CN1401878A

CN1401878A - 自动垂直钻具

Info

Publication number: CN1401878A
Application number: CN 02139028
Authority: CN
Inventors: 姚爱国
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2003-03-12
Anticipated expiration: 2022-09-10
Also published as: CN100432367C

Abstract

自动垂直钻具属于地质钻探技术范畴，特别涉及一种闭环垂直钻探的地下装置。其技术方案是：发电机、测量装置、控制装置均置于内外管间的环状腔体中，钻具的上下部分别与钻杆、钻头相连；钻具被置于地表层之下。发电机转子安装在内管的外壁上；定子通过机壳固定在外管的内壁上。由三个磁悬浮式呈正交型配置的加速计构成的测斜仪安装在井下发电机的下方。由液压传感器、放大滤波电路构成的测深装置与钻头相邻。由数据采集、信号放大滤波电路等组成的电子控制装置与发电机输出端相连；输出与测量、传感器、阀相连；由液压泵、电磁压力比例阀等组成液压控制装置位于电子舱的下方；液压泵与内管相连接耦合。形成闭环自动垂直钻具系统。它能自动测斜、纠斜；结构简单、成本低；是适应钻探行业需求的产品。

Description

自动垂直钻具

技术领域自动垂直钻具属于地质钻探技术范畴，特别涉及一种闭环的垂直钻探的地下装置领域。

背景技术无论是石油钻进、地质钻进还是其他钻进，由于地层或机械的原因，钻孔轨迹很容易偏离设计的轨迹，或称为钻孔弯曲即孔斜。钻孔弯曲严重时可能无法钻至设计目标，或造成过大的摩擦扭矩，甚至造成钻杆断裂以致引起孔内事故。为此本技术领域内的技术人员提出了许多技术方案，如《机地液一体化自动垂直钻井工具》(专利号：00243588.8)，它设有固定导向套、套内设有钻柱、探测控制装置；该装置与电磁换向阀控制装置相连，后者的控制口与导向液压缸连通；液压缸嵌设于固定导向套内靠近钻头的部位；液压缸的导向活塞伸入固定导向套的外壁。又如《机液一体化自动垂直钻井工具》(专利号：00243589.6)，该实用新型设有测量稳定器和测量液压缸，每个测量液压缸的测量活塞一端伸入钻柱外壁；导向液压缸的导向活塞的一端与测量活塞的方向相反伸入钻柱的外壁。这些方案都能较好的解决钻进中纠斜问题，但其缺陷是：第一，所采用的双向重力加速度计，使测量精度受到限制。第二，测量稳定器、液控换向阀和导向稳定器的个数可以在4套的基础上进行增减……这些装置的个数可不受限制。因而导致系统的复杂性。第三，利用钻进中的泥浆作为推动执行活塞的压力源、液压回路易受到污染。第四，未设立井下独立供电系统，难以在井下长时间连续工作。这些正是本发明需要进行改进设计的内容。

专利和非专利文献检索证明，尚无与本发明相同的技术方案或产品为社会公知公用，至今也没有相同的技术方案向国家知识产权局提出专利申请或予以公布。

发明内容本发明旨在研制能自动防斜、纠斜的钻具，这种钻具在钻孔的过程中能自动测斜，自动判断孔斜情况，发现孔斜时能自动给出大小适当的横向纠斜力，使钻孔始终能沿着垂直的方向前进。本发明力求使这种钻具结构简单、制作容易且造价较低，以适应钻探行业的需要。

为此，自动垂直钻具的技术方案如下：

第一，它由内管、井下发电机、三维磁悬浮测斜仪、电子控制装置、测深装置、液压控制装置、支撑板及外管等工作部件组成：

——各工作部件均配置于外管(3)与内管(1)之间的环状的电子舱内，内管呈空心状，其上部与钻杆或钻铤(11)相连，下部与钻头(20)相连；钻具被置于地表层之下；

——井下发电机(2)配置在外管(3)与内管(1)之间的环状腔体中，其转子安装在内管的外壁上；定子通过机壳固定在外管的内壁上；

——测斜仪(4)安装在井下发电机的下方环状的电子舱内，它由三个磁悬浮式加速计构成，三者呈正交型配置；

——测深装置(22)安装在垂直钻具的下部与钻头(20)相邻近，它由液压传感器：放大泸波电路构成；

——电子控制装置(21)安装在钻具的中上部，井下发电机下方的电子仪器舱(14)内，它包括数据采集与信号放大泸波电路、模——数转换电路、单片机判断与数据存储电路、数——模转换电路和电磁压力比例阀控制电路；电子控制装置输入端与发电机输出端相连，其输出端与测斜仪、液压传感器、电磁压力比例阀相连；并设有异步通信串行输出接头，与地面上的PC计算机相连接；

——液压控制装置由柱塞式液压泵(6)，电磁压力比例阀(7)，执行活塞(9)及液压蓄能器(15)和油缸(23)组成，它们安装在电子舱的下方；液压泵与钻具的内管相连接耦合。

第二，位于外管与内管之间的环状腔体中的井下发电机、其输出经整流稳压电路后的直流电源输至电子控制装置。

第三，位于井下发电机下方环状腔体中的测斜仪的三个呈正交型的磁悬浮式加速计，其安装方式如下：三个磁悬浮式加速计被安装在相互垂直的X、Y、Z三维定位装置(4-1)内，其中一个加速计安装在X方向安装孔(4-2)内；另一个安装在Y方向孔(4-3)内；第三个安装在Z方向孔(4-4)内。

第四，液压控制装置各部件之间按以下方式配合连接：液压泵与钻具的内管相连接耦合；液压泵输出高压油流经管道分别输至：三个电磁压力比例阀，三个执行活塞，三个液压储能器；液压泵的另一端经管道与油缸相连。

第五，自动垂直钻具中各装置的电连接方式如下：井下发电机的输出端与电子控制装置的输入端相连；电子控制装置的输出端分别与测斜仪、测深装置、电磁压力比例阀的输入端相连。

第六，设有上密封层(12)和下密封层(16)。

第七，在执行活塞的外侧装有支撑板(8)，其上部安装有轴销(18)，前者可以轴销为轴转动；在支撑板的下部设有复位弹簧(10)，它使支撑板紧贴在钻孔的孔壁上。

第八，装有测斜仪和电子控制装置的仪器舱被置于底板(27)上；在其上对称式的开设有4个孔，它们分别套在4个轴销上；每个轴销上装有2个弹簧；底板被置于其中；轴销上部配有螺帽，下部套在固定于外部的底座上。

第九，在电子仪器舱的下方装有弹簧减振装置(5)。

第十，在支撑板的外表面镀有金钢石层。

附图说明：

图1自动垂直钻具纵向剖视结构示意图

图2图1的A-A剖视图

图3图1的B-B剖视图

图4磁悬浮式加速度计安装架左视图

图5磁悬浮式加速度计安装架轴向剖面图

图6液压装置、电路装置连接关系图

图中各标号定义如下：1——内管，圆形管、构成自动垂直钻具的心轴，其上部与钻杆或钻铤相连，下部与钻头相连，发电机的转子被固定在它的外壁上。2——井下发电机，由转子和定子构成，配置在外管与内管之间的环状腔体中，输出端与电子控制装置相连。3——外管，为普通钻具所选用的器材，装在内管之外，两者轴心相重合，它与内管构成自动垂直钻具的主体结构。内、外管之间为环状腔体，发电机、测量、控制及执行装置安装在其内。4——测斜仪，安装在井下发电机的下方的环状腔体的电子舱内，它由三个磁悬浮式加速度计构成，三者呈正交型配置，5——减振装置，安装在电子仪器舱的下面，以减小钻具振动对测斜信号的影响。6——柱塞式液压泵，也可选用其它高压泵，是液压控制装置的组成部分，安装在电子仪器舱的下方。7——电磁压力比例阀，是液压控制装置的组成部分，它经油路与柱塞式液压泵相连；并与电子控制装置的输入端连接。8——支撑板，安装在执行活塞的外侧、其上部安装有轴销，支撑板可以轴销为轴转动。9——执行活塞，是液压控制装置的组成部分，通过油路与柱塞式液压泵相连通；活塞的端面与支撑板相触。10——复位弹簧，安装在支撑板的下部，其作用是使支撑板不工作时紧贴在钻具上。11——钻杆或钻铤，位于内管的上部，与内管相连接。12——垂直钻具上部密封层。13——垂直钻具上轴承，位于定子和转子的上方。14——电子仪器舱，位于发电机的下方，内装有测斜仪和电子控制装置。15——蓄能器，位于柱塞式液压泵与电磁压力比例阀油路上，其功能是减小从柱塞式液压泵流出的液压油脉动系数，提高控制装置的稳定性。16——垂直钻具下密封层。17——垂直钻具下轴承，位于定子和转子的下方。18——支撑板轴销，安装在支撑板的上部，后者可以轴销为轴转动。19——电镀金刚石层，复盖在支撑板的表层，以增强其耐磨性。20——钻头，位于自动垂直钻具的下端部。21——电子控制装置，它包括数据采集电路、信号放大泸波电路、模——数转换电路、单片机判断与数据存储电路、数——模转换电路和电磁压力比例阀控制电路；电子控制装置与发电机输出端相连，其输出端与测斜仪、液压传感器、电磁压力比例阀相连；并设有异步通信串行输出头与地面上的PC计算机相连接。22——测深装置，安装在垂直钻具的下部与钻头相邻近，它由液压传感器，放大泸波电路构成。23——油缸，与柱塞式液压泵、电磁压力比例阀的油路相连通。24——电子线路板支撑架(即仪器舱底板)，备有4个，底板上开有4个孔，可套在4个轴销上，每个轴销上装有两个弹簧，将底板夹住，轴销上备有螺帽，起紧固作用。25—电子舱内轴向滑动套。26——弹簧支撑螺栓。27——电子舱底板。在图6中粗线表示油路、细线表示电路。

本钻具工作原理如下：

钻孔倾斜时，本钻具中的三个加速计可测出x、y、z方向的分量。由三个分量按下式：

a = \tan^{- 1} [\frac{\sqrt{{G_{x}}^{2} + {Cy}^{2}}}{Gz}]

求出孔斜的倾角a。单片机根据加速度分量的正负与大小可判断出钻具倾斜的方向，据此大小数值与方向单片机输出三个信号电压，控制三个电磁压力比例阀，使三个执行活塞产生不同的压力，驱动与其相触的支撑板，后又与钻孔的孔壁相触，在反作用的推动下，钻具被推向相反的方向，即按降斜的方向钻进，从而达到了自动垂直钻进控制过程。

具体实施方式上述所给出的技术方案及结构示意图，即为实施本发明的一种优选方式。

Claims

1、一种自动垂直钻具，它由内管、井下发电机、三维磁悬浮测斜仪，电子控制装置、测深装置，液压控制装置、支撑板及外管等工作部件组成，其特征是：

①各工作部件均配置于外管(3)与内管(1)之间的环状腔体中；内管呈空心状，其上部与钻杆或钻铤(11)相连，下部与钻头(20)相连；钻具被置于地表层之下；

②井下发电机(2)配置在外管(3)与内管(1)之间的环状腔体中，其转子安装在内管的外壁上；定子通过机壳固定在外管的内壁上；

③测斜仪(4)安装在井下发电机的下方环状腔体的电子舱内，它由三个磁悬浮式加速计构成，三者呈正交型配置；

④测深装置(22)安装在垂直钻具的下部与钻头(20)相邻近，它由液压传感器、放大泸波电路构成；

⑤电子控制装置(21)安装在钻具的中上部，井下发电机下方的电子仪器舱(14)内，它包括数据采集与信号放大泸波电路、模——数转换电路、单片机判断与数据存储电路、数一模转换电路和电磁压力比例阀控制电路；电子控制装置输入端与发电机输出端相连，其输出端与测斜仪、液压传感器、电磁压力比例阀相连；并设有异步通信串行输出接头，与地面上的PC计算机相连接；

⑥液压控制装置由柱塞式液压泵(6)，电磁压力比例阀(7)，执行活塞(9)及液压蓄能器(15)和油缸(23)组成，它们安装在电子舱的下方；液压泵与钻具的内管相连接耦合。

2、根据权利要求1所述的一种自动垂直钻具，其特征是：位于外管与内管之间的环状腔体中的井下发电机，其输出经整流稳压电路后的直流电源输至电子控制装置。

3、根据权利要求1所述的一种自动垂直钻具，其特征是：位于井下发电机下方环状腔体中的测斜仪的三个呈正交型配置的磁悬浮式加速计，其安装方式如下：三个磁悬浮式加速计被安装在相互垂直的X、Y、Z三维定位装置(4-1)内，其中一个加速计安装在X方向安装孔(4-2)内；另一个安装在Y方向孔(4-3)内；第三个安装在Z方向孔(4-4)内。

4、根据权利要求1所述的一种自动垂直钻具，其特征是：液压控制装置各部件之间按以下方式配合连接：液压泵与钻具的内管相连耦合；液压泵输出高压油流经管边分别输至：三个电磁压力比例阀，三个执行活塞，三个液压储能器；液压泵的另一端经管道与油缸相连。

5、根据权利要求1或3所述的一种自动垂直钻具，其特征是：各装置的电连接方式如下：井下发电机的输出端与电子控制装置的输入端相连；电子控制装置的输出端分别与测斜仪、测深装置、电磁压力比例阀的输入端相连。

6、根据权利要求1所述的一种自动垂直钻具，其特征是：设有上密封层(12)和下密封层(16)。

7、根据权利要求1所述的一种自动垂直钻具，其特征是：在执行活塞的外侧装有支撑板(8)，其上部安装有轴销(18)，前者可以轴销为轴转动；在支撑板的下部设有复位弹簧(10)，它使支撑板紧贴在钻孔的孔壁上。

8、根据权利要求1所述的一种自动垂直钻具，其特征是：装有测斜仪和电子控制装置的仪器舱被置于底板(27)上；在其上对称式的开设有4个孔，它们分别套在4个轴销上；每个轴销上装有2个弹簧；底板被置于其中；轴销上部配有螺帽，下部套在固定于外部的底座上。

9、根据权利要求1所述的一种自动垂直钻具，其特征是：在电子仪器舱的下方装有弹簧减振装置(5)。

10、根据权利要求1所述的一种自动垂直钻具，其特征是：在支撑板的外表面镀有金钢石层。