一种非旋转套的防转装置以及旋转导向装置的制作方法

本申请涉及钻探领域，尤其涉及控制钻进导向的旋转导向领域。

背景技术：

为了获取地下贮藏的自然资源需要进行钻井勘探，在很多情况下，井孔与井架都不是对齐的，而是需要形成一定的偏移或者弯曲，这种形成水平或者竖直偏移或者其他类型的复杂井孔的过程叫做定向钻井。而在定向钻井过程中对钻头方向进行方向控制的过程叫做导向。现代导向钻井有滑动导向与旋转导向两种类型。滑动导向钻井时，钻柱不旋转；用井底动力钻具（涡轮钻具、螺杆钻具）带动钻头旋转。螺杆钻具及部分钻柱与扶正器贴靠井壁只能在井壁上下滑动。它的缺点是摩阻大、有效钻压、扭矩与功率小，钻速低、井眼呈螺旋状不光滑不干净、井身质量差、易事故，往往被迫启动钻盘采用“复合钻进”，而“复合钻进”往往只能有限使用。滑动导向的极限井深小于4000m左右。要较大改变井斜方位时，需起钻改变钻柱结构。旋转导向钻井系统是转盘驱动钻柱旋转，钻柱及旋转导向工具等在井壁上滚动，滚动摩擦阻力小，旋转导向钻井系统能在钻进中控制调整其造斜与定向功能，能随钻实时完成造斜、增斜、稳斜、降斜，且摩阻小、扭矩小、钻速高、钻头进尺多、时效高、成本低、井身平滑井轨易控。极限井身可达15km，是钻复杂结构井和海油陆系及超大位移井（10km）的新式武器。

美国专利申请文件us20140209389a1公开了一种旋转导向工具，其包括非旋转套，一个包括可偏转单元的旋转轴，通过控制偏芯轴套的周向位置使得可偏转单元进行偏转，进而调整钻头的钻孔方向。在整个导向过程中，控制系统需要不断测量非旋转套的姿态（姿态测量系统和控制单元一般会安装在非旋转套内），并根据姿态参数输出控制指令。然而在钻具系统工作过程中，非旋转套会因为惯性和不可忽略的摩擦作用，会随着钻具系统一起转动，虽然非旋转套的转速低于驱动轴，但是转动的非旋转套仍然会为姿态测量带来麻烦，使得测量精度难以保证，进而会影响控制系统的控制精度，影响整个导向操作。

因此，现有技术需要一种有效地阻碍非旋转套随着钻具组合转动的技术，从而为准确的姿态测量和导向控制提供基础。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本申请提出了一种非旋转套的防转装置：所述防转装置如此地与所述非旋转套连接，以使得所述防转装置能够向所述非旋转套传递周向作用力从而阻碍所述非旋转套的旋转，所述防转装置包括防转件和弹性件，所述防转件能够大体上沿所述非旋转套的径向方向移动，所述弹性件的作用于所述防转件并为所述防转体提供大体径向向外的作用力。

优选地，所述防转装置还包括：

本体，所述本体连接至所述非旋转套；

防转件座体，所述防转件座体安装于所述本体；

所述防转件安装于所述防转件座体上，所述弹性件安装于所述本体上，所述弹性件作用于所述防转件座体并通过所述防转件座体提供所述径向向外的作用力。

优选地，所述防转件座体通过第一安装销铰接于所述本体；

所述防转件通过第二安装销可转动地安装在所述防转件座体上。

优选地，所述防转件座体包括斜面，所述斜面作用于所述防转件以提供所述径向向外的作用力。

优选地，所述本体上设置有限位凸起，所述限位凸起适于限制所述防转件的径向位移。

优选地，所述防转装置还包括第三安装销，所述本体通过所述第三安装销与非旋转套连接；

所述防转装置还包括径向驱动装置以及设置在所述本体上的延伸部，所述径向驱动装置适于驱动所述本体绕所述第三安装销转动，从而使得所述延伸部与所述第二非旋转套作用。

另一方面，本申请还公开了一种旋转导向装置，包括第一非旋转套、第二非旋转套、以及如前所述的防转装置，所述第一非旋转套与所述的防转装置连接，所述的防转装置与所述第二非旋转套连接。

优选地，所述的防转装置与所述第二非旋转套连接具体为：

所述的防转装置具有延伸部，所述延伸部与所述第二非旋转套在轴向上具有重叠部分。

通过本申请提出的非旋转套的防转装置以及旋转导向装置，一方面，能够在不增加钻具组合的整体尺寸的前提下防止非旋转套过快的转动，使得非旋转套尽可能低的速度转动或者不转动，从而为准确的姿态测量和导向控制提供基础，另一方面，通过本申请提出的基于两个非旋转套的导向装置，可以在仅使用一个防转装置即可实现两个非旋转套的过快转动，与此同时，防转装置还能够提供基于极小结构尺寸的导向驱动力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为包含本申请的防转装置的钻具组合结构示意图；

图2为本申请防转装置的局部爆炸示意图；

图3为本申请防转装置的一种结构示意图；

图4为本申请防转装置的另一种结构示意图；

图5为本申请防转装置在延伸部处的横截面示意图；

图6a为本申请防转装置在中立模式下的示意图；

图6b为本申请防转装置在导向模式下的示意图。

图中包括：上驱动轴1，第一非旋转轴承2，第三安装销3，防转装置4，顶紧弹簧5，防转件座体6，防转件7，限位凸起p，径向驱动件8，第二非旋转套9，万向节10，下驱动轴11，第二非旋转轴承12，延伸部13，第一安装销14，第二安装销15，弹簧座16，第一非旋转套17，电路仓18。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其他任何类似的描述意在涵盖非排他行的包含，从而使得包括一系列的过程、方法、物品或者设备不仅仅包括这些要素，而且包括没有明确列出的其他要素，或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”等限定的要素，并不排除在包括所述要素外，还包括另外的相同要素。

本申请公开的装置涉及到油田钻井或者其他勘探钻井的应用场景，与旋转导向装置相关的其它系统部件，例如井架系统，动力系统以及信号系统作为公知常识在此不做过多描述。

如图1所示，用于钻井工作中的钻具组合，在该钻具组合中具有两个非旋转套，通过两个非旋转套之间的作用力传递能够实现工具头的导向驱动。具体地，钻具组合包括上驱动轴1，上驱动轴1前端与驱动系统连接，上驱动轴1内通常设置有电路仓18，用于存储一些电路器件，上驱动轴1后端安装有第一非旋转套17，第一非旋转套17通过第一非旋转轴承2安装在上驱动轴1上，上驱动轴1通过万向节10与下驱动轴11传动连接，通过所述万向节10的连接，上驱动轴1向下驱动轴11传递用于钻进的轴向压力和周向扭矩。在该实施例中，钻具组合还包括一个第二非旋转套9，所述第二非旋转套9通过第二非旋转轴承12安装在下驱动轴11上，在上驱动轴1驱动工具头的过程中，在没有防转作用的情况下，第一非旋转套17和第二非旋转套9不可避免地以低于上驱动轴1的速度转动，本实施例的一个目的在于以不增加钻具组合整体结构尺寸的前提下阻碍第一非旋转套17和第二非旋转套9的转动，从而降低测量系统，尤其是针对第一非旋转套17和第二非旋转套9的姿态测量系统的测量难度，以提高测量精度从而为控制系统的准确控制提供保障。

下面参考图2和图3以举例的方式详细介绍本实施方式中涉及的防转装置。图2展示了防转装置的局部爆炸图，能够直观的看出防转装置的总体结构和工作原理。在该实施方式中，防转装置包括大体呈圆形的防转件和大体呈条状的本体部分，防转件可活动地安装在本体上，防转件能够在弹簧的作用下保持径向向外伸出的趋势，当防转件伸出本体时，该防转件能够与井壁接触，并且在弹簧作用下，防转件能够以一定的作用力保持这种接触状态，当然，井壁的反作用也会使得防转件产生缩回本体的趋势，通过弹簧的作用保持两种趋势之间的平衡。防转件整体上可以是呈片状的外形，当防转件抵靠在井壁上时，井壁能够阻挡所述防转件发生转动。

为了更详细的了解本实施方式的工作原理，下面参考图3。图3以示例性的展示了本申请的一种实现方式，本领域技术人员应当理解，该实现方式不应当作为本申请权利要求保护范围的具体限定。

图3中展示的防转装置4包括整体上呈条状的本体（未标记），本体的左端设有销孔，防转装置4整体上通过安装在销孔内的安装销3与第一非旋转套17连接，本体上还设置有用于将本体与安装销3相对固定的固定螺钉（未示出）。在第一非旋转套17上设置有相应的销孔以容纳所述安装销3，安装销3能够在第一非旋转套17的销孔内转动。防转装置4包括顶紧弹簧5，顶紧弹簧5通过弹簧座16大体上沿着驱动轴的轴向方向安装在本体上，如此地安装方式得以保证防转装置4不会增加结构的径向尺寸。防转装置4还包括大体上呈圆盘状的防转件7，防转件7通过安装销14安装在座体6上，座体6上设置有销孔，座体6通过安装在销孔内的安装销15可转动地安装在本体上，顶紧弹簧5左侧抵靠在本体的侧壁上，右侧作用于座体6的侧壁上，由于顶紧弹簧5的作用，安装有防转件7的座体6绕着安装销15产生转动的趋势，从而使得防转件7向外伸出本体并接触井壁。大体上呈圆盘状的防转件7通过安装销14安装在座体6上，从而在钻进过程中井壁作用于防转件7上的轴向力不会过多地传递到防转装置和驱动轴上，而作用在防转件7上的径向力会产生使得防转件7和座体6向内压缩顶紧弹簧5的趋势，顶紧弹簧5的弹力越大，防转件7作用于井壁的作用力越大，弹力越小，作用于井壁的作用力越小。相应地，防转件7与井壁接触的作用力越大，井壁对于防转件7周向转动的阻力越大，防转装置对于非旋转套的防转效果越好，但是防转件7与井壁的作用力过大也会导致防转装置的刚度过大，容易在井壁的长期作用下受到损坏，可以根据地层类型选择适当的弹性件，当然，在本实施方式中使用的弹簧作为弹性件，本领域技术人员可以理解的是，使用其他方式的弹性件，例如碟簧，片簧等方式的代替弹簧是同样能够实现相应的技术效果的。同样对于本领域技术人员可以理解的是，在本发明的构思下，防转件7在防转装置4内的安装可以有多种替代方式。

图4公开了一种另一种防转装置结构，该结构总体上与图3中展示的结构类似，不同之处在于防转件7的驱动由弹簧5通过楔形的座体6配合防转件7的斜面实现径向驱动，相应地，井壁对于防转件7的作用也通过楔形的座体6压缩弹簧5。

下面结合图1和图3，在一些情况下，钻具组合可以具有两个非旋转套，通过从第一非旋转套向第二非旋转套施加导向作用力，使得第二非旋转套的方向发生改变，进而带动下驱动轴和工具头的方向发生改变，实现钻具的旋转导向。本实施方式要解决的另外的技术问题是如何能够以紧凑的结构实现两个非旋转套的防转，并期望在同时解决旋转导向的驱动问题。

为此，发明人对防转装置和钻具组合做了进一步的改进，具体来说，将防转装置在一端通过安装销3安装在第一非旋转套17上，而防转装置的另一端相对于第一非旋转套17是可自由活动的，从而形成了以安装销3为支点的摆动结构，对于进一步要解决的技术问题尤为重要的是，本实施方式中的防转装置还包括径向驱动件8，径向驱动件8举例来说可以是液压缸或者电机驱动的柱塞，该径向驱动件8安装于防转装置的本体与上驱动轴之间，如图所示，在防转装置的本体上设有容纳该径向驱动件8的凹槽，径向驱动件8能够驱动防转装置绕着安装销3摆动。在防转装置的本体靠近第二非旋转套9的一端设置有延伸部13，该延伸部至少部分地与第二非旋转套9在径向上重合，从而使得当径向驱动件8推动防转装置整体向外侧摆动时，所述延伸部能够抵靠在第二非旋转套9的内壁上。

下面结合图5、6a和6b进一步详细说明，一般来说，本实施方式的防转装置可以有三个或者四个，这三个或者四个防转装置沿周向均匀地分布，在图5中展示的实施方式中，本申请具有三个均布的防转装置。根据不同的需要，本实施方式的防转装置至少有两种可选的工作模式，如图6a所示，在中立模式下，这三个防转装置的径向驱动件8分别向外施加相同的作用力，使得各个延伸部13以相同的作用力抵靠在所述第二非旋转套9的内壁上，各个径向驱动件8的作用力相同，因而均匀分布多个防转装置通过延伸部13作用于第二非旋转套9上作用力的合力为零，不会改变第二非旋转套9的方向，并且由于延伸部3以一定的作用力抵靠在第二非旋转套9的内壁上，在防转装置实现第一非旋转套17的防转过程中，被抵靠在一起的第二非旋转套17同样也能被阻止转动。如图6b所示，在导向驱动模式下，均匀分布在的三个或者四个防转装置的各个径向驱动件8可以输出不同的作用力，所有径向驱动件8输出的作用力的合力成为改变第二非旋转套17方向的作用力，即导向驱动力，当第二非旋转套17的方向被改变后，相应的通过万向节10与上驱动轴1连接的下驱动轴11的方向也会被改变，最终实现工具头方向的改变。

另一方面，本申请还公开了一种基于非旋转套的旋转导向装置，包括第一非旋转套17、第二非旋转套9、以及如前所述的防转装置4，所述第一非旋转套17与所述的防转装置4连接，所述的防转装置4与所述第二非旋转套9连接。

所述的防转装置4与所述第二非旋转套9连接具体为：

所述的防转装置与所述第二非旋转套在轴向上具有重叠部分。该重叠部分在防转装置上可以是轴向的延伸部13，该轴向的延伸部13延伸进入第二非旋转套9内部。

说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。