以泥浆为动力的惯性驱动振荡脉动器的制造方法
【专利摘要】在一个概略方案中，在内部有钻井液流动的钻柱中使用泥浆脉动遥测工具。该泥浆脉动遥测工具可包括设置在钻柱中的脉动器和驱动该脉动器的驱动系统。该脉动器可包括不旋转的泥浆脉动定子和靠近所述定子设置的泥浆脉动转子。该驱动系统可包括涡轮定子、涡轮转子和以磁力方式联接到该涡轮转子的可旋转惯性构件。该惯性构件的第一端可操作地连接到泥浆脉动转子。在某些具体方案中，在泥浆脉动遥测工具中，转动能可借助磁耦合部从涡轮转子被传输到可旋转惯性构件。该可旋转惯性构件的第二端可操作地连接到一辅助马达，该辅助马达适于追加由该驱动系统施加到该可旋转惯性构件的转动能。
【专利说明】以泥浆为动力的惯性驱动振荡脉动器
【技术领域】
[0001]本申请涉及随钻测量(MWD)，且更具体地涉及泥浆脉动遥测工具及其使用方法。
【背景技术】
[0002]MWD是一种在钻井的同时执行与钻探相关的井下测量并将数据传输到地面的系统，其通常用于油气产业。泥浆脉动遥测是用于MWD工具中的常用的数据采集和传输方法。井下阀可起到限制钻探泥浆流动的作用，引起一系列的压力波动，将特性信息从井筒向上传输到地面接收器。压力波动经由钻井液向地面传播并在地表或在最接近地表的位置被压力传感器接收。所接收的压力信号被处理以便重建特性信息。压力波动能够被生成为正脉动、负脉动和连续波的形式。这些形式能够借助振荡阀产生，该振荡阀关闭和/或打开从而引起钻井液压力增大和/或减小。例如，利用阀的短暂关闭产生正脉动，以将钻井液限制在钻杆(drilling pipe)内，从而使钻井液压力增大。产生这种泥衆脉动压力的井下工具/装置在本领域中被称为泥浆脉动器。
[0003]在多数情况下，需要一种用于在地下井中井下遥测的高速泥浆脉动器，因为较高的数据传输速率能够使测量分辨率和更详细的地层信息和方向信息的量增加，从而支持更快的穿进速度。例如，在10英尺/分钟的钻探速率下的4比特每秒的常规取样率(bps)提供24比特/英尺(的数据速率)，而在100英尺/分钟下的40bps提供了相同的每英尺钻探的数据速率。本申请描述了一种使用泥浆作为动力的惯性驱动器的高速率泥浆脉动器，该驱动器使用加速了井下阀的运动，以获得增大的数据速率。
【发明内容】
[0004]本申请涉及一种在地下井钻探期间产生泥浆流压力波动的泥浆脉动器。根据本申请的一方面，在用于内部有钻井液流动的钻柱中使用泥浆脉动遥测工具。该泥浆脉动遥测工具可包括设置在钻柱中的脉动器和用于驱动脉动器的驱动系统。该脉动器可包括不旋转的泥浆脉动定子和靠近该定子设置的泥浆脉动转子。该驱动系统可包括涡轮定子、涡轮转子和以磁力方式联接到该涡轮转子的可旋转惯性构件。该惯性构件的第一端可以可操作地连接到泥浆脉动转子。
[0005]在一些具体方案中，在泥浆脉动遥测工具中，可借助磁耦合部将转动能从涡轮转子传输到可旋转惯性构件。该可旋转惯性构件的第二端可以可操作地连接到辅助马达，该辅助马达适于追加由驱动系统施加到可旋转惯性构件的转动能。该泥浆脉动遥测工具还可包括在泥浆脉动转子与涡轮转子之间居中设置的齿轮组。该齿轮组可具有第一旋转输入构件和至少一个旋转输出构件。该齿轮组可适于从涡轮转子向泥浆脉动转子传输转动能。
[0006]在某些具体方案中，齿轮组还可包括在齿轮组的输入构件与输出构件之间设置的至少一个中间齿轮构件。泥浆脉动遥测工具还可包括可操作地连接至齿轮组的至少一个中间齿轮构件的至少一个离合器。多个离合器可适于从可旋转惯性构件向泥浆脉动转子传送转动能的同步突发脉动(synchronized bursts)。[0007]可以包括转速传感器，该转速传感器适于向处理器输出可旋转的惯性构件的转速方面的数据。该处理器可计算并输出信号以启动至少一个离合器，使其接合并且从可旋转的惯性构件向泥浆脉动转子传送转动能。处理器可基于可旋转的惯性构件的转速和质量的输入数据来计算离合器接合所用的时间周期。
[0008]泥浆脉动遥测工具还可包括设置在扭杆基座与泥浆脉动转子轴之间的可弹性变形的扭杆。当该扭杆从扭杆基座向泥浆脉动转子传输转矩时该扭杆可变形并储存弹性能，以及释放所储存的弹性能以提供恢复转矩的反向旋转。
[0009]根据本申请的另一方面，本申请描述了 一种在内部有钻井液流动的钻柱中使用的泥浆脉动遥测的方法。该方法包括在钻柱中设置的泥浆脉动遥测工具。该泥浆脉动遥测工具可包括:脉动器，其具有不旋转的泥浆脉动定子和靠近该定子的泥浆脉动转子；以及驱动系统，其具有涡轮定子、涡轮转子和可旋转的惯性构件。钻井液沿钻柱向下流动并经过该泥浆脉动遥测工具。可借助流经遥测工具的钻井液使该涡轮转子旋转。可旋转的惯性构件可借助该构件到驱动系统的旋转的涡轮转子的磁耦合部而被旋转并储存势能。可旋转的惯性构件可向泥浆脉动转子传输转动能。随后可使泥浆脉动转子在可控的旋转式振荡运动下被加速，以阻挡钻井液流过泥浆脉动定子，从而在钻柱的钻井液中产生多个正压力脉动。
[0010]在更具体的方案中，该方法还可包括使联接到可旋转的惯性构件的辅助马达旋转，以增加可旋转的惯性构件的转动能。可在齿轮组中设置多个离合器，用以从可旋转的惯性构件向泥浆脉动转子输送转动能的同步突发脉动。包括来自转速传感器的旋转惯性构件转速的数据可被输出并接收到处理器中，该处理器计算并输出用于至少一个离合器的启动信号。在接收了启动信号之后，上述至少一个离合器可接合以从可旋转的惯性构件向泥浆脉动转子传送转动能。可基于所输入的可旋转的惯性构件的转速和质量的数据来计算离合器接合所用的时间周期。
[0011 ] 该方法还可包括通过利用储存在旋转的可旋转惯性构件中的势能来缩短使泥浆脉动转子旋转的加速时间(ramp up time，等待时间)。还可设置另外的离合器来缩短离合器的再加载时间。可以设置可弹性变形的扭杆，使其联接到泥浆脉动器。可通过利用扭杆中所储存的弹性能使该泥浆脉动器从振荡位置转回到中性位置。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]附图和下文的说明描述了一个或多个实施例的详细内容。通过阅读以下的说明、附图和权利要求书，将使本申请的其它特征、目的和优点更加显而易见。
[0013]图1示出在井筒的钻井作业中使用的钻机的示意图；
[0014]图2是根据本申请的示例性泥浆脉动遥测工具的端视图；
[0015]图3是根据本申请的示例性泥浆脉动遥测工具的A-A剖视图；
[0016]图3A是图3的A-A截面的放大的局部视图；
[0017]图4是根据本申请的该示例性泥浆脉动遥测工具的B-B剖视图；
[0018]图5是根据本申请的该示例性泥浆脉动遥测工具的C-C剖视图；
[0019]图6是根据本申请的该示例性泥浆脉动遥测工具的D-D剖视图；以及
[0020]图7示出根据本申请的使用该示例性泥浆脉动遥测工具来产生高取样率信号的示例性方法。 [0021 ] 各图中相似的附图标记表示相似的元件。
【具体实施方式】
[0022]图1示出在井筒11的钻井作业中使用的钻机10的示意图。钻机10可由机械、电、液压、气动和其它形式的动力源提供动力。钻机10可使用缆线、金属钻杆、塑料钻杆或盘管来提升和降低钻头92进行钻探。在图1所示的示例中，泵12使钻井液30 (在该领域也称为钻探泥衆)经过钻柱90向下循环通过井下钻具组合(bottom hole assembly)80、经过钻头92并通过位于钻柱90与井孔壁16之间的环空15回到地面。
[0023]井下钻具组合80可包括多个传感器模块20、22和24中的任一个，它们可包括地层评估传感器和方向传感器。这些传感器是本领域众所周知的，故不再进一步描述。井下钻具组合80还包含引起钻井液中的压力波动的泥浆脉动遥测工具100。压力波动或脉动通过钻柱90中的钻井液传播到地面，并在地面处被设置在连接至泥浆泵12的排出侧的排出管19上的任何数量的传感器18探测。应理解的是，压力传感器18可位于将钻井液运送到井筒11中的钻柱90的管道系统中的另一位置。传感器18可以是用于测量由井下钻具组合80产生并将钻井液柱向上传输到地面的脉动的压力转换器或类似装置。在本领域中，由钻柱向上经由钻探泥浆柱传输数据被称为泥浆脉动遥测。
[0024]控制单元24(其可以是包括处理器、存储器、输入/输出接口和网络通信装置的计算设备)接收、处理并存储通过泥浆脉动遥测而传输到传感器的数据。控制单元24可向井筒中的设备输出信号，或者将接收到的数据传输到远离控制单元24的其它位置。
[0025]控制单元24可接收例如转速的数据，并计算用于泥浆脉动遥测工具100的启动参数和输入。控制单元24能够控制泥浆脉动遥测工具100以产生高速脉动信号并接收测得的压力波动来分析钻井状况。高的脉动率对应于高取样率，由此提高了测量分辨率并允许对压力波动中包含的特性信息的进行更详细的分析。例如，在10英尺/分的钻探速率下每秒4bps的常用取样率提供24比特/英尺(的数据速率)，然而100英尺/分下40bps速率提供每英尺钻井的相同数据速率。
[0026]图2是根据本申请的示例性泥浆脉动遥测工具100的端视图。该端视图是从上向下观看井筒11并沿着钻井液在内部沿钻铤(drill collar) 110向下流动(即，钻井液流入纸页内)的方向(观看)。该钻井液可以是如图1所示的钻井液30。钻井液经由多开口脉动器钻井液通路120进入并经过泥浆脉动定子210进入脉动器200 (图3中所示)。驱动系统300使脉动器200振荡以间歇地改变脉动器钻井液通路120的开口面积，以生成各种等级的流动限制(flow restriction)。这种流动限制引起钻井液中的压力波动。该压力波动被度量为泥浆脉动遥测数据。图3示出用以进一步阐示脉动器200和驱动系统300的A-A剖视图。
[0027]脉动器钻井液通路120可以是在泥浆脉动器定子210中均匀或不均匀地分布的几何形状相同或不同的多个开口。在图2中所示的实施方式中，脉动器钻井液通路120包括在泥浆脉动定子210中均匀地分布的六个几何形状相同的开口。这些开口大约覆盖与六个支撑辐相同的面积，使得用于关闭每个开口的可动部件(例如阀)可设于每个辐之后。在一些实施方式中，可以有不同数量的开口和辐，例如4、8、12等。开口的均匀分布是优选但非必要的。在工作期间，可动部件可沿正向旋转来关闭脉动器钻井液通路120，并沿反向旋转将其打开。此运动可被称为振荡，振荡的角度可随工具的几何形状而不同。
[0028]图3是根据本申请的示例性泥浆脉动遥测工具100的A-A剖视图。该泥浆脉动遥测工具100能被用作如图1所示的钻柱90 (其具有在钻铤110内流动的钻井液30)中使用的泥浆脉动遥测工具100。在图3中所示的实施方式中，泥浆脉动遥测工具100包括脉动器200和驱动系统300。脉动器200由驱动系统300驱动而生成针对钻井液的不同流动限制等级。脉动器200包括固定在钻铤110内的泥浆脉动定子210和靠近泥浆脉动定子210设置以形成可变的压力间隙的泥浆脉动转子220。
[0029]在图3中所示的实施方式中，泥浆脉动定子具有将钻井液转移到脉动器钻井液通路120的圆锥形鼻结构。该圆锥形鼻结构可与推进器的鼻锥功能类似:将来流均匀地转移到周向。因为钻铤110的直径是恒定值，所以随着钻井液接近脉动器钻井液通路120，该圆锥形鼻结构的横截面积减小，因此提高了钻井液的速度以及压力。
[0030]泥浆脉动转子220可具有与泥浆脉动定子相同的径向截面。当泥浆脉动转子220相对泥浆脉动定子210旋转时，脉动器钻井液通路120将部分或完全关闭。泥浆脉动转子220以本领域中称为“压力间隙”的余隙被置于泥浆脉动定子210之后，该余隙能够被调整以改变压力脉动的幅值。泥浆脉动转子220可前后振荡以关闭和打开脉动器钻井液通路120。泥浆脉动转子220打开钻井液通路120的方向可被定义为正旋方向，而关闭方向可被定义为反旋方向。
[0031]可在泥浆脉动定子210上安装物理限位器和制动器，以控制泥浆脉动转子220的行进端和加速率/减速率。例如，可设置可调限位器以防止泥浆脉动转子220完全关闭脉动器钻井液通路120。这种可调限位器能够改变最大正压力峰值的幅值，即较大的通路开口对应于较小的压力峰值。制动器可用来改变一个振荡循环中的压力峰值的时刻，以及持续时间和压力峰值的量级。例如，较长的制动持续时间可在较长的发生持续时间产生较低的压力峰值。
[0032]泥浆脉动转子220经由泥浆脉动转子轴240连接至驱动系统300。泥浆脉动转子轴240传输用于关闭脉动器钻井液通路120的启动转矩和用于打开脉动器钻井液通路120的恢复转矩。启动转矩由与机械旋转动力源连接的旋转输出构件344来提供。恢复转矩由扭杆390提供，当扭杆390由于泥浆脉动转子轴240旋转而变形时释放所储存的弹性能。关闭和打开脉动器钻井液通路120的动作产生能够被遥测传感器测得的压力波动(即脉动)。
[0033]压力波动内的遥测数据可包括钻井机械信息。例如，该遥测数据可包括例如井下振动的类型和严重度、钻井液量等钻井机械信息。作业人员可使用该数据来控制钻井作业，以便更高效地进行钻探并防止工具发生故障。
[0034]在图2中所示的实施方式中，使用泥浆脉动转子220和泥浆脉动定子210来产生正脉动。在中性位置，泥浆脉动转子220完全位于泥浆脉动定子210之后，形成最大钻井液通路120。在触发脉动期间，泥浆脉动转子220被致动以部分或完全关闭钻井液通路。这样就增大了流阻并进而增大了流动压力，生成正压力峰值。
[0035]在一些实施方式中，泥浆脉动转子220与泥浆脉动定子210可被用来产生负脉动。例如，泥浆脉动转子220可设在局部打开的位置以供钻井液通过。泥浆脉动转子220随后被致动，以通过泥浆脉动转子轴240进一步打开钻井液通路120。这样就生成负压脉动。
[0036]在一些实施方式中，泥浆脉动转子220与泥浆脉动定子210可被用来产生用于遥测测量的连续波。例如，泥浆脉动转子220可连续地关闭和打开阀，以在钻井液内产生例如正弦波的压力波动。可使用具有连续相的任何数字调制方案在载波信号上施加信息(例如，连续相调制)。
[0037]驱动系统300包括涡轮定子310、涡轮转子320、联接到涡轮转子320的可旋转惯性构件330以及将惯性构件330经由泥浆脉动转子轴240连接到泥浆脉动转子220的传动装置。涡轮定子310与第二级流体换向器312结为一体，该第二级流体换向器312进一步转移通过脉动器200的钻井液。第二级流体换向器312正好置于泥浆脉动转子220之后并形成类似泥浆脉动定子210的鼻结构的圆锥形状。第二级流体换向器312将流来的钻井液均匀地转移到周部，涡轮定子310的调节结构在该周部钻井液进行调节和过滤。涡轮定子310的调节结构以支撑方式接触钻铤110，并将涡轮定子310和与涡轮定子310组装在一起的其它机械结构附连及对中到钻铤110。
[0038]涡轮定子310与容置惯性构件330的惯性构件壳体332结为一体，涡轮定子310通过磁耦合部360与涡轮转子320以磁力方式联接。涡轮转子320接收来自涡轮定子310的加速的、经调节并过滤的钻井液，并将钻井液所携带的动能部分地转换成储存到涡轮转子320中的转动动能。该转换过程类似风力涡轮的转换过程，在该风力涡轮中流体的平动在刀片上施加压力。表面区域上的压力导致产生这样一个力:该力所包括的方向分量驱动刀片旋转。涡轮转子320由至少两组轴承385轴向支撑。
[0039]轴承385可以是轴向旋转轴承，例如滑动轴承、滚动元件轴承、流体轴承、磁轴承、以及这些和/或其它能够支撑轴无显著摩擦地旋转的轴承的组合。在图3中所示的实施方式中，轴承385是滚动元件轴承。涡轮转子320由围绕涡轮转子轴承座387设置的若干滚子支撑，并通过相应的密封件388与钻井液隔绝。在一些实施方式中，轴承385可以是滑动轴承，例如颈轴承、套筒轴承和来福轴承。滑动轴承与涡轮转子320之间的接触可以被良好地润滑。在一些实施方式中，轴承385可以是使涡轮转子320绕惯性构件壳体332悬浮的磁轴承。
[0040]涡轮转子320经由磁耦合部360与惯性构件330联接。惯性构件330能够在多个惯性构件轴承380上自由地旋转。惯性构件轴承380被靠近惯性构件330的两端设置，并被安装在惯性构件壳体332中。磁耦合部360可包括若干个两件式构件。每个所述两件式构件具有安装到惯性构件330上的第一部件和安装到涡轮转子320上的第二部件(图中未示)。第一部件和第二部件经由磁场相互吸引。例如，第一部件的南极可被设置在第二部件的北极附近并被吸引到第二部件的北极，反之亦然。在一些实施方式中，如果涡轮转子320由磁性材料制成(例如铁、赭石、永磁体或其它磁性材料)，则可省略第二部件。在此情况下，磁耦合部360可包括若干一件式构件，其被实施为坚固的磁体，并分别使惯性构件330与涡轮转子320变为第一部件与第二部件中。
[0041]可将一列第一部件以均匀分布的间隔安装在惯性构件330上；并且可将一列第二部件以均匀分布的间隔安装在涡轮转子320上。在工作期间，该列第二部件与涡轮转子320一起旋转，产生吸引惯性构件330的第一部件沿相同方向旋转的回转磁场。第一部件与第二部件可以是永磁体、电磁体和/或两者的组合。永磁体可允许具有更简单且更可靠的结构，同时电磁体可实现更好控制管理(例如，接合量级、相等)。
[0042]因为磁耦合部360为一种间接的连接，所以可允许每个运动构件发生突然运动中断而不同时冲击另一联接的构件。例如，在工作期间输出能量以加速泥浆脉动转子220时，惯性构件330可经历突然减速；而涡轮转子320由于间接连接而可不经历类似的突然减速。这样就提供了平稳的工作状况，而不会额外产生钻井液的显著的噪声。另一方面，间接连接会使惯性构件330永久性相位延迟，这样不会具有达到与涡轮转子320相同速度的工况。
[0043]惯性构件轴承可以是轴向旋转轴承,例如滑动轴承、滚动元件轴承、流体轴承、磁轴承、以及这些和/或其它能够支撑轴无显著摩擦地旋转的轴承的组合。在图3中所示的实施方式中，惯性构件轴承380是滚动元件轴承。惯性构件330由设置在惯性构件壳体332内的若干滚子支撑。在一些实施方式中，惯性构件轴承380可以是滑动轴承，例如颈轴承、套筒轴承和来福轴承。滑动轴承与惯性构件330之间的接触可以被良好地润滑。在一些实施方式中，惯性构件轴承380可以是使惯性构件330在惯性构件壳体332内悬浮的磁轴承。
[0044]惯性构件330可由密度特别大的材料制成，例如铅、钨、锌、铜、不锈钢、这些或具有高密度的其它金属的组合。在一些实施方式中，惯性构件330可包括若干成分、若干层材料、以及/或者异构铸件。例如，可使用密度较大和较昂贵的材料，例如黄金、白金、铑等来形成外层或外部成分，同时使用密度较小或者较低成本的材料(例如钢)来形成芯部。这样能够平衡对于更高密度和可接受的成本的需求。
[0045]惯性构件330以机械方式联接到旋转输入构件342。例如，在图3中所示的实施方式中，惯性构件330内部接合旋转输入构件342 (例如，与齿轮齿啮合)。旋转输入构件342以由齿轮构件轴承355支撑的四个或任何数量的中间齿轮构件346b与传动装置接合。转动可从惯性构件330传输到旋转输入构件342，然后传输到中间齿轮构件346b。当一组四个或任何数量的离合器350接合时，此能量被进一步传送到另外四个或任何数量的中间齿轮构件346a。中间齿轮构件346a随后将能量传送到旋转输出构件344。旋转输出构件344随后将能量传送到泥浆脉动转子轴240，旋转输出构件344由多个泥浆脉动转子轴承315支撑并由泥浆脉动转子轴封314密封。
[0046]在图3所示的实施方式中，泥浆脉动转子轴承315仅沿径向约束并支撑泥浆脉动转子轴240，并且泥浆脉动转子轴240能够沿其轴向移动。在其它一些实施方式中，泥浆脉动转子轴承315可被沿轴向约束，以便借助轴环内的另一马达和滚珠螺杆沿轴向滑动整个转子和驱动组件，以调整压力间隙。泥浆脉动转子轴封314密封驱动系统的内部传动装置以避免潜在的污染，防止钻井液进入泥浆脉动转子220。因此，惯性构件330将来自涡轮转子320的钻井液的部分动能传输到旋转输入构件342，然后传输到经由一组离合器350联接的中间齿轮构件346b和346a传输到旋转输出构件344，最后传输到泥浆脉动转子轴240和泥浆脉动转子220。
[0047]通过控制泥浆脉动转子220的打开和关闭运动而产生数据传输。脉动器的有效数据速率的一个主要分量是时间周期，用以打开及关闭泥浆脉动转子220 (或大体为相似的阀)。泥浆脉动转子220的惯性矩与可用的启动转矩决定着这种振荡操作的加速率。通过利用惯性构件330储存的动能，能够将即时的、大的转矩供给到泥浆脉动转子220，从而提高加速率。在图3所示的实施方式中，通过齿轮与离合器的直接驱动链(例如中间齿轮构件346a、346b以及离合器350)引导所储存的动能的输送。在一些实施方式中，其它动力传输方案也是可行的。离合器350包括一个或多个离合器用以控制惯性构件330与泥浆脉动转子220之间的动力传输。在一些实施方式中，可使用多个离合器以受控的时序进行接通或断开，以提高脉动率并且忽视可能出现的离合器装置的加载或卸载时间的更慢速率。
[0048]齿轮构件轴承355和泥浆脉动转子轴承315可以是轴向旋转轴承，例如滑动轴承、滚动元件轴承、流体轴承、磁轴承、以及这些和/或其它能够支撑轴无显著摩擦地旋转的其它轴承的组合。在图3所示的实施方式中，齿轮构件轴承355与泥浆脉动转子轴承315是滚动元件轴承。中间齿轮构件346a和346b由设置到齿轮壳体335中的若干滚子球支撑。每个中间齿轮构件均能够沿轴向平移。泥浆脉动转子轴240由至少三组滚珠轴承支撑，这些滚珠轴承排列成行以接受沿径向的加载。
[0049]在一些实施方式中，齿轮构件轴承355和泥浆脉动转子轴承315可以是滑动轴承，例如颈轴承、套筒轴承和来福轴承。滑动轴承与中间齿轮构件346a、346b以及泥浆脉动转子轴240之间的接触可被良好地润滑。在一些实施方式中，齿轮构件轴承355和泥浆脉动转子轴承315可以是使中间齿轮构件346a、346b以及泥浆脉动转子轴240悬浮在齿轮构件轴承355与泥浆脉动转子轴承315内的磁轴承。
[0050]齿轮构件轴承355安装在与涡轮定子310结合为一体的齿轮壳体335中。齿轮壳体335可包含多个用于齿轮构件轴承355的安置室。例如，在图3所示的实施方式中，齿轮壳体335包含用于16个齿轮构件轴承355的16个安置室。轴承355使中间齿轮构件346a、346b能够轴向移动，使得齿轮构件346a、346b能够通过启动离合器350而联接和脱联接。
[0051]涡轮转子320将从所流过的钻井液中吸收的转动能传输给惯性构件330。在图3中所示的实施方式中，辅助马达340能够进一步为惯性构件330追加转动能，以获得期望的转速。辅助马达340能够在后端通过齿轮组345与惯性构件330接合。辅助马达340安装在惯性构件壳体332中，该壳体附连到惯性构件壳体基座395。惯性构件壳体基座395可以经由其它结构(图中未示)附连到钻铤110。涡轮定子310和惯性构件壳体基座395使驱动系统300附连到泥浆脉动遥测工具100。
[0052]速度传感器370可靠近传动装置壳体305中的旋转输入构件342被安装，以监控可旋转的惯性构件330的运转速度。速度传感器370可以是包括由线圈围绕的永磁体的磁性感应传感器。速度传感器370可与旋转输入构件342的齿保持一气隙。速度传感器370的输出电压随着输入构件342的转速而变化，从而指示转速。还可以使用其它类型的速度传感器，例如光学传感器。
[0053]由速度传感器370收集的速度数据可用于处理惯性构件330的工作状况。处理的结果可被用于产生用于离合器350的启动信号。处理的结果也可被用来确定是否需要启动辅助马达340来为惯性构件330追加动力，以使其保持在一定转速。
[0054]在后端，惯性构件壳体332封围扭杆基座392，其能够借助调整螺杆391来改变惯性构件壳体332与惯性构件壳体基座395之间的相对位置。扭杆基座392经由扭杆390及泥浆脉动转子轴240连接到泥浆脉动转子220。因此，调整螺杆391通过改变惯性构件壳体332与惯性构件壳体基座395之间的相对位置，能够间接地改变泥浆脉动转子轴240与泥浆脉动转子220相对于泥浆脉动定子210的相对位置(即压力间隙)。在一些实施例中，具有沿轴向被约束的轴承315的整个驱动及转子组件可在轴环内部滑动，以便调整压力间隙。
[0055]惯性构件壳体332支撑涡轮转子轴承座387，涡轮转子轴承座387接纳涡轮转子320的涡轮转子轴承385。涡轮转子轴承385沿径向支撑涡轮转子320。轴承385可以是轴向旋转轴承，例如滑动轴承、滚动元件轴承、流体轴承、磁轴承、以及这些和/或其它能够支撑轴无显著摩擦地旋转的轴承的组合。在图3中所示的实施方式中，轴承385是滚动元件轴承。涡轮转子320由围绕涡轮转子轴承座387设置的若干滚子支撑，并通过相应的密封件388与钻井液隔绝。在一些实施方式中，轴承385可以是滑动轴承，例如颈轴承、套筒轴承和来福轴承。滑动轴承与涡轮转子320之间的接触可被良好地润滑。在一些实施方式中，轴承385可以是使涡轮转子320围绕惯性构件壳体332悬浮的磁轴承。
[0056]在工作期间，钻井液经由钻井液通路120进入泥浆脉动定子210。泥浆脉动转子220可以以振荡方式关闭和打开钻井液通路120。泥浆脉动转子220被泥浆脉动转子轴240致动，该泥浆脉动转子轴240从旋转输出构件344接收旋转动力。旋转输出构件344经由包含中间齿轮构件346a、346b及离合器350的传动机构而被旋转输入构件342致动。旋转输入构件342与惯性构件330结合为一体，该惯性构件与涡轮转子320以磁力方式联接并与辅助马达340以机械方式联接。涡轮转子320将钻井液的一部分动能传送到惯性构件330的转动能之中。
[0057]相对于泥浆脉动转子220和从旋转输入构件342到泥浆脉动转子轴240的驱动链，惯性构件330具有大得多的惯性。这样就使得旋转惯性构件330能够充当动量储蓄器。当离合器350接合惯性构件330与泥浆脉动转子220之间的传动链时，能够获得用于泥浆脉动转子220的大的加速度。这使得能够大幅缩短泥浆脉动转子220从中性位置移动到关闭位置的加速时间。扭杆390在致动过程中弹性变形。当离合器350脱联接以释放泥浆脉动转子220时，扭杆390释放所储存的弹性能并使泥浆脉动转子220返回中性位置。
[0058]图3中所示的部件可以由足够坚固而能实现其功能的材料制成。例如，在某些设计参数下，扭杆390应由这样的材料制成，其使得当加载时将使泥浆脉动转子返回打开位置，但是将不允许发生塑性变形。
[0059]图3A是根据本申请的示例性泥浆脉动遥测工具100的局部A-A截面的放大图。该放大视图示出使用离合器350来联接与脱联接中间齿轮构件346a和346b的一个实施例的细节。四个离合器350被用于四个组的中间齿轮构件346a和346b。每个离合器350包括接纳式离合器联轴器410、伸出式离合器联轴器440、离合器轴承430和离合器致动器420。接纳式离合器联轴器410能够通过使伸出式离合器的齿450接合到接纳式离合器联轴器410中而与伸出式离合器联轴器440联接。在工作期间，离合器致动器420沿轴向平移与中间齿轮构件346b —体的接纳式离合器联轴器410以与伸出式离合器联轴器440接合。
[0060]离合器致动器420可以是预先被弹簧拉伸的，使得当离合器致动器420关闭时，接纳式离合器联轴器410可在弹簧的致动之下返回原始的位置。离合器轴承430允许预拉伸的弹簧作用在中间齿轮构件346b上而不沿轴向产生显著的摩擦。接纳式离合器联轴器410可通过使用六角形截面的配件、键配件或其它防止相对旋转运动的连接装置而与中间齿轮构件346b结合为一体。类似地，伸出式离合器联轴器440可通过使用六角形截面的配件、键配件或其它防止相对旋转运动的连接装置而与中间齿轮构件346a结合为一体。
[0061]在一些实施方式中，离合器350可使用其它类型的离合器，例如摩擦或电磁离合器，其在接合时联接两个轴与摩擦板。多种材料能够被用于这样的圆盘摩擦衬片，这些材料典型地为具有铜线衬片的化合物有机树脂或陶瓷材料。
[0062]图4是根据本申请的示例性泥浆脉动遥测工具100的B-B剖视图。在此视角下泥浆流出纸页平面。在一些实施方式中，泥浆脉动转子220可具有肋加固结构，使得能够使用更少的材料并能够减轻泥浆脉动转子220的总重量。这样还允许泥浆脉动转子220具有与其质量成比例且对致动输入具有更大响应的小惯性。
[0063]泥浆脉动转子轴240借助泥浆脉动转子键230而向泥浆脉动转子220传输转矩。泥浆脉动转子键230可以是普通平键、半圆键、锥形键或其它类型的键(例如苏格兰键)。轴与转子之间的连接也可利用花键或过盈配合接口和/或其它类似技术。
[0064]图5是根据本申请的示例性泥浆脉动遥测工具100的C-C剖视图。四个中间行星齿轮构件346a围绕附连到旋转输出构件344的太阳轮均匀地分布。在一些实施方式中，可使用不同数量的中间齿轮构件346a，例如8个、12个等。增大的数量可允许传输更大的转矩；然而，其也会增加系统的复杂性，因而降低可靠性并增加成本。扭杆390通过使用六角形截面而与旋转输出构件344联接。齿轮壳体335可以以能够进行设计的润滑的余隙包围中间齿轮构件。例如，如果在长的维护周期中使用粘性润滑剂，则余隙可较小，如果为高速运转而使用粘性较小的润滑剂，则余隙可较大。
[0065]涡轮定子310安装在传动装置壳体305上并相对于钻铤110被固定。涡轮定子310可具有在钻铤110内部沿周向均匀地分布的多个刀片。在图6中所示的实施方式中，涡轮定子310具有12个窄刀片，每个刀片均形成螺旋形状以接收流来的钻井液。涡轮定子的刀片迫使钻井液顺应该螺旋形状以向钻井液施加一旋转速度。这种加速的旋转速度稍后将被作用在涡轮转子320上以实现更高效的操作。在一些实施方式中，涡轮定子310可具有不同数量的刀片，且每个刀片可具有不同螺旋形状或节距，其由预期的钻井液速度、密度、粘度和其它物理因素确定。例如，对于相对高速、低密度和/或低粘度的钻井液，大数量(即15个、20个等)的较小节距的螺旋形刀片可以提高性能，反之亦然。
[0066]图6是根据本申请的示例性泥浆脉动遥测工具100的D-D剖视图。另外四个中间行星齿轮构件346b围绕附连到旋转输入构件342的太阳轮均匀分布。在一些实施方式中，可使用不同数量的中间齿轮构件346b，例如8个、12个等。增大的数量使得能够传输更大的转矩；然而这样也会增加系统复杂性，从而降低可靠性并增加成本。通过使用圆形开口形成余隙截面(即，旋转输入构件342的圆柱形内部能够以相当的余隙相对于扭杆390的圆柱形外部自由地旋转)，使扭杆390与旋转输入构件342脱联接并脱离接合。惯性构件壳体332与传动装置壳体305可将中间齿轮构件包围在能够进行期望的润滑的室中。
[0067]涡轮转子320绕惯性构件壳体332自由地旋转。涡轮转子320被钻井液(其在井下沿被示出为进入页面的方向流动)致动。涡轮转子320可具有在钻铤110内部沿周向均匀地分布的多个刀片。在图6中所示的实施方式中，涡轮转子320具有10个窄刀片，每个刀片均形成螺旋形状以接收流来的钻井液。该钻井液作用在刀片上并使得涡轮转子320旋转，因为钻井液在跟随螺旋形状时被迫改变其动量的方向，生成施加用于涡轮转子320的旋转的转矩的力分量。在一些实施方式中，涡轮转子320可以具有不同数量的刀片，每个刀片可以具有不同的螺旋形状或节距，其由预期的钻井液速度、密度、粘度和其它物理因素确定。例如，对于具有相对高速、低密度和/或低粘度的钻井液，大数量(即12个、16个等)且较小节距的螺旋形刀片可提高性能，反之亦然。
[0068]图7示出根据本申请的使用示例性泥浆脉动遥测工具以产生高取样率信号的示例性方法。在步骤705，将例如图1中的泥浆脉动遥测工具100的泥浆脉动遥测工具设置在钻柱中。泥浆脉动遥测工具可包括在钻井液中产生压力波动的机构、测量速度和压力的传感装置以及致动(触发)脉动遥测工具的致动装置。例如，产生压力波动的机构可以是脉动器200，而致动装置可以是图3的驱动系统300。
[0069]在步骤710，钻井液通过泥浆脉动遥测工具向下流动。钻井液可以是水基流体、非水基流体和气动流体。例如，钻井液可以是水、盐水和其它水基流体(例如胶质粘土、粘土和聚合物，以及聚合物流体)。该钻井液也可以是合成流体(例如植物酯、聚α烯烃、内烯烃、线性α烯烃、合成石蜡、醚和线性烷基苯)、柴油、矿物油和其它非水基流体。气动流体可包括干气、雾气、泡沫、气化泥浆和/或其它的类型。
[0070]在步骤715，钻井液使泥浆脉动遥测工具的涡轮转子旋转。涡轮转子吸收所经过的钻井液的一部分动能而旋转。在步骤720，涡轮转子经由磁耦合部将转动能传送到可旋转的惯性构件。该可旋转的惯性构件还连接至辅助马达。这种连接可以是直接的、磁性的或摩擦离合器等。辅助马达可以协助惯性构件的初始启动和/或提供追加的转动能以达到期望的转速。因此，在步骤725，辅助马达可被旋转以协助可旋转的惯性构件旋转。
[0071]在步骤730，旋转的可旋转惯性构件已经达到期望的转速，并且在惯性构件中储存了一定量的动能。在该步骤中，动能由惯性构件的转速来量化。这可通过使用用于测量的转速传感器来实现，例如使用图3所示的实施方式中的转速传感器370。该量化过程可包括输出包括来自传感器的旋转的惯性构件的转速数据并接收处理器中的转速。在一些实施方式中，处理器随后计算并输出用于离合器传动装置的启动信号，使得例如如图3所示，离合器传动装置350能够被接合以将转动能从可旋转的惯性构件330传送到泥浆脉动转子220。
[0072]然后在步骤740，借助离合器传动装置将转动能传输到泥浆脉动器转子。在通过步骤730的量化处理之后，处理器然后能够计算并输出用于至少一个离合器的启动信号，使得该离合器能够将来自可旋转的惯性构件的转动能的同步突发脉动传送到泥浆脉动转子。这样就在步骤745使泥浆脉动转子的可控的旋转振荡运动加速。在一些实施方式中，可设置多个另外的离合器以缩短再加载时间。可使用处理器来基于所输入的可旋转的惯性构件的转速和质量的数据计算离合器接合的时间周期。通过利用旋转的可旋转惯性构件中储存的势能，能够大幅缩短使泥浆脉动转子旋转的加速时间。因此，储存在旋转的可旋转惯性构件中的能量也加快了脉动的开始。
[0073]在步骤750，泥浆脉动转子关闭钻井液通路，并因此阻挡钻井液流过泥浆脉动器。在步骤755，这样就生成了正压力脉动。在步骤760，由一系列压力传感器测量由泥浆脉动转子的振荡生成的压力脉动。在步骤765，处理所测得的数据。在脉动之间，设置联接到泥浆脉动器的可弹性变形的扭杆，以便使用储存在该扭杆中的弹性可以使泥浆脉动器从振荡(关闭)位置旋转回到中性(打开)位置。
[0074]以上描述了多个实施。然而应理解的是，可以对其做出多种更改。而且，方法300可包括比所示的那些步骤更少的步骤或者比所示的那些步骤更多的步骤。另外，所示的方法300的步骤可以按所示的相应顺序执行，或者按与所示出的顺序不同的顺序执行。作为一具体示例，方法300可同时地(例如，大体上或另外地)执行。其它步骤的顺序的变型也是可行的。因此，其它实施方式被涵盖于随附的权利要求书的范围内。
【权利要求】
1.一种在其内有钻井液流动的钻柱中使用的泥浆脉动遥测工具，所述工具包括: 脉动器，设置在所述钻柱中，所述脉动器包括: 不旋转的泥浆脉动定子，以及 泥浆脉动转子，靠近所述定子设置；以及 驱动系统，所述驱动系统包括: 涡轮定子， 涡轮转子， 可旋转惯性构件，以磁力方式联接到所述涡轮转子，所述惯性构件的第一端可操作地连接到所述泥浆脉动转子。
2.如权利要求1所述的工具，其中，借助磁耦合部将转动能从所述驱动系统的涡轮转子传输到所述可旋转惯性构件。
3.如权利要求1所述的工具，其中，所述可旋转惯性构件的第二端可操作地连接到辅助马达。
4.如权利要求3所述的工具，其中，所述辅助马达适于追加由所述驱动系统施加到所述可旋转惯性构件的转动能。
5.如权利要求1所述的工具，还包括在所述泥浆脉动转子与所述涡轮转子之间居中设置的齿轮组，所述齿轮组具有第一旋转输入构件和至少一个旋转输出构件，所述齿轮组适于从所述涡轮转子向所述泥浆脉动转子传输转动能。
6.如权利要求5所述的工具，其中，所述齿轮组还包括设置在所述齿轮组的输入构件与输出构件之间的至少一个中间齿轮构件。
7.如权利要求6所述的工具，`还包括可操作地连接至齿轮组的所述至少一个中间齿轮构件的至少一个离合器。
8.如权利要求7所述的工具，还包括适于将转动能的同步突发脉动从所述可旋转惯性构件向所述泥浆脉动转子传送的多个离合器。
9.如权利要求7所述的工具，还包括转速传感器，该转速传感器适于将所述可旋转惯性构件的转速的数据输出到处理器，所述处理器适于计算并输出信号，用以启动至少一个离合器使其接合并将转动能从所述可旋转惯性构件传送到所述泥浆脉动转子。
10.如权利要求9所述的工具，其中，所述处理器适于基于所述可旋转惯性构件的转速和质量的输入数据来计算所述离合器接合所用的时间周期。
11.如权利要求1所述的工具，还包括设置在所述扭杆基座与所述泥浆脉动转子轴之间的可弹性变形的扭杆，所述扭杆当从所述扭杆基座向所述泥浆脉动转子传输转矩时适于变形并储存弹性能，以及释放所述储存的弹性能以提供反向旋转恢复转矩。
12.一种用于在其内有钻井液流动的钻柱中使用的泥浆脉动遥测的方法，所述方法包括: 将泥浆脉动遥测工具设置在所述钻柱中，其中所述泥浆脉动遥测工具包括: 具有不旋转的泥浆脉动定子的脉动器和靠近所述定子设置的泥浆脉动转子，以及 驱动系统，具有涡轮定子、涡轮转子和可旋转惯性构件； 使钻井液沿所述钻柱向下流动并经过所述泥浆脉动遥测工具； 借助流过所述工具的钻井液使所述涡轮转子旋转；借助所述驱动系统的所述可旋转惯性构件到旋转的涡轮转子的磁耦合部，使所述可旋转惯性构件旋转； 在旋转的可旋转惯性构件中储存势能； 将转动能从所述可旋转惯性构件传输到所述泥浆脉动转子；以及使所述泥浆脉动转子在可控的旋转振荡运动中加速，以阻挡钻井液流过所述泥浆脉动定子，从而在所述钻柱的钻井液中产生多个正压力脉动。
13.如权利要求12所述的方法，还包括: 使联接到所述可旋转惯性构件的辅助马达旋转，以增加所述可旋转惯性构件的转动倉泛。
14.如权利要求12所述的方法，还包括: 在齿轮组中设置多个离合器； 从所述可旋转惯性构件经由所述离合器和齿轮组向所述泥浆脉动转子传送转动能的同步突发脉动。
15.如权利要求14所述的方法，还包括: 从转速传感器输出包括所述旋转的惯性构件的转速的数据； 将所述转速数据接收到处理器中； 由所述处理器计算并输出用于至少一个离合器的启动信号； 所述至少一个离合器接收所述启动信号并使所述离合器接合，以从所述可旋转惯性构件向所述泥浆脉动转子传送转动能。
16.如权利要求15所述的方法,还包括: 基于所输入的所述可旋转惯性构件的转速和质量的数据来计算所述离合器接合所用的时间周期。
17.如权利要求16所述的方法，还包括: 通过利用储存在旋转的惯性构件中的势能来缩短用于使所述泥浆脉动转子旋转的加速时间。
18.如权利要求11所述的方法，还包括: 通过利用储存在旋转的可旋转惯性构件中的势能来加快脉动的开始。
19.如权利要求11所述的方法，还包括: 设置另外的离合器，用以缩短所述离合器的再加载时间。
20.如权利要求11所述的方法，还包括: 将可弹性变形的扭杆 联接到所述泥浆脉动器；以及 利用所述扭杆中储存的弹性能使所述泥浆脉动器从振荡位置转回到中性位置。
【文档编号】G01V1/40GK103827695SQ201180073718
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2011年9月27日 优先权日:2011年9月27日
【发明者】马克·安东尼·斯特卡, 克里斯托弗·谢里尔, 丹尼尔·温斯洛 申请人:哈利伯顿能源服务公司