用于在井筒钻探期间在流体中生成脉冲的设备

摘要

在一个方面中，公开了一种供在钻井组合件中使用的设备，在一个实施方案中所述设备包括流量控制装置，所述流量控制装置进一步包括：具有入口和出口的流体流动路径；电磁电路，所述电磁电路包括由软磁性或磁性材料制成、作为所述电磁电路的一部分的闭合构件，其中所述闭合构件从第一打开位置移动至第二闭合位置来闭合所述流体流动路径，从而当形成所述电磁电路时在流经所述流体流动路径的流体中产生压力脉冲。

权利要求

1.一种供在井筒钻探期间在钻井组合件中使用的设备，所述设备的特征在于：流量控制装置，所述流量控制装置包括：

具有入口和出口的流体流动路径；以及

电磁电路，所述电磁电路包括由磁性材料制成、作为所述电磁电路的一部分的闭合构件，其中所述闭合构件从第一打开位置移动至第二闭合位置来闭合所述流体路径，从而当形成所述电磁电路时在流经所述流体流动路径的流体中产生压力脉冲。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述电磁电路经由填充有钻井流体的间隙闭合。

3.如权利要求1所述的设备，所述设备的特征还在于：第一磁性构件与第二磁性构件之间的线圈，并且其中当激励所述线圈时，在所述第一磁性构件、所述第二磁性构件和所述闭合构件当中形成所述电磁电路，以致使所述闭合构件从所述第一打开位置移动至所述第二闭合位置。

4.如权利要求3所述的设备，其中所述闭合构件包括在其末端处且由硬质材料制成的非磁性圆椎，所述非磁性圆锥被设定尺寸来当形成所述电磁电路时闭合所述流体流动路径的所述出口。

5.如权利要求2所述的设备，其中当受压流体被供应至所述流体流动路径且所述线圈未被激励时，所述闭合构件保持在所述第一打开位置处。

6.如权利要求3所述的设备，其中所述闭合构件是以下中的一个：柱塞，所述柱塞当形成所述电磁电路时轴向地移动；以及杠杆，所述杠杆当形成所述电磁电路时围绕枢轴摇摆。

7.如权利要求3所述的设备，其中所述第一磁性构件由非磁体所包围。

8.如权利要求3所述的设备，其中所述闭合构件的特征还在于：延伸构件，所述延伸构件具有流经路径来允许选定大小以下的固体颗粒由其通过。

9.一种在井筒钻探期间在钻井组合件中产生压力脉冲的方法，所述方法包括：将钻井组合件输送到所述井筒中，所述钻井组合件包括流量控制装置，所述流量控制装置进一步包括：具有入口和出口的流体流动路径，在第一磁性构件与第二磁性构件之间的线圈，以及由磁性材料制成的闭合构件，其中当激励所述线圈时在所述第一磁性构件当中形成电磁电路，并且其中所述闭合构件从第一打开位置移动至第二闭合位置来闭合所述流体路径，从而当形成所述电磁电路时在流经所述流体流动路径的流体中产生压力脉冲；

将所述流体供应至所述流量控制装置；以及

选择性地激励所述线圈以形成所述电磁电路，从而将所述闭合构件移动至所述第二闭合位置来在流经所述流量控制装置的所述流体中生成压力脉冲。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述闭合构件是杠杆，所述杠杆当形成所述电磁电路时围绕枢轴摇摆。

11.如权利要求9所述的方法，其中所述闭合构件的特征还在于：在其末端处且由硬质材料制成的非磁性圆椎，所述非磁性圆锥被设定尺寸来当形成所述电磁电路时闭合所述流体流动路径的所述出口。

12.如权利要求9所述的方法，其中当所述受压流体被供应至所述流体流动路径且所述线圈未被激励时，所述闭合构件保持在所述第一打开位置处。

13.如权利要求9所述的方法，其中所述闭合构件是柱塞，所述柱塞当形成所述电磁电路时轴向地移动来闭合所述流体流动路径。

14.如权利要求9所述的方法，其中通过非磁体来包围所述第一磁性构件。

15.如权利要求9所述的方法，其中所述闭合构件包括延伸构件，所述延伸构件具有至少一个流经路径来允许选定大小以下的固体颗粒通过。

说明书

用于在井筒钻探期间在流体中生成脉冲的设备

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2015年5月18日提交的美国申请No.14/714442的利益，所述美国申请以引用的方式整体并入本文中。

[0003] 背景

[0004] 1.本公开的领域

[0005] 本公开大体上涉及包括钻井组合件的钻井系统，所述钻井组合件包括泥浆脉冲遥测系统，所述泥浆脉冲遥测系统在钻井组合件中用于在井筒钻探期间在井下位置与地表位置之间传输信号。2.技术背景

[0006] 在地球地层中形成井(也称作井筒或井孔)以用于碳氢化合物(油和气)的生产。将包括附接至钻管的钻井组合件(也称作井底钻具组合件或“BHA”)的钻柱输送到井筒中以用于钻探井筒。通过旋转钻管和/或通过钻井组合件中的马达来旋转连接至钻井组合件的末端的钻头来形成井筒。在压力下将流体(称作“泥浆”)供应到钻柱中，所述流体在钻头的底部处排出并且与由钻头所切割的岩屑一起返回至地表。钻柱通常包括：若干传感器，包括压力传感器、振动传感器、温度传感器、加速计、陀螺仪等；以及也被称作随钻测井工具的工具，所述工具可以包括电阻率、声学和核传感器，用于证明正被钻探的井筒所穿过的地层的信息或特征。在钻井组合件中对从所述传感器和工具获得的数据进行处理以获得某些参数，并且在钻井期间将一些所述信息传输给地表计算机系统以便进行进一步处理以及来控制钻井操作。泥浆脉冲遥测通常被用来从钻井组合件传输信号至地表，在所述泥浆脉冲遥测的过程中脉冲装置(也称作“脉冲发生器”)在经过钻井组合件的流体中生成压力脉冲。将数据或信息作为编码的压力脉冲来传输，所述编码的压力脉冲由地表计算机予以解码。在钻井期间，典型的泥浆脉冲发生器在通常是几天的一段较长的时间内大致上连续地生成压力脉冲。另外，目前在温度高于华氏300度的地层中钻探了若干井筒。目前所使用的泥浆脉冲发生器中的大多数包括随着时间推移趋于劣化且不适合供在高温井中使用的注油口、弹性体和/或电气高压连接器。

[0007] 本文的公开内容提供适合于高温使用并且还可以在不使用注油口、弹性体或电气高压连接器的情况下制作的脉冲发生器。

[0008] 概要

[0009] 在一个方面中，公开了一种供在钻井组合件中使用的设备，在一个实施方案中所述设备包括流量控制装置，所述流量控制装置进一步包括：具有入口和出口的流体流动路径；电磁电路，所述电磁电路包括由软磁性或磁性材料制成、作为电磁电路的一部分的闭合构件，其中所述闭合构件从第一打开位置移动至第二闭合位置来闭合流体流动路径，从而当形成电磁电路时在流经流体流动路径的流体中产生压力脉冲。

[0010] 在另一方面中，公开了一种在井筒钻探期间在井筒中产生压力脉冲的方法，在一个实施方案中所述方法包括将钻井组合件输送到井筒中，所述钻井组合件包括流量控制装置，所述流量控制装置进一步包括：具有入口和出口的流体流动路径，在第一软磁性或磁性构件与第二软磁性或磁性构件之间的线圈，以及由软磁性或磁性材料制成的闭合构件，其中当激励所述线圈时形成电磁电路，所述电磁电路将所述闭合构件从第一打开位置移动至第二闭合位置来闭合流体路径，从而在流经流体流动路径的流体中产生压力脉冲。

[0011] 为了更好地理解下面的本发明的详细描述，以及为了可以了解其对于本领域的贡献，已经相当广泛地概括了某些设备和方法的比较重要的特点的实例。下文中将描述额外特点，所述额外特点将形成权利要求的主题。

[0012] 附图简述

[0013] 为了获得对本文所公开的设备和方法的详细理解，应参考本公开的附图和详细描述，其中相同的要素一般提供相同的标号，并且其中：

[0014] 图1示出钻井系统，其中包括流量控制装置的钻井组合件被输送到井筒中，所述流量控制装置根据本公开的实施方案制作以用于对应于信息被遥测并传送至地表而生成压力脉冲；

[0015] 图2示出根据本公开的实施方案的可以在诸如图1中所示出的系统等系统中利用的流量控制装置；

[0016] 图3示出根据本公开的另一实施方案的可以在诸如图1中所示出的系统等系统中利用的流量控制装置；并且

[0017] 图4示出与操作闭合构件以便闭合和打开图3中所示出的流量控制装置的流动路径有关的机构。

[0018] 附图详述

[0019] 图1示出具有钻柱120的钻井系统100的示意图，所述钻柱120包括附接至诸如钻管或连续油管122等输送构件的底端的钻井组合件190(也称作井底钻具组合件或BHA)。示出钻柱120被输送到形成在地层102中的井筒126中。进一步示出钻井系统100包括架设在地面112上的常规吊杆111，所述常规吊杆111支撑由诸如电动马达(未图示)等原动机以所需的旋转速度来旋转的旋转台114。可以使用顶部驱动装置(未图示)代替马达来旋转所述旋转台。当钻管122被用作油管时将钻柱120推到井筒126中。对于连续油管应用，油管注射器(未图示)被用来将油管从滚筒(未图示)移动至井筒126。当旋转附接至钻井组合件190的末端的钻头150来钻探井孔126时，所述钻头150打碎地质地层。如果使用了钻管122，那么利用滑轮123经由转环128和线129来将钻柱120联接至绞车130。在钻井期间，绞车130被操作来控制钻压，从而控制钻头的穿透速率。

[0020] 在钻井期间，通过泥浆泵134将来自泥浆槽(源)132的合适钻井流体131泵送到钻柱120中。钻井流体131从泥浆泵134传递到钻柱120中，并且经由钻头150中的开口152在井孔126的底部151处排出。钻井流体131经由钻柱120与井孔126之间的环形空间127(环空)向上循环，并且经由返回线路135返回至泥浆槽132。钻井流体131对钻头150进行润滑，将由钻头150产生的岩屑运送至地表，并且将井筒126中的压力维持高于沿井筒126的地层压力以防止井喷。放置在线路138中的传感器S1提供关于流体流率的信息。与钻柱120相关联的地表传感器S2和S3分别提供关于钻柱120的扭矩和旋转速度的信息。额外的传感器(未图示)可以被利用来提供挂钩载荷和与钻井操作有关的其它所需的参数。

[0021] 在本公开的一个实施方案中，通过仅旋转钻管122来旋转钻头150。在本公开的另一实施方案中，设置在钻井组合件190中的井下马达155(泥浆马达)旋转钻头150。可以旋转钻管122来补充泥浆马达155的旋转动力，以及实现钻井方向的改变。在图1的实施方案中，经由设置在轴承组合件157中的轴来将泥浆马达155联接至钻头150。当钻井流体131在压力下经过泥浆马达155时时，泥浆马达155旋转钻头150。轴承组合件157支撑钻头的径向力和轴向力。联接至轴承组合件157的稳定器158作为用于钻井组合件190的最下部分的扶正器来起作用。

[0022] 在本公开的一个实施方案中，将钻井传感器模块159放置靠近钻头150。钻井传感器模块159含有与动态钻井参数有关的传感器、电路以及处理软件和算法。所述参数包括但不限于：钻头跳动、粘滑运动、向后旋转、扭矩、冲击、井孔和环空压力、加速度以及钻头和钻井组合件条件的其它参数。钻井组合件190进一步包括若干随钻测井(LWD)工具或传感器(统一由标号180表示)。LWD工具可以包括电阻率工具、声学工具、活性核源工具、伽马射线工具、地层测试工具来提供关于地层102的各种参数或特征的信息。各种工具包括处理器和电子电路，所述处理器和电子电路对来自其相应工具的信息进行处理，并且提供关于将被传输至地表的各种相关参数的信息。钻井组合件190还包括电子电路和处理器，所述处理器对来自传感器159的信号进行处理，并且提供将被传输至地表的参数的信息。钻井组合件190进一步包括：动力单元179，所述动力单元179生成供钻井组合件中的各种装置使用的动力；以及包括根据本公开的一个实施方案制作的流体控制装置或脉冲发生器185的遥测单元172，所述流体控制装置或脉冲发生器185对应于所需的信息被发送至地表而生成压力脉冲。脉冲发生器185的操作由与遥测单元172相关联的处理器进行控制。

[0023] 与脉冲器185相关联的处理器致使脉冲发生器185来对应于信号被发送至地表而生成压力脉冲。传感器145检测所述压力脉冲，并且将与所述压力脉冲有关的信息提供给地表控制单元140。系统140可以是基于计算机的系统，所述基于计算机的系统对接收的脉冲进行处理，并且提供信息给操作人员来采取行动或者根据提供给控制单元140的程序来自己采取行动。控制单元140在操作人员所利用的显示器/监视器142上显示用于控制钻井操作的所需的钻井参数和其它信息。控制单元140当某些不安全或不期望的操作条件发生时启动警报144。下面参考图2至图4描述了供在系统100中使用的流体控制装置185的某些实施方案。

[0024] 图2示出根据本公开的一个实施方案制作的处于打开位置的流量控制装置200，所述流量控制装置200可以在诸如图1的系统100的钻井组合件190等钻井组合件中使用以便执行选定井下功能。流量控制装置200可以被并入液压控制式主阀中，并且可以作为控制阀来起作用。流量控制装置200在本文中也被称作阀或脉冲发生器。装置200包括容纳构件230的涡轮机(未图示)的入口引导件220，所述构件230具有在出口234中终止的流体流经路径或通道232。供应至钻井组合件(190，图1)的流体131将流动经过流经路径232，并且在出口234处排出。出口234在阀座236处终止。装置200进一步包括可移动构件，诸如具有符合阀座
236的形状的面242的柱塞240，以使得当面242移动到阀座236中或啮合阀座236时，所述柱塞240阻挡或大致上阻挡流体131流经通道232，以在钻柱120(图1)中的流体131中生成正压脉冲。柱塞240由支撑构件246线性地支撑，在一个实施方案中所述支撑构件246可以是螺丝头。柱塞240由入口引导件220内的圆柱形支撑构件248支撑，并且在所述圆柱形支撑构件
248内侧线性地或轴向地移动。由磁性材料制成的构件250围绕支撑构件246。出于本公开的目的，术语“磁体”包括任何合适的磁体，包括软磁体，且短语“磁性构件”或“磁性材料”包括任何合适的磁性构件或材料，包括软磁性构件或软磁性材料。放置在线圈架262中的线圈
260可以被放置成围绕磁性构件250并且位于入口引导件220内侧。围绕支撑构件248的非磁性圆柱形垫片或环264将线圈架262轴向地支撑在其前端260a处。

[0025] 参看图1和图2，入口引导件220、构件250、圆柱形支撑构件248、柱塞240、入口引导件230由合适的磁性材料制成，而支撑环264和线性支撑构件246由合适的非磁性材料制成。在装置200的特定配置中，当线圈250被励磁(电力驱动)时，经由支撑构件248、柱塞240和入口引导件220形成从磁性材料250到入口引导件220的电磁电路，如由箭头270所示。由电路
270创建的磁通量致使柱塞240来轴向地移向阀座236，致使面242来与阀座236啮合，从而阻挡或大致上阻挡流体131流经通道232。对流体131的流动进行阻挡在流经钻柱120的流体
131中生成压力脉冲。从线圈260移除动力或使线圈260去激励会中断磁路270，并且流体131的压力在柱塞240上施加力，致使其回缩到图2中所示的打开位置，这样打开流体通道232，又在流体131中产生负压脉冲。因此，对线圈260的每一次激励产生正压脉冲，且每一次去激励导致负压脉冲。因此，由装置200生成的正压将提供脉冲的前沿(当激励线圈时)，而负压将提供脉冲的后沿(当使线圈去激励时)。或者，负压可以被称作脉冲的前沿，而正压可以被称作脉冲的后沿。在任一种情况下，压力脉冲将包括前沿和后沿。在任一种情况下，经过通道232的流率限定脉冲的振幅、线圈260的激励与去激励之间的持续时间或反过来限定脉冲宽度，且选定时间段内的脉冲数量限定所生成的脉冲的频率。在各方面中，流量控制装置
200可以在流体的主流量中操作，所述主流量即经过装置200的流体的整个流量；或者流量控制装置200可以在旁通模式中操作，以使得流体的仅某一部分经过装置200；或者可选地，流量控制装置200可以作为较大的液压致动式主阀的对流体的整个流量起作用的控制阀来操作。

[0026] 每当激励线圈250时就形成磁通路径或电路270。形成从核心256到支撑构件248，从支撑构件248到柱塞240，从柱塞240到入口构件230以及从入口构件230到入口引导件220的磁通路径270。非磁性垫片264防止电路270中的短路。在流量控制装置200的实施方案中，可以将线圈260放置在密封且清洁的1巴环境中。在图2中的装置200的特定实施方案中，当对线圈260供电时，柱塞240是装置200的唯一会移动的部件。电路270中生成的磁通量在阀座236的方向上移动柱塞240。当脉冲发生时，柱塞240在充满了流体131的环境中滑动，这使得柱塞240能够以相对较低的摩擦力来回滑动。

[0027] 图3示出根据本公开的另一实施方案制作的处于打开位置的流量控制装置或脉冲发生器300，所述流量控制装置或脉冲发生器300可以用作图1的钻井系统100中的脉冲发生器，以便在井下生成脉冲或执行另一选定功能。装置300包括容纳阀构件320的非磁体310，所述阀构件320中具有流体流动路径或通道322，所述流体流动路径或通道322包括用于接收流体308的入口324和用于从中排出流体308的出口326。出口326包括阀座328以便在所述阀座328中接受用于闭合和打开流体流动路径322的柱塞或提升阀329。在一个实施方案中，柱塞329可以附接至可移动构件330以便将柱塞329移入和移出阀座328，在一个实施方案中所述可移动构件可以是围绕枢轴332摇摆的杠杆330。杠杆330包括位于其末端处的闭合构件329，其中闭合构件329的面335被设定形状来位于阀座328内侧或与阀座328啮合以阻挡或大致上阻挡流体131流经通道322。当流动通道322打开时经过装置300的流体131的流动通过箭头336来示出。

[0028] 仍然参看图3，装置300进一步包括被设置成围绕磁体352的线圈350。线圈350的一端由软磁体或磁体末端352a支撑，且另一端由非磁性垫片360支撑。可以将磁体352放置成围绕磁性构件364，或者两侧由磁性构件364支撑。可以将另一磁性构件354放置成围绕线圈350。因此，在图3的装置300的特定实施方案中，磁体352和磁体354以及杠杆330由合适的磁性材料制成，而阀构件320、阀座328、柱塞329和垫片360由合适的非磁性材料制成。当通过供应电流通过线圈350而激励线圈350时，形成从磁体354到杠杆330的磁路，所述杠杆330经由磁体352返回至磁体354，如由箭头370所示。当激励线圈350时，杠杆330围绕枢轴332朝向阀座328摇摆，致使柱塞329固定在阀座328内侧以阻挡或大致上阻挡流体131流经通道322且因此装置300。对经过通道322的流体131的阻挡在流经钻柱120(图1)的流体131中引起正压。当使线圈350去激励时，杠杆330由于流体131施加在柱塞329上的压力而从阀座328移动离开，从而允许流体131来流径通道322且因此装置300。线圈350的每一次去激励打开流体通道322，从而在流经钻柱120(图1)的流体131中生成负压。如参考图2所描述，经过通道322的流率限定脉冲的振幅，线圈350的连续激励与去激励之间的时间限定脉冲的长度或持续时间，且选定时间段内的脉冲数量限定脉冲的频率。经过装置300的流体131的流动通过箭头336来示出。

[0029] 图4示出根据本公开的一个实施方案的与图3中所示出的杠杆330的操作有关的阀机构。在一个实施方案中，杠杆330可以包括头部构件432和圆柱形构件或电极板442，其中杠杆330围绕枢轴332摇摆。电极板442可以包括孔眼452来防止流经装置300的流体131被流体131中的杂质或其它颗粒堵塞。在一个实施方案中，枢轴332可以包括阳轴承444和阴轴承446。在图3和图4中所示出的流量控制装置的配置中，电极板442在阀构件320与外壳354之间的空间“S”中移动。柱塞329的移动是不过渡的。柱塞329被固定至围绕选定轴线旋转的杠杆330。在该实施方案中，杠杆330是磁路的一部分，并且可以由诸如9Cr等具有良好磁性性质的材料制成。而且，柱塞329和阀座328可以由不影响磁路370的任何材料制成。在上文中所描述的实施方案中，当在钻井系统中使用此类装置时，磁路的间隙中的流体是钻井流体。

[0030] 虽然本文中将流量控制装置描述成用于在钻井组合件中生成压力脉冲的泥浆脉冲发生器，但是可以将所述装置用于任何其它合适的目的，或用于执行任何其它功能，包括但不限于：泥浆液压驱动式转向工具、可扩张扩眼器和可扩张稳定器的控制；封隔器的设置；操作滑动套筒和生产阀；添加剂计量装置的控制；以及地表处的装置的控制和/或操作。

[0031] 前述公开内容涉及某些示例性实施方案和方法。各种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。意图在于，在所附权利要求的范围内的所有所述修改都包含在前述公开内容中。如权利要求中所使用的单词“包括”应被解释成表示“包括但不限于”。