一种用于垂直钻井工具的实时测量与自动控制系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种用于垂直钻井工具的实时测量与自动控制系统，包括电源管理单元、井下参数测量单元、运算控制单元、液压执行机构、脉冲信号传输单元和地面监测单元；井下参数测量单元和液压执行机构均连接到运算控制单元；运算控制单元依次通过电源管理单元、脉冲信号传输单元连接到地面监测单元；该用于垂直钻井工具的实时测量与自动控制系统可以实时监测井下参数及钻井工具工作状态，且在钻井工具出现偏差时进行自动纠斜，从而大幅节约钻井成本、降低施工风险、提高钻井速度。

A Real-time Measurement and Automatic Control System for Vertical Drilling Tools

The utility model discloses a real-time measurement and automatic control system for vertical drilling tools, including power management unit, downhole parameter measurement unit, operation control unit, hydraulic actuator, pulse signal transmission unit and ground monitoring unit; downhole parameter measurement unit and hydraulic actuator are connected to transportation. The control unit is connected to the ground monitoring unit through power management unit and pulse signal transmission unit in turn. The real-time measurement and automatic control system for vertical drilling tools can monitor downhole parameters and working status of drilling tools in real time, and correct deviations automatically when drilling tools occur. Thus, drilling cost can be greatly saved, construction risk can be reduced and drilling speed can be improved.

【技术实现步骤摘要】
一种用于垂直钻井工具的实时测量与自动控制系统
本技术涉及钻井
，特别涉及一种用于垂直钻井工具的实时测量与自动控制系统。
技术介绍
垂直钻井工具主要应用于解决高陡构造、大倾角地层等易斜地层的防斜问题，能够有效提高钻井速度和油气采收率，降低钻井成本，在塔里木油田、青海油田及国内其他油田区块具有巨大的市场需求及广阔的市场前景。测量与控制系统是垂直钻井工具的大脑和核心，是垂钻工具实现自动纠斜、井下参数测量及上传，地面实时监测井下工具工作状态的关键，也是垂钻系统进行正常垂直钻井技术服务的决定性因素。目前，国际上多家公司研制的应用于钻井工具的测量与控制系统虽然取得了巨大突破并成功应用于垂直钻井技术服务，但仍需与MWD测量系统配套使用通过定点测量的方式来实现井下参数的监测，不仅大幅度增加了钻井成本，同时也不利于提高钻井速度，并且由于在钻进过程中无法实时监测井下数据，给钻井施工带来了一定风险。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种用于垂直钻井工具的实时测量与自动控制系统。为此，本技术技术方案如下：一种用于垂直钻井工具的实时测量与自动控制系统，包括电源管理单元、井下参数测量单元、运算控制单元、液压执行机构、脉冲信号传输单元和地面监测单元；井下参数测量单元和液压执行机构均连接到运算控制单元；运算控制单元依次通过电源管理单元、脉冲信号传输单元连接到地面监测单元；电源管理单元为井下参数测量单元、运算控制单元、液压执行机构和脉冲信号传输单元提供电力支持。进一步的，所述电源管理单元包括泥浆发电机、全波整流桥、宽电压输入稳压模块、触点式环形滑轨连接器和直流-直流转换模块；泥浆发电机依次通过全波整流桥、宽电压输入稳压模块和触点式环形滑轨连接器连接到直流-直流转换模块。进一步的，所述的宽电压输入稳压模块上设有电压电流检测电路和过压过流保护电路；电压电流检测电路对宽电压输入稳压模块的输出进行不间断测量，并将测量信息传送到过压过流保护电路；过压过流保护电路根据电压电流检测电路发送的测量信息控制宽电压输入稳压模块的关断。进一步的，所述的直流-直流转换模块包括48V直流-直流转换模块、±12V直流-直流转换模块、5V直流-直流转换模块。进一步的，所述的井下参数测量单元包括X轴加速度计、Y轴加速度计、Z轴加速度计、导向压力传感器、井底压力传感器、温度传感器、滤波电路、运算放大电路、A/D采样电路；X轴加速度计、Y轴加速度计、Z轴加速度计、导向压力传感器、井底压力传感器、温度传感器均依次通过滤波电路、运算放大电路连接到A/D采样电路；A/D采样电路连接到运算控制单元。进一步的，所述的液压执行机构包括电机驱动电路、直流无刷电机、油泵、储油容器、高压囊、电磁阀驱动电路、高压阀门、低压阀门、电磁阀组、活塞组、推靠器组；电机驱动电路用来驱动直流无刷电机带动油泵旋转；油泵上连接有储油容器和高压囊，油泵将储油容器中的油泵入高压囊中；高压囊连接到高压阀门的进油口，高压阀门的出油口同时连接到低压阀门的进油口和电磁阀组的四个电磁阀上；低压阀门的出油口通过管道连接到储油容器；电磁阀驱动电路驱动电磁阀组来驱动活塞组和与活塞组连接的推靠器组运动。进一步的，所述的地面监测单元包括泥浆压力传感器、信号调理电路、地面解码装置和地面参数显示单元；泥浆压力传感器将检测到的电流信号经信号调理电路滤波放大处理后转化为电压信号，地面解码装置将信号调理电路输出的电压信号进行解码后发送到地面参数显示单元。进一步的，所述的脉冲信号传输单元包括泥浆脉冲发生器驱动电路、泥浆脉冲发生器、传输介质；泥浆脉冲发生器驱动电路与泥浆脉冲发生器相连，泥浆脉冲发生器通过传输介质将脉冲信号传送至地面监测单元。进一步的，所述的运算控制单元包括微控制器、系统复位电路、时钟同步电路、数据存储器、串口通讯模块、电脉冲信号发生器；系统复位电路、时钟同步电路、数据存储器、串口通讯模块、电脉冲信号发生器均连接到微控制器。与现有技术相比，该用于垂直钻井工具的实时测量与自动控制系统可以实时监测井下参数及钻井工具工作状态，且在钻井工具出现偏差时进行自动纠斜，从而大幅节约钻井成本、降低施工风险、提高钻井速度。附图说明图1为本技术提供的用于垂直钻井工具的实时测量与自动控制系统的结构框图。图2为电源管理模块的结构框图。图3为井下参数测量单元的结构框图。图4为运算控制单元的结构框图。图5为液压执行机构的结构框图。图6为脉冲信号传输单元的结构框图。图7为地面监测单元的结构框图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本技术做进一步的说明，但下述实施例绝非对本技术有任何限制。一种用于垂直钻井工具的测量与控制系统，如图1所示，包括电源管理单元1、井下参数测量单元2、运算控制单元3、液压执行机构4、脉冲信号传输单元5、地面监测单元6。其中：电源管理单元1与井下参数测量单元2、运算控制单元3、液压执行机构4、脉冲信号传输单元5相连接，电源管理单元1根据与其相连接的各个单元对电能的不同需求，提供不同额定功率及输出电压值的稳压直流电源；井下参数测量单元2与运算控制单元3、液压执行机构4相连接，井下参数测量单元2通过相应的传感器对井斜、高边工具面角、井底压力、温度等井下参数信息及液压执行机构4的导向压力信息进行测量，并将测量信息传送至运算控制单元3；运算控制单元3与液压执行机构4相连接，运算控制单元3对测量信息进行运算、编码、存储，并对计算得出的高边工具面角、井斜具体参数值及井下垂直钻井工具工作状态进行分析，根据分析结果向控制液压执行机构4发出相关指令，控制各液压部件及机械结构动作的执行，同时运算控制单元3将数据编码以电脉冲信号的形式通过电源管理单元1传送至脉冲信号传输单元5；液压执行机构4根据来自运算控制单元3的不同控制指令驱动相应液压部件及机械结构进行不同的相关动作，使垂直钻井工具的高边工具面始终保持为推靠井壁状态，从而改变钻头指向，达到自动纠斜目的；脉冲信号传输单元5与地面监测单元6相连接，脉冲信号传输单元5用于将电脉冲信号转换为传输介质压力信号并传送至地面监测单元6，地面监测单元6对压力信号进行测量、解码，显示最终测量结果及压力脉冲信号状态，并实现井下参数的存储。如图2所示，所述电源管理单元1包括泥浆发电机101、全波整流桥102、宽电压输入稳压模块103、电压电流检测电路104、过压过流保护电路105、触点式环形滑轨连接器106和直流-直流转换模块；所述的直流-直流转换模块包括48V直流-直流转换模块107、±12V直流-直流转换模块108、5V直流-直流转换模块109；其中：泥浆发电机101、全波整流桥102、宽电压输入稳压模块103、电压电流检测电路104、过压过流保护电路105安装在垂直钻井工具的电源短节上，在钻进过程中随电源短节旋转，48V直流-直流转换模块107、±12V直流-直流转换模块108、5V直流-直流转换模块109安装在垂直钻井工具的闭环控制壳体上，在钻进过程中随闭环壳体相对井壁保持静止，触点式环形滑轨连接器106安装在电源短节及闭环控制壳体之间。其中：泥浆发电机101与全波整流桥102相连接，泥浆发电机101采用最大额定功率为300W的涡轮式泥浆发电机，安装在泥浆循环通道中，在不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于垂直钻井工具的实时测量与自动控制系统，其特征在于，包括电源管理单元(1)、井下参数测量单元(2)、运算控制单元(3)、液压执行机构(4)、脉冲信号传输单元(5)和地面监测单元(6)；井下参数测量单元(2)和液压执行机构(4)均连接到运算控制单元(3)；运算控制单元(3)依次通过电源管理单元(1)、脉冲信号传输单元(5)连接到地面监测单元(6)；电源管理单元(1)为井下参数测量单元(2)、运算控制单元(3)、液压执行机构(4)和脉冲信号传输单元(5)提供电力支持。

【技术特征摘要】
1.一种用于垂直钻井工具的实时测量与自动控制系统，其特征在于，包括电源管理单元(1)、井下参数测量单元(2)、运算控制单元(3)、液压执行机构(4)、脉冲信号传输单元(5)和地面监测单元(6)；井下参数测量单元(2)和液压执行机构(4)均连接到运算控制单元(3)；运算控制单元(3)依次通过电源管理单元(1)、脉冲信号传输单元(5)连接到地面监测单元(6)；电源管理单元(1)为井下参数测量单元(2)、运算控制单元(3)、液压执行机构(4)和脉冲信号传输单元(5)提供电力支持。2.根据权利要求1所述的用于垂直钻井工具的实时测量与自动控制系统，其特征在于，所述电源管理单元(1)包括泥浆发电机(101)、全波整流桥(102)、宽电压输入稳压模块(103)、触点式环形滑轨连接器(106)和直流-直流转换模块；泥浆发电机(101)依次通过全波整流桥(102)、宽电压输入稳压模块(103)和触点式环形滑轨连接器(106)连接到直流-直流转换模块。3.根据权利要求2所述的用于垂直钻井工具的实时测量与自动控制系统，其特征在于，所述的宽电压输入稳压模块(103)上设有电压电流检测电路(104)和过压过流保护电路(105)；电压电流检测电路(104)对宽电压输入稳压模块(103)的输出进行不间断测量，并将测量信息传送到过压过流保护电路(105)；过压过流保护电路(105)根据电压电流检测电路(104)发送的测量信息控制宽电压输入稳压模块(103)的关断。4.根据权利要求3所述的用于垂直钻井工具的实时测量与自动控制系统，其特征在于，所述的直流-直流转换模块包括48V直流-直流转换模块(107)、±12V直流-直流转换模块(108)、5V直流-直流转换模块(109)。5.根据权利要求1所述的用于垂直钻井工具的实时测量与自动控制系统，其特征在于，所述的井下参数测量单元(2)包括X轴加速度计(201)、Y轴加速度计(202)、Z轴加速度计(203)、导向压力传感器(204)、井底压力传感器(205)、温度传感器(206)、滤波电路(207)、运算放大电路(208)、A/D采样电路(209)；X轴加速度计(201)、Y轴加速度计(202)、Z轴加速度计(203)、导向压力传感器(204)、井底压力传感器(205)、温度传感器(206)均依次通过滤波电路(207)、运算放大电路(208)连接到A/D采样电路(209)；A/D采样电路(209)...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏庆振，李绍辉，汝大军，马哲，康建涛，黄峰，郭贤伟，高明，白大鹏，张长春，杨春，刘郅轩，郭佳，郝楠，
申请(专利权)人：中国石油集团渤海钻探工程有限公司，
类型：新型
国别省市：天津,12