專利名稱：靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及石油、天然氣等鉆探領(lǐng)域的鉆井工具，特別是關(guān)于一種靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具。
背景技術(shù)：
目如，鉆井技術(shù)已經(jīng)向超深井、大位移井和定向井等方向發(fā)展，傳統(tǒng)的滑動式鉆井工具已經(jīng)不能滿足當前的鉆井需求，旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)作為一種高科技鉆井技術(shù)逐漸得到應用和發(fā)展。
目前市場上的旋轉(zhuǎn)導向工具主要有斯倫貝謝的Power Drive、貝克休斯的AutoTrack及哈利伯頓的Geo-Pilot等。前兩者屬于推靠式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具，這兩種鉆井工具的特點是能夠在鉆頭處獲得較大的偏置力。但由于地質(zhì)狀況的不同及鉆井液壓力的變化會影響工具造斜率，造成井眼軌跡不圓滑，井身質(zhì)量和井眼狀況較差，容易產(chǎn)生井下事故。哈利伯頓的Geo-Pilot系統(tǒng)屬于指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具，它采用控制鉆柱彎曲特征來實現(xiàn)鉆頭軸線的有效導控，其優(yōu)點是造斜率由工具本身確定，不受鉆進地層巖性的影響，在軟地層及不均質(zhì)地層中效果明顯，但芯軸承受高強度的交變應力，芯軸容易發(fā)生疲勞破壞，影響工具壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具，該工具既不受地質(zhì)層影響，又能實現(xiàn)井眼軌跡的精確控制，同時又具有較長的工作壽命。本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是一種靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具，其特征在于，包括外筒，在外筒內(nèi)設有從上至下依次連接的鉆柱、中空萬向聯(lián)軸節(jié)和芯軸，所述鉆柱轉(zhuǎn)動連接在外筒內(nèi)，在所述芯軸的上端部設有位于所述外筒內(nèi)的偏置機構(gòu)，在所述芯軸的下端部設有位于所述外筒內(nèi)的關(guān)節(jié)軸承總成，在所述關(guān)節(jié)軸承總成的下方設有安裝在外筒上的密封總成，在所述芯軸的下端固接有鉆頭；所述偏置機構(gòu)包括伺服電機I，所述伺服電機I的輸出軸上連接有齒輪III，所述齒輪III與內(nèi)偏心齒輪連接，所述內(nèi)偏心齒輪設有與所述齒輪III嚙合的外齒圈和與行星齒輪嚙合的內(nèi)齒圈，在所述行星齒輪上設有小偏心孔，所述小偏心孔內(nèi)安裝有向心關(guān)節(jié)軸承，所述向心關(guān)節(jié)軸承內(nèi)支撐有所述芯軸；所述偏置機構(gòu)還包括伺服電機II，所述伺服電機II的輸出軸上連接有齒輪IV，所述齒輪IV上嚙合有外偏心齒輪，在所述外偏心齒輪上設有大偏心孔，所述大偏心孔內(nèi)設有與其轉(zhuǎn)動連接的所述行星齒輪；所述中空萬向聯(lián)軸節(jié)包括依次連接的上連接叉、連接軸和下連接叉，在所述連接軸的外圍設有密封波紋管，所述上連接叉與所述鉆柱的下端連接，所述下連接叉與所述芯軸的上端連接。所述內(nèi)偏心齒輪通過軸承V連接在內(nèi)偏心外筒內(nèi)，所述外偏心齒輪通過軸承VI連接在外偏心外筒內(nèi)，所述內(nèi)偏心外筒和所述外偏心外筒固接，并固定在所述外筒內(nèi)，所述伺服電機I和所述伺服電機II固定在所述內(nèi)偏心外筒上。所述關(guān)節(jié)軸承總成包括安裝在所述芯軸上的調(diào)心軸承，所述調(diào)心軸承的兩端各設有一推力軸承。本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是I)通過采用少齒差偏心行星輪系實現(xiàn)芯軸的偏置，使該工具具有不受地質(zhì)層影響的特點，因而能夠獲得穩(wěn)定的造斜率，實現(xiàn)井眼軌跡的精確控制。2)通過米用少齒差偏心行星輪系實現(xiàn)芯軸的偏置，通過內(nèi)偏心齒輪和外偏心齒輪不同的組合得到不同的造斜率，這樣在應用過程中不需要提鉆就可以實現(xiàn)多種工作狀態(tài)，達到增斜、降斜和穩(wěn)斜的目的。3)通過采用中空萬向連軸節(jié)實現(xiàn)鉆柱與芯軸的連接，有效地改善了芯軸偏置時的 受力狀況，因而能夠提高旋轉(zhuǎn)導向工具的工作壽命。


圖I為本發(fā)明的原理示意圖；圖2是本發(fā)明上段部的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明下段部的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明處于極大偏置狀態(tài)時圖3的A-A剖視圖；圖5是本發(fā)明處于極小偏置狀態(tài)時圖3的A-A剖視圖。
具體實施例方式為能進一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下請參見圖I 圖5，一種靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具包括外筒20，在外筒20內(nèi)設有從上至下依次連接的鉆柱I、中空萬向聯(lián)軸節(jié)2和芯軸3，所述鉆柱I轉(zhuǎn)動連接在外筒20內(nèi)，在所述芯軸3的上端部設有位于所述外筒20內(nèi)的偏置機構(gòu)，在所述芯軸3的下端部設有位于所述外筒20內(nèi)的關(guān)節(jié)軸承總成14，在所述關(guān)節(jié)軸承總成14的下方設有安裝在外筒20上的密封總成19，在所述芯軸3的下端固接有鉆頭4 ；所述偏置機構(gòu)包括伺服電機121，所述伺服電機121的輸出軸上連接有齒輪ΙΠΙ23，所述齒輪II123與內(nèi)偏心齒輪5連接，所述內(nèi)偏心齒輪5設有與所述齒輪II123嚙合的外齒圈6和與行星齒輪8嚙合的內(nèi)齒圈7，在所述行星齒輪8上設有小偏心孔12，所述小偏心孔12內(nèi)安裝有向心關(guān)節(jié)軸承13，所述向心關(guān)節(jié)軸承13內(nèi)支撐有所述芯軸3 ;所述偏置機構(gòu)還包括伺服電機Π22，所述伺服電機1122的輸出軸上連接有齒輪IV24，所述齒輪IV24上嚙合有外偏心齒輪9，在所述外偏心齒輪9上設有大偏心孔10，所述大偏心孔10內(nèi)設有通過軸承VII27與其轉(zhuǎn)動連接的所述行星齒輪8。所述中空萬向聯(lián)軸節(jié)2包括依次連接的上連接叉2-1、連接軸2-3和下連接叉2-5，在所述連接軸2-3的外圍設有密封波紋管2-6，所述上連接叉2-1與連接軸2_3采用上十字軸2-2連接，所述連接軸2-3與下連接叉2-5通過下十字軸2-4連接，所述上連接叉2-1與所述鉆柱I的下端連接，所述下連接叉2-5與所述芯軸3的上端連接。
所述內(nèi)偏心齒輪5通過軸承V25連接在內(nèi)偏心外筒17內(nèi)，所述外偏心齒輪9通過軸承VI26連接在外偏心外筒18內(nèi)，所述內(nèi)偏心外筒17和所述外偏心外筒18固接，并固定在所述外筒20內(nèi)，所述伺服電機121和所述伺服電機1122固定在所述內(nèi)偏心外筒17上。所述關(guān)節(jié)軸承總成14包括安裝在所述芯軸3上的調(diào)心軸承14-1，所述調(diào)心軸承
14-1的兩端各設有一推力軸承14-2、14-3。本發(fā)明的工作原理
鉆柱I旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩通過中空萬向聯(lián)軸節(jié)2和芯軸3作用于鉆頭4實現(xiàn)對巖層的切削，鉆井液通過中空的鉆柱I、中空萬向聯(lián)軸節(jié)2和中空的芯軸3、鉆頭4輸送至井底，中空萬向聯(lián)軸節(jié)2通過焊接在其外表面的波紋管2-6實現(xiàn)密封。調(diào)心軸承14-1、上推力軸承14-2和下推力軸承14-3組成的關(guān)節(jié)軸承總成14為芯軸3的轉(zhuǎn)動支點。在伺服電機1122沒有輸出的情況下，與齒輪IV24嚙合的外偏心齒輪9無轉(zhuǎn)動。此時，安裝在外偏心齒輪9大偏心孔內(nèi)的行星齒輪8的行星齒輪轉(zhuǎn)動中心線11相對固定。伺服電機121通過齒輪III23為整個偏置機構(gòu)提供動力。齒輪III23通過與其嚙合的內(nèi)偏心齒輪5的外齒圈6，帶動內(nèi)偏心齒輪5的內(nèi)齒圈7轉(zhuǎn)動，行星齒輪8在與其嚙合的內(nèi)齒圈7帶動下轉(zhuǎn)動，從而形成了行星齒輪8的自轉(zhuǎn)。通過向心關(guān)節(jié)軸承13，安裝在行星齒輪8小偏心孔12內(nèi)的芯軸3將隨行星齒輪8運動，并繞關(guān)節(jié)軸承總成14轉(zhuǎn)動，相對外偏心齒輪轉(zhuǎn)動中心線15產(chǎn)生一定的偏角，從而實現(xiàn)鉆頭4的偏置。在伺服電機121沒有輸出的情況下，與齒輪III 23嚙合的內(nèi)偏心齒輪5無轉(zhuǎn)動，此時，外齒圈6和內(nèi)齒圈7相對外筒20固定，伺服電機II 22通過齒輪IV 24為整個偏置機構(gòu)提供動力。齒輪IV 24帶動與其嚙合的外偏心齒輪9轉(zhuǎn)動，從而帶動安裝在外偏心齒輪9內(nèi)的行星齒輪8與內(nèi)齒圈7嚙合轉(zhuǎn)動，使行星齒輪8產(chǎn)生公轉(zhuǎn)。通過向心關(guān)節(jié)軸承13安裝在行星齒輪8小偏心孔12內(nèi)的芯軸3也將隨行星齒輪8運動，并繞關(guān)節(jié)軸承總成14轉(zhuǎn)動，相對外偏心齒輪轉(zhuǎn)動中心線15產(chǎn)生一定的偏角，從而實現(xiàn)鉆頭4的偏置。在伺服電機121和伺服電機II 22同時輸出的情況下，行星齒輪8既可以自轉(zhuǎn)，又可以公轉(zhuǎn)，從而更有效地實現(xiàn)鉆頭4的偏置。在大偏心孔10相對外偏心齒輪轉(zhuǎn)動中心線15的偏心位移與小偏心孔相對行星齒輪轉(zhuǎn)動中心線11的偏心位移相等的情況下，通過對伺服電機121和伺服電機II 22的控制可以實現(xiàn)圖4所示的極大偏置狀態(tài)和圖5所示的極小偏置狀態(tài)，即偏置量為零。盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具，其特征在于，包括外筒，在外筒內(nèi)設有從上至下依次連接的鉆柱、中空萬向聯(lián)軸節(jié)和芯軸，所述鉆柱轉(zhuǎn)動連接在外筒內(nèi)，在所述芯軸的上端部設有位于所述外筒內(nèi)的偏置機構(gòu)，在所述芯軸的下端部設有位于所述外筒內(nèi)的關(guān)節(jié)軸承總成，在所述關(guān)節(jié)軸承總成的下方設有安裝在外筒上的密封總成，在所述芯軸的下端固接有鉆頭； 所述偏置機構(gòu)包括伺服電機I，所述伺服電機I的輸出軸上連接有齒輪III，所述齒輪III與內(nèi)偏心齒輪連接，所述內(nèi)偏心齒輪設有與所述齒輪III嚙合的外齒圈和與行星齒輪嚙合的內(nèi)齒圈，在所述行星齒輪上設有小偏心孔，所述小偏心孔內(nèi)安裝有向心關(guān)節(jié)軸承，所述向心關(guān)節(jié)軸承內(nèi)支撐有所述芯軸；所述偏置機構(gòu)還包括伺服電機II，所述伺服電機II的輸出軸上連接有齒輪IV，所述齒輪IV上嚙合有外偏心齒輪，在所述外偏心齒輪上設有大偏心孔，所述大偏心孔內(nèi)設有與其轉(zhuǎn)動連接的所述行星齒輪； 所述中空萬向聯(lián)軸節(jié)包括依次連接的上連接叉、連接軸和下連接叉，在所述連接軸的外圍設有密封波紋管，所述上連接叉與所述鉆柱的下端連接，所述下連接叉與所述芯軸的上端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具，其特征在于，所述內(nèi)偏心齒輪通過軸承V連接在內(nèi)偏心外筒內(nèi)，所述外偏心齒輪通過軸承VI連接在外偏心外筒內(nèi)，所述內(nèi)偏心外筒和所述外偏心外筒固接，并固定在所述外筒內(nèi)，所述伺服電機I和所述伺服電機II固定在所述內(nèi)偏心外筒上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具，其特征在于，所述關(guān)節(jié)軸承總成包括安裝在所述芯軸上的調(diào)心軸承，所述調(diào)心軸承的兩端各設有一推力軸承。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具，包括外筒，在外筒內(nèi)設有從上至下依次連接的鉆柱、中空萬向聯(lián)軸節(jié)和芯軸，鉆柱轉(zhuǎn)動連接在外筒內(nèi)，在芯軸的上端部設有位于外筒內(nèi)的偏置機構(gòu)，在芯軸的下端部設有位于外筒內(nèi)的關(guān)節(jié)軸承總成，在關(guān)節(jié)軸承總成的下方設有安裝在外筒上的密封總成，在芯軸的下端固接有鉆頭。本發(fā)明通過采用少齒差偏心行星輪系實現(xiàn)芯軸的偏置，使該工具具有不受地質(zhì)層影響的特點，因而能夠獲得穩(wěn)定的造斜率，實現(xiàn)井眼軌跡的精確控制。不需要提鉆就可以實現(xiàn)多種工作狀態(tài)，達到增斜、降斜和穩(wěn)斜的目的。能有效地改善了芯軸偏置時的受力狀況，提高旋轉(zhuǎn)導向工具的工作壽命。
文檔編號E21B7/04GK102900364SQ201210353358
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者牛文鐵, 李洪濤, 王麗娜, 李遠志 申請人:天津大學