[发明专利]一种动态指向式旋转导向钻井工具

说明书

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。

技术领域

本发明专利涉及钻探领域的一种旋转导向钻井工具，特别涉及一种动态指向式旋转导向钻井工具。

背景技术

目前的井下旋转导向钻井工具按工作方式基本可以分为：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芯轴承受高强度的交变应力,芯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，天津大学发明了一种静态指向式旋转导向工具，使用电机带动少齿差偏心行星轮系实现芯轴的偏置，通过采用中空万向连轴节连接钻柱和芯轴，改善了芯轴的受力状况，但是空间机构复杂，芯轴指向精度一般。

发明内容

为了克服目前技术上存在的问题，本发明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心机构，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；本发明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，本发明的技术方案为：

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左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。

外偏心环3和内偏心环4的偏心距均为e，合偏心位移为ρ，ρ的大小范围为0～2e，合位移矢量转角为θ，角度范围为0～2π。

调角公式：

调方位公式：

导向偏心距ρ稳定条件：ω₁＝ω₂ (3)

导向方位角γ稳定条件：

完成导向最终稳定条件：ω₁＝ω₂＝ω₃ (5)

式中：ρ为导向偏心距，单位：mm；γ为方位角，单位：rad；e为内、外偏心环偏心距，单位：mm；ω₁为外偏心环角速度，单位：rad/s；ω₂为内偏心环角速度，单位：rad/s；ω₃为旋转外套角速度，单位：rad/s；θ为导向轴偏心距ρ与x轴之间的夹角，单位：rad；t为时间，单位：s。

导向轴7具有曲面轮廓段12，曲面轮廓段12的中心为导向轴的摆动中心，导向轴7的右端开有锥螺纹13。