一种动态指向式旋转导向钻井工具制造技术

一种动态指向式旋转导向钻井工具，包括旋转外套，在旋转外套内设有从左至右依次连接的偏心机构、导向轴、扭矩传递机构及密封装置。偏心机构由内外偏心环组成，内偏心环安装在外偏心环内部，且套接在球座上，内外偏心环均通过法兰与无框电机直接连接并由无框电机直接驱动，导向轴的左端插入球座中，导向轴右端装有扭矩传递机构，扭矩传递机构右端设置有密封装置；本发明专利技术通过采用无框电机直接驱动偏心机构实现导向轴的偏置，减少了工具结构形状尺寸，极大的节省了机构内部空间，且偏置调节过程连续无间隙；改善了钻具的受力状况，具有更长的寿命；既不受地层复杂情况的影响，又能实现井眼轨迹的精确控制；同时具有响应的快速性、较高的可靠性和良好的稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术专利设及钻探领域的一种旋转导向钻井工具，特别设及一种动态指向式旋 转导向钻井工具。
技术介绍
目前的井下旋转导向钻井工具按工作方式基本可W分为：静态偏置推靠式、动态 偏置（调制式）推靠式、静态偏置指向式和动态偏置指向式四类。静态偏置推靠式缺点是 小型化能力差、结构复杂等；动态偏置推靠式缺点是钻头和钻头轴承的磨损较严重，工作 寿命短；静态偏置指向式缺点是忍轴承受高强度的交变应力，忍轴容易发生疲劳破坏。动 态指向式旋转导向钻井工具作为一种最新的设计理念，代表了当今世界钻井技术发展的最 高水平。 在国内，天津大学专利技术了一种静态指向式旋转导向工具，使用电机带动少齿差偏 屯、行星轮系实现忍轴的偏置，通过采用中空万向连轴节连接钻柱和忍轴，改善了忍轴的受 力状况，但是空间机构复杂，忍轴指向精度一般。
技术实现思路
为了克服目前技术上存在的问题，本专利技术提供了一种动态指向式旋转导向钻井工 具，该工具使用无框电机直接驱动偏屯、机构，减少了工具结构尺寸，极大的节省了工具内部 空间，且偏置过程连续无间隙，导向轴指向精度高；改善了钻具的受力状况，具有更长的使 用寿命；本专利技术的工具既不受地层复杂性的影响，又能实现井眼轨迹的精确控制；同时具 有响应的快速性、较高的可靠性和良好的稳定性。 为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为： 一种动态指向式旋转导向钻井工具包括旋转外套11，在旋转外套11内从左至右 依次连接有偏屯、机构、导向轴7、扭矩传递机构8及密封装置9。 所述的偏屯、机构包括内偏屯、环4和外偏屯、环3,内偏屯、环4安装在外偏屯、环3内 部，且套接在球座10上，内偏屯、环4通过第二法兰5右端面与第二无框电机6的输出轴连 接，外偏屯、环3通过第一法兰2的右端面与第一无框电机1的输出轴连接，导向轴7的左端 插入球座10中，导向轴7右端装有扭矩传递机构8,扭矩传递机构8右端设置有密封装置 9。 阳00引外偏屯、环3和内偏屯、环4的偏屯、距均为e，合偏屯、位移为P，P的大小范围为0~ 2e，合位移矢量转角为0，角度范围为0~2JT。柳川 导向偏屯、距P稳定条件：W1= ? 2 做 调角公式Cl) W10] 调方位公式 拽） 阳01引导向方位角丫稳定条件 C4) 完成导向最终稳定条件： （5) 式中：P为导向偏屯、距，单位：mm; 丫为方位角，单位：rad;e为内、外偏屯、环偏屯、 距，单位：mm;W1为外偏屯、环角速度，单位：rad/s;W2为内偏屯、环角速度，单位：rad/s;O3 为旋转外套角速度，单位：rad/s;目为导向轴偏屯、距P与X轴之间的夹角，单位：rad;t为 时间，单位：s。[001引导向轴7具有曲面轮廓段12,曲面轮廓段12的中屯、为导向轴的摆动中屯、，导向轴 7的右端开有锥螺纹13。扭矩传递机构8包括球套14、长销15和钢球16构成，扭矩传递机构8中球套14 的外径和与其配合处的旋转外套11的内径相同，球套14的外圆面上均布有8个相同的下 半圆形凹槽，与其相配合的旋转外套11的内部也均布有8个相同的上半圆形凹槽，上下凹 槽配合形成一个完整圆形，长销15的外径与所形成的圆形凹槽直径相同，8根长销15分别 插入运8个圆形凹槽内，可W将旋转外套11的扭矩传递给导向轴7,从而实现扭矩传递机构 的功能。球套14W及导向轴7的曲面段开有8个滚道，滚道的截面为楠圆形，滚道的母线 为圆弧，钢球16位于球套14的滚道和导向轴7的轴滚道之间，钢球15的球面与滚道面保 持相切。 阳017]密封装置9包括连接环17,密封套18,金属密封波纹管19,安全阀20,单向阀21， 压力缸套22,活塞23,弹黃24,螺旋密封25,弹黃挡圈26。连接环17通过过盈配合装入密 封套18的左端，连接环17的右端与金属密封波纹管19的左端焊接在一起，金属密封波纹 管19的右端焊接在压力缸套22的左端。压力缸套22最左端设有安全阀20,安全阀20的 右边设有单向阀21，压力缸套22内部适当位置与活塞23过盈配合，活塞23同时与导向轴 7过盈配合，活塞23的右端面处与弹黃24的左端焊接，弹黃24的右端焊接在螺旋密封25 的左端面处，螺旋密封25右端有弹黃挡圈26定位，并过盈配合套在导向轴7上。 本专利技术具有的优点和积极效果是： (1)通过法兰将无框电机与偏屯、环相连，由无框电机直接驱动内外偏屯、环，实现导 向轴的偏置，使该工具简化了结构形状尺寸，极大的减小了机构尺寸，且偏置调节过程连续 无间隙；改善了钻具的受力状况，具有更长的寿命；既不受地层复杂性的影响，又能实现井 眼轨迹的精确控制；同时具有响应的快速性、较高的可靠性和良好的稳定性。 似通过控制偏屯、环实现导向轴的偏置，通过内外偏屯、环的不同组合得到不同的 造斜率，在实际使用中不需要提钻即可实现多种工作状态，达到增斜、降斜和稳斜的目的。 (3)采用楠圆形滚道，发挥楠圆自身特点的优势，使钢球与滚道两点接触，在受到 大载荷时能够精确可靠地传递运动和扭矩。 (4)采用组合密封圈设计，模形截面金属密封圈、矩形密封圈、0型圈的有机配合， 增强了密封圈对井下高压的耐受力，减小了因压力差而产生的密封圈失效，提高了密封结 构的工作寿命。 (5)采用了压力补偿单元配合其他密封元件的设计方法，有效的降低了密封界面 两侧的压力差，降低了其他密封元件因高压力差而引起的破坏，减少了泄漏量。【附图说明】图1是本专利技术的原理示意图。 阳0巧]图2是本专利技术导向轴结构剖视图。 图3是本专利技术图1在B-B处扭矩传递机构剖面图。图4是本专利技术密封装置剖视图。图5是本专利技术处于零偏置状态时图1的A-A处偏屯、环剖面图。 图6是本专利技术处于极大偏置状态时图1的A-A处偏屯、环剖面图。 图7是本专利技术偏屯、结构运动模型图。 图8是本专利技术钢球在扭矩传递机构内楠圆滚道上的接触示意图。【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术做详细说明。 参照图1，一种动态指向式旋转导向钻井工具包括旋转外套11，在旋转外套11内 从左至右依次连接有偏屯、机构、导向轴7、扭矩传递机构8及密封装置9。 所述的偏屯、机构包括内偏屯、环4和外偏屯、环3,内偏屯、环4安装在外偏屯、环3内 部，且套接在球座10上，内偏屯、环4通过第二法兰5右端面与第二无框电机6的输出轴连 接，外偏屯、环3通过第一法兰2的右端面与第一无框电机1的输出轴连接，内偏屯、环4和外 偏屯、环3均通过法兰与无框电机直接连接并由无框电机直接驱动，导向轴7的左端插入球 座10中，导向轴7右端装有扭矩传递机构8,扭矩传递机构8右端设置有密封装置9。 参照图2,导向轴7具有曲面轮廓段12,曲面轮廓段12的中屯、为导向轴的摆动中 屯、，导向轴7的右端开有锥螺纹13。 参照图3,扭矩传递机构8包括球套14、长销15和钢球16构成，扭矩传递机构8中 球套14的外径和与其配合处的旋转外套11的内径相同，球套14的外圆面上均布有8个相 同的下半圆形凹槽，与其相配合的旋转外套11的内部也均布有8个相同的上半圆形凹槽， 上下凹槽配合形成一个完整圆形，长销15的外径与所形成的圆形凹槽直径相同，8根长销 15分别插入运8个圆形凹槽内，可W将旋转外套11的扭矩传递给导向轴7,从而实现扭矩 传递机构的功能。球套14W及导向轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态指向式旋转导向钻井工具包括旋转外套(11)，其特征为：旋转外套(11)内从左至右依次连接有偏心机构、导向轴(7)、扭矩传递机构(8)及密封装置(9)；所述的偏心机构包括内偏心环(4)和外偏心环(3)，内偏心环(4)安装在外偏心环(3)内部，且套接在球座(10)上，内偏心环(4)通过第二法兰(5)右端面与第二无框电机(6)的输出轴连接，外偏心环(3)通过第一法兰(2)的右端面与第一无框电机(1)的输出轴连接，导向轴(7)的左端插入球座(10)中，导向轴(7)右端装有扭矩传递机构(8)，扭矩传递机构(8)右端设置有密封装置(9)。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张光伟，刘畅，田伟康，刘英海，展茂雷，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61