井下工具用液壓控制系統的製作方法

2023-11-11 01:39:57 2

專利名稱:井下工具用液壓控制系統的製作方法
本發明屬於井下工具用的液壓控制系統。
在油氣井中，鑽井和採油用的工具是組接在若干管件組成的管柱中。除液壓控制方法外，井下工具用的其他控制方法將會遇到一些困難。如果採用電控制系統，則如何把電池布置在管柱中將會遇到困難，因為用於這種目的電池必須擁有大容量並能經受高溫度和高溼度的環境。如果採用聲學控制系統，則系統的可靠性及能源供給將會是存在的主要問題。
已有的井下工具用液壓控制方法，或者使用內通道堵塞了的管柱，或者在啟用工具前用一個鋼球作為誘發手段去堵塞管柱內通道，而所用鋼球事後必須用繩索工具取出或者用高壓力將其從工具中擠出去。兩種方法都既不方便也不可靠。
本發明的主要目的是提出一種新的控制井下工具的裝置和方法。這種裝置應設計成油氣井管柱的一部分，並使管柱能進行各種正常作業。
按本發明的控制系統由下述主要成份構成1.一個液壓操縱的輸出機構，用以執行由地面控制信號所給定的指令。
該輸出機構可以是一個往復液壓缸，或者是一個擺動液壓缸，或者是一個彈性可脹元件，這將取決於特定井下工具的特殊需要。
2.一個感受管柱內流體壓力的液壓設施，用以把程序化的控制信號及能量從工作液(鑽井液和採油工作液)傳遞給液壓油。
該液壓設施含有一個橡膠隔模或其他彈性元件，用以把工作液與液壓油隔開，並把壓力和能量從工作液傳遞給液壓油。
3.一個感受井眼和井下工具間環形空間內流體壓力的液壓設施，用以從控制系統中較高壓力源接受液壓油，並保障系統在長時間連續泵送工作液(如鑽井液)期間不發生誤動作，還能使系統在連續長時間工作液泵送停止之後迅速恢復對控制信號作出反應的能力。
該液壓設施含有一個彈性元件，用以感受井眼和地下工具間環形空間內的工作液壓力;含有一個盤形閥或其他式的閥，用以開啟或關閉通向環形空間的通道。
4.一個信號發生器，用以產生給定長度的制約控制系統的標準控制信號。
該信號發生器由一個蓄能器和一個節流閥組成。當蓄能器釋放積蓄在其中的液壓能時，節流閥限制能量釋放的速度。所以，該蓄能器和節流閥的組合是一個液壓延時迴路，使用該迴路可以產生一個給定長度的控制信號，並將其作為標準控制信號用以制約控制系統。
5.一個對標準控制信號和地面控制指令都能作出反應的液壓控制機構，用以對標準控制信號和地面控制指令進行比較，並據其比較結果輸出一個特定的液壓控制指令用以操縱液壓執行機構，從而執行地面控制指令。
該液壓控制機構是至少由一個液控閥和一個單向閥構成的組合，該組合在對標準控制信號和地面控制指令進行比較後，就產生一個特定的液壓控制指令用以操縱液壓執行機構，從而使地面控制指令得以執行。
6.至少一個單向閥，用以保障控制系統在一旦停止泵送工作液後就能立即工作。
因此，本發明提出了一種用於控制鑽井或採油井下工具的液壓系統，它包括一個能源和信號輸入口部分，用從感受管柱中的壓力，並把控制指令和能量從工作液傳輸到液壓油系統，該液壓油系統包括兩個腔，其中一個可以容納從系統中壓力較高處來的液壓油，另一個腔用以感受井孔環形空間中的壓力，在該系統中還有一個接受液壓系統一次輸入後產生一個標準控制信號的設施，另外還有一個把上述標準控制信號與從地面來的控制信號作出比較的裝置，該裝置把比較的結果作為操作動力執行裝置的命令輸出，為了保障控制系統在一旦停止泵送工作液後能立即工作，在液壓油系統的導管中至少設置一個單向閥。
液壓系統的兩個腔被一個彈性隔膜隔開。
產生標準控制信號的設施，由一個蓄能器和節流閥構成的延時迴路組成。
在該液壓控制系統中，設置了一個液控閥和兩個單向閥，其中一個單向閥用於使液壓執行機構恢復狀態，另一個使正確的程序化命令得以通過，從而使液控閥保持在輸出狀態，並且可以防止標準控制信號消失在系統的較低壓力區。
為了實現一個雙作用執行機構的液壓控制系統，對上面敘述過的系統作出一些改變，這主要包括用一個其活塞上內設一個節流閥和一個單向閥的蓄能器代替上面所說的蓄能器，因此液壓油在蓄能時可流入蓄能器的輸出腔，而且在能量釋放過程中防止油流入低壓區;在雙作用控制系統中，還設置了兩個液控閥，其中一個用於使蓄能器蓄壓，另一個負責使蓄能器釋放標準控制信號，以及防止油液漏入低壓區。
本發明的其它特點和目的，在以下參照附圖對實施例所作的詳細說明中將會看得很清楚。
附圖1表示作為本發明第一個實施例的單作用執行機構液壓控制系統。
附圖2表示作為本發明第二個實施例的雙作用執行機構液壓控制系統。
圖1表示了單作用執行機構液壓控制系統，其執行機構是單向作用液壓缸31。
壓力傳感器11由一個管狀橡膠隔膜13及外腔12和內腔14組成。橡膠隔膜13是鑽井或採油管柱內通道15的外壁的一部分，內腔14是管柱內通道15的一部分，在鑽井作業中，泵送的鑽井液通過內通道15、鑽頭噴嘴、最後流經井壁和鑽柱間的環形空間返回地面，鑽井液的流動是由於沿流道的壓力差所致。如果泵送工作液正在進行，則壓力傳感器11內腔14中某一點處的工作液壓力就會高於環形空間中同一水平位置的工作液壓力。
在管柱中的適當位置安置一個液壓油「油箱」16，在油箱16中裝有一個彈性的波紋管或隔膜17。隔膜17可以感受油箱16外腔20中的液體壓力，在聯結壓力傳感器11的外腔12和隔膜17的內腔24的管線上裝有一個單向閥19。
油箱16的外腔20通過盤形閥22和通道23與管柱和井壁間的環形空間相聯通。盤形閥22保持開啟，直到隔膜17的內腔24充滿來自液壓源的液壓油為止。此後，盤形閥22關閉通道23。在通道23關閉前，隔膜17的內腔24中的液壓油壓力與環形空間中的流體壓力大致相等。
當第一次泵送工作液開始時，壓力傳感器11外腔12中的液壓油由管柱內通道15中的工作液經隔膜13加壓，從而流向液控閥26的先導腔25，並把液控閥26換位到不同於圖1所示的位置(狀態)，然後液壓油流入液壓蓄能器28的油腔27中而使之蓄能。與此同時，保持在圖1所示位置(狀態)的液控閥29，把來自壓力傳感器11的液壓油導入液壓缸31的右腔30中。執行機構35A與液壓缸31中的活塞35相聯以執行控制指令。液控閥29的先導腔32通過節流閥33與油箱16的內腔24相聯，從而使液控閥29保持在圖1所示的位置(狀態)。
由於管柱內通道15中的工作液壓力與來自壓力傳感器11的液壓油壓力大致相等，加上液壓缸中彈簧34的彈力，因而活塞35保持在液壓缸的左死點。
一旦停止泵送工作液，管柱內通道15內部與環形空間之間就不存在壓力差，由於液壓油箱16中隔膜17和液壓傳感器11中隔膜13的彈力，油箱16內腔24中的壓力高於壓力傳感器11的外腔12中的壓力，從而使油箱16中的液壓油可以經過單向閥19流回到壓力傳感器11的外腔12中，單向閥19可以防止液壓油從壓力傳感器11自由流入油箱16。
與此同時，液控閥26的先導腔25卸壓，於是液控閥26換位到圖1所示的位置(狀態)。此後，蓄能器28的油腔27釋放液壓油，從而使液控閥29換位到不同於圖1所示的位置(狀態)，節流閥33限制蓄能器28釋放能量的速度。此時由蓄能器28油腔27取出的壓力信號即為標準控制信號。蓄能器28和節流閥33的組合起著液壓延時迴路的作用。在能量釋放過程中，閥29一直被控保持在位置上。通過調節節流閥33，可調節能量釋放過程的長短，從而滿足特定的要求。
停泵後，不待上述標準控制信號消失即開始第二次泵送工作液，則液控閥29仍然保持在不同於圖1所示的位置(狀態)，作用在活塞35左邊的工作液壓力向右推動活塞35，液壓缸31右腔30中的液壓油被放到油箱16中。
只要第二次泵送工作液繼續進行，液壓缸31中的活塞35就保持在圖1所示的右死點。在第二次泵送工作液停止後，液控閥26就換位到圖1所示的位置(狀態)。然後蓄能器28就開始第二次釋放能量，使液控閥29在第二個標準控制信號工作期間保持在不同於圖1所示的位置(狀態)。在此期間，彈簧34將活塞35推向液壓缸31的左端。液壓油通過單向閥37和液控閥29流入液壓缸31的右腔30。此後，液控閥29換位到圖1所示的位置(狀態)。向液壓缸31的右腔30供油可以通過單向閥37的液控閥29來完成。上述過程要求兩次泵送工作液間的停泵時間比上述標準控制信號的工作時間短。否則，液控閥29返回到圖1所示的位置(狀態)，而第二次泵送工作液就只能從頭開始整個過程而不發生對液壓缸的操作。
圖2表示了一個雙作用執行機構液壓控制系統，其執行機構為一雙作用液壓缸59。該控制系統含有相應於圖1所示的一個壓力傳感器和一個液壓油箱，含有稍不同於圖1所示的一個蓄能器和三個液控閥。
如圖2所示，雙作用液壓缸控制系統含有三個液控閥41、51和52，含有一個蓄能器28′。蓄能器28′本身是一個蓄能器和一個節流閥的組合，換句話說，蓄能器28′本身就構成一個液壓延時迴路。
當第一次傳輸的工作液作用在壓力傳感器11′上時，液控閥41保持在圖2所示的位置(狀態)，液壓油從壓力傳感器11′流入蓄能器28′的腔42，向右推動蓄能器28′的活塞43以壓縮彈簧，蓄能器蓄能。安置在活塞44中的單向閥45開啟，讓液壓油從蓄能器28′的腔46流入其輸出腔47。與此同時，第二個液控閥51被來自壓力傳感器11′的液壓油保持在不同於圖2所示的位置(狀態)，從而關閉輸出腔47。
當第3個液控閥52保持在圖2所示的位置時，液控閥52就把來自壓力傳感器11′的液壓油導入雙作用液壓缸的右腔53，並把該液缸的左腔54與液壓油箱16′的內腔24′相聯通。在油箱16′的內腔24′中的液體壓力等於井筒環形空間中的工作液壓力。所以，只要油箱16′仍然感受著環形空間的壓力，活塞55就被推到液壓缸的左死點，並保持在該位置。當第一次泵送工作液停止時，第二個液控閥51就換到圖2所示的位置(狀態)，於是就把蓄能器28′的輸出腔47與液控閥52和41的先導腔相聯通，並把它們換位到與圖2所示的相反的位置，只要能量釋放過程在繼續，液控閥52和41的位置就保持不變。
在上述能量釋放過程結束之前，如果第二次傳輸的工作液使壓力傳感器11′的外腔12′中的液壓油加壓時，已加壓的液壓油通過液控閥52流入液壓缸的左腔54，並經單向閥4流入液控閥52和41的先導腔。於是液壓油把活塞55推向液壓缸的右端，而液壓缸右腔53中的液壓油由液控閥52排放到液壓油箱16′中。與此同時，液控閥51換位到與圖2所示的相反的位置，從而切斷蓄能器的輸出通道。此後，第二次泵送工作液停止，於是整個控制系統恢復到圖2所示的狀態。
第三次泵送工作液將使活塞運動到圖2所示的液壓缸的左死點，餘此類推。
權利要求
1.一個用於控制鑽井或採油井下工具的液壓系統，特徵在於包括a)一個作為能源及信號的輸入口的裝置(11)，以感受管柱(15)中的壓力並把程序化的控制命令和能量從工作液傳輸到液壓油系統，b)此液壓油系統包括一個腔(24)以容納從系統中壓力較高處來的液壓油，一個腔(20)以感受井孔的環形空間壓力，c)在液壓系統的一次輸入後產生一個標準控制信號的設施(28)，d)對從上述設施中產生的標準控制信號和一個程序化的從地面來的控制信號作出比較的裝置，比較的結果作為命令去操作一個動力執行裝置(31)，e)設在液壓油系統的導管中的至少一個單向閥。
2.按權利要求
1的液壓控制系統，特徵在於由一個彈性隔膜隔開上述兩個腔(24，20)。
3.按權利要求
1的液壓控制系統，特徵在於有一個由蓄能器和節流閥組成液壓延時迴路，藉助於液控設施的幫助在程序化命令的操縱下輸出上述定長度的用以制約系統的信號。
4.按照權利要求
1的液壓控制系統，特徵在於包括一個液控閥和上述的其他液壓設施即兩個單向閥，其中之一用以使上述的液壓執行機構恢復狀態，其二用於讓正確的程序化命令通過，以使液控閥保持在輸出狀態，並防止上述的標準控制信號消失在系統的較低壓力區。
5.按照權利要求
3的液壓系統，特徵在於一節流閥和一單向閥設在蓄壓器的活塞中，此單向閥在蓄能器蓄能時讓液壓油流進蓄能器的輸出腔，並在受到節流閥限制的能量釋放過程中防止液壓油流進低壓區，該系統還包括兩個液控閥，其一的作用在於蓄能器蓄壓，其二負責使蓄能器釋放標準控制信號，並防止液壓油漏入系統的低壓區，以輸出上述的標準控制信號去制約整個系統。
專利摘要
本發明屬於井下工具用的液壓控制系統。現行井下工具用的控制方法存在反應遲緩、重複性和可靠性差等問題。本發明第一次提出了使用液壓延時迴路和信號比較裝置組成的液壓控制系統去控制鑽井和採油用的井下工具。這種液壓控制系統反應速度快，重複性和可靠性方面都優於現有的井下工具的控制方法。這種控制原則還同時解決了井下工具的能源和信號輸入問題。本發明提出的控制原則可以用於多種井下工具。
文檔編號E21B44/00GK86105356SQ86105356
公開日1987年6月10日 申請日期1986年8月27日
發明者屠由義 申請人:江漢石油管理局鑽採設備研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan