一种旋转导向钻具的指向式导向短节偏置调整装置结构的制作方法

1.本发明涉及石油开采技术领域，具体为一种旋转导向钻具的指向式导向短节偏置调整装置结构。


背景技术：

2.石油开采过程的定向井作业中，为了控制钻头的钻探方向，根据井眼轨迹设计方案，需要在施工中进行增斜、降斜、扭方位等导向钻井作业。通常情况下，使用mwd和钻井马达配合完成导向钻井作业。在导向钻进作业过程中，整体钻具无法旋转，传动机构与井壁多是静摩擦，导致钻头经常出现脱压，严重影响钻井速度，增加钻井成本。更严重会导致卡钻，整体钻具无法取出，井眼报废，经济损失严重。
3.在这样的背景下，旋转导向钻井系统应运而生，其主要包括设置在油井上面的钻机和设置在底下用于钻探的旋转导向钻井工具，钻机通过柔性驱动轴与旋转导向钻井工具上的钻头轴传动连接，从而将扭矩传递给钻头轴，钻头轴驱动钻头钻探。旋转导向工具控制钻头在钻探过程中的运动方向。
4.旋转导向钻井领域的技术人员设计了多种机械结构与控制方案，让钻头达到要求的运动轨迹。其中典型的有三种方式，分别为推靠式旋转导向工具、指向式旋转导向工具和复合式旋转导向工具。其中指向式旋转导向工具和复合式旋转导向工具在指向式旋转导向工具的旋转钻进工作过程中，均存在扩眼运动，不利于高速工作。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种旋转导向钻具的指向式导向短节偏置调整装置结构，以解决上述背景技术中指向式旋转导向工具和复合式旋转导向工具在旋转钻进工作过程中，均存在扩眼运动，不利于高速工作的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种旋转导向钻具的指向式导向短节偏置调整装置结构，包括钻杆，所述钻杆末端连接有旋转导向钻具本体，所述旋转导向钻具本体内部由上至下依次设置有测量与控制模块、转向电机、偏置调整机构和万向装置，所述万向装置末端通过芯轴连接有钻头。
8.进一步而言，所述偏置调整机构内部的芯轴分为3段，分别为偏置机构第一节、偏置机构第二节和偏置机构第三节，所述偏置机构第一节和偏置机构第二节外侧别通过连接件连接有第一偏置调整电机和第二偏置调整电机，所述第一偏置调整电机驱动端连接有第一小齿轮，所述第二偏置调整电机驱动端连接有第二小齿轮。第一偏置调整电机和第二偏置调整电机均为永磁同步电机。
9.进一步而言，所述第一小齿轮和第二小齿轮外侧均啮合有大齿轮，且所述大齿轮分别设置于所述偏置机构第一节和偏置机构第二节连接处与偏置机构第二节和偏置机构第三节连接处。
10.进一步而言，所述偏置调整机构内部芯轴连接于所述转向电机的驱动端。
11.进一步而言，所述旋转导向钻具本体和万向装置外侧均设置有钻铤，且所述旋转导向钻具本体和万向装置外侧的钻铤为独立钻铤或一体式钻铤。
12.进一步而言，所述钻杆配合旋转导向钻具本体外侧的钻铤将旋转导向钻具本体连接于钻机的驱动端。
13.进一步而言，所述万向装置与旋转导向钻具本体同轴连接。
14.进一步而言，所述万向装置内部的芯轴直接与钻头通过螺纹连接。
15.进一步而言，所述钻头包括但不限于牙轮式钻头、pdc金刚石钻头或偏心钻头。
16.进一步而言，所述钻铤通过高强度合金钢构成，且所述钻铤表面覆盖有耐磨涂层，所述万向装置通过高强度合金钢构成，且所述万向装置表面做耐磨处理。
17.进一步而言，所述测量与控制模块包括转速传感器和控制模块。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.1.本发明所述的旋转导向钻具偏置调整机构设计合理、结构简单具有极高的推广价值。
20.2.当旋转导向钻具本体旋转钻进时，偏置调整机构的第一偏置调整电机和第二偏置调整电机配合开启，使偏置机构第一节、偏置机构第二节和偏置机构第三节调整成与钻铤中心轴线重合，即钻头中心轴与钻铤中心轴重合，钻杆顺时针转动，从而完成旋转钻进。
21.3.当旋转导向钻具本体导向钻进时，偏置调整机构的第一偏置调整电机和第二偏置调整电机配合开启，使钻头的中心轴与旋转导向钻具本体中心轴产生一个夹角。旋转导向钻具本体通过测量与控制模块内部的转速传感器检测自身转速以及测量与控制模块内部的控制模块控制转向电机以相同的速度逆时针转动。此时，钻头绕自身中轴线顺时针转动，钻头中轴线相对地面方向固定，从而完成导向钻进。
22.4.在井下通过旋转导向钻具本体的使用，使得无论是旋转钻进状态还是定向钻井状态，钻铤或钻杆的钻压与扭矩都能传递至钻头，加快了转速，降低了钻井成本，减少卡钻机率。
23.5.因偏置调整机构的使用，在旋转钻进时，消除了现有指向式旋转导向工具的钻进时的扩眼效应，提高了钻井效率。
附图说明
24.图1为本发明中一个实施例中提出的安装结构示意图；
25.图2为本发明中一个实施例中提出的偏置调整装置结构示意图；
26.图3为本发明中一个实施例中提出的开启偏置的结构示意图；
27.图4为本发明中一个实施例中提出的开启偏置调整装置的结构示意图；
28.图5为本发明中一个实施例中提出的钻具导向工作的运动状态示意图；
29.图中标记：1-钻杆；2-旋转导向钻具本体；3-钻头；4-测量与控制模块；5-转向电机；6-偏置调整机构；61-偏置机构第一节；62-偏置机构第二节；63-偏置机构第三节；64-第一偏置调整电机；65-第一小齿轮；66-第二偏置调整电机；67-第二小齿轮；7-万向装置。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：
32.一种旋转导向钻具的指向式导向短节偏置调整装置结构，包括钻杆1，钻杆1末端连接有旋转导向钻具本体2，旋转导向钻具本体2内部由上至下依次设置有测量与控制模块4、转向电机5、偏置调整机构6和万向装置7，万向装置7末端通过芯轴连接有钻头3。
33.本发明中，偏置调整机构6内部的芯轴分为3段，分别为偏置机构第一节61、偏置机构第二节62和偏置机构第三节63，偏置机构第一节61和偏置机构第二节62外侧别通过连接件连接有第一偏置调整电机64和第二偏置调整电机66，第一偏置调整电机64驱动端连接有第一小齿轮65，第二偏置调整电机66驱动端连接有第二小齿轮67。
34.本发明中，第一小齿轮65和第二小齿轮67外侧均啮合有大齿轮，且大齿轮分别设置于偏置机构第一节61和偏置机构第二节62连接处与偏置机构第二节62和偏置机构第三节63连接处。
35.本发明中，偏置调整机构6内部芯轴连接于转向电机5的驱动端。
36.本发明中，旋转导向钻具本体2和万向装置7外侧均设置有钻铤，且旋转导向钻具本体2和万向装置7外侧的钻铤为独立钻铤或一体式钻铤。
37.本发明中，钻杆1配合旋转导向钻具本体2外侧的钻铤将旋转导向钻具本体2连接于钻机的驱动端。
38.本发明中，万向装置7与旋转导向钻具本体2同轴连接。
39.本发明中，万向装置7内部的芯轴直接与钻头3通过螺纹连接。
40.本发明中，钻头3包括但不限于牙轮式钻头、pdc金刚石钻头或偏心钻头。
41.本发明中，钻铤通过高强度合金钢构成，且钻铤表面覆盖有耐磨涂层。
42.本发明中，万向装置7通过高强度合金钢构成，且万向装置7表面做耐磨处理。
43.本发明中，测量与控制模块4包括转速传感器和控制器，转速传感器与控制器电连接，转速传感器用于检测旋转导向钻具本体2的转速，控制器用于控制转向电机5的旋转速度。
44.工作原理：
45.图5表示从地面观察时，钻具导向工作的运动状态。o1为钻铤的旋转轴，o2为钻头自转的旋转轴。ω1表示钻铤的自转角速度，ω3表示钻头自转角速度，ω2表示钻头旋转轴o2绕o1公转的角速度。
46.当旋转导向工具本体2旋转钻进时，钻杆1顺时针转动，偏置调整机构6控制三节芯轴，即偏置机构第一节61、偏置机构第二节62和偏置机构第三节63的中心线与钻铤中心线重合，如图1所示，此时钻头3中心线与钻铤中心线重合。
47.当旋转导向钻具本体2导向钻进时，偏执调整机构6的第一偏置调整电机64和第二偏置调整电机66旋转停止到固定位置，如图3所示，此时偏置调整机构的3节芯轴，偏置机构第一节61、偏置机构第二节62和偏置机构第三节63不在同一直线上，从而产生偏置，钻头3中心线与钻铤中心线产生一个夹角。钻头3中心线与钻铤中心线的夹角可以用第一偏置调整电机64和第二偏置调整电机66转过的角度控制，同时可以在一定范围内调整。
48.钻杆1顺时针转动，带动旋转导向钻具本体2旋转，钻头3跟随旋转导向钻具2本体一起旋转。旋转导向钻具本体2通过转速传感器检测自身转速ω1，控制模块4控制转向电机5以等于钻杆1的速度逆时针转动(ω
电机
＝ω1)。此时钻头3处于一种运动的状态，即钻头3绕自身中轴线顺时针转动(ω1＝ω3)，同时与钻具中轴线相对静止(ω2＝0)。
49.偏置调整机构6的使用，消除了旋转导向工具本体2在旋转钻井时产生的扩眼效应，此方法加快了钻井速度，降低钻井成本，更减少了卡钻机率。
50.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
51.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。