用于沿钻柱传输信息的包括的脉冲发射器的泥浆脉冲遥测系统的制作方法

本公开涉及用于沿钻柱传输信息的包括脉冲发生器的泥浆脉冲遥测系统、用于沿钻柱传输信息的方法以及用于组装这种脉冲发生器的方法。

背景技术：

钻井系统被设计成在土地中钻出孔以瞄准烃源。钻井操作者依靠精确的操作信息来尽可能高效地管控钻井系统并到达目标烃源。在钻井系统中，被称为井底组件的钻柱的井下端部可以包括设计成用来获得钻柱及钻头的操作信息和在某些情况下的地层特征的专用工具。在随钻测量(mwd)应用中，井底组件中的传感模块提供了有关钻井方向的信息。例如，可以使用该信息来控制旋转式可转向的钻柱中的钻头的前进方向。

在“随钻测井(lwd)”应用中，获得了待被钻孔的地层的特征。例如，可以使用电阻率传感器来传输穿过传感器周围的地层的高频波长信号(例如，电磁波)并且然后接收该高频波长信号。其他传感器与磁共振成像(mri)结合使用。此外，其他传感器包括用于确定地层的天然放射性的伽马闪烁器以及用于确定地层的孔隙度及密度的核检测器。在lwd和mwd两种应用中，由传感器收集的信息可以传输到地面以用于分析。一种用于在地面与井下位置之间传输数据的技术是“泥浆脉冲遥测技术”。在泥浆脉冲遥测系统中，来自传感器模块的信号被容置于井底组件中的模块接收并在该模块中被编码。控制器对也包含在井底组件中的脉冲发生器进行致动，该脉冲发生器在流过钻柱并从钻头中流出的钻井流体中产生压力脉冲。该压力脉冲包含编码的信息。该压力脉冲从钻井流体柱向上行进到地面，在该地面处，压力脉冲被压力传感器检测到。然后，来自压力传感器的数据根据需要被解码和分析。这种脉冲发生器具有相对低的数据速率并且会消耗大量的电能。

技术实现要素：

本公开的实施方式包括旋转式脉冲发生器，其构造成沿着钻柱定位，钻井流体流动通过该钻柱。旋转式脉冲发生器包括构造成被支承在钻柱的内部通道中的壳体和由壳体支承的定子。定子包括井上端部、与井上端部间隔开的井下端部以及从井上端部延伸至井下端部的至少一个通道。旋转式脉冲发生器还包括与定子的井下端部相邻的转子以及联接至转子的马达组件。马达组件能够被操作以使转子相对于定子旋转。旋转式脉冲发生器还包括构造成接收包括钻井信息的信号的控制器。控制器可以响应于接收信号而致使马达组件使转子沿第一旋转方向旋转经过旋转周期，以便：a)使转子沿第一旋转方向从第一位置旋转至第二位置，在第一位置中，转子不阻挡所述至少一个通道，在第二位置中，转子阻挡所述至少一个通道，以及b)使转子沿第一旋转方向从第二位置旋转到第三位置。当钻井流体流动通过钻柱时，转子经过旋转周期的旋转在钻井流体中产生了包含该信息的压力脉冲。

本公开的实施方式包括旋转式脉冲发生器，其构造成沿着钻柱定位，钻井流体流动通过该钻柱。旋转式脉冲发生器包括构造成被支承在钻柱的内部通道中的壳体和由壳体支承的定子。定子包括井上端部、与井上端部间隔开的井下端部以及从井上端部延伸至井下端部的至少一个通道。另外，旋转式脉冲发生器还包括与定子的井下端部相邻的转子以及联接至转子的马达组件。马达组件能够被操作以使转子相对于定子旋转，以便选择性地阻挡该至少一个通道。此外，旋转式脉冲发生器包括构造成向马达组件提供能量的电源。旋转式脉冲发生器还包括构造成接收包括钻井信息的信号的控制器。控制器可以响应于接收信号而致使马达组件使转子沿第一旋转方向旋转经过旋转周期，以在钻井流体中产生压力脉冲。该旋转周期可以包括转子阻挡钻井流体流动通过所述至少一个通道的中间阶段。马达组件在使转子旋转经过旋转周期以产生压力脉冲时可以从电源获得不大于约6.0焦耳的电能来旋转。

本公开的另一实施方式包括一种沿着形成于土质地层中的井眼中的钻柱将来自井下位置的信息朝向土质地层的地面传输的方法。该方法包括将钻井流体沿朝向井下的方向、朝向在长形通道中安装至钻柱的旋转式脉冲发生器引导通过钻柱的长形通道。旋转式脉冲发生器包含包括至少一个通道的定子和与定子的井下端部相邻的转子。转子包括至少一个叶片。该方法还可以包括使转子沿第一旋转方向相对于定子从第一位置旋转到第二位置，在第一位置中，转子允许钻井流体流动穿过所述至少一个通道，在第二位置中，转子阻挡钻井流体流动通过所述至少一个通道。该方法还可以包括使转子沿第一旋转方向从第二位置进一步旋转到第三位置，在第三位置中，转子允许钻井流体流动穿过所述至少一个通道。转子沿第一旋转方向从第一位置到第三位置的旋转在钻井流体中产生了包含该信息的压力脉冲。

附图说明

当结合附图阅读时将更好地理解上述概述以及本申请的说明性实施方式的以下详细描述。为了说明本申请的目的，在附图中示出了本公开的说明性实施方式。然而，应当理解，本申请不局限于已示出的精确布置及实现方式。在附图中：

图1为根据本公开的实施方式的采用遥测系统的钻井系统的示意性侧视图；

图2为图1中示出的遥测系统的示意框图；

图3为图1中示出的遥测系统中所采用的脉冲发生器的示意框图；

图4至图6为图1中示出的钻柱的井底组件的连续部分的详细剖视图，示出了图1中示出的钻井系统中所采用的脉冲发生器；

图7为对图3至图6中示出的脉冲发生器进行支承的环状壳体的端视图；

图8为沿着图7中的线8-8截取的环状壳体的剖视图；

图9为图3中6中示出的定子的俯视立体图；

图10为图9中示出的定子的仰视图；

图11为沿着图10中的线11-11截取的定子的剖视图；

图12为图3至6中所示的脉冲发生器的转子的仰视立体图；

图13为图9中示出的定子的仰视图；

图14为图12中示出的转子的侧视图；

图15为根据如图3至图6所示地布置在钻柱中的转子和定子的侧视图；

图16为转子和定子的仰视图，示出了转子在第一打开位置中；

图17为图16中示出的转子和定子的仰视图，示出了转子转换到第二关闭位置中；

图18为图17中示出的转子和定子的仰视图，示出了转子转换到第三打开位置中；

图19为图17中示出的转子和定子的仰视图，示出了转子转换到替代的第三位置；以及

图20为示出根据本公开的实施方式的利用旋转式脉冲发生器传输信息的方法的过程流程图。

具体实施方式

参照图1，本公开的实施方式是用于在钻井系统1中的操作的泥浆脉冲仪遥测系统10。钻井系统1包括支承钻柱6的钻机或井架(未示出)、形成钻柱6的一部分的井底组件(bha)7以及联接至井底组件7的钻头2。钻头2构造成根据已知的钻井方法在土质地层5中钻出井孔4。泥浆脉冲遥测系统10构造成在钻井操作期间将在井孔4中获得的钻井信息传输到地面3。

根据本公开的实施方式，泥浆脉冲遥测系统10包括：沿着钻柱6布置的脉冲发生器12——比如旋转式脉冲发生器；随钻测量(mwd)工具20，该随钻测量(mwd)工具20附接至钻柱6或悬置于钻柱6中并且构造成获得钻井信息；以及所有地面系统200中的一个或更多个部件。泥浆脉冲遥测系统10通过脉冲发生器12将由mwd工具20获得的钻井信息传输到地面3，以由地面系统200进行处理和分析。如此处所描述的脉冲发生器12与典型的脉冲发生器相比可以产生相对较高的数据速率同时消耗非常少的电能。因此，如本文所描述的脉冲发生器12更有效且可靠地将信息传输到井上，以帮助钻井操作者钻出井身。

继续参照图1，钻井系统1可以包括地面马达(未示出)以及井下马达(未示出)或“泥浆马达”，该地面马达位于地面3处并且经由旋转台或顶部驱动器(未示出)对钻柱6施加扭矩，该井下马达(未示出)或“泥浆马达”沿着钻柱6布置并且可操作地联接至钻头2。地面马达和井下马达的操作致使钻柱6和钻头2旋转并钻进地层5中。此外，在钻井操作期间，泵16泵送钻井流体18向井下穿过钻柱6的内部通道到达钻头2。钻井流体18离开钻头2并且通过井孔4的壁11与钻柱6之间的环状通道而向上流动到地面3，其中，在清洁之后，钻井流体18通过泥浆泵16循环向下回到钻柱6。

钻井系统1构造成沿着竖向方向v以及偏移方向o在土质地层5中钻出井孔或井眼4，其中，偏移方向o相对于竖向方向v偏移或偏离。尽管示出了竖向井孔4，但根据本文描述的钻井系统1及其组件可以用于定向的钻井操作，由此，井孔4的一部分沿着偏移方向o从竖向方向v偏移。通常地，钻柱6通过将钻杆的多个部段沿着纵向中心轴线13接合而形成。钻杆6在其井上端部19处由方钻杆或顶部驱动器支承并且沿着朝向井下的方向d朝向钻头2延伸。朝向井下的方向d是从地面3朝向钻头2的方向，而朝向井上的方向u与朝向井下的方向d相反。因此，在本说明书中使用的“井下”、“下游”或类似词语是指相对于参考点比地面3更靠近朝向钻头2的位置。“井上”、“上游”和类似词语是指相对于参考点比钻头2更靠近地面3的位置。

继续参照图1，泥浆脉冲遥测系统10可以包括mwd工具20的全部或一部分。mwd工具20包括多个传感器8、编码器24、电源14以及用于与脉冲发生器12通信的发射器(或收发器)。mwd工具20还可以包括具有处理器和存储器的控制器。mwd工具20经由传感器8获得钻井信息。示例性钻井信息可以包括表示钻头2的钻孔方向的数据，比如方位角、倾斜度和工具面角度。尽管示出了mwd工具20，但可以使用随钻测井(lwd)工具与mwd工具20的组合或者使用随钻测井(lwd)替代mwd工具20。电源14可以是电池、涡轮交流发电机或两者的组合。

继续参照图1，泥浆脉冲遥测系统10可以包括地面系统200的一个或更多个、甚至全部的部件。地面系统200包括一个或更多个计算装置210、压力传感器212和脉冲发生器装置224。压力传感器212可以是感测钻井流体18中的压力脉冲的传感器。可以是阀的脉冲发生器装置224位于地面3处并且能够在钻井流体18中产生压力脉冲。地面系统200可以包括任何合适的计算装置210，该计算装置210配置成容置对压力脉冲中经编码的钻井数据进行处理的软件应用，并且该计算装置210基于解码的钻井操作而对钻井操作进行进一步监测和分析。计算装置包括处理部分、存储部分、输入/输出部分和用户界面(ui)部分。输入/输出部分可以包括用于对来自压力传感器的信号进行检测的接收器和收发器。可以使用解调器来处理已接收到的信号并且该解调器配置成将已接收到的信号解调为存储在存储部分中以供处理部分根据需要访问的钻井数据。应当理解的是，计算装置210可以包括任何适当的装置，其中，所述适当的装置的示例包括台式计算装置、服务器计算装置或便携式计算装置——比如笔记本电脑、平板电脑或智能电话。

现参照图1和图2，根据本公开的实施方式，脉冲发生器12包括控制器26和马达组件35，马达组件35可操作地联接至脉冲发生器组件22。脉冲发生器组件22包括用壳体组件61(图3)容纳的转子36和定子38。脉冲发生器12构造成当钻井流体18穿过脉冲发生器12时致使转子36相对于定子38在一个或更多个旋转位置之间旋转。转子36在不同的旋转位置中转换使得在钻井流体18中产生了包含已编码的钻井信息的压力脉冲112，如下文将进一步描述的。

马达组件35包括马达驱动器30、马达32、切换装置40以及联接至轴34的减速齿轮46。壳体组件61包括由钻柱6的内表面支承的壳体39或护罩。转子36联接至轴34并且在壳体39内进一步布置成与定子38邻近。马达驱动器30从电源14接收动力并且使用脉冲宽度调制使动力被引导至马达32。在一个示例性实施方式中，马达32是操作速度为至少约600rpm、优选地为约6000rpm的有刷直流(dc)马达。响应于由马达驱动器30提供的动力，马达32驱动减速齿轮46以使轴34进行旋转。尽管仅一个减速齿轮46被示出，但可以使用两个或更多个减速齿轮。在一个示例性实施方式中，减速齿轮46可以实现至少约144:1的速度减小。

脉冲发生器12还可以包括联接至马达32的方位编码器47。方位编码器47可以监测或确定转子36的角度方位。方位编码器47响应于确定转子36的角度方位而将含有关于转子36的角度方位的信息的信号114(图2)引导至控制器26。控制器26在脉冲发生器12的操作期间可以使用转子36的角度方位信息来产生马达控制信号106，这使转子36的旋转位置根据需要而改变。此外，在脉冲发生器12未处于操作中的时段期间，可以使用来自方位编码器47的信息来监测转子36的位置。方位编码器47是采用联接至马达轴的磁体的类型，该马达轴在其中安装有对磁体的磁极的旋转进行检测的霍尔效应传感器的固定壳体内旋转。方位编码器47应当适用于高温操作。

脉冲发生器12将钻井信息传输到地面3的操作开始于mwd工具20中的传感器8获得关于钻井操作的有用的钻井信息100。mwd工具20向数据编码器24提供输出信号102。数据编码器24将来自传感器8的输出信号102转换为数字信号104并且将该信号104传输到控制器26。控制器26响应于接收数字信号104而引导马达组件35的操作。例如，控制器26将信号106引导到马达驱动器30。马达驱动器30从电源14接收动力107并将动力108引导到切换装置40。切换装置40将动力111传输到马达32以使转子36沿第一旋转方向t1(例如，顺时针)或第二旋转方向t2(例如，逆时针)旋转以便通过钻井流体18产生被传输的压力脉冲112。在图16至图19中示出了第一旋转方向t1和第二旋转方向t2。压力脉冲112是由位于地面3处的传感器212感测的并且信息是由表面计算装置210解码的。

泥浆脉冲遥测系统10还可以包括一个或更多个井下压力传感器。例如，钻柱6可以包括动态的井下压力传感器28和静态的井下压力传感器29。如在美国专利no.6,714,138(turner等人)所描述的，井下压力传感器28和井下压力传感器29配置成测量脉冲发生器12附近的钻井流体18的压力。由动态的压力传感器28感测到的压力脉冲可以是由脉冲发生器12产生的压力脉冲112或由地面脉冲发生器224产生的压力脉冲116。在任一情况下，井下动态压力传感器28将含有压力脉冲信息的信号115传输到控制器26，信号115可以由控制器26使用以产生引起或控制马达组件35的操作的马达控制信号106。可以为应变计型传感器的静态压力传感器29将含有关于静态压力的信息的信号105传输到控制器26。

在图3中示意性地示出了脉冲发生器12的示例性机械布置。在图4至图6中更详细地示出了图3中示意性示出的脉冲发生器12。因此，图3至图6包括用于脉冲发生器12的相同的附图标记。图4示出了脉冲发生器12的上游部分，图5示出了脉冲发生器12的中间部分，并且图6示出了脉冲发生器12的下游部分。在turner等人的美国专利no.6,714,138中描述了脉冲发生器的中间部分和下游部分的构造。

现参照图3至图6，钻杆的部段64构造成对脉冲发生器12进行支承。钻杆部段64包括内表面57i和外表面57o，外表面57o与内表面57i沿着与纵向(或者轴向)方向l垂直的径向方向r间隔开。纵向方向l与纵向中心轴线13对准。钻杆部段64、例如其内表面57i限定了中央通道62，其中，钻井流体18沿朝向井下的方向d流过中央通道62。钻杆部段64包括井下端部67d(图4)和井上端部67u。井下端部67d和井上端部67u包括用于与钻杆的其他部段连接的带螺纹的联接件。

如图3至图6所示，脉冲发生器12能够支承在钻杆部段64的通道62内。脉冲发生器12包括上游端部17u和下游端部17d，下游端部17d与上游端部17u沿朝向井下的方向d间隔开。壳体组件61包括壳体39或井上壳体区段39、中间壳体区段66和68以及下游壳体区段69。壳体区段39、66、68和69可以端部对端部地联接在上游端部17u与下游端部17d之间。如图4所示，脉冲发生器12的上游端部19u通过壳体39安装在通道62中。如图6所示，脉冲发生器12的下游端部19d经由联接件180附接至定心夹具122，定心夹具122对通道62内的脉冲发生器12进行进一步支承。上游端部17u包括壳体护罩39并安装至钻杆64的内表面57i。鼻形部53形成脉冲发生器12的最前部分并附接至联接至壳体39的保持器59。

参照图7和图8，壳体护罩39包括套筒120以及端板121，套筒120形成用于转子36和定子38的护罩，并且端板121布置在朝向井下的方向d上的相对于套筒120的下游。壳体护罩39还包括上游端部130、在朝向井下的方向d上与上游端部130间隔开的下游端部132、内表面134以及与内表面134沿径向方向r间隔开的外表面136。壳体39可以包括碳化钨耐磨套筒33(在图4中示出)，耐磨套筒33沿着套筒部分120的内表面134布置。耐磨套筒33围封转子36并保护壳体39的内表面134免受由于与钻井流体18相接触而产生磨损。端板121布置在壳体39的下游端部132处并限定沿朝向井下的方向d延伸穿过该端板121的通道123。端板通道123构造成允许钻井流体18流过壳体39。壳体39可以通过插入到钻杆中的孔51(图4)中的固定螺钉(未示出)而固定在钻杆64内。

回到图3至图5，转子36和定子38安装在壳体护罩39内。根据本公开的实施方式，转子36位于定子38的下游并与定子38邻近。转子36与定子38间隔开以限定间隙g(未示出)。定子保持器59被螺纹连接到壳体护罩39的上游端部130中，并且定子保持器59通过将定子38和耐磨套筒33压靠在由壳体39的内表面134形成的肩部41上而限制定子38和耐磨套筒33的轴向运动。在需要的情况下，可以更换耐磨套筒33。此外，由于定子38和耐磨套筒33不承受高载荷，所以定子38和耐磨套筒33可以由脆性耐磨材料——比如碳化钨——制成，而壳体39承受较高载荷但不被钻井流体18磨损，则壳体39可以由更具延展性的材料——比如不锈钢——制成。在示例性实施方式中，壳体39由17-4不锈钢制成。

继续参照图3和图4，马达组件35安装在壳体护罩39下游的壳体区段66、68、69中。壳体区段66和68与密封件60和阻挡构件110一起限定上游室63。下游壳体区段69和阻挡构件110限定下游室65。转子轴34在上游室63中安装至上游轴承56和下游轴承58。密封件60可以是弹簧加载的唇形密封件。室63中填充有流体、优选地为润滑油，流体被安装在上游壳体区段66中的活塞162加压到具有与通道62中的钻井流体18的外部压力接近的内部压力。壳体区段66和壳体区段68被螺纹连接在一起并由o形圈193密封而形成室63(图5)。转子轴34的下游端部由联接件182附接至也安装在壳体区段68中的减速齿轮46的输出轴113。输入轴113从减速齿轮46延伸并由轴承54支承。轴113的井下端部(未编号)与磁性联接件48联接。磁性联接件包括在室63中由输入轴113支承的内部部分或第一部分52以及布置在室65中的外部部分或第二部分50。马达32使轴44旋转，轴44经由磁性联接件48将扭矩传递通过壳体阻挡件110以驱动输入轴113。减速齿轮驱动转子轴34，由此使转子36相对于定子38在期望的旋转位置之间旋转。磁性联接件48的外部部分50安装在填充有气体、优选地为空气的下游室65内。磁性联接件的外部部分50联接至被支承在轴承55上的轴44。柔性联接件49将轴44联接至马达32。

继续参照图3和图4，马达组件35操作以改变转子36相对于定子38的旋转位置，以在钻井流体中产生压力脉冲。根据所示的实施方式，马达组件35使转子36旋转经过反复的旋转周期。第一旋转周期包括使转子36从第一打开位置p1(图16)旋转至第二关闭位置p2(图17)，在第一打开位置p1中，允许钻井流体18穿过定子38，在第二关闭位置p2中，转子36至少部分地阻挡钻井流体流动穿过定子38。转子36被保持在第二关闭位置一个时间段。然后，转子36沿相同的方向旋转到第三打开位置p3(图18)或p3’(图19)中，在该第三打开位置p3或p3’中，允许钻井流体18再次穿过定子38。转子在三个位置p1、p2和p3或p3’中的转换在钻井流体18中产生了压力脉冲。控制器26可以使转子在第二旋转周期中以相反的顺序转换到第一打开位置p1。替代性地，转子36可以沿第二方向从第二位置p2旋转到旋转地位于第一位置p1与第二位置p2之间的第四位置p4。控制器26可以操作马达组件35以使转子36的旋转位置根据图案或间隔而改变，使得从传感器8获得的钻井信息被编码在由脉冲发生器12产生的一系列压力脉冲112中。

在一个实施方式中，在第三打开位置p3中，转子36相对于定子38定位成使得钻井流体18在流过定子38时完全不受阻挡。在另一实施方式中，在第三打开位置p3’中，转子36相对于定子38定位成使得转子36部分地阻挡钻井流体18流动穿过定子38。

脉冲发生器组件22包括定子38和设置在井下且与定子38相邻的转子36，并且将在下面对脉冲发生器组件22进行描述。图9至图11示出了根据本公开的实施方式的定子38。图12至图14示出了转子36，而图15至19示出了包括定子38和转子36的脉冲发生器组件22。

转到图9至图11，定子38包括定子本体70，定子本体70包括：井上端部72；井下端部74，井下端部74与井上端部72在朝向井下的方向d上沿着中心轴线71间隔开；至少一个通道76，所述至少一个通道76沿朝向井下的方向d延伸穿过定子本体70。定子本体70包括沿着中心轴线71布置的毂79a以及从毂79a延伸至外部径向边缘77a的一个或更多个叶片79b。毂79a可以包括井下端部81d和井上端部81u(图11)。叶片79b至少部分地限定每个相应的通道76。另外，定子本体70还限定了布置在井上端部72处的井上表面73、布置在井下端部74处的井下表面75以及沿着径向方向r与中心轴线71间隔开的外部径向表面77b。径向表面77b从井上表面73延伸到井下表面75。每个通道76从与井上表面73对准的井上开口82u延伸至与井下表面75对准的井下开口82d。为了便于说明，在下文将仅对一个通道76进行描述。

继续参照图9至图11，通道76的横截面形状可以根据需要沿着朝向井下的方向d变化以对钻井流体穿过定子38和离开定子38的流体动力学进行控制。根据所示的实施方式，通道76在其朝向定子38的井下端部74延伸时收缩。定子本体70限定了多个通道壁，所述多个通道壁从井上表面73延伸到井下表面75以限定通道76。所述多个通道壁可以包括沿着径向方向r延伸的第一横向通道壁80a和第二横向通道壁80b以及沿着径向方向r相对于彼此间隔开的对置的外通道壁80c和内通道壁80d。通道壁80a至80d有时被称为通道侧面并且至少部分地由叶片79b限定。通道壁80a至通道壁80d中的至少一部分——比如一个、两个或多达全部的通道壁——是倾斜的或弯曲的，使得通道76沿着朝向井下的方向d收缩。例如，横向通道壁80a和横向通道壁80b中的一者或两者相对于中心轴线71倾斜。在通道壁被示出为相对于中心轴线71具有倾斜度的情况下，通道壁也可以相对于中心轴线71沿着纵向方向l弯曲。因此，井上开口82u的尺寸和/或形状可以与井下开口82d的尺寸和/或形状不同。

继续参照图9至图11，井上开口82u的第一或井上横截面形状垂直于中心轴线71并且井上开口82u与井上表面73对准。井下开口82d的第二或井下横截面形状垂直于中心轴线71并且井下开口82d与井下表面75对准。第一横截面形状限定了比第二横截面形状的面积更大的面积。尽管通道被示出为具有收缩的横截面形状，但通道可以具有在上游侧与下游侧之间不显著变化的横截面形状，该通道类似于在perry等人的美国专利no.7,327,634中说明的定子的通道，该专利通过参引并入本文。

定子38包括至少一个通道76，优选为多个通道76。根据所示的实施方式，定子38包括在本领域中被称为8端口设计的八个通道76。应当理解的是，定子38可以包括多于或少于八个通道76。例如，定子38可以包括在本领域中被称为4端口设计的四个通道，或者定子38包括甚至少于四个的通道。

现转到图12至图14，转子36包括具有中央毂89和沿径向方向r向外延伸的至少一个叶片(或多个叶片90)的转子本体88。叶片90数量可以对应于定子38中的通道的数量。转子36构造成相对于定子38旋转以产生如本文所描述的压力脉冲。

继续参照图12至图14，每个叶片90包括从中央毂89沿径向方向r延伸的基部92以及从基部92沿着纵向方向l延伸的肋部94。基部92具有布置在中央毂89上的内端部93i以及与内端部93i沿着与径向方向r对准的径向轴线101间隔开的外端部93o。径向轴线101和中心轴线71相交且彼此垂直。基部92还限定了第一横向侧面96a、与第一横向侧面96a相对的第二横向侧面96b、在第一横向侧面96a与第二横向侧面96b之间朝向肋部94延伸的井下面部分97、以及与井下面部分97相对的上游表面91。上游表面91面向定子38的井下表面75。如图所示，肋部94从面部分97突出。如从图13可以看出，井下面部分97在从基部92的内端部93i延伸到外端部93o时弯曲。

继续参照图12至图14，根据所示的实施方式，肋部94在从基部92延伸到中央毂89时相对于与纵向方向l对准的中心轴线71弯曲。肋部94具有布置成朝向基部92的外端部93o的第一端部或井上端部95u、布置在中央毂89上的第二端部或井下端部95d、第一横向侧面98a以及与第一横向侧面96a相对的第二横向侧面98。肋部的井下端部95d沿着中央毂89相对于基部的内端部93i偏移。然而，肋部94的井上端部95u在横向侧面96a与横向侧面96b之间大致等距离地间隔开，使得肋部的井下端部95d和基部92的外端部93o沿着径向轴线101对准。

如从图12至图14可以看到，肋部94相对于中心轴线71沿着纵向方向l弯曲并且肋部94相对于径向轴线101稍微弯曲。叶片92的形状使得肋部94的井上部分与相邻的叶片90之间的钻井流体18的流路径轴向地对准。当转子36未处于操作(或者所描述的打开位置中的一者)中时，流体18离开通道76并沿着朝向井下的方向d流到邻近的叶片基部92之间。钻井流体18撞击肋部94的横向侧面98a，从而沿第二旋转方向t2对转子36施加打开扭矩，这将使转子偏置到打开位置。该打开扭矩类似于在perry等人的美国专利no.7,327,634中描述的打开扭矩，上述专利的全部内容通过参引并入本文。尽管在理想的情况下由本公开的转子36产生的流动感应打开扭矩使得打开位置相对地稳定，但这不可能始终实现。因此，除了形成流动感应打开扭矩之外，转子36还可以被机械地朝向最小阻挡方位偏置。例如，转子36可以如美国专利no.7,327,634所公开的那样被机械地偏置。

现转到图15至图19，脉冲发生器组件22布置成使得定子38的井下表面74面向转子36的上游表面91。如图16至图19所示，转子36可以转动到不同的位置中以选择性地允许或阻挡钻井流体流动穿过定子，从而产生压力脉冲。

马达组件35驱动转子36旋转经过旋转周期。如图16至图19所示。转子36可以沿第一方向t1从图16所示的第一位置p1(或第一打开位置p1)旋转到图17所示的第二位置p2(或关闭位置)中。在第一位置p1中，叶片90被旋转地偏移，使得每个叶片位于两个相邻的通道76之间。当转子处于第一位置p1中时，转子36允许钻井流体18穿过脉冲发生器组件22。在第二位置p2中，叶片90阻挡(部分地或完全地)通道76，使得阻挡钻井流体18穿过脉冲发生器组件22。

如在图16和图17中最佳地示出的，应当理解的是，转子36沿第一旋转方向t1从第一位置p1到第二位置p2旋转了第一角度量a1。角度量a1是通过与中心轴线71相交的两条线(未编号)限定的角度。该两条线表示叶片90在相应的第一位置、第二位置或第三位置的位置。在一个示例中，第一角度量a1在约15度至约50度之间。第一位置p1与第二位置p2之间的旋转差、即角度量a1以及第二位置p2与第三位置p3之间的旋转差、即角度量a2(下面讨论)部分地基于通道76的数量和叶片90的数量。例如，角度量a1是通过将180度除以转子中的叶片数量(或定子中的通道的数量)而被确定的。对于包括具有八个叶片的转子和具有八个通道的定子的脉冲发生器而言，角度量a1为约22.5度。对于包括具有四个叶片的转子和具有四个通道的定子的脉冲发生器而言，角度量a1为约45度。虽然本文描述了四个叶片/四个通道的脉冲发生器以及八个叶片/八个通道的脉冲发生器，但是也可以使用将改变角度量的其他脉冲发生器构型。

如下所述，转子36在继续沿第一方向t1旋转到如图18所示的第三位置p3(或第二打开位置)中或如图19所示的第三位置p3’中之前在第二位置p2中静止一个时间段。在第三位置p3中，叶片90被旋转地偏移，使得每个叶片位于两个相邻的通道76之间。转子36在转子处于第三位置p3中时允许钻井流体18穿过脉冲发生器组件22。

替代性地，如图19所示，在第三位置p3’中，叶片90被旋转地偏移，使得叶片90部分地阻挡通道76，使得部分地阻挡钻井流体18穿过脉冲发生器组件22。

如图17至图19所示，转子沿第一旋转方向t1从第二位置p2到第三位置p3、p3’旋转了第二角度量a2。第二角度量a2可以在介于约10度与50度之间的范围内。通常，第一角度量和第二角度量基本相等。例如，对于八个叶片而言，第一角度量可以为约22.5度并且第二角度量可以为约22.5度。

转子36可以沿第二方向t2返回到第二位置p2并且在第二位置p2中保持就位一个时间段。然后，转子36进一步沿第二方向t2旋转到第一位置p1，在该第一位置p1中，叶片90旋转地偏离通道76并且钻井流体可以穿过脉冲发生器组件22。替代性地，转子36可以沿第二方向t2从第二位置p2旋转到旋转地位于第一位置p1与第二位置p2之间的第四位置p4。

本公开的另一实施方式包括一种用于从井眼中的井下位置向表面传输信息的方法300。当井底组件在钻机现场被“组装”时，mwd工具20和/或脉冲发生器组件22通常被添加到钻柱6中。根据所示的实施方式，方法300包括在地面处启动脉冲发生器12的操作的步骤304。脉冲发生器启动步骤304可以包括将驱动轴34联接至马达32。该联接可以通过来自链接的计算设备的指令手动地或电子地进行。启动步骤304还可以包括限定转子36的第一位置p1。例如，驱动轴34响应于将电源连接至马达组件35而旋转直到驱动轴接触机械止动件为止，建立了用于脉冲发生器12的空闲状态。在空闲状态下，转子可以处于如图16所示的第一打开位置p1中。当轴34邻接机械止动件时，传感器确定轴34和转子36的角位置。传感器数据被用于限定第一打开位置p1，并且该数据被存储在控制器的存储器部分中。

接着，钻柱和脉冲发生器12下降到井孔中并且开始钻孔。在步骤312中，钻井流体沿朝向井下的方向、朝向脉冲发生器12被引导通过钻柱的长形通道。在步骤312期间，控制器可以可选地确定转子的位置是否需要被校正。如果需要，则控制器自动地校正转子位置。例如，如果转子在没有来自控制器的指令指示其如何运动的情况下从第一打开位置p1移动，例如，作为处理或振动的结果，控制器则可以使驱动轴34沿所需方向旋转以校正转子的位置。

在步骤318中，位于mwd工具(或任何其他工具)中的传感器8获得关于重要的参数的钻井信息。如上所述，mwd工具还可以通过编码器将钻井信息压缩成数字信号。在步骤324中，包含钻井信息的数字信号被从工具20传输至脉冲发生器12，特别是传输至控制器。

在步骤328中，控制器响应于从mwd工具20接收数字信号来确定一个或更多个信号特性。在一个示例中，控制器确定信号的波长。振幅、频率和其他特征可以被确定。在步骤328中，控制器进一步确定与待被经由脉冲发生器传输至地面的信号的波长对应的时间段。该时间段用于控制在每个旋转周期期间转子36被保持在第二关闭位置(如图17所示)中的持续时间。例如，该时间段可以是从约0秒到约1.25秒。在将钻柱降至井孔中之前，转子36被保持在第二关闭位置中的时间段可以被编程到控制器26中。替代性地，该时间段可以响应于由传感器8获得的钻井条件而被改变。例如，转子36被保持在第二关闭位置中的时间段的改变可以通过压力脉冲116被传输至井下动态压力传感器28，压力脉冲116可以由地面脉冲发生器224产生。在一个示例中，时间段可以通过比如深度和流速之类的井眼条件来确定。增加时间段将会在地面造成更强的脉冲，这是在深井中成功解码所必需的。

在步骤342至步骤354中，控制器将数据信号编码到由转子36反复地旋转经过第一旋转周期330和第二旋转周期340而产生一系列压力脉冲中。第一旋转周期330以图20中的包含步骤334至342的虚线框示出。第二旋转周期340以图20中的包含步骤346至步骤354的虚线框示出。在完成第一旋转周期330之后，第二旋转周期340启动。

在步骤334中，控制器启动第一旋转周期330。在步骤334中，控制器使转子相对于定子沿第一旋转方向从第一位置p1旋转到第二位置p2(参见图16和17)中。在第一位置p1中，叶片90相对于通道76偏移，以允许钻井流体流动通过通道76。在第二位置p2中，叶片90沿着轴向方向l与定子38的通道76对准，以阻挡钻井流体的流动。步骤334还包括使转子沿第一旋转方向从第一位置到第二位置旋转第一角度量a1，如在图16中最佳示出的。角度量a1是通过与中心轴线71相交的两条线(未编号)限定的角度。两条线表示叶片90在相应的第一位置、第二位置或第三位置中的位置。在一个示例中，第一角度量a1介于约15度至约50度之间。

在步骤338中，转子在第二位置中保持第一时间段。步骤338还表示第一旋转周期330中转子停止以阻挡钻井流体的中间阶段。转子处于第二位置中的持续时间确定了通过钻井流体传输的压力脉冲的波长。在一个示例中，该时间段可以介于约0.01秒(或通常大于0秒)与约2.0秒之间。在一个示例中，该时间段长达约1.25秒。在另一示例中，该时间段大于2.0秒。

在步骤342中，转子进一步沿第一旋转方向从第二位置p2旋转到第三位置p3或p3’。在第三位置p3中，叶片90相对于通道76完全偏移，允许钻井流体以未被阻挡的方式流动通过通道76。在第三位置p3’中，叶片90相对于通道76部分地偏移，使得部分地阻挡钻井流体18穿过脉冲发生器组件22。步骤342还包括使转子沿第一旋转方向从第二位置到第三位置p3、p3’旋转第二角度量a2。第二角度范围在约10度与50度之间。通常，第一角度量和第二角度量基本相等。

在步骤346中，控制器启动第二旋转周期340。第二旋转周期340包括步骤346至步骤358。第二旋转周期340包括使转子36沿第二旋转方向t2从第三位置p3(图18)或p3’(图19)旋转到第二位置p2(如图17所示)的步骤346。步骤346包括使转子沿第二旋转方向从第三位置p3、p3’到第二位置p2旋转第二角度量。在步骤350中，控制器使转子36停止或者使转子36在第二位置中保持第二时间段。在一个示例中，第二时间段可以长达约1.25秒。应当理解的是，步骤338中的第一时间段和步骤346中的第二时间段可以具有相同的持续时间。替代性地，步骤338中的第一时间段和步骤346中的第二时间段可以具有不同的持续时间。例如，一个时间段可能比另一时间段长。

在步骤354中，转子沿第二旋转方向从第二位置p2旋转到第一位置p1(参见图16)。步骤354包括使转子沿第二旋转方向从第二位置到第一位置旋转第一角度量。替代性地，在步骤354中，转子沿第二旋转方向从第二位置p2旋转到位于第一位置p1与第二位置p2之间的第四位置p4中。步骤354完成了第二旋转周期330。

该方法可以从步骤354返回到步骤334以再次开始第一旋转周期。第一旋转周期和第二旋转周期可以根据需要反复多次以产生所需的脉冲。在步骤358中，压力脉冲是通过地面接收器而在地面处被检测的并且钻井信息是从压力脉冲信号中被提取的。

方法300继续，重复第一旋转周期和第二旋转周期以在钻井流体中产生一系列压力脉冲。有利地，当转子36在第二位置p2停止的时间段大于0秒时，马达组件35消耗小于或等于约6.0焦耳的电能以使转子旋转经过每个旋转周期。然而，当旋转周期内没有暂停时，马达组件将消耗小于或等于3.0焦耳的电能。因此，如本文所述的脉冲发生器消耗小于或等于约6.0焦耳的电能以产生单个压力脉冲。

在产生压力脉冲的每个旋转周期期间，转子在第三位置中仅停止一次。如上所述，在某些情况下，转子暂停在第二位置中。因此，所产生的压力脉冲是通过马达使转子仅加速和减速一次而产生的。对于常规脉冲发生器而言，需要两个不同的加速实例和减速实例来产生等效压力脉冲。虽然行进较长的距离来使转子旋转以完成单个压力脉冲，但是由于在现有的脉冲发生器中仅使用一次加速和一次减速的马达，所以消耗的电能要少得多。在至少一个示例中，本文中所描述的脉冲发生器与传统的旋转式脉冲发生器相比在相似的操作时间内使用的电能大约少50％以上，例如大约少介于60％至70％之间的电能。因为每个压力脉冲使用的电能变少，所以本文中所描述的脉冲发生器在电源需要更换之前可以在钻井期间操作更长的时间段。这有两个重要的好处。首先，这会降低电池成本，因为在脉冲发生器的使用寿命期间需要更少的电池来操作脉冲发生器。其次，必须停止钻井并且将脉冲发生器从井道孔中拉出以更换电池或给电池进行再充电的情况较少。这反过来又减少了停机时间并且使钻井时间最大，从而降低了钻机操作者的操作成本。

在降低电能消耗的同时，脉冲发生器也可以以相对较高的速度产生压力脉冲，从而增加数据速率。例如，转子完成一个旋转周期以产生单个压力脉冲的时间比常规脉冲发生器产生类似压力脉冲所需的时间短。此外，通过改变马达的速度并且控制转子处于第二位置中的时间，可以更好地控制脉冲宽度(或脉冲波长)。更短的脉冲波长导致更高的数据速率。在一个示例中，已经观察到高达5比特每秒(bitspersecond)的数据速率。因此，上述脉冲发生器组件22构造成产生高数据输出压力脉冲并且在产生每个压力脉冲的同时消耗较少的电能。

在另一实施方式中，脉冲发生器通过使转子沿第一旋转方向t1从第一位置p1连续地旋转到第三位置p3来产生第一压力脉冲。在该实施方式中，转子经过第二位置p2而不停止任何时间段。在该实施方式中，马达组件35消耗小于或等于约3.0焦耳的电能，以使转子旋转经过每个旋转周期。该实施方式还允许产生脉冲宽度小于或等于0.2秒的脉冲。因此，马达组件的能量消耗减小，同时脉冲宽度也减小，这增加了数据速率。如上所述，在第三位置p3、p3’中，转子36相对于定子38定位成使得钻井流体18流动通过定子38(参见图18和图19)。

另外，在本实施方式中，可以通过使转子36沿第二旋转方向t2从第三位置p3、p3’连续地旋转到第一位置p1来产生第二压力脉冲。再次，转子经过第二位置而不停止任何时间段。替代性地，可以通过使转子36从第三位置p3、p3’连续地旋转到第四位置p4来产生第二压力脉冲。如上所述，第四位置p4旋转地位于第一位置p1与第二位置p2之间。

本文中使用有限数量的实施方式描述了本公开内容，这些具体实施方式并非旨在限制根据本文描述的及所要求保护的本公开的范围。存在已描述的实施方式的修改和变型。更具体地，给出上述实施方式作为所要求保护的公开内容的实施方式的具体说明。应当理解的是，本发明不局限于示例中阐述的具体细节。