一种泥浆驱动旋转导向钻井控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种泥浆驱动导向钻井控制系统，涉及石油与天然气钻井领域。现有旋转导向钻井控制系统包含发电机、电机、泵、转阀等，结构极其复杂，可靠性较差，价格高昂；系统压力不可控，无法实现精细化导向钻井作业。本发明专利技术涉及一种泥浆驱动旋转导向钻井控制系统，由电磁节流阀、径向推力机构、旋转导向工具泥浆脉冲发射器、上接头、钻杆、电池、电源管理模块、CPU、测量模块、放大控制器组A、电磁减压阀、控制阀组A组成。本发明专利技术核心部件仅有电磁阀和放大控制器，控制原理简单、可靠性好；通过电磁阀来控制径向推力机构，避免了使用高温高压电机、泵、动密封、压力补偿短节等价格高昂的元器件，成本低；可实现径向推力机构导向力的精细化控制。化控制。化控制。

【技术实现步骤摘要】
一种泥浆驱动旋转导向钻井控制系统


[0001]本专利技术涉及石油天然气钻井工程领域，尤其涉及一种泥浆驱动旋 转导向钻井控制系统。

技术介绍

[0002]2021年我国石油对外依存度上升至72％，天然气攀升至46％，大 大超过国际公认的警戒线，目前我国常规油气资源开发已达极限，开 发页岩气等非常规油气是缓解我国能源需求的必然选择。长水平井是 促进页岩气经济长效开发的重要手段，水平井眼的形成需要井眼轨迹 控制，当前主要包括弯螺杆滑动导向和旋转导向两种井眼轨迹控制技 术：
[0003]弯螺杆滑动导向技术成本低，由此我国水平井导向依然以弯螺杆 滑动导向为主，例如在2020年，青海页岩气弯螺杆滑动导向占比超 过83％。在弯螺杆滑动导向过程中，钻柱不旋转，钻柱摩阻大极易“托 压”，导致钻压不能有效传递，机械钻速通常仅为旋转钻井的1/10～ 1/5；“托压”导致工具面不易调整和控制，钻井时效降低超过30％； 且极易形成岩屑床，粘附卡钻风险高。
[0004]旋转导向技术严重依赖进口，费用高昂：日费15～20万元，按45 天平均单井导向周期计算，仅旋转导向技术费用达675～900万元， 达到整个钻井费用的10
‑
20％。旋转导向工具外径尺寸较大，卡埋和经 济风险极高：目前生产井井眼直径多数为215.9mm，旋转导向最大直 径达210mm，间隙不到6mm，极易发生岩屑卡死埋钻。因此在2020年 第32届全国天然气学术年会上，旋转导向技术依然被列为典型的“卡 脖子”技术。综上所述，旋转导向技术是解决长水平段钻井“托压”、 提高钻井效率、缩短建井周期的最有效手段。
[0005]旋转导向系统国外主要有US9556679B2、US9784036B2、US9528320、 US9714564、US6109372B2、US9828804B2等指向式专利，US8672056B2、 US9206644、US8672056B2、US7389830B2、US9476263B2等推靠式专利， 这些旋转导向系统均采用电机+泵+电磁阀+推靠块(液压油驱动)和 电机+转阀+推靠块(泥浆驱动)的驱动和控制模式，此类控制模式主 要有以下缺点：
[0006](1)电能需求量较大，需要配备发电机，电机抗振性能和转速 控制精度要求高、难度大，成本居高不下；
[0007](2)此类旋转导向涉及发电机、电机、泵、转阀等多个动密封 结构，结构极其复杂，可靠性较差；
[0008](3)此类控制系统的系统压力不可控，导向钻井的导向力无法 实施精细化调控，同时这些超高温超高压电机、测控电路、高温高压 动密封、压力补偿短节等均被国外公司垄断，形成了严重的技术壁垒， 致使我国旋转导向技术依然是我国未突破瓶颈技术。
[0009]国内申请了CN201510134442.X、CN201810671572.0、 CN201811408149.8等相关旋转导向系统专利，这些专利几乎均采用 电机+泵+电磁阀+推靠块(液压油驱动)和电机+转阀+推靠块(泥浆 驱动)的驱动和控制模式，与国外专利相似，同样存在导向力不可控、 系统可靠性差、成本高等技术难题。
[0010]基于此，拟专利技术一种泥浆驱动导向钻井控制系统，有效解决现有 旋转导向钻井系统导向力不可控、系统可靠性差、成本高等技术难题。

技术实现思路

[0011]为了克服现有技术的不足，专利技术了一种泥浆驱动旋转导向钻井控 制系统。所述：由钻头(1)、电磁节流阀(2)、径向推力机构(3)、 旋转导向工具(4)、旋转导向工具内部泥浆通道(5)、泥浆脉冲发 射器(6)、环空(7)、上接头(8)、钻杆(9)、电池/发电机(10)、 电源管理模块(11)、CPU(11)、测量模块(13)、放大控制器组A (14
‑
1)、电磁减压阀(15)、控制阀组A(16
‑
1)组成，所述：电 磁节流阀(2)安装在钻头(1)和旋转导向工具(4)之间，可控制旋 转导向工具内部泥浆通道(5)内高压泥浆的压力，进而控制控制阀 组A(16
‑
1)的泥浆压力；所述：旋转导向工具内部泥浆通道(5)与 控制阀组A(16
‑
1)之间串联电磁减压阀(15)，用于控制控制阀组 A(16
‑
1)高压泥浆压力；所述：1～4个径向推力机构(3)左液压腔 (307)分别并联1～4个二位二通电磁插装阀A(17)，并与环空(7) 连接；所述：1～4个径向推力机构(3)右液压腔(308)分别并联1～4 个二位二通电磁插装阀B(18)，并与电磁减压阀(15)连接；所述： 二位二通电磁插装阀A(17)和二位二通电磁插装阀B(18)所组成 的控制阀组A(16
‑
1)由放大控制器组A(14
‑
1)进行控制；所述： 测量模块(13)由陀螺仪(13
‑
1)、磁通量测量仪(13
‑
2)、重力加 速度计(13
‑
3)、泥浆脉冲控制器(13
‑
4)、存储器(13
‑
5)、管内 压力传感器(13
‑
6)、管外压力传感器(13
‑
7)组成。
[0012]所述：二位二通电磁插装阀A(17)为断电常闭二位二通电磁插 装阀，二通电磁插装阀B(18)为断电常开二位二通电磁插装阀，确 保断电状态或测控电路故障情况下，左液压腔(307)与环空(7)中 的低压泥浆保持连接状态，并与旋转导向工具内部泥浆通道(5)中 的高压泥浆保持断开状态，确保在弹簧(302)的弹力作用下将活塞 (303)左移，进而促使推力块(305)收缩，减小井下卡钻风险；同 时，也可减小非导向钻井作业中对电能的消耗，以延长旋转导向钻井 系统井下服务时间。
[0013]所述：1个径向推力机构(3
‑1‑
1)由1～4个并联的二位二通电磁 插装阀A(17)和1～4个并联的二位二通电磁插装阀B(17)所组成 的控制阀组D(16
‑
4)进行控制，以提高左液压腔(307)和右液压腔 (308)进出液速度，进而提高径向推力机构D(3
‑2‑
1)的伸缩频率， 提高旋转导向控制精度和转速，实现高精度高转速钻井，同时可减小 任意1个小二位二通电磁插装阀A(17)或二位二通电磁插装阀B(18) 故障、堵塞等失效风险；所述：控制阀组D(16
‑
4)配备与插装阀相 同数量的放大控制器(14)1个二位二通电磁插装阀A(17)或二位 二通电磁插装阀B(18)对应1个放大控制器(14)；或：1～4个并 联的二位二通电磁插装阀A(17)配备1个放大控制器(14)，1～4个 并联的二位二通电磁插装阀B(18)配备1个放大控制器(14)，减 小放大控制器(14)的数量，提高同步性。
[0014]所述：二位二通电磁插装阀A(17)、二位二通电磁插装阀B(18) 可由二位三通电磁插装阀(19)代替；所述：二位三通电磁插装阀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种泥浆驱动旋转导向钻井控制系统，其特征在于：由钻头(1)、电磁节流阀(2)、径向推力机构(3)、旋转导向工具(4)、旋转导向工具内部泥浆通道(5)、泥浆脉冲发射器(6)、环空(7)、上接头(8)、钻杆(9)、电池/发电机(10)、电源管理模块(11)、CPU(11)、测量模块(13)、放大控制器组A(14
‑
1)、电磁减压阀(15)、控制阀组A(16
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1)组成，所述：电磁节流阀(2)安装在钻头(1)和旋转导向工具(4)之间，可控制旋转导向工具内部泥浆通道(5)内高压泥浆的压力，进而控制控制阀组A(16
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1)的泥浆压力；所述：旋转导向工具内部泥浆通道(5)与控制阀组A(16
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1)之间串联电磁减压阀(15)，用于控制控制阀组A(16
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1)高压泥浆压力；所述：1～4个径向推力机构(3)左液压腔(307)分别并联1～4个二位二通电磁插装阀A(17)，并与环空(7)连接；所述：1～4个径向推力机构(3)右液压腔(308)分别并联1～4个二位二通电磁插装阀B(18)，并与电磁减压阀(15)连接；所述：二位二通电磁插装阀A(17)和二位二通电磁插装阀B(18)所组成的控制阀组A(16
‑
1)由放大控制器组A(14
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1)进行控制；所述：测量模块(13)由陀螺仪(13
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1)、磁通量测量仪(13
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2)、重力加速度计(13
‑
3)、泥浆脉冲控制器(13
‑
4)、存储器(13
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5)、管内压力传感器(13
‑
6)、管外压力传感器(13
‑
7)组成。2.根据权利要求1所述的一种泥浆驱动旋转导向钻井控制系统，其特征在于：二位二通电磁插装阀A(17)为断电常闭二位二通电磁插装阀，二通电磁插装阀B(18)为断电常开二位二通电磁插装阀，确保断电状态或测控电路故障情况下，左液压腔(307)与环空(7)中的低压泥浆保持连接状态，并与旋转导向工具内部泥浆通道(5)中的高压泥浆保持断开状态，确保在弹簧(302)的弹力作用下将活塞(303)左移，进而促使推力块(305)收缩，减小井下卡钻风险；同时，也可减小非导向钻井作业中对电能的消耗，以延长旋转导向钻井系统井下服务时间。3.根据权利要求1所述的一种泥浆驱动旋转导向钻井控制系统，其特征在于：1个径向推力机构(3
‑1‑
1)由1～4个并联的二位二通电磁插装阀A(17)和1～4个并联的二位二通电磁插装阀B(17)所组成的控制阀组D(16
‑
4)进行控制，以提高左液压腔(307)和右液压腔(308)进出液速度，进而提高径向推力机构D(3
‑2‑
1)的伸缩频率，提高旋转导向控制精度和转速，实现高精度高转速钻井，同时可减小任意1个小二位二通电磁插装阀A(17)或二位二通电磁插装阀B(18)故障、堵塞等失效风险；所述：控制阀组D(16
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4)配备与插装阀相同数量的放大控制器(14)1个二位二通电磁插装阀A(17)或二位二通电磁插装阀B(18)对应1个放大控制器(14)；或：1～4个并联的二位二通电磁插装阀A(17)配备1个放大控制器(14)，1～4个并联的二位二通电磁插装阀B(18)配备1个放大控制器(14)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵建国，王国荣，刘清友，肖晓华，万敏，曾杰，董学成，罗旭，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：