一种全旋转动态指向式旋转导向系统及导向控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种全旋转动态指向式旋转导向系统及导向控制方法，包括上壳体和下壳体，上壳体内设有一个与其同轴的中空轴，中空轴的一端与上壳体密封连接，另一端与一个中空的传动轴相连，且中空轴的该端与上壳体之间设有导向驱动机构；导向驱动机构、上壳体与中空轴形成油压封闭腔，且油压封闭腔中的钻井液压力高于导向驱动机构外面的钻井液压力；导向驱动机构驱动一个套装在传动轴上的偏摆轮侧向偏摆，在传动轴上安装有用于保持指向方向的万向节，在传动轴的端部安装有一个钻头，偏摆轮在导向驱动机构的驱动下侧向偏摆，偏摆轮向外持续推靠下壳体内壁，产生方向垂直于下壳体内壁的动态持续侧向力，使下壳体带动钻头沿着万向节旋转中心旋转一个角度，达到动态指向的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种全旋转动态指向式旋转导向系统及导向控制方法
本专利技术涉及先进油气钻井设备技术，特别是一种旋转导向钻井技术，能够适用于海上、陆地不同地层的定向钻井。
技术介绍
旋转导向钻井技术是20世纪90年代发展起来的以旋转导向钻井工具为核心的钻井新技术，通过实时控制井眼轨迹，能够准确命中钻井目标，具有机械钻速高、井眼轨迹控制精度高，井眼净化效果好，位移延伸能力强等特点，是传统导向钻井技术的一次质的飞跃。旋转导向钻井技术正在成为海上和陆上各种类型复杂结构井(水平井、大位移井、多分支井、三维多目标井、薄产层井)的重要钻井方法，并在非常规油气资源的开发中发挥重要作用。目前，旋转导向钻井技术仍处于快速发展的阶段，国际竞争十分激烈，哈里伯顿、斯伦贝谢等国外钻井服务公司分别推出了各自的旋转导向工具，取得了巨大的经济效益。旋转导向钻井工具按照导向方式可划分为推靠式、指向式与混合式三种方式。推靠式旋转导向系统是通过在钻杆上靠近钻头附近的巴掌推靠井壁，使钻头产生侧向力，改变钻头的方向，其主要分为静态推靠与动态推靠两种。静态推靠式旋转导向系统是采用三套120°相位的机电液驱动模块驱动活塞将巴掌推到井壁实现准静态推靠，其安装液压系统及活塞的外套在钻井过程中不旋转或相对井壁小范围慢速转动(这里称之为“准静态外套”)，其执行系统中测量、控制过程均处于相对稳定状态，控制运算较简单，但具备很强环境适应能力的机电液驱动单元非常复杂。动态推靠式是一种全旋转导向系统，采用泥浆动力驱动活塞推到井壁实现动态推靠，并采用脉冲调制力实现造斜。其用于测量控制的稳定平台与钻柱同速率反向运动，保持与大地的相对静止，对复杂井筒环境下的精确同步控制要求很高，而推靠巴掌处的执行机构相对简单。相比指向式旋转导向系统，其优点有：硬地层中造斜率较高；钻柱强度好，工作稳定可靠，其缺点主要包括：巴掌作用于井壁后会出现螺旋井眼；对于软地层的钻探，巴掌可能会陷入井壁中而无法提供很大的侧向力；巴掌全部伸出时有可能碰不到井壁，无法提供侧向力。指向式旋转导向系统是通过一个侧向推力使钻头驱动轴的轴线偏离井筒轴线，从而来控制钻头方向，主要包括静态指向式和动态指向式两种。动态指向式旋转导向系统是一种全旋转式系统，其执行机构均随着钻铤一起旋转，而静态指向式旋转导向系统的执行机构是安装在准静态外套上。无论是静态指向式和动态指向式旋转导向系统都是通过弯曲驱动轴改变钻头方向，采用的驱动机构主要有偏心环机构、液压活塞等。相对推靠式结构，指向式旋转导向系统的优点主要有：钻出井眼较平滑，摩阻和扭矩较小，钻头和钻头轴承侧向载荷小，有助于发挥钻头的性能。其缺点有：由于钻头驱动轴需要弯曲，驱动轴位置处易磨损，钻柱强度不如推靠式好，且硬地层造斜率较低。专利US8701795中的混合式旋转导向系统采用推靠式执行机构产生的推靠力使钻头轴线方向发生偏转，位于执行机构上的巴掌向外推执行机构中铰接式圆柱形导向套筒的内部，使执行机构与连接钻杆发生偏移，并以靠近钻头处鼓型扶正器为支点旋转一个角度，实现钻头方向的改变。当鼓型扶正器一旦接触到井壁将会提供侧向力，该处的功能也类似于推靠式旋转导向系统。然而，混合式旋转导向系统仍然采用间断型脉冲力实现导向，钻头会在脉冲力时间间隔内发生偏摆，另一方面，无论井下需不需要改变导向角度，推靠机构都会提供侧向推靠力，使钻头方向发生偏转。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种动态指向式旋转导向系统，该系统采用电机驱动偏摆轮，使偏摆轮持续外推靠，产生持续的外推靠力，使钻头方向发生偏转，准确指向预定方向，实现旋转导向系统的动态指向功能。本专利技术采用的技术方案如下：一种全旋转动态指向式旋转导向系统，包括上壳体和下壳体，所述的上壳体设有一个与其同轴的中空轴，中空轴的一端与上壳体密封连接，另一端与一个中空的传动轴相连，且该端与上壳体之间设有导向驱动机构；所述的导向驱动机构、上壳体与中空轴形成油压封闭腔，且油压封闭腔中的钻井液压力高于导向驱动机构外面的钻井液压力；所述的导向驱动机构驱动一个套装在传动轴上的偏摆轮侧向偏摆，在所述的传动轴上安装有用于保持指向方向的万向节，在传动轴的端部安装有一个钻头，偏摆轮在导向驱动机构的驱动下侧向偏摆，偏摆轮向外持续推靠下壳体内壁，产生方向垂直于下壳体内壁的动态持续侧向力，使下壳体带动钻头沿着万向节旋转中心旋转一个角度，达到动态指向的目的。进一步的，在所述的中空轴与上壳体之间设有一个活塞，在所述的中空轴上套装有压缩弹簧，压缩弹簧的一端压在上壳体上，另一端压在活塞上，上壳体在安装弹簧处开有泥浆孔，用于传递外部钻井液压力；由压缩弹簧推动活塞运动，保证油压封闭腔中的钻井液压力高于导向驱动机构外面的钻井液压力，以阻止钻井液进入导向驱动机构中致使电机、减速机、轴承等部件损坏。进一步的，所述偏摆轮为一个圆柱状结构，在偏摆轮的中心设有一个中心孔，中心孔的两侧各设有一个相对于偏摆轮轴向中心对称的驱动孔；偏摆轮置于下壳体内部，与下壳体有一定微小间隙；偏摆轮通过中心孔套在传动轴上，并与传动轴有一定间隙。进一步的，所述的导向驱动机构包括偏心轴I、偏心轴II、支撑件、电机I、减速机I电机II、减速机II、角度测量装置I和角度测量装置II；电机I与减速机I连接、减速机I与偏心轴I连接，电机II与减速机II连接、减速机II与偏心轴II连接，偏心轴I和偏心轴II的一端通过轴承I安装在导向驱动机构支撑件中，偏心轴I和偏心轴II的另一端与偏摆轮的摆动驱动孔配合且可以相对转动；进一步的，在偏心轴I、II与导向驱动机构支撑件之间安装有旋转密封I、II分别用于实现导向驱动机构的动密封；所述偏心轴I和偏心轴II的偏心距相等。通过电机I、II驱动减速机I、II，减速机I、II带动偏心轴I、II的一端转动、偏心轴I、II的另一端产生凸轮运动，从而带动偏摆轮侧向摆动；角度测量装置I、II分别安装在电机I、II的一侧或减速机I、II的输出端，用来检测偏心轴I、II的角度位置，以便确定偏摆轮的摆动方向。进一步的，所述的万向节包括上关节、下关节、中间件、连接销轴、柔性套管、套管支撑件；所述上关节的一端与传动轴固定连接，另一端通过连接销轴与中间件连接；所述下关节一端通过连接销轴与中间件连接，另一端外侧与下壳体固定、密封连接，内侧与套管支撑件固定、密封连接；所述的上关节、下关节、中间件和套管支撑件均设有一个中心孔；中心孔内安装有柔性套管，柔性套管的一端与传动轴采用密封I密封连接，另一端与套管支撑件采用密封II密封连接；在所述柔性套管中也设有中心孔，用于流通钻井液。万向节的下关节与下壳体连接后的整体能够沿着万向节旋转中心，并相对上关节与传动轴自由旋转一定角度，随着该旋转，柔性套管发生弯曲，钻井液通过传动轴进入柔性套管，并经套管支撑件进入钻头，以保证钻柱中的钻井液全部进入钻头。由于柔性套管具有柔性，弯曲过程不影响其结构性能。进一步的，还包括一个十字滑块机构，所述的十字滑块机构主要包括上滑块、下滑块、中心滑块、连接件I、连接件II；所述的上滑块通过连接件I与下壳体固定连接，所述的下滑块通过连接件II与传动轴固定连接，所述中心滑块浮动安装与上滑块与下滑块之间；所述的上滑块、下滑块和中心滑块均设有中心孔，并套在传动轴上。所述的十字滑块机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态指向式旋转导向系统，其特征在于，包括上壳体和下壳体，所述的上壳体内设有一个与其同轴的中空轴，中空轴的一端与上壳体密封连接，另一端与一个中空的传动轴相连，且中空轴的该端与上壳体之间设有导向驱动机构；所述的导向驱动机构、上壳体与中空轴形成油压封闭腔，且油压封闭腔中的钻井液压力高于导向驱动机构外面的钻井液压力；所述的导向驱动机构驱动一个套装在传动轴上的偏摆轮侧向偏摆，在所述的传动轴上安装有用于保持指向方向的万向节，在传动轴的端部安装有一个钻头，偏摆轮在导向驱动机构的驱动下侧向偏摆，偏摆轮向外持续推靠下壳体内壁，产生方向垂直于下壳体内壁的动态持续侧向力，使下壳体带动钻头沿着万向节旋转中心旋转一个角度，达到动态指向的目的。

【技术特征摘要】
1.一种动态指向式旋转导向系统，其特征在于，包括上壳体和下壳体，所述的上壳体内设有一个与其同轴的中空轴，中空轴的一端与上壳体密封连接，另一端与一个中空的传动轴相连，且中空轴的该端与上壳体之间设有导向驱动机构；所述的导向驱动机构、上壳体与中空轴形成油压封闭腔，且油压封闭腔中的钻井液压力高于导向驱动机构外面的钻井液压力；所述的导向驱动机构驱动一个套装在传动轴上的偏摆轮侧向偏摆，在所述的传动轴上安装有用于保持指向方向的万向节，在传动轴的端部安装有一个钻头，偏摆轮在导向驱动机构的驱动下侧向偏摆，偏摆轮向外持续推靠下壳体内壁，产生方向垂直于下壳体内壁的动态持续侧向力，使下壳体带动钻头沿着万向节旋转中心旋转一个角度，达到动态指向的目的。2.如权利要求1所述的动态指向式旋转导向系统，其特征在于，在所述的中空轴与上壳体之间设有一个活塞，在所述的中空轴上套装有压缩弹簧，压缩弹簧的一端压在上壳体上，另一端压在活塞上，上壳体在安装弹簧处开有泥浆孔，用于传递外部钻井液压力；由压缩弹簧推动活塞运动，保证油压封闭腔中的钻井液压力高于导向驱动机构外面的钻井液压力。3.如权利要求1所述的动态指向式旋转导向系统，其特征在于，所述偏摆轮为一个圆柱状结构，在偏摆轮的中心设有一个中心孔，中心孔的两侧各设有一个相对于偏摆轮轴向中心对称的驱动孔。4.如权利要求3所述的动态指向式旋转导向系统，其特征在于，所述的偏摆轮置于下壳体内部，与下壳体有一定微小间隙；偏摆轮通过中心孔套在传动轴上，并与传动轴有一定间隙。5.如权利要求3所述的动态指向式旋转导向系统，其特征在于，所述的导向驱动机构包括偏心轴I、偏心轴II、支撑件、电机I、减速机I电机II、减速机II、角度测量装置I和角度测量装置II；电机I与减速机I连接、减速机I与偏心轴I连接，电机II与减速机II连接、减速机II与偏心轴II连接，偏心轴I和偏心轴II的一端通过轴承I安装在导向驱动机构支撑件中，偏心轴I和偏心轴II的另一端与偏摆轮的摆动驱动孔配合且可以相对转动。6.如权利要求5所述的动态指向式旋转导向系统，其特征在于，在偏心轴I、II与导向驱动机构支撑件之间安装有旋转密封I、II分用于实现导向驱动机构的动密封；所述偏心轴I和偏心轴II的偏心距相等。7.如权利要求1所述的动态指向...

【专利技术属性】
技术研发人员：武加锋，王瑞和，张锐，秦冬黎，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37