旋轉(zhuǎn)伺服脈沖發(fā)生器以及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及包括旋轉(zhuǎn)伺服閥的設(shè)備、系統(tǒng)和方法，所述伺服閥用于驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器以在鉆地下井孔的過(guò)程中在流體柱中產(chǎn)生壓力脈沖，以使用該壓力脈沖來(lái)編碼信息并將此信息用遙測(cè)發(fā)射器實(shí)時(shí)傳送到地表。
【背景技術(shù)】
[0002]在鉆深井孔時(shí)，旋轉(zhuǎn)鉆孔技術(shù)已經(jīng)被普遍接受。該技術(shù)涉及使用鉆柱，鉆柱包括連結(jié)在一起的多節(jié)空心管，并且鉆頭附接到鉆柱的底端。通過(guò)在鉆頭上施加軸向力并通過(guò)從地表或者使用附接到鉆柱的液壓電機(jī)旋轉(zhuǎn)鉆柱，產(chǎn)生相當(dāng)平滑且圓形的井孔。鉆頭的旋轉(zhuǎn)和按壓使被鉆探的地層破碎且成粉末狀。通過(guò)鉆頭上的噴嘴將鉆井流體沿鉆柱的空心向下泵送并且隨后回到鉆柱與井孔壁之間的環(huán)形空間周?chē)牡乇怼４肆黧w循環(huán)用來(lái)將鉆肩從井孔的底部運(yùn)輸?shù)降乇?，鉆肩在地表被過(guò)濾掉，并且根據(jù)需要再次循環(huán)鉆井流體。鉆井流體的流動(dòng)還具有其他功能，諸如冷卻和潤(rùn)滑切割地表的鉆頭并且將靜水壓力施加到井孔壁上以幫助除盡在鉆探過(guò)程中遇到的任何滯留氣體。
[0003]長(zhǎng)期以來(lái)，眾所周知，需要在井孔底部測(cè)量一些參數(shù)并且將該信息提供給鉆孔者。這些參數(shù)包括但不限于井孔的溫度、壓力、斜度和方向，并且可以包括各種地球物理和巖性測(cè)量。在鉆探過(guò)程中在井孔底部的不利環(huán)境中測(cè)量這些參數(shù)并且以即時(shí)的方式將此信息傳送到地表的挑戰(zhàn)使許多設(shè)備和實(shí)踐得到了發(fā)展。
[0004]在鉆探的同時(shí)并且在不使用線路或電纜并且不反復(fù)中斷鉆探活動(dòng)的情況下從鉆井底部將數(shù)據(jù)發(fā)送到地表的能力是有利的。具有以上功能的工具通常稱為“隨鉆測(cè)量”或“MWD”工具。鉆井流體中的壓力脈沖可以用來(lái)從井孔底部的MWD工具向地表編碼并傳輸數(shù)據(jù)。
[0005]可以傳輸給鉆井者的測(cè)量參數(shù)具有多種不同的測(cè)量參數(shù)。這些參數(shù)的范圍從井孔底部的溫度的最簡(jiǎn)單的測(cè)量到提供全范圍的測(cè)量的完全整合的結(jié)果，包括但不限于斜度、定向角、工具面(鉆柱的旋轉(zhuǎn)定向)、壓力、溫度、振動(dòng)水平、地層地球物理屬性，諸如電阻率、孔隙率、滲透性、密度和關(guān)于烴含量的現(xiàn)場(chǎng)地層分析。
[0006]由于井底鉆探環(huán)境的嚴(yán)酷性質(zhì)，MWD工具必須在設(shè)計(jì)和制作時(shí)堅(jiān)固。此外，穿過(guò)或經(jīng)過(guò)MWD工具的鉆井流體的恒流嚴(yán)重腐蝕所暴露的部件并且如果設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)，則可能?chē)?yán)重破壞工具。
[0007]應(yīng)理解，在此使用的術(shù)語(yǔ)“鉆井流體”或“泥漿”代表基于不同的密度、粘度和污染物含量液體的極其廣泛的水或油。為了除盡或減少氣泡逃離鉆井的風(fēng)險(xiǎn)需要將井孔靜水壓力保持較高，從而導(dǎo)致鉆井流體通過(guò)添加劑增加其密度來(lái)將其加重。這些添加劑本質(zhì)上通常趨于研磨劑并且進(jìn)一步加劇與經(jīng)過(guò)工具的流體流動(dòng)相關(guān)的腐蝕問(wèn)題。
[0008]此外，為了保持和維持鉆井的質(zhì)量并且阻止或減少鉆孔塌陷的風(fēng)險(xiǎn)，將其他填充物材料添加到鉆井流體以輔助粘合鉆井壁。這些填充物材料本質(zhì)上趨于是顆粒狀的并且阻塞或覆蓋入口和出口、篩網(wǎng)以及作為大部分MWD工具的部分的其他相關(guān)液壓部件。
[0009]另外，存在于鉆井底部的極端溫度和壓力通常使得有必要使用昂貴且獨(dú)特的密封機(jī)構(gòu)和材料，這增加了操作MWD工具的成本，并由此減少其對(duì)更大市場(chǎng)的可用性。
[0010]此外，由于與鉆打油和氣井孔的成本高，任何在修理、維護(hù)或檢修故障或不工作的設(shè)備所花費(fèi)的時(shí)間都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)鉆孔操作的生產(chǎn)率的嚴(yán)重降低。因此，始終需要在尋求高質(zhì)量和可靠性的情況下設(shè)計(jì)、構(gòu)建和操作MWD工具。
[0011]因此，設(shè)計(jì)MWD工具的重要目標(biāo)在于提供一種可以在由于暴露于鉆井泥漿和其他井底條件中而產(chǎn)生的不利環(huán)境中可靠地操作的脈沖發(fā)生器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明包括一種旋轉(zhuǎn)伺服閥組件，該組件用于驅(qū)動(dòng)大的主閥組件或脈沖發(fā)生器，大的主閥組件或脈沖發(fā)生器輪流產(chǎn)生用于編碼數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)降乇淼哪酀{脈沖。
[0013]本發(fā)明的實(shí)施方式是一種驅(qū)動(dòng)主脈沖閥的方法和裝置，在主脈沖閥鉆打井孔的過(guò)程中用來(lái)驅(qū)動(dòng)用于將信息從地下位置傳輸?shù)降乇?。旋轉(zhuǎn)伺服脈沖發(fā)生器耦合到壓力脈沖發(fā)生器或“脈沖發(fā)生器”、控制器或電池電源，它們都位于正被鉆打的井孔底部處的鉆桿的靠近鉆頭的一小節(jié)內(nèi)。該組裝的裝置或“MWD”工具可以被控制從地表測(cè)量所需參數(shù)并且將此信息傳輸?shù)降乇?。在接收到傳輸信息的命令之后，井下控制器從傳感器組收集有關(guān)數(shù)據(jù)并且通過(guò)壓力脈沖編碼數(shù)據(jù)來(lái)將此信息傳輸?shù)降乇怼＿@些壓力脈沖沿鉆桿內(nèi)的流體柱向上行進(jìn)并且在地表由與計(jì)算機(jī)耦合的壓敏傳感器檢測(cè)，所述計(jì)算機(jī)解碼并顯示所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
[0014]本發(fā)明的實(shí)施方式包括一種用于驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器并將信息用遙測(cè)發(fā)射器傳送到地表的系統(tǒng)，更具體而言，可以包括主脈沖閥、旋轉(zhuǎn)伺服脈沖發(fā)生器、控制器組件和電源組件。該方法可以包括操作電動(dòng)機(jī)以操作旋轉(zhuǎn)伺服脈沖發(fā)生器來(lái)驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器以通過(guò)壓力脈沖攜帶信息。
[0015]本發(fā)明的實(shí)施方式是一種閥，該閥包括閥座和由軸驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)部分。旋轉(zhuǎn)部分包括阻塞穿過(guò)閥座的流體的結(jié)構(gòu)。所述結(jié)構(gòu)可以遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)部延伸至與閥座接觸?？梢蕴峁┒嘤谝粋€(gè)的、穿過(guò)伺服脈沖發(fā)生器的流體通路，諸如通過(guò)閥座上的兩個(gè)孔，所述流體通路可以是圓形的而且可以相對(duì)軸對(duì)稱，旋轉(zhuǎn)部繞該軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)部的旋轉(zhuǎn)可以由一個(gè)或多個(gè)阻擋件限制。阻擋件可以形成在支撐閥座的結(jié)構(gòu)上或者作為與閥座分開(kāi)的結(jié)構(gòu)。阻擋件可以相對(duì)于流體通路旋轉(zhuǎn)固定，或者在一個(gè)實(shí)施方式中相對(duì)于閥座旋轉(zhuǎn)地固定并且與該閥座間接接觸。閥座和流動(dòng)阻塞結(jié)構(gòu)可以是硬的和/或耐磨且耐刮擦的。軸、阻擋件、支撐結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)部分可以是非易碎且耐沖擊和耐振動(dòng)的。旋轉(zhuǎn)伺服脈沖發(fā)生器可以傳輸扭矩，例如從齒輪電機(jī)通過(guò)壓力補(bǔ)償部分或者使用磁矩傳輸設(shè)備傳輸?shù)讲僮魉欧y的軸。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1A是地表局部和鉆機(jī)井底部的代表性示圖。
[0017]圖1B是圖1A中的MWD工具的下部的局部截面圖。
[0018]圖2組成MWD工具的井底部的各部分的代表性示圖。
[0019]圖3是伺服脈沖發(fā)生器的一個(gè)實(shí)施方式的立體圖。
[0020]圖4A至4C是圖3中實(shí)施方式的伺服脈沖發(fā)生器的平面截面圖。
[0021]圖5是圖3中實(shí)施方式的伺服脈沖發(fā)生器的伺服閥部分的放大立體圖。
[0022]圖6A是圖3中實(shí)施方式的伺服脈沖發(fā)生器中的伺服閥的部分在一個(gè)定向上示出的立體圖，其中閥被關(guān)閉。
[0023]圖6B是圖3中實(shí)施方式的伺服脈沖發(fā)生器中的伺服閥的部分在另一個(gè)定向上示出的立體圖，其中閥被打開(kāi)。
[0024]圖7是圖3中實(shí)施方式的伺服脈沖發(fā)生器的用于將伺服閥在其兩個(gè)定向之間旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)軸和密封機(jī)構(gòu)的分解立體圖。
[0025]圖8是圖3中實(shí)施方式的伺服脈沖發(fā)生器的用于將伺服閥在其兩個(gè)定向之間旋轉(zhuǎn)的機(jī)電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分解立體圖。
[0026]圖9是示出組裝和安裝的細(xì)節(jié)的部件和圖7和圖8中的物品的局部分解圖。
[0027]圖10是伺服脈沖發(fā)生器的第二實(shí)施方式的立體圖。
[0028]圖1lA至IlD是圖10中實(shí)施方式的伺服脈沖發(fā)生器的平面截面圖。
[0029]圖12是圖10中實(shí)施方式的伺服脈沖發(fā)生器的用于將伺服閥在其兩個(gè)定向之間旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)軸和密封機(jī)構(gòu)的分解立體圖。
[0030]圖13是用于旋轉(zhuǎn)圖10中實(shí)施方式的伺服脈沖發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)軸和密封機(jī)構(gòu)的機(jī)械部件的分解立體圖。
[0031]圖14是圖12和13中所示的部件的組裝好的立體圖。
[0032]圖15示出如圖10中實(shí)施方式的伺服脈沖發(fā)生器的機(jī)電和電氣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分解立體圖。
[0033]圖16是示出組裝和安裝的細(xì)節(jié)的部件和圖14和圖15中的物品的局部分解圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，如下文詳細(xì)敘述，鉆井者使用的信息是在井底相對(duì)靠近鉆頭測(cè)量的，而且該信息在流體循環(huán)回路中通過(guò)壓力脈沖傳輸?shù)降乇?。通過(guò)停止流體循環(huán)并允許鉆柱保持靜止最小的時(shí)間段來(lái)發(fā)送啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿睢．?dāng)檢測(cè)到這個(gè)命令，井下工具測(cè)量至少一個(gè)井底情形，通常為模擬信號(hào)，而且，井下工具對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，以備傳送到地表。當(dāng)流體循環(huán)重新開(kāi)始后，井下工具等待預(yù)定時(shí)間以允許液流穩(wěn)定，然后通過(guò)反復(fù)閉合、打開(kāi)脈沖閥在流體循環(huán)回路中產(chǎn)生壓力脈沖來(lái)開(kāi)始傳輸信息。將發(fā)送的脈沖序列進(jìn)行編碼，使可以在地表將該信息解碼且將所包含的信息提取并進(jìn)行顯示。
[0035]參照附圖，尤其是圖1A，其中基本示出了井孔12的旋轉(zhuǎn)鉆探中使用的設(shè)備的簡(jiǎn)化示意圖。使用旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)向地下鉆打井孔12，該旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)包括井架14、鉆臺(tái)16、絞車(chē)18、活動(dòng)塊20、吊鉤22、旋轉(zhuǎn)接頭24、方鉆桿接頭26、以及輪盤(pán)28。鉆探鉆井所使用的鉆柱30有多節(jié)鉆桿組成，該多節(jié)鉆桿在地表固定到方鉆桿接頭26的底部，在使用絞車(chē)18將鉆柱30下降進(jìn)入井孔并提供可控的軸向壓力載荷的同時(shí)，使用輪盤(pán)旋轉(zhuǎn)整個(gè)鉆柱30。鉆桿30的底部附接至多個(gè)鉆環(huán)32，這些鉆環(huán)32使鉆柱30的底部堅(jiān)硬并在鉆探過(guò)程中有助于增加局部重量。鉆探時(shí)測(cè)量(MWD)工具10基本描述為附接至鉆環(huán)32的底部，且鉆頭34附接至MWD工具10的底部。
[0036]鉆井流體或“泥漿”通常被儲(chǔ)存到泥漿池或泥漿罐36中，通過(guò)泥漿泵38進(jìn)行抽取并強(qiáng)制使鉆井流體流過(guò)電涌抑制器40、立管42、旋轉(zhuǎn)接頭24進(jìn)入鉆柱30的頂部。該液流通過(guò)鉆柱30、鉆環(huán)32、MWD工具10、鉆頭34、以及其鉆探噴嘴(未圖示)。然后，鉆井流體穿過(guò)鉆柱30外徑和井身12之間的環(huán)形空隙44返回地表。當(dāng)鉆井流體到達(dá)地表時(shí)，通過(guò)泥漿回流管轉(zhuǎn)移返回到泥漿罐36。
[0037]保持鉆井流體循環(huán)所要求的壓力通過(guò)壓敏傳感器48在立管42上進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量到的壓力作為電信號(hào)通過(guò)飽和電阻器50傳送到地表計(jì)算機(jī)52，該計(jì)算機(jī)將傳送到的信息進(jìn)行解碼并顯示給鉆井者。
[0038]在一些鉆探操作中，在MWD工具10鉆環(huán)32和鉆頭34之間嵌入正排量型液力渦輪(未圖示)有望提高鉆頭34的旋轉(zhuǎn)。另外，也可以在鉆柱30的底部或者在MWDlO之上或者在MWDlO之下嵌入各種其他鉆具，例如，穩(wěn)定器、單向閥以及機(jī)械沖擊裝置(通常涉及如震擊器或攪拌器)。這些部分中的一部分可以用于方向性鉆井過(guò)程。
[0039]圖1B示出MWD工具10的下部的局部截面圖，以展示脈沖發(fā)生器62與伺服脈沖發(fā)生器64連接。兩者都位于MWD工具10的內(nèi)徑中。脈沖發(fā)生器62的一端與伺服脈沖發(fā)生器64連接，以在這些部件間創(chuàng)造鉆井流體的通路。脈沖發(fā)生器62的另一端在MWD工具10的內(nèi)徑中與鉆井流體柱13連通。一個(gè)或多個(gè)伺服流體入口 65配置在伺服脈沖發(fā)生器64上，與內(nèi)鉆井流體柱13連通。在圖3、4A、10、11A中示出了覆蓋流體入口 65的伺服篩網(wǎng)104 (圖1B中未示出)。
[0040]圖2基本示出了一同構(gòu)成MWD工具的井下部分的多個(gè)部件的略圖。井底MWD工具10包括與控制器56連接的電源54?？刂破?6與傳感器組件58和伺服脈沖發(fā)生器64連接。伺服脈沖發(fā)生器64與脈沖發(fā)生器和振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)傳感開(kāi)關(guān)60連接。
[0041]圖2不出了 MWD工具的方法的一個(gè)實(shí)施方式。另一個(gè)實(shí)施方式(未描述)為將振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)傳感開(kāi)關(guān)60集成到伺服脈沖發(fā)生器64中。另一實(shí)施方式(未描述)是將控制器56集成到伺服脈沖發(fā)生器64中，伺服脈沖發(fā)生器直接與傳感器組件58連接。
[0042]在圖2中，控制器56能夠或者通過(guò)直接與振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)傳感開(kāi)關(guān)聯(lián)通或者通過(guò)得到由伺服脈沖發(fā)生器64傳輸?shù)男畔?lái)對(duì)鉆柱的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)進(jìn)行警報(bào)或通知。振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)傳感開(kāi)關(guān)60可以集成到控制器56中，因此，可以直接獲取該信息。
[0043]圖3大體示出了一個(gè)實(shí)施方式中的伺服脈沖發(fā)生器的三維圖。伺服脈沖發(fā)生器100的外部包括伺服篩網(wǎng)殼102，在該外殼102上用螺絲固定有多個(gè)篩網(wǎng)104。該篩網(wǎng)104基本處于伺服篩網(wǎng)殼102內(nèi)部，用于使鉆井流體進(jìn)入伺服脈沖發(fā)生器100的閥部，同時(shí)限制例如偶爾出現(xiàn)在鉆井流體中的大的固體顆粒進(jìn)入。可以使用不同類型的這樣的結(jié)構(gòu)或篩網(wǎng)來(lái)防止在液流中發(fā)現(xiàn)的不同類型的污垢物的存在。
[0044]圖3還不出了伺服篩網(wǎng)殼102與密封隔板108連接，在該密封隔板108內(nèi)部充分設(shè)置有允許位于伺服篩網(wǎng)殼102內(nèi)的所述伺服閥101的操作的密封圈和軸機(jī)構(gòu)。
[0045]圖3還示出了附接至伺服殼110的密封隔板108，在該伺服殼110內(nèi)充分設(shè)置有用于操作上述伺服閥的機(jī)電組件、電氣組件以及電子組件。
[0046]圖3還示出了附接至互連隔板112的伺服殼110，該隔板112進(jìn)而附接至互連外殼114。在互連隔板112和互連外殼114內(nèi)，充分設(shè)置有使伺服脈沖發(fā)生器110機(jī)械或電氣地連接到控制器56或電源54或通常連接到可以構(gòu)成MWD工具100的一部分的其它組件的組件。
[0047]另外，整體地關(guān)注圖3，在本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中，旨在將互連外殼114用于使伺服脈沖發(fā)生器100連接到控制器56或電源54，將伺服篩網(wǎng)殼102用于使伺服脈沖發(fā)生器100連接到MWD工具10的脈沖發(fā)生器62。
[0048]圖4A至4C大體示出了圖3所示的實(shí)施方式中伺服脈沖發(fā)生器的截面圖。
[0049]圖5基本示