[发明专利]静态指向式旋转导向钻井工具的偏置导向机构及控制方法

权利要求书

1.一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，包括钻头连接轴(1)和不旋转外筒(10)，其特征在于所述的导向机构还包括柔性软管(5)、偏置机构和滑块连接件(9)，柔性软管(5)与钻头连接轴(1)连接，偏置机构安装在不旋转外筒(10)内，所述偏置机构包括调心滑块(12)、螺旋伸缩机构、控制电机(7)，所述滑块连接件(9)套设在钻头连接轴(1)外部，所述调心滑块(12)通过螺旋伸缩机构与控制电机(7)连接，并安装在滑块连接件(9)内，所述调心滑块(12)在控制电机(7)的带动下前后移动，推动钻头连接轴(1)；所述的偏置机构还包括齿轮同步器(6)，所述螺旋伸缩机构包括主动螺旋伸缩机构(8)和从动螺旋伸缩机构(3)，所述控制电机(7)与主动螺旋伸缩机构(8)连接，主动螺旋伸缩机构(8)通过齿轮同步器(6)与从动螺旋伸缩机构(3)连接，使主动螺旋伸缩机构(8)与从动螺旋伸缩机构(3)同步运动，所述主动螺旋伸缩机构(8)和从动螺旋伸缩机构(3)分别与调心滑块(12)连接；所述的主动螺旋伸缩机构(8)包括主动螺杆(13)、主动蜗轮(14)、主动蜗杆(18)，所述主动蜗杆(18)分别与控制电机(7)和齿轮同步器(6)连接，主动螺杆(13)与主动蜗轮(14)连接，主动蜗杆(18)与主动蜗轮(14)啮合连接，所述主动螺杆(13)与调心滑块(12)固定连接；所述从动螺旋伸缩机构(3)包括从动螺杆(27)、从动蜗轮(26)、从动蜗杆(22)，所述从动蜗杆(22)与齿轮同步器(6)连接，从动螺杆(27)与从动蜗轮(26)连接，从动蜗杆(22)与从动蜗轮(26)啮合连接，所述从动螺杆(27)与调心滑块(12)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，其特征在于所述齿轮同步器(6)包括主动外齿轮(19)、从动外齿轮(23)、内齿轮(30)，所述主动外齿轮(19)与主动蜗杆(18)连接，从动外齿轮(23)与从动蜗杆(22)连接，所述主动外齿轮(19)和从动外齿轮(23)分别与内齿轮(30)啮合连接。

3.根据权利要求1所述的一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，其特征在于所述的主动蜗杆(18)与主动蜗轮(14)的螺纹升角小于摩擦角；主动蜗轮(14)与主动螺杆(13)螺纹升角小于摩擦角；所述从动蜗杆(22)与从动蜗轮(26)的螺纹升角小于摩擦角；从动蜗轮(26)与从动螺杆(27)螺纹升角小于摩擦角；所述的主动蜗轮(14)和从动蜗轮(26)的两端分别通过止推型无油衬套(16)固定，所述主动蜗杆(18)和从动蜗杆(22)两端分别采用深沟球轴承(28)固定。

4.根据权利要求1所述的一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，其特征在于所述的导向机构包括导向机构外壳(17)和两个偏置机构，且两个偏置机构相互垂直安装在不旋转外筒(10)内部，主动螺旋伸缩机构(8)和从动螺旋伸缩机构(3)密封安装在导向机构外壳(17)内。

5.根据权利要求3所述的一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，其特征在于所述的螺旋伸缩机构上设有限位开关，用于限制螺旋伸缩机构带动调心滑块(12)移动的距离；所述的限位开关为霍尔传感器(29)和磁铁(15)，所述霍尔传感器(29)安装在止推型无油衬套(16)上，所述磁铁(15)安装在相应的主动螺杆(13)或者从动螺杆(27)上。

6.根据权利要求1所述的一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，其特征在于所述的钻头连接轴(1)上端直径小于下端直径形成台阶，所述滑块连接件(9)套设在钻头连接轴(1)外部，并通过推力球轴承(2)和滚针轴承(4)连接，推力球轴承(2)一端固定在钻头连接轴(1)的台阶处，推力球轴承(2)另一端与滚针轴承(4)的外圈固定，钻头连接轴(1)上端置于滚针轴承(4)内部。

7.根据权利要求1所述的一种静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构，其特征在于所述的滑块连接件(9)内设有扇环槽，调心滑块(12)为扇环状，并安装在扇环槽内，滑块连接件(9)内部扇环槽的扇厚度和圆心角比调心滑块(12)的厚度和圆心角大。

8.基于权利要求1至7任一所述的静态指向式旋转导向钻井工具偏置导向机构的结构弯角和工具面角的控制方法，其特征在于在接单根的时候控制结构弯角和工具面角的角度，钻井时按照预设角度钻进，所述控制方法具体如下：

钻头连接轴截面圆心位置用P(x,y)表示，工具面角θ为以高边方向线OA为始边，在钻头附近截面圆上顺时针旋转到线段OC的角度，在螺旋伸缩机构处截面圆上，高边方向线O’A’延长线O’D与线段O’P之间的角度为θ’，延长线O’D与Y轴之间的角度为β；

螺杆位置的变化使截面圆心的位置发生变化，所述截面圆心的移动范围为一个圆，其最大半径为设计的最大螺杆位移，线段O’B的长度为钻头连接轴上的支点B到外筒在偏置导向机构处截面圆心O’的距离，点P(x,y)到原点O’的线段O’P的长度决定了结构弯角α的大小，通过改变X、Y两组螺杆的位置P(x,y)，改变线段O’P的长度实现结构弯角α从0°到设计最大结构弯角值间变化；改变高边方向线延长线O’D与线段O’P的角度实现工具面角θ在0-360度范围内变化；所述结构弯角α、工具面角θ满足以下方程：

在接单根时，根据期望的结构弯角和工具面角由螺旋伸缩机构XY方向分解模块解算出期望的截面圆心的位置(x₁,y₁)，并与当前截面圆心的位置(x₂,y₂)求差，得到截面圆心需要的伸缩量(Δx,Δy)，该伸缩量即为X向和Y向螺杆位置的变化量，其中当前截面圆心位置为预先设置的截面圆心位置，利用限位开关预先设置截面圆心处于极限位置，当前截面圆心位置或者为上次导向过程完成后记录下来的位置；利用脉冲数转换单元将螺杆伸缩量(Δx,Δy)转换为X、Y轴方向脉冲数N_x、N_y，其中涉及到螺旋伸缩机构的参数为蜗轮蜗杆传动的减速比i和螺旋传动的导程S，涉及到控制控制电机(7)的参数为步进角λ；将X、Y轴方向脉冲数N_x、N_y输入到X、Y方向步进电机控制系统，通过控制相应的控制电机来调整螺旋伸缩机构的位置，进而改变钻头连接轴(1)、钻头(21)的方向，最终实现结构弯角α和工具面角θ的控制；此外通过设置在螺旋伸缩机构(22)上的霍尔传感器(29)来判断螺杆(6)是否达到极限位置，此极限位置作为下次导向过程的预设位置，当到达极限位置时控制电机(7)停止转动，霍尔传感器(29)具有电机累计失步误差清零的作用；

所述X、Y轴方向脉冲数N_x、N_y满足以下方程：