[发明专利]用于在井内流体中产生压力脉冲的装置

说明书

发明背景

本发明涉及用于在井内流体中产生压力脉冲的装置，具体地涉及称作 泥浆脉冲发生器(mud pulser)的装置。

对于用于抽取烃类如油或气的井，井筒的钻探要求对井下钻头进行方 向控制。为此，首先需要获知钻杆最下面的部分(通常称作井底钻具组合 (BHA))目前的状态，以便能够对钻井方向作出适当的校正。因而，靠近钻 头设置了井下传感器，以测定BHA和钻头的状态。从这些传感器向相距数 英里位于地面的控制仪输送数据的便捷方法借助于在钻杆内流动的钻泥中 产生的压力脉冲。这种遥测技术通常称作随钻测量(MWD)。所述脉冲是使 用称作泥浆脉冲发生器的装置通过选择性限制钻泥的流动而产生的。

美国专利US 5,103,430、US 5,115,415、US 5,333,686和US 6,016,288 披露了多种典型的泥浆脉冲发生器。这些泥浆脉冲发生器由电磁或电动导 螺杆驱动装置(solenoid or motor lead screw actuator)控制，以使选择性限制钻 泥在井筒中的流动的阀直线运动。除US 5,115,415以外，驱动装置控制泥 浆通过小型导向阀(pilot valve)的流动，泥浆的这种流动提供了操控产生脉冲 的主阀所需的力。

存在一些影响泥浆脉冲发送装置可靠性的因素，例如因高的流速和压 力而加剧的钻泥磨损性(abrasive nature)，以及装置中的滑动式密封装置磨损 的趋势。另一种因素是孔口被泥浆中的颗粒物质堵塞的趋势。操作人员常 常添加这种物质来堵塞被钻岩层的孔，以便不损失昂贵的钻泥，而能够经 由钻杆和井筒壁之间的环空中的环流从井筒中收回钻泥。这种通常为纤维 状的添加剂被称作堵漏材料(LCM)。随着时间的推移，已公知LCM为MWD 泥浆脉冲发生器制造了难题。可将过滤器用于泥浆脉冲发生器，以防止LCM 侵入泥浆脉冲发生器的液压部分(hydraulic parts)，例如以上提及的US 5,333,686中所示的那些。然而，提供过滤器并不总是可行的，过滤器本身 在其使用过程中可能因物质的堆积而堵塞。因而，认识到，需要能够在这 种不利条件下以改善的可靠性运行的泥浆脉冲发生装置。

另外，认识到，由于泥浆脉冲发生器通常从内部电池获取其能量，因 而期望在降低运行所需电能的同时改善可靠性。最后，认识到，还期望提 供允许产生如下压力信号的泥浆脉冲发生器：所述压力信号允许发送更复 杂的信号而不是简单的开/关脉冲(on/off pulse)。这种压力信号可能依赖于连 续波的波相、波幅或频率的调节技术。

发明内容

本申请包括：

项1.一种用于在井内流体中产生压力脉冲的装置，包括：

配置于井筒中的外壳，该外壳具有腔室和安装在所述腔室内沿该装置 的纵轴往复运动的活塞，其中所述活塞具有第一和第二相对面，并在所述 第一面和所述腔室的第一端壁之间形成体积可变的第一腔室，以及在所述 第二面和所述腔室的第二端壁之间形成体积可变的第二腔室；

中空气门驱动构件，该构件安装在所述活塞的第二面上并朝向井筒中 的限流口从所述腔室的第二端壁伸出，该中空气门驱动构件经由其开口与 所述限流口周围的井内流体流体连通，并且其中该气门驱动构件的处于所 述腔室之外的端部形成气门杆头，所述气门杆头经布置与所述限流口相配 合，以根据活塞的位置在流体中产生压力脉冲；

所述活塞中的控制端口，该控制端口提供所述中空气门驱动构件和所 述体积可变的第一腔室之间的流体连通路径；

设置在所述腔室中的偏压装置，该偏压装置用于朝向限流口偏压所述 活塞，使活塞离开所述腔室的第一端壁；

所述腔室壁中的端口，该端口提供井筒和所述体积可变的第二腔室之 间的流体连通路径，其中所述体积可变的第二腔室内的流体压力与所述偏 压装置相对抗；

所述腔室的第一端壁中的导向阀，该导向阀在打开时提供井筒和所述 体积可变的第一腔室之间的流体连通路径，并在关闭时切断所述流体连通 路径；以及

用于控制所述导向阀的控制器；

其中所述导向阀包括阀座和阀构件，其中所述阀座包括流体可从中流 过的一个或多个阀口，所述各阀口具有开口，且其中所述阀构件经安装沿 横穿所述一个或多个阀口的开口的方向运动，以分别露出或阻挡所述一个 或多个阀口。