CN110185391A - 一种井眼钻进系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种井眼钻进系统，包括位于地面的钻机和计算机处理系统，以及与钻机相连向下延伸到地面之下地层井筒中并达到井筒底部的钻具，钻具由钻杆、倾斜传感器、控制器、转向器和钻头组成，钻机用来旋转钻杆并带动钻头旋转，并通过钻杆供应钻井液润滑钻头、冲洗岩屑，转向器与钻杆相连，可施力于钻杆，引导井眼按照预定方向前进，控制器可传递控制信号至转向器，控制信号包括引导钻头在预定方向钻进的指导转向器驱动的信息，控制器可进一步指导转向器施加补偿力于钻杆，避免钻头钻进方向偏离预定方向，倾斜传感器布置在钻杆中，与控制器相连，测量其所在钻杆位置的倾斜角，它可对钻头的钻进方向进行有效控制，使其按照预定方向钻进。
Description
技术领域
本发明涉及油气勘探与开发、地热开采和二氧化碳封存钻井技术领域，尤其涉及一种井眼钻进系统。
背景技术
地层中钻进井眼有诸多目的，如油气勘探与开发、地热开采和二氧化碳封存。旋转钻井是常规钻井方式，用钻头破碎地层，并通过钻井液携带岩屑至地面。但是，钻头与地层岩石之间的相互作用可引起钻头钻进方向与设计方向偏离，因此，急需新型装置和方法防止钻头钻进方向偏离预定方向。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种井眼钻进系统，它可对钻头的钻进方向进行有效控制，避免井眼前进方向偏离预定方向，使其按照预定方向钻进，克服了以往技术的不足。
本发明的技术方案是：提供一种井眼钻进系统，包括位于地面的钻机和计算机处理系统，以及与钻机相连向下延伸到地面之下地层井筒中并达到井筒底部的钻具，钻具由钻杆、倾斜传感器、控制器、转向器和钻头组成，钻机用来旋转钻杆并带动钻头旋转，并通过钻杆供应钻井液润滑钻头、冲洗岩屑，转向器与钻杆相连，可施力于钻杆，引导井眼按照预定方向前进，控制器可传递控制信号至转向器，控制信号包括引导钻头在预定方向钻进的指导转向器驱动的信息，控制器可进一步指导转向器施加补偿力于钻杆，避免钻头钻进方向偏离预定方向，倾斜传感器布置在钻杆中，与控制器相连，测量其所在钻杆位置的倾斜角。
进一步的，所述转向器包括若干个从本体上伸出来的肋，所述钻杆在本体内自由旋转，每个肋与一个驱动器相连，可延伸对应的肋，所述驱动器施力于对应的肋，使肋延伸直至与井壁接触；
所述肋与井壁接触，通过驱动器施加矢量合力于钻杆，此力与施加于肋的力大小相等，方向相反；
若干个肋在本体周围对称布置，通过驱动器施加于钻杆的所有力的合力作为补偿力，所有力的合力即多个力的矢量和，补偿力的方向与钻头偏离于预定方向的钻进方向相反，迫使钻杆和钻头在预定方向上钻进，避免钻头钻进方向偏离预定方向；
所述控制器与每个驱动器相连，可控制肋的延伸，从而控制施加于钻杆的力；
通过了解每个驱动器能够施加的最大力，控制器指导每个驱动器施加最大力的百分比0-100％，从而得到施加于钻杆的预期的补偿力；
所述驱动器可用液压泵提供动力，控制器对液压进行控制；
所述控制器对液压的控制通过控制泵速和泵排泄阀实现。
进一步的，所述的控制器接收钻头钻进数据，包括钻头偏离方向。
进一步的，所述控制器包含比例(P)控制、积分(I)控制、比例积分微分(PID)控制或者组合控制算法。
进一步的，所述的控制器可接收倾斜方向，并向转向器提供倾斜控制输入，从而自动保持在预定方向上钻进，倾斜控制输入包括一些施加于在倾斜方向上的钻杆的力。
进一步的，所述的控制器可通过倾斜控制输入计算得到的补偿力。
进一步的，所述的钻头钻进因素包括在倾斜方向上由转向器施加的力的大小百分比，作为补偿力避免钻头钻进方向偏离预定方向。
进一步的，所述控制器传递控制信号至转向器，实现对转向器的控制，控制信号包括引导钻头在预定方向钻进的指导转向器驱动的信息。
进一步的，所述控制器作为井下部件和计算机处理系统之间用遥测技术进行数据或指令通信的接口。
进一步的，所述若干个为两个或两个以上的自然数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：可对钻头的钻进方向进行有效控制，避免井眼前进方向偏离预定方向，使其按照预定方向钻进，结构简单，易于操作。
附图说明
下面根据图进一步对本发明加以说明:
图1是本发明的横截面示意图；
图2是本发明的转向器示意图；
图1、图2中所示：1、钻机，2、计算机处理系统，3、井筒，4、钻杆，5、倾斜传感器，6、控制器，7、转向器，8、钻头，9、本体，10、肋，11、驱动器，12、井壁。
具体实施方式
下面结合图对本发明作进一步详细的说明，需要说明的是，图仅用于解释本发明，是对本发明实施例的示意性说明，而不能理解为对本发明的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、图2所示，一种井眼钻进系统，其特征在于：包括位于地面的钻机1和计算机处理系统2，以及与钻机1相连向下延伸到地面之下地层井筒3中并达到井筒3底部的钻具，钻具由钻杆4、倾斜传感器5、控制器6、转向器7和钻头8组成，钻机1用来旋转钻杆4并带动钻头8旋转，并通过钻杆4供应钻井液润滑钻头8、冲洗岩屑，转向器7与钻杆4相连，可施力于钻杆4，引导井眼按照预定方向前进，控制器6可传递控制信号至转向器7，控制信号包括引导钻头8在预定方向钻进的指导转向器7驱动的信息，控制器6可进一步指导转向器7施加补偿力于钻杆4，避免钻头8钻进方向偏离预定方向，倾斜传感器5布置在钻杆4中，与控制器6相连，测量其所在钻杆4位置的倾斜角。
进一步的，所述转向器7包括若干个从本体9上伸出来的肋10，钻杆4在本体9内自由旋转，每个肋10与一个驱动器11相连，可延伸对应的肋10，驱动器11施力于对应的肋10，使肋10延伸直至与井壁12接触；
所述肋10与井壁12接触，通过驱动器11施加矢量合力于钻杆4，此力与施加于肋10的力大小相等，方向相反；
若干个肋10在本体9周围对称布置，通过驱动器11施加于钻杆4的所有力的合力作为补偿力，所有力的合力即多个力的矢量和，补偿力的方向与钻头8偏离于预定方向的钻进方向相反，迫使钻杆4和钻头8在预定方向上钻进，避免钻头8钻进方向偏离预定方向；
所述控制器6与每个驱动器11相连，可控制肋10的延伸，从而控制施加于钻杆4的力；
通过了解每个驱动器11能够施加的最大力，控制器6指导每个驱动器11施加最大力的百分比0-100％，从而得到施加于钻杆4的预期的补偿力；
所述驱动器11可用液压泵提供动力，控制器6对液压进行控制；
所述控制器6对液压的控制通过控制泵速和泵排泄阀实现。
进一步的，所述的控制器6接收钻头8钻进数据，包括钻头8偏离方向。
进一步的，所述控制器6包含比例(P)控制、积分(I)控制、比例积分微分(PID)控制或者组合控制算法。
进一步的，所述的控制器6可接收倾斜方向，并向转向器7提供倾斜控制输入，从而自动保持在预定方向上钻进，倾斜控制输入包括一些施加于在倾斜方向上的钻杆4的力。
进一步的，所述的控制器6可通过倾斜控制输入计算得到的补偿力。
进一步的，所述的钻头8钻进因素包括在倾斜方向上由转向器7施加的力的大小百分比，作为补偿力避免钻头8钻进方向偏离预定方向。
进一步的，所述控制器6传递控制信号至转向器7，实现对转向器7的控制，控制信号包括引导钻头8在预定方向钻进的指导转向器7驱动的信息。
进一步的，所述控制器6作为井下部件和计算机处理系统2之间用遥测技术进行数据或指令通信的接口。
进一步的，所述若干个为两个或两个以上的自然数。
钻机1用来旋转钻杆4并带动钻头8旋转，并供应钻井液润滑钻头8、冲洗岩屑，转向器7与钻杆4相连，靠近钻头8，可施力于钻杆4，引导井眼按照预定方向前进，控制器6传递控制信号至转向器7，从而实现对转向器7的控制，控制信号包括引导钻头8在预定方向钻进的指导转向器7驱动的信息，控制器6也作为井下部件和计算机处理系统2之间用遥测技术进行数据或指令通信的接口，遥测技术包括泥浆脉冲和智能钻杆，钻杆4配置有倾斜传感器5，倾斜传感器5与控制器6相连，可测量其所在钻杆位置的倾斜角，倾斜传感器5用重力方向作参考测量倾斜角，控制器6利用来自倾斜传感器5的输入可提供反馈控制，以控制转向器7，控制器6可以包含各种控制算法，例如比例(P)控制、积分(I)控制、比例积分微分(PID)控制或者某些组合。用来倾斜反馈控制的倾斜设定值可从地面通过计算机处理系统2传输至控制器6，作业人员可向计算机处理系统2手动输入倾斜设定值，从而传输至井下控制器6。
本发明结构合理，可对钻头8的钻进方向进行有效控制，避免井眼前进方向偏离预定方向，使其按照预定方向钻进，结构简单，易于操作。
以上所述为本发明的实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种改进和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等均应含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种井眼钻进系统，其特征在于：包括位于地面的钻机(1)和计算机处理系统(2)，以及与钻机(1)相连向下延伸到地面之下地层井筒(3)中并达到井筒(3)底部的钻具，钻具由钻杆(4)、倾斜传感器(5)、控制器(6)、转向器(7)和钻头(8)组成，钻机(1)用来旋转钻杆(4)并带动钻头(8)旋转，并通过钻杆(4)供应钻井液润滑钻头(8)、冲洗岩屑，转向器(7)与钻杆(4)相连，可施力于钻杆(4)，引导井眼按照预定方向前进，控制器(6)可传递控制信号至转向器(7)，控制信号包括引导钻头(8)在预定方向钻进的指导转向器(7)驱动的信息，控制器(6)可进一步指导转向器(7)施加补偿力于钻杆(4)，避免钻头(8)钻进方向偏离预定方向，倾斜传感器(5)布置在钻杆(4)中，与控制器(6)相连，测量其所在钻杆(4)位置的倾斜角。
2.根据权利要求1所述一种井眼钻进系统，其特征在于：所述转向器(7)包括若干个从本体(9)上伸出来的肋(10)，所述钻杆(4)在本体(9)内自由旋转，每个肋(10)与一个驱动器(11)相连，可延伸对应的肋(10)，所述驱动器(11)施力于对应的肋(10)，使肋(10)延伸直至与井壁(12)接触；
所述肋(10)与井壁(12)接触，通过驱动器(11)施加矢量合力于钻杆(4)，此力与施加于肋(10)的力大小相等，方向相反；
若干个肋(10)在本体(9)周围对称布置，通过驱动器(11)施加于钻杆(4)的所有力的合力作为补偿力，所有力的合力即多个力的矢量和，补偿力的方向与钻头(8)偏离于预定方向的钻进方向相反，迫使钻杆(4)和钻头(8)在预定方向上钻进，避免钻头(8)钻进方向偏离预定方向；
所述控制器(6)与每个驱动器(11)相连，可控制肋(10)的延伸，从而控制施加于钻杆(4)的力；
通过了解每个驱动器(11)能够施加的最大力，控制器(6)指导每个驱动器(11)施加最大力的百分比0-100％，从而得到施加于钻杆(4)的预期的补偿力；
所述驱动器(11)可用液压泵提供动力，控制器(6)对液压进行控制；
所述控制器(6)对液压的控制通过控制泵速和泵排泄阀实现。
3.根据权利要求1所述一种井眼钻进系统，其特征在于：所述的控制器(6)接收钻头(8)钻进数据，包括钻头(8)偏离方向。
4.根据权利要求1所述一种井眼钻进系统，其特征在于：所述控制器(6)包含比例(P)控制、积分(I)控制、比例积分微分(PID)控制或者组合控制算法。
5.根据权利要求1所述一种井眼钻进系统，其特征在于：所述的控制器(6)可接收倾斜方向，并向转向器(7)提供倾斜控制输入，从而自动保持在预定方向上钻进，倾斜控制输入包括一些施加于在倾斜方向上的钻杆(4)的力。
6.根据权利要求5所述一种井眼钻进系统，其特征在于：所述的控制器(6)可通过倾斜控制输入计算得到的补偿力。
7.根据权利要求2所述一种井眼钻进系统，其特征在于：所述的钻头(8)钻进因素包括在倾斜方向上由转向器(7)施加的力的大小百分比，作为补偿力避免钻头(8)钻进方向偏离预定方向。
8.根据权利要求1所述一种井眼钻进系统，其特征在于：所述控制器(6)传递控制信号至转向器(7)，实现对转向器(7)的控制，控制信号包括引导钻头(8)在预定方向钻进的指导转向器(7)驱动的信息。
9.根据权利要求1所述一种井眼钻进系统，其特征在于：所述控制器(6)作为井下部件和计算机处理系统(2)之间用遥测技术进行数据或指令通信的接口。
10.根据权利要求2所述一种井眼钻进系统，其特征在于：所述若干个为两个或两个以上的自然数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190830 |