推靠式旋轉導向裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種推靠式旋轉導向裝置，其包括：具有中心通道的芯軸；可轉動地套接于芯軸外的外套；多個沿周向間隔開地設置在外套的外壁內的擺動式翼肋；促動機構，用于控制各擺動式翼肋分別進行擺動；多個沿周向間隔開地設置在外套的外壁內的檢測器，檢測器構造成能夠實時檢測其與井壁之間的距離；控制器，其構造成能夠通過檢測到的距離判定促動機構是否需要促動擺動式翼肋進行擺動。根據本實用新型的推靠式旋轉導向裝置通過檢測器的實時檢測，可以及時檢測到擴徑和縮徑的井段，由此可以避免該旋轉導向裝置在此進行導向，從而可以避免其導向偏離預設方向，進而確保所鉆斜井的井斜和方位。
【專利說明】推靠式旋轉導向裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及石油鉆井【技術領域】，尤其涉及一種推靠式旋轉導向裝置。

【背景技術】
[0002]在鉆井【技術領域】中，旋轉導向鉆井系統(tǒng)得到了廣泛的應用，旋轉導向系統(tǒng)可以在旋轉鉆井過程中根據軌跡控制的需要，實時調節(jié)井斜和方位，從而提高鉆井速度。
[0003]旋轉導向鉆井系統(tǒng)通過其旋轉導向裝置來促使鉆頭或鉆柱進行方向偏移，從而產生導向。根據導向方式的不同，該旋轉導向裝置可劃分為推靠式和指向式兩種。推靠式是在鉆頭附近直接給鉆頭提供側向力，指向式是彎曲鉆頭附近處的鉆柱以使鉆頭指向井眼軌跡控制方向。
[0004]在鉆井過程中，由于鉆具所鉆地層巖性的變化不定，導致井壁的尺寸不夠穩(wěn)定，井眼大小隨著地層巖性的變化而發(fā)生變化，因此在不同地層巖性的井段可能存在擴徑或縮徑的情況。由于旋轉導向裝置的導向功能取決于其翼肋推靠在井壁上的推靠力的大小和方向，因此當井眼大小發(fā)生變化時，翼肋與井壁接觸的狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而導致推靠力的大小發(fā)生變化，致使該旋轉導向裝置的導向方向偏離預設方向。
[0005]為了避免旋轉導向裝置的導向偏離預設方向，只有避開擴徑或縮徑的井段進行后再啟動該旋轉導向裝置進行導向。但是，由于現有的旋轉導向裝置不能及時檢測到擴徑和縮徑的井段，因此很容易導致該旋轉導向裝置的導向偏離預設方向，致使所鉆斜井的井斜和方位不夠理想。
實用新型內容
[0006]為了解決上述問題，本實用新型的目的是提供一種推靠式旋轉導向裝置，其能夠及時檢測到擴徑和縮徑的井段，由此可以避免該旋轉導向裝置的導向偏離預設方向，從而保證所鉆斜井的井斜和方位。
[0007]本實用新型提供了一種推靠式旋轉導向裝置，其包括:具有中心通道的芯軸；可轉動地套接于芯軸外的外套；多個沿周向間隔開地設置在外套的外壁內的擺動式翼肋；促動機構，用于控制各擺動式翼肋分別進行擺動；多個沿周向間隔開地設置在外套的外壁內的檢測器，檢測器構造成能夠實時檢測其與井壁之間的距離；控制器，其構造成能夠通過檢測到的距離判定促動機構是否需要促動擺動式翼肋進行擺動。
[0008]在一個實施例中，檢測器為超聲波傳感器。
[0009]在一個實施例中，在外套的外壁上設有安裝槽，超聲波傳感器包括固定設置在安裝槽內并能夠實現檢測功能的換能單元和固定在安裝槽的頂端開口處的保護窗。
[0010]在一個實施例中，超聲波傳感器還包括設在安裝槽的槽底與換能單元之間的減震座和設在保護窗與換能單元之間的透聲窗，以及被透聲窗密封在安裝槽內的保壓填充物。
[0011]在一個實施例中，保護窗由不銹鋼材料制成，并具有多個透聲孔。
[0012]在一個實施例中，透聲窗由氟橡膠或硅橡膠制成，保壓填充物為硅油。
[0013]在一個實施例中,各擺動式翼肋分別與相應的檢測器在周向上相互對齊。
[0014]在一個實施例中，在芯軸的外壁上設有周向凹槽，外套安裝在周向凹槽內并能夠獨立旋轉。
[0015]在一個實施例中，還包括能夠切斷或傳遞芯軸向外套輸入的動力的離合器。
[0016]在一個實施例中，離合器包括設在芯軸與外套之間且分別用于促動芯軸和外套轉動的主動件和從動件，以及設置在外套內的用于促動從動件與主動件相互分離或接合的推動單元。
[0017]根據本實用新型的推靠式旋轉導向裝置通過檢測器的實時檢測，可以及時檢測到擴徑和縮徑的井段，由此可以避免該旋轉導向裝置在此進行導向，從而可以避免其導向偏離預設方向，進而確保所鉆斜井的井斜和方位。
[0018]根據本實用新型的推靠式旋轉導向裝置，通過采用的超聲波傳感器不僅可以避免旋轉導向裝置在擴徑或縮徑的井段中進行導向，而且還可以連續(xù)測量井徑，從而得井徑隨深度變化的變化情況，以便在計算機內能夠模擬出油井的空間結構。
[0019]根據本實用新型的推靠式旋轉導向裝置的結構簡單緊湊，加工方便，裝配容易，使用安全高效，便于實施推廣應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]在下文中將基于實施例并參考附圖來對本實用新型進行更詳細的描述。其中:
[0021]圖1為根據本實用新型的推靠式旋轉導向裝置的結構示意圖；
[0022]圖2為根據本實用新型的推靠式旋轉導向裝置的檢測器的結構示意圖，同時示出了外套；以及
[0023]圖3顯示了根據本實用新型的推靠式旋轉導向裝置的離合器及芯軸。
[0024]在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標記。附圖并未按照實際的比例繪制。

【具體實施方式】
[0025]下面將結合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0026]圖1顯示了根據本實用新型的推靠式旋轉導向裝置100(以下簡稱旋轉導向裝置100)。該旋轉導向裝置100能夠促動鉆頭或鉆柱順利進行方向偏移，從而產生導向作用。
[0027]根據本實用新型的推靠式旋轉導向裝置100包括具有中心通道12a的芯軸12，以及可轉動地套接于芯軸12外的外套14。其中，芯軸12的上游端可通過螺紋結構與鉆具或泥漿馬達相連，而下游端也可通過螺紋結構與鉆桿或鉆頭的轉換接頭相連。
[0028]為了防止外套14在芯軸12上來回串動，在芯軸12的外壁上設有周向凹槽12b，并把外套14安裝在周向凹槽12b內。其中，該周向凹槽12b優(yōu)選處于芯軸12的中央處，其由兩個環(huán)形的槽側壁和槽底組成。為了實現外套14的順暢轉動，在外套14的內壁與芯軸12的周向凹槽12b的槽底之間設有徑向軸承、例如深溝球軸承，以便允許外套14進行獨立轉動。同時，在外套14的上游端(即圖1內靠近左側的端部)與周向凹槽12b的槽側壁之間設有推力軸承19，在外套14的下游端(即圖1內靠近右側的端部)與周向凹槽12b的另個槽側壁之間也設有推力軸承19，以便向芯軸12可以提供軸向支撐，從而承受鉆壓和鉆具的重量。
[0029]根據本實用新型的推靠式旋轉導向裝置100還包括多個沿周向間隔開地設置在外套14的外壁內的擺動式翼肋17，其也可以簡稱為翼肋17。該翼肋17在擺動后能夠把端部抵靠在井壁上，以便提供導向所需的側向力。為了保證該翼肋17可以進行擺動，該旋轉導向裝置100還包括促動機構18，其用于控制各翼肋17進行獨立擺動。所述的促動機構18優(yōu)選為液壓機構，其與翼肋17均屬于本領域技術人員熟知的，在此不作詳細描述。
[0030]根據本實用新型的推靠式旋轉導向裝置100還包括多個沿周向間隔開地設置在外套14的外壁內的檢測器15。檢測器15能夠實時檢測其與井壁之間的距離。同時，該旋轉導向裝置100還包括控制器16。該控制器16通過檢測器15檢測到的距離可以確定被檢測處的井眼大小，并且判定此處井眼是否適合導向。對于是否適合導向，取決于井眼擴徑和縮徑的程度是否處于正常范圍，正常范圍應選為(Rh-Amin)?(Rh+Λmax)，其中，Rh等于標準井眼的半徑減去檢測器15到芯軸12的中心軸線的距離，Amin為下限限制值，Amax上限限制值。標準井眼的半徑屬于預設值，Amin可選為15mm?25mm, Δmax可選為10mm?20_。如果適合導向，促動機構18便可以控制各翼肋17進行相應擺動，以便進行導向所需的側向力，如果不適合導向，檢測器15不會開啟促動機構18。通過這種方式，可以避免旋轉導向裝置100在擴徑或縮徑的井段中進行導向，由此可以避免其導向偏離預設方向，進而確保所鉆斜井的井斜和方位。
[0031]在一個優(yōu)選的實施例中，擺動式翼肋17與檢測器15的數量相同，各擺動式翼肋17在周向上分別與相應的檢測器15相互對齊。通過這種方式檢測到的距離更加接近未擺動時的擺動式翼肋17到井壁之間的距離，由此便于控制器16更加精準控制擺動式翼肋17。檢測器15設置成鄰近該擺動式翼肋17，這樣也可以便于控制器16更加精準控制擺動式翼肋17。
[0032]另外，該旋轉導向裝置100還包括與控制器16相連的姿態(tài)檢測器和壓力傳感器。姿態(tài)檢測器可為三軸加速度傳感器，以用于檢測旋轉該旋轉導向裝置100的空間姿態(tài)，包括其所處位置的井斜角、各翼肋17的工具面角。三軸加速度器和各壓力傳感器通過控制器16進行快速計算，得到旋轉導向裝置100的空間姿態(tài)以及翼肋17所受的來自于液壓機構的壓力。所述的三軸加速度傳感器、壓力傳感器以及控制器16均屬于本領域技術人員熟知的，在此不作詳細描述
[0033]檢測器15可優(yōu)選為超聲波傳感器，當然可以選擇為其他類型的能夠實時檢測其與井壁之間的距離的傳感器。超聲波傳感器不僅可以避免旋轉導向裝置100在擴徑或縮徑的井段中進行導向，而且還可以連續(xù)測量井徑，從而得井眼大小隨深度變化的變化情況，以便在計算機內能夠模擬出油井的空間結構。
[0034]為了確保超聲波傳感器的結構不易損壞，在外套14的外壁上設有安裝槽35，請參見圖2。超聲波傳感器包括固定設置在安裝槽35內并能夠實現檢測功能的換能單元31和固定在安裝槽35的頂端開口處的保護窗34。其中，換能單元31可選為換能器，但其應選為能夠承受高溫高壓(即150°C和150MPa)的換能器。在控制器16給予激勵信號后，換能器可以發(fā)送并接收聲波，通過聲波的傳播時間計算出所要測量的距離。保護窗34可采用不銹鋼材料制成，并具有多個透聲孔。該保護窗34不僅可以防止換能單元31受到井壁摩擦，而且還可以時防止泥漿顆粒進入到安裝槽35內。
[0035]在一個優(yōu)選的實施例中，該擺動式翼肋17還包括設在安裝槽35的槽底與換能單元31之間的減震座32和設在保護窗34與換能單元31之間的透聲窗33，以及被透聲窗33密封在安裝槽35內的保壓填充物(未示出)。減震座32可選用橡膠材料制成，而透聲窗33可采用聲阻抗與硅油、井眼泥漿相匹配的材料制成，例如采用氟橡膠或硅橡膠制成。這種材質的保護窗34有利于聲波在傳播過程中降低該聲波的衰減。保壓填充物優(yōu)選為與井眼泥漿相匹配的材料、例如硅油，以確保檢測器15內外的壓力達到平衡。
[0036]如圖1和3所示，該旋轉導向裝置100還包括能夠切斷或傳遞芯軸12向外套14輸入的動力的離合器11。該離合器11包括設在芯軸12與外套14之間的主動件21和從動件20,以及促動主動件21與從動件20相互分離或接合的推動單元19。其中，推動單元19可為直線電機、液壓缸或電磁位移機構，由此可以實現芯軸12與外套14之間的動力的切斷和接合。從動件20與主動件21均設置在推力軸承19的徑向外側或徑向內側，并且分別可選為能夠相互嚙合的齒輪、相互配合的花鍵件或相互摩擦的摩擦輪。
[0037]旋轉導向裝置100可以通過離合器11來切斷或傳遞芯軸12向外套14輸入的動力，當鉆井過程需要導向時，離合器11可以切斷芯軸12向外套14輸入的動力，允許外套14不跟隨芯軸12進行旋轉而是相對于井壁靜止，從而可以保證該旋轉導向裝置100提供的偏向力精準充足，以便鉆頭順利進行方向偏移；當鉆井過程不需要導向時，離合器11可以把芯軸12的動力傳遞給外套14，促使外套14跟隨芯軸12同步旋轉，提高該旋轉導向裝置100的轉動慣量，增加其能量貯藏，從而有利于鉆頭高效穩(wěn)定的鉆井。
[0038]以下介紹根據本實用新型的推靠式旋轉導向裝置100的使用方法，其包括以下步驟，即首先通過檢測器15實時檢測其與井壁之間的距離，然后通過檢測的距離來判定其是否處于正常范圍，如果是處于正常范圍，該推靠式旋轉導向裝置100通過控制器16來控制促動機構18，并通過促動機構18促動各翼肋17分別進行擺動，如果處于非正常范圍，控制器16停止促動機構18不工作。其中，正常范圍可選為(Rh-Amin)?(Rh+Λ max)，其中，Rh等于標準井眼的半徑減去檢測器15到芯軸12的中心軸線的距離，Amin為下限限制值，Δmax上限限制值。標準井眼的半徑屬于預設值，Amin可選為15mm?25mm, Δmax可選為10mm?20mm。通過這種控制方式，可以避免旋轉導向裝置100在擴徑或縮徑的井段中進行導向，由此可以避免其導向偏離預設方向，進而保證所鉆斜井的斜度能夠到達理想結果。
[0039]根據本實用新型的推靠式旋轉導向裝置100通過檢測器15的實時檢測可以及時檢測到擴徑和縮徑的井段，由此可以避免該旋轉導向裝置100的導向偏離預設方向，從而保證所鉆斜井的斜度。
[0040]雖然已經參考優(yōu)選實施例對本實用新型進行了描述，但在不脫離本實用新型的范圍的情況下，可以對其進行各種改進并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結構沖突，各個實施例中所提到的各項技術特征均可以任意方式組合起來。本實用新型并不局限于文中公開的特定實施例，而是包括落入權利要求的范圍內的所有技術方案。
【權利要求】
1.一種推靠式旋轉導向裝置，其特征在于，包括: 具有中心通道的芯軸； 可轉動地套接于所述芯軸外的外套； 多個沿周向間隔開地設置在所述外套的外壁內的擺動式翼肋； 促動機構，用于控制各所述擺動式翼肋分別進行擺動； 多個沿周向間隔開地設置在所述外套的外壁內的檢測器，所述檢測器構造成能夠實時檢測其與井壁之間的距離；以及 控制器，其構造成能夠通過檢測到的所述距離判定所述促動機構是否需要促動所述擺動式翼肋進行擺動。
2.根據權利要求1所述的推靠式旋轉導向裝置，其特征在于，所述檢測器為超聲波傳感器。
3.根據權利要求2所述的推靠式旋轉導向裝置，其特征在于，在所述外套的外壁上設有安裝槽，所述超聲波傳感器包括固定設置在所述安裝槽內并能夠實現檢測功能的換能單元和固定在所述安裝槽的頂端開口處的保護窗。
4.根據權利要求3所述的推靠式旋轉導向裝置，其特征在于，所述超聲波傳感器還包括設在所述安裝槽的槽底與換能單元之間的減震座和設在所述保護窗與換能單元之間的透聲窗，以及被所述透聲窗密封在所述安裝槽內的保壓填充物。
5.根據權利要求4所述的推靠式旋轉導向裝置，其特征在于，所述保護窗由不銹鋼材料制成，并具有多個透聲孔。
6.根據權利要求5所述的推靠式旋轉導向裝置，其特征在于，所述透聲窗由氟橡膠或硅橡膠制成，所述保壓填充物為硅油。
7.根據權利要求1到6中任一項所述的推靠式旋轉導向裝置，其特征在于，各所述擺動式翼肋分別與相應的檢測器在周向上相互對齊。
8.根據權利要求1到6中任一項所述的推靠式旋轉導向裝置，其特征在于，在所述芯軸的外壁上設有周向凹槽，所述外套安裝在周向凹槽內并能夠獨立旋轉。
9.根據權利要求1到6中任一項所述的推靠式旋轉導向裝置，其特征在于，還包括能夠切斷或傳遞所述芯軸向所述外套輸入的動力的離合器。
10.根據權利要求9所述的推靠式旋轉導向裝置，其特征在于，所述離合器包括設在所述芯軸與外套之間且分別用于促動所述芯軸和外套轉動的主動件和從動件，以及設置在所述外套內的用于促動所述從動件與所述主動件相互分離或接合的推動單元。
【文檔編號】E21B7/04GK204238856SQ201420569277
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權日:2014年9月29日
【發(fā)明者】肖紅兵, 楊錦舟, 韓來聚, 李作會, 張海花, 唐志軍, 周延軍 申請人:中國石油化工集團公司, 中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院