CN212508070U - 一种齿轮自锁式偏置装置和旋转导向工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种齿轮自锁式偏置装置和旋转导向工具，属于钻井工具领域，其包括圆环形的稳定套，所述稳定套的环形壁上设置有筒形的腔体；设置在所述腔体内的动力机构，所述动力机构提供转动的动力；连接所述动力机构的转动方向转换机构，所述动力机构向所述转动方向转换机构输出沿稳定套轴向方向的转动，转动方向转换机构转换方向并输出稳定套径向方向的转动；以及设置在所述稳定套外壁上的转动伸缩机构，所述转动伸缩机构连接所述转动方向转换机构的输出端，并随所述转动方向转换机构的转动而伸缩。

Description

一种齿轮自锁式偏置装置和旋转导向工具

技术领域

本实用新型涉及一种齿轮自锁式偏置装置和旋转导向工具，属于钻井工具领域。

背景技术

在水平井、大位移井和分支井等复杂结构井的钻井过程中，需要一种偏置装置将钻头推向预先设计的钻井轨迹上去。先期的偏置造斜工具主要是带有弯度的井下螺杆钻具，通过螺杆定子的滑动钻进保持弯度的偏置方向不变，但是滑动钻进产生大量的摩擦阻力，导致一定长度后托压严重，不能正常钻井。后来人们实用新型了旋转导向钻井工具，通过外壳旋转或绝大部分外壳旋转，极短部分不旋转来降低托压现象，实现更深、更长段的水平井、定向井施工。近几年来旋转导向钻井工具逐渐成为普及的导向钻井技术，成为高效钻井的关键技术之一。

目前广泛采用的旋转导向偏置机构主要采用液压原理，通过液压系统的高压液体产生偏置效果，但是由于高压的存在，高压密封的失效，导致整个系统寿命短、结构复杂、维护费用高。

实用新型内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本实用新型提出了一种齿轮自锁式偏置装置和旋转导向工具，其中齿轮自锁式偏置装置通过轴向的转动转换为径向的伸缩，从而完成导向。旋转导向工具能够承受井下较大的压力，不容易出现损坏，使用寿命长，维护费用低。

本实用新型的一个方面，提出了一种齿轮自锁式偏置装置，包括：

圆环形的稳定套，所述稳定套的环形壁上设置有筒形的腔体；

设置在所述腔体内的动力机构，所述动力机构提供转动的动力；

连接所述动力机构的转动方向转换机构，所述动力机构向所述转动方向转换机构输出沿稳定套轴向方向的转动，转动方向转换机构转换方向并输出稳定套径向方向的转动；以及

设置在所述稳定套外壁上的转动伸缩机构，所述转动伸缩机构连接所述转动方向转换机构的输出端，并随所述转动方向转换机构的转动而伸缩。

本实用新型的进一步改进在于，所述转动方向转换机构包括连接所述动力机构的主动齿轮和连接所述主动齿轮的从动齿轮，所述主动齿轮和所述从动齿轮呈锥形啮合，所述从动齿轮的输出端连接所述转动伸缩机构。

本实用新型的进一步改进在于，所述主动齿轮的两端均设置有扶正轴承。

本实用新型的进一步改进在于，所述转动伸缩机构包括设置在所述稳定套外壁上的可沿径向伸缩的推力板，所述推力板的内侧设置有推动所述推力板伸缩的推力螺母，所述推力螺母通过螺纹连接有推力螺杆；所述推力螺杆连接所述转动方向转换机构；

其中，所述转动方向转换机构转动带动所述推力螺杆转动，在螺纹的作用下，所述螺母沿径向移动并推动所述推力板沿径向移动。

本实用新型的进一步改进在于，所述稳定套的外壁上沿径向设置有环形的固定座，所述推力板的边缘设置在所述固定座的内侧，并且所述推力板的边缘与所述固定座之间通过回复弹簧相连；

所述回复弹簧处于伸长状态时，所述推力板的中部与所述固定座的外侧相齐平；所述推力螺母推动所述推力板沿径向伸出时，所述回复弹簧处于压缩状态。

本实用新型的进一步改进在于，所述稳定套上位于所述推力螺母的外侧设置有环形的压板；所述推力螺母上远离所述推力板的一端设置有限位沿；

其中，所述压板限制所述推力螺母旋转，同时在所述推力螺母沿径向伸出时，所述压板阻挡所述限位沿从而限定所述推力螺母的径向伸出长度。

本实用新型的进一步改进在于，所述推力螺杆的外侧设置有推力轴承。

本实用新型的进一步改进在于，所述动力机构包括电机，所述电机的转轴通过减速器和联轴器连接所述转动方向转换机构的主动齿轮。

根据本实用新型的另一个方面，还提出了一种旋转导向工具，包括：

芯轴，所述芯轴的外侧壁上设置有环形凹槽，所述环形凹槽内设置所述的齿轮自锁式偏置装置；

设置在稳定套的腔体内的测控电路，所述测控电路通过导线与动力装置连接，检测和控制所述动力装置的转速和转向。

本实用新型的进一步改进在于，所述稳定套的上端和下端连接有泥浆外轴承，所述芯轴的环形凹槽的上端和下端设置有与所述泥浆外轴承相配合的泥浆内轴承。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型的一种齿轮自锁式偏置装置和旋转导向工具，通过轴向的转动转换为径向的伸缩，从而完成导向。其能够承受井下较大的压力，不容易出现损坏，使用寿命长，维护费用低。

附图说明

下面将结合附图来对本实用新型的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1所示为本实用新型的一个实施例的旋转导向工具的结构示意图；

图2为图1的局部放大图，显示了齿轮自锁式偏置装置的结构示意图。

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下：1、齿轮自锁式偏置装置，2、芯轴，3、泥浆内轴承，4、泥浆外轴承，5、测控电路，11、稳定套，12、转动方向转换机构，13、转动伸缩机构，14、动力机构，15、腔体，21、主动齿轮，22、从动齿轮，23、扶正轴承，24、推力轴承，31、推力板，32、推力螺母，33、推力螺杆， 34、固定座，35、压板，36、限位沿，37、回复弹簧，41、电机，42、减速器， 43、联轴器。

具体实施方式

为了使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本实用新型的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

图1示意性地显示了根据本实用新型的一个实施例的一种齿轮自锁式偏置装置，包括稳定套11，稳定套11套设在芯轴2的外侧，呈圆环形的结构，其环形壁上设置有筒形的腔体15。稳定套11的腔体15内设置有动力机构14，所述动力机构14提供转动的动力。动力机构14优选为电动装置，如电机41等。稳定套11的腔体15内还设置有转动方向转换机构12，转动方向转换机构12连接动力机构14，所述动力机构14向所述转动方向转换机构12输出沿稳定套11轴向方向的转动，转动方向转换机构12转换方向并输出稳定套11径向方向的转动。稳定套11的外壁上设置有转动伸缩机构13，转动伸缩机构13连接转动方向转换机构12，转动伸缩机构13在转动时能够伸长或缩短，从而推动所述推力板31伸长或缩短。

在使用根据本实施例所述的齿轮自锁式偏置装置时，通过动力机构14转动带动转动方向转换机构12转动，进而改变转动的方向带动转动伸缩机构13伸长或缩短。通过轴向的转动转换为径向的伸缩，从而完成导向。其能够承受井下较大的压力，不容易出现损坏。

在一个实施例中，如图2所示，所述转动方向转换机构12包括连接所述动力机构14的主动齿轮21和连接所述主动齿轮21的从动齿轮22。所述主动齿轮 21和所述从动齿轮22呈锥形啮合，所述从动齿轮22的输出端连接所述转动伸缩机构13。主动齿轮21随动力机构14的转动而转动。主动齿轮21带动从动齿轮 22转动，从动轮转动带动转动伸缩机构13转动，其中，主动齿轮21和从动齿轮 22之间呈锥形啮合，主动齿轮21与从动齿轮22均为锥齿轮，啮合后，从动齿轮 22的输出轴线与主动齿轮21的输出轴线成90°夹角。主动齿轮21沿稳定套11 的轴向转动，带动从动齿轮22沿稳定套11的径向方向转动。

在本实施例中，所述转动方向转换机构12的主动齿轮21为圆锥形的结构，两组相对设置，位于图中上方的一组连接所述动力机构14，位于图中下方的一组与上方的一组同轴相对设置，上方的主动齿轮21主要起到转动的作用，下方的主动齿轮21为上方的主动齿轮21转动起到稳定的作用，主动齿轮21的锥形面上设置有传动齿牙。从动齿轮22的数量为两个，分别设置在主动齿轮21轴线的两侧，从动齿轮22也为锥形，其锥形面上设置有传动齿牙。从动齿轮22的传动齿牙与主动齿轮21的传动齿牙相配合。

在一个优选的实施例中，所述主动齿轮21的两端分别设置有扶正轴承23，扶正轴承23处于居中的位置。通过设置扶正轴承23能够使主动齿轮21处于居中的位置，避免转动时出现偏差或倾斜。

在一个实施例中，如图2所示，所述转动伸缩机构13包括推力板31，推力板31设置在稳定套11的外壁上，并且可以沿稳定套11的径向伸缩。推力板31 的内侧，即沿径向靠近稳定套11中心轴的一侧，设置有推力螺母32，推力螺母32伸缩从而推动推力板31伸缩。推力螺母32的内侧连接有推力螺杆33，推力螺杆33沿稳定套11的径向方向设置。在本实施例中，推力螺杆33上设置有螺纹，与推力螺母32的螺纹相匹配，推力螺杆33旋转时，由于螺纹的作用推力螺母32会沿径向移动。推力螺杆33的内侧连接转动方向转换机构12。

在根据本实施例所述的齿轮自锁式偏置装置中，动力机构14转动带动转动方向转换机构12转动，转动方向转换机构12将沿轴线方向的转动转变为沿径向方向的转动。转动方向转换机构12的从动齿轮22带动推力螺杆33旋转，推力螺杆33旋转时，由于螺纹的作用使所述推力螺母32沿径向移动，当螺母沿径向向外移动时推动所述推力板31沿径向方向伸出。

在一个实施例中，稳定套11的外壁上设置有固定座34，固定座34为环形的机构。优选地，如图2所示，所述固定座34的外壁为锥形结构，内壁为外侧端部形成环形的挡板。在本实施例中，推力板31的截面为“几”字形结构，其中部沿径向向外凸出，边缘沿径向向内凹形成环形边缘。所述推力板31的边缘设置在所述固定座34的内侧，并且所述推力板31的边缘与所述固定座34之间通过回复弹簧37相连。

其中，所述回复弹簧37处于伸长状态时，所述推力板31的中部与所述固定座34的外侧相齐平；所述推力螺母32推动所述推力板31沿径向伸出时，所述回复弹簧37处于压缩状态。

在根据本实施例所述的齿轮自锁式偏置装置工作时，推力螺母32和推力板 31是分开的，这样能够在推力螺母32和推力板31之间不是硬性连接，从而避免推力螺母32移动范围稍大或稍小对推力板31造成硬性的拉推，使推力板31对稳定套11造成挤压或碰撞。

在一个实施例中，稳定套11上设置有环形的压板35，环形的压板35设置在固定座34的内部，其主体为沿径向的圆筒形，外端边缘为圆环形。圆环形的压板35与推力螺母32的形状相匹配，例如，推力螺母32为六角螺母，则压板35 的中心环也为六边形。在本实施例中，推力螺母32的内侧，即远离推力板31的一端，设置有限位沿36。

其中，所述压板35限制所述推力螺母32旋转，在推力螺杆33旋转时，能够使推力螺母32和推力螺杆33的螺纹相配合，使推力螺母32沿径向向外伸出。在伸出到一定距离后，所述压板35接触并阻挡所述限位沿36，使推力螺母32停止向外移动，从而限定所述推力螺母32的径向伸出长度。

在一个实施例中，所述推力螺杆33的外侧设置有推力轴承24。所述的推力轴承24安装在从动齿轮22轴上，确保螺杆受到的轴向力承受在推力轴承24上，而不是齿轮轴上。

在一个实施例中，所述动力机构14包括电机41，电机41的转轴沿稳定套 11的轴向方向。在本实施例中，电机41的转轴上设置有减速器42，用于将输入的速度较快的旋转频率转换为速度较慢的旋转频率，减速器42通过联轴器43连接转动方向转换机构12的主动齿轮21。

在本实施例中，通过电机41转动配合转动方向转换机构12和转动伸缩机构13来实现侧向伸缩，来起到偏置效果，相比于其他的动力，比如液压等方式，更加安全，在井下高压的环境下不会出现密封失效导致工具不能用的情况。

根据本实用新型的另一个方面，还提出了一种旋转导向工具，如图1所示，其包括芯轴2。芯轴2为圆柱形的机构，其中心设置有流道，外壁上设置有一周环形凹槽。环形凹槽内设置上述实施例所述的齿轮自锁式偏置装置。

稳定套11的腔体15内设置有测控电路5，所述测控电路5通过导线与动力装置连接，检测和控制所述动力装置的转速和转向。测控电路5包括控制电路，通过控制电机41的正反转控制所述的模块化齿轮自锁式偏置装置中的推力板31 的伸出和缩回，通过控制电机41的转动时间，控制推力板31的伸出和缩回的行程距离。

在一个实施例中，所述稳定套11的上端和下端连接有泥浆外轴承4，所述芯轴2的环形凹槽的上端和下端设置有与所述泥浆外轴承4相配合的泥浆内轴承3。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和/或修改，根据本实用新型的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种齿轮自锁式偏置装置，其特征在于，包括：

圆环形的稳定套(11)，所述稳定套(11)的环形壁上设置有筒形的腔体(15)；

设置在所述腔体(15)内的动力机构(14)，所述动力机构(14)提供转动的动力；

连接所述动力机构(14)的转动方向转换机构(12)，所述动力机构(14)向所述转动方向转换机构(12)输出沿稳定套(11)轴向方向的转动，转动方向转换机构(12)转换方向并输出稳定套(11)径向方向的转动；以及

设置在所述稳定套(11)外壁上的转动伸缩机构(13)，所述转动伸缩机构(13)连接所述转动方向转换机构(12)的输出端，并随所述转动方向转换机构(12)的转动而伸缩。

2.根据权利要求1所述的齿轮自锁式偏置装置，其特征在于，所述转动方向转换机构(12)包括连接所述动力机构(14)的主动齿轮(21)和连接所述主动齿轮(21)的从动齿轮(22)，所述主动齿轮(21)和所述从动齿轮(22)呈锥形啮合，所述从动齿轮(22)的输出端连接所述转动伸缩机构(13)。

3.根据权利要求2所述的齿轮自锁式偏置装置，其特征在于，所述主动齿轮(21)的两端均设置有扶正轴承(23)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的齿轮自锁式偏置装置，其特征在于，所述转动伸缩机构(13)包括设置在所述稳定套(11)外壁上的可沿径向伸缩的推力板(31)，所述推力板(31)的内侧设置有推动所述推力板(31)伸缩的推力螺母(32)，所述推力螺母(32)通过螺纹连接有推力螺杆(33)；所述推力螺杆(33)连接所述转动方向转换机构(12)；

其中，所述转动方向转换机构(12)转动带动所述推力螺杆(33)转动，在螺纹的作用下，所述螺母沿径向移动并推动所述推力板(31)沿径向移动。

5.根据权利要求4所述的齿轮自锁式偏置装置，其特征在于，所述稳定套(11)的外壁上沿径向设置有环形的固定座(34)，所述推力板(31)的边缘设置在所述固定座(34)的内侧，并且所述推力板(31)的边缘与所述固定座(34)之间通过回复弹簧(37)相连；

所述回复弹簧(37)处于伸长状态时，所述推力板(31)的中部与所述固定座(34)的外侧相齐平；所述推力螺母(32)推动所述推力板(31)沿径向伸出时，所述回复弹簧(37)处于压缩状态。

6.根据权利要求5所述的齿轮自锁式偏置装置，其特征在于，所述稳定套(11)上位于所述推力螺母(32)的外侧设置有环形的压板(35)；所述推力螺母(32)上远离所述推力板(31)的一端设置有限位沿(36)；

其中，所述压板(35)限制所述推力螺母(32)旋转，同时在所述推力螺母(32)沿径向伸出时，所述压板(35)阻挡所述限位沿(36)从而限定所述推力螺母(32)的径向伸出长度。

7.根据权利要求6所述的齿轮自锁式偏置装置，其特征在于，所述推力螺杆(33)的外侧设置有推力轴承(24)。

8.根据权利要求7所述的齿轮自锁式偏置装置，其特征在于，所述动力机构(14)包括电机(41)，所述电机(41)的转轴通过减速器(42)和联轴器(43)连接所述转动方向转换机构(12)的主动齿轮(21)。

9.一种旋转导向工具，其特征在于，包括：

芯轴(2)，所述芯轴(2)的外侧壁上设置有环形凹槽，所述环形凹槽内设置根据权利要求1至8中任一项所述的齿轮自锁式偏置装置；

设置在稳定套(11)的腔体(15)内的测控电路(5)，所述测控电路(5)通过导线与动力装置连接，检测和控制所述动力装置的转速和转向。

10.根据权利要求9所述的旋转导向工具，其特征在于，所述稳定套(11)的上端和下端连接有泥浆外轴承(4)，所述芯轴(2)的环形凹槽的上端和下端设置有与所述泥浆外轴承(4)相配合的泥浆内轴承(3)。

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