一種工具面控制範圍恆為60°的導向裝置的製作方法
2023-05-29 13:50:41
本發明專利屬於礦場鑽井機械領域，具體涉及一種工具面控制範圍恆為60°的導向裝置，主要用於研製地質、石油和煤炭等各種礦藏導向鑽井工具，包括垂直鑽井工具和旋轉導向鑽井工具。
背景技術：
鑽井是發現或開採地下礦藏資源的必然途徑。根據設計井眼軌跡不同，礦藏井可劃分成直井、定向井(或斜井)和水平井。
為確保實鑽井眼軌跡沿著設計井眼軌跡鑽進，必須按照設計測斜井深或測斜間距測斜，並計算出實鑽井眼空間參數。如果實鑽井眼軌跡偏離設計井眼軌跡，那麼，就要利用特種鑽井工具(例如彎螺杆鑽具，旋轉導向鑽井工具等)調整井眼軌跡或改變井眼空間鑽進方向，使其回到設計井眼軌跡控制範圍內。在鑽井術語中，把利用特種鑽井工具調整井眼軌跡的方法稱之為定向，井眼軌跡所在平面上傾方向稱之為井眼高邊，特種鑽井工具所在平面稱之為工具面，二者之間夾角稱之為裝置角。工具面等於井眼高邊與裝置角二者之和，裝置角不同，定向鑽進結果迥異。當裝置角0°時，增井斜鑽進；當裝置角90°時，增方位鑽進；當裝置角180°時，降井斜鑽進；當裝置角270°時，減方位鑽進；當裝置角介於任意二者之間時，增(或降)井斜和/或增(或減)方位鑽進。
通常情況下，當井斜角＜3°時，採用磁性高邊定向法；當井斜角≥3°時，採用重力高邊定向法。所謂重力高邊定向法，就是井眼軌跡所在鉛垂平面上傾方向為井眼重力高邊，表示為0°，因此，簡單地認為工具面就是裝置角，可直接按照工具面定向鑽進。當工具面0°時，增井斜鑽進；當工具面90°時，增方位鑽進；當工具面180°時，降井斜鑽進；當工具面270°時，減方位鑽進；當工具面介於任意二者之間時，增(或降)井斜和/或增(或減)方位鑽進。
目前，國外油服公司擁有成熟的垂直鑽井工具和旋轉導向鑽井工具，租賃服務費用昂貴。國內多家科技院校和油田企業尚處在研製過程中，至今未商業化推廣應用。現有垂直鑽井工具和旋轉導向鑽井工具主要由控制端和液壓端組成，其中，控制端包括電源或自發電系統、電子或陀螺井斜測量裝置、地面指令信號接收及反饋確認裝置、工具面數據處理及控制集成電路、伺服電機和液壓油泵等，除垂直鑽井工具預置工具面180°外，旋轉導向鑽井工具需要根據地面指令信號和最新測斜數據不斷更新工具面；液壓端通常120°均布設計三個扶正稜，每個扶正稜上均加工安裝有液壓油腔室、液壓油通道、溢流閥、柱塞缸、柱塞、推板和壓板等，且三個推板在控制端操縱下有序伸出或收回，迫使垂直鑽井工具或旋轉導向鑽井工具按照特定工具面導向鑽進。
為確保垂直鑽井工具或旋轉導向鑽井工具持續高效導向鑽進，除預置或通過地面指令信號給定工具面外，各油服公司還設置有50°-70°工具面控制範圍，當垂直鑽井工具或旋轉導向鑽井工具某推板旋轉進工具面控制範圍時，工具面數據處理及控制集成電路打開伺服電機電源，驅動液壓油泵給柱塞缸供油，柱塞伸出，推動推板支撐在井壁上，當某推板旋轉出工具面控制範圍時，關閉伺服電機電源，推板被井壁擠壓收回。工具面控制範圍因油服公司不同而大小不等，因此，作用在垂直鑽井工具或旋轉導向鑽井工具上井壁反作用力持續時間也不同。另外，現有垂直鑽井工具或旋轉導向鑽井工具必須與井斜測量裝置組合使用，工具面數據處理及控制集成電路通過最新測斜數據不斷處理更新工具面。
本發明專利提出了一種工具面控制範圍恆為60°的導向裝置，其導向機理與現有垂直鑽井工具或旋轉導向鑽井工具截然不同，操作簡單，有助於研製成功多種新型礦藏導向鑽井工具。
發明專利內容
本發明專利的目的是提供一種工具面控制範圍恆為60°的導向裝置，主要用於研製地質、石油和煤炭等各種礦藏導向鑽井工具，包括垂直鑽井工具和旋轉導向鑽井工具。
本發明專利採用如下具體技術方案實現：
工具面控制範圍恆為60°的導向裝置主要由圓環軌道面、控制開關、半圓控制環和重力驅動機構組成。
圓環軌道面是礦藏導向鑽井工具中液壓端上端面。沿礦藏導向鑽井工具傳動軸自上而下觀察，圓環軌道面就是液壓端頂部圓環形平面。
控制開關加工安裝在圓環軌道面上，且三個控制開關呈120°均布。
控制開關可以是液體通道，直接連通液體腔室和柱塞缸；也可以是電子觸碰開關，通過電子觸碰開關、伺服電機和液壓油泵間接連通液體腔室和柱塞缸。
半圓控制環放置在圓環軌道面上，且技術參數與圓環軌道面相匹配。當控制開關為液體通道時，半圓控制環和圓環軌道面接觸面需配套研磨，確保密封承壓。
所述重力驅動機構可以是金屬球，可以是偏重塊、圓形金屬管和半圓金屬管組合體，甚至可以是偏重塊、電機、齒輪、圓形金屬管和半圓盤組成的複雜組合體。
圓環軌道面通過液壓端中心孔安裝在礦藏導向鑽井工具傳動軸上，二者之間相互旋轉，且圓環軌道面與傳動軸垂直，傳動軸與井眼軸線平行，由此可知，圓環軌道面與井眼軸線也垂直。由於所鑽井眼都是傾斜的，因此，圓環軌道面一定是斜平面。重力驅動機構中金屬球或偏重塊利用自身重力作用始終處在圓環軌道面最低處，並通過其他聯動部件驅動半圓控制環處在圓環軌道面某特定位置。
當半圓控制環位於圓環軌道面下半圓位置時，三個控制開關中始終有一個或兩個控制開關處在上半圓軌道面，另外兩個或一個控制開關處在下半圓軌道面且被半圓控制環所遮蓋。當液體腔室內液體在高壓作用下通過控制開關流向液壓端柱塞缸時，處在上半圓軌道面控制開關處於開啟狀態，高壓液體順利注入到與此相對應柱塞缸內，柱塞伸出，推動推板支撐在井壁上，所產生井壁反作用力是非零向量；處在下半圓軌道面控制開關處於關閉狀態，高壓液體無法注入到與此相對應柱塞缸內，推板無法伸出，所產生井壁反作用力是零向量。通過圓環軌道面上三個控制開關高壓液體所對應產生三個井壁反作用力中，始終有一個或兩個井壁反作用力是非零向量，另外兩個或一個井壁反作用力是零向量，一個非零井壁反作用力方向或兩個非零井壁反作用力矢量和方向恆在150°-210°，或者說，工具面恆在150°-210°。進一步說，當半圓控制環位於圓環軌道面下半圓位置時，工具面恆為180°，工具面控制範圍恆為±30°或60°，礦藏導向鑽井工具降井斜鑽進。
同理，當半圓控制環位於圓環軌道面上半圓位置時，工具面恆為0°，工具面控制範圍恆為±30°或60°，礦場導向鑽井工具增井斜鑽進；當半圓控制環位於圓環軌道面左半圓位置時，工具面恆為270°，工具面控制範圍恆為±30°或60°，礦藏導向鑽井工具減方位鑽進；當半圓控制環位於圓環軌道面右半圓位置時，工具面恆為90°，工具面控制範圍恆為±30°或60°，礦藏導向鑽井工具增方位鑽進；當半圓控制環位於圓環軌道面某特定位置時，工具面恆為半圓控制環所在位置方位，工具面控制範圍恆為±30°或60°，礦藏導向鑽井工具增(或降)井斜和/或增(或減)方位鑽進。
與現有垂直鑽井工具和旋轉導向鑽井工具相比，圓環軌道面及其三個120°均布控制開關、半圓控制環相互作用，使通過圓環軌道面上三個控制開關高壓液體所對應產生三個井壁反作用力中，始終有一個或兩個井壁反作用力是非零向量，不僅工具面控制範圍恆為±30°或60°，而且井壁反作用力大小恆定，持續不斷，連續導向鑽進；其次，重力驅動機構中金屬球或偏重塊利用自身重力作用始終處在圓環軌道面最低處，無需藉助電子或陀螺井斜測量裝置，自動識別井眼重力高邊，獨立導向鑽進。
本發明專利的有益效果是：利用工具面控制範圍恆為60°的導向裝置可研製一種機械垂直鑽井工具。機械垂直鑽井工具液壓端三個柱塞缸液體通道向上延伸到液壓端上端面，三個液體通道在上端面呈120°均布，上端面放置有金屬球和半圓密封環，金屬球驅動半圓密封環移動。對比可知，液壓端上端面相當於圓環軌道面，液體通道相當於控制開關，半圓密封環相當於半圓控制環，金屬球相當於重力驅動機構。由於所鑽井眼都是傾斜的，因此，液壓端上端面一定是斜平面，金屬球利用重力作用始終處在上端面最低處，驅動半圓密封環始終處在上端面下半圓位置且左右對稱，工具面恆為180°，工具面控制範圍恆為±30°或60°，機械垂直鑽井工具降井斜鑽進。
利用工具面控制範圍恆為60°的導向裝置可研製一種機械導向鑽井工具。機械導向鑽井工具液壓端三個柱塞缸液體通道向內延伸到中心孔內壁，三個液體通道在內壁圓柱面呈120°均布，中心孔內安裝偏重塊和圓形金屬管，且圓形金屬管在液體通道附近被加工成半圓金屬管。對比可知，沿圓形金屬管自上而下觀察，中心孔內壁三個液體通道所在內壁圓柱面相當於圓環軌道面，液體通道相當於控制開關，半圓金屬管相當於半圓控制環，偏重塊、圓形金屬管和半圓金屬管相當於重力驅動機構。由於所鑽井眼都是傾斜的，因此，圓形金屬管一定是傾斜的，偏重塊利用重力作用始終處在圓形金屬管所在鉛垂平面正下方，根據半圓金屬管與偏重塊方向不同，工具面恆在0°、或90°、或180°、或270°，工具面控制範圍恆為±30°或60°，機械導向鑽井工具增井斜、或增方位、或降井斜、或減方位導向鑽進。
利用工具面控制範圍恆為60°的導向裝置還可研製一種電子控制旋轉導向鑽井工具。旋轉導向鑽井工具液壓端三個柱塞缸通過電子觸碰開關、伺服電機和液壓油泵間接連通液體腔室和柱塞缸，三個電子觸碰開關固定在液壓端上端面、或偏重塊空間外筒內壁、或圓形金屬管外壁且呈120°均布安裝，在電子觸碰開關所在位置安裝半圓盤，偏重塊、電機、齒輪和圓形金屬管共同驅動半圓盤旋轉。對比可知，三個電子觸碰開關所固定的液壓端上端面、或外筒內壁圓柱面、或圓形金屬管外壁圓柱面相當於圓環軌道面，電子觸碰開關相當於控制開關，半圓盤相當於半圓控制環，偏重塊、電機、齒輪、圓形金屬管和半圓盤相當於重力驅動機構。由於所鑽井眼都是傾斜的，因此，圓形金屬管一定是傾斜的，偏重塊利用重力作用始終處在圓形金屬管所在鉛垂平面正下方，根據半圓盤與偏重塊方向不同，工具面恆在360°範圍內某特定位置，工具面控制範圍恆為±30°或60°，旋轉導向鑽井工具增(或降)井斜和/或增(或減)方位導向鑽進。
附圖說明
附圖1是本發明專利一種工具面控制範圍恆為60°的導向裝置俯視圖及A-A剖面圖。
附圖標記說明：1-圓環軌道面、2-控制開關、3-半圓控制環、4-重力驅動機構。
具體實施方式
一種工具面控制範圍恆為60°的導向裝置主要由圓環軌道面(1)、控制開關(2)、半圓控制環(3)和重力驅動機構(4)組成。
下面結合附圖和實施例對本發明專利一種工具面控制範圍恆為60°的導向裝置作進一步說明。
圓環軌道面(1)是礦藏導向鑽井工具中液壓端上端面。沿礦藏導向鑽井工具傳動軸自上而下觀察，圓環軌道面(1)就是液壓端頂部圓環形平面。
控制開關(2)加工安裝在圓環軌道面(1)上，且三個控制開關(2)呈120°均布。
控制開關(2)可以是液體通道，直接連通液體腔室和柱塞缸；也可以是電子觸碰開關，通過電子觸碰開關、伺服電機和液壓油泵間接連通液體腔室和柱塞缸。
半圓控制環(3)放置在圓環軌道面(1)上，且技術參數與圓環軌道面(1)相匹配。當控制開關(2)為液體通道時，半圓控制環(3)和圓環軌道面(1)接觸面需配套研磨，確保密封承壓。
所述重力驅動機構(4)可以是金屬球，可以是偏重塊、圓形金屬管和半圓金屬管組合體，甚至可以是偏重塊、電機、齒輪、圓形金屬管和半圓盤組成的複雜組合體。
圓環軌道面(1)通過液壓端中心孔安裝在礦藏導向鑽井工具傳動軸上，二者之間相互旋轉，且圓環軌道面(1)與傳動軸垂直，傳動軸與井眼軸線平行，由此可知，圓環軌道面(1)與井眼軸線也垂直。由於所鑽井眼都是傾斜的，因此，圓環軌道面(1)一定是斜平面。重力驅動機構(4)中金屬球或偏重塊利用自身重力作用始終處在圓環軌道面(1)最低處，並通過其他聯動部件驅動半圓控制環(3)處在圓環軌道面(1)某特定位置。
當半圓控制環(3)位於圓環軌道面(1)下半圓位置時，控制開關S1處在上半圓軌道面即開啟狀態，液體腔室內液體在外部壓力作用下通過控制開關S1注入到與此相對應柱塞缸內，柱塞伸出，推動推板支撐在井壁上，井壁反作用力是非零向量，其大小等於液體壓力乘以柱塞底面積，其方向是自點S1至圓心O方向；控制開關S2和S3處在下半圓軌道面且被半圓控制環(3)所遮蓋即關閉狀態，液體腔室內液體在外部壓力作用下無法通過控制開關S2和S3注入到與此相對應柱塞缸內，推板無法伸出，所產生井壁反作用力是零向量。當礦藏導向鑽井工具旋轉時，圓環軌道面(1)隨之旋轉，控制開關S1、S2和S3依次有序開啟或關閉，所對應產生井壁反作用力依次有序出現或消失，但是，控制開關S1、S2和S3中始終有一個或兩個控制開關(2)處在上半圓軌道面，另外兩個或一個控制開關(2)處在下半圓軌道面，或者說，通過圓環軌道面(1)上三個控制開關(2)高壓液體所對應產生三個井壁反作用力中，始終有一個或兩個井壁反作用力是非零向量，另外兩個或一個井壁反作用力是零向量，且非零井壁反作用力方向均通過圓心O。
由於礦藏導向鑽井工具三組柱塞技術參數相同，即底面積相等，同時，對於任意時間點，液體上外部壓力也相等，因此，在同一時間點開啟的任意兩個控制開關(2)所產生兩個井壁反作用力大小相等，但方向不同。根據向量性質，兩個向量都通過圓心O，大小相等，二者之間夾角120°。根據向量矢量和運算法則，兩個向量矢量和大小等於任意一個向量大小，矢量和方向為兩個向量角平分線方向，換句話說，在同一時間點開啟任意兩個控制開關(2)所產生兩個井壁反作用力矢量和，大小也等於液體壓力乘以柱塞底面積，方向自圓心O指向另一個控制開關(2)方向。
由於控制開關S1、S2和S3中始終有一個或兩個控制開關(2)處於開啟狀態，另外兩個或一個控制開關(2)處於關閉狀態，且零向量對矢量和運算結果沒有任何影響，因此，下文所述矢量和時不再稱為一個非零向量與兩個零向量矢量和或兩個非零向量與一個零向量矢量和，而是統稱為三個向量矢量和。
如附圖1所示，以圓環軌道面(1)圓心O為原點，在圓環軌道面(1)上建立平面直角坐標系，由於半圓控制環(3)處在圓環軌道面(1)下半圓位置且左右對稱，因此，按照順時針方向旋轉，圓環軌道面(1)頂部方位為0°，半圓控制環(3)右端方位為90°，圓環軌道面(1)底部方位為180°，半圓控制環(3)左端方位為270°。
當控制開關S1所在方位為330°時，控制開關S2所在方位為90°，控制開關S3所在方位為210°。此時，控制開關S2比較特殊，經過控制開關S1和S2高壓液體所產生兩個井壁反作用力矢量和方向過控制開關S3，即三個向量矢量和方向為210°，或者說，工具面為210°。
當控制開關S1所在方位大於330°且小於30°時，控制開關S2所在方位大於90°小於150°，控制開關S3所在方位大於210°小於270°。此時，經過控制開關S1高壓液體所產生井壁反作用力方向為150°-210°，即三個向量矢量和方向為150°-210°，或者說，工具面為150°-210°。
當控制開關S1所在方位為30°時，控制開關S2所在方位為150°，控制開關S3所在方位為270°。此時，控制開關S3比較特殊，經過控制開關S3和S1高壓液體所產生兩個井壁反作用力矢量和方向過控制開關S2，即三個向量矢量和方向為150°，或者說，工具面為150°。
當控制開關S1所在方位大於30°且小於90°時，控制開關S2所在方位大於150°小於210°，控制開關S3所在方位大於270°小於330°。此時，經過控制開關S3和S1高壓液體所產生兩個井壁反作用力矢量和方向過控制開關S2，即三個向量矢量和方向為150°-210°，或者說，工具面為150°-210°。
當控制開關S1所在方位為90°時，控制開關S2所在方位為210°，控制開關S3所在方位為330°。此時，控制開關S3將遵循控制開關S1的矢量和方向或工具面變化規律，依此類推，控制開關S2也將遵循控制開關S1的矢量和方向或工具面變化規律。
綜合上述，通過圓環軌道面(1)上三個控制開關(2)高壓液體所產生三個井壁反作用力矢量和方向恆在150°-210°，即工具面恆在150°-210°。進一步說，當半圓控制環(3)位於圓環軌道面(1)下半圓位置時，工具面恆為180°，工具面控制範圍恆為±30°或60°，礦藏導向鑽井工具降井斜鑽進。
同理，當半圓控制環(3)位於圓環軌道面(1)上半圓位置時，工具面恆為0°，工具面控制範圍恆為±30°或60°，礦場導向鑽井工具增井斜鑽進；當半圓控制環(3)位於圓環軌道面(1)左半圓位置時，工具面恆為270°，工具面控制範圍恆為±30°或60°，礦藏導向鑽井工具減方位鑽進；當半圓控制環(3)位於圓環軌道面(1)右半圓位置時，工具面恆為90°，工具面控制範圍恆為±30°或60°，礦藏導向鑽井工具增方位鑽進；當半圓控制環(3)位於圓環軌道面(1)某特定位置時，工具面恆為半圓控制環(3)所在位置方位，工具面控制範圍恆為±30°或60°，礦藏導向鑽井工具增(或降)井斜和/或增(或減)方位鑽進。
與現有垂直鑽井工具和旋轉導向鑽井工具相比，圓環軌道面(1)及其三個120°均布控制開關(2)、半圓控制環(3)相互作用，使通過圓環軌道面(1)上三個控制開關(2)高壓液體所對應產生三個井壁反作用力中，始終有一個或兩個井壁反作用力是非零向量，不僅工具面控制範圍恆為±30°或60°，而且井壁反作用力大小恆定，持續不斷，連續導向鑽進；其次，重力驅動機構(4)中金屬球或偏重塊利用自身重力作用始終處在圓環軌道面(1)最低處，無需藉助電子或陀螺井斜測量裝置，自動識別井眼重力高邊，獨立導向鑽進。
實施例1
利用工具面控制範圍恆為60°的導向裝置可研製一種機械垂直鑽井工具。機械垂直鑽井工具液壓端三個柱塞缸液體通道向上延伸到液壓端上端面，三個液體通道在上端面呈120°均布，上端面放置有金屬球和半圓密封環，金屬球驅動半圓密封環移動。對比可知，液壓端上端面相當於圓環軌道面(1)，液體通道相當於控制開關(2)，半圓密封環相當於半圓控制環(3)，金屬球相當於重力驅動機構(4)。由於所鑽井眼都是傾斜的，因此，液壓端上端面一定是斜平面，金屬球利用重力作用始終處在上端面最低處，驅動半圓密封環始終處在上端面下半圓位置且左右對稱，工具面恆為180°，工具面控制範圍恆為±30°或60°，機械垂直鑽井工具降井斜鑽進。
實施例2
利用工具面控制範圍恆為60°的導向裝置可研製一種機械導向鑽井工具。機械導向鑽井工具液壓端三個柱塞缸液體通道向內延伸到中心孔內壁，三個液體通道在內壁圓柱面呈120°均布，中心孔內安裝偏重塊和圓形金屬管，且圓形金屬管在液體通道附近被加工成半圓金屬管。對比可知，沿圓形金屬管自上而下觀察，中心孔內壁三個液體通道所在內壁圓柱面相當於圓環軌道面(1)，液體通道相當於控制開關(2)，半圓金屬管相當於半圓控制環(3)，偏重塊、圓形金屬管和半圓金屬管相當於重力驅動機構(4)。由於所鑽井眼都是傾斜的，因此，圓形金屬管一定是傾斜的，偏重塊利用重力作用始終處在圓形金屬管所在鉛垂平面正下方，根據半圓金屬管與偏重塊方向不同，工具面恆在0°、或90°、或180°、或270°，工具面控制範圍恆為±30°或60°，機械導向鑽井工具增井斜、或增方位、或降井斜、或減方位導向鑽進。
實施例3
利用工具面控制範圍恆為60°的導向裝置還可研製一種電子控制旋轉導向鑽井工具。旋轉導向鑽井工具液壓端三個柱塞缸通過電子觸碰開關、伺服電機和液壓油泵間接連通液體腔室和柱塞缸，三個電子觸碰開關固定在液壓端上端面、或偏重塊空間外筒內壁、或圓形金屬管外壁且呈120°均布安裝，在電子觸碰開關所在位置安裝半圓盤，偏重塊、電機、齒輪和圓形金屬管共同驅動半圓盤旋轉。對比可知，三個電子觸碰開關所固定的液壓端上端面、或外筒內壁圓柱面、或圓形金屬管外壁圓柱面相當於圓環軌道面(1)，電子觸碰開關相當於控制開關(2)，半圓盤相當於半圓控制環(3)，偏重塊、電機、齒輪、圓形金屬管和半圓盤相當於重力驅動機構(4)。由於所鑽井眼都是傾斜的，因此，圓形金屬管一定是傾斜的，偏重塊利用重力作用始終處在圓形金屬管所在鉛垂平面正下方，根據半圓盤與偏重塊方向不同，工具面恆在360°範圍內某特定位置，工具面控制範圍恆為±30°或60°，旋轉導向鑽井工具增(或降)井斜和/或增(或減)方位導向鑽進。
從實施例看，礦藏導向鑽井工具結構不同，圓環軌道面(1)和半圓控制環(3)空間形態也不同。例如：如果圓環軌道面(1)是礦藏導向鑽井工具中某部件頂部圓環形平面，則半圓控制環(3)底側面是半圓環形平面；如果圓環軌道面(1)是礦藏導向鑽井工具中某部件內壁圓柱面或外壁圓柱面，則半圓控制環(3)外側面或內側面是半圓柱面。但是，如果從圓環形平面所在圓心徑向觀察圓環軌道面(1)，或者從內壁圓柱面、外壁圓柱面所在軸線軸向觀察圓環軌道面(1)，圓環軌道面(1)均可看作「圓」，那麼，三個控制開關(2)可看作「圓」上120°均布三個「點」，半圓控制環(3)可看作與「圓」等直徑「半圓」，重力驅動機構(4)中金屬球或偏重塊可看作始終處在「圓」最低處重心「點」，簡化後數學模型相同，因此，導向機理相同。
以上對本發明專利的說明僅是優選範例，並不能被理解為對本發明專利技術方案內容的限制。以上內容在具體應用中，技術人員有可能需要根據具體情況作個別調整和改變，所述調整和改變均應落入本發明專利所附權利要求的保護範圍之中。