一种静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具及控制方法

摘要

本发明主要属于旋转导向系统技术领域，具体涉及一种静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具及其控制方法。所述静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具采用静态内推靠铰接式设计，通过将不旋转测控本体与不旋转执行机构本体铰接，而非整体体式结构；钻具在井眼中易于弯曲，对导向工具上部造成的弯曲应力小，用于钻具弯曲变形的推靠力消耗达到最低。由于承力执行机构本体外套与井壁没有旋转摩擦仅为轴向滑动，寿命高。同时，采用了液压的方式而非泥浆压差作用于活塞形成推靠力，推靠力大幅提高，活塞密封寿命也较高。因此，本发明装置易于实现更高造斜率，且具有钻井寿命较高的优点。

说明书

技术领域

本发明主要属于旋转导向系统技术领域，具体涉及一种静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具及控制方法。

背景技术

旋转导向技术属于定向钻井领域，主要用于定向井、水平井、大位移井等三位轨迹井钻井。依靠自身高精度伺服控制机构和高精度姿态测量传感器，能够实时精确控制钻头的钻进方向，从而实现井眼轨迹的控制。当前常规低造斜率（6.5°/30m）旋转导向工具已无法满足页岩气定向井钻井以及海洋陆地高曲率井钻井的需求。

贝克休斯公司的AutoTrak Curve旋转导向工具采用三套液压推靠油缸及其附属翼肋推靠井壁，推靠力作用下使得导向工具上部发生整体弯曲变形，使得井眼轨迹轴向与导向工具轴向形成一个固定的角度，从而实现造斜。这种结构的缺点是导向工具上部弯曲消耗推靠力，同时推靠力造成的弯曲加重了上部钻柱的弯曲应力，在高曲率井眼中，上部钻具易发生交变疲劳破坏，对上部钻具金属材料强度要求高。该导向系统由于整套工具系统在井眼中整体发生变形，不易实现更高造斜率。并且贝克休斯的推靠器推靠井壁，磨损较高。

斯伦贝谢公司的PD Archer旋转导向工具采用测控本体与万向机构本体铰接结构，位于测控本体下端的4套推靠活塞推靠下部万向机构本体外套的内壁，从而控制钻头的方向。由于采用全旋转的设计理念以及采用泥浆压力差对活塞做功，该工具系统万向机构本体外套承力大，旋转状态下更易磨损，寿命低。此外，含有砂粒的泥浆造成活塞密封难且工作寿命低。因此，该整套旋转导向工具系统总体寿命较低，维修维护成本较高。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具及旋转导向系统控制方法。本发明所述静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具采用静态内推靠铰接式的设计理念，通过将不旋转测控本体与不旋转执行机构本体铰接，而非整体体式结构。钻具在井眼中易于弯曲，对导向工具上部造成的弯曲应力小，用于钻具弯曲变形的推靠力消耗达到最低。由于承力执行机构本体外套与井壁没有旋转摩擦仅为轴向滑动，寿命高。同时，采用了液压的方式而非泥浆压差作用于活塞形成推靠力，推靠力大幅提高，活塞密封寿命也较高。因此，本发明装置易于实现更高造斜率，且具有钻井寿命较高的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具，包括旋转芯轴、钻头轴、连接所述旋转芯轴和所述钻头轴的万向节、设置在所述旋转芯轴外围的第一不旋转外套和第二不旋转外套，所述万向节设置在所述第二不旋转外套的内部；所述第一不旋转外套（4），通过下泥浆轴承（5）、上泥浆轴承支撑（6）支撑于芯轴（7）上。非接触电力传输总成（3）中定子线圈安装于第一不旋转外套（4）内，转子线圈定位于芯轴（7）上，随芯轴共同旋转。中控电路（2）也安装于第一不旋转外套（4）内孔。为便于维修，三套独立的电机泵液压模块（1）通过螺栓紧固于第一不旋转外套（4）上。

所述旋转芯轴与所述万向节铰接，以将钻井用的钻压和扭矩传递给钻头，同时实现所述第一不旋转外套和第二不旋转外套的万向铰接；

所述第一不旋转外套以及所述第二不旋转外套通过上泥浆轴承、下泥浆轴承以及近钻头端泥浆轴承隔离所述旋转芯轴转动运动，使所述第一不旋转外套以及所述第二不旋转外套相对于大地保持准静止状态或不旋转状态。

进一步地，所述第一不旋转外套通过所述上泥浆轴承以及所述下泥浆轴承下泥浆轴承实现轴向以及径向定位，并隔离所述旋转芯轴的转动运动以使所述第一不旋转外套相对于大地保持准静止状态或不旋转状态。

进一步地，所述第二不旋转外套通过所述近钻头端泥浆轴承实现轴向和径向定位，并隔离所述钻头轴的转动运动以使所述第二不旋转外套在井眼中保持不旋转的准静止状态。

进一步地，所述第一不旋转外套上安装有弓形弹簧装置，所述弓形弹簧装置通过限位盖限位于所述第一不旋转外套上；所述弓形弹簧装置的外径大于井眼尺寸，所述弓形弹簧装置在井眼中通过自身弹簧的压缩力将其顶住井壁，以防止泥浆轴承摩擦力造成所述第一不旋转外套的快速转动，使所述第一不旋转外套保持准静止状态。

进一步地，所述第二不旋转外套外安装有耐磨肋；所述耐磨肋的外圆为锯齿形结构，且在锯齿形结构之间，镶嵌有若干用于增加耐磨性的硬质合金块；所述耐磨肋均布于所述第二不旋转外套的外圆上。

进一步地，所述旋转导向工具还包括对中连接轴、设置在所述旋转芯轴上的第一电路、中控电路、三套独立的电机泵液压模块；每套所述电机泵液压模块中均包括至少一组推靠活塞；

来自MWD的电力以及通信信号，通过所述对中连接轴将电能以及信号传给所述第一电路，所述第一电路将电能高频调制和信号载波后，通过非接触电力传输总成传输到所述中控电路，所述中控电路中的电机控制器驱动三套独立的所述电机泵液压模块，所述电机泵液压模块中的液压系统产生高压油源进入所述推靠活塞中，通过分别控制作用于每组推靠活塞的油压，形成三个平面汇交力系矢量合成，形成合力矢量，该力矢量作用于所述第二不旋转外套的内壁，使得所述钻头轴围绕所述万向节所确定的铰接点发生偏转，相对于旋转导向工具的轴线形成一个夹角；通过控制该合力矢量的大小和方向，即可精确控制作用于钻头的侧向力，从而控制钻头的钻进方向。

进一步地，所述第一电路通过盖密封板密封于所述旋转芯轴上部的空腔内；所述第一电路通过连接器与对中连接轴保持电气连接。

进一步地，三套独立的所述电机泵液压模块通过螺钉固定于所述第一不旋转外套上。

进一步地，所述旋转导向工具上设置用于提供电能的泥浆涡轮发电机，所述泥浆涡轮发电机定位于钻铤的短节内台肩，通过所述泥浆涡轮发电机的下端接口与所述旋转导向工具的上端接口插接，实现带发电机的钻铤短节与旋转导向工具的电气连接；

所述泥浆涡轮发电机的下部设置导流连接座，所述导流连接座中设置有电气连接器，所述泥浆涡轮发电机沿轴向推入，实现定位的同时通过连接器将所述泥浆涡轮发电机的电力传递给第一电路。

一种静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具的控制方法，

中控电路接收到当前的目标工具面，作为目标执行指令；

中控电路采集传感器信号计算当前工具面；

中控电路系统根据所述目标工具面计算目标导向力矢量，并将所述目标导向力矢量分解为三个独立的液压力；

给三套独立的电机控制器发送液压力指令，所述三套独立的电机控制器分别驱动三套独立的电机泵液压模块，实时高精度采集并闭环控制液压系统的工作压力，使当前导向力矢量趋向于目标导向力矢量并始终维持该导向力矢量；

中控电路系统实时采集并监控当前重力工具面值，若当前重力工具面值发生变化，中控电路系统重新计算目标导向力矢量并将重新计算获得的所述目标导向力矢量重新分解为三个独立的液压力；

三套独立的电机控制器驱动分别驱动三套独立的电机泵液压模块，并实时高精度采集并闭环控制液压系统工作压力，使当前导向力矢量趋向于重新分配的目标导向力矢量并始终维持当前导向力矢量不变；钻头始终在目标力矢量作用下，按照要求的井眼轨迹钻井。

本发明的有益技术效果：

本发明采用静态内推靠铰接式的设计理念，通过将不旋转测控本体与不旋转执行机构本体铰接，而非整体体式结构。钻具在井眼中易于弯曲，对导向工具上部造成的弯曲应力小，用于钻具弯曲变形的推靠力消耗达到最低。由于承力执行机构本体外套与井壁没有旋转摩擦仅为轴向滑动，寿命高。同时，采用了液压的方式而非泥浆压差作用于活塞形成推靠力，推靠力大幅提高，活塞密封寿命也较高。因此，本发明装置易于实现更高造斜率，且具有钻井寿命较高的优点。

附图说明

图1为实施例1中静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具结构示意图；

图2为实施例1中静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具内推靠活塞处横截面示意图；

图3为实施例2中一种带发电机钻铤短节的静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具系统；

图4为实施例2中一种集成发电机的静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具系统；

图5A-5F为实施例3中第二不旋转外套12的结构示意图；

图6-8为实施例2中一种单活塞液压推靠总成；

图9-10为实施例2中一种双活塞液压推靠总成；

图11为一种静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具控制方法控制流程图。

附图标记：

1-电机泵液压模块；2-中控电路；3-非接触电力传输总成；4-第一不旋转外套；5-下泥浆轴承；6-上泥浆轴承；7-旋转芯轴 8-密封盖板；9-第一电路；10-远钻头端扶正器；11-对中连接轴；11.1-下电气连接器12-第二不旋转外套；12.1-耐磨肋；12a-下部非旋转套耐磨肋锯齿结构；13-万向节；14-近钻头端泥浆轴承 15-钻头轴；16-推靠活塞；16.1 第一组推靠活塞；16.2第二套推靠活塞；17-发电机用钻铤；18-泥浆涡轮发电机；18.1-发电机下部电连接器；19-弓形弹簧装置；20-限位盖；21-连接座；21.1-电气连接器；22-电机泵阀总成 ；23-固定螺钉。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

本实施例提供一种静态推靠式高造斜率旋转导向工具，包括旋转芯轴7、钻头轴15、连接所述旋转芯轴7和所述钻头轴15的万向节13、第一不旋转外套4和第二不旋转外套12；

如图1-2所示，旋转芯轴7与万向节13铰接，将钻井用的钻压和扭矩传递给钻头。同时，实现了第一不旋转外套4与第二不旋转外套12万向铰接，该铰接构成了铰接式特征。第一不旋转外套通过上泥浆轴承6以及下泥浆轴承5，将旋转芯轴7的转动运动隔离。同时，上泥浆轴承6以及下泥浆轴承5下泥浆轴承将第一不旋转外套4轴向以及径向定位。此外，第一不旋转外套4上安装有弓形弹簧装置19，该弓形弹簧装置被限位盖20限位于第一不旋转外套4上。由于该弓形弹簧外径相对于井眼尺寸大，其在井眼中通过自身弹簧的压缩力将其顶住井壁，以防止泥浆轴承摩擦力等造成第一不旋转外套4的快速转动，使其保持准静止状态。

第二不旋转外套12通过近钻头端泥浆轴承14隔离了钻头轴15的转动运动，使第二不旋转外套12在井眼中保持不旋转状态。同时，第二不旋转外套12实现轴向和径向定位，可承受轴向双向力。

第一电路9主要由通信电路以及电力载波调制电路组成。芯轴上部设计有远钻头端扶正器10，限制钻具径向振动，在钻井振动的过程中对第一电路9启动保护的作用。第一电路9通过盖密封板8密封于旋转芯轴7上部的空腔内，相对于内置的仪器仓结构，该特征有占用轴向空间少、便于维修维护等特征。第一电路9中的电气接口通过连接器与对中连接轴11保持电气连接。来自MWD的电力以及通信信号，通过对中连接轴11将电能以及信号传给旋转芯轴第一电路9，第一电路9中的载波调制电路将电力高频调制和信号载波后，通过非接触电力传输变压器3，传输到中控电路2，中控电路2中的电机控制器驱动三套独立的电机泵液压模块1，液压系统产生高压油源，通过液压模块中的油路，作用于放置在第二不旋转外套12内的三套活塞16上。本实施例采用三套独立的电机泵液压模块1，且该电机泵液压模块1通过若干螺钉23固定于第一不旋转外套4上，因此电机泵液压模块1相对大地保持准静止状态。

通过分别控制作用于每套活塞的油压，形成三个平面汇交力系矢量合成，形成合力矢量，该力矢量作用于第二不旋转外套12内壁，使得钻头轴围绕万向节13所确定的铰接点发生偏转，相对于旋转导向工具轴线形成一个夹角。这时，液压活塞的合力矢量与钻头的侧向力以万向节铰接点为支点形成杠杆力平衡。通过控制该力矢量的大小和方向，即可精确控制作用于钻头的侧向力，从而控制钻头的钻进方向。

通过上述描述，本实施例中安装有电机泵液压模块1的第一不旋转外套4以及第二不旋转外套12，通过上泥浆轴承6、下泥浆轴承5、近钻头端泥浆轴承14隔离旋转芯轴转动，使其相对于大地保持准静止状态或不旋转状态。该静止不旋转状态构成了本实施例所述旋转导向工具静态内推靠式的主要特征。

实施例2

本实施例提供一种带发电机钻铤短节的静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具。其中静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具的与实施例1相同，具体实现如下：

如图3所示，本实施例中，提供电能的泥浆涡轮发电机18定位于钻铤17短节内台肩，通过发电机下端接口18.1与旋转导向工具上端接口11.1插接，实现带发电机的钻铤短节与旋转导向工具的电气连接。由于采用发电机短节与旋转导向工具钻铤分体组装，具有组装灵活方便，旋转芯轴钻铤7易于加工制造，制造成本低等特点。

如图4所示，本实施例还提供一种集成发电机的静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具，具体实现如下：

提供电能的泥浆涡轮发电机18下部有导流连接座，连接座21中有电气连接器21.1，发电机18沿轴向推入，定位于旋转芯轴上部内孔的台肩上。定位的同时，通过连接器将发电机电力传递给第一电路9。本发明装置将泥浆涡轮发电机18直接内置定位于旋转导向工具旋转芯轴钻铤7，减少电气接口的同时，具有结构紧凑，可靠性高等特点。

本实施例还提供一种单活塞液压推靠总成，如图6-8所示，采用涡轮发电机18提供的电能经中控电路2驱动液压模块中的液压系统。由于采用液压的方式，推靠活塞输出力大，使钻头获得更大的侧向力切削力，以实现高造斜率。三套电机泵液压模块1通过若干螺栓23固定于第一不旋转外套4上，使其相对于大地保持静止状态。液压模块1中含有电机、泵、阀总成22，同时含有第一组推靠活塞16.1，第一组推靠活塞16.1为一球头结构。液压系统产生的高压油通过1中的高压油道进入第一组推靠活塞16.1中。第一组推靠活塞16.1推靠力作用于第二不旋转外套12内壁。

另外，还提供一种双活塞液压推靠总成。具体实现见图9-10所示：三套电机泵液压模块1通过若干螺栓23固定于第一不旋转外套4上，使其相对于大地保持静止状态。电机泵液压模块1中含有电机、泵、阀总成22，同时含有两组推靠活塞，包括第一组推靠活塞16.1、和第二组推靠活塞16.2，两组推靠活塞均为球头结构。液压系统产生的高压油通过电机泵液压模块1中的高压油道进入第一组推靠活塞16.1以及第二组推靠16.2中。两组活塞共同形成推靠力作用于第二不旋转外套12内壁。该双活塞特征，使得活塞作用于第二不旋转外套12内壁的接触应力小，活塞及第二不旋转外套12磨损小寿命高的特点。

实施例3

本实施例提供一种静态推靠式高造斜率旋转导向工具，与实施例1不同之处在于，本实施例还提供一种第二不旋转外套12的结构，以增加第二不旋转外套与井壁的旋转摩擦阻力，实现第二不旋转外套始终保持准静止状态。见图5A-5F所示。具体实现如下：

第二不旋转外套12有耐磨肋12.1,耐磨肋为直翼。耐磨肋外圆为锯齿形结构，且在锯齿形结构之间，镶嵌有若干硬质合金块，增加耐磨肋12.1的耐磨性。同时，耐磨肋12.1可以是3组、4组、6组，均布于第二不旋转外套12外圆上，具体形式如图5A-5C所示。

实施例4

本实施例提供一种静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具控制方法。具体实现见图11所示：

中控电路2接收到当前的目标工具面以及造斜等级指令，并将该指令作为目标执行指令。目标指令都包括目标工具面以及造斜等级。中控电路2采集三轴加速度传感器以及磁通门传感器信号，计算当前重力或磁工具面。当井斜小于5°时，采用磁通门信号计算磁工具面角；当井斜大于5°时，采用重力工具面角。中控电路2根据目标工具面计算目标导向力矢量，该矢量包含目标工具面以及造斜等级指令。再将目标导向力矢量分解为三个独立的液压力。通过通信总线给3套独立的伺服电机控制器发送液压力指令，3套独立的电机控制器驱动3套各自独立的液压模块。3套液压模块给自身对应的3套活塞（第一组活塞、第二组活塞、第三组活塞）提供高压油源，推动活塞工作。每套伺服电机控制器实时高精度采集每个活塞腔的工作压力，实时反馈并闭环控制该工作压力，使当前合力矢量始终趋向于目标力矢量并始终维持该力矢量。中控电路2实时采集并监控当前重力工具面值。若当前重力工具面值发生变化，中控电路系统重新分解三个独立的液压力，以合力矢量所确定的工具面角与目标工具面角一致。3套独立的伺服电机控制器根据得到的重新计算的合力矢量，分别驱动对应的液压模块，实时高精度采集并闭环控制每个液压活塞腔的工作压力，使当前力矢量趋向于重新分配的力矢量并始终维持该力矢量不变。钻头始终在目标力矢量作用下，按照要求的井眼轨迹钻井。