在钻柱内产生数据脉冲的装置和方法
【专利摘要】一种在钻柱中的钻探流体内产生数据脉冲的方法和组件。该组件包括剪切阀，剪切阀包括阀构件，阀构件安装在阀通道内，与该组件所连接的钻柱的流体流动导管流体流动地连通。阀构件连接到往复机构，往复机构包括摇杆、从动的曲轴结构，以及提供曲轴结构和摇杆之间滑动偶联的滑动构件。该滑动构件可枢转地连接到曲轴结构，键入到摇杆内以围绕阀轴线作角度位移，并还相对于摇杆作径向滑动，这样，致动曲轴结构致使摇杆作角度往复运动，并因此致使阀构件围绕阀轴线作角度往复运动，以在钻探流体中产生数据脉冲。
【专利说明】在钻柱内产生数据脉冲的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明总的涉及用于钻孔流体遥测的方法和装置；具体来说，涉及遥测组件，该组件包括往复的剪切阀用以在钻探流体中产生数据脉冲；并还涉及便于剪切阀往复运动的往复机构。
【背景技术】
[0002]钻孔流体遥测系统通常被称作泥浆脉冲系统，在钻探操作过程中，该遥测系统用来将来自钻孔底部的信息传送到地面。为了披露本发明，在钻探操作的过程中，可在井中使用的所有流体在文中被称作为“钻探流体”。事实上，在向下钻进中可被收集起来的任何类型数据，可利用泥浆脉冲遥测系统通讯到地面上，该数据包括有关钻探操作或钻探条件的信息，以及涉及包围井筒的地层的记录数据。有关钻探操作或钻探条件的信息例如可包括压力、温度、井筒的方向和/或偏移，以及钻头的状态；地层数据可包括(通过不完整示例清单)声密度、孔隙率、感应性以及地层的压力梯度。该信息的传送对于钻探操作的控制和监测以及诊断的目的来说是重要的。
[0003]交替地阻碍和打开钻柱提供的钻探流体管道的阀结构可产生数据脉冲。如此阀结构的致动中所采用的机构要经受很大的磨损，同时，数据脉冲产生的速率，以及因此传送带宽的速率，受致动该阀结构的致动机构施力能力的限制。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]借助于实例来说明某些实施例，附图中的所有图无限制性，其中:
[0005]图1示出根据示例实施例的钻探装置的示意图，该钻探装置包括钻柱，钻柱包括在钻探流体中产生数据脉冲的遥测组件。
[0006]图2A-2B示出作为钻柱中底部孔组件一部分的遥测组件部分的轴向剖视图，其诸如是图1中所示的钻柱，遥测组件包括示例的剪切阀和往复机构，该机构用以致动剪切阀的角度往复运动。
[0007]图3A-3B示出示例剪切阀的隔离的端视图，该剪切阀可形成图2所示遥测组件的部分，剪切阀在图3A中显示为打开位置，而在图3B中显示为关闭位置。
[0008]图4A-4D示出往复机构一部分的隔离的剖视图，该部分形成图2所示遥测组件的一部分，示出了在单个往复循环过程中往复机构顺序的位置。
[0009]图5示出另一示例剪切阀的隔离的端视图，该剪切阀可形成遥测组件的部分，显示了在单个往复行程过程中阀从第一关闭位置移动到第二关闭位置的运动。
[0010]图6示出还有另一示例剪切阀的隔离的三维图，该剪切阀可形成遥测组件的部分，该剪切阀包括示例的扭矩辅助结构。
[0011]图7A-7C是剪切阀和往复机构的隔离的三维图，该剪切阀可形成遥测组件的部分，诸如是图2A-2B所示的遥测组件。【具体实施方式】
[0012]以下的详细描述参照附图，附图显示了各个实例的各种细节，选择实例用以显示出如何来实践本发明。该讨论至少部分地参照了这些附图，表达了本发明主题的各种实例，并足够详细地描述了所示实施例，以使本【技术领域】内技术人员能够实践本发明。也可使用许多其他的实施例来实践文中所讨论的说明性实例之外的本发明主题，在不脱离本发明主题范围的前提下，可作出除了文中具体讨论备选方案之外的结构和操作上的变化。
[0013]在本描述中，本描述中涉及到的“一个实施例”、“实施例”，或“一个实例”或“实例”不一定要指同样的实施例或实例；然而，除非另有陈述，或容易被从本发明获益的本【技术领域】内技术人员明白的之外，否则，如此的实施例彼此是不排斥的。因此，文中所述的实施例和实例的各种组合和/或集成可被纳入，以及其他的实施例和实例被定义在基于本发明的权利要求书的范围之内，以及定义为如此权利要求书的法律等价物。
[0014]图1是在钻探流体中产生数据脉冲的系统102的示例实施例的示意图。钻探装置100包括地下钻孔104，钻柱108定位在其中。钻柱108包括从固定在井头上的钻探平台112中悬置下来的各段钻探管。钻柱108底部端处的向下钻进组件或底部孔组件(BHA)包括钻头116。测量和控制组件120被纳入到钻柱108内，其也包括测量仪器，用以测量钻孔参数、钻探特性等。钻柱108包括遥测组件124的示例实施例,该遥测组件124同轴地连接在钻柱108内以在钻柱108内的钻探流体中产生数据脉冲。遥测组件124包括被致动的阀结构，以便有选择地在钻探流体中产生数据脉冲，这将在下面参照图2-4作详细描述。
[0015]钻探流体(例如，钻探“泥浆”或可在井中使用的其他流体)借助于泵(未示出)从位于地面处且联接至井头(总体用130标示)的钻探流体储库(例如，储存深坑)132中循环出，泵迫使钻探流体向下沿着由钻柱108的中空内部所提供的钻探流体导管128流动，这样，钻探流体在闻压之下通过钻头116流出。在从钻柱108流出之后，钻探流体占据钻柱108和钻孔104壁之间形成的钻孔环腔134。然后，钻探流体携带切屑从钻孔10的底部流到井头，切屑在井头处被移去，钻探流体可返回到钻探流体储库132。测量系统136与钻探流体系统通讯，以测量钻探流体中的数据脉冲，因此接收遥测组件124所产生的数据信号。
[0016]图2示出遥测组件124的示例实施例更为详细的视图。遥测组件124包括细长的大致管状的外壳204，外壳同轴地连接在钻柱108内，以使外壳204的中空内部208形成钻柱108的流体导管128的一部分。为此，外壳204在其相对端部处连接到钻柱108的各部分212。在图2A的示例实施例中，外壳204显示为连接到相邻的管部分212，其借助于螺纹的箱形接头偶联件214进行连接。
[0017]外壳204包括套筒体216，套筒体在其上端处同轴地被接纳在外壳204内，套筒体216在流体导管128内形成阀通道220。旋转阀或剪切阀224安装在阀通道220内，以便交替地贯通或阻碍阀通道220，由此，在流体导管128内的钻探流体中产生数据脉冲。如文中所采用的，通道或端口的“阻碍”不一定意味着通过通道或端口的流动完全被阻塞，但包括流动的部分阻塞。流体导管128和阀通道220通常为圆柱形，具有圆形的横截面轮廓。然而，流体导管128包括漏斗形部分228，其沿着下游方向(用箭头232表示)朝向阀通道220逐渐变窄。
[0018]阀224包括定子236，其位于阀通道220内并刚性地连接到外壳204，在本实例中，其连接到套筒体216。阀224还包括转子或阀构件240，其邻近于定子236安装，以便作摆动或往复运动而交替地贯通和阻碍阀通道220。图2示例实施例的定子236和阀构件240的结构可参照图3A和3B观看，图3A和3B示出了阀224的轴向端视图，阀构件240分别处于打开位置和关闭位置中，还如图7A和7B所示，其显示了分别处于关闭位置和打开位置中的阀224的三维视图。
[0019]定子236形成圆周地延伸的一系列阀开口或端口 304，它们位于或多或少垂直于钻柱108纵向方向的平面内。在图3A和3B的示例实施例中，每个端口 304大致呈梯形，包括定子圆周的一个扇形。每个端口 304因此从定子的中心毂308延伸出，呈径向打开的端部，并被相对的径向延伸的侧边缘所划界。在该实施例中，诸端口 304有规则地间距开，端口 304之一的相对侧边缘之间的角度间距，等于相邻端口 304的邻近侧边缘之间的角度间距。定子236具有六个端口 304，它们形成相应的30°角度，并以规则的30°间隔间距开。定子236的端口 304因此以相同形状和大小的腹板或舌形物312散布开。定子236的轴向端面316是平的(如图所示)，并垂直于定子中心轴线，该中心轴线形成阀的轴线244 (也参见图2)。参照图2-5和7所描述的阀224的特殊构造在其他实施例中可以不同，这不脱离本发明的范围。例如，定子236可具有或比六个多或比六个少的端口，并可以大于或小于示范的30°间隔的间隔间距开。例如，定子236和阀构件240的相对的轴向端面还可以不是平的，并可以不是90°的角度相交于阀轴线244。
[0020]阀构件240与定子236互补，形成圆周向延伸的一系列叶轮或叶片320，其在形状、大小以及相对于定子236端口 304的相对空间布置上是相同的。因此，本实例中的阀构件240具有六个从中心毂308辐射出去的叶片320，每个叶片320具有恒定的30°角宽度，叶片320以30°的间隔规则地间距开。叶片320具有的径向长度等于端口 304的径向长度。阀构件240具有轴向端面324(见图2)，其是平的(如图所示)且沿轴向紧密地与定子236的端面316间距开，于是，定子236和阀构件240面对面地布置成其间有轴向的工作间隙，阀构件240与定子236同轴，并围绕阀轴线244部分地转动或角度地平移。
[0021]当阀构件240处于其打开位置(图3A、7B)中时，叶片320未与相应的端口 304对齐，每个叶片320与定子对应的舌形物312对齐，于是，端口 304完全贯通，以允许钻探流体流过其中。然而，当阀构件240处于其关闭位置(图3B、7A)中时，每个叶片320与相应的端口 304对齐，便完全地阻碍端口 304，从而阻塞钻探流体流过其中。
[0022]现回到图2，将会看到，遥测组件124还包括往复机构248 (还参见图7A-7C)，其可操作地连接到阀构件240以致动阀构件240围绕阀轴线244的角度或转动的往复运动。往复机构248设置在剪切阀224的下游，并包括曲轴结构252，在实例中呈曲轴轮256的形式，该曲轴轮安装在外壳204内，以围绕曲轴轴线260转动，曲轴轴线260平行于阀轴线244，并与阀轴线244横向地间距开。往复机构248还包括呈马达264形式的驱动结构，马达同轴地安装在外壳204(如图所示)内，位于曲轴轮256的下游。马达264可包括涡轮(未示出)，由于钻探流体流过外壳204，涡轮便产生电力。
[0023]马达264驱动地连接到曲轴轮256，以将转动和扭矩传递到曲轴轮256。在本示例实施例中，马达264通过齿轮传动机构连接到曲轴轮256，该齿轮传动机构包括与曲轴轮256啮合的从动主齿轮268，该曲轴轮是与阀轴线244同轴的齿轮(如图所示)。
[0024]刚性滑动构件在实例中呈滑动销或杆272的形式，其围绕枢轴轴线276可枢转地连接到曲轴轮256，枢轴轴线276平行于曲轴轴线260和阀轴线244，并与它们横向地间距开。为此，枢轴销280轴向地从曲轴轮256突出，突出在径向地与曲轴轴线260间距开的位置处，于是，一旦曲轴轮256转动，枢轴轴线276便绕曲轴轴线260轨道运转。枢轴销280以栓/座形式被接纳在滑动杆272内的互补内腔中，相对于阀轴线244，位于滑动杆272的径向外端的滑动杆272的枢转端处。因此，滑动杆272与曲轴轮256的枢转连接允许滑动杆272相对于曲轴轴线260作枢转的或角度的位移，但将滑动杆272的径向外端锚固到枢轴轴线260上，以围绕曲轴轴线260随枢轴销280转动。
[0025]滑动杆272包括杆身284，其可滑动地被接纳在由摇杆形成的互补匹配槽或孔288内，摇杆在实例中呈轭构件292的形式。轭构件292附连到驱动轴296上，该驱动轴296则驱动地连接到阀构件240，以将转动运动和/或扭矩传递到阀构件240。孔288径向地延伸通过轭构件292，相交于阀轴线244 (也参见图4A-4D)。孔288呈圆柱形(未示出)，具有恒定的横截面轮廓，并在横截面轮廓上与杆身284互补，于是，杆身284滑动地匹配在孔288内。杆身284因此键入到轭构件292内，以便围绕阀轴线244作枢转或角度位移，同时允许杆身284在孔288内径向地滑动。因为滑动杆272被互补的匹配孔288擒获地保持住，不管枢轴轴线276的位置如何，总使它相交于阀轴线244，曲轴轮256的从动转动导致杆身284和滑动杆272围绕阀轴线244作转动或角度往复运动，因而造成轭构件292角度的往复运动，滑动杆272键入到轭构件292内以便围绕阀轴线244转动，这将在下文中作详细描述。轭构件292的角度往复运动通过驱动轴296传递到阀构件240。
[0026]往复机构248还包括呈扭转杆298形式的扭转构件，其刚性地连接到轭构件292 (图2A)，并同轴地从其与轭构件292的连接点延伸到其另一端处的固定连接点(图2B)。扭转杆298的上游端可转动地锚固到轭构件292，以便围绕阀轴线244随轭构件292作角度位移，而扭转杆298的下游端286 (图2B)被锚固，阻止其相对于外壳204围绕阀轴线244转动。如图2B所示,扭转杆298沿着管状驱动外壳或管子同轴地延伸，并被接纳在锚固构件290内，锚固构件290非转动地安装在外壳204内。
[0027]锚固构件290将扭转杆298的下游端286夹紧在位置中，以锚固它阻止转动。遥测组件124的下游端还包括电气控制器输入端282，以便接受来自测量和控制组件120的控制信号，并将控制信号传送到马达264。在该实例中，控制信号通过电线285传输，电线285沿着管子278的中空内部通过。在其他实施例中，管子278可以是电线管并传输电控制信号。扭转杆298是弹性材料，在该实例中，该材料是合适的钢材，于是，扭转杆298呈扭转弹性的，以便在轭构件292上作用扭矩，阻止扭转杆298上游端离开未受应力的位置的角度位移。扭转杆298构造成使其未受应力的位置位于轭构件的角度往复运动的两个相对的角度极端之间的中间。扭转杆298因此用作为朝向某一角度位置推压轭构件292(和与其附连的阀构件240)的扭转弹簧，所述角度位置在其被致动的角度往复运动的两个相对的极端之间的中间(分别对应于图4A和4D中所示的位置)。扭转杆的角度定位加载计划可以对操作条件合适地定相。
[0028]扭转杆298与阀轴线244同轴并中心地延伸通过马达264 (图2A)。为此，马达264形成与阀轴线244同轴的细长圆柱形通道270，扭转杆298同轴地延伸通过带有环形工作间隙的通道。
[0029]遥测组件124还包括马达控制回路266，其通过电线285 (为图示清晰起见，在图2A中未予示出)与马达264和测量和控制组件120连通，以改变曲轴轮256响应于来自测量和控制组件120的控制信号的转速，从而通过调制剪切阀224交替的打开和关闭所产生的数据脉冲来将数据传输到井头。
[0030]在操作中，马达264驱动曲轴轮256，造成枢转轴线276和由此的滑动杆272的枢转端沿着曲轴轴线260的轨道运行。因为滑动杆272受轭构件292的孔288约束，使得滑动杆272的纵向方向或纵向轴线在所有时间都相交于阀轴线244，枢转轴线276围绕阀轴线244的转动致使滑动杆272围绕阀轴线244作往复的角度的或枢转的位移，同时滑动杆272在孔288内纵向地滑动。曲轴轮256的单一行程图示在图4A-4D中。选择枢转轴线276和曲轴轴线260之间的横向间距以及阀轴线244和曲轴轴线260之间的横向间距，使得滑动杆272的角度往复运动和因此的阀构件240的角度往复运动的范围，对于该实例来说是30°。滑动杆272围绕阀轴线244的对于曲轴轮256的四分之一行程(例如，图4A和图4B之间的滑动杆272角度定向之差)的角度位移，对于该实例来说是15°。在其他的实施例中，往复机构248的运动范围和阀构件236的叶片320的数量，可不同于参照图2_4的示例实施例所描述的。
[0031]阀构件240可操作地连接到往复机构248，这样，当滑动杆272和轭构件292处于其角度运动的一个极端处时，剪切阀224关闭，而当滑动杆272和阀构件240处于其角度往复运动的另一个极端处时，剪切阀224打开。因此，例如，阀构件240可在轭构件292处于最大正的角度位移(参见图4A、7A)时位于其关闭位置(见图3B)，而在轭构件292处于最大负的角度位移(参见图4B、7B)时，阀构件可处于其打开位置(见图3A)。曲轴轮256的单个行程因此致动阀构件240的运动，从完全打开位置(图3A、7B)运动到完全关闭位置(图3B、7A)并返回到完全打开位置(图3A、7B)。如上所述，阀构件240的往复运动或摆动频率可以是这样:每个行程或循环可以约为10ms。
[0032]在本示例实施例中，扭转杆298构造成:当轭构件292处于其角度往复运动的两个极端之间的中间时，扭转杆298便处于未受应力的状态中(见图4B和4D)。
[0033]因此，扭转杆298作用在轭构件292上的扭矩在轭构件的角度往复运动的极端处为最大值。扭转杆298作用在轭构件292并因此作用在阀构件240上的扭矩的如此弹性作用，有助于阀构件240从其运动的相对端处(S卩，从其完全打开位置(图3A)和其完全关闭位置(图3B))的暂时静止位置起加速。在其他实施例中，可采用扭转杆298不同的角度定位加载结构布置。
[0034]遥测组件124可包括位于轭构件292和阀构件240之间的离合器(未示出)，以在关闭过程的阀224阻塞事件中，在轭构件292和阀构件240之间提供自动脱开啮合，并在阻塞之后的返回行程上自动地再次啮合。当阀构件240例如由于擒获在阀构件240和定子236之间的材料引起的关闭而堵塞时，便可形成过度扭矩的情形，造成离合器自动脱开啮合而阻止阀构件240到其关闭位置的进一步运动。其时，轭构件292继续作往复运动，一旦返回运动离合器就再啮合，以将阀构件240移回到其打开位置。离合器的操作因此便于清洁阀通道220。
[0035]组件124还可包括幅值修正系统，以便动态地改变阀224所产生的数据脉冲的幅值。例如，可提供轴向的致动结构来致动阀构件240相对于定子236的轴向位移，因此改变阀构件240和定子236之间的轴向间隙。定子236和阀构件240之间的轴向间距还可被自动地控制，以调整改变钻探流体参数的脉冲幅值，钻探流体参数例如是流量、泥浆重量和粘度、钻探深度等。示例的轴向致动结构图示在图2B中，形成遥测组件124的部分，将在下面作详细描述。然而，在某些实施例中，可省略阀构件224的轴向致动，这样，专有地通过控制阀构件224的角度运动，来控制数据脉冲信号的调制。
[0036]轴向致动结构包括驱动螺杆287，其同轴地安装在屏蔽管278内。该驱动螺杆驱动地连接到容纳在屏蔽管278内的调整马达289，其相对于流体流动方向232在驱动螺杆287的上游。锚固外壳291定位在屏蔽管278的下游，并可伸缩地连接到屏蔽管278。为此，锚固的外壳291在其上游端处具有中空管状的栓构造293，该栓构造以栓/座方式滑动地被接纳在屏蔽管278敞开的下游端内。屏蔽管278 (和扭转杆298、往复机构248以及阀构件240)相对于锚固的外壳291可轴向地滑动,锚固的外壳291具有相对于钻柱108的外壳204的固定的轴向位置。驱动螺杆287与栓构造293内的内螺纹螺旋地啮合，以致动屏蔽管278和与其连接的其他部件的轴向位移，该轴向位移响应于通过调整马达289对驱动螺杆287的驱动,相对于锚固的外壳291作位移。
[0037]锚固外壳291的台肩和屏蔽管278的邻近端之间的轴向间距295形成了调整间隙，其指示出朝向锚固外壳291的沿下游方向232的屏蔽管278(和阀构件240)的最大附加轴向位移。锚固外壳291还可包括弹簧加载的油补偿活塞297,其与锚固外壳291内的油容器299相组合。油容器299与屏蔽管278的内部流体流动地连通，这样，由于这些元件相对于彼此可伸缩地位移，弹簧加载的油补偿活塞297结合屏蔽管278和锚固外壳291的内部，自动地补偿体积的变化。
[0038]屏蔽管278借助于对中器265进行对中，该对中器265包括多个从中心轴套269向外辐射出的辐条267 (在该实例中，三个规则地间距开的辐条)，屏蔽管278可滑动地定位在其中。辐条267的远端固定到外壳204的内壁。邻近的辐条267在其间形成轴向延伸的开口，以让钻探流体通过其间。
[0039]在使用中，调整马达289通过电线285受控制系统控制，以便动态地改变阀构件240相对于定子236的轴向位置，由此，改变阀224所产生的数据脉冲幅值。驱动螺杆287被驱动而转动影响着屏蔽管278的轴向位移，由于驱动螺杆287与锚固外壳291的螺纹栓构造293实施螺纹啮合，所以还影响着阀构件240的轴向位移。遥测组件124的优点在于，往复机构248便于将更大的扭矩施加到阀构件240上。因此，利用往复机构248可达到更大频率的往复运动以及在泥浆脉冲遥测中因此更高的数据传送率。滑动杆272和轭构件292之间的滑动接触进一步提高了往复机构的耐用性，特别是在与可能包括使用点接触或线接触的凸轮机构的往复机构相比之时。
[0040]图5A-5C示出向下钻进的遥测组件500另一示例实施例的选出的方面，该遥测组件500构造成每个循环或行程中产生两个数据脉冲。遥测组件500在结构和布置上很大程度上类似于参照图2-4所描述的遥测组件124，一方面在图2-4中，另一方面在图5中，用相同的附图标记来表示相同的部件。遥测组件500可具有定子236和阀构件240，它们与以上参照图3A-3B所述的定子和阀构件相同。然而，遥测组件500的往复机构(未示出)构造成致动旋转的往复运动，在其旋转的往复运动的单一循环中，阀构件240的每个叶片320关闭定子236端口 304中的两个端口。在图5A-5B的示例实施例中，阀构件构造成相对于零位(图5B)位移+30° (图5A)和-30° (图5C)，在该零位，叶片320使相应的端口 304贯通。阀构件240因此具有60°的角位移范围，在单一循环中，从第一关闭位置(图5A)移动到第二关闭位置(图5C)，并返回到第一关闭位置(图5A)，在第一关闭位置中，例如，特定的叶片504与端口 508中的一个端口对齐，而在第二关闭位置中，叶片504与相邻于第一端口 508的一个端口 512对齐。(使用相同的角位移但用双倍的叶片量，可以更加容易地描述该双动作方法一由于机构包络的几何限制性，这就更加实用)。可使用不同的定子数量布置和角位移范围，来达到上述双动作，其中，每个循环产生了两个脉冲。例如，可结合双倍数量的规则间距开的叶片和端口，来使用参照图2A-B所述的往复机构248 ( S卩，具有30°角位移的范围)。
[0041]在遥测组件500中可使用参照图2-4所述的往复机构248，例如，通过减小阀轴线244和曲轴轴线260之间的横向间距，或通过增加枢轴轴线76相对于曲轴轴线260的径向间距，阀构件240便可变化地达到更大范围的旋转往复运动。在某些实施例中，可使用不同的往复机构来实现阀构件240旋转往复运动的致动，使得阀构件240在单一循环或行程中关闭端口 304中的两个端口。
[0042]参照图5A-5C所述结构布置的优点在于，通过双脉冲循环可达到数据脉冲较高的
速率或频率。
[0043]图6示出阀600的另一示例实施例，其可形成类似于参照图2-4所述的遥测组件124的遥测组件的部分。在图2-4和图6中，除非另有指出，否则，相同的附图标记则表示相同的零件。图6的阀600包括定子604和转子或阀构件608，阀构件608包括扭矩辅助结构612，以驾驭钻探流体中的动能或压力，从而将扭矩施加到阀构件608。扭矩辅助结构61包括一对开口或狭槽616、618，它们轴向地延伸通过定子604，以将钻探流体引导到孔或通道624(图6中仅可见其中一个)提供的冲击表面上，所述孔或通道624轴向地延伸通过阀构件 608。
[0044]阀600构造成在每个行程中产生双脉冲，类似于图5的组件500。定子604形成两个直径向相对的端口对628。在图6的示例实施例中，每个端口 628具有30°的角宽度，每对端口 628间距开30°。阀构件608具有流动开口 632的布置，流动开口的大小和间距与端口 628的相同，这样，叶轮或叶片636便形成在各对端口 628的流动开口 632之间。实心的腹板640、644分别圆周地延伸在端口对628之间，以及定子604和阀构件608的流动开口 632之间，这样，当阀构件608的其中一个叶片636与相关端口 628中任一个对齐时，阀构件608阻塞了钻探流体通过端口 628的流动。连接到阀600的往复机构(未示出)构造成致动阀构件围绕阀轴线244的旋转往复运动，运动范围为30°，这样，在使用中，阀构件608的单一行程使阀构件608从第一关闭位置移动到第二关闭位置，并返回到第一关闭位置，在第一关闭位置中，每个叶片636与相关成对的端口 628中的一个端口 628对齐，在第二关闭位置中，每个叶片636与相关成对端口中的另一个端口 628对齐。
[0045]扭矩辅助结构612构造成:在阀构件608完全关闭端口 628之前，扭矩辅助结构612对阀构件608提供流动辅助的扭矩作用。一方面，定子604中的径向延伸的狭槽616、618，以及另一方面，阀构件608中匹配的径向延伸通道624，它们的圆周向相对位置应是这样:当阀构件608邻近于其第一关闭位置时，通道624中的第一个通道变得与其对应的狭槽616对齐，而当阀构件608邻近于其第二关闭位置时，通道624中的第二个通道变得与其对应的狭槽618对齐。例如，图6示出这样的位置:其中，第一通道624与第一狭槽616对齐，而阀构件608离开其第一关闭位置约为5°。当第一通道624因此暴露于钻探流体的流动前时，第二通道624不与其对应的狭槽618对齐，于是，定子604的腹板640阻塞钻探流体流入第二通道624内的流动。同样地，当第二通道624与其对应的狭槽618对齐，阀构件608离开其第二关闭位置约为5°时(即，当阀构件608沿顺时针方向离图6所示的位置处于间距50°的位置时)，第一通道624被定子604阻塞。还有，对于不同的叶片几何形和叶片打开角度，扭矩辅助结构的相对位置可以变化。
[0046]通道624之间的圆周的或角度的间距可大于以下两者之间的差值:一方面，通道624之间的角度间距，另一方面，阀构件608的往复运动范围，以达到狭槽616、618中的一个与通道624中相应的一个对齐,稍微与各个关闭位置不同相。在另一不例的实施例中，其中，角度往复运动范围是15°，而狭槽616、618分开180°，通道624之间的间距可以是160°，以在关闭之前超前流体辅助扭矩施加达到5°。在其他实施例中，狭槽616、618之间的角度间距可小于通道624之间的角度间距。
[0047]各个狭槽616、618相对于阀轴线244倾斜(见图6)，既沿轴向又沿圆周向延伸而对轴向地流过其中的钻探流体提供圆周向的分量，由此，沿着部分圆周方向将钻探流体引导到对应的冲击表面620上。当在轴向截面中观看冲击表面时，每个冲击表面620同样地可具有相对于相关狭槽616、618的倾斜的定向。因此，每个冲击表面620可具有某一定向，其具有圆周向的分量，在与相关狭槽616、618的定向相对的方向上，相对于阀轴线倾斜。为描述清晰起见，狭槽616、618与其相关通道624的对准或对齐意味着:阀构件608处于狭槽616,618和通道624实现流体流动连接的位置中，例如，当定子604下游轴向端面上的狭槽616,618的出口开口与阀构件608相对的上游轴向端面上的通道624入口开口对齐之时。
[0048]在使用中，第一狭槽616随着阀构件608接近第一关闭位置而与相关的通道624对齐。狭槽616和通道624的对齐导致钻探流体在压力之下流过狭槽616并流到冲击表面620上，冲击在该冲击表面上以将扭矩作用在阀构件608上，从而通过阀构件608移动到其第一关闭位置而帮助关闭阀。相对的狭槽/孔配对618、624以类似方式发挥功能，就在通过阀构件608移动到第二关闭位置的运动来关闭阀构件608之前不久，将流动辅助的扭矩提供给阀构件608。为了分别靠近到第一位置和第二位置而提供相对方向的扭矩，两个狭槽616,618可沿着同样方向相对于阀轴线244倾斜。两个冲击表面620同样可沿着相同方向相对于阀轴线244彼此倾斜，即，相对于狭槽616、618相对地倾斜。
[0049]参照图6和7所示的阀600的优点在于，其利用加压的钻探流体将扭矩施加到阀构件上，以便帮助阀构件608关闭。本 申请人:已经发现，需要在关闭阀构件608或接近关闭阀构件时将最大扭矩施加到阀构件608上。流动辅助结构612施加的流动辅助扭矩的时间，与关闭阀构件608的时间稍许不同相，因此，有利地减小了往复机构248所需的最大扭矩，能有较大的往复运动频率和/或减小往复机构部件上的磨损。
[0050]因此，已经描述了执行过程系统所支持的过程分析的方法和系统。尽管已经参照具体的示例实施例描述了本发明，但将会明白到，在不脱离方法和/或系统的更为广泛的精神和范围的前提下，对于这些实施例可作出各种不同的修改和改变。因此，说明书和附图应被视为是说明性的而不是限制的含义。
[0051]在以上的详细描述中，可以看到，各种特征被一起编组在单一的实施例中，目的在于使本发明的披露流畅化。该本发明的方法不应被诠释为反映了这样的意图:即，所主张的实施例需要比各个权利要求书中所例举的还要多的特征。相反，如以下权利要求书所反映的，本发明的主题在于少于单一披露实施例的所有特征。因此，以下的权利要求书由此被纳入到详细描述中，使每个权利要求书自身代表着一单独的实施例。
【权利要求】
1.一种在钻柱中的钻探流体内产生数据脉冲的组件，所述组件包括: 具有中空内部的外壳，所述外壳可连接到钻柱，以使由外壳的中空内部形成的阀通道与由钻柱形成的钻探流体导管流体流动地连通； 剪切阀，所述剪切阀安装在阀通道内，以通过改变剪切阀造成的阀通道的阻塞来产生钻探流体中的数据脉冲，所述剪切阀包括阀构件，阀构件可围绕与钻柱纵向地对齐的阀轴线作角度的位移，以改变阀通道的阻塞；以及 往复机构，所述往复机构可操作地连接到阀构件，以致动阀构件围绕阀轴线作角度往复运动，所述往复机构包括: 驱动地连接到阀构件上的摇杆，所述摇杆安装成大体上与阀轴线同轴，并可围绕阀轴线作角度位移， 从动的曲轴结构，所述曲轴结构安装成围绕曲轴轴线转动，该曲轴轴线基本上平行于阀轴线并横向地与阀轴线间距开，以及 滑动构件，所述滑动构件径向地延伸在曲轴结构和摇杆之间，所述滑动构件偶联成提供曲轴结构和摇杆之间的滑动偶联，所述滑动构件可枢转地连接到曲轴结构，所述滑动构件键入到摇杆内以便围绕阀轴线作角度位移，以及所述滑动构件偶联成相对于摇杆可径向地滑动，这样，由于曲轴结构的转动，致使滑动构件围绕阀轴线作角度往复运动，导致摇杆和阀构件的角度往复运动。
2.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述摇杆形成径向地延伸通过其中的径向孔，所述滑动构件包括互补地匹配的杆身，该杆身可滑动地被接纳在所述径向孔内，所述杆身和所述孔在横截面中具有互补的外围轮廓。
3.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述曲轴结构包括安装成围绕曲轴轴线转动的曲轴轮，所述滑动构件在枢轴轴线处可枢转地连接到曲轴轮，该枢轴轴线平行于曲轴轴线并与其径向地间距开，一旦所述曲轴轮被驱动而转动，所述枢轴轴线便绕曲轴轴线作轨道运动。
4.如权利要求1所述的组件，其特征在于，还包括马达，所述马达可操作地连接到曲轴结构以驱动所述曲轴结构，所述马达安装在外壳内部，当在横截面内观察外壳时，使马达或多或少中心地位于部分地由外壳内部形成的钻探流体导管内。
5.如权利要求4所述的组件，其特征在于，还包括扭转上呈弹性的扭矩构件，所述扭矩构件与摇杆同轴并可操作地连接到摇杆以对其传递扭矩，所述扭矩构件被锚固，阻止其在最远离摇杆的端部处转动，以便响应于摇杆相对于所述扭矩构件固定端的角度位移将扭矩施加到所述摇杆上。
6.如权利要求5所述的组件，其特征在于，所述扭矩构件连接到最远离阀构件的摇杆端部，所述扭矩构件延伸通过由马达形成的通道。
7.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述阀包括定子，所述定子形成圆周地延伸的一系列端口，所述阀构件包括圆周地延伸 的一系列与端口互补的叶片，这样，阀构件围绕所述阀轴线的角度位移使得阀构件在打开位置和关闭位置之间位移，在打开位置中，相应的叶片使对应的端口贯通而允许钻探流体流过其中，而在关闭位置中，相应的叶片与对应端口对齐，以阻碍钻探流体流过所述端口。
8.如权利要求7所述的组件，其特征在于，所述叶片和端口的大小和形状基本上相同。
9.如权利要求7所述的组件，其特征在于，所述剪切阀和所述往复机构布置成:在角度往复运动的单个循环中，特定的叶片阻碍系列端口中的两个或更多个端口。
10.如权利要求9所述的组件，其特征在于，选择叶片和相应端口的角度间距以及所述阀构件围绕阀轴线的往复运动角，使所述特定叶片在角度往复运动的一个极端处与系列端口中的一个端口对齐，并在角度往复运动的相对极端处与系列端口中的另一个端口对齐。
11.如权利要求7所述的组件，其特征在于，还包括幅值修正结构，以动态地改变所述定子和所述阀构件之间的轴向间距，由此，改变所述阀构件的往复运动所产生的数据脉冲的幅值。
12.如权利要求7所述的组件，其特征在于，还包括扭矩辅助结构，以通过钻探流体将扭矩作用在阀构件上，并将所述阀构件推到关闭位置，所述扭矩辅助结构包括由阀构件形成的冲击表面和轴向地延伸通过定子的开口，以在所述冲击表面与定子中的开口对齐时引导钻探流体到冲击表面上。
13.如权利要求12所述的组件，其特征在于，所述开口和所述冲击表面定位成:在到达所述关闭位置之前，阀构件朝向关闭位置的角度位移使得开口端与所述冲击表面对齐。
14.一种阀机构,包括: 定子，所述定子形成通过其中的至少一个流体流动端口 ； 阀构件，所述阀构件邻近于定子安装并偶联成围绕阀轴线可枢转地位移在关闭位置和打开位置之间，在关闭位置中，所述阀构件阻塞所述定子端口中的至少一个端口，而在打开位置中，所述阀构件基本上使所述定子的至少一个流体流动端口贯通； 摇杆，所述摇杆驱动地连接到所述阀构件，以将扭矩和/或所述阀轴线的枢转位移传递到所述阀构件，所述摇杆围绕阀轴线可枢转地位移； 从动的曲轴结构，所述曲轴结构安装成围绕曲轴轴线转动，所述曲轴轴线基本平行于阀轴线并横向地与其间距开；以及 滑动构件，所述滑动构件提供所述曲轴结构与所述摇杆的滑动偶联，所述滑动构件连接到曲轴结构以围绕枢轴轴线枢转，一旦曲轴结构转动，枢轴轴线便绕曲轴轴线作轨道运动，所述滑动构件可滑动地被接纳在形成摇杆部分的互补的匹配构造中，以使所述滑动构件相交于阀轴线，所述滑动构件键入摇杆内，以围绕所述阀轴线作枢转位移，这样，所述曲轴结构的转动导致致动摇杆围绕所述阀轴线的往复枢转位移。
15.如权利要求14所述的阀机构，其特征在于，所述摇杆的互补的匹配构造包括直径向延伸通过所述摇杆的细长孔，所述滑动构件包括互补的匹配杆身，所述杆身可滑动地被接纳在所述孔内。
16.如权利要求14所述的阀机构，其特征在于，所述曲轴结构包括曲轴轮，所述曲轴轮安装成围绕曲轴轴线转动，所述滑动构件围绕枢轴轴线可枢转地连接，该枢轴轴线与所述曲轴轴线径向地间距开。
17.如权利要求14所述的阀机构，其特征在于，所述定子形成圆周地延伸的一系列流体流动端口，所述阀构件与定子同轴并包括圆周地延伸的系列叶片，叶片与所述端口互补，这样，所述阀构件围绕阀轴线的枢转位移使阀构件在打开位置和关闭位置之间位移，在打开位置中，相应的叶片使对应的端口贯通以允许流体流过其间，而在关闭位置中，相应的叶片与对应的端口对齐，以阻碍钻探流体流过所述端口。
18.如权利要求17所述的阀机构，其特征在于，所述曲轴结构和所述摇杆布置成:在枢转往复运动的单个循环中，特定的叶片阻塞系列端口中的两个或更多个端口。
19.如权利要求14所述的阀机构，其特征在于，还包括扭矩辅助结构，以由压力之下流过所述定子的流体实现扭矩对所述阀构件的作用，从而将阀构件推动到关闭位置，该扭矩辅助结构包括由阀构件形成的冲击表面和轴向地延伸通过定子的开口，以在冲击表面与定子中的开口对齐时将钻探流体引导到冲击表面上。
20.一种在流动通过钻柱的钻探流体中产生数据脉冲的方法，所述方法包括: 将剪切阀安装在阀通道中，阀通道形成由钻柱提供的钻探流体导管部分，所述剪切阀包括阀构件，阀构件可围绕纵向地与钻柱对齐的阀轴线作角度位移，以改变对所述阀通道的阻塞； 将往复机构安装在所述钻柱内，使往复机构连接到所述剪切阀，所述往复机构包括: 摇杆，所述摇杆驱动地连接到阀构件以驱动所述阀构件的角度往复运动，所述摇杆安装成大致上与阀轴线同轴，并可围绕所述阀轴线作角度位移， 从动的曲轴结构，所述曲轴结构安装成围绕曲轴轴线转动，所述曲轴轴线基本上平行于所述阀轴线并横向地与阀轴线间距开；以及 滑动构件，所述滑动构件提供所述曲轴结构和所述摇杆之间的滑动偶联，所述滑动构件连接到曲轴结构，以围绕平行于曲轴轴线的枢转轴线枢转，所述滑动构件可滑动地被接纳在形成摇杆部分的互补匹配构造内，使得所述滑动构件相交于所述阀轴线，所述滑动构件键入所述摇杆内，以围绕所述阀轴线作角度位移；以及 驱动所述曲轴结构转动，使得枢转轴线绕曲轴轴线作轨道运动，由此，致动摇杆围绕阀轴线作角度往复运动，以通过阀构件改变阀通道的阻塞来产生钻探流体中的数据脉冲。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括改变曲轴结构的转速，来调制所述数据脉冲的频率。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述定子形成圆周地延伸的系列流体流动端口，所述阀构件与所述定子同轴，并包括与端口互补的圆周地延伸的系列叶片，这样，所述阀构件围绕阀轴线的枢转位移使所述阀构件在打开位置和关闭位置之间进行位移，在打开位置中，相应的叶片使对应的端口贯通以允许流体流过其中，而在关闭位置中，相应的叶片与对应的端口对齐，以阻塞钻探流体流过端口。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述曲轴结构和所述摇杆布置成:在枢转往复运动的单个循环中，特定叶片阻塞系列端口中的两个或更多个端口。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括借助于钻探流体的流动将流动辅助扭矩作用在所述阀构件上，以将所述阀构件推到所述关闭位置。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，作用流动辅助的扭矩包括:使由所述阀构件形成的冲击表面与轴向地延伸通过所述定子的开口对齐，以将流过定子中开口的钻探流体引导到冲击表面上。
【文档编号】E21B47/20GK103946482SQ201180074804
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2011年11月14日 优先权日:2011年11月14日
【发明者】M·A·赛特克 申请人:哈里伯顿能源服务公司