CN110821402A - 一种页岩气钻井旋转导向系统液压执行机构及其控制方法 - Google Patents

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陈实
陈勇
张小洁
魏雪曼
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Abstract

本发明公开一种页岩气钻井旋转导向系统液压执行机构及其控制方法，所述液压执行机构包括电机、油泵、油囊、插装阀、柱塞；其中，所述电机的输出端与油泵相连，驱动油泵转动；所述油泵的出口连接至柱塞的作用面腔，柱塞的外部抵在井壁内侧面；所述插装阀连接在油泵上，用于调节液压执行机构的工作压力；所述油囊为液压执行机构提供工作介质。本发明提供的液压执行机构功率密度比大，控制精度灵活，结构模块化程度高、环境适应性能力强。

Description

一种页岩气钻井旋转导向系统液压执行机构及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种液压执行机构，具体涉及一种页岩气钻井旋转导向系统液压执行机构及其控制方法。
背景技术
随着社会对清洁能源需求的不断扩大，页岩气开采技术在不断提高。在页岩气钻井开采中，旋转导向系统得到了广泛应用。旋转导向系统大致可以分为静态推靠式、动态推靠式、静态指向式和动态指向式。不同形式的旋转导向系统，其导向方法也不同。早期，采用滑动导向钻井，旋转导向系统需要进行导向作业时，更换导向钻头并以滑动方式导向钻进。后期，采用地面控制导向钻井，弯外壳马达配合可调弯接头进行导向。目前，采用旋转自动导向钻进，自动调整井斜和方位，大大提高钻井效率和井眼精度。
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明的目的在于提供一种功率密度比大，控制精度灵活，结构模块化程度高、环境适应性能力强的用于旋转导向系统的液压执行机构。
实现本发明目的的技术方案为：所述液压执行机构主要由电机、油泵、油囊、插装阀、柱塞、压力传感器、集成块及其他液压辅件等部件组成。液压执行机构中各部件嵌入在集成块中，仅通过电连接器与外界控制器相连。所述电机与油泵装配形成桶状结构，直接浸入在油液中，通过两道径向O型密封圈将油泵出口与入口进行隔离。液压执行机构工作时，应用阻尼阀的节流原理，建立液压执行机构的工作压力，油泵出口高压油液直接进入柱塞作用面腔，推动柱塞，输出液压力。液压执行机构停止工作时，柱塞在井壁的反作用力下恢复初始位置。液压执行机构中油囊为柔性材料，油囊容腔内部注满液压油，为液压执行机构提供工作介质。油囊外表面与井下工作环境接触，平衡液压执行机构与井内泥浆的压力差。电机中霍尔传感器输出转速信号，实现液压执行机构的速度闭环控制。压差传感器采集油泵两端的压差信号，实现液压执行机构的压力闭环控制。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明设计合理，控制精度好，模块化成度高，环境适应能力强；模块化的集成结构设计与现有技术相比，具有安装简单，现场维护方便；所述的油囊采用橡胶材料（氟硅橡胶或者丁腈橡胶），具有耐井下高温的能力，油囊安装处设置透气孔及滤网能够适应不同井下深度；所述液压执行机构应用节流阀阻力建立油液工作压力与传统利用溢流阀建立工作压力相比，具有工作压力稳定，系统效率高的特点；所述柱塞采用静密封与动密封组合密封的方式与传统一道动密封相比，密封可靠性大大提高。
附图说明
图1是本发明旋转导向液压执行机构的结构图；
图2是本发明旋转导向液压执行机构的原理图；
图3 是本发明液压执行机构在旋转导向系统中的工作示意图；
图中，1-阻尼阀，2-油泵，3-油囊，4-电机，5-集成块，6-压力传感器，7-透气孔及滤网，8-柱塞，9-安全阀，10-井壁，11-翼板，12-液压执行机构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例的附图，对本发明中实施例的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
结合图3旋转导向系统中均匀分布（呈120°）三个液压执行机构12，液压执行机构12输出液压力推动翼板11，控制液压执行机构12输出的液压力及位移，从而控制旋转导向系统的运动方向。
结合图1，本实施例提供一种页岩气钻井旋转导向系统的液压执行机构12，所述液压执行机构12包括电机4、油泵2、油囊3、插装阀、柱塞8、压力传感器6、集成块5及其它液压辅件等部件组成。其中，所述电机4的输出端与油泵2相连，驱动油泵2转动；所述油泵2的出口连接至柱塞8的作用面腔，柱塞8的外部抵在井壁10内侧面；所述插装阀连接在油泵2上，用于调节液压执行机构12的工作压力；所述油囊3为液压执行机构12提供工作介质。
进一步的，如图所示，所述液压执行机构12中各部件嵌入在集成块5中，通过电连接器与外界控制器相连。本实施例中所提供的电机4为无刷直流电机4，所述电机4与油泵2装配后形成桶状结构，浸入油液；油泵2进口与出口通过圈密封进行隔离。
更进一步的，所述插装阀包括阻尼阀1、安全阀9，所述插装阀采用堵头压涨方式，实现插装阀与集成块5的密封与固定。所述油泵2出口油液一部分流入柱塞8腔，一部分经阻尼阀1流回油囊3，当柱塞8受外界阻力限制保持静止不动或只有微小运动时，油泵2出口压力主要由阻尼阀1的节流作用决定。所述安全阀9在液压执行机构12受到冲击或油泵2出口压力高于最高限定压力时，高压油液经安全阀9流回油囊3。
所述液压执行机构12还包括压差传感器，所述压差传感器采集油泵2两端的压差信号，实现液压执行机构12的压力闭环控制。
所述电机4上设有霍尔传感器，所述霍尔传感器输出电机4转速信号，实现速度闭环控制或者无霍尔速度控制。
所述油囊3采用橡胶材料氟硅橡胶或者丁腈橡胶，所述集成块5上油囊3安装处开设透气孔，并用滤网过滤泥沙。
所述油囊3采用橡胶材料（氟硅橡胶或丁腈橡胶），油囊3容腔内部与液压执行机构12的工作部件相通。油囊3外表面通过设置在集成块5上的透气孔及滤网7与井下环境相通。油囊3在井下高压作用下，受挤压作用，从而平衡液压单元内外压差。
进一步的，所述柱塞8为单作用柱塞8，油泵2转动，柱塞8在高压油的作用下做伸出运动，或输出稳定作用力；油泵2停止转动，柱塞8在翼板11受到的井壁10反作用力下作缩回运动。
进一步的，为了提高密封效果，柱塞8采用双道格莱圈密封，一道为静密封，一道为动密封。静密封主要在柱塞8静止不运动时起到密封作用，动密封主要在柱塞8运动时起到密封作用；采用静密封与动密封组合密封的方式与传统一道动密封相比，密封可靠性大大提高。
进一步的，所述霍尔传感器，采集电机4转速信号传递至控制器，实现电机4转速的闭环控制，也可以采用无霍尔转速控制。
本发明提供的页岩气钻井旋转导向系统的液压执行机构12设计合理，控制精度好，模块化成度高，环境适应能力强；模块化的集成结构设计与现有技术相比，具有安装简单，现场维护方便；所述的油囊3采用橡胶材料（氟硅橡胶或者丁腈橡胶），具有耐井下高温的能力，油囊3安装处设置透气孔及滤网7能够适应不同井下深度；所述液压执行机构12应用节流阀阻力建立油液工作压力与传统利用溢流阀建立工作压力相比，具有工作压力稳定，系统效率高的特点；柱塞8采用静密封与动密封组合密封的方式与传统一道动密封相比，密封可靠性大大提高。
实施例2
如图2所示，本实施例提供一种如上述页岩气钻井旋转导向系统的液压执行机构12的控制方法，所述液压执行机构12工作时，应用阻尼阀1的节流原理，建立液压执行机构12的工作压力，油泵2出口高压油液直接进入柱塞8作用面腔，推动柱塞8，输出液压力；所述液压执行机构12停止工作时，柱塞8在井壁10的反作用力下恢复初始位置；采用压力传感器6采集所述油泵2进口与出口的压力差，实现液压执行机构12的压力闭环控制。
基于上述控制方法，本发明提供的液压执行机构12与传统利用溢流阀建立工作压力相比，工作压力稳定，系统效率高。
本发明创造所述的应用方式可根据实际情况进行调整，并不是用来限制发明创造。以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍；本实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法。本发明所述的应用方式可根据实际情况进行调整，并不是用来限制本发明。

Claims (10)

1.一种页岩气钻井旋转导向系统的液压执行机构，其特征在于，所述液压执行机构包括电机、油泵、油囊、插装阀、柱塞；其中，所述电机的输出端与油泵相连，驱动油泵转动；
所述油泵的出口连接至柱塞的作用面腔，柱塞的外部抵在井壁内侧面；
所述插装阀连接在油泵上，用于调节液压执行机构的工作压力；
所述油囊为液压执行机构提供工作介质。
2.根据权利要求1所述的一种页岩气钻井旋转导向系统的液压执行机构，其特征在于，所述液压执行机构中各部件嵌入在集成块中，通过电连接器与外界控制器相连。
3.根据权利要求1所述的一种页岩气钻井旋转导向系统的液压执行机构，其特征在于，所述电机与油泵装配后形成桶状结构，浸入油液；油泵进口与出口通过圈密封进行隔离。
4.根据权利要求1所述的一种页岩气钻井旋转导向系统的液压执行机构，其特征在于，所述插装阀包括阻尼阀、安全阀，所述插装阀采用堵头压涨方式，实现插装阀与集成块的密封与固定。
5.根据权利要求4所述的一种页岩气钻井旋转导向系统的液压执行机构，其特征在于，所述油泵出口油液一部分流入柱塞腔，一部分经阻尼阀流回油囊，当柱塞受外界阻力限制保持静止不动或只有微小运动时，油泵出口压力主要由阻尼阀的节流作用决定。
6.根据权利要求4所述的一种页岩气钻井旋转导向系统的液压执行机构，其特征在于，所述液压执行机构还包括压差传感器，所述压差传感器采集油泵两端的压差信号，实现液压执行机构的压力闭环控制。
7.根据权利要求4所述的一种页岩气钻井旋转导向系统的液压执行机构，其特征在于，所述电机上设有霍尔传感器，所述霍尔传感器输出电机转速信号，实现速度闭环控制或者无霍尔速度控制。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种页岩气钻井旋转导向系统的液压执行机构，其特征在于，所述电机为无刷直流电机。
9.根据权利要求8所述的一种页岩气钻井旋转导向系统的液压执行机构，其特征在于，所述油囊采用橡胶材料氟硅橡胶或者丁腈橡胶，所述集成块上油囊安装处开设透气孔，并用滤网过滤泥沙。
10.一种如权利要求1所述的页岩气钻井旋转导向系统的液压执行机构的控制方法，其特征在于，所述液压执行机构工作时，应用阻尼阀的节流原理，建立液压执行机构的工作压力，油泵出口高压油液直接进入柱塞作用面腔，推动柱塞，输出液压力；
所述液压执行机构停止工作时，柱塞在井壁的反作用力下恢复初始位置；
采用压力传感器采集所述油泵进口与出口的压力差，实现液压执行机构的压力闭环控制。
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