一种旋转导向钻井工具的偏执机构 |
|||||||
| 申请号 | CN201410544647.0 | 申请日 | 2014-10-15 | 公开(公告)号 | CN104314469A | 公开(公告)日 | 2015-01-28 |
| 申请人 | 洛阳市申甲机械设备有限公司; | 发明人 | 董书朋; | ||||
| 摘要 | 一种旋转导向钻井工具的偏执机构，包括 钻头 ，稳定器，第一 钻杆 ，施 力 单元，十字接头，第二钻杆，第三钻杆，静止单元，内部 传动轴 ，调心 轴承 ， 旋转接头 ，其中第一钻杆、第二钻杆、第三钻杆通过十字接头相连为一体；内部传动轴位于钻杆的内部，其下端通过旋转接头与钻头连接；第一稳定器设置在紧靠钻头处；静止单元设置在前述钻杆与内部传动轴形成的空腔内，其下端设置在紧靠第一稳定器的 位置 ，与钻头之间用调 心轴 承固定；施力单元固定在静止单元上；第二稳定器设置在远离静止单元的位置。借由上述技术方案，该偏执机构可适用于无 钻井液 钻机，并使钻杆在旋转的情况下发生可控的偏移，带动钻头产生相应的偏移，从而实现井眼的轨迹控制。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种旋转导向钻井工具的偏执机构，包括钻头，稳定器，第一钻杆，施力单元，十字接头，第二钻杆，第三钻杆，静止单元，，内部传动轴，调心轴承，旋转接头，其特征在于： |
||||||
| 说明书全文 | 一种旋转导向钻井工具的偏执机构技术领域[0001] 本发明涉及钻井工具技术领域，特别是涉及一种旋转导向钻井工具的偏执机构。 背景技术[0002] 旋转导向钻井技术是国际上20世纪90年代发展起来的一项尖端自动化钻井新技术，它是当今世界上钻井技术发展的最高阶段——闭环自动钻井的主要内容。它的出现是世界钻井技术的一次质的飞跃。与传统的滑动导向钻井相比，旋转导向钻井技术由于井下工具一直在旋转状态下工作，因此井眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，位移延伸能力更强，因此更适合于复杂油气藏中钻超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井等特殊工艺井。 [0003] 2000年，Schlumberger的PowerDrive SRD系统引入中国境内应用，在设计井深8800m、水平位移超过7500m的南海西江油田XJ24-3-A18井6871-8610m井段中成功应用，大大提高了井身质量，避免了6871m以上井段用滑动钻井方式多次出现的断马达等井下复杂事故，大大提高了钻井效率和效益。尽管该工具的日租金高达数万美元，仍直接节约了 500万元的钻井作业费用；而油田开发和后续完井、采油作业带来的间接经济效益更远远超过了直接经济效益。 [0004] 随后，我国于2001年把“调制式旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”、“旋转导向钻井技术研究”分别被列为国家“863”前瞻性研究项目及中国石化集团公司科技攻关项目。并于2003年把“旋转导向钻井系统关键技术研究”列为国家“863”正式科技攻关项目。 [0005] 随着技术的发展和石油资源的储量减少，以及美国“页岩气革命”的成功。页岩气的巨量储存显示了它将来的开发价值。实践中陆相页岩气的开发证明了用钻井液为工作血液的石油钻机达到了技术瓶颈，并且我国西部地区缺水的状况进一步限制了这种钻机的应用，人们迫切需求一种适合我国国情的新的钻井技术。 [0006] 申请人通过对配合使用螺旋叶片与钻杆对排出岩屑的可行性分析，并于2013年申报实用新型专利：一种用于开采页岩气的钻机，专利201320212569.5，该技术方案可以应用于陆相页岩气的开采。但是这种钻机还很不完善，为了使这种钻机达到商业化运行的目的，依据目前现有技 术的发展方向和该钻机的特点进行适合该钻机的旋转导向偏执机构的研究。 [0007] 有鉴于上述现有的钻机的旋转导向偏执机构存在的缺陷，本发明人基于从事机械类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的旋转导向钻井工具的偏执机构，能够配合申请号为201320212569.5的实用新型专利：一种用于页岩气开采的钻机，使其更具有实用性。希望经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，最终创设出确具实用价值的本发明。 发明内容[0008] 本发明的目的在于提供一种新型结构的旋转导向钻井工具的偏执机构，所要解决的技术问题是使其特别适用于无钻井液钻机，使钻杆在旋转的情况下发生可控的偏移，带动钻头产生相应的偏转，实现井眼的轨迹控制，使得该旋转导向钻井工具更容易实现偏移及控制。 [0009] 本发明的目的及解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。依据本发明提出的一种旋转导向钻井工具的偏执机构，包括钻头，稳定器，第一钻杆，施力单元，十字接头，第二钻杆，第三钻杆，静止单元，，内部传动轴，调心轴承，旋转接头，其中第一钻杆、第二钻杆、第三钻杆通过十字接头相连为一体，构成万向联轴单元；内部传动轴位于钻杆的内部，其下端通过旋转接头与钻头连接；第一稳定器设置在紧靠钻头处；静止单元设置在前述钻杆与内部传动轴形成的空腔内，其下端设置在紧靠第一稳定器的位置，与钻头之间用调心轴承固定；施力单元固定在静止单元上；第二稳定器设置在远离静止单元的位置。 [0010] 本发明的目的以及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。 [0011] 前述的一种旋转导向钻井工具的偏执机构，其中所述的万向联轴单元采用的技术方案为：第一钻杆与第二钻杆的联接端的端部呈180°设置两个通槽，前述两槽的内部具有一定的锥度；该十字接头具有与两槽同样的锥度，其伸出轴伸入前述的两槽中，防止钻杆摆动时与十字接头交涉；在第一钻杆与第二钻杆的开槽部分分别设置有固定挡块，该挡块与第一钻杆、第二钻杆固定连接；第二钻杆与第三钻杆也采用上述联接方式，从而将第一钻杆、第二钻杆、第三钻杆相连为一体。 [0012] 前述的一种旋转导向钻井工具的偏执机构，其中所述的静止单元包括长套筒，行星轮，固定套，固定板，固定杆，该行星轮设置在第三钻杆与内部传动轴形成的空腔内，其外圆周上设有齿轮，且分别与内部传动轴的外齿轮与第三钻杆的内齿轮相啮合；所述行星轮通过无外圈轴承套设在固 定杆上；该固定杆的上端与固定板固定连接，下端固定在长套筒上；该固定板套设在内部传动轴和第三钻杆的空腔之间，且固定板和内部传动轴上的定位台阶及第三钻杆内孔壁上的定位台阶之间分别设有轴承；该长套筒上部连接一个环形板，该环形板上设有用于固定固定杆下端的定位槽，在环形板和内部传动轴上的定位台阶以及第三钻杆内孔壁的定位台阶之间分别设有轴承；位于固定板和行星轮之间的固定杆上还设有固定套。 [0013] 前述的一种旋转导向钻井工具的偏执机构，其中所述的长套筒上开设有槽，用于固定装配施力单元。 [0014] 前述的一种旋转导向钻井工具的偏执机构，其中所述的第三钻杆的转速、内齿轮的齿数分别为na、Za，内部传动轴的转速、外齿轮的齿数分别为nb、Zb，且na/nb＝-Za/Zb，可使上述静止单元相对于地面无旋转。 [0015] 前述的一种旋转导向钻井工具的偏执机构，其中所述的静止单元可设3个，呈均匀布置。 [0016] 前述的一种旋转导向钻井工具的偏执机构，其中所述的施力单元包括电机，传动件，工作件，框架，该电机的输出轴穿过框架下盖，固定在框架上；该传动件的上端呈斜锲，下端为带孔的圆柱形，与电机的输出轴相配合；在框架上盖与传动件之间设有工作件，该工作件的下端呈斜锲，与传动件的上端相配合。 [0017] 前述的一种旋转导向钻井工具的偏执机构，其特征在于其中所述的施力单元装配在前述长套筒所开的槽内，通过螺栓固定在长套筒上。 [0018] 本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明一种旋转导向钻井工具的偏执机构是对申请号为201320212569.5的实用新型专利所述的钻机的完善，特别适用于无钻井液钻机，能够使钻杆在旋转的情况下发生可控的偏移，带动钻头产生相应的偏移，从而实现井眼的轨迹控制。 [0019] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。 附图说明[0020] 图1是本发明一较佳实施例的俯视图。 [0021] 图2是图1中D-D剖面的剖视图。 [0022] 图3是本发明中万向联轴单元的立体示意图。 [0023] 图4是本发明中第二钻杆的立体示意图。 [0024] 图5是图3的左视图。 [0025] 图6是图3的主视图。 [0026] 图7是本发明中施力单元的立体示意图。 [0027] 图8是本发明中施力单元在D-D剖面的剖视图。 [0028] 图9A是图7中框架上盖的立体示意图。 [0029] 图9B是图9A的右视图。 [0030] 图9B是图7中框架下盖的俯视图。 [0031] 图9C是图7中框架下盖的俯视图。图9D是图7中框架下盖的仰视图。 [0032] 图10是施力单元与长套筒的连接关系示意图。 [0033] 【主要符号说明】 [0034] 1：钻头 2：第一稳定器 [0035] 3：第一钻杆 4：施力单元 [0036] 5：十字接头 6：第二钻杆 [0037] 7：第三钻杆 8：静止单元 [0038] 9：第二稳定器 10：内部传动轴 [0039] 11：调心轴承 12：旋转接头 [0040] 13：挡块 41：电机 [0041] 42：传动件 43：工作件 [0042] 44：框架 441：框架上盖 [0043] 442：框架下盖 81：长套筒 [0044] 82：行星轮 83：固定套 [0045] 84：固定板 85：固定杆 具体实施方式[0046] 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种旋转导向钻井工具的偏执机构其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。 [0047] 请参阅图1及图2所示，本发明一种旋转导向钻井工具的偏执机构，包括钻头1，第一稳定器2，第一钻杆3，施力单元4，十字接头5，第二钻杆6，第三钻杆7，静止单元8，第二稳定器9，内部传动轴10，调心轴承11，旋转接头12。其中，第一钻杆3、第二钻杆6、第三钻杆7通过十字接头5连接为一体，构成万向联轴单元。内部传动轴11位于钻杆的内部，其下端通过旋转接头12与钻头1连接，通过内部流动的压缩空气清除旋转导向钻井工具段的岩屑。第一稳定器2设置在紧靠钻头1处。静止单元9设置在前述钻杆与内部传动轴10形成的空腔内，其下端设置在紧靠第一稳定器2的位置，与钻头1之间用调心轴承11固定。施力单元4固定在静止单 元8上，可对第一钻杆3施加导向力。第二稳定器9设置在远离静止单元8的位置，其后可以设置多个第二稳定器9。 [0048] 请参阅图3、图4、图5及图6所示，该万向联轴单元采用的技术方案为：第一钻杆3与第二钻杆6的联接端的端部呈180°设置两个通槽，前述两槽的内部具有一定的锥度。 该十字接头5具有与两槽同样的锥度，其伸出轴伸入前述的两槽中，防止钻杆摆动时与十字接头5交涉。并且在第一钻杆3与第二钻杆6的开槽部分分别设置有固定挡块13，用以防止十字接头从钻杆的槽内滑落，该挡块与第一钻杆4、第二钻杆7可用螺栓连接。第二钻杆7与第三钻杆8的联接方式与第一钻杆4、第二钻杆7的相同，不再详述。依据上述技术方案，通过两个十字接头6把第一钻杆4、第二钻杆7、第三钻杆8连为一体，构成万向联轴单元。 [0049] 请参阅图1及图2所示，静止单元8包括长套筒81，行星轮82，固定套83，固定板84，固定杆85.行星轮84设置在第三钻杆7与内部传动轴10形成的空腔内，其外圆周上设有齿轮，且分别与内部传动轴10的外齿轮与第三钻杆7的内齿轮相啮合。所述行星轮84通过无外圈轴承套设在固定杆85上。该固定杆85的上端与固定板84通过螺栓固定，下端固定在长套筒81上。该固定板84套设在内部传动轴10和第三钻杆7的空腔之间，且固定板 84和内部传动轴10上的定位台阶及第三钻杆7内孔壁上的定位台阶之间分别设有轴承。 该长套筒81上部连接一个环形板，该环形板上设有用于固定固定杆85下端的定位槽，在环形板和内部传动轴10上的定位台阶以及第三钻杆7内孔壁的定位台阶之间分别设有轴承。 此外，位于固定板84和行星轮82之间的固定杆85上还设有固定套83，该固定套83的上端面抵住固定板84的底面，其下端面抵住行星轮82所用的无外圈轴承的内圈。 [0050] 较佳的，该静止单元8可设为3个，均匀布置时效果最理想。 [0051] 较佳的，该长套筒81上开设有3个槽，用于固定装配施力单元4. [0052] 静止单元8的设计原理为：第三钻杆7与内部传动轴10都是旋转的，且旋转方向相反。通过行星轮82的齿轮传动，可以得到确定的传动比，如果第三钻杆7的转速、内齿轮的齿数分别为na、Za，内部传动轴10的转速、外齿轮的齿数分别为nb、Zb，保证na/nb＝-Za/Zb，可使行星轮82的公转转速为0，确保静止单元8相对于地面无旋转，同时与静止单元8相连的构件也相对于地面无旋转。 [0053] 请参阅图7及图8所示，施力单元4包括电机41，传动件42，工作件43，框架44.其中电机41的输出轴穿过框架下盖442(如图9B及图9C所示)，通过螺栓固定于框架44上，其输出轴选用滚珠丝杠。传动件42的上端呈斜锲；下端为带孔的圆柱形，该孔内带有与滚珠丝杠相配套的方形螺 母，与电机41的输出轴相配合，通过电机41输出轴的旋转运动带动传动件42做轴向直线运动。在框架上盖441(如图9A所示)与传动件42之间设有工作件43，该工作件43的下端呈斜锲，与传动件42的上端相配合。由于受到该框架上盖441的限制，斜锲连接将传动件42的轴向运动转化成工作件43的径向运动，并能对第一钻杆3传递导向力。当传动件42返回时，工作件43作用于第一钻杆3的导向力开始减小直至消失。请同时参阅图10所示，施力单元5整体组装在框架44上，并装配在前述长套筒81所开的槽内，然后通过框架上盖441及框架44侧边的螺栓固定在长套筒81上。 [0054] 较佳的，施力单元4可设为3个，均匀布置时效果最理想。 [0055] 施力单元4的设计原理为：只采用一个电机对钻杆施加导向力，钻头会摆动，此时钻进方向是不确定的，这就需要同时用三个电机同时对钻杆施加导向力，在三个电机的共同作用下确定钻杆的偏向，与紧靠钻头处布置的稳定器配合确定钻头的唯一偏向，这样钻头前进的轨迹才是唯一的、可控的。但是三个电机的布置与钻杆的偏移距离是有很大关系的，现有习知的旋转导向的钻具的单向偏移距离一般在10毫米以上，此时均匀布置电机是比较困难的；本发明把钻杆断开，并用十字接头联接钻杆，钻头容易偏转，经计算钻杆在一定的参数下单向偏移3毫米可以达到现有习知的旋转导向钻井工具单向偏移10毫米的效果，这样的偏移距离就有利于三个电机的均匀布置并且是完全可以实现的。不过三个电机虽然均匀布置效果最为理想，不是均匀布置同样可以达到控制的目的。 [0056] 实际作业中，该偏执机构是对申请号为201320212569.5的实用新型专利一种用于开采页岩气的钻机的完善，特别适用于无钻井液钻机，通过控制电机41的转动，带动传动件42做轴向直线运动，斜锲连接把传动件42的轴向直线运动转化成工作件43的径向运动，该工作件43对第一钻杆3施加导向力。十字接头5、第一钻杆3、第二钻杆6、第三钻杆7依据前述方式相连组成万向联轴单元，该单元在传递轴向力(钻压即轴向力，其单位为KN)、扭矩时，也可使第一钻杆3发生偏移，并将导向力全部传递给钻头1。偏移的方向依靠同一截面内的三个工作件43共同施加的导向力使第一钻杆3沿着可控制的某一方向偏移一定距离。第一钻杆3、第一稳定器2、钻头1构成杠杆体系，该杠杆体系中第一钻杆3与钻头1在钻机的控制都是旋转的，当第一钻杆3发生偏移时钻头1也偏离井眼曲线，在控制第一钻杆4的偏移距离及方向时使钻出的井眼成为可控制的空间曲线。 [0057] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可 利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈