动态搅拌控制设备、系统和方法
【专利说明】动态搅拌控制设备、系统和方法
[0001]发明背景
[0002]多年以来一直在使用呈泥浆马达形式的单螺杆马达来提供直井眼和定向钻井操作的动力。在一些情况下，诸如在水平钻井期间，由钻井液或泥浆提供动力的单螺杆马达的运动用来搅拌钻柱以减小粘附和摩擦，增加钻井效率。然而，单螺杆马达操作期间产生的振动可干扰信号采集，包括勘测和泥浆脉冲遥测活动。
[0003]附图简述
[0004]图1A是形成根据本发明的各个实施方案配置的设备的部分的正排量马达(诸如单螺杆马达)的侧面剖视图，且图1B到ID是正视图。
[0005]图2是根据本发明的各个实施方案配置的设备中的内部及外部孔口的后视图，其中齿轮传动机构和弹簧用来控制外部孔口的旋转。
[0006]图3是根据本发明的各个实施方案的计量活塞总成的侧面剖视图。
[0007]图4说明根据本发明的各个实施方案的设备和系统。
[0008]图5说明本发明的随钻系统实施方案。
[0009]图6是说明根据本发明的各个实施方案的几种方法的流程图。
[0010]图7是根据本发明的各个实施方案的包括具体机器的制品的方框图。
【具体实施方式】
[0011]在各个实施方案中，本发明提供一种用于动态地控制由正排量马达(诸如单螺杆马达)提供动力的钻柱式搅拌器的机构。动态控制可以只由使搅拌器呈现为活动或不活动组成，或其可以涉及改变由搅拌器产生的振动的振幅。动态控制的提供实现可选搅拌以避免干扰例如泥浆脉冲遥测活动。还可以存在诸多状况，在所述状况下，希望可只在明显存在粘/滑运动时启动搅拌器。可获得各种其它优点。
[0012]为了此文档目的，“单螺杆马达”包括渐进式空腔马达、正排量马达。术语“正排量马达”包括单螺杆马达和渐进式空腔马达两者。因此，虽然术语“单螺杆马达”出于方便简洁原因而在此文档中使用，但是在所有情况下，术语“正排量马达”和“渐进式空腔马达”均可以替代术语“单螺杆马达”。以此方式，可了解以下描述不限于只使用单螺杆马达的特定实例。
[0013]在井下操作期间，当钻井液或泥浆流到单螺杆马达中时，起始转子的偏心运动，所述偏心运动然后可经由液压脉冲而直接或间接地转移到其它组件。不同的转子和定子配置(例如改变转子上的凸角的数量)可用来提供增加的动力。在许多实施方案中，单螺杆马达用作用于引发钻柱中的振动的“搅拌器”。
[0014]图1A是形成根据本发明的各个实施方案配置的设备100的部分的正排量马达104(诸如单螺杆马达)的侧面剖视图，且图1B到ID是正视图。当用作搅拌器时，单螺杆马达104接受钻井液132，从而朝形成于内部孔板116中的内部输出孔口 124引导液流136。随着单螺杆马达104的转子108上下偏心移动(从侧面观察)，离开马达104的液流136的中心也随之移动。
[0015]流动136最初是指向内部孔板116和内部输出孔口 124。液流136相对于内部输出孔口 124的位置变化造成压力波动。此类波动产生压力脉冲152，其可用来使钻柱振动。
[0016]可用来控制单螺杆马达104的输出的机构之一是用包括外部输出孔口 128的可旋转外部孔板156扩增固定的内部孔板116。外部输出孔口 128可以具有类似于或相似于内部输出孔口 124的形状的形状。
[0017]通过改变外部孔板156的位置和因此外部输出孔口 128相对于固定内部输出孔口124的位置，可动态地控制放射自设备100的液压脉冲152的振幅。如图1B到ID中可见，外部输出孔口 128可按需要相对于内部输出孔口 124定位，使得允许最大流量(图1B)或小于最大流量的某个流量(图1C)或甚至最小流量(图1D)，其发生于外部输出孔口 128提供对经过内部输出孔口的液流136的最大吸收量。
[0018]其中外部孔板156附接到单螺杆马达104的具体方式取决于应用。例如，安装可旋转外部孔板156的一种方式是使用包围单螺杆马达104的输出处的开口的轴承120。轴承120可固定在单螺杆马达外壳110的延伸部中。可以使用其它方法来将外部孔板156安装到马达104，诸如螺纹式壳体或钉扎外壳。
[0019]图2是根据本发明的各个实施方案配置的设备100中的内部孔口 124和外部孔口128的后视图，其中齿轮传动机构204和弹簧230用来控制外部输出孔口 128的旋转。更具体地说，传动机构204和弹簧230可用来控制其中形成外部输出孔口 128的外部孔板156的旋转。
[0020]例如，可以希望在某些时间(诸如固定勘测期间)停止搅拌。此情况中解决的问题是，即使钻头没有前进，也要在勘测时维持泥浆流动。这样做是为了防止钻柱被粘住。用于停止搅拌器的设备是通过暂时中断流动或通过大幅减小流动来启动。
[0021]用于产生此效果的一类机构包括由一对销234固定在每一端上的弹簧230 (例如拉伸或螺旋弹簧)，其中一端附接到单螺杆马达104的外壳110且另一端附接到可旋转外部孔板156。外部输出孔口 128的运动以此方式稍加约束，且所述机构被设计使得当没有外部扭力作用于可旋转外部输出孔口 128上时，其实质上与设备100的固定内部输出孔口124对准。
[0022]叶轮240可被安装到齿轮传动机构204，可能安装在耦接到齿轮224的轴件(没有展示)上，所述齿轮224与可旋转外部孔板156上的齿轮齿210接合。叶轮240因此可用来使齿轮224旋转。齿轮传动机构的轴件可以任何数量的常规方式安装到外壳110。
[0023]在操作期间，当钻井液流开始进入外壳110时，外部输出孔口 128与内部输出孔口124对准(参见图1B)。随着液流增加，叶轮240转向，这使齿轮224转向。齿轮224接合齿轮齿210以使外部孔板156旋转(图1C)直到板156停止在其中外部输出孔口 128实质上正交于内部输出孔口 124的位置处为止(参见图1D)。此动作在存在足够大的液流136以将外部孔板156固定在图1D中所示的位置中时将压力脉冲152的振幅增加到最大值。随着液流136下降，外部孔板156将会趋向于返回到图1B中所示的位置。
[0024]用于机械地控制外部孔板156的移动的另一机构涉及基于外壳110外部与外壳110内部的压力差计量钻井液流。在此情况下，可使用计量活塞总成140。
[0025]例如，图3是根据本发明的各个实施方案的计量活塞总成140的侧面剖视图。计量活塞总成140内的活塞310是使用压力差ΛΡ = Ρ2-Ρ1启动。现在参考图1A和3，可知当外壳I1内部的压力P2变得大于外壳外部的压力Pl (使得抵着活塞310的面的流动压力可克服施加于外壳110外部的压力加上弹簧座320的力)时，启动计量活塞总成140。在此类状况下，活塞310已被卸下来将经过计量开口 330的一些液流136转向到外壳110外部作为转向液流144。结果，减小压力脉冲152的振幅。
[0026]还可结合齿轮传动机构204和弹簧230机构使用活塞计量总成140。在此情况中，如果齿轮传动机构224被承载在例如外壳110内的单独隔间中，那么可使用压力差ΔΡ =P2-P1来计量进入隔间的液体、传动叶轮224或计量离开隔间的液体、停止传动机构204的运动。
[0027]此类机构的优点是，其不使用电子控制或与钻井系统的其它部分进行的通信。振动等级可被调整为任何所需程度，使得搅拌的量和/或时序足够高以在大部分状况下防止粘滑运动，和足够低以减小对勘测数据采集的干扰。
[0028]设备100还可按命令启动，使得搅拌可在需要的任何时候启动和停止。例如，如果电池、电子器件和遥测链路安装在单螺杆马达104的外壳110中或延伸到其外壳，那么可从设备100外部控制搅拌操作。例如，可使用短跳电磁遥测链路(例如，根据电气和电子工程师协会标准1902.1-“长波长无线网络协议的IEEE标准(IEEE Standard for LongWavelength Wireless Network Protocol)，2009” 实施的遥测链路)来发送调节设备 100的操作的命令。
[0029]对于此操作模式，当接收到命令时，可使用电动马达(用来代替叶轮240)来传动齿轮224，从而移动外部输出孔口 128以与内部输出孔口 124对准、减小压力脉冲152的振幅。类似地，外部输出孔口 128可被命令移动到相对于内部输出孔口 124的任何所需位置，从而增加或降低压力脉冲152的振幅。此机构可用来减小由设备100按命令提供的搅拌程度，这在泥浆脉冲遥测系统操作期间可能是有利的。其还可以有用于在不关注相关钻柱的粘/滑运动的周期期间停止搅拌。
[0030]图4说明根据本发明的各个实施方案的设备100和系统464。在一些实施方案中，可结合设备100使用流量计412和/或其它电子控制。例如，在一些情况下，锁定机构408可被添加到设备100。锁定机构408可受控于流量计412。一旦选定量的液流停止经过流量计412，便可操作锁定机构408来锁定马达104的转子108，从而停止搅拌。还可实施时间延时以与LWD/MWD (随钻测井/随钻测定)系统操作一致，以允许有足够多的时间来经由泥浆脉冲遥测将数据发射到地面。一旦选定量的液流再次经过流量计412，可操作锁定机构408以释放马达104的转子108，从而允许恢复搅拌。此外，可实施时间延时以与各种系统操作一致，以允许有足够多的时间用于数据发射或接收，或可对搅拌振动敏感的其它活动。
[0031]锁定机构408可以包括落锤、锁定块和所属领域一般技术人员已知的其它类型的机构。可机械地和/或电启动锁定机构40