[发明专利]一种动态指向式旋转导向钻井工具

权利要求书

1.一种动态指向式旋转导向钻井工具，包括旋转外筒、稳定平台、导向偏置机构、钻压传递机构、扭矩传递机构、上支撑板、下支撑板、钻轴、钻头、密封波纹管、钻轴连接轴承和导电滑环，其特征在于：旋转外筒向钻头直接施加钻压和扭矩，带动钻轴、钻头共同旋转，通过改变稳定平台相对于旋转外筒的角位移，可使钻轴中心线指向东西南北0~360°范围内任意控制方位。

2.如权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：导向偏置机构位于稳定平台主体内部，稳定平台置于旋转外筒内部，包括中空圆柱形稳定平台主体、稳定平台连接轴承、稳定平台伺服电机及配套的稳定平台电机联轴器，稳定平台主体上端由安装在旋转外筒的下支撑板和下支撑板内嵌轴承连接固定，下端通过稳定平台连接轴承与旋转外筒内壁紧密配合，稳定平台伺服电机安装在旋转外筒的上支撑板上，上支撑板与下支撑板通过内六角螺纹紧固在旋转外筒上，并随之一起运动。

3.如权利要求2所述的动态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：稳定平台电机联轴器用于连接稳定平台伺服电机与稳定平台主体，稳定平台伺服电机驱动稳定平台主体相对于旋转外筒等速相反旋转，使其在工作状态下保持对地静止；所述的稳定平台伺服电机为中空轴式电机。

4.如权利要求1或2所述的动态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：导向偏置机构为互成120°安装的三个液压驱动活塞，所述液压驱动活塞所围成的中心区域有一钻轴连接轴承，可通过调整各个液压驱动活塞的直线位移，形成结构弯角，该直线位移存在最大设计直线位移，该结构弯角从0°到最大设计角度变化，结构弯角最大设计角度与液压驱动活塞最大设计直线位移决定了钻轴从钻轴连接轴承下端面到扭矩传递机构中导向旋转中心点的设计距离；所述钻轴连接轴承为角接触轴承，其内侧与钻轴上部连接头紧密配合，外部与各个液压驱动活塞直接相连。

5.如权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：钻压传递机构自上而下包括钻压承压环、弹性垫圈、球面止推环和球面旋转环，钻压传递机构内穿有钻轴，其上端通过钻轴连接轴承与内偏心环的偏心中空体紧固连接，中部伸出有圆柱形“凸”台与球面旋转环中间内凹面相接触，以至于可将来自旋转外筒上的钻压进一步传递至钻轴上，进而可传递至安装于钻轴前端的钻头上；所述的钻压承压环为一中间有孔的“凹”形圆柱结构，其上端置于旋转外筒内壁凹台之上，下端同扭矩传递机构的上万向节球笼套相接触，直接承载来自旋转外筒上的钻压，弹性垫圈、球面止推环和球面旋转环均依次置于钻压承压环内部，球面止推环和球面旋转环的球心O为钻轴的导向旋转中心。

6.如权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：扭矩传递机构包括上万向节球笼、下万向节球笼、钢球、连接键以及用于保护扭矩传递机构的内套环和外套环；所述的上万向节球笼与下万向节球笼主体结构类似，均为中空圆柱体，内壁处均布有8个1/4“凹球面”，其正好与钻轴相应位置上的另1/2“凹球面”组成全球面，所述全球面内置有优质钢球，动力扭矩由均布在外筒周围的八个连接键传递至上万向节球笼与下万向节球笼，而后利用八个大直径钢球以球面接触的方式将扭矩施加于钻轴，进而作用于钻头上。

7.如权利要求1或2所述的动态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述动态指向式旋转导向钻井工具包括安装在上支撑板下端面的用于连接稳定平台伺服电机电源及控制信号线的稳定平台导电滑环；所述的钻轴与钻轴连接轴承的泥浆密封可用密封波纹管来实现；所述的钻轴与下万向节球笼的泥浆密封可用密封波纹管来实现。

8.一种对动态指向式旋转导向钻井工具的井眼轨迹随动和稳定控制方法，其特征在于：根据预置井眼轨迹参数由计算单元解算出所要控制的井斜角和方位角信息，以及所需结构弯角值，并结合液压驱动活塞导向偏置机构工作原理，进而控制三个液压驱动活塞的直线运行位移和稳定平台主体相对于旋转外筒的相对旋转角位移；为实现该井斜角和方位角的准确控制，采用闭环I、闭环Ⅱ双闭环控制器；所述闭环I中利用模糊控制器a实现稳定平台主体跟随旋转外筒的反向等速控制，实现其地理静止，闭环Ⅱ中利用模糊控制器b实现各组液压驱动活塞的直线运行位移和稳定平台主体相对于旋转外筒的相对旋转角位移的精确控制。