基于螺杆的控制系统的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]从被称为储层的地下地质岩层获得烃类流体(例如，石油和天然气)。在各种井操作中，使用泥浆马达将流动泥浆转换成旋转运动。旋转运动可被用于在钻探操作期间驱动钻头。泥浆马达通常被设计为采用在相应定子内的螺旋转子的莫诺(Moineau)马达(即，螺杆马达)。螺旋转子由在螺旋转子与相应定子之间经过泥浆马达的流体流旋转。
【发明内容】
[0002]一般来说，本发明提供了一种通过在螺杆型系统中利用转子和相应定子部件来控制装置的致动的系统和方法。转子和相应定子部件被安装成使得相对于另一部件可将旋转和/或轴向运动赋予转子或定子部件中的至少一个。受控的旋转可被利用在经由移动经过螺杆型系统的流体的动力来提供被致动装置的受控运动的过程中。
[0003]然而，在实质上不脱离本发明公开的教导的情况下，许多修改是可能的。因此，这些修改旨在包括在如权利要求书所限定的本发明公开的范围内。
【附图说明】
[0004]下文将参照附图描述某些实施例，其中类似的附图标记指示类似的元件。然而，应理解，附图示出了本文中所述的各种实施方案，且并非意在限制本文中所述的各种技术的范围，并且:
[0005]图1是根据本发明的实施例的其中可采用致动控制系统的实施例来控制可致动装置的致动的井场系统；
[0006]图2是根据本发明的实施例的致动控制系统的示例的横截面图；
[0007]图3是根据本发明的实施例的致动控制系统的另一示例的横截面图；
[0008]图4是根据本发明的实施例的沿着延伸穿过图3中所示的系统的端部轴承的平面截取的横截面图；
[0009]图5是根据本发明的实施例的沿着延伸穿过转子的平面截取的横截面图，该平面大体垂直于图3中所示的系统的转子的轴线；
[0010]图6是根据本发明的实施例的致动控制系统的另一示例的横截面图；
[0011]图7是根据本发明的实施例的沿着延伸穿过图6中所示的系统的端部轴承的平面截取的横截面图；
[0012]图8是根据本发明的实施例的致动控制系统的另一示例的横截面图；
[0013]图9是根据本发明的实施例的致动控制系统的另一示例的横截面图；
[0014]图10是根据本发明的实施例的致动控制系统的另一示例的横截面图；
[0015]图11是根据本发明的实施例的致动控制系统的另一示例的横截面图；
[0016]图12是根据本发明的实施例的沿着延伸穿过图11中所示的系统的端部轴承的平面截取的横截面图；
[0017]图13是根据本发明的实施例的致动控制系统的另一示例的横截面图；
[0018]图14是根据本发明的实施例的致动控制系统的另一示例的横截面图；
[0019]图15A到15C是根据本发明的实施例的致动控制系统的另一示例的图；
[0020]图16是根据本发明的实施例的致动控制系统的另一示例的横截面图；
[0021]图17是根据本发明的实施例的致动控制系统的另一示例的横截面图；
[0022]图18是根据本发明的实施例的致动控制系统的另一示例的横截面图；
[0023]图19是根据本发明的实施例的致动控制系统的另一示例的示意图；
[0024]图20是根据本发明的实施例的致动控制系统的另一示例的示意图；
[0025]图21是根据本发明的实施例的致动控制系统的另一示例的示意图。
【具体实施方式】
[0026]在以下描述中，陈述了众多细节，以提供对本发明公开的一些实施例的理解。然而，所属领域的普通技术人员将理解，可在无这些细节的情况下实施所述系统和/或方法，并且来自所述实施例的众多变化或修改可以是可能的。
[0027]在本文中本发明一般来说涉及一种关于通过采用螺杆组件控制可致动装置的预期运动的系统和方法。举例来说，螺杆组件可以利用转子和相应定子系统的莫诺组件的形式。转子被安装成用于与定子系统协作。举例来说，转子、定子部件或两个均可被安装成用于相对旋转，该相对旋转与在转子与定子部件之间通过的流体的体积置换相关。在本发明的实施例中，螺杆马达可通过流经螺杆马达的流体来操作；并且螺杆泵可被操作成致使流体流经该螺杆泵。采用控制系统来控制转子/定子部件的角位移和/或扭矩。
[0028]控制系统使得能够在各种应用中使用该组件，该组件可利用对施加于可致动装置上的角位移和/或扭矩的更精确的控制。在一些应用中，控制系统与泥浆马达协同操作，以形成总体伺服式致动控制系统。可使用总体致动控制系统来控制输出轴的旋转速度和角度。在许多应用中，可采用总体致动控制系统作为能够实现精确角位置、角速度和扭矩输出控制的高保真旋转伺服。在一些井眼钻探操作中，由总体致动控制系统的泥浆马达提供的致动控制可与钻机泵控制系统结合。
[0029]另外，螺杆系统和相应控制系统可被用于引入定子部件相对于相应钻铤的受控的运动自由。在一些应用中，在经由穿过螺杆系统的流体流旋转相应定子套时，通过将转子的中心轴线保持于固定位置来约束转子。一些实施例还可利用定子套，该定子套可滑移并且被控制在纵向方向上，以提供用于控制可致动装置的不同或附加的自由度。通过约束转子并且旋转定子套，螺杆系统可被用作用于驱动相关的可致动装置的高速马达或其它旋转装置。在其它实施例中，螺杆型控制系统被构造为双速马达。
[0030]参照图1，示出了其中在井操作中采用致动控制系统来控制井部件的致动的示例。然而，可在各种系统和应用(其是井相关的或非井相关的)中采用致动控制系统来提供对角位置、角速度和/或扭矩输出的控制。相对于这些特性提供的控制能够使用该致动控制系统，以用于致动/控制各种装置。
[0031]在图1中所示的示例中，井系统30被示为包括部署于井眼34中的井柱32(例如，钻柱)。井柱32可包括被设计成执行预期钻探操作、维护操作、生产操作和/或其它井相关的操作的操作性系统36。在钻探应用中，例如，操作性系统36可包括具有导向钻探系统的井下组件。操作性系统36还包括与可致动装置40操作地联接的致动控制系统38。如下文更详细地描述，致动控制系统38采用螺杆系统(例如，泥浆马达或泥浆泵系统)来提供对可致动部件40的预定控制。
[0032]在钻探应用中，可致动装置40可包括使得其角速度和/或扭矩输出由致动控制系统38控制的钻头。然而，可在具有各种可致动装置40的各种系统和应用中使用致动控制系统38。举例来说，致动控制系统38可被用作高速马达。在一些应用中，致动控制系统38可被构造为双速马达或可导向马达。致动控制系统38还可被构造为用以控制例如弯壳体泥浆马达形式的可致动装置40的工具面的精确定向器。在一些应用中，致动控制系统38可连接到随钻测量系统和/或随钻测井系统。在一些实施例中，致动控制系统38还可被设计有轴向控制能力。
[0033]在各种井相关的应用中，系统38和装置40可包括用于控制导向系统的以泥浆马达为动力的钻头轴伺服。在其它应用中，致动控制系统38可包括被采用于给泥浆脉冲遥测号笛供应动力的泥浆马达。另一示例利用系统38的泥浆马达作为用于“被供动力的”非旋转稳定器式旋转导向系统(例如，美国专利US6，109，372和US6，837，315中所描述的导向系统)的伺服偏心偏移距。致动控制系统38还可被用于实现对用于预期岩石钻头相互作用的钻头的高水平的RPM和扭矩控制。
[0034]在其它应用中，致动控制系统38可被用作主动旋转联接，以在仍传输扭矩的瞬时隔离可致动装置40 (例如，将井下组件与钻柱隔离)。致动控制系统38的螺杆系统还可被用作用于控制压力钻探和当量循环密度控制的精密井下泵。系统38还可包括其中伺服泥浆马达驱动丝杠以控制推进器形式的可致动装置40的精密轴向推进器。类似地，致动控制系统38的泥浆马达可被用作动力装置或被设计的井下组件钻探牵引系统，以使高保真牵引控制允许精细的穿透速度控制。在一些应用中，致动控制系统38包括用于驱动冲击锤系统形式的可致动装置40的频率/RPM控制驱动机构。系统38还可被用作用于高功率交流发电机的动力装置，该交流发电机能够对在有流量变化的情形中维持的速度变化实现基本控制。致动控制系统38的螺杆系统还可被用作旋转锤。因此，致动控制系统38和可致动装置40可被构成关于井和非井应用的各种配置和系统。
[0035]在钻探应用中，钻铤或钻头速度中的波动可由于扭转扰动而在钻探期间出现，并且这些波动可导致钻探系统(例如，井下组件、钻铤、钻头或其它系统)的实际运动与预期的角运动(其中运动被解释为位置、速度、加速度和/或复杂曲线)之间的角运动误差的积累。然而，致动控制系统38可被用于提供对角运动的改进的控制。钻探过程涉及产生复杂扰动波的许多扭转变化源，该复杂扰动波沿着井柱向上和向下流动并且经过井柱中的任何机构(例如，上文所述的各种可致动装置40)。扭矩波还可导致管道卷曲，因此导致弯壳体泥浆马达的定子旋转并且进一步干扰工具面的角度方位。在钻探应用中，扰动源包含来自钻头的反扭矩、钻柱中的其它泥浆马达、穿过不同类型地层的钻探以及其它环境和系统特性。致动控制系统38减小或除去这些不合需要的角运动和扭矩。
[0036]通过提供控制点(例如，弯壳体马达)局部的控制动作，而非依靠例如根据通过传统泥浆脉冲遥测中继的马达速度数据而改变地面泥浆泵的速度，致动控制系统38的使用提供了快速“抵制”扭矩扰动的能力。泥浆流经整个钻探系统，所以以不规则方式阻塞或泄漏流体的钻柱中的任何装置也在输入到连接于钻柱的任何泥浆致动装置(例如，泥浆马达)的输入处产生压力波动，这又导致流动变化，所述流动变化导致转子的角度波动。这些源的示例包括钻机泵速度的波动、利用正/负压力脉冲的遥测方法、通过使钻机泵速度变化实现的遥测下行链路、管下扩眼器的打开/关闭、钻头接触井底与/否、钻柱中的其它马达、落球装置、到环空的分流、钻探泥浆成分的更改和其它源。利用致动控制系统38通过提供螺杆马达/泵局部的控制，在井下抵制和修改这些影响。在钻杆的表面旋转影响控