CN219012479U - 一种全旋转指向钻井装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于石油钻井技术领域，具体地，涉及一种全旋转指向钻井装置。全旋转指向钻井装置包括：外筒，外筒的上端与钻柱连接；活动式套设在外筒内的铰接轴，外筒能够向铰接轴传递扭矩，铰接轴的中心轴线能够相对于外筒的中心轴线倾斜，铰接轴的下端延伸出外筒；钻头，钻头固定设置在铰接轴的下端；以及偏心机构，偏心机构设置在外筒内，并与铰接轴的顶端连接，当外筒转动时，在偏心机构的作用下，铰接轴能够现对于地层维持在固定的角度。本实用新型的外筒在工作过程中可以实现全旋转，从而减小托压，提高钻进效率。

Description

一种全旋转指向钻井装置

技术领域

本实用新型属于石油钻井技术领域，具体地，涉及一种钻井装置。

背景技术

旋转导向钻井系统是水平井、定向井、大位移井等复杂结构井的重要钻井工具。旋转导向钻井系统通过外壳旋转或绝大部分外壳旋转同时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。近年来，旋转导向钻井系统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。

旋转导向钻井系统主要包括推靠钻头式和指向钻头式两大类。推靠钻头式通过推靠井壁获得的反作用力进行导向。但是，推靠钻头式旋转导向系统受地层软硬程度影响较大，比如在软质地层，用于推靠的零部件可能陷进地层，从而无法使钻头获得反作用力，导致造斜效果不佳。指向钻头式通过改变钻头的趋势方向进行导向。现有技术中，指向钻头式旋转导向系统的外筒无法全旋转，导致托压较大，而且主轴受到较大的周期性弯曲应力，主轴的使用寿命较低，存在断轴的风险。

实用新型内容

针对如上所述的技术问题，本实用新型旨在提出一种钻井装置，其能够在造斜钻进的前提下，并实现外筒全旋转。

根据本实用新型，提供了一种钻井装置，包括：外筒，所述外筒的上端与钻柱连接；活动式套设在所述外筒内并与所述外筒形成扭矩连接的铰接轴，所述铰接轴的中心轴线能够相对于所述外筒的中心轴线倾斜；钻头，所述钻头固定设置在所述铰接轴的下端；以及设置在所述外筒内并与所述铰接轴的上端连接的偏心机构，所述偏心机构构造成当所述外筒转动时使所述铰接轴相对于地层维持在固定的角度。

在一个具体的实施例中，所述偏心机构包括：转动式套设在所述外筒内的偏心轮，所述铰接轴的顶部与所述偏心轮连接，该连接点到所述偏心轮的转动轴线的距离可调；以及驱动器，所述驱动器的固定端与所述外筒连接，所述驱动器的输出端用于驱动所述偏心轮相对于所述外筒转动。

在一个具体的实施例中，所述驱动器能够驱动所述偏心轮以与所述外筒相同的转速相对于所述外筒反向转动。

在一个具体的实施例中，所述偏心轮包括反向转动式设置在所述外筒内部的外偏心环和正向转动式设置在所述外偏心环的偏心位置处的内偏心环，其中，所述内偏心环与所述驱动器连接，所述铰接轴的顶部活动式设置在所述内偏心环的偏心位置。

在一个具体的实施例中，通过调节所述驱动器的转速大小和方向来改变所述铰接轴的倾斜角度。

在一个具体的实施例中，所述外偏心环的外圈中心与所述外筒的中心在第一中心点处重合；所述外偏心环的内圈中心与所述内偏心环的外圈中心在第二中心点处重合；所述铰接轴的中心与所述内偏心环的内圈中心在第三中心点处重合。

在一个具体的实施例中，所述第一中心点与所述第二中心点不重合，所述第二中心点与所述第三中心点不重合。

在一个具体的实施例中，所述第一中心点到所述第二中心点的距离与所述第二中心点到所述第三中心点的距离相等。

在一个具体的实施例中，在所述内偏心环和所述外偏心环之间设置有第一棘轮，在所述外偏心环和所述外筒之间设置有第二棘轮，所述第一棘轮和所述第二棘轮的单向转动方向相反。

在一个具体的实施例中，所述铰接轴的顶部通过球面副穿透式设置在所述偏心机构内。

在一个具体的实施例中，所述驱动器包括驱动电机，所述驱动电机的外壳与所述外筒固定连接，所述驱动电机的输出轴通过万向节与所述内偏心环连接。

在一个具体的实施例中，在所述外筒上设置有位移传感器，所述位移传感器用于测量所述铰接轴在径向上到达所述位移传感器的距离，从而得出所述铰接轴相对于所述外筒的倾斜角度。

在一个具体的实施例中，所述铰接轴通过球面副与所述外筒连接，在所述铰接轴与所述外筒的球形接触面之间设置有用于传递扭矩的球体。

在一个具体的实施例中，所述铰接轴或者所述外筒的用于容置所述球体的槽沿所述外筒的轴向长度大于所述球体的直径，用于在所述铰接轴倾斜时为所述球体提供空间。

在一个具体的实施例中，在所述铰接轴与所述外筒的球面副之间设置有密封件。

在一个具体的实施例中，两个密封件对称地分布在所述球体的上、下两侧。

在一个具体的实施例中，在所述外筒内设置有发电机，所述发电机的输入端设置有涡轮，所述发电机的输出端与所述偏心机构电性连接。

与现有技术相比，本申请的优点如下。

本实用新型设置有可全旋转的外筒，外筒能够向铰接轴和钻头传递扭矩，同时控制偏心轮，使其转动方向与外筒相反，转速相等，实现铰接轴和钻头维持在一个固定的钻进角度，从而实现定向钻进，解决现有技术中指向钻头式无法实现外筒全旋转的技术问题，进而减小托压。

此外，本实用新型的外偏心环和内偏心环相互配合，通过控制内偏心环和外偏心环的相对位置角度，可调节铰接轴和钻头的钻进角度。

附图说明

下面将参照附图对本实用新型进行说明。

图1显示了根据本实用新型的钻井装置的一种实施例的示意图；

图2显示了图1中A部分的放大示意图；

图3显示了图2中B-B的剖面结构示意图；

图4显示了图1中C部分的放大示意图。

图中：1、外筒；11、筒体；12、下接头；2、铰接轴；3、钻头；4、偏心机构；40、偏心轮；41、内偏心环；42、驱动电机；421、第一扶正器；422、万向节；43、外偏心环；445、位移传感器；446、流道；45、第一棘轮；46、第二棘轮；5、球体；6、密封件；71、发电机；72、涡轮；73、第二扶正器；81、通信接头；82、多芯密封塞；83、第三扶正器；84、保护筒；85、导线；86、测控电路元件；91、第一中心点；92、第二中心点；93、第三中心点；100、钻井装置。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本实用新型的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本实用新型进行介绍。

需要说明的是，本申请中使用的方向性用语或限定词“上”、“下”等均是针对所参照的图1而言，它们并不用于限定所涉及零部件的绝对位置，而是可以根据具体情况而变化。本申请中使用的方向性用语或限定词“正向”、“反向”仅表示两者转动方向相反，并不限定其具体的转动方向。

图1显示了根据本实用新型的钻井装置的一种实施例的示意图；图2显示了图1中A部分的放大示意图；图3显示了图2中B-B的剖面结构示意图；图4显示了图1中C部分的放大示意图。

如图1所示，钻井装置100包括外筒1、铰接轴2、钻头3和偏心机构4。偏心机构4设置在外筒1的内部，能够相对于外筒1转动。铰接轴2活动式套设在外筒1的内部，位于偏心机构4的下方。因此，一方面，外筒1能够向铰接轴2传递扭矩，使得铰接轴2能够随外筒1一起旋转，而另一方面，铰接轴2的中心轴线能够相对于外筒1的中心轴线发生角度偏移。铰接轴2的上部与偏心机构4的偏心位置连接，即铰接轴2与偏心机构4的连接点没有位于偏心机构4的转动轴线上。铰接轴2的下端延伸出外筒1并与钻头3固定连接，钻头3的中心轴线与铰接轴2的中心轴线重合。在本实用新型下入地层钻进的过程中，当外筒1转动时，外筒1向铰接轴2传递扭矩，使铰接轴2以及钻头3跟随外筒1一起转动。同时，根据本实用新型的偏心机构4(其具体结构在下文有详细描述)的转动部分以与外筒1大小相等、方向相反的速度转动，即偏心机构4的转动部分与地层处于相对静止状态。因此，铰接轴2和钻头3的倾斜角度相对于地层也保持不变，从而达到造斜的目的。在这种设置下，本实用新型能够使整个外筒1全旋转，同时使钻头3稳定地维持在一个固定的角度，从而能够在造斜钻进的过程中减小托压，提高钻进效率。

根据本实用新型，通过调节偏心机构4的转动速度，能够调整铰接轴2和钻头3相对与地层的倾斜方向，改变造斜钻进方向。

在一个优选的实施例中，钻头3与铰接轴2为一体式结构。

如图1和2所示，在一个具体的实施例中，偏心机构4包括偏心轮40和驱动器。偏心轮40转动式套设在外筒1的内部，偏心轮40的转动轴线与外筒1的转动轴线重合，铰接轴2的顶部活动式设置在偏心轮40的偏心位置。驱动器包括固定端和输出端，驱动器的固定端与外筒1固定连接，驱动器的输出端与偏心轮40连接。在图示实施例中，驱动器包括驱动电机42，其中，驱动电机42的外壳与外筒1固定连接，驱动电机42的输出轴通过万向节422与内偏心环41连接。

在这种设置下，当外筒1带动铰接轴2和钻头3转动时，驱动器能够带动偏心轮40相对于外筒1转动，当偏心轮40的转动速度与外筒1的转动速度大小相等、方向相反时，偏心轮40就能够相对于地层静止，从而使铰接轴2和钻头3相对于地层维持在一个固定的倾斜角度。

在一个优选的实施例中，铰接轴2的顶部与偏心轮40连接，并且该连接点到偏心轮40的转动轴线的距离可调。如图2和图3所示，在一个具体的实施例中，偏心轮40包括内偏心环41和外偏心环43。其中，外偏心环43的外圈同轴套设在外筒1内，外偏心环43的内圈位于外偏心环43的偏心位置，并与内偏心环41的外圈同轴套设。如图3所示，外偏心环43的外圈中心与外筒1的中心重合，即第一中心点91，而外偏心环43的内圈中心与内偏心环41的外圈中心重合，即第二中心点92。内偏心环41的内圈位于内偏心环41的偏心位置，而铰接轴2的顶部通过球面副活动式设置在内偏心环41的内圈内。因此，从图3的截面来看，铰接轴2的中心点与内偏心环41的内圈的中心点重合，即第三中心点93，该第三中心点93与第二中心点92不重合。驱动器的固定端与外筒1固定连接，驱动器的输出端与内偏心环41连接。并且，内偏心环41相对于外偏心环43单向旋转，外偏心环43相对于外筒1单向旋转，两者的单向旋转方向相反。

在一个具体的实施例中，内偏心环41相对于外偏心环43单向旋转，外偏心环43相对于外筒1单向旋转，两者的单向旋转方向相反的具体实施方式如下。如图1和图2所示，在外偏心环43与外筒1之间设置有第二棘轮46，在第二棘轮46的作用下，外偏心环43只能相对于外筒1正向转动。另外，在内偏心环41和外偏心环43之间设置有第一棘轮45，在第一棘轮45的作用下，内偏心环41只能相对于外偏心环43反向转动。

在本实施例的这种设置下，当驱动器带动内偏心环41相对于外筒1正向转动时，由于设置有第一棘轮45，外偏心环43会跟随内偏心环41一同转动，相当于外偏心环43和内偏心环41为一个整体，此时为本实用新型的正常造斜钻进过程，外偏心环43和内偏心环41一同带动铰接轴2运动，使铰接轴2相对与地层的倾斜角度不变。当驱动器带动内偏心环41相对于外筒1反向转动时，由于设置有第二棘轮46，此时外偏心环43和外筒1相当于一个整体，内偏心环41相对于外偏心环43发生角度偏转，从而使第一中心点91与第三中心点93的距离发生变化，进而使铰接轴2的中心轴线与外筒1的中心轴线的夹角发生变化，改变钻头3的中心轴线与外筒1的中心轴线的倾斜角度，调整钻头3的钻进角度。

在一个优选的实施例中，第一中心点91到第二中心点92的距离与第二中心点92到第三中心点93的距离相等。在这种设置下，当内偏心环41相对于外偏心环43发生角度偏转时，第三中心点93能够以第二中心点92为圆心，以第三中心点93到第二中心点92的距离为半径转动。由于第一中心点91到第二中心点92的距离与第二中心点92到第三中心点93的距离相等，所以第三中心点93能够与第一中心点91重合。当这两者重合时，铰接轴2的中心轴线与外筒1的中心轴线重合。此时可以沿着外筒1的轴线方向进行直线钻井，即根据本实用新型的钻井装置100既能够造斜，又能够沿直线钻井。

在本实施例中，为了便于内部零件的安装，外筒1包括与钻柱(图中未示出)连接的筒体11和固定设置在筒体11下端的下接头12。铰接轴2的中部通过球面副与下接头12连接，在铰接轴2与外筒1的球形接触面之间设置有用于传递扭矩的球体5。具体地，在铰接轴2以及外筒1上均设置有槽，铰接轴2和外筒1上的槽相互配合，共同容置球体5，从而使外筒1能够向铰接轴2传递扭矩。进一步地，铰接轴2上设置的槽或者外筒1上设置的槽在外筒1的轴向上的长度大于球体5的直径，从而在铰接轴2的中心轴线相对于外筒1的中心轴线倾斜时为球体5提供运动空间。如图1所示，在铰接轴2和外筒1上的槽以及球体5的共同配合下，铰接轴2和钻头3的中心轴线能够相对于外筒1的中心轴线偏移能够高达5°。

在一个优选的实施例中，在铰接轴2与外筒1的球形接触面之间设置有密封件6。在本实施例中，球体5位于铰接轴2与外筒1的球形接触面的中间位置，密封件6设置有两个，两个密封件6分别对称设置在球体5的上下两侧。通过这种设置，一方面能够加强密封效果，另一方面，能够在铰接轴2在相对于外筒1倾斜时使得球形接触面之间的运动能够更加平稳，有利于铰接轴2的角度偏转。

根据本实用新型，在一个具体的实施例中，驱动电机42通过第一扶正器421设置在外筒1内。在铰接轴2的中心轴线处开设有流道446，用于钻井液流过。铰接轴2套接在内偏心环41内，铰接轴2的顶部穿过内偏心环41并延伸至上方空间。这样，上方的钻井液可以直接通过铰接轴2内的流道446流至钻头3。

在一个优选的实施例中，在外筒1内设置有发电机71。发电机71位于驱动电机42的上方，并通过第二扶正器73与外筒1固定连接。发电机71的上方为其输入端，设置有至少一个涡轮72，发电机71的输出端通过连接线与偏心机构4的驱动电机42电性连接。钻井液在从上往下流动的过程中推动涡轮72转动，从而使发电机71发电。

在本实施例中，涡轮72的数量为两个，同轴地设置在发电机71的输入轴上。两个涡轮72相互接触，且两个涡轮72的叶片相互错位分布。

在一个具体的实施例中，第一扶正器421设置在驱动电机42的顶端，第二扶正器73设置在发电机71的底端。在驱动电机42与发电机71之间设置有测控电路元件86，测控电路元件86的上下两端分别与第二扶正器73和第一扶正器421连接。通过这种设置，使本实用新型结构紧凑。

如图1所示，在一个优选的实施例中，在外筒1上固定设置有位移传感器445。位移传感器445的探头沿径向穿透外筒1并指向铰接轴2，位移传感器445通过导线85与测控电路元件86连接。在这种设置下，位移传感器445能够识别与铰接轴2的距离。在旋转的过程中，位移传感器445识别到的距离信号呈现正弦分布，正弦曲线的波峰大小就显示了铰接轴2的偏心量的大小，通过幅值在一周上的变化是否平滑可以判断运行是否稳定。由此，可以得出铰接轴2的中心轴线相对于外筒1的中心轴线的夹角。优选地，位移传感器445设置成尽量远离铰接轴2与外筒1的球面副，从而使正弦曲线的波峰更加明显。

在一个具体的实施例中，在第一扶正器421和外筒1上均设置有用于导线85通过的孔道。其中，第一扶正器421上的孔道径向设置，外筒1上的孔道轴向设置，通过这种设置，导线85从测控电路元件86内引出之后依次通过第一扶正器421和外筒1与位移传感器445连接，避免导线85与钻井液直接接触，从而延长使用寿命。

容易理解，测控电路元件86与发电机71和驱动电机42电性连接。测控电路元件86为现有技术，在此不再赘述。

在一个具体的实施例中，本实用新型的电性连接均使用导线85进行连接。导线85从外筒1的上部引出，在导线85上套设有保护筒84，保护筒84通过第三扶正器83与外筒1固定连接。在保护筒84的顶部设置有通信接头81，通信接头81与导线85电性连接，在通信接头81与保护筒84之间设置有多芯密封塞82。通过这种方式将导线85密封保护，防止钻井液侵蚀导线85，从而延长本实用新型的使用寿命。

容易理解，在第一扶正器421、第二扶正器73、第三扶正器83上均设置有用于钻井液通过的通孔。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施方案而已，并不构成对本实用新型的任何限制。尽管参照前述实施方案对本实用新型进行了详细的说明，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 (16)

1.一种钻井装置，其特征在于，包括：

外筒(1)，所述外筒(1)的上端与钻柱连接；

活动式套设在所述外筒(1)内并与所述外筒(1)形成扭矩连接的铰接轴(2)，所述铰接轴(2)的中心轴线能够相对于所述外筒(1)的中心轴线倾斜；

钻头(3)，所述钻头(3)固定设置在所述铰接轴(2)的下端；以及

设置在所述外筒(1)内并与所述铰接轴(2)的上端连接的偏心机构(4)，所述偏心机构(4)构造成当所述外筒(1)转动时使所述铰接轴(2)相对于地层维持在固定的角度。

2.根据权利要求1所述的钻井装置，其特征在于，所述偏心机构(4)包括：

转动式套设在所述外筒(1)内的偏心轮(40)，所述铰接轴(2)的顶部与所述偏心轮(40)连接，该连接点到所述偏心轮(40)的转动轴线的距离可调；以及

驱动器，所述驱动器的固定端与所述外筒(1)连接，所述驱动器的输出端用于驱动所述偏心轮(40)相对于所述外筒(1)转动。

3.根据权利要求2所述的钻井装置，其特征在于，所述驱动器能够驱动所述偏心轮(40)以与所述外筒(1)相同的转速相对于所述外筒(1)反向转动。

4.根据权利要求2所述的钻井装置，其特征在于，所述偏心轮(40)包括反向转动式设置在所述外筒(1)内部的外偏心环(43)和正向转动式设置在所述外偏心环(43)的偏心位置处的内偏心环(41)，其中，所述内偏心环(41)与所述驱动器连接，所述铰接轴(2)的顶部活动式设置在所述内偏心环(41)的偏心位置。

5.根据权利要求4所述的钻井装置，其特征在于，

所述外偏心环(43)的外圈中心与所述外筒(1)的中心在第一中心点(91)处重合；

所述外偏心环(43)的内圈中心与所述内偏心环(41)的外圈中心在第二中心点(92)处重合；

所述铰接轴(2)的中心与所述内偏心环(41)的内圈中心在第三中心点(93)处重合。

6.根据权利要求5所述的钻井装置，其特征在于，所述第一中心点(91)与所述第二中心点(92)不重合，所述第二中心点(92)与所述第三中心点(93)不重合。

7.根据权利要求6所述的钻井装置，其特征在于，所述第一中心点(91)到所述第二中心点(92)的距离与所述第二中心点(92)到所述第三中心点(93)的距离相等。

8.根据权利要求4所述的钻井装置，其特征在于，在所述内偏心环(41)和所述外偏心环(43)之间设置有第一棘轮(45)，在所述外偏心环(43)和所述外筒(1)之间设置有第二棘轮(46)，所述第一棘轮(45)和所述第二棘轮(46)的单向转动方向相反。

9.根据权利要求1所述的钻井装置，其特征在于，所述铰接轴(2)的顶部通过球面副穿透式设置在所述偏心机构(4)内。

10.根据权利要求4所述的钻井装置，其特征在于，所述驱动器包括驱动电机(42)，所述驱动电机(42)的外壳与所述外筒(1)固定连接，所述驱动电机(42)的输出轴通过万向节与所述内偏心环(41)连接。

11.根据权利要求1～10中任一项所述的钻井装置，其特征在于，在所述外筒(1)上设置有位移传感器(445)，所述位移传感器(445)用于测量所述铰接轴(2)在径向上到达所述位移传感器(445)的距离，从而得出所述铰接轴(2)相对于所述外筒(1)的倾斜角度。

12.根据权利要求1～10中任一项所述的钻井装置，其特征在于，所述铰接轴(2)通过球面副与所述外筒(1)连接，在所述铰接轴(2)与所述外筒(1)的球形接触面之间设置有用于传递扭矩的球体(5)。

13.根据权利要求12所述的钻井装置，其特征在于，所述铰接轴(2)或者所述外筒(1)的用于容置所述球体(5)的槽沿所述外筒(1)的轴向长度大于所述球体(5)的直径，用于在所述铰接轴(2)倾斜时为所述球体(5)提供空间。

14.根据权利要求12所述的钻井装置，其特征在于，在所述铰接轴(2)与所述外筒(1)的球面副之间设置有密封件。

15.根据权利要求14所述的钻井装置，其特征在于，两个密封件对称地分布在所述球体(5)的上、下两侧。

16.根据权利要求1～10中任一项所述的钻井装置，其特征在于，在所述外筒(1)内设置有发电机(71)，所述发电机(71)的输入端设置有涡轮(72)，所述发电机(71)的输出端与所述偏心机构(4)电性连接。

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