СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ В СТОЛБЕ ФЛЮИДА
METHOD AND DEVICE FOR GENERATION OF PULSES IN A FLUID COLUMN

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001]
Данное описание в целом относится к способам и устройствам для генерирования импульсов в столбе флюида, которые можно использовать для телеметрической связи между буровым вырезом и забойными датчиками в подземной скважине.
[0002]
Буровой раствор, закачиваемый вниз по колонне бурильных труб для смазки бурового долота и удаления осколков, обычно называют буровой грязью. Генерирование импульсов в столбе бурового раствора для передачи информации на поверхность обычно называют телеметрией по гидроимпульсному каналу связи. Для генерирования таких импульсов в флюиде разработаны многочисленные системы телеметрии с использованием разнообразных форм клапанных механизмов, обычно расположенных в колонне бурильных труб. Некоторые механизмы обеспечивают проход для циркулирующего флюида из внутренней части колонны бурильных труб в кольцевое пространство ствола скважины для создания управляемого кратковременного падения давления, или ʺотрицательного импульсаʺ. Другие механизмы создают управляемое ограничение на пути потока, вызывая управляемое кратковременное повышение давления, или ʺположительный импульсʺ. Такой механизм может использовать, например, тарельчатый клапан, который содержит клапанный элемент, совершающий линейное возвратно-поступательное движение, при этом открывая или закрывая канал для прохода флюида.
[0003]
Подход, альтернативный возвратно-поступательному движению, состоит в использовании вращающегося клапана, который может генерировать плавно изменяющуюся несущую волну, на которую сигнал накладывается путем модуляции. Устройства, использующие этот подход, часто называют грязевыми сиренами. Вращающийся клапан может иметь, например, ротор, который вращается относительно статора, вокруг оси, параллельной потоку флюида (вращаясь либо возвратно-поступательно, либо непрерывно в одном направлении), периодически открывая и закрывая один или более проходов для флюида. Каждая из этих систем обладает различными особенностями и характеристиками.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0004]
Фигура 1А представляет собой схематическое изображение типового бурового снаряда внутри ствола скважины, где буровой снаряд содержит генератор гидроимпульсов согласно настоящему изобретению.
[0005]
Фигура 1B представляет собой блок-схему генератора гидроимпульсов и связанных с ним измерительных устройств, иллюстрирующую различные компоненты согласно одному варианту реализации изобретения.
[0006]
ФИГ. 1C представляет собой вид в перспективе клапанного устройства, в котором корпус клапанного устройства образует часть колонны бурильных труб, согласно одному типовому варианту реализации изобретения.
[0007]
Фигуры 2A-L представляют собой, соответственно, виды в изометрии (Фигуры 2A, 2D, 2G, 2J), виды сверху (Фигуры 2B, 2E, 2H, 2K) и виды сбоку в поперечном сечении (Фигуры 2C, 2F, 2I, 2L) типового клапанного устройства для использования в генерации гидроимпульсов, показанные в четырех угловых положениях, иллюстрирующих принцип действия клапанного устройства согласно одному типовому варианту реализации изобретения. В данном типовом варианте реализации изобретения два ролика клапанного устройства вращаются в противоположных направлениях.
[0008]
Фигура 3 представляет собой графическое изображение площади канала потока, который создан клапанным устройством, показанным на Фигурах 2A-2L, как функции углового положения согласно одному варианту реализации изобретения.
[0009]
Фигуры 4A-4D представляют собой виды в поперечном сечении типового клапанного устройства, в остальном аналогичного устройству, показанному на Фигурах 2A-2D, но в оперативном режиме, в котором два ролика вращаются в одном направлении согласно одному варианту реализации изобретения.
[0010]
Фигуры 5A-5D представляют собой виды в поперечном сечении типового клапанного устройства, в остальном аналогичного устройству, показанному на Фигурах 2A-2D, но в котором ролики расположены таким образом, чтобы не вступать в контакт друг с другом, согласно одному варианту реализации изобретения.
[0011]
Фигуры 6A и 6B представляют собой вид в перспективе и вид сверху, соответственно, типового клапанного устройства, содержащего, согласно одному варианту реализации изобретения, четыре цилиндрических ролика, расположенных параллельно, изображенного в открытом состоянии, а Фигуры 6C и 6D представляют собой вид в перспективе и вид сверху, соответственно, клапана в закрытом состоянии.
[0012]
Фигуры 7A и 7B представляют собой вид в перспективе и вид сверху, соответственно, типового клапанного устройства, содержащего, согласно одному варианту реализации изобретения, множество радиально расположенных конических роликов в, в открытом состоянии, а Фигуры 7C и 7D представляют собой вид в перспективе и вид сверху, соответственно, клапана в закрытом состоянии.
[0013]
Фигуры 8A-8D представляют собой схематические виды в перспективе геометрий типового ролика согласно различным вариантам реализации изобретения.
[0014]
Фигуры 9A и 9B представляют собой вид сбоку в поперечном сечении и вид сверху, соответственно, типового приводного механизма с коническими шестернями для клапанного устройства с радиально расположенными коническими роликами, согласно одному варианту реализации изобретения, а Фигура 9C представляет собой вид в перспективе типового приводного механизма, содержащего отдельные двигатели для индивидуальных параллельно расположенных цилиндрических роликов, согласно одному варианту реализации изобретения.
[0015]
Фигуры 10A-1°C представляют собой графики двоичного сигнала, несущей волны и модулированной волны, кодирующей сигнал, соответственно, иллюстрирующие частотную манипуляцию согласно одному варианту реализации изобретения.
[0016]
Фигуры 11A и 11B представляют собой графики двоичного сигнала и модулированной волны, кодирующей сигнал, соответственно, иллюстрирующие фазовую манипуляцию согласно одному варианту реализации изобретения. Фигуры 11C и 11D представляют собой графическое изображение площади канала потока, созданного типовым клапанным устройством с двумя симметричными выемками, как функции углового положения, показывающее, как можно изменять площадь канала потока для генерирования изменения фазы, как это используется в модулированной кодирующей сигнал волне, показанной на Фигуре 11B.
[0017]
Фигура 12 представляет собой блок-схему типового способа использования генератора гидроимпульсов согласно различным вариантам реализации изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018]
В настоящем описании представлены новые способы и устройства для генерации гидроимпульсных сигналов телеметрии, в которых множество вращающихся роликов, с осями вращения, ориентированными под отличным от нуля углом относительно направления потока флюида через гидролинию (и, таким образом, перекрывающих по меньшей мере часть гидролинии), совместно перекрывают по меньшей мере часть площади поперечного сечения гидролинии, причем перекрытая часть изменяется по мере изменения вращательной (или угловой) позиции роликов. В данном документе термин ʺроликʺ относится к элементу, приспособленному к вращению вокруг оси (однонаправленно или двунаправленно, непрерывно или прерывисто).
[0019]
Обычно форма роликов отклоняется от цилиндрической симметрии (т. е. каждый ролик имеет поперечное сечение, перпендикулярное соответствующей оси вращения ролика, которая является некруглой вдоль по меньшей мере части длины ролика), так что ролики определяют открытую площадь потока через поперечное сечение окружающей линии, причем открытая площадь потока изменяется при вращении ролика. В различных вариантах реализации изобретения отклонение от цилиндрической симметрии может достигаться с помощью различных конструкций. В некоторых вариантах реализации изобретения ролик может иметь одинаковое некруглое поперечное сечение вдоль всей его длины. В других вариантах реализации изобретения ролик будет иметь одну или более выемок (или ʺвырезовʺ), распространяющихся внутрь от боковой поверхности ʺогибающейʺ ролика, огибающая представляет собой трехмерное пространство, которое занимает ролик в течение полного оборота вокруг своей оси. В узле из множества роликов вырезы обеспечивают проходы для потока (здесь и далее упоминаются как каналы потока), которые меняются в размере при вращении каждого ролика, что приводит к соответствующим флуктуациям давления во флюиде. В некоторых вариантах реализации изобретения общая площадь каналов потока (так же как общая перекрытая площадь) синусоидально зависит от вращательной позиции роликов, что способствует генерированию синусоидальной несущей волны путем непрерывного вращения с постоянной скоростью.
[0020]
Ролики может вращать подходящий приводной механизм, такой как, например, моторизованный зубчатый привод, который может, в свою очередь, управляться с помощью подлежащего передаче сигнала (например, двоичного сигнала, кодирующего замеры в скважине). Например, ролики могут непрерывно вращаться для создания несущей волны, с изменением скорости вращения в том же направлении для кодирования сигнала посредством частотной манипуляции, либо с изменением направления вращения для кодирования сигнала посредством фазовой манипуляции. В альтернативном варианте ролики могут циклически вращаться с дискретным углом, а затем останавливаться, создавая серию дискретных импульсов давления, передающих сигнал.
[0021]
Как будет ясно из дальнейшего описания, ролики могут иметь множество различных форм. В некоторых вариантах реализации изобретения, использованных в данном документе с целью иллюстрации, ролики имеют, если не принимать во внимание выемки, цилиндрическую форму и установлены с осями вращения (т. е. продольными осями) параллельно друг другу в секущей плоскости поперечного сечения. В других вариантах реализации изобретения ролики имеют коническую форму и установлены в секущей плоскости радиальным образом (т. е. их продольные оси направлены по радиусу поперечного сечения канала). Огибающие роликов могут соприкасаться друг с другом, так что ролики совместно перекрывают практически все поперечное сечение канала в по меньшей мере одной вращательной позиции. В альтернативном варианте щели между роликами могут обеспечивать минимальный проход для потока, который открыт независимо от вращательной позиции. Все ролики могут вращаться в одном направлении, или соседние ролики могут вращаться в противоположных направлениях. В некоторых вариантах реализации изобретения скорость вращения одинакова для всех роликов.
[0022]
В приведенном ниже подробном описании представлены типовые варианты реализации изобретения нового генератора гидроимпульсов и связанных с ним способов со ссылкой на прилагающиеся графические материалы, на которых показаны различные подробности примеров, иллюстрирующих, как можно использовать изобретение на практике. Рассматриваются различные примеры новых способов, систем и устройств со ссылкой на эти графические материалы, и представленные варианты реализации изобретения описаны достаточно подробно, чтобы дать возможность специалистам в данной области техники применить на практике описанный объект изобретения. В практическом применении этой технологии могут быть использованы многие варианты реализации изобретения, отличающиеся от описанных в данном документе иллюстративных примеров. Дополнительно к альтернативным вариантам, специально описанным в данном документе, могут быть внесены конструкционные и операционные изменения без выхода за пределы объема данного изобретения.
[0023]
В данном описании ссылки на ʺодин вариант реализации изобретенияʺ или ʺвариант реализации изобретенияʺ либо на ʺодин примерʺ или ʺпримерʺ не должны обязательно относиться к одному и тому же варианту реализации изобретения или примеру; однако никакие из этих вариантов реализации изобретения не являются взаимоисключающими, если только не указано иное, или если это не очевидно рядовым специалистам в данной области техники, ознакомившимся с настоящим раскрытием. Следовательно, в данном документе может содержаться множество комбинаций и/или комбинаций вариантов реализации изобретения и примеров, так же как дополнительные варианты реализации изобретения и примеры, как определено в пределах объема всех пунктов формулы изобретения, основанной на данном раскрытии, так же как в юридических эквивалентах такой формулы.
[0024]
Генератор гидроимпульсов, как описано в данном документе, будет использоваться для генерации импульсов в столбе флюида внутри скважины для упрощения ʺгидроимпульсной телеметрииʺ. Эта терминология охватывает связь посредством импульсов в столбе флюида, включая любые типы скважинных технологических жидкостей (или добываемого флюида), которые могут присутствовать в скважине. Одним из примеров такого использования является помещение генератора гидроимпульсов в колонну бурильных труб наряду с устройствами для измерений во время бурения (ИВБ) (или каротажа во время бурения (КВБ)) для передачи данных от устройств ИВБ/КВБ наверх и на поверхность через столб флюида, текущего вниз в колонне бурильных труб и выходящего через буровую коронку. Импульсы будут регистрироваться и расшифровываться на поверхности, таким образом будут передаваться данные от устройств или других датчиков в компоновке низа бурильной колонны или в любом другом месте бурильной колонны. Описанный типовой генератор гидроимпульсов соответственно открывает и закрывает каналы потока для создания импульсов в столбе флюида выбранной продолжительности и последовательности, которые могут регистрироваться на поверхности. В других рассматриваемых системах описанный генератор гидроимпульсов может быть помещен вблизи поверхности для создания нисходящего канала импульсной связи с подземными приборами. Помимо упрощения телеметрии в забое, генераторы гидроимпульсов по настоящему изобретению могут также находить другое применение, например в качестве источников звука для подводной сейсморазведки.
[0025]
На Фигуре 1A схематически изображена типовая система для наклонно-направленного бурения 100, выполненная с возможностью формирования стволов скважин, проходящих по множеству возможных траекторий, включая отклоняющиеся от вертикали. Согласно данному изобретению система для наклонно-направленного бурения 100 содержит наземную буровую установку 112, к которой присоединена колонна бурильных труб, в целом обозначенная номером 104, с компоновкой низа бурильной колонны, в целом обозначенным номером 106 (здесь и далее - КНБК). Настоящее изобретение не ограничено наземными буровыми установками, и типовые системы по данному изобретению также могут применяться в буровых системах на морских платформах, полупогружных буровых платформах, буровых судах и в любой другой буровой системе, позволяющей формировать ствол скважины, проходящий через одну или более подземных формаций. Буровая установка 112 и связанная с ней поверхностная система управления и обработки данных 140 могут быть расположены рядом с устьем скважины 110 на поверхности земли. Буровая установка 112 может также содержать поворотный стол и двигатель привода поворотного стола (конкретно не проиллюстрирован) и другое оборудование, связанное с вращением или другим движением бурильной колонны 104 в стволе 116 скважины. Другие компоненты для бурения и/или управления скважиной, такие как противовыбросовые превенторы (явно не проиллюстрированы), могут также находиться вблизи устья скважины 110. Между наружной стороной бурильной колонны 104 и поверхностью породы, ограничивающей ствол скважины 116, образовано кольцевое пространство 118.
[0026]
Для перекачивания бурового раствора, обозначенного в целом номером 128, из резервуара для флюида 126 к верхнему концу бурильной колонны 104, проходящей от устья скважины 110 до КНБК 106, следует установить один или более насосов. Возвратный буровой раствор, обломки пластовой и/или выбуренной породы с нижнего конца 132 ствола скважины 116 будут выходить через кольцевое пространство 118 по различным трубопроводам и/или другим устройствам в резервуар для флюида 126. Для формирования полной системы циркуляции флюида можно использовать различные типы трубопроводов, трубок и/или других труб.
[0027]
КНБК 106 на нижнем конце бурильной колонны 104 заканчивается буровой коронкой 134. Буровая коронка 134 содержит один или более каналов потока флюида с установленными в них соответствующими соплами. Из резервуара 126 к концу бурильной колонны 104, выходящему из устья скважины 110, можно перекачивать скважинные флюиды различных типов. Скважинный(-е) флюид(-ы) протекает(-ют) через осевую полость (явно не проиллюстрирована) в бурильной колонне 104 и выходит(-ят) из сопел, сформированных в буровой коронке 134. В процессе бурения буровой раствор будет смешиваться с обломками выбуренной породы и осколками породы вблизи буровой коронки 134. Затем буровой раствор будет перемещаться вверх через кольцевое пространство 118 для переноса выбуренной породы и обломков породы из скважины на поверхность. Для удаления выбуренной породы и других обломков породы перед возвратом бурового раствора в резервуар 126 обычно применяются сетки, фильтры и/или центробежные сепараторы различных типов (явно не проиллюстрированы).
[0028]
Компоновка низа бурильной колонны (КНБК) 106 может содержать различные компоненты, например, один или более приборов для измерений во время бурения (ИВБ) или каротажа во время бурения (КВБ) 136, 148, передающих каротажные данные и другую информацию, которая должна быть передана из нижней части ствола скважины 116 на аппаратуру 108 на поверхности. В этой типовой колонне КНБК 106 содержит генератор гидроимпульсов 144 для обеспечения телеметрии по гидроимпульсному каналу связи таких данных и/или другой информации через столб флюида внутри бурильной колонны к месту расположения приемника на поверхности, например, вблизи устья скважины 110. Генератор гидроимпульсов 144 может быть сконструирован различными способами, например, согласно типовым вариантам реализации изобретения, описанным в данном документе. В типовой системе, описанной в данном документе, генератор гидроимпульсов представляет собой отдельный блок, который можно вставлять в бурильную колонну в корпусе (см. Фигуру 1B). В месте расположения приемника на поверхности импульсы давления в столбе флюида могут регистрироваться и преобразовываться в электрические сигналы для передачи на другую наземную аппаратуру и, потенциально, оттуда в другие места.
[0029]
Каротажные данные и/или другая информация, переданная на наземный приемник, затем может быть передана системе обработки данных 140. Система обработки данных 140 может содержать множество аппаратных устройств, программных средств и их комбинаций, включая, например, один или более программируемых процессоров, выполненных с возможностью исполнять инструкции по извлечению данных из памяти и хранению данных в памяти для выполнения одной или более функций, предусмотренных для системы обработки данных 140 в данном изобретении. Процессоры, применяемые для выполнения функций системы обработки данных 140, могут содержать один или более процессоров, таких как один или более микропроцессоров, цифровых сигнальных процессоров (DSP), специализированные заказные интегральные схемы (ASIC), программируемые пользователем логические матрицы (FPGA), программируемые логические схемы и т. п., либо отдельно, либо в любой подходящей комбинации.
[0030]
В некоторых вариантах применения система обработки данных 140 может иметь связанные с ней принтер, дисплей и/или дополнительные устройства для упрощения мониторинга бурильных и каротажных операций. Во многих вариантах применения выходная информация из системы обработки данных будет передаваться различным компонентам, связанным с действующей буровой установкой 112, и также может передаваться на различные удаленные устройства, осуществляющие мониторинг результативности операций, выполняемых системой для наклонно-направленного бурения 100.
[0031]
Как показано на Фигуре 1B, генератор гидроимпульсов 144 может содержать клапанное устройство 150 для избирательного перекрытия пути потока через бурильную колонну в одной или более изменяемых степенях, приводной механизм 152 (включая, например, мотор 153 и связанную систему передачи 154) клапанного устройства и контроллер 156, который управляет приводным механизмом 152 для передачи информации или других сигналов через столб флюида на удаленное расстояние. Такая информация может включать управляющие сигналы или информационные сигналы. Такие информационные сигналы могут содержать информацию любого типа, и во многих вариантах применения будут включать сигналы, полученные, например, от устройств для ИВБ 136, 148 или других датчиков, расположенных внутри или на КНБК. Например, контроллер 156 может принимать двоичный сигнал, кодирующий данные измерений (например, температуру в забое, давление, сопротивление пласта и т. п.) как входящие, и управлять клапанным устройством для передачи сигналов. Передача сигнала может достигаться модулированием непрерывной несущей волны или генерацией серии дискретных импульсов, что подробнее описано ниже. В некоторых вариантах реализации изобретения контроллер интегрирован с управляющей и обрабатывающей схемой устройств 136, 148 или других датчиков. Клапанное устройство 150 и необязательно также приводной механизм 152 и/или контроллер 156 (или их части) могут располагаться в корпусе 158, который соединен с другими компонентами или системами в КНБК 106. Корпус 158 образует проходящий через него канал флюида, пропускающий поток флюида, в целом по направлению вдоль продольной оси КНБК.
[0032]
ФИГ. 1C представляет собой вид в перспективе типового варианта реализации изобретения клапанного устройства 150, в котором корпус 158 для клапанного устройства образует часть колонны бурильных труб 104. Внутренняя часть корпуса 158 образует цилиндрический канал флюида 160, который сообщается с остальной частью канала флюида, образованной остальной частью колонны бурильных труб 104. Поперечное сечение этого канала флюида перпендикулярно продольной оси 162, как показано штриховкой на 164. Двумерная площадь заштрихованного поперечного сечения 164 иллюстрирует площадь поперечного сечения канала 160. Изображенное типовое клапанное устройство 150 содержит дискообразную опорную раму 166, вставленную внутрь и установленную на внутренней стенке корпуса 158. Два ролика 168a, 168b установлены внутри отверстия 170, выполненного в опорной раме 166. Совместно ролики 168a, 168b и опорная рама 166 перекрывают по меньшей мере часть площади поперечного сечения 164 канала флюида 160, причем степень этого перекрытия изменяется как функция вращательной позиции роликов 168a, 168b.
[0033]
На Фигурах 2A-2L проиллюстрирован принцип действия типового клапанного устройства 200, содержащего два цилиндрических ролика 202, 203, на них показаны виды в изометрии, сверху и в поперечном сечении для четырех вращательных позиций. Ролики 202, 203, имеющие одинаковые форму и размер, ориентированы и расположены осями вращения (или продольными осями) 204, 205 (т. е. прямыми линиями, проходящими вдоль (и за пределами) центральных линий их физических осей 206, 207) параллельно, и их цилиндрические огибающие 208, 209 находятся в контакте друг с другом. При использовании внутри канала флюида (например, образованного корпусом, содержащим клапанное устройство), ролики могут быть расположены своими осями 204, 205 в поперечном сечении канала, перпендикулярно направлению потока флюида через канал (показано стрелками 210 на Фигурах 2C, 2F, 2I и 2L), так что цилиндрические огибающие перекрывают проход для флюида. Каждый ролик 202, 203 имеет полуцилиндрическую выемку 212 или 213, выполненную вокруг оси по касательной к огибающей 208 или 209 и перпендикулярно оси 204 или 205 вращения. Поскольку ролики 202, 203 вращаются, их выемки 212, 213 вращаются вместе с ними. Выемки 212, 213 смыкаются друг с другом по направлению вдоль продольных осей 204, 205, так что они образуют общий проход для флюида (или канал потока) 214, когда обращены друг к другу, что лучше всего видно на Фигурах 2B, 2E и 2H.
[0034]
В проиллюстрированном варианте реализации изобретения ролики вращаются в противоположных направлениях (показаны стрелками 215, 216 на Фигурах 2C, 2F, 2I и 2L) и согласованы по фазе так, что в первой вращательной позиции, показанной на Фигурах 2A-2C, две полуцилиндрические выемки 212, 213 соединяются, образуя полную цилиндрическую выемку (показана как окружность на виде сверху на Фигуре 2B). Поперечное сечение, показанное на Фигуре 2C, проведено вдоль оси симметрии 218 этой цилиндрической выемки, перпендикулярно продольным осям роликов 204, 205. Вращательная позиция, показанная на Фигурах 2A-2C, соответствует полностью открытому состоянию клапанного устройства 200. Поскольку ролики 202, 203 вращаются и, тем самым, наклоняют выемки 212, 213 относительно друг друга и смещают их относительно друг друга, канал потока 214, образованный между роликами 202, 203, становится меньше и меньше (см. Фигуры 2D-2F, на которых показана вторая вращательная позиция при около 30°, и Фигуры 2G-2I, на которых показана третья вращательная позиция при около 60°). После поворота на 90° обоих роликов 202, 203 относительно начальной позиции, полностью открытого положения, клапан 200 будет закрыт полностью (см. Фигуры 2G-2I). Дополнительный поворот обоих роликов на 90° приводит к отворачиванию выемок друг от друга; в этой вращательной позиции образованы два отдельных полуцилиндрических прохода для потока, совместно образующих отверстие того же размера, что и начальное, полностью открытое состояние.
[0035]
На Фигуре 3 площадь поперечного сечения канала потока 214 (приведенная к единичной площади 1 для полностью открытого клапана) показана как функция вращательной позиции (или угла поворота) для полного (т. е. 360°) цикла вращения. Символы видов в поперечном сечении роликов 202, 203 в различных вращательных позициях изображены вдоль графика. Как показано, площадь канала потока 214 изменяется более или менее синусоидально (ʺквазисинусоидальноʺ) между максимальной при 0° и 180° и минимальной при 90° и 270° (т. е. площадь канала потока проходит два полных цикла в течение одного цикла вращения). Функциональная зависимость площади канала потока от угла может быть синусоидой в строгом математическом смысле или несколько отклоняться от истинного синусоидального поведения, хотя и проявляя определенные качественные характеристики синусоиды (такие, как, например, симметрия относительно локальных максимумов и минимумов и непрерывные производные в локальных максимумах и минимумах). Переменное ограничение пути потока создает пропорционально изменяющееся обратное давление в столбе флюида. Интенсивность сигнала S
, как правило, соотносится с площадью потока A в соответствии с
strength
,
ρ
Q
где обозначает плотность потока (например, плотность бурового раствора) и  обозначает скорость потока. Преимущество клапанного устройства 200 по сравнению с, например, тарельчатым клапаном состоит в том, что он не работает против потока флюида, что может значительно снижать энергию, необходимую для активации клапана.
[0036]
Как будет очевидно специалистам в данной области техники, можно реализовать различные модификации клапанного устройства 200, но при этом будет использоваться тот же, описанный выше, принцип действия. Например, в клапанном устройстве, в остальном аналогичном показанному на Фигурах 2A-2L, ролики 202, 203 могут вращаться в одном направлении; Фигуры 4A-4D иллюстрируют этот вариант работы на видах в поперечном сечении, показанных для четырех вращательных позиций между 0° (Фигура 4A) и 90° (Фигура 4D). Получаемая угловая зависимость площади потока остается такой же, как и для роликов, вращающихся в противоположных направлениях.
[0037]
Другая модификация, проиллюстрированная на Фигурах 5A-5D, включает помещение роликов 502, 503 клапанного устройства 500 на большем расстоянии между центрами (относительно диаметра ролика) друг от друга для создания между ними постоянной щели 504. В этом варианте реализации изобретения флюид может протекать через клапанное устройство 500, даже когда оно находится в ʺполностью закрытомʺ состоянии, как показано на Фигуре 5A. Площадь канала потока изменяется таким же образом, как изображено на Фигуре 3, но со смещением, равным минимально достижимой площади в этой конструкции клапана (т. е. площадь канала потока в полностью закрытом состоянии), которая представляет собой площадь, соответствующую щели 504. Преимущество этого варианта реализации изобретения состоит в том, что такое устройство никогда не перекрывает полностью поток бурового раствора и, следовательно, менее чувствительно к заклиниванию крупными частицами бурового раствора (которые в вариантах реализации изобретения с соприкасающимися роликами могут застревать в поверхностной зоне).
[0038]
Фигуры 6A-6D более полно иллюстрируют типовое клапанное устройство 600, действующее по принципу, показанному на Фигурах 2A-2L, которое заполняет круглое поперечное сечение канала флюида. Клапанное устройство 600 содержит четыре (в более общем случае, множество) цилиндрических ролика 602, 603, 604, 605, расположенных параллельно друг другу вдоль подходящего размера и формы отверстия 610 дискообразной опорной рамы 612. Опорная рама 612 может иметь круглую форму и такой размер, чтобы полностью заполнять внутреннюю часть канала флюида, образованную корпусом генератора гидроимпульсов, или может представлять собой неотъемлемую часть корпуса. В различных вариантах реализации изобретения опорная рама 612 установлена на внутренней стенке утяжеленной бурильной трубы КНБК. Толщина дискообразной опорной рамы 612 может (но не обязательно должна) быть, в целом, равна диаметру роликов. Ролики 602, 603, 604, 605 могут быть установлены внутри опорной рамы 612 своими валами, которые могут проходить через отверстия 614 в боковой стенке 615 рамы 612.
[0039]
Ролики 602, 603, 604, 605 могут отличаться по длине для лучшего приспособления к круглому поперечному сечению устройства 600, спроектированному для заполнения, и могут иметь множественные выемки в различных положениях вдоль продольных осей. Кроме того, некоторые или все ролики могут иметь пары выемок, которые пересекают огибающую ролика с противоположных сторон. В показанном варианте реализации изобретения клапанное устройство 600 содержит два коротких ролика 602, 605, расположенных по бокам двух примыкающих более длинных роликов 603, 604. Каждый из более длинных роликов 603, 604 имеет три пары выемок 616, тогда как каждый из более коротких роликов 602, 605 имеет только одну пару выемок 616. Выемки в примыкающих парах роликов выстроены продольно (как объяснялось выше со ссылкой на Фигуры 2A-2L) для формирования более или менее цилиндрических каналов потока 618 через клапан 600, когда клапан полностью открыт, как показано на Фигурах 6A и 6B. (В проиллюстрированном варианте реализации изобретения геометрия канала потока немного отклоняется от строго цилиндрической формы из-за маленькой щели 620 между роликами.) Когда клапан 600 полностью закрыт, как показано на Фигурах 6C и 6D, выемки обращены вверх/вниз и не влияют на канал потока, который при этом ограничен щелями 620 между роликами.
[0040]
Варианты реализации настоящего изобретения не ограничены цилиндрическими роликами, ориентированными параллельно, они могут включать альтернативные формы и конфигурации роликов. Например, как показано на Фигурах 7A-7D, ролики 700 могут иметь конические огибающие и могут быть установлены радиально в поперечном сечении канала потока. Ролики могут быть установлены в кольцеобразной (например, круглой или полигональной) опорной раме 712 (или, иными словами, дискообразной опорной раме, аналогичной раме 612, удерживающей цилиндрические ролики, но с центральной выемкой, приспособленной к радиальному расположению роликов и, следовательно, обычно имеющей большую степень радиальной симметрии). В проиллюстрированном варианте реализации изобретения каждый конический ролик 700 имеет единственную пару выемок 716; совместно выемки 716 расположены по окружности вокруг центра клапанного устройства. Фигуры 7A и 7B иллюстрируют клапанное устройство в полностью открытом состоянии, а Фигуры 7C и 7D показывают его в закрытом состоянии. Принцип действия совпадает с описанным выше применительно к клапанным устройствам с цилиндрическими роликами. Разумеется, показанное клапанное устройство может быть модифицировано путем введения множественных пар выемок в каждом ролике в различных положениях вдоль продольных осей конусов; полный объем выемок может быть затем распределен по множественным концентрическим окружностям, и размер выемок может быть меньше для внутренней(-их) концентрической(-их) окружности(-ей), чем для внешней(-их).
[0041]
Следует отметить, что клапанные устройства, представленные в данном документе, являются только неограничивающими примерами, и возможны различные модификации и альтернативные воплощения, использующие принципы и концепции, раскрытые в данном документе. Специалистам в данной области техники будет очевидно, например, что клапанное устройство может содержать иное количество роликов, чем показано в данном документе. Например, клапанное устройство, аналогичное показанному на Фигурах 6A-6D, может содержать вместо четырех цилиндрических роликов меньшее количество (например, два или три) или большее количество (например, пять, шесть и т. п.) роликов в параллельной конфигурации. Аналогично, в клапанном устройстве, показанном на Фигурах 7A-7D, может использоваться меньше или больше, чем показанные двенадцать конических роликов. Преимущественно, использование многочисленных роликов, как правило, обеспечивает гибкость для любого данного клапанного устройства, дает возможность использовать меньше или больше этих роликов, поскольку они управляются индивидуально (или группами). Избирательное действие подсистем роликов, в свою очередь, упрощает управление интенсивностью (или амплитудами) импульсов давления, генерируемых вращением выбранных роликов, так же как средней открытой площадью канала потока через клапан. Например, в некоторых обстоятельствах вращение половины роликов может привести к импульсам давления с достаточной интенсивностью сигнала; при этом остальные ролики могут находиться в полностью открытом состоянии для ограничения степени общего перекрытия пути потока флюида через бурильную трубу.
[0042]
Кроме того, могут также использоваться ролики, имеющие форму огибающей, отличную от цилиндра или конуса. Например, огибающие роликов не обязательно должны быть топологически плоскими (как огибающие цилиндра и конуса), они могут иметь кривизну; пример ролика с искривленной огибающей показан на Фигуре 8A. (Топологически плоские огибающие могут быть предпочтительными для вариантов реализации изобретения, в которых желательно полное перекрытие пути потока при закрытом состоянии клапана, поскольку они улучшают контакт между огибающими соседних роликов по всей их длине. Тем не менее, такого же эффекта можно достичь, если соседние ролики являются комплементарными по форме (например, выпуклость совпадает с выемкой в соседнем ролике).) Форма самих выемок тоже может отличаться от проиллюстрированных в прилагаемых графических материалах. Например, выемки могут распространяться за центральную линию ролика, как показано на Фигуре 8B, и ограничивающие поверхности выемок не обязательно должны быть цилиндрическими. Кроме того, ролики не обязательно должны иметь отдельные выемки, поскольку их проекции в поперечном сечении канала флюида изменяются в размере при изменении вращательной позиции роликов и, таким образом, приводят к изменению площадей канала потока. Обычно это условие выполняется путем отклонения формы роликов от цилиндрической симметрии (или, иными словами, путем отклонения поперечного сечения ролика, перпендикулярного продольной оси, от точной формы круга). Например, ролики с эллиптическим поперечным сечением, показанные на Фигуре 8C, или с трехлопастным поперечным сечением, показанные на Фигуре 8D, приведут к изменяющимся площадям канала потока.
[0043]
Кроме того, ролики не обязательно должны быть установлены в плоскости, перпендикулярной направлению потока флюида. Например, их продольные оси могут находиться на боковой поверхности конуса (вдоль прямых линий от вершины к основанию), основание которого совпадает с поперечным сечением канала флюида. Хотя варианты реализации изобретения, представленные в данном документе, могут быть предпочтительными за счет, например, их сравнительной геометрической простоты, что может снижать затраты на проектирование и изготовление, они не предназначены для ограничения. Как правило, согласно настоящему описанию, ролики установлены ʺпод угломʺ, т. е. создают отличный от нуля угол с основным направлением потока флюида через канал (и/или продольной осью КНБК). (Термин ʺотличный от нуляʺ в этом контексте предназначен для обозначения преднамеренного значительного отклонения от нуля градусов (например, в некоторых вариантах реализации изобретения по меньшей мере 10° или по меньшей мере 30°), и его не следует применять при небольшом отклонении от строго 0°, обусловленном неточностью изготовления или другими непреднамеренными причинами). В некоторых вариантах реализации изобретения продольные оси являются ʺв основном перпендикулярнымиʺ к направлению потока флюида на входе в клапанное устройство (которым считается зона, непосредственно предшествующая роликам), в данном документе ʺв основном перпендикулярныеʺ следует понимать в широком смысле, как обозначение диапазона углов, в различных вариантах реализации изобретения равных 90°±45°, 90°±30°, 90°±10°, 90°±5° или 90°±2° и т. д.
[0044]
Обратимся теперь к приводному механизму, вызывающему вращение роликов, ролики могут, в принципе, приводиться в движение отдельными моторами (например, электрическими), работа которых синхронизируется и/или координируется контроллером. Тем не менее, для минимизации количества аппаратных средств может быть полезно, вместо этого приводить в движение все (или по меньшей мере многие) ролики одним мотором, используя средства механической трансмиссии, такие как зубчатые передачи и ремни (или, в альтернативном варианте, подходящим образом сконфигурированные электромагнитные поля, генерируемые электромагнитами и/или постоянными магнитами) для передачи вращения мотора различным роликам. Типовой вариант реализации изобретения приводного механизма, в котором используется единственный мотор для приведения в движение комплекта радиально установленных конических роликов, показан на Фигурах 9A и 9B. Приводной механизм содержит единственное, расположенное по центру, ведущее коническое зубчатое колесо 900, которое вращается мотором (конкретно не показан) вокруг оси, параллельной потоку флюида, и множество ведомых конических зубчатых колес 902 (по одному на каждый ролик), которые находятся в зацеплении с ведущим коническим зубчатым колесом 900. Углы делительного конуса ведущего конического зубчатого колеса 900 и ведомого конического зубчатого колеса 902 могут составлять в сумме 90°, так что ведомые конические зубчатые колеса 902 вращаются вокруг осей, перпендикулярных оси вращения ведущего конического зубчатого колеса 900. Валы ведомых конических зубчатых колес могут совпадать с валами роликов или прикрепляться к ним.
[0045]
Фигура 9C концептуально иллюстрирует приводной механизм для параллельного расположения (например, цилиндрических) роликов. В этом устройстве каждый ролик 920 приводится в движение отдельно связанным с ним мотором 922. Моторы могут (но не обязательно должны) быть помещены внутри корпуса, и они могут быть расположены около клапанного устройства таким образом, чтобы эффективно использовать доступное пространство; например, как показано, моторы 922, связанные с парами соседних роликов 920, могут быть помещены с противоположных сторон клапанного устройства. В некоторых вариантах реализации изобретения группы из двух или более (например, соседних) роликов все вместе приводятся в движение единственным мотором. Например, мотор может прямо вызывать вращение валов роликов, и вращательное движение может быть механически связано с валами других роликов в группе посредством набора введенных в зацепление шестерен. Как правило, подходящие приводные механизмы для различных компоновок роликов согласно настоящему описанию могут быть легко внедрены без излишнего экспериментирования.
[0046]
Скорость и направление вращения роликов может, в целом, изменяться мотором в соответствии с входящим электрическим сигналом. Таким образом, несущую волну, возникающую в результате постоянного вращения роликов, можно модулировать для кодирования данных, подлежащих телеметрии. Фигуры 10A-1°C иллюстрируют типовой вариант реализации изобретения, в котором используется частотная манипуляция. На Фигуре 10A показан двоичный сигнал, содержащий данные, подлежащие телеметрии, а на Фигуре 10B показана синусоидальная (или квазисинусоидальная) несущая волна (генерируемая, например, как проиллюстрировано на Фигуре 3). На Фигуре 1°C несущая волна модулирована для повышения частоты в течение периодов, когда двоичный сигнал равен 1, и для снижения частоты в течение периодов, когда двоичный сигнал равен 0.
[0047]
Фигуры 11A и 11B иллюстрируют фазовую манипуляцию согласно альтернативному варианту реализации изобретения. В этом случае, когда двоичный сигнал (показанный на Фигуре 11A) переключается между 0 и 1, на несущую волну накладывается фазовый сдвиг 180°. Этот фазовый сдвиг может быть достигнут путем изменения направления вращения, как проиллюстрировано на Фигуре 11C, на которой показана площадь канала потока вместе с вращательной позицией пары роликов, каждый из которых имеет две симметричные выемки, как функция времени. В альтернативном варианте фазовый сдвиг 180° в изменении площади канала потока может быть сгенерирован очень быстрым (например, максимально близким к мгновенному) поворотом роликов на 90°, когда клапан находится в полуоткрытом состоянии (соответствует ориентации выемок на 45° относительно направления потока флюида); этот вариант реализации изобретения проиллюстрирован на Фигуре 11D.
[0048]
Альтернативно непрерывному вращению роликов (или по меньшей мере одного ролика) для генерации непрерывной волны давления и наложению сигнала на эту волну давления изменением скорости или направления вращения, клапанным устройством можно управлять ступенчато, т. е. ролики можно перемещать в дискретные вращательные позиции и приостанавливать в этих позициях для создания дискретных импульсов давления. Дискретный импульс давления можно получить, например, посредством поворота роликов, показанных на Фигурах 2A-2L, на 90°, чтобы перевести клапан из открытого положения в закрытое и наоборот. В более общем случае, во многих системах вращательные позиции, в которых ролики останавливают, можно выбирать таким образом, чтобы соответствующая разница в площадях канала потока изменялась в выбранной пропорции относительно одной или более соседних позиций. В качестве одного из примеров, позиции могут быть выбраны таким образом, чтобы разница в площадях канала потока между соседними позициями изменялась на практически одинаковую величину, что обеспечивает практически одинаковые сдвиги амплитуды импульсов давления, когда ролики перемещаются из одной позиции в следующую. В альтернативном варианте ролики можно поворачивать на углы, которые обеспечивают различные амплитуды импульсов давления (например, выбранные из предварительно заданного, ограниченного (и обычно маленького) числа дискретных амплитуд давления - например, часто меньше пяти амплитуд). Если ролики можно вращать независимо друг от друга (например, если каждый ролик приводится в движение отдельным мотором), изменять амплитуду импульса давления можно также путем изменения количества роликов, движущихся на данном этапе.
[0049]
Импульсы давления могут быть разделены на целые кратные заданного фиксированного временного интервала, так что двоичный сигнал может кодироваться, в его простейшей форме, посредством присутствия (соответствующего 1) или отсутствия (соответствующего 0) импульсов в заданных интервалах внутри временной последовательности импульсов. В более сложных схемах кодирования для передачи информации с большей скоростью можно использовать набор из нескольких (например, трех или четырех) различных дискретных амплитуд импульса давления. Кроме того, в модифицированной схеме кодирования временные интервалы между последовательными импульсами могут изменяться для кодирования информации, как происходит с амплитудой аналогового сигнала.
[0050]
На Фигуре 12 показана высокоуровневая карта технологического процесса типового способа 1200 эксплуатации генератора гидроимпульсов в соответствии с настоящим описанием. На первом этапе 1202 контроллер 156 принимает данные, подлежащие передаче, например, от устройства ИВБ/КВБ или другого датчика в буровом снаряде. Далее данные подготавливаются к передаче. Обычно это включает кодирование данных в соответствии с выбранным протоколом связи (1204). Для передачи данных с помощью серий импульсов может быть внедрен любой из широкого спектра протоколов связи, включая частотную манипуляцию (ЧМ), фазовую манипуляцию (ФМ), амплитудную манипуляцию (АМ) или манипуляцию временным интервалом в поэтапном режиме эксплуатации (как описано выше), и комбинацию указанных вариантов, так же как другие протоколы связи. Затем контроллер 156 приступит к управлению приводным механизмом 152 клапанного устройства 150, как показано в 1106, например, посредством изменения входящего в мотор 153 электрического тока, чтобы изменить скорость вращения, направление вращения или вращательную позицию роликов в соответствии с кодированными данными.
[0051]
Ниже описаны различные типовые варианты реализации изобретения:
[0052]
Пример 1: генератор гидроимпульсов, содержащий корпус, который образует проходящий через него канал флюида; и клапанное устройство, расположенное внутри канала флюида; клапанное устройство содержит множество роликов, каждый ролик вращается вокруг соответствующей продольной оси, проходящей через по меньшей мере часть поперечного сечения канала флюида, причем ролики совместно перекрывают по меньшей мере часть площади поперечного сечения канала флюида, и перекрытая часть изменяется при изменении вращательных позиций роликов.
[0053]
Пример 2: генератор гидроимпульсов из примера 1, в котором продольные оси обычно перпендикулярны направлению потока флюида на входе в клапанное устройство.
[0054]
Пример 3: генератор гидроимпульсов из примеров 1 или 2, в котором каждый ролик имеет выемку, проходящую внутрь от боковой поверхности огибающей ролика.
[0055]
Пример 4: генератор гидроимпульсов из примера 3, в котором по меньшей мере некоторые из огибающих являются цилиндрическими.
[0056]
Пример 5: генератор гидроимпульсов из примера 4, в котором по меньшей мере некоторые из продольных осей расположены параллельно друг другу.
[0057]
Пример 6: генератор гидроимпульсов из примера 3, в котором по меньшей мере некоторые из огибающих являются коническими.
[0058]
Пример 7: генератор гидроимпульсов из примера 6, в котором по меньшей мере некоторые из продольных осей направлены вдоль радиуса поперечного сечения канала флюида.
[0059]
Пример 8: генератор гидроимпульсов из любого из примеров от 1 до 7, в котором перекрытая часть площади поперечного сечения изменяется синусоидально при изменении вращательной позиции по меньшей мере одного ролика.
[0060]
Пример 9: генератор гидроимпульсов из любого из примеров от 1 до 8, дополнительно содержащий приводной механизм, операционно связанный с множеством роликов для обеспечения их вращения.
[0061]
Пример 10: генератор гидроимпульсов из примера 9, в котором приводной механизм выполнен с возможностью вращать множество роликов в одном направлении.
[0062]
Пример 11: генератор гидроимпульсов из примера 9, в котором приводной механизм выполнен с возможностью вращать множество роликов попеременно в противоположных направлениях.
[0063]
Пример 12: генератор гидроимпульсов из примеров 9, 10 или 11, дополнительно содержащий контроллер, выполненный с возможностью управлять приводным механизмом, чтобы посредством этого управлять по меньшей мере одним из параметров: скоростью вращения, направлением вращения или вращательными позициями множества роликов.
[0064]
Пример 13: генератор гидроимпульсов из любого из примеров от 1 до 12, в котором контроллер выполнен с возможностью непрерывно вращать по меньшей мере один из роликов и модулировать скорость или направление вращения в соответствии с сигналом, принятым контроллером.
[0065]
Пример 14: генератор гидроимпульсов из любого из примеров от 1 до 12, в котором контроллер выполнен с возможностью управлять вращательными позициями множества роликов в соответствии с сигналом, принятым контроллером, чтобы посредством этого генерировать дискретные импульсы давления.
[0066]
Пример 15: способ генерации гидроимпульсов в столбе флюида, способ включает активацию генератора гидроимпульсов, расположенного в буровом снаряде в стволе скважины (буровой снаряд содержит столб флюида, генератор гидроимпульсов содержит корпус, который образует проходящий через него канал флюида, и клапанное устройство, расположенное внутри канала флюида, причем клапанное устройство содержит множество роликов, каждый ролик может вращаться вокруг соответствующей продольной оси, проходящей через по меньшей мере часть поперечного сечения канала флюида, ролики совместно перекрывают по меньшей мере часть площади поперечного сечения канала флюида, и приводной механизм, операционно связанный с множеством роликов, чтобы обеспечивать их вращение), при этом активация генератора гидроимпульсов включает прием информации, подлежащей передаче через столб флюида, кодирование информации в соответствии с выбранным протоколом связи и управление приводным механизмом для обеспечения вращательного движения роликов в соответствии с кодированной информацией для генерации соответствующих серий гидроимпульсов в столбе флюида.
[0067]
Пример 16: способ из примера 15, в котором каждый ролик имеет выемку, проходящую внутрь от боковой поверхности огибающей ролика.
[0068]
Пример 17: способ из примера 15 или 16, в котором управление приводным механизмом в соответствии с кодированной информацией включает непрерывное вращение по меньшей мере одного из роликов, изменение скорости вращения или направления вращения.
[0069]
Пример 18: способ из примера 15 или 16, в котором управление приводным механизмом в соответствии с кодированной информацией включает управление вращательными позициями роликов для создания дискретных импульсов давления.
[0070]
Пример 19: система, содержащая бурильную колонну; буровую коронку, присоединенную к бурильной колонне на ее нижнем конце; измерительное устройство, расположенное в бурильной колонне; и генератор гидроимпульсов, расположенный в бурильной колонне; генератор гидроимпульсов содержит клапанное устройство, расположенное внутри канала флюида, проходящего через бурильную колонну, клапанное устройство содержит множество роликов, каждый ролик может вращаться вокруг соответствующей продольной оси, проходящей через по меньшей мере часть поперечного сечения канала флюида, причем ролики совместно перекрывают по меньшей мере часть площади поперечного сечения канала флюида, и перекрытая часть изменяется при изменении вращательных позиций роликов, генератор гидроимпульсов дополнительно содержит приводной механизм, операционно связанный с множеством роликов, чтобы обеспечивать их вращение, и контроллер, соединенный с возможностью связи с приводным механизмом, и измерительное устройство для управления приводным механизмом в соответствии с сигналом, принятым от измерительного устройства.
[0071]
Пример 20: система из примера 19, в которой контроллер выполнен с возможностью принимать от измерительного устройства информацию, подлежащую передаче через столб флюида в буровом снаряде, кодировать информацию в соответствии с выбранным протоколом связи и управлять приводным механизмом для обеспечения вращательного движения роликов в соответствии с кодированной информацией для генерации соответствующих серий гидроимпульсов в столбе флюида.
[0072]
В конструкции и способы, описанные и проиллюстрированные в данном документе, можно вносить многочисленные изменения без отклонения от сущности или объема изобретения. Соответственно, объем объекта изобретения определяется объемом, указанным в приложенной формуле изобретения, и всеми дополнительными пунктами формулы изобретения, основанными на данном описании, и всеми правомерными эквивалентами пунктов формулы изобретения.