CN205477364U - 一种动态指向式旋转导向钻井设备 - Google Patents

Abstract

一种动态指向式旋转导向钻井设备，包括旋转外套，在旋转外套内设有从左至右依次连接的偏心机构、导向轴、扭矩传递机构及密封装置。偏心机构由内外偏心环组成，内偏心环安装在外偏心环内部，且套接在球座上，内外偏心环均通过法兰与无框电机直接连接并由无框电机直接驱动，导向轴的左端插入球座中，导向轴右端装有扭矩传递机构，扭矩传递机构右端设置有密封装置；本实用新型通过采用无框电机直接驱动偏心机构实现导向轴的偏置，减少了工具结构形状尺寸，极大的节省了机构内部空间，且偏置调节过程连续无间隙；改善了钻具的受力状况，具有更长的寿命；既不受地层复杂情况的影响，又能实现井眼轨迹的精确控制；同时具有响应的快速性、较高的可靠性和良好的稳定性。

Description

一种动态指向式旋转导向钻井设备

技术领域

本实用新型专利涉及钻探领域的一种旋转导向钻井工具，特别涉及一种动态指向式旋转导向钻井设备。

背景技术

目前的井下旋转导向钻井工具按工作方式基本可以分为：静态偏置推靠式、动态偏置(调制式)推靠式、静态偏置指向式和动态偏置指向式四类。静态偏置推靠式缺点是小型化能力差、结构复杂等；动态偏置推靠式缺点是钻头和钻头轴承的磨损较严重,工作寿命短；静态偏置指向式缺点是芯轴承受高强度的交变应力,芯轴容易发生疲劳破坏。动态指向式旋转导向钻井工具作为一种最新的设计理念，代表了当今世界钻井技术发展的最高水平。

在国内，天津大学实用新型了一种静态指向式旋转导向工具，使用电机带动少齿差偏心行星轮系实现芯轴的偏置，通过采用中空万向连轴节连接钻柱和芯轴，改善了芯轴的受力状况，但是空间机构复杂，芯轴指向精度一般。

发明内容

为了克服目前技术上存在的问题，本实用新型提供了一种动态指向式旋转导向钻井设备，该工具使用无框电机直接驱动偏心机构，减少了工具结构尺寸，极大的节省了工具内部空间，且偏置过程连续无间隙，导向轴指向精度高；改善了钻具的受力状况，具有更长的使用寿命；本实用新型的工具既不受地层复杂性的影响，又能实现井眼轨迹的精确控制；同时具有响应的快速性、较高的可靠性和 良好的稳定性。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种动态指向式旋转导向钻井设备包括旋转外套11，在旋转外套11内从左至右依次连接有偏心机构、导向轴7、扭矩传递机构8及密封装置9。

所述的偏心机构包括内偏心环4和外偏心环3，内偏心环4安装在外偏心环3内部，且套接在球座10上，内偏心环4通过第二法兰5右端面与第二无框电机6的输出轴连接，外偏心环3通过第一法兰2的右端面与第一无框电机1的输出轴连接，导向轴7的左端插入球座10中，导向轴7右端装有扭矩传递机构8，扭矩传递机构8右端设置有密封装置9。

外偏心环3和内偏心环4的偏心距均为e，合偏心位移为ρ，ρ的大小范围为0～2e，合位移矢量转角为θ，角度范围为0～2π。

调角公式：

调方位公式：

导向偏心距ρ稳定条件：ω₁＝ω₂ (3)

导向方位角γ稳定条件：

完成导向最终稳定条件：ω₁＝ω₂＝ω₃ (5)

式中：ρ为导向偏心距，单位：mm；γ为方位角，单位：rad；e为内、外偏心环偏心距，单位：mm；ω₁为外偏心环角速度，单位：rad/s；ω₂为内偏心环角速度，单位：rad/s；ω₃为旋转外套角速度，单位：rad/s；θ为导向轴偏心距ρ与x轴之间的夹角，单位：rad；t为时间，单位：s。

导向轴7具有曲面轮廓段12，曲面轮廓段12的中心为导向轴的摆动中心，导向轴7的右端开有锥螺纹13。

扭矩传递机构8包括球套14、长销15和钢球16构成，扭矩传递机构8中球套14的外径和与其配合处的旋转外套11的内径相同，球套14的外圆面上均布有8个相同的下半圆形凹槽，与其相配合的旋转外套11的内部也均布有8个相同的上半圆形凹槽，上下凹槽配合形成一个完整圆形，长销15的外径与所形成的圆形凹槽直径相同，8根长销15分别插入这8个圆形凹槽内，可以将旋转外套11的扭矩传递给导向轴7，从而实现扭矩传递机构的功能。球套14以及导向轴7的曲面段开有8个滚道，滚道的截面为椭圆形，滚道的母线为圆弧，钢球16位于球套14的滚道和导向轴7的轴滚道之间，钢球16的球面与滚道面保持相切。

密封装置9包括连接环17，密封套18，金属密封波纹管19，安全阀20，单向阀21，压力缸套22，活塞23，弹簧24，螺旋密封25，弹簧挡圈26。连接环17通过过盈配合装入密封套18的左端，连接环17的右端与金属密封波纹管19的左端焊接在一起，金属密封波纹管19的右端焊接在压力缸套22的左端。压力缸套22最左端设有安全阀20，安全阀20的右边设有单向阀21，压力缸套22内部适当位置与活塞23过盈配合，活塞23同时与导向轴7过盈配合，活塞23的右端面处与弹簧24的左端焊接，弹簧24的右端焊接在螺旋密封25的左端面处，螺旋密封25右端有弹簧挡圈26定位，并过盈配合套在导向轴7上。

本实用新型具有的优点和积极效果是：

(1)通过法兰将无框电机与偏心环相连，由无框电机直接驱动内外偏心环，实现导向轴的偏置，使该工具简化了结构形状尺寸，极大的减小了机构尺寸，且偏置调节过程连续无间隙；改善了钻具的受力状况，具有更长的寿命；既不受地层复杂性的影响，又能实现井眼轨迹的精确控制；同时具有响应的快速性、较高 的可靠性和良好的稳定性。

(2)通过控制偏心环实现导向轴的偏置，通过内外偏心环的不同组合得到不同的造斜率，在实际使用中不需要提钻即可实现多种工作状态，达到增斜、降斜和稳斜的目的。

(3)采用椭圆形滚道，发挥椭圆自身特点的优势，使钢球与滚道两点接触，在受到大载荷时能够精确可靠地传递运动和扭矩。

(4)采用组合密封圈设计，楔形截面金属密封圈、矩形密封圈、O型圈的有机配合，增强了密封圈对井下高压的耐受力，减小了因压力差而产生的密封圈失效，提高了密封结构的工作寿命。

(5)采用了压力补偿单元配合其他密封元件的设计方法，有效的降低了密封界面两侧的压力差，降低了其他密封元件因高压力差而引起的破坏，减少了泄漏量。

附图说明

图1是本实用新型的原理示意图。

图2是本实用新型导向轴结构剖视图。

图3是本实用新型图1在B-B处扭矩传递机构剖面图。

图4是本实用新型密封装置剖视图。

图5是本实用新型处于零偏置状态时图1的A-A处偏心环剖面图。

图6是本实用新型处于极大偏置状态时图1的A-A处偏心环剖面图。

图7是本实用新型偏心结构运动模型图。

图8是本实用新型钢球在扭矩传递机构内椭圆滚道上的接触示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做详细说明。

参照图1，一种动态指向式旋转导向钻井设备包括旋转外套11，在旋转外套11内从左至右依次连接有偏心机构、导向轴7、扭矩传递机构8及密封装置9。

所述的偏心机构包括内偏心环4和外偏心环3，内偏心环4安装在外偏心环3内部，且套接在球座10上，内偏心环4通过第二法兰5右端面与第二无框电机6的输出轴连接，外偏心环3通过第一法兰2的右端面与第一无框电机1的输出轴连接，内偏心环4和外偏心环3均通过法兰与无框电机直接连接并由无框电机直接驱动，导向轴7的左端插入球座10中，导向轴7右端装有扭矩传递机构8，扭矩传递机构8右端设置有密封装置9。

参照图2，导向轴7具有曲面轮廓段12，曲面轮廓段12的中心为导向轴的摆动中心，导向轴7的右端开有锥螺纹13。

参照图3，扭矩传递机构8包括球套14、长销15和钢球16构成，扭矩传递机构8中球套14的外径和与其配合处的旋转外套11的内径相同，球套14的外圆面上均布有8个相同的下半圆形凹槽，与其相配合的旋转外套11的内部也均布有8个相同的上半圆形凹槽，上下凹槽配合形成一个完整圆形，长销15的外径与所形成的圆形凹槽直径相同，8根长销15分别插入这8个圆形凹槽内，可以将旋转外套11的扭矩传递给导向轴7，从而实现扭矩传递机构的功能。球套14以及导向轴7的曲面段开有8个滚道，滚道的截面为椭圆形，滚道的母线为圆弧，钢球16位于球套14的滚道和导向轴7的轴滚道之间，钢球16的球面与滚道面保持相切。

参照图4，密封装置9包括连接环17，密封套18，金属密封波纹管19，安全阀20，单向阀21，压力缸套22，活塞23，弹簧24，螺旋密封25，弹簧挡圈 26。连接环17通过过盈配合装入密封套18的左端，连接环17的右端与金属密封波纹管19的左端焊接在一起，金属密封波纹管19的右端焊接在压力缸套22的左端。压力缸套22最左端设有安全阀20，安全阀20的右边设有单向阀21，压力缸套22内部适当位置与活塞23过盈配合，活塞23同时与导向轴7过盈配合，活塞23的右端面处与弹簧24的左端焊接，弹簧24的右端焊接在螺旋密封25的左端面处。螺旋密封25右端有弹簧挡圈26定位。并过盈配合套在导向轴7上。

本实用新型的工作原理:

旋转外套11旋转产生扭矩通过扭矩传递机构8传到导向轴7上，使导向轴7带动钻头对岩层经行钻削。导向轴7右端使用波纹管9实现密封。扭矩传递机构8也是导向轴7的转动支点。导向轴7与球座10配合，形成一个圆柱副，球座10和内偏心环4形成一个球铰副，使得导向轴7在摆动过程中不会被卡死。为了便于安装钻头在导向轴7的最右端开设有锥螺纹，钻头钻进方向的改变是由导向轴7摆动的角位移产生的。

在第一无框电机1没有输出的情况下，外偏心环3无转动。第二无框电机6直接驱动内偏心环4为整个偏置机构提供动力。导向轴7在内偏心环的带动下，绕转动支点即扭矩传递机构8产生一点的偏角，实现导向轴7的偏置。

在第二无框电机6没有输出的情况下，内偏心环4无转动。第一无框电机1直接驱动外偏心环3为整个偏置机构提供动力。导向轴7在外偏心环的带动下，绕转动支点即扭矩传递机构8产生一点的偏角，实现导向轴7的偏置。

在两个无框电机同时输出的情况下，内偏心环4和外偏心环3同时转动，能更快速有效的实现导向轴7的偏置位移从零到最大值的之间的连续调节。如图5 所示，外偏心环3绕O点旋转，内偏心环4绕O₁点旋转，O₂为内偏心孔的中心即导向轴7的中心线在A-A截面的位置，合偏心距为O-O₂。当内外偏心环4、3方向相反时，O点与O₂点重合，偏心距相互抵消，可实现图5所示的零偏置状态；当内外偏心环4、3的偏心方向相同时，合偏心距O-O₂距离最大，偏心机构产生最大偏心位移，可实现图6所示的极大偏置状态。

偏心机构的偏置大小和方向取决于内外偏心环的合偏心位移，可以用矢量图来表示合偏心位移与内外偏心圆的偏心距的关系，如图7所示，外偏心环3和内偏心环4的偏心距均为e，合偏心位移为ρ，合位移矢量转角为θ，不难看出，ρ的大小范围为0～2e，角度范围为0～2π。

图7所示，外偏心环与旋转外套的几何中心皆为O，内偏心环几何中心O₁，导向轴在偏心结构处几何中心O₂，内偏心环与外偏心环偏心距均为e。由几何关系建立数学方程，可以求得导向轴的几何中心O₂在任意一时刻t的坐标O₂(x，y)，导向轴在偏心机构处偏离零偏置状态的距离即导向偏心距ρ，也就是O-O₂。导向偏心距ρ与x轴之间的夹角为θ，整个偏心机构以速度ω₃转动，O-O₂实际转过的角度γ要减去ω₃t，因而有：

x＝e·[cos(ω₁t)+cos(ω₂t)] (1)

y＝e·[sin(ω₁t)+sin(ω₂t)] (2)

ρ²＝e²·[cos(ω₁t)+cos(ω₂t)]²+e²·[sin(ω₁t)+sin(ω₂t)]²＝2e²·[1+cos(ω₂t-ω₁t)]

$\mathrm{\ρ}=\sqrt{2}e\sqrt{1+cos({\mathrm{\ω}}_{2}t-{\mathrm{\ω}}_{1}t)}---\left(3\right)$

因为OO₁O₂所构成的三角形为等腰三角形，所以：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\ω}}_{1}t+({\mathrm{\ω}}_{2}t-{\mathrm{\ω}}_{1}t)/2=\frac{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}{2}t---\left(4\right)$

则方位角γ为：

$\mathrm{\γ}=\mathrm{\θ}-{\mathrm{\ω}}_{3}t=\frac{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}{2}t-{\mathrm{\ω}}_{3}t---\left(5\right)$

综上所述可得：

调角公式：

调方位公式：

式中：ρ为导向偏心距，mm；γ为方位角，rad；e为内、外偏心环偏心距，mm；ω₁为外偏心环角速度，rad/s；ω₂为内偏心环角速度，rad/s；ω₃为旋转外套角速度，rad/s；θ为导向轴偏心距ρ与x轴之间的夹角，rad；t为时间，s。

由上可知导向偏心距ρ的大小只与偏心距e和内、外偏心环角速度相关；方位角γ的大小与旋转外套速度、内、外偏心环角速度相关。本文所述导向轴7的连续调角功能是通过调节偏心距ρ的大小来实现的，连续调方位功能是通过调节方位角γ的大小来实现。

当角度调节到预定位置处时，接下来就必须研究如何让角度稳定到该位置处。以导向偏心距增量为切入点研究导向偏心距的变化，首先对ρ关于t求导：

$\frac{d\mathrm{\ρ}}{dt}=-\frac{\sqrt{2}}{2}e\·\frac{sin({\mathrm{\ω}}_{2}t-{\mathrm{\ω}}_{1}t)\·({\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1)}{1+cos({\mathrm{\ω}}_{2}t-{\mathrm{\ω}}_{1}t)}---\left(8\right)$

dρ/dt的值为ρ在单位时间内的增量，要使ρ稳定在某一值处，其增量dρ/dt的值要恒于零。要dρ/dt恒等于零，必有：

(ω₁-ω₂)·t＝n·π (9)

ω₁-ω₂＝0 (10)

式(9)中n为整数。

式(10)是与时间t有关的稳定状态，是一种瞬时稳态并不能满足实际工作需求；式(11)的稳定状态与时间无关是一个持续稳定状态，满足实际工作需要。因此要使角度随时间保持不变必有：

ω₁＝ω₂ (11)

接下来对导向偏心距ρ具体稳定在哪一值处做进一步的论证。设再经过t₁时间，导向偏心距为ρ₁，O₂坐标为(x₁,y₁)，OO₁转过的角度为(ω₁t₁+ω₁t)，O₁O₂转过的角度为(ω₁t₁+ω₂t)。则有：

x₁＝ecos(ω₁t₁+ω₁t)+ecos(ω₁t₁+ω₂t) (12)

y₁＝esin(ω₁t₁+ω₁t)+esin(ω₁t₁+ω₂t) (13)

${\mathrm{\ρ}}_1^2=x_1^2+y_1^2=2e^2[1+\cos ({\mathrm{\ω}}_{2}t-{\mathrm{\ω}}_{1}t)]$

${\mathrm{\ρ}}_1=\sqrt{2}e\sqrt{1+cos({\mathrm{\ω}}_{2}t-{\mathrm{\ω}}_{1}t)}---\left(14\right)$

此时ρ＝ρ₁，可以看出导向偏心距ρ稳定在ω₁＝ω₂时的大小。

在进行方位调节时，当方位到达预定位置时也需要将其稳定在预定位置处。与角度调节所用方法相同也从增量角度入手，先对调方位公式进行求导，即对γ关于t进行求导：

$\frac{d\mathrm{\γ}}{dt}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}{2}-{\mathrm{\ω}}_3---\left(15\right)$

dγ/dt是γ在单位时间内的增量，要使γ的值保持不变，则dγ/dt的值必须恒等于零。那么：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}{2}={\mathrm{\ω}}_3---\left(16\right)$

当(ω₁+ω₂)/2＝ω₃后，随着时间的推移γ值恒定。接下来对上述论证做进一步的研究分析，从数学角度证明该方案的可行性。设方位调节完成后外偏心环角速度为ω₁₁，内偏心环角速度为ω₂₁，旋转外套的角速度为ω₃₁，且此时有(ω₁₁+ω₂₁)/2＝ω₃₁，经过时间t₂，此时方位角为γ₁。则有：

${\mathrm{\γ}}_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}{2}t-{\mathrm{\ω}}_{3}t+(\frac{{\mathrm{\ω}}_{11}+{\mathrm{\ω}}_{21}}{2}-{\mathrm{\ω}}_{31})t=\frac{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}{2}t-{\mathrm{\ω}}_{3}t=\mathrm{\γ}---\left(17\right)$

式中：ω₁₁为方位调节完成后外偏心环角速度，rad/s；ω₂₁为方位调节完成后 内偏心环角速度，rad/s；ω₃₁为方位调节完成后旋转外套角速度，rad/s；

由上式可以看出方位角γ稳定在(ω₁+ω₂)/2＝ω₃时的位置。

即可看出要使ρ、γ同时稳定在某一预定工作角度与方位处时必有:ω₁＝ω₂且(ω₁+ω₂)/2＝ω₃，即：

ω₁＝ω₂＝ω₃ (18)。

参照图4，动态指向式旋转导向钻井工具在零偏置状态钻进时，导向轴7与11旋转外套同轴线，动态指向式旋转导向钻井工具内部采用正压力设计，保证钻井液无法刺穿密封件，进入工具内部，保证密封的可靠性；同时螺旋密封25作为辅助密封，使进入压力缸套22的钻井液中的固态含量有效降低，减少对内部金属密封波纹管19和压力补偿单元的冲刷与磨损，提高密封的使用寿命。压力补偿单元由安全阀20、单向阀21、压力缸套22、活塞23、弹簧24组成。

动态指向式旋转导向钻井工具在导向钻进时，导向轴7会偏摆到一定的角度，而影响压力补偿单元及螺旋密封25的同轴度产生间隙泄露。而金属密封波纹管19的柔性变形则可以补偿，导向轴7的偏摆角度给密封带来的不利影响，实现自动径向补偿的目的。

在整个导向钻进过程中，压力补偿单元都实时对井下钻井液压力做出相应变化，通过活塞23的移动调节密封结构两侧压力差保持在设计要求之内，提高了密封寿命和性能。

参照图8，钢球16的球面与椭圆滚道相切，椭圆的中心为：o₃，钢球的中心为：o₄。根据几何关系，由钢球16直径、压力角可以计算出椭圆滚道的半短轴a，半长轴b以及钢球16球心到椭圆中心的距离e₃。本设计中，钢球直径为R，压力角为钢球16与轨道始终保持两点接触，能够精确，可靠地传递 运动和扭矩。

综上所述，对本实用新型进行了详细的描述，上述的内容仅是示意性的，通过采用无框电机直接驱动偏心机构控制导向轴偏置。极大的节省了工具内部空间，而且能保证导向轴连续稳定的变化。

Claims (5)

1.一种动态指向式旋转导向钻井设备，包括旋转外套(11)，其特征为：旋转外套(11)内从左至右依次连接有偏心机构、导向轴(7)、扭矩传递机构(8)及密封装置(9)；

所述的偏心机构包括内偏心环(4)和外偏心环(3)，内偏心环(4)安装在外偏心环(3)内部，且套接在球座(10)上，内偏心环(4)通过第二法兰(5)右端面与第二无框电机(6)的输出轴连接，外偏心环(3)通过第一法兰(2)的右端面与第一无框电机(1)的输出轴连接，导向轴(7)的左端插入球座(10)中，导向轴(7)右端装有扭矩传递机构(8)，扭矩传递机构(8)右端设置有密封装置(9)。

2.根据权利要求1所述的一种动态指向式旋转导向钻井设备，其特征在于，外偏心环(3)和内偏心环(4)的偏心距均为e，合偏心位移为ρ，ρ的大小范围为0～2e，合位移矢量转角为θ，角度范围为0～2π；

调角公式：

调方位公式：

导向偏心距ρ稳定条件：ω₁＝ω₂

导向方位角γ稳定条件：

完成导向最终稳定条件：ω₁＝ω₂＝ω₃

式中：ρ为导向偏心距，单位：mm；γ为方位角，单位：rad；e为内、外偏心环偏心距，单位：mm；ω₁为外偏心环角速度，单位：rad/s；ω₂为内偏心环角速度，单位：rad/s；ω₃为旋转外套角速度，单位：rad/s；θ为导向轴偏心距ρ与x轴之间的夹角，单位：rad；t为时间，单位：s。

3.根据权利要求1所述的一种动态指向式旋转导向钻井设备，其导向轴(7)具有曲面轮廓段(12)，曲面轮廓段(12)的中心为导向轴的摆动中心，导向轴(7)的右端开有锥螺纹(13)。

4.根据权利要求1所述的一种动态指向式旋转导向钻井设备，其扭矩传递机构(8)有球套(14)、长销(15)和钢球(16)构成，扭矩传递机构(8)中球套(14)的外径和与其配合处的旋转外套(11)的内径相同，球套(14)的外圆面上均布有8个相同的下半圆形凹槽，与其相配合的旋转外套(11)的内部也均布有8个相同的上半圆形凹槽，上下凹槽配合形成一个完整圆形，长销(15)的外径与所形成的圆形凹槽直径相同，8根长销(15)分别插入这8个圆形凹槽内，可以将旋转外套(11)的扭矩传递给导向轴(7)，球套(14)以及导向轴(7)的曲面段开有8个滚道，滚道的截面为椭圆形，滚道的母线为圆弧，钢球(16)位于球套(14)的滚道和导向轴(7)的轴滚道之间，钢球(16)的球面与滚道面保持相切。

5.根据权利要求1所述的一种动态指向式旋转导向钻井设备，其密封装置(9)包括连接环(17)，密封套(18)，金属密封波纹管(19)，安全阀(20)，单向阀(21)，压力缸套(22)，活塞(23)，弹簧(24)，螺旋密封(25)，弹簧挡圈(26)；连接环(17)通过过盈配合装入密封套(18)的左端，连接环(17)的右端与金属密封波纹管(19)的左端焊接在一起，金属密封波纹管(19)的右端焊接在压力缸套(22)的左端；压力缸套(22)最左端设有安全阀(20)，安全阀(20)的右边设有单向阀(21)，压力缸套(22)内部适当位置与活塞(23)过盈配合，活塞(23)同时与导向轴(7)过盈配合，活塞(23)的右端面处与弹簧(24)的左端焊接，弹簧(24)的右端焊接在螺旋密封(25)的左端面处，螺旋密封(25)右端有弹簧挡圈(26)定位，并过盈配合套在导向轴(7)上。