一种机电一体化自动垂直钻井工具

1.本实用新型涉及油气钻井井下工具技术领域，尤其涉及一种机电一体化自动垂直钻井工具。


背景技术：

2.井斜是钻井过程中不可避免的问题，尤其在具有挑战的钻井应用中保持垂直特别重要，它制约着石油钻井与地质钻探行业的技术进步，因此自动垂直钻井技术成为当今石油钻井行业的世界性难题，也是科学地质钻探的挑战之一。
3.自动垂直钻井工具的研究源于1990年德意志联邦共和国大陆深部钻探计划(ktb)，其旨在更好地了解大陆内部构造的演化动力学。目前国际上已经进入商业应用阶段且具有代表性的自动垂直钻井工具主要有schlumberger公司的power v钻具、baker hughes公司的 verti trak钻具、smart drilling公司的zbe2/3/45000钻具以及scoutdownhole公司的纯机械垂钻工具等，国外几家大公司拥有更加成熟的垂钻工具和相关技术，但这些技术对我国是封锁的，不仅难以引进技术，就连购置设备都很困难，尤其是长期以来广为诟病的过于昂贵的服务。其最大的缺点是系统的电磁阀、液压缸等元件易磨损、卡死，导致各种系统故障。
4.目前，国内已经独立开展了独立垂直钻井技术的研究，其研发产品也已经推出，如中石油渤海钻探工程技术研究院研发的 bh-vdt5000钻具、中石油西部钻探钻井工程技术研究院研发的 xz-avds钻具、中石化胜利研究院研发的捷联式自动垂直钻井系统和upc-vds钻具、宝鸡石油机械有限责任公司与西安石油大学合作研制的全旋转推靠式自动垂直钻井工具等。国内多家单位进行了自动垂直钻井工具的研究开发，且进行了现场应用，综合性能参数达到了设计要求，但国产的垂钻工具多为机、电、液压结合或纯机械垂钻工具，并且在稳定性、零部件耐用性、可靠性及应用寿命方面还需要进一步提高。
5.由于我国拥有像新疆油田、塔里木油田、青海油田等很多钻探区域，对垂钻的需求量大而迫切，所以需要研究一种既能克服国外高成本及易故障的缺点，又不同于国内工具结构的自动垂直钻井工具，这对提高钻井速度、降低钻井成本、顺利实现勘探开发目标具有极其重要的现实意义。
6.为此，设计一种机电一体化自动垂直钻井工具，解决以上问题。


技术实现要素：

7.本实用新型为克服以上不足，提供一种机电一体化自动垂直钻井工具，包括上下螺纹固定连接的上壳体和下壳体，所述上壳体与所述下壳体形成的内腔从上至下依次设有上动力单元、上支撑单元、测控及下动力单元、中支撑单元、偏重块、下支撑单元和执行单元；
8.所述上动力单元包括上支撑轴和井下涡轮发电机，所述井下涡轮发电机通过轴承套装在所述上支撑轴上；
9.所述上支撑单元包括上支撑套，所述上支撑套套接在所述上支撑轴下部且所述上支撑套径向通过螺栓与所述上壳体固定连接，所述上支撑套与所述上支撑轴之间设有均进行动密封的上深沟球轴承和上推力球轴承，所述上支撑套上开设有上下贯通的上钻井液通道；
10.所述测控及下动力单元包括安装壳和中支撑轴，所述安装壳顶部开口与所述上支撑轴顶接，所述安装壳内部固定安装设有与所述井下涡轮发电机电连接的控制电路、测量面角工具、井斜角三轴重力加速度计和步进电机，所述中支撑轴与所述步进电机的输出轴固定连接；
11.所述中支撑单元包括中支撑套，所述中支撑套套接在所述中支撑轴下部且所述中支撑套径向通过螺栓与所述上壳体固定连接，所述中支撑套与所述中支撑轴之间设有均进行动密封的中深沟球轴承和中推力球轴承，所述中支撑套上开设有上下贯通的中钻井液通道；
12.所述偏重块顶部开口与所述中支撑轴顶接，所述偏重块的重心不位于所述偏重块的中轴线上；
13.所述下支撑单元包括下支撑套，所述下支撑套套接在所述偏重块下部且所述下支撑套径向通过螺栓与所述上壳体固定连接，所述下支撑套与所述偏重块之间设有均进行动密封的下深沟球轴承和下推力球轴承，所述下支撑套上开设有上下贯通的下钻井液通道；
14.所述执行单元包括执行机构、上盘阀、下盘阀、预压弹簧和多个推靠板，所述上盘阀固定连接在所述偏重块底部，所述上盘阀上开设有上下贯穿所述上盘阀的通孔，所述通孔与所述偏重块的重心位置分处所述偏重块两侧，所述下盘阀上设有多个导流通道，所述预压弹簧设置在所述下盘阀与所述下壳体之间，在所述预压弹簧的压力作用下使所述下盘阀与所述上盘阀接触贴紧，所述通孔的规格大小以只能与一个所述导流通道连通为准，所述推靠板通过所述执行机构与所述导流通道一对一连通；
15.优选的，所述推靠板设置有三个。
16.本实用新型的有益效果是：
17.本实用新型所述的一种机电一体化自动垂直钻井工具与传统机、电、液压结合的自动垂直钻井工具比较，不需要控制系统完成把工具面角控制在井高边的功能，大大简化了控制系统的软硬件；所述的一种机电一体化自动垂直钻井工具可通过工具的自主式制导，完成近钻头处井深轨迹的井斜角、工具面角的测量、垂直井眼的自主纠斜与稳直，具有可靠性高、成本低、实用性强的优点。
附图说明
18.图1为本实用新型的结构示意图；
19.图2为本实用新型的主视图；
20.图3为本实用新型的俯视图；
21.图4为图3中a-a向剖面示意图；
22.图5为本实用新型所述偏重块的结构示意图；
23.图6为本实用新型所述偏重块的仰视图；
24.图7为本实用新型所述上盘阀的结构示意图；
25.图8为本实用新型所述上盘阀的主视图；
26.图9为本实用新型所述上盘阀的主视图仰视图；
27.图10为本实用新型所述下盘阀的结构示意图；
28.图11为本实用新型所述下盘阀的俯视图；
29.其中：
30.1-上壳体；2-下壳体；3-推靠板；4-上支撑轴；5-井下涡轮发电机； 6-安装壳；7-中支撑轴；8-偏重块；
31.9-上盘阀；901-通孔；
32.10-下盘阀；1001-导流通道；
33.11-预压弹簧；12-上钻井液通道；13-上深沟球轴承；14-上推力球轴承；15-中钻井液通道；16-中深沟球轴承；17-中推力球轴承；18
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下钻井液通道；19-下深沟球轴承；20-下推力球轴承。
具体实施方式
34.以下将结合本实用新型的实施例参照附图进行详细叙述。
35.一种机电一体化自动垂直钻井工具，包括上下螺纹固定连接的上壳体1和下壳体2，所述上壳体1与所述下壳体2形成的内腔从上至下依次设有上动力单元、上支撑单元、测控及下动力单元、中支撑单元、偏重块8、下支撑单元和执行单元；
36.所述上动力单元包括上支撑轴4和井下涡轮发电机5，所述井下涡轮发电机5通过轴承套装在所述上支撑轴4上；
37.所述上支撑单元包括上支撑套，所述上支撑套套接在所述上支撑轴4下部且所述上支撑套径向通过螺栓与所述上壳体1固定连接，所述上支撑套与所述上支撑轴4之间设有均进行动密封的上深沟球轴承13和上推力球轴承14，所述上支撑套上开设有上下贯通的上钻井液通道12；
38.所述测控及下动力单元包括安装壳6和中支撑轴7，所述安装壳 6顶部开口与所述上支撑轴4顶接，所述安装壳6内部固定安装设有与所述井下涡轮发电机5电连接的控制电路、测量面角工具、井斜角三轴重力加速度计和步进电机，所述中支撑轴7与所述步进电机的输出轴固定连接；
39.所述中支撑单元包括中支撑套，所述中支撑套套接在所述中支撑轴7下部且所述中支撑套径向通过螺栓与所述上壳体1固定连接，所述中支撑套与所述中支撑轴7之间设有均进行动密封的中深沟球轴承16和中推力球轴承17，所述中支撑套上开设有上下贯通的中钻井液通道15；
40.所述偏重块8顶部开口与所述中支撑轴7顶接，所述偏重块8的重心不位于所述偏重块8的中轴线上；
41.所述下支撑单元包括下支撑套，所述下支撑套套接在所述偏重块 8下部且所述下支撑套径向通过螺栓与所述上壳体1固定连接，所述下支撑套与所述偏重块8之间设有均进行动密封的下深沟球轴承19 和下推力球轴承20，所述下支撑套上开设有上下贯通的下钻井液通道18；
42.所述执行单元包括执行机构、上盘阀9、下盘阀10、预压弹簧 11和多个推靠板3，所
述上盘阀9固定连接在所述偏重块8底部，所述上盘阀9上开设有上下贯穿所述上盘阀9的通孔901，所述通孔901 与所述偏重块8的重心位置分处所述偏重块8两侧，所述下盘阀10 上设有多个导流通道1001，所述预压弹簧11设置在所述下盘阀10 与所述下壳体2之间，在所述预压弹簧11的压力作用下使所述下盘阀10与所述上盘阀9接触贴紧，所述通孔901的规格大小以只能与一个所述导流通道1001连通为准，所述推靠板3通过所述执行机构与所述导流通道1001一对一连通；
43.优选的，所述推靠板3设置有三个。
44.工作原理：
45.所述上壳体1顶部通过螺扣固定连接mwd短节，所述下壳体2 底部固定连接钻头，钻井液不断冲刷所述井下涡轮发电机5来为测控元器件、步进电机等提供电力。
46.当监测到井斜发生时，其内部的所述控制电路会控制所述步进电机停止工作，此时，所述偏重块8会自动偏转并保持在井眼低边位置，同时带动所述上盘阀9的所述通孔901停留在井眼高边，此时钻井液在经过所述通孔901、所述导流通道1001，会不断的将所述推靠板3 推向井眼高边的井壁，在推靠反作用力的作用下，钻头在井眼底部低边的切削加剧，井眼轨迹逐步回复至垂直方向，此即为机械纠斜。
47.当测控模块监测到井斜被纠正，或未发生井斜时，其内部所述控制电路会控制所述步进电机开始工作，此时，偏重机构会带动所述上盘阀9，与钻柱以不同的某一转速做匀速转动，这时在360
°
工具面角的方向上，所述推靠板3会不断伸出并推靠井壁，综合作用会表现为不纠斜，亦即稳直钻进，此即为电控稳直。
48.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
49.在本实用新型的描述中，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，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
50.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。