单电机式旋转导向稳定平台、钻井系统及钻井方法

1.本发明属于钻井技术领域，尤其涉及一种单电机式旋转导向稳定平台、钻井系统及钻井方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.旋转导向钻井系统要实现导向钻井的目的，需要在靠近钻头的钻铤处安装一个能够提供侧推力的执行机构，执行机构在近钻头处的钻铤外壁周向间隔设置了三个可以推靠井壁的推靠块，并且执行机构在钻铤内有三个液压流道分别与三个推靠块对应连通，而执行机构上部又设置一个液压分配系统，通常这个液压分配系统是由上、下盘阀组成，上盘阀与旋转导向系统的稳定平台相连接并能随其转动，而下盘阀上沿周向开有三个间隔120
°
分布的液压通孔，每个液压通孔都分别与上述的三个液压流道相连通；在导向钻井过程中，上盘阀需要与下盘阀产生相对转动，使上盘阀的液压孔有选择的与下盘阀的三个液压孔连通，进而使执行机构的其中一个液压流道连通钻铤内的钻井液，在钻铤内外压差的作用下使对应的推靠块推靠井壁，从而使钻头向相反方向钻进。为了实现上述过程并控制执行机构能够在所要求的方位上持续推靠井壁，在执行机构上部的钻铤内部需要安装一个能够绕钻铤中心轴线自由旋转也能够相对大地保持静止的动态稳定平台。
4.在现有的专利cn 103277047a中，公开了一种用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置及其稳定方法，钻铤内固联有承压壳体，承压壳体内设有单轴稳定平台本体、力矩电机、总电源、旋转导向控制系统和电力传输装置，单轴稳定平台本体支撑于承压壳体内；力矩电机与单轴稳定平台本体连接，电力传输装置设置在力矩电机与单轴稳定平台本体之间。在钻铤旋转时，通过旋转导向控制系统的控制，使力矩电机给单轴稳定平台本体一个与钻铤旋转方向相反的力，使单轴稳定平台本体相对于大地保持静止稳定，但是该专利存在以下问题：
5.旋转导向稳定平台要实现动态稳定，需要使施加在稳定平台整体上的力矩达到平衡，该单轴稳定平台采用上下两个力矩电机配合使用的方法，其结构复杂度较高，单个稳定平台需要使用两套电机及其电源和控制系统，不但增加了稳定平台的控制难度，使其可靠性难以保障，而且增加了旋转导向系统的仪器装备成本。


技术实现要素：

6.为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种单电机式旋转导向稳定平台及其工作方法，将本发明的单电机式旋转导向稳定平台应用于旋转导向定向钻井技术中，在满足复杂地质条件定向钻井的使用要求的同时，达到简化系统复杂度、提升工作稳定性和可靠性、提高钻井作业效率、提高旋转导向仪器核心竞争力和降本增效的目的。
7.为了实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
8.本发明第一方面提供了一种单电机式旋转导向稳定平台，主要包括：上悬挂支撑装置和下悬挂支撑装置、稳定平台外套筒、力矩稳定器、补偿涡轮、电子仓和传动轴；
9.所述上、下悬挂支撑装置分别位于稳定平台的上端和下端，并由轴承和旋转支撑组成，它们通过传动轴的上下两端将整个稳定平台整体安装于钻铤的内壁上，当钻铤旋转时，稳定平台以传动轴为中心轴可以自由转动，悬挂支撑装置的主要作用就是在井下高强度的振动冲击环境中为稳定平台的高效工作提供可靠支撑，保证稳定平台按照控制要求不断调整自身转动角度，使稳定平台相对于大地保持静止，动态稳定于所要求的方位上；
10.所述传动轴是贯穿于整个单电机稳定平台的中心轴，并且传动轴的轴线与钻铤中心线重合，稳定平台的力矩电机、电子仓、稳定平台外套筒和补偿涡轮均安装在传动轴上并随其转动，传动轴下端与执行机构的上盘阀相连接，使上盘阀可以随稳定平台同步转动，将来自稳定平台的转矩实时传递到上盘阀，以实现稳定平台对执行机构盘阀的转动控制。
11.所述力矩稳定器是设置在稳定平台外套筒上部的可控力矩稳定装置，其主要包括上涡轮和力矩电机，在工作过程中，力矩稳定器可以通过电子仓内的控制系统来动态调节其对稳定平台传动轴施加的力矩，使整个稳定平台作用于传动轴的合力矩达到平衡，实现稳定平台在特定方位上的动态稳定。
12.需要说明的是，所述上涡轮固定安装于力矩电机的外壳上，而力矩电机外壳的内侧安装有磁钢，磁钢与力矩电机外壳共同组成了涡轮力矩电机的转子，其可以随上述涡轮一起转动；而涡轮力矩电机的线圈绕组(定子)固定安装在传动轴上，在旋转导向工作过程中，当上述涡轮随钻井流体转动时，力矩电机的转子和定子就会产生相对转动并使力矩稳定器对稳定平台产生力矩，同时涡轮力矩电机也可以充当发电机，并为电子仓内的电子仪器提供电能。
13.所述稳定平台外套筒是整个稳定平台的骨架，其中心轴即稳定平台的传动轴，它们固定连接并能同步转动，同时稳定平台外套筒是具有一定承压能力的稳定平台外壳，其对稳定平台内部的电子仓具有必要的保护作用。
14.所述电子仓位于稳定平台外套筒内部并安装在传动轴上，它是单电机稳定平台的核心，其内部主要由通信模块和控制模块组成，通信模块主要用于井下随钻测量仪器的信息采集以及信号连接和传输，而控制模块主要用于实时接收通信模块的各种传感器信号并控制力矩稳定器做出响应，对稳定平台施加合适的力矩，使单电机稳定平台整体在特定方位上保持动态稳定。
15.所述补偿涡轮是单电机稳定平台可供选择设置的力矩补偿装置，其安装于稳定平台外套筒的下部，补偿涡轮转动时产生的补偿力矩可以通过稳定平台外套筒直接传递到传动轴上，可以理解的是，补偿涡轮根据安装方向的不同，其产生的转矩可以是正向的也可以是反向的，而且涡轮转动产生的转矩大小受到钻铤内钻井流体的流速以及钻铤转速等条件的影响，可以根据具体工况，通过改变补偿涡轮所产生力矩的大小和方向，使单电机稳定平台能够调节的力矩范围更为广泛，同时使稳定平台的适用性增强。
16.本发明第二方面提供了一种单电机式旋转导向钻井系统，包括单电机式旋转导向稳定平台、转矩传递机构以及导向执行机构；
17.所述单电机式旋转导向稳定平台通过转矩传递机构连接导向执行机构；
18.所述导向执行机构包括：上盘阀、下盘阀、液压流道和推靠块；
19.所述上盘阀通过转矩传递机构与稳定平台传动轴的下端相连接，下盘阀固定安装于液压流道上方，钻柱钻进过程中，上盘阀由稳定平台控制转动而下盘阀跟随钻铤同步转动；
20.上述上盘阀上开设有一个环形液压孔，下盘阀上开设三个沿周向均布的液压孔，并且下盘阀的三个液压孔分别与三个液压流道连通，每个液压流道又分别与一个推靠块相连通；
21.进行导向钻井时，在上部稳定平台装置的动态控制下，上盘阀跟随稳定平台动态调整转动角度以稳定在特定的方位上，使上盘阀的液压孔有选择的与下盘阀上的其中一个液压孔相连通，使钻铤内过滤后的高压钻井液进入下盘阀的液压孔，实现钻铤内的液压环境与液压流道连通，此时在钻铤内外钻井液的压差作用下，钻铤外部的推靠块旋转到此特定方位时伸出并推靠井壁。
22.本发明第三方面提供了一种单电机式旋转导向稳定平台的工作方法，包括：
23.在旋转导向钻进过程中，作用于稳定平台传动轴的力矩主要有力矩稳定器和补偿涡轮产生的转矩、稳定平台转动来自轴承摩擦产生的摩擦转矩、执行机构中盘阀液压分配系统相对转动产生的转矩以及粘滑现象对稳定平台的影响产生的转矩，而要实现稳定平台的平衡控制，就需要不断调整力矩稳定器施加在稳定平台传动轴上的力矩，最终使作用于传动轴上的正向和反向力矩达到平衡，才能够使稳定平台整体动态静止于特定的方位上。
24.在一种设置中，上述的单电机稳定平台设置有力矩稳定器，并安装于稳定平台的上端或者下端，要实现稳定平台的平衡控制，需要力矩稳定器施加于传动轴的力矩抵消掉轴承摩擦产生的摩擦转矩、执行机构中盘阀相对转动产生的转矩以及粘滑现象对稳定平台的影响产生的转矩，从而使作用于传动轴的合力矩达到平衡，动态保持在特定的方位上，实现稳定平台相对于大地的静止状态。
25.在一种设置中，所述的单电机稳定平台设置有力矩稳定器和补偿涡轮，力矩稳定器的上涡轮与补偿涡轮旋转方向相同，要实现稳定平台的平衡控制，需要力矩稳定器和补偿涡轮共同施加于传动轴的力矩抵消掉轴承摩擦产生的摩擦转矩、执行机构中盘阀相对转动产生的转矩以及粘滑现象对稳定平台的影响产生的转矩，从而使作用于传动轴的合力矩达到平衡，动态保持在特定的方位上，实现稳定平台相对于大地的静止状态。
26.在一种设置中，所述的单电机稳定平台设置有力矩稳定器和补偿涡轮，力矩稳定器的上涡轮与补偿涡轮旋转方向相反，要实现稳定平台的平衡控制，需要力矩稳定器施加于传动轴的力矩抵消掉轴承摩擦产生的摩擦转矩、执行机构中盘阀相对转动产生的转矩、粘滑现象对稳定平台的影响产生的转矩以及补偿涡轮产生的转矩，从而使作用于传动轴的合力矩达到平衡，动态保持在特定的方位上，实现稳定平台相对于大地的静止状态。
27.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
28.1.本发明的旋转导向稳定平台采用了单涡轮力矩电机的结构，相比较其他旋转导向稳定平台节省一个涡轮力矩电机及其电源系统，从而降低旋转导向钻井工具的仪器装备成本；
29.2.本发明相比较其他旋转导向稳定平台，结构复杂度低，系统可靠性高，在钻井施工中降低了更换易损部件的频率，同时减少了钻井施工过程中钻井装备的维护次数，降低了使用成本，提高了钻井工作效率；
30.3.本发明的单电机式稳定平台的上涡轮和补偿涡轮可以选用不同的涡轮结构、不同的涡轮组数以及涡轮大小来适应不同的井下工况，为稳定平台的平衡控制提供多种技术方案，并且可以满足各种井眼尺寸的导向钻井需求，极大提升了旋转导向的适应性。
31.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
32.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
33.图1为实施例1的单电机式旋转导向稳定平台的结构剖面示意图。
34.图2为实施例2的单电机式旋转导向钻井工具的结构剖面示意图。
35.图3为实施例3的一种设置中单电机式旋转导向稳定平台的工作剖面示意图。
36.图4为实施例3的一种设置中单电机式旋转导向稳定平台的工作剖面示意图。
37.图5为实施例3的一种设置中单电机式旋转导向稳定平台的工作剖面示意图。
38.图6为实施例3的一种设置中单电机式旋转导向稳定平台的工作剖面示意图。
39.图中，1、钻铤，2、上部悬挂支撑装置，3、上轴承，4、上涡轮，5、力矩电机线圈绕组，6、力矩电机磁钢，7、力矩电机，8、稳定平台外套筒，9、电子仓，10、补偿涡轮，11、下部悬挂支撑装置，12、下轴承，13、传动轴，14、转矩传递机构，15、钻井流体过滤装置，16、上盘阀，17、下盘阀，18、液压流道，19、推靠块，20、钻头，21、钻井流体，22、钻井流体，23、钻井流体，24、旋转方向，25、力矩方向，26、力矩方向，27、力矩方向，28、力矩方向，29、力矩方向，30、力矩方向；31力矩方向；
具体实施方式
40.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
41.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
42.术语解释部分：本发明中的“正方向”是指与钻铤旋转方向相同的方向，“反方向”是指与钻铤旋转方向相反的方向，另外术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部连接，或者两个部件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义，下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
43.实施例一
44.如图1所示，本实施例提出一种单电机式旋转导向稳定平台，单电机式稳定平台由电子仓9内的控制模块来控制力矩稳定器施加一个作用于稳定平台上的合适大小的力矩，使稳定平台在特定的方位上所受的合力矩达到平衡，从而使单电机稳定平台自身相对于大
地保持动态静止；
45.单电机旋转导向稳定平台的作用是在旋转导向钻井工具中创造一个不受钻柱旋转影响能够自由转动并且相对于大地保持静止的稳定平台，它在力矩稳定器和补偿涡轮的作用下能够独立于钻铤本身自由旋转，也可以动态静止于所要求的方位上，以使井下钻井工具的工具面角能在旋转钻进过程中保持在所要求的方位上不变，进而为导向执行机构提供一个定向造斜所需要的井下空间姿态；
46.具体的，单电机式旋转导向稳定平台具体包括上部悬挂支撑装置2、下部悬挂支撑装置11、上部轴承3和下部轴承12、上涡轮4、力矩电机7、力矩电机线圈绕组5、力矩电机磁钢6、稳定平台外套筒8、电子仓9、补偿涡轮10和稳定平台传动轴13；
47.其中，上述上部悬挂支撑装置2和下部悬挂支撑装置11分别位于稳定平台上下两端，通过上部轴承3和下部轴承12以及传动轴13将稳定平台整体安装在钻铤内壁上，并使稳定平台整体以传动轴13为中心轴自由转动，悬挂支撑装置的主要作用就是在井下高强度的振动冲击环境中为稳定平台的高效工作提供可靠支撑，使稳定平台的转动不受钻铤旋转的影响，保证其按照控制要求不断调整自身转动角度，进而使稳定平台相对于大地保持静止，动态稳定于所要求的方位上。
48.进一步的，上述传动轴13是贯穿于整个单电机稳定平台的中心轴，稳定平台的部件均安装在传动轴13上，并能够随传动轴13转动，可以理解的是，传动轴13的轴线应与钻铤中心线重合，同时力矩电机7、电子仓9和稳定平台外套筒8在工作过程中产生的转矩均能传递到传动轴13上。
49.进一步的，上述上涡轮4和力矩电机7共同组成整个稳定平台唯一的力矩稳定器，其中力矩电机7是由安装在传动轴13上的力矩电机线圈绕组5(定子)和安装在力矩电机外壳内侧的磁钢6(转子)组成，而上涡轮4安装于力矩电机7的外壳上，在钻井流体21的冲击下，上涡轮4可以带动磁钢6与力矩电机线圈绕组5产生相对转动，进而使力矩稳定器对传动轴13产生转矩；
50.进一步的，稳定平台的控制模块通过控制力矩电机线圈绕组5中电流大小以及通断来控制施加在稳定平台上的转矩以抵消传动轴13上其他的转矩，使作用于传动轴13上的合力矩达到平衡，进而使稳定平台动态稳定于所要求的方位上。
51.进一步的，力矩稳定器同时也是稳定平台的发电机，上涡轮4随钻井液的流动而转动，使力矩电机7外壳内侧的磁钢6与安装于传动轴13上的力矩电机线圈绕组5产生相对转动(切割磁感线转动)并产生电能，可以为电子仓9内的仪器提供电能。
52.进一步的，上述电子仓9是固定安装在传动轴13上的稳定平台控制核心，它整体安装在稳定平台外套筒8内的传动轴上并随传动轴13一起转动，并且电子仓9具有良好的密封性，其内部主要是稳定平台的通信模块和控制模块，具体包括井下微处理器、电源、控制系统以及测量工具面角、方位角和井斜等井眼姿态参数相关的传感器和随钻测量仪器。
53.进一步的，力矩稳定器主要是由电子仓9内部的控制模块协同通信模块进行控制，通信模块主要用于井下随钻测量仪器的信息采集以及信号连接和传输，而控制模块主要用于实时接收通信模块各传感器的井眼姿态参数信号，并通过控制系统来控制力矩稳定器做出响应，对稳定平台施加合适的力矩，使单电机稳定平台整体在特定方位上保持动态稳定。
54.进一步的，上述稳定平台外套筒8是稳定平台的骨架，其中心轴即稳定平台的传动
轴13，它们固定连接并能同步转动，并且稳定平台外套筒8是具有一定承压能力的外壳，对稳定平台内部的测井仪器具有保护作用。
55.进一步的，所述补偿涡轮10是单电机稳定平台可供选择的力矩补偿装置，在添加补偿涡轮的设置中，补偿涡轮10固定安装于稳定平台外套筒8的下部，补偿涡轮在钻铤内部钻井流体22的冲击下产生转动，并将产生的补偿力矩通过稳定平台外套筒8直接传递到传动轴13上，补偿涡轮10的主要作用是用于补偿力矩稳定器施加在传动轴13上的转矩，使力矩稳定器能够调节的力矩范围更为广泛。
56.进一步的，所述的上涡轮4和补偿涡轮10，根据安装方向的不同，其产生的转矩可以是正向的也可以是反向的，并且因其都工作在钻井液流动的钻铤内部，上涡轮4和补偿涡轮10转动产生的转矩与钻铤的转速、钻井液的流速、重度等因素相关，所以涡轮的大小、级数、安装方向以及在稳定平台上的布置方法可以根据实际工况进行选择，这也使稳定平台的适用性增强。
57.进一步的，上述单电机式旋转导向稳定平台，在控制模块的控制下，仅通过控制一个力矩稳定器对稳定平台动态施加力矩，抵消作用于稳定平台的其他方向的力矩，进而使稳定平台在转到所需造斜方位上时施加在传动轴上的正向和反向力矩达到平衡，即实现单电机式旋转导向稳定平台在特定方位相对于大地保持相对静止。
58.进一步的，假设当钻铤正向旋转钻进，单电机稳定平台所受到的来自稳定平台内部轴承的摩擦、执行机构盘阀相对转动以及受粘滑现象影响等产生的正向力矩的合力矩很大或很小时，此正向合力矩会超过力矩稳定器能够为稳定平台提供的最大反向调节力矩，或者此正向合力矩会远小于力矩稳定器能够为稳定平台提供的最小反向调节力矩，此时仅通过力矩稳定器产生的反向力矩就不能使作用于稳定平台的合力矩达到平衡，即不能使稳定平台动态稳定于所要求的方位上。
59.进一步的，根据不同的使用工况，本发明提供了设置补偿涡轮的单电机式稳定平台，在稳定平台外壁上多设置一个涡轮，与稳定平台外套筒8的外壁固定连接，使补偿涡轮10在钻井流体的冲击下产生的力矩与力矩稳定器所产生的力矩同向并直接传递给传动轴13，来补偿力矩稳定器所产生的；
60.在钻铤旋转过程中，稳定平台所受到的摩擦力矩方向与钻柱的旋转方向相同，要使不设置补偿涡轮的单电机稳定平台实现动态稳定，力矩稳定器需要施加与摩擦力矩方向相反的力矩；要使设置补偿涡轮的单电机稳定平台实现动态稳定，力矩稳定器需要施加与摩擦力矩和补偿涡轮所产生力矩的合力矩方向相反的力矩。
61.当上述正向合力矩大于涡轮力矩电机所能产生的最大反向力矩时，正向合力矩超出了涡轮力矩电机所能调节的力矩范围，此时补偿涡轮的安装方向应选择使其产生反向力矩的方向，使补偿涡轮产生的反向力矩可以补偿涡轮力矩电机产生的反向力矩，此时两个反向力矩可以共同来平衡比较大的正向合力矩，以使稳定平台的总合力矩达到平衡，进而使稳定平台动态稳定于所要求的方位上；
62.当上述正向合力矩不大于涡轮力矩电机所能产生的最大反向力矩时，正向合力矩并没有超出涡轮力矩电机所能调节的力矩范围，此时补偿涡轮的安装方向可以选择使其产生正向力矩的方向，使补偿涡轮产生的正向力矩可以补偿上述正向合力矩，此时上述正向力矩和正向合力矩可以共同平衡涡轮力矩电机产生的反向力矩，以使稳定平台的总合力矩
达到平衡，进而使稳定平台动态稳定于所要求的方位上。
63.实施例二
64.如图2所示，本实施例提出一种单电机式旋转导向钻井系统，包括实施例1的单电机式旋转导向稳定平台装置、转矩传递机构14以及导向执行机构，旋转导向钻井工具在导向钻井过程中，需要稳定平台来控制导向执行机构向所需的方位推靠井壁，进而控制钻头20的定向钻进。
65.上述与单电机式稳定平台相连接的执行机构由上盘阀16、钻井液过滤装置15、下盘阀17、液压流道18、推靠块19共同组成；
66.所述的上盘阀16位于导向执行机构的上端，上盘阀16的上部通过转矩传递机构14与稳定平台传动轴13的下端相连接，使稳定平台在其控制系统的控制下可以带动上盘阀16同步转动；
67.所述的下盘阀17位于上盘阀16的下方并与上盘阀16贴合安装，下盘阀17固定安装于液压流道18上方，钻进过程中上盘阀16跟随实施例一中稳定平台转动，而下盘阀17跟随钻铤1同步转动；
68.进一步的，上盘阀16上开设有一个一定角度的环形液压孔，下盘阀17上沿周向开设有三个呈120
°
间隔分布的液压孔，下盘阀17上的每个液压孔都分别与一个液压流道18固定连通；
69.所述的推靠块19间隔120
°
安装于近钻头处的钻铤外壁，每个推靠块19都分别单独与一个液压流道18和下盘阀17的一个液压孔相连通；
70.进一步的，上盘阀16和下盘阀17整体被钻井液过滤装置15罩住，防止钻井液中的固相颗粒卡住盘阀的相对转动进而影响执行机构的稳定工作，钻井液过滤装置15、上盘阀16、下盘阀17和液压流道18共同组成了导向执行机构的液压分配系统，上盘阀16和下盘阀17的相对转动使上盘阀16的液压孔有选择的与下盘阀17中的一个液压孔连通，进而使与此下盘阀液压孔固定连通的液压流道18和推靠块19相连通；
71.在旋转导向钻进过程中，实施例一所述的单电机式稳定平台在其控制系统的控制下，通过所述的力矩稳定器和补偿涡轮10动态调整施加在单电机稳定平台传动轴13上的力矩，以平衡稳定平台内部轴承摩擦产生的摩擦力矩、执行机构中盘阀液压分配系统相对转动产生的力矩、粘滑现象对稳定平台影响产生的力矩以及补偿涡轮产生的力矩，使作用于稳定平台的正向和反向力矩达到平衡，进而保证稳定平台动态稳定于所需的方位上；
72.进一步的，上盘阀16会跟随上述稳定平台动态转动角度，使上盘阀16的液压孔保持在所要求的方位上，而下盘阀17随着钻铤不停转动，使下盘阀17上的每个液压孔依次转到上盘阀16液压孔的位置时都能够与钻铤内部的高压环境相连通，使经过钻井液过滤装置15过滤后的钻井液23流入转到此方位的液压通道18中，此时在钻铤内外压差的作用下，钻铤外部的推靠块19伸出推靠井壁；
73.进一步的，不同的推靠块19在旋转到相同的方位上时依次向外伸出并对井壁施加一个推力，在钻铤的转动下，推靠块19持续对同一方位上的井壁产生推力作用，井壁则对钻井工具施加相反方向的推力，从而改变钻头20切削地层的方向，实现旋转导向定向钻井的目的；
74.实施例三
75.基于实施例一和实施例二中公开的单电机式旋转导向钻井系统，本实施例提供一种单电机式旋转导向稳定平台工作方法，如下：
76.在旋转导向工作过程中，假设钻铤1的旋转方向为正向，与钻铤1的旋转方向相反的方向为反向；
77.如图3所示，在此工况中，钻铤1以旋转方向24正向转动，并且旋转导向稳定平台受控稳定在某一位置或者以某一低于钻铤转速的转速匀速转动，则钻杆正常旋转时，稳定平台所受的摩擦力方向为图3中的力矩方向25，要使稳定平台所受的合力矩达到平衡，需要使力矩稳定器产生力矩方向26的力矩来抵消稳定平台所受的力矩方向25的摩擦力矩。
78.若图3所示工况出现粘滑情况，钻杆速度突然降到零，则稳定平台所受到的力矩方向25的摩擦力急剧降低且钻铤通过轴承对稳定平台的摩擦从动摩擦转变为静摩擦，此时如果力矩稳定器提供的力矩方向26的力矩小于等于静摩擦力，则稳定平台保持稳定；如果力矩稳定器提供的力矩方向26的力矩大于静摩擦力，稳定平台向反方向转动，此时控制系统通过调节力矩电机7中的电流，进而使力矩稳定器产生的力矩方向26的力矩变小，实现对稳定平台的稳定控制。
79.需要注意的是，在某些特定的工况中，上述作用于稳定平台的力矩方向25的摩擦力矩可能会超过力矩稳定器所能产生的方向为力矩方向26的最大力矩，此时仅靠力矩稳定器不能使作用于稳定平台的合力矩达到平衡，此类工况下，稳定平台需要设置一个补偿涡轮10来协助力矩稳定器控制其动态稳定。
80.如图4所示，在此工况中，钻铤1以旋转方向24正向旋转，且旋转导向稳定平台受控稳定在某一位置或者以某一低于钻杆转速的转速匀速转动，则稳定平台所受的摩擦力矩方向为图4中的力矩方向25，并且力矩稳定器施加在稳定平台的力矩方向为力矩方向28，在钻井流体22的作用下，补偿涡轮10对稳定平台产生力矩方向27的力矩，此时摩擦力的力矩方向25与补偿涡轮提供的力矩方向27相反，要使稳定平台所受的合力矩达到平衡，存在以下几种情况：
81.如果摩擦力矩大于补偿涡轮10产生的力矩，力矩稳定器需要产生力矩方向28的力矩，使稳定平台保持稳定；如果摩擦力矩等于补偿涡轮10提供的力矩，力矩稳定器不需要产生转矩，此时稳定平台保持稳定；
82.若图4所示工况出现粘滑情况，钻杆速度突然降到零，则稳定平台所受到的力矩方向25的摩擦力急剧降低且钻铤通过轴承对平台的摩擦从动摩擦转变为静摩擦，存在以下几种情况：
83.如果静摩擦大于补偿涡轮10产生的力矩，若此时力矩稳定器提供的力矩小于等于静摩擦力减去补偿涡轮10产生的力矩，则稳定平台保持稳定；若此时稳定平台的力矩稳定器提供的力矩大于静摩擦力减去补偿涡轮10产生的力矩，此时稳定平台向力矩方向28转动，应减小力矩稳定器产生的力矩方向28的力矩，实现对稳定平台的稳定控制；
84.如果静摩擦等于补偿涡轮提供的力矩，此时力矩稳定器不需要产生力矩，稳定平台保持稳定。
85.如图5所示，在此工况中，与上述图4所示的工况类似，与其不同的是力矩稳定器施加在稳定平台的力矩方向为力矩方向29，此时摩擦力的力矩方向25与补偿涡轮提供力矩的力矩方向27也相反，要使稳定平台所受的合力矩达到平衡，存在以下几种情况：
86.如果摩擦力小于补偿涡轮10提供的力矩，力矩稳定器需要产生图5中所述的力矩方向29的力矩，使稳定平台保持稳定；如果摩擦力等于补偿涡轮提供的力矩，力矩稳定器不需要产生力矩，此时稳定平台保持稳定；
87.若图5所示工况出现粘滑情况，钻杆速度突然降到零，则稳定平台所受到的摩擦力急剧降低且钻铤通过轴承对平台的摩擦从动摩擦转变为静摩擦，存在以下几种情况：
88.如果静摩擦大于补偿涡轮10产生的力矩，若此时力矩稳定器提供的力矩小于等于静摩擦力减去补偿涡轮10产生的力矩，则稳定平台保持稳定；若此时稳定平台的力矩稳定器提供的力矩大于静摩擦力减去补偿涡轮10产生的力矩，此时稳定平台向图5中所示的力矩方向29转动，应减小力矩稳定器产生的力矩方向29的力矩，实现对稳定平台的稳定控制；
89.如果静摩擦小于补偿涡轮10产生的力矩，若此时力矩稳定器提供的力矩等于补偿涡轮10产生的力矩减去静摩擦力，则稳定平台保持稳定；若此时稳定平台的力矩稳定器提供的力矩大于补偿涡轮10产生的力矩减去静摩擦力，此时稳定平台向图5中所述的力矩方向29转动，应减小力矩稳定器产生的力矩，实现对稳定平台的稳定控制；
90.如果静摩擦等于补偿涡轮10提供的力矩，此时力矩稳定器不需要产生力矩，稳定平台保持稳定。
91.如图6所示，在此工况中，钻铤1的旋转方向为图中的旋转方向24，且旋转导向稳定平台受控稳定在某一位置或者以某一低于钻杆转速的转速匀速转动，则稳定平台所受的摩擦力为图6中的力矩方向25，并且力矩稳定器施加在稳定平台的力矩方向为力矩方向31，在钻井流体22的作用下，补偿涡轮10对稳定平台产生力矩方向30的力矩，此时摩擦力的力矩方向25与补偿涡轮10提供的力矩方向30相同，要使稳定平台所受的合力矩达到平衡，存在以下情况：
92.因为摩擦力与补偿涡轮10提供的力矩是同向的，力矩稳定器需要产生力矩方向31的力矩，并且要使此力矩大小等于摩擦力加补偿涡轮10提供的力矩，使稳定平台保持稳定；
93.若图6所示工况出现粘滑情况，钻杆速度突然降到零，则稳定平台所受到的摩擦力急剧降低且钻铤通过轴承对平台的摩擦从动摩擦转变为静摩擦，存在以下几种情况：
94.如果静摩擦大于补偿涡轮10产生的力矩，若此时力矩稳定器提供的力矩小于等于静摩擦力减去补偿涡轮10产生的力矩，则稳定平台保持稳定；若此时稳定平台的力矩稳定器提供的力矩大于静摩擦力减去补偿涡轮10产生的力矩，此时稳定平台向图6中的力矩方向31转动，应减小力矩稳定器产生的力矩，实现对稳定平台的稳定控制；
95.如果静摩擦小于补偿涡轮10产生的力矩，若此时力矩稳定器提供的力矩等于补偿涡轮10产生的力矩减去静摩擦力，则稳定平台保持稳定；若此时稳定平台的力矩稳定器提供的力矩大于补偿涡轮10产生的力矩减去静摩擦力，此时稳定平台向力矩方向31转动，应减小力矩稳定器产生的力矩，实现对稳定平台的稳定控制；
96.如果静摩擦等于补偿涡轮10提供的力矩，此时力矩稳定器不需要产生力矩，稳定平台保持稳定。
97.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种单电机式旋转导向稳定平台，其特征在于，包括：钻铤(1)内设置的稳定平台外套筒(8)、力矩稳定器、补偿涡轮(10)、传动轴(13)、上部悬挂支撑装置(2)、下部悬挂支撑装置(11)和电子仓(9)；所述力矩稳定器包括上涡轮(4)和力矩电机(7)，所述力矩稳定器设置在稳定平台外套筒(8)的上部；所述电子仓(9)安装在稳定平台外套筒(8)内部的传动轴(13)上；所述传动轴(13)的上、下端分别通过上部悬挂支撑装置(2)和下部悬挂支撑装置(11)安装在近钻头钻铤(1)的内壁上；所述的上涡轮(4)安装于力矩电机外壳外表面，力矩电机的转子安装于力矩电机外壳的内表面，力矩电机的定子安装于传动轴上；所述电子仓(9)的内部由通信模块和控制模块组成，通信模块主要用于井下随钻测量仪器的信息采集以及信号连接和传输，而控制模块主要用于实时接收通信模块的各种传感器信号并控制力矩稳定器做出响应，对稳定平台施加合适的力矩，使单电机稳定平台整体在特定方位上保持动态稳定。2.根据权利要求1所述的一种单电机式旋转导向稳定平台，其特征在于：所述力矩稳定器位于稳定平台的上部，上涡轮(10)固定安装于力矩电机外壳的外表面，力矩电机磁钢(6)作为转子安装在力矩电机外壳的内表面，力矩电机线圈绕组(5)作为定子安装在传动轴(13)上。3.根据权利要求2所述的一种单电机式旋转导向稳定平台，其特征在于：所述的上涡轮(10)和磁钢(6)在钻铤内钻井流体(21)的冲击下转动，使力矩电机磁钢(6)和力矩电机线圈绕阻(5)产生相对转动，进而使力矩稳定器对传动轴(13)产生调节平衡的力矩。4.根据权利要求3所述的一种单电机式旋转导向稳定平台，其特征在于：所述的力矩稳定器通过控制模块的控制系统调节其内部的电流，进而动态调整力矩稳定器的输出力矩，使作用于稳定平台的合力矩达到平衡，进而使稳定平台保持在相对于大地的静止状态。5.根据权利要求1所述的一种单电机式旋转导向稳定平台，其特征在于：所述的稳定平台外套筒(8)是具有一定承压能力的稳定平台骨架，其固定安装于传动轴(13)上并随其转动，转动轴(13)上下两端均通过悬挂支撑装置安装于钻铤(1)内部，使稳定平台整体以传动轴为中心轴转动。6.根据权利要求1所述的一种单电机式旋转导向稳定平台，其特征在于：还包括补偿涡轮(10)，所述的补偿涡轮(10)位于稳定平台下部，安装于稳定平台外套筒的外壁上。7.一种单电机式旋转导向钻井系统，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的单电机式旋转导向稳定平台、转矩传递机构(14)以及执行机构；所述单电机式旋转导向稳定平台装置通过转矩传递机构(14)连接导向执行机构；所述执行机构包括：上盘阀(16)、下盘阀(17)、液压流道(18)和推靠块(19)；所述上盘阀(16)通过转矩传递机构(14)与传动轴(13)下端连接，下盘阀(17)固定安装于液压流道(18)上方，导向钻进过程中，上盘阀(16)跟随上述稳定平台同步转动，下盘阀(17)跟随钻铤(1)同步转动。8.根据权利要求7所述的一种单电机式旋转导向钻井系统，其特征在于：上盘阀(16)和下盘阀(17)上分别开设液压孔，进行导向钻井时，上盘阀(16)跟随上述稳定平台动态调整转动角度，并稳定于所需要的方位上，上盘阀(16)的液压孔有选择的与下盘阀(17)上旋转到此方位上的液压孔相连通，钻铤内过滤后的钻井液进入此液压孔，实现钻铤(1)内的高压液压环境与液压通道(18)连通，此时在钻铤(1)内外压差作用下，钻铤(1)外部的推靠块
(19)旋转到此方位时伸出并推靠井壁，从而改变钻头(20)切削地层的方向，实现旋转导向定向钻井的目的。9.根据权利要求7-8任一所述的一种旋转导向钻井系统，其特征在于，上盘阀(16)和下盘阀(17)被钻井液过滤装置(15)罩住，防止钻井液(23)中的固相颗粒卡住盘阀的相对转动进而影响执行机构的稳定工作。10.基于权利要求7-9任一所述的旋转导向钻井系统的钻井方法，其特征在于，包括：当钻铤正向旋转，单电机式稳定平台装置所受到的摩擦力矩方向为正方向，控制力矩稳定器产生反向的力矩等于正向合力矩，实现对稳定平台装置的稳定控制；钻进过程出现粘滑时，稳定平台装置所受到的摩擦力为静摩擦力，控制力矩稳定器产生的力矩小于等于静摩擦力，使稳定平台保持稳定。11.基于权利要求7-9任一所述的旋转导向钻井系统的钻井方法，其特征在于，包括：当钻铤正向旋转，力矩稳定器和补偿涡轮产生反方向力矩，摩擦力矩方向为正方向，且补偿力矩小于等于摩擦力矩，控制力矩稳定器所产生的力矩等于摩擦力矩和补偿力矩的合力矩，使稳定平台稳定；钻进过程出现粘滑时，稳定平台装置所受到的摩擦力为静摩擦力，控制力矩稳定器产生的力矩和补偿力矩的合力矩小于等于静摩擦力，使稳定平台保持稳定。12.基于权利要求7-9任一所述的旋转导向钻井系统的钻井方法，其特征在于，包括：当钻铤正向旋转，力矩稳定器产生正方向力矩，补偿涡轮产生反方向力矩，摩擦力矩方向为正方向，且摩擦力矩小于等于补偿力矩，控制力矩稳定器所产生的力矩等于摩擦力矩和补偿力矩的合力矩，使稳定平台稳定；钻进过程出现粘滑时，稳定平台装置所受到的摩擦力为静摩擦力，控制力矩稳定器产生的力矩和补偿力矩的合力矩小于等于静摩擦力，使稳定平台保持稳定。13.基于权利要求7-9任一所述的旋转导向钻井系统的钻井方法，其特征在于，包括：当钻铤正向旋转，力矩稳定器产生反方向力矩，补偿涡轮产生正方向力矩，摩擦力矩方向为正方向，控制力矩稳定器所产生的力矩等于摩擦力矩和补偿力矩的合力矩，使稳定平台稳定；钻进过程出现粘滑时，稳定平台装置所受到的摩擦力为静摩擦力，控制力矩稳定器产生的力矩和补偿力矩的合力矩小于等于静摩擦力，使稳定平台保持稳定。

技术总结
本发明提供一种单电机式旋转导向稳定平台、钻井系统及钻井方法，包括：稳定平台外套筒、力矩稳定器、传动轴和电子仓；稳定平台外套筒是单电机式稳定平台的骨架，内部贯穿设置传动轴，力矩稳定器和电子仓均固定在传动轴上并随传动轴一起转动；传动轴的上下两端通过悬挂支撑装置安装在钻铤的内壁上，使稳定平台整体以传动轴为中心轴转动；补偿涡轮安装于稳定平台外套筒的外壁，用于补偿力矩稳定器产生的力矩；电子仓内部的控制模块用于控制单电机式旋转导向稳定平台仅有的力矩稳定器，使其对稳定平台施加合适的力矩以平衡传动轴上其他转矩，使稳定平台在所需的方位上实现动态静止，进而使旋转导向执行机构保持在该方位的姿态以实现导向钻井的目的。现导向钻井的目的。现导向钻井的目的。


技术研发人员：武加锋 王书君 兰浩田 闫新宇 郝在盛 秦冬黎
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/12