用于在流体调制器中产生压力信号的可移动元件 |
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| 申请号 | CN201480053680.1 | 申请日 | 2014-07-30 | 公开(公告)号 | CN105593457A | 公开(公告)日 | 2016-05-18 |
| 申请人 | 普拉德研究及开发股份有限公司; | 发明人 | S·A·科尔贝; J·詹姆斯; C·P·里德; D·K·康恩; | ||||
| 摘要 | 根据一个方面的 流体 调制器 包括：本体，其在入口与出口之间形成流孔眼，所述流孔眼对于从所述入口轴向流动至出口的流体提供限流；以及可移动元件，其具有被布置成穿过所述本体的轴部以及可选择性地 定位 于所述流孔眼中以改变所述流孔眼的末端。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种流体调制器，包括： |
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| 说明书全文 | 用于在流体调制器中产生压力信号的可移动元件[0001] 相关申请 [0002] 本申请要求享有以下专利申请的优先权和权益：2013年7月30日递交的美国临时专利申请No.61/860206、2013年12月8日递交的美国临时专利申请No.61/913347、2014年5月25日递交的美国临时专利申请No.62/002901、2014年5月25日递交的美国临时专利申请No.62/002904、2014年7月29日递交的美国非临时专利申请No.14/445062、2014年7月29日递交的美国非临时专利申请No.14/445063以及2014年7月29日递交的美国非临时专利申请No.14/445064，这些专利申请通过引用并入本文中。 背景技术[0004] 通常向地下钻井以开采地壳的地质构造中所蓄积的碳氢化合物和其它期望的材料的自然沉积。通常，使用附接至钻柱的下端的钻头来钻井。进行钻井，使得井穿过包含蓄积的材料的地下地层并且可以开采该材料。 [0005] 钻柱的底端为井底钻具组合(“BHA”)。BHA包括钻头以及传感器、控制机构和所需电路。典型的BHA包括用于测量地层及地层中所包含的流体的各种属性的传感器。BHA还可以包括用于测量BHA的方位和位置的传感器。 [0006] 地表处或远程运行支持中心处的操作者可以控制钻井操作。通过地表处的转盘或顶驱以期望的速率转动钻柱，并且操作者控制钻压以及钻井过程中的其它运行参数。 [0007] 钻井和井控的另一方面涉及钻井流体，称为泥浆。泥浆为通过钻柱从地表泵送至钻头的流体。泥浆用于冷却和润滑钻头，并且将钻屑运回地表。精确地控制泥浆的密度，以将钻孔中的流体静压维持在期望的水平。 [0008] 为了使操作者知道BHA中的传感器所进行的测量以及使操作者能够控制钻头的方向，需要在地表处的操作者与BHA之间进行通信。下行链路为从地表至BHA的通信。基于BHA中的传感器所采集的数据，操作者可以期望向BHA发送命令。常见的一个命令为用于使BHA改变钻井的方向的指令。 [0009] 同样地，上行链路为从BHA至地表的通信。上行链路通常为BHA中的传感器所采集的数据的传输。例如，使操作者知道BHA方位通常是重要的。因此，BHA中的传感器所采集的方位数据通常被传送至地表。上行链路通信还用于确认下行链路命令被正确地理解。 [0010] 一种常用的通信方法被称为泥浆脉冲遥测技术。泥浆脉冲遥测技术是通过创建泥浆中的压力和/或流量脉冲来下行或上行发送信号的方法。可以通过接收位置处的传感器来检测这些脉冲。例如，在下行操作中，可以通过BHA中的传感器来检测沿钻柱向下泵送的泥浆的压力或流量变化。可通过传感器检测脉冲的特性(诸如频率、相位和幅度)并对其进行解释，以使得BHA可以理解命令。 [0011] 美国专利No.3309656中公开了一种泥浆脉冲遥测技术的方法，该方法包括：旋转阀或“泥浆警报器”压力脉冲发生器，其不断地中断钻井流体的流动，因而使得以与中断速率成比例的载波频率在钻井流体中生成变化的压力波。通过调制声学载波频率将井下传感器响应数据传送至地表。相关的设计为美国专利No.6626253中所公开的摆动阀，其中，转子相对于定子摆动，每隔180度改变方向，不断地中断钻井流体的流动并使得生成变化的压力波。考虑到活动部分的特性，一些脉冲发生阀经受阻塞和腐蚀，并且一些脉冲发生阀具有在井下环境下受限的功率消耗水平。发明内容 [0012] 根据本公开的一个方面，一种流体调制器包括：可移动元件，其被布置成穿过金刚石支承表面进入收缩的流孔眼中。可移动元件例如可被线性平移通过支承表面进入流孔眼，周向地转动到流孔眼中，和或在流孔眼中转动。根据本公开的多个方面，用于在文丘里管中创建压力信号的可移动元件包括轴和挡块或末端。轴和末端可由不同结构材料形成，例如，轴可由金刚石构成而末端由碳化钨构成。根据一个方面的流体调制器包括：本体，其在入口与出口之间形成流孔眼，该流孔眼对于从入口轴向流动至出口的流体提供限流；以及可移动元件，其具有被布置成穿过所述本体的轴部和能够选择性地位于所述流孔眼中以改变所述流孔眼的末端。 [0014] 参照以下附图说明流体调制器装置、系统和方法的实施例。整个附图中使用相同的附图标记指示相同的特征和部件。需要强调的是，根据行业标准实践，各种特征不必按比例绘制。实际上，为了讨论清楚，可以随意地增加或减少各种特征的尺寸。 [0015] 图1、2和20为其中可以实施根据本公开的多个方面的流体调制器的井系统的示意图。 [0016] 图3为包括一个以上的可移动部的流体调制器的示意图，其中，每个可移动部具有覆盖根据本公开的多个方面的流体调制器的流孔眼的圆周部分的几何形状。 [0017] 图4和图5示出了根据本公开的多个方面的流体调制器的速度幅度的等值线图。 [0018] 图6至图19示出了根据本公开的多个方面的流体调制器。 具体实施方式[0019] 应当理解，以下的公开内容提供了多个不同的实施例或用于实施各实施例的不同特征的示例。下面描述部件和布置的具体示例来简化本公开内容。当然，这仅是示例并且不是意在进行限制。另外，本公开内容可以在各种示例中重复使用附图标记和/或标识。重复的目的是为了简化和清楚起见而不是本身指定各实施例和/或所讨论的配置之间的关系。 [0020] 本文中所公开的流体调制器、系统和方法可以提供比现有装置更低的功率消耗、比现有装置更宽的运行范围、用于使地表接收器与钻井和泥浆马达噪声隔离的能力、用于使地表钻机和泥浆泵噪声与井下接收器和发送器隔离的能力，可以提供通过与钻柱基本共轴的调制装置执行打捞作业的能力，以及可以提供泥浆脉冲信号的幅度控制(例如，幅度和/或正交幅度调制“QAM”控制)。根据多个方面，流体调制器允许使用诸如QAM的高带宽效率。流体调制器提供动态间隙调整控制。例如，所公开的流体调制器可以允许改变间隙设置，同时流体调制器位于井下，以改变所生成的信号强度来适应泥浆流率的变化。根据本公开内容的多个方面，流体调制器能够使用宽频率范围进行相位、频率、幅度或它们的任意组合、单载波或多载波调制。在所公开的流体调制器用作例如上行链路、下行链路或沿柱测量或中继工具时，它们可以利用这些调制。 [0021] 图1示意性地示出了井或钻井系统100，该系统可以在陆地上或海上并且在其中可以实施根据本公开内容的流体调制器200。系统100被示出为具有钻机10，钻机10包括用于向钻柱14提供驱动转矩的驱动机构12。钻柱14的下端伸到井眼30中并且携带钻头16钻探地下地层18。在钻井作业期间，例如经由诸如一个或多个往复泵的一个或多个泵24从地表29处的泥浆池22抽取钻井流体20。钻井流体20循环穿过泥浆管线26、向下穿过钻柱14、穿过钻头16并经由钻柱14与井眼30的壁之间的环形空间28返回至地表29。在到达地表29时，通过线路32将钻井流体20排放到泥浆池22中，使得可以在钻井流体20重新循环到钻柱14中之前将钻井泥浆中向井口携带的钻屑(诸如，例如岩石和/或其它井屑)沉淀在泥浆池22的底部。 [0022] 所示的钻柱14包括井底钻具组合(“BHA”)33，井底钻具组合33包括至少一个井下工具34。井下工具34可以包括勘测或测量工具，诸如随钻测井(“LWD”)工具、随钻测量(“MWD”)工具、近钻头工具、钻头上工具、和/或测井电缆可部署的工具。LWD工具可以包括用于测量、处理和存储信息以及用于与地表设备通信的能力。另外，LWD工具可包括用于测量与地层18和/或井眼相关的特性的以下类型的测井装置中的一个或多个：电阻率测量装置；定向电阻率测量装置；声波测量装置；核测量装置；核磁共振测量装置；压力测量装置；地震测量装置；成像装置；地层采样装置；自然伽玛射线装置；密度和光电指数装置；中子孔隙度装置；以及井径装置。利用图2中的附图标记120来具体标识LWD工具。 [0023] MWD工具可以包括例如用于测量邻近于钻头16的特性的一个或多个装置。MWD工具可包括以下类型的测量装置中的一个或多个：钻压测量装置；转矩测量装置；振动测量装置；冲击测量装置；粘滑测量装置；方向测量装置；倾角测量装置；自然伽玛射线装置；定向勘测装置；工具面装置；井眼压力装置；以及温度装置。MWD工具可以检测、收集和/或记录与钻头16处、地下地层18周围、钻柱14前端和/或钻柱14周围一定距离处的状况有关的数据和/或信息。利用图2中的附图标记130标识MWD工具。 [0025] 所述的井下工具34包括传感器36(例如，传感器组件，数据源)以及根据本公开内容的一个或多个方面的用于泥浆脉冲遥测的流体调制器200。流体调制器200被操作用于干扰钻井流体20流过钻柱14，以产生压力脉冲或改变流体流动。通过流体调制器的操作对压力脉冲进行调制，从而为了遥测的目的对压力脉冲进行编码。例如，在图1中，流体调制器200被操作用于创建井眼和泥浆管线26中的钻井流体的压力变化，其中，利用例如来自井下数据源36的数据对该压力变化进行编码。可以通过压力变换器40和泵活塞传感器42检测调制后的钻井流体20的压力变化，压力变换器40和泵活塞传感器42均可以耦接至地表系统处理器，参见例如图2中的处理器50。地表系统处理器可以解释经调制的钻井流体20的压力变化，以重构数据源36所收集和发送的测量结果、数据和/或信息。在通过引用整体并入本文的、共同受让的美国专利No.5375098和No.8302685中详细描述了压力波的调制和解调。 [0026] 可以使用硬件和/或软件的任意期望的组合来实现地表系统处理器以及其它处理器。例如，个人计算机平台、工作站平台等可以存储在计算机可读介质(例如，磁性或光学的硬盘和/或随机存取存储器)上，并且执行一个或多个软件例程、程序、机器可读代码和/或指令，以用于执行本文所描述的操作。另外地或可替代地，地表系统处理器可以利用专用硬件或逻辑器件，诸如例如专用集成电路、配置的可编程逻辑控制器、离散逻辑器件、模拟电路和/或无源电器件执行本文所描述的功能或操作。 [0027] 地表系统处理器可以被定位成相对接近和/或邻近钻机10。换言之，地表系统处理器可以基本上与钻机10位于相同位置。可替换地，地表系统处理器的一部分或整个地表系统处理器可以相对于钻机10可替换地位于相对远处。例如，地表系统处理器可以经由一个或多个无线或硬接线通信链路的任意组合操作地和/或通信地耦接至流体调制器200。这样的通信链路可以包括经由包交换网络(例如，英特网)、硬接线电话线、蜂窝通信链路和/或可以利用任何通信协议的基于射频的其它通信链路的通信链路。 [0028] 图2示出了可以采用流体调制器200的实施例的根据本公开内容的多个方面的井或钻井系统100。可以使用任何适合的技术通过旋转钻井在地下地层18中形成钻孔或井眼30。钻柱14悬吊在井眼30内并且具有井底钻具组合(“BHA”)33，BHA33包括位于其下端的钻头16。泵24可以将钻井流体20经由转环中的端口传递至钻柱14的内部，使得钻井流体向下流过钻柱14，如方向箭头8所示。钻井流体120可以经由钻头16中的端口离开钻柱14，并且向上循环通过位于钻柱14的外部与井眼30的壁之间的环形空间28区域，如方向箭头9所示。 [0029] BHA 33可以包括一个或多个井下工具，诸如随钻测井(“LWD”)工具120和/或随钻测量(“MWD”)工具130、马达150(例如，泥浆马达)、旋转导向系统(“RSS”)155和钻头16。根据一些实施例，泥浆马达150将下行泥浆流中的流体动力转化成转动。该转动被传送至BHA的位于泥浆马达150以下的部分。在一些实施例中，泥浆马达150包括容积式马达(“PDM”)或涡轮钻具。图2示出了连接在泥浆马达150之下的旋转导向系统(“RSS”)155，但也可以将其它类型的设备(例如，测量设备或钻头)连接在泥浆马达之下。另外，BHA可以包括弯壳体或其它定向钻井装置。RSS 155可以包括被选择性地致动以对钻头进行导向的垫。 [0030] 本领域已知，LWD工具120可以被容纳在特定类型的钻铤中，且可包含一种或多种已知类型的测井工具。LWD工具120可以包括用于测量、处理和存储信息以及用于与地表设备通信的能力。可以采用LWD工具120来获得通常由通常被标识为本地或数据源传感器36的一个或多个传感器(例如，传感器组件)所表示的各种井下测量结果。 [0031] 本领域已知，MWD工具130也可以被容纳在特定类型的钻铤中，并且可以包含一个或多个用于测量钻柱和钻头的特性的装置。还将理解，可以采用一个以上的MWD。MWD工具130可以包括用于测量、处理和存储信息以及用于与地表设备通信的能力。可以采用MWD工具130来获得通常由通常被标识为数据源传感器36的一个或多个传感器(例如，传感器组件)所表示的各种井下测量结果。 [0032] 图2中所示的系统100包括一个以上的流体调制器200，可以采用每个流体调制器200调制钻井流体20中的压力脉冲，以向井下传送数据(例如，控制信号)和/或将井下测量结果传送至地表。根据本公开内容的多个方面，通过流体调制器200的流动路径与通过钻柱的流动路径共轴。在压力变换器40(即，传感器)处可以检测经调制的钻井流体20的压力(即，信号)变化，并且总体上由附图标记50标识的处理器(例如，解码器，解调器)解释该调制后的钻井流体20的压力变化以重构流体调制器200所发送的信号。处理器50还可以对数据进行编码，使得流体调制器被致动以对压力脉冲进行调制来输送编码后的数据。在共同受让的美国专利No.5375098和No.8302685中详细描述了压力波的调制和解调，这两个专利的示教通过引用并入本文中。 [0033] 与图1所示的系统类似，BHA33包括流体调制器200，流体调制器200例如被操作为用于由诸如LWD工具120和MWD工具130的井下工具所获得的数据和信息的上行链路。根据一些实施例，可以沿钻柱以一定间隔设置多个流体调制器20，并且采用这些流体调制器20作为中继器来接收原始信号并以重建的能量传送该信号。根据一些实施例，钻井系统可以包括沿钻柱的长度以一定间隔设置的一个或多个流体调制器200，以提供沿钻柱的测量。例如，可以从BHA流体调制器传送原始信号。该原始信号可在位于井口并与第二井口流体调制器200关联的压力变换器40处被接收到。第二流体调制器可以传送该原始信号以及包括编码有在位于从BHA向上的数据源传感器36处获得的井数据的信号。例如，数据源传感器36可获得测量结果，这些测量结果例如为但不限于压力、温度、流率、流体相、流体电阻率、流体PH、流体粘度、流体密度、流体化学成分。因此，可以采用流体调制器200用于上行和下行通信，作为中继器和作为用于提供沿柱测量(“ASM”)的沿钻柱单元。 [0034] 流体调制器200(即，调制机构)包括钻井流体(即，泥浆)可以流过的流动路径。该流动路径可以包括具有收缩的流孔眼216或减小的流动路径面积(即，节流部或限流部)的文丘里管。流体调制器包括可移动部或元件218，所述可移动部或元件218可以被操作用于例如通过改变流孔眼的尺寸或横截面积或者以其他方式改变流体流过流孔眼的阻力来更改或干扰流体流过缩小的流孔眼的流动。该可移动元件可以被形成为各种几何形状和构造，这在本公开内容的益处下是可以理解的。该可移动元件的例如径向相对于限流部的内壁或相对于流体调制器流动路径的纵向轴线的移动会改变流孔眼的标称直径。根据一个或多个方面，该可移动元件可在流孔眼中转动，以改变该可移动元件的阻挡流孔眼的横截表面面积。例如，可移动元件可包含具有不同横截表面面积的两侧或两面。将该可移动元件从第一面转动至第二面可增大或减少流孔眼对流体流动敞开的横截面积，其中，第一面与流体流动的方向垂直地位于流孔眼中，第二面与流体流动垂直地位于流孔眼中。根据至少一个实施例的一个方面，可移动元件响应于流体流动移动并且控制该可移动元件对移动的阻力来改变流体经过流孔眼的阻力，从而创建压力脉冲。 [0035] 应当理解，可移动元件的移动可不减少流孔眼的横截面积，而是相反地例如在该可移动元件自流动路径径向向外移动从而相对于标称流动路径面积增大流动路径面积时或者在可移动元件从第一面转动至比第一面具有更小阻挡表面面积的第二面时增大该横截面积。因此，可移动元件的移动可被认为通过如下操作来改变或更改流孔眼：例如增大或减小流孔眼(即，限流部，节流部)的面积(例如，横截面积)；变更流体流过流孔眼的路线；改变构成流孔眼的壁的纹理；或者以其他方式干扰流体流过流体调制器的边界层。 [0036] 图3是在收缩的流孔眼216处操作地设置有一个以上的可移动部218的流体调制器200的示意图。每个可移动部或元件218可被配置成在其处于运行或闭合位置时覆盖流孔眼的圆周的选定百分比或部分。例如，可移动元件218可被配置成使得在其伸入流孔眼216的流动路径区域时该伸入的可移动元件覆盖或阻挡流孔眼的360度圆周的选定百分例。例如，在图3中，顶部可移动元件被配置成具有由角221所指示的圆周覆盖范围。该圆周覆盖范围 221(即，弧角或弧长，中心角)可以随着顶部可移动元件218从内壁219延伸至流孔眼中的径向距离而改变或不改变。换言之，如果顶部可移动元件向流孔眼中延伸了第二径向深度(例如，大于所示出的第一径向深度)，则可移动元件的圆周覆盖范围可以保持相同或者圆周覆盖范围可以改变。在图3中，顶部可移动元件218被配置成具有固定的圆周覆盖角221而与可移动元件218从内壁219延伸至限流部中的径向距离无关。注意，随着可移动元件径向向流动路径中移动，可移动元件的面的阻挡表面面积将增大，但圆周覆盖范围可以保持相同。 [0037] 在不同的配置(诸如圆形可移动元件218)中，圆周覆盖角221可随可移动元件伸到限流部或流孔眼216中的径向距离而改变。根据不同的方面，可移动元件218可以旋转地或线性地平移进入和平移移出流体调制器的流孔眼。例如，可移动元件可以为圆形并且线性地平移进入和平移移出流动路径。因此，随着可移动元件218平移进入流动路径中，可移动元件218的圆周覆盖范围将增大。类似地，可移动元件218可以从一侧径向转动进入流孔眼中或者周向地转动进入流孔眼中使得圆周覆盖范围变化。根据一些方面，可移动元件218可以被定位在流孔眼中并且可转动以放置可移动元件的不同面，这些面具有垂直于流体流动方向的不同表面面积。 [0038] 举例来说，图3示出了具有约90度的圆周覆盖范围的顶部可移动元件218。然而，在不背离本公开内容的情况下也可以采用其它圆周覆盖范围。例如，圆周覆盖范围可以为劣弧、优弧、半圆或完整的360度。因此，可以经由流孔眼圆周的被可移动元件覆盖的部分和/或可移动元件从内壁延伸到限流部的流动路径的径向距离来操纵流体流中的压力降落。圆周覆盖范围结合径向延伸产生可移动元件的用于缩小限流部的横截面流动路径区域的阻挡表面区域。如图3中所示，所公开的流体调制器可以包括一个或多个可移动元件218，该一个或多个可移动元件218可以彼此独立地操作以提供调制控制范围。在图3中，第一可移动部218置于流孔眼216中，而第二可移动部218被致动至从流孔眼移开的全开位置。 [0039] 通过组合可移动元件的限流作用和流体调制器的出口扩大通道或扩散器中的流体边界层中的扰动可以产生流体流的压力降落。根据所设置的可移动元件的阻挡表面面积和/或可移动元件伸入或伸出流孔眼的距离，可以主要地(如果不是完全地)通过边界层扰动产生压力降落。图4示出了经过流体调制器的速度和压力场的变化。 [0040] 通过采用仅延伸到流体调制器流动路径的一部分中的可移动元件，在没有消除阻塞流体调制器的可能性的情况下，减小了阻塞流体调制器的可能性。例如，提升阀和泥浆警报器类型的泥浆脉冲装置具有阻挡元件，该阻挡元件保持置于放大装置的和钻柱的流动路径中。另外，可以通过例如将可移动元件移出流动路径来执行打捞操作。如果必要的话，在执行必要的打捞操作时，可以破坏可移动元件或者从流动路径推出该可移动元件。 [0041] 参加例如图2和图20，协作于流体调制器，可以将上游和下游压力传感器设置成监测信号幅度。基于所接收的幅度大小或强度，可以调整可移动元件的位置以应用所期望的幅度大小。例如，流体调制器的幅度强度可以随着钻柱和井下流体调制器远离地表朝着全井深(TD)行进而增加。根据本公开内容的多个方面，当流体调制器位于第一深度(例如，距地表2500英尺)处时，流体调制器可以被操作用于创建第一压力降落(例如，150psi)以与地表通信。当流体调制器位于总井深处时，可以将流体调制器控制成采用第二更高的压力降落，例如约400psi。根据一些方面，可以在流体调制器位于井下时改变幅度强度，而无需将流体调制器撤出井眼来改变幅度强度。另外，流体调制器可以随时间提供对压力波形状的控制，从而提供增加的比特率通信。 [0042] 为了允许可移动元件的腐蚀，可以将可移动元件配置成具有延伸的长度，使得随着可移动元件的远端腐蚀，可以采用可移动元件的附加长度来延长流体调制器的整体寿命。通过在浅的深度处使用短的长度并在更大的深度处使用较长的长度，可以使用该技术来改进更大的深度处的信号强度。通常，可以通过来自地表的下行命令或井下自动算法来修改该长度。还可以采用冗余可移动元件(例如，面或挡块)来解决腐蚀和/或用于额外的幅度控制，例如动态长度或间隙控制。 [0043] 一些系统可以包括多级类型的文丘里管，在该文丘里管处背靠背地放置若干个流体调制器以实现大的压力降落而无需极小的直径约束。图5示出了采用串联设置的流体调制器的系统中的速度和压力场变化的示例。两个或多个串联的流体调制器可以被应用于例如用作中间钻柱中继器，该中继器可以具有大到足以允许打捞操作的最小内径。多级构造还可以随着峰值流动速度降低而减小腐蚀。 [0044] 流体调制器200本身通常反射管波并且可以被制成在每个方向具有不同的反射系数，从而提供压力变换器所位于的地表与流体调制器以下的BHA元件(例如，泥浆马达，活动的扩孔钻，振动工具)之间的噪声隔离，参加例如图4和图5。流体调制器200在地表处的下行链路可以减少泥浆泵噪声。地表和BHA流体调制器组合在一起可以减少井眼中间(例如，沿钻柱)的噪声环境，并且提供安静的媒介来增大信号的比特率。根据多个方面，流体调制器可以将噪声源与接收器(例如，压力变化器)和/或其它数据源传感器隔离。 [0045] 可移动元件的用于阻挡部分流孔眼的移动可以导致生成具有快上升沿(诸如几毫秒)的压力波。所产生的锚定流体调制器的结构(诸如，钻柱)上的反作用力可以对BHA施加振动。该振动可以用于减少或抵抗压差卡钻并且可以用于井眼清洁，增加的钻进速度及用于其它钻井优化技术。 [0046] 流体调制器可以用于很多不同的应用中，包括上行链路发送器，中间钻柱中继器，沿钻柱通信，沿钻柱测量，耐井漏材料(“LCM”)/故障防护脉冲发生器，下行链路，地下地震勘探系统，并且可以用于高温应用(例如，低功率致动器)中。其它应用包括但不限于用于摇动BHA以例如防止粘附的搅拌器，具有例如聚晶金刚石(PDC)钻头的冲击钻装置，以及响应于压差而移动活塞或套筒的致动器。例如，可以采用流体调制器200来致动图2中的旋转导向系统155(即，偏压单元)。 [0047] 图6示意性地示出了流体调制器200的一个非限制示例的剖视图。流体调制器200包括：壳体或本体210，其提供加压流体20(例如，钻井流体，泥浆等)流过的流体流动路径。该流体流动路径包括耦接入口211和出口213的限流部或流孔眼216。流孔眼216相对于入口 211和出口213的直径或横截面积具有缩小的直径或横截面积。限流部或流孔眼216具有标称直径215和长度217。根据一些实施例的多个方面，会聚部212从入口211的直径缩窄至限流部216的直径215，而出口扩大通道或扩散器214从流孔眼216的直径215扩展至出口213的更大直径。壳体和/或流动限流结构包括但不限于文丘里管、喷嘴(例如，成形喷嘴)和节流孔(例如，锐缘节流孔)。流体调制器可以包括一个或多个限流部或流孔眼216(即，节流部，参见例如图5)和/或一个或多个可移动元件阻挡表面或面。 [0048] 流体调制器200包括可移动部或元件218(例如，调制器，挡块，末端)，所述可移动部或元件218可以改变限流部或流孔眼216的尺寸和/或干扰边界层并在流孔眼216中创建放大的压力降落。可以通过选择性地控制可移动元件218相对于限流部或流孔眼的直径或横截面积的移动对压力降落进行调制，并因而为了遥测目的而对压力降落进行编码。不稳定的流体流动在进入扩散器214之前不会恢复。不稳定的流体流动不会高效地恢复扩散器214中所创建的放大的压力降落，因而在入口211与出口213之间创建了放大的压力降落。 [0049] 所示出的可移动元件218连接至驱动机构220(例如，致动器，螺线管，控制器，马达，制动器)，所述驱动机构220移动和/或控制可移动元件的移动以引起流孔眼的变化或流体流过流孔眼的阻力变化。流孔眼的变化可以为流孔眼的横截面积的增加或减小，流孔眼的壁的纹理(即，摩擦力)变化，和/或改变通过流体调制器的流体流动路径或流动状态(例如，湍流，层流)。在图6中，可移动元件218被定向成基本上垂直于流体调制器200的流动路径的纵向轴线“X”并且能够相对于限流部或流孔眼216的内表面或内壁219径向移动。在图6中，可移动元件218转动(即，周向地转动)进入流孔眼216和流体20的流动路径，而不是线性地平移进入流动路径。可移动元件可以由各种材料构成。根据一个实施例，可移动元件218可以由金刚石构成和/或具有金刚石表面并且被布置成穿过本体210的金刚石表面部分和/或本体210的金刚石元件。 [0050] 在图6中，所示出的可移动元件218的转动轴242被定向成基本上平行于纵向轴线X，使得可移动元件可以转动以便通常由附图标记228所指示的阻挡表面或面从流孔眼的圆周转动进入流孔眼216的流动路径。当可移动元件218的阻挡表面或面228操作性地位于流孔眼216中时，阻挡表面或面228被定向成朝向入口211并因而被定向成与流体流动20的方向相反，由此阻挡表面或面228的表面面积减小了流孔眼216的横截面面积并因而增加了液体流动20经过流孔眼的阻力。在图6中，可移动元件218的阻挡表面或面228被示出为被定位成基本上垂直于流体流动20的方向。将理解的是，阻挡表面或面228可以被定位在流孔眼216中并且被定向为与流体流动20的方向成非垂直的角。例如，面228可以倾斜成不垂直于流孔眼216的内壁并且不垂直于流体流动20的方向。 [0051] 可以想到用于移动或控制可移动元件的移动的任何已知的驱动机构，包括使用液压驱动器。此外，可移动元件可以被配置成诸如通过使用波纹管或其它结构来最小化驱动机构与钻井流体的接触。根据一些方面，可在可移动元件与本体之间设置金刚石界面以最小化驱动机构与钻井流体中的颗粒物的接触。设想可移动元件和/或驱动机构可以由诸如伸缩材料的活性材料制成以消除移动部。可以采用诸如陶瓷堆(例如，压电陶瓷堆)和双对置陶瓷堆的其它活性材料来消除移动部，降低功耗和/或热补偿该装置。 [0052] 根据本公开内容的多个方面，可移动元件218可构成流孔眼216的一部分。例如，可移动元件218可以构成限流部或流孔眼216的圆周内壁219的受限的部分或可以构成流孔眼216的整个圆周部或区段。因此，可展开、转动、径向移动可移动元件218或者以其他方式移动可移动元件218，以将流孔眼216的尺寸例如从标称直径215改变为缩小的或扩大的直径，并因而改变流孔眼的横截面积。 [0053] 流体调制器200可以包括多个可移动元件218和/或多个阻挡表面或面228。根据一些实施例，可移动元件能够单独、独立地移动，例如可移动元件218可以连接至单独的驱动机构。例如，一个或多个可移动元件218可以径向地伸展或收缩，而其它元件218保持静止或在相反的伸展或收缩位置处移动。图3示出了例如布置于流孔眼216中的顶部可移动元件218和处于全开位置的底部可移动元件218。根据一些实施例，多个可移动元件218可以操作地连接至单个驱动机构。根据一些实施例，可移动元件可以包含具有相同或不同特性(诸如表面面积和几何形状)的两个或更多个阻挡表面或面。 [0054] 流体调制器的多个可移动元件可以提供信号模块化控制和操作。例如，第一可移动元件或阻挡表面可以被配置成具有相对于流孔眼横截面积调整大小的表面面积，以创建可适用于第一地下深度处的通信的第一压力降落。第二可移动元件或阻挡表面可以被配置成具有与第一阻挡表面不同的表面面积，以创建可适用于第二地下深度处的通信的第二压力降落。在一些实施例中，两个或更多个可移动元件可以组合起来操作以创建期望的压力降落。因此，流体调制器可以提供所需要的用于在不同深度处通信的压力脉冲，而无需从井眼移出流体调制器以调节脉冲幅度。根据操作方法的一个方面，可以在传感器处接收从井下流体调制器发射的压力信号并可以将关于所接收的压力信号的强度的信息反馈回流体调制器，使得可以调节流体调制器的压力脉冲强度。 [0055] 现在参照图7，其示出根据一个或多个方面的可移动元件218和流体调制器。所示出的可移动元件218能够从第一位置(例如，敞开位置)移动，其中，将可移动元件218从流孔眼移除或基本上移除至流孔眼中的运行位置。在图7中，例如可以通过将可移动元件218定位在形成于流孔眼的内壁219中的所示出的槽或凹陷222中来从流孔眼移除可移动元件218。根据一个实施例的一个方面，当可移动元件218位于敞开位置时，可以保持阻挡表面或面228的一部分位于流孔眼中。 [0056] 通过驱动机构220经由轴224将所示出的可移动元件218径向地并线性地平移进入和离开流孔眼216的流体流动路径。在示出的示例中，轴224延伸穿过位于本体210中的外支承表面或套筒226。如以下进一步描述的，可移动元件的轴224部分和外支承表面可由金刚石构成。在图7中，可移动元件与转动不同地沿轴向或线性路径摆动。 [0057] 可移动元件218(特别是阻挡表面或面228)的几何形状可以以各种构造配置并且所示出和描述的几何形状和构造为一个示例。所示出的可移动元件218的几何形状具有微凹面228和长条形的、可能为空气动力学特性的尾缘或尾部230。与其它阻挡表面轮廓相比，作为干扰和抑制流体流动的结果，可移动元件的该几何形状可以在限流部或流孔眼内创建类似的压力变化。前凹陷阻挡表面或面228可以用于将漩涡和涡流施加至流体流中和扰动内壁219上的边界层。长条形尾部230可以改善可移动元件附近的流体动力学特性以减少腐蚀。可以通过改变可移动元件从内壁延伸进入流孔眼216的距离来控制压力脉冲的强度。如前所述，可移动元件218可以以各种几何形状形成。根据一些实施例，可移动元件218可以为相对于流孔眼的侧壁线性平移的圆形(即，盘)。 [0058] 驱动机构220被示出为连接至电子设备236，所述电子设备236可以包括例如电源、电子电路、处理器、存储器、变换器(例如，压力变换器)等，但不限于此。可以将电子设备236或类似的电子设备与各图中公开的流体调制器一起使用。在运行时，可以将信号传递至调制器200以在流体20中激发并创建压力脉冲信号。可以响应于编程事件致动调制器200。在图7中，可以通过凸轮232的转动量来控制阻挡表面或面228伸到流孔眼216中的距离。因此，可以通过可移动元件伸到流孔眼中的径向距离来控制压力脉冲的强度。可以通过例如可移动元件的定时的和/或重复的进出运动来控制该幅度。根据一些实施例的多个方面，驱动机构220可以被定向或以其他方式配置成线性平移轴224和/或可移动元件218而不使用如图7所示的凸轮。 [0059] 在图7中，可移动元件218由碳化钨构成并且连接(例如，收缩配合)到金刚石轴224上，金刚石轴224又与外支承表面或套筒226一起充当径向轴承。可移动元件218可被描述为具有轴部224和承载阻挡表面或面228的挡块或末端244。轴部和挡块或末端244可以为单一构造或由两个或多个互连元件构成。为获得固有优势，移动组合中的最大部件(轴224)由金刚石而不是钢制成。图7中的流体调制器200包括凸轮随动器系统，由于冲击和震动作用于不受限制的质量体上而导致不期望的运动，井下工具中很少使用凸轮随动器系统。通过尽可能地降低大部件的质量，使得所赋予的惯性最小化，这意味着弹簧加载式凸轮跟随器是可行的。凸轮232和弹簧234可以用于限制由冲击和震动导致的任何不期望的运动，并且由于降低了质量，所需要的弹簧力变少，因而需要从驱动机构220传递更少的转矩。参照图7描述的构造的元件为示例，在不背离所公开的流体调制器的范围的情况可以采用不同材料的构造以及这些材料的构造和元件的组合。 [0060] 金刚石技术允许制造在所有方向上近似1英寸的金刚石，这限制了可以由单个金刚石件制造的部件的尺寸。诸如图7中所示的减小腐蚀的几何形状有助于使用相对于金刚石更小腐蚀效率的材料。例如，所示出的可移动元件218可以由诸如碳化钨的材料构成。使用金刚石以外的材料允许形成更大的可移动元件和更多种类的轮廓形状。碳化钨具有便于其在收缩配合组装中使用的热膨胀系数。这允许碳化钨可移动元件例如被收缩配合到轴或致动机构上，以生成在关键流动区域中不依赖于机械配合的单个部件。 [0061] 可以按照非常严格的公差制造金刚石，使得两个圆柱自然用作径向轴承。在图7中，连接驱动机构220与可移动元件218的轴224和套筒226(用作轴承)中的一个或两者包括金刚石表面。这限制了流体和颗粒侵入流体调制器的关键区域并保持轴上的摩擦尽可能低，从而降低了操作流体调制器所需的功率。 [0062] 图8和图9示出了能够转动的可移动元件218，例如如图6所示。在所示出的示例中，可以转动和摆动可移动元件218以中断流体流动和/或边界层。例如，可移动元件218可以被转动至如图8所示的敞开位置，在该敞开位置，流体流动不存在阻碍或存在非常有限的阻碍，即，敞开的流动通道。类似地，在如图9所示的闭合位置，可移动元件218阻碍流体流过流孔眼，从而创建压力降落。可移动元件可以被操作用于阻碍流体流动的各部分以产生不同的压力降落。参照图8和图9应当注意，随着可移动元件218从完全敞开位置转动至完全闭合位置，圆周覆盖范围221(图3)发生变化。以不同的速度将可移动元件转动至流动路径中便于发送数据。 [0063] 通过可移动元件218的一部分(即，延伸进入流孔眼并阻挡流体流过流孔眼的阻挡表面或面228)缩减流孔眼216的横截面积。参照图8和图9应当理解，可以通过被定位在流孔眼中并朝向入口和流体流动的方向定向的阻挡表面或面228的表面面积来控制信号强度，即，压力脉冲幅度。根据图8和图9还可以理解，可以通过来回摆动或转动可移动元件218来控制信号调制，从而增大及减小流孔眼216的流动路径面积。 [0064] 由于钻铤(即，壳体或本体210)内的尺寸约束，限流部或流孔眼216的直径越大，可以使用的可移动元件218越小。例如，设想需要使2.1英寸的节流部直径穿过大量的井下工具和井下压力阀浮球，例如，钻孔器、旁通流部件(flow bypass subs)等。假定可以从单个可移动元件218实现6.75英寸的工具外径，15-20psi的信号强度。根据一个或多个方面，在沿柱测量(“ASM”)系统中可以采用15-20psi的信号强度。因此，沿钻柱可以采用流体调制器。 [0065] 可移动元件218的方位可用于填充文丘里节流部壁中的任何间隙。在敞开位置处(参见例如图8)，流体调制器将不易受防漏材料或其它大颗粒堵塞的影响。由于流体畸变的低水平，该示例中的压力降落可以保持非常低。该敞开位置用于允许诸如测井电缆工具、打捞工具和丢手柱的物体穿过受限的流孔眼216。 [0066] 图10和图11示出了位于单个可移动支架件238或单个可移动件238上的具有多个阻挡表面或面228的多个可移动元件218。所示出的可移动件238为不可相对转动地连接至驱动机构220(例如，所示出的示例中的马达)的圆盘。可移动件238形成或提供通常以附图标记218标识并具体以附图标记218a，218b，218c等标识的两个或更多个可移动元件。各个可移动元件218可以具有不同尺寸的相应阻挡表面或面228(即，表面面积)和/或几何形状。可移动元件中的一个或多个可以具有基本上相同的尺寸和几何形状并且提供冗余和/或提供额外的信号控制。例如，可移动件238可以以振荡运动工作以提供井下幅度和/或信号波形控制。为了增加幅度强度，盘或可移动件238可以从包含具有第一表面面积的阻挡表面或面228的第一可移动元件218向包含具有比第一可移动元件的表面面积更大的第二表面面积的阻挡表面或面228的第二可移动元件换位。相反地，为了减小信号幅度，可以对可移动件238进行换位，以将更小的阻挡表面面积的可移动元件置入流孔眼的流体流动路径。各个可移动元件可以具有不同的几何形状，这意味着可以将信号压力波调整成例如方波、正弦波等。这允许以多个遥测模式操作。 [0067] 如前所述，可将一个以上的可移动元件同时置于流孔眼中。例如，图12和图13示出了采用两个可移动元件组件240的流体调制器200。每个所示出的可移动元件组件240包括操作地连接至驱动机构220的可移动元件218。在图12中，每个组件240的可移动元件218位于敞开位置中，而图13示出了两个可移动元件218均处于闭合位置中，其中，阻挡表面或面228被置于流孔眼中。根据一些方面，可以将一个可移动元件218放置于流孔眼216中，而将另一个从流孔眼216中移除。可以彼此独立地操作所示出的可移动元件组件240。因此，为了冗余和/或幅度控制，可以采用多个可移动元件组件。可移动元件组件240之一或两者可以包含一个以上的可移动元件218，如图10和11中的示例所示。本领域的技术人员根据本公开内容将理解，可以绕着流孔眼的单个位置(即，平面)在周向上和/或轴向间隔开地设置两个或更多个可移动元件。 [0068] 为覆盖比单个可移动元件组件更大比例的流孔眼的横截流动面积，可以提供多个(例如两个)可移动元件组件配置，从而，允许更大的信号强度，同时保持流孔眼直径大到足够通过其它工具。流孔眼直径越大，则流体调制器可以采用越多的井眼应用和操作。另外，较大的流孔眼直径对应于较低的流体流动速度，这还导致改进的腐蚀控制。 [0069] 可移动元件218(即，阻挡表面或面)可以相对于纵向轴线以非垂直角倾斜。例如，在图14中，可移动元件218相对于纵向轴线X以非垂直角倾斜。可移动元件218可以被定向成使得可移动元件(例如，阻挡表面或面的平面)基本上垂直于扩散器214的内壁219。在该示例中，用于连接能够转动的可移动元件218与驱动机构220的轴224(即，可移动元件的转动轴)被定向成基本上平行于扩散器214的内壁219，从而，相对于流动路径的纵向轴线以非垂直角定向可移动元件和阻挡表面区域或面。可移动元件218的转动轴线基本上平行于轴224并且基本上平行于扩散器214的内壁219。 [0070] 驱动机构220和电子设备位于流体调制器的本体210(例如，钻铤)中。流体调制器电子设备(例如，图7中的电子设备236)可以随驱动机构220定位或位于钻柱的从驱动机构移除的壁部。 [0071] 可移动元件相对于纵向轴线的倾斜可以减少可移动元件的腐蚀。可移动元件的倾斜还可以相对于垂直于纵向轴线定向的可移动元件增大信号强度。可移动元件偏离垂直的倾斜可以改变边界层。 [0072] 图15示出了多个可移动元件218的一个示例，该多个可移动元件218以绕着垂直于流动路径的纵向轴线X定向的转动轴线242的圆形水轮构造形式布置。因此，可移动元件218被定向成与水轮类似地沿流体流动方向转动。该构造形式可抵制堵塞并为流体调制器(例如，马达、制动器、电子设备等)提供选择权以对其自身供电。如果堵塞物变得与可移动元件接触，随着可移动元件沿流体流动的方向转动，流体20流动可以推动该障碍通过流孔眼。 [0073] 沿流体流动方向转动该圆形可移动元件结构可以允许流体流动20驱动该圆形可移动元件结构。驱动机构220可以提供比其它构造形式小的转矩并且该驱动机构可以施加制动转矩而非驱动转矩。例如，可以通过对转动的可移动元件施加制动转矩以及改变流体流过流孔眼的阻力来创建压力信号脉冲。通过分别控制多个转动的可移动元件组件，可以应用附加的幅度控制。 [0074] 现在参照图16和图17，它们示出了具有圆柱形可移动元件218的流体调制器200，该圆柱形可移动元件218具有形成于远离驱动机构220的末端244上的至少一个阻挡表面或面228。驱动机构220沿圆柱形元件的转动轴线在闭合位置与敞开位置之间转动可移动元件218。 [0075] 图16示出了转动至闭合位置的可移动元件218，其中，阻挡表面或面228置于流孔眼216中并且朝向入口和流体流动20的方向定向。图17示出了转动至全开位置的可移动元件218。在图16和图17中，末端244为倒U形或半圆形，使得在全开位置可移动元件从流孔眼216中移除。例如，末端的轮廓基本上对应于流孔眼216的曲率。 [0076] 在图16和图17中，圆柱形可移动元件218(例如，轴224)被布置成穿过外部支承表面或套筒226。根据一个实施例，可移动元件218和外部支承表面或套筒226由金刚石构成。这些金刚石构件的紧密配合阻止或限制可以传递至驱动机构220和电子设备236的颗粒。 [0077] 现在参照图18和图19，它们示出了具有圆柱形可移动元件218的流体调制器200，其中，圆柱形可移动元件218具有承载闭合的阻挡表面或面228a和敞开的阻挡表面或面228b的挡块或末端244。闭合的阻挡表面或面228a比敞开的阻挡表面或面228b具有更大的表面面积。圆柱形可移动元件218和挡块或末端244可以为整体式构造或由两个或更多个元件构成。例如，可移动元件218可以由金刚石构成。根据一个方面，可移动元件218的轴部224可以由金刚石构成，而挡块或末端244由诸如碳化钨的不同材料构成。 [0078] 在图18中，可移动元件218处于闭合位置，其中，闭合的阻挡表面或面228a位于流孔眼216中并且朝向入口并与流体流动20的方向相逆地定向。在图19中，转动可移动元件，使得敞开的阻挡表面或面228b位于流孔眼216中并且朝向入口和流体流动方向定向。在图19的敞开位置中，敞开的阻挡表面或面228b保持置于流孔眼216中。可移动元件218的挡块或末端244被示出为沿着敞开的阻挡表面或面228b为圆形的或半圆形的，以例如使得在处于敞开位置时流体流动20的阻力最小化。 [0079] 在图18和图19中，可移动元件218的挡块或末端244延伸穿过流孔眼216的内壁的平坦表面或部246。在一些实施例中，圆柱形可移动元件218和外部支承表面或套筒226由金刚石构成。 [0080] 如前所述，泥浆泵噪声和反射发生的信号在通过流体调制器(例如，文丘里管)时衰减。根据本公开内容的多个方面，可以采用流体调制器作为沿柱中继器和/或用于沿柱测量(“ASM”)。沿钻柱以一定的间隔(例如，每隔1000英尺左右)定位流体调制器，作为中继器。根据多个方面，可以根据操作者的期望或按照井安装命令以不同的间隔长度定位流体调制器。例如，在一个井眼中，流体调制器可以隔开250英尺左右，而在第二井眼中，流体调制器可以隔开1500英尺或更多。类似地，可以在单个井眼内改变相邻流体调制器之间的间隔。 [0081] 传感器(例如，数据源36、压力变换器40)可以沿钻柱定位(图2)，例如邻近流体调制器中继站，流体调制器中继站可以获得利用原始中继的(即重新发送的)信号发送至下一ASM中继器的本地测量结果。除了在每个流体调制器处发生衰减之外，可以将各个流体调制器中继器的信号强度创建成使得该信号恰好到达下一ASM中继器。以此方式，中继器可以采用相同的载波频率。例如，相邻的流体调制器中继器可以使用相同的载波频率或者每隔一个流体调制器中继器可以重复相同的载波频率。因此，流体调制器对信号的衰减以及控制信号强度的能力可以提供流体调制器中继器的隔离，从而降低了信号干扰。可以响应于反馈信息来改变压力信号强度。例如，可以在本地传感器处接收来自上行链路或中继器流体调制器的压力脉冲，并且可以将关于信号强度的信息反馈至发送流体调制器，使得可移动元件可以被操作用于增加或降低压力信号的强度。 [0082] 图20为其中可以实施和采用流体调制器200的井或钻井系统100的示意图。在该示例中，流体调制器(概括地以附图标记200表示并且分别标识为200a，200b，200c等)沿布置于井眼中的管柱间隙地隔开。最靠下的流体调制器(具体标识为200a)可以被定位于例如BHA 33处。为了说明的目的，每个流体调制器操作地连接至传感器组(概括地以附图标记310表示，并且具体标识为310a，310b等)。每个传感器组可以包括例如用于接收压力脉冲信号的压力变换器以及本地数据源传感器(例如，图1和图2中的数据源传感器36)。对来自BHA的传感器和/或系统的数据(例如，测井数据、压力、温度等)进行编码，并且激活(即，运行)最靠下的调制器200a以发送包含编码后的原始数据的压力脉冲。初始的压力脉冲通过钻井流体20行进并在第二流体调制器200b处(例如在通常由传感器组310b所示的压力变换器处)被接收到。然后，流体调制器200b可以转播原始数据以及例如由传感器组310b测量和获得的附加的本地数据。另外，可以将与例如来自流体调制器200a的信号的强度相关的信息反馈回流体调制器200a，使得可以通过操作可移动元件来增加或降低信号强度，以改变流体流过流孔眼的阻力。流体调制器电子设备和/或附加处理器可以对该数据进行编码和解码。流体调制器200a可以衰减钻头和钻井操作的噪声。 [0083] 流体调制器200b可以对从调制器200a发送至调制器200b的原始压力脉冲的信号强度的一些或全部进行衰减。流体调制器200b可以创建频率不同于自调制器200a至200b所使用的频率的信号承载压力脉冲。在调制器200c处接收到来自调制器200b的压力脉冲，然后转播该压力脉冲以及由传感器组310c所获得的附加数据。根据一些实施例，调制器200c可以以与调制器200a相同的载波频率进行传播。该过程可以继续传播来自BHA的原始数据以及在沿着钻柱(即钻柱14)的沿柱传感器组310b，310c和310d等处所获得的测量结果。 [0084] 根据本公开内容的一个方面，井系统包括定位于管柱的底部的第一流体调制器(FM)以及在第一FM与地表之间定位于管柱中的中继器流体调制器(FM)，所述中继器FM包括在入口与出口之间形成流孔眼的本体以及可操作用于更改所述流孔眼的可移动部，其中，所述流孔眼对于轴向流过所述管柱的流体提供限流。为了创建经调制的压力脉冲，所述可移动部例如可在流孔眼中径向地移动、在流孔眼中转动，或者可以控制可移动部在流孔眼中的转动。中继器FM可以传播本地数据以及从第一FM接收的原始数据。根据方法的一个方面，第一流体调制器发送第一压力脉冲，在中继器流体调制器处接收到该第一压力脉冲，所述中继器流体调制器然后以第二压力脉冲发送原始数据。除中继的数据之外，第二压力脉冲可以包括本地数据。 |
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