CN86105356A - 井下工具用液压控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于井下工具用的液压控制系统。现行井下工具用的控制方法存在反应迟缓、重复性和可靠性差等问题。本发明第一次提出了使用液压延时回路和信号比较装置组成的液压控制系统去控制钻井和采油用的井下工具。这种液压控制系统反应速度快，重复性和可靠性方面都优于现有的井下工具的控制方法。这种控制原则还同时解决了井下工具的能源和信号输入问题。本发明提出的控制原则可以用于多种井下工具。

Description

本发明属于井下工具用的液压控制系统。

在油气井中，钻井和采油用的工具是组接在若干管件组成的管柱中。除液压控制方法外，井下工具用的其他控制方法将会遇到一些困难。如果采用电控制系统，则如何把电池布置在管柱中将会遇到困难，因为用于这种目的电池必须拥有大容量并能经受高温度和高湿度的环境。如果采用声学控制系统，则系统的可靠性及能源供给将会是存在的主要问题。

已有的井下工具用液压控制方法，或者使用内通道堵塞了的管柱，或者在启用工具前用一个钢球作为诱发手段去堵塞管柱内通道，而所用钢球事后必须用绳索工具取出或者用高压力将其从工具中挤出去。两种方法都既不方便也不可靠。

本发明的主要目的是提出一种新的控制井下工具的装置和方法。这种装置应设计成油气井管柱的一部分，并使管柱能进行各种正常作业。

按本发明的控制系统由下述主要成份构成：

1.一个液压操纵的输出机构，用以执行由地面控制信号所给定的指令。

该输出机构可以是一个往复液压缸，或者是一个摆动液压缸，或者是一个弹性可胀元件，这将取决于特定井下工具的特殊需要。

2.一个感受管柱内流体压力的液压设施，用以把程序化的控制信号及能量从工作液（钻井液和采油工作液）传递给液压油。

该液压设施含有一个橡胶隔模或其他弹性元件，用以把工作液与液压油隔开，并把压力和能量从工作液传递给液压油。

3.一个感受井眼和井下工具间环形空间内流体压力的液压设施，用以从控制系统中较高压力源接受液压油，并保障系统在长时间连续泵送工作液（如钻井液）期间不发生误动作，还能使系统在连续长时间工作液泵送停止之后迅速恢复对控制信号作出反应的能力。

该液压设施含有一个弹性元件，用以感受井眼和地下工具间环形空间内的工作液压力;含有一个盘形阀或其他式的阀，用以开启或关闭通向环形空间的通道。

4.一个信号发生器，用以产生给定长度的制约控制系统的标准控制信号。

该信号发生器由一个蓄能器和一个节流阀组成。当蓄能器释放积蓄在其中的液压能时，节流阀限制能量释放的速度。所以，该蓄能器和节流阀的组合是一个液压延时回路，使用该回路可以产生一个给定长度的控制信号，并将其作为标准控制信号用以制约控制系统。

5.一个对标准控制信号和地面控制指令都能作出反应的液压控制机构，用以对标准控制信号和地面控制指令进行比较，并据其比较结果输出一个特定的液压控制指令用以操纵液压执行机构，从而执行地面控制指令。

该液压控制机构是至少由一个液控阀和一个单向阀构成的组合，该组合在对标准控制信号和地面控制指令进行比较后，就产生一个特定的液压控制指令用以操纵液压执行机构，从而使地面控制指令得以执行。

6.至少一个单向阀，用以保障控制系统在一旦停止泵送工作液后就能立即工作。

因此，本发明提出了一种用于控制钻井或采油井下工具的液压系统，它包括一个能源和信号输入口部分，用从感受管柱中的压力，并把控制指令和能量从工作液传输到液压油系统，该液压油系统包括两个腔，其中一个可以容纳从系统中压力较高处来的液压油，另一个腔用以感受井孔环形空间中的压力，

在该系统中还有一个接受液压系统一次输入后产生一个标准控制信号的设施，另外还有一个把上述标准控制信号与从地面来的控制信号作出比较的装置，该装置把比较的结果作为操作动力执行装置的命令输出，

为了保障控制系统在一旦停止泵送工作液后能立即工作，在液压油系统的导管中至少设置一个单向阀。

液压系统的两个腔被一个弹性隔膜隔开。

产生标准控制信号的设施，由一个蓄能器和节流阀构成的延时回路组成。

在该液压控制系统中，设置了一个液控阀和两个单向阀，其中一个单向阀用于使液压执行机构恢复状态，另一个使正确的程序化命令得以通过，从而使液控阀保持在输出状态，并且可以防止标准控制信号消失在系统的较低压力区。

为了实现一个双作用执行机构的液压控制系统，对上面叙述过的系统作出一些改变，这主要包括：用一个其活塞上内设一个节流阀和一个单向阀的蓄能器代替上面所说的蓄能器，因此液压油在蓄能时可流入蓄能器的输出腔，而且在能量释放过程中防止油流入低压区;在双作用控制系统中，还设置了两个液控阀，其中一个用于使蓄能器蓄压，另一个负责使蓄能器释放标准控制信号，以及防止油液漏入低压区。

本发明的其它特点和目的，在以下参照附图对实施例所作的详细说明中将会看得很清楚。

附图1表示作为本发明第一个实施例的单作用执行机构液压控制系统。

附图2表示作为本发明第二个实施例的双作用执行机构液压控制系统。

图1表示了单作用执行机构液压控制系统，其执行机构是单向作用液压缸31。

压力传感器11由一个管状橡胶隔膜13及外腔12和内腔14组成。橡胶隔膜13是钻井或采油管柱内通道15的外壁的一部分，内腔14是管柱内通道15的一部分，在钻井作业中，泵送的钻井液通过内通道15、钻头喷嘴、最后流经井壁和钻柱间的环形空间返回地面，钻井液的流动是由于沿流道的压力差所致。如果泵送工作液正在进行，则压力传感器11内腔14中某一点处的工作液压力就会高于环形空间中同一水平位置的工作液压力。

在管柱中的适当位置安置一个液压油“油箱”16，在油箱16中装有一个弹性的波纹管或隔膜17。隔膜17可以感受油箱16外腔20中的液体压力，在联结压力传感器11的外腔12和隔膜17的内腔24的管线上装有一个单向阀19。

油箱16的外腔20通过盘形阀22和通道23与管柱和井壁间的环形空间相联通。盘形阀22保持开启，直到隔膜17的内腔24充满来自液压源的液压油为止。此后，盘形阀22关闭通道23。在通道23关闭前，隔膜17的内腔24中的液压油压力与环形空间中的流体压力大致相等。

当第一次泵送工作液开始时，压力传感器11外腔12中的液压油由管柱内通道15中的工作液经隔膜13加压，从而流向液控阀26的先导腔25，并把液控阀26换位到不同于图1所示的位置（状态），然后液压油流入液压蓄能器28的油腔27中而使之蓄能。与此同时，保持在图1所示位置（状态）的液控阀29，把来自压力传感器11的液压油导入液压缸31的右腔30中。执行机构35A与液压缸31中的活塞35相联以执行控制指令。液控阀29的先导腔32通过节流阀33与油箱16的内腔24相联，从而使液控阀29保持在图1所示的位置（状态）。

由于管柱内通道15中的工作液压力与来自压力传感器11的液压油压力大致相等，加上液压缸中弹簧34的弹力，因而活塞35保持在液压缸的左死点。

一旦停止泵送工作液，管柱内通道15内部与环形空间之间就不存在压力差，由于液压油箱16中隔膜17和液压传感器11中隔膜13的弹力，油箱16内腔24中的压力高于压力传感器11的外腔12中的压力，从而使油箱16中的液压油可以经过单向阀19流回到压力传感器11的外腔12中，单向阀19可以防止液压油从压力传感器11自由流入油箱16。

与此同时，液控阀26的先导腔25卸压，于是液控阀26换位到图1所示的位置（状态）。此后，蓄能器28的油腔27释放液压油，从而使液控阀29换位到不同于图1所示的位置（状态），节流阀33限制蓄能器28释放能量的速度。此时由蓄能器28油腔27取出的压力信号即为标准控制信号。蓄能器28和节流阀33的组合起着液压延时回路的作用。在能量释放过程中，阀29一直被控保持在位置上。通过调节节流阀33，可调节能量释放过程的长短，从而满足特定的要求。

停泵后，不待上述标准控制信号消失即开始第二次泵送工作液，则液控阀29仍然保持在不同于图1所示的位置（状态），作用在活塞35左边的工作液压力向右推动活塞35，液压缸31右腔30中的液压油被放到油箱16中。

只要第二次泵送工作液继续进行，液压缸31中的活塞35就保持在图1所示的右死点。在第二次泵送工作液停止后，液控阀26就换位到图1所示的位置（状态）。然后蓄能器28就开始第二次释放能量，使液控阀29在第二个标准控制信号工作期间保持在不同于图1所示的位置（状态）。在此期间，弹簧34将活塞35推向液压缸31的左端。液压油通过单向阀37和液控阀29流入液压缸31的右腔30。此后，液控阀29换位到图1所示的位置（状态）。向液压缸31的右腔30供油可以通过单向阀37的液控阀29来完成。上述过程要求两次泵送工作液间的停泵时间比上述标准控制信号的工作时间短。否则，液控阀29返回到图1所示的位置（状态），而第二次泵送工作液就只能从头开始整个过程而不发生对液压缸的操作。

图2表示了一个双作用执行机构液压控制系统，其执行机构为一双作用液压缸59。该控制系统含有相应于图1所示的一个压力传感器和一个液压油箱，含有稍不同于图1所示的一个蓄能器和三个液控阀。

如图2所示，双作用液压缸控制系统含有三个液控阀41、51和52，含有一个蓄能器28′。蓄能器28′本身是一个蓄能器和一个节流阀的组合，换句话说，蓄能器28′本身就构成一个液压延时回路。

当第一次传输的工作液作用在压力传感器11′上时，液控阀41保持在图2所示的位置（状态），液压油从压力传感器11′流入蓄能器28′的腔42，向右推动蓄能器28′的活塞43以压缩弹簧，蓄能器蓄能。安置在活塞44中的单向阀45开启，让液压油从蓄能器28′的腔46流入其输出腔47。与此同时，第二个液控阀51被来自压力传感器11′的液压油保持在不同于图2所示的位置（状态），从而关闭输出腔47。

当第3个液控阀52保持在图2所示的位置时，液控阀52就把来自压力传感器11′的液压油导入双作用液压缸的右腔53，并把该液缸的左腔54与液压油箱16′的内腔24′相联通。在油箱16′的内腔24′中的液体压力等于井筒环形空间中的工作液压力。所以，只要油箱16′仍然感受着环形空间的压力，活塞55就被推到液压缸的左死点，并保持在该位置。当第一次泵送工作液停止时，第二个液控阀51就换到图2所示的位置（状态），于是就把蓄能器28′的输出腔47与液控阀52和41的先导腔相联通，并把它们换位到与图2所示的相反的位置，只要能量释放过程在继续，液控阀52和41的位置就保持不变。

在上述能量释放过程结束之前，如果第二次传输的工作液使压力传感器11′的外腔12′中的液压油加压时，已加压的液压油通过液控阀52流入液压缸的左腔54，并经单向阀4流入液控阀52和41的先导腔。于是液压油把活塞55推向液压缸的右端，而液压缸右腔53中的液压油由液控阀52排放到液压油箱16′中。与此同时，液控阀51换位到与图2所示的相反的位置，从而切断蓄能器的输出通道。此后，第二次泵送工作液停止，于是整个控制系统恢复到图2所示的状态。

第三次泵送工作液将使活塞运动到图2所示的液压缸的左死点，余此类推。

Claims (5)

1、一个用于控制钻井或采油井下工具的液压系统，特征在于包括

a)一个作为能源及信号的输入口的装置(11)，以感受管柱(15)中的压力并把程序化的控制命令和能量从工作液传输到液压油系统，

b)此液压油系统包括一个腔(24)以容纳从系统中压力较高处来的液压油，一个腔(20)以感受井孔的环形空间压力，

c)在液压系统的一次输入后产生一个标准控制信号的设施(28)，

d)对从上述设施中产生的标准控制信号和一个程序化的从地面来的控制信号作出比较的装置，比较的结果作为命令去操作一个动力执行装置(31)，

e)设在液压油系统的导管中的至少一个单向阀。

2、按权利要求1的液压控制系统，特征在于由一个弹性隔膜隔开上述两个腔（24，20）。

3、按权利要求1的液压控制系统，特征在于有一个由蓄能器和节流阀组成液压延时回路，借助于液控设施的帮助在程序化命令的操纵下输出上述定长度的用以制约系统的信号。

4、按照权利要求1的液压控制系统，特征在于包括一个液控阀和上述的其他液压设施即两个单向阀，其中之一用以使上述的液压执行机构恢复状态，其二用于让正确的程序化命令通过，以使液控阀保持在输出状态，并防止上述的标准控制信号消失在系统的较低压力区。

5、按照权利要求3的液压系统，特征在于一节流阀和一单向阀设在蓄压器的活塞中，此单向阀在蓄能器蓄能时让液压油流进蓄能器的输出腔，并在受到节流阀限制的能量释放过程中防止液压油流进低压区，该系统还包括两个液控阀，其一的作用在于蓄能器蓄压，其二负责使蓄能器释放标准控制信号，并防止液压油漏入系统的低压区，以输出上述的标准控制信号去制约整个系统。

Images