专利名称：一种用于钻井的泥浆动力双向控制液压系统及其操作方法
技术领域：
本发明涉及一种钻井工具液压系统及其操作方法，特别是关于一种用于旋转导向钻井系统中的导向执行机构的泥浆动力双向控制液压系统及其操作方法。
背景技术：
贝克休斯公司的AutoTrak旋转闭环钻井工具是通过在三个翼肋上施加不同的压力形成导向力矢量来控制井眼轨迹；斯伦贝谢公司的PowerDrive调制式全旋转导向钻井工具是通过承受高压的一个翼肋拍击井壁的频率和方向来控制井眼轨迹；哈里伯顿公司的 Geo-Pilot旋转导向自动钻井工具是通过控制其偏置机构内外偏心环的角度，形成偏心位移并使驱动轴发生弯曲来控制井眼轨迹。目前，国内尚没有自主研发、结构简单，对井下动力系统相应元器件需求少的旋转导向钻井工具。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种对井下动力系统相应元器件需求少，结构简单，用于旋转导向钻井系统中的导向执行机构的泥浆动力双向控制液压系统及其操作方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种用于钻井的泥浆动力双向控制液压系统，其特征在于它包括一号动力皮囊装置、二号储油皮囊装置、一号电磁阀、二号电磁阀和动力活塞缸；所述动力活塞缸内通过活塞杆和动力活塞划分为活塞腔和活塞杆腔； 所述活塞腔通过液压油路并联连接所述一号电磁阀和二号电磁阀，所述一号电磁阀还通过液压油路连接所述一号动力皮囊装置；所述二号电磁阀还通过液压油路连接所述二号储油皮囊装置；所述活塞杆腔通过液压油路并联连接所述一号动力皮囊装置和二号储油皮囊装置；所述活塞杆腔与所述二号储油皮囊装置连接的液压油路上还设置有单向阀。所述一号动力皮囊装置包括一泥浆动力皮囊，所述泥浆动力皮囊的泥浆入口敞开，且在所述泥浆入口处设置有钻柱内压压力传感器，所述泥浆动力皮囊的外部密封罩设一金属外壳，所述金属外壳与所述泥浆动力皮囊之间填充有液压油，所述金属外壳上设置有并联连接所述一号电磁阀和活塞杆腔的液压油路；所述二号储油皮囊装置包括一内置有液压油的储油皮囊，所述储油皮囊上设置有并联连接所述二号电磁阀和活塞杆腔的液压油路，所述储油皮囊的外部密封罩设一金属外壳，该所述金属外壳上设置有用于向该所述金属外壳与所述储油皮囊之间注入泥浆的泥浆入口，该所述泥浆入口处设置有环空压力传感器。
所述活塞腔与所述一号电磁阀和二号电磁阀并联连接的液压油路上还设置有缸内压力传感器和溢流阀。所述活塞杆位于所述动力活塞缸外部的一端设置有返回弹簧。上述用于钻井的泥浆动力双向控制液压系统的操作方法，其包括以下步骤1)沿钻柱周向每隔120°设置一个本发明液压系统，在钻柱上与本发明液压系统相对应的位置设置导向机构翼肋，返回弹簧与导向机构翼肋相接触，导向机构翼肋与井眼井壁接触；一号动力皮囊装置中，泥浆动力皮囊的泥浆入口连通钻柱内的泥浆；二号储油皮囊装置中，金属外壳上的泥浆入口连通钻柱与井壁环空之间的泥浆；幻增压过程打开一号电磁阀，关闭二号电磁阀，钻柱内的泥浆进入泥浆动力皮囊提供动力，推动泥浆动力皮囊与金属外壳之间填充的液压油经过一号电磁进入动力活塞缸的活塞腔，推动活塞杆向活塞杆腔运动，并压缩返回弹簧，推动导向机构冀肋顶靠在井眼井壁上，活塞杆腔内的液压油通过液压油路返回到一号动力皮囊装置中的泥浆动力皮囊与金属外壳之间；幻减压过程；打开二号电磁阀，关闭一号电磁阀，钻柱内的泥浆进入泥浆动力皮囊提供动力，推动泥浆动力皮囊与金属外壳之间填充的液压油进入动力活塞油缸的活塞杆腔，此时，活塞杆腔内的压力与钻柱内泥浆的压力相同，为Pl ；同时活塞腔内的液压油经过二号电磁阀流入储油皮囊内，而二号储油皮囊装置中的储油皮囊与金属外壳之间与环空泥浆连通，压力为P2，Pl > P2，动力活塞油缸的活塞腔和活塞杆腔之间的压力差和返回弹簧的恢复力，使导向机构冀肋缩回；4) 回油过程停止钻柱内的泥浆循环，关闭一号电磁阀和二号电磁阀，一号动力皮囊装置和动力活塞油缸内的压力逐渐降低，与储油皮囊的储油压力大小相当，动力皮囊及储油皮囊弹性收缩，使储油皮囊的油经单向阀流入动力活塞油缸的活塞杆腔和一号动力皮囊装置，达到回油的目的。所述减压过程中，P1-P2 = 4 6MPa。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明利用循环钻井液在井底钻头附近形成的钻柱内外流动压差(设计压力差为4 6MPa)，作为工作缸的驱动执行机构的动力源，因此，减少了对井下动力系统相应元器件的需求。2、本发明设置有一号动力皮囊装置，一号动力皮囊装置的动力由钻柱内泥浆提供G 6MPa)，将液压油通过液压油路注入动力活塞缸内，使活塞杆双向运动；采用这种双向液压控制的方式，可以在钻具不停钻、不停压的正常工作情况下，进行动力活塞缸内的活塞杆的换向控制，即对活塞杆可以实现双向伸缩的功能。3本发明设置有二号储油皮囊装置，二号储油皮囊装置主要储存一号动力皮囊装置排走的液压油，在停泵时，储油皮囊弹性收缩，将储油皮囊的液压油通过液压油路注回动力活塞缸和一号动力皮囊装置内，实现液压系统的回油补液功能。4、本发明通过电磁阀的开关增液和泄流，利用系统的密闭压力能支撑动力活塞缸，因此，可使活塞缸推靠的翼肋表面能支撑和承受接触井眼井壁较大的反压力(2000 3000kg)。5、本发明设置有动力活塞缸，通过动力活塞缸内的活塞杆的来回运动，调整导向翼肋的伸缩量，使钻柱上互成120°角设置的三个导向翼肋具有不同的伸出量，在钻头上方的底部钻柱相应位置横截面上形成一个偏心导向矢量，使下部钻柱和钻头所在的工具轴线偏离井眼中心轴线，由此使钻头造斜，并按照需要的方向钻进。6、本发明的工作介质为液压油，液压油填充在一号动力皮囊装置的泥浆动力皮囊和金属外壳之间，以及二号储油皮囊装置的储油皮囊内，液压油通过液压油路流动，与钻井循环和传压介质泥浆隔开，保证了工作介质的清洁。本发明以钻井循环泥浆做为动力，双向位移控制翼肋导向机构，结构简单，操作方便，所需井下动力系统相应元器件少，可广泛用于旋转导向钻井系统中。
图1是本发明系统结构示意图
图2是本发明系统安装位置示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明包括一号动力皮囊装置1、二号储油皮囊装置2、一号电磁阀3、 二号电磁阀4和动力活塞缸5。一号动力皮囊装置1包括一泥浆动力皮囊6，泥浆动力皮囊6的输入口 7敞开，用于向泥浆动力皮囊6内注入泥浆，且在泥浆动力皮囊6的输入口 7附近设置有钻柱内压压力传感器，泥浆动力皮囊6的外部密封罩设一金属外壳8，金属外壳8与泥浆动力皮囊6之间填充有液压油9，金属外壳8上连接一液压油路10。二号储油皮囊装置2包括一储油皮囊11，储油皮囊11内填充有液压油12，储油皮囊11的输入口连接一液压油路13，储油皮囊11的外部密封罩设一金属外壳14，金属外壳 14上设置有一泥浆入口 15，用于向金属外壳14与储油皮囊11之间注入泥浆，金属外壳14 的泥浆入口 15附近设置有环空压力传感器。动力活塞缸5包括一缸体16，缸体16内设置有一活塞杆17，活塞杆17的一端设置有一动力活塞18，动力活塞18将缸体16内分为两个腔，分别是活塞腔19和活塞杆腔20 ； 活塞杆17的另一端滑动穿出缸体16，且与缸体16之间密封，位于缸体16外部的活塞杆17 的端部设置有返回弹簧21，返回弹簧21与设置在钻柱22 (如图2所示)上的导向机构翼肋 23相接触，导向机构翼肋23与井眼井壁M接触。动力活塞油缸5的活塞腔19通过液压油路并联连接一号电磁阀3和二号电磁阀 4，一号电磁阀3还通过液压油路连接一号动力皮囊装置1中的金属外壳8上的液压油路 10;二号电磁阀4还通过液压油路连接二号储油皮囊装置2中的储油皮囊11输入口上的液压油路13。与活塞腔19连接的液压路路上还设置有用于监测动力活塞油缸5内压的压力传感器25和溢流阀26。动力活塞油缸5的活塞杆腔20通过液压油路并联连接一号动力皮囊装置1中的金属外壳上8的液压油路10和二号储油皮囊装置2中的储油皮囊11输入口上的液压油路13 ；其中，活塞杆腔20与二号储油皮囊装置2连接的液压油路上还设置有单向阀27。如图2所示，本发明的安装位置为本发明做为一个整体液压系统观设置在下部钻柱22上，沿钻柱22周向每隔120°设置一个本发明液压系统观，钻柱22底端设置有钻头喷嘴及节流装置四。导向机构翼肋23设置在钻柱22上与本发明液压系统观相对应的位置，且与本发明液压系统观中的返回弹簧21接触(如图1所示)。钻柱22上设置有采集控制系统30，采集控制系统30用于控制、采集设置在钻柱22上的环空压力传感器31和钻柱内压传感器32的压力信号，并用于控制本发明液压系统观中的一号电磁阀3和二号电磁阀4。本发明的工作过程为从钻柱22的顶端向钻柱22内注入循环泥浆，循环泥浆通过钻头喷嘴及节流装置四注入井底，从井底钻柱22与井壁环空上返的泥浆再循环注入钻柱22中；本发明利用钻柱22内的循环泥浆和钻柱22与井壁环空之间的循环泥浆作为动力源，钻柱22内注入的泥浆有一部分进入本发明一号动力皮囊装置1中的泥浆动力皮囊6 内，钻柱22与井壁环空上返的泥浆有一部分联通注入本发明二号储油皮囊装置2中的储油皮囊11和金属外壳14之间；通过钻柱22内循环泥浆和钻柱22与井壁环空上返泥浆之间的压差，作为本发明动力活塞缸5的动力，通过调整和双向控制本发明的动力活塞缸5，进而调节每个导向翼肋23的横向伸缩量，使互成120 °角的三个导向翼肋23具有不同的伸出量，在钻头上方的底部钻柱22相应位置横截面上形成一个偏心导向矢量，使下部钻柱(包括导向翼肋机构)和钻头所在的工具轴线偏离井眼中心轴线，由此原理使其钻头造斜，并按照需要的方向钻进。 本发明具有增压、减压和回油等三项关键动作。1)如图2所示，当钻进过程中，在井内建立循环泥浆，循环泥浆通过钻头喷嘴及节流装置四形成压力消耗，在钻头前后形成压力差，由于本发明一号动力皮囊装置1中的泥浆动力皮囊6与钻柱22内连通，本发明二号储油皮囊装置2中的储油皮囊11和金属外壳 14之间与钻柱22外环空连通，形成压力差，通过调节钻头喷嘴及节流装置四，可获得4 6ΜΙ^循环压差。2)如图1所示，本发明的增压过程打开一号电磁阀3，关闭二号电磁阀4，钻柱22 内的泥浆进入一号动力皮囊装置1的泥浆动力皮囊6提供动力，推动泥浆动力皮囊6与金属外壳8之间填充的液压油9经过一号电磁阀3进入动力活塞缸5的活塞腔19，由于活塞杆17在活塞腔19和活塞杆腔20的截面过油面积差，形成差压，推动活塞杆17向活塞杆腔 20运动，并压缩返回弹簧21，推动导向机构冀肋23顶靠在井眼井壁M上，活塞杆腔20内的液压油通过液压油路和一号电磁阀3进入活塞腔19中。3)如图1所示，本发明的减压过程；打开二号电磁阀4，关闭一号电磁阀3，钻柱22 内的泥浆进入一号动力皮囊装置1的泥浆动力皮囊6提供动力，推动泥浆动力皮囊6与金属外壳8之间填充的液压油9进入动力活塞油缸5的活塞杆腔20，此时，活塞杆腔20内的压力与钻柱22内泥浆的压力相同，为Pl ；同时活塞腔19内的液压油经过二号电磁阀4流入二号储油皮囊装置2中的储油皮囊11内，而二号储油皮囊装置2中的储油皮囊11与金属外壳14之间与环空泥浆连通，压力为Ρ2，Ρ1-Ρ2 = 4 6MPa>0，动力活塞油缸5的活塞腔19和活塞杆腔20之间的压力差和返回弹簧21 (200-300kg)的恢复力，使导向机构冀肋23缩回。4)如图1所示，本发明的回油过程由于动力活塞油缸5和一号动力皮囊装置1的储油体积有限，只能满足动力活塞油缸5来回运动7 8次，此时，需通过停止钻柱22内的泥浆循环，靠储油皮囊11的回油，不定期满足动力活塞油缸5的双向运动(伸出和收回) 的需要。具体操作方法为关闭一号电磁阀3和二号电磁阀4，钻柱22内的泥浆停止循环， 钻柱22内压力Pl逐渐降低至与环空泥浆压力P2大小相当，P1-P2接近为零，动力活塞油缸5失去动力而锁死，在活塞杆17往复运动过程中，膨胀的泥浆动力皮囊6和储油皮囊11 则弹性收缩，使储油皮囊11的油经单向阀27流入动力活塞油缸5的活塞杆腔20和一号动力皮囊装置1，达到回油的目的。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一种用于钻井的泥浆动力双向控制液压系统，其特征在于它包括一号动力皮囊装置、二号储油皮囊装置、一号电磁阀、二号电磁阀和动力活塞缸；所述动力活塞缸内通过活塞杆和动力活塞划分为活塞腔和活塞杆腔；所述活塞腔通过液压油路并联连接所述一号电磁阀和二号电磁阀，所述一号电磁阀还通过液压油路连接所述一号动力皮囊装置；所述二号电磁阀还通过液压油路连接所述二号储油皮囊装置；所述活塞杆腔通过液压油路并联连接所述一号动力皮囊装置和二号储油皮囊装置；所述活塞杆腔与所述二号储油皮囊装置连接的液压油路上还设置有单向阀。
2.如权利要求1所述的一种用于钻井的泥浆动力双向控制液压系统，其特征在于所述一号动力皮囊装置包括一泥浆动力皮囊，所述泥浆动力皮囊的泥浆入口敞开，且在所述泥浆入口处设置有钻柱内压压力传感器，所述泥浆动力皮囊的外部密封罩设一金属外壳，所述金属外壳与所述泥浆动力皮囊之间填充有液压油，所述金属外壳上设置有并联连接所述一号电磁阀和活塞杆腔的液压油路；所述二号储油皮囊装置包括一内置有液压油的储油皮囊，所述储油皮囊上设置有并联连接所述二号电磁阀和活塞杆腔的液压油路，所述储油皮囊的外部密封罩设一金属外壳， 该所述金属外壳上设置有用于向该所述金属外壳与所述储油皮囊之间注入泥浆的泥浆入口，该所述泥浆入口处设置有环空压力传感器。
3.如权利要求1所述的一种用于钻井的泥浆动力双向控制液压系统，其特征在于所述活塞腔与所述一号电磁阀和二号电磁阀并联连接的液压油路上还设置有缸内压力传感器和溢流阀。
4.如权利要求2所述的一种用于钻井的泥浆动力双向控制液压系统，其特征在于所述活塞腔与所述一号电磁阀和二号电磁阀并联连接的液压油路上还设置有缸内压力传感器和溢流阀。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种用于钻井的泥浆动力双向控制液压系统，其特征在于所述活塞杆位于所述动力活塞缸外部的一端设置有返回弹簧。
6.一种如权利要求1 5任一项所述用于钻井的泥浆动力双向控制液压系统的操作方法，其包括以下步骤1)沿钻柱周向每隔120°设置一个本发明液压系统，在钻柱上与本发明液压系统相对应的位置设置导向机构翼肋，返回弹簧与导向机构翼肋相接触，导向机构翼肋与井眼井壁接触；一号动力皮囊装置中，泥浆动力皮囊的泥浆入口连通钻柱内的泥浆；二号储油皮囊装置中，金属外壳上的泥浆入口连通钻柱与井壁环空之间的泥浆；2)增压过程打开一号电磁阀，关闭二号电磁阀，钻柱内的泥浆进入泥浆动力皮囊提供动力，推动泥浆动力皮囊与金属外壳之间填充的液压油经过一号电磁进入动力活塞缸的活塞腔，推动活塞杆向活塞杆腔运动，并压缩返回弹簧，推动导向机构冀肋顶靠在井眼井壁上，活塞杆腔内的液压油通过液压油路返回到一号动力皮囊装置中的泥浆动力皮囊与金属外壳之间；3)减压过程；打开二号电磁阀，关闭一号电磁阀，钻柱内的泥浆进入泥浆动力皮囊提供动力，推动泥浆动力皮囊与金属外壳之间填充的液压油进入动力活塞油缸的活塞杆腔， 此时，活塞杆腔内的压力与钻柱内泥浆的压力相同，为Pl ；同时活塞腔内的液压油经过二号电磁阀流入储油皮囊内，而二号储油皮囊装置中的储油皮囊与金属外壳之间与环空泥浆连通，压力为P2，Pl > P2，动力活塞油缸的活塞腔和活塞杆腔之间的压力差和返回弹簧的恢复力，使导向机构冀肋缩回；4)回油过程停止钻柱内的泥浆循环，关闭一号电磁阀和二号电磁阀，一号动力皮囊装置和动力活塞油缸内的压力逐渐降低，与储油皮囊的储油压力大小相当，动力皮囊及储油皮囊弹性收缩，使储油皮囊的油经单向阀流入动力活塞油缸的活塞杆腔和一号动力皮囊装置，达到回油的目的。
7.如权利要求6所述的一种用于钻井的泥浆动力双向控制液压系统的操作方法，其特征在于所述减压过程中，P1-P2 = 4 6MPa。
全文摘要
本发明涉及一种用于钻井的泥浆动力双向控制液压系统及其操作方法，其特征在于它包括一号动力皮囊装置、二号储油皮囊装置、一号电磁阀、二号电磁阀和动力活塞缸；动力活塞缸内通过活塞杆和动力活塞划分为活塞腔和活塞杆腔；活塞腔通过液压油路并联连接一号电磁阀和二号电磁阀，一号电磁阀还通过液压油路连接一号动力皮囊装置；二号电磁阀还通过液压油路连接二号储油皮囊装置；活塞杆腔通过液压油路并联连接一号动力皮囊装置和二号储油皮囊装置；活塞杆腔与二号储油皮囊装置连接的液压油路上还设置有单向阀。本发明以钻井循环泥浆做为动力，双向位移控制翼肋导向机构，结构简单，操作方便，所需井下动力系统相应元器件少，可广泛用于旋转导向钻井系统中。
文档编号E21B7/08GK102383729SQ20111020481
公开日2012年3月21日 申请日期2011年7月21日 优先权日2011年7月21日
发明者傅鑫生, 刘恩惠, 周建良, 姜伟, 李汉兴, 牛海峰, 蒋世全 申请人:中国海洋石油总公司, 中海石油研究中心