搅动器的制作方法

专利名称：搅动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种搅动器，尤其涉及用于在井下(downhole)环境中使用的搅动器。
背景技术：
本申请人提出了用于提供多种目的的井下油管柱(tubing string)搅动的不同的布置请参看诸如美国专利No.6,279,670和No.6,439,318以及国际专利申请WO 02/20940以及PCT/GB2004/004503，其公开此处并入以供参考。
在美国专利No.6,279,670所描述的搅动器布置中，提供了一种阀结构，所述阀结构通过阀提供了流动面积的周期性变化。这反过来在流经阀的流体中产生压力脉冲，这可以被用于激励冲击工具。为了保持流经搅动器的流体流，所述阀绝对不能完全关闭流动路径。
本发明的实施例涉及这样的搅动器布置的改进结构。

发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种搅动器，包括适于安装到支撑部件的主体；容积式马达，所述马达具有定子和转子，在使用中，所述转子通过在定子内横向地旋转和移动而振荡；以及阀，所述阀包括振荡的第一阀部件和固定的第二阀部件，每个阀部件限定阀开口并具有主纵向轴线，第一阀部件连接到转子，并相对第二阀部件可移动，在使用中，阀部件协作以集合地限定通过所述阀的变化的流动面积，所述阀部件开口中至少之一从各主纵向轴线偏移。
搅动器主要用于井下的应用中，诸如钻孔以获取地下碳氢承载地岩层(formations)，或者协助管、公开和装置的通过此类孔。
所述阀开口中至少之一的偏移方便了在通过阀开口所限定的最小和最大流动面积之间提供更大的变化。这协助对于横过搅动器对于给定的压力下降获得更大的压力脉冲。典型地，这通过安置开口来实现，以使至少在一个布置中所述开口重合，这样最大的流动面积对应于一个或者两个开口的流动面积。这与其中开口没有偏移的布置相对比在这种情况下，在转子振荡时，第一阀部件开口将围绕阀部件开口趋于跟随圆形路径，这样开口将通常不会重合。
一个开口或者两个开口可以是圆形的，这方便了制造和组装，尽管其它形式也可以被利用，如果需要的话。
所述开口可是相同或者相似的尺寸或者形状，并且优选地至少在转子的旋转的过程中一次，所述开口重合，这样通过所述阀的最大的流动面积与阀部件开口面积相同或者相似。
优选地，第一阀部件直接连接到转子，这样转子的旋转和横向运动被直接转送到所述阀部件。
第一阀部件开口可以安置在第一阀部件中心轴线或主轴线上或者与其相邻。这样所述开口将在部件振荡时形成基本圆形的路径。通过与这样的非偏移第一阀部件开口协力的偏移第二阀部件开口，就可以安置在各振荡的过程中开口的对齐。在这样的实施例中，通过阀的流动变化的频率将与马达的速度重合。
第一阀部件开口可以偏移；使用此结构，所述开口将趋向于描画椭圆路径，或者可以描画基本线性的横向路径。当与偏移第二阀开口协力利用时，所述开口可以在各振荡的过程中对齐一次。但是，如果与安置在第二阀部件主轴线上或者与其相邻的第二阀部件开口协作时，偏移第一阀部件使用时，所述开口在每次振荡的过程中对齐两次。在这样的实施例中，通过阀的流动变化的频率将是马达速度的两倍。
优选地，定子具有主纵向轴线，第一阀部件主轴线从定子轴线偏移。为了与非偏移第二阀部件开口一起使用，第一阀部件开口可以朝向定子轴线偏移。优选地，第一阀部件开口位于阀部件的半径的中心，其定向在与轴线相交的线具有在185和225度之间的角度上，并且更优选的是210度。这样的阀部件开口提供了更为有效的操作。但是，在第二阀部件开口偏移的地方，根据阀设计，第一阀部件开口位于半径的中心上，其与前述两个轴线相交的线在0或者180度位置上重合。然后，第二阀部件开口的取向被选择，这样所述开口的中心在第一阀部件的各振荡的过程中重合一次。
在其中两个开口是偏移的实施例中，开口正确地对齐是很重要的，以保证开口将重合。在一个实施例中，一个或者两个开口设置在带螺纹的插入件中，并且所述开口的取向可以通过限制插入件在螺纹的运动而被控制，例如通过在插入件接收凹槽中提供不同厚度的薄垫片。
优选地，通过阀的最大和最小流动面积之间的比值在10∶1和2.5∶1之间。最小的流动面积相对最大流动面积相对较小，相对高压差被需要横过马达以防止马达停转。但是，更高的压力差增加了马达和相关部件上的轴向载荷，并且增加了接触部分之间的摩擦。最大和最小流动面积之间的更小的差异需要更小的压力差，但是也提供更小的压力脉冲。
优选地，马达是Moineau原理马达。在这样的马达中，马达的操作需要提供至少一个整节距定子，其对应于单级。优选地，马达具有在一个和两个之间的级，并且优选地，级的数目大于或等于1.1并且小于或等于1.5。这提供了相对更短的马达，并且相对有力的定子。
优选地，主体包括转子制动件，以限制转子在反向方向上的轴向运动。在通常的操作中，转子将承受来自驱动流体的流体压力，并且响应压力的转子的轴向运动将通过阀部件之间的接触可能受到(至少部分地)阻碍。但是，在马达承受反向压力差的情况下，制动件将限制或者防止转子在相反的轴向方向上运动，并且这样防止或者限制对马达尤其是定子的损坏。优选地，制动件包括安装到转子之上的主体的表面，所述表面通常从转子间隔开，并且这样在马达的通常的操作的过程中没有磨损。
定子可以包括限定多个圆形突出物的弹性体衬垫，同时转子限定比定子少一个的圆形突出物。优选地，定子和转子之间具有一定的干涉，并且在优选的实施例中，干涉被选择以在操作温度上或者在基线温度70°F上至少为0.005英寸(0.127mm)。
优选地，阀部件具有协作表面，所述表面允许在其间形成滑动接触。典型地，所述表面是相对较硬的材料诸如硬质合金，以抵抗磨损。所述开口可以形成在表面中，并且所述开口的侧面优选地与表面相正交，并且这样限定正方形边。这样的边提供了更尖锐的压力脉冲，所述压力脉冲将提供更为有效的搅动。通常的做法是对这样的边形成倒角，以减小损失和磨损并容纳相对较脆的材料，诸如用于形成此部件的所述表面的硬质合金。令人惊讶地是，我们发现在正常使用中，相对尖锐的边并不趋向于被损坏或被磨损到任何可预见的程度。
优选地，第二阀部件开口导入到液体通道，并且所述通道的壁面可以通过插入件进行限定，所述插入件可以由防腐蚀材料，例如硬质合金(例如碳化钨)制成。通过通道的流动的变化导致流体被引向通道的壁，并且插入件阻碍对壁的腐蚀。
优选地，搅动器在1和40赫兹之间的脉冲频率上操作并且最为优选地6-30赫兹。
搅动器优选地适于安置在支撑部件中，诸如钻杆柱、铸件、衬垫或者盘管。搅动器可以定位成朝向支撑部件的引导端，这样支撑部件的端部承受搅动。可选地，搅动器可以安置在支撑部件的一个位置上，所述位置可能位于孔中的弯曲或者其它接近点上，在所述位置上，搅动将具有最大的效果以使得支撑部件很容易通过所述孔，或者方便重量从表面通过支撑部件传输。在其它的情况下，两个或者更多的搅动器可以安置在支撑部件中以提供对支撑部件的被选择部分或者支撑部件的整个长度的激励。
已经发现在向下钻孔的应用中，在支撑部件中提供搅动器可以显著地便利支撑部件通过孔。在旋转和滑动钻孔应用中，搅动器被发现增加了钻孔的速率和增加了被钻孔的长度。在卷绕管钻孔应用中，提供搅动器能够显著地减小或者消除螺旋锁定。
搅动器可以与相对柔软的支撑部件部分相组合，所述部分可以设置在搅动器之上或者之下。这样的部分将优选地弯曲并且这样趋向于保护定子发生弯曲。
搅动器可以与压力响应部件组合提供，并且特别是响应正压力脉冲而轴向延伸的冲击工具。
根据本发明的另外一方面提供了一种搅动器，包括适于安装到支撑部件的主体；容积式马达，所述容积式马达具有定子和转子；以及阀，所述阀包括第一阀部件和第二阀部件，每个阀部件限定阀开口并具有主纵向轴线，第一阀部件连接到转子并相对第二阀部件可移动，在使用中，阀部件协作以集合地限定通过阀的变化的流动面积，所述阀部件开口中至少之一从各主纵向轴线偏移。


本发明的这些和其它方面将从下述示例中并参照附图而详细说明，其中图1是根据本发明的优选实施例的搅动器的横截面视图；图2是图1的搅动器的上端端部的放大横截面图；图3是图1的搅动器的阀的一部分的放大的横截面视图；图4是图3的阀部分的端部视图；图5是图1的搅动器的静止阀板的端部视图；图6是可选阀板的视图。
具体实施例方式
现在将参照附图1，说明了根据本发明的优选实施例的搅动器10。所述搅动器包括细长管状主体12，用于形成油管柱(未示出)的一部分。相应地，形成主体的端部的辅助件14、15设有适当的盒和销16、17连接。主体12的中心部分形成Moineau原理容积式马达19的定子18。这样，定子18包括容纳弹性体主体22的金属套筒20，所述弹性体主体有效地限定较大的粗螺纹。不锈钢转子24延伸通过定子18并与定子主体22协作以产生一系列密封室。这些室或者腔在转子24被旋转时逐渐移动通过定子18。通过横过马达19施加足够的压力差，腔被有效地向下推动通过定子18，并且这样转子24被旋转。
在通常的操作中，横过马达19的压力差压力将趋于将转子24向下推动，并且，如上所述，此作用力被通过马达19所驱动的阀装置30所阻碍。但是，在特定的环境下，压力差可以在相反的方向上横过马达19施加，这样趋于将转子24向上推动。这样的向上的运动通过设置在弹性体主体22的上端和上辅助件14之间的转子端制动件32所阻碍，如图2中更为详细说明。图2说明了制动件32和转子24在通常的操作条件下的相对位置，并且可以注意到制动件32和转子24的上端之间具有间隙。相应地，制动件32和转子24之间通常没有接触。但是如果马达19承受了足以将转子24向上移动的反向压力差，转子24的端部将与制动件32相接触，这样其限制了转子24的轴向移动程度。这防止对定子体22造成损坏并限制转子24的运动。当压力差回到正常，转子24只移动较小的距离，并且这样在相反的方向上的转子运动通过阀装置30所减小时，没有机会来建立可能导致损坏的速度和动量。
如上所述，马达19被利用来驱动阀30，其操作以在通过搅动器10所泵取的流体中产生压力脉冲。压力脉冲通过改变经过阀30的流动面积而产生。这通过相对固定的第二阀板36移动振荡的第一阀板34来实现。振荡阀板34在图3、4中更为详细地显示，同时固定阀板36被显示在图5中。
可以注意到第一阀板34被直接安装到转子24的下端，所述下端从定子主体22延伸。特别地，阀板34被安装在具有带螺纹上端40的阀板38中，所述上端容纳在形成在转子24的端部中的对应带螺纹座42中。阀板34形成端口，这样流体可以流经端口44进入阀板38，然后通过由阀板34所限定的流动端口46。
第一阀板由实心硬质合金(tungsten carbide)所形成并缩紧配合到阀部件主体38中，其限定了主轴线A。此轴线A从定子的主轴线B偏移，并在转子34在定子18内旋转时限定圆形路径。相应地，与轴线A对齐的流动端口也描画了圆形路径。但是，从图3、4明显可见，流动端口46的中心线C从轴线A偏移。此外，流动端口46的中心线以从与轴线A、B相交的线I以210度的角度被安置在阀板34的半径R上。令人惊讶的是，使用搅动器10产生压力脉冲通过将流动端口46安置在此方向的正、负15度之内而被发现显著地得到改进。
第一阀板34的取向可以在通过在第一阀部件38和转子24之间提供垫片60而在组装的过程中被设置。通过选择不同厚度的垫片60，就可以变化带螺纹40、42配合的程度，这样控制流动端口46的方向。
第二阀板36相对主体固定，并且安装在第一阀板34之下，与板34、36的相对表面滑动接触。第二阀板36也限定流动端口48，并且在搅动器10中，流动端口48安置在主搅动器轴线B的中心上。第二阀板36由实心硬质合金所形成，并安装在管状支撑件50上(图1)。通过支撑件50的孔与抗腐蚀硬质合金套筒52成一条线。
流动端口46、48被形成在实心硬质合金部分中。所述硬质合金是较硬但是较脆的材料。在通常的情况下，这样的部分的边缘形成倒角，以最小化对脆性金属的损坏，并且在流体流经边缘之上的地方最小化损耗。但是，在本发明的此实施例中，限定流动端口46、48的不同的表面和阀板34、36的滑动接触表面是方形的并限定较尖锐的边缘。这样的边缘提供了更为尖锐的压力脉冲以提供更为有效的搅动。
在操作搅动器的过程中，转子24并且由此第一阀板34被旋转并在流体被通过马达泵取时横向移动。由于在第一阀板34中的流动端口46的偏心位置，流动端口46没有描画圆形路径，而是沿着横过第二阀板36的基本横向路径。这样，流动端口46、48基本在转子24的每次旋转中对齐两次，这样压力脉冲频率是转子速度的两倍。
可以注意到底部辅助件15包括被减小厚度的壁部分或者弯曲轮廓62。如果搅动器10被安置在孔的弯曲部分中，弯曲轮廓62将弯曲以容纳曲线，这样保护相对较薄壁的定子套筒20。
在使用中，搅动器10被安置在诸如钻杆柱的管状支撑部件中。通常，冲击工具被提供在搅动器之上，而由搅动器10所产生的压力脉冲将作用在冲击工具上。
搅动器10可定位在底孔组件中或邻接底孔组件，或可以安置在管柱中位于在所述柱经受在管柱和孔壁之间相对较高的摩擦的位置上。如果流体然后通过所述柱被泵取，流体流经搅动器10。通过搅动器10的流体流将驱动马达19，导致转子24以及由此的第一阀板34旋转并横向移动。这样，第一阀板34将横过第二阀板36移动和流动端口46、48移动进入对齐状态和从对齐状态下移出。显然，这将变化通过搅动器10的流动面积，并且所导致的流动面积的变化在钻探流体中产生压力脉冲。如果冲击工具被设置在搅动器10之上的柱中，压力脉冲向上通过马达19运动并作用在冲击工具上，导致冲击工具膨胀和收缩。
在钻探的操作中，搅动器10的操作将在钻头上产生变化的重量(weight on bit)并且也趋于转动容纳搅动器10的钻柱部分。可以相信钻柱的搅动显著地减小了通过钻柱所承受的拉动。在方向钻探中，其中钻柱趋向于不旋转，此钻柱的搅动被发现显著地方便了钻柱的滑动移动。此外，在旋转钻探中，其中钻柱从表面旋转，搅动器10的操作被发现显著地改良钻探操作，增加了进展的速度，钻头的寿命，并增加了可以钻探的孔的深度。
搅动器10也可以用于方便其它工具和装置通过，并可以用于协助插入外套和衬垫。
在可选的实施例中，第二阀板流动端口148从主轴线B偏移，如图6中所示。在这样的搅动器中，振荡流动端口46的中心线被定位在与线I重合的振荡阀板34的半径上，所述线I与轴线A、B相交。这样第一和第二流动端口46、148可以被安置以只在每次振荡中对齐一次，这样压力脉冲频率与马达速度一致。
尽管对本发明的优选实施例进行了说明，但是普通技术人员可以理解，在不背离本发明的精神和实质的情况下，可以对本发明进行变更，其范围由权利要求书及其等同物限定。
权利要求
1.一种搅动器，包括适于安装到支撑部件的主体；容积式马达，所述马达具有定子和转子，在使用中，所述转子通过在定子内横向地旋转和移动而振荡；以及阀，所述阀包括振荡的第一阀部件和固定的第二阀部件，每个阀部件限定阀开口并具有主纵向轴线，第一阀部件连接到转子，并相对所述第二阀部件可移动，在使用中，阀部件协作以集合地限定通过所述阀的变化流动面积，至少阀部件开口之一从各个主纵向轴线偏移。
2.根据权利要求1所述的搅动器，其特征在于，所述搅动器用于安装到细长支撑部件用于井下位置。
3.根据权利要求1或者2所述的搅动器，其特征在于，所述阀被安置以提供连续但是变化流。
4.根据权利要求1-3任何一项所述的搅动器，其特征在于，阀部件开口被安置以使至少在一个阀布置中所述开口重合，这样通过阀的最大流动面积对应所述开口中的至少一个的所述流动面积。
5.根据前述任何一项所述的搅动器，其特征在于，所述开口中至少之一是圆形的。
6.根据前述任何一项所述的搅动器，其特征在于，所述开口具有相似的形状。
7.根据前述任何一项所述的搅动器，其特征在于，所述第一阀部件直接连接到转子，这样转子的旋转和横向运动被直接传输到所述阀部件。
8.根据前述任何一项所述的搅动器，其特征在于，所述第一阀部件开口被安置在所述第一阀部件的轴线上或者与所述第一阀部件的轴线相邻，所述第二阀部件开口从所述第二阀部件轴线偏移。
9.根据权利要求1-7中任何一项所述的搅动器，其特征在于，所述第一阀部件开口从所述第一阀部件轴线偏移，并且所述第二阀开口从所述第二阀部件轴线偏移。
10.根据权利要求1-7中任何一项所述的搅动器，其特征在于，所述第一阀部件开口从所述第一阀部件轴线偏移，并且所述第二阀开口位于所述第二阀部件的轴线之上或者与所述第二阀部件的轴线相邻。
11.根据前述任何一项所述的搅动器，其特征在于，所述定子具有主纵向轴线，并且所述第一阀部件轴线从所述定子轴线偏移。
12.根据权利要求11所述的搅动器，其特征在于，所述第一阀部件开口朝向所述定子轴线偏移。
13.根据权利要求12所述的搅动器，其特征在于所述第一阀部件开口位于所述阀部件的半径的中心，其定向在与结合第一阀部件轴线和定子轴线的线成185和225度之间的角度上。
14.根据权利要求1-12中任何一项所述的搅动器，其特征在于，第一阀部件开口位于阀部件的半径的中心，其与结合第一阀部件轴线和定子轴线的线相重合。
15.根据前述任何一项所述的搅动器，其特征在于所述开口中的至少之一设置在带螺纹插入件之上，所述插入件与带螺纹凹槽相配合，并且所述开口的取向通过限制插入件的运动到凹槽中而得到控制。
16.根据前述任何一项所述的搅动器，其特征在于，通过阀的最大和最小流动面积之间的比值在10∶1和2.5∶1之间。
17.根据前述任何一项所述的搅动器，其特征在于，马达是Moineau原理马达。
18.根据权利要求17所述的搅动器，其特征在于，马达具有在一个和两个之间的级。
19.根据权利要求18所述的搅动器，其特征在于，级的数目大于或等于1.1并且小于或等于1.5。
20.根据前述任何一项所述的搅动器，其特征在于，所述主体包括转子制动件，以限制转子在反向方向上的轴向运动。
21.根据权利要求20所述的搅动器，其特征在于所述制动件包括在转子之上安装到主体的表面，所述表面通常从转子间隔开。
22.根据前述任何一项所述的搅动器，其特征在于所述定子可以包括限定多个圆形突出物的弹性体衬垫，同时转子限定比定子少一个的圆形突出物，定子和转子之间存在在温度70°F时至少为0.005英寸(0.127mm)干涉程度。
23.根据前述任何一项所述的搅动器，其特征在于所述阀部件具有协作滑动表面，所述表面由硬金属所形成，所述开口被形成在所述表面中和与所述表面相正交的侧面中。
24.根据前述任何一项所述的搅动器，其特征在于所述第二阀部件开口引入到流体通道中，并且所述通道的壁通过由抗腐蚀材料所形成的插入件所限定。
25.根据前述任何一项所述的搅动器，其特征在于，所述搅动器被操作以提供1-40赫兹之间的脉冲频率。
26.根据权利要求25所述的搅动器，其特征在于，所述搅动器被操作以提供6-30赫兹之间的脉冲频率。
27.根据前述任何一项所述的搅动器，其特征在于搅动器与相对柔软的支撑部件部分相组合以优选地可以弯曲并防止定子弯曲。
28.一种搅动器，包括适于安装到支撑部件的主体；容积式马达，所述容积式马达具有定子和转子；以及阀，所述阀包括第一阀部件和第二阀部件，每个阀部件限定阀开口并具有主纵向轴线，所述第一阀部件连接到转子并相对所述第二阀部件可移动，在使用中，所述阀部件协作以集合地限定通过所述阀的变化的流动面积，所述阀部件开口中的至少之一从各个主纵向轴线偏移。
全文摘要
一种搅动器，包括适于安装到支撑部件的主体；容积式马达，所述马达具有定子和转子；以及阀。在使用中，所述转子通过在定子内横向地旋转和移动而振荡，以及所述阀包括振荡的第一阀部件和固定的第二阀部件。每个阀部件限定阀开口并具有主纵向轴线，第一阀部件连接到转子，并相对第二阀部件可移动。阀部件协作以集合地通过所述阀限定变化流动面积，至少阀部件开口之一从各主纵向轴线偏移。
文档编号E21B4/00GK1811126SQ20051009249
公开日2006年8月2日 申请日期2005年8月23日 优先权日2005年1月28日
发明者阿兰·马丁·埃迪森, 理查德·亚历山大·英尼斯 申请人:安德格治有限公司