高精度井下钻具.pdf

本发明公开了高精度井下钻具，包括，钻具外套，液压推靠装置、旋转速度传感器及控制器，液压推靠装置及旋转速度传感器设置于钻具外套的外壁，液压推靠装置的张开方向为钻具外套的径向延伸方向，旋转速度传感器的输出端与控制器的输入端连接，控制器的输出端与液压推靠装置的驱动端连接，控制器根据旋转速度传感器的输出值驱动液压推靠装置张开或复位。解决了现有推靠式垂钻钻井工具容易出现纠斜控制错误和工具失效的情况。从而当外套发生旋转时，可有效防止外套旋转，而不发生旋转时正常控制纠斜，克服了现有外套旋转方法的不足，即防止了钻进时外套旋转，又不会破坏井壁。

1.  高精度井下钻具，包括，钻具外套，其特征在于，还包括：液压推 靠装置、旋转速度传感器及控制器，所述液压推靠装置及旋转速度传感器 设置于所述钻具外套的外壁，所述液压推靠装置的张开方向为钻具外套的 径向延伸方向，所述旋转速度传感器的输出端与所述控制器的输入端连接， 所述控制器的输出端与所述液压推靠装置的驱动端连接，所述控制器根据 旋转速度传感器的输出值驱动所述液压推靠装置张开或复位。

2.  根据权利要求1所述的高精度井下钻具，其特征在于，所述液压推 靠装置包括，液压驱动缸及推靠巴掌；所述推靠巴掌的一端与所述钻具外 套的外壁活动连接，所述推靠巴掌的另一端与所述液压驱动缸的驱动缸杆 连接，在所述驱动缸杆的推动下张开或复位。

3.  根据权利要求1所述的高精度井下钻具，其特征在于，所述液压推 靠装置为多个，沿所述钻具外套的外圆均匀分布。

4.  根据权利要求3所述的高精度井下钻具，其特征在于，所述推靠巴 掌的数量为：3个、5个或7个。

5.  根据权利要求2所述的高精度井下钻具，其特征在于，所述控制器 包括：若所述旋转速度传感器的输出值大于设定值，则驱动所述液压推靠 装置的液压驱动缸动推动所述推靠巴掌张开。

6.  根据权利要求2所述的高精度井下钻具，其特征在于，所述控制器 包括：若所述旋转速度传感器的输出值小于设定值，则驱动所述液压推靠 装置的液压驱动缸动推动所述推靠巴掌复位。

7.  根据权利要求5或6所述的高精度井下钻具，其特征在于，所述推 靠巴掌的外支撑端的外侧固定连接阻尼板。

8.  根据权利要求7所述的高精度井下钻具，其特征在于，所述推靠巴 掌的外支撑端的结构为多指结构。

9.  根据权利要求1所述的高精度井下钻具，其特征在于，所述旋转速 度传感器包括：第一旋转速度传感器及第二旋转速度传感器；所述控制器 将所述第一旋转速度传感器与第二旋转速度传感器的输出值进行比对，若 数值相同，则根据所述第一旋转速度传感器或第二旋转速度传感器的输出 值驱动所述液压推靠装置张开或复位；若数值不同，则向外发出报警信息。

10.  根据权利要求3所述的高精度井下钻具，其特征在于，所述控制 器根据旋转速度传感器的输出值，驱动多个所述液压推靠装置张开的步骤 包括：
所述控制器根据旋转速度传感器的输出值，在第一设定时间内，驱动 多个所述液压推靠装置张开至第一位置，所述液压推靠装置位于所述第一 位置时，所述液压推靠装置的支撑外径小于井壁10～15mm；在第二设定时间 内，驱动所述液压推靠装置从第一位置张开至第二位置，使所述液压推靠 装置对井壁形成支撑。

高精度井下钻具
技术领域
本发明涉及垂直钻井领域，尤其涉及高精度井下钻具。 
背景技术
垂直钻井工具在石油钻探领域主要用于高陡构造、断层、盐层等地质情况复杂结构井中，用于解决传统钻井设备容易出现的井斜角过大等问题，具有提高钻速、降低成本的重要作用。从20世纪80年代后期以来，国内油田大都进入开采后期，新开发油田大部分位于甘肃、新疆等地质条件复杂的环境中，因而对垂直钻井工具的使用日益增多。垂直钻井工具在钻进过程中，因井眼扩大率、地层及地质参数的变化，不旋转外套会出现不同程度的缓慢旋转，在美国专利US6427783中提到，当钻井工具的芯轴转速达到100RPM-600RPM(转/分钟)时，不旋转外套也会出现不超过2RPM的转速。 
对于推靠式垂钻钻井系统，外套的旋转会给整只工具带来严重影响；工具的导向外套快速旋转时(大于2RPM)，工具采集的高边工具面角也会出现剧烈变化，容易出现纠斜控制错误和工具失效的情况。采用电机泵独立液压节方案的导向工具，因微型泵的排量很小，推靠巴掌伸出和收回需要1-5分钟的时间，无法响应快速的高边工具面角变化，一旦出现不旋转外套快速旋转，垂直钻井工具将失去纠斜作用。 
针对上述现有技术中的问题，在现有的推靠式垂钻钻井工具中，采用了一些防旋转措施，如：在外套上安装导轮的方式进行防止旋转。但这一结构需要添加额外结构，增加了导向部分的长度要求，另外，由于导轮本身为机械结构，不会随着钻眼尺寸的变化而变化，因此难以适应井下井眼扩大率变化的情况，磨损率较高；另外自身凸起的结构对小井眼的井壁会产生破坏作用，影响井眼质量。 
发明内容
鉴于现有技术中存在的情况，根据本发明的一个方面，提供高精度井下钻具，包括，钻具外套，液压推靠装置、旋转速度传感器及控制器，所述液压推靠装置及旋转速度传感器设置于所述钻具外套的外壁，所述液压推靠装置的张开方向为钻具外套的径向延伸方向，所述旋转速度传感器的输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与所述液压推靠装置的驱动端连接，所述控制器根据旋转速度传感器的输出值驱动所述液压推靠装置张开或复位。 
在一种优选的实施方式中，所述液压推靠装置包括，液压驱动缸及推靠巴掌；所述推靠巴掌的一端与所述钻具外套的外壁活动连接，所述推靠巴掌的另一端与所述液压驱动缸的驱动缸杆连接，在所述驱动缸杆的推动下张开或复位。 
在一种优选的实施方式中，所述液压推靠装置为多个，沿所述钻具外套的外圆均匀分布。 
在一种优选的实施方式中，所述推靠巴掌的数量为：3个、5个或7个。 
在一种优选的实施方式中，所述控制器包括：若所述旋转速度传感器的输出值大于设定值，则驱动所述液压推靠装置的液压驱动缸动推动所述推靠巴掌张开。 
在一种优选的实施方式中，所述控制器包括：若所述旋转速度传感器的输出值小于设定值，则驱动所述液压推靠装置的液压驱动缸动推动所述推靠巴掌复位。 
在一种优选的实施方式中，所述推靠巴掌的外支撑端的外侧固定连接阻尼板。 
在一种优选的实施方式中，所述推靠巴掌的外支撑端的结构为多指结构。 
在一种优选的实施方式中，所述旋转速度传感器包括：第一旋转速度传感器及第二旋转速度传感器；所述控制器将所述第一旋转速度传感器与第二旋转速度传感器的输出值进行比对，若数值相同，则根据所述第一旋转速度传感器或第二旋转速度传感器的输出值驱动所述液压推靠装置张开或复位；若数值不同，则向外发出报警信息。 
在一种优选的实施方式中，所述控制器根据旋转速度传感器的输出值，驱动多个所述液压推靠装置张开的步骤包括：所述控制器根据旋转速度传 感器的输出值，在第一设定时间内，驱动多个所述液压推靠装置张开至第一位置，所述液压推靠装置位于所述第一位置时，所述液压推靠装置的支撑外径小于井壁10～15mm；在第二设定时间内，驱动所述液压推靠装置从第一位置张开至第二位置，使所述液压推靠装置对井壁形成支撑。 
通过上述技术方案，本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明通过液压推靠装置的展开，对井壁具有一定的支持作用，因此，当外套发生旋转时，可有效防止外套旋转，而不发生旋转时正常控制纠斜，克服了现有外套旋转方法的不足，即防止了钻进时外套旋转，又不会破坏井壁。 
附图说明
图1为本发明一种实施方式中高精度井下钻具的结构示意图， 
图2为本发明一种实施方式中高精度井下钻具的控制系统组成示意图。 
附图标记:1.芯轴，2.不旋转外套，3.轴承，4.电子节，5.液压节，6.推靠巴掌,7.旋转速度传感器,8.控制器,9.液压推靠装置,10.液压推靠装置,11.液压推靠装置。 
具体实施方式
下面结合附图1～2对本发明作进一步详细的说明。 
如图1所示，本发明一种实施方式中高精度井下钻具的结构为，井下钻具主轴1和钻具外套2通过轴承3相连。液压推靠装置(图中5、6)、旋转速度传感器7及控制器8装配于钻具外套2的外壁上。其中，液压推靠装置包括，液压驱动缸5及推靠巴掌6；推靠巴掌6的一端与钻具外套2的外壁活动连接，推靠巴掌6的另一端与液压驱动缸5的驱动缸杆连接，在驱动缸杆的推动下张开或复位。液压推靠装置2的张开方向为钻具外套的径向延伸方向。上述液压推靠装置可设置为多个，沿钻具外套2的外圆均匀分布。其中，液压推靠装置的数量可为：3个、5个或7个，多个液压推靠装置，即液压推靠装置9、液压推靠装置10及液压推靠装置11可设置在图示的液压节中。旋转速度传感器7及控制器8安装在电子节4中。 
旋转速度传感器7的输出端与控制器8的输入端连接，控制器8的输出端与液压推靠装置，即液压驱动缸5的液压动力驱动端连接，根据旋转速度传感器的输出值驱动所述液压推靠装置的张开或复位。井下钻具主轴1由钻杆带动高速旋转(转速一般为60-200RPM)，钻具外套2，因液压节5 工作推动推靠巴掌6支撑住井壁，只随着井下钻具主轴1缓慢旋转。如图2所示，旋转速度传感器7、控制器8、液压推靠装置9、液压推靠装置10及液压推靠装置11都连接于Can总线上，从而完成通信。其中，旋转速度传感器7可采用常规转数或高精度转速传感器给予实现。控制器8可采用可编程控制单元给予实现。 
当钻具外套2转速未超过设定转速阀值时，如：0.18RPM时，控制器8通过Can总线与旋转速度传感器7通信，不对液压推靠装置进行驱动。当控制器8通过Can接收到旋转速度传感器7的转速超过设定阀值时，通过Can总线对液压推靠装置进行驱动，液压推靠装置中的液压驱动缸5动作，带动推靠巴掌6向外扩张，对井壁进行支撑，产生摩擦扭矩阻止外套2旋转；直至外套2转速降到设定的阈值下，此时中央控制器8认为外套2已经停止旋转，即，当钻具外套2转速回复到超过设定转速阀值时，若所述旋转速度传感器的输出值小于设定值，则驱动所述液压推靠装置的液压驱动缸动推动推靠巴掌复位。整个防止外套旋转技术为闭环控制技术。 
为使上述制动过程更为平稳，在本发明的一种实施方式中，推靠巴掌6的外支撑端的外侧固定连接阻尼板。并且可将推靠巴掌的外支撑端的结构设计为叉形的多指结构，从而更有利于对井壁进行支持。 
为使本发明中的井下速度测量更为准确，在本发明的一种实施方式中，旋转速度传感器还包括：第一旋转速度传感器及第二旋转速度传感器；所述控制器将所述第一旋转速度传感器与第二旋转速度传感器的输出值进行比对，若数值相同，则根据所述第一旋转速度传感器或第二旋转速度传感器的输出值驱动所述液压推靠装置张开或复位；若数值不同，则向外发出报警信息。 
当液压推靠装置沿钻具外套2的圆周均匀分布时，为防止某一个液压推靠装置的推靠巴掌的外推速度不一致，从而造成在制动过程中的钻具主轴1的偏离，在本发明的一种实施方式中，控制器根据旋转速度传感器的输出值，驱动多个所述液压推靠装置张开的步骤包括：控制器根据旋转速度传感器的输出值，在第一设定时间内，驱动多个所述液压推靠装置张开至第一位置，所述液压推靠装置位于所述第一位置时，所述液压推靠装置的支撑外径小于井壁10～15mm；在第二设定时间内，驱动所述液压推靠装置从第一位置张开至第二位置，使所述液压推靠装置对井壁形成支撑。从而采用了两次外壁支持方式。从而避免了较大的偏移。 
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。