用于钻进系统的振动单元 |
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| 申请号 | CN200880123876.8 | 申请日 | 2008-12-23 | 公开(公告)号 | CN101910544A | 公开(公告)日 | 2010-12-08 |
| 申请人 | 长年TM公司; | 发明人 | 乔治·易卜拉辛; 克里斯托弗·L·德伦斯; 安东尼·拉钱斯; | ||||
| 摘要 | 一种用于钻进系统的井下振动单元，包括：包括 流体 入口的壳体；以及多个偏重 转子 组件；所述偏重转子组件至少部分地置于所述壳体内并且与所述入口流体连通，所述偏重转子组件相对于中 心轴 线 不平衡 ，并且被设置成响应于引向本偏重转子组件的流体流而旋转，以向所述壳体施加离心 力 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于钻进系统的井下振动单元，包括： |
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| 说明书全文 | 用于钻进系统的振动单元技术领域[0001] 本发明涉及钻进系统，特别地涉及井下(down-hole)振动单元。 背景技术[0002] 取芯钻进允许为多种目的获取来自不同深度的地下材料的样品。例如，钻取芯样(core sample)并检验所取得的芯有助于确定在给定的地层中存在或可能存在什么样的材料。例如，所取得的芯样能够表明石油、贵重金属和其他所期望的材料的存在。在一些情况下，芯样能用于确定材料和事件的地质年代。相应地，芯样能用于确定是否值得在给定区域中进一步勘探。 [0003] 尽管存在多种收集芯样的方式，但是常常使用取芯管系统实现芯样获取。取芯管系统包括外管，外管具有固定至一端的取芯钻头。外管的相对端常常附着到钻柱，钻柱垂直延伸至往往位于地面上的钻机头。取芯管系统常常还包括位于外管内的内管。随着钻头切割地层，内管能够装满芯样。一旦切割出期望的量的芯样时，内管和芯样能够通过钻柱被提起并且在地表处被取出。 [0004] 虽然这样的设置允许获取芯样，但是芯样偶尔会被卡住。例如，当使用取芯管系统获取含有疏松或块状的土的地层中的芯样时，芯样可能会卡住或被嵌在内管中。这样的卡住可能使得钻柱的负重实质上从外管转移至芯样和内管。这样的负重转移可能使得芯样破裂，这又会使得取芯钻进操作整体减慢或停止。即使钻进继续进行，钻头中芯样的顶部也会碾碎地层并致使地层的该部分永久性地不可恢复。因此，卡在内管中的芯样会减慢钻进进程并且降低钻进进程的总体生产率。 发明内容[0006] 一种用于钻进系统的井下振动单元，包括：包括流体入口的壳体；以及多个偏重转子组件，所述偏重转子组件至少部分地置于所述壳体内并且与所述入口流体连通，所述偏重转子组件相对于中心轴线不平衡并且被设置成响应于引向本偏重转子组件的流体流(fluid flow)而旋转，以向所述壳体施加离心力。 [0007] 取芯管振动单元可以包括壳体、流体驱动的振动机构、以及减振机构，所述壳体包括流体入口和流体出口，所述流体驱动的振动机构通过旋转各自关于中心轴线不平衡的多个转子在钻进方向上产生振动而在非钻进方向上不产生任何实质振动，所述减振机构在振动被传送至钻进系统中与所述振动机构连接的另一部分之前降低或者消除所述振动。 [0008] 在下面的描述中将说明本发明的其他特征和优点，并且根据该描述可部分理解本发明的其他特征和优点，或者通过实施本发明可以认识到本发明的其他特征和优点。利用所附权利要求书中特别指出的装置和组合，可以认识到和获得本发明的特征和优点。从下面的描述和所附的权利要求书中能更加全面地理解本发明的这些以及其他特征，或者通过如下所述的本发明的实施，可以认识到本发明的这些以及其他优点。附图说明 [0009] 为了进一步阐明本发明的上述以及其他优点和特征，将参考附图中示出的本发明的特定实施例来更具体地描述本发明。应当理解，这些附图仅示出本发明的典型实施例，因此不应认为这些附图限定本发明的范围。下面利用附图更加具体、详细地描述和解释本发明，在附图中： [0010] 图1示出根据一个示例的振动单元及相关联的钻进系统； [0011] 图2A示出根据一个示例的井下组件； [0012] 图2B示出图2A所示的井下组件的分解图； [0013] 图3A示出根据一个示例的、不平衡转子在第一位置上的振动单元； [0014] 图3B示出不平衡转子在第二位置上的图3A所示的振动单元； [0015] 图3C示出不平衡转子在第三位置上的图3A至图3B所示的振动单元； [0016] 图3D示出不平衡转子在第四位置上的图3A至图3C所示的振动单元； [0017] 图4示出根据一个示例的振动单元的分解图。 [0018] 附图示出振动单元的具体方面以及相关联的制造和使用这样的单元的方法。附图与下文中的描述一起示范并说明振动单元的原理以及这些相关联的方法的原理。为了清楚起见，在附图中可能放大了部件的厚度和结构。不同附图中相同的标号代表相似的但不一定完全相同的部件。 具体实施方式[0019] 本文提供用于地层取样的系统、装置以及方法。在至少一个示例中，提供包括偏重(eccentrically weighted)转子的振动单元。由于转子重心偏离，所以转子旋转产生离心力。转子可被定向和定位成使得离心力的轴向分量相叠加而径向分量相抵消。这样的构造能够允许振动单元产生轴向的、周期振荡的离心力或者轴向振动力。这些力可被传递至钻进系统的其他部件，诸如取芯管。将轴向振动力施加至取芯管系统可以降低取芯管从疏松或者松散的地层取样时该取芯管被卡住的可能性。 [0020] 下面的描述给出具体细节，以提供透彻的理解。然而，本领域技术人员应理解，振动单元以及制造和使用该振动单元的方法能够在不采用这些具体细节的情况下被实施和使用。实际上，振动单元及相关联的方法可进行改进并且可以结合用于钻进领域的任何装置、系统、部件和/或技术使用。此外，尽管下面的描述集中于与用于在疏松或块状的地层中获取芯样的取芯管系统一起实施的振动单元，然而该振动单元能够实施在用于从任何所期望的地层(包括碎裂的、坚实的、软的、聚结的、沙质的、湿的、以及泥土的地层)中获取芯样的取芯管系统中。实际上，振动单元可用在任何井下应用中。 [0021] 图1示出包括钻机头110的钻进系统100。钻机头110可以耦连至桅杆(mast)120，而桅杆120耦连至钻进机130。钻机头110被构造成具有耦连至本钻机头的钻杆140。钻杆140又能与另外的钻杆耦连以形成钻柱150。钻柱150又可耦连至钻头160，钻头160被构造成与待钻进的材料诸如地层170接触。 [0022] 在至少一个示例中，图1所示的钻机头110被构造成在钻进过程中使钻柱150旋转。特别地，在钻进过程中可以根据需要改变钻柱150的旋转速率。此外，钻机头110可被构造成相对于桅杆120平移以给钻机头110施加轴向力，以在钻进过程中促使钻头160进入地层170。钻进系统100还包括井下组件，诸如取芯管组件200。井下组件200包括或者具有耦连至本组件的振动单元210。在至少一个示例中，振动单元210可以位于钻孔内、钻柱150与钻头160之间。 [0023] 振动单元210关于至少一个方向提供振动力。例如，振动单元210可被构造成对井下部件诸如取芯管提供轴向振动力、一般垂直于井下部件的径向振动力、沿一些其他方向的振动力和/或这些振动力的组合。为便于引用，振动单元210将被描述成向取芯管组件200和/或钻柱150施加轴向力。 [0024] 在至少一个示例中，钻机头110、钻进机130和/或一些其他单元可以包括压力产生器。如在下面更加详细描述的那样，压力产生器可被构造成对流体加压以提供驱动振动单元210的动力。在至少一个示例中，流体可以包括水或其他液体，由水线180标示。 [0025] 尽管示出一种构造，但是应理解，振动单元210可以位于沿着钻柱150的任何位置。此外，尽管将描述一种类型的动力，但是应理解，可以以任何合适的方式，诸如通过软管或耦连至振动单元210的其他装置，提供其他类型的动力。此外，尽管对取芯管组件200进行描述，但是应理解，振动单元210可以是许多井下组件的一部分和/或耦连至许多井下组件。 [0026] 图2A至图2B更加详细地示出取芯管组件200。特别地，图2A示出位于地层170内的取芯管组件200，而图2B示出取芯管组件200的单独的分解图。如图2A所示，取芯管组件200包括头部组件205、振动单元210以及提芯器组件215。 [0027] 在所示的示例中，取芯管组件200可以是绳索型(wire-line type)取芯管组件。因此，头部组件205、振动单元210以及提芯器组件215可以至少部分地位于外管220内。 而钻头160可被耦连而固定至外管220，使得当外管220旋转时，钻头160也旋转。 [0028] 如图2B所示，头部组件205包括首端205A和钻头端205B，振动单元210包括首端210A和钻头端210B，提芯器组件215包括首端215A和钻头端215B。在所示的示例中，取芯管组件200为绳索型取芯管组件。因此，头部组件205的首端205A可以包括矛头组件，该矛头组件被构造成与取管器(overshot)啮合。头部组件205还可以包括闩件225。 [0029] 如图2A所示，闩件225被设置成展开，从而使取芯管组件200固定至外管220。这样的设置使得取芯管组件200与外管220一起旋转。当外管220旋转时，外管220促使钻头160进入地层170。当钻头160旋转时，钻头160切割地层170，从而促使芯样20进入提芯器组件215。 [0030] 当芯样被促使进入提芯器组件215时，振动单元210在至少一个方向上向至少提芯器组件215施加振动力，从而有助于确保芯样不会卡在提芯器组件215中。如前所述，可以通过任何所期望的动力激励振动单元210。 [0031] 再次参照图2B，振动单元210可以包括一个或多个偏重转子组件(转子组件)235、235’、235”、235’”。如前所述，转子组件235至235’”可以是偏重的。转子组件235至235’”可以以任何方式偏重。一个或多个转子组件235至235’”包括齿轮240’至240’”。此外，转子组件235至235’”中的至少一个包括耦连至齿轮240至240’”之一的至少一个偏心施重组件245至245’”。 [0032] 在所示的示例中，偏心施重组件245至245’”分别与齿轮240至240’”联结。如将在下面更加详细描述的那样，偏心施重组件245至245’”致使转子组件235至235’”以不平衡的方式旋转，以将振动力传递至取芯管组件200的至少一部分(图2B)。尽管示出了一种构造，该构造包括耦连至相应的齿轮240至240’”的分立的偏心施重组件245至245’”，但是应理解，偏心施重组件245至245’”可以与齿轮240至240’”一体形成。此外，偏心施重组件245至245’”可以以任何方式耦连至齿轮240至240’”。另外，多个偏心施重组件245至245’”可以耦连至齿轮240至240’”中的任何一个。 [0033] 齿轮240至240’”可操作地与壳体250关联。特别地，齿轮240至240’”可被定位在隔室250C中，并且可以关于固定至壳体250的栓式组件251至251’”旋转。例如，图2B示出，可以使隔室250C成形以限定隔室250C与转子组件235至235’”之间的空间，从而限定转子组件235至235’”周围的流(flow)。通过这种方式，建立具有最小阻力的路径，以最大化在所期望的流动方向上与不平衡转子接触的流体的量。 [0034] 此外，转子组件235至235’”以如下方式定位在壳体250内：转子组件235与转子组件235’啮合，转子组件235’又与转子组件235”啮合，转子组件235”又与转子组件235’”啮合。特别地，齿轮240与齿轮240’啮合，齿轮240’又与齿轮240”啮合，齿轮240”又与齿轮240’”啮合。结果，齿轮240至240’”能够形成齿轮链，从而一个齿轮旋转导致一个或多个其他齿轮旋转。 [0035] 继续参照图2B，振动单元210可以包括位于壳体250中并且与转子组件235流体连通的喷嘴252。结果，通过喷嘴252的流体被引向转子组件235。流体入射在转子组件235上致使转子组件235(包括齿轮240)沿箭头所示的方向旋转。振动单元210可以以允许振动单元210振动并且将振动传递至另一部件(例如提芯器组件215)的任何方式运行。 典型地，当流体在钻柱内部向下行进时，流体进入振动单元210的首端210A。尽管用于取芯钻进的任何液体或气体(二者都被称为流体)均能进入振动单元210，典型流体的一些非限制性示例可以包括水、聚合物基钻进流体、钻进泥浆、气动气体、或者它们的组合。 [0036] 如上所述的齿轮240至240’”之间的啮合致使其余的齿轮240’至240’”响应于齿轮240的旋转而旋转。特别地，振动单元210包括连接接头254。连接接头254可被设置成耦连至上游部件的钻头端，诸如头部组件205的钻头端205B。减振器轴256相对于连接接头254放置，并且至少部分地延伸通过并超过连接接头254。减振器轴256也与壳体250的首端250A流体连通，并且特别地与首端250A中限定的通道258流体连通。通道258又与喷嘴252流体连通。 [0037] 结果进入振动单元的流体流通过连接接头254、减振器轴256和通道258，然后在通道258处被引向喷嘴252。从喷嘴252入射到一个或多个转子组件235至235’”上，以致使转子组件235至235’”如上所述旋转。流体可以以任何期望的方式从振动单元排出。例如，壳体可以包括与上述壳体250中的隔室250C连通的一个或多个出口。这些出口可以包括首端出口259A和钻头端出口259B。因此，导入振动单元210的流体能够在转子组件235至235’”旋转时通过出口259A、259B流出。 [0038] 由偏心施重组件245至245’”引起的转子组件235至235’”的偏重引起偏离转子组件235至235’”中心而作用的不均衡的离心力。转子组件235至235’”的持续旋转导致在一个或多个方向上的轮转力。此轮转力可被传递至取芯管组件200的其他部分，诸如提芯器组件215。为便于参考，将论述振动单元210的一种设置，在这种设置中，轮转力主要在轴向上传送。应理解，存在沿所期望的方向(诸如径向、角向，或者它们的组合)传递轮转力的其它构造。 [0039] 图3A至图3D示出转子235至235’”完整旋转一周时转子235至235’”在第一位置、第二位置、第三位置和第四位置时的振动单元210，在一周中，第一位置为初始位置，并且每个后续位置表示每个转子组件235至235’”旋转大约90度。在图3A至图3D中，作用于转子组件235至235’”的离心力一般分别表示成F至F’”。离心力的特征还在于包括平行于钻进方向作用的轴向分量和垂直于轴向分量作用的径向分量。 [0040] 如图3A所示，离心力F至F’”的径向分量为主要分量。此外，如图3A所示，力F和F”的径向分量沿与离心力F’和F’”径向相反的方向作用。因此，特别地，在第一位置，离心力与径向分量相互抵消。当转子组件235至235’”朝向图3B所示的位置运动时，转子组件235和235”在与转子组件235’和235’”相反的方向上运动。结果，离心力F至F’”的径向分量继续相互抵消。尽管离心力F至F’”的径向分量相互相对作用以相互抵消，但是当转子组件235至235’”朝向图3B所示的位置旋转时，离心力F至F’”的轴向分量沿相同的方向作用。 [0041] 当径向分量为最小值时，诸如当转子组件235至235’”在图3B所示的位置时，离心力F至F’”的轴向分量增大到最大值。在图3B所示的位置，离心力F至F’”朝向钻头端210B沿轴向作用。如前所述，栓式组件251将转子组件235至235’”耦连至壳体250。栓式组件251还将离心力F至F’”(特别是轴向分量)传递至壳体250。壳体250又将离心力F至F’”传递至其他部件，包括取芯提起组件215(图2A)。 [0042] 当转子组件235至235’”旋转至图3C所示的第三位置时，离心力F至F’”的轴向分量减小，同时径向分量在图3C所示的位置增大至最大值。如前所述，尽管离心力F至F’”的径向分量增大，但是这些径向分量在相反的方向上并且可大体相等，从而相互抵消。结果，当转子组件235至235’”在图3C所示的位置时，离心力F至F’”在最大值时相互抵消。 [0043] 当转子组件235至235’”继续旋转至图3D所示的位置时，离心力F至F’”的径向分量在减小时将继续相互抵消，同时轴向分量将增大。轴向分量一起朝向首端210A沿轴向作用。当转子组件235至235’”返回至图3A所示的位置时，轴向分量将减小而径向分量将增大且相互抵消。 [0044] 因此，在至少一个示例中，由于转子组件235至235’”的不平衡旋转所产生的离心力F至F’”的轴向分量将在朝向钻头端210B的最大力和朝向首端210A的最大力之间振荡，而离心力F至F’”的径向分量大体上相互抵消。因此，转子组件235至235’”的旋转导致周期轴向力。周期轴向力也可被描述为振动力。在一些示例中，可能希望朝向首端210A和钻头端210B在轴向上传送振动力。 [0045] 在其他示例中，可能希望将轴向力传送至直至首端210A或钻头端210B之一的部件，并且希望将其他部件与另一方向上的轴向力隔离。因此，可能希望振动单元210减弱轴向力。在至少一个示例中，振动单元210可以包括用于减弱或隔离力的装置，如果没有该装置，该力会在所选择的方向(诸如朝向头部组件205)(图2B)上传递。在所示的示例中，减振装置包括至少部分位于入口接头254和壳体250之间的至少一个减振器260。用于减弱力的装置还可包括振动隔离器、衬垫、缓冲器、减振轴、橡胶衬套、减振器、垫环(grommet)、紧急止动器、垫圈、密封体和/或其他合适的减弱、隔离和/或吸收振动的部件。此外，减振机构的部件可以由减弱振动的任何合适的材料制成。振动减弱材料的一些非限制性的示例可以包括一种或多种橡胶、聚合物、合成物等。 [0046] 此外，减振装置可以布置在任何期望的位置，诸如允许该机构在振动到达取芯管的头部组件200中的闩件225(在图2A和图2B中都示出)之前减弱所述振动的任何位置。在所示的示例中，减振器260和/或其他减振部件大体上暴露在壳体250之外。在其他示例中，减振机构可以大体布置在壳体250内。然而，在另外的实施例中，减振机构的一部分可以布置在壳体250内，而减振机构的另一部分暴露在壳体250外。 [0047] 图4更加详细地示出振动单元200的附加部件。下面将更加详细地描述这些部件及它们的组件。在所示的示例中，壳体250包括主体400和盖405。此外，如图4所示，每个转子组件235至235’”可以大体相类似。因此，在至少一个示例中，对转子组件235的描述能够适用于转子组件235’至235’”。 [0048] 在所示的示例中，转子组件235包括齿轮240、偏心配重410以及一个或多个插入物415。插入物415可以以合适的方式(诸如通过弹簧销420)固定至偏心配重410和齿轮240。齿轮240和偏心配重410可以具有允许齿轮240容纳偏心配重410的至少一部分的互补形状。一个具有这样形状的齿轮240包括凹槽齿轮。这样的构造可以增大转子组件235的重量偏心度，因为转子组件235的相对较大的部分可以与偏心配重410和插入物415关联。 [0049] 如前所述，转子组件235被构造成关于栓式组件251旋转。所示栓式组件251包括轴425和滚筒轴承430。轴425可以如上所述地固定至壳体250。滚筒轴承430可以降低与转子组件235响应流体流进行的转动有关的摩擦。 [0050] 振动单元210还可以包括置于转子组件235至235’”上游的滤网440。滤网440可被设置成捕获流体流中的颗粒，以防止颗粒进入壳体250中的凹部。如前所述，壳体250可以包括该壳体中限定的出口。除了提供用于驱动转子组件235至235’”的入口之外，还可在钻头端210B中提供入口455。入口455可以具有与其联结的球状物460，以形成止回阀。球状物460通过止回阀销465保持与入口455接近。通过这样的构造，当流体从首端210A进入时，球状物460保持与入口455接触，而当流体从钻头端210B处进入时，球状物 460移动，不与洞口接触。通过允许流体流过隔室250C，球状物460和入口455可以作为止回阀工作，以减小阻力并允许取芯管组件200更快和更容易地通过钻柱。当头部组件205和振动单元210正被取回时，止回阀也可以防止流体在芯样的近端向下施加压力。通过该方式，止回阀能够有助于避免芯样从提芯器组件215中逐出和丢失。相反，止回阀能够迫使流体通过位于振动单元210侧面的流体出口259A、259B排出。于是，流体能够在取芯提起组件215和振动单元210的外部周围流动，而不会逐出芯样。 [0051] 在至少一个示例中，上述每个部件可以通过任何期望的工艺各自形成。一旦准备好各个部件，则可以以期望的方式组装这些部件。例如，可以组装转子组件235至235’”，然后将栓式组件251与其耦连。然后，可以相对于主体400定位转子组件235至235’”和栓式组件。还可以相对于主体400定位喷嘴252，使得喷嘴252与通道258连通。还可相对于主体400定位球状物460。此后，可将盖405固定至主体400，以形成组装好的壳体250。然后，可以相对于壳体的首端250A定位滤网440，此后，减振器轴256可以穿过入口接头254和减振器260，并且与壳体的首端250A啮合。可以以任何合适的方式制造振动单元210及其构成部件。例如，可通过模塑、压制、冲压等制造振动单元210的各部件。此外，振动单元210的各部件可以以任何合适的方式相互连接。用于连接振动单元210的部件的方法的一些非限制性示例可以包括机械固定、焊接、夹紧固定或者其他将部件固定在一起的方式，以形成组装好的振动单元210。例如，图4示出紧固件465，并且螺纹连接器接头可用于将振动单元210的部件连接在一起。尽管描述了这样的步骤，但是这些步骤仅是通过说明性的方式而非限制性的方式提供的。 [0052] 此外，壳体250可以具有允许振动单元连接至钻进系统(其包括取芯管系统)并且允许振动单元在内管中振动使得有助于芯样在内管中向上滑动的任何特征或部件。例如，壳体250可以具有允许壳体250容纳转子组件235并且又安装在外管200(图2A)内的任何形状。在一些非限制性示例中，壳体250可以为大体圆柱形。例如，图4中振动单元210的分解图示出壳体250的形状可以为大体圆柱形。在一些实施例中，壳体250可以具有大体上小于提芯器组件215和/或头部组件205的直径的直径。此外，壳体250可以具有允许壳体250容纳一个或多个转子组件235的任何长度。尽管示出一个示例，但是应理解，壳体250可以包括多于或少于附图中示出的部件数的部件，并且壳体250可以以任何所期望的方式被拆开。 [0053] 振动单元210可以包括在所期望的钻进方向上产生动力的任何流体驱动型机构。在附图所示的实施例中，流体驱动的振动机构可以包括一个或多个不平衡转子，或者关于自身中心轴线或转子组件235的中心不平衡的转子，所述转子绕着自身中心轴线或转子组件235的中心旋转。合适的转子的一些非限制性示例可以包括水轮、涡轮、上述齿轮转子、或者任何其他包括具有翼、斗、叶片、桨等的转子的机构，其中，该机构由压力、动力和/或流动流体的反冲力驱动，当流体通过和/或填装围绕转子的隔室250C时出现反冲力。此外，振动单元210可以具有任何数量的转子，这些转子关于它们的中心轴线130(图1所示)不平衡。例如，振动机构可以包括1个或2个不平衡转子，或者孔深度所允许的尽量多的不平衡转子。 [0054] 类似地，转子组件235至235’”可以具有允许转子的一部分比另一部分重的任何不平衡特征。能够引起转子的不平衡的转子特征的一些非限制性示例可以包括：在转子的一部分上连接或形成前述偏心配重；以比用于形成转子的其余部分的材料更重的材料形成转子的一部分；使得转子的一部分所包含的材料比转子的其余部分所包含的材料更多；或者从转子的一部分移除材料。 [0055] 在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，可以以其他特定形式实施本发明。应理解，所描述的实施例在所有方面仅是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而非前述内容来表示。在权利要求的含义和等同范围内的所有变型都包括在权利要求的范围内。 |
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