专利名称：一种水平钻进自动水力纠偏方法及专用钻具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水平钻进自动水力纠偏方法及专用钻具，属于煤层气近水平孔钻 进与定向孔钻进等技术领域。
背景技术：
众所周知，煤层气是环保优质的新型能源，而随着定向钻进技术的不断发展，利用 近水平孔以及水平分支孔钻进以探明煤田具体储量、排放瓦斯以及开发煤层气是目前广泛 采用的技术，而在煤层中钻进几百米甚至上千米的水平钻孔发生钻孔偏斜是必然的，因此， 多种纠偏技术得到了研究与应用，水力纠偏技术就是其中一种可保证煤层气抽采的的经济 实惠的新型专用纠偏技术。同时，从施工工艺的角度而言，在钻进过程中不提钻的前提下实 现水平孔纠偏是最理想的工艺，也就是需要实现随钻纠偏。随钻纠偏可以节省许多非钻进 时间，简化操作工艺，在保证钻孔纠偏质量的同时不影响工程进度。因此，随钻自动水力纠 偏技术的研究与应用势在必行。目前在煤层气水平定向钻进中实现随钻自动水力纠偏还是 一技术难题。
发明内容
本发明的目的是解决在煤层气水平定向钻进中实现随钻自动水力纠偏的技术问 题，主要解决在纠偏过程中由于多次提下钻具而增加非钻进时间和操作繁琐的技术难题， 使水力纠偏过程趋于简化，保证钻进过程的连续性。实现本发明目的的技术方案如下根据所检测到的钻孔的倾角与方位角参数，微 处理器自动运算出射流的方向，并通过旋转控制盘控制具有多个方向射流孔的水力纠偏钻 具向所计算出的方向进行射流，实现钻孔自动水力纠偏，所采用的具体步骤如下倾角传感 器与方位角传感器对钻具姿态进行检测得到钻孔的实际倾角α和方位角β，然后将所得 α和β与在孔口所获得的初始值对应进行比较得到倾角偏差Δ α和方位角偏差Δ β，当 Δ α和/或△ β超过设定阈值时，微处理器根据射流方向确定算法计算出射流的方向，并 发出指令给步进电机使其转动旋转控制盘，通过控制旋转控制盘的旋转角度使旋转控制盘 的通孔A旋转至微处理器系统所计算出的射流方向，并与环形分布于射流控制盘上的若干 通孔A中的一个贯通，构建该射流方向上水力纠偏的水流通道，实现停钻自动水力纠偏。微 处理器计算射流方向的射流方向确定算法是指根据△ α和△ β的正负确定射流区间，根 据Δ α与△ β比值的反正切值确定步进电机的区间内旋转角度，根据区间的奇偶性决定 区间内旋转角度的正负，其中确定射流区间具体如下表
Δ α<0 IV象限区间 I象限区间 Δ α>0 III象限区间 II象限区间旋转角度计算公式如下Δ α 与 Δ β 比值的反正切值 t = actan (| Δ α/Δ β |)；在偶数象限区间中，旋转角度夕=(Q _ 1)X 90 +1 ;在奇数象限区间中，旋转角度少= Qx90-t各式中^是步进电机的旋转角度，Q为象限号。本发明还提供了用于上述水钻自动水力纠偏方法的专用钻具，该钻具至少包括外 壳，外壳的一端固定连接有钻杆接头，另一端安装有PDC钻头，外壳的内腔设有自动纠偏装 置，自动纠偏装置包括水流方向控制机械部分和安装有检测与计算控制程序的射流方向检 测与控制的微处理器部分，水流方向控制机械部分至少包括轴承座和通过轴芯、轴承座安 装于外壳上的旋转控制盘和射流控制盘，射流控制盘上设有若干环形分布的通孔A，且轴承 座的通孔、外壳的内腔、旋转控制盘的通孔A、射流控制盘上环形分布的通孔A与PDC钻头的 若干环形分布的射流孔贯通，构成水射流通道，射流控制盘上的若干环形分布的通孔A与 PDC钻头的若干射流孔一一对应。由上述技术方案可知本发明提供的方法以旋转控制射流水力纠偏钻具为载体， 以微处理器控制系统为控制中枢，通过对各传感器所检测到的数据进行对比分析与计算， 自动确定出水力纠偏高速射流的方向，并通过步进电机实现对水力纠偏钻具射流方向的控 制，在不提钻的前提下定向破碎煤岩以实现随钻自动水力纠偏。所用的专业纠偏钻具的内 腔设有自动纠偏装置，自动纠偏装置包括水流方向控制机械部分和安装有计算软件的射流 方向检测与控制的微处理器部分。本发明与现有技术相比，其主要的效果是结合经济型的水力纠偏技术，实现随钻 自动水力纠偏，省却了纠偏过程中的提下钻具的操作过程，既节省非钻进时间，又保证钻孔 的连续性，工作效率也得到提高。同时，相比较其他随钻纠偏钻具，本发明成本低，且操作简单、易学易用。该发明利用水力纠偏机理，由微处理器系统控制整个纠偏过程，是一个集机械与 电子于一体的自动化系统，解决了在煤层气水平定向钻进中实现随钻自动水力纠偏的技术难题。
图1是本发明提供的专用钻具的整体结构示意图。图2是图1的A-A视图。图3是专用钻具的射流通道的局部结构示意图。图中1、外壳；2、钻杆接头；3、滚动轴承A ；4、压力传感器；5、密封垫片A ；6、支撑 轴；7、轴承座；7-1轴承座的水流通孔；8、垫圈A ;9、密封垫片B ;10、旋转外壳；11、电池筒； 12、干电池；13、步进电机；14、电机固定板；15、端盖；16、垫圈B ;17、弹簧A ;18、阀芯；19、PDC钻头；19-1、射流孔；19-2、PDC钻头通孔；20、射流控制盘；20-1、射流控制盘通孔A ； 20-2射流控制盘通孔B ；20-3射流控制盘盲孔；21、滚动轴承B ；22、旋转控制盘；22_1、旋转 控制盘通孔A ； 22-2、旋转控制盘通孔B ;23、O型密封圈；24、密封垫片C ； 25、传动轴；26、电 路板；27、螺钉B ；28、钢球；29、弹簧B ；30、弹簧座。
具体实施例方式本发明提供的近水平孔随钻自动水力纠偏方法，根据所检测到的钻孔的倾角与方 位角参数，微处理器自动运算出射流的方向，并通过旋转控制盘控制具有多个方向射流孔 的水力纠偏钻具向所计算出的方向进行射流，实现钻孔自动水力纠偏，所采用的具体步骤 如下倾角传感器与方位角传感器对钻具姿态进行检测得到钻孔的实际倾角α和方位角 β，然后将所得α和β与在孔口所获得的初始值对应进行比较得到倾角偏差△ α和方位 角偏差Δ β，当Δ α和/或Δ β超过设定阈值时，微处理器根据射流方向确定算法计算出 射流的方向，并发出指令给步进电机使其转动旋转控制盘，通过控制旋转控制盘的旋转角 度使旋转控制盘的通孔A旋转至微处理器系统所计算出的射流方向，并与环形分布于射流 控制盘上的若干通孔A中的一个贯通，构建该射流方向上水力纠偏的水流通道，实现停钻 自动水力纠偏。微处理器计算射流方向的射流方向确定算法是指根据△ α和△ β的正负 确定射流区间，根据△ α与△ β比值的反正切值确定步进电机的区间内旋转角度，根据区 间的奇偶性决定区间内旋转角度的正负，其中确定射流区间具体如下表 旋转角度计算公式如下Δ α 与 Δ β 比值的反正切值 t = actan (| Δ α/Δ β |)；在偶数象限区间中，旋转角度夕= (Q-l)x90 + t.在奇数象限区间中，旋转角度少=Q Χ 90 -1各式中识是步进电机的旋转角度，Q为象限号。上述方法的实际运用过程如下在下钻之前，首先对钻进的起始方位角进行标定。将钻具在钻孔开口处水平放置， 使钻具轴线与设计钻进方向平行，并启动标定程序，单片机将自动识别并记录起始方位角。 标定完成后便可安装钻具开始钻进，同时启动泥浆泵供水。当钻进到一定位置时，钻机钻杆 停止回转，泥浆泵也暂停供水。此时，单片机将检测到水压的变化(由高水压变成低水压)， 并开始进行状态数据采集、数据处理、电机调整等一系列操作。停水半分钟后，电机便可调 整好角度使对应的纠偏射流孔处于导通状态(在单向阀的作用下射流孔并没有导通，只有 当高压水到达钻具时，射流孔才会导通并进行射流)。此时，泥浆泵恢复供水便开始进行水 力纠偏。同时，单片机回到低功耗状态，等待下一次水力纠偏信号到来。本发明提供的用于上述近水平孔钻进水力纠偏方法的专用纠偏钻具，其结构如图1、图2所示设有外壳1，其一端是与之连为一体的钻杆接头2，另端为经过改良设计使其内 腔设有带微处理器系统的自动纠偏装置的PDC钻头19，自动纠偏装置包括水流方向控制机 械部分和安装有计算软件的射流方向检测与控制的微处理器部分。该钻具可在正常钻进过 程中不提钻的前提下实现随钻自动水力纠偏。上述专用纠偏钻具中，轴承座7、外壳1、旋转控制盘22、射流控制盘20和PDC钻头 19等构成水流方向控制机械部分。轴承座的水流通孔7-1、外壳1的内腔、旋转控制盘通孔 A22-1U2个环形分布的射流控制盘通孔A20-1与PDC钻头19的12个环形分布的射流孔 19-1贯通，构成射流通道。旋转控制盘22主要用来控制水射流通道的导通与关闭。射流控 制盘20的12个环形分布的通孔A与PDC钻头19的12个射流孔19_1 一一对应，通过控制 旋转控制盘22的旋转角度识使其通孔A22-1旋转至微处理器系统所计算出的射流方向，并 与其中一个射流控制盘20的通孔A20-1贯通，形成该射流方向上的射流通道。同时，在旋 转控制盘22、射流控制盘20、PDC钻头19中设有溢流通道，由旋转控制盘的通孔B22-2、射 流控制盘的通孔B20-2、PDC钻头19的通孔19_2构成溢流通道，由依次安装入射流控制盘 20的盲孔20-3内的弹簧A17和阀芯18构成溢流的控制机构。在射流控制盘20的射流通 孔A20-1处设有单向阀，单向阀由钢球28、弹簧B 29和弹簧座30构成(见图3)，其作用是 防止压力过小时水倒流或者煤屑堵塞射流孔。 上述的随钻自动水力纠偏钻具，其射流方向检测与控制的微处理器系统则由压力 传感器4、支撑轴6、旋转外壳10、电源(由电池筒11和干电池12构成)、步进电机13、电机 固定板14、传动轴25、端盖15以及通过螺钉27固定在电池筒11上的以单片机为核心的微 处理器系统电路板26构成。整个系统通过多个密封组件，如密封垫片A 5、垫圈A8、密封垫 片B9、垫圈B16、0型密封圈23、密封垫片C24等来保证旋转外壳10内腔的密封。该系统一 端通过支撑轴6固定在滚动轴承A3的轴孔内，另一端通过传动轴25安装在射流控制盘20 轴芯内的滚动轴承B21的轴孔内。正常钻进时，该部分可随钻具旋转方向一起转动。射流 方向检测与控制的微处理器部分的电池筒11和步进电机13、电机固定板14都偏置于旋转 外壳10的同一方向从而使微处理器部分处于偏重状态，使该系统在停止钻进(转动)后回 复到初始状态，即保证控制系统在工作时处于近水平状态。上述的随钻自动水力纠偏钻具，其射流方向检测与计算软件主要包括整体流程、 数据采集和处理模块、步进电机驱动与控制模块、数据传输等模块，且全部程序采用高级语
g编与。下面结合附图对本发明提供的可纠偏的专用钻具的工作过程进行详细说明安装好电路板26，并将单片机上电后，微处理器系统便开始工作。钻进开始前，在 钻孔开口处先给单片机一个标定信号(按键控制)以确定本次钻进中设计钻进方向的方位 角角度。在后续纠偏过程中，单片机以此为参考方向来控制步进电机旋转进行水力纠偏。标定完成后，将整套纠偏钻具与钻杆通过螺纹连接起来开始钻进，此时单片机将 处于低功耗状态。在整个钻进过程中，电路板26上的比较电路一直通过压力传感器4监测 水压的大小并给单片机提供纠偏起始信号。整个钻进过程中水压变化包括以下几个状态 正常钻进时的高压、停钻时的低压和纠偏时的高压。正常钻进时水压一直是高压，单片机处 于低功耗状态。当压力传感器4检测的水压由高压变到低压时，单片机响应中断进行方位 角与倾角数据检测、数据处理、电机驱动等一系列操作。操作结束后，单片机将通过压力传感器4检测到水压由低变到高的信号，即实际的水力纠偏起始信号。同时单片机又会回到 低功耗状态并等待下一次纠偏起始信号的到来。正常钻进时，旋转外壳10及其内部组件(含步进电机)、旋转控制盘22将以滚动 轴承A3和滚动轴承B21的中心连线为旋转轴随外壳1、钻头及钻杆一起旋转。而停止钻进 开始检测时，旋转外壳10及其内部组件(含步进电机)、旋转控制盘22等由于偏重安装将 慢慢地恢复到初始状态，旋转控制盘22的水流通孔A22-1处于钻具的上方，即图1所示位 置。此时，泥浆泵停止供水，水压变为低压，压力传感器4将所检测到的低压信号传送给微 处理器系统，电子罗盘(即方位角传感器)和倾角传感器开始启动对钻具的姿态进行检测， 即检测钻孔轨迹的方位角和倾角。微处理器系统将其所检测到的数据与孔口的初始数据进 行比较，当偏差过大，超过所设定的阈值时说明钻孔偏离了预定轨迹，应采取纠偏措施。单 片机将根据该差值计算出步进电机13的旋转角度，并发送旋转信号给步进电机13，步进电 机13通过传动轴25带动旋转控制盘22，使其水流通孔A22-1旋转到正确的位置，并与射流 控制盘20的12个通孔A20-1的其中1个或2个贯通，形成该方向上的水射流通道。设定 时间之后，保持钻杆不旋转，重新启动泥浆泵供水，高压水将在此方向上对煤岩进行定向射 流打击，实现水力纠偏。此时，压力传感器4将所检测到的高压信号传送给微处理器系统， 使其保持低功耗状态。如此循环，直到钻孔按预定轨迹到达目标点。在水力纠偏过程中，当射流压力大于设定值时，纠偏钻具启动溢流功能。水压推动 阀芯18，压缩弹簧A17，使阀芯18与PDC钻头19内部的通孔19-2的孔壁分离，即通过旋转 控制盘22的三个溢流通孔B22-2和射流控制盘20的三个溢流通孔B20-2与PDC钻头19的 内部通孔使溢流通道保持通畅，部分高压水将由此通道流出，保证纠偏钻具内的压力稳定。钻孔全孔完成后，通过电路板26上的串行通讯接口，将单片机系统所保存的数据 上传至上位机，并通过专门编制的可视化计算机软件回显与分析钻孔轨迹及纠偏过程。
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权利要求
一种水平钻进自动水力纠偏方法，其特征是根据所检测到的钻孔的倾角与方位角参数，微处理器自动运算出射流的方向，并通过旋转控制盘控制具有多个方向射流孔的水力纠偏钻具向所计算出的方向进行射流，实现钻孔自动水力纠偏，所采用的具体步骤如下倾角传感器与方位角传感器对钻具姿态进行检测得到钻孔的实际倾角α和方位角β，然后将所得α和β与在孔口所获得的初始值对应进行比较得到倾角偏差Δα和方位角偏差Δβ，当Δα和/或Δβ超过设定阈值时，微处理器根据射流方向确定算法计算出射流的方向，并发出指令给步进电机使其转动旋转控制盘，通过控制旋转控制盘的旋转角度使旋转控制盘的通孔A旋转至微处理器系统所计算出的射流方向，并与环形分布于射流控制盘上的若干通孔A中的一个贯通，构建该射流方向上水力纠偏的水流通道，实现停钻自动水力纠偏。
2.权利要求1所述水钻自动水力纠偏方法，其特征在于射流方向确定算法是指根据 Δ α和Δ β的正负确定射流区间，根据Δ α与Δ β比值的反正切值确定步进电机的区间 内旋转角度，根据区间的奇偶性决定区间内旋转角度的正负，其中确定射流区间具体如下 表 旋转角度计算公式如下Δ α与Δ β比值的反正切值t = actan (| Δ α/Δ β |)；在偶数象限区间中，旋转角度夕-(Q·1”90 + ^在奇数象限区间中，旋转角度滑= Qx90-t各式中P是步进电机的旋转角度，Q为象限号。
3.权利要求1所述水平钻进自动水力纠偏方法的专用钻具，至少包括外壳(1)，外壳 (1)的一端固定连接有钻杆接头(2)，另一端安装有PDC钻头(19)，其特征在于外壳(1) 的内腔设有自动纠偏装置，自动纠偏装置包括水流方向控制机械部分和安装有检测与计算 控制程序的射流方向检测与控制的微处理器部分，水流方向控制机械部分至少包括轴承座 (7)和通过轴芯、轴承座(7)安装于外壳(1)上的旋转控制盘(22)和射流控制盘(20)，射 流控制盘(20)上设有若干环形分布的通孔A(20-1)，且轴承座的通孔(7-1)、外壳(1)的内 腔、旋转控制盘(22)的通孔A(22-l)、射流控制盘(20)上环形分布的通孔A(20_1)与PDC 钻头(19)的若干环形分布的射流孔(19-1)贯通，构成水射流通道，射流控制盘(20)上的 若干环形分布的通孔A (20-1)与PDC钻头(19)的若干射流孔(19-1) 一一对应。
4.根据权利要求3所述的专用钻具，其特征在于旋转控制盘中设有通孔B(22-2)作 为溢流通道，射流控制盘中设有的通孔B (20-2)作为溢流通道，PDC钻头(19)中均设有通 孔(19-2)作为溢流通道，旋转控制盘(20)右端设有盲孔(22-3)，盲孔(22_3)内安装有弹 簧(17)和阀芯(18)构成溢流控制机构。
5.根据权利要求3所述的专用钻具，其特征在于射流方向检测与控制的微处理器部 分至少包括压力传感器(4)、支撑轴(6)、电源、步进电机(13)、传动轴(25)、旋转外壳和以单片机为核心的微处理器系统电路板(26)，该部分一侧通过支撑轴(6)固定于旋转外壳 (10)上，另一侧通过传动轴安装在射流控制盘(20)的轴芯内。
6.根据权利要求5所述的专用钻具，其特征在于所述的射流方向检测与控制的微处 理器系统的电源和步进电机(13)偏置于旋转外壳(10)的同一方向从而使微处理器部分处 于偏重状态。
7.根据权利要求5所述的专用钻具，其特征在于以单片机为核心的微处理器系统电 路板(26)主要由单片机、电子罗盘、倾角传感器及相应的伺服电路构成。
8.根据权利要求5或7所述的专用钻具，其特征在于电路板(26)上设有串行通讯接
9.根据权利要求5所述的专用钻具，其特征在于所述射流方向检测与控制的微处理 器部分的检测与计算控制软件包括整体流程、数据采集和处理模块、步进电机驱动与控制 模块和数据传输模块。
10.根据权利要求3所述的专用钻具，其特征在于在射流控制盘(20)的通孔(20-1) 处设有单向阀。
全文摘要
本发明提供了一种水平钻进自动水力纠偏方法及专用钻具，该方法是根据所检测到的钻孔的倾角与方位角参数，微处理器自动运算出射流的方向，并通过旋转控制盘控制具有多个方向射流孔的水力纠偏钻具向所计算出的方向进行射流，实现钻孔自动水力纠偏。所用的专业纠偏钻具的内腔设有自动纠偏装置，自动纠偏装置包括水流方向控制机械部分和安装有计算软件的射流方向检测与控制的微处理器部分。本发明结合经济型的水力纠偏技术，实现随钻自动水力纠偏，省却了纠偏过程中的提下钻具的操作过程，既节省非钻进时间，又保证钻孔的连续性，工作效率也得到提高。
文档编号E21B7/18GK101871320SQ20101018906
公开日2010年10月27日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者徐林红, 文国军, 李磊明, 王玉丹, 蔡记华, 许超 申请人:中国地质大学(武汉)