导向钻井装置的制作方法

1.本发明涉及石油钻井工程领域，具体涉及一种导向钻井装置。


背景技术：

2.在进行水平井和斜井的钻进过程中，通常需要导向钻井装置来改变钻头的钻进方向，以实现实时控制钻进轨迹的作用。
3.现有的导向钻井装置主要包括两种，一种为推靠式导向装置，另一种为指向式导向装置。
4.常见的推靠式导向装置在钻柱的侧部构造有能朝向井壁伸出的推靠活塞。通过活塞推靠井壁的作用力来导致钻头的位置和指向发生变化。这种推靠式导向装置的并且钻柱本身不能旋转，因而井下的工程风险较高。另外，对于这种推靠式导向装置来说，活塞的位移受到许多因素的影响，然而作业人员只能对其中的用于驱动活塞的力进行控制。因此，这种推靠式导向装置的造斜效果与地层情况高度相关，且在需要保持沿一个方向钻进时，钻柱几乎不能保证完全居中。目前也存在通过推靠活塞的频繁伸缩来允许钻柱旋转的方案，然而这就导致了该导向装置中的活塞需要频繁伸缩，这对于活塞的密封性能和使用寿命来说存在挑战。
5.指向式导向装置具有可以弯曲的壳体和中心轴。通过壳体和中心轴的弯曲方向和弯曲程度的变化来改变钻头的位置和指向。另外，该装置的中心轴需要与上下游钻具相连，并承载轴向压力。通过增大中心轴的轴向压力来使得中心轴及其外部的壳体发生弯曲，以此来改变钻柱的弯曲方向和弯曲程度。由于中心轴和壳体需要反复弯曲，所以容易发生疲劳破坏，影响工程安全。
6.另外，如上文所述，目前也存在允许钻柱旋转的方案。为了确保传感器的测量结果准确，设置传感器的结构部分通常是不能转动或基本不能转动的。然而，旋转的钻柱部分与不能转动的设置传感器的结构部分之间通常存在电连接的需求。在这种情况下，需要通过能相对旋转的接触式电接头来实现电连接。然而，这种电连接的稳定性较差，并且难以适应井下环境，因此容易发生失效。


技术实现要素：

7.基于此，本发明提出了一种导向钻井装置。通过这种导向钻井装置能够消除或至少削弱以上问题中的至少一项。
8.根据本发明提供了一种导向钻井装置，包括：沿纵向轴线延伸的外筒；钻头接头，所述钻头接头插入到所述外筒内，所述钻头接头的下端延伸到所述外筒的下端之外，并构造为用于与钻头相连，所述钻头接头构造为能随所述外筒一起旋转；接头驱动机构，所述接头驱动机构设置在所述外筒内，并构造为用于驱动所述钻头接头相对于纵向轴线摆动；以及下端连接机构。所述下端连接机构包括：连接主体，所述连接主体与所述接头驱动机构相连，使得所述接头驱动机构相对于所述连接主体不可旋转；第一扶正架，所述第一扶正架设
置在所述连接主体与所述外筒之间，所述连接主体与所述第一扶正架旋转式连接；电路系统，所述电路系统设置在所述连接主体内，并构造为用于向所述接头驱动机构提供电信号，以用于驱动所述钻头接头进行摆动；以及姿态传感器，所述姿态传感器设置在所述连接主体内，所述姿态传感器构造为用于测量井斜和方位，并将测量数据传输给所述电路系统；其中，所述电路系统能通过在所述连接主体与接头驱动机构内延伸的电线而向所述接头驱动机构提供电信号。
9.通过上述装置，能通过接头驱动机构来驱动钻头接头进行摆动，并由此使得钻头发生相应的摆动。在这种情况下，外筒、接头驱动机构以及钻头接头都不需要发生弯曲，尤其是接头驱动机构不需要在上下游钻柱之间进行承压，从而能在长期作业过程中有效确保这些部件的结构稳定性和完整性，进而有利于对整个导向钻井装置的结构进行保护。此外，通过第一扶正架的设置能够使得下端连接机构和接头驱动机构能够不随着外筒和钻头接头一起旋转。由此，可以确保下端连接机构中的姿态传感器的检测结果准确。另外，连接主体与接头驱动机构相对固定，使得连接主体内的电路系统和接头驱动机构能直接通过电线而进行电连接。这使得电路系统与接头驱动机构之间的电连接更加稳定，有利于确保井下检测和钻头接头摆动的顺利进行。
10.在一个实施例中，所述接头驱动机构包括至少三个驱动组件，所述至少三个驱动组件在周向上围绕所述钻头接头的上端彼此间隔开布置，各个驱动组件包括沿径向方向延伸的推杆，所述推杆构造为能沿径向方向移动并与所述钻头接头的上端相接合，以在所述推杆沿径向方向移动时推动所述钻头接头发生摆动。
11.在一个实施例中，所述钻头接头的上端构造有第二球面接合凸起，所述推杆的内端构造有第二球面接合槽，所述第二球面接合槽构造为能接收所述第二球面接合凸起。
12.在一个实施例中，所述驱动组件还包括：电机，所述电机通过所述电线与所述电路系统电连接，以用于接收来自所述电路系统的电信号；减速器，所述减速器设置在所述电机之下并与所述电机相连；输出轴；所述输出轴从所述减速器的下端平行于纵向轴线延伸出去；驱动齿轮，所述驱动齿轮的轴线平行于纵向轴线，所述驱动齿轮构造为锥形齿轮，并固定连接在所述输出轴的下端，所述驱动齿轮能在所述电机的驱动下进行旋转；以及从动齿轮，所述从动齿轮的轴线沿径向方向延伸，所述从动齿轮构造为锥形齿轮，并与所述驱动齿轮相啮合，所述驱动齿轮能驱动所述从动齿轮进行旋转，所述从动齿轮还构造有沿其轴线延伸的中心孔，所述中心孔内构造有第一螺纹部；其中，在所述推杆的外端上构造有第二螺纹部，所述推杆的外端构造为能插入到所述中心孔内，以使所述第一螺纹部与所述第二螺纹部彼此咬合；其中，所述从动齿轮能相对于所述推杆旋转，以在彼此咬合的第一螺纹部和第二螺纹部的作用下使所述推杆沿径向方向移动。
13.在一个实施例中，所述驱动组件还包括容纳所述电机、减速器、输出轴和驱动齿轮的驱动壳体，所述驱动壳体与所述连接主体固定相连，所述电线在所述连接主体与所述驱动壳体内延伸。
14.在一个实施例中，所述从动齿轮和推杆从所述驱动壳体的开口处至少部分地延伸到所述驱动壳体之外；其中，所述驱动组件还包括套设在从所述驱动壳体的开口处至少部分地延伸到所述驱动壳体之外的从动齿轮和推杆之外的可伸缩套筒，所述可伸缩套筒的一端与所述驱动壳体的开口密封连接，所述可伸缩套筒的另一端与所述推杆的内端密封连
接；其中，在所述可伸缩套筒与所述驱动壳体的至少一部分内填充有液压油。
15.在一个实施例中，所述可伸缩套筒为波纹管。
16.在一个实施例中，所述导向钻井装置还包括沿纵向轴线对中地设置在所述外筒内的中心轴，所述中心轴通过上端连接机构和所述下端连接机构可旋转式支撑在所述外筒上，所述中心轴与所述下端连接机构的连接主体固定相连；在所述中心轴上安装有发电机构。所述发电机构包括：发电机总成，所述发电机总成与所述电路系统相连，以向所述电路系统供电；设置在所述发电机总成之上的上涡轮，所述上涡轮构造为能沿第一旋转方向相对于所述中心轴自由旋转；设置在所述发电机总成之下的下涡轮，所述下涡轮构造为能沿第二旋转方向相对于所述中心轴自由旋转；以及设置在所述下涡轮之下的电磁稳定总成；其中，所述第一旋转方向和所述第二旋转方向彼此相反并都垂直于纵向轴线。
17.在一个实施例中，所述上端连接机构包括：第一筒体，所述第一筒体套设在所述外筒内，并通过设置在第一筒体与外筒之间的第二扶正架而连接到所述外筒上；第二筒体，所述第二筒体套设在所述第一套筒内，并通过轴承组件与所述第一筒体旋转式配合，所述第二筒体与所述中心轴相连。
18.在一个实施例中，在所述第一筒体内设置有上感应块，所述上感应块处于所述第二筒体之上，并与所述第二筒体间隔开，在所述第二筒体内设置有下感应块，所述上感应块和下感应块构造为能将来自地面的信号传递给下端连接机构中的电路系统，或将来自电路系统的信号传向地面。
19.与现有技术相比，本技术的主要优点在于，装置中的各个部件不需要发生弯曲，尤其是接头驱动机构不需要在上下游钻柱之间进行承压，从而能在长期作业过程中有效确保这些部件的结构稳定性和完整性，进而有利于对整个导向钻井装置的结构进行保护。另外，外筒可以自由地旋转而不会影响其中的各个内部部件的工作状态，也不会影响钻头的取向，由此可减小井下托压，有效地降低井下工程风险。此外，通过安装在中心轴上的上下涡轮沿相反的方向(即，第一旋转方向和第二旋转方向)旋转而产生相反的扭矩，与电磁稳定总成相配合，使得中心轴在导向钻井装置的工作过程中始终都能处于相对于地层静止或缓慢转动的状态。此外，通过多个驱动组件与钻头接头之间的配合，能够直接控制钻头接头的摆动方向和摆动角度，因而能直接控制钻头的摆动方向和摆动角度。这使得本发明的导向钻井装置能够有效地使钻头处于准确的钻井定向状态中。在需要保持一个固定的造斜方向时，也能使钻头完全居中。此外，电机、电路系统、发电机构和姿态传感器彼此之间的电连接均可通过电线来稳定地实现。
附图说明
20.下面将参照附图对本发明进行说明。
21.图1是根据本发明的一个实施方案的导向钻井装置的结构示意图；
22.图2显示了图1中的导向钻井装置中的上端连接机构的局部结构示意图；
23.图3显示了图1中的导向钻井装置中的接头驱动机构的其中一个驱动组件的局部结构图。
24.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。在本技术中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
25.下面通过附图来对本发明进行介绍。
26.如图1所示，导向钻井装置100包括外筒110，以及套设在外筒110内的中心轴170。外筒110与中心轴170均沿纵向轴线设置，并且中心轴170相对于外筒110对中设置。
27.该中心轴的上端通过上端连接机构120而可旋转式支撑在外筒110的内壁上，下端通过下端连接机构140而可旋转式支撑在外筒110的内壁上。
28.图2示意性地显示了上端连接机构120的一个实施例的详细结构。上端连接机构120包括套设在外筒110内沿纵向轴线延伸的第一筒体121。该第一筒体121通过设置在第一筒体121与外筒110之间的第二扶正架123而固定连接在外筒110的内壁上。在第一筒体121内设置有第二筒体122，该第二筒体122的下端与中心轴170固定连接。该第二筒体122沿纵向方向延伸，并能相对于第一筒体121围绕纵向轴线旋转。如图2所示，在第一筒体121的下端固定连接有轴承支架124，该轴承支架具有径向向内延伸的延伸部。在该延伸部上设置有套设在第二筒体122外的下推力轴承125、上推力轴承129和滑动轴承126。通过下推力轴承125、上推力轴承129和滑动轴承126而允许第二筒体122相对于第一筒体121可旋转地保持在第一筒体121内。
29.在第一筒体121内设置有上感应块127。该上感应块127设置在第二筒体122的上方，并与第二筒体间隔开。在第二筒体122内设置有下感应块128。上感应块127与下感应块128之间可实现电磁连接。
30.如图1所示，下端连接机构140包括筒状的连接主体141。连接主体141的上端与中心轴170的下端固定相连。连接主体141沿纵向轴线延伸，并通过设置在连接主体141与外筒110之间的第一扶正架144而支撑在外筒110上，以保持连接主体141相对于外筒110对中设置。连接主体141与第一扶正架144通过轴承组件旋转式连接。由此，连接主体141能相对于外筒110可旋转式地保持在外筒110内。连接主体141构造为中空的，在其中容纳有电路系统142和姿态传感器143。电路系统142可构造为电路板。姿态传感器143构造为用于测量井斜和方位。来自地面处的指令可通过上感应块127和下感应块128而发送至电路系统142。电路系统142可指示姿态传感器143来检测导向钻井装置100当前的倾斜程度和方位。姿态传感器143测量得到的数据可通过电路系统142再传递给下感应块128，并通过下感应块128和上感应块127将数据传递向地面。
31.在图1所示的优选实施例中，连接主体141的底部构造有用于容纳姿态传感器143的凹槽，以用于将姿态传感器143稳定地固定于其中。这有利于测量的准确性。然而应当理解的是，根据实际需要，可以将姿态传感器143设置在连接主体141中任意适当的位置处。
32.如图1所示，在中心轴170上安装有发电机构130。发电机构130包括从上到下依次设置的上涡轮131、发电机总成132、下涡轮133和电磁稳定总成134。上涡轮131和下涡轮133可相对于中心轴170自由旋转。由此，在流体流动通过上涡轮131和下涡轮133时，上涡轮131和下涡轮133可以在流体的作用下发生旋转。发电机总成可以将上涡轮131和下涡轮133的旋转运动转换为电能。
33.在图1所示的优选实施例中，上涡轮131和下涡轮133朝向相反的方向旋转。换句话说，上涡轮131朝向第一旋转方向旋转，而下涡轮133朝向相反的第二旋转方向旋转。第一旋转方向和第二旋转方向均垂直于纵向轴线。
34.电磁稳定总成134例如可以是现有的电磁刹车。通过电磁稳定总成134与上述上涡轮131和下涡轮133的作用，可使中心轴170相对于地层保持静止状态，或非常缓慢的旋转状态，其旋转速度远小于外筒110的旋转速度。
35.如图1所示，在外筒110内还设置有位于下端连接机构140之下的接头驱动机构150和钻头接头160。
36.钻头接头160的下端延伸到外筒110的下端之外，并构造为用于与钻头200固定相连。钻头接头160的中部构造有第一球面接合凸起161。在外筒110的下端内侧壁上构造有相应的第一球面接合槽111。该第一球面接合槽111构造为能用于接收第一球面结合凸起161，以使得钻头接头160能相对于外筒110自由摆动。
37.另外，在如图1所示的实施例中，在第一球面接合槽111与第一球面结合凸起161之间还设置有球悬挂件163。通过球悬挂件163使得外筒110的旋转扭矩能传递给钻头接头160，以带着钻头接头160和钻头200一起转动。
38.还如图1所示，钻头接头160的上端处于外筒110的供井内流体通过的、贯穿外筒110的流体通道112内。井内流体能通过该流体通道流入钻头接头160内，并由此流向钻头200。
39.接头驱动机构150包括多个(至少三个)驱动组件。这些驱动组件在周向上围绕钻头接头160的上端彼此间隔开布置。在图3中详细显示了单个驱动组件的一个实施例。
40.如图3所示，驱动组件包括平行于纵向轴线延伸的驱动壳体151。该驱动壳体151可通过倾斜延伸的连接杆而与上方的下端连接机构140的连接主体141相连。在驱动壳体151内可容纳有从上到下依次连接设置的电机152、减速器153、输出轴154和驱动齿轮155。驱动齿轮155的轴线平行于纵向轴线。电机152可通过电路系统142接收来自于发电机总成132的电能，并带动驱动齿轮155围绕其自身的轴线进行旋转。驱动组件还包括与该驱动齿轮155相啮合的从动齿轮156，使得从动齿轮156能随着驱动齿轮155的转动而转动。该从动齿轮156的轴线沿垂直于纵向轴线的径向方向延伸。从动齿轮156和驱动齿轮155都构造为锥形齿轮。
41.还如图3所示，驱动组件还包括沿径向方向延伸的推杆157。推杆157的内端朝向钻头接头160的上端。优选地，该推杆157的内端构造有第二球面接合槽159。该第二球面接合槽159用于接收形成于钻头接头160上端侧部的第二球面接合凸起162，以与钻头接头160稳定接合。推杆157的内端插入到形成于从动齿轮156的中心处的中心孔156a内，该中心孔156a沿着从动齿轮156的轴线(即，径向方向)延伸。在该中心孔156a内设置有第一螺纹部。在推杆157的外端上构造有相应的第二螺纹部。当推杆157的外端插入到中心孔156a内时，第一螺纹部与第二螺纹部彼此咬合。当电机151驱动着驱动齿轮155旋转、并由此驱动着从动齿轮156进行旋转时，推杆157紧抵着钻头接头160，因而不随着从动齿轮156一起旋转。由于这种相对旋转，在彼此咬合的第一螺纹部和第二螺纹部的作用下，推杆157能沿径向方向移动，并由此推动钻头接头160的上端，以使钻头接头160能发生摆动。
42.应当理解的是，在一个或多个驱动组件中的推杆157一起产生一个合力而沿一个方向推动钻头接头160的上端时，另一个或多个驱动组件中的推杆相应地避让钻头接头160的上端。在此过程中，确保所有的驱动组件中的推杆都始终抵在钻头接头160的上端处。由此，可通过多个驱动组件的矢量合成来驱动钻头接头160的摆动。这种驱动方式能够直接地
控制钻头接头160的摆动方向和摆动角度，使得钻头接头160和与其相连的钻头能准确地定向到所需的状态。
43.应当理解的是，在钻进过程中，钻头接头160在外筒110的驱动下围绕其自身轴线持续地旋转。在钻头接头160相对于外筒110摆动一定角度(即，不同轴)的情况下，为了确保钻头接头160和钻头200准确定向到一个固定的钻进方向，多个驱动组件应周期性地运动，以实时地推动或避让钻头接头160的上端。
44.还如图3所示，推杆157和从动齿轮156沿径向方向从驱动壳体151的开口151a至少部分地延伸到驱动壳体151之外。在从驱动壳体151的开口151a处至少部分地延伸到驱动壳体151之外的从动齿轮156和推杆157的外侧套设有可伸缩套筒158，例如为波纹管。该可伸缩套筒158的一端与驱动壳体151的开口151a密封连接，另一端与推杆157的内端边缘密封连接。在可伸缩套筒158与驱动壳体151内填充有液压油。由此，可在钻井定向装置100下入井内之后，确保可伸缩套筒158内外压力平衡，以确保驱动组件的顺利工作。应当理解的是，驱动壳体151内的液压油仅包围驱动齿轮155和输出轴154，而不接触到电机152及其上方的其他电连接结构。
45.设置三个驱动组件的情况是较为优选的。这三个驱动组件在周向上彼此均匀间隔开120
°
。
46.在上述导向钻井装置100中，中心轴170和接头驱动机构150不用于承载用于驱使钻头发生方向偏转的轴向压力，因此不会发生相应的弯曲和损坏。尤其是，钻头接头160与接头驱动机构150之间主要仅发生径向方向的受力配合，而基本上不发生轴向方向的受力配合。
47.通过上述这种钻头接头160与接头驱动机构150的设置，能够实现钻头200的驱动轴偏转一个角度，使钻头产生侧切力。这种控制钻头摆动的方式的调节精度和准确性更高。通过中心轴170及与其相连的发电机构130和接头驱动机构150等结构相对于外筒110可旋转式配合，一方面使得外筒110可在钻井作业过程中进行旋转，以减小托压；另一方面使得中心轴170及安装在其上的结构可基本上不转动。
48.应当理解的是，中心轴170不转动或基本不转动主要是为了避免其中的姿态传感器143因转动而影响检测结果的准确性。在此基础上，为了保持与姿态传感器143与其他结构的有效、密封的电连接，本发明的发电机构130和电路系统142等需要与姿态传感器143电连接的部件也都设置在中心轴170上，使得它们相对于彼此不发生旋转。同时，为了确保驱动组件中的电机152能与电路系统142和发电机构130进行有效的电连接，将驱动组件的驱动壳体151与中心轴170和下端连接机构140的连接主体141固定连接(例如通过上述连接杆)，并在驱动壳体151、连接主体141和中心轴170之间设置供电线穿过的通道。通过该电线来对电机152和电路系统142和发电机构130进行电连接。另外，姿态传感器143与电路系统142之间的电连接也可通过电线来实现。为了实现驱动壳体151的这种固定连接，在本发明中，驱动组件的驱动壳体151相对于外筒110独立地设置，并如上文所述地处于外筒110与钻头接头160之间的供井内流体(例如，钻井液)通过的流体通道112内。
49.在本文中，“上”、“下”等方位用词是参考导向钻井装置处于井内的姿态而描述的。“上”指的是朝向地面的一侧。“下”指的是朝向井底的一侧。
50.最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明
的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。