人们不得不将目光投向深层井，但深层井地质复杂，油气田等地在油气勘探开发过程中面临更大的挑战。为了增加开采效率，水平井、大位移井、分支井等类型的定向井施工工艺被广泛应用。定向钻井技术既能提高钻井速度，又能增加油气产量，同时降低钻井事故的风险，提高钻井的安全性，减少钻井成本。在油田开发难度不断增加和钻井技术的快速发展的背景下，使用定向井进行油田勘探开发已经成为一种趋势。现在的定向钻井技术主要有两种，一种是弯螺杆定向钻井技术，另一种是旋转钻柱定向钻井技术。

弯螺杆定向钻井技术具有成本低、使用和维护方便的优点，但在滑动定向钻进时，由于拖压现象的产生，钻井效率和机械钻速较低，井眼轨迹不容易控制，钻屑排出困难，容易发生卡钻事故。另外，在滑动钻进时，钻头产生的反扭矩会传递到钻具和钻柱上，导致工具面不稳定，影响钻进的连续性和速度，从而浪费时间和资源。相比之下，旋转导向技术通过旋转钻柱进行导向钻进，大幅提高了钻井效率，并且可以避免弯螺杆定向钻井存在的问题。然而，旋转导向技术的制造、使用和维护成本较高，且存在被埋风险较高的问题。

因此，当前的旋转导向技术在导向钻井时，钻柱与上部钻具一起旋转，导向工具作为独立结构单元不会影响其他钻具组合的正常使用，因此可以规避传统导向技术的不足并延长钻具组合的使用寿命。因此，研究出更加稳定可靠且精度更高的定向钻井技术非常重要，能极大地提高钻井效率。实现钻柱全旋转的智能定向装置相较于其他定向钻井工具，制造难度低，结构更简单，离合动作精度高，维修成本低，该项技术的研发对整个钻探工程领域具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决钻探工程中对定向钻井的工程实际需要，降低钻井事故的风险，提高钻井效率和安全性，减少钻井成本，设计一种实现钻柱全旋转的智能定向装置。实现钻柱全旋转的智能定向装置能实现两种工作状态：复合钻进和定向钻进。当装置处于复合钻进时，推块轴将推块沿径向方向推出，推块将芯轴壳体的扭矩传递到滚柱外壳，滚柱外壳和芯轴壳体保持相同的运动状态， 装置即处于复合钻进状态；当装置处于定向钻进时，推块轴将推块沿径向方向收回，芯轴壳体的扭矩将不再传递到滚柱外壳，仅芯轴壳体旋转，滚柱外壳不再旋转，装置即处于定向钻进状态。

本发明的技术方案是：实现钻柱全旋转的智能定向装置，其特征在于：防掉上接头、滚柱外壳、侧流道口、电池组盖板、O型密封圈、锂离子电池组、主控板、旋转电机、绝热套、电机盖板、圆柱滚子轴承、电机轴承盖、联轴器、滚珠丝杆、丝杆套、限位螺栓、推块轴、推块、芯轴壳体、防掉下接头；

所述实现钻柱全旋转的智能定向装置的驱动总成包括电池组盖板、O型密封圈、锂离子电池组、主控板、旋转电机、绝热套、电机盖板，所述电池组盖板与绝热套通过螺纹连接，绝热套内壁贴有一层耐热性强、抗腐蚀性好玻璃纤维，保证锂离子电池组、主控板、旋转电机能在高温环境下能正常工作，上下O型密封圈分别置于电池组盖板、电机盖板与绝热套之间，防止钻井液渗入而破坏锂离子电池组、主控板、旋转电机，锂离子电池组通过其下方固定架与绝热套实现进行完全固定，主控板通过其下方的卡槽与绝热套实现进行完全固定，旋转电机通过螺栓与电机盖板连接，绝热套与芯轴壳体过盈配合，确保驱动总成中所有零件跟芯轴壳体始终保持完全相同的运动状态。

所述实现钻柱全旋转的智能定向装置的执行总成包括圆柱滚子轴承、电机轴承盖、联轴器、滚珠丝杆、丝杆套、限位螺栓、推块轴、推块、电机输出轴与滚珠丝杆通过联轴器连接起来，电机轴承盖与芯轴壳体通过螺纹连接，实现周向固定，丝杆套通过螺纹与滚珠丝杆连接，丝杆套通过螺栓与推块轴连接，限位螺栓与滚珠丝杆通过螺纹连接，推块轴通过斜燕尾槽结构与推块实现径向固定，能将丝杆套在轴向方向的力分解到径向方向，防掉下接头与芯轴壳体通过螺纹连接。

所述实现钻柱全旋转的智能定向装置的辅助总成包括侧流道口、侧流通道、防掉上接头、滚柱外壳、芯轴壳体，两个侧流通道与两个推块在周向上间隔90°分布，使得侧流通道与推块之间互不干涉，滚柱外壳和芯轴壳体采用硬连接，防掉下接头，防掉上接头通过螺纹与芯轴壳体连接。

本发明与现有技术比较，其具有以下有益效果：（1）该装置具有离合切换快，精确度高的特点；（2）该装置采用电池供电，避免长线缆传输，总体装配要求性低，故障处理难度低，加工成本低；（3）滚柱外壳和芯轴壳体采用硬连接，能减少传递能量的损失，从而提高装置各零件之间的传递效率：（4）该装置采用低频远程无线传输实现地面控制中心和实现钻柱全旋转的智能定向装置的双向传输，保证信号传输的准确性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的主剖视图；

图2为芯轴壳体的轴测图；

图3是推块轴的轴测图；

图4是推块的轴测图；

图5是本发明的A-A剖视图；

图6是主控板各模块的部分电路原理图；

图7是实现钻柱全旋转的智能定向装置工作流程框图；

附图中零件名称：1-包括防掉上接头，2-滚柱外壳，3-侧流道口，4-电池组盖板，5-O型密封圈，6-锂离子电池组，7-主控板，8-旋转电机，9-绝热套，10-电机盖板，11-圆柱滚子轴承，12-电机轴承盖，13-联轴器，14-滚珠丝杆，15-丝杆套，16-限位螺栓，17-推块轴，18-推块，19-芯轴壳体，191-侧流通道，20-防掉下接头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参见附图1，2，3，4本发明的技术方案是：实现钻柱全旋转的智能定向装置，其特征在于：该装置分为驱动总成、执行总成、辅助总成；防掉上接头1、滚柱外壳2、侧流道口3、电池组盖板4、O型密封圈5、锂离子电池组6、主控板7、旋转电机8、绝热套9、电机盖板10、圆柱滚子轴承11、电机轴承盖12、联轴器13、滚珠丝杆14、丝杆套15、限位螺栓16、推块轴17、推块18、芯轴壳体19、防掉下接头20。

所述实现钻柱全旋转的智能定向装置的驱动总成包括电池组盖板4、O型密封圈5、锂离子电池组6、主控板7、旋转电机8、绝热套9、电机盖板10，所述电池组盖板4与绝热套9通过螺纹连接，上下O型密封圈5分别置于电池组盖板4、电机盖板10与绝热套9之间，防止钻井液渗入，破坏元件，锂离子电池组6通过其下方固定架与绝热套9实现进行完全固定，主控板7通过其下方的卡槽与绝热套9实现进行完全固定，旋转电机8通过螺栓与电机盖板10连接，绝热套9与芯轴壳体19采用过盈配合，确保驱动总成中所有零件跟芯轴壳体始终保持完全相同的运动状态。

所述实现钻柱全旋转的智能定向装置的执行总成包括圆柱滚子轴承11、电机轴承盖12、联轴器13、滚珠丝杆14、丝杆套15、限位螺栓16、推块轴17、推块18，电机输出轴与滚珠丝杆14通过联轴器连接起来，电机轴承盖12与芯轴壳体19通过螺纹连接，实现周向固定，丝杆套15通过螺纹与滚珠丝杆14连接，丝杆套15通过螺栓与推块轴17连接，限位螺栓16与滚珠丝杆14通过螺纹连接，推块轴17通过斜燕尾槽结构与推块18实现径向固定。

所述实现钻柱全旋转的智能定向装置的辅助总成包括侧流道口3、防掉上接头1、滚柱外壳2、芯轴壳体19、侧流通道191、防掉下接头20，侧流道口3与侧流通道191连通，侧流道口3将钻井液分流，经过侧流通道191，于防掉下接头20处汇流，防掉上接头1通过螺纹与芯轴壳体19连接，防掉下接头20与芯轴壳体19通过螺纹连接。

参见附图5，两个侧流道口3和两个推块18周向之间呈90°分布，当需要进行复合钻进时，MWD确定旋转角度使得推块18和缺口对齐，缺口开有引导槽，避免微小扰动导致推块18无法推入缺口从而导致电机过载。

参见附图6，所述的主控板7包含主控模块，电机模块，电源模块，信号采集模块，双向通信模块五个模块。在一个具体钻进作业实例中，电源模块将24V电源电压分级转换为5V和3.3V，其中5V为电机模块、信号采集模块、双向通信模块供电，3.3V为主控模块供电；当需要进行复合钻进时，主控板7的信号采集模块获取钻井参数信息，并对采集的参数信息进行滤波，放大，调制以及解调等处理，双向通信模块将参数信息反馈至地面处理系统，再由双向通信模块接收地面处理系统发出的复合钻进信号，主控模块接收信号并对旋转电机8进行控制，电机模块控制旋转电机8正转。

参见附图1，电机输出轴通过联轴器13将扭矩传递至滚珠丝杆14，丝杆套15和推块轴17在滚珠丝杆14上整体下行，推块轴17通过其锥形结构将推块18沿径向方向推出，推块18侧面和滚柱外壳2和芯轴壳体19紧贴，芯轴壳体19通过推块18将扭矩传递到滚柱外壳2，滚柱外壳2和芯轴壳体19保持相同的运动状态，实现复合钻进。

同理，当需要进行定向钻进时，主控板7的信号采集模块获取钻井参数信息，并对采集的参数信息进行滤波，放大，调制以及解调等处理，双向通信模块将参数信息反馈至地面处理系统，再由双向通信模块的接收线圈接收地面处理系统发出的定向钻进信号，主控模块接收信号并对旋转电机8进行控制，电机模块控制旋转电机8反转。

电机输出轴通过联轴器13将扭矩传递至滚珠丝杆14，丝杆套15和推块轴17在滚珠丝杆14上整体上行，推块轴17通过其锥形结构将推块18沿径向方向收回，推块18侧面和芯轴壳体19分离，此时，滚柱外壳2不旋转，仅芯轴壳体19旋转，芯轴壳体19的扭矩不再传递至滚柱外壳2上，实现定向钻进。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.实现钻柱全旋转的智能定向装置，其特征在于：实现钻柱全旋转的智能定向装置可分为驱动总成、执行总成、辅助总成三个部分；

所述实现钻柱全旋转的智能定向装置的驱动总成包括电池组盖板(4)、O型密封圈(5)、锂离子电池组(6)、主控板(7)、旋转电机(8)、绝热套(9)、电机盖板(10)，所述电池组盖板(4)通过螺纹与绝热套(9)连接，上部O型密封圈(5)置于电池组盖板(4)与绝热套(9)之间，下部O型密封圈(5)置于电池组盖板(4)与电机盖板(10)之间，防止钻井液渗入，锂离子电池组(6)通过其下方固定架与绝热套(9)实现固定，主控板(7)通过其下方的卡槽与绝热套(9)实现固定，旋转电机(8)通过螺栓与电机盖板(10)连接，绝热套(9)与芯轴壳体(19)采用过盈配合；

所述实现钻柱全旋转的智能定向装置的执行总成包括圆柱滚子轴承(11)、电机轴承盖(12)、联轴器(13)、滚珠丝杆(14)、丝杆套(15)、限位螺栓(16)、推块轴(17)、推块(18)，两个圆柱滚子轴承(11)分别置于联轴器(13)上下两侧，电机轴承盖(12)与芯轴壳体(19)通过螺纹连接，实现周向固定，联轴器(13)将旋转电机(8)与滚珠丝杆(14)轴向连接，丝杆套(15)通过螺纹与滚珠丝杆(14)连接，丝杆套(15)通过螺栓与推块轴(17)连接，限位螺栓(16)与滚珠丝杆(14)通过螺纹连接，推块轴(17)通过斜燕尾槽结构与推块(18)实现径向固定，防掉下接头(20)与芯轴壳体(19)通过螺纹连接；

所述实现钻柱全旋转的智能定向装置的辅助总成包括侧流道口(3)、防掉上接头(1)、滚柱外壳(2)、芯轴壳体(19)、侧流通道(191)、防掉下接头(20)，侧流道口(3)将钻井液分流，避开驱动总成和执行总成，滚柱外壳(2)和芯轴壳体(19)采用硬连接，防掉上接头(1)和芯轴壳体(19)通过螺纹连接；

通过所述的防掉上接头(1)、防掉下接头(20)分别与芯轴壳体(19)通过螺纹连接，电机轴承盖(12)与芯轴壳体(19)通过螺纹连接，保证防掉上接头(1)、电机轴承盖(12)、芯轴壳体(19)、防掉下接头(20)保持相同运动状态；所述驱动总成的锂离子电池组(6)、主控板(7)、旋转电机(8)与绝热套(9)都保证周向固定，钻进作业中，电池组盖板(4)、O型密封圈(5)、锂离子电池组(6)、主控板(7)、旋转电机(8)、绝热套(9)、电机盖板(10)始终与芯轴壳体(19)保持相同运动状态；

所述的防掉上接头(1)设有两个周向180°的侧流道口(3)，所述的芯轴壳体(19)设有侧流通道(191)，侧流道口(3)与侧流通道(191)连通，保证钻井液从防掉上接头(1)的侧流道口(3)分流至芯轴壳体(19)的侧流通道(191)中，并于防掉下接头(20)重新汇流至钻柱中心；

当钻进作业中，需要离合控制器状态切换时，保证推块(18)与滚柱外壳(2)缺口对齐，推块轴(17)顺利将推块(18)推出与收回；同时，滚柱外壳(2)缺口处开有引导槽，推块(18)与滚柱外壳(2)的接触边线上开有倒角，有效避免因微小扰动使得旋转电机(8)旋转角度出现偏差，导致推块(18)无法顺利推出和旋转电机(8)过载。

2.根据权利要求1所述实现钻柱全旋转的智能定向装置，其特征在于：所述主控板(7)包括主控模块、电机模块、电源模块、信号采集模块、双向通信模块五个模块；所述主控模块包含STM32F103C8T6芯片，晶振电路、复位电路、调试电路，所述电机模块包含电机正反转电路，控制旋转电机(8)的正反转；所述电源模块包含LM5161芯片和LD3985M33R芯片以及变压电路，对锂离子电池组(6)输出电压进行调节和监控，为主控板(7)其他模块供电；所述信号采集模块包含ADS831IDGKT芯片和处理电路，能采集钻井过程中钻井参数信息，并对所采集的信号进行滤波，放大，调制以及解调处理；所述双向通信模块包含TJA1050T芯片，实现低频远程无线传输，将处理后的钻井参数信息反馈至地面控制中心并接收地面控制中心发出的控制信号。

3.根据权利要求1所述实现钻柱全旋转的智能定向装置，其特征在于：所述绝热套(9)能有效隔绝芯轴壳体(19)转动时摩擦产生的热量，保证驱动总成中锂离子电池组(6)、主控板(7)、旋转电机(8)的温度始终满足正常工作要求；绝热套(9)上下两端各装配一个O型密封圈(5)，有效防止钻井液或其他杂质渗入，保证芯轴壳体(19)中空环境相对干燥。

4.根据权利要求1所述实现钻柱全旋转的智能定向装置，其特征在于：滚柱外壳(2)和芯轴壳体(19)采用硬连接，有效减少传递能量的损失，从而提高钻井工具的传递效率。