一種動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，屬于石油鉆井設備【技術領域】。本發明中下接頭的端部球鉸有球鉸桿，球鉸桿上連接有鉆頭；下接頭的側壁內設有若干在圓周上均布的活塞孔，每個活塞孔內均匹配有活塞，活塞上連接的活塞桿活動連接于球鉸桿上；上接頭內設置的控制器上連接有偏閥芯，偏閥芯的工作面與活塞孔相對，偏閥芯的轉動，使活塞孔內的活塞運動來控制球鉸桿的旋轉導向。本發明可通過偏閥芯旋轉運動控制鉆頭“搖頭晃腦”的周期，偏閥芯軸向運動控制鉆頭“搖頭晃腦”的幅值，當把偏閥芯整體回拉遠離活塞孔時候即可用來鉆直井或者穩斜，而當偏閥芯靠近液壓活塞孔越近，則造斜能力越強，能滿足不同曲率半徑的鉆井。
【專利說明】一種動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及石油鉆井設備【技術領域】，特別是閉環旋轉導向鉆井技術。

【背景技術】
[0002]近十幾年來，水平井、大位移井、多分支井等復雜結構井和“海油陸采”、頁巖氣開發的迅速發展，以及鉆井工藝對提高效率、降低成本、提高在惡劣環境和復雜地質條件下鉆井能力等的要求，國內外紛紛開展了對旋轉導向鉆井技術的研究。旋轉導向鉆井技術是一項尖端的自動化鉆井新技術，國外鉆井實踐證明，在水平井、大位移井、大斜度井、三維多目標井中推廣應用旋轉導向鉆井技術，既提高了鉆井速度，也減少了鉆井事故，從而降低了鉆井成本。旋轉導向鉆井工具是旋轉導向鉆井系統的核心，決定了旋轉導向鉆井系統的工作特色和工作能力。
[0003]旋轉導向技術是用鉆盤(或頂驅)旋轉鉆柱鉆井，隨鉆實現導向相應功能。其優點是:排除了滑動鉆進、減少了扭矩和摩阻、提高了井眼質量、改善了井眼清潔、提高了機械鉆速、降低了循環當量密度、選擇最佳鉆井參數獲得最大機械鉆速、降低了壓差卡鉆的風險、鉆頭的鉆井性能選擇優于鉆頭可導向性的選擇、大位移鉆井全過程定向控制、低風險鉆進大多數高難度井眼軌跡的井節省鉆機時間。此外，其極限井深可達15 km，鉆井成本低。因此，旋轉導向鉆井技術是現代導向鉆井技術發展的必然方向。
[0004]目前國外三大石油公司BakerHughes、Schlumberger和Halliburton通過各種方式分別形成了其各自商業化應用的PowerDriveSRD、AutoTrakRCLS和Geo-Pilot旋轉導向鉆井系統，這3個系統的根本區別是井下鉆井工具各不相同，這也充分說明了旋轉導向鉆井工具是旋轉導向鉆井系統的核心。前面兩種系統可歸類為一種系統即推靠式(push -the - bit )旋轉導向鉆井系統；而后一種屬于指向式(point - the - bit )旋轉導向鉆井系統。推靠式旋轉導向系統:側向力大，造斜率高，但旋轉導向鉆出的井眼狗腿大，軌跡波動大，不平滑，鉆頭和鉆頭軸承的磨損較嚴重。指向式旋轉導向系統:能鉆出較平滑的井眼，摩阻和扭矩較小，可以使用較大的鉆壓，機械鉆速較高，有助于發揮鉆頭的性能，鉆頭及其軸承承受的側向載荷較小，極限位移增加，但是造斜率較低。目前推靠式旋轉導向系統技術已基本成熟，而指向式旋轉導向系統尚處于新興起步階段。
[0005]國內開展這方面的研究工作較晚。20世紀90年代才全面展開這方面的研究工作，2006年以蘇義腦院士為首的技術團隊研制成功了 CGDS -1近鉆頭地質導向旋轉鉆井系統，在冀東、遼河等油田應用15 口井。另外，以張紹槐教授為首的研究團隊，近年來與中國石化勝利油田合作，在旋轉導向鉆井方面也取得了突破性的成果。但大多研究在推靠式旋轉導向鉆井居多，指向式旋轉導向鉆井的研究在國內還處于“瓶頸”狀態。


【發明內容】

[0006]本發明的發明目的在于:針對上述存在的問題，提供一種指向式動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，突破了現有國內推靠式旋轉導向存在側向力大，造斜率高，所鉆井眼狗腿大，軌跡波動大，不平滑，鉆頭和鉆頭軸承的磨損較嚴重等問題，并較國外指向式動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置結構更簡單，控制更容易，可靠性更高的設計思路。回避了現有常規旋轉導向技術中靜態偏置推靠鉆頭式(工具系統外筒不旋轉，如Auto TrakRCLS),動態偏置推靠鉆頭式(全旋轉，如Power Drive SRD)、靜態偏置指向鉆頭式(工具系統外筒不旋轉，如Geo-Pilot)等存在的缺點，形成一種新的動態內偏置指向鉆頭式(全旋轉，且工具徑向尺寸不會存在局部擴大現象)動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置。通過在鉆柱靠近鉆頭端設置旋轉偏閥芯推動液壓活塞推桿式動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，來使安裝有鉆頭的球鉸可沿一定偏角范圍內360°周向旋轉，提供了一種全新的指向式動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，可通過偏閥芯旋轉運動控制鉆頭“搖頭晃腦”的周期，偏閥芯軸向運動控制鉆頭“搖頭晃腦”的幅值，當把偏閥芯整體回拉遠離活塞孔時候即可用來鉆直井或者穩斜，而當偏閥芯靠近液壓活塞孔越近，則造斜能力越強，能滿足不同曲率半徑的鉆井；其不僅可適用于大曲率的鉆井，還可用于中曲率和小曲率條件下的鉆井，而且在鉆進的過程中不存在工具局部徑向尺寸擴大的問題，使巖屑排出的通道更加順暢，提高了鉆井的安全性和可靠性，因為是全旋轉，減小了鉆柱與井壁的摩擦力，可以讓水平井段延伸的更長。
[0007]本發明采用的技術方案如下:
本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，包括相互連接的上接頭與下接頭，所述下接頭的端部球鉸有球鉸桿，所述球鉸桿上連接有鉆頭；所述下接頭的側壁內設有若干在圓周上均布的活塞孔，每個活塞孔內均匹配有活塞，所述活塞上連接的活塞桿活動連接于球鉸桿上；所述上接頭內設置的控制器上連接有偏閥芯，所述偏閥芯的工作面與活塞孔相對，所述偏閥芯的轉動，使活塞孔內的活塞運動來控制球鉸桿的旋轉導向。
[0008]由于采用了上述結構，鉆頭安裝在球鉸桿上，而球鉸桿球鉸(采用球鉸結構進行連接)于下接頭上，使得球鉸桿可以該球鉸結構為中心沿著一定的偏角范圍內360°周向旋轉；該偏角范圍受到球鉸桿活動范圍的限制，在本發明中受限于活塞桿活動連接于球鉸桿上的位置，可根據需要進行設定，因此可根據該球鉸桿可在一定偏角范圍內360°周向旋轉的特性，使其帶動鉆頭在一定偏角范圍內360°周向旋轉，從而使用到鉆井過程中，解決了現有技術中可變徑穩定器僅能對井斜進行微調，僅能適合大曲率鉆井的問題。為了實現球鉸桿在一定偏角范圍內360°周向旋轉,需要在鉆井過程中給予球鉸桿一個偏執力，而球鉸桿的偏執力來源于活塞孔內的活塞桿，活塞桿的個數為3個以上，其中活塞桿的靠近鉆頭端受到的泥漿壓強P基本相同，而活塞桿另一端的泥漿壓強P則是變動的，變動的泥漿壓強P由偏閥芯的旋轉運動和軸向運動引起的，而偏閥芯的運動則由控制器控制。其中偏閥芯的旋轉運動是為了讓活塞受到的力，隨著偏閥芯的旋轉運動依次發生變化，偏閥芯旋轉過程中，閥芯整體與閥座軸向位移恒定，但是閥芯上內凹部位離閥座相對距離較遠，此處會產生較大的壓強，而閥芯外凸部位離閥座較近，此處壓強會相對減小，當閥芯旋轉起來，則使閥芯周圍形成一個壓強依次變化且旋轉起來的壓力循環場，這樣就可以使活塞受到的力依次變化，從而使球鉸桿以及連接在球鉸桿上的鉆頭也會隨著連續擺動，因此要求偏閥芯的工作面需對應于活塞孔。偏閥芯軸向運動是為了讓3個以上活塞受到的力隨著偏閥芯的軸向運動而發生偏執角度幅度的變化。即偏閥芯的軸向運動確定鉆頭偏執角度的大幅度的調整，而偏閥芯的旋轉運動確定鉆頭偏執角度的旋轉速度，當這個速度與鉆柱轉動的速度達到一定關系時候，鉆頭就朝著一個方向鉆進(通俗講，偏閥芯旋轉運動控制鉆頭搖頭晃腦的周期，而偏閥芯軸向運動控制鉆頭搖頭晃腦的幅值)。本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，突破了現有國內推靠式旋轉導向存在側向力大，造斜率高，所鉆井眼狗腿大，軌跡波動大，不平滑，鉆頭和鉆頭軸承的磨損較嚴重等問題，并較國外指向式動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置結構更簡單，控制更容易，可靠性更高的設計思路。回避了現有常規旋轉導向技術中靜態偏置推靠鉆頭式(工具系統外筒不旋轉，如Auto TrakRCLS)、動態偏置推靠鉆頭式(全旋轉，如Power Drive SRD)、靜態偏置指向鉆頭式(工具系統外筒不旋轉，如Geo-Pi lot)等存在的缺點，形成一種新的動態內偏置指向鉆頭式(全旋轉，且工具徑向尺寸不會存在局部擴大現象)動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置。通過在鉆柱靠近鉆頭端設置旋轉偏閥芯推動液壓活塞推桿式動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，來使安裝有鉆頭的球鉸可沿一定偏角范圍內360°周向旋轉，提供了一種全新的指向式動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，可通過偏閥芯旋轉運動控制鉆頭“搖頭晃腦”的周期，偏閥芯軸向運動控制鉆頭“搖頭晃腦”的幅值，當把偏閥芯整體回拉遠離活塞孔時候即可用來鉆直井或者穩斜，而當偏閥芯靠近液壓活塞孔越近，則造斜能力越強，能滿足不同曲率半徑的鉆井；其不僅可適用于大曲率的鉆井，還可用于中曲率和小曲率條件下的鉆井，而且在鉆進的過程中不存在工具局部徑向尺寸擴大的問題，使巖屑排出的通道更加順暢，提高了鉆井的安全性和可靠性，因為是全旋轉，減小了鉆柱與井壁的摩擦力，可以讓水平井段延伸的更長。
[0009]本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，所述偏閥芯為圓錐形結構，在所述偏閥芯的錐面上開設有相鄰的內凹部和外凸部，其中外凸部靠近偏閥芯的頂部，內凹部靠近偏閥芯的底部，所述偏閥芯的錐面對準活塞孔。
[0010]由于采用了上述結構，偏閥芯作為主要控制活塞桿運動的部件，其主要作用是通過其旋轉，來使閥芯周圍形成一個壓強依次變化且旋轉起來的壓力循環場，這樣就可以使3個或以上的活塞桿受到的力依次變化，從而使球鉸桿以及連接在球鉸桿上的鉆頭也會隨著連續擺動；因此就對偏閥芯的結構要求比較特殊，而本發明特將偏閥芯制成圓錐形結構，且其工作面為該偏閥芯的傾斜面，為了達到上述效果，需要在偏閥芯的傾斜面的同一圓錐母線上設置內凹部和外凸部，其中外凸部靠近偏閥芯的頂部，內凹部靠近偏閥芯的底部，也即閥芯上的內凹部離閥座(下接頭內壁傾斜配合面)相對距離較遠，此處會產生較大的壓強，而閥芯的外凸部離閥座(下接頭內壁傾斜配合面)較近，此處壓強會相對減小，當泥漿從上接頭和下接頭中通過時，沖擊偏閥芯的傾斜面時，通過其外凸部和內凹部可改變部分泥漿的方向，使得偏閥芯的內凹部對準活塞孔，從而在閥芯周圍形成一個壓強依次變化且旋轉起來的壓力循環場，這樣就可以使偏閥芯對準活塞孔時，3個(或以上)活塞桿受到的力依次變化，從而驅動活塞桿相對運動，從而使球鉸桿以及連接在球鉸桿上的鉆頭也會隨著連續擺動。
[0011]本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，所述球鉸桿的一端設為球形結構，可與下接頭的端部采用球面配合形成球鉸結構，所述球鉸桿可相對于下接頭以該球鉸結構為中心旋轉，其中所述球鉸桿與下接頭的中通孔相互連通，；所述球鉸桿的中部外套設于有花鍵盤頭，其中匹配于每個活塞孔內的活塞桿活動連接于花鍵盤頭上。
[0012]由于采用上述結構，鉆頭通過轉換接頭安裝在球鉸桿伸出的端頭上，而球鉸桿的另外一端頭設為球形結構，從而便于將該球形端頭與下接頭上端部中通孔的口部面接觸形成球鉸結構，使得球鉸桿的可以該球鉸結構為中心，在一定偏角的范圍內360°周向旋轉，而該偏角的大小主要取決于下接頭上對球鉸桿的干涉，可以根據鉆井曲率的大小進行調節，當需要鉆頭擺動的幅度越小，也即需要該偏角越小，而當需要鉆頭擺動的幅度越大，則需要該偏角越大。因此本發明通過控制該球鉸桿在360°周向上的旋轉來控制鉆頭的轉向，實現旋轉導向的作用；其中為了確保在導向過程中泥漿可正常通過，將該球鉸桿制成中通結構。其中花鍵盤頭套設于鉸接桿的中部外，使活塞桿活動連接在其邊部位置，便于通過活塞帶動活塞桿運動時，通過花鍵盤頭控制鉸接桿發生偏轉，從而實現對鉆頭旋轉導向的控制。
[0013]本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，所述球鉸結構外套設有連接于下接頭上的大球鉸壓蓋；所述球鉸桿的中部外套設有限制花鍵盤頭的壓蓋螺母；所述下接頭上靠近鉆頭的一端上連接有套于球鉸桿外的防掉接頭，所述防掉接頭的最小通徑大于花鍵盤頭的外徑。
[0014]由于采用了上述結構，大球鉸壓蓋主要是限制球鉸桿的端部球頭，避免其與下接頭之間的連接脫落；壓蓋螺母則主要將花鍵盤頭鎖于球鉸桿上，避免花鍵盤頭從球鉸桿上發生脫落。防掉接頭螺紋連接在下接頭上，防止活塞桿斷掉后，球鉸和鉆頭落入井內；花鍵盤頭外徑小于防掉接頭的最小內通徑。
[0015]本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，所述活塞桿的一端球鉸于花鍵盤頭上，所述活塞桿的另一端上設置活塞桿上密封盤根形成活塞，所述活塞桿可帶動活塞桿上密封盤根相對于活塞孔運動；所述活塞桿外套設有可相對密封運動的活塞桿下密封盤根，所述活塞桿下密封盤根固定于下接頭上。
[0016]由于采用了上述結構，活塞桿上設置活塞桿上密封盤根形成活塞，使其與受到偏閥芯旋轉產生的壓力場P的變化時，可驅動活塞桿相對于活塞孔移動，繼而可使活塞桿的另一端通過球鉸結構帶動花鍵盤頭，并向球鉸桿傳遞扭矩；因此為了避免活塞桿在帶動花鍵盤頭時受到干涉，需要將活塞桿與花鍵盤頭的連接采用球鉸的結構，既可相對轉動又可擺動旋轉；其中活塞桿下密封盤根可與活塞桿形成動密封，避免雜物進入到活塞孔內。
[0017]本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，所述下接頭上在活塞孔中部的位置開設有與活塞孔連通的容納槽，所述容納槽內安設有液壓囊，所述液壓囊被液壓囊壓蓋密封于該容納槽內。
[0018]由于采用了上述結構，下接頭上在位于活塞孔的中部位置還開有一個容納槽，該容納槽內安置有液壓囊，液壓囊被液壓囊壓蓋密封在殼體的槽內，液壓囊的作用是存儲活塞桿與殼體活塞孔之間的液壓油，從而便于活塞桿及其上的活塞桿上密封盤根，在受到壓力場P變化時能輕易地發生相對滑動，從而通過花鍵盤頭向球鉸桿傳動扭矩，控制鉆頭擺動。
[0019]本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，所述上接頭的中心設有容納控制器的中心開孔，在所述上接頭的側壁內設有若干位于同一圓周上的旁通孔，所述旁通孔、下接頭的中通孔和球鉸桿的中通孔相對連通形成通道；所述偏閥芯位于通道內下接頭與上接頭的連接區域。
[0020]由于采用了上述結構，旁通孔主要用于上接頭中的泥漿通過，因此該旁通孔需要與下接頭的中通孔、球鉸桿的中通孔連通形成通道，便于鉆井過程中的泥漿通過；偏閥芯也設置于該通道內，為了便于拆卸和安裝，將其置于下接頭與上接頭的連接區域內。
[0021]本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，所述控制器包括位于中心開孔內同一軸線上的旋轉電機與拖動電機；其中所述偏閥芯設于偏閥桿的一端，所述偏閥桿的另一端通過傳動軸一連接于旋轉電機上，所述旋轉電機通過傳動軸二連接于拖動電機上；所述上接頭側壁上開設的凹槽區域內放置有控制模塊，所述旋轉電機和拖動電機分別連接并受控于控制模塊。
[0022]由于采用了上述結構，旋轉電機可通過傳動軸一帶動偏閥桿轉動，繼而控制偏閥桿上的偏閥芯轉動，實現對活塞桿往復運動的控制，完成對球鉸桿擺動的控制；而拖動電機則可通過傳動軸二帶動旋轉電機以及偏閥芯在上接頭內相對移動，從而控制偏閥芯與閥座之間的相對位置，從而控制活塞桿移動的幅度，繼而控制鉆頭擺動的幅度，因此偏閥芯的軸向運動確定鉆頭偏執角度的大幅度的調整，而偏閥芯的旋轉運動確定鉆頭偏執角度的旋轉速度，當這個速度與鉆柱轉動的速度達到一定關系時候，鉆頭就朝著一個方向鉆進(通俗講，偏閥芯旋轉運動控制鉆頭搖頭晃腦的周期，而偏閥芯軸向運動控制鉆頭搖頭晃腦的幅值)。在上接頭靠近旋轉電機附近區域開設有凹槽用來安裝控制模塊，該區域被控制區蓋板密封、旋轉電機、控制模塊和拖動電機，由信號通道聯通，信號通道末端由信號通道堵頭堵死(也可以在鉆通后直接焊死)，信號通道上開設有信號接口，與外界進行信息傳遞。
[0023]本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，所述中心開孔內設有電機套一和電機支架；所述旋轉電機卡設于電機套一內，所述電機套一外設置的凸塊匹配于中心開孔內壁的電機套滑槽內，使電機套一可相對于中心開孔滑動；所述電機套一的尾部設有電機套端蓋一，所述電機套端蓋一與傳動軸二采用螺紋配合，所述傳動軸二連接于設于電機套二內的拖動電機上。
[0024]由于采用了上述結構，旋轉電機安裝在電機套一內，旋轉電機自身開有凹槽，正好插入電機套的電機鍵槽處相對固定，通過鍵槽與電機套一固定并傳遞扭矩，電機套一周向開有兩個凸起(凸塊)正好插入上接頭中心孔處開有的電機套滑槽內。電機套一的端部伸出上接頭，閥芯桿下端與偏閥芯螺紋聯接，閥芯桿上端與傳動軸一螺紋聯接，電機輸出軸卡入傳動軸一，傳動軸一的凸肩處被軸承組一約束，軸承組一被閥芯桿密封盤根壓在電機套上。旋轉電機、電機套一與附屬在電機套一上的閥芯桿、軸承組一、傳動軸一、閥芯桿密封盤根、偏閥芯都能被拖動電機整體軸向拖動；而該拖動是由拖動電機帶動傳動軸二轉動，由于電機套端蓋一與傳動軸二之間采用螺紋連接，而電機套端蓋一以及電機套一僅能相對于上接頭滑動，而不能發生相對轉動，因此即可實現將電機整體軸向拖動的效果。拖動電機卡在電機套二內，電機套安裝在電機支架，電機支架螺紋聯接在上接頭中心孔偏上的位置，被電機套端蓋二壓著，電機套端蓋二與電機支架螺紋連接。電機套端蓋一上端車削有梯形螺紋，與傳動軸二下端的螺紋配對，起到將旋轉運動轉變為軸向移動的作用。傳動軸二被限位隔環一、限位隔環二、上接頭中心孔中部臺階、電機支架下端部所約束。
[0025]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是:
1、本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，突破了現有國內推靠式旋轉導向存在側向力大，造斜率高，所鉆井眼狗腿大，軌跡波動大，不平滑，鉆頭和鉆頭軸承的磨損較嚴重等問題，并較國外指向式動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置結構更簡單，控制更容易，可靠性更高的設計思路。
[0026]2、本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，回避了現有常規旋轉導向技術中靜態偏置推靠鉆頭式(工具系統外筒不旋轉，如Auto TrakRCLS)、動態偏置推靠鉆頭式(全旋轉，如Power Drive SRD)、靜態偏置指向鉆頭式(工具系統外筒不旋轉，如Geo-Pilot)等存在的缺點，形成一種新的動態內偏置指向鉆頭式(全旋轉，且工具徑向尺寸不會存在局部擴大現象)動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置。通過在鉆柱靠近鉆頭端設置旋轉偏閥芯推動液壓活塞推桿式動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，來使安裝有鉆頭的球鉸可沿一定偏角范圍內360°周向旋轉。
[0027]3、本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，可通過偏閥芯旋轉運動控制鉆頭“搖頭晃腦”的周期，偏閥芯軸向運動控制鉆頭“搖頭晃腦”的幅值，當把偏閥芯整體回拉遠離活塞孔時候即可用來鉆直井或者穩斜，而當偏閥芯靠近液壓活塞孔越近，則造斜能力越強，能滿足不同曲率半徑的鉆井；
4、本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，不僅可適用于大曲率的鉆井，還可用于中曲率和小曲率條件下的鉆井，而且在鉆進的過程中不存在工具局部徑向尺寸擴大的問題，使巖屑排出的通道更加順暢，提高了鉆井的安全性和可靠性，因為是全旋轉，減小了鉆柱與井壁的摩擦力，可以讓水平井段延伸的更長。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1是本發明的旋轉偏閥芯推動液壓活塞推桿式動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置的結構示意圖。
[0029]圖2是圖1中A-A的剖視圖。
[0030]圖中標記:1_鉆頭、2-轉換接頭、3-下接頭、4-上接頭、5-防掉接頭、6-壓蓋螺母，7-花鍵盤頭，8-小球鉸，9-小球鉸壓蓋，10-銷釘，11-活塞桿，12-球鉸桿，13-大球鉸壓蓋，14-液壓囊壓蓋，15-液壓囊，16-活塞桿上密封盤根，17-偏閥芯，18-偏閥桿，19-閥芯桿密封盤根，20-軸承組一，21-傳動軸一，22-旋轉電機，23-控制模塊，24-控制區壓蓋，25-電機套一，26-電機套端蓋一，27-限位隔環一，28-軸承組二，29-傳動軸二，30-限位隔環二，31-拖動電機，32-電機套二，33-電機支架，34-電機套端蓋二，35-信號通道堵頭，36-信號接口，37-信號通道，38-旁通孔，39-電機鍵槽，40-電機套滑槽，41-活塞桿下密封盤根。

【具體實施方式】
[0031]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0032]本說明書(包括任何附加權利要求、摘要)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
[0033]如圖1和圖2所示，本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，包括上接頭4、下接頭3以及球鉸桿12 ;所述上接頭4與下接頭3螺紋連接，所述下接頭3以及球鉸桿12的中心均設有中通孔，所述下接頭3的側壁內均布有三個以上位于同一圓周上的貫通活塞孔，每個活塞孔內匹配有可相對移動的活塞，所述活塞通過活塞桿11球鉸接于(鉸接僅為其中一種方式，可通過其它類似的活動連接方式進行連接)花鍵盤頭7上，所述花鍵盤頭7套設于球鉸桿12外(根據花鍵盤頭的作用，可在球鉸桿的中部外設置圓凸臺，將活塞桿11活動連接于凸臺的邊部，同樣能實現其功能)，所述球鉸桿12的一端球鉸于下接頭3內，所述球鉸桿12的另一端通過轉換接頭2連接有鉆頭I。所述球鉸桿12的一端設為球形結構，可與下接頭3的端部球面配合形成球鉸結構，使所述球鉸桿12可相對下接頭3并以該球鉸結構為中心旋轉，所述球鉸桿12與下接頭3的中通孔相對連通，所述球鉸結構外套設有連接于下接頭3上的大球鉸壓蓋13。所述球鉸桿12的中部上套設有花鍵盤頭7和壓蓋螺母6，所述壓蓋螺母6將花鍵盤頭7鎖于球鉸桿12上。所述下接頭3上靠近鉆頭I的一端上連接有中通的防掉接頭5，球鉸桿12從該防掉接頭5中穿過，所述防掉接頭5的最小通徑大于花鍵盤頭7的外徑。所述下接頭3上在活塞孔中部的位置開設有與活塞孔連通的容納槽，所述容納槽內安設有液壓囊15，所述液壓囊15被液壓囊壓蓋14密封于該容納槽內。所述上接頭4內設有可放置控制器的中心開孔，且在所述上接頭4的側壁內設有若干位于同一圓周上的旁通孔38，所述旁通孔38、下接頭3的中通孔和球鉸桿12的中通孔相對連通形成通道。所述通道內位于下接頭3與上接頭4的連接區域內設有偏閥芯17，所述偏閥芯17為圓錐形結構，在所述偏閥芯17的錐面上開設有相鄰的內凹部和外凸部，其中外凸部靠近偏閥芯17的頂部，內凹部靠近偏閥芯17的底部，其中外凸部與內凹部布置于同一圓錐母線上，從而使得偏閥芯17上形成偏心結構，所述偏閥芯17的錐面對應活塞孔，每個活塞孔內均匹配有活塞桿11，所述活塞桿11的一端球鉸于花鍵盤頭7上，所述活塞桿11的另一端上設有活塞桿上密封盤根16形成活塞，使活塞桿11可帶動活塞桿上密封盤根16相對于活塞孔運動；所述活塞桿11外套設有活塞桿下密封盤根41，所述活塞桿下密封盤根41固定于下接頭3上，使所述活塞桿11可相對于活塞桿下密封盤根41運動，所述偏閥芯17通過偏閥桿18連接并受控于旋轉拖動控制器上。所述中心開孔內設有旋轉拖動控制器，所述旋轉拖動控制器包括設于同一軸線上的旋轉電機22與拖動電機31,所述偏閥芯17設于偏閥桿18的一端,所述偏閥桿18的另一端通過傳動軸一 21連接于旋轉電機22上,所述旋轉電機22通過傳動軸二 29連接于拖動電機31上；所述上接頭4側壁上開設的凹槽區域內放置有控制模塊23，所述旋轉電機22和拖動電機31分別連接并受控于控制模塊23。所述中心開孔內設置有容納旋轉電機22的電機套一 25、以及容納電機套二 32的電機支架33，所述電機支架33螺紋連接于中心開孔的內壁，所述旋轉電機22卡于電機套一 25內，所述電機套一25周向開設的凸起槽置于中心開孔內壁的電機套滑槽內，使電機套一 25可相對于中心開孔滑動；所述電機套一 25的尾部設有電機套端蓋一 26,所述電機套端蓋一 26與傳動軸二29采用螺紋配合，所述傳動軸二 29連接于拖動電機31上，所述拖動電機31設于電機套二 32 內。
[0034]本發明中，鉆頭安裝在球鉸桿上面，球鉸桿可以沿著一定的偏角范圍內360°周向旋轉，球鉸桿是空心的，可以過泥漿。球鉸桿偏執的力來源于與球鉸鏈接的3個(或以上)活塞桿，3個活塞桿的靠近鉆頭端受到的泥漿壓強P基本相同，而活塞桿另一端的泥漿壓強P則是由變動的。活塞桿另一端的泥漿壓強P的變動是由偏閥芯的旋轉運動和軸向運動引起的。旋轉運動是為了讓3個(或以上)活塞桿受到的力隨著偏閥芯的旋轉運動依次發生變化，偏閥芯旋轉中，閥芯整體與閥座軸向位移恒定，但是閥芯上內凹的部位離閥座相對距離較遠，此處會產生較大的壓強，而閥芯外凸的部位離閥座較近，此處壓強會相對減小，當閥芯旋轉起來，則使閥芯周圍形成一個壓強依次變化且旋轉起來的壓力循環場，這樣就可以使3個(或以上)活塞桿受到的力依次變化，從而使球鉸桿以及連接在球鉸桿上的鉆頭也會隨著連續擺動。軸向運動是為了讓3個(或以上)活塞桿受到的力隨著偏閥芯的軸向運動而發生偏執角度幅度的變化。即偏閥芯的軸向運動確定鉆頭偏執角度的大幅度的調整，而偏閥芯的旋轉運動確定鉆頭偏執角度的旋轉速度，當這個速度與鉆柱轉動的速度達到一定關系時候，鉆頭就朝著一個方向鉆進(通俗講，偏閥芯旋轉運動控制鉆頭搖頭晃腦的周期，而偏閥芯軸向運動控制鉆頭搖頭晃腦的幅值)。
[0035]本發明的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置突破了現有國內推靠式旋轉導向存在側向力大，造斜率高，所鉆井眼狗腿大，軌跡波動大，不平滑，鉆頭和鉆頭軸承的磨損較嚴重等問題，并較國外指向式動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置結構更簡單，控制更容易，可靠性更高的設計思路。回避了現有常規旋轉導向技術中靜態偏置推靠鉆頭式(工具系統外筒不旋轉，如Auto TrakRCLS)、動態偏置推靠鉆頭式(全旋轉，如Power Drive SRD)、靜態偏置指向鉆頭式(工具系統外筒不旋轉，如Geo-Pilot)等存在的缺點，形成一種新的動態內偏置指向鉆頭式(全旋轉，且工具徑向尺寸不會存在局部擴大現象)動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置。通過在鉆柱靠近鉆頭端設置旋轉偏閥芯推動液壓活塞推桿式動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，來使安裝有鉆頭的球鉸可沿一定偏角范圍內360°周向旋轉，提供了一種全新的指向式動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，可通過偏閥芯旋轉運動控制鉆頭“搖頭晃腦”的周期，偏閥芯軸向運動控制鉆頭“搖頭晃腦”的幅值，當把偏閥芯整體回拉遠離活塞孔時候即可用來鉆直井或者穩斜，而當偏閥芯靠近液壓活塞孔越近，則造斜能力越強，能滿足不同曲率半徑的鉆井；其不僅可適用于大曲率的鉆井，還可用于中曲率和小曲率條件下的鉆井，而且在鉆進的過程中不存在工具局部徑向尺寸擴大的問題，使巖屑排出的通道更加順暢，提高了鉆井的安全性和可靠性，因為是全旋轉，減小了鉆柱與井壁的摩擦力，可以讓水平井段延伸的更長。
[0036]本發明并不局限于前述的【具體實施方式】。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
【權利要求】
1.一種動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，包括相互連接的上接頭(4)與下接頭(3)，其特征在于:所述下接頭(3)的端部球鉸有球鉸桿(12)，所述球鉸桿(12)上連接有鉆頭(1);所述下接頭(3)的側壁內設有若干在圓周上均布的活塞孔，每個活塞孔內均匹配有活塞，所述活塞上連接的活塞桿(11)活動連接于球鉸桿(12)上；所述上接頭(4)內設置的控制器上連接有偏閥芯(17)，所述偏閥芯(17)的工作面與活塞孔相對，所述偏閥芯(17)的轉動，使活塞孔內的活塞運動來控制球鉸桿(12)的旋轉導向。
2.如權利要求1所述的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，其特征在于:所述偏閥芯(17)為類圓錐形結構，在所述偏閥芯(17)的錐面上開設有內凹部和外凸部，所述偏閥芯(17)在轉動時，內凹部和外凸部可分別對準活塞孔。
3.如權利要求1或2所述的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，其特征在于:所述球鉸桿(12)的一端設為球形結構，可與下接頭(3)的端部采用球面配合形成球鉸結構，所述球鉸桿(12)可相對于下接頭(3)以該球鉸結構為中心旋轉，其中所述球鉸桿(12)與下接頭(3 )的中通孔相互連通，所述球鉸桿(12 )的中部外套設于有花鍵盤頭(7 )，其中匹配于每個活塞孔內的活塞桿(11)活動連接于花鍵盤頭(7 )上。
4.如權利要求3所述的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，其特征在于:所述球鉸結構外套設有連接于下接頭(3)上的大球鉸壓蓋(13);所述球鉸桿(12)的中部外套設有限制花鍵盤頭(7 )的壓蓋螺母(6 );所述下接頭(3 )上靠近鉆頭(1)的一端上連接有套于球鉸桿(12)外的防掉接頭(5)，所述防掉接頭(5)的最小通徑大于花鍵盤頭(7)的外徑。
5.如權利要求3所述的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，其特征在于:所述活塞桿(11)的一端球鉸于花鍵盤頭(7)上，所述活塞桿(11)的另一端上設置活塞桿上密封盤根(16)形成活塞，所述活塞桿(11)可帶動活塞桿上密封盤根(16)相對于活塞孔運動；所述活塞桿(11)外套設有可相對密封運動的活塞桿下密封盤根(41)，所述活塞桿下密封盤根(41)固定于下接頭(3)上。
6.如權利要求1或2或4或5所述的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，其特征在于:所述下接頭(3)上在活塞孔中部的位置開設有與活塞孔連通的容納槽，所述容納槽內安設有液壓囊(15)，所述液壓囊(15)被液壓囊壓蓋(14)密封于該容納槽內。
7.如權利要求1或2或4或5所述的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，其特征在于:所述上接頭(4)的中心設有容納控制器的中心開孔，在所述上接頭(4)的側壁內設有若干位于同一圓周上的旁通孔(38)，所述旁通孔(38)、下接頭(3)的中通孔和球鉸桿(12)的中通孔相對連通形成通道；所述偏閥芯(17)位于通道內下接頭(3)與上接頭(4)的連接區域。
8.如權利要求7所述的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，其特征在于:所述控制器包括位于中心開孔內同一軸線上的旋轉電機(22)與拖動電機(31);其中所述偏閥芯(17)設于偏閥桿(18)的一端，所述偏閥桿(18)的另一端通過傳動軸一(21)連接于旋轉電機(22 )上，所述旋轉電機(22 )通過傳動軸二( 29 )連接于拖動電機(31)上；所述上接頭(4)側壁上開設的凹槽區域內放置有控制模塊(23)，所述旋轉電機(22)和拖動電機(31)分別連接并受控于控制模塊(23)。
9.如權利要求8所述的動態內偏置指向鉆頭式旋轉導向裝置，其特征在于:所述中心開孔內設有電機套一(25 )和電機支架(33 );所述旋轉電機(22 )卡設于電機套一(25 )內，所述電機套一(25)外設置的凸塊匹配于中心開孔內壁的電機套滑槽內，使電機套一(25)可相對于中心開孔滑動；所述電機套一(25)的尾部設有電機套端蓋一(26),所述電機套端蓋-(26)與傳動軸二(29)采用螺紋配合，所述傳動軸二(29)連接于設于電機套二(32)內的拖動電機(31)上。
【文檔編號】E21B34/06GK104265168SQ201410361802
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】黎偉, 雷鴻翔, 劉清友, 肖仕紅, 司虛, 張鐵山, 涂慶, 譚嘯, 金凡堯, 汪興明, 鐘原, 李航, 伍建川, 李登偉 申請人:西南石油大學