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      一種動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

      文檔序號(hào):5350955閱讀:494來源:國知局
      專利名稱:一種動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種包括但不限于石油天然氣領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具,特別是所述鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。
      背景技術(shù)
      井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)根據(jù)其導(dǎo)向方式劃分為推靠式和指向式,按照偏置機(jī)構(gòu)的工作方式又可分為靜態(tài)偏置式和動(dòng)態(tài)偏置式,從應(yīng)用情況看,指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的造斜能力不依賴于和井壁的接觸,更加適用于大井徑或大肚子井眼、軟地層、極軟底層和夾層等的裸眼懸空側(cè)鉆,使得鉆進(jìn)狗腿度和側(cè)向鉆井造斜能力大為提高,有助于將井眼 控制在油藏的最佳位置,提高井身質(zhì)量,保證井下安全。而其中動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)更是由于其鉆具組合完全旋轉(zhuǎn),鉆出井眼光滑、規(guī)整,并可有效提高機(jī)械鉆速,增大扭矩、 調(diào)節(jié)鉆壓,充分發(fā)揮鉆頭性能,受到世界范圍內(nèi)諸多油氣田鉆井公司的歡迎??梢哉f,動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)是當(dāng)今世界鉆井技術(shù)發(fā)展的最高階段,代表著高精度定向鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。從技術(shù)層面看,動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是一個(gè)集機(jī)、電、液于一體的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng),其造斜能力不依賴于和井壁的接觸,并以井下所有部件完全旋轉(zhuǎn)為主要技術(shù)特征。世界著名的石油技術(shù)服務(wù)公司Baker Hughes, Schlumberger, Halliburton等都已經(jīng)開發(fā)出各自的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)。國內(nèi)西安石油大學(xué)、勝利油田鉆井院、中海石油研究中心、中國地質(zhì)大學(xué)、西南石油大學(xué)、遼河油田天意石油裝備公司等單位也開展了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究,陸續(xù)取得了一定的研究成果??傮w上,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)鉆井技術(shù)仍處于快速發(fā)展的階段,國際競爭十分激烈。中國專利公告號(hào)CN 101586440A,
      公開日2009年11月25日,發(fā)明創(chuàng)造的名稱為一種指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具(該發(fā)明申請(qǐng)亦為實(shí)用新型專利授權(quán),授權(quán)公告號(hào)CN 201450731U,授權(quán)公告日2010年5月12日),該申請(qǐng)案公開了一種不依賴地層的表面力學(xué)特性,結(jié)構(gòu)簡單,并且能夠準(zhǔn)確有效控制井眼軌跡的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng),該系統(tǒng)本質(zhì)上是靜態(tài)偏置指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng),其不足之處在于①所述鉆井工具工作時(shí)外筒不旋轉(zhuǎn),其作用扭矩較??;②所述鉆井工具的導(dǎo)向由芯軸彎曲實(shí)現(xiàn),該導(dǎo)向芯軸需承受高強(qiáng)度的交變應(yīng)力,容易發(fā)生疲勞損壞。美國專利號(hào)6,109,372,申請(qǐng)日1999年3月15日,授權(quán)日2000年8月29日,發(fā)明創(chuàng)造的名稱為采用液壓伺服回路控制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)(Rotary Steerable WellDrilling System Utilizing Hydraulic Servo-loop),該案公開了一種基于動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具,其外筒直接帶動(dòng)偏置機(jī)構(gòu)進(jìn)而帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn),通過X-Y方向兩組液壓驅(qū)動(dòng)活塞不間斷運(yùn)動(dòng)來控制工作時(shí)偏置機(jī)構(gòu)與外筒的相對(duì)位置,以達(dá)到指向的目的,其特點(diǎn)在于需要隨時(shí)已知準(zhǔn)確的外筒旋轉(zhuǎn)速度,并隨動(dòng)控制X-Y方向兩組液壓驅(qū)動(dòng)活塞的運(yùn)行位置,液壓驅(qū)動(dòng)活塞位移與外筒轉(zhuǎn)速的聯(lián)立控制加之其本身的高負(fù)荷工作,無疑會(huì)增大精確指向控制的難度。
      美國專利號(hào)6,092,610,申請(qǐng)日1998年2月5日,授權(quán)日2000年7月25日,發(fā)明創(chuàng)造的名稱為主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)與方法(Actively Controlled RotarySteerable System and Method forDrilling Wells),該案公開了一種動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng),其外筒帶動(dòng)鉆軸進(jìn)而帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生較大旋轉(zhuǎn)扭矩,同時(shí)該案提出了一種基于偏心軸的指向式導(dǎo)向機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)彎角可在0°到設(shè)計(jì)最大角度之間變化,通過保證偏心軸地理靜止,可恒定結(jié)構(gòu)彎角值。其特點(diǎn)在于,當(dāng)不需調(diào)整結(jié)構(gòu)彎角而需調(diào)整方位角時(shí),要首先破壞偏心軸地理靜止?fàn)顟B(tài),待偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)到所需方位時(shí),再使其等速反向跟蹤外筒轉(zhuǎn)速,同時(shí)該案未能清楚詳細(xì)地闡明偏心環(huán)驅(qū)動(dòng)方式,無法得知偏心機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)。

      發(fā)明內(nèi)容
      針對(duì)上述問題,本發(fā)明的目的是提供一種基于雙偏心環(huán)運(yùn)動(dòng)原理的動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,可實(shí)現(xiàn)鉆井過程中結(jié)構(gòu)彎角、特別是井斜角和方位角的精確控制。本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理緊湊,不失為一種有效的動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu),是動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的重要組成部分,包括旋轉(zhuǎn)外筒、穩(wěn)定平臺(tái)、導(dǎo)向偏置機(jī)構(gòu)、上下支撐板、鉆軸、鉆頭、導(dǎo)電滑環(huán)以及連接軸承。旋轉(zhuǎn)外筒為一壁厚較厚的中空環(huán)形體,由鉆桿和泥漿馬達(dá)二者或其一驅(qū)動(dòng),用于向鉆具施加較大的鉆壓和扭矩。穩(wěn)定平臺(tái)置于旋轉(zhuǎn)外筒內(nèi)部,包括中空?qǐng)A柱形主體、連接軸承、伺服電機(jī)及配套聯(lián)軸器,穩(wěn)定平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)從直徑上小下大的圓臺(tái)體演化而來,上端伸出較長,由安裝在旋轉(zhuǎn)外筒的下支撐板和嵌入其中的軸承連接固定,下端為壁厚較薄的中空型圓柱體,連接軸承外側(cè)與旋轉(zhuǎn)外筒內(nèi)壁緊密配合,內(nèi)側(cè)連接穩(wěn)定平臺(tái)主體,伺服電機(jī)安裝在旋轉(zhuǎn)外筒的上支撐板上,聯(lián)軸器用于連接伺服電機(jī)與穩(wěn)定平臺(tái)主體,依據(jù)旋轉(zhuǎn)外筒轉(zhuǎn)動(dòng)情況,伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定平臺(tái)主體等速相反旋轉(zhuǎn),使其在工作狀態(tài)下保持對(duì)地靜止。導(dǎo)向偏置機(jī)構(gòu)位于穩(wěn)定平臺(tái)主體內(nèi)部,通過連接軸承實(shí)現(xiàn)定位和相對(duì)自由旋轉(zhuǎn),其包括內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)及其配套驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)和聯(lián)軸器,內(nèi)偏心環(huán)置于外偏心環(huán)之中,其緊密接觸配合和相對(duì)自由旋轉(zhuǎn)的連接狀態(tài)通過連接軸承實(shí)現(xiàn),兩個(gè)偏心環(huán)中的偏心中空體中心軸線與偏心環(huán)本體中心軸線成一定角度,該角度決定了導(dǎo)向偏置機(jī)構(gòu)所能導(dǎo)向的最大可能結(jié)構(gòu)彎角值。動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中的導(dǎo)電滑環(huán)可不受各零部件工作時(shí)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的影響將電源及控制信號(hào)弓I至伺服電機(jī)上。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)合理,調(diào)整方便,通過其動(dòng)態(tài)指向的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式,可對(duì)水平井、大位移井、大斜度井和分支井等的鉆進(jìn)過程進(jìn)行有效導(dǎo)向,并可增大扭矩、調(diào)節(jié)鉆壓,改善機(jī)械鉆速,充分發(fā)揮鉆頭性能,進(jìn)而提高鉆進(jìn)效率。


      下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
      圖I本發(fā)明實(shí)施例剖面示意圖;圖2本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)彎角最大時(shí)內(nèi)外偏心環(huán)位置示意圖;圖3本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)彎角為零時(shí)內(nèi)外偏心環(huán)位置示意圖;圖4本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)彎角與內(nèi)偏心環(huán)相對(duì)于外偏心環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算不意圖;I-鉆頭,2-鉆軸,3-旋轉(zhuǎn)外筒,4-外偏心環(huán),5-穩(wěn)定平臺(tái)連接軸承,6—外偏心環(huán)連接軸承,7-外偏心環(huán)導(dǎo)電滑環(huán),8-穩(wěn)定平臺(tái)主體,9-穩(wěn)定平臺(tái)導(dǎo)電滑環(huán),10-下支撐板,11-穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī),12-上端導(dǎo)電滑環(huán),13-上支撐板,14-穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)聯(lián)軸器,15-下支撐板內(nèi)嵌軸承,16-外偏心環(huán)伺服電機(jī),17-外偏心環(huán)伺服電機(jī)聯(lián)軸器,18-內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī),19-內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)聯(lián)軸器,20-內(nèi)偏心環(huán),21-內(nèi)偏心環(huán)連接軸承,22-鉆軸連接軸承,23-密封波紋管; A-外偏心環(huán)中心軸線、B-內(nèi)偏心環(huán)的中空孔軸線、C-內(nèi)偏心環(huán)中心軸線、D-外(內(nèi))偏心環(huán)下端面、E-外偏心環(huán)中心軸線A與外(內(nèi))偏心環(huán)下端面D的交點(diǎn)、G-內(nèi)偏心環(huán)的中空孔軸線B與外(內(nèi))偏心環(huán)下端面D的交點(diǎn)、F-內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C與內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C的交點(diǎn),O-外偏心環(huán)中心軸線A與內(nèi)偏心環(huán)的中空孔軸線B與內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C共同的交點(diǎn)。α -結(jié)構(gòu)彎角、β -內(nèi)偏心環(huán)相對(duì)于外偏心環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度為、Θ -外偏心環(huán)中心軸線A與內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C的夾角、Φ-內(nèi)偏心環(huán)的中空孔軸線B與內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C的夾角。
      具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖,對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述;應(yīng)當(dāng)理解,優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明,而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明實(shí)施例提供了一種用于但不限于石油天然氣開發(fā)的井下動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具,特別是提供了一種基于穩(wěn)定平臺(tái)和內(nèi)外雙偏心環(huán)的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。該工具的導(dǎo)向方式為指向式,導(dǎo)向偏置機(jī)構(gòu)的工作方式為動(dòng)態(tài)偏置式。本發(fā)明實(shí)施例中旋轉(zhuǎn)外筒與鉆柱或鉆桿系統(tǒng)相連,鉆頭與鉆軸相連;內(nèi)外雙偏心環(huán)偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)置于穩(wěn)定平臺(tái)主體內(nèi)部,由電機(jī)驅(qū)動(dòng)使其與旋轉(zhuǎn)外筒旋轉(zhuǎn)速率大小相等,方向相反,保持地理靜止?fàn)顟B(tài);在鉆進(jìn)過程中,旋轉(zhuǎn)外筒始終旋轉(zhuǎn),并將扭矩與鉆壓高效地傳遞給鉆頭;通過調(diào)整內(nèi)偏心環(huán)同外偏心環(huán)的相對(duì)旋轉(zhuǎn)位置,可實(shí)現(xiàn)鉆軸中心線與外筒中心線所形成結(jié)構(gòu)彎角從0°到設(shè)置最大結(jié)構(gòu)彎角值間變化;通過調(diào)整偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)同穩(wěn)定平臺(tái)主體的相對(duì)旋轉(zhuǎn)位置,可使鉆軸中心線指向東西南北360°范圍內(nèi)任意控制方位。圖I為本發(fā)明實(shí)施例剖面示意圖。該動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu),包括旋轉(zhuǎn)外筒3、穩(wěn)定平臺(tái)、導(dǎo)向偏置機(jī)構(gòu)、上支撐板13、下支撐板10、鉆軸2、鉆頭I、導(dǎo)電滑環(huán)以及連接軸承。具體來說,穩(wěn)定平臺(tái)置于旋轉(zhuǎn)外筒3內(nèi)部,包括中空?qǐng)A柱形穩(wěn)定平臺(tái)主體8、穩(wěn)定平臺(tái)連接軸承5、穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)11及配套的穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)聯(lián)軸器14,穩(wěn)定平臺(tái)主體8上端由安裝在旋轉(zhuǎn)外筒3的下支撐板10和下支撐板內(nèi)嵌軸承15連接固定,下端通過穩(wěn)定平臺(tái)連接軸承5與旋轉(zhuǎn)外筒3內(nèi)壁緊密配合,穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)11安裝在旋轉(zhuǎn)外筒3的上支撐板13下端面,上支撐板13與下支撐板10通過內(nèi)六角螺紋緊固在旋轉(zhuǎn)外筒3上,并隨之一起運(yùn)動(dòng);穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)聯(lián)軸器14用于連接穩(wěn)定平臺(tái)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)11與穩(wěn)定平臺(tái)主體8,穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)11驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定平臺(tái)主體8相對(duì)于旋轉(zhuǎn)外筒3等速相反旋轉(zhuǎn),使其在工作狀態(tài)下保持對(duì)地靜止。導(dǎo)向偏置機(jī)構(gòu)位于穩(wěn)定平臺(tái)主體8內(nèi)部,通過外偏心環(huán)連接軸承6實(shí)現(xiàn)定位和相對(duì)自由旋轉(zhuǎn),其包括內(nèi)偏心環(huán)20和外偏心環(huán)4及其配套的外偏心環(huán)伺服電機(jī)16、外偏心環(huán)伺服電機(jī)聯(lián)軸器17 、內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)18、內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)聯(lián)軸器19以及內(nèi)偏心環(huán)連接軸承21,外偏心環(huán)伺服電機(jī)16用于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)外偏心環(huán)4,二者通過外偏心環(huán)伺服電機(jī)聯(lián)軸器17實(shí)現(xiàn)連接,內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)18用于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)內(nèi)偏心環(huán)20,二者通過內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)聯(lián)軸器19實(shí)現(xiàn)連接,內(nèi)偏心環(huán)20連同內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)18、內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)聯(lián)軸器19置于外偏心環(huán)4內(nèi)部,其緊密接觸配合和相對(duì)自由旋轉(zhuǎn)的連接狀態(tài)通過內(nèi)偏心環(huán)連接軸承21實(shí)現(xiàn)。內(nèi)偏心環(huán)20中空處嵌入有鉆軸連接軸承22,內(nèi)圈置于鉆軸2上端接頭,所述鉆軸連接軸承22用于引導(dǎo)鉆軸2結(jié)構(gòu)彎角和方位角,并實(shí)現(xiàn)鉆軸2與內(nèi)偏心環(huán)20的獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。圖2、圖3描述了本發(fā)明實(shí)施例的導(dǎo)向偏置機(jī)構(gòu)導(dǎo)向原理。外偏心環(huán)4中心軸線A與原井眼軌跡軸線平行,鉆軸3上端位于內(nèi)偏心環(huán)20的中空孔中,且該孔軸線B與A成一定夾角,即結(jié)構(gòu)彎角a。當(dāng)內(nèi)外偏心環(huán)有相對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),結(jié)構(gòu)彎角α將在0°和已設(shè)計(jì)好的最大結(jié)構(gòu)彎角值間連續(xù)變化;若當(dāng)內(nèi)外偏心環(huán)在保持相對(duì)靜止的狀態(tài)下一起旋轉(zhuǎn)時(shí),該結(jié)構(gòu)彎角可指向任意方位。需要特別指出的是,外偏心環(huán)4中空孔中心軸線與中心軸線A不但在下表面有一設(shè)計(jì)偏距,而且存在一個(gè)夾角,內(nèi)偏心環(huán)中空孔中心軸線B與內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C在下表面具有同樣的設(shè)計(jì)偏距值,并且此二中心軸線具有同樣的設(shè)計(jì)夾角值,該設(shè)計(jì)夾角值的2倍值為最大結(jié)構(gòu)彎角值。圖2進(jìn)一步描述了本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)彎角最大時(shí)內(nèi)外偏心環(huán)位置示意圖。圖中,外偏心環(huán)中心軸線A與外(內(nèi))偏心環(huán)下端面D交于點(diǎn)Ε、內(nèi)偏心環(huán)的中空孔軸線B與外(內(nèi))偏心環(huán)下端面D交于點(diǎn)G、內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C與外(內(nèi))偏心環(huán)下端面D交于點(diǎn)F,外偏心環(huán)中心軸線A與內(nèi)偏心環(huán)的中空孔軸線B與內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C共同相交于點(diǎn)0,外偏心環(huán)中心軸線Α、內(nèi)偏心環(huán)的中空孔軸線B和內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C位于同一平面內(nèi),交點(diǎn)E與交點(diǎn)G距離EG最長,兩倍于外偏心環(huán)4中空孔中心軸線與中心軸線A在外(內(nèi))偏心環(huán)下端面D下端面的設(shè)計(jì)偏距EF,也即兩倍于內(nèi)偏心環(huán)中空孔中心軸線B與內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C在外(內(nèi))偏心環(huán)下端面D下端面的設(shè)計(jì)偏距FG;結(jié)構(gòu)彎角α為外偏心環(huán)中心軸線A與內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C的夾角Θ和內(nèi)偏心環(huán)的中空孔軸線B與內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C的夾角Φ之和,由于此兩夾角在設(shè)計(jì)時(shí)要求相同,故結(jié)構(gòu)彎角α兩倍于Θ或者φ。圖3進(jìn)一步描述了本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)彎角為零時(shí)內(nèi)外偏心環(huán)位置示意圖。此時(shí),內(nèi)偏心環(huán)20相對(duì)于外偏心環(huán)4的角位移較之圖3中順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了 180°。圖中,外偏心環(huán)中心軸線A與內(nèi)偏心環(huán)的中空孔軸線B重合,與外(內(nèi))偏心環(huán)下端面D交與點(diǎn)E或G,內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C與外(內(nèi))偏心環(huán)下端面D交于點(diǎn)F,外偏心環(huán)中心軸線A與內(nèi)偏心環(huán)的中空孔軸線B與內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C共同相交于點(diǎn)0,外偏心環(huán)中心軸線Α、內(nèi)偏心環(huán)的中空孔軸線B和內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C位于同一平面內(nèi),交點(diǎn)E與交點(diǎn)G距離EG最短為零;結(jié)構(gòu)彎角Ct也為零。圖4從一般意義上進(jìn)一步描述了本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)彎角與內(nèi)偏心環(huán)相對(duì)于外偏心環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算示意圖;圖中外偏心環(huán)中心軸線A與外(內(nèi))偏心環(huán)下端面D交于點(diǎn)E、內(nèi)偏心環(huán)的中空孔軸線B與外(內(nèi))偏心環(huán)下端面D交于點(diǎn)G、內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C與外(內(nèi))偏心環(huán)下端面D交于點(diǎn)F,外偏心環(huán)中心軸線A與內(nèi)偏心環(huán)的中空孔軸線B與內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C共同相交于點(diǎn)0,外偏心環(huán)4中空孔中心軸線與中心軸線A在外(內(nèi))偏心環(huán)下端面D下端面的設(shè)計(jì)偏距EF,內(nèi)偏心環(huán)中空孔中心軸線B與內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C在外(內(nèi))偏心環(huán)下端面D下端面的設(shè)計(jì)偏距FG,外偏心環(huán)中心軸線A與內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C的夾角Θ等于內(nèi)偏心環(huán)的中空孔軸線B與內(nèi)偏心環(huán)中心軸線C的夾角Φ,此外有,結(jié)構(gòu)彎角α、內(nèi)偏心環(huán)相對(duì)于外偏心環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度為β。進(jìn)一步地,有,
      權(quán)利要求
      1.一種動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu),包括旋轉(zhuǎn)外筒、穩(wěn)定平臺(tái)、偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、上支撐板、下支撐板、鉆軸、鉆頭、導(dǎo)電滑環(huán)以及連接軸承,其特征在于,旋轉(zhuǎn)外筒向鉆頭直接施加鉆壓和扭矩,旋轉(zhuǎn)外筒帶動(dòng)鉆軸、鉆頭共同旋轉(zhuǎn),偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)位于穩(wěn)定平臺(tái)主體內(nèi)部,通過外偏心環(huán)連接軸承實(shí)現(xiàn)定位和相對(duì)自由旋轉(zhuǎn),通過調(diào)整偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)同穩(wěn)定平臺(tái)主體的相對(duì)旋轉(zhuǎn)位置,可使鉆軸中心線在(Γ360°范圍內(nèi)任意控制方位。
      2.如權(quán)利要求I所述的一種動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu),其特征在于穩(wěn)定平臺(tái)置于旋轉(zhuǎn)外筒內(nèi)部,包括中空?qǐng)A柱形穩(wěn)定平臺(tái)主體、穩(wěn)定平臺(tái)連接軸承、穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)、穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)聯(lián)軸器,穩(wěn)定平臺(tái)主體上端由安裝在旋轉(zhuǎn)外筒的下支撐板和下支撐板內(nèi)嵌軸承連接固定,下端通過穩(wěn)定平臺(tái)連接軸承與旋轉(zhuǎn)外筒內(nèi)壁緊密配合,穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)安裝在旋轉(zhuǎn)外筒的上支撐板上,上支撐板與下支撐板通過內(nèi)六角螺紋緊固在旋轉(zhuǎn)外筒上,并隨之一起運(yùn)動(dòng)。
      3.如權(quán)利要求2所述的一種動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu),其特征在于穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)聯(lián)軸器用于連接穩(wěn)定平臺(tái)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)與穩(wěn)定平臺(tái)主體,穩(wěn)定平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定平臺(tái)主體相對(duì)于旋轉(zhuǎn)外筒等速相反旋轉(zhuǎn),使其在工作狀態(tài)下保持 對(duì)地靜止。
      4.如權(quán)利要求I所述的一種動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu),其特征在于偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)及其配套的外偏心環(huán)伺服電機(jī)、外偏心環(huán)伺服電機(jī)聯(lián)軸器、內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)、內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)聯(lián)軸器以及內(nèi)偏心環(huán)連接軸承。
      5.如權(quán)利要求4所述的一種動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu),其特征在于外偏心環(huán)伺服電機(jī)用于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)外偏心環(huán),二者通過外偏心環(huán)伺服電機(jī)聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)連接,內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)用于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)內(nèi)偏心環(huán),二者通過內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)連接,內(nèi)偏心環(huán)連同內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)、內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)聯(lián)軸器置于外偏心環(huán)內(nèi)部,其緊密接觸配合和相對(duì)自由旋轉(zhuǎn)的連接狀態(tài)通過內(nèi)偏心環(huán)連接軸承實(shí)現(xiàn),安裝在外偏心環(huán)上端的外偏心環(huán)導(dǎo)電滑環(huán)用于連接內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)電源及控制信號(hào)線,安裝在上支撐板上端的上端導(dǎo)電滑環(huán)用于連接穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)、外偏心環(huán)伺服電機(jī)和內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)電源及控制信號(hào)線。
      6.如權(quán)利要求5所述的一種動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu),其特征在于外偏心環(huán)伺服電機(jī)和內(nèi)偏心環(huán)伺服電機(jī)為中空軸式電機(jī)。
      7.如權(quán)利要求4,5所述的一種動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu),其特征在于外偏心環(huán)中空孔中心軸線與其本體中心軸線在下端面有一設(shè)計(jì)偏距,而且存在一個(gè)夾角;內(nèi)偏心環(huán)中空孔中心軸線與其本體中心軸線在下端面具有同樣的設(shè)計(jì)偏距值,并且此二中心軸線具有同樣大小的設(shè)計(jì)夾角值。
      8.如權(quán)利要求1,4所述的一種動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu),其特征在于所述偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的最大結(jié)構(gòu)彎角為外偏心環(huán)中空孔中心軸線與其本體中心軸線設(shè)計(jì)夾角值或內(nèi)偏心環(huán)中空孔中心軸線與其本體中心軸線夾角值的2倍。
      9.如權(quán)利要求1,5所述的一種動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu),其特征在于當(dāng)內(nèi)外偏心環(huán)有相對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),結(jié)構(gòu)彎角將在O°和已設(shè)計(jì)好的最大結(jié)構(gòu)彎角值間連續(xù)變化。
      10.如權(quán)利要求1,5所述的一種動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu),其特征在于鉆軸與旋轉(zhuǎn)外筒內(nèi)部的泥漿密封可用密封波紋管來實(shí)現(xiàn),鉆軸與內(nèi)偏心環(huán)的泥漿密封可用密封波紋管來實(shí)現(xiàn);該偏置機(jī)構(gòu) 可以直接外接鉆頭,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井功能。
      全文摘要
      一種動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu),包括旋轉(zhuǎn)外筒、穩(wěn)定平臺(tái)、偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、上下支撐板、鉆軸、鉆頭、導(dǎo)電滑環(huán)以及連接軸承,該裝置通過保持穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)地靜止、調(diào)整內(nèi)外偏心環(huán)的相對(duì)位置和偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與穩(wěn)定平臺(tái)主體的相對(duì)位置,可實(shí)現(xiàn)鉆井過程中結(jié)構(gòu)彎角、特別是井斜角和方位角的精確控制。本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理緊湊,不失為一種有效的動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
      文檔編號(hào)E21B7/04GK102865038SQ201210401530
      公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月13日
      發(fā)明者耿艷峰, 鄢志丹, 楊錦舟, 吳仲華 申請(qǐng)人:中國石油大學(xué)(華東)
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