[发明专利]控制随钻扩眼时钻柱横向振动的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井技术领域，特别涉及控制和监测随钻扩眼过程中产生的横向振动，是一种控制随钻扩眼时钻柱横向振动的方法。

背景技术

随钻扩眼施工所用钻具主要是领眼钻头和随钻扩眼器，二者之间由领眼钻柱相连。扩眼过程常常伴随剧烈的横向振动，横向振动一旦开始就很难终止。这种横向振动难以从地面装置监测和控制。近些年来，研究人员才开始从优化结构的角度提出减小横向振动的方法。

与随钻扩眼钻柱横向振动相关的研究成果主要集中在对领眼钻柱横向振动的测试和理论计算，只有少数研究者提出消除横向振动的方法。Jones等人指出，过度的横向振动，钻柱粘滑常常伴随扩眼过程。Algu等人通过室内试验证实，随钻扩眼过程中扩眼器会因剧烈横向振动而损坏。Thomson等人改进了PDC钻头和扩眼器的布齿方法，使二者更好的相互匹配，试验表明，经过优化布齿的扩眼钻具组合横向振动幅度减小，机械钻速显著提高。

目前，对扩眼过程中钻柱横向振动的监测和控制两个过程是相互独立的。监测过程能通过在扩眼器上方或下方安装测量仪器来实现，而控制横向振动的方法则主要是改变钻具局部结构，或在钻柱中增加稳定器。监测获得横向振动情况固然重要，然而测得数据却不能及时用于指导钻进过程；常规控制横向振动的方法只针对特定结构的扩眼钻具，不具通用性；且不能及时了解钻柱的工作状态。

中国专利公告号：CN1401878，提供了一种“自动垂直钻具”。其技术方案是：发电机、测量装置、控制装置均置于内外管间的环状腔体中，钻具的上下端分别与钻杆、钻头相连；钻具被置于地表层之下。发电机转子安装在内管的外壁上；定子通过机壳固定在外管的内壁上。由三个磁悬浮式呈正交型配置的加速计构成的测斜仪安装在井下发电机的下方。由液压传感器、放大滤波电路构成的测深装置与钻头相邻。由数据采集、信号放大滤波电路等组成的电子控制装置与发电机输出端相连；由液压泵、电磁压力比例阀等组成液压控制装置位于电子舱的下方；液压泵与内管相连接。它能自动测斜、纠斜；适用于钻探行业。

中国专利公告号：CN2431393，提供了一种“机电液一体化自动垂直钻井工具”。能够在井斜时，进行自动探测倾斜情况，并使钻头上自动产生一个附加的降斜力。

发明内容

本发明的目的是：提供一种控制随钻扩眼时钻柱横向振动的方法及其控制装置，将随钻扩眼钻柱横向振动监测与控制有效结合，通过井下闭环系统实现领眼钻柱的有效扶正，提高扩眼过程的稳定性，保护扩眼器和领眼钻头，并提高机械钻速。

本发明采用的技术方案是：控制随钻扩眼时钻柱横向振动的方法，其特征在于：

步骤1：将领眼钻头4螺纹连接在横向振动控制短节的下端，在横向振动控制短节的上端连接随钻扩眼器，在随钻扩眼器的上端连接测传短节，测传短节的上端连接钻井管柱；将带有测传短节、随钻扩眼器、横向振动控制短节和领眼钻头的扩眼钻柱下入井底；

步骤2：旋转钻柱开始扩眼钻井，测传短节中置有监测横向振动加速度的元件，测传短节测得加速度后将其转换为数字信号，信号传递给脉冲发生器并被转换为脉冲信号，随后脉冲发生器采用泥浆脉冲形式向横向振动控制短节传递信号。

步骤3：横向振动控制短节主要由泥浆脉冲信号接收器、井下微处理器、电磁阀、液压泵和扶正总成组成。信号接收器接收脉冲信号，经转换后输入井下微处理器。井下微处理器进行逻辑运算和判断，根据横向振动剧烈程度调整电磁阀的开度。

步骤4：当随钻扩眼钻柱横向振动较平缓时(横向加速度绝对值不超过0.1g)，井下微处理器分析接收到的数据，经逻辑运算，得到结果不改变电磁阀的状态(电磁阀为常开阀)，维持全开状态。此时，液压泵的转子由钻柱带动旋转，液压油经扶正总成的液压油路、电磁阀后进入心轴和扶正套所形成的环形空间并最终流回液压泵的入口，如此循环往复。液压油虽然流经扶正总成的液压缸，但并不会对缸中的活塞施加液压力。扶正肋板在弹簧作用下收缩入本体内，与井壁相脱离。这时，中心轴呈横向自由状态。

步骤5：当扩眼至特定位置，钻柱发生了较严重的横向振动(横向加速度绝对值大于0.1g)，井下微处理器接收信息并经逻辑判断后发出控制信号，使电磁阀的开度减小。此时循环流动的液压油流动阻力增大，故而油压升高，作用于扶正总成液压缸的活塞上的液压力也随之增大。当液压力大于弹簧反力时，活塞被推出。扶正肋板随活塞运动而张开，沿扶正套径向向外伸出并支撑在井壁上，中心轴被有效扶正，领眼钻柱获得了稳固的支撑，从而降低其横向振动的剧烈程度。随钻扩眼器2和领眼钻头的横向振动也将获得有效控制。