专利名称：发送井下遥控信号的方法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。
在钻定向井、丛式井、水平井或有更复杂要求的特殊井时，需要在钻柱下部多次更换某些特殊井下工具，如弯接头、单螺杆钻具、变向器、扶正器等。为了装或拆这些井下工具就需起下钻。起下钻是很费时，很繁琐的操作过程。如果把这些工具设计成可控式的，即由地面发出信号可使这些井下工具改变工况，则可以避免多次起下钻操作。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，这样就更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，以满足钻井工程技术的要求。
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，作为井下工具变换工况的动力。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，因此工况的变换次数是受限制的。(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，用于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地捕捉和有效地利用，因此该方法尚不能用于工业生产。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，其原理及其接收机构的构造都是比较简单的。但此法存在以下缺点(1)增大流量可由加快柴油机转速或更换大直径缸套得到，但前者流量增加不多与正常流量区分不清，而后者操作过分麻烦。(2)当有较大的物体部分地堵了节流孔时，就会引起误动作。(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地“待命”状态，因此它不能保证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而控制井下工具的可靠方法。
本发明的的目的之一是提供一种向井下发送可靠信号的方法。该方法既不需要设置另外的信号源，也不影响正常的操作，而是在钻井过程中利用停泥浆泵的时间的长短作为一种信号向井下传递，从而控制井下工具工况的改变。
本说明中时间一词的意义均为时间间隔而不是瞬时。
本发明的目的之二是提供一种准确捕捉和利用这种特定信号的井下接收机构，可以通过该机构来达到控制井下工具工况的变换。
实现本发明的目的之一的方法如下。开泥浆泵则泥浆在井下循环;停泥浆泵则停止井下泥浆循环，所以开、停泵是传递到井下的极为明确可靠的信号。但是这种信号本身是不能利用的，因为凡是钻进都必需开泵。然而，我们可以令停泵造成井下某特殊设计的机构发生动作，此机构的动作由停泵的瞬时起保留一段时间△T后消失。在停泵时间大于△T之后此机构的动作已经消失，再次开泵，则可以得到一种状态(Ⅰ);如果停泵时间小于△T此机构的动作还存在，再次开泵，则可以得到另一种状态(Ⅱ)。这样，控制停泵时间的长短就可以得到两种不同的结果。这就是说停泵时间的长短可以作为一种遥控信号，控制停泵时间的长短就是向井下发送遥控信号的方法。由信号接收机构的设计可以确定时间△T的值。例如我们设计成△T＝1.5分钟，钻井使用时为了保险，停泵2分钟之后再次开泵就得到状态(Ⅰ);停泵后1分钟之内再次开泵就得到状态(Ⅱ)。正常钻井操作中一般停泵时间是远大于2分钟的，所以再开泵得到的是状态(Ⅰ)，对钻井正常操作没有影响;当需要状态(Ⅱ)时，故意作一次短时间停泵即可得到。
实现目的之二的方法，结合
如下。
图1a和图1b为在井下长时间无泥浆循环时信号接收机构的状态，即装配状态。
图2a和图2b为开泵有泥浆循环时信号接收机构的状态。
图3a为刚停泵无泥浆循环时信号接收机构的状态。
图3b为停泵经过△T时间后的信号接收机构的状态。
图4为经过短时间停泵后又开泵有泥浆循环时的状态。
图5为被偿器的构造。
图6a和图6b为信号接收机构用于变换可控扶正器工况的原理图。
本发明以停泵时间作为信号的接收机构的实施例见图1，用它可以详细地说明本发明的目的之一和目的之二。
信号接收机构的外壳1上下均与钻柱相连，液缸2与外壳(固定，其中充满液压油。活塞3可上下滑动，活塞3上套有一个控制器4，它们之间的两个配合面A的间隙均很小，对液压油的通过构成较强的阻尼。控制器4与液缸2之间有较大的间隙或轴向开有小槽以便液压油能上下流通，在控制器4上有孔B，孔B内放有钢球5。钢球5的一半是在控制器4内另一半是在外壳1的环形槽M中，环形槽M的形状如图1(a)所示。此外，活塞3上也有类似的环形槽N，当活塞3和控制器4的相对位置适合时，钢球5可以被向内推动，一半在控制器4内另一半在活塞3的环形槽N中。大弹簧6是用于将活塞3推向上的，中弹簧7是用于将控制器4推向下的。在局部放大图1(b)中可见控制器4上钻孔后装有小弹簧10和顶销9，顶销9顶在钢球5上使钢球5可以在它的外侧(远离控制器4的中心线)也可以在它的内侧(靠近控制器4的中心线)，但是改换位置时需要有外力推动，不能自行改换。O形圈8是用以防止液压油外漏或泥浆进入液缸的。
图1是装配后或下到井底长时间无泥浆流过的状态。大弹簧6推活塞3向上直到台肩E顶住液缸的端面，中弹簧7推控制器4向下，因受钢球5和外壳1的环形槽M的阻挡而停留在图示位置。活塞3的这个位置称为顶位。
图2为开泵有泥浆循环的状态。泥浆沿流道L通过并推活塞3上端的圆盘向下移动。下移的过程中C腔容积变大，液压油必需通过配合面A流入C腔。活塞3下移一小距离d后台肩E压在控制器4上而停止。活塞3的这个位置称为上位。在这个位置时活塞3上的环形槽正好与B孔对齐，见局部放大图2(b)。泵不停这个状态不会变。
图3(a)为刚停泵时的状态。泵一停，活塞3不再受泥浆推力，大弹簧6推活塞3回到顶位。这个动作是比较迅速的。因配合面A的间隙很小，C腔内的液压油不可能立即排出，因此活塞3将控制器4也同时抬起。在活塞3和控制器4一起向上运动的过程中钢球5被环形槽M的锥面部分F推向内，结果将钢球5推到顶销9的内侧。
随着停泵时间的延续，中弹簧7推控制器4向下移动而活塞3不动，控制器4向下移动必须将C腔内的油排出所以这个运动很慢。经过一段距离，钢球5被活塞3的N槽的锥面部分G推向外成为局部放大图3(b)的情况，这时钢球5正好处于顶销9之下，所经过的这段时间也正是前述的时间△T，称为分界时间。在分界时间△T之后，控制器4继续下移，钢球5继续被推向外，跑到了顶销9的外侧，整个信号接收机构恢复了图1的情况。因此停泵时间大于分界时间△T之后再开泵，又得到图2，活塞3在上位。如果在分界时间△T之前开泵，钢球5还在顶销9的内侧，可以不受外壳1的环形槽M的阻挡，活塞3向下移动一大距离D，成为图4的情况。设计时改变配合面A对液压油的阻尼强度和中弹簧7的弹力即可满足给定的△T的设计值。
图4是活塞3向下走完大距离D的情况。设计要使控制器4压在液缸2的端面上，而不要使活塞3压在液缸2的端面上，实质是要求活塞3的台肩E与控制器4的上端面之间不能有明显的间隙，这是给下一步作的准备。活塞3的这个位置称为下位。泵不停这个状态不会变。在此状态停泵则回到图2的情况。
综上所述，不论开泵时活塞3是在上位(图2)还是在下位(图4)，停泵都变成图3(a)的状态，而在这种状态下可以依靠停泵时间的长短选择下次开泵时活塞3的位置。上述信号接收机构的工作循环可用图7方框图表示。
至此，已经充分说明本发明的目的之一和目的之二的实现方法及所用机构。此外还需说明几点;
(1)活塞3两端伸出液缸2的部分的直径(O形圈的内径)应该相等，只有这样，活塞3上下运动时才不会把液压油挤出液缸2之外或把泥浆吸入液缸2之内。
(2)液缸2内应该充满液压油，不留一点空气，否则到井下环境压力增大，泥浆企图流入液缸2，使O形圈8承受很大的压差。解决这个问题的办法是在液缸2上再加装一个补偿器，见图5。在液缸2的壁上有小孔H，压盖12压住橡胶膜11将H孔封住，压盖上有小孔J。即使液缸2内有少量的空气时，泥浆进入J孔推橡胶膜11变形，使液缸2内外的压力相等，泥浆就不会再流进液缸2内部了。只要有一个很小的补偿器，而且橡胶膜11有足够的柔度，O形圈8就不承受压差了。因此可以不必担心O形圈8的密封问题。
(3)图1中只画出了一个钢球5，实际上在相同高度上可以有多个B孔和多个钢球5、小弹簧10、顶销9，在圆周上均匀分布。
本发明所提出的发送信号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、发出信号时只是掌握停泵时间的长或短。对其它正常钻井操作，不加任何限制。
3、信号接收机构工作可靠，发出信号后井下可控工具的工况是否已经按要求变换无须信息返回。
4、适用于含砂很多的泥浆中，有极好的防砂卡能力。
5、多次发出信号以最后一次为准。因此允许重复发出相同的信号并不改变信号的意义;在发出错误信号之后可以重新发出正确的信号予以更正(如果受控工具的动作是不可逆的，发出错误的信号已使动作执行则更正失去意义)。
用上述方法和机构进行控制井下扶正器的应用实例说明如下。图6是由图1所示的信号接收机构控制的井下可控扶正器。司钻由地面可以控制它在井下工作或者不工作。外壳21上端与图1所示的信号接收机构的外壳1相连，然后整体装在钻柱的下部。扶正块23是可以沿径向移动的。在图2和图4中我们已经可以控制活塞3的上位和下位。当活塞3在上位时，泥浆由活塞22的中心孔流过，阻力很小，弹簧25的弹力足够，活塞22不下降。扶正块23所组成的外圆较小不起扶正作用，见图6(a)。当活塞3在下位时，活塞22的中心孔几乎被活塞3的杆状部分所堵死，泥浆向下推动活塞22的力很大，把活塞22推下，通过推柱24将扶正块23径向顶出，见图6(b)。扶正块23所组成的外园为工作尺寸，起扶正作用。
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变换。
权利要求
1.一种发送井下遥控信号的方法，其特征是，开泥浆泵则泥浆在井下循环，停泥浆泵则停止井下泥浆循环，在停泵时间间隔大于△T之后再次开泵则信号接收机构得到一种状态，如果停泵时间间隔小于△T再次开泵则信号接收机构得到另一种状态，△T的值由信号接收机构的设计确定。
2.一种接受井下遥控信号的机构，其特征是，所述的信号接收机构外壳(1)内固定一液缸(2)，其中充满液压油，活塞(3)可上下滑动，活塞(3)上套有一个控制器(4)，它们之间的两个配合面A的间隙均很小，对液压油的通过构成较强的阻尼，控制器(4)与液缸2之间有较大的间隙或轴向开有小槽以便液压油能上下流通，在控制器4上有一个或多个孔B，孔B内放有钢球(5)，外壳(1)上有环形槽M，活塞(3)上也有类似的环形槽N，大弹簧(6)是用于将活塞(3)推向上的，中弹簧(7)是用于将控制器(4)推向下的。控制器(4)上钻孔后装有小弹簧(10)和顶销(9)，顶销(9)顶在钢球(5)上使钢球(5)可以在它的外侧也可以在它的内侧，但是改换位置时需要有外力推动，不能自行改换。
3.如权利要求2所述机构，其特征是，所述的活塞(3)两端伸出液缸(2)的部分的直径相等，在所述的液缸(2)的壁上有小孔H，压盖(12)压住橡胶膜(11)将H孔封住，压盖(12)上有小孔J，橡胶膜11有足够的柔度，O形圈(8)不承受压差。
全文摘要
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。本发明是用停泥浆泵的时间长短作为信号。信号接收机构的特征是可以按用户的要求设计分界时间ΔT，如果停泵时间大于ΔT之后再开泵，则可以得到一种状态；如果停泵时间小于ΔT就开泵，则可以得到另一种状态。由信号接收机构的两种状态可以进而控制各种井下可控工具的工况变换。该机构的优点是信号明确，信号接收机构的运动零件在密封的液压油缸内工作，不与泥浆接触。
文档编号E21B44/00GK1065121SQ9110143
公开日1992年10月7日 申请日期1991年3月15日 优先权日1991年3月15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