反井钻机导孔旋转导向钻具制造技术

本发明专利技术反井钻机导孔旋转导向钻具，包括发电机脉冲器短节、随钻测量短节和导向头，三部分采用螺纹快速连接，所述导向头上安装有钻头；所述发电机脉冲器短节包括第一钻铤、泥浆脉冲器、泥浆发电机和整流电路模块，所述随钻测量短节包括第二钻铤和随钻测量模块，所述导向头包括逆变器、旋转变压器、主控电路板、液压驱动缸、翼板、上部轴承、下部轴承、主驱动轴和不旋转外套。本发明专利技术，通过三段式的设计，每段之间能够快速的连接，从而满足小行程反井钻机快速钻井施工，使旋转导向钻具能够适用于反井钻井的稳直钻进施工要求，通过设置旋转变压器，采用无线电能传输技术，实现了井下工具大功率电能传输，具有效率高、结构简单、可靠性高等优点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
反井钻机导孔旋转导向钻具


[0001]本专利技术涉及反井钻设备
具体地说是反井钻机导孔旋转导向钻具。

技术介绍

[0002]在进行反井钻井导孔施工时，需要对导孔进行定向，从而实现控制导孔走向的目的。现有的旋转导向钻具主要用于石油系统，其钻具长度不小于6m，而反井钻机的行程只有1.8m，现有旋转导向钻具无法直接用于反井钻机导孔钻进施工。

技术实现思路

[0003]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种分段化设计的反井钻机导孔旋转导向钻具。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：反井钻机导孔旋转导向钻具，包括发电机脉冲器短节、随钻测量短节和导向头，所述发电机脉冲器短节的第二端和所述随钻测量短节的第一端螺纹连接，所述随钻测量短节的第二端和所述导向头的第一端螺纹连接，所述导向头的第二端上通过下接头安装有钻头；所述发电机脉冲器短节包括第一钻铤、泥浆脉冲器、泥浆发电机和整流电路模块，所述随钻测量短节包括第二钻铤和随钻测量模块，所述导向头包括主驱动轴和导向组件；所述第一钻铤的第二端与所述第二钻铤的第一端螺纹连接，所述第二钻铤的第二端与所述主驱动轴的第一端螺纹连接，所述主驱动轴的第二端与下接头螺纹连接；所述泥浆脉冲器、所述泥浆发电机和所述整流电路模块均安装在所述第一钻铤内，所述随钻测量模块安装在所述第二钻铤内，所述导向组件转动安装在所述主驱动轴的表面上，所述导向组件内装有主控模块；所述泥浆发电机的电力输出端与所述整流电路模块的输入端电连接，所述整流电路模块的输出端与所述主控模块的输入端电连接，所述主控模块分别与所述导向组件和随钻测量模块通信连接。
[0005]上述反井钻机导孔旋转导向钻具，所述泥浆脉冲器安装在所述第一钻铤的第一端内，所述泥浆发电机的安装在所述第一钻铤内的中部，所述整流电路模块安装在所述第一钻铤的第二端内，所述泥浆发电机的动力输入端朝向所述泥浆脉冲器的尾端设置。
[0006]上述反井钻机导孔旋转导向钻具，所述泥浆发电机的动力输入端上安装有叶轮，所述叶轮与所述泥浆脉冲器之间安装有导流轮，所述导流轮与所述第一钻铤固定连接。
[0007]上述反井钻机导孔旋转导向钻具，所述导向钻具包括不旋转外套、上部轴承、下部轴承和翼板，所述上部轴承安装在所述主驱动轴的第一端上，所述下部轴承安装在所述主驱动轴的第二端上，所述不旋转外套同轴套在所述主驱动轴上并与所述上部轴承和所述下部轴承连接，所述不旋转外套的内侧壁上安装有液压驱动缸，所述液压驱动缸上流体导通有液压泵，所述翼板安装在所述不旋转外套的外侧壁上，所述液压驱动缸的驱动端沿所述不旋转外套的径向设置，且所述液压驱动缸的驱动端贯穿所述不旋转外套的侧壁并与所述翼板固定连接，所述翼板与所述不旋转外套之间安装有复位弹簧。
[0008]上述反井钻机导孔旋转导向钻具，所述翼板由两个液压驱动缸驱动，两个液压驱
动缸并联使驱动翼板径向移动；所述泥浆脉冲器，通过产生压力波与地面测试单元进行数据通信。两个液压驱动缸并联使用能够使翼板接触面与井壁均匀接触，两个并联使用的油缸平推，力量大且井壁受力均匀。
[0009]上述反井钻机导孔旋转导向钻具，所述主控模块包括旋转变压器、主控电路板和逆变器，所述逆变器安装在所述主驱动轴上，所述旋转变压器安装在所述主驱动轴上并位于所述不旋转外套内，所述主控电路板安装在不旋转外套的内壁上；所述整流电路模块的输出端与所述逆变器的输入端电连接，所述逆变器的输出端上安装有电滑环，所述电滑环的另一端与所述旋转变压器的原边电连接，所述旋转变压器的副边与所述主控电路板的输入端电连接，所述液压泵与所述主控电路板电连接。
[0010]上述反井钻机导孔旋转导向钻具，所述上部轴承和所述下部轴承均为烧结滑动轴承；所述上部轴承包括外圈和内圈,所述外圈转动套在所述内圈上，所述内圈同轴固定连接在所述主驱动轴上，所述不旋转外套同轴套在所述外圈上，所述内圈的远离所述主驱动轴中间的一端上沿其轴向安装有顶紧螺栓，所述顶紧螺栓的端部安装有压板，所述压板贴合在所述外圈的端部上。
[0011]上述反井钻机导孔旋转导向钻具，所述翼板与井帮接触面为圆弧面，所述圆弧面的轴线与井眼的轴线平行，位于所述翼板圆弧面与井眼轴线平行的两侧边沿设置有侧边倒角，位于所述翼板圆弧面与井眼轴线垂直的两端边沿上设置有第一倒角，所述第一倒角的中部至所述翼板端面的位置上设置有第二倒角。
[0012]上述反井钻机导孔旋转导向钻具，所述第一倒角和所述第二倒角均关于所述翼板的宽度中心面对称设置；第一倒角与圆弧面母线的夹角为15
°
，所述第二倒角与圆弧面母线的夹角为30
°
。
[0013]上述反井钻机导孔旋转导向钻具，所述翼板与井帮耦合力学优化分析方法如下：
[0014]步骤A：对单个翼板进行受力分析，忽略钻具自重，建立平衡方程
[0015][0016]式中：P为单个翼板的推靠力，单位N；N为井帮对导向翼板的压力；M为地层对钻具产生的反扭矩；R为井眼半径，单位m；W0为导孔钻进的轴向力；W1为地层对钻具产生的向上的反推力；ft2为翼板与井帮轴向摩擦力，fs2为翼板与井帮切向摩擦力；
[0017]步骤B：建立翼板与井帮接触模型：基于赫兹理论，将翼板和井帮耦合力学模型简化为轴线平行的圆柱体与圆柱形凹面接触，并将翼板和井帮均视为弹性体；翼板受到推靠力P伸出时，在接触处附近将发生局部变形而形成宽度为2b的矩形接触面，接触面上各点接触应力大小与材料的变形量有关，变形最大处接触应力最大，以σ
max
表示，接触面上其余各点接触应力按椭圆形规律分布；
[0018]最大单位压力
[0019][0020]由赫兹公式知
[0021][0022]带入上式，得
[0023][0024]式中：P为单个翼板的推靠力，单位N；E1为井帮弹性模量；E2为翼板弹性模量；v1为井帮泊松比；v2为翼板泊松比；l为翼板与井帮的接触长度；R1为翼板圆弧面半径；R2为井筒半径；σ
max
为最大接触应力；当翼板与井帮静态接触时，由上述翼板与井帮接触力学分析模型可以看出，影响井帮接触应力和变形的因素包括：翼板工作面的曲率半径、井眼半径、翼板及井帮岩土体弹性力学参数、翼板与井帮接触长度；在实际钻井施工中，考虑钻进参数、翼板形状对井帮接触应力及变形规律的影响；
[0025]步骤C：建立有限元模型：基于翼板与井帮接触的对称性，选取其中一个翼板与井帮耦合力学行为为研究对象进行分析；分别建立井筒和翼板的三维模型，并设置摩擦接触关系；
[0026]步骤D:计算结果和分析：翼板工作时，翼板与井帮均会产生应力和应变，二者接触区域附近的节点处应力值最大；围岩变形特征：塑性区整体呈半球形，最大变形位于翼板前后倒角与井帮接触处附近围岩，其次是翼板与井帮接触面中心线位置，并向四周逐渐扩大；
[0027]步骤E：翼板结构优化：在翼板两端设计15
°
倒角和30
°<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.反井钻机导孔旋转导向钻具，其特征在于，包括发电机脉冲器短节(100)、随钻测量短节(200)和导向头(300)，所述发电机脉冲器短节(100)的第二端和所述随钻测量短节(200)的第一端螺纹连接，所述随钻测量短节(200)的第二端和所述导向头(300)的第一端螺纹连接，所述导向头(300)的第二端上通过下接头(10)安装有钻头；所述发电机脉冲器短节(100)包括第一钻铤(1)、泥浆脉冲器(4)、泥浆发电机(5)和整流电路模块(6)，所述随钻测量短节(200)包括第二钻铤(2)和随钻测量模块(7)，所述导向头(300)包括主驱动轴(3)和导向组件(8)；所述第一钻铤(1)的第二端与所述第二钻铤(2)的第一端螺纹连接，所述第二钻铤(2)的第二端与所述主驱动轴(3)的第一端螺纹连接，所述主驱动轴(3)的第二端与下接头(10)螺纹连接；所述泥浆脉冲器(4)、所述泥浆发电机(5)和所述整流电路模块(6)均安装在所述第一钻铤(1)内，所述随钻测量模块(7)安装在所述第二钻铤(2)内，所述导向组件(8)转动安装在所述主驱动轴(3)的表面上，所述导向组件(8)内装有主控模块(9)；所述泥浆发电机(5)的电力输出端与所述整流电路模块(6)的输入端电连接，所述整流电路模块(6)的输出端与所述主控模块(9)的输入端电连接，所述主控模块(9)分别与所述导向组件(8)和随钻测量模块(7)通信连接。2.根据权利要求1所述的反井钻机导孔旋转导向钻具，其特征在于，所述泥浆脉冲器(4)安装在所述第一钻铤(1)的第一端内，所述泥浆发电机(5)的安装在所述第一钻铤(1)内的中部，所述整流电路模块(6)安装在所述第一钻铤(1)的第二端内，所述泥浆发电机(5)的动力输入端朝向所述泥浆脉冲器(4)的尾端设置。3.根据权利要求2所述的反井钻机导孔旋转导向钻具，其特征在于，所述泥浆发电机(5)的动力输入端上安装有叶轮，所述叶轮与所述泥浆脉冲器(4)之间安装有导流轮，所述导流轮与所述第一钻铤(1)固定连接。4.根据权利要求1所述的反井钻机导孔旋转导向钻具，其特征在于，所述导向组件(8)包括不旋转外套(801)、上部轴承(802)、下部轴承(803)和翼板(804)，所述上部轴承(802)安装在所述主驱动轴(3)的第一端上，所述下部轴承(803)安装在所述主驱动轴(3)的第二端上，所述不旋转外套(801)同轴套在所述主驱动轴(3)上并与所述上部轴承(802)和所述下部轴承(803)连接，所述不旋转外套(801)的内侧壁上安装有液压驱动缸(805)，所述液压驱动缸(805)上流体导通有液压泵(806)，所述翼板(804)安装在所述不旋转外套(801)的外侧壁上，所述液压驱动缸(805)的驱动端沿所述不旋转外套(801)的径向设置，且所述液压驱动缸(805)的驱动端贯穿所述不旋转外套(801)的侧壁并与所述翼板(804)固定连接，所述翼板(804)与所述不旋转外套(801)之间安装有复位弹簧(811)。5.根据权利要求4所述的反井钻机导孔旋转导向钻具，其特征在于，所述翼板(804)由两个液压驱动缸(805)驱动，两个液压驱动缸(805)并联使驱动翼板(804)径向移动；所述泥浆脉冲器(4)，通过产生压力波与地面测试单元进行数据通信。6.根据权利要求4所述的反井钻机导孔旋转导向钻具，其特征在于，所述主控模块(9)包括旋转变压器(901)、主控电路板(902)和逆变器(903)，所述逆变器(903)安装在所述主驱动轴(3)上，所述旋转变压器(901)安装在所述主驱动轴(3)上并位于所述不旋转外套(801)内，所述主控电路板(902)安装在不旋转外套(801)的内壁上；所述整流电路模块(6)的输出端与所述逆变器(903)的输入端电连接，所述逆变器(903)的输出端上安装有电滑环，所述电滑环的另一端与所述旋转变压器(901)的原边电连接，所述旋转变压器(901)的
副边与所述主控电路板(902)的输入端电连接，...

【专利技术属性】
技术研发人员：荆国业，付志方，刘志强，高利鑫，程守业，张朝阳，刘文敬，唐思宇，
申请(专利权)人：航天深拓北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：