专利名称：一种捷联式稳定平台装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种在石油钻井工程中用于实现旋转导向钻井的捷联式稳定平台装置。
背景技术：
钻井方式需求的变化促使钻井工具也在不断地改进。早期直井钻井，所用的井下工具主要是为了“防斜打直”。传统的防斜纠斜组合工具有塔式钻具组合、钟摆钻具组合、满眼钻具组合、偏心钻铤防斜钻具组合、HCY防斜装置。比较新型的防斜纠斜钻具组合主要有基于力学理论分析的柔性钻具组合、大钻压下钻柱螺旋屈曲和涡动动力防斜模型、高效防斜技术接头。随着定向井、水平井钻井技术的生产应用日益增多，各种相应的井下导向工具相继出现。早期使用的是转盘钻进造斜工具，如槽式变向器、套筒性方位控制器及各种特殊结构钻头等，目前应用最为广泛的是井下动力钻具。利用现有的动力导向技术不利于PDC钻头的选择，“滑动”方式下大摩阻的存在使井底工具面的控制难度加大，不能实现井眼大位移延伸，以及对井眼轨迹的精确控制。对于大斜度井和大位移井，常规动力钻具已很难甚至不可能满足需要，因而出现了连续旋转导向的井下工具。要完成复杂井眼轨迹，尤其是真正实现井下闭环控制，传统钻井工具已不能满足要求，必须研制更加灵活的全方位可调的旋转导向井下工具，其核心是能在旋转状态下按控制指令动作改变作用在钻头的合力或改变钻具偏心程度的稳定平台装置。
英国专利说明书GB2298217(1996年8月28日公布)中公开了一种用于旋转导向系统的单轴式稳定平台装置，主要包括扭矩发生器和控制元件腔两部分。控制元件腔安装有测量元件、测控电路及井下微电脑。扭矩发生器部分的压力腔外面装有一单级轴流式转子，转子结构体上带有永久性磁极。在钻井液驱动下，转子旋转，从而形成一个旋转磁场。在扭矩发生器的压力腔内部装有电枢绕组。一旦电路闭合，绕组中就有电流存在。在旋转磁场的作用下控制轴上就存在一与旋转磁场同方向的转矩。该扭矩作用在控制轴上，改变稳定平台的空间旋转方位，从而实现空间稳定。但是由于该稳定平台装置与钻铤之间具有相对转动，平台及发电机两端的轴承浸泡在钻井液中，故磨损严重，寿命较短，且该单轴稳定平台的输出力矩相对较小。此外，该装置的输出力矩直接受泥浆排量影响；由于这种单轴式稳定平台装置结构较长，故在管内安装的同轴度很难保证。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种输出力矩较大的捷联式稳定平台装置。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的一种捷联式稳定平台装置，其包括电源短节、测控短节和伺服短节，所述捷联式稳定平台装置固联在钻铤上，也就是说该捷联式稳定平台装置不会相对于钻铤进行相对转动。
所述电源短节可以为一发电装置和/或一个或多个蓄电池组。在该电源短节为一发电装置时，叶轮固定于电源短节的电源短节驱动轴上，在叶轮的入口安装有过滤装置，叶轮与钻铤之间装有导流筒。所述的伺服短节包括旋转变压器和电动机，旋转变压器用于检测伺服短节驱动轴的空间方位，并将所测方位信号传递给测控短节。电源短节和伺服短节的转子线圈和定子线圈以及旋转变压器均浸泡在液压油中。
在伺服短节的电动机的下方可串接一个或多个变速箱，以改变其输出力矩。
本实用新型所述的捷联式稳定平台装置具有的有益效果是，这种结构是固联在钻铤内，故两端不需要用于旋转支撑的轴承部件，从而增强了稳定平台装置的工作可靠性，且对同轴度要求较低；该结构中采用电动机输出驱动力矩的模式，因而输出力矩大，且不受钻井液排量的影响；叶轮只是为电源短节的发电提供必要的转速，故不再需要对其有准确可控的扭矩要求；电源短节内的发电机及伺服短节内的电动机、旋转变压器全部在液压油中工作，从而降低了发电机、旋转变压器和电动机的制造难度，增加了工作可靠性。该实用新型不但可以准确实现旋转导向，而且可以在井下稳定可靠的工作。
图1是装有本实用新型捷联式稳定平台装置的实时钻进过程剖面图；图2是捷联式稳定平台装置的示意图；图3是捷联式稳定平台装置的剖面图；图4是捷联式稳定平台装置上扶正器的剖面图；图5是捷联式稳定平台装置下扶正器的剖面图。
具体实施方式
现结合说明书附图，对本实用新型作进一步描述。
图1所示为装有本实用新型捷联式稳定平台装置的实时导向钻井系统的钻进过程剖面图。众所周知，井下钻具组合包含钻头1，安装在钻铤2的下部，通过井台4上的转盘3驱动旋转，转盘由钻机5驱动，起下钻和施加钻压通过天车6完成。通过捷联式稳定平台装置7控制偏置单元8中的执行机构，自动控制井眼轨迹按设计的井斜、方位延伸。
图2是捷联式稳定平台装置的示意图。捷联式稳定平台装置7固联在钻铤2上，叶轮9安装在捷联式稳定平台装置7的上端，与捷联式稳定平台装置7有相对转动，电源短节10安装在测控短节11和叶轮9之间，为测控短节11和伺服短节12提供电能，测控短节11测量捷联式稳定平台装置7的旋转空间方位，伺服短节12安装在测控短节11的下端，测量伺服短节输出轴48的旋转空间方位和施加力矩，偏置单元8下部与钻头相连，上部通过伺服短节输出轴48与捷联式稳定平台装置7相连，在捷联式稳定平台装置7的控制下，伺服短节12驱动偏置单元8，利用盘阀13和活塞14驱动翼肋推靠井壁，产生具有一定大小和方向的侧向推靠力，自动控制井眼按设计的井斜、方位延伸。
图3是捷联式稳定平台装置的剖面图。捷联式稳定平台装置7与钻铤2之间通过弹簧压环15、压紧弹簧16及座键环47实现固联。当然也可以通过在钻铤上开螺栓孔或在钻铤内利用螺纹联结等其它联结方式实现将捷联式稳定平台装置7固联到钻铤2上。叶轮9与捷联式稳定平台装置7具有基本相同的中轴线，在钻井液的驱动下，叶轮9绕该中轴线旋转。过流的钻井液通过捷联式稳定平台装置7与钻铤2之间的环空流入偏置单元8。叶轮9至少为一级或多级轴流式或径流式结构，以达到电源短节10所需的转速要求。叶轮9进口安装有滤网17，滤除钻井液中大颗粒固相物质。叶轮9上端装有叶轮压帽18，将叶轮9固定到电源短节驱动轴24上。叶轮9与钻铤2之间装有导流筒19，固定滤网17和上扶正器21。在上扶正器21和电源短节10之间设置一个上堵头23，放置上旋转密封22，防止电源短节10内的液压油泄漏。上堵头23与电源短节10螺纹联结。电源短节10包含浸泡在液压油中电源短节永久磁铁27和电源短节定子线圈25，电源短节永久磁铁27固定在电源短节驱动轴24上，电源短节定子线圈25均布在电源短节抗压筒26内筒壁上。叶轮9与电源短节10通过电源短节驱动轴24相连。通过叶轮9的高速旋转使得电源短节10能够为测控短节11和伺服短节12提供所需的电能。当然也可以通过加装蓄电池或其它形式的电源来实现为测控短节11和伺服短节12提供电能。电源短节驱动轴24进入电源短节10的界面采用上旋转密封22，通过上密封压环20压紧上旋转密封22。电源短节抗压筒26与上接头30通过螺纹连接。上接头30内采用上增压弹簧31和上浮动活塞29结构维持密封效果。上接头30上开有上注油塞32。在电源短节10与测控短节11中设有走线通道，在电源短节10一端开有电源接头。测控短节11中含有磁通门、加速度计、速率陀螺和微处理器。在靠近测控短节11一端设有数据和电源接口。旋转变压器39安装在伺服短节输出轴48上。电动机永久磁铁41固定在伺服短节输出轴48上，电动机定子线圈42均布固定在伺服短节抗压筒40的内筒壁上。旋转变压器39，电动机永久磁铁41和电动机定子线圈42浸泡在液压油中。伺服短节12与偏置单元8通过伺服短节输出轴48相连，伺服短节输出轴48伸出伺服短节12的界面采用下旋转密封44。通过伺服短节输出轴48为偏置单元8传递所需的扭矩，当然为了改变输出力矩要求，这里可以通过加装变速箱或其它改变力矩的形式来实现。通过下密封压环46压紧下旋转密封44。伺服短节抗压筒40与下接头36通过螺纹连接。下接头36内采用下增压弹簧34和下浮动活塞35结构维持密封效果。下接头36上开有下注油塞37。在下扶正器45和伺服短节12中间放置一个下堵头43，在下堵头43上装有下旋转密封44。下堵头43与伺服短节12之间螺纹联结。
图4和图5分别是捷联式稳定平台装置上，下扶正器的剖面图。上扶正器21和下扶正器45分别对捷联式稳定平台装置7起到对正同心的作用，同时过流的钻井液分别通过上扶正器21，下扶正器45与钻铤2之间的通孔流入捷联式稳定平台7与钻铤2之间的环空，再进入钻头1。
本装置的使用操作过程是钻头钻进过程中，具有一定排量和压力的钻井液首先通过装置的滤网，经过滤的钻井液推动叶轮旋转，带动电源短节工作，为测控短节和伺服短节提供所需的电能。流过叶轮的钻井液通过装置和钻铤之间的环空流入偏置单元和钻头，再通过钻铤与井壁之间的环空返回地面完成循环。电源短节起到发电机的作用，通过叶轮转动，使得固定在电源短节驱动轴上的永久磁铁和安装在电源短节内筒壁的电枢线圈相互作用，产生所需的电能。测控短节实际上是一个测量控制单元，含有磁通门、重力加速度计、速率陀螺、微处理器以及相关的各种电路。它可以实时检测并接收各种传感器信号并进行相应的处理，并发出相应的控制指令。伺服短节主要是一个执行单元，它由旋转变压器和电动机组成。其中旋转变压器用于检测伺服短节驱动轴的空间方位，并将方位信号传给测控短节。电动机则是根据测控短节的控制指令，不断地调整伺服短节驱动轴的旋转空间方位。位于测控短节中的磁通门、重力加速度计、速率陀螺和旋转变压器可探测到动态条件下的井斜、方位以及装置的状态参数，并将信息传送给微处理器，该微处理器经过分析判断，如果工作状态与设定值存在偏差，就输出控制指令给伺服短节，控制伺服短节中的电动机，通过连续改变伺服短节驱动轴的空间方位，对近钻头的偏置单元进行控制，这样使井下钻具靠近钻头处受到一个横向集中力的作用，这一横向集中力使钻头产生一定的偏置力，从而使井眼回到预定的轨道上来。
权利要求1.一种捷联式稳定平台装置，其包括电源短节(10)、测控短节(11)和伺服短节(12)，其特征在于所述捷联式稳定平台装置(7)固联在钻铤(2)上。
2.如权利要求1所述的捷联式稳定平台装置，其特征在于所述的固联是通过弹簧压环(15)、压紧弹簧(16)及座键环(47)或通过螺纹连接或螺栓固定实现的。
3.如权利要求1所述的捷联式稳定平台装置，其特征在于所述电源短节(10)为一发电装置和/或一个或多个蓄电池组。
4.如权利要求1所述的捷联式稳定平台装置，其特征在于在伺服短节(12)的电动机的下方可串接一个或多个变速箱。
5.如权利要求3所述的捷联式稳定平台装置，其特征在于叶轮(9)固定于电源短节(10)的电源短节驱动轴(24)上，在叶轮(9)的入口安装有过滤装置，叶轮(9)与钻铤(2)之间装有导流筒(19)。
6.如权利要求1或5所述的捷联式稳定平台装置，其特征在于所述的伺服短节(12)包括旋转变压器(39)和电动机，旋转变压器(39)用于检测伺服短节输出轴(48)的空间方位，并将所测方位信号传递给测控短节(11)。
7.如权利要求6所述的捷联式稳定平台装置，其特征在于所述电源短节(10)和伺服短节(12)的转子线圈和定子线圈以及旋转变压器(39)均浸泡在液压油中。
8.如权利要求5所述的捷联式稳定平台装置，其特征在于所述的叶轮(9)为一级或多级轴流式或径流式结构。
9.如权利要求7所述的捷联式稳定平台装置，其特征在于其还包括上扶正器(21)和下扶正器(45)。
10.如权利要求7所述的捷联式稳定平台装置，其特征在于上堵头(23)安装在电源短节(10)的上端，下堵头(43)安装在伺服短节(12)的下端，在上堵头(23)和下堵头(43)上分别设置上、下旋转密封(22，44)。
11.如权利要求9或10所述的捷联式稳定平台装置，其特征在于在所述电源短节(10)、测控短节(11)和伺服短节(12)分别包括电源短节抗压筒(26)、测控短节抗压筒(33)和伺服短节抗压筒(40)，电源短节抗压筒(26)、测控短节抗压筒(33)和伺服短节抗压筒(40)分别设置在各自短节的外侧。
专利摘要一种在石油钻井工程中用于实现旋转导向钻井的捷联式稳定平台装置，它包括电源短节、测控短节和伺服短节，捷联式稳定平台固联在钻铤上。电源短节为一发电装置和/或一个或多个蓄电池组，伺服短节包括一个旋转变压器和一个电动机。该捷联式稳定平台装置具有输出力矩较大，且不受泥浆排量的影响，不但可以准确实现旋转导向，而且可以在井下稳定可靠的工作。
文档编号E21B47/01GK2818759SQ20052008663
公开日2006年9月20日 申请日期2005年8月26日 优先权日2005年8月26日
发明者吕官云, 孙峰, 杨全进, 李作会, 刘庆龙, 孙莉莉 申请人:中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院