用于井下工具的操控系统和方法

用于井下工具的操控系统和方法
【专利摘要】公开了一种用于井下工具的操控系统和方法。井下工具包括具有轴向孔的主体和相对于孔径向靠外设置的腔，孔至少部分地延伸穿过主体。阀设置在孔内并且适于在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置，该阀阻止流体从孔通过端口流到腔中，在第二位置，该阀允许流体从孔通过端口流到腔中。设置在孔内的马达适于使阀在第一和第二位置之间移动。井下工具的可操控部件，例如扩孔器井下工具的切割器组，可移动地连接到主体并且适于响应于流体通过端口进入腔中而从非操控状态移动到操控状态。
【专利说明】用于井下工具的操控系统和方法

【技术领域】
[0001]这里公开的实施例总体上涉及井下工具。更具体地，这里公开的一个或多个实施例涉及用于操控井下工具以执行它们预期的操作和/或功能的系统和方法。

【背景技术】
[0002]在钻探井眼的过程中，经常采用井下工具执行井下工具预期的操作或功能，例如扩孔器被用于扩大井眼的直径。在井下工具为扩孔器的例子中，传统的扩孔器具有主体，主体具有从其中轴向延伸穿过的轴向孔，流体流动通过轴向孔。一个或多个切割器组可移动地连接到主体并且适于在收起状态和展开状态之间转变。
[0003]处在收起状态的扩孔器通过钻柱被送入井眼中。在收起状态，切割器组被折叠到扩孔器的主体内以使得切割器组相对于包围的套管或井眼壁径向靠内设置。一旦扩孔器到达井眼的期望深度，扩孔器被操控到展开状态。在展开状态，切割器组径向向外移动并且与井眼壁接触。切割器组接着被用于切割或研磨井眼壁以扩大其直径。


【发明内容】

[0004]本
【发明内容】
部分用于介绍在下面的详细说明中进一步描述的选取的概念。本
【发明内容】
不是用于确定要求保护的主题的关键或本质特征，也不是用于帮助限定要求保护的主题的范围。
[0005]公开了一种具有操控系统的井下工具。该井下工具包括具有轴向延伸的孔的主体和相对于孔径向靠外设置的腔，所述孔至少部分地延伸穿过主体，腔例如位于主体的壁内。孔通过端口与腔流体连通。阀被设置在孔内并且适于在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置，该阀阻断流体从孔通过端口流到腔中，在第二位置，该阀允许流体从孔通过端口流到腔中。马达被设置在孔内并且适于使阀在第一位置和第二位置之间移动。可移动地连接到主体的井下工具的可操控部件适于响应于流体流动通过端口进入腔中而在操控状态和非操控状态之间移动。阀在第一位置和第二位置之间的移动可包括线性和旋转阀移动。在这里公开的一个或多个实施例中，井下工具为扩孔器并且可操控部件为适于在阀处于第一位置时的收起状态和阀处于第二位置时的展开状态之间移动的切割器组。
[0006]在另一个实施例中，井下工具包括具有轴向延伸的孔的主体和相对于孔径向靠外设置的腔，所述孔至少部分地延伸穿过主体，腔例如位于主体的壁内。孔通过端口与腔流体连通。阀设置在孔内并且适于在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置，阀阻断流体从孔通过端口流到腔中，在第二位置，阀允许流体从孔通过端口流到腔中。马达设置在孔内并且适于在孔内在第一位置和第二位置之间轴向地移动该阀。井下工具的可操控部件(例如切割器组)可移动地连接到主体并且适于在阀处于第一位置时的非操控(或收起)状态和阀处于第二位置时的操控(或展开)状态之间移动。位置传感器系统设置在孔内并且配置成测量可操控部件的轴向位置。连接到位置传感器系统的遥测系统同样设置在孔内并且配置成将表示可操控部件的轴向位置的信号传递到远程位置，例如地面位置。
[0007]还公开了一种用于操控井下工具的方法。该方法包括将信号从地面位置传递给设置在井下工具中的井下接收器。该信号控制设置在至少部分地轴向延伸穿过井下工具的主体的孔内的马达的一个或几个操作。腔相对于孔径向靠外设置，其例如位于主体的壁中。马达连接到并且移动设置在孔内的阀，使其在第一位置和第二位置之间移动。当阀处于第一位置时，阻断流体流动通过设置在孔和腔之间的端口，当阀处于第二位置时，允许流体从孔通过端口流到腔中。可操控部件能够可移动地连接到井下工具的主体并且被布置和设计成响应于由于流体流入腔中所引起的液压升高而在非操控状态和操控状态之间移动。在井下工具的可操控部件被操控时，井下工具被操作。
[0008]公开了一种用在井眼中的井工具操控系统。该井工具操控系统包括设置在井下管道的内部流道内的阀。该阀被布置和设计成在密封井下管道的内壁中的端口的第一位置和允许流体从内部流道流入端口中的第二位置之间移动。该阀具有一个或多个从其中穿过的通道使得无论阀处于什么位置都允许流体从通道轴向地通过到达井下钻头。马达设置在井下管道的内部流道内以允许内部流道中的流体从马达周围通过。马达被连接到阀并且被布置和设计成使阀在第一位置和第二位置之间移动。响应于流体流入端口并通过端口的可操控部件由此通过将阀从第一位置移动到第二位置而被操控。阀在第一位置和第二位置之间的移动包括线性和旋转阀移动。
[0009]在另一个实施例中，井工具操控系统包括具有旋转地设置在井下管道的内部流道内的阀的阀模块。该阀被布置和设计成在阻断井下管道的内壁中的端口的第一旋转位置和允许流体流动进入端口中的第二旋转位置之间移动。阀模块和阀还被布置和设计成例如具有从其中穿过的通道以使得无论阀处于什么位置都允许钻井流体从通道通过到达井下钻头。该阀进一步被布置和设计成当钻井流体通过阀模块时，响应于产生在内部流道和井眼之间的压差而坐落在阀模块的阀壳体上。马达模块设置在井下管道的内部流道内以允许钻井流体从马达的周围通过。马达模块包括连接到该阀的马达，以使阀在第一旋转位置和第二旋转位置之间移动。可操控部件，响应于流体流入并且通过端口的流体，由此通过使阀从第一旋转位置移动到第二旋转位置而被操控。
[0010]还公开了一种用于操控井下工具的可操控部件的方法。该方法包括从井口位置向井下接收器发送命令信号。该命令信号控制设置在井下管道的内部流道内的马达的操作。该马达使得设置在井下管道内的阀在密封井下管道的内壁中的端口的第一位置和允许流体从内部流道流入端口的第二位置之间移动。该阀进一步被布置和设计成无论阀处于什么位置都允许钻井流体从其中通过到达井下钻头。当阀处于第二位置时，流体从内部流道进入端口使得流体流动进入并且通过端口而操控井下工具的可操控部件。

【专利附图】

【附图说明】
[0011]为了使叙述的特征可以详细地理解，上面简要概述的更具体的描述可以参看一个或多个实施例，其中一些实施例在附图中示出。然而，需要注意的是，附图只是示例性的实施例，因此并不能看作是对保护范围的限制。
[0012]图1描绘了根据公开的一个或多个实施例的设置在井眼内并且具有操控系统的示例性井下工具的示意图。
[0013]图2描绘了根据公开的一个或多个实施例的示例性阀模块的透视图。
[0014]图3描绘了根据公开的一个或多个实施例的示例性马达模块的透视图。
[0015]图4描绘了根据公开的一个或多个实施例的通过自对准连接器连接的阀模块和马达模块的部分透视图。
[0016]图5描绘了根据公开的一个或多个实施例的阀模块的部分剖视图。
[0017]图6描绘了根据公开的一个或多个实施例的设置在井下工具中的阀模块的部分首1J视图。
[0018]图7描绘了图6的阀模块被操控到不同的操作位置的部分剖视图。
[0019]图8-1描绘了根据公开的一个或多个实施例的位置感测系统的部分透视图。
[0020]图8-2描绘了图8-1所示的位置感测系统的传感器阵列部分的一个实施例的部分透视图。
[0021]图8-3描绘了根据公开的一个或多个实施例的图8-2所示的位置感测系统的传感器阵列部分的部分透视图，传感器阵列设置在井口方向连接到井下工具的钻柱中。
[0022]图9描绘了根据公开的一个或多个实施例的设置在井下工具中的位置感测系统的磁体篮或冠部分的部分剖视图。
[0023]图10描绘了根据公开的一个或多个实施例的位置感测系统的一部分的部分透视图，其中，位置感测系统的形式为与正向脉冲随钻测量工具组装在一起的诊断探头。
[0024]图11描绘了根据公开的一个或多个实施例的具有示例性的操控系统但是没有位置感测系统的井下工具的部分剖视图。
[0025]图12描绘了根据公开的一个或多个实施例的包括阀模块的井下工具的部分剖视图。
[0026]图13描绘了根据公开的一个或多个实施例的井下工具的另一个部分的部分剖视图，其中示出了阀模块。
[0027]图14描绘了根据公开的一个或多个实施例的在井下方向连接到井下工具并且在其中包括有操控系统的电子器件部分和动力源的钻柱的部分剖视图。
[0028]图15描绘了根据公开的一个或多个实施例的井下工具的部分剖视图，其示出了图13的阀模块处于第一操控位置。
[0029]图16描绘了根据公开的一个或多个实施例的井下工具的部分剖视图，其示出了图13的阀模块处于第二操控位置。
[0030]图17描绘了根据公开的一个或多个实施例的设置在井眼内并且具有另一个操控系统的示例性井下工具的示意图。
[0031]图18-1描绘了根据公开的一个或多个实施例的设置在井下工具内的示例性旋转指状阀模块的部分剖视图。
[0032]图18-2描绘了根据公开的一个或多个实施例的图18-1的旋转指状阀模块的指状阀的透视图。
[0033]图19描绘了根据公开的一个或多个实施例的通过自对准连接器连接到马达模块的图18-1的旋转指状阀模块的部分剖视图。
[0034]图20描绘了根据公开的一个或多个实施例的井下工具的部分剖视图，其示出了连接到马达模块的旋转指状阀模块。
[0035]图21描绘了根据公开的一个或多个实施例的井下工具的部分剖视图，其示出了图20的旋转指状阀模块处于第一操控位置。
[0036]图22描绘了根据公开的一个或多个实施例的井下工具的部分剖视图，其示出了图20的旋转指状阀模块处于第二操控位置。
[0037]图23描绘了根据公开的一个或多个实施例的用于旋转指状阀模块的示例性渐缩的阀部件和相应的倒角的阀部件的透视图。
[0038]图24描绘了根据公开的一个或多个实施例的可以用在井下工具中的示例性旋转端口阀模块的部分剖视图。
[0039]图25描绘了根据公开的一个或多个实施例的图24的旋转端口阀模块的阀壳体的首1J视图。
[0040]图26描绘了根据公开的一个或多个实施例的井下工具的剖视图，其示出了图24的示例性旋转端口阀模块连接到马达模块用于操控井下工具。
[0041]图27描绘了根据公开的一个或多个实施例的图17的井系统的一部分的剖视图，其示出了示例性旋转槽阀模块连接到马达模块用于操控井下工具。
[0042]图28描绘了根据公开的一个或多个实施例的井下工具的部分剖视图，其示出了图27的旋转槽阀模块处于第一操控位置。
[0043]图29描绘了根据公开的一个或多个实施例的井下工具的部分剖视图，其示出了图27的旋转槽阀模块处于第二操控位置。
[0044]图30描绘了根据公开的一个或多个实施例的设置在井下工具内的替代阀模块的示意图。
[0045]图31描绘了根据公开的一个或多个实施例的可以设置在井下工具中的另一种示例性操控系统的示意图。

【具体实施方式】
[0046]在后面的描述中，对多个细节进行了阐述以理解本公开的若干说明性实施例。然而，本领域技术人员可以理解，没有这些细节，本公开的系统和/或方法也可以实施，且描述的实施例可以具有多种变化或改进。
[0047]本公开的一个或多个实施例总体涉及操控井下工具的系统和方法。井下工具在多种环境(包括井眼环境)下可以远程操控。这种远程操控，例如在井口位置和井下工具之间，可以以本领域技术人员已知的任意方式执行并且可以包括有线和/或无线通信、声波、电磁波、泥浆压力脉冲和/或通过绝缘导体传递的信号。在至少一个实施例中，该系统和方法可以用于操控井下工具的可操控部件，例如用在井下钻井作业中的扩孔器的切割器组。系统电子器件和部件也可以设计成提供工具操控的实时(或者准实时)确认，例如切割器组的展开或收起。
[0048]操控系统可以包括与实时(或准实时)位置感测系统组合的数字激活系统，以操控并且监测井下工具的操控。可以通过多种遥测技术和系统将信号送到井下和/或井口，所述多种遥测技术和系统例如包括:模式化流动系统、转盘系统、绝缘导体、压力脉冲系统、电磁系统、声系统或其它合适的遥测方法。在另一个实施例中，表示位置的信号可以被记录在井下记忆装置、例如存储芯片中，用于在随后进行取回。
[0049]操控系统，S卩，具有或没有位置感测系统的数字激活系统，可以在许多与井相关以及与井无关的应用场合中与各种井下工具一起使用。这种操控系统可以安装在或连接到钻柱、电缆或其它本领域技术人员已知的井下传输工具上，用于操控多种与井相关的工具，包括但不限于扩孔器和/或稳定器。在这些应用中，操控系统可以设计成具有可以在井场选择性地组装的模块化部件。
[0050]数字(即启用/停用)激活系统可以包括具有可线性移动的阀组件的阀模块和/或具有可旋转移动的阀组件的阀模块。数字激活系统可以进一步包括包含马达、例如旋转马达的马达模块以及适合的电子器件。自对准连接器可以用于将阀模块的阀组件连接到马达模块的马达。自对准连接器可以与转换组件配合工作，以便能将马达的旋转运动输出转换成阀的线性运动来操控井下工具。
[0051]图1描绘了根据一个或多个实施例的设置在井眼24中的钻柱22的示意图。钻柱22具有与之连接的具有操控系统30的井下工具26。井下工具26可以是或者包括扩孔器，该扩孔器具有多个可移动地连接到其上的切割器组28，该切割器组在收起状态和展开状态之间被操控。图1中与井下工具26相关联的操控系统30仅用于帮助说明，应该理解这里描述的操控系统30可以包括多个附加部件并且可以设置在多种类型的井下环境中。操控系统30还可以根据给定的应用场合的运行和环境特征以各种不同的结构构造。井下工具26和井下工具操控系统30可以至少部分地设置在井底组件32中。井底组件32可包括随钻测量工具34，例如，正脉冲随钻测量工具。井底组件32在钻井眼24的过程中凭借钻柱22被用于转动钻头36。
[0052]操控系统30包括具有阀模块40和马达模块42的数字激活系统38。马达模块42包括马达82 (参见图3)和电子器件80 (参见图3)，电子器件80用于接收控制信号并且用于控制马达82 (参见图3)。动力通过井下动力源44 (图14)、例如电池被提供给马达82。也可将涡轮机或容积式马达(均未示出)连接到马达82来提供能量。如后面更加详细描述的，马达82的旋转运动可以被转换成线性/轴向运动。
[0053]操控系统30可以进一步包括实时(或准实时)位置感测系统50，其包括诊断探头部分52和具有一个或多个磁传感器的传感器部分54。位置感测系统50可以连接到或者用于与数字激活系统38协作，以例如通过监测切割器组28 (或者连接到其上的部件)或者阀模块40的一个或多个部件的线性移动监测井下工具26的激活/操控。
[0054]图2描绘了根据一个或多个实施例的示例性的阀模块40的透视图。阀模块40包括可滑动地接纳穿过端盖58的柱塞或轴46的阀模块主体56。着陆卡盘60可连接到阀模块主体56，以便于使阀模块40着陆和定位在井下管件或钻柱22的内部流动通道或孔106内(参看图6)，例如定位在钻柱22的中心(或者从钻柱22的纵向轴线偏移开)，同时允许钻井泥浆和/或其它流体流动通过钻柱22并且通过着陆卡盘开口 62围绕/通过阀模块40。阀模块40以及操控系统30的其它模块位于钻柱22的孔106的中心使得操控系统30能够用在具有任意直径的钻柱22中，其中，柱塞头/组件或阀74的大小适于与孔106/接纳结构100的内直径密封地接合(参见图6)。阀组件可以被定义为连接到柱塞头/组件或阀74的柱塞或轴46。柱塞头/组件或阀74被布置和设计成具有一个或多个轴向开口 110，以允许钻井泥浆和/或其它流体流动通过钻柱22的孔106 (图6)。阀模块主体56还包围转换组件64，以将旋转运动转换成柱塞或轴46的线性运动。作为举例，转换组件64可以包括具有螺纹的螺杆和连接到轴46的螺母，以便在具有螺纹的螺杆在相应的螺母中转动时而沿着线性方向移动轴46。适用的转换组件64的例子可以包括丝杆、艾米克螺杆(ACMEscrew)、滚珠丝杠等。然而，本领域技术人员已知的其它类型的传动和转换组件也可以用于将旋转运动转换成线性运动。
[0055]阀模块40还可以包括自对准连接器部分66，其连接到阀74，且被设计成自动地接纳马达模块42的连接到马达82的相应的自对准连接器部分68 (参见图3)。阀连接器部分66可包括布置并且设计成接纳和定向马达连接器部分68的相应的凸起72( “犬骨”)(图3和4)的自对准凹槽或槽口 70。自对准连接器部分66、68能够更高效地海运、组装和部署，因为工具在现场的组装被简化，这允许在自对准连接器部分66和阀连接器部分68进行初始配合的过程中产生些许的未对准。在一个或多个实施例中，自对准连接器部分66、68可布置和设计成借助钻柱22部署在井下，其中，在井下形成自对准连接器84(图4)。
[0056]图3描绘了根据一个或多个实施例的说明性马达模块42的透视图。马达模块42包括马达82和电子器件部分80。电子器件部分80被设计成包括用于探测送到井下的命令信号的井下接收器或传感器，该命令信号例如是压力脉冲信号、振动、钻柱每分钟转速(rpm)或上面公开的其它遥测方法的信号；并且还被设计成产生和向马达82提供控制信号以用于控制马达82的旋转输出运动。在一个或多个实施例中，井下接收器或传感器可以是加速计。马达82驱动马达连接器部分68，该马达连接器部分68驱动阀连接器部分66。马达连接器部分68和阀连接器部分66的这种旋转运动通过转换组件64被转换成轴46的线性运动。马达82还起着制动器的功能以防止发生不期望的反向驱动。马达模块42可包括多个其它结构，例如定中器或定中结构86，其可以用于帮助马达模块42定位在钻柱22的包围管件或主体88的中心(参见图1)。定中结构86被设计成允许流体在主体88和模块40,42之间的环形空间中在主体88的孔106 (例如钻柱22的一部分)中流动。
[0057]图4描绘了根据一个或多个实施例的通过自对准连接器84接合或连接的阀模块40和马达模块42的部分透视图。马达连接器部分68与阀连接器部分66相接合，以形成总自对准连接器84。
[0058]图5描绘了根据一个或多个实施例的阀模块40的部分剖视图。阀连接器部分66与通过多个轴承92可旋转地安装在阀模块主体56内的轴或心轴90连接。心轴90包括容纳在连接到轴46的螺母部分98的相应的螺纹部分96中的螺纹部分94。当马达82通过连接器部分66来转动心轴90 (参见图3)时，螺纹部分94相对于相应的螺纹部分96转动，而螺母部分98被保持成固定而不能转动。这使得轴46根据心轴90的转动方向而进行线性移动。轴46的线性运动例如被用于驱动阀74来控制井下工具26的操控。
[0059]图6描绘了设置在井下工具26中的阀模块40的部分剖视图，图7描绘了图6的阀模块40被操控到不同的工作位置的部分剖视图。井下工具26在这个例子中为扩孔器，其可包括主体88，主体88具有孔106，该孔106至少部分地穿过主体88形成。主体88可以是一个部件或者是连接到一起的多个部件。阀模块40可以设置在主体88的孔106内。
[0060]阀74可滑动地设置在位于主体88内的接纳结构100内，使得密封件76与接纳结构100的内表面密封接合。一个或多个端口 102延伸穿过井下工具26的接纳结构100，使得当阀74可滑动地设置在接纳结构100内以打开端口 102时，通过端口 102在操控腔112和井下工具26的孔106之间建立流体连通。端口 102被布置和设计成能将加压流体传送到井下工具26中的操控腔112。当操控腔112中的压力上升得足够高时，操控元件104(例如，活塞，诸如设置在腔112中的环形活塞)轴向地移动或滑动，从而操控切割器组28，该切割器组28例如通过倾斜通道或轨道同时轴向且径向向外移动，切割器组可移动地连接在这些通道或轨道上。这里公开的可与操控系统30 —起使用的说明性的扩孔器在美国专利N0.6，732,817中示出和描述，该专利内容通过引用在与本公开一致的程度上被结合到这里。尽管图6所示的是扩孔器，但井下工具26可以是或者包括多种工具类型，例如阀、滑动套筒、卡锁件、管切割器、型材轧机、震击器、打捞工具以及其它可操控的工具。
[0061 ] 如图6所示，阀74已经被轴46移动到接纳结构100内的位置或地点，使得密封件76设置在端口 102的线性/轴向侧(即它们骑跨端口 102)，由此防止流动通过端口 102。流体、例如钻井泥浆沿着箭头108的方向通过井下工具26的孔106向井下传送，并流动通过阀74的轴向开口 110而且沿着阀模块主体56的外部流向钻头36 (图1)。当井下工具26要被操控到另一个工作位置时，控制信号被发送到井下到达马达模块42的电子器件部分80，并被位于电子器件部分80内或邻近处的井下接收器/传感器接收或感测到，而且被用于控制马达82的运行以使轴46进行线性运动。在该例子中，如图7所示，轴46的线性运动牵引阀74离开端口 102，以使得加压流体能够从孔106流动并且流出端口 102。流体如箭头114所示地流进操控腔112，以使得操控元件104朝向井口移动，由此移动/操控切割器组28。
[0062]如这里所公开的，操控系统30的阀模块40和马达模块42可以与位置感测系统50组合。位置感测系统50可使用一个或多个磁体感测井下工具26和/或切割器组28的位置并且实时或准实时向地面或另一个远程位置传送该位置。在另一个实施例中，位置感测系统50可通过测量马达82和/或轴46的转数确定阀模块40和/或切割器组28的位置。
[0063]图8-1描绘了位置感测系统50的部分透视图，图8-2描绘了位置感测系统50的传感器阵列部分Il8的一个实施例的部分透视图，图8-3描绘了位于磁体篮122内的传感器阵列部分118的部分透视图，图9描绘了根据一个或多个实施例的设置在井下工具中的位置感测系统50的磁体篮122的部分剖视图。位置感测系统50可采用具有借助合适的定中结构86设置在钻柱22的主体88内的诊断探头116的诊断探头部分52(图1)。如图8-1和8-2所示，诊断探头116可包括传感器118，例如传感器阵列，其连接到支持电子器件120。如图9所示，传感器阵列118可以是或者包括多个磁力计，它们容纳在传感器部分54的相应的冠部或磁体篮122中。磁体篮122相对于传感器阵列118的相对轴向移动用于跟踪井下工具26的切割器组28的位置/状态。位置信号通过电子器件120被传递或传送到地面控制器，以便能够实时或准实时监测井下工具26的操控。这种位置传递或传送可以与从井口向井下传递/传送采用相同或不同的遥测方法执行。
[0064]如图8-3和9示例性所示，部件可以定向成使得探头/传感器阵列118设置在磁体篮122内，磁体篮122包括磁体124，以通过探头/传感器阵列118监测位置的改变。探头/传感器阵列118被保持在磁体篮122的内部126中而防止与磁体篮122发生接触。在该具体的例子中，传感器阵列118包括沿期望长度以三板“星形阵列”结构形式设置的多个磁力计。这种三板结构形式(其中，每个板从延伸通过探头/传感器阵列118的公共纵向轴线径向向外延伸)使得无论磁体篮122处于什么样的旋转位置磁体篮122的磁体124都能被感测到。磁体篮122被连接到心轴128，并且磁体篮122和心轴128适于随着切割器组28轴向移动而轴向移动。心轴128可连接到环件123，所述环件通过弹簧元件130在一个方向上被偏压以便于磁体篮122返回默认位置。环件123以及进而的浮动心轴128随着切割器组128被操控且轴向移动而沿相反的方向移动。当井下工具26的可操控部件(例如，切割器组28)通过轴46的线性移动而被启用和/或停用时，可操控部件接合且克服弹簧130的偏压作用向井口推动环件123。连接到环件123的心轴128相对于传感器阵列118、例如磁力计阵列移动磁体篮122和磁体124。由于磁体篮122和磁体124的位置指示出可操控部件(例如切割器组28)的位置/状态，因此可操控部件(例如切割器组28)的位置/状态可以被测量、计算并且通过合适的遥测系统、例如正向脉冲遥测系统或其它公开的遥测系统向井口传递。在一些应用场合中，位置数据被传递给控制系统，例如基于计算机的控制系统，其输出有关工具操控状态和/或程度的信息。在替代的实施例中，磁体篮122可以连接到阀74(未示出)。可替代地，位置感测系统50可以与操控系统30连接，以监测轴46的移动并且将移动信息传递/传送给控制系统。
[0065]图10描绘了根据一个或多个实施例的位置感测系统50的一部分的部分透视图，位置感测系统50为与正向脉冲随钻测量工具组装在一起的诊断探头116的形式。如图10所示，诊断探头116被连接到遥测系统132的脉冲器探头134。脉冲器探头134为正向脉冲随钻测量工具的一部分并且被用于通过正向压力脉冲向井口传达信号。然而，如前面所公开的，也可以采用其它类型的遥测系统传递和/或接收信号。可以通过井下动力源136、例如电池探头为遥测系统132提供动力，井下动力源136连接在脉冲器探头134和诊断探头116之间。
[0066]图11描绘了根据一个或多个实施例的井下工具26的部分剖视图，井下工具26在该实例中为扩孔器，其具有示例性的操控系统30而没有位置感测系统50。如在图12中最好地示出，操控系统30被设计成操控井下工具26的可操控部件(例如切割器组28)。在图11中，示出了操控系统30的一部分并且示出了具有处于收起状态的切割器组28的井下工具26。切割器组28通过操控元件104被液压操控，操控元件104通过加压钻井流体/泥浆进入腔112被移动(图12)。通过阀模块40的阀74(图12)控制加压钻井流体/泥浆进入腔112 (图12)的操控流。
[0067]图12描绘了井下工具26的部分剖视图，其在该实例中为扩孔器，并包括阀模块40，图13描绘了根据一个或多个实施例的图12的井下工具26的另一个部分的部分剖视图，示出了阀模块40。如上所述，阀74的线性移动通过心轴90相对于螺母组件98的旋转而被轴46所控制，螺母组件98例如为槽型螺母组件，如图12和13所示。阀74设置成阻断通过端口 102的流动，并且由此阻断钻井流体/泥浆朝向操控腔112的流动。如图13最好地示出，马达轴41通过合适的连接结构140被连接到心轴90以将马达82的旋转输出运动传递给心轴90。心轴90包括丝杠部分142，其包括与螺母部分98的相应的螺纹部分96啮合的螺纹部分94。然而，这些部件仅仅是用于将马达82的旋转输出转换成轴46的线性输出的机构的例子，也可以采用本领域技术人员已知的其它机构。
[0068]图14描绘了根据一个或多个实施例的井下工具26在井下连接的钻柱22的部分剖视图并且在其中包括有操控系统30的电子器件部分80和动力源44。操控系统30的电子器件部分80和动力源44设置在钻柱22的孔106中，使得流体/泥浆可以在这些部件和钻柱之间的环形空间内向钻头(未示出)流动。如图14所示，从地面发送的关于井下工具26的操控的控制信号被电子器件部分80 (例如井下接收器或传感器，例如加速计或其它装置)接收和处理。电子器件部分80和马达82 (如图12所示，连接到电子器件部分80)可通过动力源44在井下被供给电能。如图所示，动力源44可包括设置在电池壳146中的多个电池144。作为举例，电池144可以是中等井下锂电池。此外，电池壳146的大小允许使用各种电池数量和组合。
[0069]电子器件部分80可包括读取压力脉冲的命令序列的压力脉冲系统。一旦接收到正确的预编程命令序列，马达82(图12)被供给动力使得马达轴41发生旋转运动(并且轴46发生线性运动)(图13)并且最终井下工具26被期望地操控。然而，如上面所公开的各种遥测系统，可以用于控制阀的移动并且用于向位置监测系统传递信号或者从其得到信号。
[0070]图15描绘了根据一个或多个实施例的井下工具26的一部分的部分剖视图，其中，示出了阀模块40处于第一操控位置。在切割器组28被操控之前，钻井流体/泥浆被泵送向下通过孔106、然后通过阀74中的轴向开口 110，并且沿着阀模块40和马达模块42的外部按规定的路径流向钻头36(图1)。操控系统30的各个模块的设计允许在正常钻井作业过程中钻井泥浆或其它流体被泵送到井下，如箭头48所示。然而，一旦适当的控制信号被向井下传递/传送到达电子器件部分80，马达模块42就控制阀模块40和轴46的运行以沿线性方向平移阀47，由此打开穿过端口 102的流动路径(图16)。在马达模块42控制阀模块40的运行来移动阀74之前，流体/泥浆借助地面泵通过孔106的流动被暂时地停止以减少在孔106和井眼24之间产生的任意压差。压差的减少降低了马达82移动阀74所需要的力/能量。一旦阀74改变了位置，流体/泥浆通过孔106的流动可被恢复。马达82还起着制动器的作用，以防止发生不期望的反向驱动，即，阀74的移动。
[0071]图16描绘了根据一个或多个实施例的井下工具26的部分剖视图，其中，示出了阀模块40处于第二操控位置。钻井流体/泥浆向外流动通过端口 102并且进入操控腔112。随着操控腔112中建立起足够高的压力，操控元件104轴向移动或滑动并且由此操控切割器组28进入第二或展开状态。这种平移的发生是由压差造成的，压差例如是操控腔112中的钻井流体压力(通过端口 102)和井眼压力之间的压差。如图16中箭头150所示，操控元件104沿轴向方向被驱动，以迫使切割器组28同时地轴向和径向向外移动。
[0072]轴46的移动被设计成进一步移动阀74以暴露端口 102，这使得被转移的流体/泥浆流进操控腔112并且沿与流体/泥浆流动148相反的方向推动操控元件104以激活/操控可操控部件，例如切割器组28。当轴46被反向移动时(例如，通过向马达82发送信号使其反向旋转)，阀74轴向地平移以密封旁通端口 102，由此由于缺少被转移的泥浆流(与弹簧130产生的弹簧偏压结合)使得激活元件104沿着泥浆流的方向被推动到达其停用位置，随后停止部署可操控元件，例如切割器组28。
[0073]图17描绘了根据一个或多个实施例的设置在井眼24内的说明性的井下工具26，其具有另一个操控系统30’。井下工具26包括数字激活系统38’。数字激活系统38’包括不同于阀模块40的示意性阀模块240。在不同实施例中，阀模块240可包括如这里公开的可旋转移动的阀组件270或可线性移动的阀组件280。既可以传递马达模块42中的马达82的旋转输出运动(未示出)用于为阀模块240中的旋转阀组件270施加旋转运动，也可以将马达模块42中的马达82的旋转输出运动转换成阀模块240中的线性阀组件280的线性/轴向运动。
[0074]图18-1描绘了设置在井下工具26内的示意性旋转指状阀模块242的部分剖视图，图18-2描绘了根据一个或多个实施例的指状阀模块242的指状阀272的透视图。阀模块240包括具有由连接到一起的上部心轴252、中间心轴254以及下部心轴256形成的阀壳体250的旋转指状阀模块242。阀壳体250在其中容纳有包括指状阀272、预压弹簧274、弹簧限位器276以及自对准连接器部分278的旋转阀组件270。指状阀272的指275的多个上表面273与阀壳体250的中间心轴254上的基座表面253接合。指状阀272的下表面271受到预压弹簧274的作用。预压弹簧274被连接到阀壳体250的下部心轴256的内表面的弹簧限位器276限位保持。
[0075]推力球轴承279可设置在预压弹簧274和指状阀272之间，并且环状轴承255可设置在下部心轴256和指状阀272之间，用于减少两者之间的旋转摩擦。下部心轴256的内表面和指状阀272的外表面可以是抛光金属表面，并且环状轴承255可以由热塑性材料形成，以在两者之间提供有效的低摩擦密封。这种密封很好地适用于高温、高压以及具有磨损性的井下环境。合适的抛光金属表面材料的例子包括碳化物和钢。合适的环状轴承255材料的例子包括热塑性材料，例如PEEK，托朗(Torlon)和特氟龙。然而，本领域技术人员已知的其它类型的材料也可以用于抛光金属表面和环状轴承255。
[0076]指状阀272布置并且设计成具有多个间隔开(例如，周向偏错)的指275。当阀模块240与钻柱22中的井下工具26协作时(图17)，指状阀272的旋转使得指275阻断或打开传送加压流体给操控元件104 (图20)以操控井下工具26的端口 202 (图20)。指状阀272进一步包括一个或多个允许钻井泥浆和/或其它流体流动通过钻柱22 (图17)的孔106(图20)的轴向开口 210。指状阀272可包括沿着其外表面设置的用于容纳环状轴承255的轴承槽212，以及用于容纳延伸穿过阀壳体250的下部心轴256的壁的止挡销216的控制槽214。当指状阀272被旋转时，止挡销216在控制槽214内移动，直到止挡销216到达控制槽214的端部，由此阻止进一步的旋转。因此，止挡销216和控制槽214之间的相互作用为指状阀272的角位置提供控制并且还提供主动止挡。
[0077]图19描绘了根据一个或多个实施例的通过自对准阀连接器部分278连接到马达模块42的旋转指状阀模块242的部分剖视图。自对准阀连接器部分278设计成自动地接纳马达模块42的相应的马达连接器部分68’。阀连接器部分278可包括自对准六角形接纳结构277，其设计成接纳和定向马达连接器部分68’的相应的六角形连接部72’。
[0078]图20描绘了根据一个或多个实施例的井下工具26的部分剖视图，其中，示出了连接到马达模块42的旋转指状阀模块242。阀模块242设置在井下工具26的接纳结构100内以使得密封件76与接纳结构100的内表面密封接合。端口 102 (未示出)可设置在井下工具26的接纳结构100中并且延伸通过井下工具26的接纳结构100。当指状阀272可旋转地设置在接纳结构100内以允许流体连通时，端口 102(未示出)与阀壳体250的中间心轴254的基座表面252内的端口 202对准以使得可在操控腔112和井下工具26的孔106之间建立流体连通。当端口 102、202将加压流体从孔106通过操控腔112传送给操控元件104时，压力足够大的流体用于移动操控元件104并且由此将井下工具26操控到另一个期望的工作状态。为了旋转指状阀272，马达82驱动连接到马达连接器部分68’的马达轴41，由此旋转驱动阀连接器部分278并且向指状阀272施加旋转运动。马达连接器部分68’被示出容纳并且定向在阀连接器部分278中以形成完整的自对准连接器84’。
[0079]图21描绘了根据一个或多个实施例的井下工具26的部分剖视图，其中，示出了旋转指状阀模块242处于第一操控位置，图22描绘了根据一个或多个实施例的井下工具26的部分剖视图，其中，示出了旋转指状阀模块242处于第二操控位置。在图21中，阀模块242被示出处于闭合位置，即，指状阀272设置成使指275阻断通过端口 202的流动并且由此阻断钻井流体/泥浆向操控腔112的操控流动。在井下工具26被操控之前，如图21的流动箭头220所示，钻井流体/泥浆被向下泵送通过孔106、通过指状阀272中的轴向开口210(图18-2)，在自对准连接器84’和弹簧限位器276之间流动，然后沿着马达模块42外部按规定路线流到钻头36 (图17)。孔106中的钻井流体/泥浆的压力，例如钻柱22内部的压力，高于井眼24中的钻井流体/泥浆的压力，例如钻柱22外部的压力。作为示例，孔106中的压力可以比井眼24中的压力高800psi到I, OOOpsi。因此，在孔106和井眼24之间井下工具26两侧具有一个压差。当阀模块242处于图21所示的闭合位置时，图18-1的旋转指状阀模块242使用这种压差来产生对端口 202的有效密封。
[0080]如图18-2所示，指状阀272的下表面271的表面积大于指状阀272的指275的多个上表面273的组合表面积。此外，在图21的闭合位置，指状阀272的下表面271暴露于孔106的较高压力下，而指275的上表面273暴露于操控腔112的较低压力下。在该实施例中，操控腔112处于井眼压力下，因为操控腔112通过喷嘴111 (图20)与井眼24流体连通。由此，由于暴露于孔106的较高压力下的下表面271的表面积大于暴露于井眼24的较低压力下的上表面273的组合表面积，因此压差的净力会向上推动指状阀272。这种向上的力使得指275的上表面273保持坐落在阀壳体250的中间心轴254上的基座表面253上，由此增强了对端口 202的密封。因此，旋转指状阀模块242采用压差来增强密封，这阻止了当阀模块242处于闭合位置时通过端口 202发生的泄露，由此防止产生无意地操控井下工具26。
[0081]总体参照图22，图18-1的旋转指状阀模块242被示出处于打开位置，指状阀272设置成使指275打开通过一个或多个端口 202的流动路径并且允许钻井流体/泥浆流到操控腔112。当恰当的控制信号被传递/传送到井下到达电子器件80(图12)时，在马达模块42移动阀模块240使其从图21所示的闭合位置到达图22所示的打开位置(或与之相反)之前，来自地面的钻井流体/泥浆的泵送被停止。此时，孔106中的压力与井眼24中的压力相同，使得井下工具26上不存在压差。接着马达模块42转动马达轴41以由此向指状阀272施加旋转运动，这使得指275发生移动从一个或多个端口 202脱离开并且打开通过端口 202的流动路径。按照这种方式，马达82不必克服压差力来旋转移动指状阀272。在这种旋转过程中，电子器件部分80(图12)可以监测用于指示阀模块位置的马达82的电流。特别地，当止挡销216与控制槽214的端部接合时，马达82的电流将产生尖峰，这表示阀模块242已经从打开位置移动到跨过端口 202的闭合位置(S卩，阻止通过端口 202进入操控腔112的流动)，或者从闭合位置移动到打开位置(即，允许通过端口 202进入操控腔112的流动)。一旦阀模块242已经移动到如图22所示的打开位置，钻井流体/泥浆被向下泵送通过孔106并且向外通过端口 202作用于操控元件104，如图22的流动箭头225所示，以将切割器组28 (图17)(或其它工具作业)变换到期望的状态。
[0082]在一个或多个实施例中，图18-1的旋转指状阀模块242被设计成使指275的上表面273和基座表面253之间基本上维持连续接触，无论阀模块242处于闭合位置还是打开位置。在图22所示的打开位置，预压弹簧274向指状阀272施加足够的力以维持指275和基座表面253之间的这种接触。指275和基座表面253的端口 202之间的相互作用与转子和定子之间的相互作用相类似，用于允许或阻止流体从两者之间流过。因此，具有指275的阀272可以被表征为转子而具有端口 202的基座表面253可以被表征为定子。
[0083]在上面描述的例子中，指状阀272的旋转运动被设计成暴露一个或多个旁通端口202，这允许转移的流体/泥浆流进操控腔112以推动操控元件104来激活切割器组28 (或其它工具作业)。指状阀272的进一步旋转使指275对齐以密封旁通端口 202，由于缺少转移流体流动(同时与图9的弹簧130产生的弹簧偏压结合)而可迫使操控元件104返回其停用位置，由此切割器组28 (或其它工具作业)的展开被停止。因此，如上所述，操控系统30’(图17)可以根据需要被激活和停用，以操控/停止井下工具26。此外，使用自对准连接器部分278、68’有助于在现场组装和使用旋转指状阀模块242和马达模块42。包含的电子器件部分80 (图12)进一步便于在期望指状阀272移动时使用远程下行信道来选择性地激活马达82。位置感测系统50还可以被结合到操控系统30’中以监测指状阀272的移动并且例如向地面控制系统传递/传送信息。
[0084]图23描绘了根据一个或多个实施例的具有渐缩的第一阀构件282和相应的倒角的第二阀构件284的示例性阀组件280的透视图，其用于可以应用在井下工具26中的阀模块240。阀组件280可以与前面公开的旋转指状阀模块242组合使用。如此的话，渐缩的第一阀构件282可以是指275并且倒角的第二阀构件284可以是端口 202。如下面进一步公开的，阀组件280同样采用井下工具26上的压差来维持密封。
[0085]如图23所示，第一阀构件282包括被布置和设计成与第二阀构件284的倒角的端部分285相对应的圆锥形端部283。第一阀构件282例如设置成指275的端部，通过马达模块42 (图17)的马达82的运行被旋转地移动，与例如设置在阀壳体250的中间心轴254的基座表面252中的第二阀构件284接合以及脱离。第一阀构件282的圆锥形端部283与第二阀构件284的倒角的端部分285之间的相互作用产生一个基座表面，与平坦的基座表面，例如上面公开的与旋转指状阀模块242相关的表面之间的相互作用相比，这种基座表面提供楔入效应以增强密封。在阀组件280的闭合位置处，第一阀构件282的圆锥形渐缩端部283被推入到第二阀构件284的相应的倒角的状端部285中，并且当钻井流体/泥浆流向井下被泵送时产生的井下工具26上的压差会在阀构件282、284上产生吸力以维持两者之间的密封。
[0086]为了分开阀构件282、284，从地面的钻井流体/泥浆泵送被减少或停止，以移除井下工具26 (图17)上的压差，并且接着马达模块42的马达82 (图17)转动阀组件280，以将第一阀构件282从第二阀构件284上移开从而打开通过井下工具26的接纳结构100中的旁通端口 102(例如参见图22)的流动路径。一旦阀组件280被移动到打开位置，钻井流体/泥浆就向井下被泵送通过孔106并且从那里向外通过旁通端口 102并且作用于操控元件104 (例如参见图22)以将切割器组28 (图17)(或其它工具作业)变换到期望的操控状态。
[0087]图24描绘了根据一个或多个实施例的示例性旋转端口阀模块244的部分剖视图，其可以用在井下工具26中。在该实施例中，阀模块240包括具有整体阀壳体250的旋转端口阀模块244。阀壳体250中容纳有密封元件266和旋转阀组件270。旋转阀组件270包括第一阀元件264，该第一阀元件264具有设置在其中的一个或多个端口 267。第一阀元件264连接到第二阀元件262(同样是旋转阀组件270的一部分)以形成端口阀265。旋转阀组件270进一步包括预压弹簧274、弹簧限位器276以及自对准连接器部分278。预压弹簧274被弹簧限位器276限位，该弹簧限位器276被连接到阀壳体250的内表面。推力球轴承279可以设置在预压弹簧274和第二阀元件262之间，并且环状轴承255可以设置在阀壳体250和第二阀元件262之间，以减少两者之间的旋转摩擦。
[0088]密封元件266和/或第一阀元件264可由热塑性或弹性材料，例如PEEK、托朗、特氟龙、橡胶等构成，或者具有由上述材料构成的表面，以增强密封元件266和第一阀元件264之间的密封。阀壳体250的内表面以及端口阀265的外表面可以是抛光金属表面,且环状轴承255可由热塑材料形成以在两者之间提供有效的低摩擦密封。这种密封非常适用于高温、高压和磨损性的井下环境。适用于抛光金属表面的材料的例子包括碳化物和钢。适用于环状轴承255的材料的例子包括热塑性材料，诸如PEEK、托朗和特氟龙。然而，本领域技术人员已知的其它类型的材料也可以用于抛光金属表面和环状轴承255。
[0089]图25描绘了根据一个或多个实施例的图24的旋转端口阀模块244的阀壳体250的剖视图。阀壳体250布置和设计成具有多个间隔分布的、当旋转端口阀模块244与井下工具26组合时与多个旁通端口 102 (图26)相对齐的开口 257。密封元件266同样被布置和设计成具有多个间隔分布的、当密封元件266被组装到阀壳体250的凹陷区域251时(如图25所示，密封元件266没有设置在凹陷区域251中)与阀壳体250中的间隔分布的开口257相对应的开口 268。当密封元件266设置在凹陷区域251内时，密封元件266的上表面263与凹陷区域251的上端部上的基座表面253接合，并且密封元件266的下表面269被第一阀元件264接合(图24)，第一阀元件264通过第二阀元件262 (图24)受到预压弹簧274 (图24)的作用。
[0090]图26描绘了根据一个或多个实施例的井下工具26的剖视图，其中示出了图23的示例性旋转端口阀模块244连接到马达模块42用于操控井下工具26。阀模块244设置在井下工具26的接纳结构100内，使得密封件76与接纳结构100的内表面密封接合。端口102延伸通过井下工具26的接纳结构100，使得当端口阀265旋转地设置在接纳结构100内将端口 267分别与密封元件266和阀壳体250中的开口 268、257对准时在操控腔112和井下工具26的孔106之间建立流体连通。当旁通端口 102将加压流体从孔106经过操控腔112运送给操控元件104时，压力足够大的流体用于推动操控元件104并且由此将井下工具26操控到另一个期望的工作状态。为了将端口阀265从图26所示的闭合位置旋转到打开位置，马达82驱动连接到连接器部分68’的马达轴41，马达轴41接下来旋转地驱动连接器部分278向端口阀265施加旋转运动。在图26中，相应的连接器部分68’被示出容纳和定位在连接器部分278中，以形成完整的自对准连接器84’。
[0091]与图18-2的指状阀272类似，图24的端口阀265可包括控制槽214(未示出)以容纳延伸穿过阀壳体250的壁的止挡销216 (未示出)。当端口阀265被转动时，止挡销216可以在控制槽214内移动，直到止挡销216到达控制槽214的端部，由此防止发生进一步的转动。止挡销216和控制槽214之间的相互作用由此对端口阀265的角位置进行控制并且还提供主动的止挡。
[0092]在图26中，阀模块244被示出位于闭合位置，例如，端口阀265设置成使端口 267阻断通过井下工具26中的旁通端口 102的流动并且由此阻断钻井流体/泥浆到达操控元件104的操控流动。在操控井下工具26之前，如图26中的流动箭头222所示，钻井流体/泥浆被向下泵送通过孔106、通过端口阀265、围绕整个自对准连接器84’的外部并且沿着马达模块42的外部按照规定路径到达钻头36 (图17)。与图18-1的旋转指状阀模块242类似，图24的旋转端口阀模块244同样利用井下工具26上的孔106和井眼24之间的压差以使得当阀模块244处于如图26所示的闭合位置时，第一阀元件264对开口 268产生有效密封。
[0093]端口阀265暴露于孔106的高压下的组合表面积大于第一阀兀件264暴露于操控腔112的低压下的表面积。由于操控腔112与井眼24通过喷嘴111流体连通，因此操控腔112处于井眼24的压力下。由此，由于端口阀265暴露于孔106的高压下的组合表面积大于第一阀元件264暴露于井眼24的低压下的表面积，因此压差的净力会向上推动端口阀265。这种向上的力使得密封元件266的上表面263能够保持坐落在阀壳体250的基座表面253上(图25)，由此增强了对端口 102的密封。压差的净力还会推动第一阀元件264使其与密封元件266产生更好的密封接触/接合。因此，旋转端口阀模块244采用压差来增强密封，这样可以防止当阀模块244处于闭合位置时通过端口 102发生泄漏，由此防止无意间操控井下工具26。
[0094]图24的旋转端口阀模块244被设计成在基座表面253处(图25)在密封元件266的上表面263 (图25)和阀壳体250之间维持基本上连续的接触，无论阀模块244是处于闭合位置还是处于打开位置。在打开位置(未示出)，预压弹簧274向端口阀265施加足够大的力，由此通过第一阀元件264和密封元件266的下表面269 (图25)之间的相互作用向密封元件266施加足够大的力，以维持密封元件266和基座表面253 (图25)之间的这种接触。
[0095]端口阀265的旋转移动被设计成通过开口 257、267暴露旁通端口 102，这样允许被转移的泥浆流推动操控元件104来操控切割器组28 (图17)(或其它工具作业)。端口阀265的进一步的旋转密封住旁通端口 102，使得由于缺少转移的流体流(结合由图9的弹簧130产生的弹簧偏压)而迫使操控元件104可返回到其停用位置，由此停止切割器组28 (或其它工具作业)的展开。因此，如上面所公开的，操控系统30’可以根据需要被激活和停止以例如操控/停用井下工具26的切割器组28。此外，采用自对准连接器部分278、68’便于在现场组装和使用旋转阀模块244和马达模块42。如上面所公开的，电子器件部分80 (图12)进一步便于使用远程下行信道以在期望旋转端口阀265移动时选择性地激活马达82。位置感测系统50还可以被结合到操控系统30’中，以监测端口阀265的移动并且将信息例如传递/传送给地面控制系统。
[0096]图27描绘了根据一个或多个实施例的图17的井系统20’的一部分的剖视图，其中示出了连接到马达模块42用于操控井下工具26的示例性旋转槽阀模块246。阀壳体250中容纳有旋转阀组件270，该旋转阀组件270包括具有一个或多个槽291的旋转槽阀292。罩294设置在阀292的下端部中。旋转槽阀292可以被钎焊到罩294。罩294可以包括连接器部分293，例如设计和布置成容纳相应的连接器部分68’的螺纹接纳结构，连接器部分68’例如为位于连接到马达轴41的心轴298上的螺纹延伸部。在一个或多个实施例中，罩294被布置和设计成将连接器部分293居中或接近居中地设置在旋转槽阀292的孔内。另一个连接结构296维持罩294和心轴298之间的连接。连接结构296可包括锁定螺母、螺旋连接结构、欧式联轴节(Oldham coupling)或其它任意合适类型的连接结构。多个环状密封件295可在径向上设置在阀壳体250和旋转槽阀292之间，其中，至少一个环状密封件295轴向上设置在槽291的每一侧。环状密封件295适用的材料的例子为PEEK、托朗和特氟龙。然而，本领域技术人员已知的其它类型的材料也可以用于环状密封件295以提供密封并且便于阀292在阀壳体250内的转动。在一个或多个实施例中，设置O形环密封件297以便为槽阀292中的每个槽291的壁加衬。
[0097]仍然参照图27，旋转槽阀模块246被示出与井下工具26相结合并且被连接到马达模块42。在该实施例中，阀模块246设置在井下工具26的接纳结构100内，以使得密封件76与接纳结构100的内表面密封接合。端口 102 (图28)延伸通过井下工具26的接纳结构100以使得当槽阀292旋转地设置在接纳结构100内使槽291与端口 102对准时，在操控腔112和井下工具26的孔106之间可建立流体连通并且允许发生这种流体连通。当端口 102将加压流体从孔106通过操控腔112运送到操控元件104时，具有足够压力的流体会移动操控元件104并且由此操控井下工具26的切割器组28 (图17)(或其它工具作业)使其到达期望的工作状态。在该示例性的实施例中，为了将选择槽阀292从闭合位置转动到打开位置，马达82驱动连接到具有连接器部分68”的心轴298的马达轴41，所述连接器部分68”接下来旋转驱动罩294以将旋转运动施加给槽阀292。
[0098]图28描绘了根据一个或多个实施例的井下工具26的一部分的部分剖视图，其中，示出了旋转槽阀模块246处于第一操控位置，图29描绘了井下工具26的一部分的部分剖视图，其中，示出了旋转槽阀模块246处于第二操控位置。在图28中，阀模块246被示出处于闭合位置，例如，槽阀292设置成通过旁通端口 102的流动被阻止以防止钻井流体/泥浆流到达操控元件104。在井下工具26被操控之前,如图28的流动箭头230所示,钻井流体/泥浆被向下泵送通过孔106，通过罩294中的开口 215，并且沿着马达模块42的外部按照规定路径到达钻头36 (图17)。环状密封295和O形环密封件297 (在图27中最好地示出)提供密封以在阀模块246处于闭合位置时防止通过端口 102发生泄漏，由此防止井下工具26意外被操控。
[0099]总体参照图29，图27的旋转槽阀模块246被示出位于打开位置，例如槽阀292被旋转地设置成使槽291与井下工具26中的旁通端口 102相对齐以打开通向操控腔112的流动路径并且允许钻井流体/泥浆的操控流到达操控元件104。当向井下传递/传送合适的控制信号到达电子器件部分80时(图12)时，从地面的钻井流体/泥浆流的泵送在马达模块42将阀模块246从图28所示的闭合位置移动到图29所示的打开位置(或者反过来)之前被停止。孔106中的压力此时与井眼24中的压力相同，使得井下工具26上不存在压差。接着，马达模块42转动马达轴41和心轴298，由此将旋转运动施加给槽阀292，槽阀292随后将槽291移动成与端口 102对齐并且打开通过端口 102的流动路径。通过这种方式，马达82不必克服压差力来旋转地移动槽阀292。一旦阀模块246被移动到图29所示的打开位置，如图29的流动箭头235所示，钻井流体/泥浆被向下泵送通过孔106并且向外通过端口 102作用于操控元件104，以将切割器组28(或其它工具作业)变换到期望的工作状态。
[0100]在上面描述的例子中，槽阀292的旋转移动被设计成能暴露旁通端口 102，使得被转移的钻井流体/泥浆流推动操控元件104以激活切割器组28 (或其它工具作业)。槽阀292的进一步的旋转将旁通端口 102密封，由于缺少被转移的流体流(与图9的弹簧130产生的弹簧偏压相结合)，迫使操控元件104返回到其停用位置，由此停止切割器组28 (或其它工具作业)的展开。因此，如上面所公开的，操控系统30’可以根据命令被激活和停止，以操控/停用井下工具26。电子器件部分80 (图12)进一步便于在期望槽阀292移动时使用远程下行信道来选择性地激活马达82。位置感测系统50还可以被结合到整个系统30’中以监测槽阀292的移动并且例如将信息传递/传送给地面控制系统。
[0101]井下工具26可以使用多种部件，并且这些部件可以以被设计成便于在多种类型的井和环境中操控井下工具26的多种结构连接。在一些应用场合中，该操控系统和方法使用一种或多种直接机械连接，而在其它应用场合中，如前面所公开的，操控系统和方法也可以被用于相对于液压操控工具控制流体流动。然而，这里公开的一种或多种操控系统和方法可以用于取代耗时的落球系统/方法，同时能够远程控制工具操控。操控系统可以被用作初始设备或者被用于替代现有的落球系统以提高效率。此外，部件的尺寸和类型以及这些部件的结构和布置可以根据给定应用的参数和/或系统和方法所应用的环境特征而改变。
[0102]图30描绘了根据一个或多个实施例的设置在井下工具26内的示例性阀模块40的示意图，其中，井下工具26的可操控部件通过位于阀模块40和可操控部件之间的机械连接被操控。阀模块40包括连接到阀74的轴46。阀74可以是圆柱形或其它任意形状以与井下工具26的主体的内圆周相适配。阀74可具有一个或多个轴向开口或孔110(例如参见图5)，其形成为至少部分地贯穿阀74，用作通过流体通道106的流体通道。井下工具26 (在该例子中为扩孔器)被阀74的线性/轴向移动所操控，阀74被孔106内的轴46移动。阀74连接到或适于通过操控元件104连接到切割器组28。如图所示，操控元件104通过直接机械连接连接到阀74。操控元件104布置和设计成允许切割器组28随着操控元件104轴向地移动而轴向和径向地移动。
[0103]一个或多个密封件76、77布置和设计成围绕阀74的外表面，以维持在穿过井下工具26的内部流动通道或孔106和阀74的轴向开口 110中的流体流动。在井眼24的钻探过程中，流体向井下流动通过心轴128、通过阀74中的轴向开口 110(例如参见图5)，并且朝向钻头36(未示出)流动。一旦给马达82发送信号使其开始工作以操控工具，轴46借助马达82的这种运行而发生的线性/轴向移动使得阀74在第一位置(即如图30所示，切割器组28收起)和第二位置(切割器组28展开，未示出)之间轴向移动。停用井下工具26的马达82的运行使得阀74从第二位置移动回到第一位置，由此停用切割器组28使其回到收起状态。在阀74的移动过程中，流体继续向井下流动通过心轴128，通过阀74的轴向开口 110(例如参见图5)，并且朝向钻头36流动。当阀74移动到第二位置并由此借助操控元件104操控切割器组28时，阀74露出喷嘴111，由此使喷嘴111与流动通过孔106的流体流体连通。流动通过一个或多个喷嘴111的流体可以协助清洁和/或冷却切割器组28。
[0104]图31描绘了根据一个或多个实施例的具有操控系统的井下工具26的另一个示例性实施例的示意图。如图所示，马达82和转换组件64(用于线性而不是旋转阀运动)可被连接到并且设置在阀模块40的井上侧。换句话说，马达82和可选的转换组件64可以被连接到且设置在阀模块40和地面之间。
[0105]如上面所描述的，电子器件部分80可包括从地面接收命令信号以操控井下工具26的接收器/传感器。电子器件部分80可对所述命令信号作出响应，让马达82转动连接到阀模块40的阀74的轴46的马达轴41 (未示出)。在一个实施例中，马达82的运行转动马达轴41，由此使得轴46和阀74旋转。如前面公开的，阀74可以布置和设计成在一个旋转位置相对于井下工具26的孔106阻断端口 102并且在另一个旋转位置打开端口 102使其通到井下工具26的孔。因此，阀74的转动打开了端口 102，会使得来自孔106的流体从其中流过，例如用于操控井下工具26。在另一个实施例中，可以采用转换组件64将马达轴41的旋转移动转换成轴46和阀模块40的阀74的轴向移动。如前面所公开的，阀74可以被布置和设计成在一个轴向位置上阻断端口并且在另一个轴向位置上打开端口。因此，轴46和阀模块40的阀74的轴向移动打开了端口 102，会使得来自孔106的流体从其中流过。马达82也可以作用为制动器以将阀74保持在操控或停用位置。
[0106]井下工具26可以包括振动传感器310，例如加速计。振动传感器310可以设置在井下工具26的孔106内，或者连接到井下工具或者操控系统。振动传感器310可例如适于测量井下工具26在工作时的振动，例如，当井下工具26用于扩大井眼24的直径，铣削穿过套管的窗口等时。在一个或多个实施例中，如果井下工具26为扩孔器，阀模块40的阀74和/或切割器组28的轴向位置(参见图11)，可以通过测量马达82和/或轴46的转动圈数来确定。这些振动和位置测量可以通过遥测系统被传递到地面，例如采用这里公开的一个或多个泥浆脉冲。例如，在图31所示的实施例中，电子器件部分80可使第二马达302的轴304来驱使转子308相对于定子306转动。转子308相对于定子306的移动可使得传递振动和/或位置测量结果的泥浆脉冲到达地面。在至少一个实施例中，转子308和定子306可具有贯穿它们形成的轴向开口，并且当转子308中的开口变成与定子306中的开口对准时形成压力脉冲。动力源44，例如是一个或多个电池，可以用于为电子器件部分80、振动传感器和/或马达82、302供电。
[0107]如这里使用的，术语“内”和“外”，“上”和“下”，“上部”和“下部”，“向上”和“向下”，“上方”和“下方”，“向内”和“向外”以及这里使用的其它类似的术语指代彼此的相对位置，并不是用于表示具体的方向或空间方位。术语“联结”，“被联结”，“连接”，“被联结”，“与…连接”，以及“连接着”指的是“与…直接连接”或“通过另一个元件或部件与…连接”。术语“热的”和“冷的”指的是彼此的相对温度。
[0108]尽管上面仅仅对少数几个实施例进行了详细描述，本领域技术人员可以容易地意识到，在示例性的实施例中可以具有许多修改而不会实质上脱离“用于井下工具的操控系统和方法”。因此，全部的这种修改都被包括在本公开的范围之内。在权利要求中，功能性限定表述(即明确地将“装置”与相关的功能一起使用的语句)用于覆盖在这里被描述成执行叙述的功能的结构，而且不仅仅是结构等同，还包括等同的结构。因此，尽管钉子和螺杆不是结构等同，因为钉子采用圆柱形面将木制部件紧固到一起，而螺杆采用螺旋面，但是在紧固木制部件的情况下，钉子和螺杆是等同结构。
[0109]特定的实施例和特征已经使用一组数字上限和一组数字下限进行了描述。应该意识到这些范围包括任意两个值的组合，例如，任意的下限值和任意的上限值的组合，任意两个下限值的组合，和/或任意两个上限值的组合都是可以执行的，除非另有指明。在下方的一个或多个权利要求中，具有特定的下限值、上限值和范围。所有的数值都“约等于”或“近似于”标明值，并且考虑了本领域普通技术人员能够预期的实验误差和变化。
[0110]上面对各种术语进行了定义。术语在权利要求中的范围在上方没有定义，其应该被赋予相关领域的人已经给出的在至少一份印刷的公开或发行的专利所反映的最宽泛的定义。此外，本申请引用的所有专利、测试过程以及其它文献通过引用被完整地结合到本申请的范围中，这些公开与本申请并不矛盾并且这种结合的全部权限都是允许的。
[0111]尽管之前的内容均涉及本发明的实施例，但本发明还可以设计有其它的和进一步的实施例而不会脱离其基本的范围。
【权利要求】
1.一种具有操控系统的井下工具，包括: 具有孔的主体，该孔至少部分轴向延伸地穿过主体； 相对于孔径向靠外设置并且通过端口与孔流体连通的腔； 设置在孔内并且适于在第一位置和第二位置之间移动的阀，该阀在第一位置阻止流体从孔通过端口流向腔，该阀在第二位置允许流体从孔通过端口流到腔中； 设置在孔内并且适于使阀在第一位置和第二位置之间移动的马达；以及 可移动地连接到主体的可操控部件，该可操控部件适于响应流体通过端口流到腔中而从非操控状态移动到操控状态。
2.权利要求1的井下工具，其中，该阀被布置和设计成能在孔内在第一位置和第二位置之间轴向移动。
3.权利要求1的井下工具，进一步包括连接在马达和阀之间的转换组件，该转换组件将马达的旋转运动转换成阀的轴向运动。
4.权利要求1的井下工具，其中，马达被布置和设计成能围绕延伸穿过该阀的纵向轴线来转动该阀。
5.权利要求4的井下工具，其中，该阀包括指，该指被布置和设计成当该阀处于第一位置时与端口对准、当该阀处于第二位置时从端口偏离。
6.权利要求4的井下工具，其中，该阀具有径向地穿过该阀形成的开口，该开口被布置和设计成当该阀处于第一位置时从端口偏离、当该阀处于第二位置时与端口对准。
7.权利要求1的井下工具，进一步包括操控元件，该操控元件响应于流入腔中的流体的液压，该操控元件被布置和设计成响应于由流入腔中的流体引起的升高的液压而将可操控部件从非操控状态移动到操控状态。
8.权利要求1的井下工具，进一步包括至少部分地设置在孔内且适于测量可操控部件的轴向位置的位置传感器系统。
9.权利要求8的井下工具，其中，位置传感器系统包括: 连接到可操控部件的至少一个磁体；以及 设置在孔内的探头，该探头具有沿其轴向长度布置的多个磁力计。
10.权利要求9的井下工具，其中，该多个磁力计沿着设置在探头内的至少两个板的轴向长度布置。
11.权利要求8的井下工具，进一步包括设置在孔内的遥测系统，该遥测系统被布置和设计成能将表示可操控部件的轴向位置的信号传递到远程位置。
12.权利要求8的井下工具，其中，可操控部件接合且移动心轴，心轴的轴向位置表示可操控部件的状态。
13.权利要求1的井下工具，其中，井下工具为扩孔器。
14.一种用在井眼中的井工具操控系统，包括: 阀，其设置在井下管道的内部流道内，且被布置和设计成能在密封井下管道的内壁中的端口的第一位置和允许流体从内部流道流入端口的第二位置之间移动，该阀具有从其中穿过的一个或多个通道，以允许流体从通道中轴向地通过到达钻头而不管阀的位置如何；以及 马达，其设置在井下管道的内部流道内以允许内部流道中的流体从马达周围通过，该马达被连接到阀且被布置和设计成能使阀在第一位置和第二位置之间移动。
15.权利要求14的井工具操控系统，进一步包括连接到马达且适于接收来自远程位置的信号的井下接收器，所述信号控制马达的一个或多个操作，以使阀在第一位置和第二位置之间移动。
16.权利要求14的井工具操控系统，其中，该阀被布置和设计成能在内部流道内在第一位置和第二位置之间轴向移动。
17.权利要求16的井工具操控系统，进一步包括连接在马达和阀之间的转换组件，该转换组件将马达的轴的旋转移动转换成阀的轴向移动。
18.权利要求14的井工具操控系统，其中，马达被布置和设计成能使该阀围绕延伸穿过该阀的纵向轴线转动。
19.权利要求18的井工具操控系统，其中，该阀被布置和设计成能在流体通过该阀的所述一个或多个通道时响应于内部流道和井眼之间产生的压差而坐落在第一位置。
20.权利要求14的井工具操控系统，进一步包括至少部分地设置在内部流道内且适用于测量可操控部件的轴向位置的位置传感器系统。
21.权利要求20的井工具操控系统，进一步包括设置在内部流道内的遥测系统，该遥测系统被布置和设计成能将表示可操控部件的轴向位置的实时信号传递到远程位置。
22.权利要求14的井工具操控系统，其中，阀和马达为模块化的，且能够单独地从地面部署到井眼的井下位置以及从井眼的井下位置回收到地面。
23.权利要求14的井工具操控系统，其中，该马达通过自对准连接被连接到该阀。
24.一种用于操控井下工具的方法，包括: 将来自地面位置的信号传递给设置在井下工具中的井下接收器，该信号控制设置在至少部分地轴向延伸穿过井下工具的主体的孔内的马达的一个或多个操作，该马达被连接到设置在孔内的阀且使阀在第一位置和第二位置之间移动，当阀位于第一位置时，阀阻止流体流动通过设置在孔和腔之间的端口，该腔相对于该孔径向靠外设置，当阀位于第二位置时，阀允许流体从孔通过端口流入腔中，流入腔中的流体使得腔内的液压升高，从而操控井下工具的可操控部件；以及 在井下工具的可操控部件被操控时操作井下工具。
25.权利要求24的方法，其中，连接在马达和阀之间的转换组件将马达的轴的旋转移动转换成阀的轴向移动。
26.权利要求24的方法，进一步包括采用至少部分地设置在孔内的位置传感器系统测量可操控部件的轴向位置。
27.权利要求26的方法，进一步包括采用设置在孔内的遥测系统将可操控部件的轴向位置传递到地面位置。
28.权利要求27的方法，其中，该传递采用从下面的组中选取的一种遥测方法进行:压力脉冲、声波、电磁波以及绝缘导体。
【文档编号】E21B34/06GK104169520SQ201380015343
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年2月13日 优先权日:2012年2月13日
【发明者】S·P·傅伊特, M·S·卡林, A·L·D·克里斯图雷安, C·H·杜威, J·多博什, J·胡, D·A·S·斯威策, R·乌特 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司