流体脉冲设备的制作方法

本说明涉及在管线中提供压力脉冲的领域。特别地，本说明涉及在井下钻探中使用的流体脉冲设备。

背景技术：

本说明具体讨论了在井下钻柱中产生流体脉冲。然而，将会理解，本文所描述的概念可以适用于任何期望创建流体脉冲的流体管线，从而意不在限制。

在石油和天然气勘探和开采工业中，将钻柱下放至钻孔中。在这样的操作中，称之为“泥浆”的钻探流体通过钻柱从表面泵送，以从钻头处的喷嘴离开。泥浆协助对来自切割面的物质进行取出并清除并将取出的物质通过钻探钻孔携带至表面。

业界公知的是，提供可以创建冲击效应或锤效应的脉冲式流体流动，可以提高钻探速率。流体流动的脉冲是通过周期性限制流体流动从而产生压力差来产生的。已经提出许多不同用以限制流体流动的方法。

一个原则在于提供涡轮、转子或可以由流体驱动以操作可以限制流动的阀的其它装置。这样的阀具有可以与狭窄钻孔配合从而控制流体流动的轴向往复式提升阀或活塞。往复式运动通过由旋转涡轮驱动的凸轮组件操作。

US 4830122中提供了两个这种阀布置的示例。在第一个示例中，一个或多个凸轮从动件固定至涡轮的上游端，用于旋转。一个或多个从动件可在操作上与被固定防止旋转的凸轮相关联。活塞或阀构件被安装到活塞。一个或多个凸轮从动件对凸轮的作用引起凸轮和所附接的活塞循环往复式运动。

US 4,830,122也描述了一个替代实施例，其中凸轮和从动件组件处于涡轮的下游端。凸轮被固定防止旋转，使得在涡轮的旋转时发生的凸轮动作引起整个涡轮轴向地往复运动。活塞阀构件被安装到涡轮的上游端，用于与环形阀环进行配合。

US 4,830,122还教导了由流体的脉动作用引起的冲击效应可以通过将脉冲设备连接至震击工具来进一步提高。震击工具是响应于变化的流体压力而膨胀和收缩的压力响应装置。震击工具传统上用于使钻柱与钻探操作过程中由钻头产生的轴向挠度隔离。然而，当震击工具可在操作上与流体脉冲设备联接时，震击工具的膨胀和收缩可以在钻头处提供冲击效应。

由于US 4,830,122已经公布，所以已经存在提议在具有或不具有震击工具的情况下使用的多个不同类型的流体脉冲设备。这种另外的流体脉冲工具具有包括旋转板的布置，这些旋转版具有可以在转子由流体驱动时打开和关闭的轴向流动开口。

US 6,279,670描述了一种井下流体流动脉冲式设备，具有由流体致动正排量电机驱动以提供变化的流体流动的阀构件和响应于变化的流体流动的震击工具。正排量电机具有包括定子和转子的动力部段。定子由钢管构成，该钢管包含具有叶状螺旋图案钻孔通过中心的键合弹性体插件。转子是叶状螺旋钢杆。当转子被安装在定子中时，螺旋形状的组合和叶状体形成两个部件之间的密封腔。当钻探流体被迫通过动力部段，腔中压降会引起转子在定子内部翻转。由正排量电机操作的阀具有静止阀板和由电机转动的阀板。阀分别具有在可旋转板旋转期间运动对准或运动失准的插槽，从而创建变化的流体流动。

虽然现有技术中所描述的许多流体流动脉冲装置已被证明在增加钻探渗透率方面有效，但是它们具有阻止它们被广泛采用的多个缺点。

众所周知并可以理解，在钻探行业，难以设计将在不断改变的钻探泥浆性质和在井下位置处不断增加的液体静压下可靠地操作的井下工具。这个问题由狭小空间而加剧，在狭小空间内井下工具必须适合。在许多钻探情况下井下工具的外径仅4 ³/₄英寸。这些尺寸限制对这些工具的设计施加了很多约束。

此外，许多井下工具都有聚合物密封件或弹性体。这样的材料经受钻探流体中的颗粒磨损、磨耗，并且只能在一定温度范围内操作，并且不能与非水的化学品一起使用。

尽管有众多的现有技术中的布置，在石油和天然气工业不断期望提供一种流体脉冲设备，该流体脉冲设备在制造方面具有成本效益，同时足够鲁棒以在最小维护和相关停机时间的情况下承受显著不利操作条件。应该理解，钻柱的停机时间可能具有显著的经济缺点。

因此，本公开的一个目的在于提供一种可替代的流体脉冲设备。

技术实现要素：

根据一个方面，公开了一种适于连接至管线的流体脉冲设备，该设备包括：

壳体，该壳体限定了用于流体从上游端朝向下游端流动的流体流动通道；

流体流动通道内的涡轮组件，该涡轮组件具有上游环形凸轮表面和下游环形凸轮表面；

至少一个涡轮构件，该至少一个涡轮构件在操作上连接至上游环形凸轮表面和下游环形凸轮表面，并且由流体流动通道中的钻探流体的流动来进行致动，以使涡轮组件旋转。

活塞，该活塞固定至上游环形凸轮表面或下游环形凸轮表面；

该流体流动通道在活塞固定至上游环形凸轮表面时具有位于涡轮组件上游的狭窄流体流动通道部段，使得活塞能够容纳在狭窄流体流动通道内，或狭窄流体流动通道在活塞固定至上游环形凸轮表面时位于涡轮组件下游，使得活塞能够容纳在狭窄流体流动通道内；

固定至壳体的至少一个上游凸轮从动件，用于与上游环形凸轮表面进行配合，和固定至壳体的至少一个下游凸轮从动件，用于与下游环形凸轮表面进行配合；

使得在涡轮组件被引起旋转时，在上游从动件与上游环形凸轮表面之间和下游凸轮从动件与下游环形凸轮表面之间存在使涡轮组件在流体流动通道内轴向地往复运动的凸轮动作，使得活塞在狭窄流体流动通道内的流动限制位置和敞开位置之间运动，以实现对通过流体流动通道的流体的流动的周期性流动限制。

该设备可以适于连接至任何合适的管线。适当地，该设备用于连接至用于井下钻探的钻柱。

流体流动通道具有狭窄流体流动通道部段。狭窄流体流动通道部段适当地为具有洞或孔的板的形式。

适当地，狭窄流体流动通道限定了文丘里管。

狭窄流体流动通道部段可以位于涡轮组件上游或下游。因为活塞能够容纳在狭窄流体流动通道内，所以由此可见如果狭窄流体流动通道处于上游端，那么活塞固定至上游环形凸轮表面，反之亦然。

适当地，活塞固定至上游环形凸轮表面，这表明，活塞朝向流动限制位置向上运动，并朝向敞开位置向下运动。在这种情况下，如果流体中的任何杂物或其他颗粒在活塞和狭窄流体流动通道部段之间被卡住，由于向涡轮组件的降低的流动和活塞上向下的液压力，活塞可以被迫向下进入敞开位置。活塞的被迫向下运动将允许清除杂物，使得设备可以继续运行。

另一方面，如果活塞固定至下游环形凸轮表面，那么活塞朝向流体流动限制位置向下运动并朝向敞开位置向上运动。在这种情况下，如果在流体中存在任何杂物或其他颗粒，由于在活塞和狭窄流体流动通道部段之间被卡住的杂物，活塞可能在流体限制位置被卡住。与上述情形不同，向下力继续迫使活塞进入卡住位置而不是朝向敞开位置。这样的卡住可能使工具停止运行。

此外，当活塞固定至上游环形凸轮表面时，对流进涡轮组件中的流体进行控制。当活塞固定至下游环形凸轮表面时，对流出涡轮组件的流体进行控制。对进入涡轮组件的流动的控制可能是有利的，这是因为这可以减轻涡轮组件内积累的压力，并将涡轮构件暴露于较少的不利力。

适当地，活塞和狭窄流体流动通道的相对尺寸使得活塞不能完全封闭狭窄流体流动通道部段。对流体流动的完全封闭可能引起涡轮组件停止(stall)。

适当地，在狭窄流体流动通道部段包括板或阀环的情况下，板或阀环适于进行较容易的移除并适于利用具有不同大小的孔的板或阀环代替。这样，狭窄流体流动通道部段的尺寸可以针对不同情况诸如流体重量和粘度进行调整。

此外，或可替代地，活塞可以适于利用不同尺寸的活塞进行代替。

该设备具有包括至少一个涡轮构件的涡轮组件。该至少一个涡轮构件可以为涡轮领域已知的任何适合的构造，诸如可以被引起响应于流体流动而轴向地旋转的螺杆、转子等。该至少一个涡轮构件由流过流体流动通道的钻探流体进行致动。

适当地，该至少一个涡轮构件为螺杆，诸如阿基米德螺杆。

该涡轮构件在操作上连接至上游环形凸轮表面和下游环形凸轮表面，使得相应的环形凸轮构件随着涡轮组件的旋转而旋转。这样的操作连接可以通过任何合适的方式。

适当地，涡轮构件的外缘固定至涡轮套筒，使得套筒与涡轮构件一起旋转。这样的布置在涡轮领域中是已知的。使涡轮构件固定至套筒的优点在于套筒端可以限定环形凸轮表面，该环形凸轮表面可以避免或限制对密封件、轴承、定位轴等的需要。

适当地，在涡轮组件包括涡轮套筒的情况下，涡轮组件不包括中心轴。

可替代地，涡轮构件可以固定至轴并且相应的凸轮表面可以固定至轴的端。

本发明人使用作用在固定从动件上的旋转凸轮与US 4830122中描述的布置相反，在US 4830122中，凸轮被固定防止旋转并且从动件旋转。在US 4830122的实施例中，当活塞固定至凸轮时，活塞不旋转。在本文中描述的设备中，因为活塞附接至凸轮，所以活塞旋转。旋转活塞的令人吃惊并且意料不到的优点在于旋转运动可以分散或切断流体中可能潜在地阻塞狭窄流体流动部段的任何灰尘或杂物。

上游和下游凸轮从动件固定至壳体，用于与相应的上游和下游凸轮表面进行配合。适当地，凸轮从动件被设计，以将对称力施加至每个凸轮表面。

因为凸轮从动件被固定并且凸轮表面旋转，所以旋转凸轮和固定的从动件之间的凸轮动作引起往复轴向运动被传递至整个涡轮组件，使涡轮组件轴向地往复运动。

US 4,830,122中所描述的脉冲产生布置也采用了涡轮组件的轴向运动。然而，这通过使用针对固定凸轮操作的下游旋转从动件来实现。涡轮的向上运动明确地由凸轮和从动件之间的接触引起，并且返回运动是由于重力。这可能产生不期望的震击和不稳定性。可以理解的是，这些力在常规钻探操作下可能是相当大的，其中流体流动速率可以例如在200加仑每分钟和450加仑每分钟之间显著地变化，压力可以在100磅每平方英寸(psi)和1500psi之间，并且流动限制在敞开位置和流动限制位置之间可以在大约1脉冲每秒和3脉冲每秒之间进行操作。将理解的是，对于一些应用来说，流体流动速率、压力和/或周期性限制循环可以落在这些范围之外。

然而，本发明人令人惊奇且出乎意料地发现，这样的轴向不稳定性可以通过在上游涡轮组件端为涡轮组件提供上游环形凸轮表面并在涡轮组件的下游端提供下游环形凸轮表面来至少部分地减轻。上游环形凸轮组件和上游固定凸轮从动件的凸轮动作明确地将涡轮组件返回至最低位置而不是依靠重力。上游凸轮和下游凸轮之间的交互作用提供涡轮组件的非常平稳的往复运动，其中涡轮组件总是经受两个方向上的正轴向力。

这样平稳的往复运动降低或最小化了横向振动。横向振动可以引起对工具自身内的其他部件的损坏或对钻柱内的其他部件的损坏。

凸轮轮廓可以被设计，以为涡轮组件的每个旋转提供一个或多个脉冲。

该设备可以结合有压力脉冲响应装置诸如震击工具用于钻柱中，该压力脉冲响应装置可以响应于流体压力变化而膨胀或收缩，以创建钻柱的轴向运动。

根据另外的方面，描述了用于在井下钻柱中传送冲击效应的组件；该组件包括如第一方面描述的流体脉冲设备，以及响应于由流体脉冲设备产生的流体脉冲而被致动的流体致动压力脉冲响应装置。

该压力脉冲设备可以被置于流体脉冲设备上游或下游。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种钻探方法，该钻探方法包括将第一方面所描述的流体脉冲设备在操作上连接至钻柱并在井下模式下操作所述钻柱。

附图说明

图1为钻柱的下端的示意图；

图2为一方面的设备的示意截面视图；

图3为图2中所示方面的上部段的示意截面；

图4为图2中所示方面的下部段的示意截面；

图5a为封闭位置中的活塞的示意图；

图5b为敞开位置中的活塞的示意图；

图6为图2中所示方面的下部段的示意横截面；

图7为另一方面的设备的示意截面视图；

图8为另外的方面的设备的示意截面视图；

图9为示出由本公开的设备产生的脉冲压力随时间的变化的图表；以及

图10为示出了由本公开的另一构造的设备产生的脉冲压力随时间的变化的图表。

具体实施方式

图1是包括本实用新型的流体脉冲设备12的钻柱10的下端的示意图。钻柱10包括传统的钻柱部件14，该钻柱部件可以是钻铤、钻管、井下泥浆电机或随钻测量工具或震击工具。

流体脉冲设备12包括壳体，该壳体的上接头(sub)16连接至下主体接头18。该壳体限定用于钻井流体从上游端朝向下游端7流动的流体流动通道。

主体接头18连接至下钻柱部件20，该下钻柱部件也可以是任何传统的井下钻探部件，诸如其可以为钻铤、钻管、井下泥浆电机、震击工具或随钻测量工具，但是不限于此。

图2示出了流体脉冲设备12的示意截面，图3和图4分别示出了上部段和下部段的细节图。

上接头16通过螺纹连接件22连接至下主体接头18。上接头16具有限定流体流动通道的钻孔24。钻孔限制或狭窄流体流动部段28位于钻孔24的下游端。

孔板26插入钻孔限制28下游的连接件22的下游端中。

图2和图3示出了通过孔板26的孔26a来自钻孔限制28的流动由活塞32的头部30限制。活塞32在敞开位置(图5b中详细地示出)和流体限制位置(图5a中详细地示出)之间能够运动，其中在敞开位置中不存在对通过钻孔限制28的流体的流动限制。从图5a可以看出，并未完全限制流体流动，这是因为这会引起涡轮停止，在下文中将进一步讨论。

孔板26可以容易地利用具有不同大小的孔的板来代替。这样，该设备可以适于不同的流动速率、流体类型以及泥浆类型。

活塞32的头部30被设计成具有锥形部以降低施加在活塞30上的向下液压力，从而降低旋转涡轮所需的转矩。

活塞的锥形形状还降低了通过活塞的湍流，以实现稳定和可预测的脉冲。

主体接头18具有压入内径的径向衬套40。轴上较少螺旋的螺杆或阿基米德螺杆42被安装在主体接头18内用于旋转。

已知阿基米德螺杆能够在非常低的头部下进行操作，构建简单、可靠并且可容忍杂物。它们还可以容忍低流体水平。这意味着，阿基米德螺杆可能仍然能够在其中其他类型的涡轮可能停止的流体流动下旋转。这意味着流动限制的公差可以是尽可能小。最小的可能间隙是期望的，以最大化水锤效应。然而，如果间隙完全或过多地限制流动，涡轮可能停止。

涡轮可以在涡轮叶片的桨距方面进行调整，使所述涡轮的每分钟转数(RPM)可以相对于泵送通过其的流体量来定制。在一个示例中，400加仑每分钟的流体流动将产生1100RPM，但在调节了涡轮桨距的情况下，250加仑每分钟会产生1100RPM，但不限于此。涡轮的RPM与所要求的脉冲频率直接相关。

螺杆42的外缘固定至涡轮套筒44。涡轮套筒44被装配到衬套40中，具有间隙。

涡轮套筒44的上游端和下游端由相应的凸轮表面45、47限定。凸轮表面45、47具有限定进入螺杆42的流体入口和出口的孔/洞。

相对成对的凸轮销从动件48、50、52、54穿过主体的外壁，并向内地突出进入主体接头18中。

上凸轮表面45和下凸轮表面47与凸轮从动件销48、50、52、54接触，并且套筒44从而由下凸轮从动件销52、54支撑。

使用时，流体流入主体接头18，并使螺杆42按照传统脉冲工具旋转。然而，与传统工具相反，本设备包括与涡轮一起旋转的上凸轮表面和下凸轮表面。

旋转凸轮表面45、47对固定的从动件48、50、52、54的凸轮动作引起螺杆42以及涡轮套筒44轴向地往复运动，并且整个涡轮组件被交替地由下凸轮动作明确地向上推和由上凸轮动作明确地向下推。

在两个方向上这种明确的作用赋予往复运动高度的轴向稳定性。其结果是，相对于工作角度、变化的流体流动等的可靠性和公差增加。

凸轮轮廓可以调节，以便调节活塞的整个轴向运动。这可以是从1mm的运动到50mm的运动，但不限于此。然后，该调节可用于调整该设备，以便实现不同的条件下的流体脉冲。

图6示出了可替代主体接头60的示意图。与上面讨论的那些特征相同的特征用相同的附图标记标识。主体接头60具有上游卡普林(kaplin)涡轮62和下游卡普林涡轮64。

每个涡轮62、64具有在其上螺旋叶片70被安装的轴66、68。叶片固定至涡轮套筒44。

每个轴66、68被安装到凸轮表面45、47。上轴66被固定至活塞66。

使用时，我们的流体从上游端通过下游端，涡轮62、64被引起响应于流体流动而旋转，从而使涡轮套筒和凸轮45、47以与上述关于图1-5所讨论的相同方式进行旋转。

图7示出了主接头体80的另外的方面。体80与上述关于图1至5描述的体相似的方面在于具有附接至涡轮套筒44的阿基米德螺杆42。上游凸轮45和下游凸轮47附连到涡轮套筒44。在这种情况下，螺杆40具有轴82。

图8示出主体接头90的再一个另外的方面。该主体接头与图8中所示的主体接头相似，除了没有涡轮套筒。轴固定至凸轮表面45、47并且由轴而非涡轮套筒的旋转来引起凸轮表面旋转。

图9是示出由本实用新型的流体脉冲设备每分钟泵送300加仑超过一秒钟所创建的700psi下每秒的脉冲的图表。存在每秒涡轮设备18转和18脉冲，代表每转一个脉冲。

图10是示出由与用于产生图9的图表相同的流体脉冲设备还是每分钟泵送300加仑超过一秒钟所创建的400psi下的每秒的脉冲的图表。存在每秒涡轮设备9转和18脉冲，代表每转一个脉冲。

流体脉冲可以被看作是在频率和脉冲高度方面非常一致。这使得该工具所创建的脉冲很容易被过滤掉，使得脉冲不干扰其他工具如定向工具和(随钻测量)MWD工具。

如上文所述，当活塞处于流体限制位置时实现最大流体压力。限制越窄，压力增加越大。图10的图表利用相较于用于产生图9的图表的活塞具有较小直径的活塞来实现。可以理解，通过简单地改变活塞和/或孔的直径，本实用新型的流体脉冲设备可以容易地调整。

进一步的调节可通过在使用不同的流体性质和每分钟泵送不同加仑的同时调节涡轮的浆距和活塞的大小来进行，可以调节一秒内脉冲的频率并调节脉冲高度以创建被定制为匹配不同情况的许多不同构造。

流体脉冲设备不具有任何滚子轴承或弹性体，如那些按照已知装置用于驱动阀以产生压力脉冲的正排量电机中发现的那些。当在热孔条件下使用时和当存在被泵送通过该装置的磨料物质时，没有滚子轴承和弹性体可以延长设备的寿命。

更进一步在不具有弹性体的情况下，非水化学的流体可以通过该装置泵送。

此外，在没有弹性体或密封件的情况下，该装置能容忍更高的压力。

由于双重凸轮动作，流体脉冲在频率和脉冲高度方面非常一致。据认为，这种一致性是由于双重凸轮动作。这使得该工具所创建的脉冲很容易被过滤掉，使得脉冲不干扰其他工具如定向工具和(随钻测量)MWD工具。

不同于市场上其它流体脉冲设备，本设备的流动控制部件仅轴向运动。这反过来又意味着，没有创建有害的、不必要的横向振动。市场上使用泥浆电机技术的那些设备的确创建了横向振动，该横向振动反过来引起对构成钻柱和包括在钻柱中的那些其他构件的损坏。

本流体脉冲设备可以在具有或不具有震击工具的情况下使用。本设备的优点在于，在不具有冲击工具的情况下该设备可以诱导对线圈管道系统的锤效应，这反过来创建钻柱的轴向运动。

当流体脉冲设备与震击工具一起使用时，脉冲会对冲击工具的泵的敞开区域起作用。这将引起震击工具轴向延伸并且根据每个脉冲缩回。震击工具可以置于流体脉冲设备之下或置于流体脉冲设备之上。如果震击工具的泵送敞开区域增加，那么脉冲将具有液压力作用的更大的区域，这反过来会增加轴向延伸并使震击工具缩回。如果冲击工具的泵送敞开区域减少，那么脉冲将具有液压力作用的较小的区域，这反过来将降低轴向延伸并使震击工具缩回。这是如在US 4830122中所描述的称为的锤效应。

应该理解的是，可以在不偏离本文所描述和所要求的设备的精神或范围的情况下对其作出各种改变和修改。