CN102282333B - 阀控井底马达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制井底马达的系统和方法。本发明的一个方面提供了一种阀控井底马达(202)，包括：井底马达和滑阀(204)。井底马达包括：具有第一端口(220)和第二端口(228)的密封腔室、被接收在密封腔室内的定子(210)以及被接收在定子内的转子。所述滑阀包括：套筒和被接收在套筒内的阀芯(238)。所述套筒包括：输入端口(226)、排放端口、第一供给端口(230)、第二供给端口(232)、第一返回端口(234)以及第二返回端口(236)。输入端口邻近于第一供给端口和第二供给端口定位。排放端口邻近于第一返回端口和第二返回端口定位。所述阀芯包括第一压盖(240)和第二压盖(242)。

Description

阀控井底马达
技术领域
本发明涉及用于控制井底马达的系统和方法以及使用了这种系统和方法的钻井系统。
背景技术
泥浆马达是在钻井操作中用于转动钻头、产生电能等的大功率的发电机。由泥浆马达产生的速度和转矩会受到泥浆马达的设计和泥浆(钻井流体)向着泥浆马达的流动影响。对这些参数的控制试图通过调节泥浆的流率和压力、调节钻压(WOB)从井眼的地面进行。然而，通过这些技术的控制的精确度差。马达可由于负载和钻柱动作而停转和经受速度变化。因此，需要响应更好和更准确地控制泥浆马达的操作的装置和方法。
发明内容
本发明涉及用于控制井底马达的系统和方法。
本发明的一个方面提供了一种阀控井底马达，包括：井底马达和滑阀。井底马达包括：具有第一端口和第二端口的密封腔室、被接收在密封腔室内的定子以及被接收在定子内的转子。所述滑阀包括：套筒和被接收在套筒内的阀芯。所述套筒包括：输入端口、排放端口、第一供给端口、第二供给端口、第一返回端口以及第二返回端口。输入端口邻近于第一供给端口和第二供给端口定位。排放端口邻近于第一返回端口和第二返回端口定位。所述阀芯包括第一压盖和第二压盖。
该方面可具有多个实施例。滑阀可被配置为动作到使井底马达的运动基本上停止的锁定位置。第一压盖可基本上抑制从输入端口的流动，第二压盖可基本上抑制向着排放端口的流动。第一压盖可完全抑制从输入端口的流动，第二压盖可完全抑制向着排放端口的流动。第一压盖和第二压盖能够使得流体可大致均等地从输入端口流动到第一供给端口和第二供给端口、以及可大致均等地从第一返回端口和第二返回端口流动到排放端口。
滑阀可被配置为动作到沿着第一方向推动井底马达的转子的前向位置。第一压盖可允许产生从输入端口到第一供给端口的不受阻碍的流动，第二压盖可允许产生从第一返回端口到排放端口的不受阻碍的流动。第一压盖可允许产生从输入端口到第一供给端口的部分受阻的流动，第二压盖可允许产生从第一返回端口到排放端口的部分受阻的流动。
滑阀可被配置为动作到沿着第二方向推动井底马达的转子的反向位置。所述第二方向可与第一方向相反。第一压盖可允许产生从输入端口到第二供给端口的不受阻碍的流动，第二压盖可允许产生从第二返回端口到排放端口的不受阻碍的流动。第一压盖可允许产生从输入端口到第二供给端口的部分受阻的流动，第二压盖可允许产生从第二返回端口到排放端口的部分受阻的流动。
滑阀可以机械方式被致动。滑阀可以电方式被致动。滑阀可以气动方式被致动。井底马达可以是涡轮马达。井底马达可以是容积式马达。井底马达可以是单螺杆型(Moineau-type)容积式马达。滑阀可被配置成使阀芯的位置与转子的转速之间具有线性关系。阀控井底马达可被接收在钻铤(drill string collar)内。所述阀控井底马达可包括用于测量钻铤的转速的钻铤速度传感器。
阀控井底马达可被构造成指引与钻铤连接的钻头。阀控井底马达可被构造成用于侧钻。
阀控井底马达可包括连接到转子的轴。所述轴可以是偏置轴。阀控井底马达可包括用于测量轴的转速的轴速传感器。阀控井底马达可包括处理器，所述处理器被构造成用于计算轴相对于钻铤的相对速度。滑阀可以是双稳态致动器。
本发明的另一方面提供了一种井底组件，包括：钻铤；以及与钻铤连接的可被致动的臂。
该方面可具有多个实施例。当钻铤转动时，可被致动的臂可位于钻铤内且与钻铤的中心轴线大致平行。可被致动的臂可通过第一阀控井底马达被致动到倾斜位置。
第一阀控井底马达可包括：井底马达和滑阀。井底马达包括：具有第一端口和第二端口的密封腔室、被接收在密封腔室内的定子以及被接收在定子内的转子。所述滑阀包括：套筒和被接收在套筒内的阀芯。所述套筒包括：输入端口、排放端口、第一供给端口、第二供给端口、第一返回端口以及第二返回端口。输入端口邻近于第一供给端口和第二供给端口定位。排放端口邻近于第一返回端口和第二返回端口定位。所述阀芯包括第一压盖和第二压盖。
滑阀可通过伺服机构被致动。可被致动的臂还可包括：第二阀控井底马达、连接到第二阀控井底马达的轴以及连接到轴的钻头。
第二阀控井底马达可包括：井底马达和滑阀。井底马达包括：具有第一端口和第二端口的密封腔室、被接收在密封腔室内的定子以及被接收在定子内的转子。所述滑阀包括：套筒和被接收在套筒内的阀芯。所述套筒包括：输入端口、排放端口、第一供给端口、第二供给端口、第一返回端口以及第二返回端口。输入端口邻近于第一供给端口和第二供给端口定位。排放端口邻近于第一返回端口和第二返回端口定位。所述阀芯包括第一压盖和第二压盖。
本发明的又一方面提供了一种钻井方法。该方法包括：提供具有阀控井底马达的钻柱、连接到阀控井底马达的轴以及连接到轴的钻头，所述阀控井底马达包括井底马达和滑阀；以及将滑阀致动到多种位置，以控制轴和钻头的转速和方向。所述井底马达包括：具有第一端口和第二端口的密封腔室、被接收在密封腔室内的定子以及被接收在定子内的转子。滑阀包括：套筒和被接收在套筒内的阀芯。套筒包括：输入端口、排放端口、第一供给端口、第二供给端口、第一返回端口以及第二返回端口。输入端口邻近于第一供给端口和第二供给端口定位。排放端口邻近于第一返回端口和第二返回端口定位。所述阀芯包括第一压盖和第二压盖。
本发明的另一方面提供了一种钻柱，包括：井底马达、滑阀、连接到井底马达的轴以及连接到轴的钻头。所述井底马达包括：具有第一端口和第二端口的密封腔室、被接收在密封腔室内的定子以及被接收在定子内的转子。所述滑阀包括：套筒和被接收在套筒内的阀芯。所述套筒包括：输入端口、排放端口、第一供给端口、第二供给端口、第一返回端口以及第二返回端口。输入端口邻近于第一供给端口和第二供给端口定位。排放端口邻近于第一返回端口和第二返回端口定位。所述阀芯包括第一压盖和第二压盖。
附图说明
为了更全面地理解本发明的特征和期望目标，请参看下面结合附图所作的详细描述，其中，在所有的附图中，相同的附图标记均表示相应的部件，附图包括：
图1示出了可应用本发明的井场系统。
图2A-2C示出了阀控井底马达的结构和操作。
图3示出了指引钻头的阀控井底马达的结构。
图4示出了用于侧钻的装置。
具体实施方式
本发明涉及用于控制井底马达的系统和方法。本发明的各种实施例可用于井场系统中。
井场系统
图1示出了可应用本发明的井场系统。井场可以是陆地上的或海底上的。在该示例性系统中，井眼11以众所周知的方式通过旋转钻井形成在地下的地层中。本发明的多个实施例也可使用定向钻探，这将在下面进行描述。
钻柱12悬置在井眼11内，且具有井底组件100，所述井底组件100在其下端包括钻头105。地面系统包括定位在井眼11上方的平台和钻塔组件10，所述组件10包括转台16、方钻杆(kelly)17、钩18和旋转接头19。钻柱12通过转台16转动，所述转台由未示出的装置驱动，且在钻柱的上端处接合方钻杆17。钻柱12通过方钻杆17和旋转接头19悬置于加装到游动滑车(也未示出)的钩18，所述旋转接头19允许钻柱相对于钩转动。众所周知，可替代性地使用顶驱系统。
在该实施方式的示例中，地面系统还包括储存在形成于井场处的坑27中的钻井流体或泥浆26。泵29经由旋转接头19中的端口将钻井流体26给送到钻柱12的内部，从而，使得钻井流体如方向箭头8所示地向下流经钻柱12。钻井流体经由钻头105中的端口排出钻柱12，然后通过钻柱的外侧与井壁之间的环形区域向上循环，如方向箭头9所示。以该众所周知的方式，钻井流体润滑钻头105，并在它返回到坑27以再循环时将岩屑上送到地面。
示出的实施例的井底组件100包括随钻测井(LWD)模块120、随钻测量(MWD)模块130、旋转导向系统(roto-steerable system)和马达以及钻头105。
LWD模块120如现有技术中所公知的那样容纳在一种特殊类型的钻铤中，且可包含一种或多种现有类型的测井工具。还可以理解，可采用一个以上的LWD和/或MWD模块，例如如图中的附图标记120A所示(在整个申请中，对附图标记120的位置处的一个模块的描述同样适用于附图标记120A的位置处的一个模块)。LWD模块具有用于测量、处理和储存信息以及用于与地面仪器通信的能力。在本实施例中，LWD模块包括压力测量装置。
MWD模块130也如现有技术中所公知的那样容纳在一种特殊类型的钻铤中，且可包含一个或多个用于测量钻柱和钻头的特性的装置。MWD工具还包括用于向井底系统产生电能的装置(未示出)。这通常可包括由钻井流体流驱动的泥浆涡轮发电机(也称作“泥浆马达”)，可以理解，也可采用其他电能和/或电池系统。在本实施例中，MWD模块包括以下类型的测量装置中的一种或多种：钻压测量装置、扭矩测量装置、振动测量装置、冲击测量装置、粘滑测量装置、方向测量装置和倾斜测量装置。
该系统的特别有利的应用是与受控导向或“定向钻探”相结合。在该实施例中，设有旋转导向子系统150(图1)。定向钻探有意地使井眼偏离自然所取的路径。换言之，定向钻探对钻柱进行导向，使得钻柱沿期望的方向行进。
定向钻探例如在海底钻探中是有利的，这是因为它能够使许多井从单个平台钻探。定向钻探还使得能够进行通过储层的水平钻探。水平钻探能够使更长的井眼穿过储层，这增大了井的产率。
定向钻探系统还可用于垂直钻探操作中。通常，钻头会由于穿过的地层的不可预测的特性或钻头经受的力的变化而偏离计划的钻探轨迹。当出现这种偏离时，定向钻探系统可用于将钻头带回到计划轨迹上。
现有的定向钻探方法包括使用旋转导向系统(“RSS”)。在RSS中，钻柱从地面转动，且井底装置使得钻头沿期望方向钻探。转动钻柱大大地降低了钻柱在钻探过程中搁浅或卡住的发生。用于在地中钻探偏斜井眼的旋转导向钻探系统通常可分为“指向式钻头”系统或“推靠式钻头”系统。
在指向式钻头系统中，钻头的转动轴线偏离新井孔的走向上的井底组件的局部轴线。井孔根据由上、下稳定器接触点和钻头限定的常规三点几何关系延伸。与钻头和下稳定器之间的有限距离关联的钻头轴线的偏斜角度导致要产生的曲线所需的非共线的条件。具有许多种可实现此点的方式，包括在井底组件中的与下稳定器接近的点处的固定弯曲部或分布在上、下稳定器之间的钻头驱动轴的挠曲。在其理想化的形式下，钻头不需要向侧旁切割，这是因为钻头轴线在弯曲井孔的方向上连续地转动。指向式钻头型旋转导向系统的多种示例以及它们如何操作描述于美国专利申请公开No.2002/0011359；2001/0052428和美国专利No.6,394,193；6,364,034；6,244,361；6,158,529；6,092,610；以及5,113,953中。
在推靠式钻头旋转导向系统中，通常不具有特别确定的机构来使钻头轴线偏离局部井底组件轴线；相反，必需的非线性条件通过使上、下稳定器中的任一个或两者沿一个方向施加偏心力或移位实现，所述方向优选相对于孔的延伸方向定向。此外，具有许多种可实现此点的方式，包括：不转动的(相对于井眼)偏心稳定器(基于位移的方法)和沿期望的导向方向向钻头施加力的偏心致动器。而且，导向通过在钻头与至少两个其他接触点之间产生非共线性实现。在其理想化的形式下，钻头需要向旁侧切割，以产生弯曲的井孔。推靠式钻头型旋转导向系统的多个示例和它们如何操作描述于美国专利No.5,265,682；5,553,678；5,803,185；6,089,332；5,695,015；5,685,379；5,706,905；5,553,679；5,673,763；5,520,255；5,603,385；5,582,259；5,778,992；5,971,085中。
阀控井底马达
参看图2A，提供了一种系统200，该系统包括井底马达202，所述井底马达202由滑阀204控制。井底马达202和滑阀均位于钻柱206内。图2A中的构件像在此所有图中的构件一样均不必按比例绘制。
井底马达202可以是众多种现在公知的或者后来开发的井底马达(也称作“泥浆马达”)中的任何一个。这种装置包括涡轮马达、容积式马达、单螺杆型容积式马达等。单螺杆型容积式马达示于图2A中。泥浆马达在多个公开物中被描述，例如，作者为G.Robello Samuel的Downhole Drilling  Tools：Theory & Practice for Engineers & Students 288-333(2007)；Standard  Handbook of Petroleum & Natural Gas Engineering 4-276-4-299(William C.Lyons & Gary J.Plisga eds.2006)；以及作者为1 Yakov A.Gelfgat等人的Advanced Drilling Solutions：Lessons from the FSU 154-72(2003)。
通常，井底马达包括转子208和定子210。转子208连接到轴212，以传递由转子208的转动所产生的动力。在图2A描述的特殊的实施例中，轴212将动力传递给第二轴214，所述第二轴214通过轴承218a和218b支撑在井底马达壳体216的端部处。
转子208的转动方向、从而也是轴212和214的转动方向由通过井底马达202的流动方向和流量确定。井底马达202包括用于从井底马达202接收和/排放流体的第一导管220和第二导管222。导管220和222定位在转子208和定子210的相反端。因此，流过转子208和定子210的流体方向将根据是从导管220接收流体(从导管222排放流体)还是从导管222接收流体(从导管220排放流体)变化。
滑阀204被构造成用于控制流体向井底马达202流动的方向和量。滑阀204包括套筒224，所述套筒224具有输入端口226、排放端口228、第一供给端口230、第二供给端口232、第一返回端口234以及第二返回端口236。阀芯238位于套筒224内。滑芯238可选择性地在套筒内移动，以利用压盖240和242阻止或限制从一个或多个端口226、228、230、232、234、236的流动。(压盖240和242被示为小于套筒224的内径，目的是说明滑阀204的功能)。在许多实施例中，压盖240和242的外径接近于套筒224的内径和/或可包含弹性体、例如一个或多个O形圈，以阻止从一个或多个端口226、228、230、232、234、236的流动。阀芯238由一个或多个轴承244a、244b、244c、244d支撑，且可由致动器246移动。致动器246可以是现有技术中所公知的电致动器、机械致动器、机电致动器或气动致动器。在一些实施例中，致动器是伺服机构。滑阀进一步描述于作者为T.Christopher Dickenson的Valves.Piping & Pipelines Handbook 138-45(3d ed.1999)中。
输入端口226可连接有过滤器248，以防止钻井流体中的颗粒堵塞和/或损坏滑阀204和/或井底马达202。排放端口228可连接到钻柱206的外部。
请再参看图2A，当滑阀处于中性位置时，阀芯238被定位成：(i)向着第一供给端口的流量基本上等于向着第二供给端口的流量，和/或(ii)向着第一返回端口的流量基本上等于向着第二返回端口的流量。这可以多种方式实现。第一种，压盖240可阻止或基本上阻止从输入端口226的流动。第二种，压盖242可阻止或基本上阻止向着排放端口228的流动。第三，压盖240和242可(i)允许相等或大致相等的流量从输入端口226流到第一供给端口230和第二供给端口232，以及(ii)允许相等或大致相等的流量从第一返回端口234和第二返回端口236流到排放端口228。在任一方法中，作用于马达导管220和222上的压力相等或大致相等，且马达不会运动。
现请参看图2B，滑阀204被致动到“前向”位置。增大的流量从输入端口226被转移到第一供给端口230，且增大的流量被允许从第一返回端口234到达排放端口228。流体从第一供给端口230沿第一方向流过井底马达202，从而，在经由第一返回端口234返回到滑阀之前使轴214沿“前向”方向转动。
现请参看图2C，滑阀204被致动到“反向”位置。增大的流量从输入端口226被转移到第二供给端口232，且增大的流量被允许从第二返回端口236到达排放端口228。流体从第二供给端口232沿第二方向流过井底马达202，从而，在经由第二返回端口236返回到滑阀之前使轴214沿“反向”方向转动。
滑阀204可被致动用于控制任一方向上的速度。这可通过部分地阻止向着相应的供给端口的流动和从相应的返回端口的流动实现。滑阀204和井底马达202可被构造成在阀芯的位置与转子的转动速度之间具有线性关系。这种关系可例如通过这样构造端口226、228、230、232、234、236而形成：暴露出的端口区域(从而流量)的增大随着阀芯238的移动而线性地增大。
阀控井底马达可用于导向钻头，以实施“指向式钻头”导向。现参看图3，提供了一种系统300，所述系统300包括钻柱302、滑阀303和井底马达306。井底马达轴308连接到由轴承312a、312b、312c、312d支撑的偏置轴310。偏置轴转动枢轴314，所述枢轴可由球节316等支撑。钻头318连接到枢轴314。
当与转动传感器、钻铤速度传感器和/或其他位置感测装置关联时，滑阀304可在钻柱302转动时选择性地被致动，以保持钻头318的位置，从而钻探出弯曲的井眼。处理器也可被构造成计算轴310相对于钻柱302的相对转速。
套管开窗
由于多种原因，通常需要或希望钻探与第一井眼分叉的第二孔眼。该技术称作套管开窗或侧钻。例如，当钻柱折断而不可或不能经济地将折断的钻柱从第一井眼的底部取出时，这可能是必须的。
参看图4，提供了一种用于侧钻的系统400。提供了钻柱402，所述钻柱在凹槽406内容纳臂404，且在一些实施例中，其与钻柱402的中心轴线大致平行。臂404包括钻头408，所述钻头可通过在此所述的阀控井底马达操作。臂401绕着枢轴410转动。臂404的转动也可通过相同或不同的井底马达控制。如图4所示，钻头408能够钻透岩石地层412和/或混凝土套管414。
通过引用加入
所有专利、公开的专利申请以及其他在此公开的参考文献整体上通过引用包括在本说明书中。
等同替换
本领域的技术人员将认识到或能够在仅利用常规实验的情况下获得此处描述的本发明的特定的实施例的许多等同替换。这种等同替换意欲由权利要求涵盖。

Claims (10)

1.一种阀控井底马达，包括：
井底马达，所述井底马达具有：
具有第一端口和第二端口的密封腔室；
被接收在密封腔室内的定子；以及
被接收在定子内的转子；以及
滑阀，所述滑阀包括：
套筒，所述套筒具有：
输入端口；
排放端口；
第一供给端口；
第二供给端口；
第一返回端口；以及
第二返回端口；
其中，输入端口邻近于第一供给端口和第二供给端口定位；
以及
其中，排放端口邻近于第一返回端口和第二返回端口定位；
以及
被接收在套筒内的阀芯，所述阀芯具有：
第一压盖；以及
第二压盖；
其中，所述滑阀被构造成在所述阀芯的位置与转子的转动速度之间具有线性关系。
2.如权利要求1所述的阀控井底马达，其特征在于，滑阀被配置为动作到使井底马达的运动基本上停止的锁定位置。
3.如权利要求1所述的阀控井底马达，其特征在于，第一压盖基本上抑制从输入端口的流动，第二压盖基本上抑制向着排放端口的流动。
4.如权利要求1所述的阀控井底马达，其特征在于，第一压盖完全抑制从输入端口的流动，第二压盖完全抑制向着排放端口的流动。
5.如权利要求1所述的阀控井底马达，其特征在于，第一压盖和第二压盖使得流体可大致均等地从输入端口流动到第一供给端口和第二供给端口、以及可大致均等地从第一返回端口和第二返回端口流动到排放端口。
6.如权利要求1所述的阀控井底马达，其特征在于，阀芯被配置为动作到前向位置，当所述阀芯处于前向位置时井底马达的转子被沿着第一方向推动。
7.如权利要求1所述的阀控井底马达，其特征在于，第一压盖允许产生从输入端口到第一供给端口的不受阻碍的流动，第二压盖允许产生从第一返回端口到排放端口的不受阻碍的流动。
8.如权利要求1所述的阀控井底马达，其特征在于，第一压盖允许产生从输入端口到第一供给端口的部分受阻的流动，第二压盖允许产生从第一返回端口到排放端口的部分受阻的流动。
9.如权利要求6所述的阀控井底马达，其特征在于，阀芯被配置为动作到与所述前向位置相反的反向位置，当所述阀芯处于反向位置时井底马达的转子被沿着第二方向推动，所述第二方向与第一方向相反。
10.一种钻井方法，包括：
提供钻柱，所述钻柱具有：
阀控井底马达，所述阀控井底马达包括：
井底马达，所述井底马达具有：
具有第一端口和第二端口的密封腔室；
被接收在密封腔室内的定子；以及
被接收在定子内的转子；以及
滑阀，所述滑阀包括：
套筒，所述套筒具有：
输入端口；
排放端口；
第一供给端口；
第二供给端口；
第一返回端口；以及
第二返回端口；
其中，输入端口邻近于第一供给端口和第二供给端
口定位；以及
其中，排放端口邻近于第一返回端口和第二返回端
口定位；以及
被接收在套筒内的阀芯，所述阀芯具有：
可移动地设置以控制在所述输入端口与所述第一供给端口和所述第二供给端口之间的流动的第一压盖；以及
可移动地设置以控制在所述排放端口与所述第一返回端口和所述第二返回端口之间的流动的第二压盖；
连接到阀控井底马达的轴；以及
连接到轴的钻头；
将滑阀致动到多种位置来移动所述第一压盖和所述第二压盖，以控制轴和钻头的转速和方向。
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