CN1721655B

CN1721655B - 从井内的井下钻柱向地面传递信息的改进型旋转脉冲发生器

Info

Publication number: CN1721655B
Application number: CN2005100811233A
Authority: CN
Inventors: 卡尔·A·佩里; 丹尼尔·E·伯吉斯; 威廉·E·特纳
Original assignee: APS Technology Inc
Current assignee: Aps Technology Co ltd
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2025-06-27
Also published as: GB2415977A; GB0513787D0; CA2506912A1; CN1721655A; US20060034154A1; CA2506912C; GB2415977B; US7327634B2

Abstract

一种旋转脉冲发生器，用于通过产生压力脉冲给地面传递来自在井孔内的井下处的信息，这些压力脉冲已编码从而含有信息。压力脉冲到达地面，在地面对压力脉冲解码从而破译该信息。该脉冲发生器包括：壳体，壳体包含形成有通道的定子，钻井流体通过所述通道流向钻头；转子；和围住该转子的可更换的磨损套筒。转子具有叶片，根据转子的周向方位，叶片能够对流过定子通道的钻井流体的流动施加可变的阻塞，从而由马达对转子的转动产生编码的压力脉冲。转子位于定子的下游，对转子叶片成形使得：当马达不工作时，给转子施加流体动力打开力矩，该力矩倾向于转动转子离开引起最大阻塞的周向方位并向引起最小阻塞的周向方位转动转子。扭簧提供的机械力也倾向于把转子转动到提供最小流动阻塞的方位。

Description

从井内的井下钻柱向地面传递信息的改进型旋转脉冲发生器

技术领域

本发明涉及一种改进型旋转脉冲发生器，其用于从井内的井下位置向地面传递信息，该改进型旋转脉冲发生器用于例如泥浆脉冲遥测系统，该泥浆脉冲遥测系统用在钻油井的钻柱中。

背景技术

在地下钻探例如气体、油或地热钻探过程中，穿过地下深处的地层钻孔。通过把钻头与称为“钻管”的长管部分相连形成这种孔，从而形成通常称为“钻柱”的组件，该组件从地面延伸到孔的底部。转动钻头使其前进进入地下，从而形成孔。在旋转钻探过程中，通过在地面转动钻柱来转动钻头。在定向钻井过程中，通过与钻头相连的井下泥浆马达来转动钻头；在钻井过程中，钻柱的余部不转动。在可操纵的钻柱中，泥浆马达弯曲为与钻头的中心线成微小的角度，从而产生侧向力，该侧向力引导钻头的路径离开直线。无论如何，为了润滑钻头并冲洗来自其路径的切屑，地面上的活塞操作的泵经过钻柱内的内部通道通过钻头泵出称为“钻探泥浆”的高压流体。钻探泥浆接着通过在钻柱与孔表面之间形成的环形通道流到地面。

取决于钻井操作，流过钻柱的钻探泥浆的压力通常在1,000与25,000psi之间。另外，在钻头处有较大的压降，从而流到钻柱外部的钻探泥浆的压力远小于在钻柱内部流动的钻探泥浆的压力。这样，钻柱内的构件就受到较大压力的影响。另外，钻柱的构件还受到来自钻探泥浆的磨损以及钻柱振动的影响。

钻柱的远端包括称为“底孔装置”的钻头。在“随钻测量”(MWD)应用中，底孔装置中的感测组件提供与钻井方向有关的信息。该信息能够用于例如控制钻头在可操纵的钻柱内前进的方向。这种传感器可以包括用于感测方位角的磁强计和用于感测倾角与刀面的加速度计。

在历史上，通过以下方法来得到与井内条件有关的信息，例如关于所钻地层的信息：停止钻井；拆下钻柱；和使用钢缆索将传感器下降到孔中，然后在进行测量之后取出钢缆索。该方法公知为钢索取样法。更近些时候，已经把感测组件加入底孔装置，以给钻井操作者提供与钻井操作的一个或多个方面有关的基本实时的信息，例如钻井进度。在“随钻取样”(LWD)应用中，提供相关信息的钻井方面包括所钻地层的特性。例如，可以使用电阻率传感器发送并随后接收高频波信号(例如电磁波)，这些高频波信号穿过围绕该传感器的地层。通过比较所发送和接收的信号，能够确定与该信号所经过地层的性质有关的信息，例如该地层是否含有水或碳氢化合物。结合磁共振成像(MRI)使用其它传感器。还有其它的传感器包括伽玛闪烁器和核探测器，伽玛闪烁器用来确定地层的天然放射性，核探测器用来确定地层的孔隙率和密度。

在传统的LWD和MWD系统中，通过由泥浆流驱动的涡轮来提供电能。更近些时候，已经研制出电池组件来加入到底孔装置中以提供电能。

在LWD和MWD系统中，传感器所采集的信息都必须传递到地面，在地面才能够对其进行分析。通常使用称为“泥浆脉冲遥测”的技术实现这种数据传递。在泥浆脉冲遥测系统中，通常在底孔装置的基于微处理器的数据编码器中接收和处理来自传感器组件的信号，数据编码器对传感器数据进行数字编码。然后，控制组件中的控制器起动脉冲发生器，脉冲发生器也包括在底孔装置中，脉冲发生器在钻探泥浆的流动中产生压力脉冲，这些压力脉冲包含编码的信息。压力脉冲由一系列特性来限定，包括振幅(压力的最大值和最小值之差)、持续时间(压力增加的施加间隔)、形状和频率(每单位时间的脉冲数)。已经研制出使用一个或多个压力脉冲特性来表示二进制数据(即位1或0)——例如0.5秒持续时间的压力脉冲表示二进制数1，而1.0秒持续时间的压力脉冲表示二进制数0——的各种编码系统。压力脉冲沿着向下流向钻头的钻探泥浆柱向上传播，在钻头处通过基于应变计的压力换能器感测压力脉冲。然后由钻井机操作人员对来自压力换能器的数据进行解码和分析。

已经有各种技术试图在钻探泥浆中产生压力脉冲。一种技术涉及将脉冲发生器加入到钻柱中，其中钻探泥浆流过由定子形成的通道。转子通常设置在定子的上游，转子连续转动，称为泥浆汽笛(mudsiren)，或者是增量式的，即摆动转子或在一个方向上增量式转动转子，使得转子叶片交替增加和减小叶片阻塞定子通道的量，从而在钻探泥浆中产生脉冲。在美国专利No.6,714,138(Turner等人)中公开了一种摆动型脉冲发生器阀，这里将其全部引入作为参考。在美国专利No.6,714,138(Turner等人)的商业化实施例中使用的现有技术的转子如图1所示。在该实施例中，如美国专利No.6,714,138(Turner等人)所示，转子位于定子的上游，而且相对于钻探泥浆的流动方向取向，使得叶片的下游表面是平坦表面，其中叶片锥形的上游表面使得在叶片的径向末端处的厚度约为1/8英寸(3mm)。

不幸的是，在这种现有的脉冲发生器中，钻探泥浆的流动产生的压力脉冲倾向于把转子驱动到以下一个位置，在该位置上转子叶片提供对钻探泥浆流动的最大阻塞。因此，如果马达驱动脉冲发生器失败，流动诱导的力矩将使得转子保持静止在最大阻塞的位置，从而干涉钻探泥浆的流动，增大钻探泥浆的压力，并由于经过受阻通道的高流速而加速脉冲发生器构件的磨损。

而且，即使马达不失效，当脉冲发生器不工作期间，流动诱导的力矩将逐渐克服转子对转动的抵抗并阻塞泥浆流。由于这种对钻探泥浆流动的不必要的阻塞是不希望的，必须监控转子位置，而且必须使用脉冲发生器马达周期性地把转子转动到最小阻塞位置。这导致给马达提供电能的电池的不必要的消耗。

根据美国专利No.6,714,138(Turner等人)中所述的一种方法，流动诱导的力矩倾向于把转子转动到阻塞方位，可以在特定的脉冲发生器中通过对位于定子下游的转子叶片成形来阻止该力矩的产生，使得转子叶片的侧边向外渐缩，从而随着它们在下游方向上延伸而在周向方向上变宽。但是，在许多情况下这种方法被认为是不完全令人满意的。

因此，理想的是提供一种泥浆脉冲遥测系统，在该泥浆脉冲遥测系统中，当脉冲发生器不用来传递信息时，阻止转子叶片无意地转动到阻塞位置而无需操作脉冲发生器马达。

另外，脉冲发生器受到钻探泥浆的高流速影响的部分易于磨损。因此，研制一种增强在这种高流动区域处对磨损的抵抗的脉冲发生器也是理想的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于向接近地面位置传递信息的改进型设备，该信息来自井孔内的井下位置处工作的钻柱的一部分，钻柱具有通道，钻井流体流过该通道，该设备包括旋转脉冲发生器，该旋转脉冲发生器具有：(i)壳体，适于安装在所述钻柱内；(ii)定子，支撑在所述壳体内，并具有形成在其内的至少一个大致轴向延伸的通道，所述钻井流体的至少一部分流过该通道；(iii)转子，支撑在壳体内，靠近定子并在定子的下游，转子具有至少一个叶片，所述至少一个叶片沿径向向外延伸，从而形成叶片的径向高度，根据转子的周向方位，叶片对流过定子通道的钻井流体的流动施加可变程度的阻塞，所述转子至少能够转动到第一和第二周向方位，第一转子周向方位提供的对钻井流体的流动的阻塞比第二转子周向方位提供的对钻井流体的流动的阻塞大，由此转子的转动产生一系列脉冲，这些脉冲编码有要传递的所述信息；(iv)马达，与转子相连以给转子施加转动，由此马达的操作产生所述系列的编码的脉冲；和(v)施加力矩的装置，通过推动转子离开所述第一周向方位向第二周向方位转动，从而减小当马达不工作时由叶片施加的对钻井流体的流动的阻塞。在本发明的一个实施例中，可更换的磨损套筒设置在壳体内并围住转子。

附图说明

图1是现有技术的转子的轴测图。

图2是表示利用本发明的泥脉冲发生器遥测系统进行的钻井操作的局部示意图。

图3是根据本发明的泥脉冲发生器遥测系统的示意图。

图4是根据本发明的脉冲发生器的机械结构的局部示意图。

图5-7是经过图2所示钻柱的底孔装置的一部分的纵向剖面的连续部分。

图9是图5所示环形围筒的端视图。

图10是图5所示环形围筒沿图9所示线X-X的剖面。

图11和12分别是图5所示定子的轴测图和端视图。

图13A和13B是图5所示定子沿图12所示线XIII-XIII的横向剖面，表示在两个周向位置上的下游转子叶片。

图14和15分别是图5所示转子的轴测图和正视图。

图16是图5所示转子沿图15所示线XVI-XVI的横向剖面。

图17A-17D是一系列横向剖面，它们沿着图16所示线a-a到d-d经过图5所示转子的一个叶片。

图18A、18B、18C是泥脉冲发生器沿图5所示线XVIII-XVIII的剖面，其中转子分别在三个周向位置——A：最大阻塞、B：中间阻塞和C：最小阻塞。

图19是图5中包含根据本发明的扭簧的部分的详细视图。

图20是图5所示扭簧安装到在转子轴与减速齿轮之间的联轴器上的轴测图。

具体实施方式

图2所示的钻井操作结合了根据本发明的泥浆脉冲遥测系统。钻头2把钻孔4钻入地层5。钻头2与钻柱6相连，钻柱6如常规的那样由连接在一起的管部分形成。泥浆泵16还如常规的那样把钻探泥浆18向下通过钻柱6泵入钻头2。钻探泥浆18经过在孔4与钻柱6之间的环形通道向上流动到地面上，在那里经过净化后通过泥浆泵16沿着钻柱向下再循环回去。像MWD和LWD系统中传统的那样，传感器8例如上述类型的那些传感器位于钻柱6的底孔装置部分7上。另外，地面压力传感器20可以是换能器，它感测钻探泥浆18中的压力脉冲。根据本发明的一个优选实施例，脉冲发生器装置22例如阀位于地面上而且能够在钻探泥浆中产生压力脉冲。

如图2和3所示，除了传感器8之外，根据本发明的泥浆脉冲遥测系统的构件包括传统的泥浆遥测数据编码器24、电源14和根据本发明的井下脉冲发生器12，其中电源14可以是电池或交流发电机。该脉冲发生器包括控制器26、马达驱动器30、可逆马达32、减速齿轮46、转子36和定子38，控制器26可以是微处理器，马达驱动器30包括开关装置40。马达驱动器30可以是优选由晶体管(FET晶体管和双极晶体管)组成的限流功率级，马达驱动器30从电源14接收电能并使用脉冲宽度调制将电能引向马达32。优选地，该马达是有刷直流马达，其具有的工作速度至少约600RPM，优选约6000RPM。马达32驱动减速齿轮46，减速齿轮46连接转子轴34。尽管只示出了一个减速齿轮46，但是应该理解也可以使用两个或更多个减速齿轮。优选地，减速齿轮46实现至少约144∶1的减速。传感器8接收与钻井操作有关的有用信息100，并把输出信号102提供给数据编码器24。采用本领域公知的技术，数据编码器24把来自传感器8的输出转换为数字代码104并传递给控制器26。根据数字代码104，控制器26把控制信号106引向马达驱动器30。马达驱动器30接收来自电源14的电能107，并把电能108引向开关装置40。开关装置40把电能111传递给马达32的适当的绕组，以在第一方向(例如顺时针方向)或相反方向(例如逆时针方向)上实现转子36的转动，从而产生压力脉冲112并通过钻探泥浆18传递。如常规的那样，在地面通过传感器20感测压力脉冲112，将信息解码并引向数据采集系统42以进一步处理。

如图3所示，优选地，把井下静压传感器29和井下动压传感器28都结合到钻柱内，以测量在脉冲发生器12附近钻探泥浆的压力，如前面引用的美国专利No.6,714,138(Turner等人)。动压传感器28感测到的压力脉动可能是井下脉冲发生器12产生的压力脉冲或地面脉冲发生器22产生的压力脉冲。在两种情况下，井下动压传感器28都把信号115传递给控制器26，信号115包含压力脉冲信息，控制器可以将该压力脉冲信息用于产生马达控制信号106。井下脉冲发生器12还可以包括适于高温应用场合的方位编码器47，方位编码器47连接马达32。方位编码器47把信号114引向控制器26，信号114包含与转子36的成角度的方位有关的信息。来自方位编码器47的信息能够用于在脉冲发生器12不工作期间监测转子36的位置，还可以在工作期间被控制器用来产生马达控制信号106。优选地，方位编码器47是探测磁极转动类型的编码器，该磁铁与马达轴相连，马达轴在静止的壳体内转动，探测磁极转动的霍耳效应传感器安装在该静止的壳体内。

井下脉冲发生器12的一种优选机械结构如图4示意性所示和图5-7更详细所示。图5表示脉冲发生器的上游部分，图6表示脉冲发生器的中间部分，图7表示脉冲发生器的下游部分。脉冲发生器的中间部分和下游部分的构造如前面引用的美国专利No.6,714,138(Turner等人)。

如前所述，钻柱6的外壳由钻管64的一部分形成，该部分形成中央通道62，钻探泥浆18流经中央通道62。如图5和7所示，如常规的那样，钻管64在每一端都具有螺纹连接，使其能够与钻管的其它部分匹配。脉冲发生器12的壳体由环形围筒39、壳体部分66、68和69组成，而且安装在钻管部分64的通道62内。如图5所示，环形围筒39把脉冲发生器12的上游端安装在通道62内。如图7所示，脉冲发生器12的下游端通过连接件180与定心器122相连，定心器122进一步把脉冲发生器12的下游端支撑在通道62内。

如图9和10所示，环形围筒39包括套筒部分120和端板121，如下所述，套筒部分120形成转子36和定子38的围筒。如图5所示，碳化钨磨损套筒33围住转子36，并保护围筒39的内表面使其免于因与钻探泥浆接触而造成磨损。在端板121中形成通道123，通道123使得钻探泥浆18能够流经围筒39。利用插入钻管64中的孔85的紧定螺钉(未示出)将该围筒固定在钻管内。如图5所示，伸出部分61形成脉冲发生器12的最前部。如图8所示，伸出部分61与定子保持器67相连。

转子36和定子38安装在围筒39内。根据本发明的一个方面，转子36位于定子38的下游。定子保持器67拧入围筒39的上游端，并通过把定子38和磨损套筒33压靠在肩57上从而限制定子38和磨损套筒33的轴向运动，其中肩57形成在围筒39内。这样，在必要时能够更换磨损套筒33。而且，由于定子38和磨损套筒33负载不是很高，它们可以由脆的耐磨性材料例如碳化钨制成，而围筒39负载较重但不至于受到钻探泥浆磨损的影响，可以由可延展的材料例如17-4不锈钢制成。

转子36由安装在脉冲发生器壳体内的传动系驱动，并包括转子轴34，转子轴34安装在腔室63内的上游轴承56和下游轴承58上。腔室63由连同密封件60和阻挡件110在一起的上游壳体部分66和下游壳体部分68形成(这里所用的术语上游和下游参照钻探泥浆向钻头的流动)。密封件60是弹簧加载的唇形密封。腔室63充满液体，优选是润滑油，将该液体增压到一个内部压力，该内部压力接近于活塞162对钻探泥浆18的外部压力，活塞162安装在充满油的上游壳体部分66内。上游壳体部分66和下游壳体部分68螺纹紧固在一起形成充满油的腔室63，上游壳体部分66和下游壳体部分68的对接处用O形环193密封。

如前所述，优选转子36位于定子38的正下游。用未示出的薄垫片将转子36的上游表面72与定子38的下游表面71隔开。如上所述，由于转子36的上游表面72大致是平坦的，在定子出口表面71与定子上游表面之间的轴向间隙大致恒定于叶片74的径向高度之上。优选上游转子表面72与下游定子表面71之间的轴向间隙约为0.030-0.060英寸(0.75-1.5mm)。转子36包括转子轴34，转子轴34通过上游轴承56和下游轴承58安装在充满油的腔室63内。转子轴34的下游端通过联轴器182与减速齿轮46的输出轴相连，减速齿轮46可以是行星式齿轮系，可以从例如佛罗里达州克利尔沃特市的Micromo公司得到，减速齿轮46也安装在充满油的下游壳体部分68内。减速齿轮46的输入轴113由轴承54支撑，并与电磁联轴器48的内半部52相连，电磁联轴器48可以从例如印第安纳州瓦尔帕莱索市的Ugimag公司得到。

在操作中，马达32转动轴94，轴94通过壳体阻挡件110传递力矩来驱动减速齿轮输入轴113。减速齿轮驱动转子轴34，从而转动转子36。电磁联轴器48的外半部50安装在壳体部分69内，壳体部分69形成腔室65，腔室65充满气体，优选是空气，腔室63和腔室65被阻挡件110分开。电磁联轴器的外半部50与轴94相连，轴94支撑在轴承55上。柔性联轴器90连接轴94与电动马达32，电动马达32转动该传动系。方位编码器47连接马达32。井下动压传感器28安装在钻管64上。

如图11和12所示，定子38优选由耐磨性的碳化钨制成，由毂43、外轮缘41和在两者之间延伸的翼片31组成，翼片31形成钻探泥浆流动的轴向通道80。如图11所示，定位销(未示出)在轮缘41内延伸到槽37中，从而在周向相对于脉冲发生器的余部定位定子38。根据本发明的一个方面，定子38优选在钻探泥浆18流经通道80时使钻探泥浆18成漩涡。如图13所示，优选通过使通道80的一个壁80′与轴向方向倾斜角度A实现该漩涡。角度A优选随着通道80沿径向向外延伸而增加，并优选在约10°到15°的范围内。通道80的另一个壁80″取向在平行于中心轴的平面中，使得通道80在定子38入口表面70处的周向宽度W₁大于出口表面71处的宽度W₀。但是如果优选的话，通道的两个壁也可以都倾斜。

如图14-16所示，转子36由中心毂77组成，从中心毂77沿径向向外伸出多个叶片74，在图15中用h表示叶片的径向高度。如下面将进一步讨论的那样，叶片74能够根据转子36相对于定子38的周向方位对钻探泥浆18的流动施加可变的阻塞。尽管图中示出了四个叶片，但是也可以使用更多或更少数目的叶片。每个叶片74具有第一侧边75和第二侧边76，第一侧边75和第二侧边76限定了叶片的周向宽度W_b。优选地，叶片74的周向宽度W_b略大于转子36正上游的定子出口表面71处的周向宽度W₀，并优选至少大1％。转子36的表面72包括叶片74，表面72优选大致位于使其大致平坦的一个平面内。与图1所示现有技术的转子相比，根据本发明的一个方面，转子36取向成使得平坦表面72形成转子的上游表面。但是，只要转子36对钻探泥浆的流动形成足够的阻塞以便脉冲发生，转子叶片74上游表面的形状对本发明而言并不重要，也可以采用除平坦表面之外的其它形状。

如图16所示，转子叶片74的侧边75和侧边76形成锐角，从而叶片随着它们沿径向向外延伸而在周向方向上变宽。如图15所示，本目的更重要之处在于：在纵向剖面上，叶片74成形为使得叶片随着它们沿径向向外延伸而在轴向方向上变薄。通过对叶片下游表面73的轮廓进行成形实现该径向变薄，使得当该表面沿径向向外(钻探泥浆18相对于转子的流动方向如图15中箭头所示)延伸时该表面沿轴向向上游延伸。如图17A-D所示，比较在四个径向位置处的叶片74的横向剖面，表明在叶片的毂处(图17A)轴向方向上的最大叶片厚度d_m(如图17C所示)最大，而在末端处(图17D)减小到最小值，厚度的减小是由于下游表面73沿径向向上延伸时在轴向移动而引起的。当叶片74沿径向向外延伸时，侧边75和76附近的厚度d_c(如图17D所示)也类似地变薄。

如图17A-C所示叶片74的横向剖面所示，至少在叶片径向高度的主要部分——即至少一半上，更优选在叶片除沿径向向外的末端83附近的部分之外的整个径向高度上(如图17D所示)，下游表面73的轮廓形成为使得：当下游表面73在周向从侧边75和76向叶片中心延伸时，下游表面73向下游伸出——即叶片在下游方向上向内渐缩。这样，在叶片的该部分上，叶片的下游表面73不仅在径向渐缩，而且在周向也渐缩，使得在侧边75和76中间的叶片中心处厚度为最大值，而且当该表面在顺时针和逆时针方向上沿周向向外延伸时厚度变薄，在侧边附近达到最小厚度d_c。这样，至少在叶片74径向高度的主要部分上，更优选在叶片除沿径向向外的末端83附近的部分之外的整个径向高度上，在给定的横向剖面处，叶片在轴向方向上的厚度渐缩，从而当表面73在下游方向上延伸时叶片厚度变薄。另外，如图17A-C所示，在叶片的该部分上，当叶片在轴向方向上从叶片上游表面72处的C_i延伸到下游表面73的最下游部分处的C₀时，叶片的周向宽度减小。

如图14和17最佳所示，除末端83处之外，在横向剖面上，每个叶片74的形状通过把相对加厚的中心肋78′叠加到相对较薄的平板状部分78″而形成，其中板状部分78″位于中心肋78′的上游。板状部分78″形成叶片的侧边75和76。中心肋78′两侧都具有锥形部分79从而弯入板状部分78″的表面81内。优选地，当叶片沿径向向外延伸时，中心肋78′渐缩的程度比板状部分78″小，从而如上所述，当叶片沿径向向外延伸时，叶片的最大厚度d_m减小。

优选地，叶片的厚度在周向方向上渐缩，使得：在给定的横向剖面例如图17所示的横向剖面处，叶片的最大厚度d_m至少是厚度d_e的两倍，厚度d_e是至少在叶片74径向高度的主要部分上，更优选在叶片除沿径向向外的末端83附近的部分之外的整个径向高度上，侧边75和76附近的厚度。在叶片的大约外部三分之二处，侧边75和76附近的表面81是大致平坦的。但是，最重要的是侧边75和76处的厚度d_c和径向末端83处的厚度d_t相对较薄这一事实。优选地，在叶片径向高度的主要部分上，侧边75和76附近的厚度d_c和末端83的厚度d_t应该不大于约1/4英寸(6mm)厚，更优选不大于约1/8英寸(3mm)。厚度可以减小到基本为零，从而侧边和末端由锐边形成。

通过对叶片下游表面73成形使得：下游表面73在径向和周向方向上都渐缩，在叶片中心处具有最大厚度，而且当叶片沿径向和周向向外延伸时都变薄，从而形渐缩中心肋78，给叶片74施加足够的机械强度，同时使叶片厚度在边沿处最小化，从而如下所述提高叶片的流体动力特性。优选地，如图17A-C所示，对下游表面73成形使得厚度上的锥形光滑地逐渐实现而在厚度上没有突然的梯级。

在操作中，通过把转子36转动到第一周向方位在钻探泥浆18中产生脉冲，第一周向方位引起对钻探泥浆流动的减小的或最小的阻塞，例如如图18C所示，其中转子叶片74在轴向上与定子翼片31对齐，然后把转子转动到第二周向方位，第二周向方位引起增大的或最大的阻塞，例如如图18A和13A所示，其中转子叶片在轴向上与定子通道80对齐，然后再把转子转动到其中转子与定子翼片对齐的方位，从而引起最小的阻塞。通过使转子的现有转动反向或在同一方向上进一步转动转子来实现这最后一步。然后根据需要重复该过程，从而使用例如上述美国专利No.6,714,138(Turner等人)中所述的方法产生一系列压力脉冲，对这些压力脉冲编码有要传递到地面的信息。

尽管图18A和C所示转子36所在的方位引起能够通过转子的转动所实现的最大和最小阻塞，但是应该理解可以通过把转子转动到和/或转出图18A和C所示方位中间的方位来产生脉冲，例如图18B和13B所示的中间周向方位。因此，脉冲产生设计可以涉及将转子36转入和/或转出以下的方位，这些方位引起的阻塞介于所能达到的最大值和最小值之间。注意到如图18所示，优选转子叶片74的径向高度小于定子通道80的径向高度，使得叶片不能完全阻塞钻探泥浆18的流动。另外，定子38的下游表面71与转子36的上游表面72之间的轴向间隙将确保钻探泥浆18的流动永远不会完全阻塞。

在一个实施例中，脉冲产生过程如下：操作马达32将转子36放入图18C所示的周向方位，其中转子叶片74与定子片31对齐，使得对钻探泥浆18的流动的阻塞是最小值，然后操作马达使转子顺时针(逆着流动方向看时)转动约45°经过图18B所示的方位，从而增大阻塞，而后进入图18A所示的方位，其中转子叶片与定子通道80对齐使得对流动的阻塞达到其最小值，然后使马达的操作反向以使转子在逆时针方向转动45°，从而回到图18C所示的最小阻塞方位。根据需要重复这种马达驱动的在最小和最大阻塞之间的摆动，以传递编码了的信息。机械挡块59与转子轴内的一个离隙接合，机械停止装置59把转子的最大转动限制到约55°，从而尽管马达32在脉冲产生中不起作用，但是这些挡块确保当脉冲发生器不工作时转子的转动限制在最小和最大阻塞之外约5°。

当使用现有技术的转子例如图1所示的转子时，如前所述，当在脉冲产生过程中马达32不控制转子的转动时，钻探泥浆18对转子施加一个关闭力矩，该力矩倾向于把转子从图18C所示的最小流动方位逆时针转动到图18A所示的最大阻塞方位。惊人地发现上述设计没有引起这种流动诱导的关闭力矩的产生。事实上已经发现：本发明不仅消除了关闭力矩，还引起了打开力矩的产生，如图13A和B中的F所示，该打开力矩倾向于使得转子叶片74转离最大阻塞的方位而进入较小阻塞的方位。在一个实施例中，转子36实现了一个稳定的周向方位，即在该方位上，流动没有在任何方向上对转子施加足以克服转子对转动的抵抗的力矩，使得转子稳定地保持在这样的方位——即大约在图18B和18C所示之间的一半处——即只有约四分之一被阻塞。

该流体动力特性的主要起因被认为是：(i)转子36定位在定子38的正下游；(ii)对转子叶片下游表面73成形，使得当叶片在周向方向上从其中心向外延伸时叶片厚度渐缩，从而在侧边75和76附近形成相对较薄的结构。尽管不是实施本发明所必需的，在最理想的设计中，其它对该效应的促成还被认为是由于：(i)当叶片在径向方向上向外延伸时叶片渐缩，从而形成相对较薄的径向末端83；(ii)如图13所示，定子通道80引起的钻探泥浆18的漩涡；(iii)如下所述对转子叶片侧边周围泄漏的控制。

关于钻探泥浆18的漩涡，与可能意料到的相反，已经发现：在将钻探泥浆引入转子36之前，使得钻探泥浆在顺时针方向上成漩涡，这将增大在逆时针方向上作用在转子叶片上的打开力矩F，从而倾向于使转子转离最大阻塞的方位并转向最小阻塞的方位，如图13B所示。

关于对侧边泄漏的控制，已经发现：当转子在最大阻塞方位时，通过控制经过转子叶片的钻探泥浆泄漏能够实现一个好处，即使得在一个侧边——转子能够在该侧边所面对的方向上转动到较小阻塞的方位——周围的泄漏比另一个侧边小。优选地，机械挡块59定位成使得转子在顺时针方向上(即向图13的右侧)的转动永远不会超过最大阻塞方位而进入如下的方位，在该方位上，转子叶片74的最逆时针侧边75周围的钻探泥浆泄漏18′比最顺时针侧边76周围的泄漏小，如图13A所示。这优选可以通过使得转子叶片74的宽度W_b的尺寸略大于定子38的出口表面71中定子通道的宽度W₀来实现，从而当转子抵抗最大阻塞方位附近的挡块时，叶片74的最逆时针侧边75延伸超过通道80的最逆时针壁80′的程度远大于叶片的最顺时针侧边76延伸超过最顺时针壁80″的程度，如图13A所示。在最逆时针侧边75处，叶片74相对于定子翼片31的附加重叠确保经过最逆时针侧边75的泄漏18′小于经过最顺时针侧边76的泄漏18″，从而帮助产生流动诱导的打开力矩，该打开力矩使得转子36从图13A和18A所示的最大阻塞方位起逆时针转动，并转向图13B和18B、C所示的方位。

理想地，本发明所产生的流动诱导的打开力矩使得图18C所示最小阻塞方位是稳定的方位，但是可以不总是实现这一点。例如，如前所述，该稳定的方位可以是四分之一打开的方位。因此，尽管不是实施本发明所必需的，根据本发明的另一个方面，除了产生流动诱导的打开力矩外，转子36还可以向最小阻塞方位机械偏置。

优选地，如图19和20所示，通过在轴系和脉冲发生器壳体66之间加入扭簧172来实现这样的机械偏置。优选地，扭簧172安装在转子轴34和减速齿轮46之间的联轴器182上。通过联轴器182内的槽174使弹簧172的一端173保持就位，从而与转子36相连，而通过壳体66内的凹进部分使弹簧的另一端175保持就位。联轴器182相对于壳体66的转动使得弹簧给联轴器施加抵抗力矩。

在前述本发明的实施例中，安装扭簧172使得：当转子在最大阻塞方位时，扭簧172施加与流动诱导的打开力矩相结合的力矩，以向最小阻塞方位驱动转子。另外，在该流动诱导的打开力矩不足以进一步转动已经过图13B和18B所示的四分之一的关闭方位的转子之后，如图18C所示，扭簧172继续施加机械打开力矩驱动转子36进入最小阻塞方位。当转子顺时针转动离开最小阻塞方位时，扭簧172施加增加的力矩推动转子回到最小阻塞方位。这样，尽管流动诱导的打开力矩会使得转子的稳定方位在图18B和C之间的一半处——约四分之一打开——如前所述，由扭簧172提供的附加机械力矩导致该稳定方位成为图18C所示的最小阻塞方位。

如果脉冲发生器构造成使得最小方位是稳定方位——即该流动诱导的打开力矩不足以将转子维持在最小阻塞方位——可以安装扭簧172使得：当转子在最小阻塞方位时不施加力矩，而无论何时转子转离该方位就施加倾向于使转子回到最小阻塞方位的力矩。

尽管优选在该流动诱导的打开力矩上附加转子的机械偏置，但是也可以单独利用机械偏置来实施本发明，同时使用具有传统流体动力特性的转子，其中流动诱导的力矩倾向于使转子转动到最大阻塞方位。

尽管已经参考特定的具体实施例对本发明进行了说明，本领域技术人员在上述公开内容的帮助下将注意到能够采用许多变体。例如，尽管已经针对摆动型旋转脉冲发生器详细讨论了本发明，但是本发明也可以用于通过只在一个方向上转动转子来产生脉冲的脉冲发生器中。因此，例如，所提到的对钻井流体的流动引起最小阻塞的转子“周向方位”适用于任何其中转子36在轴向上与定子翼片对齐的方位，从而例如在图18所示结构中，其中定子翼片31以90°间隔隔开，图18C所示的转子方位以及其中转子从该方位转动90°、180°、270°的方位都会被认为是单一或第一周向方位，因为在这些情况中的每种情况下，转子叶片将在轴向上与定子翼片对齐。类似地，图18A所示的转子方位以及从该方位转动90°、180°、270°的方位都会被认为是单一或第二周向方位，因为在这些情况中的每种情况下，转子叶片将在轴向上与定子通道80对齐。

因此，应该注意到可以以其它具体形式实施本发明而不偏离其精神或基本属性，相应地，在指示本发明的范围时应该参照所附权利要求而不是前述说明书。

Claims

1.一种旋转脉冲发生器，用于传递来自在井孔内的井下位置处工作的一部分钻柱的信息，所述钻柱具有通道，钻井流体流过该通道，该旋转脉冲发生器包括：

a)壳体，适于安装在所述钻柱内；

b)定子，支撑在所述壳体内，并具有形成在其内的至少一个大致轴向延伸的通道，所述钻井流体的至少一部分流过该通道；

c)转子，支撑在所述壳体内，靠近所述定子并在定子的下游，所述转子具有至少一个叶片，所述至少一个叶片沿径向向外延伸，从而形成叶片的径向高度，所述转子叶片具有上游表面和下游表面以及各自在所述上游表面和下游表面之间延伸的第一和第二侧面，所述转子至少能够转动到第一转子周向方位和第二转子周向方位，根据所述转子的周向方位，所述叶片对流过所述定子通道的钻井流体的流动施加可变程度的阻塞，所述第一转子周向方位提供的对钻井流体的流动的阻塞比第二转子周向方位提供的对钻井流体的流动的阻塞大，由此所述转子的转动产生一系列被编码的脉冲，这些脉冲被编码有要传递的所述信息；以及

d)马达，与所述转子相连以给所述转子施加转动，由此所述马达的操作产生所述一系列被编码的脉冲，其中，当所述第一和第二侧面从所述转子叶片的所述上游表面向所述下游表面延伸时，所述转子叶片的所述第一和第二侧面在横向剖面上向内渐缩，使得在所述马达不工作时所述转子叶片向所述转子施加力矩，从而在所述马达不工作时减小由所述叶片施加的对钻井流体的流动的阻塞。

2.根据权利要求1所述的旋转脉冲发生器，还包括安装在壳体内的弹簧，以便在所述马达不工作时进一步减小由所述叶片施加的对钻井流体的所述流动的阻塞。

3.根据权利要求2所述的旋转脉冲发生器，其中所述弹簧包括扭簧，该扭簧具有与所述壳体相连的第一端和与所述转子相连的第二端。

4.根据权利要求3所述的旋转脉冲发生器，其中安装所述扭簧使其在所述转子转动到所述第一周向方位时对所述转子的轴施加力矩，该力矩向所述第二周向方位驱动所述转子。

5.根据权利要求1所述的旋转脉冲发生器，其中所述转子叶片至少包括所述径向高度的主要部分，并且在横向剖面上具有通过把加厚的中心肋叠加到较薄的板状部分上形成的形状。

6.根据权利要求5所述的旋转脉冲发生器，其中所述板状部分形成有所述叶片的所述第一侧面和第二侧面以及在第一侧面与第二侧面之间大致平坦的表面。

7.根据权利要求6所述的旋转脉冲发生器，其中所述板状部分形成所述叶片的所述第一侧面与第二侧面，而且其中至少在所述叶片的所述径向高度的主要部分上，所述板状部分在接近所述第一侧面与第二侧面处的厚度不大于约6mm。

8.根据权利要求5所述的旋转脉冲发生器，其中所述中心肋的厚度渐缩，从而当所述叶片沿径向向外延伸时所述中心肋的厚度较薄。

9.根据权利要求1所述的旋转脉冲发生器，其中所述转子叶片的下游表面以及第一和第二侧面同时在径向和周向方向上延伸，而且其中至少在所述叶片的所述径向高度的主要部分上所述转子叶片的下游表面以及第一和第二侧面的形状使得当所述转子叶片的下游表面以及第一和第二侧面向下游延伸时，在横向剖面上所述转子叶片的厚度增大。

10.根据权利要求9所述的旋转脉冲发生器，其中所述在第一与第二侧面之间形成了所述转子叶片的周向宽度，而且其中至少在所述叶片的所述径向高度的主要部分上所述转子叶片的所述下游表面的形状使得在横向剖面上所述转子叶片的所述厚度在接近所述第一侧面和第二侧面处为最小值。

11.根据权利要求9所述的旋转脉冲发生器，其中至少在所述叶片的所述径向高度的主要部分上，所述叶片在接近所述第一侧面与第二侧面处的所述厚度不大于约6mm。

12.根据权利要求11所述的旋转脉冲发生器，其中所述转子叶片具有沿径向向外的末端，而且其中所述叶片在接近所述末端处的所述厚度不大于约6mm。

13.根据权利要求9所述的旋转脉冲发生器，其中至少在所述叶片的所述径向高度的主要部分上所述转子叶片的所述下游表面以及第一和第二侧面的形状使得在横向剖面上所述转子叶片的所述厚度在所述转子叶片的大约周向中点处为最大值。

14.根据权利要求9所述的旋转脉冲发生器，其中至少在所述叶片的所述径向高度的主要部分上所述转子叶片的下游表面的形状使得至少在所述叶片的周向宽度的一部分上，在横向剖面上所述转子叶片的所述厚度大致随着所述转子叶片的下游表面在周向沿顺时针和逆时针方向向所述第一和第二侧面延伸而减小。

15.根据权利要求9所述的旋转脉冲发生器，其中所述转子叶片的下游表面以及第一和第二侧面的形状使得至少在所述叶片的所述径向高度的主要部分上，所述转子叶片的所述厚度大致随着所述转子叶片的下游表面以及第一和第二侧面沿径向向外延伸而减小。

16.根据权利要求15所述的旋转脉冲发生器，其中所述转子叶片的下游表面以及第一和第二侧面的形状使得：随着所述叶片沿径向向外延伸而向上游方向偏移所述下游表面以及第一和第二侧面，从而实现厚度的所述减小。

17.根据权利要求9所述的旋转脉冲发生器，其中所述转子叶片的所述上游表面形成大致平坦的表面。

18.根据权利要求9所述的旋转脉冲发生器，其中所述定子通道和所述转子叶片分别具有在周向方向上的宽度，所述转子叶片的所述周向宽度大于所述定子通道的所述宽度。

19.根据权利要求9所述的旋转脉冲发生器，其中所述定子通道包括用于使所述钻井流体在周向方向上形成漩涡的装置。

20.根据权利要求1所述的旋转脉冲发生器，其中所述马达以摆动的方式在顺时针和逆时针方向上转动所述转子以产生所述脉冲。

21.根据权利要求1所述的旋转脉冲发生器，其中所述马达在单一方向上转动所述转子以产生所述脉冲。

22.根据权利要求1所述的旋转脉冲发生器，其中所述定子包括至少一个在所述定子通道附近的翼片，而且其中当所述转子在所述第二周向方位上时所述转子叶片与所述翼片对齐。

23.根据权利要求1所述的旋转脉冲发生器，其中当所述转子在所述第一周向方位上时所述转子叶片与所述定子通道对齐。

24.根据权利要求23所述的旋转脉冲发生器，其中当所述转子在所述第一周向方位上时流过所述定子通道的所述钻井流体经过所述第一和第二侧面泄漏，而且其中所述转子叶片使得经过所述第一侧面的所述泄漏大于经过所述第二侧面的所述泄漏。

25.根据权利要求1所述的旋转脉冲发生器，其中所述定子包括至少一个在所述定子通道附近的翼片，而且其中当所述转子在所述第一周向方位上时所述转子叶片与所述翼片和所述定子通道都部分对齐。

26.根据权利要求1所述的旋转脉冲发生器，其中所述定子包括至少一个在所述定子通道附近的翼片，而且其中当所述转子在所述第二周向方位上时所述转子叶片与所述翼片和所述定子通道都部分对齐。

27.一种旋转脉冲发生器，用于传递来自在井孔内的井下位置处工作的一部分钻柱的信息，所述钻柱具有通道，钻井流体流过该通道，该旋转脉冲发生器包括：

a)壳体，适于安装在所述钻柱内；

c)转子，支撑在所述壳体内，并位于所述定子的下游，

(i)所述转子具有至少一个叶片，所述至少一个叶片沿径向向外延伸，从而形成叶片的径向高度，根据所述转子的周向方位，所述叶片对流过所述定子通道的钻井流体的流动施加可变程度的阻塞，

(ii)所述转子至少能够转动到第一转子周向方位和第二转子周向方位，所述第一转子周向方位提供的对钻井流体的流动的阻塞比所述第二转子周向方位提供的对钻井流体的流动的阻塞大，由此所述转子的转动产生一系列脉冲，这些脉冲被编码有要传递的所述信息；

(iii)所述转子叶片具有上游表面和下游表面以及在上游和下游表面之间延伸的第一和第二侧面，当所述第一和第二侧面沿着所述钻井流体的流动的方向延伸时，至少在所述叶片的所述径向高度的主要部分上，所述转子的所述第一和第二侧面在横向剖面上向内渐缩。

28.根据权利要求27所述的旋转脉冲发生器，其中至少在所述叶片的所述径向高度的主要部分上，所述转子叶片在横向剖面上具有通过把加厚的中心肋叠加到较薄的板状部分上形成的形状。

29.根据权利要求28所述的旋转脉冲发生器，其中所述板状部分形成有所述叶片的所述第一侧面和第二侧面以及在第一侧面与第二侧面之间大致平坦的表面。

30.根据权利要求28所述的旋转脉冲发生器，其中所述板状部分形成所述叶片的所述第一和第二侧面，而且其中至少在所述叶片的所述径向高度的主要部分上，所述板状部分在接近所述第一和第二侧面处的厚度不大于约6mm。

31.根据权利要求28所述的旋转脉冲发生器，其中所述中心肋的厚度渐缩，从而当所述叶片沿径向向外延伸时所述中心肋的厚度变薄。

32.根据权利要求27所述的旋转脉冲发生器，其中所述转子叶片具有第一和第二侧面，在第一和第二侧面之间形成了所述转子叶片的周向宽度，而且其中至少在所述叶片的所述径向高度的主要部分上所述转子叶片的所述下游表面的形状使得在横向剖面上所述转子叶片的厚度在接近所述第一和第二侧面处为最小值。

33.根据权利要求27所述的旋转脉冲发生器，其中至少在所述叶片的所述径向高度的主要部分上，所述叶片在接近所述第一和第二侧面处的厚度不大于约6mm。

34.根据权利要求33所述的旋转脉冲发生器，其中所述转子叶片具有沿径向向外的末端，而且其中所述叶片在接近所述末端处的所述厚度不大于约6mm。

35.根据权利要求27所述的旋转脉冲发生器，其中至少在所述叶片的所述径向高度的主要部分上所述转子叶片的所述下游表面以及第一和第二侧面的形状使得在横向剖面上所述转子叶片的厚度在所述第一和第二侧面之间的大约周向中点处为最大值。

36.根据权利要求27所述的旋转脉冲发生器，其中所述转子叶片的第一和第二侧面，在第一和第二侧面之间形成了所述转子叶片的周向宽度，其中至少在所述叶片的所述径向高度的主要部分上所述转子叶片的下游表面以及第一和第二侧面的形状使得至少在所述叶片的周向宽度的一部分上，在横向剖面上所述转子叶片的厚度大致随着所述转子叶片的下游表面在周向沿顺时针和逆时针方向延伸而减小。

37.根据权利要求36所述的旋转脉冲发生器，其中所述转子叶片的下游表面以及第一和第二侧面的形状使得随着所述叶片沿径向向外延伸而向上游方向偏移所述下游表面以及第一和第二侧面，从而实现厚度的所述减小。

38.根据权利要求27所述的旋转脉冲发生器，其中所述转子叶片的所述上游表面形成大致平坦的表面。

39.根据权利要求27所述的旋转脉冲发生器，其中所述定子通道和所述转子叶片分别具有在周向方向上的宽度，所述转子叶片的所述周向宽度大于所述定子通道的所述宽度。

40.根据权利要求27所述的旋转脉冲发生器，其中所述定子通道包括用于使所述钻井流体在周向方向上形成漩涡的装置。

41.根据权利要求27所述的旋转脉冲发生器，还包括马达。

42.根据权利要求41所述的旋转脉冲发生器，其中所述马达以摆动的方式在顺时针和逆时针方向上转动所述转子以产生所述脉冲。

43.根据权利要求41所述的旋转脉冲发生器，其中所述马达在单一方向上转动所述转子以产生所述脉冲。

44.根据权利要求27所述的旋转脉冲发生器，其中所述定子包括至少一个在所述定子通道附近的翼片，而且其中当所述转子在所述第二周向方位上时所述转子叶片与所述翼片对齐。

45.根据权利要求27所述的旋转脉冲发生器，其中当所述转子在所述第一周向方位上时所述转子叶片与所述定子通道对齐。

46.根据权利要求45所述的旋转脉冲发生器，其中当所述转子在所述第一周向方位上时流过所述定子通道的所述钻井流体经过所述第一和第二侧面泄漏，而且其中经过所述第一侧面的所述泄漏大于经过所述第二侧面的所述泄漏。

47.根据权利要求27所述的旋转脉冲发生器，其中所述定子包括至少一个在所述定子通道附近的翼片，而且其中当所述转子在所述第一周向方位上时所述转子叶片对齐在所述翼片和所述定子通道之间。

48.根据权利要求27所述的旋转脉冲发生器，其中所述定子包括至少一个在所述定子通道附近的翼片，而且其中当所述转子在所述第二周向方位上时所述转子叶片对齐在所述翼片和所述定子通道之间。

49.如权利要求41所述的旋转脉冲发生器，其中当所述第一和第二侧面沿着钻井流体的所述流动方向延伸时所述转子的所述第一和第二侧面的所述向内渐缩，在所述马达不工作时对所述转子施加力矩，从而在所述马达不工作时减小由所述叶片施加的对钻井流体的所述流动的阻塞。