[發明專利]一種動態指向式旋轉導向鉆井工具

有效

• 申請號: 201210402593.5
• 申請日: 2012-10-19
• 公開（公告）號: CN102913131A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 鄢志丹;耿艷峰;楊錦舟;吳仲華
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: E21B7/04
• 分類號: E21B7/04;E21B4/00;E21B44/00
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

1.一種動態指向式旋轉導向鉆井工具，包括旋轉外筒、穩定平臺、導向偏置機構、鉆壓傳遞機構、扭矩傳遞機構、上支撐板、下支撐板、鉆軸、鉆頭、密封波紋管、鉆軸連接軸承和導電滑環，其特征在于：旋轉外筒向鉆頭直接施加鉆壓和扭矩，帶動鉆軸、鉆頭共同旋轉，通過改變穩定平臺相對于旋轉外筒的角位移，可使鉆軸中心線指向東西南北0~360°范圍內任意控制方位。

2.如權利要求1所述的動態指向式旋轉導向鉆井工具，其特征在于：導向偏置機構位于穩定平臺主體內部，穩定平臺置于旋轉外筒內部，包括中空圓柱形穩定平臺主體、穩定平臺連接軸承、穩定平臺伺服電機及配套的穩定平臺電機聯軸器，穩定平臺主體上端由安裝在旋轉外筒的下支撐板和下支撐板內嵌軸承連接固定，下端通過穩定平臺連接軸承與旋轉外筒內壁緊密配合，穩定平臺伺服電機安裝在旋轉外筒的上支撐板上，上支撐板與下支撐板通過內六角螺紋緊固在旋轉外筒上，并隨之一起運動。

3.如權利要求2所述的動態指向式旋轉導向鉆井工具，其特征在于：穩定平臺電機聯軸器用于連接穩定平臺伺服電機與穩定平臺主體，穩定平臺伺服電機驅動穩定平臺主體相對于旋轉外筒等速相反旋轉，使其在工作狀態下保持對地靜止；所述的穩定平臺伺服電機為中空軸式電機。

4.如權利要求1或2所述的動態指向式旋轉導向鉆井工具，其特征在于：導向偏置機構為互成120°安裝的三個液壓驅動活塞，所述液壓驅動活塞所圍成的中心區域有一鉆軸連接軸承，可通過調整各個液壓驅動活塞的直線位移，形成結構彎角，該直線位移存在最大設計直線位移，該結構彎角從0°到最大設計角度變化，結構彎角最大設計角度與液壓驅動活塞最大設計直線位移決定了鉆軸從鉆軸連接軸承下端面到扭矩傳遞機構中導向旋轉中心點的設計距離；所述鉆軸連接軸承為角接觸軸承，其內側與鉆軸上部連接頭緊密配合，外部與各個液壓驅動活塞直接相連。

5.如權利要求1所述的動態指向式旋轉導向鉆井工具，其特征在于：鉆壓傳遞機構自上而下包括鉆壓承壓環、彈性墊圈、球面止推環和球面旋轉環，鉆壓傳遞機構內穿有鉆軸，其上端通過鉆軸連接軸承與內偏心環的偏心中空體緊固連接，中部伸出有圓柱形“凸”臺與球面旋轉環中間內凹面相接觸，以至于可將來自旋轉外筒上的鉆壓進一步傳遞至鉆軸上，進而可傳遞至安裝于鉆軸前端的鉆頭上；所述的鉆壓承壓環為一中間有孔的“凹”形圓柱結構，其上端置于旋轉外筒內壁凹臺之上，下端同扭矩傳遞機構的上萬向節球籠套相接觸，直接承載來自旋轉外筒上的鉆壓，彈性墊圈、球面止推環和球面旋轉環均依次置于鉆壓承壓環內部，球面止推環和球面旋轉環的球心O為鉆軸的導向旋轉中心。

6.如權利要求1所述的動態指向式旋轉導向鉆井工具，其特征在于：扭矩傳遞機構包括上萬向節球籠、下萬向節球籠、鋼球、連接鍵以及用于保護扭矩傳遞機構的內套環和外套環；所述的上萬向節球籠與下萬向節球籠主體結構類似，均為中空圓柱體，內壁處均布有8個1/4“凹球面”，其正好與鉆軸相應位置上的另1/2“凹球面”組成全球面，所述全球面內置有優質鋼球，動力扭矩由均布在外筒周圍的八個連接鍵傳遞至上萬向節球籠與下萬向節球籠，而后利用八個大直徑鋼球以球面接觸的方式將扭矩施加于鉆軸，進而作用于鉆頭上。

7.如權利要求1或2所述的動態指向式旋轉導向鉆井工具，其特征在于：所述動態指向式旋轉導向鉆井工具包括安裝在上支撐板下端面的用于連接穩定平臺伺服電機電源及控制信號線的穩定平臺導電滑環；所述的鉆軸與鉆軸連接軸承的泥漿密封可用密封波紋管來實現；所述的鉆軸與下萬向節球籠的泥漿密封可用密封波紋管來實現。

8.一種對動態指向式旋轉導向鉆井工具的井眼軌跡隨動和穩定控制方法，其特征在于：根據預置井眼軌跡參數由計算單元解算出所要控制的井斜角和方位角信息，以及所需結構彎角值，并結合液壓驅動活塞導向偏置機構工作原理，進而控制三個液壓驅動活塞的直線運行位移和穩定平臺主體相對于旋轉外筒的相對旋轉角位移；為實現該井斜角和方位角的準確控制，采用閉環I、閉環Ⅱ雙閉環控制器；所述閉環I中利用模糊控制器a實現穩定平臺主體跟隨旋轉外筒的反向等速控制，實現其地理靜止，閉環Ⅱ中利用模糊控制器b實現各組液壓驅動活塞的直線運行位移和穩定平臺主體相對于旋轉外筒的相對旋轉角位移的精確控制。