一种液压式连续油管钻井用螺杆调向器的制作方法

1.本发明涉及钻井工具技术领域，尤其涉及一种液压式连续油管钻井用螺杆调向器。


背景技术：

2.目前，现有钻井技术有：钻机钻井、顿钻钻井、连续管钻井等，连续管钻井与常规钻机钻井相比具有如下优点，1、控制压力能力强，能在欠平衡条件下安全、高效地钻井。2、适合于现有井的加深钻井和侧钻作业，与常规钻井设备或修井设备达到同样的目标相比，用连续油管可以节约费用25%～40%。3、容易提高钻井工艺自动化水平，操作人员少。4、装备的机动性好，安装、拆卸容易，节约时间。5、起下钻快，钻进快，钻井作业周期短。6、地面设备占地少，适合于地面条件受限制的地区或海上平台作业。7、连续油管的挠性好，能钻短弯曲半径的水平井。8、地面设备少，噪音低，污物溢出量少，对环境影响小。
3.如图1所示，现有连续管钻井钻具组合由丢手器、mwd(lwd)、震击器、调向器和螺杆等组成，可提供井下作业破岩动力、调整钻具工具面、以及测量工程参数。其中，调向器是连续管定向钻井的核心工具之一，钻井过程中通过调向器调整井下螺杆工具面达到所需的工程参数，从而控制井眼轨迹。
4.连续管调向器通过其动力来源与数据传输方式分为无缆式调向器和有缆式调向器。其中，无缆式调向器即为泥浆脉冲式调向器，需要不停的给井下打泥浆脉冲来实现，此类调向器结构简单、成本较低，但调向周期长、精度低，且容易受到钻井液类型影响；有缆式调向器分为电液控调向器和电控调向器，此类调向器定向精度较高，且数据传输速度快，其中，电控调向器结构更为简单，成本较低，但是测量工具面困难，且电机容易受负载（螺杆）的影响，一旦憋钻导致电机烧毁，在复合钻时，完全靠电机来带动马达，连续旋转，很容易出现故障；并且内外压力不平衡，在扭矩传递过程中，扭矩损失很多；而液压式调向器属于电液控调向器，它通过液压装置来工作，电机不受螺杆的影响，然而，现有的调向器无法实现对螺杆工具面进行实时精准的调节，且具有定向精度相对较低，无法实现复合钻井等缺陷。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种液压式连续油管钻井用螺杆调向器，以解决现有调向器无法对螺杆工具面进行实时监控，无法实施精准调节的问题。
6.基于上述目的，本发明提供了一种液压式连续油管钻井用螺杆调向器，包括依次连接的上部钻铤、中部钻铤和下接头，上部钻铤与中部钻铤内设有泥浆的流动通道，所述上部钻铤内设有依次连接的承压密封舱、高压隔离舱和液压油舱，且高压隔离舱对液压油舱内的液压油形成隔离限位以防止液压油流入承压密封舱，所述承压密封舱内设有控制电路，液压油舱内由上到下依次设有平衡活塞、液压总成、减速机、设于减速机输出端的输出轴和设于输出轴上且用于测量螺杆工具面角的检测机构，所述液压总成和减速机均与控制电路电连接，所述输出轴的输出端贯穿液压油舱下端的封堵结构且延伸入中部钻铤内，所
述中部钻铤内设有用于传动连接输出轴的输出端及下接头的输入端且对下接头进行辅转的传动辅转组件。
7.优选的，所述液压总成包括设于液压油舱内的高速电机、齿轮泵、第一高压油管、三通、限压阀、第二高压油管和液压马达，所述高速电机的输出端与齿轮泵连接，所述齿轮泵通过第一高压油管与三通的第一接口连接，所述液压马达通过第二高压油管与三通的第二接口连接，所述限压阀安装于三通的第三接口上，所述液压马达通过齿合器与减速机的输入端连接，所述控制电路与高速电机电连接。
8.优选的，所述液压总成还包括设于液压油舱内的总成外壳，所述高速电机、齿轮泵、第一高压油管、三通、限压阀和第二高压油管均设于总成外壳内，所述总成外壳朝向平衡活塞的一端设有上盖。
9.优选的，所述减速机为行星减速机，具有运转平稳，减速比大的特点，一级减速就能达到目的，减速后转速控制在1rpm/min。
10.优选的，所述液压油舱的上端设有泥浆口，所述平衡活塞远离泥浆口的一端设有弹簧，弹簧远离平衡活塞的一端与上盖连接，平衡活塞通过在液压油舱内来回运动以调节位于平衡活塞两侧的液压油压力与泥浆压力相平衡。所述弹簧优选为拉簧，确保液压油舱内部的液压油始终是填满油仓。
11.作为一种可选的实施形式，所述平衡活塞将液压油舱内腔分为泥浆腔体和液压油腔体，泥浆口连通平衡活塞背离液压总成一侧的泥浆腔体。
12.优选的，所述液压油舱内还设有导线管，导线管的两端分别与高压隔离舱和上盖相连通，且所述上盖设有可穿过导线的密封结构。
13.优选的，所述导线管贯穿平衡活塞的中心孔，且导线管与高压隔离舱及平衡活塞之间均设有密封圈。
14.优选的，所述承压密封舱内设有电路仓和分别设于电路仓两端的中心接头与连接器，所述控制电路设于电路仓内，所述中心接头与控制电路电连接，所述高速电机和检测机构均与连接器连接。所述中心接头连接上端的mwd(lwd)的硬链接或者来自连续油管的丢手器帽连接。
15.优选的，所述高压隔离舱内设有承压密封座，所述承压密封座上设有密封圈和密封座，所述高压隔离舱的侧壁设有第一注油嘴。
16.优选的，所述封堵结构为防转堵头，所述输出轴的输出端贯穿防转堵头与传动辅转组件连接，所述检测机构包括设于减速机与防转堵头之间的工具面传感器，所述减速机与防转堵头之间还设有第一单向轴承，且第一单向轴承外套于输出轴上。
17.作为一种可选的实施形式，防转堵头与液压油舱的连接处通过第一防转销钉连接。
18.作为一种可选的实施形式，所述传动辅转组件包括传动轴、轴套和设于中部钻铤下端内侧且外套接下接头上部圆柱面的轴承组，所述输出轴的输出端通过轴套与传动轴的输入端连接，所述传动轴的输出端与下接头的上端连接。
19.优选的，所述调向器还包括安装于下接头上端且分别设于轴承组两端的第一推力轴承锁紧组件和第二推力轴承锁紧组件，所述第一推力轴承锁紧组件包括第一推力轴承和锁紧螺母，所述第二推力轴承锁紧组件包括第二推力轴承和锁紧帽，所述传动轴的输出端
通过第一推力轴承及锁紧螺母与下接头的上端锁紧连接，所述轴承组和第二推力轴承通过锁紧帽进行锁紧密封，所述轴承组为单向轴承及滚珠轴承组。
20.作为一种可选的实施形式，所述上部钻铤与所述承压密封舱之间留有供泥浆流动的间隙通道，所述中部钻铤和下接头内均设有供泥浆通过的水眼。
21.作为一种可选的实施形式，所述上部钻铤与中部钻铤的连接端通过第二防转销钉连接。
22.本发明的有益效果：1、本发明通过液压总成与减速机构的结合，以及配合输出轴上设置的检测机构，能够对螺杆工具面进行实时监控，便于实现调向器实时精准的调节。上部钻铤与中部钻铤是本调向器内部机构的安装壳体，承担传递扭矩和钻压，隔离内部高压泥浆和环空泥浆，中部钻铤还是传动辅转组件的保护套，起到固定传动辅转组件和连接下接头的作用。本发明能够解决现有技术中的机械调向器的定向精度较差、不能连续定向、不能复合钻进、不能实时监控工具面、以及非液压模式缆控电机过载的技术问题。
23.2、将液压总成中的高速电机、齿轮泵、第一高压油管、三通、限压阀、第二高压油管均设置在总成外壳内，起到防护作用。在三通上安装限压阀，高压油驱动液压马达工作，如果负载卡死，产生过载，过高的油压将通过限压阀溢流，确保系统的安全，也保障高速电机和液压马达不会损坏。
24.3、在平衡活塞远离泥浆口的一端设置弹簧，弹簧采用拉簧，确保内部的液压油始终是填满油仓；平衡活塞用于平衡内外压力，使得内部液压油的压力始终和泥浆的压力一样，使得输出轴的两端压力平衡；可以确保输出扭矩完全作用到下接头上，当液压油舱的液压油满仓时，平衡活塞顶到头（视窗口的最上端），当欠油时，平衡活塞躲进视窗口内部而看不见。
25.4、检测机构采用工具面传感器，时时测量螺杆的工具面角；紧挨着工具面传感器设置两个单向轴承，起到扶正输出轴并防止输出轴反转。由于液压油舱内外压力平衡，所以输出扭矩无损失。在液压马达的作用下，输出轴连续旋转，进行复合钻进，起稳斜作用。
26.5、下接头上部安装有推力轴承，抵消纵向的钻具推力，下接头上部的圆柱面安装单向轴承和滚珠轴承组和推力轴承，轴承组和推力轴承通过锁紧帽进行锁紧和密封。轴承组的作用是扶正下接头，让下接头旋转灵活，又具有防止下接头反转的作用，而锁紧帽的作用是锁紧整个轴承组和下接头。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明的结构示意图；图2为图1中的上部钻铤的局部结构示意图；图3为图1中的上部钻铤与中部钻铤连接的局部结构示意图；图4为图1中的中部钻铤与下部钻铤连接的局部示意图；
图5为本发明的工作流程图。
29.图中标记为：1、中心接头；2、承压密封舱；3、控制电路；4、上部钻铤；5、密封圈；6、承压密封座；7、第一注油嘴；8、高压隔离舱；9、泥浆口；10、平衡活塞；11、弹簧；12、导线管；13、上盖；14、总成外壳；15、高速电机；16、齿轮泵；17、第一高压油管；18、限压阀；19、三通；20、第二高压油管；21、液压马达；22、齿合器；23、减速机；24、工具面传感器；25、第一单向轴承；26、第二单向轴承；27、液压油舱；28、防转堵头；29、第二注油嘴；30、第一防转销钉；31、轴套；32、输出轴；33、第二防转销钉；34、传动轴；35、中部钻铤；36、第一推力轴承；37、锁紧螺母；38、单向轴承及滚珠轴承组；39、第二推力轴承；40、锁紧帽；41、下接头。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
31.需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
32.需要说明的是，本发明中，上下是指整个仪器串立式排列，朝天为上，朝地为下，内外是指以仪器串本体为界，直径小于仪器本体表面的是内部，大于或等于仪器本体表面的是外部。
33.如图1、图2、图3和图4所示，一种液压式连续油管钻井用螺杆调向器，包括依次连接的上部钻铤4、中部钻铤35和下接头41，上部钻铤4与中部钻铤35内设有泥浆的流动通道，上部钻铤4内设有依次连接的承压密封舱2、高压隔离舱8和液压油舱27，且高压隔离舱8对液压油舱27内的液压油形成隔离限位以防止液压油流入承压密封舱2，承压密封舱2内设有控制电路3，液压油舱27内由上到下依次设有平衡活塞10、液压总成、减速机23、设于减速机23输出端的输出轴32和设于输出轴32上且用于测量螺杆工具面角的检测机构，所述液压总成和减速机23均与控制电路3电连接，所述输出轴32的输出端贯穿液压油舱27下端的封堵结构且延伸入中部钻铤35内，所述中部钻铤35内设有用于传动连接输出轴32的输出端及下接头41的输入端且对下接头41进行辅转的传动辅转组件。该调向器中，通过液压总成与减速机23的结合，以及配合输出轴32上设置的检测机构，能够对螺杆工具面进行实时监控，便于实现调向器实时精准的调节。将下接头41和单弯螺杆连接，可实现连续油管钻井。其中，上部钻铤4与中部钻铤35是本调向器内部机构的安装壳体，承担传递扭矩和钻压，隔离内部高压泥浆和环空泥浆，中部钻铤35还是传动辅转组件的保护套，起到固定传动辅转组件和连接下接头41的作用。
34.如图2和图3所示，液压总成包括设于液压油舱27内的高速电机15、齿轮泵16、第一
高压油管17、三通19、限压阀18、第二高压油管20和液压马达21，高速电机15的输出端与齿轮泵16连接，齿轮泵16通过第一高压油管17与三通19的第一接口连接，液压马达21通过第二高压油管20与三通19的第二接口连接，限压阀18安装于三通19的第三接口上，液压马达21通过齿合器22与减速机23的输入端连接，控制电路3与高速电机15电连接。在三通19上安装限压阀18，高压油驱动液压马达21工作，如果负载卡死，产生过载，过高的油压将通过限压阀18溢流，确保系统的安全，也保障高速电机15和液压马达21不会损坏。
35.如图1所示，承压密封舱2内设有电路仓和分别设于电路仓两端的中心接头1与连接器，控制电路3设于电路仓内，中心接头1与控制电路3电连接，高速电机15和检测机构均与连接器连接。电路仓的设置，对控制电路3起到防护作用，中心接头1连接上端的mwd(lwd)的硬链接（图中未画出）或者来自连续油管的丢手器帽，将电源和信号接入本调向器内。电路仓的下端安装有连接器（图中未画出），可连接液压油舱27内的高速电机15和检测机构。本发明中，控制电路3与中心接头1连接，将上端mwd(lwd)的电缆电压和控制信号输入到电路仓；电路仓的电路控制高速电机15的运转，并带动齿轮泵16（高压泵）工作，产生高压液体流，液压马达21和齿轮泵16通过高压油管路连接，高压液体流驱动液压马达21旋转，液压马达21输出经过减速机23减速，输出到下端的输出轴32上。
36.如图1和图2所示，高压隔离舱8内设有承压密封座6，承压密封座6上设有密封圈5和密封座，高压隔离舱8的侧壁设有第一注油嘴7。具体而言，高压隔离舱8上端接承压密封舱2，下端连接液压油舱27；高压隔离舱8内置一个承压密封座6，承压密封座6上安装密封圈5和密封塞，将隔离液压油舱27的液压油，确保电路稳定可靠工作。高压隔离舱8安装有第一注油嘴7，当需要抽真空和注油时，从第一注油嘴7抽真空和注油。
37.如图3所示，液压总成还包括设于液压油舱27内的总成外壳14，高速电机15、齿轮泵16、第一高压油管17、三通19、限压阀18和第二高压油管20均设于总成外壳14内，总成外壳14朝向平衡活塞10的一端设有上盖13。将液压总成中的高速电机15、齿轮泵16、第一高压油管17、三通19、限压阀18、第二高压油管20均设置在总成外壳14内，起到防护作用。
38.本实施例中，减速机23优选为行星减速机23，具有运转平稳，减速比大的特点，一级减速就能达到目的，减速后转速控制在1rpm/min。该减速机23设置在液压油舱27内，且靠近在液压油舱27内的下部。
39.进一步的，如图2所示，液压油舱27的上端设有泥浆口9，平衡活塞10远离泥浆口9的一端设有弹簧11 ，弹簧11远离平衡活塞10的一端与上盖13连接，平衡活塞10通过在液压油舱27内来回运动以调节位于平衡活塞10两侧的液压油压力与泥浆压力相平衡。弹簧11优选为拉簧，确保液压油舱27内部的液压油始终是填满液压油舱（无真空区块）。平衡活塞10用于平衡内外压力，使得内部液压油的压力始终和泥浆的压力一样，使得输出轴32的两端压力平衡；可以确保输出扭矩完全作用到下接头41上，当液压油舱27的液压油满仓时，平衡活塞10顶到头（视窗口的最上端），当欠油时，平衡活塞10躲进视窗口内部而看不见。
40.作为一种可选的实施形式，平衡活塞10将液压油舱27内腔分为泥浆腔体和液压油腔体，泥浆口9连通平衡活塞10背离液压总成一侧的泥浆腔体。
41.如图2和图3所示，液压油舱27内还设有导线管12，导线管12的两端分别与高压隔离舱8和上盖13相连通，且所述上盖13设有可穿过导线的密封结构。密封结构可以采用密封塞等结构实现，目的是避免液压油流入导线管12内。导线管12作为走线管，给导线提供一个
安全的通道，同时隔离泥浆和液压油。优选的，导线管12贯穿平衡活塞10的中心孔，且导线管12与高压隔离舱8及平衡活塞10之间均设有密封圈5，保证密封连接效果。
42.如图1和图3所示，封堵结构为防转堵头28，输出轴32的输出端贯穿防转堵头28与传动辅转组件连接，检测机构包括设于减速机23与防转堵头28之间的工具面传感器24，减速机23与防转堵头28之间还设有第一单向轴承25，且第一单向轴承25外套于输出轴32上。进一步的，第一单向轴承25与防转堵头28之间还设有第二单向轴承26，且第二单向轴承26外套于输出轴32上。紧挨着工具面传感器24设置两个单向轴承，起到扶正输出轴32并防止输出轴32反转。由于液压油舱27内外压力平衡，所以输出扭矩无损失。在液压马达21的作用下，输出轴32连续旋转，进行复合钻进，起稳斜作用。
43.如图3所示，防转堵头28与液压油舱27的连接处通过第一防转销钉30连接。起到防转及提高连接稳固的效果。防转堵头28上设有第二注油嘴29，当需要注油时，从第二注油嘴29注油。
44.如图1和图4所示，传动辅转组件包括传动轴34、轴套31和设于中部钻铤35下端内侧且外套接下接头41上部圆柱面的轴承组，输出轴32的输出端通过轴套31与传动轴34的输入端连接，传动轴34的输出端与下接头41的上端连接。输出轴32是一根圆轴，采用高强度金属制成。
45.优选的，该螺杆调向器还包括安装于下接头41上端且分别设于轴承组两端的第一推力轴承锁紧组件和第二推力轴承锁紧组件，第一推力轴承锁紧组件包括第一推力轴承36和锁紧螺母37，第二推力轴承锁紧组件包括第二推力轴承39和锁紧帽40，传动轴34的输出端通过第一推力轴承36及锁紧螺母37与下接头41的上端锁紧连接，轴承组和第二推力轴承39通过锁紧帽40进行锁紧密封，轴承组为单向轴承及滚珠轴承组38。下接头41上部安装有第一推力轴承36，抵消纵向的钻具推力，下接头41上部的圆柱面安装单向轴承及滚珠轴承组38和第二推力轴承39，单向轴承及滚珠轴承组38和第二推力轴承39通过锁紧帽40进行锁紧和密封。轴承组的作用是扶正下接头41，让下接头41旋转灵活，又防止下接头41反转的作用，而锁紧帽40的作用是锁紧整个轴承组和下接头41。
46.作为一种可选的实施形式，如图3所示，上部钻铤4与中部钻铤35的连接端通过第二防转销钉33连接。起到防转及提高连接稳固的效果。
47.作为一种可选的实施形式，上部钻铤4与承压密封舱2之间留有供泥浆流动的间隙通道，中部钻铤35和下接头41内均设有供泥浆通过的水眼，泥浆可以从水眼中顺利通过。
48.如图5所示，该液压式连续油管钻井用螺杆调向器的工作流程为：由地面行下达指令，可以复合钻进时，由调向器连续旋转，在复合模式下连续钻进；若不能复合钻进时，通过读取工具面传感器24采集的数据，计算角差后调向器旋转角度，当工具面传感器24采集的数据符合预定的正确数据，则在定向模式下连续钻进。
49.采用本实施例提供的液压式连续油管钻井用调向器，采用液压总成和减速机23的结合能够对螺杆工具面进行实时精准的调节，定向精度高、数据传输速度块，可以定向钻井也可以复合钻井，大大加快钻井速度，应用成本低。
50.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如
上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
51.本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。