一种井下钻柱自动定位机构的制作方法与工艺

一种井下钻柱自动定位机构所属技术领域本发明属于钻井钻杆定位技术领域，尤其涉及一种井下钻柱自动定位机构。

背景技术：
目前钻深井的钻头井下定位使用雷达波或者其他无线定位技术，但是往往还是具有一定的误差，特别是钻井达到一定的深度时，即使简单的钻直井，其钻头的走向还是不容易精确控制的。在钻头钻井过程中，钻头的旋转轴线与钻井井面轴线可能不共线或者成一定的角度，此时所钻出的井是斜的，即使使用上无线定位设备，当出现钻井钻斜时即使修正钻头的走向，能够在一定程度上补偿，但是在钻斜和补正过程中，井面是成阶梯形的，钻井的井面精度低，甚至还需要二次加工，费时费力。本发明设计一种井下钻柱自动定位机构解决如上问题。

技术实现要素：
为解决现有技术中的上述缺陷，本发明公开一种井下钻柱自动定位机构，它是采用以下技术方案来实现的。一种井下钻柱自动定位机构，其特征在于：它包括定位机构驱动齿端面、半圆卡盘转动副、第一半圆卡盘、第二半圆卡盘、钻杆杆身、伸出杆机构，其中第一半圆卡盘和第二半圆卡盘通过半圆卡盘转动副连接且组成一个中间有孔的圆卡盘；钻杆杆身首端偏中间位置处加工有定位机构驱动齿端面；在两个半圆卡盘组成的圆卡盘上均匀安装有三组伸出杆机构，在三组伸出杆机构上安装有另外一组由第一半圆卡盘和第二半圆卡盘组成的圆卡盘，三层结构组成的机构的中间孔与定位机构驱动齿端面正对配合。上述三组伸出杆机构通过布置保证有且仅有一组伸出杆机构跨过半圆卡盘接缝；对于未跨过半圆卡盘接缝的两组伸出杆机构，其结构完全相同，对于其中任意一个，伸出杆机构包括柔性压轮、伸出杆导轨顶板、压轮弹簧第一支撑、伸出杆行止板、压轮支撑行止板、压轮弹簧、压轮弹簧第二支撑、压轮第一支撑、伸出杆齿、伸出杆第一齿轮、伸出杆第二齿轮、伸出杆导轨第一侧板、伸出杆弹簧、伸出杆弹簧第二支撑、伸出杆导轨第二侧板、压轮转轴、压轮偏距结构、偏距结构转轴、压轮第二支撑、伸出杆、伸出杆弹簧第一支撑、伸出杆弹簧支撑滑孔、伸出杆齿孔、压轮第一支撑转轴、导轨合成间隙，其中伸出杆导轨顶板安装在卡盘上，伸出杆导轨第一侧板、伸出杆导轨第二侧板相互平行地安装在卡盘上，且伸出杆导轨顶板一侧与伸出杆导轨第一侧板连接，伸出杆导轨顶板另一侧与伸出杆导轨第二侧板连接；伸出杆导轨第一侧板上开有长方形的伸出杆齿孔，伸出杆导轨第二侧板上开有伸出杆弹簧支撑滑孔；伸出杆一端安装在导轨中，伸出杆弹簧第二支撑安装在伸出杆面向伸出杆导轨第二侧板的一面且滑动于伸出杆弹簧支撑滑孔中；伸出杆齿安装在伸出杆面向伸出杆导轨第一侧板的一面且穿过伸出杆齿孔；伸出杆弹簧第一支撑安装在伸出杆导轨顶板侧面；伸出杆弹簧一端安装在伸出杆弹簧第一支撑上，另一端安装在伸出杆弹簧第二支撑上；伸出杆第一齿轮和伸出杆第二齿轮通过转轴安装在卡盘上，伸出杆第一齿轮与伸出杆第二齿轮相互啮合，伸出杆第一齿轮与伸出杆齿啮合，伸出杆第二齿轮与定位机构驱动齿端面啮合；压轮弹簧第一支撑安装在伸出杆一端的侧面，压轮第一支撑转轴安装在伸出杆一端，压轮第一支撑通过压轮第一支撑转轴安装在伸出杆一端；压轮弹簧第二支撑安装在压轮第一支撑侧面，压轮弹簧一端安装在压轮弹簧第一支撑上，另一端安装在压轮弹簧第二支撑上；伸出杆行止板安装在伸出杆一端的上侧，压轮支撑行止板安装在压轮第一支撑上侧；伸出杆行止板与压轮支撑行止板互相配合限位；压轮第二支撑一端安装在压轮第一支撑一端，压轮第二支撑另一端安装有偏距结构转轴；压轮偏距结构安装在偏距结构转轴上，柔性压轮通过压轮转轴安装在压轮偏距结构上。上述三组伸出杆机构中，对于跨过半圆卡盘接缝的伸出杆机构，伸出杆导轨第一侧板和伸出杆导轨第二侧板由两部分组成，均分布安装于两个半圆卡盘上，当半圆卡盘结合后形成导轨合成间隙；对于其他结构该组伸出杆机构结构与其他两组机构完全相同。作为本技术的进一步改进，上述三组伸出杆机构的上层和下层的半圆卡盘组成的圆卡盘之间通过卡盘加固螺栓、卡盘锁合结构固定在一起。作为本技术的进一步改进，上述半圆卡盘转动副包括卡盘转轴、第一卡盘第一支耳、第二卡盘圆环、第一卡盘第二支耳，其中第一卡盘第一支耳和第一卡盘第二支耳上下依次安装在第一半圆卡盘上，第二卡盘圆环安装在第二半圆卡盘上，第二卡盘圆环通过卡盘转轴安装在第一卡盘第一支耳和第一卡盘第二支耳之间。作为本技术的进一步改进，上述伸出杆导轨第一侧板一端安装有第一侧板加强结构。作为本技术的进一步改进，上述每一组伸出杆机构上，柔性压轮为两个，均安装在压轮转轴上，且位于压轮偏距结构两侧。相对于传统的钻井钻杆定位技术，本发明定位机构安装在钻杆杆身上的定位机构驱动齿端面上，两个半圆卡盘通过卡盘转动副连接，能够卡在钻杆杆身的驱动齿端面上；在卡盘上安装有齿轮、导轨和伸出杆，钻杆的转动能够带动齿轮传动，作用于伸出杆上的杆齿，使伸出杆伸出进而让安装在伸出杆上的压轮施压于井面，三组伸出杆机构能够将钻杆定位于井面中心，同时压轮能够对井面施压，防止井面脱落和崩塌，具有较好的实用效果。附图说明图1是定位机构整体示意图。图2是定位机构驱动齿端面结构示意图。图3是伸出杆机构结构示意图。图4是伸出杆机构运行示意图。图5是伸出杆机构俯视图。图6是压轮相关结构安装示意图。图7是导轨侧板结构及安装示意图。图8是伸出杆安装及运动示意图。图9是齿轮、伸出杆啮合原理示意图。图10是半圆卡盘锁合及导轨合成间隙示意图。图11是卡盘锁合结构和卡盘加固螺栓安装示意图。图12是压轮运行原理图。图13是压轮弹簧运行原理图。图中标号名称：5、钻杆首端，32、钻杆杆身，68、柔性压轮，69、伸出杆机构，70、定位机构驱动齿端面，71、卡盘加固螺栓，72、伸出杆导轨顶板，73、压轮弹簧第一支撑，74、伸出杆行止板，75、压轮支撑行止板，76、压轮弹簧，77、压轮弹簧第二支撑，78、压轮第一支撑，79、卡盘锁合结构，80、伸出杆齿，81、伸出杆第一齿轮，82、伸出杆第二齿轮，83、伸出杆导轨第一侧板，84、伸出杆弹簧，85、伸出杆弹簧第二支撑，86、伸出杆导轨第二侧板，87、第一侧板加强结构，88、半圆卡盘转动副，89、压轮转轴，90、压轮偏距结构，91、偏距结构转轴，92、压轮第二支撑，93、伸出杆，94、第一半圆卡盘，95、第二半圆卡盘，96、伸出杆弹簧第一支撑，97、伸出杆弹簧支撑滑孔，98、伸出杆齿孔，99、卡盘转轴，100、第一卡盘第一支耳，101、第二卡盘圆环，102、第一卡盘第二支耳，103、压轮第一支撑转轴，104、导轨合成间隙。具体实施方式如图1所示，它包括定位机构驱动齿端面、半圆卡盘转动副、第一半圆卡盘、第二半圆卡盘、钻杆杆身、伸出杆机构，其中如图1所示，第一半圆卡盘和第二半圆卡盘通过半圆卡盘转动副连接且组成一个中间有孔的圆卡盘；如图2所示，钻杆杆身首端偏中间位置处加工有定位机构驱动齿端面；如图3所示，在两个半圆卡盘组成的圆卡盘上均匀安装有三组伸出杆机构，在三组伸出杆机构上安装有另外一组由第一半圆卡盘和第二半圆卡盘组成的圆卡盘，如图1所示，三层结构组成的机构的中间孔与定位机构驱动齿端面正对配合。三层结构，上下两层均为两个半圆卡盘拼合；这样拼合的设计才能将定位机构安装于钻杆上。如图3所示，上述三组伸出杆机构通过布置保证有且仅有一组伸出杆机构跨过半圆卡盘接缝；对于未跨过半圆卡盘接缝的两组伸出杆机构，其结构完全相同，对于其中任意一个，伸出杆机构包括柔性压轮、伸出杆导轨顶板、压轮弹簧第一支撑、伸出杆行止板、压轮支撑行止板、压轮弹簧、压轮弹簧第二支撑、压轮第一支撑、伸出杆齿、伸出杆第一齿轮、伸出杆第二齿轮、伸出杆导轨第一侧板、伸出杆弹簧、伸出杆弹簧第二支撑、伸出杆导轨第二侧板、压轮转轴、压轮偏距结构、偏距结构转轴、压轮第二支撑、伸出杆、伸出杆弹簧第一支撑、伸出杆弹簧支撑滑孔、伸出杆齿孔、压轮第一支撑转轴、导轨合成间隙，如图7、8所示，其中伸出杆导轨顶板安装在卡盘上，伸出杆导轨第一侧板、伸出杆导轨第二侧板相互平行地安装在卡盘上，且伸出杆导轨顶板一侧与伸出杆导轨第一侧板连接，伸出杆导轨顶板另一侧与伸出杆导轨第二侧板连接；伸出杆导轨第一侧板上开有长方形的伸出杆齿孔，伸出杆导轨第二侧板上开有伸出杆弹簧支撑滑孔；伸出杆一端安装在导轨中，伸出杆弹簧第二支撑安装在伸出杆面向伸出杆导轨第二侧板的一面且滑动于伸出杆弹簧支撑滑孔中；伸出杆齿安装在伸出杆面向伸出杆导轨第一侧板的一面且穿过伸出杆齿孔；如图3所示，伸出杆弹簧第一支撑安装在伸出杆导轨顶板侧面；伸出杆弹簧一端安装在伸出杆弹簧第一支撑上，另一端安装在伸出杆弹簧第二支撑上；如图3、9所示，伸出杆第一齿轮和伸出杆第二齿轮通过转轴安装在卡盘上，伸出杆第一齿轮与伸出杆第二齿轮相互啮合，伸出杆第一齿轮与伸出杆齿啮合，伸出杆第二齿轮与定位机构驱动齿端面啮合；如图5、6所示，压轮弹簧第一支撑安装在伸出杆一端的侧面，压轮第一支撑转轴安装在伸出杆一端，压轮第一支撑通过压轮第一支撑转轴安装在伸出杆一端；压轮弹簧第二支撑安装在压轮第一支撑侧面，压轮弹簧一端安装在压轮弹簧第一支撑上，另一端安装在压轮弹簧第二支撑上；伸出杆行止板安装在伸出杆一端的上侧，压轮支撑行止板安装在压轮第一支撑上侧；伸出杆行止板与压轮支撑行止板互相配合限位；压轮第二支撑一端安装在压轮第一支撑一端，压轮第二支撑另一端安装有偏距结构转轴；压轮偏距结构安装在偏距结构转轴上，柔性压轮通过压轮转轴安装在压轮偏距结构上。本发明中，定位机构驱动齿端面与齿轮啮合，齿轮与伸出杆齿啮合，钻杆转动通过齿轮带动伸出杆伸缩，伸出杆通过伸出杆弹簧复位，伸出杆伸缩的轨迹和行程通过伸出杆弹簧第一支撑在伸出杆弹簧支撑滑孔中滑动实现定位和限位。压轮第一支撑通过旋转副与伸出杆连接，能够围绕压轮第一支撑转轴上下摆动，摆动过程中通过压轮弹簧产生弹力，如图13所示，在压轮第一支撑和伸出杆共线时压轮弹簧伸长量最大，也就是说，压轮第一支撑与伸出杆共线时的状态为临界稳定，一旦受到作用力，压轮弹簧会作用压轮第一支撑与伸出杆成一定的角度。在压轮第一支撑和伸出杆的上侧安装有压轮支撑行止板和伸出杆行止板，能够限制压轮第一支撑与伸出杆之间的夹角。压轮通过压轮偏距结构安装在压轮第二支撑上，压轮在井面上的接触点不在压轮第二支撑轴线上，能够保证压轮的旋转方向与运动方向一致。因为钻头在旋转的过程中是逐渐向下运动的，压轮与井面上的接触轨迹为螺旋线，并且钻头下降越快或者旋转越快，螺旋线的轨迹是不一样的，使用了压轮偏距结构能够通过力矩保证压轮旋转方向与运动方向一致，达到最省力的状态。上述三组伸出杆机构中，对于跨过半圆卡盘接缝的伸出杆机构，伸出杆导轨第一侧板和伸出杆导轨第二侧板由两部分组成，均分布安装于两个半圆卡盘上，当半圆卡盘结合后形成导轨合成间隙如图10所示；对于其他结构该组伸出杆机构结构与其他两组机构完全相同。本发明中，起初伸出杆在伸出杆弹簧作用下，处于收缩状态，压轮第一支撑与伸出杆成一定的角度，且压轮第一支撑偏上如图12中的a所示，因为行止板和压轮弹簧的作用，使在不受外力作用下，角度能够保持不变。在钻井时，如图4所示，钻杆上具有齿端面，钻杆的转动通过齿端面与齿轮的啮合，带动齿轮转动，齿轮带动伸出杆，使伸出杆伸出，压轮接触并施压于井面，当伸出杆伸出受到井面的限制后，伸出杆将会随着钻杆一起运动，在运动过程中，三组伸出杆机构保持钻杆处于井中心位置，并且压轮对井面起到了施压增固作用；当钻杆向上拉时，如图12中的b所示，压轮第一支撑将会受到向下的力；之后发生如图12中的c所示，压轮与井面脱离，钻杆可以顺利取出。如图11所示，上述三组伸出杆机构的上层和下层的半圆卡盘组成的圆卡盘之间通过卡盘加固螺栓、卡盘锁合结构固定在一起。如图7所示，上述半圆卡盘转动副包括卡盘转轴、第一卡盘第一支耳、第二卡盘圆环、第一卡盘第二支耳，其中第一卡盘第一支耳和第一卡盘第二支耳上下依次安装在第一半圆卡盘上，第二卡盘圆环安装在第二半圆卡盘上，第二卡盘圆环通过卡盘转轴安装在第一卡盘第一支耳和第一卡盘第二支耳之间。如图7所示，上述伸出杆导轨第一侧板一端安装有第一侧板加强结构。如图1所示，上述每一组伸出杆机构上，柔性压轮为两个，均安装在压轮转轴上，且位于压轮偏距结构两侧。综上所述，本发明定位机构安装在钻杆杆身上的定位机构驱动齿端面上，两个半圆卡盘通过卡盘转动副连接，能够卡在钻杆杆身的驱动齿端面上；在卡盘上安装有齿轮、导轨和伸出杆，钻杆的转动能够带动齿轮传动，作用于伸出杆上的杆齿，使伸出杆伸出进而让安装在伸出杆上的压轮施压于井面，三组伸出杆机构能够将钻杆定位于井面中心，同时压轮能够对井面施压，防止井面脱落和崩塌，具有较好的实用效果。