一種捷聯式穩定平台裝置

《一種捷聯式穩定平台裝置》是中國石化集團勝利石油管理局鑽井工藝研究院於2005年8月26日申請的發明專利，該專利申請號為2005100445097，公布號為CN1730896，專利公布日為2006年2月8日，發明人是呂官雲、孫峰、楊全進、李作會、劉慶龍、孫莉莉，該發明涉及一種在石油鑽井工程中用於實現旋轉導向鑽井的捷聯式穩定平台裝置。

《一種捷聯式穩定平台裝置》包括電源短節、測控短節和伺服短節，捷聯式穩定平台固聯在鑽鋌上。電源短節為一發電裝置和/或一個或多個蓄電池組，伺服短節包括一個旋轉變壓器和一個電動機。該捷聯式穩定平台裝置具有輸出力矩較大，且不受泥漿排量的影響，不但可以準確實現旋轉導向，而且可以在井下穩定可靠的工作。

2010年11月15日，《一種捷聯式穩定平台裝置》獲得第十二屆中國專利獎優秀獎。

（概述圖為《一種捷聯式穩定平台裝置》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種捷聯式穩定平台裝置
• 公布號：CN1730896
• 公布日：2006年2月8日
• 申請號：2005100445097
• 申請日：2005年8月26日
• 申請人：中國石化集團勝利石油管理局鑽井工藝研究院
• 地址：山東省東營市東營區北一路236號
• 發明人：呂官雲、孫峰、楊全進、李作會、劉慶龍、孫莉莉
• 代理機構：北京市中實友智慧財產權代理有限責任公司
• 代理人：羅文遠
• Int.Cl.：E21B7/00(2006.01)、E21B44/00(2006.01)、E21B17/10(2006.01)
• 類別：發明專利

專利背景

鑽井方式需求的變化促使鑽井工具也在不斷地改進。早期直井鑽井，所用的井下工具主要是為了“防斜打直”。傳統的防斜糾斜組合工具有塔式鑽具組合、鐘擺鑽具組合、滿眼鑽具組合、偏心鑽鋌防斜鑽具組合、HCY防斜裝置。比較新型的防斜糾斜鑽具組合主要有基於力學理論分析的柔性鑽具組合、大鑽壓下鑽柱螺旋屈曲和渦動動力防斜模型、高效防斜技術接頭。隨著定向井、水平井鑽井技術的生產套用日益增多，各種相應的井下導向工具相繼出現。早期使用的是轉盆鑽進造斜工具，如槽式變向器、套筒性方位控制器及各種特殊結構鑽頭等，截至2005年8月，套用最為廣泛的是井下動力鑽具。利用2005年8月之前的動力導向技術不利於PDC鈷頭的選擇，“滑動”方式下大摩阻的存在使井底工具面的控制難度加大，不能實現井眼大位移延伸，以及對井眼軌跡的精確控制。對於大斜度井和大位移井，常規動力鑽具已很難甚至不可能滿足需要，因而出現了連續旋轉導向的井下工具。要完成複雜井眼軌跡，尤其是真正實現井下閉環控制，傳統鑽井工具已不能滿足要求，必須研製更加靈活的全方位可調的旋轉導向井下工具其核心是能在旋轉狀態下按控制指令動作改變作用在鑽頭的合力或改變鑽具偏心程度的穩定平台裝置。

英國專利說明書GB2298217（1996年8月28日公布）中公開了一種用於旋轉導向系統的單軸式穩定平台裝置，主要包括扭矩發生器和控制元件腔兩部分控制元件腔安裝有測量元件、測控電路及井下微電腦。扭矩發生器部分的壓力腔外面裝有一單級軸流式轉子，轉子結構體上帶有水久性磁極。在鑽井液驅動下，轉子旋轉，從而形成一個旋轉磁場。在扭矩發生器的壓力腔內部裝有電樞繞組。一旦電路閉合，繞組中就有電流存在。在旋轉磁場的作用下控制軸上就存在一與旋轉磁場同方向的轉矩。該扭矩作用在控制軸上，改變穩定平台的空間旋轉方位，從而實現空間穩定。但是由於該穩定平台裝置與鑽鋌之間具有相對轉動，平台及發電機兩端的軸承浸泡在鑽井液中，故磨損嚴重，壽命較短，且該單軸穩定平台的輸出力矩相對較小。此外，該裝置的輸出力矩直接受泥漿排量影響：由於這種單軸式穩定平台裝置結構較長，故在管內安裝的同軸度很難保證。

發明內容

專利目的

《一種捷聯式穩定平台裝置》的目的在於提供一種輸出力矩較大的捷聯式穩定平台裝置。

技術方案

《一種捷聯式穩定平台裝置》包括電源短節、測控短節和伺服短節，所述捷聯式穩定平台裝置固聯在鑽鋌上，也就是說該捷聯式穩定平台裝置不會相對於鑽鋌進行相對轉動。

所述電源短節可以為一發電裝置和/或一個或多個蓄電池組。在該電源短節為一發電裝置時，葉輪固定於電源短節的電源短節驅動軸上，在葉輪的入口安裝有過濾裝置，葉輪與鑽鋌之間裝有導流筒。所述的伺服短節包括旋轉變壓器和電動機，旋轉變壓器用於檢測伺服短節驅動軸的空間方位，並將所測方位信號傳遞給測控短節。電源短節和伺服短節的轉子線圖和定子線圈以及旋轉變壓器均浸泡在液壓油中。在伺服短節的電動機的下方可串接一個或多個變速箱，以改變其輸出力矩。

改善效果

《一種捷聯式穩定平台裝置》具有的有益效果是：這種結構是固聯在鑽鋌內，故兩端不需要用於旋轉支撐的軸承部件，從而增強了穩定平台裝置的工作可靠性，且對同軸度要求較低；該結構中米用電動機輸出驅動力矩的模式，因而輸出力矩大，且不受鑽井液排量的影響：葉輪只是為電源短節的發電提供必要的轉速，故不再需要對其有準確可控的扭矩要求；電源短節內的發電機及伺服短節內的電動機、旋轉變壓器全部在液壓油中工作，從而降低了發電機旋轉變壓器和電動機的製造難度，增加了工作可靠性。該發明不但可以準確實現旋轉導向，而且可以在井下穩定可靠的工作。

附圖說明

圖1是《一種捷聯式穩定平台裝置》剖面圖；

圖2是捷聯式穩定平台裝置的示意圖；

圖3是捷聯式穩定平台裝置的剖面圖；

圖4是捷聯式穩定平台裝置上扶正器的剖面圖；

圖5是捷聯式穩定平台裝置下扶正器的剖面圖。

權利要求

1、《一種捷聯式穩定平台裝置》包括電源短節（10）、測控短節（11）和何服短節（12），其特徵在於：所述捷聯式穩定平台裝置（7）固聯在鑽鋌（2）上。

2、如權利要求1所述的捷聯式穩定平台裝置，其特徵在於：所述的固聯是通過彈簧壓環（15）、壓緊彈簧（16）及座鍵環（47）或通過螺紋連線或螺栓固定實現的。

3、如權利要求1所述的捷聯式穩定平台裝置，其特徵在於：所述電源短節（10）為一發電裝置和/或一個或多個蓄電池組。

4、如權利要求1所述的捷聯式穩定平台裝置，其特徵在於：在伺服短節（12）的電動機的下方可串接一個或多個變速箱。

5、如權利要求3所述的捷聯式穩定平台裝置，其特徵在於：葉輪（9）固定於電源短節（10）的電源短節驅動軸（24）上，在葉輪（9）的入口安裝有過濾裝置葉輪（9）與鑽鋌（2）之間裝有導流筒（19）。

6、如權利要求1或5所述的捷聯式穩定平台裝置，其特徵在於：所述的伺服短節（12）包括旋轉變壓器（39）和電動機，旋轉變壓器（39）用於檢測伺服短節輸出軸（48）的空間方位，並將所測方位信號傳遞給測控短節（11）。

7、如權利要求6所述的捷聯式穩定平台裝置，其特徵在於：所述電源短節（10）和伺服短節（12）的轉子線圈和定子線圈以及旋轉變壓器（39）均浸泡在液壓油中。

8、如權利要求5所述的捷聯式穩定平台裝置，其特徵在於：所述的葉輪（9）為一級或多級軸流式或徑流式結構。

9、如權利要求7所述的捷聯式穩定平台裝置，其特徵在於：其還包括上扶正器（21）和下扶正器（45）。

10、如權利要求7所述的捷聯式穩定平台裝置，其特徵在於：上堵頭（23）安裝在電源短節（10）的上端，下培頭（43）安裝在伺服短節（12）的下端，在上堵頭（23）和下堵頭（43）上分別設定上、下旋轉密封（22，44）。

11、如權利要求10所述的捷聯式穩定平台裝置，其特徵在於：所述電源短節（10）、測控短節（11）和伺服短節（12）分別包括電源短節抗壓筒（26）、測控短節抗壓筒（33）和伺服短節抗壓筒（40），電源短節抗壓簡（26）、測控短節抗壓簡（33）和伺服短節抗壓筒（40）分別設定在各自短節的外側。

實施方式

圖1所示為裝有該發明捷聯式穩定平台裝置的實時導向鑽井系統的鑽進過程剖面圖。眾所周知，井下鑽具組合包含鑽頭1，安裝在鑽鋌2的下部，通過井台4上的轉盤3驅動旋轉，轉盤由鑽機5驅動，起下鑽和施加鑽壓通過天車6完成。通過捷聯式穩定平台裝置7控制偏置單元8中的執行機構，自動控制井眼軌跡按設計的井斜、方位延伸。

圖2是捷聯式穩定平台裝置的示意圖。捷聯式穩定平台裝置7固聯在鑽鋌2上，葉輪9安裝在捷聯式穩定平台裝置7的上端，與捷聯式穩定平台裝置7有相對轉動，電源短節10安裝在測控短節11和葉輪9之間，為測控短節11和伺服短節12提供電能，測控短節11測量捷聯式穩定平台裝置7的旋轉空間方位伺服短節12安裝在測控短節11的下端，測量伺服短節輸出軸48（參見圖3）的旋轉空間方位和施加力矩，偏置單元8下部與鑽頭相連，上部通過侗服短節輸出軸48與捷聯式穩定平台裝置7相連，在捷聯式穩定平台裝置7的控制下，伺服短節12驅動偏置單元8，利用盤閥13和活塞14驅動翼肋推靠井壁，產生具有一定大小和方向的側向推靠力，自動控制井眼按設計的井斜、方位延伸。

圖3是捷聯式穩定平台裝置的剖面圖。捷聯式穩定平台裝置7與鑽鋌2之間通過彈簧壓環15、壓緊彈簧16及座鍵環47實現固聯。當然也可以通過在鑽鋌上開螺栓孔或在鑽鋌內利用螺紋聯結等其它聯結方式實現將捷聯式穩定平台裝置7固聯到鑽鋌2上。葉輪9與捷聯式穩定平台裝置7具有基本相同的中軸線，在鑽井液的驅動下，葉輪9繞該中軸線旋轉。過流的鑽井液通過捷聯式穩定平台裝置7與鑽鋌2之間的環空流入偏置單元8。葉輪9至少為一級或多級軸流式或徑流式結構，以達到電源短節10所需的轉速要求。葉輪9進口安裝有濾網17，濾除鑽井液中大顆粒固相物質。葉輪9上端裝有葉輪壓帽18，將葉輪9固定到電源短節驅動軸24上。葉輪9與鑽鋌2之間裝有導流筒19，固定濾網17和上扶正器21。在上扶正器21和電源短節10之間設定一個上堵頭23，放置上旋轉密封22，防止電源短節10內的液壓油泄。上堵頭23與電源短節10螺紋聯結。電源短節10包含浸泡在液壓油中電源短節永久磁鐵27和電源短節定子線圈25，電源短節水久磁鐵27固定在電源短節驅動軸24上，電源短節定子線圈25均布在電源短節抗壓筒26內筒壁上。葉輪9與電源短節10通過電源短節驅動軸24相連。通過葉輪9的高速旋轉使得電源短節10能夠為測控短節11和服短節12提供所的電能。當然也可以通過加裝蓄電池或其它形式的電源來實現為測控短節11和伺服短節12提供電能。電源短節驅動軸24進入電源短節10的界面採用上旋轉密封22，通過上密封壓環20壓緊上旋轉密封22。電源短節抗壓筒26與上接頭30通過螺紋連線。上接頭30內採用上增壓彈簧31和上浮動活塞29結構維持密封效果。上接頭30上開有上注油塞32。在電源短節10與測控短節11中設有走線通道，在電源短節10一端開有電源接頭。測控短節11中含有磁通門、加速度計、速率陀螺和微處理器。在靠近測控短節11端設有數據和電源接口。旋轉變壓器39安裝在伺服短節輸出軸48上。電動機水久磁鐵41固定在侗服短節輸出軸48上，電動機定子線圈42均布固定在伺服短節抗壓筒40的內簡壁上。旋轉變壓器39，電動機永久磁鐵41和電動機定子線圈42浸泡在液壓油中。伺服短節12與偏置單元8通過伺服短節輸出軸48相連，伺服短節輸出軸48伸出伺服短節12的界面採用下旋轉密封44。通過伺服短節輸出軸48為偏置單元8傳遞所的扭矩，當然為了改變輸出力矩要求，這裡可以通過加裝變速箱或其它改變力矩的形式來實現。通過下密封壓環46壓緊下旋轉密封44。何服短節抗壓筒40與下接頭36通過螺紋連線。下接頭36內採用下增壓彈簧34和下浮動活塞35結構維持密封效果。下接頭36上開有下注油塞37。在下扶正器45和伺服短節12中間放置一個下堵頭43，在下堵頭43上裝有下旋轉密封44。下堵頭43與何服短節12之間螺紋聯結。電源短節，10側控短節11和侗服短節12.分別包括電源短節抗壓筒26、測控短節抗壓筒33和伺服短節抗壓筒40，電源短節抗壓筒26、測控短節抗壓筒33和伺服短節抗壓筒40分別設定在各自短節的外側。

圖4和圖5分別是捷聯式穩定平台裝置上，下扶正器的剖面圖。上扶正器21和下扶正器45分別對捷聯式穩定平台裝置7起到對正同心的作用，同時過流的鑽井液分別通過上扶正器21，下扶正器45與鑽鋌2之間的通孔流入捷聯式穩定平台7與鑽鋌2之間的環空，再進入鑽頭1。

該裝置的使用操作過程是：鑽頭鑽進過程中，具有一定排量和壓力的鑽井液首先通過裝置的濾網，經過濾的鑽井液推動葉輪旋轉，帶動電源短節工作為測控短節和侗服短節提供所的電能。流過葉輪的鑽井液通過裝置和鑽鋌之間的環空流入偏置單元和鑽頭，再通過鑽鋌與井壁之間的環空返回地面完成循環。電源短節起到發電機的作用，通過葉輪轉動，使得固定在電源短節驅動軸上的水久磁鐵和安裝在電源短節內筒壁的電樞線圈相互作用，產生所需的電能。測控短節實際上是一個測量控制單元，含有磁通門、重力加速度計、速率陀螺微處理器以及相關的各種電路。它可以實時檢測並接收各種感測器信號並進行相應的處理，並發出相應的控制指令。伺服短節主要是一個執行單元，它由旋轉變壓器和電動機組成。其中旋轉變壓器用於檢測伺服短節驅動軸的空間方位並將方位信號傳給測控短節。電動機則是根據測控短節的控制指令，不斷地調整伺服短節驅動軸的旋轉空間方位。位於測控短節中的磁通門、重力加速度計、速率陀螺和旋轉變壓器可探測到動態條件下的井斜、方位以及裝置的狀態參數並將信息傳送給微處理器，該微處理器經過分析判斷，如果工作狀態與設定值存在偏差，就輸出控制指令給伺服短節，控制伺服短節中的電動機，通過連續改變伺服短節驅動軸的空間方位，對近鑽頭的偏置單元進行控制，這樣使井鑽具靠近鑽頭處受到一個橫向集中力的作用，這一橫向集中力使鑽頭產生一定的偏置力，從而使井眼回到預定的軌道上來。

榮譽表彰

2010年11月15日，《一種捷聯式穩定平台裝置》獲得第十二屆中國專利獎優秀獎。