專利名稱：主動式鉆頭導(dǎo)向器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉆頭導(dǎo)向器，具體地說是一種鉆井用的主動式鉆頭導(dǎo)向器。
背景技術(shù)：
在鉆頭鉆井過程中，為了防止鉆頭偏斜，保證井筒的垂直度，必須在鉆頭上方大約(1.2 1.5)D處安裝鉆頭導(dǎo)向器(其中D為鉆頭直徑)。由于導(dǎo)向器必須隨鉆頭連續(xù)下移，因此，導(dǎo)向器不能支撐在井壁上，通常，導(dǎo)向器的直徑控制在小于鉆頭直徑80 IOOmm范圍內(nèi)?，F(xiàn)有的導(dǎo)向器有兩種結(jié)構(gòu)形式，均為整體式結(jié)構(gòu)。第一種是隨鉆頭一起轉(zhuǎn)動的導(dǎo)向器，稱為旋轉(zhuǎn)式鉆頭導(dǎo)向器，適用于小直徑鉆井，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，主要由導(dǎo)向母體1、支撐臂2、導(dǎo)向圍裙3和導(dǎo)向板4組成。該導(dǎo)向器隨鉆頭一起轉(zhuǎn)動，隨著鉆井直徑加大，導(dǎo)向器外圍速度很大，導(dǎo)向板磨損嚴(yán)重，通常兩個月就要更換，而更換一次需要至少兩天時間，嚴(yán)重影響工期。第二種是不隨鉆頭轉(zhuǎn)動的導(dǎo)向器，稱為浮動式鉆頭導(dǎo)向器，適用于大直徑鉆井，其結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示，主要由導(dǎo)向體6、軸承5、上座圈7、下座圈10、固定臂8、加長臂9和導(dǎo)向板4等組成。該導(dǎo)向器中裝有軸承，因此，理論上說，導(dǎo)向器不隨鉆頭轉(zhuǎn)動(只有導(dǎo)向體7隨鉆頭一起轉(zhuǎn)動)，但實際上，由于導(dǎo)向器直徑小于鉆頭直徑，導(dǎo)向器與井壁并不接觸，而是處于浮動狀態(tài)。不論是旋轉(zhuǎn)式鉆頭導(dǎo)向器還是浮動式鉆頭導(dǎo)向器，由于其不與井壁接觸，致使鉆頭擺動不定，因此其防偏斜能力有限，隨著鉆井直徑和鉆井深度不斷加大，導(dǎo)向器的防偏斜能力越來越差，尤其是超大直徑鉆井，井筒垂直度控制非常困難。而當(dāng)井筒垂直度超標(biāo)時，為了保證井筒凈直徑的要求，必須進(jìn)一步加大鉆井直徑，這將會額外加大鉆井工程量，加大壁后充填量，進(jìn)而造成極大的浪費，并且延誤工期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種主動式鉆頭導(dǎo)向器，在鉆井過程中，該主動式鉆頭導(dǎo)向器始終支撐在井壁上，從而減小鉆頭的擺動，提高井筒的垂直度。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:在導(dǎo)向體上安裝軸承，軸承外側(cè)安裝外座圈，外座圈下部外側(cè)安裝滑套，滑套可以在外座圈上滑動；外座圈上部外側(cè)安裝上導(dǎo)向架；滑套外側(cè)安裝下導(dǎo)向架；上導(dǎo)向架中有滑槽，滑槽中安裝上滑板，上滑板外端焊有上導(dǎo)向板，上滑板外伸帶動上導(dǎo)向板支撐在井壁上；下導(dǎo)向架中有滑槽，滑槽中安裝下滑板，下滑板外端焊有下導(dǎo)向板，下滑板外伸帶動下導(dǎo)向板支撐在井壁上；上導(dǎo)向架與下導(dǎo)向架之間安裝升降液壓缸；本發(fā)明工作時，上導(dǎo)向架撐緊在井壁上，下導(dǎo)向架在升降液壓缸作用下向下移動，然后下導(dǎo)向架撐緊在井壁上，上導(dǎo)向架在升降液壓缸作用下向下移動，從而使整個導(dǎo)向器隨鉆頭不斷下移。優(yōu)選地，外座圈上 部外側(cè)沿圓周均勻分布6個上導(dǎo)向架，上導(dǎo)向架與外座圈焊接
在一起。
優(yōu)選地，滑套外側(cè)沿圓周均勻分布6個下導(dǎo)向架，下導(dǎo)向架與滑套焊接在一起。優(yōu)選地，上導(dǎo)向架與下導(dǎo)向架的焊接位置一致。優(yōu)選地，上導(dǎo)向架中滑槽的形狀為倒“T”字型，滑槽中安裝上液壓缸，液壓缸一端與上導(dǎo)向架鉸接，另一端與上滑板鉸接，活塞桿伸縮帶動上滑板在滑槽中滑動。優(yōu)選地，下導(dǎo)向架中滑槽的形狀為倒“T”字型，滑槽中安裝下液壓缸，液壓缸一端與下導(dǎo)向架鉸接，另一端與下滑板鉸接，活塞桿伸縮帶動下滑板在滑槽中滑動。 優(yōu)選地，為了防止上導(dǎo)向架與下導(dǎo)向架發(fā)生錯位，滑套與外座圈花鍵連接，進(jìn)一步地，為了方便花鍵加工，滑套與外座圈采用四齒花鍵連接。優(yōu)選地，上滑板為框形結(jié)構(gòu)，上液壓缸安裝在上滑板中間；下滑板也為框形結(jié)構(gòu)，下液壓缸安裝在下滑板中間。下面說明本發(fā)明的工作過程，假設(shè)開始狀態(tài)為上液壓缸活塞桿伸出帶動上導(dǎo)向板支撐在井壁上，下液壓缸縮回，升降液壓缸縮回:步驟一，升降液壓缸活塞腔進(jìn)液，活塞桿伸出，帶動下導(dǎo)向架向下移 動，至活塞桿全部伸出；步驟二，下液壓缸活塞腔進(jìn)液，活塞桿伸出，帶動下滑板和下導(dǎo)向板外伸撐緊在井壁上；步驟三，上液壓缸活塞桿腔進(jìn)液，活塞桿縮回，帶動上滑板和上導(dǎo)向板一起縮回脫離井壁；步驟四，升降液壓缸活塞腔與活塞桿腔串接并接油箱，活塞處于浮動狀態(tài)，上導(dǎo)向架隨鉆頭緩慢下移，帶動升降液壓缸活塞桿緩慢縮回，至活塞桿全部縮回為止；步驟五，上液壓缸活塞腔進(jìn)液，活塞桿伸出，推動上滑板和上導(dǎo)向板外伸撐緊在井壁上；步驟六，下液壓缸活塞桿腔進(jìn)液，活塞桿縮回，帶動下滑板和下導(dǎo)向板一起縮回脫離井壁，回到初始狀態(tài)，開始下一個循環(huán)。在上述工作過程中，起主要支撐作用的是下液壓缸，按正常鉆進(jìn)速度計算，其在一個工作循環(huán)中至少支撐在井壁上達(dá)IOh左右，而上液壓缸支撐在井壁上的時間不超過Imin0需要指出的是，當(dāng)上導(dǎo)向板撐緊在井壁上時，上導(dǎo)向架仍在隨鉆頭緩慢下移，這將導(dǎo)致上導(dǎo)向架和上滑板產(chǎn)生彎矩，嚴(yán)重時將導(dǎo)致上導(dǎo)向架或上滑板損壞。為了解決這一問題，采取如下措施:在垂直方向，加大上導(dǎo)向架與上滑板之間的間隙。根據(jù)鉆頭最大鉆進(jìn)速度以及升降液壓缸和下液壓缸動作時間計算得知，對于IOm直徑的鉆頭，上滑板與上導(dǎo)向架之間可能的最大垂直位移為4mm，為了安全起見，將上導(dǎo)向架與上滑板之間的垂直間隙設(shè)定為6mm，經(jīng)模擬試驗，該間隙完全滿足要求。對于其它直徑的鉆頭，上導(dǎo)向架與上滑板之間的垂直間隙需根據(jù)計算值確定。對于上導(dǎo)向架與上滑板之間的水平間隙以及下導(dǎo)向架與下滑板之間的垂直間隙和水平間隙，按常用機構(gòu)運動間隙確定。本發(fā)明的有益效果是，采用上述結(jié)構(gòu)的主動式鉆頭導(dǎo)向器，在鉆井過程中，導(dǎo)向器能夠始終支撐在井壁上，可以減小鉆頭的擺動，提高井筒的垂直度，進(jìn)而在相同井筒凈直徑的要求下，可以減小鉆井直徑，減少鉆井工程量，減少壁后充填量，提高鉆井速度。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
圖1是現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式鉆頭導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)圖。圖2是圖1的A-A剖視圖。圖3是現(xiàn)有浮動式鉆頭導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)圖。圖4是圖3的B-B剖視圖。圖5是本發(fā)明主動式鉆頭導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)圖。圖6是圖5的C-C剖視圖。圖7是圖6的D-D剖視圖。圖8是圖6的E-E剖視圖。圖9是圖6的F-F剖視圖。圖10是圖5中上滑板的結(jié)構(gòu)圖。圖11是本發(fā)明主動式鉆頭導(dǎo)向器的液壓系統(tǒng)圖。圖中1.導(dǎo)向母體，2.支撐臂，3.導(dǎo)向圍裙，4.導(dǎo)向板，5.軸承，6.導(dǎo)向體，7.上座圈，8.固定臂，9.加長臂，10.下座圈，11.軸承蓋，12.螺釘，13.彈簧墊圈，14.平墊圈，15.上導(dǎo)向架，16.上液壓缸，17.升降液壓缸，18.滑套，19.下導(dǎo)向架，20.下液壓缸，21.夕卜座圈，22.上導(dǎo)向板，23.上滑板，24.下導(dǎo)向板，25.下滑板，26.二位四通電磁換向閥，27、35.三位四通電磁換向閥，28.單向節(jié)流閥，29、30、33、36、37.壓力繼電器，31.分流集流閥，32.液控單向閥，34.行程開關(guān)，38.先導(dǎo)型電磁溢流閥，39.液壓泵。·
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進(jìn)行詳細(xì)描述。參看圖5、圖6、圖7及圖8，在導(dǎo)向體(6)上安裝兩個軸承(5)，軸承(5)外側(cè)安裝外座圈(21 )，外座圈(21)下部外側(cè)安裝滑套(18)，滑套(18)可以在外座圈(21)上滑動；夕卜座圈(21)外側(cè)沿圓周均勻分布6個上導(dǎo)向架(15)，上導(dǎo)向架(15)與外座圈(21)焊接在一起；滑套(18)外側(cè)沿圓周均勻分布6個下導(dǎo)向架(19)，下導(dǎo)向架(19)與滑套(18)焊接在一起；上導(dǎo)向架(15)中有滑槽，滑槽中安裝上滑板(23)，上滑板(23)外端焊有上導(dǎo)向板(22)，上滑板(23)外伸帶動上導(dǎo)向板(22)支撐在井壁上；下導(dǎo)向架(19)中有滑槽，滑槽中安裝下滑板(25)，下滑板(25)外端焊有下導(dǎo)向板(24)，下滑板(25)外伸帶動下導(dǎo)向板(24)支撐在井壁上；升降液壓缸(17)的缸體與上導(dǎo)向架(15)鉸接，活塞桿與下導(dǎo)向架(19)鉸接；軸承蓋(11)通過螺釘(12)、彈簧墊圈(13)和平墊圈(14)與外座圈(21)固定在一起。進(jìn)一步地，上導(dǎo)向架(15)與下導(dǎo)向架(19)的安裝位置一致。進(jìn)一步地，上導(dǎo)向架(15)中滑槽的形狀為倒“T”字型，滑槽中安裝上液壓缸(16)，上液壓缸(16)的缸體與上導(dǎo)向架(15)鉸接，活塞桿與上滑板(23)鉸接，活塞桿伸縮帶動上滑板(23)在滑槽中滑動。進(jìn)一步地，下導(dǎo)向架(19)中滑槽的形狀為倒“T”字型，滑槽中安裝下液壓缸(20)，下液壓缸(20)的缸體與下導(dǎo)向架(19)鉸接，活塞桿與下滑板(25)鉸接，活塞桿伸縮帶動下滑板(25)在滑槽中滑動。參看圖7及圖8，上導(dǎo)向架(15)與上滑板(23)之間的垂直間隙為δ，δ的值需根據(jù)鉆頭最大鉆進(jìn)速度以及升降液壓缸(17)和下液壓缸(20)的動作時間計算確定，對于IOm直徑的鉆頭，δ為6mm;上導(dǎo)向架(15)與上滑板(23)之間的水平間隙，應(yīng)根據(jù)常用機構(gòu)運動間隙確定；下導(dǎo)向架(19)與下滑板(25)之間的水平間隙和垂直間隙，按常用機構(gòu)運動間隙確定。進(jìn)一步地，外座圈(21)與滑套(18)之間可以采用簡化的花鍵結(jié)構(gòu)，如圖9所示，采用四齒矩形花鍵，有利于花鍵的加工。進(jìn)一步地，參看圖10，上滑板(23)為框形結(jié)構(gòu)，上液壓缸(16)安裝在上滑板(23)中間；下滑板(25)也為框形結(jié)構(gòu)，下液壓缸(20)安裝在下滑板(25)中間。參看圖11、圖5及圖6，假設(shè)開始狀態(tài)為上液壓缸(16)的活塞桿伸出使上導(dǎo)向板
(22)撐緊在井壁上，下液壓缸(20)的活塞桿縮回，升降液壓缸(17)的活塞桿縮回，則本發(fā)明的工作過程如下:步驟一，二位四通電磁換向閥26的電磁鐵IDT得電，升降液壓缸(17)活塞腔進(jìn)液，活塞桿伸出，帶動下導(dǎo)向架(19)向下移動，活塞桿全部伸出后活塞腔壓力上升，達(dá)到壓力繼電器29的設(shè)定壓力時，給出信號，使三位四通電磁換向閥27的電磁鐵4DT得電；步驟二，三位四通電磁換向閥27的電磁鐵4DT得電，下液壓缸(20)活塞腔進(jìn)液，活塞桿伸出，帶動下滑板( 25)和下導(dǎo)向板(24)外伸撐緊在井壁上，活塞腔壓力上升，達(dá)到壓力繼電器30的設(shè)定壓力時，給出信號，使三位四通電磁換向閥27的電磁鐵4DT失電、三位四通電磁換向閥35的電磁鐵6DT得電；步驟三，三位四通電磁換向閥35的電磁鐵6DT得電，上液壓缸(16)活塞桿腔進(jìn)液，活塞桿縮回，帶動上滑板(23)和上導(dǎo)向板(22)—起縮回脫離井壁，活塞桿腔壓力上升，達(dá)到壓力繼電器37的設(shè)定壓力時，給出信號，使三位四通電磁換向閥35的電磁鐵6DT失電、二位四通電磁換向閥26的電磁鐵IDT失電、先導(dǎo)型電磁溢流閥38的電磁鐵2DT得電，打開先導(dǎo)型電磁溢流閥38，使液壓泵39卸荷；步驟四，二位四通電磁換向閥26的電磁鐵IDT失電，升降液壓缸(17)活塞腔與活塞桿腔經(jīng)二位四通電磁換向閥26串接，活塞處于浮動狀態(tài)，上導(dǎo)向架(15)隨鉆頭緩慢下移，帶動升降液壓缸(17)的缸體緩慢下移，活塞腔的液體經(jīng)二位四通電磁換向閥26流進(jìn)活塞桿腔，多余的液體回油箱，升降液壓缸(17)活塞桿緩慢縮回，至活塞桿全部縮回，打開行程開關(guān)34，給出信號，使先導(dǎo)型電磁溢流閥38的電磁鐵2DT失電、三位四通電磁換向閥35的電磁鐵MT得電；步驟五，三位四通電磁換向閥35的電磁鐵5DT得電，上液壓缸(16)活塞腔進(jìn)液，活塞桿伸出，推動上滑板(23)和上導(dǎo)向板(22)外伸撐緊在井壁上，活塞腔壓力上升，達(dá)到壓力繼電器36的設(shè)定壓力時，給出信號，使三位四通電磁換向閥27的電磁鐵3DT得電；步驟六，三位四通電磁換向閥27的電磁鐵3DT得電，下液壓缸(20 )活塞桿腔進(jìn)液，活塞桿縮回，帶動下滑板(25 )和下導(dǎo)向板(24)—起縮回脫離井壁，活塞桿壓力上升，達(dá)到壓力繼電器33的設(shè)定壓力時，給出信號，使二位四通電磁換向閥26的電磁鐵IDT得電，回到初始狀態(tài)，開始下一個循環(huán)。進(jìn)一步地，為了防止下導(dǎo)向架(19)因自重超速下滑，在升降液壓缸(17)的活塞桿腔油路上加裝單向節(jié)流閥(28)。進(jìn)一步地，為了使下導(dǎo)向板(24)能夠長時間支撐在井壁上，在下液壓缸(20)的活塞腔油路上加裝液控單向閥(32 )。進(jìn)一步地，為了使下滑板(25)同步運動，在下液壓缸(20)的活塞腔和活塞桿腔油路上分別加裝分流集流閥(31)，活塞腔按照1#和2#、3#和4#、5#和6#液壓缸分組安裝，活塞桿腔按照1#和6#、2#和3#、4#和5#液壓缸分組安裝。進(jìn)一步地，為了使上滑板(23)同步運動，在上液壓缸(16)的活塞腔和活塞桿腔油路上分別加裝分流集流閥(31)，活塞腔按照1#和2#、3#和4#、5#和6#液壓缸分組安裝，活塞桿腔按照1#和6#、2#和3#、4#和5#液壓缸分組安裝。本發(fā)明主動式鉆頭導(dǎo)向器實施例，適用于大直徑豎井的施工，能夠減小鉆頭的擺動幅度，提高井筒的垂直度，進(jìn)而在相同凈井直徑要求下，能夠減小鉆井直徑，減少鉆井工程量，減少壁后充填量，提高鉆井速度。應(yīng)當(dāng)明確，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā) 明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種主動式鉆頭導(dǎo)向器，其特征是在導(dǎo)向體(6)上安裝兩個軸承(5)，軸承(5)外側(cè)安裝外座圈(21)，外座圈(21)下部外側(cè)安裝滑套(18);外座圈(21)上部外側(cè)安裝上導(dǎo)向架(15)，滑套(18)外側(cè)安裝下導(dǎo)向架(19);上導(dǎo)向架(15)中有滑槽，滑槽中安裝上滑板(23)，上滑板(23)外端焊有上導(dǎo)向板(22)，上滑板(23)外伸帶動上導(dǎo)向板(22)支撐在井壁上；下導(dǎo)向架(19)中有滑槽，滑槽中安裝下滑板(25)，下滑板(25)外端焊有下導(dǎo)向板(24)，下滑板(25)外伸帶動下導(dǎo)向板(24)支撐在井壁上；升降液壓缸(17)的缸體與上導(dǎo)向架(15)鉸接，活塞桿與下導(dǎo)向架(19)鉸接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的主動式鉆頭導(dǎo)向器，其特征是上導(dǎo)向架(15)中滑槽的形狀為倒“T”字型，上滑板(23)為框形結(jié)構(gòu)，上液壓缸(16)的缸體與上導(dǎo)向架(15)鉸接，活塞桿與上滑板(23)鉸接，活塞桿伸縮帶動上滑板(23)在滑槽中滑動。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的主動式鉆頭導(dǎo)向器，其特征是下導(dǎo)向架(19)中滑槽的形狀為倒“T”字型，下滑板(25)為框形結(jié)構(gòu)，下液壓缸(20)的缸體與下導(dǎo)向架(19)鉸接，活塞桿與下滑板(25)鉸接，活塞桿伸縮帶動下滑板(25)在滑槽中滑動。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的主動式鉆頭導(dǎo)向器，其特征是上導(dǎo)向架(15)與上滑板(23)之間的垂直間隙為S，δ的值需根據(jù)鉆頭最大鉆進(jìn)速度以及升降液壓缸(17)和下液壓缸(20)的動作時間計算確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的主動式鉆頭導(dǎo)向器，其特征是當(dāng)二位四通電磁換向閥26的電磁鐵IDT失電時，升降液壓缸(17)活塞腔與活塞桿腔經(jīng)二位四通電磁換向閥26串接，活塞處于浮動狀態(tài)，上導(dǎo)向架(15)隨鉆頭緩慢下移，帶動升降液壓缸(17)的缸體緩慢下移，活塞腔的液體經(jīng)二位四通電磁換向閥26流進(jìn)活塞桿腔，多余的液體回油箱，升降液壓缸(17)活塞桿緩慢縮回。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的主動式鉆頭導(dǎo)向器，其特征是在下液壓缸(20)的活塞腔和活塞桿腔油路上分別加裝分流集流閥(31)，活塞腔按照1#和2#、3#和4#、5#和6#液壓缸分組安裝，活塞桿腔按照1#和6#、2#和3#、4#和5#液壓缸分組安裝。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的主動式鉆頭導(dǎo)向器，其特征是在上液壓缸(16)的活塞腔和活塞桿腔油路上分別加裝分流集流閥(31)，活塞腔按照1#和2#、3#和4#、5#和6#液壓缸分組安裝，活塞桿腔按照1#和6#、2#和3#、4#和5#液壓缸分組安裝。
全文摘要
一種主動式鉆頭導(dǎo)向器，用于超大直徑豎井鉆井施工中控制井筒的垂直度，在導(dǎo)向體上安裝軸承，軸承外側(cè)安裝外座圈，外座圈下部外側(cè)安裝滑套，外座圈上部安裝上導(dǎo)向架，滑套外側(cè)安裝下導(dǎo)向架，上下導(dǎo)向架可以相對滑動；導(dǎo)向架中有滑槽，滑槽中安裝滑板，滑板外端焊有導(dǎo)向板，滑板外伸帶動導(dǎo)向板支撐在井壁上；在鉆井過程中，主動式鉆頭導(dǎo)向器能夠始終支撐在井壁上，從而減小鉆頭的擺動，提高井筒的垂直度，減少鉆井工程量，減少壁后充填量，提高鉆井速度。
文檔編號E21B7/04GK103256006SQ20131021547
公開日2013年8月21日 申請日期2013年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年6月3日
發(fā)明者欒振輝 申請人:安徽理工大學(xué)