以泥漿為動力的慣性驅動振蕩脈動器的制造方法
【專利摘要】在一個概略方案中，在內部有鉆井液流動的鉆柱中使用泥漿脈動遙測工具。該泥漿脈動遙測工具可包括設置在鉆柱中的脈動器和驅動該脈動器的驅動系統(tǒng)。該脈動器可包括不旋轉的泥漿脈動定子和靠近所述定子設置的泥漿脈動轉子。該驅動系統(tǒng)可包括渦輪定子、渦輪轉子和以磁力方式聯(lián)接到該渦輪轉子的可旋轉慣性構件。該慣性構件的第一端可操作地連接到泥漿脈動轉子。在某些具體方案中，在泥漿脈動遙測工具中，轉動能可借助磁耦合部從渦輪轉子被傳輸到可旋轉慣性構件。該可旋轉慣性構件的第二端可操作地連接到一輔助馬達，該輔助馬達適于追加由該驅動系統(tǒng)施加到該可旋轉慣性構件的轉動能。
【專利說明】以泥漿為動力的慣性驅動振蕩脈動器
【技術領域】
[0001]本申請涉及隨鉆測量(MWD)，且更具體地涉及泥漿脈動遙測工具及其使用方法。
【背景技術】
[0002]MWD是一種在鉆井的同時執(zhí)行與鉆探相關的井下測量并將數據傳輸到地面的系統(tǒng)，其通常用于油氣產業(yè)。泥漿脈動遙測是用于MWD工具中的常用的數據采集和傳輸方法。井下閥可起到限制鉆探泥漿流動的作用，引起一系列的壓力波動，將特性信息從井筒向上傳輸到地面接收器。壓力波動經由鉆井液向地面?zhèn)鞑ゲ⒃诘乇砘蛟谧罱咏乇淼奈恢帽粔毫鞲衅鹘邮?。所接收的壓力信號被處理以便重建特性信息。壓力波動能夠被生成為正脈動、負脈動和連續(xù)波的形式。這些形式能夠借助振蕩閥產生，該振蕩閥關閉和/或打開從而引起鉆井液壓力增大和/或減小。例如，利用閥的短暫關閉產生正脈動，以將鉆井液限制在鉆桿(drilling pipe)內，從而使鉆井液壓力增大。產生這種泥衆(zhòng)脈動壓力的井下工具/裝置在本領域中被稱為泥漿脈動器。
[0003]在多數情況下，需要一種用于在地下井中井下遙測的高速泥漿脈動器，因為較高的數據傳輸速率能夠使測量分辨率和更詳細的地層信息和方向信息的量增加，從而支持更快的穿進速度。例如，在10英尺/分鐘的鉆探速率下的4比特每秒的常規(guī)取樣率(bps)提供24比特/英尺(的數據速率)，而在100英尺/分鐘下的40bps提供了相同的每英尺鉆探的數據速率。本申請描述了一種使用泥漿作為動力的慣性驅動器的高速率泥漿脈動器，該驅動器使用加速了井下閥的運動，以獲得增大的數據速率。

【發(fā)明內容】

[0004]本申請涉及一種在地下井鉆探期間產生泥漿流壓力波動的泥漿脈動器。根據本申請的一方面，在用于內部有鉆井液流動的鉆柱中使用泥漿脈動遙測工具。該泥漿脈動遙測工具可包括設置在鉆柱中的脈動器和用于驅動脈動器的驅動系統(tǒng)。該脈動器可包括不旋轉的泥漿脈動定子和靠近該定子設置的泥漿脈動轉子。該驅動系統(tǒng)可包括渦輪定子、渦輪轉子和以磁力方式聯(lián)接到該渦輪轉子的可旋轉慣性構件。該慣性構件的第一端可以可操作地連接到泥漿脈動轉子。
[0005]在一些具體方案中，在泥漿脈動遙測工具中，可借助磁耦合部將轉動能從渦輪轉子傳輸到可旋轉慣性構件。該可旋轉慣性構件的第二端可以可操作地連接到輔助馬達，該輔助馬達適于追加由驅動系統(tǒng)施加到可旋轉慣性構件的轉動能。該泥漿脈動遙測工具還可包括在泥漿脈動轉子與渦輪轉子之間居中設置的齒輪組。該齒輪組可具有第一旋轉輸入構件和至少一個旋轉輸出構件。該齒輪組可適于從渦輪轉子向泥漿脈動轉子傳輸轉動能。
[0006]在某些具體方案中，齒輪組還可包括在齒輪組的輸入構件與輸出構件之間設置的至少一個中間齒輪構件。泥漿脈動遙測工具還可包括可操作地連接至齒輪組的至少一個中間齒輪構件的至少一個離合器。多個離合器可適于從可旋轉慣性構件向泥漿脈動轉子傳送轉動能的同步突發(fā)脈動(synchronized bursts)。[0007]可以包括轉速傳感器，該轉速傳感器適于向處理器輸出可旋轉的慣性構件的轉速方面的數據。該處理器可計算并輸出信號以啟動至少一個離合器，使其接合并且從可旋轉的慣性構件向泥漿脈動轉子傳送轉動能。處理器可基于可旋轉的慣性構件的轉速和質量的輸入數據來計算離合器接合所用的時間周期。
[0008]泥漿脈動遙測工具還可包括設置在扭桿基座與泥漿脈動轉子軸之間的可彈性變形的扭桿。當該扭桿從扭桿基座向泥漿脈動轉子傳輸轉矩時該扭桿可變形并儲存彈性能，以及釋放所儲存的彈性能以提供恢復轉矩的反向旋轉。
[0009]根據本申請的另一方面，本申請描述了 一種在內部有鉆井液流動的鉆柱中使用的泥漿脈動遙測的方法。該方法包括在鉆柱中設置的泥漿脈動遙測工具。該泥漿脈動遙測工具可包括:脈動器，其具有不旋轉的泥漿脈動定子和靠近該定子的泥漿脈動轉子；以及驅動系統(tǒng)，其具有渦輪定子、渦輪轉子和可旋轉的慣性構件。鉆井液沿鉆柱向下流動并經過該泥漿脈動遙測工具?？山柚鹘涍b測工具的鉆井液使該渦輪轉子旋轉?？尚D的慣性構件可借助該構件到驅動系統(tǒng)的旋轉的渦輪轉子的磁耦合部而被旋轉并儲存勢能?？尚D的慣性構件可向泥漿脈動轉子傳輸轉動能。隨后可使泥漿脈動轉子在可控的旋轉式振蕩運動下被加速，以阻擋鉆井液流過泥漿脈動定子，從而在鉆柱的鉆井液中產生多個正壓力脈動。
[0010]在更具體的方案中，該方法還可包括使聯(lián)接到可旋轉的慣性構件的輔助馬達旋轉，以增加可旋轉的慣性構件的轉動能?？稍邶X輪組中設置多個離合器，用以從可旋轉的慣性構件向泥漿脈動轉子輸送轉動能的同步突發(fā)脈動。包括來自轉速傳感器的旋轉慣性構件轉速的數據可被輸出并接收到處理器中，該處理器計算并輸出用于至少一個離合器的啟動信號。在接收了啟動信號之后，上述至少一個離合器可接合以從可旋轉的慣性構件向泥漿脈動轉子傳送轉動能。可基于所輸入的可旋轉的慣性構件的轉速和質量的數據來計算離合器接合所用的時間周期。
[0011 ] 該方法還可包括通過利用儲存在旋轉的可旋轉慣性構件中的勢能來縮短使泥漿脈動轉子旋轉的加速時間(ramp up time，等待時間)。還可設置另外的離合器來縮短離合器的再加載時間?？梢栽O置可彈性變形的扭桿，使其聯(lián)接到泥漿脈動器?？赏ㄟ^利用扭桿中所儲存的彈性能使該泥漿脈動器從振蕩位置轉回到中性位置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]附圖和下文的說明描述了一個或多個實施例的詳細內容。通過閱讀以下的說明、附圖和權利要求書，將使本申請的其它特征、目的和優(yōu)點更加顯而易見。
[0013]圖1示出在井筒的鉆井作業(yè)中使用的鉆機的示意圖；
[0014]圖2是根據本申請的示例性泥漿脈動遙測工具的端視圖；
[0015]圖3是根據本申請的示例性泥漿脈動遙測工具的A-A剖視圖；
[0016]圖3A是圖3的A-A截面的放大的局部視圖；
[0017]圖4是根據本申請的該示例性泥漿脈動遙測工具的B-B剖視圖；
[0018]圖5是根據本申請的該示例性泥漿脈動遙測工具的C-C剖視圖；
[0019]圖6是根據本申請的該示例性泥漿脈動遙測工具的D-D剖視圖；以及
[0020]圖7示出根據本申請的使用該示例性泥漿脈動遙測工具來產生高取樣率信號的示例性方法。 [0021 ] 各圖中相似的附圖標記表示相似的元件。
【具體實施方式】
[0022]圖1示出在井筒11的鉆井作業(yè)中使用的鉆機10的示意圖。鉆機10可由機械、電、液壓、氣動和其它形式的動力源提供動力。鉆機10可使用纜線、金屬鉆桿、塑料鉆桿或盤管來提升和降低鉆頭92進行鉆探。在圖1所示的示例中，泵12使鉆井液30 (在該領域也稱為鉆探泥衆(zhòng))經過鉆柱90向下循環(huán)通過井下鉆具組合(bottom hole assembly)80、經過鉆頭92并通過位于鉆柱90與井孔壁16之間的環(huán)空15回到地面。
[0023]井下鉆具組合80可包括多個傳感器模塊20、22和24中的任一個，它們可包括地層評估傳感器和方向傳感器。這些傳感器是本領域眾所周知的，故不再進一步描述。井下鉆具組合80還包含引起鉆井液中的壓力波動的泥漿脈動遙測工具100。壓力波動或脈動通過鉆柱90中的鉆井液傳播到地面，并在地面處被設置在連接至泥漿泵12的排出側的排出管19上的任何數量的傳感器18探測。應理解的是，壓力傳感器18可位于將鉆井液運送到井筒11中的鉆柱90的管道系統(tǒng)中的另一位置。傳感器18可以是用于測量由井下鉆具組合80產生并將鉆井液柱向上傳輸到地面的脈動的壓力轉換器或類似裝置。在本領域中，由鉆柱向上經由鉆探泥漿柱傳輸數據被稱為泥漿脈動遙測。
[0024]控制單元24(其可以是包括處理器、存儲器、輸入/輸出接口和網絡通信裝置的計算設備)接收、處理并存儲通過泥漿脈動遙測而傳輸到傳感器的數據?？刂茊卧?4可向井筒中的設備輸出信號，或者將接收到的數據傳輸到遠離控制單元24的其它位置。
[0025]控制單元24可接收例如轉速的數據，并計算用于泥漿脈動遙測工具100的啟動參數和輸入?？刂茊卧?4能夠控制泥漿脈動遙測工具100以產生高速脈動信號并接收測得的壓力波動來分析鉆井狀況。高的脈動率對應于高取樣率，由此提高了測量分辨率并允許對壓力波動中包含的特性信息的進行更詳細的分析。例如，在10英尺/分的鉆探速率下每秒4bps的常用取樣率提供24比特/英尺(的數據速率)，然而100英尺/分下40bps速率提供每英尺鉆井的相同數據速率。
[0026]圖2是根據本申請的示例性泥漿脈動遙測工具100的端視圖。該端視圖是從上向下觀看井筒11并沿著鉆井液在內部沿鉆鋌(drill collar) 110向下流動(即，鉆井液流入紙頁內)的方向(觀看)。該鉆井液可以是如圖1所示的鉆井液30。鉆井液經由多開口脈動器鉆井液通路120進入并經過泥漿脈動定子210進入脈動器200 (圖3中所示)。驅動系統(tǒng)300使脈動器200振蕩以間歇地改變脈動器鉆井液通路120的開口面積，以生成各種等級的流動限制(flow restriction)。這種流動限制引起鉆井液中的壓力波動。該壓力波動被度量為泥漿脈動遙測數據。圖3示出用以進一步闡示脈動器200和驅動系統(tǒng)300的A-A剖視圖。
[0027]脈動器鉆井液通路120可以是在泥漿脈動器定子210中均勻或不均勻地分布的幾何形狀相同或不同的多個開口。在圖2中所示的實施方式中，脈動器鉆井液通路120包括在泥漿脈動定子210中均勻地分布的六個幾何形狀相同的開口。這些開口大約覆蓋與六個支撐輻相同的面積，使得用于關閉每個開口的可動部件(例如閥)可設于每個輻之后。在一些實施方式中，可以有不同數量的開口和輻，例如4、8、12等。開口的均勻分布是優(yōu)選但非必要的。在工作期間，可動部件可沿正向旋轉來關閉脈動器鉆井液通路120，并沿反向旋轉將其打開。此運動可被稱為振蕩，振蕩的角度可隨工具的幾何形狀而不同。
[0028]圖3是根據本申請的示例性泥漿脈動遙測工具100的A-A剖視圖。該泥漿脈動遙測工具100能被用作如圖1所示的鉆柱90 (其具有在鉆鋌110內流動的鉆井液30)中使用的泥漿脈動遙測工具100。在圖3中所示的實施方式中，泥漿脈動遙測工具100包括脈動器200和驅動系統(tǒng)300。脈動器200由驅動系統(tǒng)300驅動而生成針對鉆井液的不同流動限制等級。脈動器200包括固定在鉆鋌110內的泥漿脈動定子210和靠近泥漿脈動定子210設置以形成可變的壓力間隙的泥漿脈動轉子220。
[0029]在圖3中所示的實施方式中，泥漿脈動定子具有將鉆井液轉移到脈動器鉆井液通路120的圓錐形鼻結構。該圓錐形鼻結構可與推進器的鼻錐功能類似:將來流均勻地轉移到周向。因為鉆鋌110的直徑是恒定值，所以隨著鉆井液接近脈動器鉆井液通路120，該圓錐形鼻結構的橫截面積減小，因此提高了鉆井液的速度以及壓力。
[0030]泥漿脈動轉子220可具有與泥漿脈動定子相同的徑向截面。當泥漿脈動轉子220相對泥漿脈動定子210旋轉時，脈動器鉆井液通路120將部分或完全關閉。泥漿脈動轉子220以本領域中稱為“壓力間隙”的余隙被置于泥漿脈動定子210之后，該余隙能夠被調整以改變壓力脈動的幅值。泥漿脈動轉子220可前后振蕩以關閉和打開脈動器鉆井液通路120。泥漿脈動轉子220打開鉆井液通路120的方向可被定義為正旋方向，而關閉方向可被定義為反旋方向。
[0031]可在泥漿脈動定子210上安裝物理限位器和制動器，以控制泥漿脈動轉子220的行進端和加速率/減速率。例如，可設置可調限位器以防止泥漿脈動轉子220完全關閉脈動器鉆井液通路120。這種可調限位器能夠改變最大正壓力峰值的幅值，即較大的通路開口對應于較小的壓力峰值。制動器可用來改變一個振蕩循環(huán)中的壓力峰值的時刻，以及持續(xù)時間和壓力峰值的量級。例如，較長的制動持續(xù)時間可在較長的發(fā)生持續(xù)時間產生較低的壓力峰值。
[0032]泥漿脈動轉子220經由泥漿脈動轉子軸240連接至驅動系統(tǒng)300。泥漿脈動轉子軸240傳輸用于關閉脈動器鉆井液通路120的啟動轉矩和用于打開脈動器鉆井液通路120的恢復轉矩。啟動轉矩由與機械旋轉動力源連接的旋轉輸出構件344來提供。恢復轉矩由扭桿390提供，當扭桿390由于泥漿脈動轉子軸240旋轉而變形時釋放所儲存的彈性能。關閉和打開脈動器鉆井液通路120的動作產生能夠被遙測傳感器測得的壓力波動(即脈動)。
[0033]壓力波動內的遙測數據可包括鉆井機械信息。例如，該遙測數據可包括例如井下振動的類型和嚴重度、鉆井液量等鉆井機械信息。作業(yè)人員可使用該數據來控制鉆井作業(yè)，以便更高效地進行鉆探并防止工具發(fā)生故障。
[0034]在圖2中所示的實施方式中，使用泥漿脈動轉子220和泥漿脈動定子210來產生正脈動。在中性位置，泥漿脈動轉子220完全位于泥漿脈動定子210之后，形成最大鉆井液通路120。在觸發(fā)脈動期間，泥漿脈動轉子220被致動以部分或完全關閉鉆井液通路。這樣就增大了流阻并進而增大了流動壓力，生成正壓力峰值。
[0035]在一些實施方式中，泥漿脈動轉子220與泥漿脈動定子210可被用來產生負脈動。例如，泥漿脈動轉子220可設在局部打開的位置以供鉆井液通過。泥漿脈動轉子220隨后被致動，以通過泥漿脈動轉子軸240進一步打開鉆井液通路120。這樣就生成負壓脈動。
[0036]在一些實施方式中，泥漿脈動轉子220與泥漿脈動定子210可被用來產生用于遙測測量的連續(xù)波。例如，泥漿脈動轉子220可連續(xù)地關閉和打開閥，以在鉆井液內產生例如正弦波的壓力波動。可使用具有連續(xù)相的任何數字調制方案在載波信號上施加信息(例如，連續(xù)相調制)。
[0037]驅動系統(tǒng)300包括渦輪定子310、渦輪轉子320、聯(lián)接到渦輪轉子320的可旋轉慣性構件330以及將慣性構件330經由泥漿脈動轉子軸240連接到泥漿脈動轉子220的傳動裝置。渦輪定子310與第二級流體換向器312結為一體，該第二級流體換向器312進一步轉移通過脈動器200的鉆井液。第二級流體換向器312正好置于泥漿脈動轉子220之后并形成類似泥漿脈動定子210的鼻結構的圓錐形狀。第二級流體換向器312將流來的鉆井液均勻地轉移到周部，渦輪定子310的調節(jié)結構在該周部鉆井液進行調節(jié)和過濾。渦輪定子310的調節(jié)結構以支撐方式接觸鉆鋌110，并將渦輪定子310和與渦輪定子310組裝在一起的其它機械結構附連及對中到鉆鋌110。
[0038]渦輪定子310與容置慣性構件330的慣性構件殼體332結為一體，渦輪定子310通過磁耦合部360與渦輪轉子320以磁力方式聯(lián)接。渦輪轉子320接收來自渦輪定子310的加速的、經調節(jié)并過濾的鉆井液，并將鉆井液所攜帶的動能部分地轉換成儲存到渦輪轉子320中的轉動動能。該轉換過程類似風力渦輪的轉換過程，在該風力渦輪中流體的平動在刀片上施加壓力。表面區(qū)域上的壓力導致產生這樣一個力:該力所包括的方向分量驅動刀片旋轉。渦輪轉子320由至少兩組軸承385軸向支撐。
[0039]軸承385可以是軸向旋轉軸承，例如滑動軸承、滾動元件軸承、流體軸承、磁軸承、以及這些和/或其它能夠支撐軸無顯著摩擦地旋轉的軸承的組合。在圖3中所示的實施方式中，軸承385是滾動元件軸承。渦輪轉子320由圍繞渦輪轉子軸承座387設置的若干滾子支撐，并通過相應的密封件388與鉆井液隔絕。在一些實施方式中，軸承385可以是滑動軸承，例如頸軸承、套筒軸承和來福軸承?；瑒虞S承與渦輪轉子320之間的接觸可以被良好地潤滑。在一些實施方式中，軸承385可以是使渦輪轉子320繞慣性構件殼體332懸浮的磁軸承。
[0040]渦輪轉子320經由磁耦合部360與慣性構件330聯(lián)接。慣性構件330能夠在多個慣性構件軸承380上自由地旋轉。慣性構件軸承380被靠近慣性構件330的兩端設置，并被安裝在慣性構件殼體332中。磁耦合部360可包括若干個兩件式構件。每個所述兩件式構件具有安裝到慣性構件330上的第一部件和安裝到渦輪轉子320上的第二部件(圖中未示)。第一部件和第二部件經由磁場相互吸引。例如，第一部件的南極可被設置在第二部件的北極附近并被吸引到第二部件的北極，反之亦然。在一些實施方式中，如果渦輪轉子320由磁性材料制成(例如鐵、赭石、永磁體或其它磁性材料)，則可省略第二部件。在此情況下，磁耦合部360可包括若干一件式構件，其被實施為堅固的磁體，并分別使慣性構件330與渦輪轉子320變?yōu)榈谝徊考c第二部件中。
[0041]可將一列第一部件以均勻分布的間隔安裝在慣性構件330上；并且可將一列第二部件以均勻分布的間隔安裝在渦輪轉子320上。在工作期間，該列第二部件與渦輪轉子320一起旋轉，產生吸引慣性構件330的第一部件沿相同方向旋轉的回轉磁場。第一部件與第二部件可以是永磁體、電磁體和/或兩者的組合。永磁體可允許具有更簡單且更可靠的結構，同時電磁體可實現更好控制管理(例如，接合量級、相等)。
[0042]因為磁耦合部360為一種間接的連接，所以可允許每個運動構件發(fā)生突然運動中斷而不同時沖擊另一聯(lián)接的構件。例如，在工作期間輸出能量以加速泥漿脈動轉子220時，慣性構件330可經歷突然減速；而渦輪轉子320由于間接連接而可不經歷類似的突然減速。這樣就提供了平穩(wěn)的工作狀況，而不會額外產生鉆井液的顯著的噪聲。另一方面，間接連接會使慣性構件330永久性相位延遲，這樣不會具有達到與渦輪轉子320相同速度的工況。
[0043]慣性構件軸承可以是軸向旋轉軸承,例如滑動軸承、滾動元件軸承、流體軸承、磁軸承、以及這些和/或其它能夠支撐軸無顯著摩擦地旋轉的軸承的組合。在圖3中所示的實施方式中，慣性構件軸承380是滾動元件軸承。慣性構件330由設置在慣性構件殼體332內的若干滾子支撐。在一些實施方式中，慣性構件軸承380可以是滑動軸承，例如頸軸承、套筒軸承和來福軸承?；瑒虞S承與慣性構件330之間的接觸可以被良好地潤滑。在一些實施方式中，慣性構件軸承380可以是使慣性構件330在慣性構件殼體332內懸浮的磁軸承。
[0044]慣性構件330可由密度特別大的材料制成，例如鉛、鎢、鋅、銅、不銹鋼、這些或具有高密度的其它金屬的組合。在一些實施方式中，慣性構件330可包括若干成分、若干層材料、以及/或者異構鑄件。例如，可使用密度較大和較昂貴的材料，例如黃金、白金、銠等來形成外層或外部成分，同時使用密度較小或者較低成本的材料(例如鋼)來形成芯部。這樣能夠平衡對于更高密度和可接受的成本的需求。
[0045]慣性構件330以機械方式聯(lián)接到旋轉輸入構件342。例如，在圖3中所示的實施方式中，慣性構件330內部接合旋轉輸入構件342 (例如，與齒輪齒嚙合)。旋轉輸入構件342以由齒輪構件軸承355支撐的四個或任何數量的中間齒輪構件346b與傳動裝置接合。轉動可從慣性構件330傳輸到旋轉輸入構件342，然后傳輸到中間齒輪構件346b。當一組四個或任何數量的離合器350接合時，此能量被進一步傳送到另外四個或任何數量的中間齒輪構件346a。中間齒輪構件346a隨后將能量傳送到旋轉輸出構件344。旋轉輸出構件344隨后將能量傳送到泥漿脈動轉子軸240，旋轉輸出構件344由多個泥漿脈動轉子軸承315支撐并由泥漿脈動轉子軸封314密封。
[0046]在圖3所示的實施方式中，泥漿脈動轉子軸承315僅沿徑向約束并支撐泥漿脈動轉子軸240，并且泥漿脈動轉子軸240能夠沿其軸向移動。在其它一些實施方式中，泥漿脈動轉子軸承315可被沿軸向約束，以便借助軸環(huán)內的另一馬達和滾珠螺桿沿軸向滑動整個轉子和驅動組件，以調整壓力間隙。泥漿脈動轉子軸封314密封驅動系統(tǒng)的內部傳動裝置以避免潛在的污染，防止鉆井液進入泥漿脈動轉子220。因此，慣性構件330將來自渦輪轉子320的鉆井液的部分動能傳輸到旋轉輸入構件342，然后傳輸到經由一組離合器350聯(lián)接的中間齒輪構件346b和346a傳輸到旋轉輸出構件344，最后傳輸到泥漿脈動轉子軸240和泥漿脈動轉子220。
[0047]通過控制泥漿脈動轉子220的打開和關閉運動而產生數據傳輸。脈動器的有效數據速率的一個主要分量是時間周期，用以打開及關閉泥漿脈動轉子220 (或大體為相似的閥)。泥漿脈動轉子220的慣性矩與可用的啟動轉矩決定著這種振蕩操作的加速率。通過利用慣性構件330儲存的動能，能夠將即時的、大的轉矩供給到泥漿脈動轉子220，從而提高加速率。在圖3所示的實施方式中，通過齒輪與離合器的直接驅動鏈(例如中間齒輪構件346a、346b以及離合器350)引導所儲存的動能的輸送。在一些實施方式中，其它動力傳輸方案也是可行的。離合器350包括一個或多個離合器用以控制慣性構件330與泥漿脈動轉子220之間的動力傳輸。在一些實施方式中，可使用多個離合器以受控的時序進行接通或斷開，以提高脈動率并且忽視可能出現的離合器裝置的加載或卸載時間的更慢速率。
[0048]齒輪構件軸承355和泥漿脈動轉子軸承315可以是軸向旋轉軸承，例如滑動軸承、滾動元件軸承、流體軸承、磁軸承、以及這些和/或其它能夠支撐軸無顯著摩擦地旋轉的其它軸承的組合。在圖3所示的實施方式中，齒輪構件軸承355與泥漿脈動轉子軸承315是滾動元件軸承。中間齒輪構件346a和346b由設置到齒輪殼體335中的若干滾子球支撐。每個中間齒輪構件均能夠沿軸向平移。泥漿脈動轉子軸240由至少三組滾珠軸承支撐，這些滾珠軸承排列成行以接受沿徑向的加載。
[0049]在一些實施方式中，齒輪構件軸承355和泥漿脈動轉子軸承315可以是滑動軸承，例如頸軸承、套筒軸承和來福軸承?；瑒虞S承與中間齒輪構件346a、346b以及泥漿脈動轉子軸240之間的接觸可被良好地潤滑。在一些實施方式中，齒輪構件軸承355和泥漿脈動轉子軸承315可以是使中間齒輪構件346a、346b以及泥漿脈動轉子軸240懸浮在齒輪構件軸承355與泥漿脈動轉子軸承315內的磁軸承。
[0050]齒輪構件軸承355安裝在與渦輪定子310結合為一體的齒輪殼體335中。齒輪殼體335可包含多個用于齒輪構件軸承355的安置室。例如，在圖3所示的實施方式中，齒輪殼體335包含用于16個齒輪構件軸承355的16個安置室。軸承355使中間齒輪構件346a、346b能夠軸向移動，使得齒輪構件346a、346b能夠通過啟動離合器350而聯(lián)接和脫聯(lián)接。
[0051]渦輪轉子320將從所流過的鉆井液中吸收的轉動能傳輸給慣性構件330。在圖3中所示的實施方式中，輔助馬達340能夠進一步為慣性構件330追加轉動能，以獲得期望的轉速。輔助馬達340能夠在后端通過齒輪組345與慣性構件330接合。輔助馬達340安裝在慣性構件殼體332中，該殼體附連到慣性構件殼體基座395。慣性構件殼體基座395可以經由其它結構(圖中未示)附連到鉆鋌110。渦輪定子310和慣性構件殼體基座395使驅動系統(tǒng)300附連到泥漿脈動遙測工具100。
[0052]速度傳感器370可靠近傳動裝置殼體305中的旋轉輸入構件342被安裝，以監(jiān)控可旋轉的慣性構件330的運轉速度。速度傳感器370可以是包括由線圈圍繞的永磁體的磁性感應傳感器。速度傳感器370可與旋轉輸入構件342的齒保持一氣隙。速度傳感器370的輸出電壓隨著輸入構件342的轉速而變化，從而指示轉速。還可以使用其它類型的速度傳感器，例如光學傳感器。
[0053]由速度傳感器370收集的速度數據可用于處理慣性構件330的工作狀況。處理的結果可被用于產生用于離合器350的啟動信號。處理的結果也可被用來確定是否需要啟動輔助馬達340來為慣性構件330追加動力，以使其保持在一定轉速。
[0054]在后端，慣性構件殼體332封圍扭桿基座392，其能夠借助調整螺桿391來改變慣性構件殼體332與慣性構件殼體基座395之間的相對位置。扭桿基座392經由扭桿390及泥漿脈動轉子軸240連接到泥漿脈動轉子220。因此，調整螺桿391通過改變慣性構件殼體332與慣性構件殼體基座395之間的相對位置，能夠間接地改變泥漿脈動轉子軸240與泥漿脈動轉子220相對于泥漿脈動定子210的相對位置(即壓力間隙)。在一些實施例中，具有沿軸向被約束的軸承315的整個驅動及轉子組件可在軸環(huán)內部滑動，以便調整壓力間隙。
[0055]慣性構件殼體332支撐渦輪轉子軸承座387，渦輪轉子軸承座387接納渦輪轉子320的渦輪轉子軸承385。渦輪轉子軸承385沿徑向支撐渦輪轉子320。軸承385可以是軸向旋轉軸承，例如滑動軸承、滾動元件軸承、流體軸承、磁軸承、以及這些和/或其它能夠支撐軸無顯著摩擦地旋轉的軸承的組合。在圖3中所示的實施方式中，軸承385是滾動元件軸承。渦輪轉子320由圍繞渦輪轉子軸承座387設置的若干滾子支撐，并通過相應的密封件388與鉆井液隔絕。在一些實施方式中，軸承385可以是滑動軸承，例如頸軸承、套筒軸承和來福軸承。滑動軸承與渦輪轉子320之間的接觸可被良好地潤滑。在一些實施方式中，軸承385可以是使渦輪轉子320圍繞慣性構件殼體332懸浮的磁軸承。
[0056]在工作期間，鉆井液經由鉆井液通路120進入泥漿脈動定子210。泥漿脈動轉子220可以以振蕩方式關閉和打開鉆井液通路120。泥漿脈動轉子220被泥漿脈動轉子軸240致動，該泥漿脈動轉子軸240從旋轉輸出構件344接收旋轉動力。旋轉輸出構件344經由包含中間齒輪構件346a、346b及離合器350的傳動機構而被旋轉輸入構件342致動。旋轉輸入構件342與慣性構件330結合為一體，該慣性構件與渦輪轉子320以磁力方式聯(lián)接并與輔助馬達340以機械方式聯(lián)接。渦輪轉子320將鉆井液的一部分動能傳送到慣性構件330的轉動能之中。
[0057]相對于泥漿脈動轉子220和從旋轉輸入構件342到泥漿脈動轉子軸240的驅動鏈，慣性構件330具有大得多的慣性。這樣就使得旋轉慣性構件330能夠充當動量儲蓄器。當離合器350接合慣性構件330與泥漿脈動轉子220之間的傳動鏈時，能夠獲得用于泥漿脈動轉子220的大的加速度。這使得能夠大幅縮短泥漿脈動轉子220從中性位置移動到關閉位置的加速時間。扭桿390在致動過程中彈性變形。當離合器350脫聯(lián)接以釋放泥漿脈動轉子220時，扭桿390釋放所儲存的彈性能并使泥漿脈動轉子220返回中性位置。
[0058]圖3中所示的部件可以由足夠堅固而能實現其功能的材料制成。例如，在某些設計參數下，扭桿390應由這樣的材料制成，其使得當加載時將使泥漿脈動轉子返回打開位置，但是將不允許發(fā)生塑性變形。
[0059]圖3A是根據本申請的示例性泥漿脈動遙測工具100的局部A-A截面的放大圖。該放大視圖示出使用離合器350來聯(lián)接與脫聯(lián)接中間齒輪構件346a和346b的一個實施例的細節(jié)。四個離合器350被用于四個組的中間齒輪構件346a和346b。每個離合器350包括接納式離合器聯(lián)軸器410、伸出式離合器聯(lián)軸器440、離合器軸承430和離合器致動器420。接納式離合器聯(lián)軸器410能夠通過使伸出式離合器的齒450接合到接納式離合器聯(lián)軸器410中而與伸出式離合器聯(lián)軸器440聯(lián)接。在工作期間，離合器致動器420沿軸向平移與中間齒輪構件346b —體的接納式離合器聯(lián)軸器410以與伸出式離合器聯(lián)軸器440接合。
[0060]離合器致動器420可以是預先被彈簧拉伸的，使得當離合器致動器420關閉時，接納式離合器聯(lián)軸器410可在彈簧的致動之下返回原始的位置。離合器軸承430允許預拉伸的彈簧作用在中間齒輪構件346b上而不沿軸向產生顯著的摩擦。接納式離合器聯(lián)軸器410可通過使用六角形截面的配件、鍵配件或其它防止相對旋轉運動的連接裝置而與中間齒輪構件346b結合為一體。類似地，伸出式離合器聯(lián)軸器440可通過使用六角形截面的配件、鍵配件或其它防止相對旋轉運動的連接裝置而與中間齒輪構件346a結合為一體。
[0061]在一些實施方式中，離合器350可使用其它類型的離合器，例如摩擦或電磁離合器，其在接合時聯(lián)接兩個軸與摩擦板。多種材料能夠被用于這樣的圓盤摩擦襯片，這些材料典型地為具有銅線襯片的化合物有機樹脂或陶瓷材料。
[0062]圖4是根據本申請的示例性泥漿脈動遙測工具100的B-B剖視圖。在此視角下泥漿流出紙頁平面。在一些實施方式中，泥漿脈動轉子220可具有肋加固結構，使得能夠使用更少的材料并能夠減輕泥漿脈動轉子220的總重量。這樣還允許泥漿脈動轉子220具有與其質量成比例且對致動輸入具有更大響應的小慣性。
[0063]泥漿脈動轉子軸240借助泥漿脈動轉子鍵230而向泥漿脈動轉子220傳輸轉矩。泥漿脈動轉子鍵230可以是普通平鍵、半圓鍵、錐形鍵或其它類型的鍵(例如蘇格蘭鍵)。軸與轉子之間的連接也可利用花鍵或過盈配合接口和/或其它類似技術。
[0064]圖5是根據本申請的示例性泥漿脈動遙測工具100的C-C剖視圖。四個中間行星齒輪構件346a圍繞附連到旋轉輸出構件344的太陽輪均勻地分布。在一些實施方式中，可使用不同數量的中間齒輪構件346a，例如8個、12個等。增大的數量可允許傳輸更大的轉矩；然而，其也會增加系統(tǒng)的復雜性，因而降低可靠性并增加成本。扭桿390通過使用六角形截面而與旋轉輸出構件344聯(lián)接。齒輪殼體335可以以能夠進行設計的潤滑的余隙包圍中間齒輪構件。例如，如果在長的維護周期中使用粘性潤滑劑，則余隙可較小，如果為高速運轉而使用粘性較小的潤滑劑，則余隙可較大。
[0065]渦輪定子310安裝在傳動裝置殼體305上并相對于鉆鋌110被固定。渦輪定子310可具有在鉆鋌110內部沿周向均勻地分布的多個刀片。在圖6中所示的實施方式中，渦輪定子310具有12個窄刀片，每個刀片均形成螺旋形狀以接收流來的鉆井液。渦輪定子的刀片迫使鉆井液順應該螺旋形狀以向鉆井液施加一旋轉速度。這種加速的旋轉速度稍后將被作用在渦輪轉子320上以實現更高效的操作。在一些實施方式中，渦輪定子310可具有不同數量的刀片，且每個刀片可具有不同螺旋形狀或節(jié)距，其由預期的鉆井液速度、密度、粘度和其它物理因素確定。例如，對于相對高速、低密度和/或低粘度的鉆井液，大數量(即15個、20個等)的較小節(jié)距的螺旋形刀片可以提高性能，反之亦然。
[0066]圖6是根據本申請的示例性泥漿脈動遙測工具100的D-D剖視圖。另外四個中間行星齒輪構件346b圍繞附連到旋轉輸入構件342的太陽輪均勻分布。在一些實施方式中，可使用不同數量的中間齒輪構件346b，例如8個、12個等。增大的數量使得能夠傳輸更大的轉矩；然而這樣也會增加系統(tǒng)復雜性，從而降低可靠性并增加成本。通過使用圓形開口形成余隙截面(即，旋轉輸入構件342的圓柱形內部能夠以相當的余隙相對于扭桿390的圓柱形外部自由地旋轉)，使扭桿390與旋轉輸入構件342脫聯(lián)接并脫離接合。慣性構件殼體332與傳動裝置殼體305可將中間齒輪構件包圍在能夠進行期望的潤滑的室中。
[0067]渦輪轉子320繞慣性構件殼體332自由地旋轉。渦輪轉子320被鉆井液(其在井下沿被示出為進入頁面的方向流動)致動。渦輪轉子320可具有在鉆鋌110內部沿周向均勻地分布的多個刀片。在圖6中所示的實施方式中，渦輪轉子320具有10個窄刀片，每個刀片均形成螺旋形狀以接收流來的鉆井液。該鉆井液作用在刀片上并使得渦輪轉子320旋轉，因為鉆井液在跟隨螺旋形狀時被迫改變其動量的方向，生成施加用于渦輪轉子320的旋轉的轉矩的力分量。在一些實施方式中，渦輪轉子320可以具有不同數量的刀片，每個刀片可以具有不同的螺旋形狀或節(jié)距，其由預期的鉆井液速度、密度、粘度和其它物理因素確定。例如，對于具有相對高速、低密度和/或低粘度的鉆井液，大數量(即12個、16個等)且較小節(jié)距的螺旋形刀片可提高性能，反之亦然。
[0068]圖7示出根據本申請的使用示例性泥漿脈動遙測工具以產生高取樣率信號的示例性方法。在步驟705，將例如圖1中的泥漿脈動遙測工具100的泥漿脈動遙測工具設置在鉆柱中。泥漿脈動遙測工具可包括在鉆井液中產生壓力波動的機構、測量速度和壓力的傳感裝置以及致動(觸發(fā))脈動遙測工具的致動裝置。例如，產生壓力波動的機構可以是脈動器200，而致動裝置可以是圖3的驅動系統(tǒng)300。
[0069]在步驟710，鉆井液通過泥漿脈動遙測工具向下流動。鉆井液可以是水基流體、非水基流體和氣動流體。例如，鉆井液可以是水、鹽水和其它水基流體(例如膠質粘土、粘土和聚合物，以及聚合物流體)。該鉆井液也可以是合成流體(例如植物酯、聚α烯烴、內烯烴、線性α烯烴、合成石蠟、醚和線性烷基苯)、柴油、礦物油和其它非水基流體。氣動流體可包括干氣、霧氣、泡沫、氣化泥漿和/或其它的類型。
[0070]在步驟715，鉆井液使泥漿脈動遙測工具的渦輪轉子旋轉。渦輪轉子吸收所經過的鉆井液的一部分動能而旋轉。在步驟720，渦輪轉子經由磁耦合部將轉動能傳送到可旋轉的慣性構件。該可旋轉的慣性構件還連接至輔助馬達。這種連接可以是直接的、磁性的或摩擦離合器等。輔助馬達可以協(xié)助慣性構件的初始啟動和/或提供追加的轉動能以達到期望的轉速。因此，在步驟725，輔助馬達可被旋轉以協(xié)助可旋轉的慣性構件旋轉。
[0071]在步驟730，旋轉的可旋轉慣性構件已經達到期望的轉速，并且在慣性構件中儲存了一定量的動能。在該步驟中，動能由慣性構件的轉速來量化。這可通過使用用于測量的轉速傳感器來實現，例如使用圖3所示的實施方式中的轉速傳感器370。該量化過程可包括輸出包括來自傳感器的旋轉的慣性構件的轉速數據并接收處理器中的轉速。在一些實施方式中，處理器隨后計算并輸出用于離合器傳動裝置的啟動信號，使得例如如圖3所示，離合器傳動裝置350能夠被接合以將轉動能從可旋轉的慣性構件330傳送到泥漿脈動轉子220。
[0072]然后在步驟740，借助離合器傳動裝置將轉動能傳輸到泥漿脈動器轉子。在通過步驟730的量化處理之后，處理器然后能夠計算并輸出用于至少一個離合器的啟動信號，使得該離合器能夠將來自可旋轉的慣性構件的轉動能的同步突發(fā)脈動傳送到泥漿脈動轉子。這樣就在步驟745使泥漿脈動轉子的可控的旋轉振蕩運動加速。在一些實施方式中，可設置多個另外的離合器以縮短再加載時間?？墒褂锰幚砥鱽砘谒斎氲目尚D的慣性構件的轉速和質量的數據計算離合器接合的時間周期。通過利用旋轉的可旋轉慣性構件中儲存的勢能，能夠大幅縮短使泥漿脈動轉子旋轉的加速時間。因此，儲存在旋轉的可旋轉慣性構件中的能量也加快了脈動的開始。
[0073]在步驟750，泥漿脈動轉子關閉鉆井液通路，并因此阻擋鉆井液流過泥漿脈動器。在步驟755，這樣就生成了正壓力脈動。在步驟760，由一系列壓力傳感器測量由泥漿脈動轉子的振蕩生成的壓力脈動。在步驟765，處理所測得的數據。在脈動之間，設置聯(lián)接到泥漿脈動器的可彈性變形的扭桿，以便使用儲存在該扭桿中的彈性可以使泥漿脈動器從振蕩(關閉)位置旋轉回到中性(打開)位置。
[0074]以上描述了多個實施。然而應理解的是，可以對其做出多種更改。而且，方法300可包括比所示的那些步驟更少的步驟或者比所示的那些步驟更多的步驟。另外，所示的方法300的步驟可以按所示的相應順序執(zhí)行，或者按與所示出的順序不同的順序執(zhí)行。作為一具體示例，方法300可同時地(例如，大體上或另外地)執(zhí)行。其它步驟的順序的變型也是可行的。因此，其它實施方式被涵蓋于隨附的權利要求書的范圍內。
【權利要求】
1.一種在其內有鉆井液流動的鉆柱中使用的泥漿脈動遙測工具，所述工具包括: 脈動器，設置在所述鉆柱中，所述脈動器包括: 不旋轉的泥漿脈動定子，以及 泥漿脈動轉子，靠近所述定子設置；以及 驅動系統(tǒng)，所述驅動系統(tǒng)包括: 渦輪定子， 渦輪轉子， 可旋轉慣性構件，以磁力方式聯(lián)接到所述渦輪轉子，所述慣性構件的第一端可操作地連接到所述泥漿脈動轉子。
2.如權利要求1所述的工具，其中，借助磁耦合部將轉動能從所述驅動系統(tǒng)的渦輪轉子傳輸到所述可旋轉慣性構件。
3.如權利要求1所述的工具，其中，所述可旋轉慣性構件的第二端可操作地連接到輔助馬達。
4.如權利要求3所述的工具，其中，所述輔助馬達適于追加由所述驅動系統(tǒng)施加到所述可旋轉慣性構件的轉動能。
5.如權利要求1所述的工具，還包括在所述泥漿脈動轉子與所述渦輪轉子之間居中設置的齒輪組，所述齒輪組具有第一旋轉輸入構件和至少一個旋轉輸出構件，所述齒輪組適于從所述渦輪轉子向所述泥漿脈動轉子傳輸轉動能。
6.如權利要求5所述的工具，其中，所述齒輪組還包括設置在所述齒輪組的輸入構件與輸出構件之間的至少一個中間齒輪構件。
7.如權利要求6所述的工具，`還包括可操作地連接至齒輪組的所述至少一個中間齒輪構件的至少一個離合器。
8.如權利要求7所述的工具，還包括適于將轉動能的同步突發(fā)脈動從所述可旋轉慣性構件向所述泥漿脈動轉子傳送的多個離合器。
9.如權利要求7所述的工具，還包括轉速傳感器，該轉速傳感器適于將所述可旋轉慣性構件的轉速的數據輸出到處理器，所述處理器適于計算并輸出信號，用以啟動至少一個離合器使其接合并將轉動能從所述可旋轉慣性構件傳送到所述泥漿脈動轉子。
10.如權利要求9所述的工具，其中，所述處理器適于基于所述可旋轉慣性構件的轉速和質量的輸入數據來計算所述離合器接合所用的時間周期。
11.如權利要求1所述的工具，還包括設置在所述扭桿基座與所述泥漿脈動轉子軸之間的可彈性變形的扭桿，所述扭桿當從所述扭桿基座向所述泥漿脈動轉子傳輸轉矩時適于變形并儲存彈性能，以及釋放所述儲存的彈性能以提供反向旋轉恢復轉矩。
12.一種用于在其內有鉆井液流動的鉆柱中使用的泥漿脈動遙測的方法，所述方法包括: 將泥漿脈動遙測工具設置在所述鉆柱中，其中所述泥漿脈動遙測工具包括: 具有不旋轉的泥漿脈動定子的脈動器和靠近所述定子設置的泥漿脈動轉子，以及 驅動系統(tǒng)，具有渦輪定子、渦輪轉子和可旋轉慣性構件； 使鉆井液沿所述鉆柱向下流動并經過所述泥漿脈動遙測工具； 借助流過所述工具的鉆井液使所述渦輪轉子旋轉；借助所述驅動系統(tǒng)的所述可旋轉慣性構件到旋轉的渦輪轉子的磁耦合部，使所述可旋轉慣性構件旋轉； 在旋轉的可旋轉慣性構件中儲存勢能； 將轉動能從所述可旋轉慣性構件傳輸到所述泥漿脈動轉子；以及使所述泥漿脈動轉子在可控的旋轉振蕩運動中加速，以阻擋鉆井液流過所述泥漿脈動定子，從而在所述鉆柱的鉆井液中產生多個正壓力脈動。
13.如權利要求12所述的方法，還包括: 使聯(lián)接到所述可旋轉慣性構件的輔助馬達旋轉，以增加所述可旋轉慣性構件的轉動倉泛。
14.如權利要求12所述的方法，還包括: 在齒輪組中設置多個離合器； 從所述可旋轉慣性構件經由所述離合器和齒輪組向所述泥漿脈動轉子傳送轉動能的同步突發(fā)脈動。
15.如權利要求14所述的方法，還包括: 從轉速傳感器輸出包括所述旋轉的慣性構件的轉速的數據； 將所述轉速數據接收到處理器中； 由所述處理器計算并輸出用于至少一個離合器的啟動信號； 所述至少一個離合器接收所述啟動信號并使所述離合器接合，以從所述可旋轉慣性構件向所述泥漿脈動轉子傳送轉動能。
16.如權利要求15所述的方法,還包括: 基于所輸入的所述可旋轉慣性構件的轉速和質量的數據來計算所述離合器接合所用的時間周期。
17.如權利要求16所述的方法，還包括: 通過利用儲存在旋轉的慣性構件中的勢能來縮短用于使所述泥漿脈動轉子旋轉的加速時間。
18.如權利要求11所述的方法，還包括: 通過利用儲存在旋轉的可旋轉慣性構件中的勢能來加快脈動的開始。
19.如權利要求11所述的方法，還包括: 設置另外的離合器，用以縮短所述離合器的再加載時間。
20.如權利要求11所述的方法，還包括: 將可彈性變形的扭桿 聯(lián)接到所述泥漿脈動器；以及 利用所述扭桿中儲存的彈性能使所述泥漿脈動器從振蕩位置轉回到中性位置。
【文檔編號】G01V1/40GK103827695SQ201180073718
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2011年9月27日 優(yōu)先權日:2011年9月27日
【發(fā)明者】馬克·安東尼·斯特卡, 克里斯托弗·謝里爾, 丹尼爾·溫斯洛 申請人:哈利伯頓能源服務公司