СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ В СТОЛБЕ ФЛЮИДА В СКВАЖИНЕ Российский патент 2018 года по МПК E21B47/20 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Данное описание, в целом, относится к способам и устройствам для генерирования импульсов в столбе флюида в скважине, которые можно использовать для телеметрической связи между позицией на поверхности скважины и забойными датчиками

[0002] Буровой раствор, закачиваемый вниз по колонне бурильных труб для смазки бурового долота и удаления осколков, обычно называют буровой "грязью". Использование импульсов в столбе бурового раствора обычно называют ʺтелеметрией по гидроимпульсному каналу связиʺ. Для генерирования таких импульсов в столбе флюида, используются многочисленные системы генерации гидравлических импульсов. Для генерирования гидравлических импульсов, такие системы содержат различные виды клапанных механизмов. Например, ʺтарельчатыйʺ клапан может иметь клапанный элемент, совершающий линейное возвратно-поступательное движение, чтобы открывать или закрывать канал для прохода флюида. В то время как вращающийся клапан может иметь ротор, который поворачивает его для выборочного регулирования потока в проход для флюида. Вращающийся клапан может поворачиваться либо возвратно-поступательно, чтобы относительно открывать и закрывать проход флюиду для генерации импульсов, либо непрерывно, когда скорость ротора может изменяться для создания импульсов с однократно выбранной частотой для выполнения заданного протокола передачи данных. Каждая из этих систем обладает различными особенностями и характеристиками.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0003] Фигура 1 иллюстрирует схематическое представление типичного бурового снаряда внутри ствола скважины, где буровой снаряд содержит генератор гидравлических импульсов в соответствии с настоящим изобретением.

[0004] Фигуры 2A-C иллюстрируют типичные структуры, применяемые в генерировании гидравлических импульсов; при этом Фигура 2A схематически иллюстрирует типичный клапанный узел в ʺоткрытойʺ позиции, а Фигура 2B схематически иллюстрирует типичный клапанный узел Фигуры 2A в ʺзакрытойʺ позиции; тогда как Фигура 2C иллюстрирует типичный вариант реализации изобретения генератора гидравлических импульсов, содержащего типичный клапанный узел, проиллюстрированный частично в вертикальном разрезе.

[0005] Фигуры 3A-B более подробно иллюстрируют клапанный узел типичного генератора гидравлических импульсов с Фигуры 2C, проиллюстрированный в вертикальном разрезе на Фигуре 3A и в поперечном сечении на Фигуре 3B.

[0006] Фигура 4 иллюстрирует вертикальный разрез клапанного узла генератора гидравлических импульсов в альтернативном варианте реализации изобретения.

[0007] Фигура 5 иллюстрирует вертикальный разрез клапанного узла генератора гидравлических импульсов в еще одном альтернативном варианте реализации изобретения.

[0008] Фигура 6 иллюстрирует в вертикальном разрезе альтернативную конфигурацию, предназначенную для использования с генератором гидравлических импульсов, таким как проиллюстрированный на Фигуре 2C.

[0009] Фигура 7 иллюстрирует в вертикальном разрезе другую альтернативную конфигурацию, предназначенную для использования с генератором гидравлических импульсов, таким как проиллюстрированный на Фигуре 2C.

[0010] Фигура 8 иллюстрирует блок-схему типичной электронной секции, пригодной к использованию в генераторе гидравлических импульсов, проиллюстрированном на Фигуре 2C.

[0011] Фигура 9 иллюстрирует блок-схему типичного способа использования клапанного узла генератора гидравлических импульсов любого типа, описанного в данном документе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] В настоящем описании представлены новые способы и устройства для генерирования гидроимпульсных сигналов телеметрии, в которых линейно перемещающийся элемент клапана, такой как поршень, движется внутри поршневой камеры, сформированной по меньшей мере частично поверхностью, для выборочного блокирования потока флюида и, следовательно, управления скоростью потока флюида через отверстия в этой поверхности. Отверстие(я) в поверхности могут представлять собой или быть сформированными соответствующим пересечением одного или более канала(ов) потока флюида с поршневой камерой. В некоторых типичных вариантах реализации изобретения, канал потока флюида будет проходить вокруг части поршневой камеры, пересекая ее нижнюю часть. В некоторых типичных вариантах реализации изобретения, поршень будет двигаться вдоль линейной оси, и канал потока флюида будет пересекать поверхность поршневой камеры под углом относительно этой линейной оси движения.

[0013] Линейно перемещающийся элемент клапана может полностью или по меньшей мере частично блокировать поток в или из канала потока флюида, когда он находится в первой позиции (т. е., блокировать или по меньшей мере уменьшать поток по сравнению со второй позицией) и пропускать и/или увеличивать поток в или из канала потока флюида, когда перемещается из первой позиции во вторую. Это описание не предназначено для ограничения линейно перемещающегося элемента клапана наличием для него двух позиций или только дискретных позиций. Скорее, по меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения, линейное перемещение элемента клапана может варьироваться по серии позиций для выборочного блокирования флюидных каналов и, таким образом, изменять поток флюида на величину, которая изменяется в зависимости от позиции линейно перемещающегося элемента клапана и соответствующего блокирования канала потока флюида.

[0014] В некоторых вариантах реализации изобретения, движущийся элемент клапана будет включать блокирующий элемент, выполненный с возможностью пропускать или блокировать заданным образом поток через один или более каналов потока флюида. В некоторых вариантах реализации изобретения, блокирующий элемент клапана будет, в общем случае, открывать или закрывать флюидный канал, расположенный радиально относительно оси линейного перемещения элемента клапана. В некоторых вариантах реализации изобретения, поршневая камера будет содержать зону с поверхностями, ограничивающими, в общем случае, однородную полость для выбранного расстояния, и клапан будет содержать один или более флюидных каналов, которые заходят в отверстие(я) в этой поверхности, и блокирующий элемент будет линейно перемещаться внутри полости для пропуска или блокирования потока флюида через отверстия.

[0015] В представленном далее подробном описании изобретения рассмотрены типичные варианты реализации изобретения нового генератора гидравлических импульсов и связанных с ним способов со ссылкой на прилагаемые графические материалы, иллюстрирующие различные детали примеров практической реализации изобретения. В данном описании представлены различные примеры новых способов, систем и устройств со ссылкой на указанные графические материалы, и содержится информация относительно проиллюстрированных вариантов реализации изобретения, достаточно подробная, чтобы специалисты в данной области техники могли осуществить раскрытый предмет изобретения. Для практического применения данной технологии, могут использоваться многие варианты реализации изобретения, отличающиеся от иллюстративных примеров, описанных в данном документе. Без выхода за пределы объема этого изобретения, может быть сделано множество конструктивных и операционных изменений в дополнение к альтернативам, отдельно описанным в данном документе.

[0016] В настоящем описании ссылки на «один из вариантов» или «вариант» либо «один из примеров» или «пример» не обязательно относятся к единственному варианту или примеру реализации; однако указанные варианты реализации не являются также взаимоисключающими, если это явно не указано или не очевидно для рядовых специалистов в данной области техники, использующих настоящее описание изобретения. Следовательно, может быть включено множество комбинаций и/или объединений вариантов реализации изобретения и примеров, описанных в данном документе, также как дополнительные варианты реализации и примеры, как определено в объеме всех пунктов формулы изобретения, основанной на данном описании, а также всех юридических эквивалентах таких пунктов.

[0017] Как описано в данном документе, генератор гидравлических импульсов должен использоваться для генерирования импульсов в столбе флюида в забойной зоне скважины для упрощения ʺгидроимпульсной телеметрииʺ. Этот термин охватывает связь через импульсы в столбе флюида, представляющего собой жидкость любого типа для обслуживания скважины (или добываемую жидкость), которая может находиться в скважине. Один из примеров такого использования представляет собой помещение генератора гидравлических импульсов в колонну бурильных труб вместе с приборами для измерений во время бурения (ИВБ) (или каротажа во время бурения (КВБ)) для передачи данных от приборов ИВБ/КВБ вверх и на поверхность через столб флюида, протекающего вниз через колонну бурильных труб с выходом через буровое долото. Импульсы будут регистрироваться и декодироваться на поверхности, таким образом передавая данные от приборов или других датчиков в компоновке низа бурильной колонны или в любых других местах бурильной колонны. Описанный типичный генератор гидравлических импульсов относительно открывает и закрывает флюидные каналы для создания в столбе флюида импульсов выбранной продолжительности и последовательности, которые могут регистрироваться на поверхности. В других предусмотренных системах, описанный генератор гидравлических импульсов может быть помещен вблизи поверхности, для создания нисходящего канала импульсной связи с подземными приборами.

[0018] На Фигуре 1 схематически проиллюстрирована типичная система для наклонно-направленного бурения 100, скомпонованная для формирования стволов скважин, проходящих по множеству возможных траекторий, включая отклоняющиеся от вертикали. В соответствии с данным изобретением, система для наклонно-направленного бурения 100 содержит наземную буровую установку 112, к которой присоединена колонна бурильных труб, в целом обозначенная номером 104, с Компоновкой Низа Бурильной Колонны, в целом обозначенным номером 144 (здесь и далее - КНБК). Настоящее изобретение не ограничено наземными буровыми установками, и типичные системы по данному изобретению могут также быть применены в буровых системах на морских платформах, полупогружных буровых платформах, буровых судах и в любой другой буровой системе, позволяющей формировать ствол скважины, проходящий через одну или более подземных формаций. Буровая установка 112 и связанная с ней поверхностная система управления и обработки данных 140 могут быть расположены вблизи от устья скважины 110 на поверхности земли. Буровая установка 112 может также содержать поворотный стол и двигатель привода поворотного стола (конкретно не проиллюстрирован) и другое оборудование, связанное с вращением или другим движением бурильной колонны 104 в стволе 116 скважины. Другие компоненты для бурения и/или управления скважиной, такие как противовыбросовые превенторы (явно не проиллюстрированы), могут также находиться вблизи от устья скважины 110. Между наружной стороной бурильной колонны 104 и поверхностью породы, ограничивающей ствол скважины 116, образовано кольцевое пространство 118.

[0019] Для перекачивания бурового раствора, обозначенного в целом номером 128, из резервуара для флюида 126 к верхнему концу бурильной колонны 104, выходящей из устья скважины 110, следует установить один или более насосов. Возвратный буровой раствор, обломки пластовой и/или выбуренной породы с нижнего конца 132 ствола скважины 116 будет выходить через кольцевое пространство 118 по различным трубопроводам и/или другим устройствам в резервуар для флюида 126. Для формирования полной системы циркуляции флюида, можно использовать различные типы трубопроводов, трубок и/или труб.

[0020] КНБК 106 на нижнем конце бурильной колонны 104 завершается в буровом долоте 134. Буровое долото 134 содержит один или более каналов потока флюида с установленными в них соответствующими соплами. Из резервуара 126 к концу бурильной колонны 104, выходящему из устья скважины 110, можно перекачивать скважинные флюиды различных типов. Скважинный флюид(ы) протекает через осевую полость (явно не проиллюстрировано) в бурильной колонне 104 и выходит из сопел, сформированных в буровом долоте 134. В процессе бурения буровой раствор будет смешиваться с обломками выбуренной породы и осколками породы вблизи бурового долота 134. Затем буровой раствор будет перемещаться вверх через кольцевое пространство 118 для переноса выбуренной породы и обломков породы из скважины на поверхность. Для удаления выбуренной породы и других обломков породы перед возвратом бурового раствора в резервуар 126, обычно применяются сетки, фильтры и/или центробежные сепараторы различных типов (явно не проиллюстрированы).

[0021] Компоновка низа бурильной колонны (КНБК) 106 может содержать различные компоненты, например, один или более приборов для измерений во время бурения (ИВБ) или каротажа во время бурения (КВБ) 136, 148, которые предоставляют каротажные данные и другую информацию, которая подлежит передаче из нижней части ствола скважины 116 к аппаратуре 108 на поверхности. В этой типичной колонне, КНБК 106 содержит генератор гидравлических импульсов 144 для обеспечения телеметрии по гидроимпульсному каналу связи таких данных и/или другой информации через столб флюида внутри бурильной колонны, к месту расположения приемника на поверхности, например, вблизи от устья скважины 110. Генератор гидравлических импульсов 144 должен быть сконструирован в соответствии с типичным устройством, проиллюстрированном на Фигуре 2, и/или с другими описанными в данном документе вариантами реализации изобретения, приведенными в качестве примера. В месте расположения приемника на поверхности, импульсы давления в столбе флюида должны регистрироваться и преобразовываться в электрические сигналы для передачи наземной аппаратуре и, потенциально, оттуда в другие места.

[0022] Каротажные данные и/или другая информация, переданная наземному приемнику, затем может быть передана системе обработки данных 140. Система обработки данных 140 может содержать множество аппаратных устройств, программных средств и их комбинаций, включая, например, один или более программируемых процессоров, выполненных с возможностью исполнять инструкции по и получать данные из и вводить данные в память, для выполнения одной или более функций, приданных системе обработки данных 140 в данном изобретении. Каждый из процессоров, применяемых для исполнения функций системы обработки данных 140, может содержать один или более процессоров, таких как один или более микропроцессоров, цифровых сигнальных процессоров (DSP), специализированные заказные интегральные схемы (ASIC), программируемые пользователем логические матрицы (FPGA), программируемые логические схемы и т. п., либо отдельно, либо в любой подходящей комбинации.

[0023] В некоторых применениях, система обработки данных может иметь связанные с ней принтер, дисплей и/или дополнительные устройства для упрощения мониторинга бурильных и каротажных операций. Во многих применениях, выходная информация из системы обработки данных будет передаваться различным компонентам, связанным с действующей буровой установкой 112, и может также передаваться различным удаленным устройствам, осуществляющим мониторинг результативности операций, выполняемых системой для наклонно-направленного бурения 100.

[0024] На Фигуре 2A схематически проиллюстрирован типичный клапанный механизм 150, проиллюстрированный в упрощенной форме, чтобы показать движение и функцию механизма закрытия клапана. Механизм 150 содержит переходник 152 с отверстиями внутри корпуса 154. В этой типичной конфигурации, переходник с отверстиями 152 в комбинации с корпусом 154 формирует множество каналов потока флюида, включающее каналы 156. Во многих примерах, каналы 156 находятся в гидравлической связи с содержащей флюид кольцевой зоной (не проиллюстрирован на этой фигуре) над клапанным механизмом внутри корпуса 154, через которую закачиваются скважинные флюиды. Каналы потока флюида дополнительно содержат радиальные каналы 158, каждый из которых связан с каналами 156 и проходит до пересечения с центральной полстью 162, через которую будет протекать флюид. Центральная полость 162 представляет собой нижнюю часть камеры, обозначенную, в целом, номером 174, содержащую продольно движущийся элемент клапана, в данном случае, имеющий форму поршня 164, выполненного с возможностью возвратно-поступательного движения под воздействием приводного механизма 170. Каждый проходящий радиально канал 158 заканчивается отверстием 160 в поверхности 176, ограничивающей центральную полость 162 поршневой камеры 174. Каналы потока флюида должны быть такого размера, чтобы пропускать предполагаемые частицы, которые могут быть взвешены в буровом растворе, такие как различные виды ʺматериалов для борьбы с поглощением бурового раствораʺ, которые могут вводиться в флюид для предупреждения поглощения флюида пластом, через который проходит ствол скважины.

[0025] В проиллюстрированном примере, приводной механизм 170 может быть любым из множества механизмов, таких как механические, электрические, гидравлические механизмы и т. п., и поэтому он проиллюстрирован на фигуре в общем виде. Как будет описано ниже в данном документе, считается, что электрические механизмы хорошо подходят для использования в качестве приводных механизмов, и ниже в данном документе обсуждаются типичные альтернативы электромагнитным приводным механизмам.

[0026] В данном примере, поршень 164 имеет радиально увеличенный запирающий элемент, обозначенный, в целом, номером 166. Запирающий элемент 166 имеет радиально выступающую наружную поверхность 168. Поршень 164 является линейно перемещающимся между по меньшей мере первой и второй позициями вдоль продольной оси движения 172, и может перемещаться относительно одной или более дополнительных позиций между первой и второй позициями или к одной стороне любой из этих первой и второй позиций. На Фигуре 2A, поршень 164 находится в относительно втянутом положении, в котором клапанный узел "открыт", поскольку наружная поверхность 168 запирающего элемента 166 находится выше в продольном направлении (или ʺвыше по стволу скважиныʺ) отверстий 160, и, таким образом, отверстия 160 не закрыты, чтобы обеспечить свободное протекание флюида из каналов 156 через каналы 158 и связанные с ними отверстия 160 в центральную полость 162 поршневой камеры.

[0027] На Фигуре 2B проиллюстрирован поршень 164 во второй позиции по продольной оси, в которой поршень 164 относительно выдвинут, и клапанный механизм 150 ʺзакрытʺ в результате того, что радиально выступающая поверхность 168 запирающего элемента 166 продольно примыкает к отверстиям 160, относительно ограничивая или блокируя поток флюида из каналов 158 в центральную полость 162. Для генерирования гидравлических импульсов не требуется полная блокировка или "закупорка" отверстий 160. В данном примере, запирающий элемент 166 имеет отверстия внутри периметра, образованного наружной поверхностью 168, чтобы уменьшить сопротивление возвратно-поступательному движению запирающего элемента 166 через флюиды; и поверхности запирающего элемента 166 могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы минимизировать это сопротивление. В данном примере, поршень 164 движется линейно относительно потока, протекающего радиально внутрь, под углом относительно оси движения 172. Таким образом, в данной типичной конфигурации, клапанный механизм 150 работает, в первую очередь, на сдвиг по отношению к протекающему флюиду, и движению поршня 164 не приходится преодолевать вес столба флюида над клапанным механизмом при любом направлении возвратно-поступательного движения.

[0028] На Фигуре 2C проиллюстрирован типичный генератор гидравлических импульсов 200, изображенный частично в продольном сечении. В генераторе гидравлических импульсов 200 будет использоваться клапанный узел, который действует, в общем случае, в соответствии с описанным выше схематическим примером (который может быть внедрен во множестве конфигураций, включая, но не ограничиваясь типичными конфигурациями, описанными в данном документе). В данном примере, генератор гидравлических импульсов 200 содержит узел корпуса 202, который в данном примере содержит наружный корпус 204, имеющий муфтовые замковые соединения 206, 207, соответственно, на верхнем и нижнем концах, так же как центральную вставку 206 и вставку выходной полости 208, как будет описано ниже в данном документе со ссылкой на Фигуру 3A.

[0029] Генератор гидравлических импульсов 200 содержит три первичных узла, которые будут обсуждаться ниже: источник питания для функционирования устройства (в данном примере, узел генератора, обозначенный в целом номером 210); секцию электроники 226 и клапанный узел 230. Узел генератора 210 содержит секцию генератора, обозначенную в целом номером 212, которая содержит статор и ротор (конкретно не проиллюстрированы), скомбинированные с возможностью генерировать электрический ток для использования генератором гидравлических импульсов 200 в результате вращения ротора относительно статора. Узел генератора 212 также содержит, в данном примере, многоступенчатую подвижную плавающую шестерню 214, содержащую множество лопаток, выполненных с возможностью направлять течение флюида вниз в кольцевом пространстве 216, окружающем узел генератора 210 внутри наружного корпуса 204, и входящую в зацепление с генератором 212. Плавающая шестерня 214 функционально связана с ротором генератора 212, чтобы вращать его для генерирования электрического тока. На верхнем конце, узел генератора 210 содержит сходящий на конус торец 222, чтобы направлять поток флюида в кольцевое пространство 216, где флюид будет воздействовать на лопатки первой и второй ступеней, 228A, 228B, соответственно. В некоторых системах, сходящий на конус торец 222 или другой компонент на его месте может быть выполнен с возможностью упрощать соединения с другими приборами, такие как любое одно или более из электрических, оптических, гидравлических, пневматических и/или механических соединений (как описано в данном документе со ссылкой на Фигуру 6). В данном примере, центратор 224 установлен между плавающей шестерней 214 и генератором 212, чтобы удерживать узел генератора 210 центрированным внутри наружного корпуса 204, в результате этого, он формирует часть кольцевого пространства 216, окружающего узел генератора 210 внутри наружного корпуса 204.

[0030] В данном примере, генератор гидравлических импульсов 200 содержит электронную секцию 226 на нижней стороне узла генератора 210 и функционально связан с ней. Как и в предыдущем случае, центратор 232 расположен между узлом генератора 210 и электронной секцией 226. Поскольку между генератором и электронной секцией протекает электрический ток, между этими узлами должно быть установлено герметическое уплотнение 234. В проиллюстрированном примере, уплотнение находится внутри центратора 232, но альтернативно оно может быть расположено либо в узле генератора 210, либо в электронной секции 226 или в другом находящемся между ними компоненте.

[0031] Обычно электронная секция 226 имеет герметичный корпус 236, чтобы изолировать содержащиеся в ней схемы и компоненты от внешней среды. В данном примере, электронная секция 226 содержит оба компонента - и устройство для хранения электроэнергии, принимающее электрический ток, произведенный узлом генератора 210, и управляющую схему для работы генератора гидравлических импульсов 200.

[0032] На Фигуре 8 представлена блок-схема типичной электронной секции 226, подходящей для использования в качестве компонента генератора гидравлических импульсов 200. Как проиллюстрировано на этой фигуре, электронная секция 226 содержит устройство для хранения электроэнергии 802, в данном примере, соединенное с входом 804 для приема электрического тока от узла генератора 210. Устройство для хранения электроэнергии 802 может быть любого известного типа, соответствующего требованиям остальных систем генератора гидравлических импульсов 200, таким как аккумулятор или конденсатор. Электронная секция 226 содержит также регулятор питания 806, функционально связанный с устройством для хранения электроэнергии 802. Регулятор питания 806 обычно предназначен для выполнения ряда функций, включая регулирование напряжения и/или тока, поставляемого другим компонентам. Часто это регулирование питания должно включать различные типы фильтрации электрического сигнала, для устранения шума или других аномалий. Хотя регулятор питания 806 проиллюстрирован установленным в цепи после устройства для хранения электроэнергии 802, многие функции регулятора могут выполняться до подключения электрического сигнала от генератора 212 в устройство для хранения электроэнергии 802, и, следовательно, ток от генератора 212 может подключаться к регулятору питания 806 вместо устройства для хранения электроэнергии 802. В таких конфигурациях, регулятор питания 806 может также содержать подходящую функциональность управления аккумулятором/устройством для хранения.

[0033] Электрический ток, либо от регулятора питания 806, либо от устройства для хранения электроэнергии 802, будет передаваться другим электрическим компонентам системы. В описанном примере, в число этих компонентов входит модуль 808 обработки сигнала передачи данных/кодирования, обеспечивающий функциональность, как описано ниже в данном документе со ссылкой на Фигуру 6, для получения одного или более сигналов передачи данных через один или более входов, обозначенных номером 810, и для подготовки такого сигнала(ов) к передаче с помощью серии гидравлических импульсов. После того как часть потока данных будет готова к передаче, поток данных будет передан контроллеру клапана 812, чтобы обеспечить подходящие управляющие сигналы для клапанного узла 230.

[0034] В некоторых типичных системах, на входе 814 принимаются один или более сигналов обратной связи, которые используются для оптимизации параметров генератора гидравлических импульсов 200, например, путем подстройки функционирования контроллера клапана 812. Такой сигнал обратной связи может поступать из множества потенциальных источников. Например, в буровом снаряде, содержащем генератор гидравлических импульсов 200, один или более датчиков могут быть расположены относительно выше по стволу скважины, где они могут воспринимать сгенерированные импульсы или другие факторы в стволе скважины, чтобы создавать подходящий сигнал обратной связи. Такой сигнал обратной связи может быть проанализирован в контроллере клапана 812 для подстройки функционирования клапана. Например, если анализ сигнала обратной связи показал, что порог чувствительности идентификации импульса или разрешающая способность ниже заданных, может быть активирован контроллер клапана 812 для подстройки работы клапана, например, путем подачи команды клапану уменьшить скорость передачи (и, возможно, увеличить продолжительность импульса) и/или увеличить амплитуду импульса. В некоторых ситуациях, контроллер клапана 812 может определить, что другой протокол обмена данными будет более подходящим для существующих забойных условиях и может передать модулю 808 обработки сигнала передачи данных/кодирования (как показано номером 818) команду произвести такую замену.

[0035] Другие источники сигналов обратной связи тоже предусмотрены. Например, сигнал обратной связи может быть получен от приемника импульсов, находящегося вблизи от устья скважины, и передан в забой с помощью любого подходящего средства, такого как гидроимпульсный нисходящий канал связи, сигналопроводящая труба или канал связи, имеющий некоторую часть, которая представляет собой беспроводной тракт. Кроме того, дополнительно к датчикам, воспринимающим гидравлические импульсы, могут быть использованы другие типы датчиков, такие как акустические датчики, воспринимающие шум в стволе скважины, вибрацию или другие датчики движения (например, акселерометры), воспринимающие движение, связанное с буровым снарядом, и т. п.

[0036] Для обеспечения описанной функциональности, электронная секция 226 обычно содержит один или более ресурсов для обработки информации, таких как программируемый процессор или контроллер, и в случае, когда используется программируемое устройство, может также содержать оперативное запоминающее устройство (RAM), аппаратную или программную логическую схему управления, другие накопители для хранения данных и/или рабочих инструкций, постоянное запоминающее устройство (ROM) и/или энергонезависимое запоминающее устройство других типов. Применительно к целям данного изобретения, все такие запоминающие устройства, будь то энергозависимые или энергонезависимые устройства и диски хранения, рассматриваются как энергонезависимые запоминающие устройства. Кроме того, электронная секция 226 содержит подходящие интерфейсные схемы 820 для передачи и получения данных от датчиков, расположенных на поверхности и/или в забое, и может содержать один или более портов для связи с внешними устройствами, так же как любые дополнительные необходимые устройства ввода-вывода (I/O).

[0037] В одном примере, электронная секция 226 содержит хранящиеся в памяти запрограммированные команды, которые при их выполнении осуществляют описанные операции управления. Хотя описанные функциональные возможности электронной системы описаны и проиллюстрированы на Фигуре 8 по отдельности, такая иллюстрация сделана для ясности описания, любая из этих функциональных возможностей или все они могут быть реализованы, при необходимости, единственным процессором или контроллером.

[0038] Возвращаясь к Фигуре 2C, можно видеть, что в описанном примере электронная секция 226 соединена с клапанным узлом 230 с помощью соединительного узла 238, расположенного между этими двумя блоками. Как и в предыдущем случае, следует обеспечить между этими двумя блоками герметическое уплотнение 240, чтобы изолировать электрическое соединение между двумя компонентами. Хотя в проиллюстрированном примере узел генератора 210 и электронная секция 226 проиллюстрированы как расположенные по стволу скважины выше клапанного узла 230, вместо этого данные компоненты могут быть расположены ниже клапанного узла 230 по стволу скважины. В других примерах, структура и функциональность электронной секции 226 могут быть обеспечены двумя или более отдельными узлами внутри генератора гидравлических импульсов, такой пример обсуждается в данном документе ниже, со ссылкой на Фигуру 7.

[0039] Теперь обратимся к Фигурам 3A-B; на Фигуре 3A клапанный узел 230 проиллюстрирован более подробно, и частично в продольном разрезе, тогда как Фигура 3B иллюстрирует поперечное сечение клапанного узла 230 через запирающий элемент 254. Как можно видеть на Фигуре 3A, в этой зоне узел корпуса 202 содержит не только наружный корпус 204, но и центральную вставку 206 и вставку выходной полости 208. Центральная вставка 206 герметично окружает внутреннюю полость наружного корпуса 204. В относительно верхней части, центральная вставка 206 содержит множество шлицов вокруг наружной поверхности, проходящих обычно к внутреннему диаметру наружного корпуса 204 для образования каналов 242A, 242B, связанных с кольцевым пространством 216 над ними. В относительно нижней части, центральная вставка содержит множество, в общем случае, радиально проходящих каналов 244A, 244B, соединяющих каналы 242A, 242B, образованных упомянутыми шлицами внутри наружного корпуса 204. В данной типичной конфигурации, каждый канал 244A, 244B заканчивается на соответствующем отверстии, каждое из которых обозначено номером 248, ведущем в центральную полость 240 в центральной вставке 206. Каналы 244A, 244B должны, предпочтительно, проходить под некоторым углом относительно центральной полости 240. Хотя этот угол может быть любым, который потребуется, во многих примерах внутренний угол между каждым каналом 244A, 244B и продольной осью центральной полости 240 должен быть меньше 90 градусов, чтобы минимизировать препятствия потоку флюида, и во многих примерах он будет меньше, чем около 45 градусов, как в проиллюстрированном примере.

[0040] Клапанный узел 230 содержит элемент клапана, выполненный с возможностью линейного возвратно-поступательного движения внутри клапанного узла 230, который обозначен как поршень 250. В описанном примере, поршень 250 состоит по меньшей мере из двух частей: приводного элемента 252 и запирающего элемента 254, соединенного с приводным элементом 252 для совместного движения, так что возвратно-поступательное движение приводного элемента 252 вынуждает запирающий элемент 254 перемещаться между одной или более позициями относительно положения напротив отверстий 248, чтобы относительно закрывать проход флюиду в центральную полость 240, и между одной или более позициями, относительно не соответствующими положению напротив отверстий 248, для относительного открытия прохода флюиду в центральную полость 240. Запирающий элемент 254 может быть исполнен во многих возможных конфигурациях, которые будут ограничивать поток флюида между отверстиями 248 и центральной полостью 240, когда элемент находится в первой позиции, и будут позволять такое сообщение флюида, когда элемент находится во второй позиции. В описанном примере, запирающий элемент содержит наружное кольцо 270, которое поддерживается множеством спиц 272, связанных с центральной втулкой 274. Центральная втулка 274 обеспечивает соединение запирающего элемента 254 с приводным элементом 252. Хотя запирающий элемент 254 был описан как структура, отдельная от приводного элемента 252, в других примерах оба элемента могут быть выполнены как единый компонент.

[0041] В проиллюстрированном примере, флюид будет протекать в центральную полость 240 из каналов 244A, 244B. Тем не менее, возможны конфигурации, которые будут пропускать поток в обратном направлении, как в случае, если бы описанные компоненты были полностью противоположной ориентации. Тем не менее, описанная конфигурация желательна, поскольку она избавляет поршень 250 от давления, оказываемого столбом флюида в буровом снаряде, и дает возможность запирающему элементу открывать и закрывать каналы для прохода флюида, при этом работая, по существу, на сдвиг относительно протекающего флюида. Помещение поршня 250 для движения вне столба флюида дает возможность облегчить движение в обоих направлениях, поскольку приводному механизму не требуется преодолевать вес и давление столба флюида при движении в любом направлении. Примеры такой конфигурации обеспечивают значительное преимущество перед клапанами с подвижным конструктивным элементом, которые подвергается воздействию столба флюида сверху (как в случае традиционных тарельчатых клапанов), и которому при движении в одном из двух направлений приходится преодолевать вес и давление столба.

[0042] В проиллюстрированном примере, наружное кольцо 270 запирающего элемента 254 имеет цилиндрический контур с центральной частью 276, обычно имеющей цилиндрический профиль, который обеспечивает ʺуплотняющуюʺ поверхность. Запирающий элемент 254 имеет такой размер, что центральная часть 276 обеспечивает относительно малый допуск внутри центральной полости 256, чтобы по существу блокировать поток флюида между отверстиями 248 и центральной полостью 240. Следует понимать, что для генерирования гидравлических импульсов, в полном закрытии (т. е., полной ʺблокировкеʺ) каналов потока флюида нет необходимости. Фактически, в некоторых примерах, запирающий элемент 254 может быть выполнен с возможностью оставлять ʺоткрытымʺ (т. е., не заблокированным) одно или более отверстий 248 даже в случаях, когда он находится в относительно ʺзакрытойʺ позиции, так, чтобы всегда пропускать некоторую часть потока флюида; или некоторая часть потока флюида может пропускаться, поскольку размеры запирающего элемента 254 выбраны таким образом, чтобы оставалась заданная щель, даже когда элемент выставлен напротив отверстий (т. е., находится в ʺзакрытойʺ позиции). Таким образом, термины ʺоткрытиеʺ и ʺзакрытиеʺ клапана являются не абсолютными, а только относительно друг друга, указывая на пропускание и блокирование потока флюида в той степени, которая требуется для генерирования гидравлических импульсов, при соответствии эксплуатационным требованиям забойных операций (таким, как протекание флюида в буровое долото в течение бурильных работ).

[0043] В данной типичной конфигурации, запирающий элемент 254 выполнен с возможностью блокировать все отверстия 248, и, следовательно, имеет непрерывную внешнюю окружность. Наружное кольцо 270 имеет сужающиеся участки 278A, 278B с каждой стороны центральной части 276, сужающейся в радиальном направлении наружу, которые минимизируют сопротивление флюида движению запирающего элемента 254 в обоих направлениях. Кроме того, показанные сужения будут способствовать освобождению запирающего элемента 254 от любых твердых частиц, которые могут, в ином случае, улавливаться и, тем самым, блокировать или затруднять движение запирающего элемента. Запирающий элемент 254 должен быть изготовлен, предпочтительно, из относительно легкого материала, способного выдерживать давления флюида и скважинную среду, в которой он будет использоваться. Одним из подходящих материалов для запирающего элемента 254 является титан, который минимизирует массу запирающего элемента 254, тем самым способствуя относительно быстрому возвратно-поступательному или другому движению внутри центральной полости 240. Другие подходящие материалы представляют собой керамику, стеллит и/или карбид вольфрама, каждый из которых может обеспечивать особые преимущества, связанные с конкретными скважинными условиями.

[0044] Приводная секция, обычно обозначенная номером 280, выполнена с возможностью двигать поршень 250 возвратно-поступательно вдоль линейной оси. Приводная секция 280 может иметь много возможных конфигураций, и может приводиться в действие, например, с помощью либо электричества, либо гидравлики. В проиллюстрированном примере, приводная секция 280 приводится в действие с помощью электричества. Приводной механизм может представлять собой соленоид или другое подходящее устройство, например, катушку линейного электропривода, выборочно генерирующую магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем, созданным одним или более постоянных магнитов, вызывая возвратно-поступательное движение поршня 250. Для приводного механизма такого типа, проще всего поместить обмотки в корпус 256 клапана, поскольку он остается стационарным по отношению к центральной вставке 206, что упрощает практическую реализацию электрических соединений между электронной секцией 226 и одной или более обмотками 258A, 258B, расположенными в углублениях 260A, 260B во внутренней периферии корпуса 256 клапана. Корпус 256 клапана должен быть изготовлен из немагнитного материала. Приводной элемент 252 должен содержать одно или более углублений 262A, 262B, проходящих по меньшей мере частично по периферии приводного элемента 252, при этом каждое углубление содержит один или более соответствующих постоянных магнитов, обычно обозначенных цифрами 264A, 264B.

[0045] Описанный приводной механизм, в котором используются обмотки, взаимодействующие с магнитными полями постоянных магнитов, можно применять способами, обеспечивающими особые преимущества. Например, как можно видеть в приводной секции 280, для осуществления желательного движения не требуется механического контакта с приводным элементом 252, и движение будет происходить даже в тех случаях, когда приводной элемент 252 в корпусе 256 клапана окружен скважинными флюидами. В результате, устраняется необходимость в динамическом уплотнении между приводным элементом 252 и корпусом 256 клапана (или аналогичной детали). Такие динамические уплотнения могут, в некоторых применениях, затруднять перемещение движущегося элемента (в данном случае, приводного элемента 252) и/или служить точкой потенциальной поломки. Хотя такое динамическое уплотнение может, когда это требуется для некоторых применений или конфигураций, быть добавлено в приводную секцию 280, в проиллюстрированном варианте реализации изобретения, для описанного функционирования приводной секции 280 в нем нет необходимости.

[0046] Для обмоток и постоянных магнитов предусмотрен ряд конкретных конфигураций. В некоторых случаях, для генерирования возвратно-поступательного движения поршня 250, могут быть задействованы множественные обмотки с противоположной полярностью электрического тока. Тем не менее, в других примерах, каждая обмотка должна активироваться электрическим током единственной полярности, при этом изменение направления достигается за счет ориентации магнитных полей постоянных магнитов и взаимного расположения постоянных магнитов. В системе любого типа, для достижения нужного движения поршня 250, множественные обмотки могут быть активированы последовательно. В данном примере, корпус 256 клапана и обмотки 258 расположены концентрически вокруг приводного элемента 252. Хотя эта конфигурация создает преимущества, следует понимать, что могут быть использованы другие механизмы, в которых обмотки или другие электромагнитные компоненты не являются концентрическими по отношению к приводному элементу 252, но расположены относительно радиально наружу от приводного элемента 252.

[0047] В описанном варианте реализации изобретения клапанного узла 230, центральная полость 240 имеет, в общем случае, круглое поперечное сечение. Тем не менее, могут использоваться другие конфигурации, такие как овальное поперечное сечение полости, которые могут применяться для предотвращения вращения запирающего элемента 254, если это требуется для конкретного применения. Независимо от конфигурации поперечного сечения центральной полости 240, предпочтительно иметь однородный боковой профиль (как проиллюстрировано на Фигуре 3B), по меньшей мере в диапазоне, предназначенном для движения запирающего элемента 254.

[0048] В некоторых конфигурациях, клапанный узел 230 может быть выполнен таким образом, что запирающий элемент 254 может совершать возвратно-поступательное движение между первой позицией, в общем случае, открывая отверстия 248 потока флюида, и второй позицией, в общем случае, закрывая отверстия 248 потока флюида. В таких конфигурациях, запирающему элементу 254 требуется совершать возвратно-поступательное движение только от одной стороны отверстий 248 к позиции, в общем случае, напротив отверстий 248. Этот тип конфигурации пригоден для проектирования конфигураций расположения отверстий и пути движения поршня, и конфигураций для оптимизации клапана в аспекте скорости перемещения между открытой и закрытой позициями, для обеспечения высокой плотности импульсов в единицу времени. Тем не менее, предусмотрены и другие конфигурации. В одном из примеров, запирающий элемент может перемещаться из первой позиции над отверстиями 248 во вторую позицию, закрывая отверстия 248, и затем в третью позицию, с противоположной стороны отверстий 248.

[0049] В качестве другой альтернативы, запирающий элемент 254 может перемещаться не только между по существу относительно полностью ʺоткрытойʺ позицией, полностью открывая все отверстия, и полностью ʺзакрытойʺ позицией, полностью закрывая все или комплект отверстий 248, но может также перемещаться в одну или более промежуточных позиций, только частично блокируя либо все, либо комплект отверстий 248. В данном типе конфигурации, клапанный узел 230 будет иметь возможность генерировать импульсы с множественными амплитудами. В другой альтернативной конфигурации, для достижения множественных амплитуд отверстия 248 могут быть, совместно с запирающим элементом 254, расположены таким образом, что только некоторые отверстия закрыты, когда запирающий элемент находится в первой позиции, и все отверстия закрыты, когда запирающий элемент 254 находится в смещенной по оси позиции. Для достижения этого результата, могут быть предусмотрены различные совместные расположения отверстий 248 и конфигурация запирающего элемента 254. В одном из примеров, одно или более отверстий 248 могут быть расположены на пересечении с центральной полостью 240 в первой продольной позиции, при этом одно или более отверстий 248 расположены на пересечении с центральной полостью 240 поблизости, но в продольно смещенной позиции. Запирающий элемент 254 может иметь конфигурацию с размером, достаточным для блокирования обоих комплектов отверстий в одной позиции и с достаточной дистанцией перемещения, позволяющей блокировать любой из комплектов отверстий в двух дополнительных позициях. Можно использовать дополнительную возможную конфигурацию для двух комплектов отверстий, чтобы сформировать различные кумулятивные сечения потока, так что блокирование первого комплекта отверстий 248 будет закрывать выбранный процент общего потока флюида, тогда как блокирование второго комплекта отверстий 248 будет закрывать выбранный процент общего потока флюида, тем самым создавая возможность генерирования импульсов по меньшей мере с тремя амплитудами.

[0050] На Фигуре 4 проиллюстрирована альтернативная конфигурация клапанного узла генератора гидравлических импульсов, обозначенная в целом номером 400. Клапанный узел 400 проиллюстрирован в условиях эксплуатации внутри наружного корпуса 402. Клапанный узел 400 содержит узел корпуса клапана, обозначенный в целом номером 404, герметизированный в наружном корпусе 402. В проиллюстрированном примере, узел корпуса 404 содержит нижний блок 406 и верхний блок 408. Кроме того, секция канала для электропроводки 410 предусматривает канал 412 для прокладки электрических проводов в верхний блок 408 и вниз через нижний блок 406 к другим устройствам, расположенным ниже клапанного узла 400 (в проиллюстрированном поперечном сечении видна только часть этой траектории). Либо верхний блок 408, либо секция канала для электропроводки 410 должны быть выполнены с возможностью обеспечивать множество центрирующих ребер (например, три ребра) для сохранения центрированной ориентации верхнего блока 408. Как и в случае узла клапанной секции 230 на Фигурах 2 и 3, центрирующие ребра будут образовывать множество каналов, обозначенных номером 414, сообщающихся с кольцевым пространством 416 над клапанным узлом 400, выходящих за пределы верхнего блока 408 и заканчивающихся в одном или более каналах 418 в нижнем блоке 406, проходящих к соответствующим отверстиям 420 в поверхности, образующей центральную полость 422, в целом, аналогично описанному выше клапанному узлу 230.

[0051] Как можно видеть на Фигуре 4, клапанный узел 400 содержит подвижный, в общем случае, кольцеобразный поршень привода, обозначенный в целом номером 424, имеющий приводную секцию 426 и сформированную как одно целое с ней запирающую секцию 428. Приводная секция 426 удерживается в концентрическом положении относительно направляющей штанги 432 парой подшипников 430A, 430B. Приводная секция 426 находится внутри корпуса 434 привода, при этом опора направляющей штанги 432 сохраняет близкое, но разделенное промежутком положение между примыкающими поверхностями приводной секции 426 и корпуса 436 привода.

[0052] Клапанный узел 400, как и клапанный узел 230 на Фигурах 2 и 3, должен быть с электроприводом, таким как при использовании одной или более катушек линейного электропривода. Таким образом, приводная секция 426 содержит множество постоянных магнитов 438, закрепленных в одном или более углублений 440 по наружному диаметру поршня привода 442. Корпус 436 привода содержит множество выборочно активируемых обмоток, проложенных концентрически относительно поршня 442 привода. В проиллюстрированном примере, корпус 436 привода содержит четыре обмотки 444A-D. Те же варианты для конфигурации и управляющих обмоток 444A-D, которые были описаны для клапанного узла 230 на Фигуре 2C, применимы и к клапанному узлу 400.

[0053] В некоторых примерах, обмотки 444 будут находиться в масляной бане в герметичной камере 446. Герметичная камера 446 изолирована в нижнем конце герметичным уплотнением 448, находящимся между корпусом 430 привода и верхним блоком 408, а в верхней части она проходит до уплотнительной пластины 450. Уплотнительная пластина 450 имеет герметичный контакт и с направляющей штангой 432, и с корпусом 436 привода. Следовательно, обмотки 444 и любые другие электрические цепи, которые могут быть помещены внутрь изолированной камеры 446, находятся в масле, и изолированы от скважинного флюида, окружающего поршень 442 привода.

[0054] Как можно видеть на Фигуре 4, запирающая секция 428 формирует не только сплошную цилиндрическую изолирующую поверхность (как обсуждалось в отношении центральной поверхности 276 запирающего элемента 254, проиллюстрированного на Фигурах 3A-B). Вместо этого, запирающая секция 428 формирует множество отверстий 452, каждое из которых будет входить в контакт с соответствующим отверстием 420 в поверхности 450, ограничивающей центральную полость 422. Все продольно проходящие поверхности запирающей секции, включая те, которые ограничивают отверстия 452, и нижняя поверхность 454, опять же сведены на конус для уменьшения препятствий движению через флюид.

[0055] В процессе эксплуатации, как описано выше, активация катушек линейного электропривода обуславливает линейное движение секции приводного поршня вперед или назад, вынуждая запирающую секцию 428 двигаться таким образом, чтобы отверстия 452 входили или выходили из положения напротив отверстий 420, что приводит к выборочному относительному открытию или блокированию потока между отверстиями 420 и центральной полостью 422 для генерирования импульсов в движущемся столбе флюида, как описано ранее.

[0056] Обратимся к Фигуре 5, на которой проиллюстрирована альтернативная конфигурация клапанного узла 500 генератора гидравлических импульсов, проиллюстрированного в вертикальном разрезе. Гидроимпульсный клапан 500 имеет много общих структурных и функциональных параметров с клапанным узлом 400, проиллюстрированным на Фигуре 4. Соответственно, эти общие места здесь не будут описываться конкретно. Компоненты, структурно и функционально аналогичные компонентам клапанного узла 400, будут обозначены теми же номерами на Фигуре 5, при этом не подразумевается, что эти компоненты во всех отношениях полностью идентичны проиллюстрированному на Фигуре 4.

[0057] В некоторых типичных системах может быть предпочтительным иметь механизм "безопасности при сбоях", такой, чтобы в случае сбоя в клапане гидравлических импульсов, этот сбой происходил в "открытой" позиции, в которой поток бурового раствора через клапан в буровое долото или другие расположенные ниже механизмы не прерывался. Такого результата можно достичь с помощью отклоняющего механизма, приспособленного для отклонения запирающей секции 428 таким образом, чтобы отверстия 452 смещались в положение напротив отверстий 420, тем самым открывая путь потоку в каналы для флюида. Отклоняющий механизм может относиться к одному из различных типов, таких как гидравлический, пневматический (таким как воздушная камера, играющая роль пружины) или механический. Во многих типичных системах, отклоняющий механизм должен быть механическим, содержащим одну или более пружин, которые могут иметь различные конфигурации.

[0058] Опять же, клапанный узел 500 содержит активируемую электричеством приводную секцию, обозначенную в целом номером 502, в общем случае, с кольцевым поршнем привода, обозначенным в целом номером 504, содержащим приводную секцию 506, соединенную с образованием функционально неразделимого блока с запирающей секцией 428. Пружинный механизм 506 находится между нижней частью верхнего блока 408 и верхней частью поршня 504 привода. В проиллюстрированном примере, пружинный механизм 506 содержит по меньшей мере одну трубу, выполненную с возможностью иметь две пространственно разделенных опоры 508A, 508B, разделенных мостиковой секцией 510, так что при сжатии в направлении друг друга, такие пространственно разделенные опоры 508A-B создают отклонение в направлении относительно отделенной позиции, в которой поршень 504 привода смещается в позицию, как проиллюстрировано, в которой отверстия 452 запирающей секции 428 находятся в соответствии с отверстиями 420, обеспечивая проход для потока флюида. Когда поршень 504 активирован электричеством для движения в направлении относительно втянутой позиции, в общем случае, проходящие вбок опоры (относительно продольной оси, проходящей через клапанный узел 500) сжимаются в направлении друг друга, создавая отклонение.

[0059] В данном примере, пружинный механизм 506 образован из трубок, которые позволяют пружине 506 также служить кожухом, в которой могут помещаться электрические провода, для упрощения коммуникаций с механизмами на поршне 504 привода. Как указано выше, положения постоянных магнитов и обмоток могут быть подогнаны к любому типу компонента, либо на стационарных компонентах, либо на подвижных компонентах приводной секции. В данном примере, множество обмоток 512A-C помещено на подвижном поршне 504 привода, тогда как множество постоянных магнитов 514A-E помещено на стационарной центральной штанге 516. В этой конфигурации, обмотки 512A-C могут принимать электрические управляющие сигналы по проводам, проходящим через трубы, образующие пружинный механизм 506. Электрические провода будут находиться в сообщении с электронной секцией, как описано для элемента 226 на Фигуре 2C (или применительно к элементу 702 на Фигуре 7, ниже в данном документе). Пружинный механизм 506 может быть выполнен из любого материала, способного выдерживать скважинные условия и имеющего приемлемую усталостную прочность, чтобы выдерживать циклическую работу клапанного узла. Предполагается, что для трубчатого пружинного механизма, как в данном примере, приемлемым материалом будет титан. Вместо пружинного механизма 506 с единственной пружиной, можно использовать множество пружин, и пружины могут иметь конфигурации, иные, чем пример, описанный в данном документе. Опять же, пружинный механизм 506 и обмотки 512A-C будут предпочтительно находиться в масляной бане, в общем случае, как описано применительно к клапанному узлу 400 на Фигуре 4.

[0060] Из приведенного описания ясно, что в узле генератора гидравлических импульсов 200 на Фигуре 2C весь поток флюида направлен вокруг конического торца 222, чтобы достигать узла генератора 210 и особым образом сталкиваться с его лопатками, перед вытеканием через каналы 242A, 242B. Обратимся теперь к Фигуре 6, на которой проиллюстрирована верхняя часть варианта конфигурации генератора гидравлических импульсов, обозначенная в целом номером 600, которая может быть использована. В данном примере, компоненты, имеющие по существу ту же функциональность, что и в генераторе гидравлических импульсов 200 на Фигуре 2C, обозначены аналогично. В генераторе гидравлических импульсов 600, чтобы создать возможность управления флюидом с помощью генераторного узла 210, узел генератора помещен внутри узла муфты 602, которая посажена внутри узла 202 корпуса. Узел муфты 602 формирует центральную полость 616 и наружный обходной канал 604.

[0061] Узел генератора 210 помещен внутри центральной полости 616, проходящей продольно, минующей по меньшей мере многоступенчатую регулируемую плавающую шестерню 214 и проходящей к выходному отверстию (не проиллюстрировано), сообщающемуся с кольцевым пространством, которое сообщается с обходным каналом 604. Узел муфты 602 содержит верхний переходник 606, в котором находится клапанный узел, обозначенный в целом номером 608. Клапанный узел 608 содержит подвижную муфту 610, которая может продольно перемещаться относительно узла корпуса 202 и относительно перепускного отверстия 612. В данном примере, клапанный узел 608 содержит отклоняющую пружину 614, приспособленную для отклонения подвижной муфты 610 в позицию закрытия перепускного отверстия 612. Таким образом, в проиллюстрированном примере клапанный узел 608 отрегулирован таким образом, что весь поток будет направляться через центральную полость 616, и, в результате, в генераторный узел 210, в отсутствие активации клапана к открытию перепускного отверстия 612. Клапанный узел 608 может быть активирован любым желательным механизмом активации. Например, может быть использован электрический управляющий механизм, описанный применительно к клапанному узлу 230 на Фигуре 2C. Альтернативно, могут быть использованы другие механизмы активации, включая другие типы электрических, гидравлических или механических механизмов.

[0062] Генератор гидравлических импульсов 600 также выполнен с возможностью допускать передачу сигналов через устройство. Соответственно, в данном примере, верхний переходник 606 содержит соединитель 620, поддерживаемый центрирующей трубой 622, для улучшения контакта с дополнительным соединителем, центрированным внутри узла корпуса 202. Во многих примерах, соединитель 620 должен быть электрическим соединителем и должен быть соединен с электрическими проводами, помещенными внутри изолированного канала, проходящего через узел муфты 602. В других примерах, соединитель 620 может быть оптическим соединителем или гибридным оптическим и электрическим соединителем; или он может быть гидравлическим соединителем. В проиллюстрированном примере, труба 622 проиллюстрирована как компонент, отдельный от верхнего переходника 606, и, следовательно, содержит часть узла соединителя 626A, который имеет контакт с узлом дополнительного соединителя 626B в верхнем переходнике 606. Таким образом, в конфигурации, в которой соединитель 620 является электрическим, электрические сигналы могут передаваться через проводники внутри канала 628 трубы 622 и через узел соединителя 626A-B к проводникам внутри канала 624 (для ясности, проводники конкретно не проиллюстрированы).

[0063] Как было указано выше со ссылкой на узел 200 генератора гидравлических импульсов на Фигуре 2C, возможны другие конфигурации, включая узел клапана гидравлических импульсов 230, установленный сверху генератора гидравлических импульсов, при этом остальные предусмотренные компоненты расположены ниже клапанного узла. На Фигуре 7 проиллюстрирована еще одна альтернативная конфигурация для генератора гидравлических импульсов 700, в которой электронная секция (226, как указано в описании Фигуры 2C) разделена на две части. В данном примере, устройства хранения, такие как конденсаторы и/или аккумуляторы, как описано ранее, по-прежнему будут расположены над клапанным узлом в первой электронной секции, как проиллюстрировано на Фигуре 2C (здесь не проиллюстрированы). Тем не менее, другие электронные устройства, такие как управляющая схема и другие системы, описанные ранее применительно к электронной секции 226, будут расположены внутри отдельной электронной секции 702, расположенной под клапанным узлом 230 (проиллюстрирована частично). Электронная секция 702 выполнена таким образом, что проходит концентрически вокруг фиксированной муфты 704, образуя часть центральной полости 240 (Фигуры 3A) внутри узла 202 корпуса. Электрическое соединение проведено через один или более каналов, обозначенных номером 706 в клапанном узле 700, и через фиксированную муфту 704 (в проиллюстрированном разрезе каналы не видны). Такие каналы 706 должны предпочтительно проходить до достижения других каналов в клапанном узле (указанных номером 412 на Фигуре 4), для достижения по меньшей мере электронной секции 226 над клапанным узлом; и, в некоторых случаях, должны проходить к верхнему соединителю (такому, как обозначенный номером 620 на Фигуре 6), для упрощения соединения с другими приборами, расположенными над генератором гидравлических импульсов 700. Кроме того, могут быть предусмотрены другие каналы 710 и/или соединители 712 для упрощения связи электронной секции 702 и/или других расположенных над ней структур с устройствами, расположенными ниже генератора гидравлических импульсов 700.

[0064] На Фигуре 9 проиллюстрирована высокоуровневая блок-схема 800 типичного способа эксплуатации любого из клапанных узлов 200, 400 или 500. В качестве первого шага, узел контроллера будет получать данные, подлежащие передаче, как указано в 902. Этот прием данных может быть осуществлен по другому механизму, такому как реализованный в приборах ИВБ или КВБ в буровом снаряде, или другим управляющим узлом, так что данные могут быть собраны для передачи клапанным узлом.

[0065] Далее, данные должны быть подготовлены для передачи. Обычно это будет включать кодирование в соответствии с выбранным протоколом передачи данных, как указано в 904. Для передачи данных с помощью серии импульсов, может быть использован любой из большого разнообразия протоколов, включая частотную модуляцию (FSK), модуляцию с фазовым сдвигом (PSK), амплитудную модуляцию (ASK) и их комбинации, так же как другие протоколы передачи данных. Затем подходящий контроллер будет управлять узлом привода клапанного узла, как указано в 906. Эта функциональность может быть заложена, например, внутри скважинной электронной секции, как описано со ссылкой на Фигуру 8. В случае описанных приводных механизмов с линейными обмотками, это будет включать селективное пропускание тока к одной или более линейных обмоток, чтобы вызывать описанное выше линейное движение запирающего элемента в соответствии с выбранным протоколом передачи данных и выбранной скоростью передачи данных. Как указано выше для некоторых примеров конфигураций клапана, это может включать смещение запирающего элемента к позициям, которые являются дополнительными к (относительно) полностью ʺоткрытойʺ и полностью ʺзакрытойʺ, что может использоваться для создания одного или более дополнительных уровней амплитуды импульса. Кроме того, как указано выше, эта активация может включать последовательную активацию многих обмоток.

[0066] Многие изменения могут быть сделаны в структурах и способах, описанных и проиллюстрированных в данном документе без отклонений от сущности или объема объекта изобретения. Например, должно быть понятно, что альтернативные структуры и действия, которые обсуждались выше по отношению к каждому из клапанных узлов 230, 400 и клапанному узлу 500, применимы к другим клапанным узлам. В качестве одного из примеров, можно указать, что запирающий элемент 252 клапанного узла 230 (Фигура 3) может быть выполнен с возможностью содержать, в общем случае, сплошную часть и часть с радиальными отверстиями, как проиллюстрировано в связи с запирающей секцией 428 на 452. Аналогично, как обсуждалось со ссылками на Фигуры 6 и 7, альтернативные конфигурации могут быть использованы в системах с любым из клапанных узлов 230, 400 и/или 500. Кроме того, многие изменения могут быть сделаны в отношении описанных типичных систем, с учетом данного раскрытия изобретения. Соответственно, объем объекта изобретения определяется только объемом, указанным в приложенной формуле изобретения, и всеми дополнительными пунктами формулы изобретения, основанными на данном описании, и всеми правомерными эквивалентами пунктов формулы изобретения.

Раскрыты способ и устройство для генерирования импульсов в столбе флюида, таком как внутри скважины. Описанный типичный генератор гидравлических импульсов имеет элемент клапана, содержащий поршень, выполненный с возможностью линейного перемещения внутри поршневой камеры для управления потоком путем выборочного закрытия канала потока флюида. Канал потока флюида может проходить вокруг по меньшей мере части поршневой камеры и пересекаться с ней под углом относительно оси движения элемента клапана. Поршень может линейно перемещаться из закрытой позиции или позиции, в которой он пропускает минимальный поток, до позиции, в которой он пропускает максимальный поток и, необязательно, до любой из ряда или диапазона позиций между ними. Позиция элемента клапана может изменяться для генерирования гидравлических импульсов с выбранной комбинацией продолжительности, амплитуды и т. д., для генерирования сигнала в столбе флюида, который можно регистрировать в месте, удаленном от генератора гидравлических импульсов. 6 н. и 26 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Клапан генератора гидравлических импульсов, содержащий:

корпус;

поршневую камеру внутри корпуса, которая имеет нижнюю часть;

канал потока флюида внутри корпуса, проходящий вокруг части поршневой камеры до пересечения с нижней частью поршневой камеры, причем канал потока флюида проходит внутрь под углом к месту пересечения канала потока флюида с нижней частью поршневой камеры и

поршень, расположенный внутри поршневой камеры и выполненный с возможностью линейного перемещения для выборочного закрытия потока в месте пересечения канала потока флюида с нижней частью поршневой камеры, причем по меньшей мере часть поршня совершает возвратно-поступательное движение в нижней части поршневой камеры.

2. Клапан генератора гидравлических импульсов по п. 1, отличающийся тем, что канал потока флюида представляет собой множество каналов потока флюида, проходящих вокруг части поршневой камеры.

3. Клапан генератора гидравлических импульсов по п. 1, отличающийся тем, что каждый из каналов потока флюида пересекает нижнюю часть у отверстия в внутренней поверхности нижней части, и при этом поршень выборочно закрывает поток через отверстия.

4. Клапан генератора гидравлических импульсов по п. 1, отличающийся тем, что размер канала потока флюида выбирается, чтобы пропускать частицы, которые могут быть взвешены в буровом растворе, при протекании флюида через канал.

5. Клапан генератора гидравлических импульсов по п. 1, дополнительно содержащий приводной механизм, функционально связанный с поршнем для управления движением поршня в диапазоне линейного перемещения.

6. Клапан генератора гидравлических импульсов по п. 5, отличающийся тем, что диапазон линейного перемещения охватывает множество различных позиций, каждая из которых соответствует разной степени закрытия потока в местах пересечения канала потока флюида с нижней частью поршневой камеры.

7. Клапан генератора гидравлических импульсов по п. 5, отличающийся тем, что приводной механизм содержит электромагнитный механизм, включая контроллер для управления амплитудой линейного возвратно-поступательного движения поршня.

8. Клапан генератора гидравлических импульсов по п. 5, отличающийся тем, что приводной механизм достаточно мощен для удаления поршнем частиц, взвешенных в буровом растворе, в тех случаях, когда частицы присутствуют в местах пересечения канала потока флюида с нижней частью поршневой камеры.

9. Клапан генератора гидравлических импульсов по п. 1, отличающийся тем, что поршень уплотнен внутренней стенкой поршневой камеры.

10. Клапан генератора гидравлических импульсов по п. 9, дополнительно содержащий динамическое уплотнение, изолирующее по меньшей мере часть приводного механизма от флюида, протекающего в нижней части поршневой камеры.

11. Клапан генератора гидравлических импульсов по п. 1, дополнительно содержащий радиальный зазор между поршнем и внутренней стенкой поршневой камеры, в связи с этим, часть флюида, протекающего по каналу потока флюида вне поршневой камеры, может поступать в поршневую камеру независимо от позиции поршня.

12. Клапан генератора гидравлических импульсов, содержащий:

корпус;

поршневую камеру внутри корпуса, которая имеет часть, ограниченную поверхностью, причем запирающий элемент поршня совершает возвратно-поступательное движение в части;

канал потока флюида внутри корпуса, проходящий до пересечения с поршневой камерой на одном или более отверстий в поверхности; и

запирающий элемент, расположенный внутри поршневой камеры и выполненный с возможностью линейного перемещения внутри поршневой камеры для выборочного закрытия потока через одно или более отверстий в поверхности поршневой камеры.

13. Клапан генератора гидравлических импульсов по п. 12, отличающийся тем, что клапан содержит множество каналов потока флюида, пересекающих часть поршневой камеры.

14. Клапан генератора гидравлических импульсов по п. 12, отличающийся тем, что запирающий элемент закрывает поток через отверстия в тех случаях, когда он радиально выровнен с отверстиями.

15. Клапан генератора гидравлических импульсов по п. 14, отличающийся тем, что поверхность образована однородной полостью, в которой запирающий элемент поршня может совершать возвратно-поступательное движение.

16. Генератор гидравлических импульсов, содержащий:

узел корпуса, формирующий по меньшей мере один канал потока флюида; и

сдвигающий узел клапана внутри корпуса узла, при этом сдвигающий узел клапана содержит приводной элемент, выполненный с возможностью перемещения вдоль линейной оси, причем приводной элемент содержит запирающую часть для открытия или закрытия отверстия канала потока флюида, во внутренней поверхности сдвигающего узла клапана, расположенного радиально относительно запирающей части, которая совершает возвратно-поступательное движение вдоль линейной оси.

17. Генератор гидравлических импульсов по п. 16, в котором часть запирающей части проходит вдоль линейной оси после отверстия канала потока флюида, когда сдвигающий узел клапана закрывает поток через отверстие канала потока флюида.

18. Генератор гидравлических импульсов, содержащий:

узел клапана, формирующий канал потока флюида, причем канал потока флюида проходит к множеству отверстий, в поверхности, формирующей однородную полость, через заданные промежутки с множеством отверстий, расположенных вокруг периметра поверхности;

поршень клапана, имеющий запирающий элемент, выполненный с возможностью линейного перемещения внутри однородной полости, причем запирающий элемент можно перемещать между первой позицией, в которой поток флюида пропускается между отверстиями и однородной полостью, и второй позицией, в которой закрывается поток флюида между по меньшей мере частью отверстий и однородной полостью;

приводной механизм, функционально связанный с поршнем клапана; и

контроллер, функционально связанный с приводным механизмом для перемещения запирающего элемента между первой и второй позициями.

19. Генератор гидравлических импульсов по п. 18, отличающийся тем, что запирающий элемент дополнительно перемещается по меньшей мере в третью позицию.

20. Генератор гидравлических импульсов по п. 18, отличающийся тем, что приводной механизм представляет собой электромагнитный механизм.

21. Генератор гидравлических импульсов по п. 20, отличающийся тем, что электромагнитный приводной механизм содержит по меньшей мере один постоянный магнит на первом компоненте и по меньшей мере одну обмотку на втором компоненте.

22. Генератор гидравлических импульсов по п. 18, отличающийся тем, что контроллер выполнен с возможностью активации приводного механизма в соответствии с по меньшей мере одним протоколом, выбранным из группы, состоящей из: FSK, PSK, ASK и их комбинаций.

23. Генератор гидравлических импульсов по п. 18, отличающийся тем, что, в общем случае, однородная полость имеет круговое поперечное сечение на установленном расстоянии.

24. Генератор гидравлических импульсов по п. 18, отличающийся тем, что запирающий элемент имеет, в общем случае, цилиндрическую наружную поверхность, которая удерживается множеством спиц, связанных с центральной втулкой.

25. Генератор гидравлических импульсов, содержащий:

корпус;

поршневую камеру внутри корпуса, которая имеет часть, ограниченную поверхностью;

канал потока флюида внутри корпуса, проходящий до пересечения с поршневой камерой на одном или более отверстий в поверхности; и

поршень, расположенный внутри поршневой камеры и выполненный с возможностью линейного перемещения внутри поршневой камеры вдоль линейной оси для выборочного закрытия потока и пропуска потока через одно или более отверстий в поверхности поршневой камеры.

приводной механизм, функционально связанный с поршнем, для перемещения поршня между позициями для закрытия или пропуска потока через отверстия;

источник питания; и

контроллер, соединенный с источником питания и приводным механизмом для управления приводным механизмом, чтобы перемещать поршень для генерирования серии гидравлических импульсов.

26. Генератор гидравлических импульсов по п. 25, дополнительно содержащий внутри корпуса множество каналов потока флюида, проходящих до пересечения с поршневой камерой на одном или более отверстий.

27. Генератор гидравлических импульсов по п. 25, отличающийся тем, что канал потока флюида проходит вокруг части поршневой камеры до радиального пересечения с частью поршневой камеры.

28. Генератор гидравлических импульсов по п. 25, отличающийся тем, что часть приводного механизма расположена радиально по отношению к части поршня.

29. Генератор гидравлических импульсов по п. 26, отличающийся тем, что часть приводного механизма является концентрической по отношению к части поршня.

30. Способ генерирования гидравлических импульсов в столбе флюида, включающий:

активацию генератора гидравлических импульсов, расположенного в буровом снаряде внутри скважины, при этом буровой снаряд содержит столб флюида, при этом генератор гидравлических импульсов содержит:

узел корпуса, формирующий канал потока флюида, причем канал потока флюида проходит к множеству отверстий, находящихся в поверхности, формирующей, в общем случае, однородную полость, через заданные промежутки;

узел клапана, имеющий запирающий элемент, выполненный с возможностью линейного перемещения внутри, в общем случае, однородной полости, причем запирающий элемент поддерживает уплотняющую поверхность, при этом запирающий элемент можно перемещать между первой позицией, в которой уплотняющая поверхность относительно свободно пропускает поток флюида между отверстиями и, в общем случае, однородной полостью, и второй позицией, в которой уплотняющая поверхность относительно ограничивает поток флюида между множеством отверстий и полостью; и

приводной механизм, оперативно связанный с запирающим элементом для перемещения запирающего элемента между первой и второй позициями; и

при этом активация генератора гидравлических импульсов включает:

получение информации, подлежащей передаче через столб флюида,

кодирование информации в соответствии с выбранным протоколом обмена данными, и

управление приводным механизмом для перемещения запирающего элемента в соответствии с кодированной информацией для генерирования соответствующей серии импульсов в столбе флюида.

31. Способ по п. 30, отличающийся тем, что запирающий элемент можно дополнительно перемещать в третью позицию, и при этом приводной механизм дополнительно способен перемещать запирающий элемент в третью позицию, так же как в первую и вторую позиции.

32. Способ по п. 31, отличающийся тем, что управление приводным механизмом дополнительно включает:

получение входных сигналов обратной связи от датчиков вне клапанного механизма, и

подстройку приводного механизма в соответствии с такой обратной связью.