一種用於鑽井的泥漿動力雙向控制液壓系統及其操作方法

2023-06-27 04:24:36 5

專利名稱：一種用於鑽井的泥漿動力雙向控制液壓系統及其操作方法
技術領域：
本發明涉及一種鑽井工具液壓系統及其操作方法，特別是關於一種用於旋轉導向鑽井系統中的導向執行機構的泥漿動力雙向控制液壓系統及其操作方法。
背景技術：
貝克休斯公司的AutoTrak旋轉閉環鑽井工具是通過在三個翼肋上施加不同的壓力形成導向力矢量來控制井眼軌跡；斯倫貝謝公司的PowerDrive調製式全旋轉導向鑽井工具是通過承受高壓的一個翼肋拍擊井壁的頻率和方向來控制井眼軌跡；哈裡伯頓公司的 Geo-Pilot旋轉導向自動鑽井工具是通過控制其偏置機構內外偏心環的角度，形成偏心位移並使驅動軸發生彎曲來控制井眼軌跡。目前，國內尚沒有自主研發、結構簡單，對井下動力系統相應元器件需求少的旋轉導向鑽井工具。

發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種對井下動力系統相應元器件需求少，結構簡單，用於旋轉導向鑽井系統中的導向執行機構的泥漿動力雙向控制液壓系統及其操作方法。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種用於鑽井的泥漿動力雙向控制液壓系統，其特徵在於它包括一號動力皮囊裝置、二號儲油皮囊裝置、一號電磁閥、二號電磁閥和動力活塞缸；所述動力活塞缸內通過活塞杆和動力活塞劃分為活塞腔和活塞杆腔； 所述活塞腔通過液壓油路並聯連接所述一號電磁閥和二號電磁閥，所述一號電磁閥還通過液壓油路連接所述一號動力皮囊裝置；所述二號電磁閥還通過液壓油路連接所述二號儲油皮囊裝置；所述活塞杆腔通過液壓油路並聯連接所述一號動力皮囊裝置和二號儲油皮囊裝置；所述活塞杆腔與所述二號儲油皮囊裝置連接的液壓油路上還設置有單向閥。所述一號動力皮囊裝置包括一泥漿動力皮囊，所述泥漿動力皮囊的泥漿入口敞開，且在所述泥漿入口處設置有鑽柱內壓壓力傳感器，所述泥漿動力皮囊的外部密封罩設一金屬外殼，所述金屬外殼與所述泥漿動力皮囊之間填充有液壓油，所述金屬外殼上設置有並聯連接所述一號電磁閥和活塞杆腔的液壓油路；所述二號儲油皮囊裝置包括一內置有液壓油的儲油皮囊，所述儲油皮囊上設置有並聯連接所述二號電磁閥和活塞杆腔的液壓油路，所述儲油皮囊的外部密封罩設一金屬外殼，該所述金屬外殼上設置有用於向該所述金屬外殼與所述儲油皮囊之間注入泥漿的泥漿入口，該所述泥漿入口處設置有環空壓力傳感器。
所述活塞腔與所述一號電磁閥和二號電磁閥並聯連接的液壓油路上還設置有缸內壓力傳感器和溢流閥。所述活塞杆位於所述動力活塞缸外部的一端設置有返回彈簧。上述用於鑽井的泥漿動力雙向控制液壓系統的操作方法，其包括以下步驟1)沿鑽柱周向每隔120°設置一個本發明液壓系統，在鑽柱上與本發明液壓系統相對應的位置設置導向機構翼肋，返回彈簧與導向機構翼肋相接觸，導向機構翼肋與井眼井壁接觸；一號動力皮囊裝置中，泥漿動力皮囊的泥漿入口連通鑽柱內的泥漿；二號儲油皮囊裝置中，金屬外殼上的泥漿入口連通鑽柱與井壁環空之間的泥漿；幻增壓過程打開一號電磁閥，關閉二號電磁閥，鑽柱內的泥漿進入泥漿動力皮囊提供動力，推動泥漿動力皮囊與金屬外殼之間填充的液壓油經過一號電磁進入動力活塞缸的活塞腔，推動活塞杆向活塞杆腔運動，並壓縮返回彈簧，推動導向機構冀肋頂靠在井眼井壁上，活塞杆腔內的液壓油通過液壓油路返回到一號動力皮囊裝置中的泥漿動力皮囊與金屬外殼之間；幻減壓過程；打開二號電磁閥，關閉一號電磁閥，鑽柱內的泥漿進入泥漿動力皮囊提供動力，推動泥漿動力皮囊與金屬外殼之間填充的液壓油進入動力活塞油缸的活塞杆腔，此時，活塞杆腔內的壓力與鑽柱內泥漿的壓力相同，為Pl ；同時活塞腔內的液壓油經過二號電磁閥流入儲油皮囊內，而二號儲油皮囊裝置中的儲油皮囊與金屬外殼之間與環空泥漿連通，壓力為P2，Pl > P2，動力活塞油缸的活塞腔和活塞杆腔之間的壓力差和返回彈簧的恢復力，使導向機構冀肋縮回；4) 回油過程停止鑽柱內的泥漿循環，關閉一號電磁閥和二號電磁閥，一號動力皮囊裝置和動力活塞油缸內的壓力逐漸降低，與儲油皮囊的儲油壓力大小相當，動力皮囊及儲油皮囊彈性收縮，使儲油皮囊的油經單向閥流入動力活塞油缸的活塞杆腔和一號動力皮囊裝置，達到回油的目的。所述減壓過程中，P1-P2 = 4 6MPa。本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明利用循環鑽井液在井底鑽頭附近形成的鑽柱內外流動壓差(設計壓力差為4 6MPa)，作為工作缸的驅動執行機構的動力源，因此，減少了對井下動力系統相應元器件的需求。2、本發明設置有一號動力皮囊裝置，一號動力皮囊裝置的動力由鑽柱內泥漿提供G 6MPa)，將液壓油通過液壓油路注入動力活塞缸內，使活塞杆雙向運動；採用這種雙向液壓控制的方式，可以在鑽具不停鑽、不停壓的正常工作情況下，進行動力活塞缸內的活塞杆的換向控制，即對活塞杆可以實現雙向伸縮的功能。3本發明設置有二號儲油皮囊裝置，二號儲油皮囊裝置主要儲存一號動力皮囊裝置排走的液壓油，在停泵時，儲油皮囊彈性收縮，將儲油皮囊的液壓油通過液壓油路注回動力活塞缸和一號動力皮囊裝置內，實現液壓系統的回油補液功能。4、本發明通過電磁閥的開關增液和洩流，利用系統的密閉壓力能支撐動力活塞缸，因此，可使活塞缸推靠的翼肋表面能支撐和承受接觸井眼井壁較大的反壓力(2000 3000kg)。5、本發明設置有動力活塞缸，通過動力活塞缸內的活塞杆的來回運動，調整導向翼肋的伸縮量，使鑽柱上互成120°角設置的三個導向翼肋具有不同的伸出量，在鑽頭上方的底部鑽柱相應位置橫截面上形成一個偏心導向矢量，使下部鑽柱和鑽頭所在的工具軸線偏離井眼中心軸線，由此使鑽頭造斜，並按照需要的方向鑽進。6、本發明的工作介質為液壓油，液壓油填充在一號動力皮囊裝置的泥漿動力皮囊和金屬外殼之間，以及二號儲油皮囊裝置的儲油皮囊內，液壓油通過液壓油路流動，與鑽井循環和傳壓介質泥漿隔開，保證了工作介質的清潔。本發明以鑽井循環泥漿做為動力，雙向位移控制翼肋導向機構，結構簡單，操作方便，所需井下動力系統相應元器件少，可廣泛用於旋轉導向鑽井系統中。


圖1是本發明系統結構示意圖
圖2是本發明系統安裝位置示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。如圖1所示，本發明包括一號動力皮囊裝置1、二號儲油皮囊裝置2、一號電磁閥3、 二號電磁閥4和動力活塞缸5。一號動力皮囊裝置1包括一泥漿動力皮囊6，泥漿動力皮囊6的輸入口 7敞開，用於向泥漿動力皮囊6內注入泥漿，且在泥漿動力皮囊6的輸入口 7附近設置有鑽柱內壓壓力傳感器，泥漿動力皮囊6的外部密封罩設一金屬外殼8，金屬外殼8與泥漿動力皮囊6之間填充有液壓油9，金屬外殼8上連接一液壓油路10。二號儲油皮囊裝置2包括一儲油皮囊11，儲油皮囊11內填充有液壓油12，儲油皮囊11的輸入口連接一液壓油路13，儲油皮囊11的外部密封罩設一金屬外殼14，金屬外殼 14上設置有一泥漿入口 15，用於向金屬外殼14與儲油皮囊11之間注入泥漿，金屬外殼14 的泥漿入口 15附近設置有環空壓力傳感器。動力活塞缸5包括一缸體16，缸體16內設置有一活塞杆17，活塞杆17的一端設置有一動力活塞18，動力活塞18將缸體16內分為兩個腔，分別是活塞腔19和活塞杆腔20 ； 活塞杆17的另一端滑動穿出缸體16，且與缸體16之間密封，位於缸體16外部的活塞杆17 的端部設置有返回彈簧21，返回彈簧21與設置在鑽柱22 (如圖2所示)上的導向機構翼肋 23相接觸，導向機構翼肋23與井眼井壁M接觸。動力活塞油缸5的活塞腔19通過液壓油路並聯連接一號電磁閥3和二號電磁閥 4，一號電磁閥3還通過液壓油路連接一號動力皮囊裝置1中的金屬外殼8上的液壓油路 10;二號電磁閥4還通過液壓油路連接二號儲油皮囊裝置2中的儲油皮囊11輸入口上的液壓油路13。與活塞腔19連接的液壓路路上還設置有用於監測動力活塞油缸5內壓的壓力傳感器25和溢流閥26。動力活塞油缸5的活塞杆腔20通過液壓油路並聯連接一號動力皮囊裝置1中的金屬外殼上8的液壓油路10和二號儲油皮囊裝置2中的儲油皮囊11輸入口上的液壓油路13 ；其中，活塞杆腔20與二號儲油皮囊裝置2連接的液壓油路上還設置有單向閥27。如圖2所示，本發明的安裝位置為本發明做為一個整體液壓系統觀設置在下部鑽柱22上，沿鑽柱22周向每隔120°設置一個本發明液壓系統觀，鑽柱22底端設置有鑽頭噴嘴及節流裝置四。導向機構翼肋23設置在鑽柱22上與本發明液壓系統觀相對應的位置，且與本發明液壓系統觀中的返回彈簧21接觸(如圖1所示)。鑽柱22上設置有採集控制系統30，採集控制系統30用於控制、採集設置在鑽柱22上的環空壓力傳感器31和鑽柱內壓傳感器32的壓力信號，並用於控制本發明液壓系統觀中的一號電磁閥3和二號電磁閥4。本發明的工作過程為從鑽柱22的頂端向鑽柱22內注入循環泥漿，循環泥漿通過鑽頭噴嘴及節流裝置四注入井底，從井底鑽柱22與井壁環空上返的泥漿再循環注入鑽柱22中；本發明利用鑽柱22內的循環泥漿和鑽柱22與井壁環空之間的循環泥漿作為動力源，鑽柱22內注入的泥漿有一部分進入本發明一號動力皮囊裝置1中的泥漿動力皮囊6 內，鑽柱22與井壁環空上返的泥漿有一部分聯通注入本發明二號儲油皮囊裝置2中的儲油皮囊11和金屬外殼14之間；通過鑽柱22內循環泥漿和鑽柱22與井壁環空上返泥漿之間的壓差，作為本發明動力活塞缸5的動力，通過調整和雙向控制本發明的動力活塞缸5，進而調節每個導向翼肋23的橫向伸縮量，使互成120 °角的三個導向翼肋23具有不同的伸出量，在鑽頭上方的底部鑽柱22相應位置橫截面上形成一個偏心導向矢量，使下部鑽柱(包括導向翼肋機構)和鑽頭所在的工具軸線偏離井眼中心軸線，由此原理使其鑽頭造斜，並按照需要的方向鑽進。 本發明具有增壓、減壓和回油等三項關鍵動作。1)如圖2所示，當鑽進過程中，在井內建立循環泥漿，循環泥漿通過鑽頭噴嘴及節流裝置四形成壓力消耗，在鑽頭前後形成壓力差，由於本發明一號動力皮囊裝置1中的泥漿動力皮囊6與鑽柱22內連通，本發明二號儲油皮囊裝置2中的儲油皮囊11和金屬外殼 14之間與鑽柱22外環空連通，形成壓力差，通過調節鑽頭噴嘴及節流裝置四，可獲得4 6ΜΙ^循環壓差。2)如圖1所示，本發明的增壓過程打開一號電磁閥3，關閉二號電磁閥4，鑽柱22 內的泥漿進入一號動力皮囊裝置1的泥漿動力皮囊6提供動力，推動泥漿動力皮囊6與金屬外殼8之間填充的液壓油9經過一號電磁閥3進入動力活塞缸5的活塞腔19，由於活塞杆17在活塞腔19和活塞杆腔20的截面過油麵積差，形成差壓，推動活塞杆17向活塞杆腔 20運動，並壓縮返回彈簧21，推動導向機構冀肋23頂靠在井眼井壁M上，活塞杆腔20內的液壓油通過液壓油路和一號電磁閥3進入活塞腔19中。3)如圖1所示，本發明的減壓過程；打開二號電磁閥4，關閉一號電磁閥3，鑽柱22 內的泥漿進入一號動力皮囊裝置1的泥漿動力皮囊6提供動力，推動泥漿動力皮囊6與金屬外殼8之間填充的液壓油9進入動力活塞油缸5的活塞杆腔20，此時，活塞杆腔20內的壓力與鑽柱22內泥漿的壓力相同，為Pl ；同時活塞腔19內的液壓油經過二號電磁閥4流入二號儲油皮囊裝置2中的儲油皮囊11內，而二號儲油皮囊裝置2中的儲油皮囊11與金屬外殼14之間與環空泥漿連通，壓力為Ρ2，Ρ1-Ρ2 = 4 6MPa>0，動力活塞油缸5的活塞腔19和活塞杆腔20之間的壓力差和返回彈簧21 (200-300kg)的恢復力，使導向機構冀肋23縮回。4)如圖1所示，本發明的回油過程由於動力活塞油缸5和一號動力皮囊裝置1的儲油體積有限，只能滿足動力活塞油缸5來回運動7 8次，此時，需通過停止鑽柱22內的泥漿循環，靠儲油皮囊11的回油，不定期滿足動力活塞油缸5的雙向運動(伸出和收回) 的需要。具體操作方法為關閉一號電磁閥3和二號電磁閥4，鑽柱22內的泥漿停止循環， 鑽柱22內壓力Pl逐漸降低至與環空泥漿壓力P2大小相當，P1-P2接近為零，動力活塞油缸5失去動力而鎖死，在活塞杆17往復運動過程中，膨脹的泥漿動力皮囊6和儲油皮囊11 則彈性收縮，使儲油皮囊11的油經單向閥27流入動力活塞油缸5的活塞杆腔20和一號動力皮囊裝置1，達到回油的目的。上述各實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護範圍之外。
權利要求
1.一種用於鑽井的泥漿動力雙向控制液壓系統，其特徵在於它包括一號動力皮囊裝置、二號儲油皮囊裝置、一號電磁閥、二號電磁閥和動力活塞缸；所述動力活塞缸內通過活塞杆和動力活塞劃分為活塞腔和活塞杆腔；所述活塞腔通過液壓油路並聯連接所述一號電磁閥和二號電磁閥，所述一號電磁閥還通過液壓油路連接所述一號動力皮囊裝置；所述二號電磁閥還通過液壓油路連接所述二號儲油皮囊裝置；所述活塞杆腔通過液壓油路並聯連接所述一號動力皮囊裝置和二號儲油皮囊裝置；所述活塞杆腔與所述二號儲油皮囊裝置連接的液壓油路上還設置有單向閥。
2.如權利要求1所述的一種用於鑽井的泥漿動力雙向控制液壓系統，其特徵在於所述一號動力皮囊裝置包括一泥漿動力皮囊，所述泥漿動力皮囊的泥漿入口敞開，且在所述泥漿入口處設置有鑽柱內壓壓力傳感器，所述泥漿動力皮囊的外部密封罩設一金屬外殼，所述金屬外殼與所述泥漿動力皮囊之間填充有液壓油，所述金屬外殼上設置有並聯連接所述一號電磁閥和活塞杆腔的液壓油路；所述二號儲油皮囊裝置包括一內置有液壓油的儲油皮囊，所述儲油皮囊上設置有並聯連接所述二號電磁閥和活塞杆腔的液壓油路，所述儲油皮囊的外部密封罩設一金屬外殼， 該所述金屬外殼上設置有用於向該所述金屬外殼與所述儲油皮囊之間注入泥漿的泥漿入口，該所述泥漿入口處設置有環空壓力傳感器。
3.如權利要求1所述的一種用於鑽井的泥漿動力雙向控制液壓系統，其特徵在於所述活塞腔與所述一號電磁閥和二號電磁閥並聯連接的液壓油路上還設置有缸內壓力傳感器和溢流閥。
4.如權利要求2所述的一種用於鑽井的泥漿動力雙向控制液壓系統，其特徵在於所述活塞腔與所述一號電磁閥和二號電磁閥並聯連接的液壓油路上還設置有缸內壓力傳感器和溢流閥。
5.如權利要求1或2或3或4所述的一種用於鑽井的泥漿動力雙向控制液壓系統，其特徵在於所述活塞杆位於所述動力活塞缸外部的一端設置有返回彈簧。
6.一種如權利要求1 5任一項所述用於鑽井的泥漿動力雙向控制液壓系統的操作方法，其包括以下步驟1)沿鑽柱周向每隔120°設置一個本發明液壓系統，在鑽柱上與本發明液壓系統相對應的位置設置導向機構翼肋，返回彈簧與導向機構翼肋相接觸，導向機構翼肋與井眼井壁接觸；一號動力皮囊裝置中，泥漿動力皮囊的泥漿入口連通鑽柱內的泥漿；二號儲油皮囊裝置中，金屬外殼上的泥漿入口連通鑽柱與井壁環空之間的泥漿；2)增壓過程打開一號電磁閥，關閉二號電磁閥，鑽柱內的泥漿進入泥漿動力皮囊提供動力，推動泥漿動力皮囊與金屬外殼之間填充的液壓油經過一號電磁進入動力活塞缸的活塞腔，推動活塞杆向活塞杆腔運動，並壓縮返回彈簧，推動導向機構冀肋頂靠在井眼井壁上，活塞杆腔內的液壓油通過液壓油路返回到一號動力皮囊裝置中的泥漿動力皮囊與金屬外殼之間；3)減壓過程；打開二號電磁閥，關閉一號電磁閥，鑽柱內的泥漿進入泥漿動力皮囊提供動力，推動泥漿動力皮囊與金屬外殼之間填充的液壓油進入動力活塞油缸的活塞杆腔， 此時，活塞杆腔內的壓力與鑽柱內泥漿的壓力相同，為Pl ；同時活塞腔內的液壓油經過二號電磁閥流入儲油皮囊內，而二號儲油皮囊裝置中的儲油皮囊與金屬外殼之間與環空泥漿連通，壓力為P2，Pl > P2，動力活塞油缸的活塞腔和活塞杆腔之間的壓力差和返回彈簧的恢復力，使導向機構冀肋縮回；4)回油過程停止鑽柱內的泥漿循環，關閉一號電磁閥和二號電磁閥，一號動力皮囊裝置和動力活塞油缸內的壓力逐漸降低，與儲油皮囊的儲油壓力大小相當，動力皮囊及儲油皮囊彈性收縮，使儲油皮囊的油經單向閥流入動力活塞油缸的活塞杆腔和一號動力皮囊裝置，達到回油的目的。
7.如權利要求6所述的一種用於鑽井的泥漿動力雙向控制液壓系統的操作方法，其特徵在於所述減壓過程中，P1-P2 = 4 6MPa。
全文摘要
本發明涉及一種用於鑽井的泥漿動力雙向控制液壓系統及其操作方法，其特徵在於它包括一號動力皮囊裝置、二號儲油皮囊裝置、一號電磁閥、二號電磁閥和動力活塞缸；動力活塞缸內通過活塞杆和動力活塞劃分為活塞腔和活塞杆腔；活塞腔通過液壓油路並聯連接一號電磁閥和二號電磁閥，一號電磁閥還通過液壓油路連接一號動力皮囊裝置；二號電磁閥還通過液壓油路連接二號儲油皮囊裝置；活塞杆腔通過液壓油路並聯連接一號動力皮囊裝置和二號儲油皮囊裝置；活塞杆腔與二號儲油皮囊裝置連接的液壓油路上還設置有單向閥。本發明以鑽井循環泥漿做為動力，雙向位移控制翼肋導向機構，結構簡單，操作方便，所需井下動力系統相應元器件少，可廣泛用於旋轉導向鑽井系統中。
文檔編號E21B7/08GK102383729SQ20111020481
公開日2012年3月21日 申請日期2011年7月21日 優先權日2011年7月21日
發明者傅鑫生, 劉恩惠, 周建良, 姜偉, 李漢興, 牛海峰, 蔣世全 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油研究中心