CN118187763A - 一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置 - Google Patents

Abstract

一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，依靠泥浆发电机为偏置装置进行供电，该泥浆发电机的换能叶片实现了与外部环境的隔离，上行泥浆能够受控的作用到换能叶片上，提高了换能叶片对上行泥浆的动能转化率，泥浆发电机的发电组件实现了全封闭，换能叶片以非接触磁力传递形式将旋转动能作用到发电组件的转子磁体上，泥浆发电机的密封稳定性和可靠性均实现提升，有效提高了泥浆发电机的使用寿命；能够满足多种复杂工况下的造斜需要，采用外推井壁、内推主轴的工作方式，使造斜能力大幅度提高，有效减少对井壁的依赖，井眼质量得到进一步提升；辅助推出机构采用纯机械式结构，仅利用上行钻井液作为动力源，不需要外来供电，适应能力更强。

Description

一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置

技术领域

本发明属于旋转导向钻井技术领域，特别是涉及一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置。

背景技术

旋转导向钻井系统(Rotary Steerable System，简称RSS)是在传统滑动导向钻井系统的基础上发展而来的，其主要是通过底部导向执行机构使钻柱在旋转的同时对其方位和井斜进行改变，从而达到自动导向的目的。

旋转导向钻井系统采用随钻测量技术，通过井下安装的微处理器可对井底状况进行实时采集，通过钻井液传递到地面，与地面和井底形成双向闭环控制，从而实现自动导向。由于旋转导向钻井工具是旋转钻进的，与传统滑动导向钻具相比，其克服了钻井时摩擦阻力大的缺点，也减少了下钻次数，井眼质量较为光滑，可有效提高油气井开发效率和经济效益。

目前，随钻测量技术中采用的供电方式主要有两种，一种是由地面电缆直接供电，另一种是井下自主供电。针对地面电缆直接供电方式来说，虽然具有供电稳定、传输功率基本不受限制的特点，但适应复杂工况的能力较差，使用方面存在一定的局限性。针对井下自主供电方式来说，是现阶段应用最为广泛的供电方式，适应复杂工况的能力强，其中又以动力电池供电最为普遍。

当采用动力电池进行井下自主供电时，也存在一定的局限性，其存储的电量存在上限，因此供电时间不能持久，而且耐高温能力较低，在很多超深井钻探作业中，井下温度可以超过200℃，而动力电池在高温下的供电能力会大幅度下降，导致供电时间大幅度缩短，若动力电池电量耗尽，只能强行起钻，从而耽误钻井施工进度，导致钻井施工成本增加。此外，动力电池在使用、保存、运输过程中还存在爆炸的风险，并且废旧的动力电池在处理时还存在环境污染问题。

对于井下自主供电方式来说，除了较为常见的动力电池供电形式外，还有采用泥浆发电机进行供电的形式，与动力电池供电形式相比，泥浆发电机完全凭借上行泥浆的动能作为动力源，而钻井过程中的上行泥浆是持续产生的，因此泥浆发电机的发电过程也是持续进行的，保证了供电时间的持久性，也不存在因电量耗尽需要强行起钻的情况，更不存在爆炸风险和环境污染问题。因此，采用泥浆发电机进行供电已经成为未来的发展趋势。

然而，由于泥浆发电机还处于发展阶段的早期，现有的泥浆发电机在设计上还存在很多不足之处。例如，现有的泥浆发电机普遍将叶轮直接暴露在外部环境中，上行泥浆无法受控的作用到叶轮上，导致叶轮对上行泥浆的动能转化率较低，特别是暴露的叶轮还很容易与井壁发生磕碰而损坏，导致叶轮的寿命降低。再有，现有泥浆发电机的叶轮采用直接驱动转子磁钢转动的形式，导致泥浆发电机的转子组件与定子组件之间的密封性无法可靠保证，上行泥浆容易突破密封而进入泥浆发电机内部，导致泥浆发电机损坏，因此现有泥浆发电机的使用寿命普遍偏低。

目前，常规旋转导向钻井工具可分为静态偏置推靠式旋转导向钻井工具、动态偏置推靠式旋转导向钻井工具、静态偏置指向式旋转导向钻井工具及动态偏置指向式旋转导向钻井工具。

常规静态偏置推靠式旋转导向钻井工具，依靠近钻头处的伸缩翼肋推靠井壁，从而使钻头发生偏移改变钻进方向，具有钻井眼轨迹精确、摩擦阻力较低的特点。但是，其还存在结构非常复杂、液压控制精度较低、延伸能力较差、会导致螺旋井眼等缺点。

常规动态偏置推靠式旋转导向钻井工具，依靠偏置执行机构产生偏置力，直接或间接使芯轴弯曲，进而使钻头发生偏置改变钻进方向，具有钻井眼轨迹精确、摩擦阻力较低、井眼光滑、清洁效果较好的特点。但是，其还存在导向推板会造成冲击和振动、工具磨损严重、密封困难、会导致螺旋井眼、工具侧向力依赖于钻头压降、对井壁的依赖性较大等缺点。

常规静态偏置指向式旋转导向钻井工具，在钻进过程中，其导向执行机构不随钻柱一起旋转，在需要导向时，由偏置执行机构在某一固定方向上提供导向力，具有摩擦阻力小、效率高、有利于消除井眼螺旋、振动小、井眼清洁效果好的特点。但是，其控制芯轴会受到高负荷的交变应力，因此容易发生疲劳断裂，对工具的寿命影响较大。

常规动态偏置指向式旋转导向钻井工具，在钻进过程中，其导向执行机构随钻柱一起旋转，在需要导向时，通过控制系统使偏置执行机构在某一位置定向支出提供导向力，具有摩擦阻力小、效率高、有利于消除井眼螺旋、不依赖于钻头压降、稳定性强、可靠性高的特点。但是，工具中的球轴承磨损比较严重，对工具的寿命影响较大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，依靠泥浆发电机为偏置装置进行供电，该泥浆发电机的换能叶片实现了与外部环境的隔离，上行泥浆能够受控的作用到换能叶片上，提高了换能叶片对上行泥浆的动能转化率，泥浆发电机的发电组件实现了全封闭，换能叶片以非接触磁力传递形式将旋转动能作用到发电组件的转子磁体上，泥浆发电机的密封稳定性和可靠性均实现提升，有效提高了泥浆发电机的使用寿命；能够满足多种复杂工况下的造斜需要，采用外推井壁、内推主轴的工作方式，使造斜能力大幅度提高，有效减少对井壁的依赖，井眼质量得到进一步提升；辅助推出机构安装在不旋转的套筒壳体上，避免辅助推出机构随主轴旋转，降低辅助推出机构的磨损，提高了辅助推出机构的使用寿命；辅助推出机构采用纯机械式结构，仅利用上行钻井液作为动力源，不需要外来供电，适应能力更强。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，在装置下端设置有泥浆发电机；所述泥浆发电机包括上转接柱、下转接柱、外防护筒、导流叶片、换能组件及发电组件；所述上转接柱、发电组件及下转接柱顺序串联螺接在一起；所述外防护筒同轴套装在上转接柱、发电组件及下转接柱外侧，外防护筒与下转接柱之间的环向间隙作为泥浆进口，所述导流叶片沿圆周方向均匀分布在泥浆进口所在的环向间隙内，外防护筒与下转接柱之间通过导流叶片固定连接；所述外防护筒与上转接柱之间的环向间隙作为泥浆出口，泥浆出口所在环向间隙内设有环形边沿，环形边沿与外防护筒为一体式结构，环形边沿与上转接柱之间螺接固定，在环形边沿上沿圆周方向均匀分布有若干出浆孔；所述换能组件设置在发电组件上。

所述发电组件包括上端盖、芯轴、下端盖、发电组件壳体、定子线圈及转子磁体；所述上端盖、芯轴及下端盖顺序串联螺接在一起；所述上端盖与上转接柱同轴螺接固定；所述下端盖与下转接柱同轴螺接固定；所述发电组件壳体同轴套装在芯轴外侧，发电组件壳体上端与上端盖密封固定连接，发电组件壳体下端与下端盖密封固定连接；所述定子线圈及转子磁体位于发电组件壳体内部，定子线圈同轴固定套装在芯轴上，转子磁体同轴套装在定子线圈外侧，转子磁体与定子线圈正对分布。

所述换能组件包括换能叶片、叶轮筒体、外磁驱转子、内磁驱转子及传力筒架；所述叶轮筒体同轴套装在发电组件壳体外侧，叶轮筒体与发电组件壳体之间的环形间隙内由减摩轴承组支撑固定；所述换能叶片与叶轮筒体为一体式结构，换能叶片位于叶轮筒体两端外部且沿圆周方向均匀分布；所述外磁驱转子同轴嵌装在叶轮筒体内表面，外磁驱转子由沿圆周方向均匀分布的永磁体组成，且相邻永磁体的磁极相反分布；所述传力筒架位于发电组件壳体内部，传力筒架同轴套装在芯轴上，传力筒架与芯轴及发电组件壳体之间的环形间隙内均由减摩轴承组支撑固定；所述内磁驱转子同轴套装在传力筒架上，内磁驱转子与外磁驱转子正对分布，内磁驱转子也由沿圆周方向均匀分布的永磁体组成，且相邻永磁体的磁极相反分布；所述转子磁体同轴嵌装在传力筒架上。

在所述叶轮筒体与发电组件壳体之间的环形间隙内充有润滑油，在叶轮筒体的两端筒口处均设置有活塞式密封环，活塞式密封环与发电组件壳体之间设置有推力弹簧。

装置包括前钻头轴、后钻头轴、中空万向节、钻柱轴、内套筒壳体、外套筒壳体及辅助推出机构；所述前钻头轴、后钻头轴、中空万向节及钻柱轴顺序串联螺接在一起形成旋转组件，旋转组件中心形成钻井液主流道；所述前钻头轴下端设有扩径段，所述钻柱轴上端设有扩径段；所述内套筒壳体同轴套装在旋转组件外侧，内套筒壳体位于前钻头轴与钻柱轴的扩径段之间，内套筒壳体上端与钻柱轴之间设有止推轴承，在止推轴承下方的内套筒壳体与钻柱轴之间设有深沟球轴承组；所述内套筒壳体下端面与前钻头轴的扩径段阶梯面之间接触面设为球面；所述外套筒壳体同轴固定套装在内套筒壳体外侧，在外套筒壳体与内套筒壳体之间形成钻井液副流道，钻井液副流道下端与钻井液主流道相连通，钻井液副流道上端与外套筒壳体外部空间相连通；在所述钻井液副流道内顺序设有外推机构和内推机构；所述外推机构向外伸出外套筒壳体，所述辅助推出机构设置在外推机构上，外推机构通过辅助推出机构与井壁顶推配合；所述内推机构向内伸出内套筒壳体，内推机构与后钻头轴顶推配合；所述内套筒壳体、外套筒壳体、辅助推出机构、外推机构及内推机构共同形成非旋转组件；所述泥浆发电机的上转接柱与前钻头轴下端同轴螺接固定。

所述钻井液副流道共设置四条，四条钻井液副流道沿圆周方向均布分布，每条钻井液副流道内均设有外推机构和内推机构，每个外推机构上均设有辅助推出机构；所述外套筒壳体采用四瓣式组合拼接结构，外套筒壳体的每个单瓣体与内套筒壳体之间均设有一条钻井液副流道；所述钻井液主流道与钻井液副流道之间通过钻井液排入孔相导通，钻井液副流道与外套筒壳体外部空间通过钻井液排出孔相导通；在所述钻井液排入孔处设有阀块，阀块下方的内套筒壳体与外套筒壳体之间设有动力室，在动力室内设置有阀块执行机构；所述阀块执行机构包括伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、丝母滑块及轴承座；所述伺服电机固定嵌装在动力室内，伺服电机的电机轴通过联轴器与滚珠丝杠一端同轴固连，所述丝母滑块套装在滚珠丝杠另一端，所述阀块与丝母滑块固定连接在一起；所述滚珠丝杠与动力室之间通过轴承座相连；所述伺服电机由泥浆发电机供电。

所述外推机构包括活塞腔及外推活塞，所述活塞腔内置于外套筒壳体上，所述外推活塞位于活塞腔，活塞腔的无杆腔与钻井液副流道相导通，活塞腔的有杆腔与外套筒壳体外部空间相导通；所述外推活塞的活塞杆延伸至外套筒壳体外部空间，所述辅助推出机构安装在外推活塞的活塞杆端部。

所述内推机构包括主动楔块、从动楔块及缓冲弹簧；在所述外套筒壳体上内置有主动楔块限位滑槽，所述主动楔块位于主动楔块限位滑槽中，所述缓冲弹簧设置在主动楔块与主动楔块限位滑槽之间；在所述内套筒壳体上开设有从动楔块穿行孔，所述从动楔块穿装在从动楔块穿行孔中；所述从动楔块与主动楔块垂直分布，从动楔块的外端斜面与主动楔块的下端斜面顶靠接触，与从动楔块的内端正对的后钻头轴上固定套装有缓冲垫，从动楔块的内端通过缓冲垫与后钻头轴顶靠接触配合。

所述辅助推出机构包括支撑底盖、外推顶盖、主动齿轮、第一中间齿轮、第二中间齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮、第一螺柱、第二螺柱、单向阀、第一电磁进液阀及第二电磁进液阀；所述支撑底盖与外推顶盖扣合装配在一起；所述主动齿轮位于支撑底盖内侧中心处，在主动齿轮的轴端配置有转速传感器；所述第一中间齿轮和第二中间齿轮镜像对称分布在主动齿轮两侧，第一中间齿轮和第二中间齿轮与主动齿轮同时啮合；所述第一螺柱位于第一中间齿轮正上方，所述第一从动齿轮同轴固装在第一螺柱下部，第一从动齿轮与第一中间齿轮相啮合；所述第二螺柱位于第二中间齿轮正上方，所述第二从动齿轮同轴固装在第二螺柱下部，第二从动齿轮与第二中间齿轮相啮合；所述主动齿轮、第一中间齿轮、第二中间齿轮、第一螺柱及第二螺柱相对于支撑底盖仅具有回转自由度；在所述第一中间齿轮下方的支撑底盖上设有第一上行钻井液进入孔，所述第一电磁进液阀安装在第一上行钻井液进入孔处；在所述第二中间齿轮下方的支撑底盖上设有第二上行钻井液进入孔，所述第二电磁进液阀安装在第二上行钻井液进入孔处；在所述第一电磁进液阀与第二电磁进液阀之间设有引流台，引流台的引流面与主动齿轮相切分布；在所述主动齿轮正上方的支撑底盖上设有上行钻井液排出孔，所述单向阀安装在上行钻井液排出孔处；在所述外推顶盖内侧固设有第一螺套筒柱和第二螺套筒柱；所述第一螺柱与第一螺套筒柱螺接配合，所述第二螺柱与第二螺套筒柱螺接配合；在所述第一上行钻井液进入孔、第二上行钻井液进入孔及钻井液排出孔的外孔口处均设有过滤网。

在所述支撑底盖内侧四个角点处设有升降导向盲孔，在所述外推顶盖内侧四个角点处设有升降导向柱，升降导向柱与升降导向盲孔插接导向配合；所述第一中间齿轮和第二中间齿轮的齿轮轴均采用延长轴结构，在所述外推顶盖内侧固设有第一导向筒柱和第二导向筒柱；所述第一中间齿轮的齿轮轴延长段与第一导向筒柱插接导向配合；所述第二中间齿轮的齿轮轴延长段与第二导向筒柱插接导向配合；所述支撑底盖底部中心处设有转接凸台，在所述外推活塞的活塞杆顶端设有转接凹槽，支撑底盖通过转接凸台与外推活塞的活塞杆顶端转接凹槽固定插接相连。

本发明的有益效果：

本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，依靠泥浆发电机为偏置装置进行供电，该泥浆发电机的换能叶片实现了与外部环境的隔离，避免换能叶片与井壁发生磕碰而损毁，提高了换能叶片的使用寿命。

本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，其泥浆发电机的换能叶片位于外防护筒内部，可使上行泥浆受控的作用到换能叶片上，提高了换能叶片对上行泥浆的动能转化率。

本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，换能叶片以非接触磁力传递形式将旋转动能作用到发电组件的转子磁体上，使泥浆发电机的密封稳定性和可靠性均实现提升，有效提高了泥浆发电机的使用寿命。

本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，结合了指向式和推靠式旋转导向钻井工具的特点，可实现“外推井壁”与“内推主轴”的配合，使工具的造斜能力大幅度提升。

本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，在内外钻井液压差不足的情况下，可通过辅助推出机构的启用满足造斜任务，弥补钻井液压差不足时的造斜能力变差的缺点。

本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，通过“外推井壁”与“内推主轴”的配合，降低了对井壁的依赖性，井眼质量也更加光滑。

本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，通过“内推主轴”的工作方式，在面临盐层等井壁比较光滑的地层时，在不依赖井壁的条件下，仍具备一定的造斜能力。

本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，其辅助推出机构属于纯机械式结构，仅利用上行钻井液作为动力源，不需要外来供电，适应能力更强。

本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，其辅助推出机构安装在不旋转的套筒壳体上，避免辅助推出机构随主轴旋转，降低辅助推出机构的磨损，提高了辅助推出机构的使用寿命。

本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，其辅助推出机构采用齿轮减速传动结构，使得传动更加平稳且强度更高，保证造斜任务的可靠性。

附图说明

图1为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的整体结构示意图(剖视)；

图2为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的整体结构示意图(立体)；

图3为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的泥浆发电机结构示意图；

图4为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的泥浆发电机换能叶片与叶轮筒体的组合体结构示意图；

图5为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的旋转组件结构示意图；

图6为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的内套筒壳体结构示意图；

图7为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的外套筒壳体单瓣体结构示意图；

图8为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的阀块执行机构结构示意图；

图9为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的内推机构结构示意图；

图10为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的外推活塞结构示意图；

图11为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的辅助推出机构结构示意图；

图12为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的辅助推出机构结构示意图(视角一、外推顶盖未示出)；

图13为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的辅助推出机构结构示意图(视角二、外推顶盖未示出)；

图14为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的辅助推出机构结构示意图(视角三、外推顶盖未示出)；

图15为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的支撑底盖结构示意图；

图16为本发明的利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置的外推顶盖结构示意图；

图中，1—前钻头轴，2—后钻头轴，3—中空万向节，4—钻柱轴，5—内套筒壳体，6—外套筒壳体，7—辅助推出机构，8—钻井液主流道，9—止推轴承，10—深沟球轴承组，11—钻井液副流道，12—外推机构，13—内推机构，14—钻井液排入孔，15—钻井液排出孔，16—阀块，17—动力室，18—阀块执行机构，19—泥浆发电机，20—伺服电机，21—联轴器，22—滚珠丝杠，23—丝母滑块，24—轴承座，25—活塞腔，26—外推活塞，27—主动楔块，28—从动楔块，29—缓冲弹簧，30—主动楔块限位滑槽，31—从动楔块穿行孔，32—缓冲垫，33—支撑底盖，34—外推顶盖，35—主动齿轮，36—第一中间齿轮，37—第二中间齿轮，38—第一从动齿轮，39—第二从动齿轮，40—第一螺柱，41—第二螺柱，42—单向阀，43—第一电磁进液阀，44—第二电磁进液阀，45—第一上行钻井液进入孔，46—第二上行钻井液进入孔，47—上行钻井液排出孔，48—第一螺套筒柱，49—第二螺套筒柱，50—升降导向盲孔，51—升降导向柱，52—第一导向筒柱，53—第二导向筒柱，54—转接凸台，55—转接凹槽，56—引流台，57—上转接柱，58—下转接柱，59—外防护筒，60—导流叶片，61—出浆孔，62—上端盖，63—芯轴，64—下端盖，65—发电组件壳体，66—定子线圈，67—转子磁体，68—换能叶片，69—叶轮筒体，70—外磁驱转子，71—内磁驱转子，72—传力筒架，73—活塞式密封环，74—推力弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～16所示，一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，在装置下端设置有泥浆发电机19；所述泥浆发电机19包括上转接柱57、下转接柱58、外防护筒59、导流叶片60、换能组件及发电组件；所述上转接柱57、发电组件及下转接柱58顺序串联螺接在一起；所述外防护筒59同轴套装在上转接柱57、发电组件及下转接柱58外侧，外防护筒59与下转接柱58之间的环向间隙作为泥浆进口，所述导流叶片60沿圆周方向均匀分布在泥浆进口所在的环向间隙内，外防护筒59与下转接柱58之间通过导流叶片60固定连接；所述外防护筒59与上转接柱57之间的环向间隙作为泥浆出口，泥浆出口所在环向间隙内设有环形边沿，环形边沿与外防护筒59为一体式结构，环形边沿与上转接柱57之间螺接固定，在环形边沿上沿圆周方向均匀分布有若干出浆孔61；所述换能组件设置在发电组件上。

所述发电组件包括上端盖62、芯轴63、下端盖64、发电组件壳体65、定子线圈66及转子磁体67；所述上端盖62、芯轴63及下端盖64顺序串联螺接在一起；所述上端盖62与上转接柱57同轴螺接固定；所述下端盖64与下转接柱58同轴螺接固定；所述发电组件壳体65同轴套装在芯轴63外侧，发电组件壳体65上端与上端盖62密封固定连接，发电组件壳体65下端与下端盖64密封固定连接；所述定子线圈66及转子磁体67位于发电组件壳体65内部，定子线圈66同轴固定套装在芯轴63上，转子磁体67同轴套装在定子线圈66外侧，转子磁体67与定子线圈66正对分布。

所述换能组件包括换能叶片68、叶轮筒体69、外磁驱转子70、内磁驱转子71及传力筒架72；所述叶轮筒体69同轴套装在发电组件壳体65外侧，叶轮筒体69与发电组件壳体65之间的环形间隙内由减摩轴承组支撑固定；所述换能叶片68与叶轮筒体69为一体式结构，换能叶片68位于叶轮筒体69两端外部且沿圆周方向均匀分布；所述外磁驱转子70同轴嵌装在叶轮筒体69内表面，外磁驱转子70由沿圆周方向均匀分布的永磁体组成，且相邻永磁体的磁极相反分布；所述传力筒架72位于发电组件壳体65内部，传力筒架72同轴套装在芯轴63上，传力筒架72与芯轴63及发电组件壳体65之间的环形间隙内均由减摩轴承组支撑固定；所述内磁驱转子71同轴套装在传力筒架72上，内磁驱转子71与外磁驱转子70正对分布，内磁驱转子71也由沿圆周方向均匀分布的永磁体组成，且相邻永磁体的磁极相反分布；所述转子磁体67同轴嵌装在传力筒架72上。

在所述叶轮筒体69与发电组件壳体65之间的环形间隙内充有润滑油，在叶轮筒体69的两端筒口处均设置有活塞式密封环73，活塞式密封环73与发电组件壳体65之间设置有推力弹簧74。具体的，在推力弹簧74的作用下，可以对活塞式密封环73内侧的润滑油产生挤压力，进而使润滑油所在的环形腔室的压力略高于上行泥浆所在环境的压力，防止上行泥浆进入，提高密封可靠性，保证内部的减摩轴承组的可靠润滑。

装置包括前钻头轴1、后钻头轴2、中空万向节3、钻柱轴4、内套筒壳体5、外套筒壳体6及辅助推出机构7；所述前钻头轴1、后钻头轴2、中空万向节3及钻柱轴4顺序串联螺接在一起形成旋转组件，旋转组件中心形成钻井液主流道8；所述前钻头轴1下端设有扩径段，所述钻柱轴4上端设有扩径段；所述内套筒壳体5同轴套装在旋转组件外侧，内套筒壳体5位于前钻头轴1与钻柱轴4的扩径段之间，内套筒壳体5上端与钻柱轴4之间设有止推轴承9，在止推轴承9下方的内套筒壳体5与钻柱轴4之间设有深沟球轴承组10；所述内套筒壳体5下端面与前钻头轴1的扩径段阶梯面之间接触面设为球面；所述外套筒壳体6同轴固定套装在内套筒壳体5外侧，在外套筒壳体6与内套筒壳体5之间形成钻井液副流道11，钻井液副流道11下端与钻井液主流道8相连通，钻井液副流道11上端与外套筒壳体6外部空间相连通；在所述钻井液副流道11内顺序设有外推机构12和内推机构13；所述外推机构12向外伸出外套筒壳体6，所述辅助推出机构7设置在外推机构12上，外推机构12通过辅助推出机构7与井壁顶推配合；所述内推机构13向内伸出内套筒壳体5，内推机构13与后钻头轴2顶推配合；所述内套筒壳体5、外套筒壳体6、辅助推出机构7、外推机构12及内推机构13共同形成非旋转组件；所述泥浆发电机19的上转接柱57与前钻头轴1下端同轴螺接固定。

所述钻井液副流道11共设置四条，四条钻井液副流道11沿圆周方向均布分布，每条钻井液副流道11内均设有外推机构12和内推机构13，每个外推机构12上均设有辅助推出机构7；所述外套筒壳体6采用四瓣式组合拼接结构，外套筒壳体6的每个单瓣体与内套筒壳体5之间均设有一条钻井液副流道11；所述钻井液主流道8与钻井液副流道11之间通过钻井液排入孔14相导通，钻井液副流道11与外套筒壳体6外部空间通过钻井液排出孔15相导通；在所述钻井液排入孔14处设有阀块16，阀块16下方的内套筒壳体5与外套筒壳体6之间设有动力室17，在动力室17内设置有阀块执行机构18；所述阀块执行机构18包括伺服电机20、联轴器21、滚珠丝杠22、丝母滑块23及轴承座24；所述伺服电机20固定嵌装在动力室17内，伺服电机20的电机轴通过联轴器21与滚珠丝杠22一端同轴固连，所述丝母滑块23套装在滚珠丝杠22另一端，所述阀块16与丝母滑块23固定连接在一起；所述滚珠丝杠22与动力室17之间通过轴承座24相连；所述伺服电机20由泥浆发电机19供电。

所述外推机构12包括活塞腔25及外推活塞26，所述活塞腔25内置于外套筒壳体6上，所述外推活塞26位于活塞腔25，活塞腔25的无杆腔与钻井液副流道11相导通，活塞腔25的有杆腔与外套筒壳体6外部空间相导通；所述外推活塞26的活塞杆延伸至外套筒壳体6外部空间，所述辅助推出机构7安装在外推活塞26的活塞杆端部。

所述内推机构13包括主动楔块27、从动楔块28及缓冲弹簧29；在所述外套筒壳体6上内置有主动楔块限位滑槽30，所述主动楔块27位于主动楔块限位滑槽30中，所述缓冲弹簧29设置在主动楔块27与主动楔块限位滑槽30之间；在所述内套筒壳体5上开设有从动楔块穿行孔31，所述从动楔块28穿装在从动楔块穿行孔31中；所述从动楔块28与主动楔块27垂直分布，从动楔块28的外端斜面与主动楔块27的下端斜面顶靠接触，与从动楔块28的内端正对的后钻头轴2上固定套装有缓冲垫32，从动楔块28的内端通过缓冲垫32与后钻头轴2顶靠接触配合。

所述辅助推出机构7包括支撑底盖33、外推顶盖34、主动齿轮35、第一中间齿轮36、第二中间齿轮37、第一从动齿轮38、第二从动齿轮39、第一螺柱40、第二螺柱41、单向阀42、第一电磁进液阀43及第二电磁进液阀44；所述支撑底盖33与外推顶盖34扣合装配在一起；所述主动齿轮35位于支撑底盖33内侧中心处，在主动齿轮35的轴端配置有转速传感器；所述第一中间齿轮36和第二中间齿轮37镜像对称分布在主动齿轮35两侧，第一中间齿轮36和第二中间齿轮37与主动齿轮35同时啮合；所述第一螺柱40位于第一中间齿轮36正上方，所述第一从动齿轮38同轴固装在第一螺柱40下部，第一从动齿轮38与第一中间齿轮36相啮合；所述第二螺柱41位于第二中间齿轮37正上方，所述第二从动齿轮39同轴固装在第二螺柱41下部，第二从动齿轮39与第二中间齿轮37相啮合；所述主动齿轮35、第一中间齿轮36、第二中间齿轮37、第一螺柱40及第二螺柱41相对于支撑底盖33仅具有回转自由度；在所述第一中间齿轮36下方的支撑底盖33上设有第一上行钻井液进入孔45，所述第一电磁进液阀43安装在第一上行钻井液进入孔45处；在所述第二中间齿轮37下方的支撑底盖33上设有第二上行钻井液进入孔46，所述第二电磁进液阀44安装在第二上行钻井液进入孔46处；在所述第一电磁进液阀43与第二电磁进液阀44之间设有引流台56，引流台56的引流面与主动齿轮35相切分布；在所述主动齿轮35正上方的支撑底盖33上设有上行钻井液排出孔47，所述单向阀42安装在上行钻井液排出孔47处；在所述外推顶盖34内侧固设有第一螺套筒柱48和第二螺套筒柱49；所述第一螺柱40与第一螺套筒柱48螺接配合，所述第二螺柱41与第二螺套筒柱49螺接配合；在所述第一上行钻井液进入孔45、第二上行钻井液进入孔46及钻井液排出孔47的外孔口处均设有过滤网。

在所述支撑底盖33内侧四个角点处设有升降导向盲孔50，在所述外推顶盖34内侧四个角点处设有升降导向柱51，升降导向柱51与升降导向盲孔50插接导向配合；所述第一中间齿轮36和第二中间齿轮37的齿轮轴均采用延长轴结构，在所述外推顶盖34内侧固设有第一导向筒柱52和第二导向筒柱53；所述第一中间齿轮36的齿轮轴延长段与第一导向筒柱52插接导向配合；所述第二中间齿轮37的齿轮轴延长段与第二导向筒柱53插接导向配合；所述支撑底盖33底部中心处设有转接凸台54，在所述外推活塞26的活塞杆顶端设有转接凹槽55，支撑底盖33通过转接凸台54与外推活塞26的活塞杆顶端转接凹槽55固定插接相连。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

在钻井过程中，上行泥浆首先从导流叶片60所在的泥浆进口流入外防护筒59内部，随后从出浆孔61流出，在流经外防护筒59内部的过程中，流动的上行泥浆会驱动换能叶片68及叶轮筒体69转动，上行泥浆的流体动能会转换为换能叶片68及叶轮筒体69的旋转动能。

随着叶轮筒体69的转动，会同步带动外磁驱转子70转动，外磁驱转子70与内磁驱转子71在静止初始状态时，二者的磁场力相互吸引成直线，因此二者之间没有切向力且转矩为零。当外磁驱转子70跟随叶轮筒体69开始转动时，起始阶段由于阻力及摩擦力的作用，内磁驱转子71仍会处于静止状态，此时外磁驱转子70与内磁驱转子71之间的磁场力会形成夹角，外磁驱转子70的永磁体N极(S极)对内磁驱转子71的永磁体S极(N极)产生吸引力，外磁驱转子70的永磁体N极(S极)对内磁驱转子71的永磁体N极(S极)产生排斥力，在吸引力和排斥力的合力作用下，外磁驱转子70与内磁驱转子71之间便产生了切向力和转矩，该切向力和转矩会逐渐驱动内磁驱转子71跟随外磁驱转子70进行同步旋转，从而实现非接触式的动力传递。

随着内磁驱转子71的转动，会带动传力筒架72同步转动，进而带动转子磁体67同步转动，转子磁体67产生的旋转磁场与定子线圈66作用，在定子线圈66内产生感应电流，最终实现发电。在发电过程中，由于定子线圈66、转子磁体67等部件始终完全封闭在由发电组件壳体65、上端盖62及下端盖64构成封闭腔室中，实现了与外部上行泥浆的完全隔离，避免上行泥浆侵入发电组件壳体65内部，提高了发电稳定性和可靠性，提高了使用寿命。此外，由外防护筒59实现了换能叶片68与外部井壁的隔离，避免换能叶片68与井壁发生磕碰，上行泥浆可以在外防护筒59内部受控作用到换能叶片68上，提高了上行泥浆的动能转化率。

当需要造斜时，首先启动阀块执行机构18内的伺服电机20，由伺服电机20驱动滚珠丝杠22正向转动，带动丝母滑块23和阀块16同步上移，阀块16解除对钻井液排入孔14的封堵，在钻井液主流道8内流动的高压下行钻井液会通过解封的钻井液排入孔14进入钻井液副流道11内，随后依次经过外推机构12和内推机构13后，最后从钻井液排出孔15流入外套筒壳体6外部空间，并混入上行钻井液中。

在高压下行钻井液通过外推机构12时，会直接通过活塞腔25的无杆腔作用到外推活塞26上，驱动外推活塞26的活塞杆向外推出，最终带动辅助推出机构7整体向外推出，并由辅助推出机构7的外推顶盖34直接接触井壁，实现“外推井壁”的造斜任务。

同时，在高压下行钻井液通过内推机构13时，会直接推动主动楔块27在主动楔块限位滑槽30中向下滑移，并由缓冲弹簧29降低滑移过程中冲击力，随着主动楔块27的移动，主动楔块27的轴向移动会同步转化为从动楔块28的径向移动，从动楔块28通过缓冲垫32直接顶靠后钻头轴2，使前钻头轴1和后钻头轴2整体绕中空万向节3产生偏转，实现“内推主轴”的造斜任务。

若经过外推机构12和内推机构13的造斜后，造斜率仍未满足要求，则进一步启动辅助推出机构7，控制第一电磁进液阀43开启，外套筒壳体6外部空间的上行钻井液由第一上行钻井液进入孔45流入支撑底盖33，在引流台56的引流下，上行钻井液会首先驱动主动齿轮35顺时针转动，随后直接通过单向阀42从钻井液排出孔47返回外套筒壳体6外部空间；随着主动齿轮35的顺时针转动，会同步带动第一中间齿轮36和第二中间齿轮37逆时针转动，进而带动第一从动齿轮38和第二从动齿轮39同步顺时针转动，最终驱动第一螺柱40和第二螺柱41同步顺时针转动，第一螺柱40和第二螺柱41的旋转运动会同步转化为第一导向筒柱52和第二导向筒柱53直线外移运动，最终带动外推顶盖34独立向外推出，进一步增大“外推井壁”的外推距离，从而进一步增大造斜率，当造斜率达到要求后，关闭第二电磁进液阀44。

当造斜任务结束后，由阀块执行机构18控制阀块16复位，重新由阀块16将钻井液排入孔14封堵，切断高压下行钻井液的流入，钻井液副流道11仅通过钻井液排出孔15与外套筒壳体6外部空间导通，钻井液副流道11实现与外套筒壳体6外部空间的压力平衡，此时外推机构12和内推机构13在失去了压力差作用后，在压力平衡状态下也实现复位。

同时，第二电磁进液阀44开启，外套筒壳体6外部空间的上行钻井液由第二上行钻井液进入孔46流入支撑底盖33，在引流台56的引流下，上行钻井液会首先驱动主动齿轮35逆时针转动，随后直接通过单向阀42从钻井液排出孔47返回外套筒壳体6外部空间；随着主动齿轮35的逆时针转动，会同步带动第一中间齿轮36和第二中间齿轮37顺时针转动，进而带动第一从动齿轮38和第二从动齿轮39同步逆时针转动，最终驱动第一螺柱40和第二螺柱41同步逆时针转动，第一螺柱40和第二螺柱41的旋转运动会同步转化为第一导向筒柱52和第二导向筒柱53直线回落运动，最终带动外推顶盖34回落并复位，此时第二电磁进液阀44恢复关闭状态。

本实施例中，外推顶盖34独立向外推出的距离设定为5mm～8mm，由第一螺柱40和第二螺柱41的旋转圈数进行控制，第一螺柱40和第二螺柱41的旋转圈数间接通过主动齿轮35轴端配备的转速传感器测量，第一螺柱40和第二螺柱41的外螺纹采用0.3750-24UNJF-3A的外径为9.525mm、螺距为1.06mm、螺纹精度等级为3A的外螺纹，可以保证第一螺柱40和第二螺柱41的外螺纹具有较厚的厚度，进而保证外螺纹工作时具有良好的强度。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，其特征在于：在装置下端设置有泥浆发电机；所述泥浆发电机包括上转接柱、下转接柱、外防护筒、导流叶片、换能组件及发电组件；所述上转接柱、发电组件及下转接柱顺序串联螺接在一起；所述外防护筒同轴套装在上转接柱、发电组件及下转接柱外侧，外防护筒与下转接柱之间的环向间隙作为泥浆进口，所述导流叶片沿圆周方向均匀分布在泥浆进口所在的环向间隙内，外防护筒与下转接柱之间通过导流叶片固定连接；所述外防护筒与上转接柱之间的环向间隙作为泥浆出口，泥浆出口所在环向间隙内设有环形边沿，环形边沿与外防护筒为一体式结构，环形边沿与上转接柱之间螺接固定，在环形边沿上沿圆周方向均匀分布有若干出浆孔；所述换能组件设置在发电组件上。

2.根据权利要求1所述的一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，其特征在于：所述发电组件包括上端盖、芯轴、下端盖、发电组件壳体、定子线圈及转子磁体；所述上端盖、芯轴及下端盖顺序串联螺接在一起；所述上端盖与上转接柱同轴螺接固定；所述下端盖与下转接柱同轴螺接固定；所述发电组件壳体同轴套装在芯轴外侧，发电组件壳体上端与上端盖密封固定连接，发电组件壳体下端与下端盖密封固定连接；所述定子线圈及转子磁体位于发电组件壳体内部，定子线圈同轴固定套装在芯轴上，转子磁体同轴套装在定子线圈外侧，转子磁体与定子线圈正对分布。

3.根据权利要求2所述的一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，其特征在于：所述换能组件包括换能叶片、叶轮筒体、外磁驱转子、内磁驱转子及传力筒架；所述叶轮筒体同轴套装在发电组件壳体外侧，叶轮筒体与发电组件壳体之间的环形间隙内由减摩轴承组支撑固定；所述换能叶片与叶轮筒体为一体式结构，换能叶片位于叶轮筒体两端外部且沿圆周方向均匀分布；所述外磁驱转子同轴嵌装在叶轮筒体内表面，外磁驱转子由沿圆周方向均匀分布的永磁体组成，且相邻永磁体的磁极相反分布；所述传力筒架位于发电组件壳体内部，传力筒架同轴套装在芯轴上，传力筒架与芯轴及发电组件壳体之间的环形间隙内均由减摩轴承组支撑固定；所述内磁驱转子同轴套装在传力筒架上，内磁驱转子与外磁驱转子正对分布，内磁驱转子也由沿圆周方向均匀分布的永磁体组成，且相邻永磁体的磁极相反分布；所述转子磁体同轴嵌装在传力筒架上。

4.根据权利要求3所述的一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，其特征在于：在所述叶轮筒体与发电组件壳体之间的环形间隙内充有润滑油，在叶轮筒体的两端筒口处均设置有活塞式密封环，活塞式密封环与发电组件壳体之间设置有推力弹簧。

5.根据权利要求1所述的一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，其特征在于：包括前钻头轴、后钻头轴、中空万向节、钻柱轴、内套筒壳体、外套筒壳体及辅助推出机构；所述前钻头轴、后钻头轴、中空万向节及钻柱轴顺序串联螺接在一起形成旋转组件，旋转组件中心形成钻井液主流道；所述前钻头轴下端设有扩径段，所述钻柱轴上端设有扩径段；所述内套筒壳体同轴套装在旋转组件外侧，内套筒壳体位于前钻头轴与钻柱轴的扩径段之间，内套筒壳体上端与钻柱轴之间设有止推轴承，在止推轴承下方的内套筒壳体与钻柱轴之间设有深沟球轴承组；所述内套筒壳体下端面与前钻头轴的扩径段阶梯面之间接触面设为球面；所述外套筒壳体同轴固定套装在内套筒壳体外侧，在外套筒壳体与内套筒壳体之间形成钻井液副流道，钻井液副流道下端与钻井液主流道相连通，钻井液副流道上端与外套筒壳体外部空间相连通；在所述钻井液副流道内顺序设有外推机构和内推机构；所述外推机构向外伸出外套筒壳体，所述辅助推出机构设置在外推机构上，外推机构通过辅助推出机构与井壁顶推配合；所述内推机构向内伸出内套筒壳体，内推机构与后钻头轴顶推配合；所述内套筒壳体、外套筒壳体、辅助推出机构、外推机构及内推机构共同形成非旋转组件；所述泥浆发电机的上转接柱与前钻头轴下端同轴螺接固定。

6.根据权利要求5所述的一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，其特征在于：所述钻井液副流道共设置四条，四条钻井液副流道沿圆周方向均布分布，每条钻井液副流道内均设有外推机构和内推机构，每个外推机构上均设有辅助推出机构；所述外套筒壳体采用四瓣式组合拼接结构，外套筒壳体的每个单瓣体与内套筒壳体之间均设有一条钻井液副流道；所述钻井液主流道与钻井液副流道之间通过钻井液排入孔相导通，钻井液副流道与外套筒壳体外部空间通过钻井液排出孔相导通；在所述钻井液排入孔处设有阀块，阀块下方的内套筒壳体与外套筒壳体之间设有动力室，在动力室内设置有阀块执行机构；所述阀块执行机构包括伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、丝母滑块及轴承座；所述伺服电机固定嵌装在动力室内，伺服电机的电机轴通过联轴器与滚珠丝杠一端同轴固连，所述丝母滑块套装在滚珠丝杠另一端，所述阀块与丝母滑块固定连接在一起；所述滚珠丝杠与动力室之间通过轴承座相连；所述伺服电机由泥浆发电机供电。

7.根据权利要求5所述的一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，其特征在于：所述外推机构包括活塞腔及外推活塞，所述活塞腔内置于外套筒壳体上，所述外推活塞位于活塞腔，活塞腔的无杆腔与钻井液副流道相导通，活塞腔的有杆腔与外套筒壳体外部空间相导通；所述外推活塞的活塞杆延伸至外套筒壳体外部空间，所述辅助推出机构安装在外推活塞的活塞杆端部。

8.根据权利要求5所述的一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，其特征在于：所述内推机构包括主动楔块、从动楔块及缓冲弹簧；在所述外套筒壳体上内置有主动楔块限位滑槽，所述主动楔块位于主动楔块限位滑槽中，所述缓冲弹簧设置在主动楔块与主动楔块限位滑槽之间；在所述内套筒壳体上开设有从动楔块穿行孔，所述从动楔块穿装在从动楔块穿行孔中；所述从动楔块与主动楔块垂直分布，从动楔块的外端斜面与主动楔块的下端斜面顶靠接触，与从动楔块的内端正对的后钻头轴上固定套装有缓冲垫，从动楔块的内端通过缓冲垫与后钻头轴顶靠接触配合。

9.根据权利要求5所述的一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，其特征在于：所述辅助推出机构包括支撑底盖、外推顶盖、主动齿轮、第一中间齿轮、第二中间齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮、第一螺柱、第二螺柱、单向阀、第一电磁进液阀及第二电磁进液阀；所述支撑底盖与外推顶盖扣合装配在一起；所述主动齿轮位于支撑底盖内侧中心处，在主动齿轮的轴端配置有转速传感器；所述第一中间齿轮和第二中间齿轮镜像对称分布在主动齿轮两侧，第一中间齿轮和第二中间齿轮与主动齿轮同时啮合；所述第一螺柱位于第一中间齿轮正上方，所述第一从动齿轮同轴固装在第一螺柱下部，第一从动齿轮与第一中间齿轮相啮合；所述第二螺柱位于第二中间齿轮正上方，所述第二从动齿轮同轴固装在第二螺柱下部，第二从动齿轮与第二中间齿轮相啮合；所述主动齿轮、第一中间齿轮、第二中间齿轮、第一螺柱及第二螺柱相对于支撑底盖仅具有回转自由度；在所述第一中间齿轮下方的支撑底盖上设有第一上行钻井液进入孔，所述第一电磁进液阀安装在第一上行钻井液进入孔处；在所述第二中间齿轮下方的支撑底盖上设有第二上行钻井液进入孔，所述第二电磁进液阀安装在第二上行钻井液进入孔处；在所述第一电磁进液阀与第二电磁进液阀之间设有引流台，引流台的引流面与主动齿轮相切分布；在所述主动齿轮正上方的支撑底盖上设有上行钻井液排出孔，所述单向阀安装在上行钻井液排出孔处；在所述外推顶盖内侧固设有第一螺套筒柱和第二螺套筒柱；所述第一螺柱与第一螺套筒柱螺接配合，所述第二螺柱与第二螺套筒柱螺接配合；在所述第一上行钻井液进入孔、第二上行钻井液进入孔及钻井液排出孔的外孔口处均设有过滤网。

10.根据权利要求9所述的一种利用泥浆发电的复合式旋转导向钻井偏置装置，其特征在于：在所述支撑底盖内侧四个角点处设有升降导向盲孔，在所述外推顶盖内侧四个角点处设有升降导向柱，升降导向柱与升降导向盲孔插接导向配合；所述第一中间齿轮和第二中间齿轮的齿轮轴均采用延长轴结构，在所述外推顶盖内侧固设有第一导向筒柱和第二导向筒柱；所述第一中间齿轮的齿轮轴延长段与第一导向筒柱插接导向配合；所述第二中间齿轮的齿轮轴延长段与第二导向筒柱插接导向配合；所述支撑底盖底部中心处设有转接凸台，在所述外推活塞的活塞杆顶端设有转接凹槽，支撑底盖通过转接凸台与外推活塞的活塞杆顶端转接凹槽固定插接相连。