CN104818952A - 一种井下电磁控制减震式弹性扶正装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下电磁控制减震式弹性扶正装置，其特点主要包括：支撑连接机构、电磁控制系统、减震弹性扶正机构。本发明能够连接与之匹配的井下牵引装置或测井仪器，采用四组夹角为90°的扶正臂单元实现扶正作用；并通过电磁控制系统和螺旋减震弹簧的弹性伸缩共同作用以适应井下管径的变化，其中电磁控制系统可以根据减震弹簧的振动和弹性冲击力的大小进行连续的自适应调节，避免扶正装置完全依靠螺旋减震弹簧的刚性伸缩来实现减震，从而提高扶正装置的使用寿命和稳定性，保证扶正效果；避免扶正装置的疲劳破坏等影响测井仪器在井下的正常作业。

Description

一种井下电磁控制减震式弹性扶正装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种石油勘探开发中水平井井下牵引装置或测井仪器用扶正装置，具体涉及一种井下电磁控制减震式弹性扶正装置。

背景技术

随着水平井、大位移井、多底井等钻井技术在石油勘探开发过程中扮演着越来越重要的角色。在石油测井过程中，目前大部分采用钻杆输送井下测井仪器的方式，给水平井测井带来很多不便，且随着井眼条件越来越复杂、井斜角的增大、水平段长度的增长，井下仪器在下入过程中的居中度变得越来越难保证。

在牵引装置和测井仪器下入井内时一般采用扶正器来提高牵引装置和测井仪器在井下的稳定性，减少对套管的磨损以及对装置或仪器自身的损坏，避免牵引装置或测井仪器在井下作业出现卡阻现象，提高测井效率，缩短测井周期。目前，绝大多数的扶正装置或扶正器都是采用单一的依靠螺旋减震弹簧的刚性变形收缩来满足井径变化以及其他井下复杂情况，同时，通常扶正器或扶正装置为了保证在井下作业时，其滚轮持续压紧井壁保证扶正效果，所以在扶正装置在井内螺旋减震弹簧需要具备一定的预压缩量，即弹簧在井下长期处于某一压缩状态。然而，当井下井眼发生连续变径时，弹簧的持续刚性伸缩难以满足随载荷大小变化下的疲劳强度和稳定性，使用寿命也会在很大程度上收到限制。因此，研制具有结构简单，操作方便的基本前提下，能够根据井下振动和弹性冲击力的大小和频率进行自适应调节并克服或适应井眼复杂条件的扶正装置是井下牵引装置或测井仪器高效、稳定作业的保障。

基于以上分析，本发明专利设计了一种井下电磁控制减震式弹性扶正装置，旨在通过电磁控制系统和螺旋减震弹簧的弹性伸缩共同作用以适应井下管径的变化，其中电磁控制系统可以根据减震弹簧的振动和弹性冲击力的大小进行连续的自适应调节，避免扶正装置完全依靠螺旋减震弹簧的刚性伸缩来实现减震，从而提高扶正装置的使用寿命和稳定性，保证扶正效果。

发明内容

本发明的目的在于为石油与天然气钻井工程领域提供一种井下电磁控制减震式弹性扶正装置。该扶正装置采用四组夹角为90°的扶正臂单元实现扶正作用；并通过电磁控制系统和螺旋减震弹簧的弹性伸缩共同作用以适应井下管径的变化，其中电磁控制系统可以根据减震 弹簧的振动和弹性冲击力的大小进行连续的自适应调节，避免扶正装置完全依靠螺旋减震弹簧的刚性伸缩来实现减震，从而提高扶正装置的使用寿命和稳定性，保证扶正效果；避免扶正装置的疲劳破坏等影响测井仪器在井下的正常作业。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种井下电磁控制减震式弹性扶正装置主要由支撑连接机构、电磁控制系统、减震弹性扶正机构组成；支撑连接机构用以支撑该扶正装置的整体结构，并在井下与相匹配的仪器或装置连接，电磁控制系统和减震弹性扶正机构共同作用以适应井下管径的变化，并且可以根据螺旋减震弹簧的振动和弹性冲击力的大小进行连续的自适应调节，避免扶正装置完全依靠螺旋减震弹簧的刚性伸缩来实现减震。

支撑连接机构包括连接头、保护外筒、连接中轴以及引导接头；连接头的上部有外螺纹、内孔及走线斜孔，下部轴向有带内螺纹的深长孔、环形槽，且台阶处有外螺纹与保护外筒的内螺纹连接，径向上有方形空腔，其底部通过走线孔与连接头上部的内孔连通；保护外筒呈圆筒状，一端有内螺纹，另一端有O型密封圈安装槽以及传感器安装孔，内侧有传感器传输电线安装槽；连接中轴为两端有定位轴肩的细长圆轴，两端外螺纹分别与连接头和引导接头连接，起连接支撑作用，下端轴肩的一侧有两组呈90°均布的定位螺纹孔，用以将下支撑滑套锁定在连接中轴上，相邻的两组定位螺纹孔可以根据实际需要进行调节和控制上扶正臂、下扶正臂的张开角，从而适应于不同井径的使用。

电磁控制系统包括总线连接器、集成总线、电子控制器、电动机定位环、线性电动机、传感器、传感器传输电线；电子控制器和线性电动机是电磁控制系统的核心，电子控制器安装在连接头径向的方形空腔内，通过斜孔中的集成总线与安装在上部内孔中的总线连接器连通，同时连通线性电动机；线性电动机实际上是由定子线圈以及运动磁铁组成的直线电动机，安装在支撑连接机构上的线性电动，其定子线圈固定在连接头上，线圈中的电流强度直接由电子控制器控制；传感器用来检测上支撑滑套的加速度和行程，并通过传感器传输电线传输给电子控制器，电子控制器根据传感器所检测上支撑滑套的实际加速度和行程，发出指令精确控制输入线性电动机定子线圈的电流强度，从而控制线性电动机的反方向运动阻尼力和减震力；缓和上支撑滑套和螺旋减震弹簧的冲击和扶正装置的振动。

减震弹性扶正机构包括螺旋减震弹簧、滑环、滑环紧定螺钉、O形密封圈、滚针滑套、上支撑滑套、滑套连接销钉、上扶正臂、滚轮、滚轮活动销、下扶正臂、下支撑套、滑套定位环以及定位环紧定螺钉；螺旋减震弹簧采用圆柱螺旋弹簧，两端分别与连接头和滑环连 接，是减震弹性扶正机构的关键元件，滑环上部有凹槽，用以安装减震螺旋弹簧以及连接线性电动机，下端通过六个均布的滑环紧定螺钉与上支撑滑套连接，是传递阻尼力和减震力的主要元件；上支撑滑套为圆环筒，上部与滑环、保护外筒配合，内孔与滚针滑套的外圈配合，下部均布四个夹角为90°的开口槽，分别通过滑套连接销钉与上支撑臂的一端连接，上支撑滑套可以沿轴向滑动；上支撑臂两端通过活动销分别与上支撑滑套、下扶正臂连接，上扶正臂的上部装有滚轮，滚轮通过滚轮活动销固定在上扶正臂上，在井下直接与井壁接触，并沿井壁滚动；下支撑套与上支撑滑套结构相似，上部均布四个夹角为90°的开口槽，分别通过连接销钉与下支撑臂的一端连接，内孔与连接中轴配合，下端台阶上均布四个圆形通孔，通过滑套定位环和定位环紧定螺钉将其锁定；下扶正臂的上部也装有可沿井壁滚动的滚轮。

与现有技术相比，本发明的有如下优点：

1.该扶正装置通过电磁控制系统和螺旋减震弹簧的弹性伸缩共同作用以适应井下管径的变化，电磁控制系统是一个阻尼力连续可调的自适应系统，能避免扶正装置完全依靠螺旋减震弹簧的刚性伸缩来实现减震，从而提高扶正装置的使用寿命和稳定性，保证扶正效果。

2.采用传感器用来检测上支撑滑套的加速度和行程，并通过传感器传输电线传输给电子控制器，电子控制器根据传感器所检测上支撑滑套的实际加速度和行程，发出指令精确控制输入线性电动机定子线圈的电流强度，从而控制线性电动机的反方向运动阻尼力和减震力；缓和上支撑滑套和螺旋减震弹簧的冲击和扶正装置的振动；因此，扶正装置能够根据弹性冲击力的大小和频率进行持续的自适应调节和控制。

3.可以根据实际井径的需要，将下支撑套锁定在连接中轴的其中一组定位螺纹孔上，满足不同井径条件下的使用要求。

附图说明

图1为井下电磁控制减震式弹性扶正装置剖视的主视示意图；

图2为井下电磁控制减震式弹性扶正装置的剖视结构示意图；

图3为井下电磁控制减震式弹性扶正装置图2中的I局部放大图；

图4为井下电磁控制减震式弹性扶正装置沿图2中A-A的剖视示意图；

图5为井下电磁控制减震式弹性扶正装置沿图2中B-B的剖视示意图；

图6为井下电磁控制减震式弹性扶正装置的主视示意图；

图7为井下电磁控制减震式弹性扶正装置处于自由收缩装坛下的示意图；

图8为井下电磁控制减震式弹性扶正装置的俯视示意图；

图中：11连接头，12保护外筒，13连接中轴，14引导接头，21总线接头，22集成总线，23电子控制器，24电动机定位环，25线性电动机，26传感器，27传感器传输电线，31螺旋减震弹簧，32滑环，33滑环紧定螺钉，34O形密封圈，35滚针滑套，36上支撑滑套，37滑套连接销钉，38上扶正臂，39滚轮，310滚轮活动销，311下扶正臂，312下支撑套，313滑套定位环，314定位环紧定螺钉。

具体实施方式

以下结合附图，说明本发明提出的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

一种井下电磁控制减震式弹性扶正装置主要由支撑连接机构1、电磁控制系统2、减震弹性扶正机构3组成；支撑连接机构1用以支撑该扶正装置的整体结构，并在井下与相匹配的仪器或装置连接，电磁控制系统2和减震弹性扶正机构3共同作用以适应井下管径的变化，并且可以根据螺旋减震弹簧31的振动和弹性冲击力的大小进行连续的自适应调节，避免扶正装置完全依靠螺旋减震弹簧31的刚性伸缩来实现减震。

支撑连接机构1包括连接头11、保护外筒12、连接中轴13以及引导接头14；连接头11的上部有外螺纹、内孔及走线斜孔，下部轴向有带内螺纹的深长孔、环形槽，且台阶处有外螺纹与保护外筒12的内螺纹连接，径向上有方形空腔，其底部通过走线孔与连接头11上部的内孔连通；保护外筒12呈圆筒状，一端有内螺纹，另一端有O型密封圈34安装槽以及传感器26安装孔，内侧有传感器传输电线27安装槽；连接中轴13为两端有定位轴肩的细长圆轴，两端外螺纹分别与连接头11和引导接头14连接，起连接支撑作用，下端轴肩的一侧有两组呈90°均布的定位螺纹孔，用以将下支撑滑套312锁定在连接中轴上，相邻的两组定位螺纹孔可以根据实际需要进行调节和控制上扶正臂38、下扶正臂311的张开角，从而适应于不同井径的使用。

电磁控制系统2包括总线连接器21、集成总线22、电子控制器23、电动机定位环24、线性电动机25、传感器26、传感器传输电线27；电子控制器23和线性电动机25是电磁控制系统2的核心，电子控制器23安装在连接头11径向的方形空腔内，通过斜孔中的集成总线22与安装在上部内孔中的总线连接器21连通，同时连通线性电动机25；线性电动机25实际上是由定子线圈以及运动磁铁组成的直线电动机，安装在支撑连接机构1上的线性电动机25，其定子线圈固定在连接头11上，线圈中的电流强度直接由电子控制器23控制；传 感器26用来检测上支撑滑套36的加速度和行程，并通过传感器传输电线27传输给电子控制器23，电子控制器23根据传感器26所检测上支撑滑套36的实际加速度和行程，发出指令精确控制输入线性电动机25定子线圈的电流强度，从而控制线性电动机25的反方向运动阻尼力和减震力；缓和上支撑滑套36和螺旋减震弹簧31的冲击和扶正装置的振动。

减震弹性扶正机构3包括螺旋减震弹簧31、滑环32、滑环紧定螺钉33、O形密封圈34、滚针滑套35、上支撑滑套36、滑套连接销钉37、上扶正臂38、滚轮39、滚轮活动销310、下扶正臂311、下支撑套312、滑套定位环313以及定位环紧定螺钉314；螺旋减震弹簧31采用圆柱螺旋弹簧，两端分别与连接头11和滑环32连接，是减震弹性扶正机构3的关键元件，滑环32上部有凹槽，用以安装减震螺旋弹簧31以及连接线性电动机25，下端通过六个均布的滑环32紧定螺钉与上支撑滑套36连接，是传递阻尼力和减震力的主要元件；上支撑滑套36为圆环筒，上部与滑环32、保护外筒12配合，内孔与滚针滑套35的外圈配合，下部均布四个夹角为90°的开口槽，分别通过滑套连接销钉37与上支撑臂38的一端连接，上支撑滑套36可以沿轴向滑动；上支撑臂38两端通过活动销分别与上支撑滑套36、下扶正臂311连接，上扶正臂38的上部装有滚轮39，滚轮39通过滚轮活动销310固定在上扶正臂38上，在井下直接与井壁接触，并沿井壁滚动；下支撑套312与上支撑滑套36结构相似，上部均布四个夹角为90°的开口槽，分别通过连接销钉与下支撑臂311的一端连接，内孔与连接中轴13配合，下端台阶上均布四个圆形通孔，通过滑套定位环313和定位环紧定螺钉314将其锁定；下扶正臂311的上部也装有可沿井壁滚动的滚轮39。

本发明的井下电磁控制减震式弹性扶正装置的控制方法与过程如下：

该扶正装置在下井时，总线连接器21连通，并根据实际井径的情况将下支撑套锁312定在连接中轴13的一组定位螺纹孔上，保持扶正装置在下井后，减震弹性扶正机构3的螺旋减震弹簧31保持有一定的预压缩量，电子控制器23则根据传感器26所测得上支撑滑套36的行程做出反应，并发出指令对线性电动机25进行适当的控制。

当井下井眼直径有扩大或者缩小时，上扶正臂38、下扶正臂311张开角发生相应的变化，螺旋减震弹簧31随即产生伸缩反应，上支撑滑套36则会根据扶正臂张开角的变化以及螺旋减震弹簧31的伸缩产生在轴向上的加速或减速往复滑动，传感器26适时检测到上支撑护套36的加速度和滑动行程后，传输给电子控制器23，电子控制器23收到信号进行识别和处理，并发出指令精确控制输入线性电动机25定子线圈的电流强度，从而控制线性电动机25的反方向运动阻尼力和减震力，缓和上支撑滑套36和螺旋减震弹簧31的冲击和扶正 装置的振动。 

由此可见，电磁控制系统2中，电子控制器23对线性电动机25定子线圈的电流强度大小的控制完全与传感器26所检测到的上支撑滑套36的实际加速度和行程，而上支撑滑套36的实际加速度和行程又取决于井径的变化对减震弹性扶正机构3的实际作用情况。

Claims (4)

1.一种井下电磁控制减震式弹性扶正装置主要由支撑连接机构、电磁控制系统、减震弹性扶正机构组成；其特征在于：支撑连接机构用以支撑该扶正装置的整体结构，并在井下与相匹配的仪器或装置连接，电磁控制系统和减震弹性扶正机构共同作用实现扶正装置的减震及连续自适应调节。

2.根据权利要求1所述的井下电磁控制减震式弹性扶正装置，其特征在于：所述的支撑连接机构包括连接头、保护外筒、连接中轴以及引导接头；连接头的上部有外螺纹、内孔及走线斜孔，下部轴向有带内螺纹的深长孔、环形槽，且台阶处有外螺纹与保护外筒的内螺纹连接，径向上有方形空腔，其底部通过走线孔与连接头上部的内孔连通；保护外筒呈圆筒状，一端有内螺纹，另一端有O型密封圈安装槽以及传感器安装孔，内侧有传感器传输电线安装槽；连接中轴为两端有定位轴肩的细长圆轴，两端外螺纹分别与连接头和引导接头连接，起连接支撑作用，下端轴肩的一侧有两组呈90°均布的定位螺纹孔，用以将下支撑滑套锁定在连接中轴上，两组定位螺纹孔可以根据实际井径的需要进行调节和控制上支撑滑套锁定的位置。

3.根据权利要求1所述的井下电磁控制减震式弹性扶正装置，其特征在于：所述的电磁控制系统包括总线连接器、集成总线、电子控制器、电动机定位环、线性电动机、传感器、传感器传输电线；电子控制器和线性电动机是电磁控制系统的核心，电子控制器安装在连接头径向的方形空腔内，通过斜孔中的集成总线与安装在上部内孔中的总线连接器连通，同时连通线性电动机；线性电动机实际上是由定子线圈以及运动磁铁组成的直线电动机；传感器用来检测上支撑滑套的加速度和行程，并通过传感器传输电线传输给电子控制器，电子控制器根据传感器所检测上支撑滑套的实际加速度和行程，发出指令精确控制输入线性电动机定子线圈的电流强度，从而控制线性电动机的反方向运动阻尼力和减震力；缓和上支撑滑套和螺旋减震弹簧的冲击和扶正装置的振动。

4.根据权利要求1所述的井下电磁控制减震式弹性扶正装置，其特征在于：所述的减震弹性扶正机构包括螺旋减震弹簧、滑环、滑环紧定螺钉、O形密封圈、滚针滑套、上支撑滑套、滑套连接销钉、上扶正臂、滚轮、滚轮活动销、下扶正臂、下支撑套、滑套定位环以及定位环紧定螺钉；螺旋减震弹簧采用圆柱螺旋弹簧，两端分别与连接头和滑环连接，滑环上部有凹槽，用以安装减震螺旋弹簧以及连接线性电动机，下端通过六个均布的滑环紧定螺钉与上支撑滑套连接；上支撑滑套为圆环筒，上部与滑环、保护外筒配合，内孔与滚针滑套的外圈配合，下部均布四个夹角为90°的开口槽，分别通过滑套连接销钉与上支撑臂的一端连接，上支撑滑套可以沿轴向滑动；上支撑臂两端通过活动销分别与上支撑滑套、下扶正臂连接，上扶正臂的上部装有滚轮，滚轮通过滚轮活动销固定在上扶正臂上，在井下直接与井壁接触，并沿井壁滚动；下支撑套与上支撑滑套结构相似，上部均布四个夹角为90°的开口槽，分别通过连接销钉与下支撑臂的一端连接，内孔与连接中轴配合，下端台阶上均布四个圆形通孔，通过滑套定位环和定位环紧定螺钉将其锁定；下扶正臂的上部也装有可沿井壁滚动的滚轮。