CN1601049A - 自动下行线路系统 - Google Patents
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Abstract
一种下行线路系统，其包括至少一个泥浆泵，用于从一钻井流体储存箱中泵送钻井流体到一钻井系统、一个竖管，其与泥浆泵和钻井系统流体连通、以及一个与钻井系统流体连通的回路，其将钻井流体返回到钻井流体储存箱中。一个钻井流体调节器，其与至少包括竖管和回路的其中一组流体连通。
Description
技术领域
本发明总体上涉及一种下行线路系统以及一种传递下行线路信号的方法。
背景技术
通常在地面上钻井以获取聚集在地壳地质构造中的碳氢化合物和其它有用材料的自然沉积物。典型地使用一个连接在钻柱下端的钻头钻井。钻井以穿过含有聚集材料的地下结构，获取材料。
在钻柱的底端是一个“底部井筒组件”(“BHA”)。BHA包括连同传感器、控制机构和所需的电路的钻头。一个典型的BHA包括测量构造和构造中含有的流体的不同特性的传感器。BHA还包括测量该BHA方向和位置的传感器。
钻井操作由位于地表的一个操作员控制。通过一个旋转台或位于地表的驱动钻柱以合适的比率旋转，操作员控制钻头载荷(weight-on-bit)和其它钻井的操作参数。
钻井控制的另一方面与钻井流体相关联，叫做“泥浆”。泥浆是通过钻柱从地表泵送到钻头的流体。该泥浆用于冷却和润滑钻头，以及将钻屑携带到地表。小心地控制泥浆的密度以将井孔里的流体压力保持在合适的大小。
为了使操作员得知BHA的传感器的测量值，以及操作员可以控制钻头的方向，位于地表的操作员和BHA之间的信息传递是必需的。“下行线路”就是从地表到BHA的信息传递。基于BHA的传感器收集的数据，操作员可以发送一个命令到BHA。一个通常的命令是指示BHA改变钻井的方向。
同样，“上行线路”是从BHA到地表的信息传递。典型地上行线路传递BHA的传感器收集的数据。例如，通常操作员了解BHA的方位是很重要的。于是，BHA的传感器收集的方位数据通常被传递到地表。上行线路的信息传递还可用于确认下行线路命令被正确理解。
一个通常的信息传递方法被称为“泥浆脉冲遥测技术”。泥浆脉冲遥测技术是一种传递信息的方法，其或者在下行线路中或者在上行线路中在泥浆中制造压力和/或流量脉冲，这些脉冲可以被位于接收位置的传感器探测。例如，在下行线路操作中，泵入到钻柱的泥浆的压力或流量的变化可以被BHA的传感器探测到。脉冲的形式，例如频率和振幅，可以被传感器探测到以及被解释，这样BHA可以理解命令。
泥浆脉冲遥测技术在钻井领域是公知的。现有技术的下行线路包括暂时中断钻井操作，这样位于地表的泥浆泵可以循环开关以产生脉冲。钻井操作必须被中断，因为钻头需要不断流动的泥浆以更好的工作。于是，钻井必须终止而泥浆泵循环工作。
图1A表示了现有技术的泥浆脉冲遥测技术系统100。该系统100包括一个泥浆泵102，其从地表泵送泥浆到BHA112，以及从BHA回到地表。一个典型的钻台具有多个泥浆泵，它们共同泵送泥浆。泥浆泵是正向位移泵，其可在任何压力下以不变的流量泵送泥浆。这些泵由一个泵102示意地表示出。
泥浆储存箱104中的泥浆通过泵102被泵送到一个竖管108中，然后向下流经钻柱110到达位于BHA112的底端的钻头114。泥浆流经钻头114的端口(未示出)而离开钻柱110，在那里冷却和润滑钻头114。当泥浆向上流经环形空间116时，还携带钻屑到地表。一旦到达地表，泥浆流经一个泥浆回路118回到泥浆储存箱104。下行线路操作包括使泵102循环地开关以在泥浆中产生脉冲。BHA的传感器探测脉冲以及作为指令中断脉冲。
另一种现有技术的下行线路技术表示在图1B中。该下行线路信号系统120是从竖管108到泥浆回路118的一个通路。通过允许一些泥浆流经钻井系统来操作该系统120。替代流经钻柱(图1A中的钻柱)、BHA(图1A中的112)和回流经过环形空间(图1A中的116)，从竖管108直接流进泥浆回路118的泥浆具有相对小的摩擦。流经旁路系统120流进BHA(未示出)的泥浆流量的数量减少了。
旁路系统120包括一个截流阀124。在正常操作过程中，截流阀124关闭以防止任何物质流过旁路系统120。在正常操作过程中泥浆泵102的全部输出流进BHA(未示出)中。当操作员想要发送一个指令到BHA(未示出)时，可以通过持续地打开和关闭截流阀124来产生一个下行线路信号。通过使一部分泥浆流经通道120，截流阀124的打开和关闭在流到BHA(未示出)的泥浆流量中产生波动。这些脉冲被BHA(未示出)的传感器探测和中断。旁路系统120可以包括流量限制器122、126来帮助调节流经系统120的流量。
这种类型的系统的一个优点是旁路系统仅仅将全部流到BHA的泥浆流量的一部分分流。泥浆仍然流到BHA和钻头中，甚至在发送了下行线路信号的情况下钻井操作也可以持续。
发明内容
本发明一方面涉及一种下行线路系统，其包括至少一个泥浆泵，用于从一钻井流体储存箱中泵送钻井流体到钻井系统；一个竖管，其分别与泥浆泵和钻井系统流体连通；一个与钻井系统流体连通的回路，其将钻井流体返回到钻井流体储存箱；和一个钻井流体调节器，其与至少包括竖管和回路的其中一组流体连通。
本发明的另一方面涉及一种传递下行线路信号的方法，其包括将钻井流体泵送到一钻井系统中，以及可选择地操作一个调节器，以在钻井流体流中产生脉冲。在一些实施例中，调节器设置在竖管中。
本发明的一方面涉及一钻井流体泵控制器，其包括至少一个连接到控制台的致动装置，以及至少一个连接到至少一个致动装置和一个泵控制机构的连接器。在至少一个实施例中，泵控制机构是泵控制钮。
本发明的另一方面涉及一种产生下行线路信号的方法，其包括将一个致动装置连接到一个泵控制板上，将致动装置连接到泵控制板上的一个泵控制装置中，以及通过使用致动装置可选择地控制泵控制装置在钻井流体流中产生一个脉冲。
本发明的另一个方面涉及一个下行线路系统，其包括一个与一钻井系统流体连通的钻井流体泵，该钻井流体泵具有多个泵元件，和一个泵无效率控制器(或泵失效控制器)，其可操作地连接到多个泵元件中的至少一个上，以可选择地降低多个泵元件中的至少一个的效率。
本发明的另一个方面涉及一种产生下行线路信号的方法，其包括使用至少一个具有多个泵元件的钻井流体泵泵送钻井流体，以及通过可选择地降低多个泵元件中的至少一个的效率在钻井流体流中产生脉冲。
本发明的另一个方面涉及一个下行线路系统，其包括至少一个主要的钻井流体泵，其在至少一个钻井流体泵的进口与一钻井流体箱流体连通，以及在至少一个钻井流体泵的出口与一个竖管流体连通，一个下行线路泵在往复式下行线路泵的出口与一个竖管流体连通。
本发明的另一个方面涉及一种产生下行线路信号的方法，其包括将钻井流体以标定流量泵送到一个钻井系统中，以及使用一个下行线路泵来可选择地交替增加和减少钻井流体的泥浆流量，该下行线路泵的进口和出口分别与一个竖管流体连通。
本发明的另一个方面涉及一个下行线路系统，其包括至少一个主要的钻井流体泵，其在至少一个钻井流体泵的进口与一钻井流体箱流体连通，以及在至少一个钻井流体泵的出口与一个竖管流体连通，以及一个电路可操作地连接到至少一个主要的钻井流体泵上，且适于调节至少一个主要钻井流体泵的速度。
本发明的另一个方面涉及一种产生下行线信号的方法，其包括操作至少一个主要的钻井流体泵以泵送钻井流体流经一个钻井系统，接合电路以调节至少一个主要的钻井流体泵的速度。该电路可操作地连接到至少一个主要的钻井流体泵上。
从下面的说明以及从属权利要求中可以很明显地看出本发明的其它方面和优点。
附图说明
图1A表示现有技术的下行线路系统的示意图；
图1B表示现有技术的旁路下行线路系统的示意图；
图2表示根据本发明一个实施例的旁路下行线路系统的示意图；
图3A表示根据本发明一个实施例的一个调节器的分解图；
图3B表示根据本发明一个实施例的一个调节器的分解图；
图4A表示根据本发明一个实施例的旁路下行线路系统的示意图；
图4B表示根据本发明另一个实施例的旁路下行线路系统的示意图；
图5A表示根据本发明一个实施例的下行线路系统的图表；
图5B表示根据本发明一个实施例的下行线路系统的图表；
图5C表示根据本发明一个实施例的下行线路系统的图表；
图5D表示根据本发明一个实施例的下行线路系统的图表；
图6A表示根据本发明一个实施例的下行线路系统的示意图；
图6B表示根据本发明一个实施例的泥浆泵的示意图；
图7表示根据本发明一个实施例的下行线路系统的示意图；
图8表示根据本发明一个实施例的下行线路系统的示意图；以及
图9表示根据本发明一个实施例的下行线路系统的示意图。
具体实施方式
在某些实施例中，本发明涉及下行线路系统和发送一个下行线路信号的方法。通过在泵送到钻头的泥浆的压力或流率中产生脉冲来产生一个下行线路信号。下面将要参考附图来说明本发明。
在这里下面的术语具有特定含义。本领域普通技术人员认为的具有普遍含义的装置在这里还具有特定含义。
在这里，“流体连通”指的是以这种方式连接，即在其中一个部件中的流体可以运行到其它部件中。例如，通过将旁路管线直接与竖管连接，旁路管线可以与一个竖管流体连通。“流体连通”还包括设置在流体连通的元件之间的另一个部件的情况。例如，可以设置在竖管和旁路管线之间的一个阀、一个软管、或用于产生油和气的设备的一些其它零件。只要流体从一个部件流经中间部件或各部件到另一个部件，竖管和旁路管线仍旧可以流体连通。
“竖管”是本领域已知术语，其典型的含义是延伸直到钻机大约1/3的路途的高压流体通道。然而在本文中，“竖管”更多用于表示泥浆泵和钻柱之间的流体通道，其包括导管、管子、软管和其它流体通道。
一个“钻井系统”典型地包括一个钻柱、一个带有传感器的BHA和一个位于BHA的底部的钻头。流向钻井系统的泥浆必须返回流经位于钻柱和井孔壁之间的环形空间。在本领域中，“钻井系统”可能已知包括钻机、旋转台和其它钻井设备，但是在这里其指的是那些与钻井流体接触的元件。
在这里，“可选择地”用于表示由人员或控制电路根据一些标准选择的时间。例如，一个钻井操作员可以选择传递下行线路信号的时间。在自动操作系统中，计算机或控制电路根据系统的输入选择何时传递下行线路信号。
图2表示根据本发明一个实施例的下行线路系统的示意图。该系统包括一个旁路管线200，其上具有一个截流阀204、一个流量限制器205、一个流量分流器206、一个连接到控制电路231上的调节器210、和一第二流量限制器215。旁路管线200与位于上游端的竖管208和位于下游端上的回路218流体连通。这样的布置可以使旁路管线200分流来自竖管208的泥浆，从而减小流到BHA(未示出)的流量。
旁路系统200包括一个调节器210，用于改变流经旁路系统200的泥浆的流量。流量的频率和振幅的变化限定了下行线路的信号。在后面将参考附图3A详细说明调节器的一个实施例。
在图2中，下行线路系统包括一个截流阀204。截流阀204用于当不传递下行线路信号时隔断旁路管线200。通过关闭截流阀204，下行线路系统受到保护防止在泥浆流经系统的元件可能发生的腐蚀。当旁路管线200处于使用中时，截流阀204可能处于全开位置，这样其不会暴露在腐蚀截流阀(例如图1B中的124)的高泥浆速度中。在一个优选实施例中，截流阀204设置在一个流量调节器(例如205)的上游，这样截流阀204不会遭受出现在流量限制器下游的高的泥浆流量。
流量分流器和流量限制器是本领域熟知的部件。它们示意地表示在几幅图，包括图2。本领域技术人员熟知这些部件以及如何操作这些部件。下面说明在本发明的包括一个流量限制器或一个流量分流器的那些实施例中的它们的特定操作。
在一些实施例中，根据本发明的旁路管线200包括一个流量限制器205。流量限制器205限制流量，限制流经旁路管线200的泥浆的数量。流量限制器205还具有相对低的成本以及易于更换。这使得流量限制器205可被流经的泥浆腐蚀而不会损坏系统中更多昂贵的部件。
当流量限制器205位于调节器210的上游时，其还可以充当一个压力脉冲反射器，该反射器减小在竖管208中产生的噪音。例如，调节器210可用于在泥浆流中产生脉冲。其具有产生压力的反向脉冲的负面影响，该反向脉冲将在竖管208中传播并产生噪音。在也使用上行线路遥测技术的钻井系统中，噪音会干扰上行线路信号的探测。一个流量限制器205将反射这些反向压力脉冲的一大部分，从而减小噪音对竖管208的影响。
需要注意的是，在位于BHA的下行线路传感器是压力转换器(或传感器)的情况下，希望可以使用在调节器的上游没有流量限制器的下行线路系统。于是，根据本发明一些实施例的下行线路系统不包括流量限制器205。本领域普通技术人员可以设计一个具有可选择的部件的下行线路系统以适应特定应用。
在一些实施例中，根据本发明的一个下行线路系统包括一个流量分流器206，其位于调节器210的上游。流量分流器206可用于减小旁路管线202中紊流的数量。流量分流器206表示为双分支流量分流器，但是也可以使用其它类型的流量分流器。例如，还可以使用具有几个弯管的流量分流器。本领域普通技术人员可以设计其它但不超出本发明范围的流量分流器。
流量分流器206是有利的，因为流量限制器205下游的泥浆流通常是紊流。流量分流器206可用来携带泥浆流回一个较少紊流的区。这可以减小泥浆流对调节器210的腐蚀作用。
在一些实施例中，流量分流器206上涂有一层防腐涂层。例如碳化物或金刚石材料的涂层，其可以防止流量分流器206内部的腐蚀。在至少一个实施例中，流量分流器206包括易于更换的碳化物插入件。在这点上，该插入件可以被认为是一个设计成被磨损和替换的易损件。
在一些实施例中，根据本发明的下行线路系统200包括一第二流量限制器215，其设置在调节器210的下游。该第二流量限制器用作产生足够的反压以避免调节器210中的气穴现象。气穴现象是危险的因为其影响泥浆脉冲信号且会在调节器210中造成严重的腐蚀。在气穴现象不危险的情况下，使用本发明的不包括第二或下游流量限制器215的实施例是有利的。
本领域技术人员将意识到上述部件可以任何顺序设置在下行线路系统中，其对于特定应用是有利的。例如，图2所述的实施例可以改变为在第二流量限制器215的下游增加一第二流量分流器。本领域普通技术人员可以设计不超出本发明范围的其它部件布置。
图3A表示根据本发明的一个调节器301的分解图。调节器301位于一个管道部分308中，例如旁路管线或是竖管。如图3A所示，调节器301包括一个转子302和一个定子304(或限制器)。优选的，转子包括三个通道311、312、313，其允许流体流经转子302。定子包括类似的通道321、322、323。
图3A是分解图。典型地，转子302和定子304连接，这样在它们之间没有间隙或小间隙。一个典型的调节器还可以包括一个转动转子302的马达(在图3A中未示出)。
当转子302转动时，转子302上的通道311、312、313交替地覆盖和打开定子304上的通道321、322、323。当定子上的通道321、322、323被覆盖时，限制流经调节器301的流量。转子302的持续转动使得调节器301中的流量限制在关闭到最小尺寸和打开到最大尺寸之间的交替地变化。这样在泥浆流中产生正弦波脉冲。
在一些实施中，例如图3A中示出的，转子302包括一个中央通道331，其可以使流体流过转子302。定子304具有一个类似的中央通道332。中央通道331、332可使得至少一些流体流经调节器，这样流经调节器301的流体不会完全停止。
在一些实施例中，转子302上的通道311、312、313的尺寸确定为使得它们不会完全阻塞定子304上的通道321、322、323。本领域技术人员可以设计不超出本发明范围的转子和定子的其它实施例。
图3B示出了根据本发明的调节器351的另一个实施例。调节器351包括两个部分361和371，它们布置成调节流量。例如，在一个实施例中，部分371包括一个配装到外部分361的内段。于是调节器可以安装到一个管道中(未示出)。
流经该管道的流体可通过相对于另一个部分转动其中一个部分来被调节。例如，内部分371相对于外部分361转动。当内部分上的窗口373与外部分361上的窗口363对准时，流经调节器351的流量最大。当内部分371上的窗口373没有与外部分361上的窗口363对准时，流经调节器的流量最小。
调节器351可以以不同构形布置。例如，调节器351可以平行于管道中流体布置。在这样一个构形中，当窗口363、373没有对准时，调节器351可以完全阻塞流经该管道的流体。在一些实施例中，调节器这样布置使得流体可以通过位于调节器351和该管道(未示出)之间的环形空间内的调节器。在这些实施例中，流经调节器的中心的流量可以通过相对于另一个转动部分361、371中的一个来调节。在其它实施例中，当窗口363、373没有对准时，调节器布置成可以完全阻塞流经管道的流体。
在一些其它的实施例中，调节器可以垂直于管道(未示出)中流体布置。在这样一个实施例中，调节器可充当一个调节流经管道的流量的阀。本领域技术人员可以设计不超出本发明范围的调节器的其它实施例和布置。
带有调节器的下行线路系统的一个或多个实施例具有下列优点。调节器可以产生正弦波，其频率和振幅可以容易地被BHA上的传感器探测到。正弦波的频率还可以相对于现有技术系统具有较快的传递速度。有利地，正弦波相比于其它类型的信号具有较小的谐波以及产生噪音小的优点。相比于现有技术中所需的20到30分钟，本发明某些实施例可以使下行线路信号的传递仅仅需要几分钟。
有利地，本发明某些实施例可以使下行线路信号的传递与钻井操作同时进行。这意味着在钻井操作持续进行时，不需要中断钻井过程就可以传递下行线路信号。一些实施例可以调节调节器，这样操作员可以根据泥浆流的需要平衡所需的信号强度。而且，当需要中断钻井操作时，改进的传递速度可以使钻井操作在较短的时间内继续进行。
图4A表示根据本发明的下行线路系统400的另一个实施例。调节器410平行于竖管408布置且位于泥浆泵402的下游。图4A示出的调节器410的实施例调节竖管408中的压力而不是调节流经通道的泥浆流量。
在图4A中示出的实施例中，下行线路系统400包括一个位于泥浆泵402下游和调节器410上游的流量分流器406。来自泥浆泵的泥浆流通常是紊流，且其在调节器410上游希望产生一个正常的流动状态。如上面参考附图3A所述，流量分流器406在其内部涂覆一层防腐层，例如碳化物或金刚石。在一些实施例中，流量分流器406包括一个设计成易于更换的碳化物插入件。
图4A所示的调节器410平行于一第二流量限制器411。该第二流量限制器411可以使一些泥浆流过调节器而没有被调节。其作用是阻尼调节器410所产生的信号。然而这种阻尼会降低信号强度，不过其还是希望的。第二流量限制器411可以使足够的泥浆流经下行线路系统400，这样当传递一个下行线路信号时，钻井操作可以持续地进行。当选择下行线路系统的部件时，本领域技术人员可以根据所需的信号强度平衡泥浆流的需求。
在一些实施例中，尽管在图4A中没有示出，下行线路系统包括一个位于调节器410下游的流量限制器。在许多情况下，钻井系统提供足够的抵抗力而不需要流动限制器。然而当其有利时，为了调节器410适当的工作，钻井系统可以提供反压。
在另一个实施例中，如图4B所示，下行线路系统450设置在泥浆回路418中。图4B所示的实施例包括一个流量分流器406、一个平行于流量限制器411的调节器410、和一个位于下游的流量限制器415。每个部件的操作大致与图4A中所示的相同部件的操作相同。然而在这里，下行线路系统450位于一个回路418中而不是竖管中(图4A中的408)。下行线路系统450仍可以在钻井系统(未示出)中调节泥浆压力，这样脉冲可以通过BHA的传感器来探测。有利地，设置在泥浆回路中的下行线路系统在竖管中产生非常小的会影响上行线传递的噪音。
在图5A中示出了下行线路控制系统500的根据本发明的一个实施例。操作者的控制台502典型地包括泵控制机构。如图5A所示，泵控制机构包括控制泥浆泵(未示出)的速度的旋钮(或按钮)504、505、506。图5A示出了可以控制三个泥浆泵的三个控制旋钮(或按钮)504、505、506(未示出)。钻井系统可以包含多于或少于三个的泥浆泵。从而，控制台可以具有多于或少于三个的泥浆泵控制旋钮。控制台上的控制旋钮的数量在本发明中没有限制。
一个典型的现有技术操作下行线路系统的方法包括中断钻井操作，手动操作控制旋钮504、505、506以使泥浆泵循环开启及关闭。可选择地，操作控制旋钮504、505、506以调节泵送率，这样下行线路信号可以在钻井操作持续进行时被传递。在这两种情况下，钻井人员操作控制旋钮504、505、506。需要注意的是，在本领域中，术语“钻井者”通常指钻台上的特定人员。在这里使用的“钻井者”指任何位于钻台上的人员。
在本发明的一个实施例中，控制台502包括与控制旋钮504、505、506连接的致动装置511、513、515。致动装置511、513、515通过皮带512、514、516与控制旋钮504、505、506连接。例如，致动装置511通过一个皮带512与控制旋钮504连接，皮带512卷绕控制旋钮504的柱。其它致动装置511、513通过类似的方法与控制旋钮504、505连接。
致动装置可以以许多不同的方式操作。例如，每个致动装置可以单独设定操作控制旋钮到一个理想的频率和振幅。在一些实施例中，致动装置511、513、515连接到一个计算机上或其它控制致动装置511、513、515操作的电控系统。
在一些实施例中，致动装置511、513、515与控制台整体构成。在一些其它实施例中，致动装置511、513、515连接到控制台502上以操作控制旋钮504、504、506。例如，致动装置511、513、515可以磁性连接在控制台502上。其它将致动装置连接到控制台上的方法包括螺钉和销机构。本领域技术人员可以设计其它不超出本发明范围的将致动装置连接到控制台上的方法。
致动装置511、513、515可通过除了使用皮带511、513、515以外的其它方法连接到控制旋钮504、505、506上。例如，图5B示出了一个泵控制旋钮504，其通过使用一个驱动轮523连接到致动装置521上。致动装置使驱动轮523转动，从而使控制旋钮504的柱509转动。在一些实施例中，例如图5B中示出的，致动装置521包括一个张紧臂524，其将致动装置521和驱动轮523保持在适当位置。在图5B中张紧臂524包括两个自由转动轮528、529，它们从驱动轮523接触控制旋钮504的柱509的相对侧。
图5C示出了连接到一个泵控制杆535的致动装置531的另一个实施例。致动装置531包括一个驱动轮533，其通过一个连接杆534连接到泵控制杆535上。当驱动轮533由致动装置531驱动转动时，通过连接杆534杆535在相应的方向上移动。
图5D表示根据本发明的致动装置541的另一个实施例。该致动装置541被安装在泵控制杆546的顶部。致动装置541的内部形状与泵控制杆546的形状一致。当致动装置541的内部驱动544转动时，泵控制杆546也转动。
致动装置的一个或多个实施例具有下列优点。致动装置连接到现有的钻井系统上。于是，可以获得一种改进的下行线路系统而不需要在泵系统中附加昂贵的装备。
有利地，致动装置的机械控制比人工控制要快且精确。因而，下行线路信号可以传递地更快，提高了第一次传递准确地被接收的概率。机械致动装置的准确性还可以在钻井操作过程中传递足够的泥浆流以及下行线路信号。
有利地，致动装置的机械控制提供了无需附加部件的下行线路系统，这些附加部件会被泥浆流腐蚀。因为钻井系统不需要其它改进，操作者和钻井者可以更好地了解下行线路系统。而且，当需要时，这样一个系统易于移开。
在一些其它的实施例中，下行线路系统包括使泥浆泵无效率工作或至少一部分泥浆泵暂时停止工作的装置。例如，图6示意地表示了一个泵无效率控制器601，其连接到一个泥浆泵602a上。图6示出了三个泥浆泵602a、602b、602c。钻机可以包括多于或少于三个的泥浆泵。在图6A中示意地表示了三个泥浆泵。
每个泥浆泵602a、602b、602c从泥浆储存箱604中抽取泥浆且将泥浆泵入到竖管608中。理想地，泥浆泵602a、602b、602c以一个不变流量泵送泥浆。泵无效率控制器601连接到第一泥浆泵602a上，这样控制器601可以影响第一泥浆泵602a的效率。
图6B示意地表示了第一泥浆泵602a的内部泵元件。泵602a的泵元件包括三个用于泵送泥浆的活塞621、622、623。例如，第三活塞623具有一个吸入行程，在此活塞623远离进入阀625，且从泥浆箱中抽取泥浆到活塞腔室中。第三活塞623还具有一个排出行程，在此活塞623以相反方向移动并将泥浆推出排出阀626而进入到竖管(图6A中的608)中。其它活塞621、622的每一个都具有类似的工作过程，这里不一一说明了。
第一活塞621包括一个阀控制器628，该阀控制器构成泵无效率控制器的一部分或操作上连接到该泵无效率控制器(图6A中的604)上。当想要传递一个下行线路信号时，在吸入行程过程中，阀控制器628防止位于第一活塞621上的进入阀627打开。结果，第一活塞621不会抽取在排出行程泵出的任何泥浆。通过防止进入阀627打开，第一泵603的效率下降大约33％。整个泵系统(例如，包括在图6A中的实施例示出的所有三个泥浆泵602a、602b、602c)的效率下降大约11％。
通过操作泵无效率控制器(图6A中的604)，可以减小泥浆泵系统的效率，从而减小流量。泵无效率控制器的间断或选择操作在泥浆流量中产生脉冲，其可以被BHA的传感器探测到。
泵无效率控制器的一个或多个实施例具有下列优点。无效控制器可以连接到任一个任何预先存在的泥浆泵系统上。下行线路系统可以在不需要为泵系统附加任何装备的情况下工作。泵无效率控制器可以由一个计算机或其它自动程序控制，这样可以消除生成脉冲时的人工错误。没有人工错误，下行线路信号可以被传递地更快，更多的第一次信号传递可以被正确的接收。
图7A示意地表示了根据本发明的下行线路系统700的另一个实施例。下行线路泵711连接到通向竖管708的泥浆总管707，但是它不与泥浆箱704连接。作为一个典型的泥浆泵系统，几个泥浆泵702a、702b、702c连接到泥浆箱704上。来自泥浆箱的泥浆被泵入到泥浆总管707中，然后进入到竖管708中。
如本领域已知的，泵具有一个“进入”，流体从此处进入泵中。泵还具有一个“排放”，流体从此处流出泵。在图7A中，每个泥浆泵702a、702b、702c的进入端都被连接到泥浆储存箱704，且每个泥浆泵702a、702b、702c的排放端都被连接到泥浆总管707上。下行线路泵711的进入端和排放端都被连接到泥浆总管707上。
图7A中示出的下行线路泵711是一个往复式活塞泵，其吸入和排出行程类似上面参考图6B所描述的。在吸入行程，泥浆被抽取到下行线路泵711中，而在排出行程，泥浆被强制排出下行线路泵711。下行线路泵711的操作不同于泥浆泵系统中的其它泵702a、702b、702c，因为它不与泥浆箱704连接。下行线路泵711的进入阀和排出阀(未示出)与泥浆总管707相连。于是，在吸入行程，下行线路泵711从泥浆总管707抽取泥浆，减小泥浆泵系统的全部流量。在排出行程，下行线路泵711将泥浆泵入泥浆总管707中，并增加泥浆泵系统的全部流量。在一些实施例中，用一个阀充当下行线路泵的进入端和排放端。在至少一个实施例中，下行线路泵连接到总管，但是不包括任何阀。通过与总管连接泥浆可以从下行线路泵中流入和流出。
下行线路泵711的选择操作产生对BHA(未示出)的泥浆流量的调节。该调节不仅包括减小流量-如上所述的旁路系统-还包括增加流量，其在下行线路泵711的排出行程中产生。通过改变下行线路泵711的速度可控制下行线路信号的频率。通过改变下行线路泵711的行程长度或活塞和套筒尺寸来改变下行线路信号的振幅。
本领域普通技术人员熟知下行线路泵的位置没有限制泵总管。一个下行线路泵可以位于其它位置，例如，位于沿着竖管的任一位置。
图8示意地示出了根据本发明的下行线路系统820的另一个实施例。泥浆泵系统包括泥浆泵802a、802b、802c，其被连接在一个泥浆箱804和一个竖管808之间。上面已经说明了这些部件的操作，为了简便，这里不再重述。
下行线路系统包括两个隔膜泵821、825，其进口(或进入端)和出口(或排放端)连接到泥浆总管807上。隔膜泵821、825包括一个隔膜822、826，其将泵821、825分割成两部分。隔膜822的位置可由位于隔膜822的后侧的空气压力气动控制。在一些实施例中，隔膜822的位置由一个机械连接在隔膜822上的液压致动器或机电致动器控制。当空气压力下降到小于泥浆总管807中的压力时，泥浆从总管807中流进隔膜泵821。相反地，当隔膜822后面的压力增加大于泥浆总管807中的压力时，隔膜泵821将泥浆泵入到泥浆总管807中。
图7表示了一个活塞下行线路泵，图8表示了两个隔膜下行线路泵。本发明不限于这两种类型的泵也不限于一种或两种下行线路泵。本领域技术人员可以设计不超出本发明范围的其它类型和数量的下行线路泵。
图9示意地示出了根据本发明下行线路泵911的另一个实施例。下行线路泵911的出口与泥浆总管907连接，而下行线路泵911的进口与泥浆箱904连接。在这个实施例中的下行线路泵911将泥浆从泥浆箱904泵入到泥浆总管907中，从而增加泥浆泵902a、902b、902c所产生的标定流量。
在正常操作过程中，下行线路泵911不工作。下行线路泵911仅仅在下行线路信号被发送到BHA(未示出)时才工作。下行线路泵911可间断工作以产生增加的流量的脉冲，该脉冲可以被BHA(未示出)的传感器检测到。这些脉冲属于增加的流量，所以当发送下行线路信号时，流向BHA的泥浆保持充足以持续地进行钻井操作。
下行线路泵的一个或多个实施例具有下列优点。往复式泵可以通过选择下行线路泵的速度和行程长度来控制信号的频率和振幅。有利地，往复式泵可以在短时间内传递复杂的泥浆脉冲信号。
本领域熟知这种形式的泵以及其所需的养护保养规划和程序。下行线路泵可以与泥浆泵同时进行保养和维修。下行线路泵不需要增加由于保养和维修导致的附加损失时间。
有利地，隔膜泵不需要移除磨损或损坏的部件。隔膜泵与其它种类的泵相比，可需要少量的保养及维修。
有利地，与泥浆箱和竖管相连的下行线路泵通过增加标定泥浆流量来工作。于是，不需要中断钻井操作来传递下行线路信号。
在一些实施例中，下行线路系统包括电路，其可操作地与至少一个泥浆泵的马达连接。电路控制及改变泥浆泵的速度以调节流经钻井系统的泥浆流量。
前述下行线路系统的一个或多个实施例具有下列优点。其可自动进行，消除了下行线路过程的人工判断失误。因此，这些实施例中的一些包括一个计算机或电子系统以精确地控制下行线路信号的传递。例如下行线路系统包括一个调节器，其可操作地与一个位于钻机附近的计算机相连。在下行线路信号传递过程中该计算机控制调节器。再次参考附图2，调节器可操作地与一个控制电路231相连。本领域技术人员会意识到上述任一实施例都可操作地与一个控制电路相连，例如计算机。
Claims (43)
1.一种下行线路系统，它包括：
至少一个泥浆泵，用于从钻井流体储存箱中泵送钻井流体到钻井系统；
竖管，其与泥浆泵和钻井系统流体连通；
与钻井系统流体连通的回路，其用于将钻井流体返回钻井流体储存箱中；以及
钻井流体调节器，其与包括竖管和回路的至少一组流体连通。
2.根据权利要求1的下行线路系统，其特征在于，所述钻井流体调节器与竖管串联设置。
3.根据权利要求1的下行线路系统，其特征在于，所述钻井流体调节器与回路串联设置。
4.根据权利要求1的下行线路系统，其特征在于，所述钻井流体调节器设于旁路管线上，该旁路管线与竖管流体连通。
5.根据权利要求4的下行线路系统，其特征在于，所述旁路管线与回路流体连通。
6.根据权利要求4的下行线路系统，其特征在于，所述旁路管线将钻井流体排放到钻井流体储存箱中。
7.根据权利要求1的下行线路系统，其特征在于，其还包括流量限制器。
8.根据权利要求7的下行线路系统，其特征在于，所述流量限制器设置在钻井流体调节器的上游。
9.根据权利要求7的下行线路系统，其特征在于，所述流量限制器设置在钻井流体调节器的下游。
10.根据权利要求7的下行线路系统，其特征在于，所述流量限制器平行于钻井流体调节器设置。
11.根据权利要求1的下行线路系统，其特征在于，其还包括流量分流器。
12.根据权利要求11的下行线路系统，其特征在于，所述流量分流器设置在调节器的上游。
13.根据权利要求1的下行线路系统，其特征在于，所述钻井流体调节器可操作地与电控系统连接。
14.根据权利要求1的下行线路系统，其特征在于，所述调节器平行于流动方向设置。
15.根据权利要求1的下行线路系统，其特征在于，所述调节器垂直于流动方向设置。
16.一种传递下行线路信号的方法，它包括：
将钻井流体从储存单元泵送到钻井工具上；以及
可选择地操作调节器以在钻井流体中产生脉冲。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，所述调节器设置在竖管中。
18.根据权利要求16的方法，其特征在于，所述调节器设置在回路中。
19.根据权利要求16的方法，其特征在于，所述调节器设置在旁路管线中。
20.根据权利要求16的方法，其特征在于，调节器的操作与钻井操作同时进行。
21.一种用于泵的控制器，该泵适于从储存单元将钻井流体泵送到钻井工具上，它包括：
至少一个致动装置，其连接在泵的控制台上；以及
至少一个连接器，其连接控制台的至少一个致动装置和泵控制机构。
22.根据权利要求21的控制器，其特征在于，所述泵控制机构是泵控制钮。
23.根据权利要求21的控制器，其特征在于，所述泵控制机构是泵控制杆。
24.根据权利要求21的控制器，其特征在于，至少一个致动装置与控制台磁性连接。
25.根据权利要求21的控制器，其特征在于，至少一个连接器包括连接杆。
26.根据权利要求21的控制器，其特征在于，至少一个连接器包括皮带。
27.根据权利要求26的控制器，其特征在于，至少一个泵控制机构包括具有柱的泵控制旋钮，而所述皮带可操作地连接在所述柱上。
28.根据权利要求21的控制器，其特征在于，至少一个连接器包括驱动轮。
29.根据权利要求28的控制器，其特征在于，至少一个致动装置还包括张紧臂。
30.一种产生下行线路信号的方法，它包括：
使用泵将钻井流体从储存单元泵送到钻井工具上；
将致动装置连接到泵的控制板上；
将所述致动装置连接到泵控制板上的泵控制装置上；以及
通过使用致动装置可选择地控制泵控制装置在钻井流体流中产生脉冲。
31.根据权利要求30的方法，其特征在于，脉冲的产生与钻进操作同时进行。
32.一种下行线路系统，它包括：
管道，用于从泥浆坑中传输钻井流体到钻井工具；
钻井流体泵，其可操作地与所述管道相连，所述钻井流体泵具有多个泵送元件；以及
泵无效率控制器，其可操作地与多个泵送元件的至少一个连接，用于可选择地减小多个泵送元件中的至少一个的效率。
33.根据权利要求32的下行线路系统，其特征在于，所述泵无效率控制器可操作地连接到多个泵元件中的至少一个的进入阀。
34.一种产生下行线路信号的方法，它包括：
使用至少一个钻井流体泵从储存单元泵送钻井流体到钻井工具上，该钻井流体泵具有多个泵送元件；以及
通过可选择地减小多个泵送元件中的至少一个的效率在钻井流体流中产生脉冲。
35.一种下行线路系统，它包括：
至少一个主要的钻井流体泵，其在至少一个钻井流体泵的进口与钻井流体箱流体连通，以及在至少一个钻井流体泵的出口与竖管流体连通；以及
往复式下行线路泵，其在所述往复式下行线路泵的出口与竖管流体连通。
36.根据权利要求35的下行线路系统，其特征在于，下行线路泵在所述往复式下行线路泵的进口与所述竖管流体连通。
37.根据权利要求35的下行线路系统，其特征在于，通过往复式下行线路泵的出口，钻井流体流入和流出下行线路泵。
38.根据权利要求35的下行线路系统，其特征在于，往复式下行线路泵在所述往复式下行线路泵的进口与所述钻井流体箱流体连通。
39.根据权利要求35的下行线路系统，其特征在于，往复式下行线路泵包括隔膜泵。
40.根据权利要求35的下行线路系统，其特征在于，其还包括第二往复式下行线路。
41.一种产生下行线路信号的方法，它包括：
从泥浆坑泵送标定流量的钻井流体到钻井工具；以及
使用下行线路泵可选择地交替增加和减少钻井流体的泥浆流量，该下行线路泵的进口和出口分别与竖管流体连通。
42.一种下行线路系统，它包括：
至少一个主要的钻井流体泵，其在至少一个钻井流体泵的进口与钻井流体箱流体连通，以及在至少一个钻井流体泵的出口与竖管流体连通；以及
电路可操作地连接到至少一个主要的钻井流体泵上，以调节至少一个主要钻井流体泵的速度。
43.一种产生下行线路信号的方法，它包括：
操作至少一个主要的钻井流体泵以从储存单元泵送钻井流体到钻井工具；以及
接合电路以调节至少一个主要的钻井流体泵的速度，该电路可操作地连接到至少一个主要的钻井流体泵上。
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