用于MWD遥测的高信号强度泥浆警报器

摘要

本发明提供一种随钻测量(MWD)工具，该随钻测量工具包括：传感器；可操作地连接到传感器的编码器；和可操作地连接到编码器的调制器。该调制器包括：第一定子、转子、和第二定子。该转子最佳定位于第一定子和第二定子之间。使用第二定子放大调制器所产生的压力脉冲信号。

权利要求

1.一种钻井工具，包括：传感器；

可操作地连接到所述传感器的编码器；和可操作地连接到所述编码器的调制器，其中所述调制器包括：第一定子；

转子，其包括多个转子叶片，其中，每个所述转子叶片沿轴向人字形俯仰；和第二定子。

2.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述转子定位在所述第一定子和所述第二定子之间。

3.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述钻井工具还包括发电机。

4.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述第一定子包括多个定子叶片并且其中所述第二定子包括多个定子叶片。

5.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述第一定子相对于所述第二定子偏置定位，使得位于所述第一定子上的定子叶片不与位于所述第二定子上的定子叶片对准。

6.一种用于与钻井工具编码器一起使用的调制器，所述调制器包括：第一定子；

转子，其包括多个转子叶片，其中，每个所述转子叶片沿轴向人字形俯仰；和第二定子。

7.根据权利要求6所述的调制器，其中所述转子定位在所述第一定子和所述第二定子之间。

8.根据权利要求6所述的调制器，其中所述第一定子包括多个定子叶片并且其中所述第二定子包括多个定子叶片。

9.根据权利要求6所述的调制器，其中所述第一定子相对于所述第二定子位置偏置，使得位于所述第一定子上的定子叶片不与位于所述第二定子上的定子叶片对准。

10.一种适于用于钻地下井的钻井系统，所述钻井系统包括：钻柱；

钻头；和

随钻测量（MWD）工具，所述随钻测量工具定位在所述钻柱和所述钻头之间，其中所述随钻测量工具包括：

传感器；

可操作地连接到所述传感器的编码器；和可操作地连接到所述编码器的调制器，其中所述调制器包括：第一定子；

转子，其包括多个转子叶片，其中，每个所述转子叶片沿轴向人字形俯仰；和第二定子。

11.根据权利要求10所述的钻井系统，其中所述随钻测量工具包括：马达；和

轴，所述轴连接到所述马达并且连接到所述转子。

12.根据权利要求11所述的钻井系统，其中所述转子定位在所述第一定子和所述第二定子之间。

13.根据权利要求12所述的钻井系统，其中所述第一定子包括多个定子叶片并且其中所述第二定子包括多个定子叶片。

14.根据权利要求13所述的钻井系统，其中所述第一定子相对于所述第二定子位置偏置，使得位于所述第一定子上的定子叶片不与位于所述第二定子上的定子叶片对准。

说明书

用于MWD遥测的高信号强度泥浆警报器

[0001] 相关申请

[0002] 本申请要求2015年1月14日提交的名称为“用于MWD遥测的高信号强度泥浆警报器（”High Signal Strength Mud Siren for MWD Telemetry”）”的美国临时专利申请序列号
62/103,421的优先权。

技术领域

[0003] 本发明总体涉及遥测系统领域，并且更具体地且不具有限制意义地涉及用于井眼钻孔操作中的声信号发生器。

背景技术

[0004] 通常钻井以用于从地下储层生产石油流体。在许多情况下，钻头连接到钻柱并且通过基于表面的钻机旋转。钻井泥浆循环通过钻柱，以在切割穿过地下岩层并且将岩屑携
带到井眼之外来冷却钻头。使用旋转钻头和钻孔泥浆是本领域内众所周知的。

[0005] 随着钻井技术改进，能够采用“随钻测量”技术以允许钻工准确地识别钻柱和钻头位置以及井眼条件。MWD设备通常包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器检测环境条
件或位置并且将该信息传回位于表面处的钻工。能够使用承载关于测量条件编码数据的声
信号将该信息传到地面。

[0006] 现有技术的用于发射这些声信号的系统利用波形信号发生器，该等波形信号发生器产生钻井泥浆压力的快速变化。压力的快速变化产生脉冲，该脉冲通过钻井泥浆传递给
定位于表面处或表面附近的接收器。现有技术的压力脉冲发生器或者“泥浆警报器”包括单
个定子、单个转子和使转子可控地旋转的马达。转子的选择性旋转暂时地限制和释放泥浆
流通过泥浆警报器。通过控制转子的旋转，泥浆警报器能够产生压力脉冲的模式，可在表面
处理解并且解码该模式。

[0007] 尽管通常有效，但是现有技术的泥浆警报器可能由于压力脉冲减弱而在经过较长距离时经历带宽限制和信号退化。因此，需要产生行进更远并且携带额外数据的较强的压
力脉冲的改进的泥浆警报器。本发明涉及现有技术中的该等和其它的缺陷。

发明内容

[0008] 本发明包括随钻测量（MWD）工具，该随钻测量工具包括传感器、可操作地连接到该传感器的编码器和可操作地连接到该编码器的调制器。该调制器包括第一定子、转子和第
二定子。

[0009] 在另一个方面中，本发明包括用于与钻井工具编码器一起使用的调制器。该调制器包括第一定子、转子和第二定子。转子定位在第一定子和第二定子之间。

[0010] 在又一个方面中，本发明包括适于用于钻地下井的钻井系统。该钻井系统包括钻柱、钻头、以及定位在钻柱和钻头之间的随钻测量（MWD）工具。随钻测量工具包括传感器、可
操作地连接到该传感器的编码器和可操作地连接到该编码器的调制器。该调制器包括第一
定子、转子和第二定子。

附图说明

[0011] 图1是根据本发明实施例构造的钻井系统的图示。

[0012] 图2是图1的钻井系统的调制器和马达的实施例的横截面图。

[0013] 图3是图2的调制器的定子的俯视图。

[0014] 图4是图2的调制器的转子的俯视图。

具体实施方式

[0015] 根据本发明的实施例，图1示出了位于井眼102中的钻井系统100。钻井系统100包括钻柱104、钻头106和MWD（随钻测量）工具108。应当领会，钻井系统100将包括其它的部件，
其中包括钻机、抽泥泵以及其它的基于表面的设施和井下配件。

[0016] MWD工具108可以包括一个或多个传感器110、编码器模块112、发电机114、调制器116、马达模块118和接收器120。传感器110被配置成测量钻井系统110上或井眼102中的条
件并且产生代表信号以用于测量。这种测量例如可以包括温度、压力、振动、扭矩、倾斜、磁
方向和位置。通过编码器模块112将来自传感器110的信号编码成指令信号，该等指令信号
被传输至马达模块118。

[0017] 基于来自编码器模块112的指令信号，马达模块118通过加压钻井流体可能通过其中的调制器116中的开口区域来选择性地使调制器116旋转。通过调制器116的流动路径尺
寸的快速变化使流过MWD工具108的钻井泥浆的压力增大和减小。压力的变化产生声脉冲，
该等声脉冲包括来自传感器110的编码信号。压力脉冲通过井眼102被传输至接收器120并
且经过表面设施处理以向钻工或操作者展示关于钻井系统100和井眼102的信息。

[0018] 能够使用电力来操作MWD工具108的传感器110、编码器模块112和马达模块118。能够通过来自源、来自机载电池组的管缆或者通过发电机114的操作来提供电力。发电机114
包括流体驱动马达和发电机。流体驱动马达能够是将加压钻井流体中的一部分能量转化成
旋转运动的正排量马达或涡轮马达。旋转运动用于转动产生电流的发电机。应当领会，电
池、发电机和管缆的一些组合能够用于为MWD工具108提供电力。

[0019] 参照图2，其中示出了马达模块118和调制器116的横截面图。马达模块118包括马达122，该马达使轴124转动。马达122是电动马达，向该电动马达提供来自发电机114或其它
电源的电流。备选地，马达122是流体驱动马达，该流体驱动马达包括通过由编码器模块112
产生的电信号来操作的速度和方向控制器。

[0020] 调制器116包括壳体126、第一定子128、转子130和第二定子132。第一定子128和第二定子132固定于壳体126内的固定位置。相比之下，转子130固定至轴124并且被配置成用
于相对于第一定子128和第二定子132旋转。通过该方式，转子130定位于第一定子128和第
二定子132之间。转子130能够通过压入配合、键槽或者其它的锁定机构固定至轴124。

[0021] 现在还参照图3和图4，其中示出了第一定子128、转子130和第二定子132的俯视图。具体而言，图3提供了第一定子128和第二定子132的实施例的俯视图。图4提供了转子
130的俯视图。第一定子128和第二定子132均包括多个定子叶片134以及位于定子叶片134
之间的定子通道136。尽管图示了四个定子叶片134和四个定子通道136，但是应当领会，第
一定子128和第二定子132可以包括额外或更少的叶片和通道。还应当领会，第一定子128和
第二定子132可以具有几何形状以及构造不同的叶片。在图2中所示的实施例中第一定子
128和第二定子132在壳体126内旋转偏置，使得位于第一定子128上的定子叶片134不与位
于第二定子132上的定子叶片134对准。

[0022] 转子130包括一系列转子叶片138和转子通道140。转子叶片138能够人字形俯仰(pitch)，以促进通过转子130的流体加速。尽管图示了四个转子叶片138和四个转子通道
140，应当领会，转子130可以包括额外的或更少的叶片和通道。

[0023] 在使用期间，钻井流体通过壳体126并且通过第一定子128的定子通道136、通过转子130的转子通道140并且通过第二定子132的定子通道136。转子130相对于第一定子128和
第二定子132的旋转位置控制钻井流体随着它通过调制器116时速度增大或减小的程度。通
过改变转子130的旋转位置，能够快速并且精确地调节流体速度的变化和所获得的钻井流
体压力的变化。与现有技术的泥浆警报器不同，在调制器116内使用第二定子132显著地增
大从调制器116发出的压力脉冲的振幅。压力脉冲信号的增大强度提供了额外数据承载能
力并且延长了压力脉冲能够在降级之前行进的距离。因此，在调制器116内使用第二定子
132相比现有技术提供了显著优点。

[0024] 应当理解，尽管在上文描述中阐述了本发明的多个实施例的多个特性和优点、以及本发明的多个实施例的结构和功能细节，本公开仅仅是说明性的，并且可以在所附权利
要求书所表达的术语的广义含义所表示的整个范围内改变细节、特别是本发明原理范围内
的部件的结构和布置。本领域技术人员应当领会，能够在不偏离本发明的范围和精神的前
提下，将本发明的教导内容应用于其它系统。