导向钻具用推靠执行机构和钻具的制作方法

本发明涉及一种推靠执行机构，特别是一种导向钻具用推靠执行机构及包括该推靠执行机构的钻具。

背景技术：

随着油气开发、地质勘探难度的不断加大，钻井工程面临着更大的挑战，传统的滑动钻进等导向钻井技术已很难满足现代钻井工艺的技术要求。近些年，自动垂直钻井系统、旋转导向系统的应用顺应了时代发展的趋势，在垂直深井、定向井、大位移井、水平井等复杂结构井领域取得巨大的技术成就。目前，因推靠式执行机构具有导向迅速可靠的特点，导向钻井系统多使用推靠式的执行机构，即推靠板或推靠翼在上部井斜感应控制系统和液压系统的控制下推向井壁，使得钻具获得井壁的反作用力，加剧了钻头在井壁另一侧的切削作用，起到控制井眼轨迹的作用，实现定向、导向钻进。

现有推靠机构多为推靠翼或推靠板被其下部的推靠活塞顶出的结构设计，该类设计的推靠翼或推靠板推出后与钻具本体分离，环空中的岩粉易进入推靠机构发生卡阻，影响钻井工具的正常使用。现有推靠执行机构中多存在易损件，不能承受钻井过程中的振动和反复应力，易发生螺钉松动、销钉断裂等问题，而且采用推靠翼或推靠板下部安装推靠活塞的结构，导致径向尺寸小大，不利于小直径钻井工具的设计开发。而且，现有推靠机构本身均为被动设计，推靠力大小取决于推靠活塞的顶出力，推靠机构不具备推靠力调节功能，适用范围受限。此外，现有推靠翼或推靠板多采用平面设计，推靠时仅有推靠翼或推靠板边缘与井壁接触，其接触面积较小，导致推靠板或推靠翼及井壁磨损严重、钻具工作时的稳定性较差、井眼质量较差等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种导向钻具用推靠执行机构，其推靠动作执行迅速、推靠井壁稳定可靠。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的一种导向钻具用推靠执行机构，包括：

推靠板；推靠板的一端枢接在钻具本体上；

推车，所述推车设置在钻具本体的凹槽内；

驱动装置，所述驱动装置与推车连接，带动推车在凹槽内沿着钻具本体的轴向运动；以及

支撑杆，所述支撑杆一端与推车枢接；另一端与推靠板枢接，并使得推车运动时，支撑杆能够将推靠板撑起。

可选地或优选地，所述推车包括车体，车体上安装有与凹槽底面接触的车轮，在驱动装置作用下，车轮可带动车体在凹槽内运动，并使得支撑杆枢转撑起。

可选地或优选地，所述车体的中部被构造有枢轴安装部，其上安装有第一枢轴，支撑杆的一端套设在第一枢轴上，另一端通过第二枢轴与推靠板的中部枢接。

可选地或优选地，第二枢轴的两端设有与其轴向对应的螺纹孔，在螺纹孔中安装堵丝。

可选地或优选地，所述推车两侧设有限制推车沿钻具本体径向运动的第一限位机构。

可选地或优选地，所述第一限位机构包括构造在车体两侧的凹槽，螺钉通过钻具本体上的螺纹孔伸入到钻具本体内并压在所述车体两侧的凹槽上。

可选地或优选地，所述推车的前端设有第二限位机构，第二限位机构限制推车在凹槽内的最大推出距离，且保证在该最大推出距离下，推靠板的下部不会脱离钻具本体而产生空隙。

可选地或优选地，所述第二限位机构包括设置在推车前端的限位杆，限位杆上套设弹簧，推车压缩弹簧至限位杆与钻具本体内的凹槽端面接触时，即达到所述最大推出距离。

可选地或优选地，所述推靠板的板面为弧形。

第二方面，本发明还提供了一种钻具，包括多个第一方面所述的钻具用推靠执行机构，所述推靠执行机构沿着钻具本体的周面分布。

本发明提供的一种钻具用推靠执行机构，设置在钻具本体的凹槽内，包括推靠板、支撑杆和推车，推车在驱动装置的驱动下在凹槽内移动。推车通过支撑杆与推靠板枢接，推靠板的端部枢接在钻具本体上，当推车被推动时，支撑杆升起将推靠板撑起实现对井壁的推靠，这种推靠方式依据杠杆原理，不再依靠活塞，推靠动作执行地直接迅速，摩擦阻力小，且推靠稳固可靠。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的导向钻具用推靠执行机构的立体结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的导向钻具用推靠执行机构的主剖结构示意图；

图3为推靠执行机构的推靠板的内侧立体结构示意图；

图4为推靠执行机构的推靠板的外侧立体结构示意图；

图5为推靠执行机构的推车车体结构示意图；

图6为推靠执行机构的支撑杆的结构示意图；

图7为推靠执行机构最大推出位置状态下的立体结构示意图。

图中：

1-推靠板；101-销孔；102-凸缘；103-销孔；104-上部弧面；105-下部弧面；106-螺纹孔；107-端部弧面；2-推车；201-车体；202-车轮；203-通孔；204-销孔；205-凹槽；206-通孔；207-销孔；3-支撑杆；301-通孔；302-通孔；4-钻具本体；401-凸缘；402-端面；5-螺钉；6-推杆；7-第一枢轴；8-第二枢轴；9-第三枢轴；10-堵丝；11-限位杆；12-弹簧；13-螺钉；14-压块；15-销轴。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明实施例提供的导向钻具用推靠执行机构，用于导向钻井系统中推井壁进行推靠，使得钻具获得井壁的反作用力，加剧了钻头在井壁另一侧的切削作用，起到控制井眼轨迹的作用，实现定向、导向钻进。

推靠执行机构被设置在钻具本体的周面上，数量可以为多个，并呈均匀分布。例如可以是呈90°或120°的间隔分布。如图1-6所示，每个推靠执行机构主要包括推靠板1、推车2、支撑杆3和驱动装置(图1中为了看清内部结构，省略了推靠板)。其中，推车2设置在钻具本体4的凹槽内，并与驱动装置连接，在驱动装置的作用下，推车2可以在凹槽内沿着钻具本体4的轴向运动。支撑杆3的一端枢接在推车2上，另一端枢接在推靠板1的内侧，推靠板的一个端部(上端)枢接在钻具本体4上，可沿着这钻具本体4枢转。这样，推车2、支撑杆3和推靠板1就形成了一个基于杠杆原理的连杆机构，当驱动装置推动推车运动时，支撑杆3发生枢转并将推靠板1撑起，使其抵靠在井壁上。这种推靠执行动作不需要活塞，直接迅速，摩擦阻力小，且推靠稳固可靠。

在一些实施例中，推车2包括车体201以及安装在车体201上的车轮202，车轮202与凹槽底面为滚动摩擦，因而阻力更小，车轮202和车体201可以通过销轴连接。作为一个具体的实施方式，车体202的结构大体呈扁平状，这样可以节约有限的钻具本体内的空间。在车体的四角处开设贯通车体的长条形通孔203，通孔203的侧壁开设销孔204，将车轮202通过图1所示的销轴15安装在各个长条形通孔203内，这样可以避免车轮202与钻具本体4内的凹槽接触，减小了摩擦阻力。优选地，在推车的车体201两侧设有限制推车沿钻具本体4径向运动的第一限位机构。第一限位机构可以包括被构造在车体中部表面靠近两侧边缘的凹槽205以及从钻具本体的螺纹孔穿入的螺钉5，螺钉5的钉头压在凹槽205上，以限制车体201的径向运动。驱动推车2运动的驱动装置包括推杆6，推杆6的一端与推车2的车体201连接，另一端与液压机构、电机等机械设备中常用的驱动装置连接(图中未示出)。有别于现有推靠机构施力部件(如推靠活塞)位于推靠翼或推靠板下部的设计结构，该推靠执行机构的施力部件位于推杆6上部，可以在很大程度上释放径向空间，有利于小直径导向工具的设计与研发。

在车体201的中部可以开设两个平行设置的通孔206，每个通孔206各设置一个支撑杆3，且通孔206的侧壁上设有销孔207，两个支撑杆3的底端也具有销孔301并且与车体上的销孔207位置对应，通过第一枢轴7(如圆柱销)穿过销孔207、301从而将两个支撑杆3与车体201枢转连接。在推靠板1内侧被构造出两个与支撑杆3位置大体对应的凹槽，凹槽内也设有销孔101，两个支撑杆3的上端具有位置对应的销孔302，并通过第二枢轴8连接在凹槽内，从而支撑杆3就可以在推车2和推靠板1之间枢转。推靠板1的上端被构造出两个凸缘102，凸缘102上沿着侧面开设有贯通的销孔103，在钻具本体4上构造出与两个凸缘102之间的间隔匹配的凸缘401，且在该凸缘401上也沿着侧面设有位置对应的贯通的销孔。推靠板1的上端通过第三枢轴9连接在该凸缘401上，实现推靠板绕钻具本体4的枢转。为了防止各个枢轴在推靠执行机构工作时脱销，在第三枢轴9的两端设有压块14，并用螺钉13固定，在推靠板1中部的两端(即第二枢轴8两端)设有与其轴向对应的螺纹孔106，在螺纹孔106中安装堵丝10。本实施例提供的推靠执行机构中使用的销轴(即各枢轴)、螺钉等易损件的尺寸可根据具体使用要求进行灵活设计，同时，该机构虽使用了螺钉零件，但均不是主要受力零件，仅做放松处理后即可满足使用要求，故该推靠执行机构的可靠性大大提升。

现有的推靠执行机构通常采用活塞推靠井壁，工作时经常会发生执行机构阻卡的情况。发明人发现，造成这种阻卡情况的原因在于，活塞与钻具本体完全分离，使得活塞与钻具本体之间形成了空隙，此时井内环空中的大颗粒岩屑就会进入推靠执行机构内部，对执行机构的动作造成阻碍。为解决这一问题，在优选的实施例中，推车2的前端设有第二限位机构，第二限位机构限制推车2在凹槽内的最大推出距离，且保证在该最大推出距离下，推靠板1的下部不会脱离钻具本体而产生空隙。由于在推靠执行的过程中不会产生空隙，就可以防止大颗粒岩屑进入到推靠执行机构内部，从而避免了执行机构动作阻卡、失灵的情况发生。在一些实施例中，第二限位机构包括设置在车体前端限位杆11，限位杆11的外侧套设有弹簧12并固定，使得弹簧12不会被压缩而拱起。当推靠执行机构工作时，推车2压缩弹簧12，直至限位杆11接触钻具本体内的凹槽端面402时，即达到推车2能够在凹槽内前行的最大距离，在此距离下，推靠板虽然被支撑杆3撑起，在钻具表面形成下部向上翘起的突出状，但是推靠板1的内侧边缘应当仍然保持在钻具本体4的凹槽内，以使得推靠板1不会和钻具本体4发生分离，避免形成空隙(如图7所示)。由于推靠板1始终不会被推出钻具本体凹槽的设计，隔离了钻井液中的大颗粒岩屑，仅允许液态的钻井液进入推靠执行机构内部，使得销轴始终处于钻井液的润滑之下。最大推出距离的设计可以通过对限位杆11长度、支撑杆3长度和支撑杆3上枢接位置的距离等的限定达到上述效果，距离的具体数值可以根据钻具的大小和钻井空间的大小实际调整，并不构成对本发明的限制。从。此外，当推靠机构不工作时，压缩的弹簧12将推车2推回初始位置，保证推靠板1与钻具本体4处于贴合状态，以防止起下钻过程中发生卡钻。

推靠板1的外表面优选为弧形，即构成弧形推靠板。推靠板1的弧面分为上下两部分，上部弧面104较长、下部弧面105较短(端部为端部弧面107)，其中下部弧面105用于和井壁直接接触。下部弧面105的弧面半径与井壁半径一直，保证接触时下部弧面105与井壁处于贴合状态，从而增加了接触面积，降低了表面压强，进而降低了推靠板1与井壁磨损，进一步提升了推靠执行机构的使用寿命，同时有效地提升了钻具推靠井壁时的稳定性，并可获得良好的井眼质量。推靠板1的下部圆弧表面可使用镶嵌硬质合金块、PDC耐磨块或堆焊耐磨合金层等方式提升耐磨性。本实施例中，该推靠执行机构由钻具本体4、推杆6、推车2、支撑杆3、推靠板1、圆柱销形成连杆机构，在上部施力机构施加给推杆6的力恒定时，依据杠杆原理，支撑杆3的孔距(如图6所示)便决定了推靠弧板下部圆弧推靠井壁的力大小，故该推靠执行机构可根据实际钻井工艺和地层条件的需要，通过更换不同孔距的支撑杆对推靠力进行调节，因而具有更佳的适用性。

本发明实施例提供的推靠执行机构，可以应用在各种钻具当中，如图1所示的即为钻具的一部分，推靠执行机构包括多个，围绕着钻具本体表面的周向分布。其中，钻具系统的类型包括但不限于以下几种：

1、用于自动垂直钻井系统

该推靠执行机构可用于推靠式自动垂直钻井系统，当井斜感应装置测得井眼轨迹发生倾斜时，在上部电控系统和施力机构的控制下，以液压或机械的方式向推杆施加推力，进而推动该推靠执行机构推向井壁高边，在井壁反作用力的作用下，钻头在井眼低边一侧加剧切削，是钻进方向回复垂直。

2、用于旋转导向系统

该推靠执行机构可用于旋转导向钻井系统，旋转导向钻井系统在地面工程师的指令下，由施力机构向推杆施加推力，使该推靠执行机构推向井壁，实现定向钻进或导向钻进。

3、用于非开挖导向钻具

该推靠执行机构可用于非开发导向钻具，非开发导向钻具在钻井工程师的控制下将该推靠执行机构推向井壁实现非开挖导向钻进。

4、其他可能的使用情况

该推靠执行机构可根据钻具或其他机具的设计要求，应用于其他使用情况。

以上对本发明所提供的导向钻具用推靠执行机构及钻具进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。