一种动态指向式旋转导向钻井工具的偏置导向机构设计方法

摘要

一种动态指向式旋转导向钻井工具的偏置导向机构,包括旋转外筒、稳定平台、偏置导向机构、上下支撑板、钻轴、钻头、导电滑环以及连接轴承，该装置通过保持稳定平台对地静止、调整内外偏心环的相对位置和偏置导向机构与稳定平台主体的相对位置，可实现钻井过程中结构弯角、特别是井斜角和方位角的精确控制。本发明结构设计合理紧凑，不失为一种有效的动态指向式旋转导向钻井工具的偏置导向机构设计方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括但不限于石油天然气领域的动态指向式旋 转导向钻井工具，特别是所述钻井工具的偏置导向机构。

背景技术

井下旋转导向钻井工具系统根据其导向方式划分为推靠式和指 向式，按照偏置机构的工作方式又可分为静态偏置式和动态偏置式， 从应用情况看，指向式旋转导向钻井系统的造斜能力不依赖于和井壁 的接触，更加适用于大井径或大肚子井眼、软地层、极软底层和夹层 等的裸眼悬空侧钻，使得钻进狗腿度和侧向钻井造斜能力大为提高， 有助于将井眼控制在油藏的最佳位置，提高井身质量，保证井下安全。 而其中动态指向式旋转导向钻井系统更是由于其钻具组合完全旋转， 钻出井眼光滑、规整，并可有效提高机械钻速，增大扭矩、调节钻压， 充分发挥钻头性能，受到世界范围内诸多油气田钻井公司的欢迎。

可以说，动态指向式旋转导向钻井工具系统是当今世界钻井技术 发展的最高阶段，代表着高精度定向钻井技术的发展方向。从技术层 面看，动态指向式旋转导向钻井系统是一个集机、电、液于一体的闭 环自动控制系统，其造斜能力不依赖于和井壁的接触，并以井下所有 部件完全旋转为主要技术特征。

世界著名的石油技术服务公司Baker Hughes，Schlumberger， Halliburton等都已经开发出各自的旋转导向钻井工具系统。国内西安 石油大学、胜利油田钻井院、中海石油研究中心、中国地质大学、西 南石油大学、辽河油田天意石油装备公司等单位也开展了旋转导向钻 井技术研究，陆续取得了一定的研究成果。总体上，旋转导向闭环钻 井技术仍处于快速发展的阶段，国际竞争十分激烈。中国专利公告号 CN 101586440A，公开日2009年11月25日，发明创造的名称为一 种指向式旋转导向钻井工具(该发明申请亦为实用新型专利授权，授 权公告号：CN 201450731U，授权公告日2010年5月12日)，该申 请案公开了一种不依赖地层的表面力学特性，结构简单，并且能够准 确有效控制井眼轨迹的指向式旋转导向钻井工具系统，该系统本质上 是静态偏置指向式旋转导向钻井工具系统，其不足之处在于①所述钻 井工具工作时外筒不旋转，其作用扭矩较小；②所述钻井工具的导向 由芯轴弯曲实现，该导向芯轴需承受高强度的交变应力，容易发生疲 劳损坏。

美国专利号6,109,372，申请日1999年3月15日，授权日2000 年8月29日，发明创造的名称为采用液压伺服回路控制的旋转导向 钻井工具系统(Rotary Steerable Well Drilling System Utilizing  Hydraulic Servo-loop)，该案公开了一种基于动态指向式旋转导向工 具，其外筒直接带动偏置机构进而带动钻头旋转，通过X-Y方向两 组液压驱动活塞不间断运动来控制工作时偏置机构与外筒的相对位 置，以达到指向的目的，其特点在于需要随时已知准确的外筒旋转速 度，并随动控制X-Y方向两组液压驱动活塞的运行位置，液压驱动 活塞位移与外筒转速的联立控制加之其本身的高负荷工作，无疑会增 大精确指向控制的难度。

美国专利号6,092,610，申请日1998年2月5日，授权日2000 年7月25日，发明创造的名称为主动控制的旋转导向钻井工具系统 与方法(Actively Controlled Rotary Steerable System and Method for Drilling Wells)，该案公开了一种动态指向式旋转导向钻井工具系统， 其外筒带动钻轴进而带动钻头旋转，产生较大旋转扭矩，同时该案提 出了一种基于偏心轴的指向式导向机构，其结构弯角可在0°到设计 最大角度之间变化，通过保证偏心轴地理静止，可恒定结构弯角值。 其特点在于，当不需调整结构弯角而需调整方位角时，要首先破坏偏 心轴地理静止状态，待偏心轴转动到所需方位时，再使其等速反向跟 踪外筒转速，同时该案未能清楚详细地阐明偏心环驱动方式，无法得 知偏心机构细节。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于双偏心环运动原理 的动态指向式旋转导向钻井工具的偏置导向机构设计方法,可实现钻 井过程中结构弯角、特别是井斜角和方位角的精确控制。本发明结构 设计合理紧凑，不失为一种有效的动态指向式旋转导向钻井工具的偏 置导向机构设计方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

动态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，是动态指向式旋转 导向钻井工具的重要组成部分，包括旋转外筒、稳定平台、导向偏置 机构、上下支撑板、钻轴、钻头、导电滑环以及连接轴承。

旋转外筒为一壁厚较厚的中空环形体，由钻杆和泥浆马达二者或 其一驱动，用于向钻具施加较大的钻压和扭矩。

稳定平台置于旋转外筒内部，包括中空圆柱形主体、连接轴承、 伺服电机及配套联轴器，稳定平台主体结构从直径上小下大的圆台体 演化而来，上端伸出较长，由安装在旋转外筒的下支撑板和嵌入其中 的轴承连接固定，下端为壁厚较薄的中空型圆柱体，连接轴承外侧与 旋转外筒内壁紧密配合，内侧连接稳定平台主体，伺服电机安装在旋 转外筒的上支撑板上，联轴器用于连接伺服电机与稳定平台主体，依 据旋转外筒转动情况，伺服电机驱动稳定平台主体等速相反旋转，使 其在工作状态下保持对地静止。

导向偏置机构位于稳定平台主体内部，通过连接轴承实现定位和 相对自由旋转，其包括内偏心环和外偏心环及其配套驱动伺服电机和 联轴器，内偏心环置于外偏心环之中，其紧密接触配合和相对自由旋 转的连接状态通过连接轴承实现，两个偏心环中的偏心中空体中心轴 线与偏心环本体中心轴线成一定角度，该角度决定了导向偏置机构所 能导向的最大可能结构弯角值。

动态指向式旋转导向钻井工具中的导电滑环可不受各零部件工 作时旋转状态的影响将电源及控制信号引至伺服电机上。

本发明结构紧凑、设计合理，调整方便，通过其动态指向的旋转 钻进方式，可对水平井、大位移井、大斜度井和分支井等的钻进过程 进行有效导向，并可增大扭矩、调节钻压，改善机械钻速，充分发挥 钻头性能，进而提高钻进效率。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。

图1本发明实施例剖面示意图；

图2本发明实施例结构弯角最大时内外偏心环位置示意图；

图3本发明实施例结构弯角为零时内外偏心环位置示意图；

图4本发明实施例结构弯角与内偏心环相对于外偏心环的旋转角度 数学关系计算示意图；

1-钻头，2-钻轴，3-旋转外筒，4-外偏心环，5-稳定平台连 接轴承，6—外偏心环连接轴承，7-外偏心环导电滑环，8-稳定平 台主体，9-稳定平台导电滑环，10-下支撑板，11-稳定平台伺服 电机，12-上端导电滑环，13-上支撑板，14-稳定平台伺服电机 联轴器，15-下支撑板内嵌轴承，16-外偏心环伺服电机，17-外 偏心环伺服电机联轴器，18-内偏心环伺服电机，19-内偏心环伺服 电机联轴器，20-内偏心环，21-内偏心环连接轴承，22-钻轴连 接轴承，23-密封波纹管;

A-外偏心环中心轴线、B-内偏心环的中空孔轴线、C-内偏 心环中心轴线、D-外(内)偏心环下端面、E-外偏心环中心轴线 A与外(内)偏心环下端面D的交点、G-内偏心环的中空孔轴线B 与外(内)偏心环下端面D的交点、F-内偏心环中心轴线C与内偏 心环中心轴线C的交点，O-外偏心环中心轴线A与内偏心环的中 空孔轴线B与内偏心环中心轴线C共同的交点。

α-结构弯角、β-内偏心环相对于外偏心环的旋转角度为、θ-外偏 心环中心轴线A与内偏心环中心轴线C的夹角、φ-内偏心环的中空 孔轴线B与内偏心环中心轴线C的夹角。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当 理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护 范围。

本发明实施例提供了一种用于但不限于石油天然气开发的井下 动态指向式旋转导向钻井工具，特别是提供了一种基于稳定平台和内 外双偏心环的偏置导向机构。该工具的导向方式为指向式，导向偏置 机构的工作方式为动态偏置式。本发明实施例中旋转外筒与钻柱或钻 杆系统相连，钻头与钻轴相连；内外双偏心环偏置导向机构置于稳定 平台主体内部，由电机驱动使其与旋转外筒旋转速率大小相等，方向 相反，保持地理静止状态；在钻进过程中，旋转外筒始终旋转，并将 扭矩与钻压高效地传递给钻头；通过调整内偏心环同外偏心环的相对 旋转位置，可实现钻轴中心线与外筒中心线所形成结构弯角从0°到设 置最大结构弯角值间变化；通过调整偏置导向机构同稳定平台主体的 相对旋转位置，可使钻轴中心线指向东西南北360°范围内任意控制方 位。

图1为本发明实施例剖面示意图。该动态指向式旋转导向钻井工 具偏置导向机构，包括旋转外筒3、稳定平台、导向偏置机构、上支 撑板13、下支撑板10、钻轴2、钻头1、导电滑环以及连接轴承。

具体来说，稳定平台置于旋转外筒3内部，包括中空圆柱形稳定 平台主体8、稳定平台连接轴承5、稳定平台伺服电机11及配套的稳 定平台伺服电机联轴器14，稳定平台主体8上端由安装在旋转外筒3 的下支撑板10和下支撑板内嵌轴承15连接固定，下端通过稳定平台 连接轴承5与旋转外筒3内壁紧密配合，稳定平台伺服电机11安装 在旋转外筒3的上支撑板13下端面，上支撑板13与下支撑板10通 过内六角螺纹紧固在旋转外筒3上，并随之一起运动；稳定平台伺服 电机联轴器14用于连接稳定平台驱动伺服电机11与稳定平台主体8， 稳定平台伺服电机11驱动稳定平台主体8相对于旋转外筒3等速相 反旋转，使其在工作状态下保持对地静止。

导向偏置机构位于稳定平台主体8内部，通过外偏心环连接轴承 6实现定位和相对自由旋转，其包括内偏心环20和外偏心环4及其 配套的外偏心环伺服电机16、外偏心环伺服电机联轴器17、内偏心 环伺服电机18、内偏心环伺服电机联轴器19以及内偏心环连接轴承 21，外偏心环伺服电机16用于旋转驱动外偏心环4，二者通过外偏 心环伺服电机联轴器17实现连接，内偏心环伺服电机18用于旋转驱 动内偏心环20，二者通过内偏心环伺服电机联轴器19实现连接，内 偏心环20连同内偏心环伺服电机18、内偏心环伺服电机联轴器19 置于外偏心环4内部，其紧密接触配合和相对自由旋转的连接状态通 过内偏心环连接轴承21实现。内偏心环20中空处嵌入有钻轴连接轴 承22，内圈置于钻轴2上端接头，所述钻轴连接轴承22用于引导钻 轴2结构弯角和方位角，并实现钻轴2与内偏心环20的独立旋转。

图2、图3描述了本发明实施例的导向偏置机构导向原理。外偏 心环4中心轴线A与原井眼轨迹轴线平行，钻轴3上端位于内偏心 环20的中空孔中，且该孔轴线B与A成一定夹角，即结构弯角α。 当内外偏心环有相对圆周运动时，结构弯角α将在0°和已设计好的最 大结构弯角值间连续变化；若当内外偏心环在保持相对静止的状态下 一起旋转时，该结构弯角可指向任意方位。

需要特别指出的是，外偏心环4中空孔中心轴线与中心轴线A 不但在下表面有一设计偏距，而且存在一个夹角，内偏心环中空孔中 心轴线B与内偏心环中心轴线C在下表面具有同样的设计偏距值， 并且此二中心轴线具有同样的设计夹角值，该设计夹角值的2倍值为 最大结构弯角值。

图2进一步描述了本发明实施例结构弯角最大时内外偏心环位 置示意图。图中，外偏心环中心轴线A与外(内)偏心环下端面D 交于点E、内偏心环的中空孔轴线B与外(内)偏心环下端面D交 于点G、内偏心环中心轴线C与外(内)偏心环下端面D交于点F， 外偏心环中心轴线A与内偏心环的中空孔轴线B与内偏心环中心轴 线C共同相交于点O，外偏心环中心轴线A、内偏心环的中空孔轴线 B和内偏心环中心轴线C位于同一平面内，交点E与交点G距离EG 最长，两倍于外偏心环4中空孔中心轴线与中心轴线A在外(内) 偏心环下端面D下端面的设计偏距EF，也即两倍于内偏心环中空孔 中心轴线B与内偏心环中心轴线C在外(内)偏心环下端面D下端 面的设计偏距FG；结构弯角α为外偏心环中心轴线A与内偏心环中 心轴线C的夹角θ和内偏心环的中空孔轴线B与内偏心环中心轴线C 的夹角φ之和，由于此两夹角在设计时要求相同，故结构弯角α两倍于 θ或者φ。

图3进一步描述了本发明实施例结构弯角为零时内外偏心环位 置示意图。此时，内偏心环20相对于外偏心环4的角位移较之图3 中顺时针或逆时针旋转了180°。图中，外偏心环中心轴线A与内偏 心环的中空孔轴线B重合，与外(内)偏心环下端面D交与点E或 G，内偏心环中心轴线C与外(内)偏心环下端面D交于点F，外偏 心环中心轴线A与内偏心环的中空孔轴线B与内偏心环中心轴线C 共同相交于点O，外偏心环中心轴线A、内偏心环的中空孔轴线B和 内偏心环中心轴线C位于同一平面内，交点E与交点G距离EG最 短为零；结构弯角α也为零。

图4从一般意义上进一步描述了本发明实施例结构弯角与内偏 心环相对于外偏心环的旋转角度数学关系计算示意图；图中外偏心环 中心轴线A与外(内)偏心环下端面D交于点E、内偏心环的中空 孔轴线B与外(内)偏心环下端面D交于点G、内偏心环中心轴线C 与外(内)偏心环下端面D交于点F，外偏心环中心轴线A与内偏 心环的中空孔轴线B与内偏心环中心轴线C共同相交于点O，外偏 心环4中空孔中心轴线与中心轴线A在外(内)偏心环下端面D下 端面的设计偏距EF，内偏心环中空孔中心轴线B与内偏心环中心轴 线C在外(内)偏心环下端面D下端面的设计偏距FG，外偏心环中 心轴线A与内偏心环中心轴线C的夹角θ等于内偏心环的中空孔轴线 B与内偏心环中心轴线C的夹角φ，此外有，结构弯角α、内偏心环相 对于外偏心环的旋转角度为β。

进一步地，有，

$\alpha =2\arcsin \left(\sin \left(\frac{\beta }{2}\right)\sin \theta \right)=2\arcsin \left(\sin \left(\frac{\beta }{2}\right)\sin \phi \right)---\left(1\right)$

本发明实施例还包括用于连接各伺服电机电源及控制信号线的 三个导向滑环，具体来说有安装在外偏心环4上端的用于连接内偏心 环伺服电机18电源及控制信号线的外偏心环导电滑环7；安装在稳 定平台主体8上端的用于连接外偏心环伺服电机16和内偏心环伺服 电机18电源及控制信号线的稳定平台导电滑环9；安装在上支撑板 13下端面的用于连接稳定平台伺服电机11、外偏心环伺服电机16和 内偏心环伺服电机18电源及控制信号线的上端导电滑环12。

本发明实施例中各驱动均采用中空轴式伺服电机，该实施例中心 轴线的一定范围内留有中空间隙，内部有泥浆运行通道，使泥浆运行 至钻头1内部后从钻头1中喷射出来，而后通过旋转外筒3与井壁间 的环空返回到地面。特别的，作为非常重要的钻轴2与旋转外筒内部 的泥浆密封可用密封波纹管23来实现，同样地，密封波纹管也可以 实现钻轴2与内偏心环20及钻轴连接轴承22的良好泥浆密封效果。

本发明实施例还提供一种针对该动态指向式旋转导向钻井工具 偏置导向机构的井眼轨迹随动和稳定控制方法。根据预置井眼轨迹参 数由计算单元解算出所要控制的井斜角和方位角信息，并结合内外偏 心环导向偏置机构工作原理，得出所需结构弯角值，进而调整内偏心 环20相对于外偏心环4相对位置和偏置导向机构相对于稳定平台主 体8的相对旋转位置。为实现上述控制，采用双闭环双模糊PID控制 器，其中闭环I主要实现稳定平台主体8跟随旋转外筒3的反向等速 控制，实现其地理静止，这对精确指向控制具有极其重要的意义；将 旋转外筒3实际转速测量结果不断地调整为随动跟踪变量，可选用电 容、光电、霍尔等不同原理的传感器，感知旋转外筒3和稳定平台主 体8的正反钻速差异，利用模糊控制器a实现其精确动态随动反向等 速跟踪；在闭环Ⅱ中采用三轴加速度计、磁力计等可方便计算出实际 井斜角和方位角；利用模糊控制器b实现内偏心环20与外偏心环4 相对位置和偏置导向机构与稳定平台主体8相对位置的精确控制，旋 转外筒转速变化对所要控制的井斜角和方位角的影响可通过位于闭 环I后的微调增量单元予以补偿。

本发明实施例的技术方法与机械设计方案，可在不影响钻井作业 的前提下，结合井斜角与方位角测量数据，在保持稳定平台的对地静 止状态时，通过调整内外偏心环相对位置和偏置导向机构与稳定平台 主体相对位置实现井斜角和方位角的精确控制。

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽 管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进 行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替 换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案 的精神和范围。