[发明专利]一种新型旋转导向钻进设备及旋转导向方法

权利要求书

1.一种新型旋转导向钻进设备，其特征在于，包括圆筒外壳、压力控制系统和导向控制系统，所述导向控制系统设置在所述圆筒外壳一端，且与穿设在所述圆筒外壳内的第一连杆传动连接，以控制所述第一连杆的运动实现钻头的导向；所述压力控制系统设置在所述导向控制系统一端，以控制流过所述压力控制系统、所述导向控制系统和所述圆筒外壳的钻井液压力；所述第一连杆另一端通过转动组件与所述圆筒外壳转动连接，且所述第一连杆末端穿出所述圆筒外壳后与钻头盒连接。

2.根据权利要求1所述的新型旋转导向钻进设备，其特征在于，所述导向控制系统包括与所述圆筒外壳连接的导向外壳，所述导向外壳内穿设有通过万向节连接的实心杆和伸缩杆，所述伸缩杆与所述第一连杆之间通过万向节连接，所述实心杆与所述压力控制系统之间通过万向节连接；所述导向外壳上还设置有与所述伸缩杆连接的导向驱动组件，通过所述导向驱动组件能控制所述伸缩杆沿所述导向外壳任一径向往复运动；当所述伸缩杆进行径向移动时，能带动所述第一连杆以与所述圆筒外壳转动连接点为轴进行转动。

3.根据权利要求2所述的新型旋转导向钻进设备，其特征在于，所述导向驱动组件包括沿所述导向外壳圆周方向设置的三个凹槽、设置在所述凹槽内的数控设备和液压缸控制单元、盖设在所述凹槽顶部的封盖、开设在所述导向外壳上且对应于三个所述凹槽位置的贯穿开口、活动穿设在所述开口上的移动块、套设在所述伸缩杆外侧且与所述移动块可接触连接的第一轴承；所述移动块上设置有凹腔，所述凹腔的一侧面为楔形面，所述液压缸控制单元的液压杆穿出所述凹槽后延伸到所述凹腔内且与所述楔形面可接触连接，当所述液压杆伸缩时，所述移动块能沿所述导向外壳径向往复移动。

4.根据权利要求3所述的新型旋转导向钻进设备，其特征在于，所述液压杆末端设置有滚轮。

5.根据权利要求2所述的新型旋转导向钻进设备，其特征在于，所述伸缩杆包括一杆和二杆，所述一杆和所述二杆之间通过十字渐开线式花键结构连接。

6.根据权利要求2所述的新型旋转导向钻进设备，其特征在于，所述压力控制系统包括压控接头、压控外壳、压控内管、压控底座、压控块、弹簧和压控中轴，所述压控外壳连接在所述导向外壳上，所述压控接头连接在所述压控外壳端部；所述压控内管通过第二轴承、第三轴承和第四轴承转动连接在所述压控外壳内；所述压控内管一端封闭，所述压控底座设置在所述压控内管内腔底部；所述压控块通过所述压控中轴活动连接在所述压控底座上，能相对于所述压控底座靠近或远离，所述弹簧套接在所述压控中轴外侧且位于所述压控块和所述压控底座之间；所述压控内管上对应于所述第二轴承和所述第三轴承之间位置设置有第一出口，对应于所述第三轴承和所述第四轴承之间位置设置有第二出口；所述压控外壳内沿轴向设置有旁通进路，所述压控外壳内壁上设置有与所述旁通进路连通的第一进口；所述压控外壳上设置有与外部连通的旁通出路，内壁上设置有与所述旁通出路连通的第二进口。

7.根据权利要求2所述的新型旋转导向钻进设备，其特征在于，所述转动组件包括设置在所述圆筒外壳端部的球铰接头和设置在所述第一连杆上的球铰部。

8.根据权利要求7所述的新型旋转导向钻进设备，其特征在于，所述第一连杆包括依次设置的实心回液杆和空心球铰杆，所述回液杆通过万向节与所述伸缩杆连接；所述球铰杆上沿圆周方向设置多个进液孔；所述球铰部设置在所述球铰杆上。

9.根据权利要求3所述的新型旋转导向钻进设备，其特征在于，所述移动块外壁上设置有垫板。

10.一种利用如权利要求1-9中任一所述的新型旋转导向钻进设备对钻头进行旋转导向的旋转导向方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100、压力控制：包括稳压注入控制、超压注入控制和负压注入控制；

(1)稳压注入控制：钻井液通过压力控制系统中的压控块对弹簧施压，在压力作用下钻井液推动压控块移动，弹簧进行收缩，当压力到达指定范围后，钻井液从第一出口进入第二轴承与压控内管的第三轴承所围成的环形空间，并由第一进口进入到旁通进路，然后进入后续设备；

(2)超压注入控制：随着钻井液压力增大，压控块不断后移，弹簧不断收缩，当超出压力指定范围时，钻井液从第二出口进入压控内管的第三轴承和第四轴承围成的环形空间，并由第二出口进入到下端的旁路出路从而流出，钻井液排出设备使得设备中钻井液压力的上限始终维持在一个额定值上下；

(3)复压注入控制：当钻井液压力回落至指定范围内后，压控块在弹簧的作用下回移，系统重复(1)稳压注入控制过程；

步骤200、导向控制：

(1)钻头导向控制：伸缩杆根据转向需要向相应的方向移动：在数控设备的控制下液压控制单元的液压杆伸出一定长度，液压杆顶部装有滚轮，滚轮在移动块内部的楔形面上滚动，一个移动块或两个移动块在液压缸控制单元的推力作用下向设备内做平移运动，第一轴承在移动块的推动下带动伸缩杆向设备外移动，伸缩杆的一杆和二杆在平移过程中相互之间分离从而使伸缩杆相应伸长；三个移动块的中的剩下两个移动块或剩下一个移动块在液压杆回缩过程中，并在第一轴承的推动下相应的向设备外侧移动相应的距离；

向设备外运动的移动块在接触井壁后推动整个旋转导向钻进设备在井内发生对中心线的偏移运动，实现整个系统的导向钻进；

伸缩杆发生平移运动后，实心杆的左端和右端分别在两侧的万向节共同约束下发生整体角度偏移运动；

伸缩杆发生平移运动后，回液杆和球铰杆在左端万向节和球铰接头的共同约束下发生整体角度偏移运动；

钻头盒在球铰杆的约束下发生相应角度偏移，在扭矩的作用下带动相应钻头可以实现相应的导向钻进工作；

(2)钻井液导向控制：钻井液在从上端旁通进路出来后依次经过导向外壳、圆筒外壳的内空间后从球铰杆的进液孔进入到球铰杆内部通道，再经过钻头盒内部从相应的钻头喷射到所要钻进切割的岩层。