CN107605456B - 一种微小井眼连续油管定向工具控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小井眼连续油管定向工具控制系统，所述定向工具的旋转外筒（1）经圆锥滚子轴承（2）旋转安装于主体上，该控制系统包括液压回路和控制回路，控制回路包括顺次连接的压力传感器（3）、滤波器（4）、上单片机（5）、下单片机（6）、三极管（7）和继电器（8），下单片机（6）上连接有陀螺仪（9），压力传感器（3）的感应头伸入定向工具的泥浆通道（10）内；液压回路包括二位四通换向阀（11），二位四通换向阀（11）的电磁阀与继电器（8）的输出端电连接；它还公开了定向工具的控制方法。本发明的有益效果是：能够实现远程无线控制定向工具、双液压缸驱动、泥浆作为动力源、大大节省了能源。

Description

一种微小井眼连续油管定向工具控制系统及方法

技术领域

本发明涉及连续油管钻井定向工具领域，特别是一种微小井眼连续油管定向工具控制系统及方法。

背景技术

连续油管钻井技术因其成本低、操作简单、污染小、占地面积窄的特点在国内外有着广泛的应用前景，其主要应用于微小井眼（不大于88.9mm）钻井中。然而由于连续管柱的不可旋转性，必须采用井下定向的方法来调整钻具工具面角度。目前，贝克休斯、威德福及斯伦贝谢等国外油服公司已经将连续油管钻井定向工具成熟应用，但由于国外几大油服公司对国内采取了严格的技术保密措施，国内还未见连续油管钻井定向工具现场使用的报道。

连续油管钻井定向工具主要分为3类：电驱动、电液驱动及纯液驱动式。国外成熟运用的连续油管钻井定向器有：Sperry-Sun液压定向器、Weatherford液压定向器、Schlumberger液压定向器、Schlumberger电驱动定向器、Baker Hughes定向器、Schlumberger电液定向器、Missouri电液定向器。国内关于连续油管定向工具尚处于理论设计阶段，李猛等人提出的连续管钻井电液定向器，夏炎等人提出的连续管液控定向工具，王春杰等人提出了一种连续管定向钻井正排量可控换向器。其中上述电驱动、电液驱动定向工具存在如下缺点：（1）需要下入外置电缆或置入外部电机，使得定向工具的设计难以小型化。（2）设计难度大、结构复杂、成本高。（3）电机在井下高温高压的环境下的发热问题难以解决。（4）电机输出扭矩较小，可能不足以驱动底部动力钻具。上述的纯液驱动定向工具存在如下缺点：（1）每次换向需暂定泵，频繁起下连续管柱，大大增加了辅助作业时间。（2）不适用于小井眼或微小井眼钻井中。（3）角度调整不精确，误差较大。中国专利2017100281051中公开了“一种微小井眼连续油管钻井反扭矩定向工具”，该工具采用纯液动控制方法，通过降低或升高泵压实现定向过程，工具面调整精度低、工作效率低。

发明内容

本发明克服现有的电液或纯电驱动的连续油管定向工具的缺陷即需外接电缆，微小井眼连续油管钻井过程中占用携岩泥浆通道，影响携岩效果；定向工具内置驱动电机导致尺寸大大增加，常规定向工具不适用于微小井眼钻井，同时电机易发热升温而导致电机失效；以及现有纯液连续油管定向工具辅助作业时间长、锁紧机构不可靠等缺点，提供一种能够实现远程无线控制定向工具、双液压缸驱动、泥浆作为动力源的微小井眼连续油管定向工具控制系统及方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种微小井眼连续油管定向工具控制系统，所述定向工具的旋转外筒经圆锥滚子轴承旋转安装于主体上，该控制系统包括液压回路和控制回路，所述控制回路包括顺次连接的压力传感器、滤波器、上单片机、下单片机、三极管和继电器，下单片机上连接有陀螺仪，压力传感器的感应头伸入定向工具的泥浆通道内；所述液压回路包括二位四通换向阀，二位四通换向阀的电磁阀与继电器的输出端电连接，二位四通换向阀的A口端、B口端分别与定向工具的左液压腔、右液压腔连通，二位四通换向阀的P口端、T口端分别与泥浆通道、环空连通。

所述的定向工具内设置有压力传感槽。

所述的压力传感槽内设置有压力传感器。

所述的控制系统控制微小井眼连续油管定向工具的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、从地面发射压力脉冲，钻井液经泥浆通道传输至压力传感槽内的压力传感器上；

S2、压力传感器在接收到压力脉冲信号后将信号传输至滤波器，滤波器过滤掉干扰的压力脉冲信号，滤波器将过滤后的脉冲信号传递给上单片机，上单片机进行标志码的识别并储存，同时记录时间，上单片机在接收到标志码后将信号传输至下单片机，下单片机进入工作状态；

S3、当下单片机进入工作状态后，下单片机接收地面传输的控制信号，判断是否定向，若检测到信号为“不定向”的信号时，则下单片机使二位四通换向阀一直换向，换向间隔为2s，同时角度调整筒一直处于左右往复运动状态；若检测到信号为“定向”的信号时，下单片机首先解调出需要定向的目标工具面角度T，同时陀螺仪对当前定向工具面角度Tc进行检测，然后下单片机进行逻辑判断，判断两者之差的绝对值是否在精度范围r内，r为2~10°，若绝对值小于精度范围，则二位四通换向阀不换向，角度调整筒不换向，定向工具保持当前工具面角度；若绝对值大于精度值，则下单片机发送信号使二位四通换向阀换向，电磁换向阀换向一次角度旋转α，α为2~10°；

S4、二位四通换向阀的总换向次数n为目标工具面角度T与当前工具面角度Tc之差的绝对值除以单次换向角度α的取整函数，换向次数从i=0次开始计算，若换向次数i小于或等于总换向次数n，则二位四通换向阀继续换向，每次换向时间间隔为3s；若换向次数i大于总换向次数n，换向结束，工具面角度调整到精度范围内；

S5、下单片机判断地面是否发射有新的控制信号，若有新的控制信号传入，则下单片机重新读入指令，二位四通换向阀开始换向；若没有新的控制信号传入，则指令回到陀螺仪测量工具面角度上，然后下单片机继续做出判断目标工具面角度T与当前工具面角度Tc的差值是否处于精度范围内，继续执行后面的指令。

本发明具有以下优点：

（1）本发明引入用于驱动底部动力钻具的泥浆作为系统动力源，无需外接电缆、电机等部件，直接由泥浆通道和环空里泥浆产生的压力势能来提供动力，使得机身设计得以小型化，以适应微小井眼，同时解决了井下高温高压的环境下电机等元件无法长时间工作的难题，本发明直接利用钻具产生的反扭矩作为周向旋转的动力源，大大节省了能源，及能源输送困难的问题。

（2）采用压力脉冲信号建立地面与井下的无线通信，用单片机控制系统换向，实现了无线控制的目的，使定向工具控制更为方便、可靠。

（3）本发明由液压回路和控制回路组成，该种结构简单紧凑，降低了产品制作成本，同时大大节约了设计空间。

（4）采用单片机控制换向的方法大大提高了定向工具的可控性及自动化程度，同时也大大节省了作业辅助时间，使定向更加精确、可靠、高效。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图2 为本发明控制定向工具的流程图；

图中，1-旋转外筒，2-圆锥滚子轴承，3-压力传感器，4-滤波器，5-上单片机，6-下单片机，7-三极管，8-继电器，9-陀螺仪，10-泥浆通道，11-二位四通换向阀，12-左液压腔，13-右液压腔，14-压力传感槽，15-角度调整筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图2所示，一种微小井眼连续油管定向工具控制系统，所述定向工具的旋转外筒1经圆锥滚子轴承2旋转安装于主体上，位于左端的圆锥滚子轴承可抵消换向或下连续油管时产生的轴向载荷，右端的圆锥滚子轴承能抵消钻井时产生的轴向载荷，同时能将底部动力钻具产生的反扭矩传递给角度调整筒15。该控制系统包括液压回路和控制回路，所述控制回路包括顺次连接的压力传感器3、滤波器4、上单片机5、下单片机6、三极管7和继电器8，下单片机6上连接有陀螺仪9，压力传感器3的感应头伸入定向工具的泥浆通道10内。

如图2所示，所述液压回路包括二位四通换向阀11，二位四通换向阀11的电磁阀与继电器8的输出端电连接，二位四通换向阀11的A口端、B口端分别与定向工具的左液压腔12、右液压腔13连通，二位四通换向阀11的P口端、T口端分别与泥浆通道10、环空连通。所述的液压回路的动力源由泥浆通道10与环空间产生的压差提供，其中泥浆通道10内的泥浆将作为输入端引入过滤孔，经过滤孔过滤后的泥浆将作为液压介质引入二位四通换向阀11的P口端，随后液压介质经二位四通换向阀11的A端口引入左液压腔12，在液压力推动下角度调整筒15向右移动，同时右液压腔13中液压介质引入二位四通换向阀11的B口端，二位四通换向阀11再将液压介质从T口端排入环空中。二位四通换向阀11实现液压换向，换向即可实现角度调整筒15向左向右移动一次，即换向1次。

所述的定向工具内设置有压力传感槽14，所述的压力传感槽14内设置有压力传感器3。

如图1~2所示，所述的控制系统控制微小井眼连续油管定向工具的方法，它包括以下步骤：

S1、从地面发射压力脉冲，钻井液经泥浆通道10传输至压力传感槽14内的压力传感器3上；

S2、压力传感器3在接收到压力脉冲信号后将信号传输至滤波器4，滤波器4过滤掉干扰的压力脉冲信号，滤波器4将过滤后的脉冲信号传递给上单片机5，上单片机5进行标志码的识别并储存，同时记录时间，上单片机5在接收到标志码后将信号传输至下单片机6，下单片机6进入工作状态；

S3、当下单片机6进入工作状态后，下单片机6接收地面传输的控制信号，判断是否定向，若检测到信号为“不定向”的信号时，则下单片机6使二位四通换向阀11一直换向，换向间隔为2s，同时角度调整筒15一直处于左右往复运动状态；若检测到信号为“定向”的信号时，下单片机6首先解调出需要定向的目标工具面角度T，同时陀螺仪9对当前定向工具面角度Tc进行检测，然后下单片机6进行逻辑判断，判断两者之差的绝对值是否在精度范围r内，r为2~10°，若绝对值小于精度范围，则二位四通换向阀11不换向，角度调整筒15不换向，定向工具保持当前工具面角度；若绝对值大于精度值，则下单片机6发送信号使二位四通换向阀11换向，电磁换向阀换向一次角度旋转α，α为2~10°；

S4、二位四通换向阀11的总换向次数n为目标工具面角度T与当前工具面角度Tc之差的绝对值除以单次换向角度α的取整函数，换向次数从i=0次开始计算，若换向次数i小于或等于总换向次数n，则二位四通换向阀11继续换向，每次换向时间间隔为3s；若换向次数i大于总换向次数n，换向结束，工具面角度调整到精度范围内；

S5、下单片机6判断地面是否发射有新的控制信号，若有新的控制信号传入，则下单片机6重新读入指令，二位四通换向阀11开始换向；若没有新的控制信号传入，则指令回到陀螺仪9测量工具面角度上，然后下单片机6继续做出判断目标工具面角度T与当前工具面角度Tc的差值是否处于精度范围内，继续执行后面的指令。

因此本发明克服了现有的电液或纯电驱动的连续油管定向工具需外接电缆、放置外部动力源、尺寸大、外置电机易发热以及现有纯液连续油管定向工具辅助作业时间长、锁紧机构不可靠等缺点，实现了远程无线控制定向工具，极大的提高了定向工具的可控性及自动化程度，同时也大大节省了作业辅助时间，使定向更加精确、可靠、高效。

Claims (1)

1.一种微小井眼连续油管定向工具控制系统，其特征在于：所述定向工具的旋转外筒（1）经圆锥滚子轴承（2）旋转安装于主体上，该控制系统包括液压回路和控制回路，所述控制回路包括顺次连接的压力传感器（3）、滤波器（4）、上单片机（5）、下单片机（6）、三极管（7）和继电器（8），下单片机（6）上连接有陀螺仪（9），压力传感器（3）的感应头伸入定向工具的泥浆通道（10）内；所述液压回路包括二位四通换向阀（11），二位四通换向阀（11）的电磁阀与继电器（8）的输出端电连接，二位四通换向阀（11）的A口端、B口端分别与定向工具的左液压腔（12）、右液压腔（13）连通，二位四通换向阀（11）的P口端、T口端分别与泥浆通道（10）、环空连通；

所述的定向工具内设置有压力传感槽（14）；

所述的压力传感槽（14）内设置有压力传感器（3）；

基于上述控制系统控制微小井眼连续油管定向工具的方法，它包括以下步骤：

S1、从地面发射压力脉冲，钻井液经泥浆通道（10）传输至压力传感槽（14）内的压力传感器（3）上；

S2、压力传感器（3）在接收到压力脉冲信号后将信号传输至滤波器（4），滤波器（4）过滤掉干扰的压力脉冲信号，滤波器（4）将过滤后的脉冲信号传递给上单片机（5），上单片机（5）进行标志码的识别并储存，同时记录时间，上单片机（5）在接收到标志码后将信号传输至下单片机（6），下单片机（6）进入工作状态；

S3、当下单片机（6）进入工作状态后，下单片机（6）接收地面传输的控制信号，判断是否定向，若检测到信号为“不定向”的信号时，则下单片机（6）使二位四通换向阀（11）一直换向，换向间隔为2s，同时角度调整筒（15）一直处于左右往复运动状态；若检测到信号为“定向”的信号时，下单片机（6）首先解调出需要定向的目标工具面角度T，同时陀螺仪（9）对当前定向工具面角度Tc进行检测，然后下单片机（6）进行逻辑判断，判断两者之差的绝对值是否在精度范围r内，r为2~10°，若绝对值小于精度范围，则二位四通换向阀（11）不换向，角度调整筒（15）不换向，定向工具保持当前工具面角度；若绝对值大于精度值，则下单片机（6）发送信号使二位四通换向阀（11）换向，电磁换向阀换向一次角度旋转α，α为2~10°；

S4、二位四通换向阀（11）的总换向次数n为目标工具面角度T与当前工具面角度Tc之差的绝对值除以单次换向角度α的取整函数，换向次数从i=0次开始计算，若换向次数i小于或等于总换向次数n，则二位四通换向阀（11）继续换向，每次换向时间间隔为3s；若换向次数i大于总换向次数n，换向结束，工具面角度调整到精度范围内；

S5、下单片机（6）判断地面是否发射有新的控制信号，若有新的控制信号传入，则下单片机（6）重新读入指令，二位四通换向阀（11）开始换向；若没有新的控制信号传入，则指令回到陀螺仪（9）测量工具面角度上，然后下单片机（6）继续做出判断目标工具面角度T与当前工具面角度Tc的差值是否处于精度范围内，继续执行后面的指令。

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