一种电动钻具滑动导向系统

摘要

本发明公开了一种电动钻具滑动导向系统，包括依次连接的测量与控制单元、液压动力与执行单元和传动轴单元，测量与控制单元与液压动力与执行单元之间通过接插件电连接，传动轴单元内设置心轴，心轴的伸出端与钻头连接，心轴与电机连接用于驱动钻头；测量与控制单元用于对深度及岩石性质进行判断，液压动力与执行单元用于为导向系统工作提供动力源，传动轴单元用于使心轴能够在电动钻具中心旋转并偏转。本发明采用内推靠方式实现指向式导向，适用于电动钻具钻进过程中的井下实时导向，避免地面调节，使钻井效率大幅提升，应用前景广阔。

权利要求

1.一种电动钻具滑动导向系统，其特征在于，包括依次连接的测量与控制单元(1)、液压动力与执行单元(2)和传动轴单元(3)，测量与控制单元(1)与液压动力与执行单元(2)之间通过接插件电连接，传动轴单元(3)内设置心轴(4)，心轴(4)的伸出端与钻头(5)连接，心轴(4)与电机连接用于驱动钻头(5)；测量与控制单元(1)用于对深度及岩石性质进行判断，液压动力与执行单元(2)用于为导向系统工作提供动力源，传动轴单元(3)用于使心轴(4)能够在电动钻具中心旋转并偏转，液压动力与执行单元(2)的执行单元包括活塞(17)、斜块(18)、位移传感器(19)和推靠爪(20)，活塞(17)的输出端连接斜块(18)，斜块(18)经推靠爪(20)和心轴(4)与钻头(5)连接，位移传感器(19)固定在斜块(18)上，通过提供位移信息以判断心轴偏转角度，斜块(18)通过斜面的推力推动推靠爪(20)的径向运动，连接钻头(5)的心轴(4)在推靠爪(20)的作用下产生偏转，斜块(18)的斜面角度应小于材料的摩擦角，推靠爪(20)包括三个，在圆周方向间隔120゜设置，用于控制心轴(4)的导向方位与角度。

2.根据权利要求1所述的电动钻具滑动导向系统，其特征在于，测量与控制单元(1)包括测斜传感器(11)、温度传感器(9)、压力传感器(10)和伽马探头(12)，测斜传感器(11)用于提供导向系统实时的井斜与方位信息，温度传感器(9)与压力传感器(10)用于提供导向系统所在位置的温度与压力信息，伽马探头(12)用于为导向系统提供所在位置的地层伽马信息。

3.根据权利要求2所述的电动钻具滑动导向系统，其特征在于，测斜传感器(11)、温度传感器(9)、压力传感器(10)和伽马探头(12)分别经采集电路板(7)与控制电路板(8)连接，采集电路板(7)、控制电路板(8)、测斜传感器(11)、温度传感器(9)、压力传感器(10)和伽马探头(12)分别与电源模块(6)连接。

4.根据权利要求1所述的电动钻具滑动导向系统，其特征在于，液压动力与执行单元(2)的液压动力单元包括本体(16)、液压动力模块(15)、平衡模块(14)、液压控制与执行模块(13)；液压动力模块(15)、平衡模块(14)、液压控制与执行模块(13)分别集成在独立模块中，采用接插件分别与本体(16)电连接，并采用带有密封的接头进行油路连接；平衡模块(14)用于对整个油路进行压力平衡，液压动力模块(15)包括电机和泵，用于为导向系统工作提供动力源。

5.根据权利要求1所述的电动钻具滑动导向系统，其特征在于，传动轴单元(3)包括柔性轴(23)，心轴(4)的不偏转段(21)通过柔性轴(23)与心轴(4)连接。

6.根据权利要求5所述的电动钻具滑动导向系统，其特征在于，不偏转段(21)设置在轴承(22)上。

7.根据权利要求5或6所述的电动钻具滑动导向系统，其特征在于，心轴(4)设置在球形铰链(24)上。

说明书

一种电动钻具滑动导向系统

技术领域

[0001] 本发明属于钻井仪器技术领域，具体涉及一种电动钻具滑动导向系统。

背景技术

[0002] 电动钻具是一种钻具中间有电缆的钻具，钻具在钻进过程中通常需要弯接头等造斜工具对轨迹进行控制，传统的造斜工具需要在地面调节，效率较低。另一种用于导向的工
具是旋转导向系统，通过推靠或指向的方式使钻具产生偏转，达到导向的目的，但旋转导向
系统需要保持弯角方位的固定，结构复杂。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电动钻具滑动导向系统，结构简单、测量参数丰富、导向可靠。

[0004] 本发明采用以下技术方案：

[0005] 一种电动钻具滑动导向系统，包括依次连接的测量与控制单元、液压动力与执行单元和传动轴单元，测量与控制单元与液压动力与执行单元之间通过接插件电连接，传动
轴单元内设置心轴，心轴的伸出端与钻头连接，心轴与电机连接用于驱动钻头；测量与控制
单元用于对深度及岩石性质进行判断，液压动力与执行单元用于为导向系统工作提供动力
源，传动轴单元用于使心轴能够在电动钻具中心旋转并偏转。

[0006] 具体的，测量与控制单元包括测斜传感器、温度传感器、压力传感器和伽马探头，测斜传感器用于提供导向系统实时的井斜与方位信息，温度传感器与压力传感器用于提供
导向系统所在位置的温度与压力信息，伽马探头用于为导向系统提供所在位置的地层伽马
信息。

[0007] 进一步的，测斜传感器、温度传感器、压力传感器和伽马探头分别经采集电路板与控制电路板连接，采集电路板、控制电路板、测斜传感器、温度传感器、压力传感器和伽马探
头分别与电源模块连接。

[0008] 具体的，液压动力与执行单元的液压动力单元包括本体、液压动力模块、平衡模块、液压控制与执行模块；液压动力模块、平衡模块、液压控制与执行模块分别集成在独立
模块中，采用接插件分别与本体电连接，并采用带有密封的接头进行油路连接；平衡模块用
于对整个油路进行压力平衡，液压动力模块包括电机和泵，用于为导向系统工作提供动力
源。

[0009] 具体的，液压动力与执行单元的执行单元包括活塞、斜块、位移传感器和推靠爪，活塞的输出端连接斜块，斜块经推靠爪和心轴与钻头连接，位移传感器固定在斜块上，通过
提供位移信息以判断心轴偏转角度，斜块通过斜面的推力推动推靠爪的径向运动，连接钻
头的心轴在推靠爪的作用下产生偏转。

[0010] 进一步的，斜块的斜面角度应小于材料的摩擦角。

[0011] 进一步的，推靠爪包括三个，在圆周方向间隔120゜设置，用于控制心轴的导向方位与角度。

[0012] 具体的，传动轴单元包括柔性轴，心轴的不偏转段通过柔性轴与心轴连接。

[0013] 进一步的，不偏转段设置在轴承上。

[0014] 更进一步的，心轴设置在球形铰链上。

[0015] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

[0016] 本发明提供的一种电动钻具滑动导向系统，通过测量与控制单元对系统的动作进行控制，并采集温度、压力、井斜、方位、伽马等信息，利于判断工具自身状态与位置，为下一
步导向动作提供依据，包含测量与控制单元、液压动力与执行单元和传动轴单元，三个单元
分别集成设计，结构紧凑，可以实现井下自动导向的控制，避免了旋转导向系统稳定平台的
设计，可靠性高。

[0017] 进一步的，测量与控制单元设置了多个传感器，可以实时地为系统提供井下各种状态信息，为导向提供参考，模块插装式的液压动力与执行单元，本体外部开槽的方式加工
简单，模块的维护方便。

[0018] 进一步的，液压动力与执行单元采用模块插装式设计，各个功能模块互相独立，分别采用接插件、接头与本体连接，外部开槽的加工方式难度低，易于装配与调试。

[0019] 进一步的，液压动力与执行单元通过活塞推动斜块，转化为推靠爪的径向运动，控制心轴的偏转，该方式在狭小空间内实现了轴向运动与径向运动的转换，并通过位移传感
器提供定量控制的信息。

[0020] 进一步的，活塞推动斜块轴向运动，通过斜面转换为径向运动的方式，约束斜面角度，实现摩擦自锁，导向位置可靠，避免因不可预知因素造成的推靠爪移动。

[0021] 进一步的，通过三个推靠爪的组合作用，可以实现任意方位一定角度的导向。

[0022] 进一步的，通过球形铰链使心轴偏转，并同时能够旋转传递扭矩给钻头；通过轴承固定不偏转段，柔性轴连接不偏转段与偏转段，连接井下动力钻具与钻头，在控制钻头偏转
的同时还需要传递扭矩，柔性轴的设置则将井下动力钻具的定心运动传递给偏转心轴，通
过球形铰链使心轴偏转特定角度及方位。

[0023] 综上所述，本发明采用内推靠方式实现指向式导向，适用于电动钻具钻进过程中的井下实时导向，避免地面调节，使钻井效率大幅提升，应用前景广阔。

[0024] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0025] 图1为本发明的总体结构图；

[0026] 图2为本发明的测量与控制单元示意图；

[0027] 图3为本发明的液压动力与执行单元示意图；

[0028] 图4为本发明的液压动力与执行单元工作示意图；

[0029] 图5为本发明导向原理示意图；

[0030] 图6为本发明的传动轴单元示意图。

[0031] 其中：1.测量与控制单元；2.液压动力与执行单元；3.传动轴单元；4.心轴；5.钻头；6.电源模块；7.采集电路板；8.控制电路板；9.温度传感器；10.压力传感器；11.测斜传
感器；12.伽马探头；13.液压控制与执行模块；14.平衡模块；15.液压动力模块；16.本体；
17.活塞；18.斜块；19.位移传感器；20.推靠爪；21.不偏转段；22.轴承；23.柔性轴；24.球形
铰链。

具体实施方式

[0032] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和
操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的
含义是两个或两个以上。

[0033] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。

[0034] 请参阅图1，本发明一种电动钻具滑动导向系统，包括依次连接的测量与控制单元1、液压动力与执行单元2和传动轴单元3，测量与控制单元1与液压动力与执行单元2之间通
过接插件电连接，传动轴单元3内设置有心轴4，心轴4的伸出端设置钻头5，心轴4与电机连
接用于驱动钻头5；测量与控制单元1用于对深度及岩石性质进行判断，液压动力与执行单
元2用于为导向系统工作提供动力源，传动轴单元3用于对心轴4进行支撑，钻进过程中不能
采用顶驱，只能采用井下电动钻具的电机驱动。

[0035] 请参阅图2，测量与控制单元1内设置有电源模块6、采集电路板7、控制电路板8、测斜传感器11、温度传感器9、压力传感器10和伽马探头12，测斜传感器11、温度传感器9、压力
传感器10和伽马探头12分别经采集电路板7与控制电路板8连接，电源模块6分别与采集电
路板7、控制电路板8、测斜传感器11、温度传感器9、压力传感器10和伽马探头12连接用于供
电，采集电路板7用于各种传感器信号的采集，控制电路板8对电机、电磁阀等进行控制，测
斜传感器11提供导向系统实时的井斜与方位信息，温度传感器9与压力传感器10提供导向
系统所在位置的温度与压力信息，伽马探头12为导向系统提供所在位置的地层伽马信息，
用于对深度及岩石性质进行判断。

[0036] 请参阅图3，液压动力与执行单元2包括液压动力单元和执行单元，液压动力单元包括液压动力模块15、平衡模块14、液压控制与执行模块13；采用外部开槽，模块插装式安
装结构，将液压动力模块15、平衡模块14、液压控制与执行模块13分别集成在独立模块中，
采用接插件分别与液压动力单元和执行单元2的本体16电连接，并采用带有密封的接头进
行油路连接；平衡模块14用于对整个油路进行压力平衡，避免系统压力与外界压力相差过
大，液压动力模块15包括电机和泵，用于为导向系统工作提供动力源。

[0037] 请参阅图4，执行单元包括活塞17、斜块18、位移传感器19和推靠爪20，活塞17的输出端连接斜块18，斜块18经推靠爪20和心轴4与钻头5连接，位移传感器19固定在斜块18上，
通过提供位移信息以判断心轴偏转角度，斜块18通过斜面的推力推动推靠爪20的径向运
动，连接钻头5的心轴4在推靠爪20的作用下产生偏转。

[0038] 优选的，斜块18的斜面角度应小于材料的摩擦角，使推靠爪20能够实现摩擦自锁。

[0039] 请参阅图5，推靠爪20在圆周方向间隔120゜放置，三个爪组合运动，控制心轴4具体的导向方位与角度。

[0040] 请参阅图6，传动轴单元3通过球形铰链24使心轴4能够在电动钻具中心旋转并在一定角度内偏转，心轴4中部与柔性轴23连接，通过轴承22对心轴的不偏转段21进行支撑。

[0041] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实
施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明
的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定
实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获
得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0042] 本优选实例以钻进过程中系统的工作为例进行说明。

[0043] 如图1所示，电动钻具的井下电机驱动心轴4带动钻头5旋转，在需要改变钻进轨迹时，根据图2中测量与控制单元的传感器获取的实时地层信息及工具姿态信息进行判断，得
出需要导向的方位与角度，控制电路板8发出指令，驱动液压动力与执行单元2进行动作；图
4中液压动力驱动活塞17往复运动，带动斜块18轴向运动，通过斜面的作用转化为推靠爪20
的径向运动，实现心轴4的指定方位与角度的偏转；三个互为120度夹角的推靠爪20通过位
移合成的方式实现任意方位以及一定偏角范围内的偏转；偏转力作用在心轴4上，偏转通过
球形铰链24实现，柔性轴23连接心轴4的偏转段与不偏转段21。

[0044] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书
的保护范围之内。