一种旋转导向钻具的导向短节

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导向短节。

背景技术：

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。

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。

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、复合式旋转导向工具。本发明提供了一种指向式旋转导向钻具电机等速反转控制方式下的导向短节的机械结构，此结构可以耦合驱动轴与旋转导向控制电机的运动，以解决上述背景技术中提出的问题。

技术实现要素：

本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

因此，本发明的目的是提供一种旋转导向钻具的导向短节，可以耦合驱动轴与旋转导向控制电机的运动，其结构简单，具有极高的推广价值。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种旋转导向钻具的导向短节，其包括钻杆、旋转导向钻具本体、钻头、测量与控制模块和导向短节；

所述钻杆连接旋转导向钻具本体，所述旋转导向短节内安装转向电机，所述转向电机转子与转盘连接，所述转盘的另一端与导向短节芯轴采用球铰链连接，所述导向短节外壳与旋转导向钻具本体外壳连接，所述导向短节芯轴另一端与钻头连接；

所述测量与控制模块包括用于检测所述旋转导向钻具本体的转速的转速传感器和用于控制转向电机的旋转速度的控制器，且转速传感器与控制器电连接；

其中，所述导向短节外壳内部有固定螺栓孔，将转向电机固定在内部；所述导向短节外壳内部设置有安装导轨的凹槽，导轨上有滑块，滑块与连接板采用铰链连接，连接板与导向短节芯轴采用铰链连接。

作为本发明所述的一种旋转导向钻具的导向短节的一种优选方案，其中：所述连接板与导向短节芯轴的铰链有充足的运动空间。

作为本发明所述的一种旋转导向钻具的导向短节的一种优选方案，其中：所述导向短节外套筒、转向电机定子、转向电机转子、转盘、导向短节芯轴、滑块、导轨和连接板的材质采用高强度合金钢。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明所述的旋转导向钻具导向短节设计合理、结构简单具有极高的推广价值。

2.当旋转导向钻具旋转钻进时，钻杆顺时针转动，旋转导向钻具本体通过转速传感器检测自身转速，控制模块控制转向电机以低于钻杆的速度逆时针转动。此时，本发明所述的导向短节将这种复合运动传递至钻头，此时钻头中心线与旋转导向钻具中心线存在一个夹角，钻头绕自身中轴线顺时针转动(自转)，同时绕旋转导向钻具中轴线顺时针转动(公转)，从而完成旋转钻进。

3.当旋转导向钻具导向钻进时，钻杆顺时针转动，旋转导向钻具本体通过转速传感器检测自身转速，控制模块控制转向电机以相同的速度逆时针转动。此时，本发明所述的导向短节将这种复合运行传递至钻头，此时钻头中心线与旋转导向钻具中心线存在一个夹角，钻头绕自身中轴线顺时针转动(自转)，钻头中轴线相对地面方向固定，从而完成导向钻进。

4.在井下通过旋转导向钻具导向短节的使用，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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明中一个实施实例中所述的安装结构示意图。

图2为本发明中一个实施实例中所述的万向装置结构示意图。

图3为本发明中一个实施实例中所述的万向装置滑块与连接板装配示意图。

图4为本发明中一个实施实例中所述的运动示意图。

图中；1-钻杆；2-旋转导向钻具本体；3-钻头；4-测量与控制模块；5-导向短节；51-导向短节外套筒；52-转向电机定子；53-转向电机转子；54-转盘；55-导向短节芯轴；56-滑块；57-导轨；58-连接板。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供如下技术方案：一种旋转导向钻具的导向短节，包括钻杆1、旋转导向钻具本体2、钻头3、测量与控制模块4和导向短节5；

所述钻杆1连接旋转导向钻具本体2，所述旋转导向短节5内安装转向电机52，所述转向电机转子53与转盘54连接，所述转盘54的另一端与导向短节芯轴55采用球铰链连接，所述导向短节外壳51与旋转导向钻具本体2外壳连接，所述导向短节芯轴55另一端与钻头3连接；

所述测量与控制模块4包括用于检测所述旋转导向钻具本体2的转速的转速传感器和用于控制转向电机53的旋转速度的控制器，且转速传感器与控制器电连接；

其中，所述导向短节外壳51内部有固定螺栓孔，将转向电机52固定在内部；所述导向短节外壳51内部设置有安装导轨57的凹槽，导轨57上有滑块56，滑块56与连接板58采用铰链连接，连接板58与导向短节芯轴55采用铰链连接。

具体的，所述连接板58与导向短节芯轴55的铰链有充足的运动空间。

具体的，所述导向短节外套筒51、转向电机定子52、转向电机转子53、转盘54、导向短节芯轴55、滑块56、导轨57和连接板58的材质采用高强度合金钢。

工作原理：从地面观察时，钻具的运动状态。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。

当旋转导向钻具旋转钻进时，钻杆1顺时针转动，带动旋转导向钻具本体2旋转、导向短节5、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控制转向电机以低于钻杆1的速度逆时针转动(ω电机<ω1)。此时钻头3处于一种复合运动的状态，即钻头3绕自身中轴线顺时针转动(ω1＝ω3)，同时绕旋转导向钻具2中轴线顺时针转动(0<ω2＝ω1-ω电机)。

当旋转导向钻具导向钻进时，钻杆1顺时针转动，带动旋转导向钻具本体2旋转，导向短节5、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)。

在井下通过旋转导向钻具导向短节的使用，使得钻头3的自转力矩由钻杆1提供。钻头3的钻进方向由转向电机控制，此方法加快了钻井速度，降低钻井成本，更减少了卡钻机率。

虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。