用于在流体调制器中产生压力信号的可移动元件的制作方法
【专利说明】用于在流体调制器中产生压力信号的可移动元件
[0001]相关申请
[0002]本申请要求享有以下专利申请的优先权和权益:2013年7月30日递交的美国临时专利申请如.61/860206、2013年12月8日递交的美国临时专利申请％.61/913347、2014年5月25日递交的美国临时专利申请N0.62/002901、2014年5月25日递交的美国临时专利申请%.62/002904、2014年7月29日递交的美国非临时专利申请如.14/445062、2014年7月29日递交的美国非临时专利申请N0.14/445063以及2014年7月29日递交的美国非临时专利申请N0.14/445064，这些专利申请通过引用并入本文中。
【背景技术】
[0003]该部分提供背景信息，以便更好地理解本公开的各个方面。应当理解，要从这个角度阅读该文献的该部分中的叙述，而不是作为对现有技术的承认。
[0004]通常向地下钻井以开采地壳的地质构造中所蓄积的碳氢化合物和其它期望的材料的自然沉积。通常，使用附接至钻柱的下端的钻头来钻井。进行钻井，使得井穿过包含蓄积的材料的地下地层并且可以开采该材料。
[0005]钻柱的底端为井底钻具组合(“BHA”) AHA包括钻头以及传感器、控制机构和所需电路。典型的BHA包括用于测量地层及地层中所包含的流体的各种属性的传感器。BHA还可以包括用于测量BHA的方位和位置的传感器。
[0006]地表处或远程运行支持中心处的操作者可以控制钻井操作。通过地表处的转盘或顶驱以期望的速率转动钻柱，并且操作者控制钻压以及钻井过程中的其它运行参数。
[0007]钻井和井控的另一方面涉及钻井流体，称为泥浆。泥浆为通过钻柱从地表栗送至钻头的流体。泥浆用于冷却和润滑钻头，并且将钻肩运回地表。精确地控制泥浆的密度，以将钻孔中的流体静压维持在期望的水平。
[0008]为了使操作者知道BHA中的传感器所进行的测量以及使操作者能够控制钻头的方向，需要在地表处的操作者与BHA之间进行通信。下行链路为从地表至BHA的通信。基于BHA中的传感器所采集的数据，操作者可以期望向BHA发送命令。常见的一个命令为用于使BHA改变钻井的方向的指令。
[0009]同样地，上行链路为从BHA至地表的通信。上行链路通常为BHA中的传感器所采集的数据的传输。例如，使操作者知道BHA方位通常是重要的。因此，BHA中的传感器所采集的方位数据通常被传送至地表。上行链路通信还用于确认下行链路命令被正确地理解。
[0010]一种常用的通信方法被称为泥浆脉冲遥测技术。泥浆脉冲遥测技术是通过创建泥浆中的压力和/或流量脉冲来下行或上行发送信号的方法。可以通过接收位置处的传感器来检测这些脉冲。例如，在下行操作中，可以通过BHA中的传感器来检测沿钻柱向下栗送的泥浆的压力或流量变化。可通过传感器检测脉冲的特性(诸如频率、相位和幅度)并对其进行解释，以使得BHA可以理解命令。
[0011 ]美国专利N0.3309656中公开了一种泥浆脉冲遥测技术的方法，该方法包括:旋转阀或“泥浆警报器”压力脉冲发生器，其不断地中断钻井流体的流动，因而使得以与中断速率成比例的载波频率在钻井流体中生成变化的压力波。通过调制声学载波频率将井下传感器响应数据传送至地表。相关的设计为美国专利N0.6626253中所公开的摆动阀，其中，转子相对于定子摆动，每隔180度改变方向，不断地中断钻井流体的流动并使得生成变化的压力波。考虑到活动部分的特性，一些脉冲发生阀经受阻塞和腐蚀，并且一些脉冲发生阀具有在井下环境下受限的功率消耗水平。
【发明内容】
[0012]根据本公开的一个方面，一种流体调制器包括:可移动元件，其被布置成穿过金刚石支承表面进入收缩的流孔眼中。可移动元件例如可被线性平移通过支承表面进入流孔目艮，周向地转动到流孔眼中，和或在流孔眼中转动。根据本公开的多个方面，用于在文丘里管中创建压力信号的可移动元件包括轴和挡块或末端。轴和末端可由不同结构材料形成，例如，轴可由金刚石构成而末端由碳化钨构成。根据一个方面的流体调制器包括:本体，其在入口与出口之间形成流孔眼，该流孔眼对于从入口轴向流动至出口的流体提供限流；以及可移动元件，其具有被布置成穿过所述本体的轴部和能够选择性地位于所述流孔眼中以改变所述流孔眼的末端。
[0013]提供该
【发明内容】
来介绍以下在【具体实施方式】部分进一步说明的构思的选择。该
【发明内容】
不是旨在识别请求保护主题的关键或必要特征，也不是旨在用作帮助限制请求保护主题的范围。
【附图说明】
[0014]参照以下【附图说明】流体调制器装置、系统和方法的实施例。整个附图中使用相同的附图标记指示相同的特征和部件。需要强调的是，根据行业标准实践，各种特征不必按比例绘制。实际上，为了讨论清楚，可以随意地增加或减少各种特征的尺寸。
[0015]图1、2和20为其中可以实施根据本公开的多个方面的流体调制器的井系统的示意图。
[0016]图3为包括一个以上的可移动部的流体调制器的示意图，其中，每个可移动部具有覆盖根据本公开的多个方面的流体调制器的流孔眼的圆周部分的几何形状。
[0017]图4和图5示出了根据本公开的多个方面的流体调制器的速度幅度的等值线图。
[0018]图6至图19示出了根据本公开的多个方面的流体调制器。
【具体实施方式】
[0019]应当理解，以下的公开内容提供了多个不同的实施例或用于实施各实施例的不同特征的示例。下面描述部件和布置的具体示例来简化本公开内容。当然，这仅是示例并且不是意在进行限制。另外，本公开内容可以在各种示例中重复使用附图标记和/或标识。重复的目的是为了简化和清楚起见而不是本身指定各实施例和/或所讨论的配置之间的关系。
[0020]本文中所公开的流体调制器、系统和方法可以提供比现有装置更低的功率消耗、比现有装置更宽的运行范围、用于使地表接收器与钻井和泥浆马达噪声隔离的能力、用于使地表钻机和泥浆栗噪声与井下接收器和发送器隔离的能力，可以提供通过与钻柱基本共轴的调制装置执行打捞作业的能力，以及可以提供泥浆脉冲信号的幅度控制(例如，幅度和/或正交幅度调制“QAM”控制)。根据多个方面，流体调制器允许使用诸如QAM的高带宽效率。流体调制器提供动态间隙调整控制。例如，所公开的流体调制器可以允许改变间隙设置，同时流体调制器位于井下，以改变所生成的信号强度来适应泥浆流率的变化。根据本公开内容的多个方面，流体调制器能够使用宽频率范围进行相位、频率、幅度或它们的任意组合、单载波或多载波调制。在所公开的流体调制器用作例如上行链路、下行链路或沿柱测量或中继工具时，它们可以利用这些调制。
[0021]图1示意性地示出了井或钻井系统100，该系统可以在陆地上或海上并且在其中可以实施根据本公开内容的流体调制器200。系统100被示出为具有钻机10，钻机10包括用于向钻柱14提供驱动转矩的驱动机构12。钻柱14的下端伸到井眼30中并且携带钻头16钻探地下地层18。在钻井作业期间，例如经由诸如一个或多个往复栗的一个或多个栗24从地表29处的泥浆池22抽取钻井流体20。钻井流体20循环穿过泥浆管线26、向下穿过钻柱14、穿过钻头16并经由钻柱14与井眼30的壁之间的环形空间28返回至地表29。在到达地表29时，通过线路32将钻井流体20排放到泥浆池22中，使得可以在钻井流体20重新循环到钻柱14中之前将钻井泥浆中向井口携带的钻肩(诸如，例如岩石和/或其它井肩)沉淀在泥浆池22的底部。
[0022]所示的钻柱14包括井底钻具组合(“BHA”)33，井底钻具组合33包括至少一个井下工具34。井下工具34可以包括勘测或测量工具，诸如随钻测井(“LWD”)工具、随钻测量()工具、近钻头工具、钻头上工具、和/或测井电缆可部署的工具。LWD工具可以包括用于测量、处理和存储信息以及用于与地表设备通信的能力。另外，LWD工具可包括用于测量与地层18和/或井眼相关的特性的以下类型的测井装置中的一个或多个:电阻率测量装置；定向电阻率测量装置;声波测量装置;核测量装置;核磁共振测量装置;压力测量装置;地震测量装置;成像装置;地层采样装置；自然伽玛射线装置;密度和光电指数装置；中子孔隙度装置;以及井径装置。利用图2中的附图标记120来具体标识LWD工具。
[0023]MWD工具可以包括例如用于测量邻近于钻头16的特性的一个或多个装置。MffD工具可包括以下类型的测量装置中的一个或多个:钻压测量装置;转矩测量装置;振动测量装置;冲击测量装置;粘滑测量装置;方向测量装置;倾角测量装置；自然伽玛射线装置;定向勘测装置;工具面装置;井眼压力装置；以及温度装置。MffD工具可以检测、收集和/或记录与钻头16处、地下地层18周围、钻柱14前端和/或钻柱14周围一定距离处的状况有关的数据和/或信息。利用图2中的附图标记130标识MffD工具。
[0024]井下工具34可以包括井下电源，例如电池、井下马达、涡轮机、井下泥浆马达或任何其它发电源。电源可以产生和生成要遍布BHA33分布和/或对至少一个井下工具34供电的电力或电能。
[0025]所述的井下工具34包括传感器36(例如，传感器组件，数据源)以及根据本公开内容的一个或多个方面的用于泥浆脉冲遥测的流体调制器200。流体调制器200被操作用于干扰钻井流体20流过钻柱14，以产生压力脉冲或改变流体流动。通过流体调制器的操作对压力脉冲进行调制，从而为了遥测的目的对压力脉冲进行编码。例如，在图1中，流体调制器200被操作用于创建井眼和泥浆管线26中的钻井流体的压力变化，其中，利用例如来自井下数据源36的数据对该压力变化进行编码。可以通过压力变换器40和栗活塞传感器42检测调制后的钻井流体20的压力变化，压力变换器40和栗活塞传感器42均可以耦接至地表系统处理器，参见例如图2中的处理器50。地表系统处理器可以解释经调制的钻井流体20的压力变化，以重构数据源36所收集和发送的测量结果、数据和/或信息。在通过引用整体并入本文的、共同受让的美国专利N0.5375098和N0.8302685中详细描述了压力波的调制和解调。
[0026]可以使用硬件和/或软件的任意期望的组合来实现地表系统处理器以及其它处理器。例如，个人计算机平台、工作站平台等可以存储在计算机可读介质(例如，磁性或光学的硬盘和/或随机存取存储器)上，并且执行一个或多个软件例程、程序、机器可读代码和/或指令，以用于执行本文所描述的操作。另外地或可替代地，地表系统处理器可以利用专用硬件或逻辑器件，诸如例如专用集成电路、配置的可编程逻辑控制器、离