專利名稱：控制隨鉆擴眼時鉆柱橫向振動的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油天然氣鉆井技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及控制和監(jiān)測隨鉆擴眼過程中產(chǎn)生的橫向振動，是一種控制隨鉆擴眼時鉆柱橫向振動的方法。
背景技術(shù)：
隨鉆擴眼施工所用鉆具主要是領(lǐng)眼鉆頭和隨鉆擴眼器，二者之間由領(lǐng)眼鉆柱相連。擴眼過程常常伴隨劇烈的橫向振動，橫向振動一旦開始就很難終止。這種橫向振動難以從地面裝置監(jiān)測和控制。近些年來，研究人員才開始從優(yōu)化結(jié)構(gòu)的角度提出減小橫向振動的方法。與隨鉆擴眼鉆柱橫向振動相關(guān)的研究成果主要集中在對領(lǐng)眼鉆柱橫向振動的測試和理論計算，只有少數(shù)研究者提出消除橫向振動的方法。Jones等人指出，過度的橫向振動，鉆柱粘滑常常伴隨擴眼過程。Algu等人通過室內(nèi)試驗證實，隨鉆擴眼過程中擴眼器會因劇烈橫向振動而損壞。Thomson等人改進了 PDC鉆頭和擴眼器的布齒方法，使二者更好的相互匹配，試驗表明，經(jīng)過優(yōu)化布齒的擴眼鉆具組合橫向振動幅度減小，機械鉆速顯著提高。目前，對擴眼過程中鉆柱橫向振動的監(jiān)測和控制兩個過程是相互獨立的。監(jiān)測過程能通過在擴眼器上方或下方安裝測量儀器來實現(xiàn)，而控制橫向振動的方法則主要是改變鉆具局部結(jié)構(gòu)，或在鉆柱中增加穩(wěn)定器。監(jiān)測獲得橫向振動情況固然重要，然而測得數(shù)據(jù)卻不能及時用于指導(dǎo)鉆進過程；常規(guī)控制橫向振動的方法只針對特定結(jié)構(gòu)的擴眼鉆具，不具通用性；且不能及時了解鉆柱的工作狀態(tài)。中國專利公告號CN1401878，提供了一種“自動垂直鉆具”。其技術(shù)方案是發(fā)電機、測量裝置、控制裝置均置于內(nèi)外管間的環(huán)狀腔體中，鉆具的上下端分別與鉆桿、鉆頭相連；鉆具被置于地表層之下。發(fā)電機轉(zhuǎn)子安裝在內(nèi)管的外壁上；定子通過機殼固定在外管的內(nèi)壁上。由三個磁懸浮式呈正交型配置的加速計構(gòu)成的測斜儀安裝在井下發(fā)電機的下方。由液壓傳感器、放大濾波電路構(gòu)成的測深裝置與鉆頭相鄰。由數(shù)據(jù)采集、信號放大濾波電路等組成的電子控制裝置與發(fā)電機輸出端相連；由液壓泵、電磁壓力比例閥等組成液壓控制裝置位于電子艙的下方；液壓泵與內(nèi)管相連接。它能自動測斜、糾斜；適用于鉆探行業(yè)。中國專利公告號CN2431393，提供了一種“機電液一體化自動垂直鉆井工具”。能夠在井斜時，進行自動探測傾斜情況，并使鉆頭上自動產(chǎn)生一個附加的降斜力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種控制隨鉆擴眼時鉆柱橫向振動的方法及其控制裝置，將隨鉆擴眼鉆柱橫向振動監(jiān)測與控制有效結(jié)合，通過井下閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)領(lǐng)眼鉆柱的有效扶正，提高擴眼過程的穩(wěn)定性，保護擴眼器和領(lǐng)眼鉆頭，并提高機械鉆速。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是控制隨鉆擴眼時鉆柱橫向振動的方法，其特征在于步驟I :將領(lǐng)眼鉆頭4螺紋連接在橫向振動控制短節(jié)的下端，在橫向振動控制短節(jié)的上端連接隨鉆擴眼器，在隨鉆擴眼器的上端連接測傳短節(jié)，測傳短節(jié)的上端連接鉆井管柱；將帶有測傳短節(jié)、隨鉆擴眼器、橫向振動控制短節(jié)和領(lǐng)眼鉆頭的擴眼鉆柱下入井底；步驟2 :旋轉(zhuǎn)鉆柱開始擴眼鉆井，測傳短節(jié)中置有監(jiān)測橫向振動加速度的元件，測傳短節(jié)測得加速度后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，信號傳遞給脈沖發(fā)生器并被轉(zhuǎn)換為脈沖信號，隨后脈沖發(fā)生器采用泥漿脈沖形式向橫向振動控制短節(jié)傳遞信號。步驟3 :橫向振動控制短節(jié)主要由 泥漿脈沖信號接收器、井下微處理器、電磁閥、液壓泵和扶正總成組成。信號接收器接收脈沖信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入井下微處理器。井下微處理器進行邏輯運算和判斷，根據(jù)橫向振動劇烈程度調(diào)整電磁閥的開度。步驟4 :當隨鉆擴眼鉆柱橫向振動較平緩時(橫向加速度絕對值不超過O. Ig)，井下微處理器分析接收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)邏輯運算，得到結(jié)果不改變電磁閥的狀態(tài)(電磁閥為常開閥)，維持全開狀態(tài)。此時，液壓泵的轉(zhuǎn)子由鉆柱帶動旋轉(zhuǎn)，液壓油經(jīng)扶正總成的液壓油路、電磁閥后進入心軸和扶正套所形成的環(huán)形空間并最終流回液壓泵的入口，如此循環(huán)往復(fù)。液壓油雖然流經(jīng)扶正總成的液壓缸，但并不會對缸中的活塞施加液壓力。扶正肋板在彈簧作用下收縮入本體內(nèi)，與井壁相脫離。這時，中心軸呈橫向自由狀態(tài)。步驟5 :當擴眼至特定位置，鉆柱發(fā)生了較嚴重的橫向振動(橫向加速度絕對值大于O. Ig)，井下微處理器接收信息并經(jīng)邏輯判斷后發(fā)出控制信號，使電磁閥的開度減小。此時循環(huán)流動的液壓油流動阻力增大，故而油壓升高，作用于扶正總成液壓缸的活塞上的液壓力也隨之增大。當液壓力大于彈簧反力時，活塞被推出。扶正肋板隨活塞運動而張開，沿扶正套徑向向外伸出并支撐在井壁上，中心軸被有效扶正，領(lǐng)眼鉆柱獲得了穩(wěn)固的支撐，從而降低其橫向振動的劇烈程度。隨鉆擴眼器2和領(lǐng)眼鉆頭的橫向振動也將獲得有效控制。步驟6 :在擴眼鉆進過程中，循環(huán)執(zhí)行步驟4和步驟5。所述的測傳短節(jié)主要由外殼、脈沖發(fā)生器、壓板、接線柱、雙向加速度計、排線和電池組成，測傳短節(jié)為圓柱體形有中心孔，測傳短節(jié)的上端和下端分別加工石油鉆桿標準螺紋，使得測傳短節(jié)可與鉆桿相連。在測傳短節(jié)中部外壁上有2 5個徑向矩形槽。其中一個徑向矩形槽中安裝雙向加速度計，其它每個徑向矩形槽中固定有一個電池。徑向矩形槽之間有連通槽，連通槽中布置排線，排線包括傳輸電力線和傳輸信號線。在徑向矩形槽上的上部有蓋板，通過螺栓將蓋板固定在殼體上。蓋板與外殼之間設(shè)有密封墊，以保證良好的密封效果。在外殼中心孔內(nèi)加工一個環(huán)形臺階。圓盤形的分流盤固定在外殼中心孔的環(huán)形臺階上；分流盤分流盤有中心孔，中心孔的周圍均勻分布有六個分流孔；脈沖發(fā)生器的上端固定在分流盤中心內(nèi)。安裝有雙向加速度計的徑向矩形槽底部側(cè)面加工一圓孔，在圓孔內(nèi)固定有接線柱。接線柱的內(nèi)端通過導(dǎo)線連接脈沖發(fā)生器，接線柱的外端通過導(dǎo)線連雙向加速度計。所述的雙向加速度計可采用現(xiàn)有的雙向重力加速度計即可，比如可選用美國Entran的EGA系列加速度計。所述的脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖信號既向地面監(jiān)測工作站發(fā)送，也向橫向振動控制短節(jié)的井下微處理器發(fā)送。所述的橫向振動控制短節(jié)主要由心軸、上端軸承蓋、扶正套、執(zhí)行電池、井下微處理器、電磁閥、蓋板和扶正總成組成；心軸為圓柱體,加工有中心孔；在心軸的頂端加工鉆具螺紋，與隨鉆擴眼器相配合；心軸的下端也加工標準鉆桿螺紋，與領(lǐng)眼鉆頭相配合。
在心軸底端的外壁上加工向上的環(huán)形臺階，在心軸上套裝環(huán)形套，環(huán)形套的下端面在環(huán)形臺階的上端面向接觸；環(huán)形套的外徑與心軸的外徑相同。在環(huán)形套的上端安裝止推軸承，止推軸承套在心軸的外壁上；在心軸的外壁上套有圓筒形的扶正套；扶正套的下端在心軸外壁上并且環(huán)形套和止推軸承在扶正套內(nèi)部；在扶正套的頂部通過螺釘固定有一個環(huán)形的上端軸承蓋，上端軸承蓋套裝于心軸的外壁；在心軸與扶正套之間安裝止推軸承，上端軸承蓋的下端面壓裝在止推軸承的上端面上；扶正套可繞心軸自由轉(zhuǎn)動。扶正套上部外壁沿軸向均布三個矩形槽，矩形槽寬度60mm。每個矩形槽沿軸向自上而下分成三個短槽，相鄰兩個短槽之間由溝槽連通；在上述三個短槽中，最上部短槽中固定有執(zhí)行電池，中部短槽中固定有信號接收器和井下微處理器，下部短槽中固定有電磁閥。信號接收器和井下微處理器和電磁閥分別通過導(dǎo)線與執(zhí)行電池相連。
安裝有執(zhí)行電池的短槽和安裝有信號接收器和井下微處理器的短槽由蓋板覆蓋并使用螺栓將蓋板18固定在扶正套上，蓋板與扶正套之間設(shè)置密封墊以保證良好密封效果。安裝電磁閥的短槽也由蓋板覆蓋并使用螺栓將蓋板固定在扶正套上。在扶正套的外壁套裝扶正總成。扶正總成主要由扶正肋板、液壓缸和液壓泵組成。在扶正套下部外壁上鉆有圓形槽孔，兩個圓形槽孔為一組，兩個圓形槽孔軸向相對，兩個圓形槽孔之間的距離在180 300mm之間；在扶正套下部外壁上均勻分布三組圓形槽孔；每個圓形槽孔內(nèi)固定一個液壓缸；在每一組圓形槽孔的外部沿軸向固定有一個弓形的扶正肋板，扶正肋板的兩端嵌在凹槽內(nèi)，凹槽上固定有固定板，固定板內(nèi)側(cè)與扶正肋板端部之間有壓縮彈簧；壓縮彈簧的作用是使沿扶正套向外擴張后能及時復(fù)位。液壓缸的活塞與扶正肋板內(nèi)側(cè)相連。液壓缸的活塞在液壓作用下推動扶正肋板向外擴張；同時安裝于扶正肋板兩端的壓縮彈簧將被壓縮，存儲彈性勢能。液壓缸的活塞所受液壓力減小到一定程度后，壓縮彈簧釋放彈性能，將扶正肋板推回原位；同時液壓缸的活塞復(fù)位。液壓泵安裝在扶正套下端內(nèi)，液壓泵由轉(zhuǎn)子和定子組成。轉(zhuǎn)子與心軸之間通過銷釘固定，液壓泵的轉(zhuǎn)子能隨心軸旋轉(zhuǎn)。液壓泵的定子與扶正套內(nèi)壁之間通螺栓固定。心軸旋轉(zhuǎn)時，液壓泵的定子與液壓泵的轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生相對運動。液壓泵的出口有三條液壓通路，分別與三個電磁閥相連通。液壓泵出口的三條液壓通路為長圓孔；在固定液壓缸的圓形槽孔的底部有小孔，小孔分別與液壓通路相連通。電磁閥呈全開狀態(tài)時，液壓泵排出的液壓油流經(jīng)電磁閥后進入心軸與扶正套之間的環(huán)形間隙，循環(huán)后回流入液壓泵的入口，因而液壓油不會被增壓。電磁閥開度減小后，液壓泵排出的液壓油流所受阻力增大，故而壓力升高，當作用于液壓缸活塞上的液壓力足以克服彈簧反力時，液壓缸的活塞將沿徑向伸出并外推扶正肋板，扶正肋板向外張開，緊貼在井壁上，實現(xiàn)領(lǐng)眼鉆柱的有效扶正。所述的信號接收器用于接收測傳短節(jié)發(fā)送泥漿脈沖的信號，并將其轉(zhuǎn)換后輸入井下微處理器。所述的井下微處理器必須具有數(shù)據(jù)存儲和邏輯運算能力。考慮到井下微處理器處理信息量并不大，運算速率要求并不太高，但在工作可靠性、幾何尺寸、功率損耗等方面的要求非常高，綜合考慮，可以采用Motorola公司的MC68HC11系列單片機。然后根據(jù)預(yù)裝程序的大小、各接口的輸入輸出信號類型等選擇具體型號，比如選用MC68HC11G5。該處理器包括內(nèi)存EPROM 16kb，RAM 512b，4PWM輸出，四路脈沖輸入捕捉端口，WDOG實時檢測。16kEPROM可用來存放預(yù)裝程序，RAM用來存放常用參數(shù)，PWM輸出端口用以發(fā)送控制電磁閥的電壓脈沖輸出信號。脈沖輸入捕捉端口可用來接受脈沖發(fā)生器發(fā)送來的脈沖信號。 所述的液壓泵為偏心泵，液壓泵的轉(zhuǎn)子與心軸外壁由銷釘固定，液壓泵的定子與扶正套由螺栓固定。所述的止推軸承可選用現(xiàn)有技術(shù)的推力球軸承。所述的液壓油經(jīng)心軸的避免與鉆井液進行換熱，勿需專門冷卻。簡述橫向振動控制短節(jié)3的安裝過程，參閱圖3。內(nèi)部為心軸12，外部為扶正套14。安裝時將心軸12自扶正套14下端推入，逐漸向上推，至心軸12的端部露出后將止推軸承套在心軸12上并適當向下推擠，之后將上端軸承蓋13套裝于心軸12上，自上而下推擠，使止推軸承定位。上端軸承蓋13使用螺栓與扶正套固聯(lián)。簡述控制隨鉆擴眼鉆柱橫向振動裝置的工作原理，參閱圖I。需要進行隨鉆擴眼作業(yè)時，將該裝置按步驟I連接，測傳短節(jié)I安裝于隨鉆擴眼器2正上方約Im處，橫向振動控制短節(jié)3緊靠隨鉆擴眼器2，安裝于下方，裝配完成后再將領(lǐng)眼鉆頭4及其他鉆具如穩(wěn)定器、短鉆鋌等連接到鉆具組合中，裝配完成后將整套裝置下入井底開始正常作業(yè)。參閱圖2。隨鉆擴眼鉆柱橫向振動較小時，測傳短節(jié)I正常工作，將采集的信息傳輸?shù)降孛婧途?，井下微處理?6分析接收的數(shù)據(jù)，經(jīng)邏輯運算，得到結(jié)果不需啟動電磁閥17。則扶正總成不動作。液壓泵21的轉(zhuǎn)子由鉆柱帶動旋轉(zhuǎn)，液壓油在心軸12與扶正套14的環(huán)形空間中循環(huán)。當擴眼至特定位置，隨鉆擴眼鉆柱發(fā)生了較嚴重的橫向振動，測傳短節(jié)I將橫向振動信息傳輸給井下微處理器16，井下微處理器運算后得到結(jié)果需啟動電磁閥17，則向電磁閥17發(fā)出指令。電磁閥17換位，本來泵入環(huán)形空間的液壓油轉(zhuǎn)向進入扶正總成的液壓缸20，活塞在液壓油推動下沿扶正套14徑向向外伸出，扶正肋板19張開，支撐在井壁上。此時領(lǐng)眼鉆柱獲得了穩(wěn)固的支撐，其橫向振動幅度將大為降低。隨鉆擴眼器2和領(lǐng)眼鉆頭4的橫向振動也獲得有效控制。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提出一種控制隨鉆擴眼時鉆柱橫向振動的方法和控制裝置，適用于石油天然氣鉆井的隨鉆擴眼作業(yè)，其優(yōu)勢在于(1)將隨鉆擴眼鉆柱橫向振動監(jiān)測與控制相結(jié)合，既能實時了解鉆柱橫向振動情況，又能實現(xiàn)橫向振動的井下閉環(huán)控制；
(2)只需選配合適的接頭，即可將該裝置用于各種類型的擴眼器；(3)井下閉環(huán)系統(tǒng)可根據(jù)橫向振動情況適時調(diào)整工作狀態(tài)，將橫向振動控制在合理范圍內(nèi)，提高擴眼作業(yè)的穩(wěn)定性。


圖I是本發(fā)明控制隨鉆擴眼時鉆柱橫向振動的裝置用于擴眼鉆進過程的示意圖。圖2是測傳短節(jié)I結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是橫向振動控制短節(jié)3結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，I-測傳短節(jié)，2-隨鉆擴眼器，3-橫向振動控制短節(jié)，4-領(lǐng)眼鉆頭，5-外殼，6-脈沖發(fā)生器，7-壓板，8-接線柱，9-雙向加速度計，10-排線，11-電池，12-心軸，13-上端軸承蓋，14-扶正套，15-執(zhí)行電池，16-井下微處理器，17-電磁閥，18-蓋板，19-扶正肋板，20-液壓缸，21-液壓泵，22-止推軸承，23-環(huán)形套。
具體實施方式
實施例I :以一個控制隨鉆擴眼時鉆柱橫向振動的方法和控制裝置為例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。
本發(fā)明的一個實施例提供的控制隨鉆擴眼時鉆柱橫向振動的方法，包括以下步驟參閱圖I。步驟I :安裝隨鉆擴眼工具串，自下而上依次連接領(lǐng)眼鉆頭4、橫向振動控制短節(jié)
3、隨鉆擴眼器2和測傳短節(jié)I。測傳短節(jié)I的上方連接鉆桿或其他鉆具。鉆具連接完成后下入井底。步驟2 :按鉆井設(shè)計方案鉆至需擴眼層位后緩慢開啟擴眼器刀翼，待刀翼完全張開后進行隨鉆擴眼作業(yè)。測傳短節(jié)I實時監(jiān)測鉆柱橫向振動的加速度，并將測得信號發(fā)送給脈沖發(fā)生器。由脈沖發(fā)生器6采用泥漿脈沖形式向橫向振動控制短節(jié)3傳遞信號。泥漿脈沖同時向地面工作站發(fā)送信號。步驟3 :電磁閥17為常開閥。橫向振動控制短節(jié)3接收泥漿脈沖信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入井下微處理器16。井下微處理器16進行邏輯運算和判斷，根據(jù)橫向振動劇烈程度調(diào)整電磁閥17的開度。步驟4 :測得鉆柱橫向加速度絕對值不超過O. Ig時，電磁閥17的狀態(tài)維持全開狀態(tài)。扶正肋板19在彈簧作用下收縮入本體內(nèi)，與井壁相脫離。中心軸12呈橫向自由狀態(tài)。步驟5 :當擴眼至特定位置，鉆柱發(fā)生較嚴重的橫向振動時，橫向加速度絕對值大于O. lg，井下微處理器發(fā)出指令調(diào)小電磁閥17的開度，則扶正肋板19則液壓作用下張開，沿扶正套14徑向向外伸出并支撐在井壁上，中心軸12被有效扶正,從而降低其橫向振動的劇烈程度。隨鉆擴眼器2和領(lǐng)眼鉆頭4的橫向振動也將獲得有效控制。步驟6 :在擴眼鉆進過程中，循環(huán)執(zhí)行步驟4和步驟5。本發(fā)明的另一個實施例是實現(xiàn)隨鉆擴眼鉆柱橫向振動的裝置，主要由領(lǐng)眼鉆頭4、橫向振動控制短節(jié)3、隨鉆擴眼器2和測傳短節(jié)I組成。其中，領(lǐng)眼鉆頭和隨鉆擴眼器可采用現(xiàn)有技術(shù)的鉆頭和擴眼器，而測傳短節(jié)和橫向振動控制短節(jié)需獨立設(shè)計，現(xiàn)將這兩個部件的結(jié)構(gòu)組成及工作原理闡述如下參閱圖2，測傳短節(jié)I主要由外殼5、脈沖發(fā)生器6、壓板7、接線柱8、雙向加速度計
9、排線10和電池11組成。測傳短節(jié)I的上端和下端分別加工石油鉆桿標準螺紋，使得測傳短節(jié)I可與鉆桿相連。在測傳短節(jié)I中部外壁上有四個徑向矩形槽，寬度約50mm。其中一個徑向矩形槽中安裝雙向加速度計9,其它每個徑向矩形槽中固定有一個電池11。徑向矩形槽之間有連通槽，連通槽中布置排線10，排線10包括傳輸電力線和傳輸信號線。在徑向矩形槽上的上部有蓋板7，通過螺栓將蓋板7固定在殼體5上。蓋板7與外殼5之間設(shè)有密封墊。在外殼5中心孔內(nèi)加工一個環(huán)形臺階。圓盤形的分流盤固定在外殼5中心孔的環(huán)形臺階上；分流盤分流盤有中心孔，中心孔的周圍均勻分布有六個分流孔；脈沖發(fā)生器6的上端固定在分流盤中心內(nèi)。安裝有雙向加速度計9的徑向矩形槽底部側(cè)面加工一圓孔，在圓孔內(nèi)固定有接線柱8。接線柱8的內(nèi)端通過導(dǎo)線連接脈沖發(fā)生器6，接線柱8的外端通過導(dǎo)線與雙向加速度計9相連。參閱圖3，橫向振動控制短節(jié)3主要由心軸12、上端軸承蓋13、扶正套14、執(zhí)行電池15、井下微處理器16、電磁閥17、蓋板18和扶正總成組成；心軸12為圓柱體，加工有中心孔；在心軸12的頂端加工鉆具螺紋，與隨鉆擴眼器2相配合；心軸12的下端也加工標準鉆桿螺紋，與領(lǐng)眼鉆頭4相配合。在心軸12底端的外壁上加工向上的環(huán)形臺階，在心軸12上套裝環(huán)形套23，環(huán)形套23的下端面在環(huán)形臺階的上端面向接觸；環(huán)形套23的外徑與心軸12的外徑相同。在環(huán)形套23的上端安裝止推軸承22，止推軸承22套在心軸12的外壁上；在心軸12的外壁上套有圓筒形的扶正套14 ;扶正套14的下端在心軸12外壁上并且環(huán)形套23和止推軸承22在扶正套14內(nèi)部；在扶正套14的頂部通過螺釘 固定有一個環(huán)形的上端軸承蓋13，上端軸承蓋13套裝于心軸12的外壁；在心軸12與扶正套14之間安裝止推軸承22，上端軸承蓋13的下端面壓裝在止推軸承22的上端面上；扶正套14可繞心軸12自由轉(zhuǎn)動。扶正套14上部外壁沿軸向均布三個矩形槽，矩形槽寬度60mm。每個矩形槽沿軸向自上而下分成三個短槽，相鄰兩個短槽之間由溝槽連通；在上述三個短槽中，最上部短槽中固定有執(zhí)行電池15，中部短槽中固定有信號接收器和井下微處理器16，下部短槽中固定有電磁閥17。信號接收器和井下微處理器16和電磁閥17分別通過導(dǎo)線與執(zhí)行電池15相連。安裝有執(zhí)行電池15的短槽和安裝有信號接收器和井下微處理器16的短槽由蓋板18覆蓋并使用螺栓將蓋板18固定在扶正套14上，蓋板18與扶正套14之間設(shè)置密封墊以保證良好密封效果。安裝電磁閥17的短槽也由蓋板18覆蓋并使用螺栓將蓋板18固定在扶正套14上。在扶正套14的外壁套裝扶正總成。扶正總成主要由扶正肋板19、液壓缸20和液壓泵21組成。在扶正套14下部外壁上鉆有圓形槽孔，兩個圓形槽孔為一組，兩個圓形槽孔軸向相對，兩個圓形槽孔之間的距離200mm ;在扶正套14下部外壁上均勻分布三組圓形槽孔；每個圓形槽孔內(nèi)固定一個液壓缸20;在每一組圓形槽孔的外部沿軸向固定有一個弓形的扶正肋板19，扶正肋板19的兩端嵌在凹槽內(nèi)，凹槽上固定有固定板，固定板內(nèi)側(cè)與扶正肋板19端部之間有壓縮彈簧。液壓缸20的活塞與扶正肋板19內(nèi)側(cè)相連。液壓缸20的活塞在液壓作用下推動扶正肋板19向外擴張；同時安裝于扶正肋板19兩端的壓縮彈簧將被壓縮，存儲彈性勢能。液壓缸20的活塞所受液壓力減小到一定程度后，壓縮彈簧釋放彈性能，將扶正肋板19推回原位；同時液壓缸20的活塞復(fù)位。液壓泵21安裝在扶正套14下端內(nèi)，液壓泵21由轉(zhuǎn)子和定子組成。轉(zhuǎn)子與心軸12之間通過銷釘固定，液壓泵21的轉(zhuǎn)子能隨心軸12旋轉(zhuǎn)。液壓泵21的定子與扶正套14內(nèi)壁之間通螺栓固定。心軸旋轉(zhuǎn)時，液壓泵21的定子與液壓泵21的轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生相對運動。液壓泵21的出口有三條液壓通路，分別與三個電磁閥17相連通。液壓泵21出口的三條液壓通路為長圓孔；在固定液壓缸20的圓形槽孔的底部有小孔，小孔分別與液壓通路相連通。電磁閥17呈全開狀態(tài)時，液壓泵21排出的液壓油流經(jīng)電磁閥17后進入心軸12與扶正套14之間的環(huán)形間隙，循環(huán)后回流入液壓泵21的入口，因而液壓油不會被增壓。電磁閥17開度減小后，液壓泵21排出的液壓油流所受阻力增大，故而壓力升高，當作用于液壓缸活塞上的液壓力足以克服彈簧反力時，液壓缸20的活塞將沿徑向伸出并外推扶正肋板19，扶正肋板19向外張開，緊貼在井壁上，實現(xiàn)領(lǐng)眼鉆柱的有效扶正。
權(quán)利要求
1.一種控制隨鉆擴眼時鉆柱橫向振動的方法，其特征在于 步驟I :將領(lǐng)眼鉆頭(4)螺紋連接在橫向振動控制短節(jié)(3)的下端，在橫向振動控制短節(jié)(3)的上端連接隨鉆擴眼器(2)，在隨鉆擴眼器(2)的上端連接測傳短節(jié)(I)，測傳短節(jié)(I)的上端連接鉆井管柱；將帶有測傳短節(jié)(I)、隨鉆擴眼器(2)、橫向振動控制短節(jié)(3)和領(lǐng)眼鉆頭(4)的擴眼鉆柱下入井底； 步驟2:旋轉(zhuǎn)鉆柱開始擴眼鉆井，測傳短節(jié)(I)中置有監(jiān)測橫向振動加速度的元件，測傳短節(jié)(I)測得加速度后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，信號傳遞給脈沖發(fā)生器(6)并被轉(zhuǎn)換為脈沖信號，隨后脈沖發(fā)生器(6)采用泥漿脈沖形式向橫向振動控制短節(jié)(3)傳遞信號； 步驟3:橫向振動控制短節(jié)(3)主要由泥漿脈沖信號接收器、井下微處理器(16)、電磁閥(17)、液壓泵(21)和扶正總成組成；信號接收器接收脈沖信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入井下微處理器(16);井下微處理器(16)進行邏輯運算和判斷，根據(jù)橫向振動劇烈程度調(diào)整電磁閥(17)的開度； 步驟4 :當隨鉆擴眼鉆柱橫向振動較平緩時，即橫向加速度絕對值不超過O. Ig時，井下微處理器(16)分析接收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)邏輯運算，得到結(jié)果不改變電磁閥(17)的常開狀態(tài)，維持全開狀態(tài)；此時，液壓泵(21)的轉(zhuǎn)子由鉆柱帶動旋轉(zhuǎn)，液壓油經(jīng)扶正總成的液壓油路、電磁閥(17)后進入心軸(12)和扶正套(14)所形成的環(huán)形空間并最終流回液壓泵(21)的入口，如此循環(huán)往復(fù)；液壓油雖然流經(jīng)扶正總成的液壓缸(20)，但并不會對缸中的活塞施加液壓力；扶正肋板(19)在彈簧作用下收縮入本體內(nèi)，與井壁相脫離；此時，中心軸(12)呈橫向自由狀態(tài)； 步驟5 :當擴眼至特定位置，鉆柱發(fā)生了較嚴重的橫向振動，即橫向加速度絕對值大于O. Ig時，井下微處理器接收信息并經(jīng)邏輯判斷后發(fā)出控制信號，使電磁閥(17)的開度減小；此時循環(huán)流動的液壓油流動阻力增大，故而油壓升高，作用于扶正總成液壓缸(20)的活塞上的液壓力也隨之增大；當液壓力大于彈簧反力時，活塞被推出；扶正肋板(19)隨活塞運動而張開，沿扶正套(14)徑向向外伸出并支撐在井壁上，中心軸(12)被有效扶正，領(lǐng)眼鉆柱獲得了穩(wěn)固的支撐，從而降低其橫向振動的劇烈程度；隨鉆擴眼器⑵和領(lǐng)眼鉆頭(4)的橫向振動也將獲得有效控制； 步驟6 :在擴眼鉆進過程中，循環(huán)執(zhí)行步驟4和步驟5。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的控制隨鉆擴眼時鉆柱橫向振動的方法，其特征在于所述的測傳短節(jié)(I)主要由外殼(5)、脈沖發(fā)生器(6)、壓板(7)、接線柱(8)、雙向加速度計(9)、排線(10)和電池(11)組成；測傳短節(jié)(I)為圓柱體，設(shè)有中心孔；測傳短節(jié)(I)的上端和下端分別加工有石油鉆桿標準螺紋，使得測傳短節(jié)(I)能連接管柱上；在測傳短節(jié)(I)中部外壁上有2 5個徑向矩形槽；一個徑向矩形槽中固定有雙向加速度計(9)，其它每個徑向矩形槽中固定有一個電池(11);徑向矩形槽通過溝槽連通，溝槽中布置排線(10)，排線(10)中包含傳輸電力線和傳輸信號線；在徑向矩形槽的外端設(shè)有蓋板(7)，通過螺栓將蓋板(7)固定在殼體(5)上；蓋板(7)與外殼(5)之間裝有密封圈，以保證良好的密封效果；在外殼(5)中心孔內(nèi)加工一個環(huán)形臺階；圓盤形的分流盤固定在外殼(5)中心孔的環(huán)形臺階上；分流盤開有中心孔，中心孔周圍均勻分布六個分流孔；脈沖發(fā)生器(6)的上端固定在分流盤中心處，下端經(jīng)接線柱⑶與雙向加速度計(9)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的控制隨鉆擴眼時鉆柱橫向振動的方法，其特征在于所述的橫向振動控制短節(jié)⑶主要由心軸(12)、上端軸承蓋(13)、扶正套(14)、執(zhí)行電池(15)、井下微處理器(16)、電磁閥(17)、蓋板(18)和扶正總成組成；心軸(12)為圓柱體形,開有中心通孔；心軸(12)的頂端設(shè)有標準鉆桿螺紋，與隨鉆擴眼器下端螺紋相配合；心軸(12)的尾端設(shè)有標準鉆桿螺紋，與領(lǐng)眼鉆頭上端螺紋相配合； 心軸(12)尾端的外壁上加工有向上的環(huán)形臺階，其上套裝有環(huán)形套(23)，環(huán)形套(23)的下端面與環(huán)形臺階的上沿相接觸；環(huán)形套(23)的外徑與心軸(12)的外徑相同；在環(huán)形套(23)的上端有一個止推軸承(22)，止推軸承(22)套在心軸(12)的外壁上；在心軸(12)的外壁上套有圓筒形的扶正套(14);扶正套(14)的下端在心軸(12)外壁上，且環(huán)形套(23)和止推軸承(22)在扶正套(14)內(nèi)；在扶正套(14)的頂部通過螺釘固定有一個環(huán)形的上端軸承蓋(13)，上端軸承蓋(13)套在心軸(12)外壁上；在心軸(12)與扶正套(14)之間有止推軸承(22)，上端軸承蓋(13)的下端面壓在止推軸承(22)的上端面上；扶正套(14)能在心軸(12)上轉(zhuǎn)動； 扶正套(14)上部外壁沿軸向均布有三個矩形槽，矩形槽寬度60mm;每個矩形槽沿軸向自上而下分成三個短槽，相鄰兩個短槽之間由溝槽連通；在上述三個短槽中，最上部短槽中固定有執(zhí)行電池(15)，中部短槽中固定有信號接收器和井下微處理器(16)，下部短槽中固定電磁閥(17);信號接收器和井下微處理器(16)和電磁閥(17)分別通過導(dǎo)線與執(zhí)行電池(15)相連； 安裝有執(zhí)行電池(15)的短槽和安裝有信號接收器和井下微處理器(16)的短槽由蓋板(18)覆蓋；蓋板(18)由螺栓緊固在扶正套(14)上；蓋板(18)與扶正套(14)之間裝有密封墊；安裝電磁閥(17)的短槽也由蓋板(18)覆蓋并使用螺栓將蓋板(18)固定在扶正套(14)上； 在扶正套(14)的外壁上套裝扶正總成；扶正總成主要由扶正肋板(19)、液壓缸(20)和液壓泵(21)組成；在扶正套(14)下部外壁上鉆有圓形槽孔，兩個圓形槽孔為一組，兩個圓形槽孔軸向相對，兩個圓形槽孔之間的距離在180 300mm之間；在扶正套(14)下部外壁上均勻分布有三組圓形槽孔；在每個圓形槽孔內(nèi)固定有一個液壓缸(20);在每一組圓形槽孔的外部沿軸向固定有一個弓形的扶正肋板(19)，扶正肋板(19)的兩端嵌在凹槽內(nèi)，凹槽上固定有固定板，固定板內(nèi)側(cè)與扶正肋板(19)端部之間有壓縮彈簧；壓縮彈簧的作用是使沿扶正套(14)向外張開能回彈復(fù)位；液壓缸(20)的活塞與扶正肋板(19)內(nèi)側(cè)相連；液壓缸(20)的活塞在液壓作用下推動扶正肋板(19)向外擴張；同時安裝于扶正肋板(19)兩端的壓縮彈簧將被壓縮，存儲彈性勢能；液壓缸(20)的活塞所受液壓力減小到一定程度后，壓縮彈簧釋放彈性能，將扶正肋板(19)推回原位；同時液壓缸(20)的活塞復(fù)位； 液壓泵(21)安裝在扶正套(14)下端內(nèi)，液壓泵(21)由轉(zhuǎn)子和定子組成；轉(zhuǎn)子與心軸(12)之間通過銷釘固定，液壓泵(21)的轉(zhuǎn)子能隨心軸(12)旋轉(zhuǎn)；液壓泵(21)的定子與扶正套(14)內(nèi)壁之間通螺栓固定；心軸旋轉(zhuǎn)時，液壓泵(21)的定子與液壓泵(21)的轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生相對運動；液壓泵(21)的出口有三條液壓通路，分別與三個電磁閥(17)相連通；液壓泵(21)出口的三條液壓通路為長圓孔；在固定液壓缸(20)的圓形槽孔的底部有小孔，小孔分別與液壓通路相連通；電磁閥(17)呈全開狀態(tài)時，液壓泵(21)排出的液壓油流經(jīng)電磁閥(17)后進入心軸(12)與扶正套(14)之間的環(huán)形間隙，循環(huán)后回流入液壓泵(21)的入口，因而液壓油不會被增壓；電磁閥(17)開度減小后，液壓泵(21)排出的液壓油流所受阻力增大，故而壓力升高，當作用于液壓缸活塞上的液壓力足以克服彈簧反力時，液壓缸(20)的活塞將沿徑向伸出并外推扶正肋板(19)，扶正肋板(19)向外張開，緊貼在井壁上，實現(xiàn)領(lǐng)眼鉆柱的有效扶正； 所述的信號接收器用于接收測傳短節(jié)(I)發(fā)送的信號，并將其轉(zhuǎn)換后輸入井下微處理器(16)ο
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制隨鉆擴眼時鉆柱橫向振動的方法，其特征在于鉆柱振動控制短節(jié)(3)中的井下微處理器(16)預(yù)存有振動模式數(shù)據(jù)，主要參數(shù)為橫向加速度，用以判斷所測得振動的劇烈程度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制隨鉆擴眼時鉆柱橫向振動的方法，其特征在于液壓泵(21)泵出的油液與心軸(12)外壁接觸后自行冷卻。
全文摘要
控制隨鉆擴眼時鉆柱橫向振動的方法，應(yīng)用于石油天然氣鉆井作業(yè)領(lǐng)域。測傳短節(jié)安裝于擴眼器上方，橫向振動控制短節(jié)安裝于下方。測傳短節(jié)中置有橫向振動監(jiān)測和信號發(fā)射元件，將測得的橫向振動信號向地面工作站和鉆頭方向傳遞。橫向振動控制短節(jié)由信號接收器、井下微處理器、電磁閥、液壓泵、扶正肋板組成。接收到橫向振動信號后，井下微處理器進行邏輯運算，根據(jù)橫向振動劇烈程度調(diào)整電磁閥的開度，控制扶正肋板的伸出或縮回。扶正肋板伸出后將支撐在井壁上，有效扶正鉆柱，降低領(lǐng)眼鉆柱的橫向振動幅度。能夠?qū)崿F(xiàn)隨鉆擴眼時鉆柱橫向振動的井下閉環(huán)控制。
文檔編號E21B7/28GK102619470SQ20121012214
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者任榮權(quán), 朱英杰, 王輝, 紀友哲, 賈濤, 韓飛, 馬汝濤 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院