[发明专利]以泥浆为动力的惯性驱动振荡脉动器

说明书

技术领域

本申请涉及随钻测量（MWD），且更具体地涉及泥浆脉动遥测工具及其使用方法。

背景技术

MWD是一种在钻井的同时执行与钻探相关的井下测量并将数据传输到地面的系统，其通常用于油气产业。泥浆脉动遥测是用于MWD工具中的常用的数据采集和传输方法。井下阀可起到限制钻探泥浆流动的作用，引起一系列的压力波动，将特性信息从井筒向上传输到地面接收器。压力波动经由钻井液向地面传播并在地表或在最接近地表的位置被压力传感器接收。所接收的压力信号被处理以便重建特性信息。压力波动能够被生成为正脉动、负脉动和连续波的形式。这些形式能够借助振荡阀产生，该振荡阀关闭和/或打开从而引起钻井液压力增大和/或减小。例如，利用阀的短暂关闭产生正脉动，以将钻井液限制在钻杆（drilling pipe）内，从而使钻井液压力增大。产生这种泥浆脉动压力的井下工具/装置在本领域中被称为泥浆脉动器。

在多数情况下，需要一种用于在地下井中井下遥测的高速泥浆脉动器，因为较高的数据传输速率能够使测量分辨率和更详细的地层信息和方向信息的量增加，从而支持更快的穿进速度。例如，在10英尺/分钟的钻探速率下的4比特每秒的常规取样率（bps）提供24比特/英尺（的数据速率），而在100英尺/分钟下的40bps提供了相同的每英尺钻探的数据速率。本申请描述了一种使用泥浆作为动力的惯性驱动器的高速率泥浆脉动器，该驱动器使用加速了井下阀的运动，以获得增大的数据速率。

发明内容

本申请涉及一种在地下井钻探期间产生泥浆流压力波动的泥浆脉动器。根据本申请的一方面，在用于内部有钻井液流动的钻柱中使用泥浆脉动遥测工具。该泥浆脉动遥测工具可包括设置在钻柱中的脉动器和用于驱动脉动器的驱动系统。该脉动器可包括不旋转的泥浆脉动定子和靠近该定子设置的泥浆脉动转子。该驱动系统可包括涡轮定子、涡轮转子和以磁力方式联接到该涡轮转子的可旋转惯性构件。该惯性构件的第一端可以可操作地连接到泥浆脉动转子。

在一些具体方案中，在泥浆脉动遥测工具中，可借助磁耦合部将转动能从涡轮转子传输到可旋转惯性构件。该可旋转惯性构件的第二端可以可操作地连接到辅助马达，该辅助马达适于追加由驱动系统施加到可旋转惯性构件的转动能。该泥浆脉动遥测工具还可包括在泥浆脉动转子与涡轮转子之间居中设置的齿轮组。该齿轮组可具有第一旋转输入构件和至少一个旋转输出构件。该齿轮组可适于从涡轮转子向泥浆脉动转子传输转动能。

在某些具体方案中，齿轮组还可包括在齿轮组的输入构件与输出构件之间设置的至少一个中间齿轮构件。泥浆脉动遥测工具还可包括可操作地连接至齿轮组的至少一个中间齿轮构件的至少一个离合器。多个离合器可适于从可旋转惯性构件向泥浆脉动转子传送转动能的同步突发脉动（synchronized bursts）。

可以包括转速传感器，该转速传感器适于向处理器输出可旋转的惯性构件的转速方面的数据。该处理器可计算并输出信号以启动至少一个离合器，使其接合并且从可旋转的惯性构件向泥浆脉动转子传送转动能。处理器可基于可旋转的惯性构件的转速和质量的输入数据来计算离合器接合所用的时间周期。

泥浆脉动遥测工具还可包括设置在扭杆基座与泥浆脉动转子轴之间的可弹性变形的扭杆。当该扭杆从扭杆基座向泥浆脉动转子传输转矩时该扭杆可变形并储存弹性能，以及释放所储存的弹性能以提供恢复转矩的反向旋转。

根据本申请的另一方面，本申请描述了一种在内部有钻井液流动的钻柱中使用的泥浆脉动遥测的方法。该方法包括在钻柱中设置的泥浆脉动遥测工具。该泥浆脉动遥测工具可包括：脉动器，其具有不旋转的泥浆脉动定子和靠近该定子的泥浆脉动转子；以及驱动系统，其具有涡轮定子、涡轮转子和可旋转的惯性构件。钻井液沿钻柱向下流动并经过该泥浆脉动遥测工具。可借助流经遥测工具的钻井液使该涡轮转子旋转。可旋转的惯性构件可借助该构件到驱动系统的旋转的涡轮转子的磁耦合部而被旋转并储存势能。可旋转的惯性构件可向泥浆脉动转子传输转动能。随后可使泥浆脉动转子在可控的旋转式振荡运动下被加速，以阻挡钻井液流过泥浆脉动定子，从而在钻柱的钻井液中产生多个正压力脉动。