CN111094691B - 井下换能器组件中的压力范围控制 - Google Patents

Abstract

一种能够在各种压力和深度下安全地操作的井下换能器组件可以包括旋转地固定至发电机中的转子的涡轮，该涡轮可通过流体压力差旋转。为了降低涡轮和转子的旋转速度，压力调节器可以通过控制体积流量来限制流体压力差。在其他实施例中，一个或多个喷嘴可被构造为自动调节喷嘴直径，并因此自动调节喷嘴上的压力降。在其他实施例中，电涌保护器可以连接到发电机。

Description

井下换能器组件中的压力范围控制

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年8月30日提交的美国临时申请62/551,804的权益和优先权，其全部内容通过引用合并于此。

背景技术

出于各种勘探或开采目的，可将井眼钻入地面位置或海床中。例如，可以钻出井眼以接近存储在地下地层中的流体，例如液态和气态烃，并从地层中提取流体。用于生产或提取流体的井眼可以在井眼壁的周围衬有套管。可以部分地取决于通过其钻井眼的地层的特性来利用各种钻井方法。

井眼可以由钻井系统钻出，该钻井系统从地面向下钻穿陆地材料。一些井眼竖直向下钻，并且一些井眼在井眼中具有一个或多个曲线，以沿着期望的地质构造，避免有问题的地质构造或两者的组合。

常规钻井系统在井眼能够多快速地改变方向方面受到限制。钻井系统的可操纵性的最大限制之一是在钻井系统的井下端处(即，在钻头附近)的刚性井下工具的长度。一些刚性部件包括涡轮马达、泥浆马达、旋转可转向系统以及其他提供能量以移动或转向钻头的部件。

发明内容

在一些实施例中，井下换能器组件可以包括具有入口、出口、压力调节器和旋转地固定到发电机中的转子的涡轮的壳体。压力调节器可包括刚性连接至弹性构件的提升阀，该提升阀构造成当弹性构件处于压缩构造时至少部分地堵塞入口中的孔口。在一些实施例中，钻井流体的转向部分的压力可以压缩弹性构件，从而产生压力调节器。

在其他实施例中，井下换能器组件可包括具有入口、出口、压力调节器、旋转地固定至发电机中的转子的涡轮以及电连接至发电机的电涌保护器的壳体。电涌保护器可将电流引导至致动器以致动阀。

提供本概述是为了介绍一些构思的选择，这些构思将在下面的详细描述中进一步描述。该概述不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用作限制所要求保护的主题的范围的帮助。

本公开的实施例的附加特征和优点将在下面的描述中阐明，并且部分地从该描述中将是显而易见的，或者可以通过实践这些实施例而获知。这样的实施例的特征和优点可以通过在所附权利要求中特别指出的工具和组合来实现和获得。这些和其他特征将从下面的描述和所附权利要求中变得更加显而易见，或者可以通过以下所阐述的实施例的实践来获知。

附图说明

为了描述可以获得本公开的以上引用的特征和其他特征的方式，将参考在附图中示出的其特定实施例来进行更具体的描述。为了更好地理解，在各个附图中，相同的元件已经用相同的附图标记表示。尽管一些附图可以是构思的示意图或放大表示，但是至少一些附图可以按比例绘制。理解附图描绘了一些示例实施例，将通过使用附图以附加的特性和细节来描述和解释实施例，在附图中：

图1是根据本公开的至少一个实施例的陆地钻井操作的示意图；

图2是根据本公开的至少一个实施例的钻杆的纵向截面图，其示出了与井下换能器组件结合的压力调节器；

图3是根据本发明的至少一个实施例的钻杆的纵向截面图，其示出了与井下换能器组件结合的具有隔膜的压力调节器；

图4-1是根据本公开的至少一个实施例的钻杆的纵向截面图，其示出了壳体中的喷嘴；

图4-2和图4-3是根据本公开的至少一个实施例的喷嘴的透视图；

图5-1是根据本公开的至少一个实施例的包括刚性插入件的喷嘴的纵向截面图；

图5-2是根据本公开的至少一个实施例的包括可变形环的喷嘴的纵向截面；

图6是根据本公开的至少一个实施例的钻杆的纵向截面图，其示出了串联的多个喷嘴和流体室；

图7是根据本公开的至少一个实施例的钻杆的纵向截面，其示出了与发电机电连接的电涌保护器；和

图8是根据本公开的至少一个实施例的钻杆的纵向截面，其示出了换能器组件的入口的分支。

具体实施方式

本公开大体上涉及用于调节井下换能器组件中的压力以控制发电机所经历的电压的装置、系统和方法。图1示出了用于对陆地地层101进行钻井以形成井眼102的钻井系统100的一个示例。钻井系统100包括用于使向下延伸进入井眼102中的钻井工具组件104转动的钻机103。钻井工具组件104可以包括钻柱105，附接至钻柱105井下端的井底钻具(BHA)106和钻头110。

钻柱105可以包括通过工具接头109端对端连接的钻杆108a的若干接头。钻柱105通过中心孔传输钻井流体，并将旋转动力从钻机103传递到BHA 106。在一些实施例中，钻柱105还可包括诸如短节、短接头等的附加部件。钻杆108提供了液压通道，通过该液压通道从地面泵送钻井流体。钻井流体通过钻头110中的选定尺寸的喷嘴、喷射器或其他孔口排出，以为了冷却钻头110和及其上的切削结构，并且在钻井时将切屑提升出井眼102。

BHA 106可以包括钻头110或其他部件。示例性的BHA 106可以包括附加的或其他的部件(例如，联接在钻柱105和钻头110之间)。附加BHA部件的示例包括钻铤、稳定器、随钻测量(“MWD”)工具、随钻测井(“LWD”)工具、井下马达、扩孔器、断面铣刀、液压断开器、震击器、振动或阻尼工具、其他部件或上述的组合。

通常，钻井系统100可以包括其他钻井部件和附件，例如专用阀(例如，方钻杆旋塞、防喷器和安全阀)。取决于它们在钻井系统100中的位置，可以将包括在钻井系统100中的其他部件视为钻井工具组件104、钻柱105的一部分或BHA 106的一部分。

BHA 106中的钻头110可以是适合于降解井下材料的任何类型的钻头。例如，钻头110可以是适合于钻井陆地地层101的钻头。用于钻井陆地地层的钻头的示例类型是固定切削刀或牵引钻头。在其他实施例中，钻头110可以是用于移除井下的金属、复合材料、弹性体、其他材料或其组合的铣刀。例如，钻头110可与造斜器一起使用，以铣削为井眼102衬里的衬套107。钻头110也可以是用于铣掉井眼102内的工具、插头、水泥、其他材料或其组合的丢弃物铣刀。使用铣刀形成的切屑或其他碎屑可被提升至地面，或允许其掉入井下。

现在参考图2，在一些实施例中，井下换能器组件212可以容纳在壳体中，该壳体包括涡轮214、发电机216、入口218、出口220和压力调节器234。钻井流体226可以流过钻杆224的一部分。在一些实施例中，钻杆224可包括在钻杆224的内表面228上开口的入口218。钻井流体226的一部分230可朝井下换能器组件212转移到入口218中。在一些实施例中，涡轮214可将来自钻井流体226的转向部分230的动能转换成旋转能。例如，涡轮214可以包括一系列轴向风扇232，每个轴向风扇包括从中心轴延伸的多个叶片。在其他示例中，类似于螺旋钻，涡轮214可包括绕中心轴旋转的刮板。在一些实施例中，涡轮214可以与跨入口218和出口220的外部的流体压力差直接相关地旋转。例如，高流体压力差可以导致涡轮214以高角速度旋转，并且低的流体压力差可导致涡轮214以低的角速度旋转。在一些实施例中，涡轮214可旋转地固定到发电机216内的转子，以将旋转能量转换成电能以供各种井下工具使用。

在一些实施例中，高角速度可能会损坏井下换能器组件212的许多部分，包括：涡轮214、转子、发电机216、电气部件、井下工具和/或其他部分。例如，高角速度可能在发电机216中产生太多电流和/或电压，这可能导致其过热或以其他方式损坏。在其他示例中，发电机216中的过量电流和/或电压可通过电气回路传递并且过载井下工具、电气部件等。在其他示例中，高角速度会在涡轮214和/或转子上施加高离心力，这可能导致其故障，从而损坏壳体和/或发电机216。

在一些实施例中，出口220可以从壳体排出钻井流体226的转向部分230。例如，出口220可将转向部分230排出到钻杆224的外部。在其他示例中，出口220可将转向部分230排出回钻杆224的内部。在又一些其他示例中，出口220可以将转向部分230排出到与用于井下换能器组件212的壳体分开的室。

在一些实施例中，井下换能器组件212可以包括压力调节器234。压力调节器234可以被构造为调节跨入口218和出口220的外部的流体压力差。在一些实施例中，流体压差可以调节到具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围，包括200psi(1,380kPa)、250psi(1,720kPa)、300psi(2,070kPa)、350psi(2,410kPa)、400psi(2,760kPa)、450psi(3,100kPa)、500psi(3,450kPa)、1,000psi(6,900kPa)、1,500psi(10,300kPa)、2,000psi(13,800kPa)、2,500psi(17,200kPa)、3,000psi(20,700kPa)中的任何一个或两者之间的任何值。例如，流体压力差可以大于200psi(517kPa)。在其他示例中，流体压力差可以小于3,000psi(8,270kPa)。在又一些其他示例中，流体压力差可以在200psi(517kPa)至3,000psi(8,270kPa)的范围内。

流体压力差可以影响流体体积流。跨涡轮214流动的流体体积流可使涡轮214以角速度旋转。例如，涡轮可以响应于流体体积流而顺时针旋转。在其他示例中，涡轮可响应于流体体积流而逆时针旋转。在一些实施例中，角速度可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括0rpm、5,000rpm、10,000rpm、15,000rpm、20,000rpm、25,000rpm、30,000rpm、35,000中的任何一个或两者之间的任何值。例如，角速度可以大于0rpm。在其他示例中，角速度可以小于35,000rpm。在又一些其他示例中，角速度可以在0rpm至35,000rpm的范围内。

在一些实施例中，压力调节器234可通过堵塞入口218的至少一部分来限制转向部分230。在一些实施例中，压力调节器234可设置在入口218和涡轮214之间。入口218可包括孔口236，转向部分230可穿过孔口236。提升阀238可以被定位成限制通过孔口236的流动。在一些实施例中，提升阀238可以相对于孔口236移动。弹性构件240可以刚性地连接到提升阀238并且包括压力板242。在一些实施例中，在弹性构件240的收缩构造中，提升阀238可至少部分地堵塞孔口236。在其他实施例中，在弹性构件240的收缩构造中，提升阀238可完全堵塞孔口236。在一些实施例中，弹性构件240可对由转向部分230越过提升阀238而施加的流体压力以及涡轮室244中的压力板242和弹性构件240施加相反的力。如果流体压力大于由弹性构件240施加的相反弹力，则弹性构件240可以朝向压缩构造移动，并且提升阀238可以朝向孔口236移动，以限制流过所述入口218。在一些实施例中，压力板242可增加流体压力可施加的区域，从而增加抵抗弹性构件240的力。以这种方式，压力调节器234可为自动压力调节器，自动调节流体压力差和流经入口218的流量。

在一些实施例中，螺线管可以连接至压力板242。螺线管可以致动压力板242，从而使提升阀238相对于孔口236移动。在一些实施例中，螺线管可以通过使用由井下换能器组件212产生的电流来致动。在其他实施例中，螺线管可以使用从不同的井下发电机产生的电流来致动。在另一些其他实施例中，螺线管可以使用从表面提供的电流来致动。螺线管的致动可以由计算装置控制，该计算装置可以根据规定的参数调节跨井下换能器组件212的压力。

在一些实施例中，入口218可以包括喷嘴。提升阀238的尺寸可设置成装配在喷嘴内。在一些实施例中，压力调节器234可与喷嘴同时安装。

在一些实施例中，压力调节器可以完全位于涡轮室244内。例如，提升阀238可以位于涡轮室244内，并从涡轮室244的内部部分地堵塞孔口236。在其他示例中，压力调节器可以平行于涡轮室244内部的流动方向设置。提升阀可以具有与涡轮室244基本相同的轮廓。例如，涡轮室244可以具有圆形的横截面，并且提升阀具有圆形的横截面。在其他示例中，涡轮室244可具有正方形或矩形的横截面，并且提升阀可具有正方形或矩形的横截面。在另一些其他示例中，涡轮室244可具有任何形状的横截面，并且提升阀可具有互补的或匹配的横截面。在弹性构件240的收缩构造，提升阀可以不堵塞任何孔口236。随着弹性构件240膨胀到松弛状态，提升阀可以部分地或完全地将孔口236从涡轮室244的内部堵塞。

在一些实施例中，提升阀238可具有立方体形状。在其他实施例中，提升阀238可具有金字塔形或锥形的形状。在一些实施例中，金字塔或锥体的顶点可以指向孔口236。在另一些其他实施例中，提升阀238可以具有球形或椭圆形的形状。在又一些其他实施例中，提升阀238可具有不规则的实心形状。在其他实施例中，提升阀238可具有包括两种或更多种常规固体的组合的形状。

在一些实施例中，提升阀238可与孔口236互补地成形。例如，提升阀238和孔口236均可具有圆形的横截面形状。在其他实施例中，提升阀238可具有与孔口236不同的横截面形状。例如，提升阀238可具有正方形或矩形的横截面形状，而孔口236可具有圆形的横截面形状。在一些实施例中，提升阀238可具有比孔口236更大的横截面面积。在其他实施例中，提升阀238可具有比孔口236小的横截面面积。

在一些实施例中，提升阀238可以是实心的。在其他实施例中，提升阀238可以被穿孔有一个或多个穿孔。在弹性构件240处于收缩构造的情况下，即使提升阀238与孔口236接触，带孔的提升阀238也可以允许至少一些流体流过孔口236。提升阀238可以具有0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10或更多个穿孔。当提升阀或其他压力调节器处于关闭位置时(即，当它以其他方式基本上阻止流动时)，可以使用任何数量的合适的穿孔以允许足够的流体流过孔口236。

参照图3，井下换能器组件312包括压力调节器334。在一些实施例中，调整器346可安装在壳体中，并调整弹性构件340相对于孔口336的定位。调整弹性构件340的位置可调整提升阀338的位置，这可改变进入涡轮室344的转向部分330的体积和压力。通过这种方式，由压力调节器334保持的流体压力差可被调整。在一些实施例中，调整器346可以安装在壳体的壁中。例如，调整器346可包括拧入钻杆324的侧壁中的螺钉。在其他示例中，调整器346可插入壳体中并用销保持。在一些实施例中，可从壳体的外部接近调整器346。

在一些实施例中，压力调节器334可包括隔膜348和隔膜室350。隔膜室350可包括隔膜室入口352，其将隔膜室350连接至涡轮室344的其余部分。当流体压力差改变时，隔膜348可相对于隔膜室350延伸和扩张，从而改变提升阀338的位置及其对孔口336的堵塞。当隔膜348延伸到隔膜室350中时，流体可从隔膜室350通过隔膜室入口352进入涡轮室344中。当隔膜348从隔膜室350扩张时，流体可以从涡轮室344穿过隔膜室入口352流入隔膜室350中。在一些实施例中，隔膜室入口352的尺寸可设定成使得隔膜室350与涡轮室344之间的流体转移逐渐发生。例如，隔膜348和隔膜室350可以充当阻尼器，以阻尼流体压力差的突然变化。这可以减少涡轮314的超速，并减少发电机216中的发电(例如，电力)产生的突然尖峰。

在一些实施例中，隔膜室入口352可位于隔膜室350的壁之一中。在其他实施例中，隔膜室入口352可位于隔膜348上。在另一些其他实施例中，隔膜室入口352可位于隔膜室350和隔膜348的两个壁中。可使用任何合适数量的隔膜室，例如，可存在0，1，2，3，4，5，6，7，8，9或10个隔膜室入口352。

在一些实施例中，隔膜348可包括连接在隔膜室350的顶部和底部的柔性膜片。以这种方式，在过压的情况下，隔膜348可柔性地延伸到隔膜室350中，并且在发生压力不足的情况下从隔膜室350柔性地扩张。在一些实施例中，柔性膜片隔膜348可充当弹性构件340。在其他实施例中，柔性膜片隔膜348可与弹性构件340一起工作。

在一些实施例中，隔膜348可以是刚性的。刚性隔膜348的尺寸可以设定成与隔膜室350的内部轮廓大致相同。在一些实施例中，刚性隔膜348可以在刚性隔膜348的轮廓与隔膜室350之间具有间隙。在一些实施例中，间隙的尺寸可以设定为使得没有流体从隔膜室350通过该间隙流到涡轮室344。在其他实施例中，间隙的尺寸可以设定为使得流体通过该间隙在隔膜室350和涡轮室344之间流动。在一些实施例中，该间隙可以用作隔膜室入口。

在一些实施例中，隔膜348可包括刚性和柔性材料。例如，隔膜348的径向向内的部分可以是刚性的，并且隔膜348的径向向外的部分可以是柔性的。在其他示例中，隔膜348的径向向内的部分可以是柔性的，并且隔膜348的径向向外的部分可以是刚性的。在一些实施例中，整个径向段可以是刚性的或柔性的。例如，隔膜348的45°段可以是刚性的。在其他示例中，隔膜348的180°部分可以是柔性的。在一些示例中，隔膜348可在刚性和柔性径向段之间交替。

返回参考图3，在一些实施例中，提升阀338可包括耐腐蚀材料，例如硬质或超硬材料。例如，提升阀338可以由多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼等制成。在其他示例中，提升阀338可以由诸如碳化钨(WC)的金属碳化物、耐腐蚀金属或合金等制成。

在一些实施例中，孔口336可包括耐腐蚀材料。例如，孔口336可以由上述关于提动提升阀描述的任何材料，例如PCD，制成。在其他示例中，孔口336可以由诸如WC的金属碳化物制成。在提升阀和/或孔口上使用耐腐蚀材料可以减少包括磨蚀性钻井泥浆的高速流体通过所产生的磨损。

在一些实施例中，弹性构件340可以包括金属弹簧。例如，弹性构件340可以包括螺旋弹簧。在其他示例中，弹性构件340可以包括片簧或板簧。

现在参考图4-1，在一些实施例中，压力调节器可以是喷嘴454。入口418可以使流过钻杆424的一部分进入涡轮室444中的钻井流体426的一部分430转向。转向部分430可以具有在入口418和出口420之间的流体压力差。转向部分430可以接合轴向风扇432，以与流体压力差直接相关的角速度旋转涡轮414。可旋转地固定至涡轮414的转子可在发电机416内旋转，从而产生用于井下工具的电力。在转向部分430穿过一系列轴向风扇432之后，它可以通过出口420排出。在一些实施例中，出口420可以包括喷嘴454。在其他实施例中，入口418可以包括喷嘴。在一些实施例中，入口418和出口420都可以包括喷嘴。

在一些实施例中，入口与出口之比，其可以定义为入口区域相对于出口区域，可以影响流体压力差。例如，相对于较大的入口区域而言较小的出口区域可能会增加流体压力差。相对于入口区域而言较大的出口区域可减小流体压力差。

在一些实施例中，入口与出口之比可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括1:1，1.5:1，2:1，2.5:1，3:1，3.5:1，4:1，4.5:1，5:1或它们之间的任何值。例如，入口与出口之比可以大于1:1。在其他示例中，入口与出口之比可以小于5:1。在又一些其他示例中，入口与出口之比可以在1:1至5:1的范围内。

在一些实施例中，从壳体的外部可接近的易于更换的喷嘴可允许可调节的压力降控制。例如，图4-2和图4-3每个都示出了可螺纹喷嘴454的实施例。可螺纹喷嘴454可包括大体上管状的主体，其包括在一端上的螺纹456-1和456-2以及在相反端上的头部458-1和458-2。流体通道460-1和460-2可从一端到另一端横穿可螺纹喷嘴454。由于流体通道460-1和460-2很可能经历快速的流体流过其中，因此它可以包括耐腐蚀材料，例如上面关于提升阀描述的那些材料(例如，碳化钨或PCD)，以承受相关的磨损。与螺纹456-1和456-2互补的螺纹可以设置在壳体中，以保持可螺纹喷嘴454并允许快速更换。在一些实施例中，多种其他快速改变机构可以产生相似的结果。例如，可以使用吊销来安装喷嘴。在其他示例中，可以使用机械闩锁来安装喷嘴。

现在参考图5-1，在一些实施例中，喷嘴554-1可包括可调节的喷嘴区域。在一些实施例中，喷嘴554-1可包括与喷嘴出口区域572不同的喷嘴入口区域562。喷嘴入口区域562和喷嘴出口区域572中较小的是喷嘴区域。喷嘴554-1可以包括可以被接收在喷嘴壳体566内的插头564。喷嘴板568可以位于喷嘴壳体566和插头564之间。喷嘴板568可以包括孔570-1，流体可以通过该孔。在一些实施例中，孔570-1可以具有比喷嘴入口区域562或喷嘴出口区域572小的面积。在该实施例中，喷嘴区域将等于孔570-1的面积。

在一些实施例中，喷嘴板568可以是可更换的，以调整横跨喷嘴554-1的压力降。例如，可以将具有孔570-1的喷嘴板568-1替换为具有较大孔570-2的喷嘴板568-2，从而减小跨过喷嘴554的压力降。可以通过从喷嘴壳体566移除插头564，从喷嘴壳体566移除第一喷嘴板568-1，将第二喷嘴板568-2插入喷嘴壳体566中，然后更换喷嘴壳体566中的插头564，来更换喷嘴板568。尽管仅描述了两个喷嘴板，但是可以将任何数量的具有变化的孔几何形状的不同喷嘴板转换成所示的可调喷嘴，以实现不同的压力降。在一些实施例中，喷嘴板568可以由耐腐蚀材料，例如上面关于提升阀描述的那些，制成。例如，喷嘴板568可以由PCD制成。在其他示例中，喷嘴板568可以由碳化钨制成。在一些实施例中，利用耐腐蚀材料可以减少喷嘴板由于包括磨蚀钻井泥浆的高速流体的通过而遭受的磨损。

在一些实施例中，孔面积可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括以下中的任一个：0.00785平方英寸(5.07平方毫米)、0.0314平方英寸(20.2平方毫米)、0.0707平方英寸(45.6平方毫米)、0.126平方英寸(81.1平方毫米)、0.196平方英寸(126.1平方毫米)、0.283平方英寸(182平方毫米)、0.385平方英寸(248平方毫米)、0.503平方英寸(324平方毫米)、0.636平方英寸(410平方毫米)、0.785平方英寸(507平方毫米)，或其间的任何值。例如，孔面积可以大于0.00785平方英寸(5.07平方毫米)。在其他示例中，孔面积可以小于0.785平方英寸(507平方毫米)。在又一些其他示例中，孔面积可以在0.00785平方英寸(5.07平方毫米)至0.785平方英寸(507平方毫米)的范围内。

参照5-2，在一些实施例中，喷嘴554-2可以是基于喷嘴经受的压力的自动调节喷嘴。喷嘴554-2可包括可接收在喷嘴壳体566内的插头564。可变形环574可位于喷嘴壳体566和插头564之间。可变形环574可具有环形形状，从而允许流体通过其中的孔570-3流动。在一些实施例中，随着跨喷嘴554-2的压力降增加，可变形环574可被挤压在喷嘴壳体566与插头564之间。作用在可变形环574上的压缩力可导致其变形。在一些实施例中，变形的环可以减小孔570-3的面积。孔570-3的减小的面积可以减小喷嘴的面积，从而导致增加的压力降。

在一些实施例中，可变形环574可以具有孔径减小因子，该孔径减小因子是孔570-3可以减小的百分比。无限大的孔径减小因子将有效地封闭孔570-3。在一些实施例中，孔径减小因子可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括25％、50％、75％、100％、125％、150％、175％、200％、无穷大或介于其间的任何值。例如，孔径减小因子可以大于25％。在其他示例中，孔径减小因子可以小于无限大。在又一些其他示例中，孔径减小因子可以在25％至无限大的范围内。

在一些实施例中，可变形环574可以由弹性材料制成，使得当压缩力释放时，可变形环574从压缩构造返回到打开构造。例如，可变形环574可以由弹性聚合物制成。在其他示例中，可变形环574可以由橡胶制成。在其他实施例中，可变形环574可以由非弹性材料制成，使得当释放压缩力时，可变形环574保持在压缩构造，并且不返回，或者仅部分返回到打开构造。例如，可变形环574可以由钢制成。

参照图6，在一些实施例中，井下换能器组件612可以包括流体连通的多个喷嘴654。在一些实施例中，流体连通的多个喷嘴654可以串联放置。以这种方式，可以逐渐实现压力降。在一些实施例中，逐渐的压力降可降低流体速度，从而减少各种部件上的磨损。在一些实施例中，室676可以设置在两个相邻的喷嘴之间。例如，钻井流体626的转向部分630可以通过钻杆624的横向侧壁进入涡轮室644。在旋转涡轮614之后，转向部分630可以通过第一喷嘴654-1进入第一室676-1中。转向部分630可在收集在第一室676-1中之前经历在第一喷嘴654-1上的第一压力降。转向部分630然后可以穿过随后的喷嘴和腔，在每个喷嘴处经历压力降。通过这种构造，可以在相对较小的空间(例如在钻杆524的横向侧壁内)内实现显著的总压力降。

在一些实施例中，每个室676可以用作井下仪器的壳体。例如，第一室676-1可以用作涡轮和发电机组件的壳体，其可以与发电机616处于相同的电气回路中，或者可以与发电机616处于不同的电气回路中。在其他实施例中，各个室676可包括涡轮和发电机组件，并且涡轮和发电机组件中的每一个可以在同一回路中、不同的回路中，或者任何数量的涡轮和发电机组件可在同一回路中。在另一些其他示例中，室可包括一个或多个传感器，以测量钻井性能，例如温度、压力、振动等。在一些实施例中，不同的室676可以容纳不同的工具和/或传感器。例如，第一室可以容纳涡轮和发电机组件，第二室可以容纳温度传感器，并且第三室可以容纳振动传感器。在其他示例中，第一室和第二室可以容纳涡轮和发电机组件，第三室可以容纳压力传感器。在其他实施例中，除了转向部分630之外，一个或多个室676可以是空的。在一些实施例中，可以存在一个室676。在其他实施例中，可以存在两个、三个、四个、五个或六个室676。

图7示出了根据本公开的至少一个实施例的井下换能器组件712，该井下换能器组件包括可旋转地固定到发电机716内的转子的涡轮714。在一些实施例中，电涌保护器778可以与发电机716电连接。钻井流体726的第一转向部分730-1可以通过第一入口718-1流入涡轮室744并从出口720流出。在一些实施例中，第一转向部分730-1可以使涡轮714旋转，从而使发电机716中的转子旋转并产生电流。在一些实施例中，电流可以为致动器780提供动力，该致动器可以致动阀782。在一些实施例中，阀782的致动可以使钻井流体726的第二部分730-2通过第二入口718-2转向。然后，第二转向部分730-2可被引导至室或壳体。在一些实施例中，室或壳体可容纳涡轮和发电机组件或任何其他井下工具或装置。在其他实施例中，室或壳体可以容纳图6中参考和描述的任何仪器和/或传感器。

在一些实施例中，致动器780可以是螺线管。在其他实施例中，致动器780可以是马达。在另一些其他实施例中，致动器可以是伺服马达。在又一些其他实施例中，致动器780可以是线性感应马达。在其他实施例中，致动器780可以是可以致动阀的任何类型的马达或电动装置。在一些实施例中，阀可以是线性阀。在其他实施例中，阀可以是旋转阀。在另一些其他实施例中，阀可以是可由马达致动的任何类型的阀。

在一些实施例中，电涌保护器778可以保护发电机716和可能的其他工具免受可能由于第一转向部分730-1和钻井流体726中的压力尖峰而引起的电压尖峰的影响。例如，当发电机716的电压峰值超过电涌电压时，电涌保护器778可以将发电机716与致动器780电连接，转向电流，降低发电机716所承受的总电压，并降低转子和涡轮714的角速度。以该方式，致动器可以提供吸收电压尖峰以保护发电机716和其他工具的能力。

在一些实施例中，电涌保护器778可以将电流引导至井下工具或仪器。例如，电涌保护器778可以将电流引导到致动器，该致动器致动限制入口718-1或出口720的阀，例如在图2和图3中描述的压力降低器。在其他示例中，电涌保护器778可以将电流引导至传感器或一组传感器，例如温度、压力、振动和其他传感器。在一些实施例中，电涌保护器778可以将电流引导至电池或其他能量存储装置。在其他实施例中，电涌保护器778可将发电机716接地。例如，电涌保护器778可将发电机716接地到钻杆724。

在一些实施例中，电涌保护器778可以是金属氧化物变阻器。在其他实施例中，电涌保护器778可以是气体放电管、跨极(transzorb)或齐纳二极管。在另一些其他实施例中，电涌保护器778可以是电流限制装置(例如，电流限制器)。在另一些其他实施例中，电涌保护器778可以是电压限制装置。

图8是井下换能器组件的实施例。井下换能器组件具有位于涡轮室844之上的第一入口818-1。第一入口818-1可以具有喷嘴，或者可以被设计(例如，确定尺寸)以限制第一入口818-1的打开以控制压力降。如上所述，喷嘴可以是可更换的，以适应许多期望的压力降。涡轮室入口884可从第一入口818-1分支，并将第一入口818-1放置成与涡轮室844流体连通。钻井流体826的第一部分830-1可进入第一入口818-1。涡轮流886可以从第一部分830-1转向到涡轮室844中，并从涡轮室出口888-1中移出。在一些实施例中，涡轮流886可以转向到关于图6讨论的任何单独的室或井下工具，或室或井下工具的任何组合。在其他实施例中，涡轮流886可以被转向出涡轮室出口888-1并进入井眼中。在一些实施例中，第一部分830-1的一部分可以通过第一入口818-1转向到出口888-2。出口888-2可以具有喷嘴，或者可以被设计(例如，确定尺寸)以限制出口的打开以控制压力降来控制进入涡轮室844的流体的压力。如上所述，喷嘴可以是可更换的以适应多个所需的压力降。

在一些实施例中，第一入口818-1可以与另外的室和工具，例如参照图6公开的那些，流体连通。在其他实施例中，第一入口818-1可与阀882流体连通。例如，当阀882被启动时，第一部分830-1可通过阀882转向，如参考图7所公开的。在一些实施例中，第一部分830-1可以在进入第一入口818-1之后不通过涡轮室844行进而通过一路径(未示出)转向至阀882。第一入口818-1可以与阀882流体连通，与钻井流体826的主流以及到涡轮室844的流体流分开，使得第一部分830-1的一部分可以转向至阀882(而无需与钻井流体826重新结合)。在一些实施例中，可以省略入口818-2。在一些实施例中，可以不存在出口888-2，并且钻井流体的第一部分830-1的至少一部分可以通过组件或工具主体中的一路径转向至阀882，而不经过涡轮室844。在一些实施例中，第二入口818-2可以使钻井流体826的第二部分830-2通过阀882转向。在一些实施例中，阀可以关闭第一入口818-1和818-2中的一个或两个。

压力和电流调节器的实施例已经主要参考井眼钻井操作进行了描述；本文所述的压力和电流调节器可用于除钻井眼之外的其他应用中。在其他实施例中，根据本公开的压力和电流调节器可以在用于勘探或开采自然资源的井眼或其他井下环境之外使用。例如，本公开的压力和电流调节器可以在用于放置公用管线的钻井中使用。因此，术语“井眼”，“钻井”等不应被解释为将本公开的工具、系统、组件或方法限于任何特定的行业、领域或环境。

本文描述了本公开的一个或多个具体实施例。这些描述的实施例是当前公开的技术的示例。另外，为了提供对这些实施例的简要描述，在说明书中可能没有描述实际实施例的所有特征。应当理解，在任何这样的实际实施方式的开发中，例如在任何工程或设计项目中，将做出许多特定于实施例的决定来实现开发者的特定目标，例如遵守与系统有关和与业务有关的约束，这可能因一个实施例而异。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员而言，这仍将是设计、制作和制造的例行工作。

冠词“一(a)”，“一个(an)”和“该(the)”旨在表示在前面的描述中存在一个或多个元素。术语“包括”，“包含”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着除所列元件之外可能还有其他元件。另外，应当理解，参照本公开的“一个实施例”或“一实施例”不旨在解释为排除也包含所述特征的其他实施例的存在。例如，关于本文的实施例描述的任何元件可以与本文描述的任何其他实施例的任何元件组合。如本公开的实施例所涵盖的本领域的普通技术人员将意识到的，本文中陈述的数字、百分比、比率或其他值旨在包括该值，以及“大约”或“近似”所述值的其他值。因此，应将所述的值解释得足够宽泛，以包括至少与所述值足够接近的值，以执行所需的功能或达到所需的结果。所述值至少包括在合适的制造或生产过程中预期的变化，并且可以包括在所述值的5％以内、1％以内、0.1％以内或0.01％以内的值。

鉴于本公开，本领域的普通技术人员应该认识到，等同构造不脱离本公开的精神和范围，并且可以对所公开的实施例进行各种改变、替换和变更，而不背离本公开的精神和范围。包括功能性“装置加功能”子句的等同构造旨在涵盖本文所述的如执行所列举功能的结构，包括以相同方式操作的结构等同物和提供相同功能的等同结构。申请人的明确意图是，不对任何权利要求援引装置加功能或其他功能性声明，但其中“与用于...的装置”一词与相关功能一起出现的那些除外。落入权利要求的含义和范围内的对实施例的每个增加、删除和修改将被权利要求所涵盖。

如本文所采用的，术语“近似地”、“大约”和“基本上”表示接近所述量的量，其仍然执行期望的功能或达到期望的结果。例如，术语“近似地”、“大约”和“基本上”可以指的是在一所述量的小于5％内、小于1％内、小于0.1％内以及小于0.01％内的量。此外，应当理解，在前面的描述中任何方向或参考系仅仅是相对方向或运动。例如，“上”和“下”或“之上”或“之下”的任何引用仅描述相关元件的相对位置或运动。

本公开可以以其他具体形式来实施，而不脱离本公开的精神或特征。所描述的实施例应被认为是说明性的而非限制性的。因此，本公开的范围由所附权利要求而不是前述描述来指示。在权利要求的等同含义和范围内的改变应包含在它们的范围之内。

Claims (18)

1.一种井下换能器组件，包括：

壳体，该壳体包括：

入口，包括孔口；

出口；和

包括提升阀的压力调节器，提升阀定位成响应于提升阀上的流体压力而自动限制通过孔口的流动，提升阀在孔口内能够在打开构造与至少部分地堵塞孔口的压缩构造之间移动；和

涡轮，该涡轮关于流体压力差是可旋转的，其中，压力调节器构造成通过使提升阀在打开构造与压缩构造之间移动来调节该流体压力差。

2.根据权利要求1所述的井下换能器组件，其中，提升阀刚性地连接至弹性构件。

3.根据权利要求2所述的井下换能器组件，还包括调整器，该调整器构造成调整所述弹性构件相对于所述孔口的位置。

4.根据权利要求3所述的井下换能器组件，所述调整器被构造为从所述壳体的外部进行调整。

5.根据权利要求2所述的井下换能器组件，所述孔口和所述提升阀中的至少一个包括多晶金刚石。

6.根据权利要求2所述的井下换能器组件，所述压力调节器还包括至少一个喷嘴，该至少一个喷嘴包括喷嘴区域，并且所述喷嘴区域控制所述流体压力差。

7.根据权利要求6所述的井下换能器组件，所述至少一个喷嘴包括喷嘴板，该喷嘴板包括孔，该孔限制所述喷嘴区域。

8.根据权利要求6所述的井下换能器组件，所述至少一个喷嘴是自动调节喷嘴。

9.根据权利要求8所述的井下换能器组件，所述自动调节喷嘴包括可变形环，该可变形环构造成关于所述流体压力差来调节所述喷嘴区域。

10.根据权利要求6所述的井下换能器组件，所述至少一个喷嘴可螺纹连接到所述壳体的外部中。

11.根据权利要求6所述的井下换能器组件，进一步包括串联流体连通的多个喷嘴。

12.根据权利要求11所述的井下换能器组件，还包括设置在所述多个喷嘴中的两个相邻喷嘴之间的至少一个流体室。

13.根据权利要求6所述的井下换能器组件，所述喷嘴包括多晶金刚石。

14.一种井下换能器组件，包括：

壳体，该壳体包括：

第一入口和第二入口；和

出口；

涡轮，以一角速度旋转；

发电机，该发电机内的转子旋转地固定到涡轮；

壳体的第二入口的井下阀；

致动器，由发电机供电并构造成用于打开所述阀；和

电涌保护器，与发电机电气连接，该电涌保护器构造成当检测到电压尖峰或压力尖峰时启动所述致动器，使得涡轮的角速度降低；和

其中，钻井流体的第一转向部分通过第一入口流入涡轮室，然后从出口流出，第一转向部分旋转涡轮，从而旋转发电机中的转子并产生电流，从而给致动器提供动力，从而致动阀；阀的致动使钻井流体的第二部分通过第二入口转向，然后将第二转向部分输送至壳体；当发电机中的电压峰值高于电涌电压时，电涌保护器将发电机与致动器电连接，从而转向电流，降低发电机所承受的总电压，并降低转子和涡轮机的角速度。

15.根据权利要求14所述的井下换能器组件，所述电涌保护器是电流限制器。

16.一种用于调节井下换能器组件的发电的方法，井下换能器组件包括电涌保护器、发电机和致动器，该方法包括：

关于流体压力差以一角速度旋转涡轮；和

通过响应于压力尖峰而致动压力调节器以降低涡轮的角速度，来使用压力调节器调节所述流体压力差；和

其中，当发电机中的电压峰值高于电涌电压时，电涌保护器将发电机与致动器电连接，转向电流，降低发电机所承受的总电压，并降低涡轮和发电机的转子的角速度。

17.根据权利要求16所述的方法，使用压力调节器调节所述流体压力差包括调节通过入口的流体体积流量。

18.根据权利要求16所述的方法，还包括使用电涌保护器降低连接到所述涡轮的发电机的电压。

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