專利名稱：主動式鉆頭導向器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鉆頭導向器，具體地說是一種鉆井用的主動式鉆頭導向器。
背景技術：
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處安裝鉆頭導向器(其中D為鉆頭直徑)。由于導向器必須隨鉆頭連續下移，因此，導向器不能支撐在井壁上，通常，導向器的直徑控制在小于鉆頭直徑80 IOOmm范圍內。現有的導向器有兩種結構形式，均為整體式結構。第一種是隨鉆頭一起轉動的導向器，稱為旋轉式鉆頭導向器，適用于小直徑鉆井，其結構如圖1和圖2所示，主要由導向母體1、支撐臂2、導向圍裙3和導向板4組成。該導向器隨鉆頭一起轉動，隨著鉆井直徑加大，導向器外圍速度很大，導向板磨損嚴重，通常兩個月就要更換，而更換一次需要至少兩天時間，嚴重影響工期。第二種是不隨鉆頭轉動的導向器，稱為浮動式鉆頭導向器，適用于大直徑鉆井，其結構如圖3和圖4所示，主要由導向體6、軸承5、上座圈7、下座圈10、固定臂8、加長臂9和導向板4等組成。該導向器中裝有軸承，因此，理論上說，導向器不隨鉆頭轉動(只有導向體7隨鉆頭一起轉動)，但實際上，由于導向器直徑小于鉆頭直徑，導向器與井壁并不接觸，而是處于浮動狀態。不論是旋轉式鉆頭導向器還是浮動式鉆頭導向器，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。而當井筒垂直度超標時，為了保證井筒凈直徑的要求，必須進一步加大鉆井直徑，這將會額外加大鉆井工程量，加大壁后充填量，進而造成極大的浪費，并且延誤工期。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服上述現有技術存在的缺陷，提供一種主動式鉆頭導向器，在鉆井過程中，該主動式鉆頭導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。本發明解決其技術問題所采取的技術方案是:在導向體上安裝軸承，軸承外側安裝外座圈，外座圈下部外側安裝滑套，滑套可以在外座圈上滑動；外座圈上部外側安裝上導向架；滑套外側安裝下導向架；上導向架中有滑槽，滑槽中安裝上滑板，上滑板外端焊有上導向板，上滑板外伸帶動上導向板支撐在井壁上；下導向架中有滑槽，滑槽中安裝下滑板，下滑板外端焊有下導向板，下滑板外伸帶動下導向板支撐在井壁上；上導向架與下導向架之間安裝升降液壓缸；本發明工作時，上導向架撐緊在井壁上，下導向架在升降液壓缸作用下向下移動，然后下導向架撐緊在井壁上，上導向架在升降液壓缸作用下向下移動，從而使整個導向器隨鉆頭不斷下移。優選地，外座圈上 部外側沿圓周均勻分布6個上導向架，上導向架與外座圈焊接
在一起。
優選地，滑套外側沿圓周均勻分布6個下導向架，下導向架與滑套焊接在一起。優選地，上導向架與下導向架的焊接位置一致。優選地，上導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。優選地，下導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。 優選地，為了防止上導向架與下導向架發生錯位，滑套與外座圈花鍵連接，進一步地，為了方便花鍵加工，滑套與外座圈采用四齒花鍵連接。優選地，上滑板為框形結構，上液壓缸安裝在上滑板中間；下滑板也為框形結構，下液壓缸安裝在下滑板中間。下面說明本發明的工作過程，假設開始狀態為上液壓缸活塞桿伸出帶動上導向板支撐在井壁上，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液，活塞桿伸出，帶動下導向架向下移 動，至活塞桿全部伸出；步驟二，下液壓缸活塞腔進液，活塞桿伸出，帶動下滑板和下導向板外伸撐緊在井壁上；步驟三，上液壓缸活塞桿腔進液，活塞桿縮回，帶動上滑板和上導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，上導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，上液壓缸活塞腔進液，活塞桿伸出，推動上滑板和上導向板外伸撐緊在井壁上；步驟六，下液壓缸活塞桿腔進液，活塞桿縮回，帶動下滑板和下導向板一起縮回脫離井壁，回到初始狀態，開始下一個循環。在上述工作過程中，起主要支撐作用的是下液壓缸，按正常鉆進速度計算，其在一個工作循環中至少支撐在井壁上達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，當上導向板撐緊在井壁上時，上導向架仍在隨鉆頭緩慢下移，這將導致上導向架和上滑板產生彎矩，嚴重時將導致上導向架或上滑板損壞。為了解決這一問題，采取如下措施:在垂直方向，加大上導向架與上滑板之間的間隙。根據鉆頭最大鉆進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，上滑板與上導向架之間可能的最大垂直位移為4mm，為了安全起見，將上導向架與上滑板之間的垂直間隙設定為6mm，經模擬試驗，該間隙完全滿足要求。對于其它直徑的鉆頭，上導向架與上滑板之間的垂直間隙需根據計算值確定。對于上導向架與上滑板之間的水平間隙以及下導向架與下滑板之間的垂直間隙和水平間隙，按常用機構運動間隙確定。本發明的有益效果是，采用上述結構的主動式鉆頭導向器，在鉆井過程中，導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明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術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明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。
圖1是現有旋轉式鉆頭導向器的結構圖。圖2是圖1的A-A剖視圖。圖3是現有浮動式鉆頭導向器的結構圖。圖4是圖3的B-B剖視圖。圖5是本發明主動式鉆頭導向器的結構圖。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中上滑板的結構圖。圖11是本發明主動式鉆頭導向器的液壓系統圖。圖中1.導向母體，2.支撐臂，3.導向圍裙，4.導向板，5.軸承，6.導向體，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.上導向架，16.上液壓缸，17.升降液壓缸，18.滑套，19.下導向架，20.下液壓缸，21.夕卜座圈，22.上導向板，23.上滑板，24.下導向板，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，38.先導型電磁溢流閥，39.液壓泵。·
具體實施例方式下面結合附圖對本發明實施例進行詳細描述。參看圖5、圖6、圖7及圖8，在導向體(6)上安裝兩個軸承(5)，軸承(5)外側安裝外座圈(21 )，外座圈(21)下部外側安裝滑套(18)，滑套(18)可以在外座圈(21)上滑動；夕卜座圈(21)外側沿圓周均勻分布6個上導向架(15)，上導向架(15)與外座圈(21)焊接在一起；滑套(18)外側沿圓周均勻分布6個下導向架(19)，下導向架(19)與滑套(18)焊接在一起；上導向架(15)中有滑槽，滑槽中安裝上滑板(23)，上滑板(23)外端焊有上導向板(22)，上滑板(23)外伸帶動上導向板(22)支撐在井壁上；下導向架(19)中有滑槽，滑槽中安裝下滑板(25)，下滑板(25)外端焊有下導向板(24)，下滑板(25)外伸帶動下導向板(24)支撐在井壁上；升降液壓缸(17)的缸體與上導向架(15)鉸接，活塞桿與下導向架(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。進一步地，上導向架(15)與下導向架(19)的安裝位置一致。進一步地，上導向架(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。進一步地，下導向架(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，上導向架(15)與上滑板(23)之間的垂直間隙為δ，δ的值需根據鉆頭最大鉆進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;上導向架(15)與上滑板(23)之間的水平間隙，應根據常用機構運動間隙確定；下導向架(19)與下滑板(25)之間的水平間隙和垂直間隙，按常用機構運動間隙確定。進一步地，外座圈(21)與滑套(18)之間可以采用簡化的花鍵結構，如圖9所示，采用四齒矩形花鍵，有利于花鍵的加工。進一步地，參看圖10，上滑板(23)為框形結構，上液壓缸(16)安裝在上滑板(23)中間；下滑板(25)也為框形結構，下液壓缸(20)安裝在下滑板(25)中間。參看圖11、圖5及圖6，假設開始狀態為上液壓缸(16)的活塞桿伸出使上導向板
(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)活塞腔進液，活塞桿伸出，帶動下導向架(19)向下移動，活塞桿全部伸出后活塞腔壓力上升，達到壓力繼電器29的設定壓力時，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)活塞腔進液，活塞桿伸出，帶動下滑板( 25)和下導向板(24)外伸撐緊在井壁上，活塞腔壓力上升，達到壓力繼電器30的設定壓力時，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)活塞桿腔進液，活塞桿縮回，帶動上滑板(23)和上導向板(22)—起縮回脫離井壁，活塞桿腔壓力上升，達到壓力繼電器37的設定壓力時，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、先導型電磁溢流閥38的電磁鐵2DT得電，打開先導型電磁溢流閥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二位四通電磁換向閥26串接，活塞處于浮動狀態，上導向架(15)隨鉆頭緩慢下移，帶動升降液壓缸(17)的缸體緩慢下移，活塞腔的液體經二位四通電磁換向閥26流進活塞桿腔，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34，給出信號，使先導型電磁溢流閥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)活塞腔進液，活塞桿伸出，推動上滑板(23)和上導向板(22)外伸撐緊在井壁上，活塞腔壓力上升，達到壓力繼電器36的設定壓力時，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 )活塞桿腔進液，活塞桿縮回，帶動下滑板(25 )和下導向板(24)—起縮回脫離井壁，活塞桿壓力上升，達到壓力繼電器33的設定壓力時，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，開始下一個循環。進一步地，為了防止下導向架(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流閥(28)。進一步地，為了使下導向板(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。本發明主動式鉆頭導向器實施例，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。應當明確，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發 明保護的范圍。
權利要求
1.一種主動式鉆頭導向器，其特征是在導向體(6)上安裝兩個軸承(5)，軸承(5)外側安裝外座圈(21)，外座圈(21)下部外側安裝滑套(18);外座圈(21)上部外側安裝上導向架(15)，滑套(18)外側安裝下導向架(19);上導向架(15)中有滑槽，滑槽中安裝上滑板(23)，上滑板(23)外端焊有上導向板(22)，上滑板(23)外伸帶動上導向板(22)支撐在井壁上；下導向架(19)中有滑槽，滑槽中安裝下滑板(25)，下滑板(25)外端焊有下導向板(24)，下滑板(25)外伸帶動下導向板(24)支撐在井壁上；升降液壓缸(17)的缸體與上導向架(15)鉸接，活塞桿與下導向架(19)鉸接。
2.根據權利要求I所述的主動式鉆頭導向器，其特征是上導向架(15)中滑槽的形狀為倒“T”字型，上滑板(23)為框形結構，上液壓缸(16)的缸體與上導向架(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.根據權利要求I所述的主動式鉆頭導向器，其特征是下導向架(19)中滑槽的形狀為倒“T”字型，下滑板(25)為框形結構，下液壓缸(20)的缸體與下導向架(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.根據權利要求I所述的主動式鉆頭導向器，其特征是上導向架(15)與上滑板(23)之間的垂直間隙為S，δ的值需根據鉆頭最大鉆進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.根據權利要求I所述的主動式鉆頭導向器，其特征是當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二位四通電磁換向閥26串接，活塞處于浮動狀態，上導向架(15)隨鉆頭緩慢下移，帶動升降液壓缸(17)的缸體緩慢下移，活塞腔的液體經二位四通電磁換向閥26流進活塞桿腔，多余的液體回油箱，升降液壓缸(17)活塞桿緩慢縮回。
6.根據權利要求I所述的主動式鉆頭導向器，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.根據權利要求I所述的主動式鉆頭導向器，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，在導向體上安裝軸承，軸承外側安裝外座圈，外座圈下部外側安裝滑套，外座圈上部安裝上導向架，滑套外側安裝下導向架，上下導向架可以相對滑動；導向架中有滑槽，滑槽中安裝滑板，滑板外端焊有導向板，滑板外伸帶動導向板支撐在井壁上；在鉆井過程中，主動式鉆頭導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 優先權日2013年6月3日
發明者欒振輝 申請人:安徽理工大學