動態(tài)攪拌控制設(shè)備、系統(tǒng)和方法
【專利說明】動態(tài)攪拌控制設(shè)備、系統(tǒng)和方法
[0001]發(fā)明背景
[0002]多年以來一直在使用呈泥漿馬達(dá)形式的單螺桿馬達(dá)來提供直井眼和定向鉆井操作的動力。在一些情況下，諸如在水平鉆井期間，由鉆井液或泥漿提供動力的單螺桿馬達(dá)的運(yùn)動用來攪拌鉆柱以減小粘附和摩擦，增加鉆井效率。然而，單螺桿馬達(dá)操作期間產(chǎn)生的振動可干擾信號采集，包括勘測和泥漿脈沖遙測活動。
[0003]附圖簡述
[0004]圖1A是形成根據(jù)本發(fā)明的各個實(shí)施方案配置的設(shè)備的部分的正排量馬達(dá)(諸如單螺桿馬達(dá))的側(cè)面剖視圖，且圖1B到ID是正視圖。
[0005]圖2是根據(jù)本發(fā)明的各個實(shí)施方案配置的設(shè)備中的內(nèi)部及外部孔口的后視圖，其中齒輪傳動機(jī)構(gòu)和彈簧用來控制外部孔口的旋轉(zhuǎn)。
[0006]圖3是根據(jù)本發(fā)明的各個實(shí)施方案的計量活塞總成的側(cè)面剖視圖。
[0007]圖4說明根據(jù)本發(fā)明的各個實(shí)施方案的設(shè)備和系統(tǒng)。
[0008]圖5說明本發(fā)明的隨鉆系統(tǒng)實(shí)施方案。
[0009]圖6是說明根據(jù)本發(fā)明的各個實(shí)施方案的幾種方法的流程圖。
[0010]圖7是根據(jù)本發(fā)明的各個實(shí)施方案的包括具體機(jī)器的制品的方框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]在各個實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種用于動態(tài)地控制由正排量馬達(dá)(諸如單螺桿馬達(dá))提供動力的鉆柱式攪拌器的機(jī)構(gòu)。動態(tài)控制可以只由使攪拌器呈現(xiàn)為活動或不活動組成，或其可以涉及改變由攪拌器產(chǎn)生的振動的振幅。動態(tài)控制的提供實(shí)現(xiàn)可選攪拌以避免干擾例如泥漿脈沖遙測活動。還可以存在諸多狀況，在所述狀況下，希望可只在明顯存在粘/滑運(yùn)動時啟動攪拌器?？色@得各種其它優(yōu)點(diǎn)。
[0012]為了此文檔目的，“單螺桿馬達(dá)”包括漸進(jìn)式空腔馬達(dá)、正排量馬達(dá)。術(shù)語“正排量馬達(dá)”包括單螺桿馬達(dá)和漸進(jìn)式空腔馬達(dá)兩者。因此，雖然術(shù)語“單螺桿馬達(dá)”出于方便簡潔原因而在此文檔中使用，但是在所有情況下，術(shù)語“正排量馬達(dá)”和“漸進(jìn)式空腔馬達(dá)”均可以替代術(shù)語“單螺桿馬達(dá)”。以此方式，可了解以下描述不限于只使用單螺桿馬達(dá)的特定實(shí)例。
[0013]在井下操作期間，當(dāng)鉆井液或泥漿流到單螺桿馬達(dá)中時，起始轉(zhuǎn)子的偏心運(yùn)動，所述偏心運(yùn)動然后可經(jīng)由液壓脈沖而直接或間接地轉(zhuǎn)移到其它組件。不同的轉(zhuǎn)子和定子配置(例如改變轉(zhuǎn)子上的凸角的數(shù)量)可用來提供增加的動力。在許多實(shí)施方案中，單螺桿馬達(dá)用作用于引發(fā)鉆柱中的振動的“攪拌器”。
[0014]圖1A是形成根據(jù)本發(fā)明的各個實(shí)施方案配置的設(shè)備100的部分的正排量馬達(dá)104(諸如單螺桿馬達(dá))的側(cè)面剖視圖，且圖1B到ID是正視圖。當(dāng)用作攪拌器時，單螺桿馬達(dá)104接受鉆井液132，從而朝形成于內(nèi)部孔板116中的內(nèi)部輸出孔口 124引導(dǎo)液流136。隨著單螺桿馬達(dá)104的轉(zhuǎn)子108上下偏心移動(從側(cè)面觀察)，離開馬達(dá)104的液流136的中心也隨之移動。
[0015]流動136最初是指向內(nèi)部孔板116和內(nèi)部輸出孔口 124。液流136相對于內(nèi)部輸出孔口 124的位置變化造成壓力波動。此類波動產(chǎn)生壓力脈沖152，其可用來使鉆柱振動。
[0016]可用來控制單螺桿馬達(dá)104的輸出的機(jī)構(gòu)之一是用包括外部輸出孔口 128的可旋轉(zhuǎn)外部孔板156擴(kuò)增固定的內(nèi)部孔板116。外部輸出孔口 128可以具有類似于或相似于內(nèi)部輸出孔口 124的形狀的形狀。
[0017]通過改變外部孔板156的位置和因此外部輸出孔口 128相對于固定內(nèi)部輸出孔口124的位置，可動態(tài)地控制放射自設(shè)備100的液壓脈沖152的振幅。如圖1B到ID中可見，外部輸出孔口 128可按需要相對于內(nèi)部輸出孔口 124定位，使得允許最大流量(圖1B)或小于最大流量的某個流量(圖1C)或甚至最小流量(圖1D)，其發(fā)生于外部輸出孔口 128提供對經(jīng)過內(nèi)部輸出孔口的液流136的最大吸收量。
[0018]其中外部孔板156附接到單螺桿馬達(dá)104的具體方式取決于應(yīng)用。例如，安裝可旋轉(zhuǎn)外部孔板156的一種方式是使用包圍單螺桿馬達(dá)104的輸出處的開口的軸承120。軸承120可固定在單螺桿馬達(dá)外殼110的延伸部中。可以使用其它方法來將外部孔板156安裝到馬達(dá)104，諸如螺紋式殼體或釘扎外殼。
[0019]圖2是根據(jù)本發(fā)明的各個實(shí)施方案配置的設(shè)備100中的內(nèi)部孔口 124和外部孔口128的后視圖，其中齒輪傳動機(jī)構(gòu)204和彈簧230用來控制外部輸出孔口 128的旋轉(zhuǎn)。更具體地說，傳動機(jī)構(gòu)204和彈簧230可用來控制其中形成外部輸出孔口 128的外部孔板156的旋轉(zhuǎn)。
[0020]例如，可以希望在某些時間(諸如固定勘測期間)停止攪拌。此情況中解決的問題是，即使鉆頭沒有前進(jìn)，也要在勘測時維持泥漿流動。這樣做是為了防止鉆柱被粘住。用于停止攪拌器的設(shè)備是通過暫時中斷流動或通過大幅減小流動來啟動。
[0021]用于產(chǎn)生此效果的一類機(jī)構(gòu)包括由一對銷234固定在每一端上的彈簧230 (例如拉伸或螺旋彈簧)，其中一端附接到單螺桿馬達(dá)104的外殼110且另一端附接到可旋轉(zhuǎn)外部孔板156。外部輸出孔口 128的運(yùn)動以此方式稍加約束，且所述機(jī)構(gòu)被設(shè)計使得當(dāng)沒有外部扭力作用于可旋轉(zhuǎn)外部輸出孔口 128上時，其實(shí)質(zhì)上與設(shè)備100的固定內(nèi)部輸出孔口124對準(zhǔn)。
[0022]葉輪240可被安裝到齒輪傳動機(jī)構(gòu)204，可能安裝在耦接到齒輪224的軸件(沒有展示)上，所述齒輪224與可旋轉(zhuǎn)外部孔板156上的齒輪齒210接合。葉輪240因此可用來使齒輪224旋轉(zhuǎn)。齒輪傳動機(jī)構(gòu)的軸件可以任何數(shù)量的常規(guī)方式安裝到外殼110。
[0023]在操作期間，當(dāng)鉆井液流開始進(jìn)入外殼110時，外部輸出孔口 128與內(nèi)部輸出孔口124對準(zhǔn)(參見圖1B)。隨著液流增加，葉輪240轉(zhuǎn)向，這使齒輪224轉(zhuǎn)向。齒輪224接合齒輪齒210以使外部孔板156旋轉(zhuǎn)(圖1C)直到板156停止在其中外部輸出孔口 128實(shí)質(zhì)上正交于內(nèi)部輸出孔口 124的位置處為止(參見圖1D)。此動作在存在足夠大的液流136以將外部孔板156固定在圖1D中所示的位置中時將壓力脈沖152的振幅增加到最大值。隨著液流136下降，外部孔板156將會趨向于返回到圖1B中所示的位置。
[0024]用于機(jī)械地控制外部孔板156的移動的另一機(jī)構(gòu)涉及基于外殼110外部與外殼110內(nèi)部的壓力差計量鉆井液流。在此情況下，可使用計量活塞總成140。
[0025]例如，圖3是根據(jù)本發(fā)明的各個實(shí)施方案的計量活塞總成140的側(cè)面剖視圖。計量活塞總成140內(nèi)的活塞310是使用壓力差ΛΡ = Ρ2-Ρ1啟動?，F(xiàn)在參考圖1A和3，可知當(dāng)外殼I1內(nèi)部的壓力P2變得大于外殼外部的壓力Pl (使得抵著活塞310的面的流動壓力可克服施加于外殼110外部的壓力加上彈簧座320的力)時，啟動計量活塞總成140。在此類狀況下，活塞310已被卸下來將經(jīng)過計量開口 330的一些液流136轉(zhuǎn)向到外殼110外部作為轉(zhuǎn)向液流144。結(jié)果，減小壓力脈沖152的振幅。
[0026]還可結(jié)合齒輪傳動機(jī)構(gòu)204和彈簧230機(jī)構(gòu)使用活塞計量總成140。在此情況中，如果齒輪傳動機(jī)構(gòu)224被承載在例如外殼110內(nèi)的單獨(dú)隔間中，那么可使用壓力差ΔΡ =P2-P1來計量進(jìn)入隔間的液體、傳動葉輪224或計量離開隔間的液體、停止傳動機(jī)構(gòu)204的運(yùn)動。
[0027]此類機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，其不使用電子控制或與鉆井系統(tǒng)的其它部分進(jìn)行的通信。振動等級可被調(diào)整為任何所需程度，使得攪拌的量和/或時序足夠高以在大部分狀況下防止粘滑運(yùn)動，和足夠低以減小對勘測數(shù)據(jù)采集的干擾。
[0028]設(shè)備100還可按命令啟動，使得攪拌可在需要的任何時候啟動和停止。例如，如果電池、電子器件和遙測鏈路安裝在單螺桿馬達(dá)104的外殼110中或延伸到其外殼，那么可從設(shè)備100外部控制攪拌操作。例如，可使用短跳電磁遙測鏈路(例如，根據(jù)電氣和電子工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)1902.1-“長波長無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的IEEE標(biāo)準(zhǔn)(IEEE Standard for LongWavelength Wireless Network Protocol)，2009” 實(shí)施的遙測鏈路)來發(fā)送調(diào)節(jié)設(shè)備 100的操作的命令。
[0029]對于此操作模式，當(dāng)接收到命令時，可使用電動馬達(dá)(用來代替葉輪240)來傳動齒輪224，從而移動外部輸出孔口 128以與內(nèi)部輸出孔口 124對準(zhǔn)、減小壓力脈沖152的振幅。類似地，外部輸出孔口 128可被命令移動到相對于內(nèi)部輸出孔口 124的任何所需位置，從而增加或降低壓力脈沖152的振幅。此機(jī)構(gòu)可用來減小由設(shè)備100按命令提供的攪拌程度，這在泥漿脈沖遙測系統(tǒng)操作期間可能是有利的。其還可以有用于在不關(guān)注相關(guān)鉆柱的粘/滑運(yùn)動的周期期間停止攪拌。
[0030]圖4說明根據(jù)本發(fā)明的各個實(shí)施方案的設(shè)備100和系統(tǒng)464。在一些實(shí)施方案中，可結(jié)合設(shè)備100使用流量計412和/或其它電子控制。例如，在一些情況下，鎖定機(jī)構(gòu)408可被添加到設(shè)備100。鎖定機(jī)構(gòu)408可受控于流量計412。一旦選定量的液流停止經(jīng)過流量計412，便可操作鎖定機(jī)構(gòu)408來鎖定馬達(dá)104的轉(zhuǎn)子108，從而停止攪拌。還可實(shí)施時間延時以與LWD/MWD (隨鉆測井/隨鉆測定)系統(tǒng)操作一致，以允許有足夠多的時間來經(jīng)由泥漿脈沖遙測將數(shù)據(jù)發(fā)射到地面。一旦選定量的液流再次經(jīng)過流量計412，可操作鎖定機(jī)構(gòu)408以釋放馬達(dá)104的轉(zhuǎn)子108，從而允許恢復(fù)攪拌。此外，可實(shí)施時間延時以與各種系統(tǒng)操作一致，以允許有足夠多的時間用于數(shù)據(jù)發(fā)射或接收，或可對攪拌振動敏感的其它活動。
[0031]鎖定機(jī)構(gòu)408可以包括落錘、鎖定塊和所屬領(lǐng)域一般技術(shù)人員已知的其它類型的機(jī)構(gòu)?？蓹C(jī)械地和/或電啟動鎖定機(jī)構(gòu)40