專利名稱：一種利用重力信號的井眼軌道遙控控制方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于直井、定向井鉆井過程中的井眼軌道控制方法及裝置，尤其是一種利用重力信號的井眼軌道遙控控制方法及其裝置。
在直井和定向鉆井過程中，需要對井眼軌道井斜角和方位角進行控制?，F(xiàn)有的井眼軌道控制，一般有以下三種方法1、采用轉(zhuǎn)盤鉆鉆具組合，利用經(jīng)驗和力學(xué)分析，設(shè)計井底鉆具組合(BHA)，達到增斜、降斜和穩(wěn)斜的目的；或使用井下動力鉆具。這種轉(zhuǎn)盤鉆鉆具組合，降斜率較低，且機械鉆進慢。例如用于直井降斜和鐘擺鉆具組合，實際上是一促以犧牲鉆壓換取質(zhì)量的消極方法，對日費較高的深井鉆井是不合適的。而采用井下動力鉆具，為滑動鉆進方式，由于施工難度大以及對鉆井液凈化要求高等因素，導(dǎo)致建井周期長，增加了成本。
2、近年來國外發(fā)展的自動閉環(huán)控制鉆井系統(tǒng)。例如意大利Agip公司和美國Baker Hughes IntecQ公司聯(lián)合開發(fā)的垂直鉆井系統(tǒng)SDD。閉環(huán)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是機電液一體的高技術(shù)產(chǎn)品，生產(chǎn)和使用成本均極高。這些方式還要求配備適當(dāng)?shù)臏y量儀器，如單點測斜儀、有線隨鉆測量儀等。
本發(fā)明的目的在于提供一種利用重力信號的井眼軌道遙控控制方法及其裝置，可用于鉆直井和定向井，它無需使用井下動力鉆具而能用轉(zhuǎn)盤驅(qū)動定向鉆進的井眼軌道控制工具，它能自動完成降斜控制，還能通過簡單的變換實現(xiàn)增斜和扭方位控制，它可省去測斜儀器，自動識別工具高邊并反饋給地面操作人員。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種利用重力信號的井眼軌道遙控控制方法，通過在鉆頭處安裝芯軸與套筒機構(gòu)，芯軸與套筒機構(gòu)將泥漿壓力傳遞給一重力信號發(fā)生機構(gòu)的液壓油路，液壓油路內(nèi)設(shè)有靠重力的作用總處于最低位置控制油路端口開閉的控制閥組，井眼偏斜引起控制閥組動作，重力信號發(fā)生機構(gòu)將該轉(zhuǎn)換后的井眼偏斜信號的動作信號傳遞給液壓系統(tǒng)，壓力控制頂持在井眼井壁上的執(zhí)行機構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)工況下，通過該執(zhí)行機構(gòu)的導(dǎo)向塊的徑向伸縮、頂住井壁，對芯軸與套筒機構(gòu)連接鉆頭的下部鉆柱產(chǎn)生橫向集中力，作用在近鉆頭處，以控制鉆頭的偏斜方向，從而調(diào)節(jié)所鉆井眼軌道的井斜和方位。
所述的芯軸與套筒機構(gòu)之間的相互連接為離合配合，以便在旋轉(zhuǎn)鉆井工狀下，芯軸與套筒機構(gòu)分離，芯軸能夠帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，而帶有執(zhí)行機構(gòu)的套筒不轉(zhuǎn)動，在工藝調(diào)節(jié)狀態(tài)下，芯軸與套筒機構(gòu)鎖合，便于操作調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)的位置。
所述的液壓油路傳遞的轉(zhuǎn)換了井眼偏斜信號的重力信號可通過一示位機構(gòu)將執(zhí)行機構(gòu)工作狀態(tài)的反饋信號傳遞給地面，從而遙控得到工具面的位置。
可通過改變控制閥組通斷機能或改變執(zhí)行機構(gòu)導(dǎo)向塊的布置方式，滿足井眼降斜或增斜或扭方位控制作業(yè)的不同工藝要求。
一種利用重力信號的井眼軌道遙控控制方法，其最佳操作實施步驟為1、將工具下井，開泵，開動轉(zhuǎn)盤，重力信號發(fā)生機構(gòu)利用重力信號檢測并轉(zhuǎn)換井眼偏斜信號，并控制液壓系統(tǒng)油路通斷和油流方向；2、通過液壓系統(tǒng)將井眼偏斜信號傳遞該執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)控制鉆頭偏斜和方位。
上述步驟還包括通過開停泵操作，根據(jù)示位機構(gòu)反饋的工具面方位信號，調(diào)整工具面位置。
上述步驟還包括通過開停泵操作，使芯軸與套筒機構(gòu)之間的離合機構(gòu)動作。
一種利用重力信號的井眼軌道遙控控制裝置，它由外部的套筒和內(nèi)部套合的本體組成，本體的中央為貫通孔，套筒和本體上設(shè)置有重力信號發(fā)生裝置、信號傳遞及執(zhí)行機構(gòu)；其中重力信號發(fā)生裝置的輸出端接信號傳遞及執(zhí)行機構(gòu)輸入。
所述的套筒和本體之間由離合機構(gòu)離合連接。
所述的本體上還設(shè)有狀態(tài)示位機構(gòu)。
所述的重力信號發(fā)生裝置為設(shè)置在套筒和本體之間的環(huán)形腔中的控制閥組，環(huán)形腔與本體上開設(shè)的導(dǎo)通孔連通，閥組由閥芯、復(fù)位彈簧構(gòu)成，閥組的腔體內(nèi)的閥芯下設(shè)置有一滾球。
所述的信號傳遞及執(zhí)行機構(gòu)包括信號傳遞部分和執(zhí)行機構(gòu)部分，其中信號傳遞部分為設(shè)置一組在套筒和本體之間環(huán)形腔中內(nèi)筒上的液壓油路，油路的輸入端接重力信號發(fā)生裝置的閥組輸出端，信號傳遞部分油路的輸出端接執(zhí)行機構(gòu)部分，執(zhí)行機構(gòu)部分設(shè)置在中部套筒上，由偏心塊、翼板和篩板組成，偏心塊的兩側(cè)設(shè)置翼板，翼板上設(shè)置篩板，偏心塊與翼板中間設(shè)置復(fù)位彈簧。
所述的離合機構(gòu)由與本體滑動斜面相貼合的離合活塞、復(fù)位彈簧、開設(shè)在套筒上的活塞卡槽組成。
所述的狀態(tài)示位機構(gòu)由芯體、芯體上的示位活塞組件、示位噴嘴、節(jié)流桿組成，其中狀態(tài)示位機構(gòu)芯體設(shè)置在本體上，活塞腔體分為有桿腔與無桿腔，有桿腔與無桿腔分別裝有復(fù)位彈簧和限位管，有桿腔與無桿腔的油路通過設(shè)置在本體上的環(huán)形通槽分別與本體上油路連通。
所述的套筒上設(shè)有補償油腔，在補償油腔內(nèi)設(shè)有浮動活塞及其彈簧、密封等組件，活塞的外側(cè)設(shè)有篩板，活塞的液壓油路與信號傳遞與執(zhí)行機構(gòu)的液壓系統(tǒng)油路相同。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、本裝置接于近鉆頭處，相當(dāng)于在近鉆頭處施加一集中力，可以完成自動降斜、增斜或扭方位控制，可用于直井和定向井作業(yè)。
2、本裝置在鉆井中采用轉(zhuǎn)盤驅(qū)動方式，省去導(dǎo)向鉆具，簡化了組合部件，減少了發(fā)生井下事故的可能，同時提高機械鉆速。
3、本裝置能自動識別工具面高邊，并采用正脈沖反饋示位方式告知地面工作人員，示位可靠，可省去測斜儀器，節(jié)省了昂貴費用和測斜操作。
4、本裝置制造工藝簡單，成本低，易于推廣普及。
下面結(jié)合附圖和具體實施方案對本發(fā)明做進一步的詳細說明。


圖1為本發(fā)明方法流程圖；圖2為本發(fā)明的裝置構(gòu)成結(jié)構(gòu)整體示意圖；圖3為圖2A段結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖2B段結(jié)構(gòu)示意圖。
參見圖1，本發(fā)明的方法為一種利用重力信號的井眼軌道遙控控制方法，通過在鉆頭處安裝芯軸與套筒機構(gòu)，芯軸與套筒機構(gòu)將泥漿壓力傳遞給一重力信號發(fā)生機構(gòu)的液壓油路，液壓油路內(nèi)設(shè)有靠重力的作用總處于最低位置控制油路端口開閉的控制閥組，井眼偏斜引起控制閥組動作，重力信號發(fā)生機構(gòu)將該轉(zhuǎn)換后的井眼偏斜信號的動作信號傳遞給液壓系統(tǒng)，壓力控制頂持在井眼井壁上的執(zhí)行機構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)工況下，通過該執(zhí)行機構(gòu)的導(dǎo)向塊的徑向伸縮、頂住井壁，對芯軸與套筒機構(gòu)連接鉆頭的下部鉆柱產(chǎn)生橫向集中力，作用在近鉆頭處，以控制鉆頭的偏斜方向，從而調(diào)節(jié)所鉆井眼軌道的井斜和方位。其中芯軸與套筒機構(gòu)之間的相互連接為離合配合，以便在旋轉(zhuǎn)鉆井工狀下，芯軸與套筒機構(gòu)分離，芯軸能夠帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，而帶有執(zhí)行機構(gòu)的套筒不轉(zhuǎn)動，在工藝調(diào)節(jié)狀態(tài)下，芯軸與套筒機構(gòu)鎖合，便于操作調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)的位置。另外，液壓油路傳遞的轉(zhuǎn)換了井眼偏斜信號的重力信號可通過一示位機構(gòu)將執(zhí)行機構(gòu)工作狀態(tài)的反饋信號傳遞給地面，從而遙控得到工具面的位置?？赏ㄟ^改變控制閥組通斷機能或改變執(zhí)行機構(gòu)導(dǎo)向塊的布置方式，滿足井眼降斜或增斜或扭方位控制作業(yè)的不同工藝要求。
一種利用重力信號的井眼軌道遙控控制方法，其最佳操作實施步驟為將工具下井，開泵，開動轉(zhuǎn)盤，重力信號發(fā)生機構(gòu)利用重力信號檢測并轉(zhuǎn)換井眼偏斜信號，并控制液壓系統(tǒng)油路通斷和油流方向；通過液壓系統(tǒng)將井眼偏斜信號傳遞該執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)控制鉆頭偏斜和方位；通過開停泵操作，使芯軸與套筒機構(gòu)之間的離合機構(gòu)動作，根據(jù)示位機構(gòu)反饋的工具面方位信號，調(diào)整工具面位置。
按本發(fā)明的方法其遙控系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成
1、利用重力信號作為控制信號的信號發(fā)生機構(gòu)目前在井下控制工程中使用的控制信號有鉆壓、排量、重力、反壓差、泥漿泵開停泵時間等。本遙控系統(tǒng)采用重力信號作為信號發(fā)生機構(gòu)的控制信號，利用滾球始終向下方運動的特點，控制環(huán)形套筒內(nèi)的方向控制閥，從而控制液力的傳遞方向。方向控制閥可借鑒液壓換向閥的結(jié)構(gòu)，也可用自行設(shè)計的換向閥，用以控制液壓油的流向，達到不同的定向工藝要求。用于降斜時，高壓油通過方向控制閥進入井眼高邊導(dǎo)向塊油腔，如本發(fā)明的一個實施例-降斜控制系統(tǒng)。用于增斜時，高壓油通過方向控制閥進入井眼低邊導(dǎo)向塊油腔，推動導(dǎo)向塊靠壓低邊井壁，達到增斜目的。當(dāng)然，通過改變換向閥的通斷狀態(tài)，即改變其通油口的布置，也可使降斜系統(tǒng)成為增斜系統(tǒng)。換向閥可沿周向布置兩個，位于一個平面內(nèi)；也可在環(huán)形套筒內(nèi)布置多個，若用于降斜，可在工具高邊處布置多個換向閥，分別控制多個導(dǎo)向塊，或僅一個導(dǎo)向塊；也可沿鉆柱軸線方向布置多個換向閥，控制軸向分布多個導(dǎo)向棱塊的徑向伸縮。
2、信號傳遞與執(zhí)行機構(gòu)本系統(tǒng)分為兩部分本體組件和外套筒組件。本體組件與鉆頭連接并旋轉(zhuǎn)，外套筒組件通過軸承套在本體外面，工作狀態(tài)下不旋轉(zhuǎn)，信號傳遞與執(zhí)行機構(gòu)位于外套筒組件上，由它給鉆頭提供導(dǎo)向集中力。執(zhí)行機構(gòu)采用導(dǎo)向塊-伸縮機構(gòu)，即通過導(dǎo)向棱塊的徑向伸縮在鉆頭附近施加導(dǎo)向集中力。導(dǎo)向塊沿外套筒周向的布置方式可根據(jù)鉆井定向作業(yè)要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計決定。以后文所述的實施例-降斜控制系統(tǒng)為例。本系統(tǒng)方向控制閥和偏心塊執(zhí)行機構(gòu)的組合可簡稱閥控液壓缸組合(不同于一般的液壓控制系統(tǒng))。本系統(tǒng)的方向控制元件需自行設(shè)計，以滿足井下工況的特殊需求。降斜控制系統(tǒng)借鑒液壓工程里滑閥式換向閥的結(jié)構(gòu)，具有工作可靠、壓力損失小的特點，同時巧妙地利用滾球作為控制要素控制換向閥的通斷和液流的傳遞方向，從而實現(xiàn)本系統(tǒng)利用重力信號作為控制信號的遙控方法。閥控液壓缸的液壓系統(tǒng)可根據(jù)需要設(shè)計。實施例采用高邊控制閥控制位于高邊的導(dǎo)向塊的伸縮，只有一個液壓缸(導(dǎo)向塊機構(gòu))。
另一實施方案同時在工具面低邊(這里定義導(dǎo)向塊所確定的平面為工具面)布置一個液壓缸，由低邊換向閥控制，當(dāng)鉆柱靠向井眼低邊時，導(dǎo)向塊回縮。該方案的優(yōu)點在于，將降斜控制系統(tǒng)變?yōu)樵鲂毕到y(tǒng)時，只需通過換內(nèi)套筒改變液力傳壓通道，將通過高邊控制閥的高壓油接通低邊液壓缸，或改變控制閥的通斷模式即可，而不用改變導(dǎo)向塊的布置。為容納低壓油，應(yīng)設(shè)置低壓油腔作為油液的補償空間，該液壓設(shè)施或采用浮動活塞，或含有一個彈性元件(膠囊)，用以平衡和感受井眼環(huán)空的鉆井液壓力。高邊導(dǎo)向塊由液壓缸1的活塞驅(qū)動徑向伸出，由高邊控制閥導(dǎo)通高壓油；低邊導(dǎo)向塊由液壓缸2的活塞驅(qū)動徑向回縮，由低邊換向閥控制，導(dǎo)向塊腔的液壓油通過換向閥進入低壓油腔。這兩種實施例均為單閥-單液壓缸結(jié)構(gòu)，這樣應(yīng)沿周向分布多個導(dǎo)向塊(相應(yīng)地，信號發(fā)生機構(gòu)里應(yīng)根據(jù)控制閥的數(shù)量放置滾球)，優(yōu)點在于導(dǎo)向集中力大，工具可靠性高，甚至可根據(jù)工藝要求，通過合理布置導(dǎo)向塊的周向分布，組成復(fù)雜的定向組合(降斜增、減方位，增斜增、減方位)，但在井下不易布置；采用單閥-多缸布置，可僅在周向布置一個(如后文的實施例)或兩個缸(在一個平面內(nèi)布置)，便于布置。
3、狀態(tài)示位機構(gòu)操作人員通過該遙控方式完成識別工具井下工況的變化。如要構(gòu)成降斜或增斜系統(tǒng)，正常工作狀態(tài)要求導(dǎo)向塊所在平面位于井斜平面(鉛垂平面)內(nèi)，這樣導(dǎo)向塊提供的導(dǎo)向集中力能最大限度地迫使鉆頭向井眼低邊或高邊鉆進。而信號發(fā)生機構(gòu)是利用控制閥里的滾球在自由狀態(tài)下向下死點滾動并在下死點處不動的特點控制換向閥的通斷，若在一個平面內(nèi)僅布置兩個換向閥(如實施例)，且導(dǎo)向塊也布置在該平面內(nèi)，定義為工具面，則要求該工具面在工作狀態(tài)下也要在井斜平面內(nèi)。對于常規(guī)的井下動力鉆具，必須用測斜儀器確定工具面方位，甚至用價格昂貴的隨鉆測量儀器(MWD)。本系統(tǒng)提供的方法可遙控識別工具面高邊位置，通過狀態(tài)示位機構(gòu)產(chǎn)生的反饋信號，地面操作人員可判斷工具面位置。操作人員通過開、停泵，觀察地面立管泵壓表的壓力變化，就可判斷工具面位置，然后通過轉(zhuǎn)動鉆桿調(diào)節(jié)工具面，再通過開泵示位，最終使工具面調(diào)至井斜平面內(nèi)。
狀態(tài)示位機構(gòu)有正脈沖反饋和負脈沖反饋兩種。
正脈沖反饋示位利用液流流經(jīng)不同的流道截面造成節(jié)流，從而產(chǎn)生不同的壓力差，引起立管內(nèi)的壓力增加。這里有幾個關(guān)鍵問題，一是確定立管中的壓力大小與裝置各種工況的對應(yīng)關(guān)系，二是要確定立管中的壓力降的量級，一方面便于在面操作人員通過壓力表識別出來，另一方面節(jié)流產(chǎn)生的壓力降又不宜過大，減少壓力損失。此種方式的優(yōu)點在于節(jié)流后產(chǎn)生壓力降較為明顯，容易在地面識別。
負脈沖反饋示位當(dāng)開泵后使部分鉆井液從鉆柱內(nèi)流向環(huán)形空間時，會使泥漿流經(jīng)鉆頭的壓降減小，而鉆頭處壓降大小直接影響鉆臺上立管柱中壓力的大小，因而可根據(jù)地面泵壓力表的壓降來識別裝置工況的變化。這種方式可通過改變與環(huán)空相通的旁通孔面積的大小來實現(xiàn)。此方式產(chǎn)生的信號容易與其它噪音混雜(例如，泥漿泄漏)，使鉆井液流量損失，而且環(huán)空泥漿有大量巖屑。
本發(fā)明提供的實施例的示位方式采用正脈沖反饋形式，而且示位機構(gòu)的液壓系統(tǒng)與信號發(fā)生機構(gòu)、信號傳遞與執(zhí)行機構(gòu)相連，保證了示位機構(gòu)工作可靠4、離合機構(gòu)本系統(tǒng)由兩大部分組成，即本體組件和外套筒組件。工作時，外套筒組件上的導(dǎo)向塊靠壓井壁，使外套筒組件不轉(zhuǎn)動；本體帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)。而要調(diào)節(jié)工具面方位時，本體組件和外套筒組件應(yīng)連接在一起，沒有相對運動，通過停泵時扭動鉆桿使導(dǎo)向塊調(diào)整到合適的方位，這就需要離合機構(gòu)來控制。離合機構(gòu)的動作要由操作人員遙控，后文的降斜系統(tǒng)通過地面遙控，開泵、停泵，達到鎖定或釋放，停泵時鎖位，開泵，兩大部分脫開，且不會因施加鉆壓等操作而發(fā)生變化。離合(脫掛)機構(gòu)的形式可有多種。
其遙控信號為加鉆壓、提鉆。工具下入井底后，開泵，外套筒上導(dǎo)向塊頂住井壁不動，加鉆壓心軸下移，將滾球推至外套筒槽內(nèi)，同時壓縮彈簧，此時心軸和外套筒脫開；停轉(zhuǎn)盤，停泵，當(dāng)鉆具組合提離井底，重力作用使外套筒下移，同時彈簧迫使?jié)L球向心軸側(cè)運動，但心軸側(cè)圓槽淺，滾球在兩槽中間，將心軸和外套筒掛住。設(shè)計時可類似后文的降斜系統(tǒng)，兩套機構(gòu)裝在一個平面內(nèi)，也可沿周向布置多個機構(gòu)。
本發(fā)明提供的遙控方法可滿足不同的定向工藝要求，它是這樣實現(xiàn)的本系統(tǒng)通過改變導(dǎo)向偏心塊的布置方式，或者通過改變方向控制閥的通斷狀態(tài)，可以滿足不同的工藝要求，用于降斜、增斜或扭方位作業(yè)。以本發(fā)明的一個具體實施例-降斜控制系統(tǒng)為例。兩個方向控制閥布置在一個平面，構(gòu)成降斜、增斜系統(tǒng)時導(dǎo)向偏心塊組件布置在這個平面內(nèi)，如果要組成增斜系統(tǒng)，可將降斜系統(tǒng)的導(dǎo)向塊組件布置在對側(cè)，只需改變液流通道，將通過高邊控制閥的高壓油引至導(dǎo)向塊油腔即可，或者改變控制閥通油口的布置，使工作狀態(tài)下高邊控制閥斷開，高壓油不能通過，而高邊控制閥高壓進油口與導(dǎo)向塊油腔相通。若用于扭方位時，將導(dǎo)向塊組件布置在與方向控制閥平面成90°的平面內(nèi)，通過實施上述兩個措施之一即可實現(xiàn)。
本系統(tǒng)為便于改變內(nèi)部液流通道，以滿足不同的工藝要求，將外套筒組件盡量作成剖分式，鉆有內(nèi)部油路的部件作成幾件套筒，相互用定位銷定位連接，徑向通過聯(lián)結(jié)螺釘與外套筒相聯(lián)，裝有方向控制閥的環(huán)形套筒用螺釘與外套筒相聯(lián)，這樣也便于裝配。
由于泥漿本身有一定壓力，本裝置可直接使用高壓泥漿作為液力介質(zhì)，這樣系統(tǒng)組成較簡單，但泥漿含有固相顆粒，而且信號發(fā)生機構(gòu)通過滾球靠自重在泥漿里的滾動使液力換向，控制精度不高；實施例采用液壓油與鉆井液相隔離的液壓傳動系統(tǒng)，也利用泥漿動力，省去液壓泵，可發(fā)揮液壓系統(tǒng)工作性能可靠的特點，滾球在油液里的運動較泥漿容易，可提高工具對井斜、方位的控制精度。
如圖2-4所示，本發(fā)明為一種利用重力信號的井眼軌道遙控控制方法及其裝置。它由外部的套筒10和內(nèi)部套合的本體1組成，本體1的中央為貫通孔，A套筒和本體1上設(shè)置有重力信號發(fā)生裝置、信號傳遞及執(zhí)行機構(gòu)；其中重力信號發(fā)生裝置的輸出端接信號傳遞及執(zhí)行機構(gòu)輸入。套筒10和本體1之間由離合機構(gòu)離合連接。本體1上還設(shè)有狀態(tài)示位機構(gòu)。
其中離合機構(gòu)由與本體1滑動斜面4相貼合的離合活塞6、復(fù)位彈簧7、開設(shè)在套筒2上的活塞卡槽5組成。它還包括擋板、節(jié)流活塞3及擋圈等。節(jié)流活塞3及主彈簧9裝在上部本體1內(nèi)，兩套離合活塞6、彈簧7裝在一個平面內(nèi)，相互相位角為180度。重力信號換向裝置為裝在環(huán)形套筒里的兩個控制閥組，環(huán)形套筒由聯(lián)接螺釘固定在套筒上。中部本體11和套筒之間為環(huán)形高壓油腔13，上部裝有環(huán)形套，橡膠墊和環(huán)形油塞，環(huán)形套由聯(lián)接螺釘固定在套筒上，環(huán)形油塞的內(nèi)外設(shè)有密封圈，在環(huán)形套和環(huán)形油塞中間裝幾個橡膠墊。環(huán)形套筒下有一圓環(huán)形空腔，與套筒之間構(gòu)成圓環(huán)形滾道腔，其內(nèi)有一定直徑的滾球15，在環(huán)形套筒一個平面內(nèi)有兩個柱塞孔，閥芯12裝于其內(nèi)，在閥芯12頂部用螺栓聯(lián)接一個圓板，其下裝有彈簧14。在環(huán)形套筒與控制閥體對應(yīng)的部分有一系列油口和油路。
信號傳遞與執(zhí)行機構(gòu)位于套筒10中部。其中重力信號發(fā)生裝置為設(shè)置在套筒10和本體1之間的環(huán)形腔中的控制閥組，環(huán)形腔與本體1上開設(shè)的導(dǎo)通孔8連通，閥組由閥芯12、復(fù)位彈簧14構(gòu)成，閥組的腔體內(nèi)的閥芯12下設(shè)置有一滾球15。信號傳遞及執(zhí)行機構(gòu)包括信號傳遞部分和執(zhí)行機構(gòu)部分，其中信號傳遞部分為設(shè)置一組在套筒10和本體1之間環(huán)形腔中內(nèi)筒上的一系列液壓油路，如油路D17、油路E19、油路F20、油路L16。整個油路的輸入端連接重力信號發(fā)生裝置的閥組輸出端，由重力信號發(fā)生裝置的閥組作為控制開關(guān)。傳遞部分的油路輸出端至執(zhí)行機構(gòu)部分，執(zhí)行機構(gòu)部分設(shè)置在中部套筒上，由偏心塊34、翼板33和篩板35組成，偏心塊34的兩側(cè)設(shè)置翼板33，翼板33上設(shè)置篩板35，偏心塊34與翼板33中間設(shè)置復(fù)位彈簧。
信號傳遞與執(zhí)行機構(gòu)還包括補償油腔，在補償油腔內(nèi)設(shè)有浮動活塞30及其彈簧31、密封等組件，活塞30的外側(cè)設(shè)有篩板29，活塞30的液壓油路E19與信號傳遞與執(zhí)行機構(gòu)的液壓系統(tǒng)油路相同。
狀態(tài)示位機構(gòu)裝在中本體1內(nèi)部柱孔內(nèi)，由扁形節(jié)流芯體28、示位活塞26等組件、示位噴嘴和兩個定位環(huán)32組成。節(jié)流芯體內(nèi)開設(shè)柱塞孔，示位活塞26和示位桿27用螺栓聯(lián)接，柱塞腔內(nèi)設(shè)置兩個彈簧、限位管，活塞腔分為有桿腔24和無桿腔25，活塞端部裝有中心鉆有通孔的端蓋，內(nèi)部設(shè)有密封，示位芯體上開有油路H23、油路G22，對應(yīng)油路H23、油路G22的未端端口在中部本體1上開有環(huán)形槽21，以便在旋轉(zhuǎn)時能夠與固定不轉(zhuǎn)的套筒10上油路G、油路D相通。
本裝置采用液壓油與鉆井液相隔離的油壓傳動系統(tǒng)，這樣滾球15在自由狀態(tài)下在重力作用下向井眼低邊下死點方向滾動并在下死點處不動，開泵后，低邊重力式方向控制閥閥芯12被滾球15擋住，環(huán)形油腔13的高壓油不能進入，而高邊控制閥閥芯18下行，高壓進油口打開，環(huán)形油腔13的高壓油通過高邊控制閥18、及相應(yīng)的液壓油路進入偏心塊34油腔，推動偏心塊34徑向伸出，此時開動轉(zhuǎn)盤，本體1帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，同時偏心塊34頂壓井壁，迫使鉆頭偏向井眼一邊切削巖石，從而完成降斜作業(yè)。
下面進一步詳細說明本裝置的原理及工作情況本裝置由本體部分和外套筒組件構(gòu)成，兩部分之間用軸承聯(lián)接，這樣在工作狀態(tài)下，本體1帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，套筒10組件不轉(zhuǎn)動?，F(xiàn)在定義外套筒上偏心塊34所在的平面為工具面，本裝置要求在工作狀態(tài)下工具面位于井斜平面(鉛垂平面)內(nèi)，而且偏心塊34應(yīng)位于井眼高邊位置，這樣偏心塊34始終頂住高邊井壁，確保鉆頭始終向井斜下邊方向鉆進。但工具下井后，工具面不一定在井斜平面內(nèi)且位于井眼高邊處，故需要通過狀態(tài)示位機構(gòu)產(chǎn)生的反饋信號來判斷，然后由地面操作人員進行調(diào)節(jié)，即扭動鉆桿。離合機構(gòu)的作用在于開泵工作時，本體1和套筒10組件分離，本體1轉(zhuǎn)動，外套筒10組件不動，當(dāng)停泵時，本體1和套筒10組件鎖定，然后通過扭動鉆桿來調(diào)節(jié)工具面。因此，本裝置有三種狀態(tài)
1、工具面位于井斜平面內(nèi)，且偏心塊34處于井眼高邊，正常工作狀態(tài)此時開泵，高壓泥漿通過本體1上的中孔A及導(dǎo)通孔8推動環(huán)形油塞11，擠壓環(huán)形油腔高壓油；高邊控制閥18的閥芯12下行，高壓進油口打開，環(huán)形油腔高壓油通過油路F20推動偏心塊34徑向伸出；閥芯12下油通過油路E19至低壓補償油腔，至泥漿環(huán)空，從而調(diào)節(jié)油路壓力；工具的低邊方向控制閥閥芯12下行，遇滾球15受阻且壓住滾球15，油路L不通，油路D相通；低邊控制閥閥芯12下油推動低邊低壓補償油腔，至泥漿環(huán)空；此狀態(tài)示位機構(gòu)動作高邊控制閥18打開，油路G相通；環(huán)形油腔高壓油通過油路G22示位活塞回縮；此時示位活塞節(jié)流桿27離開示位噴嘴，產(chǎn)生的壓降最小。
離合機構(gòu)根據(jù)操作要求，開泵，本體1和套筒10組件脫開，本體1帶動鉆頭轉(zhuǎn)動，套筒10組件不動；停泵，將本體1與套筒10組件鎖定。離合機構(gòu)有兩種工作狀態(tài)鎖定、釋放。由開泵、停泵，將本體1與套筒10組件鎖定或釋放。離合機構(gòu)中離合活塞6所在平面與偏心塊34平面成90度相位布置。
開泵前端的節(jié)流活塞3上產(chǎn)生壓力降，下行，離合活塞6在彈簧7作用下從卡槽5中回縮，本體1與套筒10組件釋放，離合活塞6沿節(jié)流活塞3斜面4滑動，節(jié)流活塞3壓縮主彈簧9至下行程，開泵時維持此狀態(tài)，離合活塞6受斜面4的約束不能外伸；停泵，節(jié)流活塞3上行，推動離合活塞6外伸，同時，操作人員稍扭動鉆桿，幫助離合活塞6未端伸入卡槽5，鎖定。
2、偏心塊34所在工具面位于井斜平面內(nèi)，但偏心塊34位于井眼低邊處。此時方向控制閥閥處于低邊處，閥處于高邊處，滾球15落于井眼低邊下死點。此時開泵，高邊控制閥18閥芯下行，打開，環(huán)形油腔13高壓油通過油路推動示位活塞26外伸；此時，示位活塞26深入噴嘴，至一定行程，由此產(chǎn)生的壓降最大。這時要停泵，離合機構(gòu)又處于鎖定狀態(tài)，扭動鉆桿調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)動180度左右，再次開泵，若此時地面立管壓力反饋的壓力降為最小(較狀態(tài)2下降1.8-2Mpa左右)，說明處于正常工作狀態(tài)。
3、當(dāng)偏心塊34所在工具面不在井斜平面內(nèi)，而滾球15在自由狀態(tài)下始終朝向下方運動，即在井斜平面(鉛垂平面)上井眼最低點處不動。此時開泵，兩邊控制閥閥芯12均下行到底，控制閥高壓油進口打開。此時，示位活塞26有桿腔和無桿腔均接通高壓油，經(jīng)短暫的動態(tài)過程后，示位活塞26維持安裝時的位置，即示位活塞26上的節(jié)流桿27伸入示位噴嘴一定長度，產(chǎn)生較大壓降，說明不在正常工作狀態(tài)，這時可停泵，離合機構(gòu)將本體1和套筒10組件鎖定，工作人員扭動鉆桿進行調(diào)節(jié)，再次開泵，離合裝置釋放，若此時地面立管反饋的壓力減到最小(較狀態(tài)3下降1.5Mpa左右)，表明工具面高邊已調(diào)節(jié)好，處于正常工作狀態(tài)，可開動轉(zhuǎn)盤，降斜鉆進。
以上為本裝置的三種狀態(tài)，通過開泵、停泵操作，由狀態(tài)示位機構(gòu)在地面立管產(chǎn)生的反饋壓差的不同量值，地面工作人員可很容易地判斷工具面位置，然后在通過停泵，離合機構(gòu)鎖定，工作人員扭動鉆桿，最終可使偏心塊調(diào)整到井斜平面(鉛垂平面)內(nèi)，而且偏心塊處于井眼高邊位置，達到正常工作狀態(tài)。
為承受外套筒組件重量，以及起下鉆時防止井壁破壞外套筒組件，上、下部分本體結(jié)構(gòu)上在緊靠外套筒組件端面處有兩個臺階結(jié)構(gòu)，下本體臺階面為耐磨精料。
上述的井眼軌道控制裝置組成一根2.5m左右的短節(jié)，接在鉆柱近鉆頭處，如果與常規(guī)鐘擺組合結(jié)合，組成的降斜控制系統(tǒng)就可用于直井降斜作業(yè)。由于利用重力信號感知井斜角有較高的靈敏度，可用于井斜角較小的降斜場合。由于無需使用井下動力鉆具，而且在轉(zhuǎn)盤驅(qū)動方式下鉆進，能夠在地層造斜力較大的高陡結(jié)構(gòu)中高效快速地完成垂直鉆井作業(yè)。
上述為本發(fā)明主要技術(shù)方案，但是依據(jù)該技術(shù)構(gòu)思，本裝置還可用于增斜，扭方位等作業(yè)。例如用于增斜時，將偏心塊置于同一平面內(nèi)的對側(cè)；用于扭方位時，將偏心塊位置旋轉(zhuǎn)90度，置于成90度角的平面內(nèi)，就可以完成相應(yīng)的作業(yè)，這些均應(yīng)屬于同一技術(shù)構(gòu)思下的變換，均屬本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種利用重力信號的井眼軌道遙控控制方法，其特征在于通過在鉆頭處安裝芯軸與套筒機構(gòu)，芯軸與套筒機構(gòu)將泥漿壓力傳遞給一重力信號發(fā)生機構(gòu)的液壓油路，液壓油路內(nèi)設(shè)有靠重力的作用總處于最低位置控制油路端口開閉的控制閥組，井眼偏斜引起控制閥組動作，重力信號發(fā)生機構(gòu)將該轉(zhuǎn)換后的井眼偏斜信號的動作信號傳遞給液壓系統(tǒng)，壓力控制頂持在井眼井壁上的執(zhí)行機構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)工況下，通過該執(zhí)行機構(gòu)的導(dǎo)向塊的徑向伸縮、頂住井壁，對芯軸與套筒機構(gòu)連接鉆頭的下部鉆柱產(chǎn)生橫向集中力，作用在近鉆頭處，以控制鉆頭的偏斜方向，從而調(diào)節(jié)所鉆井眼軌道的井斜和方位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用重力信號的井眼軌道遙控控制方法，其特征在于所述的芯軸與套筒機構(gòu)之間的相互連接為離合配合，以便在旋轉(zhuǎn)鉆井工狀下，芯軸與套筒機構(gòu)分離，芯軸能夠帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，而帶有執(zhí)行機構(gòu)的套筒不轉(zhuǎn)動，在工藝調(diào)節(jié)狀態(tài)下，芯軸與套筒機構(gòu)鎖合，便于操作調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用重力信號控制井眼軌道井斜和方位的方法，其特征在于所述的液壓油路傳遞的轉(zhuǎn)換了井眼偏斜信號的重力信號可通過一示位機構(gòu)將執(zhí)行機構(gòu)工作狀態(tài)的反饋信號傳遞給地面，從而遙控得到工具面的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用重力信號的井眼軌道遙控控制方法，其特征在于可通過改變控制閥組通斷機能或改變執(zhí)行機構(gòu)導(dǎo)向塊的布置方式，滿足井眼降斜或增斜或扭方位控制作業(yè)的不同工藝要求。
5.一種利用重力信號的井眼軌道遙控控制方法，其特征在于其最佳操作實施步驟為a、將工具下井，開泵，開動轉(zhuǎn)盤，重力信號發(fā)生機構(gòu)利用重力信號檢測并轉(zhuǎn)換井眼偏斜信號，并控制液壓系統(tǒng)油路通斷和油流方向；b、通過液壓系統(tǒng)將井眼偏斜信號傳遞該執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)控制鉆頭偏斜和方位。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用重力信號的井眼軌道遙控控制方法，其特征在于步驟還包括通過開停泵操作，根據(jù)示位機構(gòu)反饋的工具面方位信號，調(diào)整工具面位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用重力信號的井眼軌道遙控控制方法，其特征在于步驟還包括通過開停泵操作，使芯軸與套筒機構(gòu)之間的離合機構(gòu)動作。
8.一種利用重力信號的井眼軌道遙控控制裝置，其特征在于它由外部的套筒和內(nèi)部套合的本體組成，本體的中央為貫通孔，套筒和本體上設(shè)置有重力信號發(fā)生裝置、信號傳遞及執(zhí)行機構(gòu)；其中重力信號發(fā)生裝置的輸出端接信號傳遞及執(zhí)行機構(gòu)輸入。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用重力信號的井眼軌道遙控控制裝置，其特征在于所述的套筒和本體之間由離合機構(gòu)離合連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用重力信號的井眼軌道遙控控制裝置，其特征在于所述的本體上還設(shè)有狀態(tài)示位機構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用重力信號的井眼軌道遙控控制裝置，其特征在于所述的重力信號發(fā)生裝置為設(shè)置在套筒和本體之間的環(huán)形腔中的控制閥組，環(huán)形腔與本體上開設(shè)的導(dǎo)通孔連通，閥組由閥芯、復(fù)位彈簧構(gòu)成，閥組的腔體內(nèi)的閥芯下設(shè)置有一滾球。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用重力信號的井眼軌道遙控控制裝置，其特征在于所述的信號傳遞及執(zhí)行機構(gòu)包括信號傳遞部分和執(zhí)行機構(gòu)部分，其中信號傳遞部分為設(shè)置一組在套筒和本體之間環(huán)形腔中內(nèi)筒上的液壓油路，油路的輸入端接重力信號發(fā)生裝置的閥組輸出端，信號傳遞部分油路的輸出端接執(zhí)行機構(gòu)部分，執(zhí)行機構(gòu)部分設(shè)置在中部套筒上，由偏心塊、翼板和篩板組成，偏心塊的兩側(cè)設(shè)置翼板，翼板上設(shè)置篩板，偏心塊與翼板中間設(shè)置復(fù)位彈簧。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的利用重力信號的井眼軌道遙控控制裝置，其特征在于所述的離合機構(gòu)由與本體滑動斜面相貼合的離合活塞、復(fù)位彈簧、開設(shè)在套筒上的活塞卡槽組成。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的利用重力信號的井眼軌道遙控控制裝置，其特征在于所述的狀態(tài)示位機構(gòu)由芯體、芯體上的示位活塞組件、示位噴嘴、節(jié)流桿組成，其中狀態(tài)示位機構(gòu)芯體設(shè)置在本體上，活塞腔體分為有桿腔與無桿腔，有桿腔與無桿腔分別裝有復(fù)位彈簧和限位管，有桿腔與無桿腔的油路通過設(shè)置在本體上的環(huán)形通槽分別與本體上油路連通。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的利用重力信號的井眼軌道遙控控制裝置，其特征在于所述的套筒上設(shè)有補償油腔，在補償油腔內(nèi)設(shè)有浮動活塞及其彈簧、密封等組件，活塞的外側(cè)設(shè)有篩板，活塞的液壓油路與信號傳遞與執(zhí)行機構(gòu)的液壓系統(tǒng)油路相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用重力信號的井眼軌道遙控控制方法及其裝置,它由旋轉(zhuǎn)的本體部分和套在其外面、工作時不旋轉(zhuǎn)的外套筒組件兩大部分構(gòu)成,裝于近鉆頭處,在旋轉(zhuǎn)工況通過導(dǎo)向塊的徑向伸出且頂住井壁,始終提供一個橫向集中力,使鉆頭偏向井眼一邊,完成降斜、或增斜,或者扭方位等作業(yè)。本發(fā)明能遙控識別工具面高邊并反饋給地面工作人員,可省去檢測儀器。使用本發(fā)明的遙控裝置,可縮短鉆井時間,提高機械鉆速,從而降低鉆井成本。
文檔編號E21B47/18GK1331376SQ0010973
公開日2002年1月16日 申請日期2000年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月3日
發(fā)明者蘇義腦, 劉英輝 申請人:石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院鉆井工藝研究所