CN2431393Y - 机电液一体化自动垂直钻井工具 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种机电液一体化的自动垂直钻井工具,该钻井工具能够在井斜时,进行自动探测倾斜情况,并使钻头上自动产生一个附加的降斜力。该钻井装置设有固定导向套,该固定导向套内转动穿设有钻柱,该固定导向套内设有探测控制装置,该探测控制装置与电磁换向阀控制连接,该电磁换向阀的控制口与导向液压缸连通,该导向液压缸嵌设于固定导向套内靠近钻头的部位,该导向液压缸的导向活塞伸于固定导向套的外壁。
Description
本实用新型涉及一种钻井设备，特别是一种能够防止井斜的机电液一体化自动垂直钻井工具。
在石油及地质钻井中，常常需要垂直钻井，但是在高陡构造，下部钻具组合受地层造斜力的影响，常常引起井斜，使井眼偏离预定的垂直轨道一般在这种高陡构造中的钻井当中，为了使井眼轨道不发生偏斜，常常使用钟摆钻具组合，采取吊打的办法。但是它是一种以牺牲钻速换取质量的消极方法。
本实用新型的目的在于提供一种机电液一体化的自动垂直钻井工具，该钻井工具能够在井斜时，进行自动探测倾斜情况，并使钻头上自动产生一个附加的降斜力。
本实用新型的目的是这样实现的：一种机电液一体化自动垂直钻井装置，该钻井装置设有固定导向套，该固定导向套内转动穿设有钻柱，该固定导向套内设有探测控制装置，该探测控制装置与电磁换向阀控制连接，该电磁换向阀的控制口与导向液压缸连通，该导向液压缸嵌设于固定导向套内靠近钻头的部位，该导向液压缸的导向活塞伸于固定导向套的外壁。所述的电磁换向阀和导向液压缸至少设有四组。所述的固定导向套与钻柱之间轴承连接。所述的探测控制装置可设为微处理器，该微处理器连接有双向重力加速度计。所述的电磁换向阀的入口连通于钻柱内的泥浆，电磁换向阀的出口与环空连通。所述的固定导向套与钻柱之间的间隙与钻柱内的泥浆连通，固定导向套与钻柱之间的间隙与电磁换向阀连通。所述的固定导向套设有槽，密封盖将该探测控制装置和电磁换向阀封设在该槽内。所述的导向液压缸的缸体上导向活塞的伸出端周围设有锁紧环，该锁紧环设有限位止挡可顶靠在导向活塞侧部的台阶上，导向活塞的后端设有弹簧座，该弹簧座与锁紧环之间设有复位弹簧。所述的导向液压缸的设有两个缸体，导向活塞的端部覆设有导向块，该导向块的两端与缸体的盖板之间设有复位弹簧。所述的该导向块的两端设有凸缘，该凸缘可顶触在缸体的盖板上。
本实用新型的控制过程为：当井眼发生偏斜时，井下的双向重力加速度计可探测到井斜，并将信息传送给微处理器，该微处理器经过分析判断，控制电磁换向阀，通过电磁换向阀对导向块液压进行控制，使靠近井眼高边方向的导向液压缸的导向块伸出，顶向上井壁，使其它方向上的导向块缩回，这样使井下钻具靠近钻头处受到一个横向集中力的作用，这一横向集中力使钻头产生一定的降斜力，从而使井眼回到垂直轨道上来。当井眼回到垂直轨道上后，井下微处理器命令所有的导向块收回，使近钻头处的横向力消失，让钻头垂直钻进。这样在井下形成一种自动闭环控制，不仅提高了井眼轨道的控制精度，还节约了调整钻具所用的时间。
下面结合附图进一步详细说明本实用新型：
图1为本实用新型的第一种实施方式的结构示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为本实用新型的第二种实施方式的结构示意图。
图4为图3的B-B剖视图。
图5为本实用新型的液压控制回路图。
图6为本实用新型的控制原理图。
实施例1
请参阅图1和图2，一种机电液一体化自动垂直钻井装置，该钻井装置设有固定导向套1，该固定导向套1内转动穿设有钻柱2，该固定导向套1内设有探测控制装置，该探测控制装置与电磁换向阀6控制连接，该电磁换向阀6的控制口9与导向液压缸7连通，该导向液压缸7嵌设于固定导向套1内靠近钻头的部位，该导向液压缸7的导向活塞18伸于固定导向套1的外壁。所述的固定导向套1与钻柱2之间通过轴承3连接。
所述的探测控制装置可设为微处理器，该微处理器连接有双向重力加速度计5。
所述的电磁换向阀6的入口11连通于钻柱2内的泥浆，电磁换向阀的出口10与环空连通。所述的固定导向套1与钻柱2之间的间隙12与钻柱2内的泥浆连通，固定导向套1与钻柱2之间的间隙12与电磁换向阀6连通。
所述的固定导向套1设有槽14，密封盖15将该探测控制装置和电磁换向阀6封设在该槽内。
导向液压缸7由锁紧环17，导向活塞18，弹簧19及密封圈20等组成。所述的导向液压缸7的缸体上导向活塞18的伸出端周围设有锁紧环17，导向活塞18的后端设有弹簧座，该弹簧座与锁紧环之间设有复位弹簧19。所述的锁紧环17设有限位止挡可顶靠在导向活塞侧部的台阶上。导向活塞18的后端有突起，弹簧19压在锁紧环17与突起之间，当电磁换向阀6使环空与液压缸7相通时，弹簧19使导向活塞18缩回。导向活塞18的前端有一台阶，锁紧环17前端也有一台阶，当液压缸通入压力时，导向活塞18伸出一段距离后，导向活塞18的台阶将顶到锁紧环17的台阶上，这样锁紧环17将对导向活塞18起到限位的作用。
本实用新型的自动垂直钻井工具主要包括一不旋转的固定导向套1，一从固定导向套1中间穿过的钻柱2及转换接头4等组成，钻柱2上端与旋转的钻铤连接，下端与钻头连接，固定导向套1与钻柱2之间通过轴承3连接，在钻柱2带动钻头旋转时，固定导向套1可以保持相对静止。固定导向套1的下端靠近钻头处是四个可独立控制的导向液压缸7，它们都布置于固定导向套1内，因此导向液压缸7也与井壁之间保持相对静止。液压缸的伸缩分别由四个电磁换向阀6控制，其压力源来源于钻柱2内部的泥浆压力。固定导向套1内同时还装有井下微处理器和一个双向重力加速度计5。重力加速度计5可以测定井眼的井斜及导向块相对于井眼高边的方位，井下微处理器接收重力加速度计传来的信号，经过判别处理后，向电磁换向阀6发出指令，从而控制导向块18的伸缩。
再结合图5和图6，当井眼发生偏斜时，井下的双向重力加速度计可探测到井斜，并将信息传送给微处理器，该微处理器经过分析判断，控制电磁换向阀，通过电磁换向阀对导向块液压进行控制，使靠近井眼高边方向的导向液压缸的导向块伸出，顶向上井壁，使其它方向上的导向块缩回，这样使井下钻具靠近钻头处受到一个横向集中力的作用，这一横向集中力使钻头产生一定的降斜力，从而使井眼回到垂直轨道上来。当井眼回到垂直轨道上后，井下微处理器命令所有的导向块收回，使近钻头处的横向力消失，让钻头垂直钻进。这样在井下形成一种自动闭环控制，不仅提高了井眼轨道的控制精度，还节约了调整钻具所用的时间。
本实用新型的探测控制装置设有微处理器和双向重力加速度计，该双向重力加速度计可采用现有的双向重力加速度计即可。在选择微处理器时，考虑到该井下控制器在井下处理的信息量并不大，速度要求也不太高，但对于可靠性，功耗，体积，安装方式等方面的要求都非常高。综合各种指标，可以选用Motorola公司的MC68HC11系列单片机，当然，也可采用其他类型的微处理器。再根据控制程序的大小，各个接口的输入和输出信号类型以及控制器的其它功能来选择具体的型号，选择MC68HC11G5。该型号微处理器包括片内的EPROM 16K BYTES，RAM 512 BYTES，4PWM输出，4路脉冲输入扑捉端口，RTU实时中断，WDOG实时监视器。16K EPROM可以用来存放控制程序，片内512 BYTES的RAM可以用来存放一些常用的数据，PWM输出端口可以用来输出对液压控制阀的电压脉冲输出信号，脉冲宽度可以由对应PWM接口的寄存器来设定。脉冲输入扑捉端口可以用来测量压力开关传来的脉冲信号的宽度和周期，以识别地面下传的简单的干预指令。
由于四个导向块都是利用泥浆压力进行工作，根据力的合成原理，当导向套静止时，通过控制导向块的伸缩，只可以形成八个确定方向的导向集中力，不能把导向集中力调整到任意方向。但是井眼的偏斜方向是根据不同的地质条件而千变万化的，是不可预测的，可能发生在任意方向，而导向套的位置又是不可以控制的，因此不可能任何时候或在任何情况下都能使导向集中力正好指向井眼低边方向，但是可以通过井下重力加速度计，测量每个导向块相对于井眼高边的方位，控制导向集中力沿井眼低边的方向的分量最大，依靠这一导向集中力的分力使井眼尽快回到垂直轨道。为此井下控制器中必须储存一定的算法，以控制哪几个导向块伸出或缩回。具体控制算法如下：
在钻进中，重力加速度计测量的井斜角为α，测量得到的导向套相对于井眼高边的方位角为Ω(从井眼高边顺时针旋转到导向块1方向的夹角)，那么可以把垂直钻井的控制方法总结成以下的形式：
(1)当井斜角α＜=e时(e为最大允许井斜角)，
表明井斜角在允许值之内，控制电磁换向阀，使钻柱内的泥浆不能通入导向液压缸，而使导向液压缸与环空相通，这样四个导向块在弹簧恢复力的作用下自动收回。因此不产生导向集中力，井眼按原来轨道继续钻进。
(2)当井斜角α＞e时(e为最大允许井斜角)，
表明井斜角超过了允许值，要根据Ω的大小，控制电磁换向阀，使某一个或两个导向块伸出，其它导向块缩回，使钻头产生一定的降斜力，把井眼纠回到垂直轨道。具体控制规则如下表：
表1自动垂直钻井工具的控制规则
| 条件 | 导向块1 | 导向块2 | 导向块3 | 导向块4 | 导向集中力的方向y与导向块1方向间的夹角 |
| -22.5°＜Ω≤22.5° | 伸出 | 缩回 | 缩回 | 缩回 | 0° |
| 22.5°＜Ω≤67.5° | 伸出 | 伸出 | 缩回 | 缩回 | 45° |
| 67.5°＜Ω≤112.5° | 缩回 | 伸出 | 缩回 | 缩回 | 90° |
| 112.5°＜Ω≤157.5° | 缩回 | 伸出 | 伸出 | 缩回 | 135° |
| 157.5°＜Ω≤202.5° | 缩回 | 缩回 | 伸出 | 缩回 | 180° |
| 202.5°＜Ω≤247.5° | 缩回 | 缩回 | 伸出 | 伸出 | 225° |
| 247.5°＜Ω≤292.5° | 缩回 | 缩回 | 缩回 | 伸出 | 270° |
| 292.5°＜Ω≤337.5° | 伸出 | 缩回 | 缩回 | 伸出 | 315° |
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，导向液压缸的结构不同。
请参阅图3和图4，一种机电液一体化自动垂直钻井装置，该钻井装置设有固定导向套1，该固定导向套1内转动穿设有钻柱2，该固定导向套1内设有探测控制装置，该探测控制装置与电磁换向阀6控制连接，该电磁换向阀6的控制口9与导向液压缸7连通，该导向液压缸7嵌设于固定导向套1内靠近钻头的部位，该导向液压缸7的导向活塞18伸于固定导向套1的外壁。所述的固定导向套1与钻柱2之间通过轴承3连接。
所述的探测控制装置可设为微处理器，该微处理器连接有双向重力加速度计5。
所述的电磁换向阀6的入口11连通于钻柱2内的泥浆，电磁换向阀的出口10与环空连通。所述的固定导向套1与钻柱2之间的间隙12与钻柱2内的泥浆连通，固定导向套1与钻柱2之间的间隙12与电磁换向阀6连通。
所述的固定导向套1设有槽14，密封盖15将该探测控制装置和电磁换向阀6封设在该槽内。
所述的导向液压缸的设有两个缸体，导向活塞21的端部覆设有导向块22，该导向块22的两端与缸体的盖板25之间设有复位弹簧24。该导向块的两端设有凸缘，该凸缘可顶触在缸体的盖板25上。
本实用新型的自动垂直钻井工具主要包括一不旋转的固定导向套1，一从固定导向套1中间穿过的钻柱2及转换接头4等组成，通过转换接头4把导向套固定在钻柱2上。钻柱2上端与旋转的钻铤连接，下端与钻头连接，固定导向套1与钻柱2之间通过轴承3连接，在钻柱2带动钻头旋转时，固定导向套1可以保持相对静止。固定导向套1的下端靠近钻头处是四个可独立控制的导向液压缸7，它们都布置于固定导向套1内，因此导向液压缸7也与井壁之间保持相对静止。液压缸的伸缩分别由四个电磁换向阀6控制，其压力源来源于钻柱2内部的泥浆压力。钻柱2开有小孔8，这样钻柱2内的泥浆可以通过此孔8进入固定导向套1与钻柱2之间的间隙12中，固定导向套1与钻柱2，固定导向套1与转换接头之间通过密封圈13密封。在固定导向套1上分别开有小孔9，10，11，小孔11使流入间隙12的钻井液进入电磁换向阀，小孔9使换向阀与导向液压缸相通，小孔10使换向阀与环空相通。
固定导向套1内同时还装有井下微处理器和一个双向重力加速度计5。重力加速度计5可以测定井眼的井斜及导向块相对于井眼高边的方位，井下微处理器接收重力加速度计传来的信号，经过判别处理后，向电磁换向阀6发出指令，从而控制导向块18的伸缩。电磁换向阀、井下微处理器及重力加速度计5放置在导向外套的环形槽14内，密封盖15把环形槽与外界隔离，密封盖通过罗纹连接拧紧在导向套外侧，密封盖与导向套之间用密封圈16进行密封。
导向活塞由两个液压缸，导向活塞21的上部覆盖有导向块22，导向块两侧各有一个凹槽23，复位弹簧24装在其中，导向块两侧的凹槽及复位弹簧通过盖板25被压在导向套内，盖板与导向外套之间通过螺钉26连接。导向块凹槽的边缘27还起一个限位的作用。
再结合图5和图6，当井眼发生偏斜时，井下的双向重力加速度计可探测到井斜，并将信息传送给微处理器，该微处理器经过分析判断，控制电磁换向阀，通过电磁换向阀对导向块液压进行控制，使靠近井眼高边方向的导向液压缸的导向块伸出，顶向上井壁，使其它方向上的导向块缩回，这样使井下钻具靠近钻头处受到一个横向集中力的作用，这一横向集中力使钻头产生一定的降斜力，从而使井眼回到垂直轨道上来。当井眼回到垂直轨道上后，井下微处理器命令所有的导向块收回，使近钻头处的横向力消失，让钻头垂直钻进。这样在井下形成一种自动闭环控制，不仅提高了井眼轨道的控制精度，还节约了调整钻具所用的时间。
本实用新型的探测控制装置设有微处理器和双向重力加速度计，该双向重力加速度计可采用现有的双向重力加速度计即可。在选择微处理器时，考虑到该井下控制器在井下处理的信息量并不大，速度要求也不太高，但对于可靠性，功耗，体积，安装方式等方面的要求都非常高。综合各种指标，可以选用Motorola公司的MC68HC11系列单片机，当然，也可采用其他类型的微处理器。再根据控制程序的大小，各个接口的输入和输出信号类型以及控制器的其它功能来选择具体的型号，选择MC68HC11G5。该型号微处理器包括片内的EPROM 16K BYTES，RAM 512 BYTES，4PWM输出，4路脉冲输入扑捉端口，RTU实时中断，WDOG实时监视器。16K EPROM可以用来存放控制程序，片内512 BYTES的RAM可以用来存放一些常用的数据，PWM输出端口可以用来输出对液压控制阀的电压脉冲输出信号，脉冲宽度可以由对应PWM接口的寄存器来设定。脉冲输入扑捉端口可以用来测量压力开关传来的脉冲信号的宽度和周期，以识别地面下传的简单的干预指令。
由于四个导向块都是利用泥浆压力进行工作，根据力的合成原理，当导向套静止时，通过控制导向块的伸缩，只可以形成八个确定方向的导向集中力，不能把导向集中力调整到任意方向。但是井眼的偏斜方向是根据不同的地质条件而千变万化的，是不可预测的，可能发生在任意方向，而导向套的位置又是不可以控制的，因此不可能任何时候或在任何情况下都能使导向集中力正好指向井眼低边方向，但是可以通过井下重力加速度计，测量每个导向块相对于井眼高边的方位，控制导向集中力沿井眼低边的方向的分量最大，依靠这一导向集中力的分力使井眼尽快回到垂直轨道。为此井下控制器中必须储存一定的算法，以控制哪几个导向块伸出或缩回。具体控制算法如下：
在钻进中，重力加速度计测量的井斜角为α，测量得到的导向套相对于井眼高边的方位角为Ω(从井眼高边顺时针旋转到导向块1方向的夹角)，那么可以把垂直钻井的控制方法总结成以下的形式：
(1)当井斜角α＜=e时(e为最大允许井斜角)，
表明井斜角在允许值之内，控制电磁换向阀，使钻柱内的泥浆不能通入导向液压缸，而使导向液压缸与环空相通，这样四个导向块在弹簧恢复力的作用下自动收回。因此不产生导向集中力，井眼按原来轨道继续钻进。
(2)当井斜角α＞e时(e为最大允许井斜角)，
表明井斜角超过了允许值，要根据Ω的大小，控制电磁换向阀，使某一个或两个导向块伸出，其它导向块缩回，使钻头产生一定的降斜力，把井眼纠回到垂直轨道。具体控制规则如下表：
表1自动垂直钻井工具的控制规则
| 条件 | 导向块1 | 导向块2 | 导向块3 | 导向块4 | 导向集中力的方向y与导向块1方向间的夹角 |
| -22.5°＜Ω≤22.5° | 伸出 | 缩回 | 缩回 | 高回 | 0° |
| 22.5°＜Ω≤67.5° | 伸出 | 伸出 | 缩回 | 缩回 | 45° |
| 67.5°＜Ω≤112.5° | 缩回 | 伸出 | 缩回 | 缩回 | 90° |
| 112.5°＜Ω≤157.5° | 缩回 | 伸出 | 伸出 | 缩回 | 135° |
| 157.5°＜Ω≤202.5° | 缩回 | 缩回 | 伸出 | 缩回 | 180° |
| 202.5°＜Ω≤247.5° | 缩回 | 缩回 | 伸出 | 伸出 | 225° |
| 247.5°＜Ω≤292.5° | 缩回 | 缩回 | 缩回 | 伸出 | 270° |
| 292.5°＜Ω≤337.5° | 伸出 | 缩回 | 缩回 | 伸出 | 315° |
Claims (10)
1、一种机电液一体化自动垂直钻井工具，其特征在于：该钻井装置设有固定导向套，该固定导向套内转动穿设有钻柱，该固定导向套内设有探测控制装置，该探测控制装置与电磁换向阀控制连接，该电磁换向阀的控制口与导向液压缸连通，该导向液压缸嵌设于固定导向套内靠近钻头的部位，该导向液压缸的导向活塞伸于固定导向套的外壁。
2、如权利要求1所述的一种机电液一体化自动垂直钻井工具，其特征在于：所述的电磁换向阀和导向液压缸至少设有四组。
3、如权利要求1所述的一种机电液一体化自动垂直钻井工具，其特征在于：所述的固定导向套与钻柱之间轴承连接。
4、如权利要求1所述的一种机电液一体化自动垂直钻井工具，其特征在于：所述的探测控制装置可设为微处理器，该微处理器连接有双向重力加速度计。
5、如权利要求1所述的一种机电液一体化自动垂直钻井工具，其特征在于：所述的电磁换向阀的入口连通于钻柱内的泥浆，电磁换向阀的出口与环空连通。
6、如权利要求5所述的一种机电液一体化自动垂直钻井工具，其特征在于：所述的固定导向套与钻柱之间的间隙与钻柱内的泥浆连通，固定导向套与钻柱之间的间隙与电磁换向阀连通。
7、如权利要求1所述的一种机电液一体化自动垂直钻井工具，其特征在于：所述的固定导向套设有槽，密封盖将该探测控制装置和电磁换向阀封设在该槽内。
8、如权利要求1所述的一种机电液一体化自动垂直钻井工具，其特征在于：所述的导向液压缸的缸体上导向活塞的伸出端周围设有锁紧环，该锁紧环设有限位止挡可顶靠在导向活塞侧部的台阶上，导向活塞的后端设有弹簧座，该弹簧座与锁紧环之间设有复位弹簧。
9、如权利要求1所述的一种机电液一体化自动垂直钻井工具，其特征在于：所述的导向液压缸的设有两个缸体，导向活塞的端部覆设有导向块，该导向块的两端与缸体的盖板之间设有复位弹簧。
10、如权利要求9所述的一种机电液一体化自动垂直钻井工具，其特征在于：所述的该导向块的两端设有凸缘，该凸缘可顶触在缸体的盖板上。
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| CN 00243588 CN2431393Y (zh) | 2000-07-14 | 2000-07-14 | 机电液一体化自动垂直钻井工具 |
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