CN111148885B - 井下振荡设备 - Google Patents

Abstract

井下振荡工具包括Moineau型正排量脉冲马达以及用于钻柱(100)中的阀组件。脉冲马达包括被配置为在定子(114)的孔洞内章动的转子。转子具有延伸为转子的长度的至少两个螺旋形凸叶部，并且定子孔洞限定延伸为定子的长度的至少三个螺旋形凸叶部。阀组件包括第一阀板(132)，所述第一阀板(132)连接到转子的底部端部，并且邻接第二阀板(138)，以形成滑动密封。第二阀板固定地联接到定子，并且保持静止。第一阀端口轴向延伸通过第一阀板，并且第二阀端口轴向延伸通过第二阀板。

Description

井下振荡设备

技术领域

本公开总体上涉及井下振荡设备。更特别地，但不排他地，本公开涉及钻探设备和钻探方法，并且涉及用于钻柱的流动脉冲方法和流动脉冲设备。

背景技术

在石油和天然气勘探和开采行业中，形成钻井孔洞常规地涉及使用钻柱，以钻削孔到地下地层或基底中。钻柱（其总体上包括钻头，所述钻头附接在管状构件的下端部处，例如，钻铤、钻杆以及可选的钻探马达以及其它井下钻探工具）可从井的表面延伸数千英尺或数千米到井的底部，其中，钻头旋转，以穿透地下地层。定向井可包括从表面延伸的竖直或近似竖直区段以及从近似竖直区段开始的水平或近似水平区段。钻井孔洞和钻柱之间的摩擦（特别是在开始点附近和井的近似水平区段中）可减小钻柱施加在钻头上的轴向力，有时被称为钻压。在确定钻头穿透地下地层的速率的情况下，钻压可为重要因素。

产生振荡或振动以激发钻柱可用于减少钻柱和钻井孔洞之间的摩擦。轴向振荡还可提供敲击或锤击作用，当通过硬岩钻探孔洞时，这可增加可实现的钻探速率。在此类钻探操作中，钻探液体或泥浆从表面泵送通过钻柱，以从被提供在钻头上的喷嘴离开。来自喷嘴的流体流动帮助从切割面逐出和清除材料，并且用于携带所逐出的材料通过钻探孔洞到表面。

然而，由已知系统产生的振荡可不足以减小钻柱的某些区段中的摩擦，并且如果应用于钻柱的其它区段中，则可导致问题。钻井孔洞的竖直区段中的摩擦总体上不如开始点处和近似水平区段中的一样大。在由摩擦产生的小衰减的情况下，在钻柱和钻井孔洞的近似竖直区段中产生的振荡可损坏钻机和其它表面设施，或对于钻机和其它表面设施产生问题。此外，振荡可与钻柱的谐波频率（其可取决于钻柱的结构和组成）一致，并且相长干涉，以产生损坏性谐波。

而且，定向井的近似水平区段可非常长，并且在某些情况下，显著比竖直区段更长。随着钻柱在井的水平部分中进一步穿透，钻柱中的激发器工具可进一步远离开始点和附近水平区段处的钻井孔洞的高摩擦区域移动。水平区段中的高摩擦可衰减由远距离激发器工具产生的振荡。

在非常规页岩钻探最近急剧增加的情况下，许多挑战随之而来，因为这些井通常包括延长范围侧向区段。这些挑战包括但不限于：低穿透速率(ROP)、粘滑以及沿着钻柱的不良钻压(WOB)传递。市场中对于可解决这些挑战的钻探工具存在有强烈期望。因此，需要的是已改进的井下振荡设备和方法。

发明内容

本发明提供了可解决和改进现有技术的缺陷中的一些的各种实施例。例如，一个实施例提供了用于钻柱的井下振荡工具，井下振荡工具包括脉冲马达，所述脉冲马达具有：转子，沿着转子的长度具有至少两个螺旋形凸叶部；以及定子，环绕定子孔洞。定子沿着定子的长度具有至少三个螺旋形凸叶部。转子位于定子孔洞中，并且被配置为在定子内章动。工具还包括位于脉冲马达下游的脉冲阀组件。脉冲阀组件优选地具有：第一阀板，被配置为与转子章动，第一阀板包括多个第一端口；第二阀板，位于第一阀板下游，第二阀板包括多个第二端口。优选地，第二阀固定地联接到定子，并且板邻接第一阀板，以形成滑动密封。第一端口中的至少一个通过第一阀板相对于第二阀板的所有章动位置而与第二端口中的至少一个流体连通。

根据一个选项，多个第一端口可包括：至少一个第一径向外轴向端口，被限定在第一阀板中；以及至少一个第一径向内轴向端口，被限定在第一阀板中。多个第二端口可包括：至少一个第二径向外轴向端口，被限定在第二阀板中；以及多个第二径向内轴向端口，被限定在第二阀板中。

根据第二选项，井下振荡工具可包括：第二端口中的至少一个在流动面积上与其它第二端口不同。每个第二径向内轴向端口可具有与其它第二径向内轴向端口不同的流动面积。第二径向内轴向端口可围绕第二阀板的中心纵向轴线径向对称地被设置。可选地，第二径向内轴向端口可围绕第二阀板的中心纵向轴线径向不对称地被设置。

而且，在此实施例中，至少一个第一径向外轴向端口可被配置为与至少一个第二径向外轴向端口间歇地连通；并且至少一个第一径向内轴向端口可被配置为与多个第二径向内轴向端口中的每个间歇地连通。可选地，至少一个第一径向内轴向端口一次仅与多个第二径向内轴向端口中的一个连通。

根据另一选项，转子还可包括被限定在转子中的纵向转子孔洞，并且转子孔洞可沿着转子的整个长度延伸。在又一选项中，具有中心腔室的下坠球组件可联接到转子，使得中心腔室与转子孔洞流体连通。下坠球组件可包括：第一球座，适于接收第一下坠球，以关闭中心腔室，免于钻探液体流动；以及第二球座，适于接收第二下坠球，以打开关闭的中心腔室，用于钻探液体流动。井下振荡工具还可包括：冲击工具，具有冲击工具孔洞，冲击工具联接到定子，使得冲击工具孔洞和定子孔洞流体连通。

在本发明的另一实施例中，钻柱可包括：底部孔组件，具有连接到钻探马达的钻头；第一井下振荡工具，具有脉冲马达，所述脉冲马达包括：转子，沿着转子的长度具有至少两个螺旋形凸叶部；以及定子，环绕定子孔洞，并且沿着定子的长度具有至少三个螺旋形凸叶部。转子位于定子孔洞中，并且被配置为在定子内章动。第一振荡工具还可包括位于脉冲马达下游的脉冲阀组件。

根据第一选项，第一井下振荡工具可包括连接在定子上方的冲击工具。井下振荡工具可被配置为产生具有两个或多个不同脉冲幅度的脉冲。可选地，井下振荡工具可被配置为产生在两个或多个不同脉冲频率下的脉冲。

根据第二选项，第一井下振荡工具可包括下坠球组件，所述下坠球组件被配置为启用和停用第一井下振荡工具，并且钻柱还包括以钻杆的长度从第一井下振荡工具间隔开的第二井下振荡工具。

在第三实施例中，本发明可提供井下振荡工具，所述井下振荡工具包括具有环绕定子孔洞的定子的正排量Moineau马达。定子孔洞可限定沿着定子的长度延伸的至少三个螺旋形凸叶部。转子可位于定子孔洞中，并且具有沿着转子的长度延伸的至少两个螺旋形凸叶部，使得转子被配置为在定子内章动。马达还可包括脉冲阀组件。井下振荡工具还可包括：冲击工具，具有冲击工具孔洞，冲击工具联接到马达，使得冲击工具孔洞和定子孔洞流体连通。

马达被配置为在马达的旋转循环期间产生多个不同脉冲。根据第一选项，多个不同脉冲包括具有两个或多个不同幅度的脉冲。根据另一选项，多个不同脉冲包括具有两个或多个不同波长的脉冲。

附图说明

图1是钻柱的侧面正视图，包括井下振荡设备的一个实施例。

图2是图1的钻柱的侧面正视截面视图，而没有钻头。

图3是图1的钻柱的顶部区段的详细侧面正视截面视图，包括可选操作控制机构。

图4是图1的钻柱的下区段的详细侧面正视截面视图，包括井下振荡设备。

图5是图1的钻柱的分解侧面正视图，而没有钻头。

图6是图1的钻柱的下区段的详细分解侧面正视图，包括可被放置在转子的孔洞中的喷嘴。

图7是图1的钻柱的下区段的详细分解侧面正视图，包括井下振荡设备的部件。

图8是图1的钻柱的第一阀板的俯视图。

图9是图8的第一阀板的仰视图。

图10是图1的钻柱的第二阀板的俯视图。

图11 是图10的第二阀板的仰视图。

图12是图10的第二阀板的开口式样的示意视图。

图13是随着第一阀板相对于第二阀板章动的第一阀板和第二阀板的示意视图。

图14是关于井下振荡工具的恒定幅度和恒定波长的条件的一组图表。第一图表示出图13的两个阀板的转子位置以及随着第一阀板相对于第二阀板章动而通过两个阀板的对应总流动面积。第二图表示出图13的两个阀板的转子位置以及井下振荡工具中的对应压力脉冲。

图15是类似于图14中显示的那些的一组图表，但在井下振荡工具的混合模式操作中具有井下振荡工具的变化幅度和恒定波长。

图16是类似于图14中显示的那些的一组图表，但关于井下振荡工具的变化幅度和变化波长的条件。

图17是随着第一阀板相对于第二阀板章动的第一阀板和第二阀板的可选实施例的一系列示意视图。

具体实施方式

参考图1，显示了钻柱100，所述钻柱100钻探通过地下地层或基底S1。钻柱100可包括上组件，所述上组件包括连接到底部孔组件101的一定长度的钻杆。底部孔组件101可包括：上区段，具有一定长度的钻杆、稳定器或钻铤102；井下振荡工具104，由脉冲工具106以及可选的震击或冲击工具108构成。

冲击工具108可由脉冲工具106致动。脉冲工具106可导致一系列压力脉冲。这些压力脉冲可在与钻柱100的轴线大致平行的方向上提供敲击动作。冲击工具108的一个示例可包括冲击工具孔洞，所述冲击工具孔洞形成汽缸，中空活塞被配置为在其中滑动。活塞外表面可由密封件（例如，o形环）密封抵靠汽缸内表面，而中空活塞中心限定通道，钻探泥浆可流动通过其。活塞可连接到芯轴，所述芯轴也具有中空中心通道或芯轴孔洞。芯轴可延伸出汽缸，并且芯轴的外表面也密封抵靠汽缸的内表面。与冲击工具外部的钻探液体的压力相比，冲击工具108中的钻探液体的压力中的增加可使芯轴从主体延伸。至少一个压缩弹簧可被定位，以在与钻柱100的轴线大致平行的两个方向上提供阻力弹簧力。弹簧可被放置在芯轴上的凸肩和汽缸的凸肩之间。钻柱102优选地连接到冲击工具108，使得汽缸的内室或孔洞以及芯轴和活塞的通道与钻柱孔洞流体连通，并且钻探泥浆可从上方的钻柱流动通过芯轴孔洞到连接在下方的钻柱。如此，冲击工具108中的钻探液体的增加的压力迫使芯轴向外，而弹簧抵抗力，将芯轴推动返回到主体的腔室中。因此，可实现锤击作用或敲击冲击动作。在许多实施例中，冲击工具108位于脉冲工具106上游，使得来自脉冲工具的流体压力脉冲作用在冲击工具的活塞上。

钻头110可连接在钻柱100的底部端部处。井下振荡工具104可由中间钻柱区段103从钻头110分离，所述中间钻柱区段103可包括其它长度的钻杆、钻铤、附件（例如，稳定器、铰刀、冲击工具和开孔器）以及附加井下工具。附加井下工具可包括用于旋转钻头110的钻探马达以及在钻探时测量或在钻探时记录的工具以及附加井下振荡工具。井下振荡工具104以及可选的其它井下附件、工具和马达可由被泵送通过通孔的钻探泥浆的流动提供动力，所述通孔延伸了钻柱100的长度。

图2-4在截面视图中显示了钻柱100的各种部件。图2显示了钻探冲击工具108，所述钻探冲击工具108连接到脉冲工具106的动力区段119的总体上管状的外部壁或主要主体112。脉冲工具106可连接到钻柱100的其余部分，使得其通孔总体上维持与钻柱100的其余部分的孔洞的流体连通。连接可为任何适当连接，包括但不限于螺纹连接。流动插入件可键接到主要主体112中，并且流动喷嘴可被旋拧到流动插入件中。

脉冲工具106可总体上包括位于主要主体112中的脉冲马达和脉冲阀。优选地，脉冲马达是由Moineau原理操作的正排量马达。如此，脉冲马达优选地包括定子114，所述定子114形成在外部壁112内，或形成为外部壁112的一部分，以环绕内部通孔。定子的内表面包括数个螺旋形凸叶部，所述螺旋形凸叶部沿着定子114的长度延伸，并且当在横向截面中观察时在定子壁中形成峰部和谷部。脉冲马达进一步优选地在脉冲马达的通孔中包括转子116，所述转子116能够在被泵送通过钻柱100的流体（例如，钻探泥浆）的影响下旋转。类似于定子114，转子116沿着其外表面的长度包括数个螺旋形凸叶部。总体上如Moineau型马达的情况，脉冲工具106的定子114比转子116具有更多凸叶部。然而，根据本发明的一些实施例的转子116优选地包括两个或多个螺旋形凸叶部，并且定子114具有至少三个螺旋形凸叶部。在具有两个或多个凸叶部的情况下，转子116以章动运动在定子114中转动，并且其外螺旋形表面与定子的内螺旋形表面配合，以形成封闭相应腔室的滑动密封。与单个凸叶部转子（其转子端部展现叠加在其主旋转运动上的线性振荡或侧向运动）不同，优选地被包括在本发明的实施例中的多个凸叶部转子章动，并且因此除了转子的主旋转以外还展现次旋转运动。

被泵送通过钻柱100的孔洞的钻探液体从顶部附件102进入脉冲工具106。钻探液体的流动而后可穿过流动插入件和/或流动喷嘴（如果包括），并且到形成在定子114和转子116之间的腔室中。进入腔室的钻探液体的压力以及横跨滑动密封的压力差导致转子116相对于钻探液体流动速率以限定速度旋转。

转子116还可包括被限定在其中的转子孔洞118。转子孔洞118可允许至少一些钻探液体穿过钻柱100的动力区段119，而不在转子116上赋予旋转。如此，通过完全打开转子孔洞118，可完全停用动力区段119。通过迫使流体在定子114和转子116之间流动，而不是通过转子孔洞，关闭转子孔洞118可启用动力区段119。钻柱100可包括转子孔洞118，所述转子孔洞118能够在完全打开和完全关闭之间处于任何适当程度，以为动力区段119赋予期望流动速率，以导致转子116的对应旋转。

如图3中显示的，顶部附件102的底部接合部可包括下坠球组件120，以机械地打开和关闭到转子孔洞118的流体通路。利用部件（例如下坠球组件120），转子孔洞118可由操作者从表面关闭或打开。最初，在钻柱100正行进在孔洞的竖直部分时，井下振荡工具104可为不活动的，以避免对于钻柱和表面设施的部件的损坏性振动。通过使转子孔洞118完全打开，而不妨碍下坠球组件120，所有钻探液体可直接穿过转子孔洞，并且绕过定子114和转子116之间的密封腔室。在钻探液体绕过定子114和转子116之间的密封腔室的情况下，转子不旋转，并且井下振荡工具104保持不活动。一旦期望和/或要求井下振荡工具104的启用，则可从表面沿着钻柱100向下泵送小球，所述小球足够小，以穿过大底座开口区段121A，但过于大，以至于不可穿过小底座开口区段121B。通过关闭小底座开口区段121B，小球可机械地关闭转子孔洞118。通过迫使钻探液体流动通过定子114和转子116之间的密封腔室，钻探液体的所导致的重新定向可启用动力区段119，由此使转子旋转。通过在期望情况下完全重新打开转子孔洞118，可再次停用动力区段119。此重新打开可通过从表面沿着钻柱100向下泵送大球而完成。大球可过于大，以至于不可穿过大底座开口区段121A，由此当提供足够的钻探液体泵送速率时导致剪切销123断裂。在由于钻探液体导致的必要力使剪切销123断裂之后，下坠球组件120缩短，并且允许钻探液体流动围绕下坠球组件的顶部，并且到下坠球组件的开口125中，以再次使钻探液体与转子孔洞118连通。在没有钻探液体被重新定向到定子114和转子116之间的密封腔室的情况下，动力区段119再次被停用。此选择性启用和停用允许在钻柱100中利用多个井下振荡工具104，并且当适当时可基于钻探条件启用井下振荡工具中的每个。

在钻柱100的一些实施例中，打开和关闭转子孔洞118的能力可为可期望的。能够利用钻探液体的脉冲的钻探工具的类型通常不被引入到钻柱中，直到基底S1的侧向区段的钻探已开始。对于此引入的时机的主要原因是由这些工具当其在竖直区段中延伸时导致的振动。这些振动对于表面上的钻探设施可具有问题。传统地，一旦已达到目标深度，则必须将柱从孔中拉动出，振荡工具被引入到柱中，并且最后必须使柱下钻返回到孔中。通过包括将振荡工具引入到柱中的能力，在利用处于停用状态中的振荡工具钻探竖直区段时，一旦从表面达到目标深度，则可启用工具。此新方法可导致大成本节省，所述大成本节省与以其它方式将用于使钻柱从井下钻或起钻的所节省的时间相关联。所述方法还可允许操作者关于工具相对于侧向区段的长度的放置方面的显著灵活性。所述方法甚至可允许操作者将多个振荡工具放置在相同钻柱内。

如图2和图4中显示的，端接连接器122可连接到转子116。优选地，端接连接器122被配置为与转子116旋转。例如，端接连接器122可由按压配合接合部、到转子116的键接接合部、螺纹接合部或任何其它适当机械连接固定地连接到转子116。穿过转子孔洞118的钻探液体可继续通过端接连接器纵向孔洞124。在一些实施例中，喷嘴126可连接到端接连接器122。喷嘴126可被配置为控制可从喷嘴的上游进入转子孔洞118的钻探液体的量。如此，可控制绕过定子114和转子116之间的密封腔室的钻探液体的量。端接连接器122还可包括至少一个端接连接器端口128。端接连接器端口128可被配置为允许钻探液体从端接连接器122外部径向向内流动到端接连接器腔室130中。因此，流动经由定子114和转子116之间的密封腔室的钻探液体可再加入流动通过转子孔洞118和端接连接器纵向孔洞124的钻探液体。

通过使用例如喷嘴126或类似装置而小心限制穿过转子孔洞118的钻探液体流动的量，可进一步控制穿过定子114和转子116之间的密封腔室的钻探液体流动的量。此配置可允许操作者控制转子116的旋转速度，同时仍维持钻探液体的期望泵送速率。所述配置进一步允许操作者控制期望脉冲以及因此轴向振荡频率。

脉冲工具106还包括可连接到端接连接器122的第一阀板132。优选地，第一阀板132被配置为与端接连接器122和转子116旋转。在一些实施例中，第一阀板132可按压配合或键接到端接连接器122，使得阀板132的上表面形成端接连接器腔室130的底部壁。第一阀板132的下平坦表面邻接并且优选地与第二阀板138的上平坦表面配合，以形成滑动密封，使得第一阀板132可相对于第二阀板138侧向滑动，同时维持液体紧密密封。第二阀板也是脉冲工具106的一部分。在第一阀板132附接到转子116，并且与转子116旋转时，第二阀板138优选地静止，并且可直接地或通过一系列连接器和适配器固定地附接到主要主体112。

而且，如图8和图9中显示的，第一阀板132可包括多个开口或端口，所述开口或端口轴向延伸通过第一阀板132，并且允许聚集在端接连接器腔室130中的钻探液体流动，以向下流动通过钻柱100。

第一阀板132可包括轴向端口的变化布置，其中，端口具有不同的大小、形状、相对于阀板中心的径向偏移以及围绕板的角度位置。例如，第一阀板132可包括被限定在第一阀板中的一个或多个第一外轴向端口134以及一个或多个第一内轴向端口136。第二阀板138还可包括外轴向端口140和内轴向端口142的变化布置，其中，端口具有不同的大小、形状、相对于阀板中心的径向偏移以及围绕板的角度位置。第二阀板138中的端口的布置可与第一阀板132中的布置不同。

而且，如图10和图11中显示的，第二阀板138可包括一个或多个第二外轴向端口140。第二外轴向端口140可被配置为允许钻探液体穿过其。在第一阀板132相对于第二阀板138的旋转期间，当第一外轴向端口与第二外轴向端口至少部分重叠时，钻探液体可穿过相应第一外轴向端口134和第二外轴向端口140。第二阀板138还可包括多个第二内轴向端口142。如图12中示意性地显示地，第二内轴向端口142可每个具有不同的截面流动面积或大小，并且可被设置围绕第二阀板138的纵向轴线146在变化位置处。许多实施例包括具有三个不同开口直径的三个第二内轴向端口142。在一些实施例中，第二内轴向端口142可围绕第二阀板138的纵向轴线等角度地间隔，如图13中显示的。在其它实施例中，第二内轴向端口142可围绕第二阀板138的纵向轴线146相对于角度参考线144不等角度地间隔，如图12中显示的。换句话说，不同大小的第二内轴向端口142中的每个可不对称地径向被布置为使得相应相邻开口之间的周向距离与其它相应相邻开口之间的周向距离不同。外轴向端口134、140以及第一内轴向端口136可展现与第二内轴向端口142类似的大小、形状和位置中的变化。

由于被限定在第一阀板132中的第一内轴向端口134可相对于第一阀板的纵向轴线成角度，因此第一内轴向端口134可被配置为一次仅与被限定在第二阀板138中的多个第二内轴向端口142中的一个连通。在此类情况下，随着第一阀板132相对于第二阀板138章动，第一内轴向端口134相继与多个第二内轴向端口142中的每个连通。总体上，随着第一阀板132在第二阀板138上可滑动地旋转，钻探液体在变化压力和流动速率下流动通过第一和第二阀板132、138，因为第一轴向端口和第二轴向端口之间的重叠（以及因此对于钻探液体可用的流动面积）变化。被迫使通过可变截面面积的固定流动速率在阀板的上游和下游形成压力脉冲。使第一内轴向端口134与多个第二内轴向端口142中的每个连通的此循环示意性地显示在图13中。

第一外轴向端口134和第二外轴向端口140之间的间歇连通和第一内轴向端口136和多个第二内轴向端口142中的每个之间的间歇连通的组合可允许钻探液体始终穿过第一阀板132和第二阀板138两者。换句话说，第一阀板132中的端口或开口134、136和第二阀板138中的端口或开口140、142可被限定为使得第一阀板的至少一个开口可与第二阀板的至少一个开口至少部分重叠，而无论第一阀板相对于第二阀板的旋转位置如何。

第二阀板138可连接到适配器144。在许多实施例中，第二阀板138可按压配合或键接到适配器144。而后，适配器144可连接到接合联接器或底部附件146。在一些实施例中，适配器144可按压配合或键接到接合联接器146。接合联接器146可连接到动力区段119和脉冲区段106的管状主要主体112。连接可为任何适当连接，包括但不限于螺纹连接。

通过将阀板132、138设计为具有在转子116的每次转动下产生钻探液体的多个压力脉冲的阀几何形状，每个脉冲的最小总流动面积(TFA)可被设计为具有不同值。这些不同最小TFA值中的每个可产生不同脉冲幅度。一旦脉冲作用在包括活塞和弹簧的激发工具上，则这些不同脉冲幅度可转而产生不同振荡幅度。TFA对于转子位置以及脉冲幅度对于转子位置的关系显示在图14-16中。

如图17中示意性地示出的，包括第一阀板132的钻柱100的可选实施例可具有可选第二阀板148。可选第二阀板148可包括每个与第二径向向内开口中的相应一个合并的第二外轴向端口140。在一些实施例中，开口中的每个可类似于T形或合并为一个开口的三个凸叶部。当然，端口140可为任何适当形状，并且每个端口可与其它相应端口相同或不同。阀板132、148可大致作用为类似于上文讨论的阀板132、138。图17中显示的设计可遵循或表示内摆线。

在本文公开的许多实施例的情况下，在使用一个阀组件（第一阀板132和第二阀板138）的操作期间，可产生多个振荡幅度。在仅使用一个阀组件的操作期间，许多其它实施例可产生多个振荡幅度。动力区段119可将被引入到钻柱中的液压能转换成机械旋转能。动力区段119的旋转速度可严格地根据被泵送通过动力区段的体积流动速率。而后，动力区段119可驱动阀，这可改变通过转子孔洞118的流动的TFA。更特别地，动力区段119可相对于第二阀板138旋转地驱动第一阀板132。阀板132、138中的开口136、142的几何形状可允许在动力区段119的一个旋转循环期间产生不同的最小和最大TFA值，如图16中显示的。这些配置可产生混合模式振荡(MMO)，这关于钻柱力学可为有益的。此配置可进一步允许井下振荡工具104产生具有变化波长的振荡。变化波长可允许井下振荡工具104仅使用一个动力区段119和一个阀组件132、138而产生多组振荡频率。当与先前井下振荡工具设计相比时，可大大减小由匹配钻柱100的固有频率的这些多个振荡产生振动的可能性。被认为是良好钻探实践的是，在钻探期间避免共振和可伴随其的有害作用。所公开的配置可进一步允许钻柱100的振荡频率的减小，同时维持钻探液体的期望泵送速率。

本公开的配置的其它潜在益处可为减小动力区段119的旋转速度，同时仍产生期望脉冲频率。通常，与钻柱100使用的工具的频率仅根据转子116的旋转速度。如果在典型钻柱100中期望更高频率，则要求更高旋转速度。然而，利用仅利用转子116的一次转动而产生多个脉冲的能力，可不一定要求转子的旋转速度。通过减小转子116的所要求的旋转速度，钻柱100的旋转部件可受到更少磨损，并且可具有更长功能寿命。因此，可大大增加钻柱100的可靠性和长期性能。此外，可能够优化振荡，用于特定的钻柱或井轮廓。

重要的是应注意，阀板132、138的多个配置可被视为在本公开的范围内。阀配置可被设计为使得给定阀配置遵循转子116在动力区段119中的内摆线路径。

井下振荡工具包括Moineau型正排量脉冲马达以及用于钻柱中的阀组件。脉冲马达包括被配置为在定子的孔洞内章动的转子。转子具有延伸为转子的长度的至少两个螺旋形凸叶部，并且定子孔洞限定延伸为定子的长度的至少三个螺旋形凸叶部。阀组件包括第一阀板，所述第一阀板连接到转子的底部端部，并且邻接第二阀板，以形成滑动密封。第二阀板固定地联接到定子，并且保持静止。第一阀端口轴向延伸通过第一阀板，并且第二阀端口轴向延伸通过第二阀板。随着第一阀板滑动横跨第二阀板，第一阀端口和第二阀端口间歇地重叠，以在钻探液体中形成脉冲，所述钻探液体被泵送通过工具，以为马达和阀组件提供动力。工具可在每个旋转循环中产生具有不同幅度和不同波长的脉冲。工具还包括被配置为启用和停用工具的下坠球组件。

此书面描述使用示例，以公开本发明，并且还使得任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制成和使用任何装置或系统。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或如果其包括与权利要求的字面语言没有实质性不同的等同结构元件，则其旨在在权利要求的范围内。

虽然已使用具体术语而描述了本公开的实施例，但此类描述仅为了说明性目的。所使用的词语是描述性而非限制性的词语。应理解的是，可由本领域普通技术人员进行改变和变化，而不从本公开的精神或范围脱离。另外，应理解的是，各种实施例的方面可全部或部分互换。虽然已示例了对于本公开的主题的具体用途，但也设想了其它用途。因此，权利要求的精神和范围不应限于本文包括的型式的描述。

Claims (13)

1.用于钻柱的井下振荡工具，所述井下振荡工具包括：

脉冲马达，所述脉冲马达包括：

转子，沿着所述转子的长度具有至少两个螺旋形凸叶部；以及

定子，环绕定子孔洞，所述定子沿着所述定子的长度具有至少三个螺旋形凸叶部，其中，所述转子位于所述定子孔洞中，并且被配置为在所述定子内章动；

脉冲阀组件，位于所述脉冲马达下游，所述脉冲阀组件包括：

第一阀板，被配置为与所述转子章动，所述第一阀板包括多个第一端口；

第二阀板，位于所述第一阀板下游，所述第二阀板包括多个第二端口，其中，所述第二阀板固定地联接到所述定子，并且邻接所述第一阀板，以形成滑动密封，以及其中，所述第一端口中的至少一个通过所述第一阀板相对于所述第二阀板的所有章动位置而与所述第二端口中的至少一个流体连通；以及

其中：

所述多个第一端口包括：至少一个第一径向外轴向端口，被限定在所述第一阀板中；以及至少一个第一径向内轴向端口，被限定在所述第一阀板中；以及

所述多个第二端口包括：至少一个第二径向外轴向端口，被限定在所述第二阀板中；以及多个第二径向内轴向端口，被限定在所述第二阀板中，其中，所述第一和第二阀板中的每个具有中心轴线，并且所述第一和第二轴向端口中的每个具有中心轴线，以及其中，所述径向外轴向端口中的每个具有的中心轴线比在相同阀板上的所述径向内轴向端口中的每个的中心轴线径向更远离其相应阀板的中心轴线。

2.根据权利要求1所述的井下振荡工具，其中：

所述第二端口中的至少一个在流动面积上与其它第二端口不同。

3.根据权利要求1所述的井下振荡工具，其中：

每个第二径向内轴向端口在流动面积上与其它第二径向内轴向端口不同。

4.根据权利要求1所述的井下振荡工具，其中：

所述第二径向内轴向端口围绕所述第二阀板的中心纵向轴线径向对称地被设置。

5.根据权利要求1所述的井下振荡工具，其中：

所述第二径向内轴向端口围绕所述第二阀板的中心纵向轴线径向不对称地被设置。

6.根据权利要求1所述的井下振荡工具，其中：

所述至少一个第一径向外轴向端口被配置为与所述至少一个第二径向外轴向端口间歇地连通；以及

所述至少一个第一径向内轴向端口被配置为与所述多个第二径向内轴向端口中的每个间歇地连通。

7.根据权利要求1所述的井下振荡工具，其中：

所述至少一个第一径向内轴向端口一次仅与所述多个第二径向内轴向端口中的一个连通。

8.根据权利要求1所述的井下振荡工具，其中：

所述转子还包括被限定在所述转子中的纵向转子孔洞，所述转子孔洞沿着所述转子的整个长度延伸。

9.根据权利要求8所述的井下振荡工具，还包括：

下坠球组件，具有中心腔室，其中，所述下坠球组件联接到所述转子，使得所述中心腔室与所述转子孔洞流体连通，

所述下坠球组件包括：第一球座，适于接收第一下坠球，以关闭所述中心腔室，免于钻探液体流动；以及第二球座，适于接收第二下坠球，以打开所述关闭的中心腔室，用于钻探液体流动。

10.根据权利要求1所述的井下振荡工具，还包括：

冲击工具，具有冲击工具孔洞，所述冲击工具联接到所述定子，使得所述冲击工具孔洞和所述定子孔洞流体连通。

11.井下振荡工具，包括：

正排量Moineau马达，包括：

定子，环绕定子孔洞，所述定子孔洞限定沿着所述定子的长度延伸的至少三个螺旋形凸叶部，

转子，位于所述定子孔洞中，所述转子具有沿着所述转子的长度延伸的至少两个螺旋形凸叶部，并且被配置为在所述定子内章动；以及

脉冲阀组件，位于所述马达下游，所述脉冲阀组件具有被配置为与所述转子章动的第一阀板，所述第一阀板包括多个第一端口，所述脉冲阀组件还具有位于所述第一阀板下游的第二阀板，所述第二阀板包括多个第二端口，其中，所述第二阀板固定地联接到所述定子，并且邻接所述第一阀板，以形成滑动密封，其中，所述多个第一端口包括被限定在所述第一阀板中的至少一个第一径向外端口和至少一个第一径向内端口，以及其中，所述多个第二端口包括被限定在所述第二阀板中的至少一个第二径向外端口和多个第二径向内端口，其中，所述第一和第二阀板中的每个具有中心轴线，并且所述第一和第二端口中的每个具有中心轴线，以及其中，所述径向外端口中的每个具有的中心轴线比在相同阀板上的所述径向内端口中的每个的中心轴线径向更远离其相应阀板的中心轴线；

冲击工具，具有冲击工具孔洞，所述冲击工具联接到所述马达，使得所述冲击工具孔洞和所述定子孔洞流体连通；

其中，所述马达被配置为在旋转循环期间产生多个不同脉冲。

12.根据权利要求11所述的井下工具，其中，所述多个不同脉冲包括具有两个或多个不同幅度的脉冲。

13.根据权利要求11所述的井下工具，其中，所述多个不同脉冲包括具有两个或多个不同波长的脉冲。

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