CN102434508A - 一种用于井下导向钻井工具中的液压控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于井下导向钻井工具中的液压控制系统。主要解决现有的导向钻井工具液压控制系统推力大小不易调节、等待时间长等问题。其特征在于：该液压控制系统还包括控制阀块（6），所述的控制阀块（6）的输出端与推力油缸（5）相连，输入端与油泵（7）相连，所述的油泵（7）入口连接胶囊油箱（12）。该用于井下导向钻井工具中的液压控制系统具有输出推力可以方便任意的调节、钻进方向易控制、等待时间短的特点。

Description

一种用于井下导向钻井工具中的液压控制系统

技术领域

 本发明涉及石油工程技术领域，特别涉及导向钻井中的一种用于井下导向钻井工具中的液压控制系统。

背景技术

在石油和地质钻井中，常需要进行导向钻井。一般是在井下钻具上，安装一个可以绕钻具旋转的导向套筒，导向套筒上安放3到4个均匀分布的液压推力控制系统。在钻井过程中，根据测量和计算出的井斜角和方位角，分别调节各液压推力控制系统的输出推力大小，使钻具在某一方向产生一定的侧向推力，以此来控制钻具在井下的方向，实现导向钻井。

目前的液压推力控制系统一般有以下几种：一、采用泥浆作为流体压力传递介质的系统。由于液压推力控制系统中有些元件与泥浆直接接触，易造成液压控制元件的磨损或腐蚀，输出推力的大小还受泥浆流量的影响和钻具内外环空压差的限制。

二、采用液压油作为流体压力传递介质的独立封闭控制回路中，可以使用压力控制阀作为控制系统压力大小的元件。目前，受井下高温、高压和强烈冲击与振动的影响以及井下空间尺寸的限制，一般无法采用电磁比例压力控制阀，通常是采用溢流阀作为控制系统压力大小的元件，而这种结构受元件数量的限制，只能进行较少的压力值设定。

三、采用公知的旁路节流回路，通过调节电机的转速，控制油泵输出流量的方法，能够进行推力系统的任意压力调节。由于受井下空间尺寸的限制，油泵的输出流量很小，这就要求旁路节流阀的节流口很小。当推力油缸需要收回时，在复位弹簧的作用下，推力油缸中的液压油都需要从节流阀微小的开口流回油箱，这需要较长的等待时间。

发明内容

为了克服现有技术中上述的不足，本发明提供一种用于井下导向钻井工具中的液压控制系统，该用于井下导向钻井工具中的液压控制系统该系统具有输出推力可以方便任意的调节、钻进方向易控制、等待时间短的特点。

本发明的技术方案是：一种用于井下导向钻井工具中的液压控制系统，包括调整电机、油泵、推力油缸，该液压控制系统还包括控制阀块，所述的控制阀块的输出端与推力油缸相连，输入端与油泵出口相连，所述的油泵入口连接胶囊油箱。

所述的控制阀块内部包括单向阀、液压控制阀、节流阀，所述的油泵出口一路通过节流阀与胶囊油箱连通，另一路通过单向阀连接推力油缸，所述单向阀的进口一端还与液压控制阀的A口连通，单向阀的出口一端还与液压控制阀的B口连通，所述液压控制阀的O口与胶囊油箱连通。

所述的油泵与节流阀之间并连有安全阀。

所述的液压控制阀包括阀体、阀芯、阀座、弹簧、阀盖，B口与O口间的密封采用阀芯与阀座之间的圆锥面密封，A口中与O口间的密封采用阀芯与阀体之间的圆柱滑动间隙密封。 

本发明具有如下有益效果：该液压控制系统将各控制阀集中在控制阀块内，内部设有流道将它们相互连通，通过油泵输出的高压油，控制推力油缸伸出，从而改变钻具的钻进方向。并且该液压控制系统在现有的旁路节流回路的基础上，通过增加单向阀和液控阀，构成了新的压力控制回路。该系统不仅保留了旁路节流回路能够连续和方便的进行系统压力调节的特点，而且还能够在油泵开启和停止时，根据单向阀前后的压力差控制液控阀的动作，自动接通或关断推力油缸与油箱的通路。在电机开启时，保证了液压系统能够方便地通过调节电机的转速来控制油缸的推力大小；当电机停止转动时，推力油缸能够在复位弹簧的作用下快速收回。减少了工作中的等待时间，提高了钻井过程中的工作效率，避免了因油缸没有收回可能引发的事故。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是沿附图1中A-A的剖视图；

图3是液压控制系统原理图；

图4是液压控制阀的结构示意图。

图中1-旋转钻具，2-轴承，3-外套管，4-推力板，5-推力油缸， 6-控制阀块，7-油泵，8-动力块，9-磁力联轴器，10-调速电机，11-控制电路，12-胶囊油箱，13-节流阀，14-安全阀，15-单向阀，16-液控阀，17-阀体，18-阀芯，19-阀座，20-弹簧，21-阀盖。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1至图4所示，一种用于井下导向钻井工具中的液压控制系统，包括旋转钻具1，旋转钻具1外部通过轴承2支撑有外套管3,外套管3上均布有3个或4个推力板4，由图2所示为3 个推力板4的情况，旋转钻具1与推力板4之间的空腔内有动力块8，该调整电机10、磁性连轴器9、油泵7、胶囊油箱12集中设在动力块8内，调整电机10与控制电路11相连，动力块8右端连接控制阀块6，所述的控制阀块6内集中了该液压控制系统的各控制阀，内部设有流道将它们相互连通，所述的控制阀块6的输出端与推力油缸5相连，输入端与油泵7出口相连，所述的油泵7入口连接胶囊油箱12，油泵7输出的高压油经控制阀块6，进入到推力油缸5中。所述的推力油缸5采用了柱塞缸的结构形式，柱塞由高压油推出，通过推力板4推靠在井孔壁上，柱塞的缩回是通过复位弹簧拉动推力板4，将柱塞复位。柱塞的伸出端外部设有橡胶保护套，防止柱塞伸出时与井下泥浆直接接触,在橡胶保护套与柱塞的伸出端之间添入耐高压和高温的流体或半流体物质。

下面对该液压系统的原理进行详细说明：所述的控制阀块6内部包括单向阀15、液压控制阀16、节流阀13,将各种阀集中在其内部，所述的油泵7出口分为两路，一路通过节流阀2与胶囊油箱2连通，另一路通过单向阀15连接推力油缸5，所述单向阀15的进口一端还与液压控制阀16的A口连通，单向阀15的出口一端还与液压控制阀16的B口连通，所述液压控制阀16的O口与胶囊油箱12连通，所述的油泵7与节流阀2之间并连有安全阀3。其中单向阀15的开启压力，应保证液压控制阀16两端的压差所产生的推力能够大于弹簧的推力,使油泵7启动后，液压控制阀16能够自动关闭B口到O的通路，保证系统能够建立起工作压力。

所述的液压控制阀16包括阀体17、阀芯18、阀座19、弹簧20、阀盖21，B口与O口间的密封采用阀芯18与阀座19之间的圆锥面密封，A口中与O口间的密封采用阀芯18与阀体17之间的圆柱滑动间隙密封，也可以采用其他密封形式，如O型密封圈或其他密封圈组成的密封。液压控制阀16的阀芯18右端的圆柱面上，设有均压槽，所述的均压槽是在阀芯18的圆柱面上加工一截面为矩形的圆环槽，均压槽矩形截面为深0.5mm、宽1mm，均压槽的数量可以根据阀芯的长度确定，均压槽的作用：一是当阀芯在圆柱孔内偏离中心时，阀芯距圆柱孔壁远的一侧压力高于另一侧，这样会导致阀芯贴于圆柱孔壁，造成阀芯运动阻力加大，而一般加工3个以上的均压槽可以减少或消除该现象；二是阀芯与圆柱孔间的微小脏物可以进入到均压槽内，减少阀芯运动时的卡阻。阀芯18左端设有弹簧定位结构，防止弹簧20变形后产生弯曲，阀座19通过阀盖21压紧在阀体17上,在阀体17和阀盖21上设有3道密封圈，分别将A口、B口和O口隔开。

该液压控制系统在接到井下控制命令后，由控制电路11控制调整电机10带动油泵7转动，油泵从胶囊油箱12中抽取液压油，通过能量转换，将高压液压油输出，高压液压油一部分从节流阀13的节流孔返回胶囊油箱12，另一部分流过单向阀15。当液压油通过单向阀15时，在单向阀15的前后产生一个压力差，使液控阀16的右端油压高于左端，在油压的压差作用下，液控阀16右端油压的推力克服左端油压和弹簧的推力，使液控阀16的阀芯左移（处在图3所示示位置），切断了液控阀16的B口与O口的通路。流过单向阀15的油液流向推力油缸5，推动推力油缸伸出，使推力板4支撑在井壁上，实现钻井过程中的导向控制。

通过改变调速电机10的转速，可以使油泵7的输出流量改变。由于节流阀13的节流开口是固定的，流量增加时，液压系统的压力升高，使推力板4的输出推力增大；反之，输出推力减少。根据井下控制的要求，通过改变电机的转速，能够根据要求调节推力板4的输出推力大小；从而，实现不同输出推力的控制要求。

当调速电机10转速逐渐增加时，液压控制系统的油压也逐渐增大。当液压系统的油压达到安全阀14的开启压力时，安全阀14自动打开，防止油压继续升高，以保护整个液压控制系统的安全。

当要求推力油缸5收回时，将调速电机10断电，油泵7不再向液压推力控制系统供油。单向阀15在弹簧力的作用下关闭。液压控制阀16A口处的液压油通过节流阀13流回胶囊油箱12，使液压控制阀16A口处的油压逐渐降低。当液压控制阀16右端油压推力小于左端的油压和弹簧推力时，液压控制阀16的阀芯右移，接通B口与O口的通路,推力油缸5中的液压油，通过液压控制阀16，流回胶囊油箱12,推力油缸5在外部弹簧的作用下收回。

本液压控制系统是在现有的旁路节流回路的基础上，通过增加单向阀和液压控制阀，构成了新的压力控制回路。与“采用泥浆作为流体压力传递介质的系统”相比，主要优点是：元件不与泥浆接触，工作寿命长；推力的大小不受泥浆流量的影响，钻井过程中，对泥浆的流量没有要求；由于液压系统的输出压力比钻具内外环空的压差大许多，一般输出推力可以较大。与“采用溢流阀作为控制系统压力大小元件的独立封闭液压系统”相比，系统输出的推力大小可以方便的任意调节。与“采用公知的旁路节流回路的独立封闭液压系统”相比，油缸能够快速返回，不需要较长的等待时间。

Claims (4)

1.一种用于井下导向钻井工具中的液压控制系统，包括调整电机（10）、油泵（7）、推力油缸（5），其特征在于：该液压控制系统还包括控制阀块（6），所述的控制阀块（6）的输出端与推力油缸（5）相连，输入端与油泵（7）出口相连，所述的油泵（7）入口连接胶囊油箱（12）。

2.根据权利要求1所述的用于井下导向钻井工具中的液压控制系统，其特征在于：所述的控制阀块（6）内部包括单向阀（15）、液压控制阀（16）、节流阀（13）,所述的油泵（7）出口一路通过节流阀（13）与胶囊油箱（12）连通，另一路通过单向阀（15）连接推力油缸（5），所述单向阀（15）的进口一端还与液压控制阀（16）的A口连通，单向阀（15）的出口一端还与液压控制阀（16）的B口连通，所述液压控制阀（16）的O口与胶囊油箱（12）连通。

3.根据权利要求2所述的用于井下导向钻井工具中的液压控制系统，其特征在于：所述的油泵（7）与节流阀（13）之间并连有安全阀（3）。

4.根据权利要求2或3所述的用于井下导向钻井工具中的液压控制系统，其特征在于：所述的液压控制阀（16）包括阀体（17）、阀芯（18）、阀座（19）、弹簧（20）、阀盖（21），B口与O口间的密封采用阀芯（18）与阀座（19）之间的圆锥面密封，A口中与O口间的密封采用阀芯（18）与阀体（17）之间的圆柱滑动间隙密封。

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