CN105804653B - 一种垂直钻井自动调整装置的调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直钻井自动调整装置的调整方法，其特征是在井架上分别设置处在顶层的天台和套接于井架中部的二层台，导向台坐落于井口上，且位于井架的中心线上，在导向台和井下钻头之间的高度位置上设置一六自由度并联调整平台；在天台上固定设置由柴油机驱动的减速器，减速器的输出端设置为滚筒，在滚筒上缠绕有钢丝绳；井上旋转驱动机构吊装在钢丝绳上，并能在减速器的驱动下实现升降；井上旋转驱动机构的输出端通过螺纹连接的同轴连接器连接于钻杆的接头上，以驱动钻杆的旋转。本发明钻压调节范围大、工作可靠性强、能实现重载和高速条件下垂直钻井。
Description
本申请是申请号为2014104822490，申请日为2014年9月19日，发明名称为一种垂直钻井自动调整装置及调整方法，申请人为合肥工业大学的分案申请。
技术领域
本发明涉及钻井技术领域的垂直钻井调整装置及调整方法。
背景技术
垂直钻井具有可减少套管层次和套管尺寸、提高机械钻速，减少钻柱事故的优势。钻井过程中影响井斜的因素很多，井斜会给钻井、完井等作业带来一系列的危害。
目前，国内应用最广泛的一种降斜工具是钟摆钻具，由于其降斜机理是“钟摆效应”，因此它在大井斜下使用比在小井斜下使用效果更好。但存在的缺陷是：其工作钻压范围小，只能轻压吊打，同时，高抖构造条件下很大的地层造斜力足以抵消降斜力而保持增斜。满眼钻具组合是当前常规防斜技术的典型组合，一般由几个外径与钻头直径相近的稳定器及一些外径较大的钻铤组成。其在直井和钻遇倾斜地层中，根据自身特点能有力地控制井斜变化率。但是，由于满眼使用大的近钻头稳定器，使扭矩阻力增大，不可避免地使发生压差卡钻和钻具失效的风险增加。国内陡倾构造地区井斜问题非常普遍，能有效地应用于大型深井条件下垂直钻井的自动调整装置及检测方法迄今未见相关报导。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种钻压调节范围大、工作可靠性强、能实现重载和高速条件下垂直钻井的垂直钻井自动调整装置及调整方法。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明垂直钻井自动调整装置的结构特点是：在井架上分别设置处在顶层的天台和套接于井架中部的二层台，导向台坐落于井口上，且位于井架的中心线上，在所述导向台和井下钻头之间的高度位置上设置一六自由度并联调整平台；在所述天台上固定设置由柴油机驱动的减速器，所述减速器的输出端设置为滚筒，在所述滚筒上缠绕有钢丝绳；井上旋转驱动机构吊装在钢丝绳上，并能在减速器的驱动下实现升降；所述井上旋转驱动机构的输出端通过螺纹连接的同轴连接器连接于钻杆的接头上，以驱动钻杆的旋转。
本发明垂直钻井自动调整装置的结构特点也在于：所述六自由度并联调整平台的结构形式为，设置一具有中心通孔的动平台，在所述中心通孔中设置有滚动轴承，钻杆贯穿所述中心通孔，由所述滚动轴承支承在所述中心通孔中，并可在中心通孔中轴向移动；在所述动平台的底部、沿外圆周间隔设置有六只球铰孔；设置六只定平台，所述定平台的外侧为平板面，以所述平板面抵压于井壁实现在井壁上的支撑；设置六只冗余液压杆，各冗余液压杆在一端设置为球铰链，并以所述球铰链通过动平台底部的球铰孔与动平台铰接，所述冗余液压杆在另一端通过虎克铰链铰接在所述定平台的内侧面中心位置处；在所述动平台上固定设置为液压杆提供压力油的液压泵站。
本发明垂直钻井自动调整装置的结构特点也在于：所述液压冗余杆设置为左右对称的四杆机构，所述球铰链位于所述四杆机构的一端，所述虎克铰链位于所述四杆机构的另一端，两个相同结构的液压作动器分别在两端通过销钉与球铰链和虎克铰链相连接，所述两个相同结构的液压作动器在腰部通过连杆相连接。
本发明垂直钻井自动调整装置的结构特点还在于：所述液压作动器是由缸筒和与缸筒配合设置的活塞杆构成的液压杆，在所述活塞杆的杆端设置第一吊耳，以所述第一吊耳通过销钉与所述球铰链相连接；在所述缸筒的底端设置第二吊耳，以所述第二吊耳与所述虎克铰链相连接；在所述第一吊耳与缸筒之间连接有可伸缩的密封橡胶，以所述密封橡胶实现对所述活塞杆的封闭。
本发明垂直钻井自动调整方法的特点是按如下步骤进行：
步骤一：钻井设备工作前，首先启动液压泵站，微调冗余并联液压作动器的活塞杆的伸出量，将钻杆调节到垂直于钻井的位置；使安装在钻杆内部的倾角传感器测得钻杆的轴线与水平面成90°；
步骤二：启动柴油机及减速器，以及井上旋转驱动机构，钻井设备投入工作；
在所述钻井设备的工作过程中，利用安装在钻杆内的位移传感器实时监测钻头与动平台之间的位移，当钻头向下钻进达到与动平台之间相距2000mm时，钻头停止钻进，此时，利用倾角传感器测得钻杆的轴线与水平面之间的夹角，启动六自由度并联调整平台，通过调整各液压杆的伸长量实现垂直度调整，使钻杆在动平台的带动下调整呈垂直钻井的工作状态，随后将六自由度并联调整平台向下移动2000mm，并重新利用定平台支撑于井壁，再次启动钻机继续向下钻进；
在钻机钻进过程中，利用安装在钻杆内的倾角传感器实时监测钻杆轴线与水平面之间的倾角，当钻杆轴线与水平面的倾角小于90°时，停止钻井工作，启动六自由度并联调整平台，针对倾角传感器的检测信号通过闭环控制调整各液压杆的输出量，使钻杆轴线与水平面的倾角调整至90°后继续钻井。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明钻压调节范围大、工作可靠性强、能实现重载和高速条件下垂直钻井的自动调整。
2、本发明在井下调整平台中设置六只冗余液压杆，使得井下调整平台在冗余液压杆中相邻液压作动器发生故障时仍能正常运行，提高了平台的整体可靠性。
3、本发明通过六组十二个液压冗余作动器的伸缩运动，动平台可实现三自由度平动和三自由度转动运动，能够全方位对钻杆钻头进行垂直钻井控制。其冗余液压机构响应速度快、定位精度高、可靠性好，可使本发明对垂直钻井进行有效地控制。
4、本发明采用冗余机构，具有更高的刚度，承载能力；同时，采用冗余驱动以及“工字型”连杆来连接液压缸的方法，提高了系统的稳定性。
5、本发明以密封橡胶实现对活塞杆的封闭，能够很好地满足钻井环境下液压缸的工作密封要求。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明中井上装置结构示意图；
图3为本发明中井下装置结构示意图；
图4为本发明中六自由度并联调整平台示意图；
图5为本发明中液压冗余杆结构示意图；
图6为本发明中液压作动器爆炸示意图。
图中标号：1井上装置，2井下装置，1-1天台，1-2减速器，1-3滚筒，1-4井架，1-5钢丝绳，1-6井上旋转驱动机构，1-7二层台，1-8钻杆，1-9导向台，2-1六自由度并联调整平台，2-2井壁，2-3钻头，2-1-1定平台，2-1-2油管，2-1-3动平台，2-1-4液压泵站，2-1-5液压冗余杆，2-1-5-1虎克铰链，2-1-5-2销钉，2-1-5-3液压作动器，2-1-5-4球铰链，2-1-5-5连杆，2-1-5-3a第一吊耳，2-1-5-3b活塞杆，2-1-5-3c密封橡胶，2-1-5-3d缸筒，2-1-5-3e第二吊耳。
具体实施方式：
参见图1、图2、图3和图4，本实施例中垂直钻井自动调整装置的结构设置为：
如图1所示，垂直钻井自动调整装置分为井上装置1和井下装置2，在井架1-4上分别设置处在顶层的天台1-1和套接于井架中部的二层台1-7，导向台1-9坐落于井口上，且位于井架1-4的中心线上，在导向台1-9和井下钻头2-3之间的高度位置上设置一六自由度并联调整平台2-1，使得六自由度并联调整平台2-1处在高于钻头2-3不超过2000mm的位置处；；在天台1-1上固定设置由柴油机驱动的减速器1-2，减速器1-2的输出端设置为滚筒1-3，在滚筒1-3上缠绕有钢丝绳1-5；井上旋转驱动机构1-6吊装在钢丝绳1-5上，并能在减速器1-2的驱动下实现升降；井上旋转驱动机构1-6的输出端通过螺纹连接的同轴连接器连接于钻杆1-8的接头上，以驱动钻杆1-5的旋转，这种螺纹连接结构简单，并且能避免因出现不同压差而造成的卡钻和钻具失效。
参见图4，本实施例中六自由度并联调整平台2-1的结构形式为：
设置一具有中心通孔的动平台2-1-3，在中心通孔中设置有滚动轴承，钻杆1-8贯穿中心通孔，由滚动轴承支承在中心通孔中，并可在中心通孔中轴向移动；在动平台2-1-3的底部、沿外圆周间隔设置有六只球铰孔；设置六只定平台2-1-1，定平台2-1-1的外侧为平板面，以平板面抵压于井壁实现在井壁上的支撑；设置六只冗余液压杆2-1-5，各冗余液压杆2-1-5在一端设置为球铰链2-1-5-4，并以球铰链2-1-5-4通过动平台底部的球铰孔与动平台2-1-3铰接，冗余液压杆2-1-5在另一端通过虎克铰链2-1-5-1铰接在定平台2-1-1的内侧面中心位置处；在动平台2-1-3上固定设置为液压杆提供压力油的液压泵站2-1-4。
如图4所示，本实施例各根冗余液压杆是处在沿动平台2-1-3的径向方向上，各根冗余液压杆与一侧相邻的冗余液压杆之间的夹角为30°，与另一侧相邻的冗余液压杆之间的夹角为90°，形成六根冗余液压杆在动平台整个圆周上的分布。
参见图5和图6，本实施例中液压冗余杆2-1-5设置为左右对称的四杆机构，球铰链2-1-5-4位于四杆机构的一端，虎克铰链2-1-5-1位于四杆机构的另一端，两个相同结构的液压作动器2-1-5-3分别在两端通过销钉2-1-5-2与球铰链2-1-5-4和虎克铰链2-1-5-1相连接，两个相同结构的液压作动器2-1-5-3在腰部通过连杆2-1-5-5相连接形成“工”字结构。
具体实施中，如图6所示，液压作动器2-1-5-3是由缸筒2-1-5-3d和与缸筒配合设置的活塞杆2-1-5-3b构成的液压杆，在活塞杆2-1-5-3b的杆端设置第一吊耳2-1-5-3a，以第一吊耳2-1-5-3a通过销钉与球铰链2-1-5-4相连接；在缸筒2-1-5-3d的底端设置第二吊耳2-1-5-3e，以第二吊耳2-1-5-3e与虎克铰链2-1-5-1相连接；在第一吊耳2-1-5-3a与缸筒2-1-5-3d之间连接有可伸缩的密封橡胶2-1-5-3c，以密封橡胶2-1-5-3c实现对活塞杆2-1-5-3b的封闭，起到保护的作用；液压杆动力输入端与液压泵站2-1-4通过油管2-1-2相连接。
利用本实施例中装置进行垂直钻井的自动调整方法是以柴油机驱动减速器按设定运动规律转动，带动滚筒1-3转动，构成钻机的提升系统，井上旋转驱动机构1-6按设定的规律转动，带动钻杆1-8旋转，保证钻头旋转工作，构成钻机的旋转系统。
调整过程按如下步骤进行：
步骤一：钻井设备工作前，首先启动液压泵站2-1-4，微调冗余并联液压作动器2-1-5-3的活塞杆的伸出量，将钻杆1-8调节到垂直于钻井的位置；使安装在钻杆内部的倾角传感器测得钻杆1-8的轴线与水平面成90°；
步骤二：启动柴油机及减速器1-2，以及井上旋转驱动机构1-6，钻井设备投入工作；
在钻井设备的工作过程中，利用安装在钻杆1-8内的位移传感器实时监测钻头2-3与动平台2-1-3之间的位移，当钻头2-3向下钻进达到与动平台2-1-3之间相距2000mm时，钻头2-3停止钻进，此时，利用倾角传感器测得钻杆的轴线与水平面之间的夹角，启动六自由度并联调整平台2-1，通过调整各液压杆的伸长量实现垂直度调整，使钻杆在动平台的带动下调整呈垂直钻井的工作状态，随后将六自由度并联调整平台2-1向下移动2000mm，并重新利用定平台支撑于井壁2-2，再次启动钻机2-3继续向下钻进；
在钻机钻进过程中，利用安装在钻杆1-8内的倾角传感器实时监测钻杆1-8轴线与水平面之间的倾角，当钻杆1-8轴线与水平面的倾角小于90°时，停止钻井工作，启动六自由度并联调整平台2-1，针对倾角传感器的检测信号通过闭环控制调整各液压杆的输出量，使钻杆1-8轴线与水平面的倾角调整至90°后继续钻井。
Claims (2)
1.一种垂直钻井自动调整装置的调整方法，其特征是所述垂直钻井自动调整装置的结构形式是：
在井架(1-4)上分别设置处在顶层的天台(1-1)和套接于井架中部的二层台(1-7)，导向台(1-9)坐落于井口上，且位于井架(1-4)的中心线上，在所述导向台(1-9)和井下钻头(2-3)之间的高度位置上设置一六自由度并联调整平台(2-1)；在所述天台(1-1)上固定设置由柴油机驱动的减速器(1-2)，所述减速器(1-2)的输出端设置为滚筒(1-3)，在所述滚筒(1-3)上缠绕有钢丝绳(1-5)；井上旋转驱动机构(1-6)吊装在钢丝绳(1-5)上，并能在减速器(1-2)的驱动下实现升降；所述井上旋转驱动机构(1-6)的输出端通过螺纹连接的同轴连接器连接于钻杆(1-8)的接头上，以驱动钻杆(1-5)的旋转；
所述六自由度并联调整平台(2-1)的结构形式为，设置一具有中心通孔的动平台(2-1-3)，在所述中心通孔中设置有滚动轴承，钻杆(1-8)贯穿所述中心通孔，由所述滚动轴承支承在所述中心通孔中，并可在中心通孔中轴向移动；在所述动平台(2-1-3)的底部、沿外圆周间隔设置有六只球铰孔；设置六只定平台(2-1-1)，所述定平台(2-1-1)的外侧为平板面，以所述平板面抵压于井壁实现在井壁上的支撑；设置六只冗余液压杆(2-1-5)，各冗余液压杆(2-1-5)在一端设置为球铰链(2-1-5-4)，并以所述球铰链(2-1-5-4)通过动平台底部的球铰孔与动平台(2-1-3)铰接，所述冗余液压杆(2-1-5)在另一端通过虎克铰链(2-1-5-1)铰接在所述定平台(2-1-1)的内侧面中心位置处；在所述动平台(2-1-3)上固定设置为液压杆提供压力油的液压泵站(2-1-4)；
所述冗余液压杆(2-1-5)设置为左右对称的四杆机构，所述球铰链(2-1-5-4)位于所述四杆机构的一端，所述虎克铰链(2-1-5-1)位于所述四杆机构的另一端，两个相同结构的冗余并联液压作动器(2-1-5-3)分别在两端通过销钉(2-1-5-2)与球铰链(2-1-5-4)和虎克铰链(2-1-5-1)相连接，所述两个相同结构的冗余并联液压作动器(2-1-5-3)在腰部通过连杆(2-1-5-5)相连接；
所述垂直钻井自动调整装置的调整方法是按如下步骤进行：
步骤一：钻井设备工作前，首先启动液压泵站(2-1-4)，微调冗余并联液压作动器(2-1-5-3)的活塞杆的伸出量，将钻杆(1-8)调节到垂直于钻井的位置；使安装在钻杆内部的倾角传感器测得钻杆(1-8)的轴线与水平面成90°；
步骤二：启动柴油机及减速器(1-2)，以及井上旋转驱动机构(1-6)，钻井设备投入工作；
在所述钻井设备的工作过程中，利用安装在钻杆(1-8)内的位移传感器实时监测钻头(2-3)与动平台(2-1-3)之间的位移，当钻头(2-3)向下钻进达到与动平台(2-1-3)之间相距2000mm时，钻头(2-3)停止钻进，此时，利用倾角传感器测得钻杆的轴线与水平面之间的夹角，启动六自由度并联调整平台(2-1)，通过调整各液压杆的伸长量实现垂直度调整，使钻杆在动平台的带动下调整呈垂直钻井的工作状态，随后将六自由度并联调整平台(2-1)向下移动2000mm，并重新利用定平台支撑于井壁(2-2)，再次启动钻机(2-3)继续向下钻进；
在钻机钻进过程中，利用安装在钻杆(1-8)内的倾角传感器实时监测钻杆(1-8)轴线与水平面之间的倾角，当钻杆(1-8)轴线与水平面的倾角小于90°时，停止钻井工作，启动六自由度并联调整平台(2-1)，针对倾角传感器的检测信号通过闭环控制调整各液压杆的输出量，使钻杆(1-8)轴线与水平面的倾角调整至90°后继续钻井。
2.根据权利要求1所述的垂直钻井自动调整装置的调整方法，其特征是：所述调整装置中的冗余并联液压作动器(2-1-5-3)是由缸筒(2-1-5-3d)和与缸筒配合设置的活塞杆(2-1-5-3b)构成的液压杆，在所述活塞杆(2-1-5-3b)的杆端设置第一吊耳(2-1-5-3a)，以所述第一吊耳(2-1-5-3a)通过销钉与所述球铰链(2-1-5-4)相连接；在所述缸筒(2-1-5-3d)的底端设置第二吊耳(2-1-5-3e)，以所述第二吊耳(2-1-5-3e)与所述虎克铰链(2-1-5-1)相连接；在所述第一吊耳(2-1-5-3a)与缸筒(2-1-5-3d)之间连接有可伸缩的密封橡胶(2-1-5-3c)，以所述密封橡胶(2-1-5-3c)实现对所述活塞杆(2-1-5-3b)的封闭。
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2014
- 2014-09-19 CN CN201610220381.3A patent/CN105804653B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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