CN207934809U - 一种钻井导向工具及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种钻井导向工具及系统，属于钻井工具领域。钻井导向工具包括空心外套、旋转轴、空心钻铤、驱动机构和密封结构空心外套套设于旋转轴的外侧，旋转轴与空心外套通过球面轴承连接。空心钻铤可转动的设置于空心外套内，空心钻铤上设有限位孔，旋转轴插设于限位孔内，限位孔的孔壁与旋转轴的外壁存在间隙。驱动机构用于使旋转轴弯曲。密封结构包括滑动体、固定体和第一弹性件，滑动体与旋转轴滑动密封，滑动体具有第一球面，固定体固定于旋转轴上，空心钻铤具有第二球面，第一弹性件作用于滑动体与固定体之间，以使第一球面与第二球面接触密封。这种钻井导向工具，旋转轴插设于空心钻铤内后，空心钻铤不会限制旋转轴的弯曲。

Description

一种钻井导向工具及系统

技术领域

本实用新型涉及钻井工具领域，具体而言，涉及一种钻井导向工具及系统。

背景技术

旋转导向钻井工具是靠空心外套与旋转轴之间的驱动机构使旋转轴弯曲偏执，从而为钻头提供一个与井眼轴线不一致的倾角，产生导向作用。现有的旋转导向钻井工具中的旋转轴插设于空心钻铤中，空心钻铤对旋转轴的弯曲具有一定的限制作用，旋转轴的弯曲效果差，从而导致钻头的倾斜效果不佳，钻井效果不能达到预期。

实用新型内容

本发明的目的在于提供一种钻井导向工具，以改善驱动机构对旋转轴的弯曲具有限制作用的问题。

本实用新型的目的在于提供一种钻井导向系统，以改善驱动机构对旋转轴的弯曲具有限制作用的问题。

本实用新型是这样实现的：

基于上述第一目的，本实用新型提供一种钻井导向工具，包括：

空心外套；

旋转轴，所述空心外套套设于所述旋转轴的外侧，所述旋转轴与所述空心外套通过球面轴承连接；

空心钻铤，所述空心钻铤可转动的设置于所述空心外套内，所述空心钻铤上设有限位孔，所述旋转轴插设于所述限位孔内，所述限位孔的孔壁与所述旋转轴的外壁存在间隙，所述空心钻铤与所述旋转轴间设有第一限位结构，以限制所述旋转轴相对所述空心钻铤转动；

驱动机构，所述驱动机构位于所述空心外套内，所述驱动机构用于使所述旋转轴弯曲；

密封结构，所述密封结构包括滑动体、固定体和第一弹性件，所述滑动体可滑动的设置于所述旋转轴上，所述滑动体与所述旋转轴滑动密封，所述滑动体具有第一球面，所述固定体固定于所述旋转轴上，所述空心钻铤上设有凹槽，凹槽具有第二球面，所述第一弹性件作用于所述滑动体与所述固定体之间，以使所述第一球面与所述第二球面接触密封。

进一步地，所述第一限位结构包括多个推杆、多个第二弹性件和设于所述旋转轴上的多个圆周分布的卡槽，所述推杆、所述第二弹性件与所述卡槽一一对应；

所述卡槽沿所述旋转轴的轴向布置，所述推杆与所述空心钻铤滑动连接，所述推杆能够沿所述空心钻铤的径向滑动，所述第二弹性件作用于所述推杆，以使所述推杆卡于所述卡槽内。

进一步地，所有所述卡槽均匀分布于所述旋转轴上。

进一步地，所述旋转轴上设有四个所述卡槽。

进一步地，所述驱动机构包括旋转体、第一驱动装置和第二驱动装置；

所述旋转体包括第一旋转环和第二旋转环，所述第二旋转环与所述第一旋转环滑动连接，所述第二旋转环与所述第一旋转环之间设置有第二限位结构，以限制第二旋转环相对所述第一旋转环转动，所述第一旋转环与所述空心外套转动连接，所述第一驱动装置用于驱动所述第一旋转环相对所述空心外套转动，所述第二驱动装置用于驱动所述第二旋转环相对所述第一旋转环轴向滑动；

所述旋转轴具有接触面，所述接触面为圆锥面；

所述第二旋转环上设有挤顶部，当所述第二驱动装置驱动所述第二旋转环相对第一旋转环轴向滑动时，所述挤顶部能够沿所述接触面移动，以使所述旋转轴弯曲。

进一步地，所述第一旋转环包括基环和沿所述基环轴向延伸的导向环，所述基环的外壁与所述空心外套接触并形成转动配合，所述第二旋转环套设于所述导向环的外侧，所述第二旋转环的内壁与所述导向环接触并形成滑动配合。

进一步地，所述第二限位结构包括设于所述导向环的外壁上的凸出部和设于所述第二旋转环的内壁上的滑槽，所述凸出部延伸至所述滑槽内；

所述第二旋转环相对所述第一旋转环轴向移动时，所述凸出部能够在所述滑槽内滑动。

进一步地，所述挤顶部具有连接端和接触端，所述连接端与所述第二旋转环连接，所述接触端用于与所述接触面接触，所述挤顶部沿所述第二旋转环的径向延伸。

进一步地，所述第二驱动装置的两端分别与所述挤顶部和第一旋转环连接。

基于上述第二目的，本实用新型提供一种钻井导向系统，包括钻机、钻柱、钻头和上述的钻井导向工具，钻柱的一端与钻机连接，钻柱的另一端与所述空心钻铤连接，所述钻头与旋转轴连接。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供一种钻井导向工具，由于旋转轴的外壁与限位孔的孔壁存在间隙，驱动机构在使旋转轴弯曲过程中，限位孔的孔壁不会对旋转轴造成干扰。旋转轴与空心钻铤间的第一限位结构起到限位作用，以保证旋转轴与空心钻铤间的同步转动。此外，旋转轴在弯曲过程中，滑动体将在凹槽内转动，在第一弹性件的作用下第一球面与第二球面始终接触，保证了旋转轴与空心钻铤间的密封性。当旋转轴未受到驱动机构所施加的外力时，第一球面与第二球面接触可使旋转轴对中。这种钻井导向工具，旋转轴插设于空心钻铤内后，空心钻铤不会限制旋转轴的弯曲，可保证旋转轴能够很好的弯曲，使得钻头的倾斜效果更好。

本发明提供一种钻井导向系统，包括上述钻井导向工具，具有上述钻井导向工具的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的钻井导向工具的结构示意图；

图2为图1所示的空心外套的结构示意图；

图3为图1所示的空心轴的结构示意图；

图4为图3所示的IV-IV剖视图；

图5为图1所示的空心钻铤的结构示意图；

图6为图1所示的旋转体的结构示意图；

图7为图1所示的钻井导向工具的局部视图；

图8为本发明实施例2提供的钻井导向系统的结构示意图。

图标：200-钻井导向工具；10-空心外套；11-第一筒体；111-第一限位环；12-过渡体；13-第二筒体；131-第二限位环；20-旋转轴；21-轴头；22-第一轴部；23-锥形部；231-接触面；24-第二轴部；241-卡槽；30-空心钻铤；31-周壁；32-底壁；33-限位孔；34-插孔；35-推杆；36-第二弹性件；37-凹槽；38-第二球面；40-驱动机构；41-旋转体；411-第一旋转环；4111-基环；4112-导向环；4113-凸出部；412-第二旋转环；4121-挤顶部；4122-连接端；4123-接触端；4124-滑槽；42-第一驱动装置；43-第二驱动装置；50-轴承；60-第一压盖；70-第一密封圈；80-球面轴承；90-第二压盖；100-第二密封圈；110-密封结构；1101-滑动体；1102-固定体；1103-第一弹性件；1104-第一球面；300-钻井导向系统；310-钻机；320-钻柱；330-钻头。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种钻井导向工具200，包括空心外套10、旋转轴20、空心钻铤30和驱动机构40，旋转轴20可转动的设置在空心外套10内，空心钻铤30与旋转轴20连接，空心钻铤30能够与旋转轴20一同转动，驱动机构40设于空心外套10内，驱动机构40用于使旋转轴20弯曲。

如图2所示，空心外套10为两端开口的空心结构，其截面为环形。空心外套10包括同轴设置的第一筒体11、过渡体12和第二筒体13，第一筒体11与第二筒体13通过过渡体12连接，第一筒体11的内径大于第二筒体13的内径。第一筒体11的内壁上设有第一限位环111，第一限位环111靠近第一筒体11远离第二筒体13的远端。第二筒体13的内壁上设有第二限位环131，第二限位环131靠近第二筒体13远离第一筒体11的一端。

如图3所示，旋转轴20为空心轴，旋转轴20包括同轴设置的轴头21、第一轴部22、锥形部23和第二轴部24，第一轴部22与第二轴部24通过锥形部23连接，第一轴部22远离锥形部23的一端与轴头21连接。第一轴部22的外径大于第二轴部24的外径，锥形部23的外壁接触面231，接触面231为圆锥面，第一轴部22的外壁通过接触面231过渡到第二轴部24。如图4所示，第二轴部24的外壁上设有多个圆周均匀分布的卡槽241，本实施例中，卡槽241为四个，卡槽241沿第二轴部24的轴向延伸，卡槽241贯通第二轴部24远离锥形部23的一端。

如图5所示，空心钻铤30为圆形结构，空心钻铤30包括周壁31和设于周壁31底部的底壁32。其中，底壁32上设有限位孔33，限位孔33的孔径大于旋转轴20的第二轴部24的外径。限位孔33的孔壁上设有多个圆周均匀分布的插孔34，本实施例中，插孔为四个，插孔34沿限位孔33的半径方向布置，插孔34内设有推杆35和第二弹性件36，本实施例中，第二弹性件36为弹簧，推杆35可在插孔34内滑动，第二弹性件36作用于第二弹性件36，使得第二弹性件36的一端延伸至限位孔33内。推杆35、第二弹性件36和旋转轴20上的卡槽241的个数一一对应。此外，空心钻铤30的底壁32的内表面设有凹槽37，凹槽37与限位孔33连通，凹槽37具有第二球面38。

如图1所示，空心外套10、旋转轴20和空心钻铤30连接时，空心钻铤30设于空心外套10的第一筒体11远离第二筒体13的一端，空心钻铤30与第一筒体11通过轴承50连接，以实现空心钻铤30与空心外套10的转动连接。第一筒体11远离第二筒体13的一端螺接有第一压盖60，第一压盖60将轴承50压于第一限位环111上，第一压盖60与空心钻铤30间设有第一密封圈70。旋转轴20设于空心外套10内，旋转轴20的轴头21延伸至空心外套10外，旋转轴20的第一轴部22与空心外套10的第二筒体13通过球面轴承80连接。第二筒体13远离第一筒体11的一端螺接有第二压盖90，第二压盖90将球面轴承80压于第二限位环131上，第二压盖90与旋转轴20的第一轴部22件设有第二密封圈100。旋转轴20的第二轴部24延伸至空心钻铤30的限位孔33内，第二轴部24的外壁与限位孔33的孔壁存在间隙，在第二弹性件36的作用下，推杆35插设在第二轴部24的卡槽241内。所有推杆35、所有第二弹性件36和所有卡槽241构成第一限位结构，以限制空心钻铤30与旋转轴20的相对转动，从而实现空心钻铤30与旋转轴20的同步转动。

驱动机构40的作用是旋转轴20发生弯曲。如图1所示，驱动机构40包括旋转体41、第一驱动装置42和第二驱动装置43。

如图6所示，旋转体41包括同轴设置的第一旋转环411和第二旋转环412，第二旋转环412与第一旋转环411滑动连接，第二旋转环412与第一旋转环411之间设有第二限位结构，即第二旋转环412只能相对第一旋转环411轴向移动，第二旋转环412不能相对第一旋转环411转动。

其中，第一旋转环411包括基环4111和沿基环4111轴向延伸的导向环4112，基环4111的外径与空心外套10的第一筒体11的内径相匹配，导向环4112的内径大于基环4111的内径，导向环4112的外径小于基环4111的外径，基环4111的内径大于旋转轴20的第一轴部22的外径。导向环4112的外壁上设有凸出部4113，凸出部4113的圆柱形。第二旋转环412的截面为环形，第二旋转环412的内径与导向环4112的外径相匹配。第二旋转环412的内壁上设有挤顶部4121，挤顶部4121为板状结构，挤顶部4121具有相对的两端，分别位于连接端4122和接触端4123，连接端4122与第二旋转环412的内壁连接固定，挤顶部4121沿第二旋转环412的径向延伸。此外，第二旋转环412的内壁上还设有滑槽4124，滑槽4124沿第二旋转环412的轴向布置。第二旋转环412套设于第一旋转环411的导向环4112的外侧，第二旋转环412的内壁与导向环4112的内壁形成滑动配合，导向环4112上的凸出部4113延伸至第二旋转环412上的滑槽4124内，凸出部4113与滑槽4124形成第二限位结构，以限制第二旋转环412相对第一旋转环411轴向转动。当第二旋转环412相对第一旋转环411轴向滑动时，凸出部4113将在滑槽4124内滑动。本实施例中，第二驱动装置43为直线电机，直线电机的两端分别与第一旋转环411的基环4111和挤顶部4121连接。当直线电机工作时，第二旋转环412将相对第一旋转环411轴向滑动。

如图1所示，旋转轴20位于第一旋转环411和第二旋转环412的中心位置，第一旋转环411的基环4111的外壁与空心外套10的第一筒体11的内壁形成转动配合。本实施例中，第一驱动装置42为无框电机，无框电机的定子与空心外套10固定，无框电机的转子与第一旋转环411的基环4111连接。偏心轮与旋转轴20的第二轴部24的外壁接触，当第二驱动装置43工作并使第二旋转环412相对第一旋转环411向靠近接触面231的方向移动时，第二旋转环412上的挤顶部4121的接触端4123将与接触面231接触并沿接触面231移动，从而向旋转轴20施加径向压力，使旋转轴20发生弯曲。

此外，如图7所示，空心钻铤30与旋转轴20间设有密封结构110，以实现旋转轴20与空心钻铤30之间的密封。

密封结构110包括滑动体1101、固定体1102和第一弹性件1103，滑动体1101和固定体1102均为环形，滑动体1101的轴向的一端的端面为第一球面1104，第一球面1104与第二球面38的半径一致。本实施例中，第一弹性件1103为弹簧。滑动体1101套设于旋转轴20的第二轴部24的外侧，并形成滑动密封；固定体1102螺接在第二轴部24上，实现固定体1102与旋转轴20的轴向固定；第一弹性件1103套设于第二轴部24的外侧，第一弹性件1103作用于滑动体1101与固定体1102之间，在第一弹性件1103的作用下，第一球面1104与第二球面38接触并形成密封。

在实际使用过程中，旋转轴20的轴头21安装钻头，当钻头需要变向时，可使第二驱动装置43工作，使第二旋转环412上挤顶部4121与接触面231接触，并向旋转轴20施加径向压力，从而使旋转轴20发生弯曲，从而使钻头变向。当需要改变钻头的变向方向使，可使第一驱动装置42工作，使旋转体41围绕转轴转动，从而改变挤顶部4121在周向上的位置，挤顶部4121移动可从多个方向上向旋转轴20施加压力，以使旋转轴20从不同的方向上发生弯曲。

由于旋转轴20的第二轴部24的外壁与空心钻铤30上的限位孔33的孔壁存在间隙，旋转轴20在弯曲过程中，限位孔33的孔壁不会对旋转轴20造成干扰。此外，旋转轴20受力弯曲后，在第二弹性件36的作用下，推杆35将始终卡在卡槽241内，从而很好的实现旋转轴20与空心钻铤30的同步转动。当然，旋转轴20在弯曲过程中，滑动体1101将在凹槽37内转动，滑动体1101在转动的同时将沿旋转轴20轴向滑动并压缩第一弹性件1103，滑动件不会对转动轴的弯曲造成干扰。滑动体1101在凹槽37转动时，在第一弹性件1103的作用下第一球面1104与第二球面38始终接触，从而保证密封性。这种钻井导向工具200，旋转轴20插设于空心钻铤30内后，空心钻铤30不会限制旋转轴20的弯曲，可保证旋转轴20能够很好的弯曲，使得钻头的倾斜效果更好。

需要说明的是，本实施例中，旋转轴20上的卡槽241的个数为四个，四个分别推杆35延伸至四个卡槽241内后，均可限制旋转轴20相对空心钻铤转动。同时，四个推杆35在四个第二弹性件36的作用下，可对旋转轴20起到支撑作用，使旋转轴20未受到径向压力时能够对中。在其他具体实施例中，旋转轴20上的卡槽241也可是三个以上的其他个数。

实施例2

如图8所示，本实施例提供一种钻井导向系统300，包括钻机310、钻柱320、钻头330和上述实施例中的钻井导向工具200。

钻机310放置于地面，钻柱320的一端与钻机310连接，钻柱320延伸至地面以下的钻孔内，钻柱320的另一端与钻井导向工具200中的空心钻铤30连接，钻头330与旋转轴20的轴头21连接。当钻机310工作时，钻柱320将带动空心钻铤30及旋转轴20转动，从而使钻头330转动，完成钻孔动作。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钻井导向工具，其特征在于，包括：

空心外套；

旋转轴，所述空心外套套设于所述旋转轴的外侧，所述旋转轴与所述空心外套通过球面轴承连接；

空心钻铤，所述空心钻铤可转动的设置于所述空心外套内，所述空心钻铤上设有限位孔，所述旋转轴插设于所述限位孔内，所述限位孔的孔壁与所述旋转轴的外壁存在间隙，所述空心钻铤与所述旋转轴间设有第一限位结构，以限制所述旋转轴相对所述空心钻铤转动；

驱动机构，所述驱动机构位于所述空心外套内，所述驱动机构用于使所述旋转轴弯曲；

密封结构，所述密封结构包括滑动体、固定体和第一弹性件，所述滑动体可滑动的设置于所述旋转轴上，所述滑动体与所述旋转轴滑动密封，所述滑动体具有第一球面，所述固定体固定于所述旋转轴上，所述空心钻铤上设有凹槽，凹槽具有第二球面，所述第一弹性件作用于所述滑动体与所述固定体之间，以使所述第一球面与所述第二球面接触密封。

2.根据权利要求1所述的钻井导向工具，其特征在于，所述第一限位结构包括多个推杆、多个第二弹性件和设于所述旋转轴上的多个圆周分布的卡槽，所述推杆、所述第二弹性件与所述卡槽一一对应；

所述卡槽沿所述旋转轴的轴向布置，所述推杆与所述空心钻铤滑动连接，所述推杆能够沿所述空心钻铤的径向滑动，所述第二弹性件作用于所述推杆，以使所述推杆卡于所述卡槽内。

3.根据权利要求2所述的钻井导向工具，其特征在于，所有所述卡槽均匀分布于所述旋转轴上。

4.根据权利要求3所述的钻井导向工具，其特征在于，所述旋转轴上设有四个所述卡槽。

5.根据权利要求1所述的钻井导向工具，其特征在于，所述驱动机构包括旋转体、第一驱动装置和第二驱动装置；

所述旋转体包括第一旋转环和第二旋转环，所述第二旋转环与所述第一旋转环滑动连接，所述第二旋转环与所述第一旋转环之间设置有第二限位结构，以限制第二旋转环相对所述第一旋转环转动，所述第一旋转环与所述空心外套转动连接，所述第一驱动装置用于驱动所述第一旋转环相对所述空心外套转动，所述第二驱动装置用于驱动所述第二旋转环相对所述第一旋转环轴向滑动；

所述旋转轴具有接触面，所述接触面为圆锥面；

所述第二旋转环上设有挤顶部，当所述第二驱动装置驱动所述第二旋转环相对第一旋转环轴向滑动时，所述挤顶部能够沿所述接触面移动，以使所述旋转轴弯曲。

6.根据权利要求5所述的钻井导向工具，其特征在于，所述第一旋转环包括基环和沿所述基环轴向延伸的导向环，所述基环的外壁与所述空心外套接触并形成转动配合，所述第二旋转环套设于所述导向环的外侧，所述第二旋转环的内壁与所述导向环接触并形成滑动配合。

7.根据权利要求6所述的钻井导向工具，其特征在于，所述第二限位结构包括设于所述导向环的外壁上的凸出部和设于所述第二旋转环的内壁上的滑槽，所述凸出部延伸至所述滑槽内；

所述第二旋转环相对所述第一旋转环轴向移动时，所述凸出部能够在所述滑槽内滑动。

8.根据权利要求5所述的钻井导向工具，其特征在于，所述挤顶部具有连接端和接触端，所述连接端与所述第二旋转环连接，所述接触端用于与所述接触面接触，所述挤顶部沿所述第二旋转环的径向延伸。

9.根据权利要求8所述的钻井导向工具，其特征在于，所述第二驱动装置的两端分别与所述挤顶部和第一旋转环连接。

10.一种钻井导向系统，其特征在于，包括钻机、钻柱、钻头和权利要求1-9任一项所述的钻井导向工具，钻柱的一端与钻机连接，钻柱的另一端与所述空心钻铤连接，所述钻头与旋转轴连接。