一种自动定向钻井工具的液控导向系统

1.本发明属于石油钻井与地质钻探技术领域，具体涉及一种自动定向钻井工具的液控导向系统技术领域。


背景技术：

2.定向钻井技术是当今世界石油勘探开发领域最先进、最复杂的钻井技术之一，它是由特殊井下导向系统、测量仪器和工艺技术有效控制井眼轨迹，并广泛应用于斜向井、水平井和对接钻井等各种复杂工况的石油钻井作业中。依据导向力来源，特殊井下导向系统主要分为钻井液压差式、电机驱动式和电控液压式。其各自特点分别为：钻井液压差式导向方式产生的导向力受钻井泵的排量和钻井液的性能等因素的影响，导致井下钻具导向效率较低。电机驱动式导向驱动力不足、稳定性不理想。与钻井液压差式和电机驱动式相比，电控液压式产生的导向力较为持续与稳定。但是，现有液控导向系统（电控液压式）存在系统的供电装置（井下储电池）工作时长短、抗污染能力较弱、井下强振动工况时的导向推力稳定性差等较多不足。
3.中国专利cn102434508通过采用调节调速电机的转速来改变泵的出口流量，改变液控导向系统的压力值，进而调整推力油缸输出力的大小。但考虑到井下高温、高压和高振动等实际情况，调速电机对系统和推力油缸的压力控制也存在不足，比如功率效率低、耐高温高压能力弱、电源可靠性弱。而且，储电池的容量和寿命会随着腔内温度的升高而迅速衰减，导致储电池井下工作时长大大缩短。
4.中国专利cn101858198通过采用柱塞泵为液压动力系统提供液压能，该液控导向系统调节通过电磁阀、安全阀等各种控制阀的输入信号来实现油缸推力的大小。同时，在油缸发生泄漏时，利用蓄能器补充油量保证油缸推力稳定。但该可控液压动力集成单元仍存在不足：（1）面对井下恶劣的工作环境时，部分钻井液等杂质易流入柱塞泵的工作腔内，使液压源收到污染，导致液压动力系统各种控制元件灵敏度降低或损坏，影响油缸推力的大小和稳定性，甚至可能发生液压控制元件的损坏，造成该系统无法正常工作；（2）由于高压系统（如油源压力30-40mpa）和井下强振动的工作环境，仅靠弹簧蓄能器对导向力稳定性调节存在压力缓冲效果较差、压力不稳定和压力稳定恢复速度较慢，因此难以实现推力油缸稳定压力的快速补偿。（3）供液压元件正常工作的电源（储电池）也存在寿命短的问题。
5.中国专利cn2592840通过采用柱塞液压泵为液控导向系统提供压力能，电磁压力比例阀调节执行活塞的推力大小，也存在一些缺陷：部分钻井液杂质易流入柱塞缸无杆腔内，使压力传递介质——清洁液压油受到污染；该液压控制系统系仅有一个压力控制元件——电磁压力比例阀，该系统会出现卡钻现象。
6.因此，研制导向推力稳定且稳定性高、可连续调节，以及系统防卡钻、抗污染和井下自动提取电能的液控导向系统，是提高自动定向钻井工具与技术发展的关键。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本发明提出一种自动定向钻井工具的液控导向系统，能够实现液控导向系统的导向力具备稳定性高和可连续调节，从而有效提高自动定向钻井工具导向性能和井眼轨迹的质量。同时，本发明液控导向系统具有防卡钻、抗污染和电能提取的特性，还提高了使用寿命与可靠性，降低钻井事故的发生。
8.本发明采用的技术解决方案如下：一种自动定向钻井工具的液控导向系统，包括导向套和储电池，所述导向套上开设有储电池仓和液控导向单体集成块仓，所述储电池固定安装在储电池仓内，所述液控导向单体集成块仓沿导向套轴线均布有三个，所述各液控导向单体集成块仓均固定安装有液控导向单体集成块，所述液控导向单体集成块上安装有液控导向系统、贮油皮囊、导向液压缸和抗污染微流量金属膜片泵，该液控导向系统通过管路分别与贮油皮囊、导向液压缸和抗污染微流量金属膜片泵相连通，所述各液控导向单体集成块上的导向液压缸分别位于垂直导向套轴线的同一横面截上，所述各导向液压缸的活塞杆前端均安装有推力块。
9.优选的，所述液控导向系统包括有配流吸油单向阀、直动式比例溢流阀和安全阀，该配流吸油单向阀的进油口与贮油皮囊相连通，该配流吸油单向阀的出油口与抗污染微流量金属膜片泵的进油口相连通，所述抗污染微流量金属膜片泵的出油口与配流排油单向阀的进油口相连通，该配流排油单向阀的出油口通过第一节流阀与导向液压缸的无杆腔相连通，该导向液压缸的有杆腔与贮油皮囊相连通，所述直动式比例溢流阀和安全阀的进油口分别与配流排油单向阀的出油口相连通，该直动式比例溢流阀和安全阀的出油口分别与贮油皮囊相连通，弹簧蓄能器的进油口和出油口通过电磁比例节流阀与导向液压缸的无杆腔相连通，该弹簧蓄能器的泄漏油口与贮油皮囊相连通，第一单向阀并联在电磁比例节流阀的两端。
10.优选的，所述抗污染微流量金属膜片泵包括有底座、金属膜片和球头弹簧柱塞，所述底座固定安装在导向套的内侧壁上，所述金属膜片密封固定安装在底座上，形成一个密闭的工作腔，所述球头弹簧柱塞位于工作腔内，并固定安装在底座上，该球头弹簧柱塞的前端部与金属膜片内侧接触，该金属膜片的外侧与偏心轴承相接触，所述抗污染微流量金属膜片泵的进油口和出油口分别开设在底座上。
11.优选的，所述金属膜片呈二次凸弧型。
12.优选的，还包括有井下电能提取装置，该井下电能提取装置由小型叶轮发电机、液动换向阀、第二单向阀和第二节流阀组成，所述小型叶轮发电机的两端分别与贮油皮囊和液动换向阀的出油口相连通，所述液动换向阀的进油口与配流排油单向阀的进油口相连通，所述第二节流阀的两端分别与配流排油单向阀的出油口和液动换向阀的k口相连通，所述第二单向阀并联在第二节流阀的两端，所述小型叶轮发电机与导向套上储电池仓内的储电池电连接，该储电池与电磁比例节流阀和直动式比例溢流阀电连接。
13.本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：1、为自动定向钻井工具中的液控导向系统提供了一种防污染、防泄漏和微流量的液压泵。所述抗污染微流量金属膜片泵的功能主要体现在以下两个方面。一方面，所述抗污
染微流量金属膜片泵通过所述金属膜片与底座密封安装，有效地将工作腔内的清洁液压油与井下钻井液等污染杂质完全隔离开来，避免了钻井液等杂质流入所述泵的工作腔内，并与清洁液压油相互混合，起到了防污染的作用。同时，也避免了所述液控导向系统各控制元件因液控导向系统高压油液受到污染而使所述各控制元件灵敏度和控制精度降低，甚至损坏。另一方面，与上文背景技术中所提及的中国专利所采用的柱塞液压泵相比，所述金属膜片是所述抗污染微流量金属膜片泵的唯一形变区域，大大减少了油液可能存在外泄漏的区域。并且所述金属膜片又密封固定安装于所述底座上，在所述偏心轴承推动所述金属膜片外凸表面的驱动下，使所述金属膜片作小行程的往复凸凹运动，从而改变所述泵的工作腔容积，实现所述抗污染微流量金属膜片泵无外泄漏运行。
14.2、为自动定向钻井工具中的液控导向系统提供了一种b型能量存储与利用阻尼网络。该网络能够使钻具的液控导向系统在强振动的工况下，实现导向推力稳定和稳定性高，以及导向推力恢复稳定的速度快。所述液控导向系统在井下实际工况中导向时，由于强振动的影响，所述导向液压缸的推力块相对于井壁产生向右的振动，活塞杆所连接的推力块与井壁之间发生突跳。在所述导向液压缸无杆腔压力作用下，活塞杆向井壁方向伸出，以补偿活塞杆所连接的推力块与井壁之间的间距，此时导向液压缸无杆腔容积增大，所述抗污染微流量金属膜片泵为导向液压缸不断补充高压油液。此时，所述液阻-液容压力微分网络为导向液压缸无杆腔内迅速提供压力油液，并配合所述b型液压阻尼半桥网络中的第一节流阀出口缓冲压力的共同作用下，使所述导向液压缸无杆腔内的油源压力恢复稳定，从而实现所述液控导向系统的推力稳定。当所述导向液压缸无杆腔内补充的高压油液压力在高于预期稳定压力值（或预期稳定导向推力）而上下波动时，部分高压油液通过所述b型能量存储与利用阻尼网络中的单向节流阀中的单向阀流向弹簧蓄能器内，将其压力能存储起来，使导向液压缸无杆腔压力逐渐趋于预期稳定压力值（或预期稳定导向推力）；当所述导向液压缸无杆腔压力在低于预期稳定压力值（或预期稳定导向推力）附近上下波动时，在所述b型液压阻尼半桥第一节流阀的作用下，所述抗污染微流量金属膜片泵的油源压力得到压力缓冲的效果，并在所述液阻-液容压力微分网络的油液压力补偿下，使导向液压缸无杆腔内的压力趋于预期稳定压力值（或预期稳定导向推力）。在所述导向液压缸无杆腔内油源压力不稳定（无杆腔内的供油压力高于或低于预期稳定压力值）至油源压力稳定的过程中，可通过调节所述b型能量存储与利用阻尼网络中单向节流阀的输入电压值，从而控制所述导向液压缸无杆腔内的不稳定压力至稳定压力这一过程的恢复速度，缩短所述导向液压缸不稳定压力至稳定压力这一过程的等待时间。同时，配合上述井下强震动工况下的压力稳定调节过程，进而实现所述导向液压缸稳定推力的快速补偿。
15.3、本发明的液控导向系统中安装有井下电能提取装置，可在所述液控导向系统正常工作的情况下，将所述抗污染微流量金属膜片泵的出油口高压油液通过所述小型叶轮发电机由液压能转换为电能，实现井下电能提取，供所述自动定向钻井工具中的储电池充电，解决了井下储电池供电紧张的问题。
16.4、本发明液控导向系统配备了安全阀，可降低自动定向钻井工具卡钻的风险。
17.5、本发明的自动定向钻井工具中的液控导向系统在钻井的过程中，提高井眼质量、井身表面的光滑程度和降低井身螺旋弯曲程度。
18.6、所述液控导向系统结构简单，维修方便，安全可靠。
附图说明
19.图1是本发明的导向套结构示意图；图2是本发明导向套截面工作原理示意图；图3是本发明的液控导向系统原理结构示意图；图4是本发明的抗污染微流量金属膜片泵的结构示意图。
20.1、导向套；2、储电池；3、贮油皮囊；4、导向液压缸；5、抗污染微流量金属膜片泵；6、配流吸油单向阀；7、进油口；8、出油口；9、配流排油单向阀；10、第一节流阀；11、直动式比例溢流阀；12、安全阀；13、弹簧蓄能器；14、电磁比例节流阀；15、第一单向阀；16、底座；17、金属膜片；18、球头弹簧柱塞；19、工作腔；20、偏心轴承；21、井下电能提取装置；22、小型叶轮发电机；23、液动换向阀；24、第二单向阀；25、第二节流阀；26、钻柱；27、b型能量存储与利用阻尼网络；28、推力块；29、井壁；30、液控导向单体集成块。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明作进一步地详细说明：由图1至图4所示，自动定向钻井工具的液控导向系统，一种自动定向钻井工具的液控导向系统，其特征在于，包括导向套1和储电池2，所述导向套1上开设有储电池仓和液控导向单体集成块仓，所述储电池2固定安装在储电池仓内，所述液控导向单体集成块仓沿导向套1轴线均布有三个，所述各液控导向单体集成块仓均固定安装有液控导向单体集成块30，所述液控导向单体集成块30上安装有液控导向系统、贮油皮囊3、导向液压缸4和抗污染微流量金属膜片泵5，该液控导向系统通过管路分别与贮油皮囊3、导向液压缸4和抗污染微流量金属膜片泵5相连通，所述各液控导向单体集成块30上的导向液压缸4分别位于垂直导向套1轴线的同一横面截上，所述各导向液压缸4的活塞杆前端均安装有推力块28。
22.所述液控导向系统包括有配流吸油单向阀6、直动式比例溢流阀11和安全阀12，该配流吸油单向阀6的进油口与贮油皮囊3相连通，该配流吸油单向阀6的出油口与抗污染微流量金属膜片泵5的进油口7相连通，所述抗污染微流量金属膜片泵5的出油口8与配流排油单向阀9的进油口相连通，该配流排油单向阀9的出油口通过第一节流阀10与导向液压缸4的无杆腔相连通，该导向液压缸4的有杆腔与贮油皮囊3相连通，所述直动式比例溢流阀11和安全阀12的进油口分别与配流排油单向阀9的出油口相连通，该直动式比例溢流阀11和安全阀12的出油口分别与贮油皮囊3相连通，弹簧蓄能器13的进油口和出油口通过电磁比例节流阀14与导向液压缸4的无杆腔相连通，该弹簧蓄能器13的泄漏油口与贮油皮囊3相连通，第一单向阀15并联在电磁比例节流阀14的两端。所述安全阀12仅当液控导向系统发生故障时，例如发生卡钻现象时，则开启该安全阀12，其他情况下安全阀12阀口均处于关闭状态。
23.将液控导向系统的诸多元器件均集成安装在液控导向单体集成块上，不仅利于前期的加工和组装，而且也有利于后期将该液控导向单体集成块直接安装在导向套1上。
24.所述第一节流阀10、电磁比例节流阀14、第一单向阀15和弹簧蓄能器13构成b型能量存储与利用阻尼网络27；
所述电磁比例节流阀14与第一单向阀15组成单向节流阀；所述电磁比例节流阀14、配流排油单向阀9和第一节流阀10组成b型液压阻尼半桥网络；所述电磁比例节流阀14与弹簧蓄能器13组成液阻-液容压力微分网络；所述弹簧蓄能器13、电磁比例节流阀14、第一节流阀10和配流排油单向阀9组成动压反馈网络；所述b型液压阻尼半桥网络为导向液压缸4的油源压力或导向推力起到缓冲与补偿的作用；所述液阻-液容压力微分网络可提高液控导向系统的静态刚度和导向液压缸4推力的稳定性，减小液控导向系统和导向液压缸4推力的稳态误差；所述动压反馈网络也是由b型液压阻尼半桥网络和液阻-液容压力微分网络共同联合组成，具有液控导向系统抵抗井下强震动或外界环境干扰的能力。
25.通过调节单向节流阀的输入电压，可改变导向液压缸4的压力不稳定至稳定的等待时间。
26.所述b型液压阻尼半桥网络、液阻-液容压力微分网络、动压反馈网络和单向节流阀共同联合组成b型能量存储与利用阻尼网络27。b型能量存储与利用阻尼网络27的作用为上述各网络与单向节流阀所具备的作用与效果之和。
27.所述抗污染微流量金属膜片泵5包括有底座16、金属膜片17和球头弹簧柱塞18，所述底座16固定安装在导向套1的内侧壁上，所述金属膜片17密封固定安装在底座16上，形成一个密闭的工作腔19，所述球头弹簧柱塞18位于工作腔19内，并固定安装在底座16上，该球头弹簧柱塞18的前端部与金属膜片17内侧接触，该金属膜片17的外侧与偏心轴承20相接触，所述抗污染微流量金属膜片泵5的进油口7和出油口8分别开设在底座16上。使用时，将导向套1与井壁29内表面相接触，并安装于钻柱26外侧，所述偏心轴承20固定在钻柱26上，并与金属膜片17的外侧相接触。
28.通过钻柱26的转动，在偏心轴承20的作用下，通过偏心轴承20和抗污染微流量金属膜片泵5从旋转钻柱26上提取机械能，转换为液控导向系统油液压力能，供本液控导向系统工作。
29.所述金属膜片17呈二次凸弧型。金属膜片17的四周部分接近密封固定处的存在一段较小的外凸趋势，金属膜片17的中间部分存在一段较大的外凸趋势。这样利于金属膜片17增大与偏心轴承20切向接触的受力面积，从而减小金属膜片17上的应力大小，进而有效防止因偏心轴承20产生的力逐渐增大时而使金属膜片17发生破裂的现象。
30.还包括有井下电能提取装置21，该井下电能提取装置21由小型叶轮发电机22、液动换向阀23、第二单向阀24和第二节流阀25组成，所述小型叶轮发电机22的两端分别与贮油皮囊3和液动换向阀23的出油口相连通，所述液动换向阀23的进油口与配流排油单向阀9的进油口相连通，所述第二节流阀25的两端分别与配流排油单向阀9的出油口和液动换向阀23的k口相连通，所述第二单向阀24并联在第二节流阀25的两端，所述小型叶轮发电机22与导向套1上储电池仓内的储电池2电连接，该储电池2与电磁比例节流阀14和直动式比例溢流阀11电连接。所述第二单向阀24与第二节流阀25并联组成阻尼器，所述第二单向阀24用来保证液动换向阀23端面进油畅通，所述第二节流阀25用于液动换向阀23端面回油的节流，从而实现液动换向阀23的平稳换向。所述液动换向阀23为二位二通换向阀，其阀芯的一
端接通有阻尼器，其阀芯的另一端安装有复位弹簧，该复位弹簧的复位力为导向液压缸4的活塞杆完全伸出时的最大稳定推力。
31.所述直动式比例溢流阀11采用模拟信号对液控导向系统的导向力进行井下连续控制与调节，通过在线调节直动式比例溢流阀11的输入电压，改变作用在阀芯上的电磁力，与抗污染微流量金属膜片泵5通过配流排油单向阀9的出口油液作用在阀芯上的液压力进行比较，从而控制直动式比例溢流阀11的开口度，进而排出导向液压缸4无干腔内多余的油液，达到调节液控导向系统导向力的目的。通过改变直动式溢流阀11的输入电压，即可实现对液控导向系统导向推力的连续调节。
32.工作原理：所述偏心轴承20套置安装在钻柱26上，偏心轴承20与抗污染微流量金属膜片泵5的金属膜片17切向接触。当所述钻柱26旋转时，偏心轴承20也随之做旋转运动，所述抗污染微流量金属膜片泵5通过偏心轴承20从钻柱26上提取机械能，通过对金属膜片17的挤压与释放转化为液控导向系统油液压力能，供液控导向系统工作。钻柱26每旋转一周，偏心轴承20完成一次金属膜片17的挤压与释放过程，所述抗污染微流量金属膜片泵5的工作腔19完成一次扩张与压缩运动。随着套置安装在钻柱26上的偏心轴承20的偏心距逐渐减小时，在球头弹簧柱塞18的作用下，金属膜片17由挤压状态逐渐转变为释放状态，所述工作腔19发生扩张时，工作腔19的容积增大，腔内形成负压，配流吸油单向阀6开启，从贮油皮囊3中吸入低压油；当套置安装在钻柱26上的偏心轴承20的偏心距逐渐增大时，金属膜片17由释放转变为挤压状态，所述工作腔19的容积减小，腔内形成高压，高压油液推开配流排油单向阀9，高压油液被送入导向液压缸4无杆腔内。钻柱26连续旋转，所述偏心轴承20的偏心距由增加到减小反复循环，所述金属膜片17完成多次挤压与释放的循环状态，所述抗污染微流量金属膜片泵5连续完成多次扩张与压缩运动，不断地为导向液压缸4无杆腔输入高压油源，所述导向液压缸4的活塞杆不断外伸。通过在线调节直动式比例溢流阀11的输入电压值，改变直动式比例溢流阀11的开口度，实现控制导向液压缸4活塞杆推力的升高与降低。所述导向液压缸4推力因井下强震动工况而出现不稳定时，所述b型能量存储与利用阻尼网络27的b型液压阻尼半桥、液阻-液容压力微分网络和动态反馈网络共同作用下，所述抗污染微流量金属膜片泵5的出口油液压力得到缓冲，导向液压缸4无杆腔得到高压油的补偿，导向液压缸4无杆腔内的油液压力得到稳定。通过调节b型能量存储与利用阻尼网络27中的电磁比例节流阀14输入电压值，改变可变节流阀14阀口开口度，从而缩短导向液压缸4无杆腔内油源压力的由不稳定到达稳定的等待时间，配合上述可实现导向液压缸4无杆腔压力快速补偿的效果。此外，所述液控导向系统在实现导向功能的同时，所述井下电能提取装置21能够在不影响导向液压缸4正常工作情况下，对未被充分利用高压油源进行液压能与电能之间的转换，为所述导向套1中的井下储电池2充电使用。由于所述阻尼器与导向液压缸4内油源相连通，当所述导向液压缸4无杆腔内的压力低于所述液动换向阀23弹簧复位力时，所述液动换向阀23不换向，阀口不开启，所述井下电能提取装置21中的小型叶轮发电机22不工作，所述抗污染微流量金属膜片泵5为导向液压缸4供油，导向液压缸4活塞杆的推力块28逐渐外伸；当所述导向液压缸4无杆腔内的压力高于或等于所述液动换向阀23弹簧复位力，所述弹簧复位力为导向液压缸最大推力时，即导向液压缸4活塞杆完全伸出且推力达到最大，所述液动换向阀23阀口打开，所述抗污微流量金属膜片泵5的出口油液通过液动换向阀23流向所述小型叶轮发电机22进油口，油液从出油口流回贮油皮囊3。在利用进入进油口
的高压油源流回贮油皮囊3之间的动能，来带动所述小型叶轮发电机22的叶轮旋转，从而使所述小型叶轮发电机22工作，并产生电能，为所述井下储电池2充电。由于所述配流排油单向阀9的反向截止作用下，导向液压缸4无杆腔内油源压力实现保压状态，所述活塞杆连接的推力块28持续稳定推靠井壁29，直至导向液压缸4无杆腔内压力低于所述液动换向阀弹簧复位力时，所述液动换向阀23的阀口关闭，所述抗污染微流量金属膜片泵5为导向液压缸4无杆腔持续供油。实现井下电能的提取，从而通过所述小型叶轮发电机22为所述井下储电池2充电。
33.另外，所述液控导向系统出现故障或其它因素导致自动定向钻井工具发生卡钻现象时，钻柱26停止工作，所述抗污染微流量金属膜片泵5停止对所述导向液压缸4无杆腔供油，通过钻具上提过程中井壁29对推力块28的反作用力下，所述导向液压缸4无杆腔内的高压油液通过所述安全阀12逐渐排至贮油皮囊3中。