專利名稱：控制隨鉆擴眼鉆壓分配關(guān)系的雙轉(zhuǎn)速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及石油天然氣鉆井用的一種特殊井下工具，特別涉及一種控制隨鉆擴眼鉆壓分配關(guān)系的雙轉(zhuǎn)速裝置，用于控制隨鉆擴眼過程中地面施加的鉆壓在隨鉆擴眼器和領(lǐng)眼鉆頭之間的分配關(guān)系。
背景技術(shù)：
近年來，油氣鉆井領(lǐng)域中的隨鉆擴眼技術(shù)被應(yīng)用于穿越膨脹性地層、優(yōu)化套管層次，提高固井質(zhì)量等方面，已逐漸從傳統(tǒng)的應(yīng)急性措施轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃討?yīng)用的必備措施。在特殊復(fù)雜區(qū)域，擴眼技術(shù)與其它鉆井技術(shù)相融合，形成了套管鉆井、導(dǎo)向擴眼鉆井、單一直徑鉆井等特色鮮明的新技術(shù)，而擴眼工具的設(shè)計和使用也受到越來越廣泛的重視。隨鉆擴眼過程中，級聯(lián)為一體的領(lǐng)眼鉆頭與隨鉆擴眼器前后相隨，處于不同的井身位置，切削不盡相同的巖層，承受不同的外力，卻需要保持近乎一致的機械鉆速。實際上，二者的瞬時機械鉆速往往難以保持完全相同，影響因素主要有地層的交錯，鉆具切削能力的變化，鉆井工藝參數(shù)的變化等。作為示例，不妨考慮隨鉆擴眼裝置鉆入軟硬交錯的地層時的鉆壓分配情況。假定由硬地層進入軟地層，則領(lǐng)眼鉆頭首先接觸容易破碎的軟地層，而擴眼器還處在較難破碎的硬地層，那么領(lǐng)眼鉆頭進入軟地層時的瞬時鉆速突然增大，而作用于其上的鉆壓迅速減小，減小的那部分鉆壓將立刻轉(zhuǎn)移到擴眼器上。而由軟地層進入硬地層時，情況恰好相反，作用于領(lǐng)眼鉆頭的瞬時鉆壓將迅速增大。那么可以發(fā)現(xiàn)，對領(lǐng)眼鉆頭而言，當(dāng)其瞬時鉆速高于擴眼器時，作用其上的鉆壓將減?。划?dāng)其瞬時鉆速低于擴眼器時，作用其上的鉆壓將增大。研究人員指出，擴眼過程常常伴隨粘滑、振動等惡劣工況，造成這一現(xiàn)象的原因之一是鉆壓在擴眼器和領(lǐng)眼鉆頭之間的分配不合理。事實上，在擴眼裝置的設(shè)計過程中就應(yīng)給出鉆壓分配的參考值。計算鉆壓分配的常規(guī)方法是幾何面積法，即將擴眼器與領(lǐng)眼鉆頭切除巖石的橫截面積比作為二者所受鉆壓之比。該法涉及因素單一，準確度較低。夏炎將井壁視為受內(nèi)外壓的厚壁筒，分析了鉆頭與擴眼器所切削地層的抗壓強度差異，提出了表征上述差異的階梯效應(yīng)指數(shù)并將其引入鉆壓分配比的計算，但該法假設(shè)擴眼器與領(lǐng)眼鉆頭切削巖石的功率相同，適應(yīng)領(lǐng)域較窄。Thomson等人提出通過調(diào)整領(lǐng)眼鉆頭和隨鉆擴眼器的布齒結(jié)構(gòu)從而合理控制鉆壓分配的方法并進行了試驗。然而該法不適用于復(fù)雜多變的地層，并且一旦切削齒磨損之后其切削能力亦發(fā)生變化，這種變化幅度難以預(yù)估，故很難保證擴眼過程中鉆壓的合理分配。迄今為止，尚無合理的方案可在隨鉆擴眼過程中保持擴眼器與領(lǐng)眼鉆頭之間的穩(wěn)定的鉆壓分配關(guān)系。

實用新型內(nèi)容為了實現(xiàn)鉆壓在擴眼器和領(lǐng)眼鉆頭之間的合理分配，保證擴眼過程的安全與穩(wěn)定，本實用新型提供了 一種控制隨鉆擴眼鉆壓分配關(guān)系的雙轉(zhuǎn)速裝置。[0009]所述技術(shù)方案如下一種控制隨鉆擴眼鉆壓分配關(guān)系的雙轉(zhuǎn)速裝置，包括隨鉆擴眼器和領(lǐng)眼鉆柱，所述領(lǐng)眼鉆柱內(nèi)設(shè)有液動馬達和領(lǐng)眼鉆頭，所述領(lǐng)眼鉆頭與所述液動馬達連接，用于驅(qū)動所述領(lǐng)眼鉆頭旋轉(zhuǎn)，其特征在于，所述領(lǐng)眼鉆柱內(nèi)還設(shè)有測控裝置，所述測控裝置包括電磁閥，設(shè)置于所述領(lǐng)眼鉆柱的柱體內(nèi)，其進口通過孔狀流道與所述領(lǐng)眼鉆柱的空腔連通，其出口通過側(cè)噴嘴與井眼環(huán)空連通；鉆壓檢測器，密封于所述領(lǐng)眼鉆柱的柱體內(nèi)，用于實時檢測所述領(lǐng)眼鉆柱的鉆壓；微處理器，密封于領(lǐng)眼鉆柱的柱體內(nèi)，且分別與所述電磁閥和鉆壓檢測器相連接，用于控制所述鉆壓檢測器的工作狀態(tài)和電磁閥的開啟程度；電池，密封于領(lǐng)眼鉆柱的柱體內(nèi)，為所述鉆壓檢測器、微處理器及電磁閥供電；所述微處理器運行有鉆壓預(yù)設(shè)模塊、鉆壓比較模塊和電磁閥控制模塊，鉆壓預(yù)設(shè)模塊，用于存儲所述領(lǐng)眼鉆柱的鉆壓預(yù)設(shè)閾限值；鉆壓比較模塊，用于比較所測鉆壓與鉆壓預(yù)設(shè)閾限值的大??；電磁閥控制模塊，接收所述鉆壓比較模塊的信號，并根據(jù)比較信號調(diào)整所述電磁閥的開度。其中，所述鉆壓預(yù)設(shè)模塊所預(yù)設(shè)的鉆壓閾限值為總鉆壓的50% 70%，所述總鉆壓為隨鉆擴眼器與領(lǐng)眼鉆柱所承受的鉆壓之和。進一步地，所述裝置還包括一個中空的測控短節(jié)，所述測控裝置設(shè)置于所述測控短節(jié)內(nèi)，所述測控短節(jié)的兩端分別與所述隨鉆擴眼器和液動馬達連接。所述的領(lǐng)眼鉆頭為PDC鉆頭、牙輪鉆頭或混合齒鉆頭；所述的隨鉆擴眼器安裝roc切削齒。所述的液動馬達為螺桿馬達或渦輪馬達，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由流經(jīng)其中的鉆井液流量大小控制。本實用新型實施例提供的技術(shù)方案的有益效果是(I)通過鉆壓檢測器實時檢測并記錄領(lǐng)眼鉆頭鉆柱上的鉆壓數(shù)據(jù)，便于分析鉆進動態(tài)過程；通過微處理器中的鉆壓比較模塊對鉆壓測量值、鉆壓預(yù)設(shè)閾限值進行比較，當(dāng)鉆壓測量值超出鉆壓預(yù)設(shè)閾限值時，通過調(diào)整流經(jīng)液動馬達的鉆井液流量控制領(lǐng)眼鉆頭的轉(zhuǎn)速，進而實現(xiàn)隨鉆擴眼器與領(lǐng)眼鉆柱之間的鉆壓分配，將鉆壓分配控制在合理范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)更為穩(wěn)定、安全的擴眼鉆進過程，提高工具使用壽命，節(jié)約鉆進成本。(2)本實用新型只需選配合適的接頭，即可將該裝置用于各種類型的隨鉆擴眼裝置。

為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I是本實用新型所提出的控制隨鉆擴眼鉆壓分配關(guān)系的裝置；[0028]圖2是圖I中隨鉆擴眼器與測控短節(jié)結(jié)構(gòu)剖視圖；圖3是圖I中的領(lǐng)眼鉆頭和液動馬達結(jié)構(gòu)剖視圖；圖4是圖I中的測控短節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是測控裝置控制原理框圖。圖中I.隨鉆擴眼器，2.測控短節(jié)，3.液動馬達，4.領(lǐng)眼鉆頭，5.擴眼器內(nèi)部流道，6.測控短節(jié)內(nèi)部流道，7.液動馬達轉(zhuǎn)子，8.萬向節(jié)，9.側(cè)噴嘴，10.電磁閥，11.微處理器，12.電池，13.電磁閥進口，14.領(lǐng)眼鉆柱。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本實用新型實施方式作進一步地詳細描述。本實用新型提供了 一種隨鉆擴眼鉆壓分配關(guān)系的雙轉(zhuǎn)速方法，所述方法包括對領(lǐng)眼鉆柱14的鉆壓值進行實時測量，獲取領(lǐng)眼鉆柱14的鉆壓測量值；比較鉆壓測量值與預(yù)設(shè)的領(lǐng)眼鉆柱14鉆壓閾限值；若鉆壓測量值超出預(yù)設(shè)的閾限值，通過調(diào)整流經(jīng)液動馬達的鉆井液流量控制領(lǐng)眼鉆頭的轉(zhuǎn)速，進而控制其機械鉆速，并改變鉆壓分配關(guān)系。其中所述的領(lǐng)眼鉆頭鉆壓的閾限值為總鉆壓的50% 70%，所述總鉆壓為隨鉆擴眼器與領(lǐng)眼鉆頭所承受的鉆壓之和。當(dāng)領(lǐng)眼鉆頭的鉆壓測量值超出所設(shè)定的閾限值時，對領(lǐng)眼鉆頭的鉆速進行控制，具體包括當(dāng)鉆壓測量值高于總鉆壓的70%時，通過增加流經(jīng)液動馬達的鉆井液流量提高領(lǐng)眼鉆頭的轉(zhuǎn)速；當(dāng)鉆壓測量值低于總鉆壓的50%時，通過減少流經(jīng)液動馬達的鉆井液流量降低領(lǐng)眼鉆頭的轉(zhuǎn)速。請參閱圖I 圖4，本實用新型還提供了一種控制隨鉆擴眼鉆壓分配關(guān)系的雙轉(zhuǎn)速裝置，包括隨鉆擴眼器I、液動馬達3、領(lǐng)眼鉆柱14和測控短節(jié)2，也可以將測控短節(jié)2與領(lǐng)眼鉆柱14為一個整體，優(yōu)選將測控短節(jié)2分離出來，隨鉆擴眼器I由地面鉆機驅(qū)動；所述領(lǐng)眼鉆頭4與所述液動馬達3連接，用于驅(qū)動所述領(lǐng)眼鉆頭4旋轉(zhuǎn)，測控短節(jié)2用于檢測領(lǐng)眼鉆柱14鉆壓的大小并控制下方液動馬達3的轉(zhuǎn)速，液動馬達轉(zhuǎn)子7通過萬向節(jié)8與領(lǐng)眼鉆頭4相連。測控短節(jié)2上部和下部均加工有接頭，安裝時上部連接隨鉆擴眼器1，下部連接液動馬達3即可，擴眼器內(nèi)部流道5、測控短節(jié)內(nèi)部流道6及領(lǐng)眼鉆柱14相連通。其中的測控短節(jié)2內(nèi)嵌有測控裝置，測控裝置包括電磁閥10，設(shè)置于測控短節(jié)2的柱體內(nèi)，電磁閥進口 13通過孔狀流道與測控短節(jié)內(nèi)部流道6連通，其出口通過孔狀流道與測控短節(jié)2的井眼環(huán)空連通；其中與電磁閥出口相連通的流道出口處設(shè)有側(cè)噴嘴9 ；鉆壓檢測器，密封于測控短節(jié)2的柱體內(nèi)，用于實時檢測領(lǐng)眼鉆柱的鉆壓；微處理器11，密封于測控短節(jié)2的柱體內(nèi)，且分別與電磁閥10和鉆壓檢測器相連接，用于接收鉆壓檢測器的鉆壓信號和電磁閥10的電磁閥的開啟程度；電池12，密封于測控短節(jié)2的柱體內(nèi)，為所述鉆壓檢測器、微處理器11及電磁閥10供電；所述微處理器11運行有鉆壓預(yù)設(shè)模塊、鉆壓比較模塊和電磁閥控制模塊，鉆壓預(yù)設(shè)模塊，用于存儲所述領(lǐng)眼鉆柱14的預(yù)設(shè)鉆壓閾限值；鉆壓比較模塊，用于比較所測鉆壓與預(yù)設(shè)的鉆壓閾限值的大??；電磁閥控制模塊，用來接收所述鉆壓比較模塊的信號，并根據(jù)比較信號調(diào)整所述電磁閥的開度，實現(xiàn)鉆壓合理分配。若所測鉆壓超出所設(shè)定的領(lǐng)眼鉆閾限值，通過調(diào)整所述電磁閥10的開度來控制領(lǐng)眼鉆頭4的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)鉆壓合理分配。上述的領(lǐng)眼鉆頭4可以選用PDC鉆頭、牙輪鉆頭或混合齒鉆頭；隨鉆擴眼器采用
PDC切削齒，液動馬達可選用現(xiàn)有技術(shù)中的螺桿馬達或渦輪馬達，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由流經(jīng)其中的鉆井液流量大小控制。該裝置專用于復(fù)雜區(qū)域的隨鉆擴眼作業(yè)。作業(yè)開始前，將工具下入井底后緩慢開泵，充分循環(huán)I 2次以保證井底清潔。之后逐漸施加鉆壓，保持隨鉆擴眼器轉(zhuǎn)速ω 約50 60rpm。一旦測控短節(jié)2檢測到鉆壓信號，電磁閥即開啟，調(diào)整流經(jīng)液動馬達的流量，使鉆頭轉(zhuǎn)速達到設(shè)計的ω 2，保證鉆壓分配關(guān)系達到設(shè)計范圍。一般應(yīng)保證領(lǐng)眼鉆柱14所承擔(dān)鉆壓達到總鉆壓的50% -70%。擴眼作業(yè)開始前，應(yīng)在零鉆壓條件下逐漸加大泵量，使擴孔器完全張開；之后加大鉆壓，進入擴眼階段，保持鉆壓和地面泵的排量，直至擴眼終了。測控短節(jié)2安裝于隨鉆擴眼器I下部，液動馬達3上部，由電池12供電。整個擴眼鉆進過程中，電磁閥10始終保持開啟狀態(tài)，也即部分流量經(jīng)測控短節(jié)2內(nèi)部流道6由電磁閥進口 13進入電磁閥10，并通過流道由側(cè)噴嘴9直接進入環(huán)空，而不經(jīng)過領(lǐng)眼鉆頭4。微處理器11控制鉆壓檢測器實時測量作用于領(lǐng)眼鉆柱14的鉆壓值；當(dāng)測得值低于閾限值時，微處理器將使電磁閥開度增大，則噴嘴流量增大，而流經(jīng)液動馬達的流量減小，領(lǐng)眼鉆頭轉(zhuǎn)速隨之降低，從而限制了領(lǐng)眼鉆頭的瞬時機械鉆速，作用于其上的鉆壓增大，從而將鉆壓分配維持在一個合理的范圍內(nèi)。其具體控制原理見圖5所示，當(dāng)鉆壓檢測器測得領(lǐng)眼鉆柱的鉆壓，通過微處理器中的鉆壓預(yù)設(shè)模塊設(shè)定鉆壓的閾限值，微處理器中的比較模塊接收鉆壓檢測器所測鉆壓信號，并通過比較鉆壓測定值與預(yù)設(shè)閾限值的數(shù)值大小，當(dāng)所測鉆壓值超出所預(yù)設(shè)的閾限值的范圍時，通過電磁閥控制模塊控制電磁閥執(zhí)行調(diào)整開度大小動作，具體調(diào)整方式包括以下兩種情況當(dāng)所測鉆壓值高于閾限值時，電磁閥控制模塊將指令信號發(fā)送至電磁閥，將電磁閥10開度調(diào)小，流經(jīng)液動馬達3的流量增大，鉆頭轉(zhuǎn)速隨之增大，從而增大鉆頭瞬時機械鉆速，減小作用于其上的鉆壓，調(diào)整了鉆壓分配關(guān)系；當(dāng)所測鉆壓值低于閾限值時，電磁閥控制模塊將指令信號發(fā)送至電磁閥，將電磁閥10開度調(diào)大，流經(jīng)液動馬達3的流量減小，鉆頭轉(zhuǎn)速隨之減小，從而降低了鉆頭瞬時機械鉆速，增大作用于其上的鉆壓，調(diào)整了鉆壓分配關(guān)系。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種控制隨鉆擴眼鉆壓分配關(guān)系的雙轉(zhuǎn)速裝置，包括隨鉆擴眼器和領(lǐng)眼鉆柱，所述領(lǐng)眼鉆柱內(nèi)設(shè)有液動馬達和領(lǐng)眼鉆頭，所述領(lǐng)眼鉆頭與所述液動馬達連接，用于驅(qū)動所述領(lǐng)眼鉆頭旋轉(zhuǎn)，其特征在于，所述領(lǐng)眼鉆柱內(nèi)還設(shè)有測控裝置，所述測控裝置包括 電磁閥，設(shè)置于所述領(lǐng)眼鉆柱的柱體內(nèi)，其進口通過孔狀流道與所述領(lǐng)眼鉆柱的空腔連通，其出口通過側(cè)噴嘴與井眼環(huán)空連通； 鉆壓檢測器，密封于所述領(lǐng)眼鉆柱的柱體內(nèi)，用于實時檢測所述領(lǐng)眼鉆柱的鉆壓； 微處理器，密封于領(lǐng)眼鉆柱的柱體內(nèi)，且分別與所述電磁閥和鉆壓檢測器相連接，用于控制所述鉆壓檢測器的工作狀態(tài)和電磁閥的開啟程度； 電池，密封于領(lǐng)眼鉆柱的柱體內(nèi)，為所述鉆壓檢測器、微處理器及電磁閥供電； 所述微處理器運行有鉆壓預(yù)設(shè)模塊、鉆壓比較模塊和電磁閥控制模塊， 鉆壓預(yù)設(shè)模塊，用于存儲所述領(lǐng)眼鉆柱的鉆壓預(yù)設(shè)閾限值； 鉆壓比較模塊，用于比較所測鉆壓與鉆壓預(yù)設(shè)閾限值的大小； 電磁閥控制模塊，接收所述鉆壓比較模塊的信號，并根據(jù)比較信號調(diào)整所述電磁閥的開度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制隨鉆擴眼鉆壓分配關(guān)系的雙轉(zhuǎn)速裝置，其特征在于， 所述鉆壓預(yù)設(shè)模塊所預(yù)設(shè)的鉆壓閾限值為總鉆壓的50% 70%，所述總鉆壓為隨鉆擴眼器與領(lǐng)眼鉆柱所承受的鉆壓之和。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的控制隨鉆擴眼鉆壓分配關(guān)系的雙轉(zhuǎn)速裝置，其特征在于， 所述裝置還包括一個中空的測控短節(jié)，所述測控裝置設(shè)置于所述測控短節(jié)內(nèi)，所述測控短節(jié)的兩端分別與所述隨鉆擴眼器和液動馬達連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的控制隨鉆擴眼鉆壓分配關(guān)系的雙轉(zhuǎn)速裝置，其特征在于， 所述的領(lǐng)眼鉆頭為PDC鉆頭、牙輪鉆頭或混合齒鉆頭； 所述的隨鉆擴眼器安裝PDC切削齒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制隨鉆擴眼鉆壓分配關(guān)系的雙轉(zhuǎn)速裝置，其特征在于， 所述的液動馬達為螺桿馬達或渦輪馬達，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由流經(jīng)其中的鉆井液流量大小控制。
專利摘要本實用新型公開了一種控制隨鉆擴眼鉆壓分配關(guān)系的雙轉(zhuǎn)速裝置，所述裝置包括隨鉆擴眼器、液動馬達和領(lǐng)眼鉆柱，領(lǐng)眼鉆柱內(nèi)設(shè)有測控裝置，測控裝置包括電磁閥、鉆壓檢測器和微處理器，微處理器與電控閥和鉆壓檢測器電連接，用于實時控制監(jiān)測領(lǐng)眼鉆柱所承擔(dān)的鉆壓，并通過微處理器中的比較預(yù)設(shè)鉆壓閾限值和所測鉆柱鉆壓的大小，當(dāng)所測鉆柱鉆壓超出預(yù)設(shè)的鉆壓閾限值時，通過微處理器的電磁閥控制模塊指令控制電磁閥調(diào)整開度大小。本實用新型可實時控制鉆壓值，實現(xiàn)鉆壓在擴眼器和領(lǐng)眼鉆頭之間的合理分配，保證擴眼過程的安全與穩(wěn)定。
文檔編號E21B7/28GK202810656SQ20122020975
公開日2013年3月20日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者馬汝濤, 王輝, 任榮權(quán), 王宏偉, 紀友哲, 李顯義, 韓飛, 賈濤, 朱英杰, 王雪, 盧靜, 耿莉, 田毅, 王金宏, 李梅 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院