一种海底丛式井钻井两轴联动换位装置

技术领域

本发明属于海洋钻井技术领域，具体涉及一种海底丛式井钻井两轴联动换位装置。

背景技术

天然气水合物是一种具有巨大开采潜力的未来能源，其中储集于海洋的天然气水合物占其总储的90％以上，天然气水合物储层的海洋钻井技术相对不成熟是目前限制水合物商业开发的主要因素之一。因此研究海洋钻井技术对于进一步扩大油气资源的开采量是十分必要的。

现有技术中，通常通过丛式井钻井对海洋的天然气水合物进行开采，丛式井指在同一井位上向不同方向所钻出的两个以上的井眼。它可以减少钻井设备的搬迁，降低钻进成本，适用于受地形条件限制的地区，特别在地下钻、海上钻探和油田开发中，应用较广。

现有技术存在以下技术问题：

从式井井网密度大，缺乏一套经济稳定的换位导向装置。在海上平台布置井网的过程中，尤其是丛式井钻井换位时，常常存在井口位置定位复杂、耗时且定位不够精确，缺乏一套经济的引导装置，导致在后续钻井过程中出现井眼轨迹偏移，甚至影响到钻井质量。

发明内容

针对现有技术中存在的丛式井钻井换位时，常常存在井口位置定位复杂、耗时且定位不够精确，缺乏一套经济的引导装置，导致在后续钻井过程中出现井眼轨迹偏移，甚至影响到钻井质量的问题，本发明提出了一种海底丛式井钻井两轴联动换位装置，其目的为：丛式井钻井时可以通过该两轴联动换位装置完成XOY平面内的任意移动完成钻井换位工作。

为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：提供一种海底丛式井钻井两轴联动换位装置，包括机架、移动组件、执行台面和辅助组件，所述移动组件位于机架的顶部，所述执行台面位于移动组件的顶部，所述换位装置用于带动钻头进行换位，所述移动组件的移动平面为XOY平面，所述XOY平面的形状为矩形，所述XOY平面平行与水平面，所述辅助组件用于对移动组件进行限位和控制其移动，所述执行台面与外部装置连接。本发明执行台面运动平面为XOY平面，执行台面运动范围为X轴移动组件行程范围乘Y轴移动组件行程范围的平面；所述执行台面即第二垫板的上表面，通过螺纹连接与法兰盘固定，用于连接外部设备，实现换位与钻孔工作；外部设备包括法兰盘、钻头、固定架、井口防喷器、连续油管输送装置等，此处视这些部件为一个整体，简称外部装置；

较优的，本发明所述机架包括机架台面和机架支撑柱，所述机架台面为位于机架的顶部，所述机架支撑柱为空心方管，所述机架的连接方式为焊接。

较优的，本发明所述移动组件包括X轴移动组件和Y轴移动组件，X轴移动组件的移动方向为X向，Y轴移动组件的移动方向为Y向，X向与Y向相互垂直，且X向与Y 向分别与矩形XOY平面相邻的两条边平行。

较优的，本发明所述X轴移动组件包括：第一导轨、第一导轨滑块、第一垫板，所述第一导轨与机架顶部连接，所述第一导轨的顶部设置有第一导轨滑块，第一导轨滑块沿第一导轨滑动，滑动方向为X向，所述第一导轨滑块的顶部连接有第一垫板，所述第一导轨和第一垫板的数量为两个。

较优的，本发明所述Y轴移动组件包括：导轨宽支撑板、导轨支撑板、第二导轨、第二导轨滑块和第二垫板，所述导轨宽支撑板和导轨支撑板平行，且都与第一垫板的顶部连接，所述导轨宽支撑板和导轨支撑板上分别设置有第二导轨，所述第二导轨上设置有第二导轨滑块，第二导轨滑块沿第二导轨滑动，滑动方向为Y向，所述第二导轨滑块的顶部连接有第二垫板，所述执行台面为第二垫板的上表面。

较优的，本发明所述辅助组件包括第一齿条、第一电机支撑板和第一伺服电机，所述第一齿条与机架上表面固定连接，且平行于第一导轨，所述第一齿条与第一伺服电机的齿轮相啮合，构成齿轮传动，所述第一伺服电机的底部与第一电机支撑板连接，所述第一电机支撑板与第一垫板的顶部固定连接，所述第一伺服电机用于带动X轴移动组件沿着第一齿条沿X轴方向移动。本发明第一电机支撑板的作用是固定并支撑第一伺服电机。

较优的，本发明所述辅助组件包括第二齿条、第二电机支撑板和第二伺服电机，所述第二齿条与导轨宽支撑板上表面固定连接，且平行于第二导轨，所述第二齿条与第二伺服电机的齿轮相啮合，构成齿轮传动，所述第二伺服电机的底部与第二电机支撑板连接，所述第二电机支撑板与第二垫板的顶部固定连接，所述第二伺服电机用于带动Y轴移动组件沿着第二齿条沿Y轴方向移动。本发明第二电机支撑板的作用是固定并支撑第二伺服电机。

较优的，本发明所述辅助组件还包括限位开关，所述限位开关有两个，分别安装在靠近第一齿条的第一导轨和靠近第二齿条的第二导轨上，用于控制移动组件的最大滑动行程。本发明限位开关的安装位置靠前于限位块，能够起到一次保护的作用，限位开关可以微调，用于控制移动组件的最大滑动行程。

较优的，本发明所述辅助组件还包括限位块，所述限位块安装于两条第一导轨和两条第二导轨的首末端，所述限位块用于防止限位开关失效时移动组件滑动失控滑出导轨。

较优的，本发明所述限位块的材料为橡胶。本发明的限位块是不得已的停机措施，能够起到二次保护的作用，限位块由橡胶材料制成，能够有限防止移动组件滑出导轨，同时橡胶能都起到良好的缓冲作用，减缓移动组件的撞击保护设备安全。

相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点/有益效果：

1.本发明丛式井钻井时可以通过移位组件完成XOY平面内的任意移动完成钻井换位工作。

2.本发明通过第一导轨和第二导轨上安装限位开关，能够起到一次保护的作用，限位开关可以微调，用于控制移动组件的最大滑动行程；然后再在第一导轨和第二导轨得末端安装限位块，用于防止限位开关失效时移动组件滑动失控滑出导轨。能够起到二次保护的作用，同时橡胶的限位块能都起到良好的缓冲作用，减缓移动组件的撞击保护设备安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1的换位装置立体结构示意图；

图2为本发明实施例1的换位装置和外部装置整装立体结构示意图；

图3为X轴移动组件的立体结构示意图；

图4为Y轴移动组件的立体结构示意图；

图5是图1的正视图；

图6为实施例1的模拟钻井俯视图；

图中标记分别为：1、第二齿条；2、第一导轨；3、导轨宽支撑板；4、第一垫板； 5、第一电机支撑板；6、第一伺服电机；7、限位开关；8、第一齿条；9、第二垫板； 10、导轨滑块；11、第二导轨；12、限位块；13、机架；14、导轨支撑板。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例1：

如图1-图6所示，本实施例1提出了一种海底丛式井钻井两轴联动换位装置，包括机架13、移动组件、执行台面和辅助组件，所述移动组件位于机架13的顶部，所述执行台面位于移动组件的顶部，所述换位装置用于带动钻头进行换位，所述移动组件的移动平面为XOY平面，所述XOY平面的形状为矩形，所述XOY平面平行与水平面，所述辅助组件用于对移动组件进行限位和控制其移动，所述执行台面与外部装置连接。

本发明所述机架13包括机架13台面和机架13支撑柱，所述机架13台面为位于机架13的顶部，所述机架13支撑柱为空心方管，所述机架13的连接方式为焊接。

本发明所述移动组件包括X轴移动组件和Y轴移动组件，X轴移动组件的移动方向为X向，Y轴移动组件的移动方向为Y向，X向与Y向相互垂直，且X向与Y向分别与矩形XOY平面相邻的两条边平行。

本发明所述X轴移动组件包括：第一导轨2、第一导轨2滑块、第一垫板4，所述第一导轨2与机架13顶部通过螺纹连接固定，所述第一导轨2的顶部设置有第一导轨 2滑块，第一导轨2滑块沿第一导轨2滑动，滑动方向为X向，所述第一导轨2滑块的顶部连接有第一垫板4，所述第一导轨2和第一垫板4的数量为两个。

本发明所述Y轴移动组件包括：导轨宽支撑板3、导轨支撑板14、第二导轨11、第二导轨11滑块10和第二垫板9，所述导轨宽支撑板3和导轨支撑板14平行，且都与第一垫板4的顶部连接，所述导轨宽支撑板3和导轨支撑板14上分别设置有第二导轨11，所述第二导轨11上设置有第二导轨11滑块10，第二导轨11滑块10沿第二导轨11滑动，滑动方向为Y向，所述第二导轨11滑块10的顶部连接有第二垫板9，所述执行台面为第二垫板9的上表面。

本发明执行台面运动平面为XOY平面，执行台面运动范围为X轴移动组件行程范围乘Y轴移动组件行程范围的平面；所述执行台面即第二垫板9的上表面，通过螺纹连接与法兰盘固定，用于连接外部设备，实现换位与钻孔工作；外部设备包括法兰盘、钻头、固定架、井口防喷器、连续油管输送装置等，此处视这些部件为一个整体，简称外部装置。

本发明所述辅助组件包括：第一齿条8、第一电机支撑板5、第一伺服电机6、第二齿条1、第二电机支撑板、第二伺服电机、限位开关7和限位块12。

本发明所述第一齿条8与机架13上表面固定连接，且平行于第一导轨2，所述第一齿条8与第一伺服电机6的齿轮相啮合，构成齿轮传动，所述第一伺服电机6的底部与第一电机支撑板5连接，所述第一电机支撑板5与第一垫板4的顶部固定连接，所述第一伺服电机6用于带动X轴移动组件沿着第一齿条8沿X轴方向移动。本发明第一电机支撑板5的作用是固定并支撑第一伺服电机6。

本发明所述第二齿条1与导轨宽支撑板3上表面固定连接，且平行于第二导轨11，所述第二齿条1与第二伺服电机的齿轮相啮合，构成齿轮传动，所述第二伺服电机的底部与第二电机支撑板连接，所述第二电机支撑板与第二垫板9的顶部固定连接，所述第二伺服电机用于带动Y轴移动组件沿着第二齿条1沿Y轴方向移动。本发明第二电机支撑板的作用是固定并支撑第二伺服电机。

本发明所述第一齿条8安装于机架13，通过螺纹连接固定，与第一伺服电机6的齿轮相啮合，构成齿轮传动，当第一伺服电机6转动时，X轴移动组件将在第一伺服电机6的带动下沿着第一齿条8沿X轴方向移动；所述第二齿条1安装于导轨宽支撑板3，通过螺纹连接固定，与第二伺服电机的齿轮相啮合，构成齿轮传动，当第二伺服电机转动时，Y轴移动组件将在第二伺服电机的带动下沿着第二齿条1沿Y轴方向移动；第一伺服电机6和第二伺服电机自带减速机用于降低钻速，通过输出端齿轮与X轴移动组件与Y轴移动组件的齿条相啮合，实现齿轮传动，第一伺服电机6和第二伺服电机将电能转换为机械能，是整台设备的动力输出装置。

本发明所述限位开关7有两个，分别安装在靠近第一齿条8的第一导轨2和靠近第二齿条1的第二导轨11上，用于控制移动组件的最大滑动行程。本发明限位开关7 的安装位置靠前于限位块12，能够起到一次保护的作用，限位开关7可以微调，用于控制移动组件的最大滑动行程。

本发明所述限位块12安装于两条第一导轨2和两条第二导轨11的首末端，所述限位块12用于防止限位开关7失效时移动组件滑动失控滑出导轨。所述限位块12的材料为橡胶。本发明的限位块12是不得已的停机措施，能够起到二次保护的作用，限位块12由橡胶材料制成，能够有限防止移动组件滑出导轨，同时橡胶能都起到良好的缓冲作用，减缓移动组件的撞击保护设备安全。

该实施例1整体安装与连接关系如下：

机架13如图1放置，第一导轨2与第一齿条8通过螺纹连接固定于机架13上部台面，两根第一导轨2分别固定于机架13的左右两侧，第一齿条8固定于机架13左侧，两根第一导轨2固定完成后，每根第一导轨2安装两个第一导轨2滑块，共四个，通过螺纹连接固定，第一导轨2滑块安装完成后，利用螺纹连接将第一导轨2滑块与第一垫板4固定，左右各一个第一垫板4，在第一导轨2末端通过螺纹连接安装限位块 12，共计四个，防止第一导轨2滑块滑出第一导轨2，第一电机支撑板5通过螺纹连接固定于第一垫板4，第一伺服电机6通过螺纹连接固定于第一电机支撑板5，固定完成后，将限位开关7共计两个安装于左侧第一导轨2首末端用于限位，以上安装工作测试设备X轴向运动是否异常，运行无误即完成X轴移动组件与机架13的连接工作。

导轨宽支撑板3与导轨支撑板14分别通过螺纹连接与左右的第一垫板4连接固定，导轨宽支撑板3上部通过螺纹连接固定第二齿条1与第二导轨11，导轨支撑板14上部通过螺纹连接固定另一条第二导轨11，两根第二导轨11固定完成后，每根第二导轨 11安装两个第二导轨11滑块10，共四个，通过螺纹连接固定，第二导轨11滑块10 安装完成后，利用螺纹连接将第二导轨11滑块10与第二垫板9固定，在第二导轨11 末端通过螺纹连接安装限位块12，共计四个，防止第二导轨11滑块10滑出第二导轨 11，第二电机支撑板通过螺纹连接固定于第二垫板9，第二伺服电机通过螺纹连接固定于第二电机支撑板，固定完成后，将限位开关7共计两个安装于靠近第二齿条1的第二导轨11首末端用于限位，以上安装工作完成后，锁定X轴移动组件的相对运动，测试设备Y轴向运动是否异常，运行无误即完成Y轴移动组件与X轴移动组件的连接工作，解除X轴移动组件的相对运动，第二垫板9的上端面即执行台面，通过螺纹连接法兰盘与外部设备对接即完成了设备的整体安装。

设备工作原理：

参照图2所示，外部设备包括法兰盘、钻头、固定架、井口防喷器、连续油管输送装置等，此处视这些部件为一个整体，简称外部装置；

参照图2所示，外部设备与执行台面即第二垫板9的上端面通过螺纹连接固定，随执行台面沿设备XOY平面任意移动；

参照图6所示，为携带外部设备的设备整体模拟钻井俯视图，待钻孔位如图中圆圈所示，X向行程范围为(0，a)，Y向行程范围为(0，b)，X向Y向的行程大小由钻井孔位布置需求、设备设计参数以及限位开关7的位置所决定，a的长度等于第一导轨2两限位开关7安装位置之差，b的长度等于第二导轨11两限位开关7安装位置之差，外部设备的钻头单向行程最大范围为X向(0，a)，Y向(0，b)，外部设备的钻头在XOY平面内的运动范围为a*b的矩形区域，待钻孔位布置范围处于设备工作区域以内时，设备可以通过该两轴联动换位装置完成XOY平面内的任意移动完成钻井换位工作；

如图6所示，假设需要依次钻如图四孔位，钻孔顺序为孔位1、孔位2、孔位3和孔位4，四孔位坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)和(x4，y4)，并且四孔位均落在设备加工范围内；

设备清零回原点，钻头中心坐标(R，R)；

如图6所示，钻孔位1，坐标为(x1，y1)，X轴移动组件上第一伺服电机6转动，通过第一伺服电机6输出端齿轮与第一齿条8的啮合作用，带动X轴移动组件沿X轴正方向从0移动到x1，位移x1，到达坐标(x1，0)，X轴移动组件上第一伺服电机6 停止转动，X向移动完成，Y轴移动组件上第二伺服电机转动，通过第二伺服电机输出端齿轮与第二齿条1的啮合作用，带动Y轴移动组件沿Y轴正方向从0移动到y1，位移y1，到达坐标(x1，y1)，Y轴移动组件上第二伺服电机停止转动，Y向移动完成，此时设备已到达孔位1钻孔位置，坐标(x1，y1)，开始进行并完成孔位1的钻孔；

如图6所示，钻孔位2，坐标为(x2，y2)，X轴移动组件上第一伺服电机6转动，通过第一伺服电机6输出端齿轮与第一齿条8的啮合作用，带动X轴移动组件沿X轴正方向从x1移动到x2，位移x2-x1，到达坐标(x2，y1)，X轴移动组件上第一伺服电机6停止转动，X向移动完成，Y轴移动组件上第二伺服电机转动，通过第二伺服电机输出端齿轮与第二齿条1的啮合作用，带动Y轴移动组件沿Y轴正方向从y1移动到 y2，位移y2-y1，到达坐标(x2，y2)，Y轴移动组件上第二伺服电机停止转动，Y向移动完成，此时设备已到达孔位2钻孔位置，坐标(x2，y2)，开始进行并完成孔位2 的钻孔；

如图6所示，钻孔位3，坐标为(x3，y3)，X轴移动组件上第一伺服电机6转动，通过第一伺服电机6输出端齿轮与第一齿条8的啮合作用，带动X轴移动组件沿X轴正方向从x2移动到x3，位移x3-x2，到达坐标(x3，y2)，X轴移动组件上第一伺服电机6停止转动，X向移动完成，Y轴移动组件上第二伺服电机转动，通过第二伺服电机输出端齿轮与第二齿条1的啮合作用，带动Y轴移动组件沿Y轴正方向从y2移动到 y3，位移y3-y2，到达坐标(x3，y3)，Y轴移动组件上第二伺服电机停止转动，Y向移动完成，此时设备已到达孔位3钻孔位置，坐标(x3，y3)，开始进行并完成孔位3 的钻孔；

如图6所示，钻孔位4，坐标为(x4，y4)，X轴移动组件上第一伺服电机6转动，通过第一伺服电机6输出端齿轮与第一齿条8的啮合作用，带动X轴移动组件沿X轴正方向从x3移动到x4，位移x4-x3，到达坐标(x4，y3)，X轴移动组件上第一伺服电机6停止转动，X向移动完成，Y轴移动组件上第二伺服电机转动，通过第二伺服电机输出端齿轮与第二齿条1的啮合作用，带动Y轴移动组件沿Y轴正方向从y3移动到 y4，位移y4-y3，到达坐标(x4，y4)，Y轴移动组件上伺服电机6停止转动，Y向移动完成，此时设备已到达孔位4钻孔位置，坐标(x4，y4)，开始进行并完成孔位4 的钻孔；

以上步骤完成后即完成了对如图6四孔位的钻孔，四孔位坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)和(x4，y4)，其他孔位布置方案的钻井工作同理可以采用如上方式逐步进行；

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。