旋转伺服脉冲发生器以及其使用方法

旋转伺服脉冲发生器以及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及包括旋转伺服阀的设备、系统和方法，所述伺服阀用于驱动脉冲发生器以在钻地下井孔的过程中在流体柱中产生压力脉冲，以使用该压力脉冲来编码信息并将此信息用遥测发射器实时传送到地表。
【背景技术】
[0002]在钻深井孔时，旋转钻孔技术已经被普遍接受。该技术涉及使用钻柱，钻柱包括连结在一起的多节空心管，并且钻头附接到钻柱的底端。通过在钻头上施加轴向力并通过从地表或者使用附接到钻柱的液压电机旋转钻柱，产生相当平滑且圆形的井孔。钻头的旋转和按压使被钻探的地层破碎且成粉末状。通过钻头上的喷嘴将钻井流体沿钻柱的空心向下泵送并且随后回到钻柱与井孔壁之间的环形空间周围的地表。此流体循环用来将钻肩从井孔的底部运输到地表，钻肩在地表被过滤掉，并且根据需要再次循环钻井流体。钻井流体的流动还具有其他功能，诸如冷却和润滑切割地表的钻头并且将静水压力施加到井孔壁上以帮助除尽在钻探过程中遇到的任何滞留气体。
[0003]长期以来，众所周知，需要在井孔底部测量一些参数并且将该信息提供给钻孔者。这些参数包括但不限于井孔的温度、压力、斜度和方向，并且可以包括各种地球物理和岩性测量。在钻探过程中在井孔底部的不利环境中测量这些参数并且以即时的方式将此信息传送到地表的挑战使许多设备和实践得到了发展。
[0004]在钻探的同时并且在不使用线路或电缆并且不反复中断钻探活动的情况下从钻井底部将数据发送到地表的能力是有利的。具有以上功能的工具通常称为“随钻测量”或“MWD”工具。钻井流体中的压力脉冲可以用来从井孔底部的MWD工具向地表编码并传输数据。
[0005]可以传输给钻井者的测量参数具有多种不同的测量参数。这些参数的范围从井孔底部的温度的最简单的测量到提供全范围的测量的完全整合的结果，包括但不限于斜度、定向角、工具面(钻柱的旋转定向)、压力、温度、振动水平、地层地球物理属性，诸如电阻率、孔隙率、渗透性、密度和关于烃含量的现场地层分析。
[0006]由于井底钻探环境的严酷性质，MWD工具必须在设计和制作时坚固。此外，穿过或经过MWD工具的钻井流体的恒流严重腐蚀所暴露的部件并且如果设计或操作不当，则可能严重破坏工具。
[0007]应理解，在此使用的术语“钻井流体”或“泥浆”代表基于不同的密度、粘度和污染物含量液体的极其广泛的水或油。为了除尽或减少气泡逃离钻井的风险需要将井孔静水压力保持较高，从而导致钻井流体通过添加剂增加其密度来将其加重。这些添加剂本质上通常趋于研磨剂并且进一步加剧与经过工具的流体流动相关的腐蚀问题。
[0008]此外，为了保持和维持钻井的质量并且阻止或减少钻孔塌陷的风险，将其他填充物材料添加到钻井流体以辅助粘合钻井壁。这些填充物材料本质上趋于是颗粒状的并且阻塞或覆盖入口和出口、筛网以及作为大部分MWD工具的部分的其他相关液压部件。
[0009]另外，存在于钻井底部的极端温度和压力通常使得有必要使用昂贵且独特的密封机构和材料，这增加了操作MWD工具的成本，并由此减少其对更大市场的可用性。
[0010]此外，由于与钻打油和气井孔的成本高，任何在修理、维护或检修故障或不工作的设备所花费的时间都会导致整个钻孔操作的生产率的严重降低。因此，始终需要在寻求高质量和可靠性的情况下设计、构建和操作MWD工具。
[0011]因此，设计MWD工具的重要目标在于提供一种可以在由于暴露于钻井泥浆和其他井底条件中而产生的不利环境中可靠地操作的脉冲发生器。

【发明内容】

[0012]本发明包括一种旋转伺服阀组件，该组件用于驱动大的主阀组件或脉冲发生器，大的主阀组件或脉冲发生器轮流产生用于编码数据并将其传输到地表的泥浆脉冲。
[0013]本发明的实施方式是一种驱动主脉冲阀的方法和装置，在主脉冲阀钻打井孔的过程中用来驱动用于将信息从地下位置传输到地表。旋转伺服脉冲发生器耦合到压力脉冲发生器或“脉冲发生器”、控制器或电池电源，它们都位于正被钻打的井孔底部处的钻杆的靠近钻头的一小节内。该组装的装置或“MWD”工具可以被控制从地表测量所需参数并且将此信息传输到地表。在接收到传输信息的命令之后，井下控制器从传感器组收集有关数据并且通过压力脉冲编码数据来将此信息传输到地表。这些压力脉冲沿钻杆内的流体柱向上行进并且在地表由与计算机耦合的压敏传感器检测，所述计算机解码并显示所传输的数据。
[0014]本发明的实施方式包括一种用于驱动脉冲发生器并将信息用遥测发射器传送到地表的系统，更具体而言，可以包括主脉冲阀、旋转伺服脉冲发生器、控制器组件和电源组件。该方法可以包括操作电动机以操作旋转伺服脉冲发生器来驱动脉冲发生器以通过压力脉冲携带信息。
[0015]本发明的实施方式是一种阀，该阀包括阀座和由轴驱动的旋转部分。旋转部分包括阻塞穿过阀座的流体的结构。所述结构可以远离旋转部延伸至与阀座接触。可以提供多于一个的、穿过伺服脉冲发生器的流体通路，诸如通过阀座上的两个孔，所述流体通路可以是圆形的而且可以相对轴对称，旋转部绕该轴旋转。旋转部的旋转可以由一个或多个阻挡件限制。阻挡件可以形成在支撑阀座的结构上或者作为与阀座分开的结构。阻挡件可以相对于流体通路旋转固定，或者在一个实施方式中相对于阀座旋转地固定并且与该阀座间接接触。阀座和流动阻塞结构可以是硬的和/或耐磨且耐刮擦的。轴、阻挡件、支撑结构和旋转部分可以是非易碎且耐冲击和耐振动的。旋转伺服脉冲发生器可以传输扭矩，例如从齿轮电机通过压力补偿部分或者使用磁矩传输设备传输到操作伺服阀的轴。
【附图说明】
[0016]图1A是地表局部和钻机井底部的代表性示图。
[0017]图1B是图1A中的MWD工具的下部的局部截面图。
[0018]图2组成MWD工具的井底部的各部分的代表性示图。
[0019]图3是伺服脉冲发生器的一个实施方式的立体图。
[0020]图4A至4C是图3中实施方式的伺服脉冲发生器的平面截面图。
[0021]图5是图3中实施方式的伺服脉冲发生器的伺服阀部分的放大立体图。
[0022]图6A是图3中实施方式的伺服脉冲发生器中的伺服阀的部分在一个定向上示出的立体图，其中阀被关闭。
[0023]图6B是图3中实施方式的伺服脉冲发生器中的伺服阀的部分在另一个定向上示出的立体图，其中阀被打开。
[0024]图7是图3中实施方式的伺服脉冲发生器的用于将伺服阀在其两个定向之间旋转的驱动轴和密封机构的分解立体图。
[0025]图8是图3中实施方式的伺服脉冲发生器的用于将伺服阀在其两个定向之间旋转的机电驱动机构的分解立体图。
[0026]图9是示出组装和安装的细节的部件和图7和图8中的物品的局部分解图。
[0027]图10是伺服脉冲发生器的第二实施方式的立体图。
[0028]图1lA至IlD是图10中实施方式的伺服脉冲发生器的平面截面图。
[0029]图12是图10中实施方式的伺服脉冲发生器的用于将伺服阀在其两个定向之间旋转的驱动轴和密封机构的分解立体图。
[0030]图13是用于旋转图10中实施方式的伺服脉冲发生器的驱动轴和密封机构的机械部件的分解立体图。
[0031]图14是图12和13中所示的部件的组装好的立体图。
[0032]图15示出如图10中实施方式的伺服脉冲发生器的机电和电气驱动机构的分解立体图。
[0033]图16是示出组装和安装的细节的部件和图14和图15中的物品的局部分解图。
【具体实施方式】
[0034]在本发明的一个实施方式中，如下文详细叙述，钻井者使用的信息是在井底相对靠近钻头测量的，而且该信息在流体循环回路中通过压力脉冲传输到地表。通过停止流体循环并允许钻柱保持静止最小的时间段来发送启动数据传输的命令。当检测到这个命令，井下工具测量至少一个井底情形，通常为模拟信号，而且，井下工具对该信号进行处理，以备传送到地表。当流体循环重新开始后，井下工具等待预定时间以允许液流稳定，然后通过反复闭合、打开脉冲阀在流体循环回路中产生压力脉冲来开始传输信息。将发送的脉冲序列进行编码，使可以在地表将该信息解码且将所包含的信息提取并进行显示。
[0035]参照附图，尤其是图1A，其中基本示出了井孔12的旋转钻探中使用的设备的简化示意图。使用旋转钻机向地下钻打井孔12，该旋转钻机包括井架14、钻台16、绞车18、活动块20、吊钩22、旋转接头24、方钻杆接头26、以及轮盘28。钻探钻井所使用的钻柱30有多节钻杆组成，该多节钻杆在地表固定到方钻杆接头26的底部，在使用绞车18将钻柱30下降进入井孔并提供可控的轴向压力载荷的同时，使用轮盘旋转整个钻柱30。钻杆30的底部附接至多个钻环32，这些钻环32使钻柱30的底部坚硬并在钻探过程中有助于增加局部重量。钻探时测量(MWD)工具10基本描述为附接至钻环32的底部，且钻头34附接至MWD工具10的底部。
[0036]钻井流体或“泥浆”通常被储存到泥浆池或泥浆罐36中，通过泥浆泵38进行抽取并强制使钻井流体流过电涌抑制器40、立管42、旋转接头24进入钻柱30的顶部。该液流通过钻柱30、钻环32、MWD工具10、钻头34、以及其钻探喷嘴(未图示)。然后，钻井流体穿过钻柱30外径和井身12之间的环形空隙44返回地表。当钻井流体到达地表时，通过泥浆回流管转移返回到泥浆罐36。
[0037]保持钻井流体循环所要求的压力通过压敏传感器48在立管42上进行测量。测量到的压力作为电信号通过饱和电阻器50传送到地表计算机52，该计算机将传送到的信息进行解码并显示给钻井者。
[0038]在一些钻探操作中，在MWD工具10钻环32和钻头34之间嵌入正排量型液力涡轮(未图示)有望提高钻头34的旋转。另外，也可以在钻柱30的底部或者在MWDlO之上或者在MWDlO之下嵌入各种其他钻具，例如，稳定器、单向阀以及机械冲击装置(通常涉及如震击器或搅拌器)。这些部分中的一部分可以用于方向性钻井过程。
[0039]图1B示出MWD工具10的下部的局部截面图，以展示脉冲发生器62与伺服脉冲发生器64连接。两者都位于MWD工具10的内径中。脉冲发生器62的一端与伺服脉冲发生器64连接，以在这些部件间创造钻井流体的通路。脉冲发生器62的另一端在MWD工具10的内径中与钻井流体柱13连通。一个或多个伺服流体入口 65配置在伺服脉冲发生器64上，与内钻井流体柱13连通。在图3、4A、10、11A中示出了覆盖流体入口 65的伺服筛网104 (图1B中未示出)。
[0040]图2基本示出了一同构成MWD工具的井下部分的多个部件的略图。井底MWD工具10包括与控制器56连接的电源54。控制器56与传感器组件58和伺服脉冲发生器64连接。伺服脉冲发生器64与脉冲发生器和振动、旋转传感开关60连接。
[0041]图2不出了 MWD工具的方法的一个实施方式。另一个实施方式(未描述)为将振动、旋转传感开关60集成到伺服脉冲发生器64中。另一实施方式(未描述)是将控制器56集成到伺服脉冲发生器64中，伺服脉冲发生器直接与传感器组件58连接。
[0042]在图2中，控制器56能够或者通过直接与振动、旋转传感开关联通或者通过得到由伺服脉冲发生器64传输的信息来对钻柱的振动和旋转的状态进行警报或通知。振动和旋转传感开关60可以集成到控制器56中，因此，可以直接获取该信息。
[0043]图3大体示出了一个实施方式中的伺服脉冲发生器的三维图。伺服脉冲发生器100的外部包括伺服筛网壳102，在该外壳102上用螺丝固定有多个筛网104。该筛网104基本处于伺服筛网壳102内部，用于使钻井流体进入伺服脉冲发生器100的阀部，同时限制例如偶尔出现在钻井流体中的大的固体颗粒进入。可以使用不同类型的这样的结构或筛网来防止在液流中发现的不同类型的污垢物的存在。
[0044]图3还不出了伺服筛网壳102与密封隔板108连接，在该密封隔板108内部充分设置有允许位于伺服筛网壳102内的所述伺服阀101的操作的密封圈和轴机构。
[0045]图3还示出了附接至伺服壳110的密封隔板108，在该伺服壳110内充分设置有用于操作上述伺服阀的机电组件、电气组件以及电子组件。
[0046]图3还示出了附接至互连隔板112的伺服壳110，该隔板112进而附接至互连外壳114。在互连隔板112和互连外壳114内，充分设置有使伺服脉冲发生器110机械或电气地连接到控制器56或电源54或通常连接到可以构成MWD工具100的一部分的其它组件的组件。
[0047]另外，整体地关注图3，在本发明的【具体实施方式】中，旨在将互连外壳114用于使伺服脉冲发生器100连接到控制器56或电源54，将伺服筛网壳102用于使伺服脉冲发生器100连接到MWD工具10的脉冲发生器62。
[0048]图4A至4C大体示出了图3所示的实施方式中伺服脉冲发生器的截面图。
[0049]图5基本示 出了充分位于伺服筛网壳102中的旋转伺服阀的放大三维图。
[0050]图6A和6B基本示出了充分位于伺服筛网壳102内的伺服阀在其关闭定向和打开定向的三维图。
[0051]图7基本示出了充分位于密封隔板108内的驱动轴和密封机构的放大三维图。
[0052]为了进一步说明部件以及为了方便和清楚，参照图5、6A、6B以及7以三维图充分示出的伺服脉冲发生器100的各部分，下面对图4A?4C所示的相同部分进行说明。
[0053]参照图5，伺服座122通过定位销204的辅助安装于伺服座保持器120内。该定位销204使伺服座122与伺服座保持器120对齐，并限制伺服座122相对伺服座保持器120旋转的能力。另外，径向密封件202在伺服座122插入伺服座保持器120之前绕伺服座122的外径安装，从而阻挡伺服座122的外径和伺服座保持器120的内径之间的所有液流。保持环206安装于伺服座122的面，并安装至位于伺服座保持器120的内径上的狭槽上，从而限制伺服座122进行轴向(沿伺服脉冲发生器100的长度)移动。另外，径向密封件200安装至伺服座保持器120的外径上，当将伺服座保持器安装到伺服筛网壳102内时，密封伺服座保持器120的外部，从而限制钻井流体在伺服座保持器120的外径和伺服筛网壳102的内径之间的渗漏。
[0054]伺服尖端128通过过盈挤压配合与轴126连接。在一些实施方式中，伺服尖端128侧向扩张，以径向远离伺服轴126的旋转轴。另外，合销130也以过盈按压配合的方式与伺服轴126连接。
[0055]该伺服尖端128按压伺服座122的面119，并通过引导合销进入位于伺服座122中心的匹配孔123来径向定位。伺服轴126与伺服尖端128以这种方式定位到伺服座122，以允许伺服轴126相对伺服座122的旋转。
[0056]图5还示出了进入孔125中的顺从性构件133，其旨在提供轴向力以使得伺服尖端128被压靠在伺服座122的面，从而提供足够的密封。
[0057]图6A示出了该组件的部分在匹配在一起时的三维模型，在所示定向中，伺服孔124由伺服尖端128完全覆盖，无流体可以流通。图6B示出相同组件的另一个定向，其中伺服轴126逆时针旋转，打开伺服孔124，流体可被允许从伺服脉冲发生器100外流动，穿过伺服筛网104中的孔，经过伺服轴126，并穿过伺服座122中的伺服孔124，最终流到位于伺服脉冲发生器100下方的脉冲发生器62。
[0058]以该方式旋转轴将孔打开和关闭在很多方面都有利。这些优点之一是可以迅速且完全地打开和关闭伺服阀101，从而产生液流用畅通流体通路。另外，剪切阀(Shear Valve)设计的对称性质的允许同时打开和关闭两个孔，从而可以使流体流过伺服阀101的可用面积加倍。另外，在现有技术中的大量产品试图通过轴向移动轴来实现流体通道的这种打开和关闭，或者使用螺线管，或者使用导螺杆和电动机。这些方法不能在合理的时间完全缩回轴，从而容易被泥浆中的污染物阻塞伺服孔。上述发明通过充分且完全地打开伺服孔解决了这些问题，另外，伺服轴126的旋转动作扫除、转移任何可能阻塞伺服阀的碎肩，并且可以在苛刻条件下有效地打开、关闭伺服阀。
[0059]对于该设备的一个好处在于由伺服孔124形成的开口可以形成为足够大，甚至考虑到通过在内部钻柱13内使用伺服脉冲发生器100而带来的直径限制，从而在正常钻探作业期间不显著阻挡钻井流体向钻头的流动。这样可以降低由于钻井泥浆通过小孔的高流速引起的、对孔和周边结构的腐蚀和磨损。对伺服孔124的截面与伺服座122的截面的比率的最大理论限制为0.5，假设孔在一个定向中被完全阻挡并在另一个定向中被完全打开。在一个实施方式中，该截面比率为0.08或高于0.08，在另一个实施方式中为0.05或高于0.05，在另一个实施方式中为0.03或高于0.03。在一个实施方式中，两个伺服孔124中的每一个的直径约为1/4英寸，而且以相对伺服轴126的旋转轴以约3/4英寸的中心到中心距离远离轴对称设置，而且，伺服孔124的直径与伺服座122的面119的比率为1:5。在一个实施方式中，伺服孔124的截面与伺服阀101的外径的截面比率为0.035。使更大的流动面积通过伺服阀也是一个优点，因为这允许更大的力施加到脉冲发生器，从而增加这种阀的强度和可靠性。
[0060]通过旋转伺服轴的动作操作旋转伺服脉冲发生器的另一个好处是，这允许伺服阀和伺服脉冲发生器比现有技术相对更短。长度更短允许MWD工具作为组合件更坚固，也可以不需要特殊的柔性构件来顾及井孔的曲率。在一个实施方式中，伺服脉冲发生器100的长细比(长度/外径)小于18。在一个实施方式中，伺服阀101的长细比(长度/外径)小于2.25 (其中，长度为伺服座122、伺服座保持器120以及伺服轴126组合安装后的长度)。
[0061]伺服座122和伺服尖端128优选由硬质材料形成，以有效抵抗由反复开闭上述伺服阀101引起的腐蚀和磨损。一些这样的材料可以由渗碳的陶瓷或诸如氧化铝、金刚砂、碳化钨等的碳化物形成。虽然这样的硬质材料通常在应用中更好，但是，可以发现，在一些实施方式中，可以使用本位金属或塑料部件作为降低制造成本的方式。
[0062]使伺服尖端128的、与伺服座122接触的边缘锋利有效增加了伺服阀101的切割能力和清扫能力。旋转伺服轴126的动作有效地使伺服尖端128的如锋利刀般的边缘清扫伺服座122的面，从而切断任何可能阻塞伺服孔124的污染物。在一些设备中钻井泥浆中的添加剂和污染物可能经常引起阻塞，在这种情况的MWD应用中，该剪切动作具有很高期望。
[0063]在图5所示的实施方式中，伺服轴126可以在由形成于伺服座保持器120内的机械止动件121控制的两个定向之间旋转。可以发现，机械止动件121放射状位于伺服座122外部，并与伺服座122以固有的旋转定向间接接触。机械止动件121具有相对伺服座122固定的旋转位置。其他实施方式显然可以没有止动件、或由单个止动件或具有多个止动件。在另外的实施方式(未描述)中，伺服轴126可以连续旋转(至少有时)，从而依靠开闭而产生脉冲序列，开闭的频率通过伺服轴126的转速和伺服轴126所阻塞的流体通路的数量进行控制。伺服轴126可以由诸如比伺服座122和伺服尖端128更具有弹性、抗震、耐冲击的铬不锈钢的材料制成。
[0064]图5示出伺服阀设计的一个实施方式，其中，伺服孔124穿过伺服座122，并且伺服尖端128实质上为圆形。也可以为其它实施方式，其中伺服孔124的数量和形状以及伺服尖端128的形状可以是多样的。在这些实施方式之一(未描述)中，伺服孔124和伺服尖端128为楔形，旋转伺服轴的动作将边缘为直线的流体通路进行开闭。另一个这种可能的实施方式是，伺服孔124和伺服尖端128具有不同直径且被放置为通过往复旋转伺服轴来允许不同尺寸的伺服轴的开闭。
[0065]另一个实施方式(未描述)中，液流的方向是相反的，伺服尖端128和伺服轴124位于液流通路的出口侧，其与图5中所示的位于伺服阀101的入口侧的实施方式相反。
[0066]另一个实施方式(未描述)中，伺服轴126通过孔装配于伺服座122的中心，伺服尖端128定位在液流的出口侧，但依然允许可以从液流的入口侧控制旋转动作。
[0067]参照图4A，可以发现，在该实施方式中，伺服阀101基本位于伺服筛网壳102内，并且通过伺服轴126的旋转动作在两个定向之间旋转。伺服轴126的旋转是通过与伺服轴126旋转耦合的伺服驱动轴132的旋转动作进行控制的。顺从性构件133轴向地设置在伺服轴126和伺服驱动轴132之间的孔125中，并用于调整制造公差和装配中的积累的误差，另外，还提供将伺服尖端128压至伺服座122的面的轴向力。即使在伺服脉冲发生器100收到钻探环境中存在的高振动和冲击，这个恒定力也保持伺服尖端128与伺服座122恒定接触。在图4A中的实施方式中，顺从性构件是轴向压缩波形弹簧，但是，在其他实施方式中，也可以使用其他类型的弹簧，或顺从性构件。
[0068]参照图7，伺服驱动轴132完全位于密封隔板108内侧，并且通过轴向推力轴承138和径向套筒轴承142轴向和径向设置。轴向推力轴承138使伺服驱动轴132轴向设置在密封隔板108内，并支撑任何施加到伺服驱动轴132上的惯性载荷或推力载荷。因此，轴向推力轴承138和伺服驱动轴132限制在密封隔板108内部的肩部和推力保持螺母144的面之间，通过这种方式，伺服驱动轴132可以在密封隔板108内自由旋转。另外，径向套筒轴承142安装在伺服驱动轴132的凹槽内，当伺服驱动轴132插入密封隔板108时，径向套筒轴承142径向地限制在密封隔板108的内径内，从而允许伺服驱动轴132克服在钻探环境中使用伺服驱动轴期间可能受到的任何的摩擦载荷、动载荷或惯性载荷而被径向地支撑。
[0069]图7所示的实施方式描述了一种直接密封方法，由此，通过多个高压力动态径向密封件134的作用，将用于旋转上述伺服驱动轴132的内部机电组件、电气组件以及电子组件从井底钻探环境中隔离。这些动态径向密封件134优选为诸如格瑞特维股份有限公司(Greene Tweed)或派克汉泥汾公司(Parker Hannifin)等公司制造和销售的PolyPak型或T-Seal型。在本领域公知的是，在超过在伴有低摩擦的环境中可以有效密封并对由机械影响、热影响、化学影响、以及其他在钻探环境中存在的影响引起的流体入侵进行充分抵御的设计考虑之外，可以使用很多不同密封机构和产品实现将伺服脉冲发生器100的内部组件相对于钻探环境密封的目标。在图7示出的实施方式中，作为典型例示出了 PolyPak和T-Seal的组合。
[0070]动态径向密封件134相对于密封隔板108被限制，且通过使用多个密封保持螺母136、密封保持板210、212以及保持环208径向地设置在伺服驱动轴132上。这种保持装置的具体数量、其他的形状以及相对伺服驱动轴132和密封隔板108的位置是受用于密封伺服脉冲发生器100的动态径向密封件134的特殊要求控制的。图7所示的实施方式是一种这样的可行方法的典型例，由此可以将动态径向密封件134安装到伺服驱动轴132上并保持在密封隔板108内，但是，也可以使用其他实施实施方式。
[0071]特别注意上面设置动态径向密封件134的伺服驱动轴132的直径表面。动态径向密封件134接触伺服驱动轴132的位置处的表面精整度或粗糙度形成为低表面精整度(或平滑表面)很重要，其将通过降低密封圈的机械磨损来延长密封效果并提高密封圈使用寿命。这样，在一些实施方式中，伺服驱动轴132的外径可以机械加工或研磨至极端光洁或特别的低磨擦涂层可被施加以降减小径向密封件134和伺服驱动轴132之间的摩擦，从而增加上述密封系统的效果。
[0072]图7所示的伺服驱动轴132通过驱动键214与旋转耦合半部146连接。通过该旋转耦合半部146和推力保持螺母144，可以轻松将驱动轴和密封机构与齿轮电机和驱动电子设备进行组合和分离。另外，旋转耦合半部146使伺服驱动轴132和齿轮箱156的输出轴之间存在微小偏差。使用设置在旋转耦合半部146和旋转耦合半部148之间的弹性插入件150在齿轮箱156的输出轴和伺服驱动轴132的之间形成顺应性接合，从而将齿轮箱156与由伺服驱动轴132带来的任何惯性载荷或动态载荷充分隔尚，从而保护齿轮箱156不受破坏性冲击和震动负荷。
[0073]参照图4A、5以及7，可以发现，在通过弹性插入件150旋转旋转耦合半部146的情况下，可以开闭伺服座122内部的伺服孔124，而且，任何旋转都可以用来使伺服轴126位于图6A所示的其关闭定向或图6B所示的其打开定向。这个旋转可以从伺服脉冲发生器100的密封部内部产生，而且任何这样的旋转都可以在井下钻探环境的恶劣环境中使伺服脉冲发生器100的伺服阀开闭。
[0074]图8示出了图3中实施方式的伺服脉冲发生器100的、用于使伺服阀101在其两个定向之间进行旋转的机电驱动机构的立体图。齿轮箱156与电动发达158耦合，并通过螺钉220保持在齿轮箱保持架152上。在齿轮保持架152中插入合销218，以允许齿轮箱保持架152和密封隔板108对准。将上述组件插入齿轮箱套筒154内并使用螺纹紧固在齿轮箱套筒154和齿轮箱保持架153上。导线从电动机158通过齿轮箱套筒154中的孔给送并与连接器160连接。
[0075]联接间隔件222套在齿轮箱156的轴上并用来合理隔开旋转耦合半部148。旋转耦合半部148通过键216与齿轮箱156的输出轴157旋转键合，从而，电动机158的旋转引起的齿轮箱156的任何旋转都直接传递到旋转耦合半部148，然后通过弹性插入件150到达上述伺服阀。
[0076]图8所不的实施方式使用电整流无刷直流电机158，该电机158在井下钻探的尚震动环境中具有先天优势，特别是整流组件不含石墨或铂刷。但是，在这样的操作中也可以使用其他类型的电机，例如，感应式AC电机、或步进电机、或有刷整流直流电机。
[0077] 图8所示的实施方式描述了行星减速型齿轮箱156，该齿轮箱156可以具有多个级别以在考虑电源54的有效电压和电流的情况下在适当时间内提供开闭伺服阀所需的合适的传动比。这样的齿轮箱可以是不同类型的，诸如，正齿轮，或者也可以完全取消，所提供的电动机158可以提供该操作所需的合适的速度和扭矩。另外，可以发现，齿轮箱的减速比可以进行选择或调整以在不过度改变电动机158的情况下对伺服阀101提供不同的速度和扭矩。
[0078]图8还示出了电机驱动器166，其由多个子部件构成，诸如，电阻器、电容器、感应器、数字信息处理器、晶体管、放大器、传感器，以及用于执行控制上述电动机158的任务并使其设置在其两个定向之间的其它这样的电子部件。这些部件优选如图所示地并入到印刷电路板(PCB)上，并使用耐高温焊接作为主要保持机制进行组装以将部件保持在PCB上，并且诸如环氧树脂、硅酮或其它弹性物质形成的保护层作为次级保持机制适于电机驱动器的操作环境。这些方法不进行列举，在现有技术中有很多这样的机制和方法，而且对制造用于井下环境的这种PCB的领域的技术人员来说是显而易见的。
[0079]另外，电机驱动器166设置在电子机箱164内部，通过适当的柔性和弹性材料或灌注材料168保持在其位置上。这种灌注材料168的目的是允许电机驱动器166被安装在电子机箱164内部，从而避免构成电子机箱164的金属或塑料材料和电机驱动器之间的任何直接接触，当然，除了灌粉材料168自身以外。将电机驱动器166与电子机箱164隔离可以降低施加至电机驱动器166的冲击、振动水平，而且降低井下钻探环境破坏作为电机驱动器166的一部分的有时易碎的部件的效果。另外，使用这样的灌注材料168可以允许电机驱动器166由于井孔环境的热影响而稍微进行弯曲、伸缩以及变形，而不对安装在上述电机驱动器166上的部件产生不当应力。
[0080]将电子部件与它们所被安装的机箱进行灌注和隔离的机制有很多。这些方法在本领域众所周知，这种制造装配机制的其它方式不再进行列举。但是，基本可以认为，钻探环境的严酷性要求了这种装配机制的复杂性和可靠性
[0081]除了灌注材料168，在电子机箱164和齿轮箱套筒154插入或安装到伺服壳110中时，也使用O型环224对它们提供径向支撑，并且确保内部部件的金属部件不直接与伺服壳110的金属部件径向接触，进一步有助于减小在钻探环境中遇到的振动和冲击的破坏影响。
[0082]图8所示的连接器162与导线(未描述)连接，导线进而连接至电机驱动器166并通过连接器允许进出于电动机158的任何电信号在齿轮箱套筒154内的传输。当含有连接器160的齿轮箱套筒154通过安装螺钉226与含有连接器162的电子机箱164匹配时，两个连接器彼此牢固地匹配。另外，连接器174也与电线(未描述)连接，该电线进而与电机驱动器166连接，并允许相关电信号从伺服脉冲发生器100和MWD工具10的其他部件进行传输，或传输到此。连接器174优选与O型环228结合，在允许连接器174根据需要与伺服脉冲发生器100外部的其他连接器匹配时，该O型环228允许连接器174相对于钻探环境对伺服脉冲发生器100的内部部件进行密封。
[0083]图9示出伺服脉冲发生器100的部分的局部分解立体图，其中以局部组装好的形式示出密封和驱动机构、机电驱动机构以及组装和安装机构。关于图7、8、11A和11C，机电驱动机构，具体而言，齿轮箱保持架152通过将合销218对准密封隔板108中的匹配孔来组装到密封隔板108上并且同时配合旋转耦合半部146和旋转耦合半部148，其中弹性插入件150被安置和保持在二者之间。电子机箱164由安装螺钉226安装到齿轮箱套筒154上并且同时将连接器160配合到连接器162。伺服壳110被套在这些物品上并且通过螺纹连接到密封隔板108上，并连接到与齿轮箱保持架152相邻的螺纹。
[0084]将压垫170插入伺服壳110，然后将互连隔板112螺纹连接到伺服壳110上。这使得压垫保持在电子机箱164与互连隔板112之间并且由于拉紧伺服壳110与互连隔板112之间的螺纹的动作而稍微被压迫。压垫170优选地由相当柔软但顺从的材料制成，诸如橡胶或塑料，以使得伺服壳110内的机电部件被保持压迫且因此限制伺服壳110内的部件由于施加到MWD工具10上的冲击和振动载荷而移动。
[0085]连接器174被安装在连接器保持架176内并且通过使用开口环172保持就位以防止轴向行进并且通过在连接器保持架176上机械制造的键槽来保持无法旋转。作为最终组装步骤，使用螺钉230将连接器保持架176安装到互连隔板112上。将互连外壳114安装在所述连接器保持架176上并且螺纹连接到互连隔板112上。
[0086]此时，参照图3和4A，包括所述伺服脉冲发生器100的伺服阀102的部件可以安装到如图9中所示的组件的左侧。伺服轴126附接至安置在与伺服轴132的末端相邻的孔125内的顺从性构件133。伺服座保持器120安装在伺服筛网壳102内并且筛网104安装在伺服筛网壳102上。
[0087]参考示出本发明的一个实施方式的先前部分，可以通过使用相对于钻探环境直接密封的驱动器机构来打开和关闭的旋转伺服阀具有其显著的优点和一些潜在缺点。一个优点在于决定论，通过决定论，伺服阀本身能够在伺服阀的位置或功效没有任何不定性的情况下直接打开和关闭。另一个优点在于此实施方式的相对简单性，其中实现所述发明所需的部件的总数量很少，因此在组装、维修、操作灵活性和最终可靠性方面具有明显益处。
[0088]然而，先前部分中描述的实施方式的一个潜在缺点在于可能存在由于主要密封机构泄漏而导致产品发生故障的可能性。密封机构的操作寿命是有限的并且与井身中的静水压力、钻井流体的密度、钻井流体的操作温度和化学污染成分、伺服脉冲发生器驱动的循环的数量以及难以量化的其他变量相关，因此，在没有所关注的操作环境的过度测试和验证的情况下，无法详细地精确预测密封机构的操作寿命。
[0089]以下描述提供伺服脉冲发生器装置的本发明的另一个实施方式，所述装置在所有操作条件下都比先前部分中描述的装置更可靠和稳定。在第一与第二实施方式之间使用相同编号的部分或结构是共通的，二者之间可能不同的部分或结构重新编号。
[0090]现在参照图10，其示出第二实施方式中的伺服脉冲发生器300的立体图。伺服脉冲发生器300的外部包括伺服筛网壳102，在该外壳102上使用螺钉106安装多个筛网104。筛网104的目的在于允许钻井流体进入大体上位于伺服筛网壳102内的伺服脉冲发生器的阀部分，同时限制有时存在于钻井流体中的大固体颗粒的进入。可以使用不同类型的此过滤机构或筛网来对抗在流动中发现的不同类型的污染物的存在。
[0091]图10还示出附接到密封隔板302的伺服筛网壳102，密封隔板302内大体具有密封机构和轴机构，该轴机构可以操作位于伺服筛网壳102内的伺服阀101。
[0092]图10还示出附接到补偿器外壳306的密封隔板302，用于操作所述伺服阀101的机械和压力补偿机构大体上位于补偿器外壳306内。
[0093]图10还示出补偿器外壳306，补偿器外壳306附接到磁性隔板308上，磁性隔板308进而附接到脉冲发生器外壳310上，用于操作所述伺服阀101的机电、电气和电子部件大体上位于脉冲发生器外壳310内。
[0094]图10还示出脉冲发生器外壳310，脉冲发生器外壳310附接到互连隔板112上，互连隔板112又附接到互连外壳114上。在互连隔板112和互连外壳114内具有使伺服脉冲发生器300机械地、电气地连接到控制器56或电源54或者通常连接到可以构成MWD工具10的一部分的其他部件的部件。
[0095]此外，整体关注图10，本发明的此特定实施方式中预期使用互连外壳114来将伺服脉冲发生器300附接到控制器56或电气电源54，并且使用伺服筛网壳102将伺服脉冲发生器100连接到MWD工具10的脉冲发生器62。
[0096]图11A、IlBUlC和IlD基本示出如图10中所示的第二实施方式中描绘的伺服脉冲发生器300的截面图。
[0097]图12基本示出大体上位于密封隔板302内的驱动轴和密封机构的分解立体图。
[0098]以下，为了进一步解释部件并且为了方便和清晰，同时参照以立体图大体上示出伺服脉冲发生器300的个别部分的图5、6A、6B和10，对如图11A、11B、11C和IlD中所示的伺服脉冲发生器300的个别部分进行描述。
[0099]参照图5，伺服座122通过定位销204安装于伺服座保持器120内。定位销204将伺服座122与伺服座保持器120对准，并限制伺服座122相对伺服座保持器120旋转的能力。另外，径向密封件202在伺服座122插入伺服座保持器120前绕伺服座122的外径安装，并且用来阻挡伺服座122的外径与伺服座保持器120的内径之间的所有液流。保持环206安装于伺服座122的面，并安装到伺服座保持器120的内径上的狭槽中，从而限制伺服座122的轴向(沿伺服脉冲发生器100的长度)移动。另外，径向密封件200安装在伺服座保持器120的外径上，并且当将伺服座保持器安装到伺服筛网壳102内时，密封伺服座保持器120的外部，从而限制钻井流体在伺服座保持器120的外径与伺服筛网壳102的内径之间渗漏。
[0100]伺服尖端128通过过盈挤压配合与伺服轴126连接。另外，合销130也以过盈按压配合的方式与伺服轴126连接。
[0101]伺服尖端128被按压到伺服座122的面119，并通过引导合销进入位于伺服座122中心的匹配孔123来径向定位。伺服轴126与伺服尖端128以这种方式定位到伺服座122，从而允许伺服轴126相对伺服座122旋转。
[0102]图5还示出了进入孔125中的顺从性构件133，其旨在提供轴向力以使得伺服尖端128被压靠在伺服座122的面，从而提供足够的密封。
[0103]图6A示出了该组件的部分在匹配在一起时的三维模型，在所示定向中，伺服孔124由伺服尖端128完全覆盖，无流体可以流通。图6B示出相同组件的另一个定向，其中伺服轴126逆时针旋转，现在打开伺服孔124，流体可以被允许从伺服脉冲发生器300外流动，通过伺服筛网104中的孔，经过伺服轴126，并通过伺服座122中的伺服孔124，最终流到位于伺服脉冲发生器300下面的脉冲发生器62。
[0104]第二实施方式引用以上关于第一实施方式和图6A、6B以及伺服座122、伺服尖端128和伺服孔124 (包括旋转和流动方向)的描述。
[0105]参照图11A，可以看出伺服阀101在此实施方式中大体上位于伺服筛网壳102内并且通过伺服轴126的旋转动作在两个不同定向之间旋转。伺服轴126的旋转是通过与伺服轴126旋转耦合的伺服驱动轴312的旋转来进行控制的。顺从性构件133被轴向地安置在伺服轴126与伺服驱动轴312之间的孔125中，并且除了提供将伺服尖端128按压到伺服座122的面119上的恒定的轴向力之外，还用来调整制造公差和组装期间的积累的误差。即使伺服脉冲发生器300经受在钻探环境中存在的高振动和冲击时，此恒定力也保持伺服尖端128与伺服座122恒定接触。在图1lA中所示的实施方式中，顺从性构件是波形的轴向压缩弹簧，然而，其他实施方式中也可以使用其他弹簧状或顺从性构件。
[0106]参照图12，伺服驱动轴312大体上位于密封隔板302内，并且使用轴向推力轴承138和径向套筒轴承142来轴向地和径向地定位。轴向推力轴承138允许伺服驱动轴312轴向地定位于密封隔板302内，并且用来支撑施加到伺服驱动轴312上的任何惯性或推力载荷。轴向推力轴承138和伺服驱动轴312被限制在密封隔板302内部的肩部与推力保持螺母144的面之间，从而允许伺服驱动轴312在密封隔板302内自由旋转。此外，径向套筒轴承142被安装到伺服驱动轴312上的凹槽中，并且当伺服驱动轴312插入到密封隔板302中时，径向套筒轴承142被径向地限制在密封隔板302的内径中，并且由此允许伺服驱动轴312克服在钻探环境中使用伺服驱动轴期间可能受到的任何的摩擦载荷、动载荷或惯性载荷而被径向地支撑。
[0107]图12中所示的实施方式描绘了一种补偿密封方法，由此，用于旋转所述伺服驱动轴312的内部机械部件通过单个动态径向密封件134的动作与井下钻探环境隔离开。此动态径向密封件134优选地由优选为诸如格瑞特维股份有限公司(Greene Tweed)或派克汉泥汾公司(Parker Hannifin)等公司制造和销售的T-Seal类型构成。本领域技术人员应当清楚，，在超过在伴有低摩擦的环境中可以有效密封并对由机械影响、热影响、化学影响、以及其他在钻探环境中存在的影响引起的流体入侵进行充分抵御的设计考虑之外，可以使用很多不同密封机构和产品实现将伺服脉冲发生器100的内部组件相对于钻探环境密封的目标。动态径向密封件134相对于密封隔板302受限并且通过使用密封保持螺母320径向安置在伺服驱动轴312之上。
[0108]特别注意上面设置动态径向密封件134的伺服驱动轴312的直径表面。动态径向密封件134与伺服驱动轴132接触的位置处的表面精整度或粗糙程度很重要，因为较低的表面精整度(或平滑表面)将通过减少密封的机械磨损来延长密封效果和增加密封寿命。这样，在一些实施方式中，伺服驱动轴312的外径可以被加工或研磨成极其平滑的精整度，或者可以涂覆特别的低摩擦涂层以减少动态径向密封件134与伺服驱动轴132之间的摩擦并且由此增加所述密封系统的效果。
[0109]图12还示出注油塞304，注油塞304在通过液压油对伺服脉冲发生器300的部分进行填充的过程中使用，以辅助所述伺服脉冲发生器300的润滑和压力补偿。稍后将详细描述对伺服脉冲发生器300进行注油的目的。
[0110]图12中所示的伺服驱动轴312通过驱动键214连接到联轴器314。联轴器314使伺服驱动轴312与下述的其他部件之间进行机械连接，同时使其便于组装和拆卸。固定螺钉316被安置在联轴器314内并且用来在伺服驱动轴312、驱动键214以及联轴器314之间提供积极锁定，从而消除联轴器314中的键槽与驱动键214的侧面之间的扭矩滑移。
[0111]因此，参照图5、11A和12，可以看出，伺服座122内的伺服孔124可以通过联轴器314的旋转进行开闭，并且任何此类旋转可以用来使伺服轴312安置于如图6A中所示的其关闭定向或者如图6B中所示的其打开定向。此旋转可以由伺服脉冲发生器300的注油部分内部产生，并且任何此类旋转都致使伺服脉冲发生器300的伺服阀在井下钻探环境的不利环境中打开和关闭。
[0112]图13示出图10中实施方式的伺服脉冲发生器300的用于将伺服阀在其两个定向之间旋转的机械驱动机构的立体图。使用螺钉220将双轴齿轮箱322保持在齿轮箱保持架152上。将合销218插入到齿轮箱保持架152中以允许齿轮箱保持架152与密封隔板302对准。将刚刚详细描述的组件插入到齿轮箱套323中并且使用螺纹紧固在齿轮箱套323和齿轮箱保持架152上。
[0113]双轴齿轮箱322优选为行星齿轮箱类型，并且优选使用不易受腐蚀的部件来制造。迄今为止可以使用诸如不锈钢、青铜或其他此类材料的材料，因为它们可以执行该装置的功能，即传输所述双轴齿轮箱322的输入轴345与输出轴321之间扭矩并同时减少输出驱动轴相对于输入驱动轴的旋转速度并相对于输入驱动轴增加输出驱动轴上传递的扭矩。此外，此类齿轮箱的另一个实施方式还将会在所述齿轮箱的外壳上包括多个孔，以使润滑油自由且无障碍的流动，在此实施方式中，润滑油也被用作压力补偿流体。
[0114]还参照图11B，将径向球轴承324插入到补偿器安装件326内，补偿器安装件326附接到齿轮箱套筒323，该过程将径向球轴承324限制在齿轮箱套筒323内的肩部与补偿器安装件326之间。此外，径向球轴承330滑到中间驱动轴334，中间驱动轴334又在补偿器安装件326内滑动，通过径向球轴承324的内径，并且又借助于驱动轴键345和驱动轴334上的槽335连接到双轴齿轮箱322的输入驱动轴。另一个径向球轴承336滑动到中间驱动轴334上并且通过卡环340保持就位。
[0115]图13还示出磁性耦合内部338，其为被设计为通过使用多个匹配的磁体在两个驱动轴之间传输扭矩的耦合设备。在先前技术中描述了若干此类设备，并且许多此类设备是市售的并且磁性耦合内部338被展示为一个此类市售设备的代表性样品。
[0116]磁性耦合内部338滑到中间驱动轴334上并且借助于磁性耦合键342和槽339来扭转地指示到中间驱动轴334并使用卡环348来轴向地限制。
[0117]补偿器膜328滑到补偿器安装件326上并且使用绞对线固定就位。补偿器膜优选由顺从性构件来制成，诸如碳氟化合物或腈类型的橡胶。选择橡胶材料(诸如这些材料)允许补偿器膜328柔韧、耐高温、耐用于钻井流体中的各种化学品和添加剂并且能够相对于井下建立的泥浆填充环境有效地密封填充在伺服脉冲发生器300内部的空腔中的油。
[0118]还参照图1lA和11B，将以上详细描述的组件插入到补偿外壳306中并且使用磁性隔板308来进一步进行轴向限制。磁性隔板308被选择为使磁通量大体透过，由此使通量在磁性耦合内部338与磁性耦合外部350之间有效地通过。磁性隔板308被选择为足够牢固以将油保持在伺服脉冲发生器300内部的注油腔中，并且仍是将磁性耦合内部338与磁性耦合外部350分开的区域中的薄壁部分，由此允许这些部分彼此靠近。适宜的合金包括高产量(允许较薄的壁厚度)和基本上无磁性的那些合金，诸如NiCoMb、因科镍合金(Inconel)、BeCu 和 MP35N。
[0119]此组件被粘附到补偿外壳306上，并且磁性隔板308又通过如下方式附接至图12中所示的组装好的部分:将安装到齿轮箱保持架152上的合销218对准和插入到密封隔板302上的配合孔中、将双轴齿轮箱322的输出轴上的驱动键321对准到联轴器314的右手侧并且在所述输出轴上滑动所述联轴器314并且使用固定螺钉318刚性地定位这些物体。
[0120]图14示出图12和图13中所示和上面描述的部件的组装好的立体图。所示组件中填充有液压油并且使用注油塞304密封。液压油填充图14中所示的组件内的所有可用空腔和容积并且通过多个O形环、动态径向密封件134、补偿器膜328和磁性隔板308进行密封以抵抗钻探环境和其钻井流体和压力。
[0121]这样详细描述的组件是流体静力补偿系统，其中伺服脉冲发生器300内的液压油处于基本上与钻井流体相同的压力下，这是因为通过补偿器外壳306中的槽344的补偿器膜328的压迫和通过补偿器安装件326中的孔346的所述伺服脉冲发生器300的注油部分的液压油侧的随后压迫。液压油的选择和清理油、排出油以移除带入的空气并注入到注油部分中的过程对于用于钻探环境中的脉冲发生器的操作是重要的。
[0122]如果适当地清理液压油、将其去空气并且填充到图14中所示的伺服脉冲发生器300中，则组件将能够经受井孔环境中的极端静水压力，同时允许伺服驱动轴312相当自由地旋转，因为没有压差施加到动态径向密封件132，因此仅需要克服动摩擦和旋转惯性使所述伺服驱动轴32旋转。
[0123]还参照图1lB和11C，图14中详细描述并且参照图15和16的组件允许通过使用磁性耦合外部350使伺服驱动轴312跨越磁性隔板308的磁性穿透屏障旋转，磁性耦合外部350与磁性耦合内部338耦合，磁性耦合外部350可以被放置在安全且密封环境的井下，并且不需要使用任何额外的动态密封或压力补偿机构。将磁性耦合外部350和其相关机电和电气部件保持在密封的填充有空气的环境中并且仍能够在钻井的高压、受污染并且腐蚀性的环境中驱动阀，因为有效地增加伺服脉冲发生器300的耐久性和可靠性，所以这种能力很有价值。
[0124]图15示出图10中实施方式的伺服脉冲发生器300的用于将伺服阀126在其两个定向之间旋转的机电驱动机构的立体图。齿轮箱358耦合到电动机360并且使用螺钉364保持到齿轮箱保持架354上。将径向球轴承358插入到磁性耦合轴356上并进而插入到轴保持架352中。然后将该组件通过轴保持架352和齿轮箱保持架354上的螺纹安装到齿轮箱保持架354上。将两个部分轴向地并径向地螺纹连接在一起，使得径向球轴承358定位在轴保持架352内，并且允许磁性耦合轴356自由旋转，同时允许使用键槽357使磁性耦合轴附接到齿轮箱358左侧的输出轴359。
[0125]参照图1IB和11C，使用两个齿轮箱322和358来减少来自电动机360的轴速度并且增加施加到伺服阀101的伺服轴126的扭矩。在此实施方式中，齿轮箱358仅使扭矩增加所需量的一部分以限制由磁性耦合外部350跨越磁性隔板308传输到磁性耦合内部338的扭矩。此外，齿轮箱358减小轴速度，从而减小由于旋转磁性耦合外部350和磁性耦合内部338所产生的磁场引起的磁性隔板308中的磁性损耗和加热。在另一个实施方式中(未描绘)，在其中扭矩传输限制以及磁性损耗和加热是不明显的，其仅使用一个齿轮箱。在另一个实施方式中(未描绘)，其具有提供适当低的轴速度和高扭矩的电机，不使用齿轮箱。
[0126]再将上述的组件插入到底盘362中并使用底盘362和齿轮箱保持架354上的螺纹进行固定。来自电动机360的导线穿过底盘362中的孔给送并且连接到电机驱动器166。电动机360和齿轮箱358具有上述的关于电动机158和齿轮箱156的特征。上面描述了电机驱动器166。
[0127]此外，电机驱动器166置于底盘362内并且通过使用适当柔软和弹性材料或上述第一实施方式公开的灌注材料168保持就位。这里具有许多用于进行灌注和使电子部件与它们所安装在的机箱隔离的机构。这些方法是本领域中熟知的，不再进行列举。然而，一般可以认为钻探环境的严酷性决定此类安装机构的复杂度和可靠性。
[0128]除了灌注材料168之外，在底盘362和轴保持架352插入或安装到电子外壳310中时，还使用O形环224对它们提供径向支撑，并且确保内部部件的金属部件与伺服壳110的金属部件不直接径向接触，从而进一步减小在钻探环境中遭遇的振动和冲击的破坏效果。
[0129]磁性耦合外部350通过压迫夹附接到磁性耦合轴356的左手侧。此组装步骤允许磁性耦合外部350通过磁性耦合轴356进行旋转，磁性耦合轴356又连接到齿轮箱358，然后连接到电动机360上。电动机360通过导线附接到电机驱动器166，因此电机驱动器166可以用来将适当的电信号提供到电动机360以根据需要使其以任何所需的速度进行旋转(无论顺时针还是逆时针)，同时提供充足的扭矩。
[0130]同样参照图11D，连接器162安装在底盘362上并通过导线(未描绘)连接到电机驱动器166。连接器160安装到连接器夹368上。导线又通过连接器夹368中的孔将连接器160连接到连接器174。因此，所述连接器夹组件通过在连接器160与连接器62之间提供电接触而安装到底盘362上，从而将连接器174处存在的任何电气信号传输到电机驱动器166。连接器174优选并入O形环228，在连接器174根据情况与伺服脉冲发生器300外部的其他连接器配合时，O形环228允许连接器174密封伺服脉冲发生器300的内部部件以与钻探环境隔离。
[0131]因此，上述组件附接到联接间隔件366，联接间隔件366然后安装到磁性隔板308上，以这种方式将磁性耦合外部350的轴向位置与磁性耦合内部338对准，从而使磁性耦合外部350的任何旋转被传递到磁性耦合内部338，从而允许电动机360的任何旋转通过齿轮箱358传递，随后通过磁性耦合外部350传递并且由此通过磁性耦合内部338传递并且进一步通过中间驱动轴334传递，随后到达双轴齿轮箱322的输入轴，并进一步通过双轴齿轮箱322的输出轴传递。随后，该旋转运动继续到轴耦合314上并且随后通过伺服驱动轴312最后到达伺服轴126，该伺服轴126在如图6A和6B中所示的伺服阀的打开和关闭位置之间振荡。
[0132]图16示出伺服脉冲发生器300的一部分的具备分解立体图，其中以局部组装好的形式示出密封和驱动机构、机电驱动机构和组件以及安装机构。图15中所示的先前描述的局部组装好的机电驱动部件被安装到图14中以组装好的形式示出的、先前描述的机械驱动部件上。电子外壳310在这样描述的组件上滑动，该组件通过电子外壳310和磁性隔板308上的螺纹附接到磁性隔板308。
[0133]将压垫170插入电子外壳310中，然后将互连隔板112螺纹连接到电子外壳310上。从而，压垫被保持在连接器夹368的右手边缘与互连隔板112的左手边缘之间，并且由于拧紧电子外壳310与互连隔板112之间的螺纹而稍微受到按压。压垫170优选由相当柔软但是顺从的材料制成，诸如橡胶或塑料，以使电子外壳310内的机电部件被保持在受压状态，因此限制电子外壳310内的部件由于施加到MWD工具10上的冲击和振动载荷而移动。
[0134]连接器174安装在连接器保持架176内并且通过使用开口环172保持就位以抵抗轴向行进并且通过机械制造到连接器保持架176上的键槽保持就位以抵抗旋转。连接器保持架使用螺钉230安装到互连隔板上并且作为最终组装步骤。互连外壳114安装在所述连接器保持架176上并且螺纹连接到互连隔板112上。
[0135]此时，参考图10、11A和14，包括上述伺服脉冲发生器300的伺服阀101的部件可以安装到如图16中所示的组件的左侧。伺服轴126与安置在与伺服轴312的末端相邻的孔125内的顺从性构件133附接。伺服座保持器120安装在伺服筛网壳102内并且筛网104安装在伺服筛网壳102上。
[0136]关于使用上述的本发明的实施方式的方法，MWD工具10能够在钻探过程期间测量井孔底部的所需参数、在需要时能够使用钻井流体中的一系列压力脉冲用遥测发射器将此信息从地下位置传输到地表，其中这种用遥测发射器传输的压力脉冲编码有关于这些所需参数的数据， 随后在地表位置测量、检测、解码所述数据，并且根据需要进一步检索、存储、显示或传输遥测发射器传输的信息。
[0137]参照图1A和2，上述的MWD工具10包括耦合到控制器56的电源54。控制器56附接到单个或多个传感器组58，传感器组58在需要时测量与地下位置的有关信息。MWD工具10还包括伺服脉冲发生器64 (在实施方式100或实施方式300中更详细描述伺服脉冲发生器64的两个实施方式)。控制器还附接到振动和旋转敏感开关60。该开关然后附接到称为脉冲发生器62的机械脉冲发送阀。脉冲发生器62响应伺服脉冲发生器64所产生的压力脉冲而在内部钻井流体柱13中产生压力脉冲，脉冲发生器62—般在伺服筛网壳102的末端处机械耦合到伺服脉冲发生器64。
[0138]命令MWD工具10测量需要的参数并随后开始数据的遥测发射器传输的过程可以从地表开始。当需要时并且在中间或钻探过程中，钻井者可以通过首先停止钻柱30的旋转，然后在将钻头从井身12的底部提起几英尺时向MWD工具10发送命令，并可以通过关闭由泥浆泵38进行的流体循环来阻挡流体通过钻柱30的循环。
[0139]在这些步骤之后，钻柱30和通过钻环32与其连接的MWD工具10将停止旋转和移动。钻井者此时可以等待预定的时间量来使MWD工具10检测所述旋转和振动的存在，并且额外检测由通过MWD工具10的流体流动而所引起的振动的缺乏。
[0140]在检测到振动和旋转的缺乏之后，并且在从振动和旋转敏感开关60接收到所述信号之后，控制器56可以开始从所附接的传感器组58获取任何有关数据的过程并且通过将此数据编码为适于通过泥浆脉冲来遥测传送的形式对该数据进行准备。这些测量可以包括但不限于指示MWD工具10相对于地表位置的定向的数据，如关于其斜度、方向(定向角)、旋转定向(工具面)或者所关注的其他物理参数，诸如地下位置的温度、地下位置处的压力，并且还可以包括与井孔环境的地球物理性质有关的数据，包括辐射水平、电阻率、孔隙率或者可能与井孔的有效钻探有关的其他数据。
[0141]在地表处，当经过了预定时间，钻井者可以通过启动泥浆泵38开始使流体流过MWD工具10。此时钻井者可以根据需要开始或者不开始旋转，并且当流体流动打开时，MWD工具10可以根据旋转的存在或不存在来传输不同的信息。
[0142]振动和旋转敏感流动开关60检测通过MWD工具10的流体流动的开始，并且如果在地表上开始任何旋转，则可以检测钻柱的此类旋转的开始。其随后将此信息用信号发送到控制器56，控制器56又等待预定的时间量来允许流体流动的稳定化和适当压力的建立。
[0143]当经过了预定的延迟时间，控制器56可以通过用信号通知伺服脉冲发生器64运转来开始向地表传输数据。
[0144]在接收到该信号之后，伺服脉冲发生器64可以通过将伺服轴126在打开位置与关闭位置之间振荡来开始打开和关闭运动的序列。每个此类打开和关闭甚至可以被当作一对并指示已知宽度的压力脉冲，并且在这些打开时间期间对通过伺服脉冲发生器64的流体流动的允许导致脉冲发生器62接合并关闭大阀，所述大阀又限制通过MWD工具10的流体流动并且在流体柱中产生压力脉冲。
[0145]在另一个实施方式中，在接收到该信号之后，通过在两个或更多个旋转定向之间旋转伺服阀101，可以运行伺服脉冲发生器64。第一定向可以是基本上阻塞流体的通道(诸如伺服孔124)的定向，第二旋转定向可以是它们基本上未阻塞的定向。在其他实施方式中，第一定向可以包括密封流体通道，或者额外的定向。密封流体通道可以包括通过旋转伺服阀101的输入端来将伺服轴126旋转到此第一定向。在一个实施方式中，旋转伺服轴126旋转其一部分以阻塞一个或多个流体通道。该部分可以包括从阻塞部分轴向地延伸的一个或多个尖端。基本上阻塞流体通道可以包括旋转伺服阀101的输入端以旋转一个或多个尖端128以密封伺服孔124。
[0146]伺服阀101可以通过伺服脉冲发生器64的接触止动结构的一部分来将伺服脉冲发生器64的旋转停止在一个或多个定向下。这些结构可以相对于伺服脉冲发生器64中的流体通道处于固定旋转定向下。在一个实施方式中，该结构与伺服座122间接接触并且相对于伺服座122中的伺服孔124处于固定旋转定向下。在一个实施方式中，通过伺服轴126接触机械式止动件121来停止旋转。伺服轴126的旋转可以通过其与位于伺服座122径向外部的结构接触的径向延伸部来停止。伺服轴126的旋转可以通过其与接触伺服座122的结构的延伸相接触的一个或多个部分来停止，所述结构的一个实例是机械式止动件121。
[0147]这种打开和关闭事件对的宽度和频率可以用来在流体流动中产生脉冲，由此可以使用这些压力脉冲来编码信息。如一个实例，打开和关闭伺服阀101，从而可以使用脉冲发生器62产生指示遥测传送开始的不同模式的压力脉冲。
[0148]此外，这样产生的脉冲的宽度、所述脉冲之间的时间以及相对于彼此的位置可以用来以纯模拟或数字格式编码数据。例如，模拟传输方法可能使用两个相邻脉冲之间的时间来编码有意义的信息，其中所述脉冲之间的延迟越大，传输的信息值越大。数字编码机制的一个实例可以是允许单个脉冲存在于有限数量的位置上，并且如果脉冲存在于这样的一个位置中，则这样传输的值等于先前分配给此位置的值。
[0149]这里提供了一种相对简单的传输数据的方法，所述压力脉冲的宽度、位置和模式都可以被调整，从而以不同的格式来编码数据。
[0150]MWD工具中可用的一种方法是在通过MWD工具的流体流动开始之后通过允许MWD工具从传感器组58连续地或在以预设间隔获取有关数据并且随后以固定间隔将此数据传输到地表来连续长时间遥测传送数据。
[0151]MWD工具中可用的另一种方法是当已经发送完所有需要被遥测传送的数据时使信息传输的停止。这种方法的结果是，与此相反预期的是，当控制器56检测到特定井下事件时，也可以开始启动数据遥测传送。此事件可以是出现指示控制器能从传感器组58获取新的数据并且将数据用遥测发射器传送到地表的特定时间间隔或多个所述时间间隔。此事件也可以通过控制器56通过连续从传感器组58获取数据检测到有关数据值高于阈值、低于阈值或者处于阈值来产生，并且当此事件发生时开始遥测传送，并随后根据需要对将被发送和传输至伺服脉冲发生器以进行打开和关闭的数据进行编码以将这些数据传输到地表。
[0152]如上所述，旋转的存在或不存在也可以用来触发事件并且开始、终止和修改MWD工具10对数据的遥测传送。如一个实例，钻柱的旋转状态从旋转到停止旋转的改变可以用来触发改变由MWD工具10遥测传送至地表的值的事件。
[0153]因此，应当认为，本发明在此申请中并不限于在权利要求的描述中阐述或附图中示出的部件的构造细节和布置。本发明能够进行其他实施方式并且用各种方式来实践和执行。另外，应理解，本文使用的措辞和术语是用于描述目的，而不应认为是限制性的。因此，本领域技术人员将了解，本发明所基于的概念可以被容易地用作设计用于执行本发明的若干目的的其他结构、方法和系统的基础。因此，只要它们不脱离本发明的精神和范围，都认为是权利要求所包的等效构造。
【主权项】
1.一种用于在钻井流体柱中驱动泥浆脉冲发生器的旋转伺服阀，包括: 伺服阀座，限定从其穿过的一个或多个钻井流体通路； 旋转伺服阀，能够在至少两个旋转位置上操作，所述至少两个旋转位置包括第一旋转位置，在所述第一旋转位置上，所述旋转伺服阀阻挡所述一个或多个钻井流体通路；以及至少一个旋转止动件，限定所述至少两个旋转位置中的一个； 所述至少一个旋转止动件间接接触所述伺服阀座并且相对于所述伺服阀座处于固定的旋转定向中。2.如权利要求1所述的旋转伺服阀， 还包括伺服轴； 所述伺服轴包括轴体和阻塞部；以及 所述一个或多个旋转位置中的每一个都限定所述伺服轴的旋转定向。3.如权利要求2所述的旋转伺服阀， 其中，所述阻塞部的主要部分不与所述伺服阀座接触。4.如权利要求2所述的旋转伺服阀， 所述阻塞部包括一个或多个尖端，所述一个或多个尖端从所述阻塞部向所述流体通路轴向延伸。5.如权利要求2所述的旋转伺服阀， 所述阻塞部包括一个或多个尖端； 所述一个或多个尖端由比所述轴体更耐磨的材料形成。6.如权利要求5所述的旋转伺服阀， 所述更耐磨材料是碳化物。7.如权利要求2所述的旋转伺服阀， 所述阻塞部包括一个或多个尖端，所述一个或多个尖端通过制造工艺附接至所述阻塞部。8.如权利要求2所述的旋转伺服阀， 其中，所述伺服轴的阻塞部远离所述伺服轴的旋转轴设置。9.如权利要求8所述的旋转伺服阀， 其中，所述伺服轴在所述旋转轴处安装至所述伺服阀座。10.如权利要求1所述的旋转伺服阀， 所述至少一个旋转止动件是用于所述伺服阀座的保持结构的延伸部。11.如权利要求1所述的旋转伺服阀， 所述至少一个旋转止动件位于所述伺服阀座的径向外部。12.如权利要求1所述的旋转伺服阀， 所述一个或多个钻井流体通路包括穿过所述伺服阀座的至少一个孔。13.如权利要求12所述的旋转伺服阀， 所述至少一个孔连接钻井流体柱侧和脉冲发生器侧。14.如权利要求1所述的旋转伺服阀， 其中，所述旋转伺服阀被配置为安装在伺服脉冲发生器中。15.如权利要求14所述的旋转伺服阀， 其中，所述伺服阀座被配置为安装至脉冲发生器伺服筛网壳。16.如权利要求14所述的旋转伺服阀， 还包括伺服轴； 其中，所述伺服轴被配置为附接至驱动轴。17.如权利要求1所述的旋转伺服阀， 其中，所述伺服阀适于将第一面暴露于与内部钻井流体柱连通的钻井泥浆，并将第二面暴露于与泥浆脉冲发生器连通的钻井泥浆。18.如权利要求1所述的旋转伺服阀， 所述一个或多个钻井流体通路包括穿过所述伺服阀座的至少两个孔； 其中，所述至少两个孔相对于所述旋转位置的旋转轴对称设置。19.如权利要求18所述的旋转伺服阀， 还包括伺服轴； 所述伺服轴包括相对于所述旋转轴对称且横向延伸的至少两个部分。20.如权利要求19所述的旋转伺服阀， 所述伺服轴还包括从所述至少两个延伸部分中的每一个延伸的一个或多个尖端， 其中，所述一个或多个尖端在所述第一旋转位置中密封所述孔。21.如权利要求18所述的旋转伺服阀， 还包括伺服尖端； 其中，所述伺服尖端压靠所述伺服阀座。22.如权利要求21所述的旋转伺服阀， 所述伺服尖端从所述延伸部分轴向延伸以与所述伺服阀座接触。23.如权利要求1所述的旋转伺服阀， 所述一个或多个钻井流体通路包括穿过所述伺服阀座的两个孔； 所述孔的截面基本为圆形， 所述孔从中心到中心以所述孔的直径的大约三倍距离分离。24.如权利要求23所述的旋转伺服阀， 所述伺服阀座具有截面基本为圆形的面； 所述面的直径为所述孔的直径的大约五倍。25.如权利要求1所述的旋转伺服阀， 还包括旋转轴； 所述一个或多个钻井流体通路包括穿过所述伺服阀座的两个1/4英寸直径的孔； 所述孔远离旋转轴以大约3/4英寸的中心到中心距离对称设置。26.如权利要求1所述的旋转伺服阀， 所述伺服阀座还包括截面积； 所述一个或多个钻井流体通路包括所述截面积的至少大约3%。27.如权利要求26所述的旋转伺服阀， 所述一个或多个钻井流体通路包括所述截面积的至少大约5%。28.如权利要求26所述的旋转伺服阀， 所述一个或多个钻井流体通路包括所述截面积的至少大约8%。29.如权利要求1所述的旋转伺服阀， 其中，所述伺服轴在所述至少两个旋转位置中的每一个上都与所述伺服阀座保持基本相同的距离。30.一种在钻井流体柱中驱动泥浆脉冲发生器的旋转伺服阀，包括: 伺服阀座，在其第一侧和第二侧之间具有流体通路； 伺服轴，包括阻塞部， 其中，所述阻塞部的主要部分不与所述伺服阀座接触； 所述伺服轴具有至少两个旋转定向，所述至少两个旋转定向包括第一旋转定向和第二旋转定向，在所述第一旋转定向中，所述伺服轴基本阻塞所述流体通路，在所述第二旋转定向中，所述流体通路基本不被阻塞；以及 至少一个旋转止动件，限定所述至少两个旋转定向中的一个。31.如权利要求30所述的旋转伺服阀， 包括两个旋转止动件，每个旋转止动件都限定所述第一旋转定向中的一个。32.如权利要求31所述的旋转伺服阀， 还包括用于所述伺服阀座的保持器； 所述保持器包括形成所述旋转止动件的延伸部。33.如权利要求30所述的旋转伺服阀， 所述一个或多个旋转止动件位于所述伺服阀座的径向外部。34.如权利要求30所述的旋转伺服阀， 所述伺服轴还包括: 轴体；以及 至少两个延伸部分，相对于所述轴体的旋转轴从所述轴体对称地横向延伸。35.如权利要求34所述的旋转伺服阀， 所述流体通路包括穿过所述伺服阀座的至少两个孔； 所述至少两个延伸部分在所述第一定向中与所述至少两个孔基本旋转对准。36.如权利要求34所述的旋转伺服阀， 所述至少两个延伸部分中的每一个都包括朝向所述流体通路轴向延伸的尖端。37.如权利要求36所述的旋转伺服阀， 所述尖端通过制造工艺附接到所述轴体。38.如权利要求34所述的旋转伺服阀， 所述伺服轴还包括一个或多个伺服尖端； 其中，所述伺服轴只在所述一 个或多个尖端处与所述第一侧接触。39.如权利要求30所述的旋转伺服阀， 由所述旋转止动件中的一个限定的所述旋转定向中的至少一个与所述至少两个延伸部分中的一个接触。40.如权利要求30所述的旋转伺服阀， 所述流体通路包括至少一个孔，所述至少一个孔穿过并连接钻井流体柱侧和脉冲发生器侧。41.如权利要求30所述的旋转伺服阀， 其中，所述旋转伺服阀被配置为安装在伺服脉冲发生器中。42.如权利要求30所述的旋转伺服阀，其中， 所述伺服轴在所述第一旋转定向中密封所述流体通路。43.一种在钻井流体柱中驱动泥浆脉冲发生器的旋转伺服阀，包括: 伺服阀座，具有从中穿过的流体通路； 伺服轴，包括: 轴体，具有旋转轴； 至少一个侧向延伸部，远离所述轴体基本横向延伸至所述轴； 所述侧向延伸部包括朝所述流体通路轴向延伸的至少一个尖端；以及其中，所述伺服轴至少具有第一旋转定向和第二旋转定向，在所述第一旋转定向中，所述侧向延伸部基本阻塞所述流体通路，在所述第二旋转定向中，所述流体通路基本不被阻塞。44.如权利要求43所述的旋转伺服阀， 还包括至少一个旋转止动件； 所述至少一个旋转止动件限定所述旋转定向中的一个。45.如权利要求44所述的旋转伺服阀， 所述至少一个旋转止动件通过与所述侧向延伸部接触来限定所述旋转定向中的所述—个°46.如权利要求44所述的旋转伺服阀， 所述至少一个旋转止动件与所述伺服阀座间接接触，并相对于所述伺服阀座处于固定的旋转定向中。47.如权利要求44所述的旋转伺服阀， 所述一个或多个旋转止动件位于所述伺服阀座的径向外部。48.如权利要求43所述的旋转伺服阀， 所述流体通路包括穿过所述伺服阀座的至少两个孔； 所述侧向延伸部包括至少两个尖端，所述至少两个尖端从所述侧向延伸部向所述流体通路轴向延伸，所述尖端在所述第一定向中与所述至少两个孔基本旋转地对准。49.如权利要求43所述的旋转伺服阀，其中， 所述至少一个尖端在所述第一旋转位置上密封所述流体通路。50.如权利要求43所述的旋转伺服阀， 所述至少一个尖端通过制造工艺附接到所述轴体。51.如权利要求43所述的旋转伺服阀， 所述至少一个侧向延伸部包括至少两个侧向部分。52.如权利要求51所述的旋转伺服阀， 所述侧向部分各自包括至少一个尖端。53.如权利要求43所述的旋转伺服阀，其中， 所述伺服轴只在所述至少一个尖端处与所述伺服阀座接触。54.如权利要求43所述的旋转伺服阀， 所述旋转伺服阀配置为安装在伺服脉冲发生器中。55.如权利要求43所述的旋转伺服阀， 其中，所述旋转伺服阀适于将所述第一侧暴露于与内部钻井流体柱连通的钻井泥浆，并将所述第二侧暴露于与泥浆脉冲发生器连通的钻井泥浆。56.一种用于在钻井流体柱中驱动泥浆脉冲发生器的旋转伺服阀，包括: 伺服阀座，具有位于其第一侧和第二侧之间的流体通路； 伺服轴，包括一个或多个尖端； 所述一个或多个尖端通过制造工艺附接到所述伺服轴，以及 其中，所述伺服轴至少具有第一旋转定向和第二旋转定向，在所述第一旋转定向中，所述一个或多个尖端基本阻塞所述流体通路，在所述第二旋转定向中，所述流体通路基本不被阻塞。57.如权利要求56所述的旋转伺服阀， 还包括至少一个旋转止动件； 所述至少一个旋转止动件限定所述旋转定向中的一个旋转定向。58.如权利要求57所述的旋转伺服阀， 所述至少一个旋转止动件通过与所述伺服轴接触来限定所述旋转定向中的所述一个旋转定向。59.如权利要求57所述的旋转伺服阀， 所述至少一个旋转止动件与所述伺服阀座间接接触，并且相对于所述伺服阀座处于固定的旋转定向中。60.如权利要求56所述的旋转伺服阀， 所述流体通路包括穿过所述伺服阀座的至少一个孔， 所述一个或多个尖端在所述第一旋转定向中与所述至少一个孔基本旋转地对准。61.如权利要求56所述的旋转伺服阀，其中， 所述一个或多个尖端在所述第一旋转位置中密封所述流体通路。62.如权利要求56所述的旋转伺服阀， 所述尖端由比所述侧向部分更耐磨的材料形成。63.如权利要求56所述的旋转伺服阀， 所述伺服轴还包括: 轴体，具有旋转轴； 至少两个侧向部分，远离所述轴体横向延伸至所述轴； 其中，所述尖端中的一个附接至所述侧向部分中的每一个。64.一种用于驱动泥浆脉冲发生器的伺服脉冲发生器，包括: 旋转伺服阀； 脉冲发生器侧； 其中，所述伺服脉冲发生器被配置为将所述脉冲发生器侧暴露于与泥浆脉冲发生器连通的钻井泥浆； 包含变速箱的静水力学补偿的容积；以及， 处于空气填充的容积中的电机。65.如权利要求64所述的伺服脉冲发生器，其中，所述变速箱将所述电机可操作地连接至所述旋转伺服阀。66.如权利要求64所述的伺服脉冲发生器，还包括位于所述电机和所述旋转伺服阀之间的磁性穿透压力屏障。67.如权利要求64所述的伺服脉冲发生器，还包括磁转矩耦合器，其中，所述磁转矩耦合器可操作地连接所述电机和所述旋转伺服阀。68.如权利要求64所述的伺服脉冲发生器，静水力学补偿部包括磁性穿透压力屏障；以及还包括横跨所述磁性穿透压力屏障的磁转矩耦合器。69.如权利要求68所述的伺服脉冲发生器，所述磁转矩耦合器可操作地连接所述电机和所述旋转伺服阀。70.如权利要求64所述的伺服脉冲发生器，所述旋转伺服阀还包括:钻井流体柱侧；以及位于所述钻井流体柱侧和所述脉冲发生器侧之间的流体通路；以及，旋转位置，在所述旋转位置上，所述旋转伺服阀基本阻塞所述流体通路。71.如权利要求70所述的伺服脉冲发生器，所述旋转伺服阀还包括:伺服轴；以及，一个或多个伺服尖端，其中，所述一个或多个伺服尖端在所述旋转位置上基本阻塞所述流体通路。72.如权利要求64所述的伺服脉冲发生器，所述旋转伺服阀还包括:至少两个旋转位置，以及，至少一个旋转止动件，所述至少一个旋转止动件限定所述旋转位置中的至少一个。73.如权利要求72所述的伺服脉冲发生器，所述旋转伺服阀还包括伺服阀座；以及所述至少一个旋转止动件相对于所述伺服阀座处于固定的旋转定向中。74.如权利要求72所述的旋转伺服阀，所述旋转伺服阀还包括伺服轴；以及所述至少一个旋转止动件通过与所述伺服轴接触来限定所述旋转位置中的一个。75.如权利要求64所述的伺服脉冲发生器，所述电机包括电动机。76.如权利要求64所述的伺服脉冲发生器，所述旋转伺服阀包括阀座和伺服轴；其中，所述阀座和所述伺服轴基本被限制相对于彼此平移。77.一种用于驱动泥浆脉冲发生器的伺服脉冲发生器，包括:旋转伺服阀； 脉冲发生器侧； 其中，所述伺服脉冲发生器被配置为将所述脉冲发生器侧暴露于与泥浆脉冲发生器连通的钻井泥浆；以及， 磁转矩耦合器，可操作地连接至所述旋转伺服阀。78.如权利要求77所述的伺服脉冲发生器，还包括: 电机；以及， 静水力学补偿的容积，包含变速箱； 所述变速箱将所述电机可操作地连接至所述旋转伺服阀。79.如权利要求77所述的伺服脉冲发生器，还包括: 电机；以及， 还包括位于所述电机和所述旋转伺服阀之间的磁性穿透压力屏障。80.如权利要求79所述的伺服脉冲发生器， 所述电机位于空气填充的容积中；以及 所述磁转矩耦合器横跨所述磁性穿透压力屏障。81.如权利要求77所述的伺服脉冲发生器， 所述旋转伺服阀还包括: 钻井流体柱侧； 位于所述钻井流体柱侧和所述脉冲发生器侧之间的流体通路；以及， 旋转位置，在所述旋转位置中，所述旋转伺服阀基本阻塞所述流体通路。82.如权利要求81所述的伺服脉冲发生器， 所述旋转伺服阀还包括: 伺服轴；以及， 一个或多个伺服尖端； 其中，所述一个或多个伺服尖端在所述旋转位置上基本阻塞所述流体通路。83.如权利要求77所述的伺服脉冲发生器， 所述旋转伺服阀还包括: 至少两个旋转位置；以及， 至少一个旋转止动件； 所述至少一个旋转止动件限定所述旋转位置中的至少一个。84.如权利要求83所述的伺服脉冲发生器， 所述旋转伺服阀还包括伺服阀座；以及 所述至少一个旋转止动件相对于所述伺服阀座位于固定的旋转定向中。85.如权利要求83所述的旋转伺服阀， 所述旋转伺服阀还包括伺服轴；以及 所述至少一个旋转止动件通过与所述伺服轴接触来限定所述旋转位置中的一个。86.一种用于驱动泥浆脉冲发生器的伺服脉冲发生器，包括: 旋转伺服阀； 所述旋转伺服阀包括: 阀座； 流体通路，被配置为与泥浆脉冲发生器连通；以及 伺服轴，包括横向延伸部分； 所述横向延伸部分包括延伸以接触所述阀座的至少一个尖端。87.如权利要求86所述的伺服脉冲发生器，还包括: 静水力学补偿的容积，包括变速箱；以及， 电机； 所述变速箱将所述电机可操作地连接至所述旋转伺服阀。88.如权利要求86所述的伺服脉冲发生器，还包括: 电机，位于空气填充的容积中；以及， 磁转矩耦合器，将所述电机可操作地连接至所述旋转伺服阀。89.一种用于驱动泥浆脉冲发生器的伺服脉冲发生器，包括: 旋转伺服阀， 所述旋转伺服阀包括: 阀座； 流体通路，被配置为与泥浆脉冲发生器连通； 至少两个旋转位置；以及， 至少一个旋转止动件，与所述阀座间接接触并且相对于所述阀座处于固定的旋转定向中； 所述至少一个旋转止动件限定所述旋转位置中的至少一个。90.如权利要求89所述的伺服脉冲发生器，还包括: 静水力学补偿的容积，包括变速箱；以及， 电机； 所述变速箱将所述电机可操作地连接至所述旋转伺服阀。91.如权利要求89所述的伺服脉冲发生器，还包括: 电机，位于空气填充的容积中；以及， 磁转矩耦合器，将所述电机可操作地连接至所述旋转伺服阀。92.一种用于在流体流中使用压力脉冲驱动泥浆脉冲发生器的方法，包括以下步骤: 在第一旋转位置和第二旋转位置之间旋转伺服脉冲发生器的输入端； 所述伺服脉冲发生器包括伺服轴，所述伺服轴具有一个或多个尖端，所述一个或多个尖端从所述伺服轴的一个或多个侧向延伸部轴向延伸；以及， 在所述第一旋转位置，基本阻塞处于所述伺服脉冲发生器的第一侧和第二侧之间的流体通路。93.如权利要求92所述的方法， 所述阻塞步骤还包括在所述第一旋转位置密封所述通路。94.如权利要求93所述的方法， 所述阻塞步骤还包括所述一个或多个尖端密封所述通路。95.如权利要求92所述的方法， 所述伺服脉冲发生器还包括电机；以及 所述旋转步骤还包括磁转矩耦合器从所述电机向所述旋转伺服阀传输扭矩。96.如权利要求95所述的伺服脉冲发生器， 所述伺服脉冲发生器还包括包含变速箱的静水力学补偿的容积； 所述旋转步骤还包括从所述磁转矩耦合器向所述变速箱传输扭矩。97.如权利要求92所述的方法， 还包括在所述旋转位置中的至少一个位置处在旋转止动件处停止旋转。98.如权利要求97所述的方法， 所述伺服脉冲发生器还包括阀座； 其中，所述至少一个旋转止动件与所述阀座间接接触并相对于所述阀座处于固定的旋转定向中。99.一种用于在流体流中使用压力脉冲驱动泥浆脉冲发生器的方法，包括以下步骤: 在第一旋转位置和第二旋转位置之间旋转伺服脉冲发生器的输入端； 所述伺服脉冲发生器包括伺服轴，所述伺服轴具有通过制造工艺附接至伺服轴体的一个或多个伺服尖端；以及， 在所述第一旋转位置密封位于所述伺服脉冲发生器的第一侧和第二侧之间的流体通路。100.一种用于在流体流中使用压力脉冲驱动泥浆脉冲发生器的方法，包括以下步骤: 在第一旋转位置和第二旋转位置之间旋转伺服脉冲发生器的阻塞部； 所述伺服脉冲发生器包括阀座和至少一个旋转止动件，所述至少一个旋转止动件与所述阀座间接接触并且相对于所述阀座处于固定的旋转定向中； 在所述旋转定向中的至少一个定向处，在至少一个旋转止动件处，停止所述阻塞部的旋转；以及， 在所述第一旋转位置基本阻塞位于所述伺服脉冲发生器的第一侧和第二侧之间的流体通路。101.如权利要求100所述的方法， 所述伺服脉冲发生器还包括电机；以及 所述旋转步骤还包括磁转矩耦合器从所述电机向所述旋转伺服阀传输扭矩。102.如权利要求100所述的伺服脉冲发生器， 所述伺服脉冲发生器还包括包含变速箱的静水力学补偿的容积； 所述旋转步骤还包括从所述磁转矩耦合器向所述变速箱传输扭矩。
【专利摘要】描述了用于在钻孔时井下测量工具中驱动脉冲阀并产生压力脉冲的伺服脉冲发生器。使用电动齿轮电机旋转轴，该轴随之操作伺服阀。将轴的面部分被压到具有连接到钻环的内侧的通路的伺服座的面上，并且使用旋转动作来打开和/或阻塞穿过那些通路的流体通路。轴可以包括耐磨尖端用以阻塞流体通路。扭矩传输装置的位于齿轮电机与轴之间的部分可以由流体静力补偿，并且相对于操作环境部分密封。磁性扭矩耦合器可以用作齿轮电机与轴之间的扭矩传输装置的一部分。
【IPC分类】E21B47/18
【公开号】CN104884738
【申请号】CN201380068023
【发明人】麻奴吉·高帕兰, 罗伯特·韦伯
【申请人】莱姆钻井技术有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年11月7日
【公告号】CA2890097A1, US9133950, US20140124693, WO2014074128A2, WO2014074128A3