一种动态指向式旋转导向钻井设备的制造方法
【专利摘要】一种动态指向式旋转导向钻井设备，包括旋转外套，在旋转外套内设有从左至右依次连接的偏心机构、导向轴、扭矩传递机构及密封装置。偏心机构由内外偏心环组成，内偏心环安装在外偏心环内部，且套接在球座上，内外偏心环均通过法兰与无框电机直接连接并由无框电机直接驱动，导向轴的左端插入球座中，导向轴右端装有扭矩传递机构，扭矩传递机构右端设置有密封装置；本实用新型通过采用无框电机直接驱动偏心机构实现导向轴的偏置，减少了工具结构形状尺寸，极大的节省了机构内部空间，且偏置调节过程连续无间隙；改善了钻具的受力状况，具有更长的寿命；既不受地层复杂情况的影响，又能实现井眼轨迹的精确控制；同时具有响应的快速性、较高的可靠性和良好的稳定性。
【专利说明】
一种动态指向式旋转导向钻井设备
技术领域
[0001] 本实用新型专利涉及钻探领域的一种旋转导向钻井工具，特别涉及一种动态指向 式旋转导向钻井设备。
【背景技术】
[0002] 目前的井下旋转导向钻井工具按工作方式基本可以分为:静态偏置推靠式、动态 偏置(调制式)推靠式、静态偏置指向式和动态偏置指向式四类。静态偏置推靠式缺点是小 型化能力差、结构复杂等;动态偏置推靠式缺点是钻头和钻头轴承的磨损较严重，工作寿命 短;静态偏置指向式缺点是芯轴承受高强度的交变应力，芯轴容易发生疲劳破坏。动态指向 式旋转导向钻井工具作为一种最新的设计理念，代表了当今世界钻井技术发展的最高水 平。
[0003] 在国内，天津大学实用新型了一种静态指向式旋转导向工具，使用电机带动少齿 差偏心行星轮系实现芯轴的偏置，通过采用中空万向连轴节连接钻柱和芯轴，改善了芯轴 的受力状况，但是空间机构复杂，芯轴指向精度一般。
【发明内容】
[0004] 为了克服目前技术上存在的问题，本实用新型提供了一种动态指向式旋转导向钻 井设备，该工具使用无框电机直接驱动偏心机构，减少了工具结构尺寸，极大的节省了工具 内部空间，且偏置过程连续无间隙，导向轴指向精度高；改善了钻具的受力状况，具有更长 的使用寿命;本实用新型的工具既不受地层复杂性的影响，又能实现井眼轨迹的精确控制； 同时具有响应的快速性、较高的可靠性和良好的稳定性。
[0005] 为了达到上述目的，本实用新型的技术方案为：
[0006] -种动态指向式旋转导向钻井设备包括旋转外套11，在旋转外套11内从左至右依 次连接有偏心机构、导向轴7、扭矩传递机构8及密封装置9。
[0007] 所述的偏心机构包括内偏心环4和外偏心环3,内偏心环4安装在外偏心环3内部， 且套接在球座10上，内偏心环4通过第二法兰5右端面与第二无框电机6的输出轴连接，外偏 心环3通过第一法兰2的右端面与第一无框电机1的输出轴连接，导向轴7的左端插入球座10 中，导向轴7右端装有扭矩传递机构8，扭矩传递机构8右端设置有密封装置9。
[0008] 外偏心环3和内偏心环4的偏心距均为e，合偏心位移为p，p的大小范围为0~2e，合 位移矢量转角为Θ，角度范围为0~2π。
[0009] 调角公式:p _= + cos(o々/_ - 〇)#) (1)
[0010] 调方位公式:7 =.: μ 卜-欣乂 (.2)
[0011] 导向偏心距p稳定条件：ωχ= ω2 (3)
[0012] 导向方位角γ稳定条件: (4)
[0013] 完成导向最终稳定条件：0^=02=03 (5)
[0014] 式中：P为导向偏心距，单位:mm; γ为方位角，单位:rad;e为内、外偏心环偏心距， 单位:mm; ω:为外偏心环角速度，单位:rad/s; ω2为内偏心环角速度，单位:rad/s; ω3为旋 转外套角速度，单位:rad/s; Θ为导向轴偏心距ρ与X轴之间的夹角，单位:rad;t为时间，单 位:So
[0015] 导向轴7具有曲面轮廓段12,曲面轮廓段12的中心为导向轴的摆动中心，导向轴7 的右端开有锥螺纹13。
[0016] 扭矩传递机构8包括球套14、长销15和钢球16构成，扭矩传递机构8中球套14的外 径和与其配合处的旋转外套11的内径相同，球套14的外圆面上均布有8个相同的下半圆形 凹槽，与其相配合的旋转外套11的内部也均布有8个相同的上半圆形凹槽，上下凹槽配合形 成一个完整圆形，长销15的外径与所形成的圆形凹槽直径相同，8根长销15分别插入这8个 圆形凹槽内，可以将旋转外套11的扭矩传递给导向轴7,从而实现扭矩传递机构的功能。球 套14以及导向轴7的曲面段开有8个滚道，滚道的截面为椭圆形，滚道的母线为圆弧，钢球16 位于球套14的滚道和导向轴7的轴滚道之间，钢球16的球面与滚道面保持相切。
[0017] 密封装置9包括连接环17，密封套18，金属密封波纹管19，安全阀20，单向阀21，压 力缸套22，活塞23，弹簧24，螺旋密封25，弹簧挡圈26。连接环17通过过盈配合装入密封套18 的左端，连接环17的右端与金属密封波纹管19的左端焊接在一起，金属密封波纹管19的右 端焊接在压力缸套22的左端。压力缸套22最左端设有安全阀20,安全阀20的右边设有单向 阀21，压力缸套22内部适当位置与活塞23过盈配合，活塞23同时与导向轴7过盈配合，活塞 23的右端面处与弹簧24的左端焊接，弹簧24的右端焊接在螺旋密封25的左端面处，螺旋密 封25右端有弹簧挡圈26定位，并过盈配合套在导向轴7上。
[0018] 本实用新型具有的优点和积极效果是：
[0019] (1)通过法兰将无框电机与偏心环相连，由无框电机直接驱动内外偏心环，实现导 向轴的偏置，使该工具简化了结构形状尺寸，极大的减小了机构尺寸，且偏置调节过程连续 无间隙；改善了钻具的受力状况，具有更长的寿命;既不受地层复杂性的影响，又能实现井 眼轨迹的精确控制；同时具有响应的快速性、$父尚的可靠性和良好的稳定性。
[0020] (2)通过控制偏心环实现导向轴的偏置，通过内外偏心环的不同组合得到不同的 造斜率，在实际使用中不需要提钻即可实现多种工作状态，达到增斜、降斜和稳斜的目的。
[0021] (3)采用椭圆形滚道，发挥椭圆自身特点的优势，使钢球与滚道两点接触，在受到 大载荷时能够精确可靠地传递运动和扭矩。
[0022] (4)采用组合密封圈设计，楔形截面金属密封圈、矩形密封圈、0型圈的有机配合， 增强了密封圈对井下高压的耐受力，减小了因压力差而产生的密封圈失效，提高了密封结 构的工作寿命。
[0023] (5)采用了压力补偿单元配合其他密封元件的设计方法，有效的降低了密封界面 两侧的压力差，降低了其他密封元件因高压力差而引起的破坏，减少了泄漏量。
【附图说明】
[0024]图1是本实用新型的原理示意图。
[0025]图2是本实用新型导向轴结构剖视图。
[0026] 图3是本实用新型图1在B-B处扭矩传递机构剖面图。
[0027] 图4是本实用新型密封装置剖视图。
[0028] 图5是本实用新型处于零偏置状态时图1的A-A处偏心环剖面图。
[0029] 图6是本实用新型处于极大偏置状态时图1的A-A处偏心环剖面图。
[0030] 图7是本实用新型偏心结构运动模型图。
[0031] 图8是本实用新型钢球在扭矩传递机构内椭圆滚道上的接触示意图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图对本实用新型做详细说明。
[0033]参照图1，一种动态指向式旋转导向钻井设备包括旋转外套11，在旋转外套11内从 左至右依次连接有偏心机构、导向轴7、扭矩传递机构8及密封装置9。
[0034] 所述的偏心机构包括内偏心环4和外偏心环3,内偏心环4安装在外偏心环3内部， 且套接在球座10上，内偏心环4通过第二法兰5右端面与第二无框电机6的输出轴连接，外偏 心环3通过第一法兰2的右端面与第一无框电机1的输出轴连接，内偏心环4和外偏心环3均 通过法兰与无框电机直接连接并由无框电机直接驱动，导向轴7的左端插入球座10中，导向 轴7右端装有扭矩传递机构8，扭矩传递机构8右端设置有密封装置9。
[0035]参照图2,导向轴7具有曲面轮廓段12,曲面轮廓段12的中心为导向轴的摆动中心， 导向轴7的右端开有锥螺纹13。
[0036] 参照图3，扭矩传递机构8包括球套14、长销15和钢球16构成，扭矩传递机构8中球 套14的外径和与其配合处的旋转外套11的内径相同，球套14的外圆面上均布有8个相同的 下半圆形凹槽，与其相配合的旋转外套11的内部也均布有8个相同的上半圆形凹槽，上下凹 槽配合形成一个完整圆形，长销15的外径与所形成的圆形凹槽直径相同，8根长销15分别插 入这8个圆形凹槽内，可以将旋转外套11的扭矩传递给导向轴7,从而实现扭矩传递机构的 功能。球套14以及导向轴7的曲面段开有8个滚道，滚道的截面为椭圆形，滚道的母线为圆 弧，钢球16位于球套14的滚道和导向轴7的轴滚道之间，钢球16的球面与滚道面保持相切。 [0037]参照图4，密封装置9包括连接环17，密封套18，金属密封波纹管19，安全阀20，单向 阀21，压力缸套22,活塞23,弹簧24,螺旋密封25,弹簧挡圈26。连接环17通过过盈配合装入 密封套18的左端，连接环17的右端与金属密封波纹管19的左端焊接在一起，金属密封波纹 管19的右端焊接在压力缸套22的左端。压力缸套22最左端设有安全阀20,安全阀20的右边 设有单向阀21，压力缸套22内部适当位置与活塞23过盈配合，活塞23同时与导向轴7过盈配 合，活塞23的右端面处与弹簧24的左端焊接，弹簧24的右端焊接在螺旋密封25的左端面处。 螺旋密封25右端有弹簧挡圈26定位。并过盈配合套在导向轴7上。
[0038]本实用新型的工作原理：
[0039] 旋转外套11旋转产生扭矩通过扭矩传递机构8传到导向轴7上，使导向轴7带动钻 头对岩层经行钻削。导向轴7右端使用波纹管9实现密封。扭矩传递机构8也是导向轴7的转 动支点。导向轴7与球座10配合，形成一个圆柱副，球座10和内偏心环4形成一个球铰副，使 得导向轴7在摆动过程中不会被卡死。为了便于安装钻头在导向轴7的最右端开设有锥螺 纹，钻头钻进方向的改变是由导向轴7摆动的角位移产生的。
[0040] 在第一无框电机1没有输出的情况下，外偏心环3无转动。第二无框电机6直接驱动 内偏心环4为整个偏置机构提供动力。导向轴7在内偏心环的带动下，绕转动支点即扭矩传 递机构8产生一点的偏角，实现导向轴7的偏置。
[0041] 在第二无框电机6没有输出的情况下，内偏心环4无转动。第一无框电机1直接驱动 外偏心环3为整个偏置机构提供动力。导向轴7在外偏心环的带动下，绕转动支点即扭矩传 递机构8产生一点的偏角，实现导向轴7的偏置。
[0042] 在两个无框电机同时输出的情况下，内偏心环4和外偏心环3同时转动，能更快速 有效的实现导向轴7的偏置位移从零到最大值的之间的连续调节。如图5所示，外偏心环3 绕〇点旋转，内偏心环4绕0:点旋转，0 2为内偏心孔的中心即导向轴7的中心线在A-A截面的位 置，合偏心距为〇-〇2。当内外偏心环4、3方向相反时，0点与0 2点重合，偏心距相互抵消，可实 现图5所示的零偏置状态；当内外偏心环4、3的偏心方向相同时，合偏心距〇-〇 2距离最大，偏 心机构产生最大偏心位移，可实现图6所示的极大偏置状态。
[0043] 偏心机构的偏置大小和方向取决于内外偏心环的合偏心位移，可以用矢量图来表 不合偏心位移与内外偏心圆的偏心距的关系，如图7所不，外偏心环3和内偏心环4的偏心距 均为e，合偏心位移为P，合位移矢量转角为Θ，不难看出，p的大小范围为0~2e，角度范围为0 ~2π0
[0044] 图7所示，外偏心环与旋转外套的几何中心皆为0,内偏心环几何中心(h，导向轴在 偏心结构处几何中心〇2,内偏心环与外偏心环偏心距均为e。由几何关系建立数学方程，可 以求得导向轴的几何中心〇2在任意一时刻t的坐标〇2 (X，y )，导向轴在偏心机构处偏离零偏 置状态的距离即导向偏心距P，也就是〇-〇2。导向偏心距P与X轴之间的夹角为Θ，整个偏心机 构以速度ω 3转动，0_〇2实际转过的角度γ要减去ω 3t，因而有：
[0045] x = e · [cos( ω it)+cos( ω 2t) ] (1)
[0046] y = e · [sin( ωit)+sin( ω2t)] (2)
[0047] p2 = e2 · [cos( ω it)+cos( ω 2t) ]2+e2 · [sin(c0it)+sin(c02t)]2 = 2e2· [ 1+cos (ω 2t- ω it)]
[0048]
(3)
[0049] 因为(XMfe所构成的三角形为等腰三角形，所以：
[0050]
[0051]
[0052]
[0053]
[0054]
[0055]
[0056] 式中：P为导向偏心距，mm; γ为方位角，rad;e为内、外偏心环偏心距，mm; ω丨为外 偏心环角速度，rad/s; ω2为内偏心环角速度，rad/s; ω3为旋转外套角速度，rad/s;9为导向 轴偏心距P与X轴之间的夹角，:rad; t为时间，s。
[0057]由上可知导向偏心距P的大小只与偏心距e和内、外偏心环角速度相关;方位角γ 的大小与旋转外套速度、内、外偏心环角速度相关。本文所述导向轴7的连续调角功能是通 过调节偏心距p的大小来实现的，连续调方位功能是通过调节方位角γ的大小来实现。 [0058]当角度调节到预定位置处时，接下来就必须研究如何让角度稳定到该位置处。以 导向偏心距增量为切入点研究导向偏心距的变化，首先对Ρ关于t求导：
[0059]
(8)
[0000] dp/dt的值为P在单位时间内的增量，要使P稳定在某一值处，其增量dp/dt的值要 恒于零。要dp/dt恒等于零，必有：
[0061] ( ω 1-ω2) · t = n · π (9)
[0062] ω i- ω 2 = 0 (10)
[0063] 式(9)中η为整数。
[0064] 式（10)是与时间t有关的稳定状态，是一种瞬时稳态并不能满足实际工作需求;式 (11)的稳定状态与时间无关是一个持续稳定状态，满足实际工作需要。因此要使角度随时 间保持不变必有：
[0065] ω ι= ω 2 (11)
[0066] 接下来对导向偏心距Ρ具体稳定在哪一值处做进一步的论证。设再经过时间，导 向偏心距为Pi，〇2坐标为(XI，yi)，00i转过的角度为（ω也+ ω it)，〇1〇2转过的角度为（ω U1+ ω 2t)。则有：
[0067] xi = ecos( ω iti+ω it)+ecos( ω iti+ω 2t) (12)
[0068] yi = esin( ω iti+ω it)+esin( ω iti+ω 2t) (13)
[0069]
[0070] ， (14)
[0071 ] 此时P = Pi，可以看出导向偏心距P稳定在ω ! = ω 2时的大小。
[0072] 在进行方位调节时，当方位到达预定位置时也需要将其稳定在预定位置处。与角 度调节所用方法相同也从增量角度入手，先对调方位公式进行求导，即对γ关于t进行求 导：
[0073]
(15)
[0074] d γ /dt是γ在单位时间内的增量，要使γ的值保持不变，则d γ /dt的值必须恒等 于零。那么：
[0075]
(16)
[0076] 当（ω 1+ ω 2)/2= ω 3后，随着时间的推移γ值恒定。接下来对上述论证做进一步的 研究分析，从数学角度证明该方案的可行性。设方位调节完成后外偏心环角速度为ω η，内 偏心环角速度为ω 21，旋转外套的角速度为ω 31，且此时有（ω η+ ω 21) /2 = ω 31，经过时间t2， 此时方位角为γι。则有：
[0077]
[0078] 式中：ω η为方位调节完成后外偏心环角速度，rad/s ; ω 21为方位调节完成后内 偏心环角速度，rad/s; ω 31为方位调节完成后旋转外套角速度，rad/s;
[0079] 由上式可以看出方位角γ稳定在（ω1+ω 2)/2= ω 3时的位置。
[0080] 即可看出要使Ρ、γ同时稳定在某一预定工作角度与方位处时必有：ω ω 2且 (0^+(02)/2= ω3,即：
[0081] ω ι= ω 2= ω 3 (18) 〇
[0082] 参照图4,动态指向式旋转导向钻井工具在零偏置状态钻进时，导向轴7与11旋转 外套同轴线，动态指向式旋转导向钻井工具内部采用正压力设计，保证钻井液无法刺穿密 封件，进入工具内部，保证密封的可靠性；同时螺旋密封25作为辅助密封，使进入压力缸套 22的钻井液中的固态含量有效降低，减少对内部金属密封波纹管19和压力补偿单元的冲刷 与磨损，提高密封的使用寿命。压力补偿单元由安全阀20、单向阀21、压力缸套22、活塞23、 弹簧24组成。
[0083]动态指向式旋转导向钻井工具在导向钻进时，导向轴7会偏摆到一定的角度，而影 响压力补偿单元及螺旋密封25的同轴度产生间隙泄露。而金属密封波纹管19的柔性变形则 可以补偿，导向轴7的偏摆角度给密封带来的不利影响，实现自动径向补偿的目的。
[0084]在整个导向钻进过程中，压力补偿单元都实时对井下钻井液压力做出相应变化， 通过活塞23的移动调节密封结构两侧压力差保持在设计要求之内，提高了密封寿命和性 能。
[0085] 参照图8，钢球16的球面与椭圆滚道相切，椭圆的中心为:〇3，钢球的中心为:〇4。根 据几何关系，由钢球16直径、压力角可以计算出椭圆滚道的半短轴a，半长轴b以及钢球16球 心到椭圆中心的距离e 3。本设计中，钢球直径为R，压力角为φ。钢球16与轨道始终保持两点 接触，能够精确，可靠地传递运动和扭矩。
[0086] 综上所述，对本实用新型进行了详细的描述，上述的内容仅是示意性的，通过采用 无框电机直接驱动偏心机构控制导向轴偏置。极大的节省了工具内部空间，而且能保证导 向轴连续稳定的变化。
【主权项】
1. 一种动态指向式旋转导向钻井设备，包括旋转外套（11)，其特征为:旋转外套（11)内 从左至右依次连接有偏心机构、导向轴(7 )、扭矩传递机构(8)及密封装置(9); 所述的偏心机构包括内偏心环(4)和外偏心环(3 )，内偏心环(4)安装在外偏心环(3)内 部，且套接在球座（10)上，内偏心环(4)通过第二法兰(5)右端面与第二无框电机(6)的输出 轴连接，外偏心环(3)通过第一法兰(2)的右端面与第一无框电机(1)的输出轴连接，导向轴 (7)的左端插入球座（10)中，导向轴(7)右端装有扭矩传递机构(8)，扭矩传递机构(8)右端 设置有密封装置(9)。2. 根据权利要求1所述的一种动态指向式旋转导向钻井设备，其特征在于，外偏心环 (3)和内偏心环(4)的偏心距均为e，合偏心位移为P，P的大小范围为0~2e，合位移矢量转角 为角度范围为〇~2jt; 调角公式:-f cos(?,r - oj/) 调方位公式：导向偏心距P稳定条件：W i = ? 2导向方位角Y稳定条件 完成导向最终稳定条件：《1= ?2= W3 式中：P为导向偏心距，单位:mm; y为方位角，单位:rad;e为内、外偏心环偏心距，单位： mm; ?i为外偏心环角速度，单位:rad/s; ?2为内偏心环角速度，单位:rad/s; ?3为旋转外套 角速度，单位:rad/s; 0为导向轴偏心距P与x轴之间的夹角，单位:rad; t为时间，单位:s。3. 根据权利要求1所述的一种动态指向式旋转导向钻井设备，其导向轴(7)具有曲面轮 廓段（12)，曲面轮廓段（12)的中心为导向轴的摆动中心，导向轴（7)的右端开有锥螺纹 (13) 〇4. 根据权利要求1所述的一种动态指向式旋转导向钻井设备，其扭矩传递机构(8)有球 套（14)、长销（15)和钢球(16)构成，扭矩传递机构(8)中球套（14)的外径和与其配合处的旋 转外套（11)的内径相同，球套（14)的外圆面上均布有8个相同的下半圆形凹槽，与其相配合 的旋转外套（11)的内部也均布有8个相同的上半圆形凹槽，上下凹槽配合形成一个完整圆 形，长销（15)的外径与所形成的圆形凹槽直径相同，8根长销（15)分别插入这8个圆形凹槽 内，可以将旋转外套（11)的扭矩传递给导向轴(7)，球套（14)以及导向轴(7)的曲面段开有8 个滚道，滚道的截面为椭圆形，滚道的母线为圆弧，钢球（16)位于球套（14)的滚道和导向轴 (7)的轴滚道之间，钢球(16)的球面与滚道面保持相切。5. 根据权利要求1所述的一种动态指向式旋转导向钻井设备，其密封装置(9)包括连接 环（17)，密封套（18)，金属密封波纹管（19)，安全阀（20)，单向阀（21)，压力缸套(22)，活塞 (23)，弹簧(24)，螺旋密封(25)，弹簧挡圈（26);连接环（17)通过过盈配合装入密封套（18) 的左端，连接环（17)的右端与金属密封波纹管（19)的左端焊接在一起，金属密封波纹管 (19) 的右端焊接在压力缸套（22)的左端;压力缸套（22)最左端设有安全阀（20 )，安全阀 (20) 的右边设有单向阀（21)，压力缸套（22)内部适当位置与活塞（23)过盈配合，活塞(23) 同时与导向轴(7)过盈配合，活塞(23)的右端面处与弹簧(24)的左端焊接，弹簧(24)的右端 焊接在螺旋密封(25)的左端面处，螺旋密封(25)右端有弹簧挡圈（26)定位，并过盈配合套 在导向轴(7)上。
【文档编号】E21B7/04GK205477364SQ201520978920
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年11月30日
【发明人】张光伟, 刘畅, 田伟康, 刘英海, 展茂雷
【申请人】西安石油大学