出了充分位于伺服篩網(wǎng)殼102中的旋轉(zhuǎn)伺服閥的放大三維圖。
[0050]圖6A和6B基本示出了充分位于伺服篩網(wǎng)殼102內(nèi)的伺服閥在其關(guān)閉定向和打開定向的三維圖。
[0051]圖7基本示出了充分位于密封隔板108內(nèi)的驅(qū)動(dòng)軸和密封機(jī)構(gòu)的放大三維圖。
[0052]為了進(jìn)一步說明部件以及為了方便和清楚，參照?qǐng)D5、6A、6B以及7以三維圖充分示出的伺服脈沖發(fā)生器100的各部分，下面對(duì)圖4A?4C所示的相同部分進(jìn)行說明。
[0053]參照?qǐng)D5，伺服座122通過定位銷204的輔助安裝于伺服座保持器120內(nèi)。該定位銷204使伺服座122與伺服座保持器120對(duì)齊，并限制伺服座122相對(duì)伺服座保持器120旋轉(zhuǎn)的能力。另外，徑向密封件202在伺服座122插入伺服座保持器120之前繞伺服座122的外徑安裝，從而阻擋伺服座122的外徑和伺服座保持器120的內(nèi)徑之間的所有液流。保持環(huán)206安裝于伺服座122的面，并安裝至位于伺服座保持器120的內(nèi)徑上的狹槽上，從而限制伺服座122進(jìn)行軸向(沿伺服脈沖發(fā)生器100的長度)移動(dòng)。另外，徑向密封件200安裝至伺服座保持器120的外徑上，當(dāng)將伺服座保持器安裝到伺服篩網(wǎng)殼102內(nèi)時(shí)，密封伺服座保持器120的外部，從而限制鉆井流體在伺服座保持器120的外徑和伺服篩網(wǎng)殼102的內(nèi)徑之間的滲漏。
[0054]伺服尖端128通過過盈擠壓配合與軸126連接。在一些實(shí)施方式中，伺服尖端128側(cè)向擴(kuò)張，以徑向遠(yuǎn)離伺服軸126的旋轉(zhuǎn)軸。另外，合銷130也以過盈按壓配合的方式與伺服軸126連接。
[0055]該伺服尖端128按壓伺服座122的面119，并通過引導(dǎo)合銷進(jìn)入位于伺服座122中心的匹配孔123來徑向定位。伺服軸126與伺服尖端128以這種方式定位到伺服座122，以允許伺服軸126相對(duì)伺服座122的旋轉(zhuǎn)。
[0056]圖5還示出了進(jìn)入孔125中的順從性構(gòu)件133，其旨在提供軸向力以使得伺服尖端128被壓靠在伺服座122的面，從而提供足夠的密封。
[0057]圖6A示出了該組件的部分在匹配在一起時(shí)的三維模型，在所示定向中，伺服孔124由伺服尖端128完全覆蓋，無流體可以流通。圖6B示出相同組件的另一個(gè)定向，其中伺服軸126逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，打開伺服孔124，流體可被允許從伺服脈沖發(fā)生器100外流動(dòng)，穿過伺服篩網(wǎng)104中的孔，經(jīng)過伺服軸126，并穿過伺服座122中的伺服孔124，最終流到位于伺服脈沖發(fā)生器100下方的脈沖發(fā)生器62。
[0058]以該方式旋轉(zhuǎn)軸將孔打開和關(guān)閉在很多方面都有利。這些優(yōu)點(diǎn)之一是可以迅速且完全地打開和關(guān)閉伺服閥101，從而產(chǎn)生液流用暢通流體通路。另外，剪切閥(Shear Valve)設(shè)計(jì)的對(duì)稱性質(zhì)的允許同時(shí)打開和關(guān)閉兩個(gè)孔，從而可以使流體流過伺服閥101的可用面積加倍。另外，在現(xiàn)有技術(shù)中的大量產(chǎn)品試圖通過軸向移動(dòng)軸來實(shí)現(xiàn)流體通道的這種打開和關(guān)閉，或者使用螺線管，或者使用導(dǎo)螺桿和電動(dòng)機(jī)。這些方法不能在合理的時(shí)間完全縮回軸，從而容易被泥漿中的污染物阻塞伺服孔。上述發(fā)明通過充分且完全地打開伺服孔解決了這些問題，另外，伺服軸126的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作掃除、轉(zhuǎn)移任何可能阻塞伺服閥的碎肩，并且可以在苛刻條件下有效地打開、關(guān)閉伺服閥。
[0059]對(duì)于該設(shè)備的一個(gè)好處在于由伺服孔124形成的開口可以形成為足夠大，甚至考慮到通過在內(nèi)部鉆柱13內(nèi)使用伺服脈沖發(fā)生器100而帶來的直徑限制，從而在正常鉆探作業(yè)期間不顯著阻擋鉆井流體向鉆頭的流動(dòng)。這樣可以降低由于鉆井泥漿通過小孔的高流速引起的、對(duì)孔和周邊結(jié)構(gòu)的腐蝕和磨損。對(duì)伺服孔124的截面與伺服座122的截面的比率的最大理論限制為0.5，假設(shè)孔在一個(gè)定向中被完全阻擋并在另一個(gè)定向中被完全打開。在一個(gè)實(shí)施方式中，該截面比率為0.08或高于0.08，在另一個(gè)實(shí)施方式中為0.05或高于0.05，在另一個(gè)實(shí)施方式中為0.03或高于0.03。在一個(gè)實(shí)施方式中，兩個(gè)伺服孔124中的每一個(gè)的直徑約為1/4英寸，而且以相對(duì)伺服軸126的旋轉(zhuǎn)軸以約3/4英寸的中心到中心距離遠(yuǎn)離軸對(duì)稱設(shè)置，而且，伺服孔124的直徑與伺服座122的面119的比率為1:5。在一個(gè)實(shí)施方式中，伺服孔124的截面與伺服閥101的外徑的截面比率為0.035。使更大的流動(dòng)面積通過伺服閥也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@允許更大的力施加到脈沖發(fā)生器，從而增加這種閥的強(qiáng)度和可靠性。
[0060]通過旋轉(zhuǎn)伺服軸的動(dòng)作操作旋轉(zhuǎn)伺服脈沖發(fā)生器的另一個(gè)好處是，這允許伺服閥和伺服脈沖發(fā)生器比現(xiàn)有技術(shù)相對(duì)更短。長度更短允許MWD工具作為組合件更堅(jiān)固，也可以不需要特殊的柔性構(gòu)件來顧及井孔的曲率。在一個(gè)實(shí)施方式中，伺服脈沖發(fā)生器100的長細(xì)比(長度/外徑)小于18。在一個(gè)實(shí)施方式中，伺服閥101的長細(xì)比(長度/外徑)小于2.25 (其中，長度為伺服座122、伺服座保持器120以及伺服軸126組合安裝后的長度)。
[0061]伺服座122和伺服尖端128優(yōu)選由硬質(zhì)材料形成，以有效抵抗由反復(fù)開閉上述伺服閥101引起的腐蝕和磨損。一些這樣的材料可以由滲碳的陶瓷或諸如氧化鋁、金剛砂、碳化鎢等的碳化物形成。雖然這樣的硬質(zhì)材料通常在應(yīng)用中更好，但是，可以發(fā)現(xiàn)，在一些實(shí)施方式中，可以使用本位金屬或塑料部件作為降低制造成本的方式。
[0062]使伺服尖端128的、與伺服座122接觸的邊緣鋒利有效增加了伺服閥101的切割能力和清掃能力。旋轉(zhuǎn)伺服軸126的動(dòng)作有效地使伺服尖端128的如鋒利刀般的邊緣清掃伺服座122的面，從而切斷任何可能阻塞伺服孔124的污染物。在一些設(shè)備中鉆井泥漿中的添加劑和污染物可能經(jīng)常引起阻塞，在這種情況的MWD應(yīng)用中，該剪切動(dòng)作具有很高期望。
[0063]在圖5所示的實(shí)施方式中，伺服軸126可以在由形成于伺服座保持器120內(nèi)的機(jī)械止動(dòng)件121控制的兩個(gè)定向之間旋轉(zhuǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn)，機(jī)械止動(dòng)件121放射狀位于伺服座122外部，并與伺服座122以固有的旋轉(zhuǎn)定向間接接觸。機(jī)械止動(dòng)件121具有相對(duì)伺服座122固定的旋轉(zhuǎn)位置。其他實(shí)施方式顯然可以沒有止動(dòng)件、或由單個(gè)止動(dòng)件或具有多個(gè)止動(dòng)件。在另外的實(shí)施方式(未描述)中，伺服軸126可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)(至少有時(shí))，從而依靠開閉而產(chǎn)生脈沖序列，開閉的頻率通過伺服軸126的轉(zhuǎn)速和伺服軸126所阻塞的流體通路的數(shù)量進(jìn)行控制。伺服軸126可以由諸如比伺服座122和伺服尖端128更具有彈性、抗震、耐沖擊的鉻不銹鋼的材料制成。
[0064]圖5示出伺服閥設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)施方式，其中，伺服孔124穿過伺服座122，并且伺服尖端128實(shí)質(zhì)上為圓形。也可以為其它實(shí)施方式，其中伺服孔124的數(shù)量和形狀以及伺服尖端128的形狀可以是多樣的。在這些實(shí)施方式之一(未描述)中，伺服孔124和伺服尖端128為楔形，旋轉(zhuǎn)伺服軸的動(dòng)作將邊緣為直線的流體通路進(jìn)行開閉。另一個(gè)這種可能的實(shí)施方式是，伺服孔124和伺服尖端128具有不同直徑且被放置為通過往復(fù)旋轉(zhuǎn)伺服軸來允許不同尺寸的伺服軸的開閉。
[0065]另一個(gè)實(shí)施方式(未描述)中，液流的方向是相反的，伺服尖端128和伺服軸124位于液流通路的出口側(cè)，其與圖5中所示的位于伺服閥101的入口側(cè)的實(shí)施方式相反。
[0066]另一個(gè)實(shí)施方式(未描述)中，伺服軸126通過孔裝配于伺服座122的中心，伺服尖端128定位在液流的出口側(cè)，但依然允許可以從液流的入口側(cè)控制旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。
[0067]參照?qǐng)D4A，可以發(fā)現(xiàn)，在該實(shí)施方式中，伺服閥101基本位于伺服篩網(wǎng)殼102內(nèi)，并且通過伺服軸126的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作在兩個(gè)定向之間旋轉(zhuǎn)。伺服軸126的旋轉(zhuǎn)是通過與伺服軸126旋轉(zhuǎn)耦合的伺服驅(qū)動(dòng)軸132的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作進(jìn)行控制的。順從性構(gòu)件133軸向地設(shè)置在伺服軸126和伺服驅(qū)動(dòng)軸132之間的孔125中，并用于調(diào)整制造公差和裝配中的積累的誤差，另外，還提供將伺服尖端128壓至伺服座122的面的軸向力。即使在伺服脈沖發(fā)生器100收到鉆探環(huán)境中存在的高振動(dòng)和沖擊，這個(gè)恒定力也保持伺服尖端128與伺服座122恒定接觸。在圖4A中的實(shí)施方式中，順從性構(gòu)件是軸向壓縮波形彈簧，但是，在其他實(shí)施方式中，也可以使用其他類型的彈簧，或順從性構(gòu)件。
[0068]參照?qǐng)D7，伺服驅(qū)動(dòng)軸132完全位于密封隔板108內(nèi)側(cè)，并且通過軸向推力軸承138和徑向套筒軸承142軸向和徑向設(shè)置。軸向推力軸承138使伺服驅(qū)動(dòng)軸132軸向設(shè)置在密封隔板108內(nèi)，并支撐任何施加到伺服驅(qū)動(dòng)軸132上的慣性載荷或推力載荷。因此，軸向推力軸承138和伺服驅(qū)動(dòng)軸132限制在密封隔板108內(nèi)部的肩部和推力保持螺母144的面之間，通過這種方式，伺服驅(qū)動(dòng)軸132可以在密封隔板108內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。另外，徑向套筒軸承142安裝在伺服驅(qū)動(dòng)軸132的凹槽內(nèi)，當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)軸132插入密封隔板108時(shí)，徑向套筒軸承142徑向地限制在密封隔板108的內(nèi)徑內(nèi)，從而允許伺服驅(qū)動(dòng)軸132克服在鉆探環(huán)境中使用伺服驅(qū)動(dòng)軸期間可能受到的任何的摩擦載荷、動(dòng)載荷或慣性載荷而被徑向地支撐。
[0069]圖7所示的實(shí)施方式描述了一種直接密封方法，由此，通過多個(gè)高壓力動(dòng)態(tài)徑向密封件134的作用，將用于旋轉(zhuǎn)上述伺服驅(qū)動(dòng)軸132的內(nèi)部機(jī)電組件、電氣組件以及電子組件從井底鉆探環(huán)境中隔離。這些動(dòng)態(tài)徑向密封件134優(yōu)選為諸如格瑞特維股份有限公司(Greene Tweed)或派克漢泥汾公司(Parker Hannifin)等公司制造和銷售的PolyPak型或T-Seal型。在本領(lǐng)域公知的是，在超過在伴有低摩擦的環(huán)境中可以有效密封并對(duì)由機(jī)械影響、熱影響、化學(xué)影響、以及其他在鉆探環(huán)境中存在的影響引起的流體入侵進(jìn)行充分抵御的設(shè)計(jì)考慮之外，可以使用很多不同密封機(jī)構(gòu)和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)將伺服脈沖發(fā)生器100的內(nèi)部組件相對(duì)于鉆探環(huán)境密封的目標(biāo)。在圖7示出的實(shí)施方式中，作為典型例示出了 PolyPak和T-Seal的組合。
[0070]動(dòng)態(tài)徑向密封件134相對(duì)于密封隔板108被限制，且通過使用多個(gè)密封保持螺母136、密封保持板210、212以及保持環(huán)208徑向地設(shè)置在伺服驅(qū)動(dòng)軸132上。這種保持裝置的具體數(shù)量、其他的形狀以及相對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)軸132和密封隔板108的位置是受用于密封伺服脈沖發(fā)生器100的動(dòng)態(tài)徑向密封件134的特殊要求控制的。圖7所示的實(shí)施方式是一種這樣的可行方法的典型例，由此可以將動(dòng)態(tài)徑向密封件134安裝到伺服驅(qū)動(dòng)軸132上并保持在密封隔板108內(nèi)，但是，也可以使用其他實(shí)施實(shí)施方式。
[0071]特別注意上面設(shè)置動(dòng)態(tài)徑向密封件134的伺服驅(qū)動(dòng)軸132的直徑表面。動(dòng)態(tài)徑向密封件134接觸伺服驅(qū)動(dòng)軸132的位置處的表面精整度或粗糙度形成為低表面精整度(或平滑表面)很重要，其將通過降低密封圈的機(jī)械磨損來延長密封效果并提高密封圈使用壽命。這樣，在一些實(shí)施方式中，伺服驅(qū)動(dòng)軸132的外徑可以機(jī)械加工或研磨至極端光潔或特別的低磨擦涂層可被施加以降減小徑向密封件134和伺服驅(qū)動(dòng)軸132之間的摩擦，從而增加上述密封系統(tǒng)的效果。
[0072]圖7所示的伺服驅(qū)動(dòng)軸132通過驅(qū)動(dòng)鍵214與旋轉(zhuǎn)耦合半部146連接。通過該旋轉(zhuǎn)耦合半部146和推力保持螺母144，可以輕松將驅(qū)動(dòng)軸和密封機(jī)構(gòu)與齒輪電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備進(jìn)行組合和分離。另外，旋轉(zhuǎn)耦合半部146使伺服驅(qū)動(dòng)軸132和齒輪箱156的輸出軸之間存在微小偏差。使用設(shè)置在旋轉(zhuǎn)耦合半部146和旋轉(zhuǎn)耦合半部148之間的彈性插入件150在齒輪箱156的輸出軸和伺服驅(qū)動(dòng)軸132的之間形成順應(yīng)性接合，從而將齒輪箱156與由伺服驅(qū)動(dòng)軸132帶來的任何慣性載荷或動(dòng)態(tài)載荷充分隔尚，從而保護(hù)齒輪箱156不受破壞性沖擊和震動(dòng)負(fù)荷。
[0073]參照?qǐng)D4A、5以及7，可以發(fā)現(xiàn)，在通過彈性插入件150旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)耦合半部146的情況下，可以開閉伺服座122內(nèi)部的伺服孔124，而且，任何旋轉(zhuǎn)都可以用來使伺服軸126位于圖6A所示的其關(guān)閉定向或圖6B所示的其打開定向。這個(gè)旋轉(zhuǎn)可以從伺服脈沖發(fā)生器100的密封部內(nèi)部產(chǎn)生，而且任何這樣的旋轉(zhuǎn)都可以在井下鉆探環(huán)境的惡劣環(huán)境中使伺服脈沖發(fā)生器100的伺服閥開閉。
[0074]圖8示出了圖3中實(shí)施方式的伺服脈沖發(fā)生器100的、用于使伺服閥101在其兩個(gè)定向之間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的機(jī)電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的立體圖。齒輪箱156與電動(dòng)發(fā)達(dá)158耦合，并通過螺釘220保持在齒輪箱保持架152上。在齒輪保持架152中插入合銷218，以允許齒輪箱保持架152和密封隔板108對(duì)準(zhǔn)。將上述組件插入齒輪箱套筒154內(nèi)并使用螺紋緊固在齒輪箱套筒154和齒輪箱保持架153上。導(dǎo)線從電動(dòng)機(jī)158通過齒輪箱套筒154中的孔給送并與連接器160連接。
[0075]聯(lián)接間隔件222套在齒輪箱156的軸上并用來合理隔開旋轉(zhuǎn)耦合半部148。旋轉(zhuǎn)耦合半部148通過鍵216與齒輪箱156的輸出軸157旋轉(zhuǎn)鍵合，從而，電動(dòng)機(jī)158的旋轉(zhuǎn)引起的齒輪箱156的任何旋轉(zhuǎn)都直接傳遞到旋轉(zhuǎn)耦合半部148，然后通過彈性插入件150到達(dá)上述伺服閥。
[0076]圖8所不的實(shí)施方式使用電整流無刷直流電機(jī)158，該電機(jī)158在井下鉆探的尚震動(dòng)環(huán)境中具有先天優(yōu)勢，特別是整流組件不含石墨或鉑刷。但是，在這樣的操作中也可以使用其他類型的電機(jī)，例如，感應(yīng)式AC電機(jī)、或步進(jìn)電機(jī)、或有刷整流直流電機(jī)。
[0077]