一种旋转导向钻井工具的分流阀门控制系统

技术领域

本发明涉及钻井测控技术领域，具体涉及一种旋转导向钻井工具的分流阀门控制系统。

背景技术

利用水平井/定向井实现煤层气的地面抽采，有助于防治瓦斯爆炸和实现煤层气的资源化利用。增大井眼轨迹（水平段/定向段）在煤层的延伸距离是获取煤层气地面抽采效益的关键，但煤岩强度低、裂缝发育，井壁稳定性差，常规弯螺杆滑动导向钻进的风险极高。采用近钻头随钻测量、全旋转执行的旋转导向钻井技术是当前煤层气定向钻井的发展趋势，有望大幅提高定向井段的安全性和机械钻速。

针对煤岩的地质属性，旋转导向钻井技术基于随钻测量的井周信号周期性地控制液压机构推靠井壁获得导向作用力。鉴于煤岩与顶板、底板围岩在放射性上的显著差异，一般基于随钻测量的方位伽玛信号判断井眼前进趋势与煤层展布的关系。当前，旋转导向钻具系统中，单独的液压推靠机构和随钻方位伽玛探测装置均已较为成熟，如何根据方位伽玛信号设计液压管路的阀门机构来周期性调控液压机构伸缩是当前煤层旋转导向钻具的主要瓶颈。现有的旋转导向钻井工具存在设计复杂、制造难度大、井下安全可靠性低、调控精度低等问题。

因此，需要一种旋转导向钻井工具的分流阀门控制系统，能够提高对井眼前进趋势调控的精确度，提高定向井或水平井在煤层中的钻遇率。

发明内容

针对煤层定向钻井对旋转导向钻具的技术要求，本发明提供一种旋转导向钻井工具的分流阀门控制系统，能够根据旋转导向钻井工具各方位伽马射线强度的差异，判断当前井眼轨迹的前进趋势是否与预设煤层的倾角或方位相吻合，进而控制相应的阀门开启或关闭，以实现对井眼前进趋势的调控，提高定向井或水平井在煤层中的钻遇率。

本发明提供了一种旋转导向钻井工具的分流阀门控制系统，包括可编程逻辑控制器以及与旋转导向钻井工具的多个方位的伸缩机构分别对应连接的伽马射线传感器、阀门控制器和交流接触器，伽马射线传感器用于测量伸缩机构对应方位的伽马射线强度并将对应方位的伽马射线强度转换为电信号，可编程逻辑控制器用于接收各方位伽马射线强度对应的电信号并根据各方位伽马射线强度的梯度判断井眼前进趋势，并根据井眼前进趋势向对应方位的交流接触器发送阀门开关指令，交流接触器用于根据阀门开关指令控制阀门控制器使钻井液分流以获取相应的钻进导向力，使井眼前进轨迹按照预设的轨迹前进。

本发明提供的分流阀门控制系统能够按照预设控制程序控制交流接触器将电信号转换为阀门控制杆位移变化，从而控制阀门开关状态，使旋转导向钻井工具按照预设的煤层钻进，降低煤层卡钻风险，安全、高效的提高了钻井工具在煤层中的钻遇率。

可选地，本发明提供的分流阀门控制系统还包括姿态传感器、状态传感器、压力传感器，姿态传感器用于实时获取旋转导向钻井工具的井斜信息和方位信息，状态传感器用于实时测量旋转导向钻井工具的转速，压力传感器用于测量旋转导向钻井工具各个伸缩机构方位的导向力。

通过对各方位伸缩机构状态信息和压力信息以及钻井工具的井斜信息和方位信息进行实时采集，有利于控制器根据钻井工具的姿态和状态信息进行实时控制，提高钻进过程中的安全性和稳定性。

可选地，在上述分流阀门控制系统中，交流接触器包括电磁阀、控制杆，电磁阀用于在可编程逻辑控制器电流信号控制下产生作用力带动控制杆位移。此外，交流接触器还包括外部阀体、止水板、回缩弹簧、阀芯、O形圈、六角帽，外部阀体用于保护内部结构，止水板用于防止流体进入阀门内部，回缩弹簧用于辅助控制杆回缩，阀芯、O形圈、六角帽用于稳定控制杆。

可选地，在上述分流阀门控制系统中，如果各个方位伸缩机构上伽马射线强度值之间的差值小于可编程逻辑控制器预设强度值，则分流阀门控制系统保持关闭，如果各个方位上伽马射线强度值之间的差值大于可编程逻辑控制器预设强度值，则分流阀门控制系统开启。

如果各方位上的γ射线强度之间的差值小于预先设定的阈值，即钻进趋势与煤层展布相同，则阀门系统保持关闭。如果微处理器判断井眼有从高边出煤层的趋势，则通过交流接触器将旋转至高边的阀门打开，高压钻井液进入井眼高边的导向装置液压腔并推动活塞支撑井眼高边，获得向下的导向力。如果微处理器判断井眼有从低边出煤层的趋势，则通过交流接触器将旋转至低边的阀门打开，高压钻井液进入井眼低边的导向装置液压腔并推动活塞支撑井眼低边，获得向上的导向力。通过上述方案，微处理器根据各方位γ射线强度的差异判断井眼前进方向是否有出煤层的趋势，并控制井眼前进方向始终保持在预设煤层内。

可选地，在上述分流阀门控制系统中，在旋转导向钻井工具沿煤层前进过程中，当外侧岩层伽马射线强度值大于预设的煤层伽马射线强度值范围时，电磁阀产生吸力吸引控制杆回缩打开阀门；当外侧岩层伽马射线强度值小于预设的煤层伽马射线强度值范围时，电磁阀产生排斥力并在回缩弹簧作用下使控制杆回缩打开阀门。

可选地，在上述分流阀门控制系统中，可编程逻辑控制器用于根据状态传感器测量的转速调整交流接触器的控制频率，可编程逻辑控制器用于将伽马射线强度转换为电流强度，使电流强度与伽马射线强度成正比。

可选地，在上述分流阀门控制系统中，可编程逻辑控制器还用于根据姿态传感器测量的旋转导向钻井工具的井斜信息和方位信息预测井眼前进轨迹，以便根据预测的井眼前进轨迹对各个伸缩机构的阀门进行控制。

可选地，在上述分流阀门控制系统中，可编程逻辑控制器还用于根据将旋转导向钻井工具的转速、方位、轨迹趋势实时传输到远程终端。

可选地，分流阀门控制系统还包括组合开关、控制开关、热继电器、熔断器和电动机，组合开关用于控制分流阀门控制系统的开启和关闭，控制开关用于控制电动机的开启和关闭。

根据本发明提供的分流阀门控制系统，在钻具旋转工况下随钻测量各方位伽玛强度，并根据各方位伽马射线强度的差异，判断当前井眼轨迹的前进趋势是否与煤层的倾角/方位相吻合，进而给出相应的阀门开关指令以实现对井眼前进趋势的调控。能够提高对井眼前进趋势调控的精确度，提高定向井或水平井在煤层中的钻遇率。

附图说明

图1示出了根据本发明一个实施例的旋转导向钻井工具的分流阀门控制系统结构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的交流接触器的内部构造示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的可编程逻辑控制器内部电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和特点更加清楚，下面通过一具体案例详述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

旋转导向钻井系统已成为复杂超深定向井和大位移水平井使用的必备技术，相比于滑动定向钻井，旋转导向钻井对井眼轨迹的控制能力更加精确，能够减少摩阻扭矩和井下复杂情况的发生。为了保证旋转导向钻井工具在旋转工况下按照预设的煤层轨迹前进，本发明提供了一种旋转导向钻井工具的分流阀门控制系统，能够在钻具旋转工况下随钻测量各方位伽马射线强度，并根据各方位伽马射线强度的差异，判断当前井眼轨迹的前进趋势是否与预设煤层相吻合，通过控制相应的阀门开关实现对井眼前进趋势的调控，并根据可编程继电控制方式提高对井眼前进趋势调控的精确度。

图1示出了根据本发明一个实施例的旋转导向钻井工具的分流阀门控制系统结构示意图。如图1所示，该系统包括可编程逻辑控制器PLC、伽马射线传感器R、交流接触器KM和开关组件。阀门控制器内置于交流接触器KM中，是高压钻井液进入导向装置液压腔的开关，SB为交流接触器中控制杆的一个触点，开关组件中组合开关QS起到控制整个电路系统运行和关闭的作用，当然也应视具体情况适当增设其他开关，热继电器FR和熔断器FU起到保护电路系统和各个电路元件的作用，其数量和形式包括但不限于图1中所给出的形式。

需要说明的是，图1中示出的伽马射线传感器、交流接触器的数量仅仅是示例性的，在实际工况下，为实现旋转导向钻井工具钻头方向的改变，通常需要3或4个伸缩机构在旋转导向钻具的周向每隔90°或120°布置，因此也就需要在每个伸缩机构方位上分别设置交流接触器和伽马射线传感器，每一个伸缩机构由一个阀门控制器控制，多个阀门控制器可以看做整个阀门控制系统中多个交流接触器及触点机构的并联，可由可编程逻辑控制器按照预设程序统一调控，并且并联的每条线路单设开关，受可编程逻辑控制器调控，以确保能够精准控制、各阀门互不干扰。其中，伽马射线传感器用于测量伸缩机构对应方位的伽马射线强度并将对应方位的伽马射线强度转换为电信号，可编程逻辑控制器用于接收各方位伽马射线强度对应的电信号并根据各方位伽马射线强度的梯度判断井眼前进趋势，并根据井眼前进趋势向对应方位的交流接触器发送阀门开关指令。可编程逻辑控制器还可以根据姿态传感器测量的旋转导向钻井工具的井斜信息和方位信息预测井眼前进轨迹，以便根据预测的井眼前进轨迹对各个伸缩机构的阀门进行控制。交流接触器根据阀门开关指令控制阀门控制器使钻井液分流以获取相应的钻进导向力，使井眼前进轨迹按照预设的轨迹前进。为了实时获取旋转导向钻具的工况，该系统还可以包括安装于近钻头附近的姿态传感器、状态传感器、压力传感器，其中，姿态传感器用于实时获取旋转导向钻井工具的井斜信息和方位信息，状态传感器用于实时测量旋转导向钻井工具的转速，压力传感器用于测量旋转导向钻井工具各个伸缩机构方位的导向力。

图2示出了根据本发明一个实施例的交流接触器的内部构造示意图。如图2所示，交流接触器由外部阀体1，电信号输入端2，电信号输出端3，电磁铁4，控制杆上部磁铁5，控制杆6，回缩弹簧7，阀芯8，O形圈9，六角帽10，止水板11等部分组成。其中，电信号输入端2、电磁铁4、电信号输出端3、控制杆上部磁铁5构成电磁阀，电磁阀用于在可编程逻辑控制器电流信号控制下产生作用力带动控制杆位移。电信号由输入端2输入，由输出端3输出，使电磁铁4的磁感应强度大小增强，作用在控制杆的上部磁铁5，按电磁铁与控制杆上部磁铁为吸引力考虑，进而使控制杆6产生相应的位移变化，以达到打开阀门的目的。外部阀体1主要起保护内部结构的作用，止水板11起到防止流体进入阀门内部的作用，回缩弹簧7起到辅助控制杆回缩的作用，阀芯8、O形圈9、六角帽10起到固牢和保护的作用。由于钻柱内为高压钻井液流体，具有较高的强度要求，而为增强阀门部分的承压能力，需合理选取控制杆、止水板、阀体、钻柱管路的材料并合理进行强度设计，并且可以在控制杆关闭侧增设凹槽增加锚固力。

如图1所示，伽马射线感应器R在感应到钻头附近对应方位的γ射线强度大小之后，将伽马射线强度信号转化为电信号，经传递线路和可编程逻辑控制器输入端传递给PLC，各γ射线传感器感应测量对应方位的γ射线强度并转化为电信号传递给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器根据各方位γ射线强度的差异判断井眼前进方向是否有出煤层的趋势，可根据煤岩层特性提前预设各方位γ射线强度的差值与阀门控制的逻辑关系，判断当前井眼轨迹的前进趋势是否与煤层的倾角/方位相吻合，进而给出相应的阀门开关指令以实现对井眼前进趋势的调控。可编程逻辑控制器将对应的阀门开关指令经传递线路传达到交流接触器KM，使阀门控制器作出相应的开关响应，具体表现为阀门控制杆位移的增或减。具体地，如果各个方位上伽马射线强度值之间的差值小于可编程逻辑控制器预设强度值，则分流阀门控制系统保持关闭，如果各个方位上伽马射线强度值之间的差值大于可编程逻辑控制器预设强度值，则分流阀门控制系统开启。在旋转导向钻井工具沿煤层前进过程中，当外侧岩层伽马射线强度值大于预设的煤层伽马射线强度值范围时，电磁阀产生吸力吸引控制杆回缩打开阀门；当外侧岩层伽马射线强度值小于预设的煤层伽马射线强度值范围时，电磁阀产生排斥力并在回缩弹簧作用下使控制杆回缩打开阀门。

图3示出了根据本发明一个实施例的可编程逻辑控制器内部电路示意图。如图3所示，可编程逻辑控制器采用继电器输出式接口电路，可编程逻辑控制器用于通过继电器输出式接口电路同时控制多个交流接触器中控制杆的位移，为使交流接触器的电磁阀对控制杆的位移控制更具准确性和灵活性，可以采用交流电并采用二极管整流电路，整流电路用于改变继电器输出式接口电路的电流方向，既可以实现交流电特定情况下的定方向化整流，又能够通过可编程逻辑控制器与整流单元的配合自由转换电路中电流方向。在本发明的另一个实施例中，也可以用直流电池作为电源，将整个控制系统作为一个独立于钻井电力供应与使用系统之外的一部分，而通过特殊的可改变两极极性的直流电池电源与可编程逻辑控制器的配合改变控制系统电路的电流方向，可以视钻井实际情况而定。

为说明本发明中的各个部件是如何配合并最终实现分流阀门控制系统对旋转导向钻具的调控，以钻柱单侧的阀门控制部分为例，假设控制杆上方磁极为S极，控制杆上部电磁铁的初始磁极为N极，控制系统的电流强度随γ射线强度的增加而增加，那么，当钻头沿煤层前进时，当方向偏向的外侧岩层γ射线强度大于煤层的γ射线强度范围时，控制系统的电流强度增强，磁极间作用力逐渐增强，当达到PLC预设值时，吸引控制杆回缩，打开阀门，使该侧高压流体流入仓内推动伸缩柱外伸；反之，当钻头前进方向偏向煤层外侧γ射线强度小于煤层的γ射线强度范围的岩层时，在交流电、控制器及其简易二极管整流装置等的共同作用下，改变线路中的电流方向，则交流接触器的电磁铁下方磁极变为S级，随着γ射线强度的减小，当达到PLC的预设值时，电磁铁对控制杆的排斥力同时减小到回缩弹簧许用推动值，同样使控制杆回缩，打开阀门。由多个阀门并联，按相同的原理各自调控其控制杆位移并分流，调控各自的伸缩机构，实现多个方向的移动，并且由PLC调控交流接触器的频率实现与转速的匹配，最终也就达到了了钻井导向的目的。

通过上述方案，通过随钻测量各方位伽玛强度，并根据各方位伽马射线强度的差异，判断当前井眼轨迹的前进趋势是否与煤层的倾角/方位相吻合，进而给出相应的阀门开关指令以实现对井眼前进趋势的调控。本发明提供的分流阀门控制系统能够提高对井眼前进趋势调控的精确度，并且能够预测井眼前进轨迹，提高定向井或水平井在煤层中的钻遇率。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。

因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。