专利名称：井下遥控信号及其接收机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种石油和地质钻井中用以控制、变换井下工具工况的遥控信号及该信号的接收机构。
目前钻井技术已由钻直井发展到钻定向井，丛式井，水平井或有更复杂要求的特殊井，这就需要在钻柱下部多次更换某些特殊井下工具，如可变弯接头，单螺杆钻具，变向器，扶正器，取芯器及其它的工具。为了装或拆这些井下工具就需起下钻，这是一个很费时，很繁琐的操作过程。更有甚者如钻井取芯时，操作过程要分步骤进行，井下工况要变换但又不允许中间起钻。这样就需要由地面发出可靠的控制信号，通过井下的特殊接收机构使井下工具的工况发生变化，以满足工程技术的要求。
目前能见到的解决此问题的技术主要有三类;
(一)投球法;该方法是在方钻杆上方开窗加盖，使用时将盖打开，投入一钢球。钢球落到钻柱下部的接收机构上，堵住一个活塞的中心孔，这时开泥浆泵，活塞就受到很大的推力向下运动，作为井下工具工况变换的动力。或者更完善一些，在地面的泥浆管路上装一投球机构，在不停泵的情况下向管路中投入一钢球。在美国专利4，286，676中描述了这种方法的应用和其接收机构。在法国专利1，252，703中描述了利用投入一锥棒的方法，应属于同一类。该方法的主要不足之处是(1)操作过程比较麻烦。(2)变换工况之后要把球释放掉，并且还要有装置把球接住、收留。很明显，这种结构设计不能投很多的球，因此就限制了井下工况的多次变换。(3)该方法的使用范围有局限性，如钻杆滤清器，单螺杆钻具，涡轮钻具等不允许钢球通过，这就限制了投球法的应用。
(二)电信号法;若采用“有线的”电信号法，则一定要有一电缆，传输特定的电信号来控制井下工具的工况变换。电缆置于钻杆之外要被井壁磨坏;放在钻杆之内接钻杆时很难处理;若采用“无线的”电信号法，则由于井下的压力和温度构成的环境极为复杂，无线电信号很难确定捕捉和有效地利用。因此该方法尚不能提出可行的具体方案，还只停留在探索阶段。关于“有线的”电信号法，在美国专利4，286，676中多次提到，但对其所存在的电缆如何引到地面的困难并没有具体的解决办法。
(三)泥浆流量法;该方法是用大于正常工作的泥浆流量推动一有节流孔的活塞作为信号。其缺点是(1)增大流量可由加快柴油机转速或更换缸套得到，但前者增加不多与正常流量区分不清，而后者操作过分麻烦。(2)常有较大的物体部分地堵了节流孔的现象发生，这就引起了误动作。(3)整个泥浆通道任何一处受堵(如钻头水眼受堵)，泵压必定上升，受堵部分一被憋开，泥浆排量就突然增大而出现误动作。(4)当钻柱内有空气被压缩，特别又同时上下活动钻柱，流经接收机构的泥浆流量变化很大，很可能造成误动作。(5)信号接收机构在整个钻井过程中都处于盲目的“等候”状态，因此它不能保障捕捉的信号就是人为发出的有用的信号。法国专利2，575，393叙述了这种方法的多种结构。
至今为止，已有技术中，还没有找到不用人为设置另外信号源的可靠方法。而本发明的方法与已有技术最根本的不同之处，就在于根本不需要设置另外的信号源，便可向井下发送可靠的信号。多数可控井下工具在工况变化之后，并不能及时反馈回任何信息说明工况确实已经变化了，对于这种情况本发明就更显得特别适用。后面举出的扶正器的实施例就是这样。本发明发送信号的方法是利用钻井设备本身存在的力学特性而得到的。这种信号来源于钻井系统正常操作中发生的“反压差”和“惯性力”等力学现象，把这些“现象”当成一种“信号”，并通过特意设置的接收机构，对该信号进行准确地捕捉和有效地利用。更具体地说，形成所需要的信号是在钻井操作时，在某个常规动作下，通过钻杆这个传输介质，而自然地传递一种固定的速度波，使它得以有效地利用，这就是本发明的目的之一。
本发明的目的之二是根据上述发送信号的方法而提供三种不同的操作方式和与之对应的接收机构，通过这些机构来达到控制井下工具工况的变换。
为了进一步阐述本发明的目的，需要简单地解释一下“反压差”和“惯性力”在井下的势态。
(一)反压差的存在及其特性
泥浆循环时，上游压力恒大于下游压力(忽略高度头因素)，在同一深度比较，钻柱内部压力恒大于外部压力。规定这样方向的压差为“正压差”则相反方向的压差称为“反压差”。钻具在正常钻进或循环泥浆时井内永远只发生正压差，而“反压差”只是在起、下钻或停止泥浆循环，上下活动钻具的过程中发生。反压差有两个主要的特征，一个是数值很大且与钻柱长度成正比，另一个是瞬间达到很大的数值且持续时间很短，即为脉冲性的。
(二)钻柱上相连物体的“惯性力”的存在及其特性假设在钻柱上有一长度较小的物体，其横向尺寸及质量不一定很小，以摩擦力或并非十分坚固的办法固定在钻柱上。当钻柱悬点运动时，钻柱各截面由上向下依次发生速度的突变。如果以钻柱为参考系，当与小物体相邻的钻柱突然发生速度时，小物体相对钻柱来说立即有了突发的相对速度。由于相对速度的突发性，在力学中可以认为惯性力无穷大。小物体立即有了相对动能，因此小物体不可避免地要产生相对位移。
这两种特性的力学现象，常常对井下钻具造成一定的损坏。在已有技术中，尽管对其物理本质可能没有本发明涉及得如此深刻，但对这种损坏必须采用不同于地面设备的措施才能避免的客观现实却已认识到了。然而，还没有任何一种技术设想把它变成一种有用的东西。本发明的技术核心正是把这种综合的物理现象变成一种可以利用的信号。即只要简单地上下活动钻柱，就会在钻柱中产生速度波，速度波传到钻杆下端，就会转变成可利用的“反压差”和“惯性力”这两种新的信号。它们可以合并同时利用，也可以单独利用。根据这种信号而设计出不同的操作方式和与之对应的井下接收机构来准确地捕捉这一信号，并将此信号转化成特定的动作。从而达到控制井下工具的工况的变换，即实现了本发明的目的一和目的二。
图1是利用反压差作为信号的原理图。
图2是利用惯性力作为信号的原理图。
图3是直接利用信号法的接收机构示意图。
图4是限时捕捉信号法的接收机构示意图。
图5A是捕捉无信号法的接收机构示意图。
图5B是图5A的接收机构第一次开泵，受控件在上位示意图。
图5C是图5A的接收机构第二次开泵(停泵过程中没有上下活动过钻柱)，受控件在下位示意图。
图5D是图5A的K-K剖视图。
图6是井下可控扶正器结构示意图。
下面结合附图进一步说明上下活动钻柱就会向井下发送反压差和惯性力信号的原理。
众所周知，钻柱是一个很长的管柱，是一个弹性体。由于长度很大，它不仅弯曲刚度极小而且拉伸刚度也是很小的。泥浆也是可以发生体积变形的弹性体。前述的特性力学现象都是由于钻柱和泥浆的弹性而产生的。设t＝0时，大钩对管柱悬挂的力发生突然变化(例如在静止时突然松开刹车，就把悬挂力突然变为零)，管柱不是整体产生加速度，而是应力波和速度波以声在钢中的速度C(5100米/秒)由井口向下传播。设静止时管柱的拉应力为σ，突然释放刹车，相当于在悬点突加σ压应力。应力波传到钻柱的某截面之前该截面静止不动，当应力波传播到该截面时它立即发生质点速度v(质点速度也就是速度，这里冠以“质点”是为了明确与弹性波速度相区分，下同)。
v＝σC/E (1)其中E为钢的弹性模量，σ为突加的压应力或应力变化量。
突加常压力作用下，在任意时间t可将管柱分为两段，上段长Ct，各截面具有相同的质点速度v，下段则因应力波尚未传到仍然静止。如果管柱不是浸在泥浆中而是处于真空中，当应力波传播到底面时经过自由端的反射，底面将突发2v的速度。底面的运动不是自由落体那样的等加速运动。应该强调的是底面的速度是突发的，由0无中间过程地突增到2v。这在刚体力学中是不可能的，但在弹性体力学中是完全正常的。管柱浸在泥浆中，当应力波传播到管柱底面时将有一部分向上反射，一部分传播给泥浆。底面突发kv的速度。k与泥浆的物理性能和管柱的直径尺寸有关。以实际参数进行计算，k＝1.4～1.7。底面突发的质点速度造成管柱外泥浆受压缩，而管柱内泥浆受拉伸，这就使管柱内外产生反压差。反压差的数值相当大，设管柱长为1000米，反压差的数值达到10MPa，且与管柱长度成正比。由于反压差是在波传播到底面的瞬时发生的，所以即使是开口管柱只要开口不很大，对反压差的数值就没有重要影响。上述反压差是由于悬点突加压应力造成的，如果悬点突加拉应力则造成脉冲性的正压差，称为运动正压差。
最大反压差是发生在提升管柱的最后。在等速提升管柱时，大钩加给管柱的拉应力为σ。它与操作关系不大。停止时，由于石油钻机的构造，其操作过程必定是先脱开滚筒的离合器再用刹车。因此在刹车之前有极小一段时间悬点的应力为零。这是最大的应力突变，应力由σ突变到0相当于突加一个压缩应力σ。反压差就是由压缩应力波及与之共存的质点速度波向下传播所造成的。由此可知;向下传播的应力波、突发的质点速度、突发的底面速度、反压差、以及下面解释的惯性力，均与操作者的习惯、技巧等关系不大。
钻井工程中遇到了两个特殊力学因素，它们是一，悬挂着的几千米长的弹性管柱，二，每次提升钻柱的最后都发生几十吨甚至上百吨的力的突变，这是在其它工业领域中所不会遇到的。
同理，以管柱为参考系，将管柱看成弹性体或看成刚体两种观点来讨论固定在管柱上的另一物体因惯性力而造成的相对运动其结果绝然不同。在突加力作用下弹性波的特点是当波前未达到某一截面时，该截面的质点速度为零，而波前一旦达到该截面，它就立即发生(1)式所确定的质点速度v。因此当波前一旦到达物体所在的管柱截面处，该处管柱发生突发的质点速度而物体的速度仍然为零。以管柱为参考系可以认为物体突然有了相对动能T＝mv2/2，即使物体与管柱有极大的摩擦力也不可避免地发生相对位移。
图1是利用反压差作为信号的原理图。在钻柱11的下部水平放置的活塞12，A端受环形空间的压力，B端受钻柱内压力。控制钻柱的运动就可以控制正、反压差，同时也就控制了活塞12在缸内的左右位置。
图2是利用惯性力作为信号的原理图。在钻柱21内壁的密闭缸中，活塞22由弹簧23支承。图示为重力和弹簧力的平衡位置。当速度波沿钻柱传递到活塞22所在的截面时，即使活塞受着极大的阻力，它也会向上或向下改变在缸内的位置。
从以上原理可以看出，只要在钻井操作中停止泥浆循环上下活动钻柱或不活动钻柱就可以决定井下的反压差和与管柱连接的物体的惯性力。也就是说反压差与惯性力信号是在停止泥浆循环时上下活动钻柱而发出的。正常钻井过程中经常上下活动钻柱。不论是否需要，因上下活动钻柱而向井下不时地发出信号，因此就产生一个信号“捕捉”的问题，用以区分哪个信号是需要的，哪个信号是不需要的，这就是本发明的方法。本发明最主要的技术特征是针对井下工况变化的需要，采取不同的操作方法，并装有与之对应的井下接收机构。根据不同的操作方式，可将信号接收机构分为三类第一类直接利用信号法及其接收机构。其操作方式是，只要人为地上下活动钻柱，信号就发生，井下接收机构就执行特定的动作。这种接收机构可以用于控制照相法中测斜仪的电源开关。图3是这种方法应用的一个实施例。目前单点测斜仪是由定时器控制开灯时间的。采用该方法后，可以改为由人在地面控制开灯。
当钻柱突然释放(或上提过程中突然停止)时造成钻柱外压力突然升高△P;钻柱内应力突然下降△P′。｜△P｜＝｜△P′｜。前面所说的反压差＝｜△P｜+｜△P′｜。本机构中只利用△P′。图3中56是开关的触点，测斜仪外壳55作为开关的另一触点，当触点56与外壳55接触时电路接通，平时它们是分开的。活塞51与其上方的空气包53有孔相通。活塞51被弹簧59所推停留在右端。活塞缸的两端均有孔与钻柱内泥浆相通，其中左端B孔很大，右端A孔很小。当测斜仪在钻柱内下放时，环境应力缓缓增高，泥浆通过滤网52过滤后经小孔A缓缓流入空气包53将空气压缩。下到测斜点后测斜仪静止。为了发出信号将钻柱突然下降或上提很小距离后突停，钻柱内的压力会突然发生一个负脉冲，空气包内的泥浆要由A孔排出，但由于A孔很小来不及排出，因而泥浆同时将活塞51向左推动，从而推动触点56使电路接通。图中54为导线，58为橡胶密封板，腔室57中要充满油以防环境压力增大时其中空气被压缩，橡胶密封板向左变形而使电路接通。
钻柱多次运动可以产生多次负脉冲。为了避免将灯泡多次开亮应在电路上适当安排，使它开亮一次之后就不能再开亮了。电路作另行的安排也可以作为多点测斜仪的光源控制开关，多次将灯开亮。
第二类;限时捕捉信号法及其接收机构。操作方式是活动钻柱发出信号之后的一段规定时间内开泵，接收机构可以捕捉到此信号，过了这段时间再开泵则这个信号作废。图4是这种方法应用的一个实施例。这是一个按要求将预藏的钢球抛出的装置。以外壳61上下端的螺纹连接于钻柱的下部，当发生反压差时泥浆由外壳61的孔61a处推开单向阀的钢球62按箭头的方向流入钻柱并将钢球63托起至63′。这时滑套64的位置较高，外壳61上的孔61b与滑套上的孔64a错开，钢球不可能进入滑套64。反压差作用之后单向阀62关闭。钢球63与孔61b的直径相差不多，故钢球下落很慢，需经过规定的时间t才能下落至孔61c的高度。这时孔61c是被滑套64堵住的。若在t时间之前开泥浆泵，泥浆流经孔64b产生压力降，滑套64被推下使孔61b和孔64a对正。同时泥浆由64c孔流入至环形槽64d，这时环形槽64d与孔61c相通，故泥浆由孔61c流入孔61b，向上流入孔64a。这一股泥浆把钢球推入孔64b，完成将钢球抛入钻柱的动作。若在t时间之后，钢球已落到孔61c之下才开泥浆泵，由孔64c→环形槽64d→孔61c→孔64a→孔64b的这股泥浆同样地流动，但对钢球63则毫无作用，不完成将钢球抛入钻柱的动作。
停泵时由弹簧65使滑套64向上复位。
导向键66的作用是使滑套64在上下滑动时孔61b和孔64a在圆周方向始终对正。
滑套64上下滑动时弹簧65所在的环形腔的容积发生变化而形成滑套64的阻尼，除了开泵之外，钻柱运动造成的正压差不能使滑套64下移到底。
第三类;捕捉“无信号”法及其接收机构。该方法的接收机构接收的是停泵与下次开泵之间发出的信号。其操作方式为两种形式。在停泵与下次开泵之间这段时间内，一种形式为活动钻柱，发出信号，可使接收机构的受控件处于上位位置;另一种形式为不活动钻柱，不发出信号，再次开泵则接收机构的受控件处于下位位置。在正常钻井过程中总会不时地上下活动钻柱，但是在停泵与下次开泵的时间间隔内有意地上下活动钻柱或者不活动钻柱，完全可由人掌握。甚至这次停泵完全是为了得到受控件处于下位位置。把停泵之后不上下活动钻柱作为一种信号的处理方式而改变接收机构的受控件的位置，这样作实际上是捕捉一个“无信号”。该操作方法是本发明最重要的一种操作方法其具体实施方式
将在下面详细叙述。
图5A是这种信号接收机构的示意图。它的外壳301上下端的螺纹连接于钻柱的下部。由地面发出信号来控制接收机构受控件311在上或在下的两种位置。受控件311两处与O形圈302配合的柱面直径相等。上止动块305和下止动块310分别有压簧306和拉簧321(见图5D)使它们靠向中心。当未开泥浆泵而有反压差作用时(惯性力也同时作用)受控件311上移至顶位如图5A，上弹簧303被压缩，上止动块305一半在外壳301的槽内一半在控制套304的槽内，下止动块310则完全在控制套304的槽内。堵盖313和弹簧314是为了将通道部分堵住以增加向上推力而设的，它们不是必需的。第一次开泥浆泵，泥浆流经中心孔而造成正压差推动受控件311向下，起初控制套304不能动。受控件311下移时通过螺钉316压缩弹簧317，另一方面，其上锥槽面通过上推柱309和下推柱315把上、下止动块同时向外推，当上止动块305被完全推入外壳301的槽中而解锁时，控制套304就可以下移了。这时下止动块310已经处于一半在外壳301的槽内，一半在控制套304的槽内的锁住状态。所以控制套304下移一距离后因下止动块301而受阻，如图5B的情况，受控件311在上位。这时受控件311压在控制套304上，弹簧317是被压缩的。停泥浆泵后无压差作用，起初弹簧317使受控件311上移而控制套不动，当受控件311向上碰到了控制套304时下止动块310因拉簧321的作用移向中心而解锁。结果上、下止动块均不起作用，上弹簧303可将它们向下推如图5C。如果推下的距离较小，只要停在顶位之下即可。此后的操作有两种选择，如果上下活动钻柱，则恢复如图5A，开泵则受控件在上位;如果不活动钻柱再次开泵则为图5C，受控件311在下位。总之，根据操作方法司钻可以控制受控件311在上位或是在下位。
上面所述的工作循环可以简单表示如下。
工作循环中每个动作都是可靠的。值得注意的是O形圈302的磨擦力的不稳定性，应按其可能出现的最大值来设计上弹簧303、弹簧317和受控件311的中心孔的直径。如果O形圈303的摩擦力大，就需要加大两种弹簧的弹力和减小中心孔直径。后者要消耗一部分泥浆动力。
在两O形圈之间的腔室内注满润滑油使运动副不与含砂的泥浆接触。
在具体的设计图纸上还有两个实际问题需要注意。
(1)当在图5A情况时由于钻柱的运动显然还可能遇到运动正压差，必须避免运动正压差起了第一次开泵的作用，而真正开泵时受控件311不在上位而在下位。这是很容易作到的，因为运动正压差和开泵正压差有明显的区别。运动正压差的持续时间很短而开泵的正压差随开泵时间持续，它总是很长的。受控件311凸台以下的油腔Q在受控件311向下运动的过程中容积要变小，密封圈318的作用是使Q腔内的油向上漏得较慢而构成受控件311的阻尼，运动正压差只能将受控件311推下一很小距离，不起作用，而循环正压差却可缓缓将它推下。为了向上运动自由，密封圈318只起单方向密封作用。
(2)两O形圈302之间的腔室在装配时注润滑油很难保证绝对注满不留空气。为此设置润滑油的补偿器312，它的内外配合面都有O形圈(302和319)。如果油腔内存有少量空气，当环境压力增大时补偿器向上移动一小距离，以达到油腔内外压力平衡。由此会引起受控件311的下位提高少许。
图6是由图5所示的信号接收机构控制的井下可控扶正器的一种实施例。司钻可由地面控制它在井下工作或者不工作。该扶正器的上端与图5所示的信号接收机构相连，然后整体装在钻柱的下部。扶正块404是可以沿径向移动的。在图5中我们已经可以控制受控件311的上位和下位。当受控件311在上位时，泥浆由活塞402的中心孔流过，阻力很小，因弹簧405的推力活塞402不下降，扶正块404所组成的外圆较小不起扶正作用;当受控件311在下位时，将活塞402的中心孔几乎被堵死，泥浆向下推动活塞402的力很大，把活塞402推下，通过推柱403将扶正块404径向顶出，它们所组成的外圆为工作尺寸，起扶正作用。
由控制信号接收机构的上位和下位可以进而控制多种井下可控工具的工况改变。
在此进一步强调的是活动钻柱并不限定方向，向上、向下、上下乱动均可。因为任何动作都会发生悬点应力突减的过程而造成反压差和向上的惯性力。
本发明所提出的信号、井下遥控的方法及信号接收装置有如下优点1，无需增加任何设备作为信号源。
2，对于正常钻井操作，不加任何限制。
3，在接收信号时，对第一类接收机构没有任何要求，对第二类接收机构仅需掌握开泵的时间，对第三类接收机构仅需掌握停泵期间是否上下活动钻柱，为了不活动钻柱可以对泵进行开-停-开操作就达到目的了。
4，图5所示的信号接收机构工作可靠，重要的摩擦副均在油中工作，不与泥浆接触。
5，由于信号可靠，井下可控工具的工况是否已经按要求变换无须信息返回。
6，第二、三类信号接收机构的信号可以重复发出并不改变信号的意义。例如图5所示的第三类，捕捉“无信号”法接收机构，为了使受控件311处于上位，多次重复上下活动钻柱与上下活动一次的结果相同;为了使受控件311处于下位，进行一次开-停-开操作或进行多次的结果相同。
权利要求
1.一种利用钻井中的正常操作而向井下发送和利用信号的方法，这种方法指的是在停止泥浆循环时上下活动钻柱，将钻柱作为传输介质，传递一种固定的速度波，这种速度波在井下使泥浆产生反压差，使与钻柱相连的物体产生惯性力，本发明的特征是不设置外加的信号源，利用这种反压差和惯性力作为向井下发送的信号，发送信号有三种操作方式，与之对应有三种接收机构。它们包括a，直接利用信号法和接收机构；b，限时捕捉信号法和接收机构；c，在停泵和下次开泵之间，捕捉“无信号”法和接收机构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是在钻柱的底部装有直接利用信号法的接收机构，其操作过程是只要上下活动钻柱信号就发生，接收机构就执行特定的动作。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是在钻柱的底部装有限时捕捉信号的接收机构，其操作过程是只要上下活动钻柱，发出信号之后的一段时间内开泵，接收机构就捕捉此信号，执行特定的动作，过了这段时间再开泵，此信号的作用消失。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是在钻柱的底部装有捕捉“无信号”发送法的接收机构，其操作过程是在停泵和下次开泵之间这段时间内，上下活动钻柱发出信号，接收机构的受控件处于一个指定位置。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是在钻柱的底部装有捕捉“无信号”法的接收机构，操作过程是在停泵和下次开泵之间这段时间内，不活动钻柱，不发出信号，再次开泵，则接收机构的受控件处于另一个指定位置。
6.根据权利要求4和5所述的方法的接收机构，其特征在于该接收机构的受控件是一个可以在壳体内移动的杆状体，受控件的运动通过两种止动块受控制套的控制，两种止动块均受弹簧的作用，受控件在接受信号作用时有储存能量的弹簧，控制套也受弹簧的作用，除受控件的端部外，接收机构均在油中工作，隔离油和泥浆的两个O形圈的直径相等。
全文摘要
一种利用钻井中的正常操作而向井下发送和利用信号的方法。这种方法指的是在停止泥浆循环时上下活动钻柱，将钻柱作为传输介质，传递一种固定的速度波。这种速度波在井下使泥浆产生反压差、使与钻柱相连的物体产生惯性力。本发明利用这种反压差和惯性力作为向井下发送的信号，并根据不同的操作方式和与之对应的接收机构对该信号进行捕捉和利用，从而达到准确、方便地控制和变换井下工具工况的目的。
文档编号E21B47/12GK1053655SQ90100178
公开日1991年8月7日 申请日期1990年1月17日 优先权日1990年1月17日
发明者谢竹庄 申请人:石油勘探开发科学研究院机械研究所