CN113073939A - 内推指向式旋转导向钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内推指向式旋转导向钻井工具，包括：中空的外壳本体；设置在外壳本体中的钻头座调整结构，包括：调整杆、调整球座、支撑球座和调整楔块；调整杆的下端连接有钻头座，上端套设有调整球座，外侧设置有调整楔块；调整杆能周向转动，支撑球座用于为调整杆提供旋转支点；液压驱动机构，包括中心管，设置在中心管外围的伺服液缸，设置在中心管底端的耐压软管，耐压软管与调整杆轴向贯通构成钻井液通道；伺服液缸底端通过拉杆驱动调整楔块轴向往复移动，以改变钻头座与外壳本体之间的弯角和钻头座的方位；调节机构，用于控制液压驱动机构的轴向移动和位移。本发明能够提升钻头的造斜力，提高钻进过程中的稳定性，调节过程可靠平稳。

Description

内推指向式旋转导向钻井工具

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，特别涉及一种内推指向式旋转导向钻井工具。

背景技术

随着常规油气资源的逐渐减少，油气开采逐渐向非常规油气资源发展。为降低钻井成本，非常规资源开采多采用丛式平台加水平井、复杂结构井方式开采。在水平井、复杂结构井钻井过程中，井眼轨迹控制难度大、水平段摩阻扭矩大，钻井周期长，很大程度上制约了非常规油气资源开发进程。

目前，旋转导向钻井技术是一种开发该类井的一种有效方式。该技术主要是通过在旋转导向钻井工具来实现。旋转导向钻井工具安装在近钻头处。该工具通过实时监测井下钻井参数，能够实时调节钻柱工具面和方位，保证钻头能够朝着目标层位钻进。该种钻进方式能显著提高钻进效率，为钻井节约大量周期，是实现非常规资源高效开发的有效手段。旋转导向钻井技术的核心是旋转导向钻井工具。

然而目前所研制的该类工具的成熟度相对较差，不能完全满足现在对复杂地层开采的需求。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种内推指向式旋转导向钻井工具，其能够提升钻头的造斜力，提高钻进过程中的稳定性，调节过程可靠平稳。

本发明实施例的具体技术方案是：

一种内推指向式旋转导向钻井工具，包括：中空的外壳本体；设置在所述外壳本体中的钻头座调整结构，包括：调整杆、调整球座、支撑球座和调整楔块；所述调整杆的下端连接有钻头座，上端套设有调整球座，所述调整球座外侧设置有调整楔块；所述调整杆能周向转动，所述支撑球座用于为所述调整杆提供旋转支点；液压驱动机构，包括中心管，设置在所述中心管外围的伺服液缸，设置在所述中心管底端的耐压软管，所述耐压软管与所述调整杆轴向贯通构成钻井液通道；所述伺服液缸底端通过拉杆驱动所述调整楔块轴向往复移动；所述调整楔块轴向移动时能改变所述钻头座与所述外壳本体之间的弯角和改变所述钻头座的方位；调节机构，用于控制所述液压驱动机构的轴向移动和位移。

在一个优选的实施方式中，所述外壳本体包括依次连接的上短节、传动短节和防掉接头，所述传动短节与所述调整杆之间设置有扭矩传递结构。

在一个优选的实施方式中，所述调整杆的顶端设置第一调整球头，所述调整杆的中部设置第二调整球头；位于所述第一调整球头与第二调整球头之间的调整杆外侧设置有花键，所述第二调整球头下部沿所述调整杆外侧设置有凸起部；所述传动短节的中部设置花键槽，所述花键和所述花键槽配合形成所述扭矩传递结构；所述调整杆的花键滑动穿设于所述传动短节的花键槽内。

在一个优选的实施方式中，所述调整球座内设置有第一球形凹槽，所述调整球座外侧设置多个调整斜面；所述第一调整球头能摆动连接于所述第一球形凹槽内。

在一个优选的实施方式中，所述调整楔块内侧面设置为斜面，与所述调整球座的调整斜面相重合，所述调整楔块沿所述调整斜面滑动。

在一个优选的实施方式中，所述调整楔块的内侧面倾斜角度为10°至15°。

在一个优选的实施方式中，所述支撑球座内设置有第二球形凹槽；所述第二调整球头能摆动连接于所述第二球形凹槽，以改变所述钻头座与所述外壳体间的方位和弯角，所述支撑球座同轴套设于所述传动短节的中心孔内，浮动设置于所述传动短节的花键槽下端。

在一个优选的实施方式中，所述中心管固定设置在所述上短节内部，所述中心管外侧壁沿周向等间距设置多个隔板，沿轴向依次设置第一凸台、第二凸台和第三凸台，所述第一凸台、第二凸台之间形成第一容置槽，所述第二凸台、第三凸台之间形成第二容置槽；所述调节机构设置在所述第一容置槽内，所述液压驱动机构设置在所述第二容置槽内；所述中心管在所述第二容置槽中部处设置多个侧壁通孔，所述侧壁通孔外侧设置有侧壁凸缘；所述传动短节位于所述中心管的第二容置槽侧壁处沿轴向设置第一侧壁通孔和第二侧壁通孔，所述第一侧壁通孔位于所述上端盖上端，所述第二侧壁通孔位于所述下端盖下端。

在一个优选的实施方式中，所述调节机构包括：调速电机、能相啮合的第一直齿轮和第二直齿轮、传动螺杆、传动块、控制阀；所述第一直齿轮固定设置在所述调速电机的输出轴上，所述第二直齿轮固定设置在所述传动螺杆的上端；所述调速电机通过所述第一直齿轮和所述第二直齿轮驱动所述传动螺杆转动；所述传动块的端面设置有第一螺纹通孔和第二螺纹通孔，所述传动螺杆能转动地设置在传动块的第一螺纹通孔内，所述传动螺杆与所述传动块构成丝杆螺母机构；所述控制阀上端穿设在所述传动块第二螺纹通孔内，且与所述传动块固定连接。

在一个优选的实施方式中，所述伺服液缸包括：缸套、上端盖、下端盖、卡设在所述中心管外侧壁的固定活塞，所述固定活塞为扇形柱体，所述固定活塞设置有轴向贯通的端面通孔；所述固定活塞内侧壁中部设置有活塞凹槽，所述活塞凹槽能与所述中心管的侧壁凸缘配合；所述活塞凹槽的侧壁处设置有与所述端面通孔相贯通的凹槽通孔；所述缸套可滑动地套设在所述固定活塞外侧，所述上端盖和所述下端盖分别固定设置在所述缸套的两端，所述缸套内侧壁中部与所述活塞凹槽对应位置设置侧壁通孔，所述固定活塞上方和下方分别形成第一压力腔体和第二压力腔体。

在一个优选的实施方式中，所述控制阀包括：控制阀芯、套设在所述控制阀芯的控制阀套，所述控制阀套为中空圆柱，所述控制阀套在位于所述第一压力腔体处设置有第一阀套通孔，所述控制阀套位于所述第二压力腔体处设置第二阀套通孔；控制阀套中部与所述凹槽通孔对应位置设置中间侧壁通孔，所述中间侧壁通孔高于所述凹槽通孔；所述控制阀芯同轴滑动设置在所述控制阀套内，所述控制阀芯中部设置第一阀芯凸台，底部设置第二阀芯凸台。

在一个优选的实施方式中，所述调整杆凸台下端、所述防掉接头上端、所述传动短节内侧壁、所述调整杆外侧壁构成环形腔体，所述环形腔体内设置弹性件，所述弹性件上端抵靠在调整杆凸台下端，弹性件下端座靠在防掉接头上端。

本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

本申请所提供的内推指向式旋转导向钻井工具，主要驱动动力来自于液压驱动结构，驱动力较大，能提供较大的造斜力，能提高工具造斜的稳定性；钻进过程中，伺服液缸驱动调整楔块在工具外壳本体内轴向往复运动，改变调整杆和钻头座的方位；调节伺服液缸的行程来调整楔块的轴向最大行程，从而改变工具的弯角，工具弯角调节范围大，调节过程可靠平稳；

本发明提供的内推指向式旋转导向钻井工具中，伺服液缸带动调整楔块轴向往复运动从而呈周期性规律地改变钻头座的方位；通过控制调速电机的转速来实现伺服液缸运动方向和运动行程的调节，该控制方式只是进行微调节，调速电机所需的驱动扭矩较小，调节方式可靠；

本发明提供的内推指向式旋转导向钻井工具能同时调节工具的弯角和方位，自动导向钻井，实现钻进过程中井眼轨迹的控制。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本申请实施方式中提供的一种内推指向式旋转导向钻井工具的外观图；

图2为图1中一个视角的半剖视图；

图3为图1中另一个视角的半剖视图；

图4为图2中A-A剖视图；

图5为图2中B-B剖视图；

图6为图2中C-C剖视图；

图7为图2中D处局部放大图；

图8为缸套处于下行运动的状态示意图；

图9为缸套处于上行运动的状态示意图；

图10为本申请实施方式中提供的一种内推指向式旋转导向钻井工具的中心管的结构示意图；

图11为本申请实施方式中提供的一种内推指向式旋转导向钻井工具的传动螺杆-传动块-控制阀芯的配合关系示意图；

图12为本申请实施方式中提供的一种内推指向式旋转导向钻井工具的调整球座的结构示意图；

图13为本申请实施方式中提供的一种内推指向式旋转导向钻井工具的固定活塞的结构示意图；

图14为本申请实施方式中提供的一种内推指向式旋转导向钻井工具的C-C剖视图处的调整楔块与钻头座的动态变化图；

图15为本申请实施方式中提供的一种内推指向式旋转导向钻井工具调整楔块与调整球座的配合示意图。

以上附图的附图标记：

110、上短节；11、第一侧壁通孔；112、第二侧壁通孔；120、传动短节；130、防掉接头；140、钻头座；150、第一直齿轮；160、第二直齿轮；170、弹性件；180、盖板；210、调速电机；220、传动螺杆；230、传动块；240、控制阀芯；241、第一阀芯凸台；242、第二阀芯凸台；250、控制阀套；251、第一阀套通孔；252、第二阀套通孔；253、中间侧壁通孔；260、拉杆；270、调整杆；271、第一调整球头；272、第二调整球头；273、凸起部；275、支撑球座；280、调整楔块；290、调整球座；291、第一球形凹槽；292、调整斜面；300、中心管；310、第一凸台；320、第二凸台；330、第三凸台；340、隔板；350、侧壁凸缘；410、伺服液缸；411、上端盖；412、下端盖；430、缸套；440、第一压力腔体；450、第二压力腔体；500、固定活塞；510、端面通孔；520、活塞凹槽；521、凹槽通孔；600、耐压软管。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

现有技术中，中国专利(申请号为201910931968.9)公开了一种指向式旋转导向钻井工具，该“指向式旋转导向钻井工具中，主要驱动动力来自于螺杆马达，驱动扭矩较大，能提供较大的造斜力，能提高工具造斜的稳定性；钻进过程中，导向内筒在本体外壳内旋转，改变旋转支撑轴和钻头座的方位；导向内筒的轴向移动改变旋转支撑轴的轴向位置，从而改变工具的弯角，工具弯角调节范围大，工具的方位调节是通过导向外筒推动导向内筒轴向移动来实现的”。

现有的上述发明提供的指向式旋转导向钻井工具中，螺杆马达转速恒定，其驱动螺杆输出轴的转动为同一个方向的恒定转动，螺杆输出轴通过连接轴带动导向内筒周向转动，导向内筒带动旋转支撑轴摆动，从而呈一定规律地改变钻头座的方位；通过控制调速电机的转速来实现钻头座方位的临时调节。

申请人发现：现有的指向式旋转导向钻井工具在造斜力、稳定性，钻头方位调整的精准性等方面还具有提升优化空间。

为了进一步提升钻头的造斜力，提高钻进过程中的稳定性，同时保证在钻进过程中，能够实时调整钻头座与所述外壳本体之间的弯角、钻头方位，本发明提供一种新的内推指向式旋转导向钻井工具。

请结合参阅图1至图15，本发明说明书实施方式中提供一种内推指向式旋转导向钻井工具，其主要包括：外壳本体、液压驱动机构、钻头座140调整结构、调节机构。

其中，外壳本体整体呈中空的管体结构，其用于容纳各个机构，该外壳本体的上端用于连接上部钻柱，下端用于连接钻头。

具体的，如图1所示，外壳本体可以包括：上短节110、传动短节120、防掉接头130。在沿着高度方向上短节110、传动短节120、防掉接头130依次连接。

钻头座140调整结构用于在液压驱动机构的驱动下，调整钻头方位角和结构弯角。具体的，如图2和图3所示，该钻头座140调整结构可以包括：调整杆270、调整球座290、支撑球座275和调整楔块280等。

所述调整杆270整体沿着轴向纵长延伸，中部设置有贯通孔。该调整杆270的下端连接有钻头座140，上端套设有调整球座290。所述调整球座290外侧设置有调整楔块280。调整球座290套设在调整杆270上端球头外侧，与调整楔块280配合，推动调整杆270绕支撑球座275转动，改变钻头座140的方位角和工具的结构弯角。所述调整杆270能周向转动。具体的，该调整杆270可以通过传动短节120传递扭矩，从而实现周向转动。所述支撑球座275用于为所述调整杆270提供旋转支点。其中，调整杆270与传动短节120之间可以通过设置扭矩传递结构实现扭矩的传递。具体的，该扭矩传递结构可以为键槽和花键的配合形式，当然也可以为其他传递扭矩的配合形式。

结合图1和图3所示，其中，上短节110用于连接上部钻柱、容纳液压驱动机构和调节机构。传动短节120用于容纳钻头座140调整结构、传递钻柱扭矩至调整杆270和钻头座140。防掉接头130用于支撑上部的弹性件170和支撑球座275，限制支撑球座275轴向移动，同时传递钻柱上的钻压至钻头座140。钻头座140用于连接调整杆270与钻头。

在本说明书中，液压驱动机构用于利用钻井液压差来驱动调整楔块280，为钻头座140调整结构提供动力源。

所述液压驱动机构包括：中心管300，设置在所述中心管300外围的伺服液缸410，所述中心管300底端设置耐压软管600，所述耐压软管600与所述调整杆270轴向贯通构成钻井液通道。所述伺服液缸410底端通过拉杆260驱动所述调整楔块280轴向往复移动。所述调整楔块280轴向往复移动时能改变所述钻头座140与所述外壳本体之间的弯角和改变所述钻头座140的方位。

在本说明书中，调节机构用于控制所述液压驱动机构的轴向移动和位移。具体的，该调节机构可以根据钻头转速，通过电机来控制伺服液压机构控制阀的运动速度、换向时间，使钻头座140的方位角调整与钻头转速向匹配，实现指向钻进。

相对于现有的指向式旋转导向钻井工具中，钻头座140与本体外壳之间弯角的调节通过离合轴的轴向移动来实现的方式而言，本发明说明书中提供的内推指向式旋转导向钻井工具利用工具内部和工具外部环空钻井液的压差力为钻头提供造斜力，高压钻井液压差推动伺服液缸410，带动拉杆260、楔块来推动钻头座140调整杆270球头，能够为钻头提供较大的造斜力，提高钻进过程中的稳定性。此外，本发明说明书中提供的内推指向式旋转导向钻井工具中，伺服液缸410带动调整楔块280轴向往复运动从而周期性地改变钻头座140的方位和工具结构弯角；通过控制调速电机210的转速和转动方向来实现伺服液缸410运动方向和运动行程的改变；在钻进过程中，能够根据钻头转速对钻头方位进行实时调整。

如图2所示，在一个实施方式中，所述调整杆270的顶端设置第一调整球头271，调整杆270中部设置第二调整球头272；所述第一调整球头271与第二调整球头272之间沿调整杆270外侧设置花键，所述第二调整球头272下部沿调整杆270外侧设置有凸起部273。

请结合参阅图12，所述调整球座290内设置第一球形凹槽291，调整球座290外侧设置多个调整斜面292；所述第一调整球头271能摆动连接于所述第一球形凹槽291内。

所述调整楔块280内侧面设置为斜面，与所述调整球座290的调整斜面292相重合，所述调整楔块280沿所述调整斜面292滑动。该调整楔块280在伺服液缸410带动轴向往复运动时，从而呈周期性规律地改变钻头座140的方位。其中，该周期性规律具体可以正弦函数的变化规律，也可以为余弦函数的变化规律，此外还可以为其他呈周期性连续变化的规律，本申请在此并不做具体的限定。当该调整楔块280能够周期性地改变钻头座140的方位时，能够保证调整杆270的转动是连续变化的，进而保证钻进过程中钻头的稳定性。

进一步的，所述调整楔块280的内侧面倾斜角度为10°至15°。其中，调整楔块280的斜面倾角会影响调整力的大小和调整楔块280轴向运动位移。本实施方式中，在保证调整力适当，轴向位移较小的前提下，优选出该调整楔块280的内侧倾角度数为上述优选的范围。

在本实施方式中，所述支撑球座275内设置第二球形凹槽；所述第二调整球头272能摆动连接于所述第二球形凹槽以改变所述钻头座140与所述外壳体间的方位和弯角。

在本实施方式中，所述传动短节120中部设置花键槽，所述调整杆270外花键滑动穿设于所述传动短节120花键槽内，所述花键和所述花键槽配合形成所述扭矩传递结构；所述支撑球座275同轴套设与传动短节120中心孔内，浮动设置于所述传动短节120花键槽下端。

请结合参阅图3、图5、图7、图10，所述中心管300固定设置在所述上短节110内部，所述中心管300外侧壁沿周向等间距设置多个隔板340，沿轴向依次设置第一凸台310、第二凸台320和第三凸台330，所述第一凸台310、第二凸台320之间形成第一容置槽，所述第二凸台320、第三凸台330之间形成第二容置槽；所述调节机构设置在所述第一容置槽内，所述液压驱动机构设置在所述第二容置槽内；所述中心管300在所述第二容置槽中部处设置多个中心管300侧壁通孔，所述中心管300侧壁通孔外侧设置有侧壁凸缘350；所述传动短节120位于所述中心管300的第二容置槽侧壁处沿轴向设置第一侧壁通孔11和第二侧壁通孔112，所述第一侧壁通孔11位于所述上端盖411上端，所述第二侧壁通孔112位于所述下端盖412下端。

请结合参阅图2、图3、图4、图11，在本说明书中，调节机构可以包括调速电机210、传动齿轮、传动螺杆220、传动块230、控制阀。其中，该传动齿轮可以包括相啮合的第一直齿轮150和第二直齿轮160。该控制阀包括相配套的控制阀芯240和控制阀套250。

其中，如图11所示，所述第一直齿轮150固定设置在所述调速电机210的输出轴上，所述第二直齿轮160固定设置在所述传动螺杆220的上端；所述调速电机210通过所述第一直齿轮150和所述第二直齿轮160驱动所述传动螺杆220转动。所述传动块230的端面设置有第一螺纹通孔和第二螺纹通孔，所述传动螺杆220能转动地设置在传动块230的第一螺纹通孔内，所述传动螺杆220与所述传动块230构成丝杆螺母机构。所述控制阀上端穿设在所述传动块230第二螺纹通孔内，且与所述传动块230固定连接。

此外，如图3所示，该调节机构还可以包括盖板180，该盖板180主要用于限制传动螺杆220向上的轴向运动。该盖板180固定在中心管300中，具体的，该改变可以通过凹槽卡设在中心管300上，当然该盖板180可以通过其他方式进行定位，本申请在此并不作具体的限定。

具体的，请结合参阅图图7、图8、图9，所述控制阀套250为中空圆柱，所述控制阀套250在位于所述第一压力腔体440处设置有第一阀套通孔251，所述控制阀套250位于所述第二压力腔体450处设置第二阀套通孔252；控制阀套250中部与所述活塞凹槽通孔520凹槽；521对应位置设置中间侧壁通孔253，所述中间侧壁通孔253高于活塞凹槽通孔520凹槽；521；所述控制阀芯240同轴滑动设置在所述控制阀套250内，所述控制阀芯240中部设置第一阀芯凸台241，底部设置第二阀芯凸台242。

请参合参阅图3、图5、图7、图8、图9、图13，在本说明书中，液压驱动机构的伺服液缸410包括：缸套430、上端盖411、下端盖412、卡设在所述中心管300外侧壁的固定活塞500。

如图13所示，所述固定活塞500为扇形柱体，所述固定活塞500设置有轴向贯通的端面通孔510；所述固定活塞500内侧壁中部设置有活塞凹槽，所述活塞凹槽能与所述中心管300的侧壁凸缘350配合。侧壁处设置有与所述端面通孔510相贯通的凹槽通孔520凹槽；521。所述固定活塞500通过活塞凹槽卡设在中心管300外壁凸台上，限制固定活塞500的运动。缸套430套设在固定活塞500外侧，缸套430与上端盖411、下端盖412形成密闭腔体。所述缸套430内侧壁中部与活塞凹槽对应位置设置侧壁通孔，所述缸套430通孔高于中心管300外侧壁凸缘350设置。固定活塞500将密闭腔体分隔为上、下两个腔体。拉杆260上端与下端盖412固定连接，拉杆260下端与调整楔块280固定连接。

控制阀套250固定设置在伺服液缸410的上端盖411与下端盖412之间，控制阀套250为中空结构，在与上、下腔体对应设置侧壁通孔，以与腔体连通。调速电机210通过传递齿轮、传动螺杆220将旋转运动转换为传动块230的轴向运动，传动块230带动控制阀芯240在控制阀套250中心孔内轴向运动；控制阀芯240调节伺服液缸410上、下腔体交替与高压通道、低压通道连通，从而改变伺服液缸410、拉杆260的沿轴向的运动方向；调速电机210的顺时针转动，控制阀芯240轴向向下运动；调速电机210逆时针转动，控制阀芯240轴向向上运动。

在本说明书中，该所述调整楔块280的个数与所述伺服液缸410的个数相同。具体的，在确定该组数时，主要根据调整杆270处调整力的大小、降低控制的复杂程度为主，先确定伺服液缸410的个数，后续调整楔块280和调节结构的个数与该伺服液缸410的个数相同。

在一个实施方式中，该调整楔块280、液压驱动结构和调节结构均沿周向等间隔设置3组。发明人发现：当该组数为3组时，能够最大程度的降低控制的复杂程度。以下以整楔块、液压驱动结构和调节结构均沿周向等间隔设置3组为例进行举例说明。其他组数的情况可以参照该实施方式进行适应性调整，本申请在此不再一一展开赘述。

在本实施方式中，该内推指向式旋转导向钻井工具内部的动力传递如下：外壳本体的传动短节120内设置调整杆270，通过花键槽带动调整杆270与外部钻柱一起转动；调整杆270与支撑球座275配合，以支撑球座275为支点转动，来改变钻头的方位角和工具的结构弯角；调整杆270上部的三个调整楔块280轴向往复运动相互配合来推动调整杆270绕支点转动；伺服液压驱动结构为调整楔块280的运动提供动力，也是为钻头座140提供造斜力。整体上，上述方式提供的造斜力更大、更稳定。

进一步的，液压驱动机构的固定活塞500将伺服液缸410内的腔体分隔为上、下两个腔体(即第一压力腔体440和第二压力腔体450)；上端盖411上端与中心管300、上短节110组成的腔体位于上短节110上设置第一侧壁通孔11，与井眼环空连接；同样的，下端盖412下端与中心管300、上短节110组成的腔体位于上短节110上设置第二侧壁通孔112，与井眼环空连接。调节机构的控制阀套250固定设置在伺服液缸410的上端盖411与下端盖412之间，控制阀套250为中空结构，在与上、下腔体对应设置侧壁通孔，与腔体连通；调速电机210通过传递齿轮、传动螺杆220将旋转运动转换为传动块230的轴向运动，传动块230带动控制阀芯240在控制阀套250中心孔内轴向运动。控制阀芯240调节伺服液缸410上、下腔体交替与高压通道、低压通道连通，从而改变伺服液缸410、拉杆260的沿轴向的运动方向。控制调速电机210的转速来改变控制阀芯240的运动速度，控制伺服液缸410高压腔体进液速度，进而保证伺服液缸410运动速度与控制阀芯240运动速度同步，达到伺服调整的目的。控制调速电机210转动方向来改变控制阀芯240的运动方向；调速电机210顺时针转动，控制阀芯240轴向向下运动；调速电机210逆时针转动，控制阀芯240轴向向上运动。

在一个具体的应用场景下，例如在钻井过程中，流体流经内推指向式旋转导向工具时，从中心管300中心孔、耐压软管600、调整杆270的中心孔、钻头座140流入钻头，经钻头喷嘴流入井眼环空。工具内部为高压流体，外部环空为低压流体。中心管300中心孔处为高压流道，而伺服液缸410上端盖411上端、下端盖412下端与外部环空低压流道连通。钻柱扭矩通过工具外壳传动短节120，经花键由调整杆270、钻头座140传递至钻头。

调速电机210通过传动螺杆220带动传动块230沿轴向运动，进而带动控制阀芯240沿轴向运动。调速电机210、直齿轮和传动螺杆220能调节控制阀芯240的轴向运动速度、方向和最大行程。

请结合参阅图8至图9,控制阀芯240沿轴向往复运动过程中，控制伺服液缸410第一压力腔体440、第二压力腔体450交替与高压流道、低压流道的连通。当第一压力腔体440与上端低压流道连通，第二压力腔体450与中间高压流道连通，缸套430下行运动，通过拉杆260带动调整楔块280向下移动。当第一压力腔体440与中间高压流道连通，第二压力腔体450与下端低压流道连通，缸套430上行运动，通过拉杆260带动调整楔块280向上移动。

控制调速电机210的转速和转动方向可以改变调整楔块280的运动速度和运动方向。在本说明书中，该调整楔块280、液压驱动结构和调节结构均沿周向等间隔设置三组。请结合参阅图6、图14、图15，三组调整楔块280配合沿轴向往复运动，推动调整球头偏转，带动调整杆270摆动，从而周期性的改变钻头座140的方位。钻进过程中本体外壳旋转时，钻头保持一定方位钻进。当需要临时调整钻头座140方位时，通过调整调速电机210的转速，控制伺服液缸410、调整楔块280运动速度，相应地改变调整杆270偏转速度，实现改变调整杆270和钻头座140方位。

当需要增大钻头座140与本体外壳间的结构弯角时，此时增加调整电机单程转动时间，延长压力腔体高压流道单程打开时间，增加调整楔块280轴向运动行程，钻头座140与本体外壳间的结构弯角增大。当需要减小钻头座140与本体外壳间的结构弯角时，此时减小调整电机单程转动时间，缩短压力腔体高压流道单程打开时间，减小调整楔块280轴向运动行程，钻头座140与本体外壳间的结构弯角减小。

钻头座140的方位、弯角调节均是通过控制调速电机210的转速和转动方向来实现伺服液缸410运动方向和运动行程的调节，该控制方式只是进行微调节，调速电机210所需的驱动扭矩较小，调节方式稳定可靠。

本发明提供的内推指向式旋转导向钻井工具中，主要驱动动力来自于液压驱动结构，驱动力较大，能提供较大的造斜力，能提高工具造斜的稳定性；钻进过程中，伺服液缸410驱动调整楔块280在工具外壳本体内轴向往复运动，改变调整杆270和钻头座140的方位；调节伺服液缸410的行程来调整楔块280的轴向最大行程，从而改变工具的弯角，工具弯角调节范围大，调节过程可靠平稳；

本发明提供的内推指向式旋转导向钻井工具中，伺服液缸410带动调整楔块280轴向往复运动从而呈周期性规律地改变钻头座140的方位；通过控制调速电机210的转速来实现伺服液缸410运动方向和运动行程的调节，该控制方式只是进行微调节，调速电机210所需的驱动扭矩较小，调节方式可靠；

本发明提供的内推指向式旋转导向钻井工具能同时调节工具的弯角和方位，自动导向钻井，实现钻进过程中井眼轨迹的控制。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种内推指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，包括：

中空的外壳本体；

设置在所述外壳本体中的钻头座调整结构，包括：调整杆、调整球座、支撑球座和调整楔块；所述调整杆的下端连接有钻头座，上端套设有调整球座，所述调整球座外侧设置有调整楔块；所述调整杆能周向转动，所述支撑球座用于为所述调整杆提供旋转支点；

液压驱动机构，包括中心管，设置在所述中心管外围的伺服液缸，设置在所述中心管底端的耐压软管，所述耐压软管与所述调整杆轴向贯通构成钻井液通道；所述伺服液缸底端通过拉杆驱动所述调整楔块轴向往复移动；所述调整楔块轴向移动时能改变所述钻头座与所述外壳本体之间的弯角和改变所述钻头座的方位；

调节机构，用于控制所述液压驱动机构的轴向移动和位移。

2.如权利要求1所述的内推指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述外壳本体包括依次连接的上短节、传动短节和防掉接头，所述传动短节与所述调整杆之间设置有扭矩传递结构。

3.如权利要求2所述的内推指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述调整杆的顶端设置第一调整球头，所述调整杆的中部设置第二调整球头；位于所述第一调整球头与第二调整球头之间的调整杆外侧设置有花键，所述第二调整球头下部沿所述调整杆外侧设置有凸起部；所述传动短节的中部设置花键槽，所述花键和所述花键槽配合形成所述扭矩传递结构；所述调整杆的花键滑动穿设于所述传动短节的花键槽内。

4.如权利要求3所述的内推指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述调整球座内设置有第一球形凹槽，所述调整球座外侧设置多个调整斜面；所述第一调整球头能摆动连接于所述第一球形凹槽内。

5.如权利要求4所述的内推指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述调整楔块内侧面设置为斜面，与所述调整球座的调整斜面相重合，所述调整楔块沿所述调整斜面滑动。

6.如权利要求5所述的内推指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述调整楔块的内侧面倾斜角度为10°至15°。

7.如权利要求4所述的内推指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述支撑球座内设置有第二球形凹槽；所述第二调整球头能摆动连接于所述第二球形凹槽，以改变所述钻头座与所述外壳体间的方位和弯角，所述支撑球座同轴套设于所述传动短节的中心孔内，浮动设置于所述传动短节的花键槽下端。

8.如权利要求7所述的内推指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述中心管固定设置在所述上短节内部，所述中心管外侧壁沿周向等间距设置多个隔板，沿轴向依次设置第一凸台、第二凸台和第三凸台，所述第一凸台、第二凸台之间形成第一容置槽，所述第二凸台、第三凸台之间形成第二容置槽；所述调节机构设置在所述第一容置槽内，所述液压驱动机构设置在所述第二容置槽内；所述中心管在所述第二容置槽中部处设置多个侧壁通孔，所述侧壁通孔外侧设置有侧壁凸缘；

所述传动短节位于所述中心管的第二容置槽侧壁处沿轴向设置第一侧壁通孔和第二侧壁通孔，所述第一侧壁通孔位于所述上端盖上端，所述第二侧壁通孔位于所述下端盖下端。

9.如权利要求8所述的内推指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述调节机构包括：调速电机、能相啮合的第一直齿轮和第二直齿轮、传动螺杆、传动块、控制阀；

所述第一直齿轮固定设置在所述调速电机的输出轴上，所述第二直齿轮固定设置在所述传动螺杆的上端；所述调速电机通过所述第一直齿轮和所述第二直齿轮驱动所述传动螺杆转动；

所述传动块的端面设置有第一螺纹通孔和第二螺纹通孔，所述传动螺杆能转动地设置在传动块的第一螺纹通孔内，所述传动螺杆与所述传动块构成丝杆螺母机构；

所述控制阀上端穿设在所述传动块第二螺纹通孔内，且与所述传动块固定连接。

10.如权利要求9所述的内推指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述伺服液缸包括：缸套、上端盖、下端盖、卡设在所述中心管外侧壁的固定活塞，

所述固定活塞为扇形柱体，所述固定活塞设置有轴向贯通的端面通孔；所述固定活塞内侧壁中部设置有活塞凹槽，所述活塞凹槽能与所述中心管的侧壁凸缘配合；所述活塞凹槽的侧壁处设置有与所述端面通孔相贯通的凹槽通孔；

所述缸套可滑动地套设在所述固定活塞外侧，所述上端盖和所述下端盖分别固定设置在所述缸套的两端，所述缸套内侧壁中部与所述活塞凹槽对应位置设置侧壁通孔，所述固定活塞上方和下方分别形成第一压力腔体和第二压力腔体。

11.如权利要求10所述的内推指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述控制阀包括：控制阀芯、套设在所述控制阀芯的控制阀套，

所述控制阀套为中空圆柱，所述控制阀套在位于所述第一压力腔体处设置有第一阀套通孔，所述控制阀套位于所述第二压力腔体处设置第二阀套通孔；控制阀套中部与所述凹槽通孔对应位置设置中间侧壁通孔，所述中间侧壁通孔高于所述凹槽通孔；所述控制阀芯同轴滑动设置在所述控制阀套内，所述控制阀芯中部设置第一阀芯凸台，底部设置第二阀芯凸台。

12.如权利要求2所述的内推指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述调整杆凸台下端、所述防掉接头上端、所述传动短节内侧壁、所述调整杆外侧壁构成环形腔体，所述环形腔体内设置弹性件，所述弹性件上端抵靠在调整杆凸台下端，弹性件下端座靠在防掉接头上端。

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