用于在流體調(diào)制器中產(chǎn)生壓力信號(hào)的可移動(dòng)元件的制作方法
【專利說明】用于在流體調(diào)制器中產(chǎn)生壓力信號(hào)的可移動(dòng)元件
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)要求享有以下專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益:2013年7月30日遞交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)如.61/860206、2013年12月8日遞交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)％.61/913347、2014年5月25日遞交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.62/002901、2014年5月25日遞交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)%.62/002904、2014年7月29日遞交的美國非臨時(shí)專利申請(qǐng)如.14/445062、2014年7月29日遞交的美國非臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.14/445063以及2014年7月29日遞交的美國非臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.14/445064，這些專利申請(qǐng)通過引用并入本文中。
【背景技術(shù)】
[0003]該部分提供背景信息，以便更好地理解本公開的各個(gè)方面。應(yīng)當(dāng)理解，要從這個(gè)角度閱讀該文獻(xiàn)的該部分中的敘述，而不是作為對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的承認(rèn)。
[0004]通常向地下鉆井以開采地殼的地質(zhì)構(gòu)造中所蓄積的碳?xì)浠衔锖推渌谕牟牧系淖匀怀练e。通常，使用附接至鉆柱的下端的鉆頭來鉆井。進(jìn)行鉆井，使得井穿過包含蓄積的材料的地下地層并且可以開采該材料。
[0005]鉆柱的底端為井底鉆具組合(“BHA”) AHA包括鉆頭以及傳感器、控制機(jī)構(gòu)和所需電路。典型的BHA包括用于測量地層及地層中所包含的流體的各種屬性的傳感器。BHA還可以包括用于測量BHA的方位和位置的傳感器。
[0006]地表處或遠(yuǎn)程運(yùn)行支持中心處的操作者可以控制鉆井操作。通過地表處的轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)以期望的速率轉(zhuǎn)動(dòng)鉆柱，并且操作者控制鉆壓以及鉆井過程中的其它運(yùn)行參數(shù)。
[0007]鉆井和井控的另一方面涉及鉆井流體，稱為泥漿。泥漿為通過鉆柱從地表栗送至鉆頭的流體。泥漿用于冷卻和潤滑鉆頭，并且將鉆肩運(yùn)回地表。精確地控制泥漿的密度，以將鉆孔中的流體靜壓維持在期望的水平。
[0008]為了使操作者知道BHA中的傳感器所進(jìn)行的測量以及使操作者能夠控制鉆頭的方向，需要在地表處的操作者與BHA之間進(jìn)行通信。下行鏈路為從地表至BHA的通信。基于BHA中的傳感器所采集的數(shù)據(jù)，操作者可以期望向BHA發(fā)送命令。常見的一個(gè)命令為用于使BHA改變鉆井的方向的指令。
[0009]同樣地，上行鏈路為從BHA至地表的通信。上行鏈路通常為BHA中的傳感器所采集的數(shù)據(jù)的傳輸。例如，使操作者知道BHA方位通常是重要的。因此，BHA中的傳感器所采集的方位數(shù)據(jù)通常被傳送至地表。上行鏈路通信還用于確認(rèn)下行鏈路命令被正確地理解。
[0010]一種常用的通信方法被稱為泥漿脈沖遙測技術(shù)。泥漿脈沖遙測技術(shù)是通過創(chuàng)建泥漿中的壓力和/或流量脈沖來下行或上行發(fā)送信號(hào)的方法。可以通過接收位置處的傳感器來檢測這些脈沖。例如，在下行操作中，可以通過BHA中的傳感器來檢測沿鉆柱向下栗送的泥漿的壓力或流量變化?？赏ㄟ^傳感器檢測脈沖的特性(諸如頻率、相位和幅度)并對(duì)其進(jìn)行解釋，以使得BHA可以理解命令。
[0011 ]美國專利N0.3309656中公開了一種泥漿脈沖遙測技術(shù)的方法，該方法包括:旋轉(zhuǎn)閥或“泥漿警報(bào)器”壓力脈沖發(fā)生器，其不斷地中斷鉆井流體的流動(dòng)，因而使得以與中斷速率成比例的載波頻率在鉆井流體中生成變化的壓力波。通過調(diào)制聲學(xué)載波頻率將井下傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)傳送至地表。相關(guān)的設(shè)計(jì)為美國專利N0.6626253中所公開的擺動(dòng)閥，其中，轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子擺動(dòng)，每隔180度改變方向，不斷地中斷鉆井流體的流動(dòng)并使得生成變化的壓力波?？紤]到活動(dòng)部分的特性，一些脈沖發(fā)生閥經(jīng)受阻塞和腐蝕，并且一些脈沖發(fā)生閥具有在井下環(huán)境下受限的功率消耗水平。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]根據(jù)本公開的一個(gè)方面，一種流體調(diào)制器包括:可移動(dòng)元件，其被布置成穿過金剛石支承表面進(jìn)入收縮的流孔眼中?？梢苿?dòng)元件例如可被線性平移通過支承表面進(jìn)入流孔目艮，周向地轉(zhuǎn)動(dòng)到流孔眼中，和或在流孔眼中轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)本公開的多個(gè)方面，用于在文丘里管中創(chuàng)建壓力信號(hào)的可移動(dòng)元件包括軸和擋塊或末端。軸和末端可由不同結(jié)構(gòu)材料形成，例如，軸可由金剛石構(gòu)成而末端由碳化鎢構(gòu)成。根據(jù)一個(gè)方面的流體調(diào)制器包括:本體，其在入口與出口之間形成流孔眼，該流孔眼對(duì)于從入口軸向流動(dòng)至出口的流體提供限流；以及可移動(dòng)元件，其具有被布置成穿過所述本體的軸部和能夠選擇性地位于所述流孔眼中以改變所述流孔眼的末端。
[0013]提供該
【發(fā)明內(nèi)容】
來介紹以下在【具體實(shí)施方式】部分進(jìn)一步說明的構(gòu)思的選擇。該
【發(fā)明內(nèi)容】
不是旨在識(shí)別請(qǐng)求保護(hù)主題的關(guān)鍵或必要特征，也不是旨在用作幫助限制請(qǐng)求保護(hù)主題的范圍。
【附圖說明】
[0014]參照以下【附圖說明】流體調(diào)制器裝置、系統(tǒng)和方法的實(shí)施例。整個(gè)附圖中使用相同的附圖標(biāo)記指示相同的特征和部件。需要強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，各種特征不必按比例繪制。實(shí)際上，為了討論清楚，可以隨意地增加或減少各種特征的尺寸。
[0015]圖1、2和20為其中可以實(shí)施根據(jù)本公開的多個(gè)方面的流體調(diào)制器的井系統(tǒng)的示意圖。
[0016]圖3為包括一個(gè)以上的可移動(dòng)部的流體調(diào)制器的示意圖，其中，每個(gè)可移動(dòng)部具有覆蓋根據(jù)本公開的多個(gè)方面的流體調(diào)制器的流孔眼的圓周部分的幾何形狀。
[0017]圖4和圖5示出了根據(jù)本公開的多個(gè)方面的流體調(diào)制器的速度幅度的等值線圖。
[0018]圖6至圖19示出了根據(jù)本公開的多個(gè)方面的流體調(diào)制器。
【具體實(shí)施方式】
[0019]應(yīng)當(dāng)理解，以下的公開內(nèi)容提供了多個(gè)不同的實(shí)施例或用于實(shí)施各實(shí)施例的不同特征的示例。下面描述部件和布置的具體示例來簡化本公開內(nèi)容。當(dāng)然，這僅是示例并且不是意在進(jìn)行限制。另外，本公開內(nèi)容可以在各種示例中重復(fù)使用附圖標(biāo)記和/或標(biāo)識(shí)。重復(fù)的目的是為了簡化和清楚起見而不是本身指定各實(shí)施例和/或所討論的配置之間的關(guān)系。
[0020]本文中所公開的流體調(diào)制器、系統(tǒng)和方法可以提供比現(xiàn)有裝置更低的功率消耗、比現(xiàn)有裝置更寬的運(yùn)行范圍、用于使地表接收器與鉆井和泥漿馬達(dá)噪聲隔離的能力、用于使地表鉆機(jī)和泥漿栗噪聲與井下接收器和發(fā)送器隔離的能力，可以提供通過與鉆柱基本共軸的調(diào)制裝置執(zhí)行打撈作業(yè)的能力，以及可以提供泥漿脈沖信號(hào)的幅度控制(例如，幅度和/或正交幅度調(diào)制“QAM”控制)。根據(jù)多個(gè)方面，流體調(diào)制器允許使用諸如QAM的高帶寬效率。流體調(diào)制器提供動(dòng)態(tài)間隙調(diào)整控制。例如，所公開的流體調(diào)制器可以允許改變間隙設(shè)置，同時(shí)流體調(diào)制器位于井下，以改變所生成的信號(hào)強(qiáng)度來適應(yīng)泥漿流率的變化。根據(jù)本公開內(nèi)容的多個(gè)方面，流體調(diào)制器能夠使用寬頻率范圍進(jìn)行相位、頻率、幅度或它們的任意組合、單載波或多載波調(diào)制。在所公開的流體調(diào)制器用作例如上行鏈路、下行鏈路或沿柱測量或中繼工具時(shí)，它們可以利用這些調(diào)制。
[0021]圖1示意性地示出了井或鉆井系統(tǒng)100，該系統(tǒng)可以在陸地上或海上并且在其中可以實(shí)施根據(jù)本公開內(nèi)容的流體調(diào)制器200。系統(tǒng)100被示出為具有鉆機(jī)10，鉆機(jī)10包括用于向鉆柱14提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)12。鉆柱14的下端伸到井眼30中并且攜帶鉆頭16鉆探地下地層18。在鉆井作業(yè)期間，例如經(jīng)由諸如一個(gè)或多個(gè)往復(fù)栗的一個(gè)或多個(gè)栗24從地表29處的泥漿池22抽取鉆井流體20。鉆井流體20循環(huán)穿過泥漿管線26、向下穿過鉆柱14、穿過鉆頭16并經(jīng)由鉆柱14與井眼30的壁之間的環(huán)形空間28返回至地表29。在到達(dá)地表29時(shí)，通過線路32將鉆井流體20排放到泥漿池22中，使得可以在鉆井流體20重新循環(huán)到鉆柱14中之前將鉆井泥漿中向井口攜帶的鉆肩(諸如，例如巖石和/或其它井肩)沉淀在泥漿池22的底部。
[0022]所示的鉆柱14包括井底鉆具組合(“BHA”)33，井底鉆具組合33包括至少一個(gè)井下工具34。井下工具34可以包括勘測或測量工具，諸如隨鉆測井(“LWD”)工具、隨鉆測量()工具、近鉆頭工具、鉆頭上工具、和/或測井電纜可部署的工具。LWD工具可以包括用于測量、處理和存儲(chǔ)信息以及用于與地表設(shè)備通信的能力。另外，LWD工具可包括用于測量與地層18和/或井眼相關(guān)的特性的以下類型的測井裝置中的一個(gè)或多個(gè):電阻率測量裝置；定向電阻率測量裝置;聲波測量裝置;核測量裝置;核磁共振測量裝置;壓力測量裝置;地震測量裝置;成像裝置;地層采樣裝置；自然伽瑪射線裝置;密度和光電指數(shù)裝置；中子孔隙度裝置;以及井徑裝置。利用圖2中的附圖標(biāo)記120來具體標(biāo)識(shí)LWD工具。
[0023]MWD工具可以包括例如用于測量鄰近于鉆頭16的特性的一個(gè)或多個(gè)裝置。MffD工具可包括以下類型的測量裝置中的一個(gè)或多個(gè):鉆壓測量裝置;轉(zhuǎn)矩測量裝置;振動(dòng)測量裝置;沖擊測量裝置;粘滑測量裝置;方向測量裝置;傾角測量裝置；自然伽瑪射線裝置;定向勘測裝置;工具面裝置;井眼壓力裝置；以及溫度裝置。MffD工具可以檢測、收集和/或記錄與鉆頭16處、地下地層18周圍、鉆柱14前端和/或鉆柱14周圍一定距離處的狀況有關(guān)的數(shù)據(jù)和/或信息。利用圖2中的附圖標(biāo)記130標(biāo)識(shí)MffD工具。
[0024]井下工具34可以包括井下電源，例如電池、井下馬達(dá)、渦輪機(jī)、井下泥漿馬達(dá)或任何其它發(fā)電源。電源可以產(chǎn)生和生成要遍布BHA33分布和/或?qū)χ辽僖粋€(gè)井下工具34供電的電力或電能。
[0025]所述的井下工具34包括傳感器36(例如，傳感器組件，數(shù)據(jù)源)以及根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)或多個(gè)方面的用于泥漿脈沖遙測的流體調(diào)制器200。流體調(diào)制器200被操作用于干擾鉆井流體20流過鉆柱14，以產(chǎn)生壓力脈沖或改變流體流動(dòng)。通過流體調(diào)制器的操作對(duì)壓力脈沖進(jìn)行調(diào)制，從而為了遙測的目的對(duì)壓力脈沖進(jìn)行編碼。例如，在圖1中，流體調(diào)制器200被操作用于創(chuàng)建井眼和泥漿管線26中的鉆井流體的壓力變化，其中，利用例如來自井下數(shù)據(jù)源36的數(shù)據(jù)對(duì)該壓力變化進(jìn)行編碼?？梢酝ㄟ^壓力變換器40和栗活塞傳感器42檢測調(diào)制后的鉆井流體20的壓力變化，壓力變換器40和栗活塞傳感器42均可以耦接至地表系統(tǒng)處理器，參見例如圖2中的處理器50。地表系統(tǒng)處理器可以解釋經(jīng)調(diào)制的鉆井流體20的壓力變化，以重構(gòu)數(shù)據(jù)源36所收集和發(fā)送的測量結(jié)果、數(shù)據(jù)和/或信息。在通過引用整體并入本文的、共同受讓的美國專利N0.5375098和N0.8302685中詳細(xì)描述了壓力波的調(diào)制和解調(diào)。
[0026]可以使用硬件和/或軟件的任意期望的組合來實(shí)現(xiàn)地表系統(tǒng)處理器以及其它處理器。例如，個(gè)人計(jì)算機(jī)平臺(tái)、工作站平臺(tái)等可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)(例如，磁性或光學(xué)的硬盤和/或隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)上，并且執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)軟件例程、程序、機(jī)器可讀代碼和/或指令，以用于執(zhí)行本文所描述的操作。另外地或可替代地，地表系統(tǒng)處理器可以利用專用硬件或邏輯器件，諸如例如專用集成電路、配置的可編程邏輯控制器、離