專利名稱：發(fā)送井下遙控信號的方法及其接收機(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及該信號的接收機(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，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，很繁瑣的操作過程。如果把這些工具設(shè)計成可控式的，即由地面發(fā)出信號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，操作過程要分步驟進(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，通過井下的特殊接收機(jī)構(gòu)使井下工具的工況發(fā)生變化，以滿足鉆井工程技術(shù)的要求。
目前能見到的解決此問題的技術(shù)主要有三類;
(一)投球法;該方法是在方鉆桿上方開窗加蓋，使用時將蓋打開，投入一鋼球。鋼球落到鉆柱下部的接收機(jī)構(gòu)上，堵住一個活塞的中心孔，這時開泥漿泵，活塞就受到很大的推力向下運(yùn)動，作為井下工具變換工況的動力?；蛘吒晟埔恍?，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。在美國專利4，286，676中描述了這種方法的應(yīng)用和其接收機(jī)構(gòu)。在法國專利1，252，703中描述了利用投入一錐棒的方法，應(yīng)屬于同一類。該方法的主要不足之處是(1)操作過程比較麻煩。(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，這就限制了投球法的應(yīng)用。
(二)電信號法;若采用“有線的”電信號法，則一定要有一電纜，用于傳輸特定的電信號來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)接鉆桿時很難處理;若采用“無線的”電信號法，則由于井下的壓力和溫度構(gòu)成的環(huán)境極為復(fù)雜，無線電信號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”電信號法，在美國專利4，286，676中多次提到，但對其所存在的電纜如何引到地面的困難并沒有具體的解決辦法。
(三)泥漿流量法;該方法是用大于正常工作的泥漿流量推動一有節(jié)流孔的活塞作為信號，其原理及其接收機(jī)構(gòu)的構(gòu)造都是比較簡單的。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，而后者操作過分麻煩。(2)當(dāng)有較大的物體部分地堵了節(jié)流孔時，就會引起誤動作。(3)整個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，泥漿排量就突然增大而出現(xiàn)誤動作。(4)當(dāng)鉆柱內(nèi)有空氣被壓縮，特別又同時上下活動鉆柱，流經(jīng)接收機(jī)構(gòu)的泥漿流量變化很大，很可能造成誤動作。(5)信號接收機(jī)構(gòu)在整個鉆井過程中都處于盲目地“待命”狀態(tài)，因此它不能保證捕捉的信號就是人為發(fā)出的有用的信號。法國專利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，還沒有找到不用人為設(shè)置另外信號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)送可靠信號的方法。該方法既不需要設(shè)置另外的信號源，也不影響正常的操作，而是在鉆井過程中利用停泥漿泵的時間的長短作為一種信號向井下傳遞，從而控制井下工具工況的改變。
本說明中時間一詞的意義均為時間間隔而不是瞬時。
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的井下接收機(jī)構(gòu)，可以通過該機(jī)構(gòu)來達(dá)到控制井下工具工況的變換。
實現(xiàn)本發(fā)明的目的之一的方法如下。開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、停泵是傳遞到井下的極為明確可靠的信號。但是這種信號本身是不能利用的，因為凡是鉆進(jìn)都必需開泵。然而，我們可以令停泵造成井下某特殊設(shè)計的機(jī)構(gòu)發(fā)生動作，此機(jī)構(gòu)的動作由停泵的瞬時起保留一段時間△T后消失。在停泵時間大于△T之后此機(jī)構(gòu)的動作已經(jīng)消失，再次開泵，則可以得到一種狀態(tài)(Ⅰ);如果停泵時間小于△T此機(jī)構(gòu)的動作還存在，再次開泵，則可以得到另一種狀態(tài)(Ⅱ)。這樣，控制停泵時間的長短就可以得到兩種不同的結(jié)果。這就是說停泵時間的長短可以作為一種遙控信號，控制停泵時間的長短就是向井下發(fā)送遙控信號的方法。由信號接收機(jī)構(gòu)的設(shè)計可以確定時間△T的值。例如我們設(shè)計成△T＝1.5分鐘，鉆井使用時為了保險，停泵2分鐘之后再次開泵就得到狀態(tài)(Ⅰ);停泵后1分鐘之內(nèi)再次開泵就得到狀態(tài)(Ⅱ)。正常鉆井操作中一般停泵時間是遠(yuǎn)大于2分鐘的，所以再開泵得到的是狀態(tài)(Ⅰ)，對鉆井正常操作沒有影響;當(dāng)需要狀態(tài)(Ⅱ)時，故意作一次短時間停泵即可得到。
實現(xiàn)目的之二的方法，結(jié)合


如下。
圖1a和圖1b為在井下長時間無泥漿循環(huán)時信號接收機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，即裝配狀態(tài)。
圖2a和圖2b為開泵有泥漿循環(huán)時信號接收機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。
圖3a為剛停泵無泥漿循環(huán)時信號接收機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。
圖3b為停泵經(jīng)過△T時間后的信號接收機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。
圖4為經(jīng)過短時間停泵后又開泵有泥漿循環(huán)時的狀態(tài)。
圖5為被償器的構(gòu)造。
圖6a和圖6b為信號接收機(jī)構(gòu)用于變換可控扶正器工況的原理圖。
本發(fā)明以停泵時間作為信號的接收機(jī)構(gòu)的實施例見圖1，用它可以詳細(xì)地說明本發(fā)明的目的之一和目的之二。
信號接收機(jī)構(gòu)的外殼1上下均與鉆柱相連，液缸2與外殼(固定，其中充滿液壓油?；钊?可上下滑動，活塞3上套有一個控制器4，它們之間的兩個配合面A的間隙均很小，對液壓油的通過構(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上也有類似的環(huán)形槽N，當(dāng)活塞3和控制器4的相對位置適合時，鋼球5可以被向內(nèi)推動，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)中可見控制器4上鉆孔后裝有小彈簧10和頂銷9，頂銷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)，但是改換位置時需要有外力推動，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時間無泥漿流過的狀態(tài)。大彈簧6推活塞3向上直到臺肩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?的這個位置稱為頂位。
圖2為開泵有泥漿循環(huán)的狀態(tài)。泥漿沿流道L通過并推活塞3上端的圓盤向下移動。下移的過程中C腔容積變大，液壓油必需通過配合面A流入C腔?；钊?下移一小距離d后臺肩E壓在控制器4上而停止。活塞3的這個位置稱為上位。在這個位置時活塞3上的環(huán)形槽正好與B孔對齊，見局部放大圖2(b)。泵不停這個狀態(tài)不會變。
圖3(a)為剛停泵時的狀態(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。這個動作是比較迅速的。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也同時抬起。在活塞3和控制器4一起向上運(yùn)動的過程中鋼球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9的內(nèi)側(cè)。
隨著停泵時間的延續(xù)，中彈簧7推控制器4向下移動而活塞3不動，控制器4向下移動必須將C腔內(nèi)的油排出所以這個運(yùn)動很慢。經(jīng)過一段距離，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，這時鋼球5正好處于頂銷9之下，所經(jīng)過的這段時間也正是前述的時間△T，稱為分界時間。在分界時間△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9的外側(cè)，整個信號接收機(jī)構(gòu)恢復(fù)了圖1的情況。因此停泵時間大于分界時間△T之后再開泵，又得到圖2，活塞3在上位。如果在分界時間△T之前開泵，鋼球5還在頂銷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向下移動一大距離D，成為圖4的情況。設(shè)計時改變配合面A對液壓油的阻尼強(qiáng)度和中彈簧7的彈力即可滿足給定的△T的設(shè)計值。
圖4是活塞3向下走完大距離D的情況。設(shè)計要使控制器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，實質(zhì)是要求活塞3的臺肩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。活塞3的這個位置稱為下位。泵不停這個狀態(tài)不會變。在此狀態(tài)停泵則回到圖2的情況。
綜上所述，不論開泵時活塞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)下可以依靠停泵時間的長短選擇下次開泵時活塞3的位置。上述信號接收機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)可用圖7方框圖表示。
至此，已經(jīng)充分說明本發(fā)明的目的之一和目的之二的實現(xiàn)方法及所用機(jī)構(gòu)。此外還需說明幾點(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)動時才不會把液壓油擠出液缸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。解決這個問題的辦法是在液缸2上再加裝一個補(bǔ)償器，見圖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，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，泥漿就不會再流進(jìn)液缸2內(nèi)部了。只要有一個很小的補(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的密封問題。
(3)圖1中只畫出了一個鋼球5，實際上在相同高度上可以有多個B孔和多個鋼球5、小彈簧10、頂銷9，在圓周上均勻分布。
本發(fā)明所提出的發(fā)送信號的方法及信號接收裝置有如下優(yōu)點(diǎn)1、無需增加任何設(shè)備作為信號源。
2、發(fā)出信號時只是掌握停泵時間的長或短。對其它正常鉆井操作，不加任何限制。
3、信號接收機(jī)構(gòu)工作可靠，發(fā)出信號后井下可控工具的工況是否已經(jīng)按要求變換無須信息返回。
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)出信號以最后一次為準(zhǔn)。因此允許重復(fù)發(fā)出相同的信號并不改變信號的意義;在發(fā)出錯誤信號之后可以重新發(fā)出正確的信號予以更正(如果受控工具的動作是不可逆的，發(fā)出錯誤的信號已使動作執(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)用實例說明如下。圖6是由圖1所示的信號接收機(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，泥漿由活塞22的中心孔流過，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，見圖6(a)。當(dāng)活塞3在下位時，活塞22的中心孔幾乎被活塞3的桿狀部分所堵死，泥漿向下推動活塞22的力很大，把活塞22推下，通過推柱24將扶正塊23徑向頂出，見圖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)送井下遙控信號的方法，其特征是，開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)，在停泵時間間隔大于△T之后再次開泵則信號接收機(jī)構(gòu)得到一種狀態(tài)，如果停泵時間間隔小于△T再次開泵則信號接收機(jī)構(gòu)得到另一種狀態(tài)，△T的值由信號接收機(jī)構(gòu)的設(shè)計確定。
2.一種接受井下遙控信號的機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的信號接收機(jī)構(gòu)外殼(1)內(nèi)固定一液缸(2)，其中充滿液壓油，活塞(3)可上下滑動，活塞(3)上套有一個控制器(4)，它們之間的兩個配合面A的間隙均很小，對液壓油的通過構(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有小槽以便液壓油能上下流通，在控制器4上有一個或多個孔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(9)，頂銷(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)，但是改換位置時需要有外力推動，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及該信號的接收機(jī)構(gòu)。本發(fā)明是用停泥漿泵的時間長短作為信號。信號接收機(jī)構(gòu)的特征是可以按用戶的要求設(shè)計分界時間ΔT，如果停泵時間大于ΔT之后再開泵，則可以得到一種狀態(tài)；如果停泵時間小于ΔT就開泵，則可以得到另一種狀態(tài)。由信號接收機(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)是信號明確，信號接收機(jī)構(gòu)的運(yùn)動零件在密封的液壓油缸內(nèi)工作，不與泥漿接觸。
文檔編號E21B44/00GK1065121SQ9110143
公開日1992年10月7日 申請日期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 申請人:石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院機(jī)械研究所