專(zhuān)利名稱(chēng)：發(fā)送井下遙控信號(hào)的方法及其接收機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石油和地質(zhì)鉆井中用以控制、變換井下工具工況的遙控信號(hào)及該信號(hào)的接收機(jī)構(gòu)。
在鉆定向井、叢式井、水平井或有更復(fù)雜要求的特殊井時(shí)，需要在鉆柱下部多次更換某些特殊井下工具，如彎接頭、單螺桿鉆具、變向器、扶正器等。為了裝或拆這些井下工具就需起下鉆。起下鉆是很費(fèi)時(shí)，很繁瑣的操作過(guò)程。如果把這些工具設(shè)計(jì)成可控式的，即由地面發(fā)出信號(hào)可使這些井下工具改變工況，則可以避免多次起下鉆操作。更有甚者如鉆井取芯時(shí)，操作過(guò)程要分步驟進(jìn)行，井下工況要變換但又不允許中間起鉆，這樣就更需要由地面發(fā)出可靠的控制信號(hào)，通過(guò)井下的特殊接收機(jī)構(gòu)使井下工具的工況發(fā)生變化，以滿(mǎn)足鉆井工程技術(shù)的要求。
目前能見(jiàn)到的解決此問(wèn)題的技術(shù)主要有三類(lèi);
(一)投球法;該方法是在方鉆桿上方開(kāi)窗加蓋，使用時(shí)將蓋打開(kāi)，投入一鋼球。鋼球落到鉆柱下部的接收機(jī)構(gòu)上，堵住一個(gè)活塞的中心孔，這時(shí)開(kāi)泥漿泵，活塞就受到很大的推力向下運(yùn)動(dòng)，作為井下工具變換工況的動(dòng)力。或者更完善一些，在地面的泥漿管路上裝一投球機(jī)構(gòu)，在不停泵的情況下向管路中投入一鋼球。在美國(guó)專(zhuān)利4，286，676中描述了這種方法的應(yīng)用和其接收機(jī)構(gòu)。在法國(guó)專(zhuān)利1，252，703中描述了利用投入一錐棒的方法，應(yīng)屬于同一類(lèi)。該方法的主要不足之處是(1)操作過(guò)程比較麻煩。(2)變換工況之后要把球釋放掉，并且還要有裝置把球接住、收留。很明顯，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能投很多的球，因此工況的變換次數(shù)是受限制的。(3)該方法的使用范圍有局限性，如鉆桿濾清器，單螺桿鉆具，渦輪鉆具等不允許鋼球通過(guò)，這就限制了投球法的應(yīng)用。
(二)電信號(hào)法;若采用“有線的”電信號(hào)法，則一定要有一電纜，用于傳輸特定的電信號(hào)來(lái)控制井下工具的工況變換。電纜置于鉆桿之外要被井壁磨壞;放在鉆桿之內(nèi)接鉆桿時(shí)很難處理;若采用“無(wú)線的”電信號(hào)法，則由于井下的壓力和溫度構(gòu)成的環(huán)境極為復(fù)雜，無(wú)線電信號(hào)很難確定地捕捉和有效地利用，因此該方法尚不能用于工業(yè)生產(chǎn)。關(guān)于“有線的”電信號(hào)法，在美國(guó)專(zhuān)利4，286，676中多次提到，但對(duì)其所存在的電纜如何引到地面的困難并沒(méi)有具體的解決辦法。
(三)泥漿流量法;該方法是用大于正常工作的泥漿流量推動(dòng)一有節(jié)流孔的活塞作為信號(hào)，其原理及其接收機(jī)構(gòu)的構(gòu)造都是比較簡(jiǎn)單的。但此法存在以下缺點(diǎn)(1)增大流量可由加快柴油機(jī)轉(zhuǎn)速或更換大直徑缸套得到，但前者流量增加不多與正常流量區(qū)分不清，而后者操作過(guò)分麻煩。(2)當(dāng)有較大的物體部分地堵了節(jié)流孔時(shí)，就會(huì)引起誤動(dòng)作。(3)整個(gè)泥漿通道任何一處受堵(如鉆頭水眼受堵)，泵壓必定上升，受堵部分一被憋開(kāi)，泥漿排量就突然增大而出現(xiàn)誤動(dòng)作。(4)當(dāng)鉆柱內(nèi)有空氣被壓縮，特別又同時(shí)上下活動(dòng)鉆柱，流經(jīng)接收機(jī)構(gòu)的泥漿流量變化很大，很可能造成誤動(dòng)作。(5)信號(hào)接收機(jī)構(gòu)在整個(gè)鉆井過(guò)程中都處于盲目地“待命”狀態(tài)，因此它不能保證捕捉的信號(hào)就是人為發(fā)出的有用的信號(hào)。法國(guó)專(zhuān)利2，575，393敘述了這種方法的多種結(jié)構(gòu)。
至今為止，已有技術(shù)中，還沒(méi)有找到不用人為設(shè)置另外信號(hào)源而控制井下工具的可靠方法。
本發(fā)明的的目的之一是提供一種向井下發(fā)送可靠信號(hào)的方法。該方法既不需要設(shè)置另外的信號(hào)源，也不影響正常的操作，而是在鉆井過(guò)程中利用停泥漿泵的時(shí)間的長(zhǎng)短作為一種信號(hào)向井下傳遞，從而控制井下工具工況的改變。
本說(shuō)明中時(shí)間一詞的意義均為時(shí)間間隔而不是瞬時(shí)。
本發(fā)明的目的之二是提供一種準(zhǔn)確捕捉和利用這種特定信號(hào)的井下接收機(jī)構(gòu)，可以通過(guò)該機(jī)構(gòu)來(lái)達(dá)到控制井下工具工況的變換。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的之一的方法如下。開(kāi)泥漿泵則泥漿在井下循環(huán);停泥漿泵則停止井下泥漿循環(huán)，所以開(kāi)、停泵是傳遞到井下的極為明確可靠的信號(hào)。但是這種信號(hào)本身是不能利用的，因?yàn)榉彩倾@進(jìn)都必需開(kāi)泵。然而，我們可以令停泵造成井下某特殊設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)發(fā)生動(dòng)作，此機(jī)構(gòu)的動(dòng)作由停泵的瞬時(shí)起保留一段時(shí)間△T后消失。在停泵時(shí)間大于△T之后此機(jī)構(gòu)的動(dòng)作已經(jīng)消失，再次開(kāi)泵，則可以得到一種狀態(tài)(Ⅰ);如果停泵時(shí)間小于△T此機(jī)構(gòu)的動(dòng)作還存在，再次開(kāi)泵，則可以得到另一種狀態(tài)(Ⅱ)。這樣，控制停泵時(shí)間的長(zhǎng)短就可以得到兩種不同的結(jié)果。這就是說(shuō)停泵時(shí)間的長(zhǎng)短可以作為一種遙控信號(hào)，控制停泵時(shí)間的長(zhǎng)短就是向井下發(fā)送遙控信號(hào)的方法。由信號(hào)接收機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以確定時(shí)間△T的值。例如我們?cè)O(shè)計(jì)成△T＝1.5分鐘，鉆井使用時(shí)為了保險(xiǎn)，停泵2分鐘之后再次開(kāi)泵就得到狀態(tài)(Ⅰ);停泵后1分鐘之內(nèi)再次開(kāi)泵就得到狀態(tài)(Ⅱ)。正常鉆井操作中一般停泵時(shí)間是遠(yuǎn)大于2分鐘的，所以再開(kāi)泵得到的是狀態(tài)(Ⅰ)，對(duì)鉆井正常操作沒(méi)有影響;當(dāng)需要狀態(tài)(Ⅱ)時(shí)，故意作一次短時(shí)間停泵即可得到。
實(shí)現(xiàn)目的之二的方法，結(jié)合


如下。
圖1a和圖1b為在井下長(zhǎng)時(shí)間無(wú)泥漿循環(huán)時(shí)信號(hào)接收機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，即裝配狀態(tài)。
圖2a和圖2b為開(kāi)泵有泥漿循環(huán)時(shí)信號(hào)接收機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。
圖3a為剛停泵無(wú)泥漿循環(huán)時(shí)信號(hào)接收機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。
圖3b為停泵經(jīng)過(guò)△T時(shí)間后的信號(hào)接收機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。
圖4為經(jīng)過(guò)短時(shí)間停泵后又開(kāi)泵有泥漿循環(huán)時(shí)的狀態(tài)。
圖5為被償器的構(gòu)造。
圖6a和圖6b為信號(hào)接收機(jī)構(gòu)用于變換可控扶正器工況的原理圖。
本發(fā)明以停泵時(shí)間作為信號(hào)的接收機(jī)構(gòu)的實(shí)施例見(jiàn)圖1，用它可以詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的目的之一和目的之二。
信號(hào)接收機(jī)構(gòu)的外殼1上下均與鉆柱相連，液缸2與外殼(固定，其中充滿(mǎn)液壓油。活塞3可上下滑動(dòng)，活塞3上套有一個(gè)控制器4，它們之間的兩個(gè)配合面A的間隙均很小，對(duì)液壓油的通過(guò)構(gòu)成較強(qiáng)的阻尼?？刂破?與液缸2之間有較大的間隙或軸向開(kāi)有小槽以便液壓油能上下流通，在控制器4上有孔B，孔B內(nèi)放有鋼球5。鋼球5的一半是在控制器4內(nèi)另一半是在外殼1的環(huán)形槽M中，環(huán)形槽M的形狀如圖1(a)所示。此外，活塞3上也有類(lèi)似的環(huán)形槽N，當(dāng)活塞3和控制器4的相對(duì)位置適合時(shí)，鋼球5可以被向內(nèi)推動(dòng)，一半在控制器4內(nèi)另一半在活塞3的環(huán)形槽N中。大彈簧6是用于將活塞3推向上的，中彈簧7是用于將控制器4推向下的。在局部放大圖1(b)中可見(jiàn)控制器4上鉆孔后裝有小彈簧10和頂銷(xiāo)9，頂銷(xiāo)9頂在鋼球5上使鋼球5可以在它的外側(cè)(遠(yuǎn)離控制器4的中心線)也可以在它的內(nèi)側(cè)(靠近控制器4的中心線)，但是改換位置時(shí)需要有外力推動(dòng)，不能自行改換。O形圈8是用以防止液壓油外漏或泥漿進(jìn)入液缸的。
圖1是裝配后或下到井底長(zhǎng)時(shí)間無(wú)泥漿流過(guò)的狀態(tài)。大彈簧6推活塞3向上直到臺(tái)肩E頂住液缸的端面，中彈簧7推控制器4向下，因受鋼球5和外殼1的環(huán)形槽M的阻擋而停留在圖示位置?；钊?的這個(gè)位置稱(chēng)為頂位。
圖2為開(kāi)泵有泥漿循環(huán)的狀態(tài)。泥漿沿流道L通過(guò)并推活塞3上端的圓盤(pán)向下移動(dòng)。下移的過(guò)程中C腔容積變大，液壓油必需通過(guò)配合面A流入C腔。活塞3下移一小距離d后臺(tái)肩E壓在控制器4上而停止。活塞3的這個(gè)位置稱(chēng)為上位。在這個(gè)位置時(shí)活塞3上的環(huán)形槽正好與B孔對(duì)齊，見(jiàn)局部放大圖2(b)。泵不停這個(gè)狀態(tài)不會(huì)變。
圖3(a)為剛停泵時(shí)的狀態(tài)。泵一停，活塞3不再受泥漿推力，大彈簧6推活塞3回到頂位。這個(gè)動(dòng)作是比較迅速的。因配合面A的間隙很小，C腔內(nèi)的液壓油不可能立即排出，因此活塞3將控制器4也同時(shí)抬起。在活塞3和控制器4一起向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中鋼球5被環(huán)形槽M的錐面部分F推向內(nèi)，結(jié)果將鋼球5推到頂銷(xiāo)9的內(nèi)側(cè)。
隨著停泵時(shí)間的延續(xù)，中彈簧7推控制器4向下移動(dòng)而活塞3不動(dòng)，控制器4向下移動(dòng)必須將C腔內(nèi)的油排出所以這個(gè)運(yùn)動(dòng)很慢。經(jīng)過(guò)一段距離，鋼球5被活塞3的N槽的錐面部分G推向外成為局部放大圖3(b)的情況，這時(shí)鋼球5正好處于頂銷(xiāo)9之下，所經(jīng)過(guò)的這段時(shí)間也正是前述的時(shí)間△T，稱(chēng)為分界時(shí)間。在分界時(shí)間△T之后，控制器4繼續(xù)下移，鋼球5繼續(xù)被推向外，跑到了頂銷(xiāo)9的外側(cè)，整個(gè)信號(hào)接收機(jī)構(gòu)恢復(fù)了圖1的情況。因此停泵時(shí)間大于分界時(shí)間△T之后再開(kāi)泵，又得到圖2，活塞3在上位。如果在分界時(shí)間△T之前開(kāi)泵，鋼球5還在頂銷(xiāo)9的內(nèi)側(cè)，可以不受外殼1的環(huán)形槽M的阻擋，活塞3向下移動(dòng)一大距離D，成為圖4的情況。設(shè)計(jì)時(shí)改變配合面A對(duì)液壓油的阻尼強(qiáng)度和中彈簧7的彈力即可滿(mǎn)足給定的△T的設(shè)計(jì)值。
圖4是活塞3向下走完大距離D的情況。設(shè)計(jì)要使控制器4壓在液缸2的端面上，而不要使活塞3壓在液缸2的端面上，實(shí)質(zhì)是要求活塞3的臺(tái)肩E與控制器4的上端面之間不能有明顯的間隙，這是給下一步作的準(zhǔn)備?；钊?的這個(gè)位置稱(chēng)為下位。泵不停這個(gè)狀態(tài)不會(huì)變。在此狀態(tài)停泵則回到圖2的情況。
綜上所述，不論開(kāi)泵時(shí)活塞3是在上位(圖2)還是在下位(圖4)，停泵都變成圖3(a)的狀態(tài)，而在這種狀態(tài)下可以依靠停泵時(shí)間的長(zhǎng)短選擇下次開(kāi)泵時(shí)活塞3的位置。上述信號(hào)接收機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)可用圖7方框圖表示。
至此，已經(jīng)充分說(shuō)明本發(fā)明的目的之一和目的之二的實(shí)現(xiàn)方法及所用機(jī)構(gòu)。此外還需說(shuō)明幾點(diǎn);
(1)活塞3兩端伸出液缸2的部分的直徑(O形圈的內(nèi)徑)應(yīng)該相等，只有這樣，活塞3上下運(yùn)動(dòng)時(shí)才不會(huì)把液壓油擠出液缸2之外或把泥漿吸入液缸2之內(nèi)。
(2)液缸2內(nèi)應(yīng)該充滿(mǎn)液壓油，不留一點(diǎn)空氣，否則到井下環(huán)境壓力增大，泥漿企圖流入液缸2，使O形圈8承受很大的壓差。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是在液缸2上再加裝一個(gè)補(bǔ)償器，見(jiàn)圖5。在液缸2的壁上有小孔H，壓蓋12壓住橡膠膜11將H孔封住，壓蓋上有小孔J。即使液缸2內(nèi)有少量的空氣時(shí)，泥漿進(jìn)入J孔推橡膠膜11變形，使液缸2內(nèi)外的壓力相等，泥漿就不會(huì)再流進(jìn)液缸2內(nèi)部了。只要有一個(gè)很小的補(bǔ)償器，而且橡膠膜11有足夠的柔度，O形圈8就不承受壓差了。因此可以不必?fù)?dān)心O形圈8的密封問(wèn)題。
(3)圖1中只畫(huà)出了一個(gè)鋼球5，實(shí)際上在相同高度上可以有多個(gè)B孔和多個(gè)鋼球5、小彈簧10、頂銷(xiāo)9，在圓周上均勻分布。
本發(fā)明所提出的發(fā)送信號(hào)的方法及信號(hào)接收裝置有如下優(yōu)點(diǎn)1、無(wú)需增加任何設(shè)備作為信號(hào)源。
2、發(fā)出信號(hào)時(shí)只是掌握停泵時(shí)間的長(zhǎng)或短。對(duì)其它正常鉆井操作，不加任何限制。
3、信號(hào)接收機(jī)構(gòu)工作可靠，發(fā)出信號(hào)后井下可控工具的工況是否已經(jīng)按要求變換無(wú)須信息返回。
4、適用于含砂很多的泥漿中，有極好的防砂卡能力。
5、多次發(fā)出信號(hào)以最后一次為準(zhǔn)。因此允許重復(fù)發(fā)出相同的信號(hào)并不改變信號(hào)的意義;在發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)之后可以重新發(fā)出正確的信號(hào)予以更正(如果受控工具的動(dòng)作是不可逆的，發(fā)出錯(cuò)誤的信號(hào)已使動(dòng)作執(zhí)行則更正失去意義)。
用上述方法和機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制井下扶正器的應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明如下。圖6是由圖1所示的信號(hào)接收機(jī)構(gòu)控制的井下可控扶正器。司鉆由地面可以控制它在井下工作或者不工作。外殼21上端與圖1所示的信號(hào)接收機(jī)構(gòu)的外殼1相連，然后整體裝在鉆柱的下部。扶正塊23是可以沿徑向移動(dòng)的。在圖2和圖4中我們已經(jīng)可以控制活塞3的上位和下位。當(dāng)活塞3在上位時(shí)，泥漿由活塞22的中心孔流過(guò)，阻力很小，彈簧25的彈力足夠，活塞22不下降。扶正塊23所組成的外圓較小不起扶正作用，見(jiàn)圖6(a)。當(dāng)活塞3在下位時(shí)，活塞22的中心孔幾乎被活塞3的桿狀部分所堵死，泥漿向下推動(dòng)活塞22的力很大，把活塞22推下，通過(guò)推柱24將扶正塊23徑向頂出，見(jiàn)圖6(b)。扶正塊23所組成的外園為工作尺寸，起扶正作用。
控制信號(hào)接收機(jī)構(gòu)的上位和下位可以進(jìn)而控制多種井下可控工具的工況變換。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)送井下遙控信號(hào)的方法，其特征是，開(kāi)泥漿泵則泥漿在井下循環(huán)，停泥漿泵則停止井下泥漿循環(huán)，在停泵時(shí)間間隔大于△T之后再次開(kāi)泵則信號(hào)接收機(jī)構(gòu)得到一種狀態(tài)，如果停泵時(shí)間間隔小于△T再次開(kāi)泵則信號(hào)接收機(jī)構(gòu)得到另一種狀態(tài)，△T的值由信號(hào)接收機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)確定。
2.一種接受井下遙控信號(hào)的機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的信號(hào)接收機(jī)構(gòu)外殼(1)內(nèi)固定一液缸(2)，其中充滿(mǎn)液壓油，活塞(3)可上下滑動(dòng)，活塞(3)上套有一個(gè)控制器(4)，它們之間的兩個(gè)配合面A的間隙均很小，對(duì)液壓油的通過(guò)構(gòu)成較強(qiáng)的阻尼，控制器(4)與液缸2之間有較大的間隙或軸向開(kāi)有小槽以便液壓油能上下流通，在控制器4上有一個(gè)或多個(gè)孔B，孔B內(nèi)放有鋼球(5)，外殼(1)上有環(huán)形槽M，活塞(3)上也有類(lèi)似的環(huán)形槽N，大彈簧(6)是用于將活塞(3)推向上的，中彈簧(7)是用于將控制器(4)推向下的?？刂破?4)上鉆孔后裝有小彈簧(10)和頂銷(xiāo)(9)，頂銷(xiāo)(9)頂在鋼球(5)上使鋼球(5)可以在它的外側(cè)也可以在它的內(nèi)側(cè)，但是改換位置時(shí)需要有外力推動(dòng)，不能自行改換。
3.如權(quán)利要求2所述機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的活塞(3)兩端伸出液缸(2)的部分的直徑相等，在所述的液缸(2)的壁上有小孔H，壓蓋(12)壓住橡膠膜(11)將H孔封住，壓蓋(12)上有小孔J，橡膠膜11有足夠的柔度，O形圈(8)不承受壓差。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種石油和地質(zhì)鉆井中用以控制、變換井下工具工況的遙控信號(hào)及該信號(hào)的接收機(jī)構(gòu)。本發(fā)明是用停泥漿泵的時(shí)間長(zhǎng)短作為信號(hào)。信號(hào)接收機(jī)構(gòu)的特征是可以按用戶(hù)的要求設(shè)計(jì)分界時(shí)間ΔT，如果停泵時(shí)間大于ΔT之后再開(kāi)泵，則可以得到一種狀態(tài)；如果停泵時(shí)間小于ΔT就開(kāi)泵，則可以得到另一種狀態(tài)。由信號(hào)接收機(jī)構(gòu)的兩種狀態(tài)可以進(jìn)而控制各種井下可控工具的工況變換。該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)明確，信號(hào)接收機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)零件在密封的液壓油缸內(nèi)工作，不與泥漿接觸。
文檔編號(hào)E21B44/00GK1065121SQ9110143
公開(kāi)日1992年10月7日 申請(qǐng)日期1991年3月15日 優(yōu)先權(quán)日1991年3月15日
發(fā)明者謝竹莊 申請(qǐng)人:石油勘探開(kāi)發(fā)科學(xué)研究院機(jī)械研究所