專利名稱:井下工具用液壓控制系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明屬于井下工具用的液壓控制系統(tǒng)。
在油氣井中，鉆井和采油用的工具是組接在若干管件組成的管柱中。除液壓控制方法外，井下工具用的其他控制方法將會(huì)遇到一些困難。如果采用電控制系統(tǒng)，則如何把電池布置在管柱中將會(huì)遇到困難，因?yàn)橛糜谶@種目的電池必須擁有大容量并能經(jīng)受高溫度和高濕度的環(huán)境。如果采用聲學(xué)控制系統(tǒng)，則系統(tǒng)的可靠性及能源供給將會(huì)是存在的主要問題。
已有的井下工具用液壓控制方法，或者使用內(nèi)通道堵塞了的管柱，或者在啟用工具前用一個(gè)鋼球作為誘發(fā)手段去堵塞管柱內(nèi)通道，而所用鋼球事后必須用繩索工具取出或者用高壓力將其從工具中擠出去。兩種方法都既不方便也不可靠。
本發(fā)明的主要目的是提出一種新的控制井下工具的裝置和方法。這種裝置應(yīng)設(shè)計(jì)成油氣井管柱的一部分，并使管柱能進(jìn)行各種正常作業(yè)。
按本發(fā)明的控制系統(tǒng)由下述主要成份構(gòu)成1.一個(gè)液壓操縱的輸出機(jī)構(gòu)，用以執(zhí)行由地面控制信號(hào)所給定的指令。
該輸出機(jī)構(gòu)可以是一個(gè)往復(fù)液壓缸，或者是一個(gè)擺動(dòng)液壓缸，或者是一個(gè)彈性可脹元件，這將取決于特定井下工具的特殊需要。
2.一個(gè)感受管柱內(nèi)流體壓力的液壓設(shè)施，用以把程序化的控制信號(hào)及能量從工作液(鉆井液和采油工作液)傳遞給液壓油。
該液壓設(shè)施含有一個(gè)橡膠隔模或其他彈性元件，用以把工作液與液壓油隔開，并把壓力和能量從工作液傳遞給液壓油。
3.一個(gè)感受井眼和井下工具間環(huán)形空間內(nèi)流體壓力的液壓設(shè)施，用以從控制系統(tǒng)中較高壓力源接受液壓油，并保障系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)泵送工作液(如鉆井液)期間不發(fā)生誤動(dòng)作，還能使系統(tǒng)在連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作液泵送停止之后迅速恢復(fù)對(duì)控制信號(hào)作出反應(yīng)的能力。
該液壓設(shè)施含有一個(gè)彈性元件，用以感受井眼和地下工具間環(huán)形空間內(nèi)的工作液壓力;含有一個(gè)盤形閥或其他式的閥，用以開啟或關(guān)閉通向環(huán)形空間的通道。
4.一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，用以產(chǎn)生給定長(zhǎng)度的制約控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)。
該信號(hào)發(fā)生器由一個(gè)蓄能器和一個(gè)節(jié)流閥組成。當(dāng)蓄能器釋放積蓄在其中的液壓能時(shí)，節(jié)流閥限制能量釋放的速度。所以，該蓄能器和節(jié)流閥的組合是一個(gè)液壓延時(shí)回路，使用該回路可以產(chǎn)生一個(gè)給定長(zhǎng)度的控制信號(hào)，并將其作為標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)用以制約控制系統(tǒng)。
5.一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)和地面控制指令都能作出反應(yīng)的液壓控制機(jī)構(gòu)，用以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)和地面控制指令進(jìn)行比較，并據(jù)其比較結(jié)果輸出一個(gè)特定的液壓控制指令用以操縱液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而執(zhí)行地面控制指令。
該液壓控制機(jī)構(gòu)是至少由一個(gè)液控閥和一個(gè)單向閥構(gòu)成的組合，該組合在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)和地面控制指令進(jìn)行比較后，就產(chǎn)生一個(gè)特定的液壓控制指令用以操縱液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而使地面控制指令得以執(zhí)行。
6.至少一個(gè)單向閥，用以保障控制系統(tǒng)在一旦停止泵送工作液后就能立即工作。
因此，本發(fā)明提出了一種用于控制鉆井或采油井下工具的液壓系統(tǒng)，它包括一個(gè)能源和信號(hào)輸入口部分，用從感受管柱中的壓力，并把控制指令和能量從工作液傳輸?shù)揭簤河拖到y(tǒng)，該液壓油系統(tǒng)包括兩個(gè)腔，其中一個(gè)可以容納從系統(tǒng)中壓力較高處來的液壓油，另一個(gè)腔用以感受井孔環(huán)形空間中的壓力，在該系統(tǒng)中還有一個(gè)接受液壓系統(tǒng)一次輸入后產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)的設(shè)施，另外還有一個(gè)把上述標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)與從地面來的控制信號(hào)作出比較的裝置，該裝置把比較的結(jié)果作為操作動(dòng)力執(zhí)行裝置的命令輸出，為了保障控制系統(tǒng)在一旦停止泵送工作液后能立即工作，在液壓油系統(tǒng)的導(dǎo)管中至少設(shè)置一個(gè)單向閥。
液壓系統(tǒng)的兩個(gè)腔被一個(gè)彈性隔膜隔開。
產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)的設(shè)施，由一個(gè)蓄能器和節(jié)流閥構(gòu)成的延時(shí)回路組成。
在該液壓控制系統(tǒng)中，設(shè)置了一個(gè)液控閥和兩個(gè)單向閥，其中一個(gè)單向閥用于使液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)恢復(fù)狀態(tài)，另一個(gè)使正確的程序化命令得以通過，從而使液控閥保持在輸出狀態(tài)，并且可以防止標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)消失在系統(tǒng)的較低壓力區(qū)。
為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓控制系統(tǒng)，對(duì)上面敘述過的系統(tǒng)作出一些改變，這主要包括用一個(gè)其活塞上內(nèi)設(shè)一個(gè)節(jié)流閥和一個(gè)單向閥的蓄能器代替上面所說的蓄能器，因此液壓油在蓄能時(shí)可流入蓄能器的輸出腔，而且在能量釋放過程中防止油流入低壓區(qū);在雙作用控制系統(tǒng)中，還設(shè)置了兩個(gè)液控閥，其中一個(gè)用于使蓄能器蓄壓，另一個(gè)負(fù)責(zé)使蓄能器釋放標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)，以及防止油液漏入低壓區(qū)。
本發(fā)明的其它特點(diǎn)和目的，在以下參照附圖對(duì)實(shí)施例所作的詳細(xì)說明中將會(huì)看得很清楚。
附圖1表示作為本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)。
附圖2表示作為本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)。
圖1表示了單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)是單向作用液壓缸31。
壓力傳感器11由一個(gè)管狀橡膠隔膜13及外腔12和內(nèi)腔14組成。橡膠隔膜13是鉆井或采油管柱內(nèi)通道15的外壁的一部分，內(nèi)腔14是管柱內(nèi)通道15的一部分，在鉆井作業(yè)中，泵送的鉆井液通過內(nèi)通道15、鉆頭噴嘴、最后流經(jīng)井壁和鉆柱間的環(huán)形空間返回地面，鉆井液的流動(dòng)是由于沿流道的壓力差所致。如果泵送工作液正在進(jìn)行，則壓力傳感器11內(nèi)腔14中某一點(diǎn)處的工作液壓力就會(huì)高于環(huán)形空間中同一水平位置的工作液壓力。
在管柱中的適當(dāng)位置安置一個(gè)液壓油“油箱”16，在油箱16中裝有一個(gè)彈性的波紋管或隔膜17。隔膜17可以感受油箱16外腔20中的液體壓力，在聯(lián)結(jié)壓力傳感器11的外腔12和隔膜17的內(nèi)腔24的管線上裝有一個(gè)單向閥19。
油箱16的外腔20通過盤形閥22和通道23與管柱和井壁間的環(huán)形空間相聯(lián)通。盤形閥22保持開啟，直到隔膜17的內(nèi)腔24充滿來自液壓源的液壓油為止。此后，盤形閥22關(guān)閉通道23。在通道23關(guān)閉前，隔膜17的內(nèi)腔24中的液壓油壓力與環(huán)形空間中的流體壓力大致相等。
當(dāng)?shù)谝淮伪盟凸ぷ饕洪_始時(shí)，壓力傳感器11外腔12中的液壓油由管柱內(nèi)通道15中的工作液經(jīng)隔膜13加壓，從而流向液控閥26的先導(dǎo)腔25，并把液控閥26換位到不同于圖1所示的位置(狀態(tài))，然后液壓油流入液壓蓄能器28的油腔27中而使之蓄能。與此同時(shí)，保持在圖1所示位置(狀態(tài))的液控閥29，把來自壓力傳感器11的液壓油導(dǎo)入液壓缸31的右腔30中。執(zhí)行機(jī)構(gòu)35A與液壓缸31中的活塞35相聯(lián)以執(zhí)行控制指令。液控閥29的先導(dǎo)腔32通過節(jié)流閥33與油箱16的內(nèi)腔24相聯(lián)，從而使液控閥29保持在圖1所示的位置(狀態(tài))。
由于管柱內(nèi)通道15中的工作液壓力與來自壓力傳感器11的液壓油壓力大致相等，加上液壓缸中彈簧34的彈力，因而活塞35保持在液壓缸的左死點(diǎn)。
一旦停止泵送工作液，管柱內(nèi)通道15內(nèi)部與環(huán)形空間之間就不存在壓力差，由于液壓油箱16中隔膜17和液壓傳感器11中隔膜13的彈力，油箱16內(nèi)腔24中的壓力高于壓力傳感器11的外腔12中的壓力，從而使油箱16中的液壓油可以經(jīng)過單向閥19流回到壓力傳感器11的外腔12中，單向閥19可以防止液壓油從壓力傳感器11自由流入油箱16。
與此同時(shí)，液控閥26的先導(dǎo)腔25卸壓，于是液控閥26換位到圖1所示的位置(狀態(tài))。此后，蓄能器28的油腔27釋放液壓油，從而使液控閥29換位到不同于圖1所示的位置(狀態(tài))，節(jié)流閥33限制蓄能器28釋放能量的速度。此時(shí)由蓄能器28油腔27取出的壓力信號(hào)即為標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)。蓄能器28和節(jié)流閥33的組合起著液壓延時(shí)回路的作用。在能量釋放過程中，閥29一直被控保持在位置上。通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥33，可調(diào)節(jié)能量釋放過程的長(zhǎng)短，從而滿足特定的要求。
停泵后，不待上述標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)消失即開始第二次泵送工作液，則液控閥29仍然保持在不同于圖1所示的位置(狀態(tài))，作用在活塞35左邊的工作液壓力向右推動(dòng)活塞35，液壓缸31右腔30中的液壓油被放到油箱16中。
只要第二次泵送工作液繼續(xù)進(jìn)行，液壓缸31中的活塞35就保持在圖1所示的右死點(diǎn)。在第二次泵送工作液停止后，液控閥26就換位到圖1所示的位置(狀態(tài))。然后蓄能器28就開始第二次釋放能量，使液控閥29在第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)工作期間保持在不同于圖1所示的位置(狀態(tài))。在此期間，彈簧34將活塞35推向液壓缸31的左端。液壓油通過單向閥37和液控閥29流入液壓缸31的右腔30。此后，液控閥29換位到圖1所示的位置(狀態(tài))。向液壓缸31的右腔30供油可以通過單向閥37的液控閥29來完成。上述過程要求兩次泵送工作液間的停泵時(shí)間比上述標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)的工作時(shí)間短。否則，液控閥29返回到圖1所示的位置(狀態(tài))，而第二次泵送工作液就只能從頭開始整個(gè)過程而不發(fā)生對(duì)液壓缸的操作。
圖2表示了一個(gè)雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)為一雙作用液壓缸59。該控制系統(tǒng)含有相應(yīng)于圖1所示的一個(gè)壓力傳感器和一個(gè)液壓油箱，含有稍不同于圖1所示的一個(gè)蓄能器和三個(gè)液控閥。
如圖2所示，雙作用液壓缸控制系統(tǒng)含有三個(gè)液控閥41、51和52，含有一個(gè)蓄能器28′。蓄能器28′本身是一個(gè)蓄能器和一個(gè)節(jié)流閥的組合，換句話說，蓄能器28′本身就構(gòu)成一個(gè)液壓延時(shí)回路。
當(dāng)?shù)谝淮蝹鬏數(shù)墓ぷ饕鹤饔迷趬毫鞲衅?1′上時(shí)，液控閥41保持在圖2所示的位置(狀態(tài))，液壓油從壓力傳感器11′流入蓄能器28′的腔42，向右推動(dòng)蓄能器28′的活塞43以壓縮彈簧，蓄能器蓄能。安置在活塞44中的單向閥45開啟，讓液壓油從蓄能器28′的腔46流入其輸出腔47。與此同時(shí)，第二個(gè)液控閥51被來自壓力傳感器11′的液壓油保持在不同于圖2所示的位置(狀態(tài))，從而關(guān)閉輸出腔47。
當(dāng)?shù)?個(gè)液控閥52保持在圖2所示的位置時(shí)，液控閥52就把來自壓力傳感器11′的液壓油導(dǎo)入雙作用液壓缸的右腔53，并把該液缸的左腔54與液壓油箱16′的內(nèi)腔24′相聯(lián)通。在油箱16′的內(nèi)腔24′中的液體壓力等于井筒環(huán)形空間中的工作液壓力。所以，只要油箱16′仍然感受著環(huán)形空間的壓力，活塞55就被推到液壓缸的左死點(diǎn)，并保持在該位置。當(dāng)?shù)谝淮伪盟凸ぷ饕和Ｖ箷r(shí)，第二個(gè)液控閥51就換到圖2所示的位置(狀態(tài))，于是就把蓄能器28′的輸出腔47與液控閥52和41的先導(dǎo)腔相聯(lián)通，并把它們換位到與圖2所示的相反的位置，只要能量釋放過程在繼續(xù)，液控閥52和41的位置就保持不變。
在上述能量釋放過程結(jié)束之前，如果第二次傳輸?shù)墓ぷ饕菏箟毫鞲衅?1′的外腔12′中的液壓油加壓時(shí)，已加壓的液壓油通過液控閥52流入液壓缸的左腔54，并經(jīng)單向閥4流入液控閥52和41的先導(dǎo)腔。于是液壓油把活塞55推向液壓缸的右端，而液壓缸右腔53中的液壓油由液控閥52排放到液壓油箱16′中。與此同時(shí)，液控閥51換位到與圖2所示的相反的位置，從而切斷蓄能器的輸出通道。此后，第二次泵送工作液停止，于是整個(gè)控制系統(tǒng)恢復(fù)到圖2所示的狀態(tài)。
第三次泵送工作液將使活塞運(yùn)動(dòng)到圖2所示的液壓缸的左死點(diǎn)，余此類推。
權(quán)利要求
1.一個(gè)用于控制鉆井或采油井下工具的液壓系統(tǒng)，特征在于包括a)一個(gè)作為能源及信號(hào)的輸入口的裝置(11)，以感受管柱(15)中的壓力并把程序化的控制命令和能量從工作液傳輸?shù)揭簤河拖到y(tǒng)，b)此液壓油系統(tǒng)包括一個(gè)腔(24)以容納從系統(tǒng)中壓力較高處來的液壓油，一個(gè)腔(20)以感受井孔的環(huán)形空間壓力，c)在液壓系統(tǒng)的一次輸入后產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)的設(shè)施(28)，d)對(duì)從上述設(shè)施中產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)和一個(gè)程序化的從地面來的控制信號(hào)作出比較的裝置，比較的結(jié)果作為命令去操作一個(gè)動(dòng)力執(zhí)行裝置(31)，e)設(shè)在液壓油系統(tǒng)的導(dǎo)管中的至少一個(gè)單向閥。
2.按權(quán)利要求
1的液壓控制系統(tǒng)，特征在于由一個(gè)彈性隔膜隔開上述兩個(gè)腔(24，20)。
3.按權(quán)利要求
1的液壓控制系統(tǒng)，特征在于有一個(gè)由蓄能器和節(jié)流閥組成液壓延時(shí)回路，借助于液控設(shè)施的幫助在程序化命令的操縱下輸出上述定長(zhǎng)度的用以制約系統(tǒng)的信號(hào)。
4.按照權(quán)利要求
1的液壓控制系統(tǒng)，特征在于包括一個(gè)液控閥和上述的其他液壓設(shè)施即兩個(gè)單向閥，其中之一用以使上述的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)恢復(fù)狀態(tài)，其二用于讓正確的程序化命令通過，以使液控閥保持在輸出狀態(tài)，并防止上述的標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)消失在系統(tǒng)的較低壓力區(qū)。
5.按照權(quán)利要求
3的液壓系統(tǒng)，特征在于一節(jié)流閥和一單向閥設(shè)在蓄壓器的活塞中，此單向閥在蓄能器蓄能時(shí)讓液壓油流進(jìn)蓄能器的輸出腔，并在受到節(jié)流閥限制的能量釋放過程中防止液壓油流進(jìn)低壓區(qū)，該系統(tǒng)還包括兩個(gè)液控閥，其一的作用在于蓄能器蓄壓，其二負(fù)責(zé)使蓄能器釋放標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)，并防止液壓油漏入系統(tǒng)的低壓區(qū)，以輸出上述的標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)去制約整個(gè)系統(tǒng)。
專利摘要
本發(fā)明屬于井下工具用的液壓控制系統(tǒng)?，F(xiàn)行井下工具用的控制方法存在反應(yīng)遲緩、重復(fù)性和可靠性差等問題。本發(fā)明第一次提出了使用液壓延時(shí)回路和信號(hào)比較裝置組成的液壓控制系統(tǒng)去控制鉆井和采油用的井下工具。這種液壓控制系統(tǒng)反應(yīng)速度快，重復(fù)性和可靠性方面都優(yōu)于現(xiàn)有的井下工具的控制方法。這種控制原則還同時(shí)解決了井下工具的能源和信號(hào)輸入問題。本發(fā)明提出的控制原則可以用于多種井下工具。
文檔編號(hào)E21B44/00GK86105356SQ86105356
公開日1987年6月10日 申請(qǐng)日期1986年8月27日
發(fā)明者屠由義 申請(qǐng)人:江漢石油管理局鉆采設(shè)備研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan