钻探流体分流器.pdf

设备的实施例包括：壳体，其具有第一流动孔和第二流动孔，所述第一流动孔中有钻探流体流过；设置在第二流动孔内的装置，该装置接纳流体流；以及分流器，其设置在第一和第二流动孔之间，该分流器具有第一位置和第二位置，第一位置阻止钻探流体流入第二流动孔，而第二位置使钻探流体的一部分能够流入第二流动孔并穿过该装置。另一实施例包括可变第二位置，该可变第二位置将钻探流体以可变流率引入第二流动孔。另一实施例包括作为壳体的钻环和作为接纳流体流的装置的动力产生组件。分流井下工具内流体流的方法的实施例包括：使第一流体流的一部分分流到第二流动孔，并还改变到第二流动孔的流体的流率。

1.  一种设备，包括：
壳体，所述壳体具有第一流动孔和第二流动孔，所述第一流动孔有钻探流体流过其中；
设置在所述第二流动孔内的装置，所述装置接纳流体流；以及
分流器，所述分流器设置在所述第一和第二流动孔之间，所述分流器具有第一位置和第二位置，所述第一位置阻止所述钻探流体流入所述第二流动孔，而所述第二位置使所述钻探流体的一部分能够流入所述第二流动孔并流过所述装置。

2.  如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述分流器还包含多个位置，所述位置中的每个位置允许进入所述第二流动孔的流率不同。

3.  如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述分流器适于改变从所述第一流动孔到所述第二流动孔的所述钻探流体流。

4.  如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述分流器可选择地致动。

5.  如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述位置之一包含使所有的钻探流体能够流入所述第二流动孔。

6.  如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包含联接到所述分流器的反馈和控制机构。

7.  如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述反馈和控制机构包括测得的性能和对所述测得的性能作出响应来调节所述分流器的位置的处理器。

8.  如权利要求6所述的设备，其特征在于，反馈包括联接到涡轮机的泵的压力、所述涡轮机的RPM、联接到所述涡轮机的发电机的电压、所述发电机的电流、所述泵上的温度和机械负载中的至少一个。

9.  如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述装置是涡轮机，所述涡轮机适于向联接到所述壳体的MWD工具提供电能、机械能和液压能中的至少一种。

10.  如权利要求9所述的设备，其特征在于，对所述MWD工具提供的所有动力来自所述涡轮机。

11.  一种设备，包括：
钻环，所述钻环具有第一流动孔和第二流动孔，所述第一流动孔有钻探流体流过其中；
动力产生组件，所述动力产生组件设置在所述第二流动孔内；以及
分流器，所述分流器在第一位置将所述钻探流体与所述第二流动孔隔离；
其中所述分流器包括可变第二位置，所述可变第二位置将所述钻探流体以可变流率引入所述第二流动孔。

12.  如权利要求11所述的设备，其特征在于，还包括联接到所述动力产生组件和所述分流器的处理器，所述处理器包括所述动力产生组件的性能的基线。

13.  如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述处理器构造成将所述动力产生组件的测得的性能与所述基线相比较，以确定所述测得的性能是否在所述基线的预定范围内，且所述第二位置可对所述性能不在所述基线的所述预定范围内的所述确定作出响应而变化。

14.  如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述测得的性能包括所述动力产生组件上的机械负载、所述动力产生组件上的电负载以及所述动力产生组件上的液压负载中的至少一个。

15.  如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述动力产生组件包括涡轮机、液压泵、发电机和磁联接器中的至少一个。

16.  如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述第二位置可对联接到所述钻环的MWD工具的动力需要作出响应而变化以改变到所述动力产生组件内涡轮机的流率。

17.  一种设备，包括：
钻环，所述钻环具有第一流动孔和第二流动孔，所述第一流动孔有第一钻探流体流过其中，而所述第二流动孔与所述第一钻探流体流隔离并具有设置在其中的动力产生组件；
分流器，所述分流器适于将可变第二钻探流体流引入所述第二流动孔；以及
MWD工具，所述MWD工具联接到所述钻环和所述动力产生组件；
其中所述可变第二钻探流体流在所述动力产生组件内产生可变动力源，所述可变动力源基本上提供所述MWD工具的所有动力。

18.  如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述第二钻探流体流对所述MWD工具的已知情况作出响应而可变化。

19.  一种分流井下工具内流体流的方法，包括：
使流体流过所述井下工具内的第一流动孔；
使所述流体与所述井下工具内的第二流动孔隔离；以及
将所述流体的一部分分流到所述第二流动孔内。

20.  如权利要求19所述的方法，还包括：
改变到所述第二流动孔内的所述流体的流率。

21.  如权利要求19所述的方法，还包括：
对反馈作出响应来调节所述分流的流体部分。

22.  如权利要求20所述的方法，还包括：
对所述流量作出响应来改变所述井下工具的功率输出。

钻探流体分流器
本申请还要求2006年6月9日提交的题为“LWD流体标志符(LWD FluidIdentifier)”的美国临时专利申请第60/804,405的权益。
背景技术
在钻探和完成油井和气井期间，可能有必要配合以辅助操作，诸如监测钻探过程中使用的设备的可操作性或评估被井眼分割的形成物的生产能力。例如，在钻探井或井段之后，通常对所关心的区域进行测试以确定各种形成物特性。进行这些测试是为了确定分割形成物的商业开采是否可行以及怎样优化生产。除了形成物检测器，用于辅助操作的其它工具还可包括钻探同时计量(MWD)或钻探同时测井(LWD)工具、扩眼钻头、具有可移动或可延伸臂的稳定器或定心器、具有可延伸构件的MWD取芯工具、流体识别(ID)工具以及其它工具。这些用于钻探钻井的辅助操作的工具通常需要动力源来驱动各种部件和装置。动力源常常包含在井下工具内，而不是位于井的表面处。
在某些工具中，电池提供电力以运行所有的工具。当电池耗尽时，将它们丢弃。但是，电池提供非常有限的能量供应且不能维持大量使用动力源的装置。在诸如泥浆脉冲发生器之类的某些简单装置中，使用涡轮机来产生用于泥浆脉冲器的动力。涡轮机设置在钻探流体流动孔内并通过流过其中的钻探流体旋转。钻探流体连续流过涡轮机，在涡轮机上形成稳定的磨损源。
诸如包括在例如NWD或LWD系统、形成物检测器或流体ID系统中的新型工具的尺寸、复杂度和功能正在增加。这些工具需要坚固耐用和适用的动力源。工具可包括需要相对小量动力的电动阀或电子信息处理器，同时还包括需要大量突发的液压动力的一个或多个液压可延伸装置。在不同的时间可选择地使用工具的这些部件，且在使用时可能需要改变动力水平。工具的井下动力源必须适应这些动力要求。工具如果放置在钻杆柱上，可能要长期展开在井内，而限制维修通道。保持运动和其它工作部件是很重要的。但是，复杂的井下工具增加对当前动力产生组件、流动部件和其它支承装置的限制。
发明内容
设备的实施例包括：壳体，具有第一流动孔和第二流动孔，所述第一流动孔中有钻探流体流过；设置在第二流动孔内的装置，该装置接纳流体流；以及分流器，其设置在第一和第二流动孔之间，该分流器具有第一位置和第二位置，第一位置阻止钻探流体流入第二流动孔，且第二位置使钻探流体的一部分能够流入第二流动孔并穿过该装置。
设备的另一实施例包括：钻环，具有第一流动孔和第二流动孔，所述第一流动孔中有钻探流体流过；动力产生组件，其设置在第二流动孔内的；以及分流器，其在第一位置将钻探流体与第二流动孔隔离，其中分流器包括第二可变位置，该第二可变位置将钻探流体以可变流率引入第二流动孔。
设备的又一实施例包括：钻环，钻环具有第一流动孔和第二流动孔，第一流动孔内有第一钻探流体在其中流动，第二流动孔与第一钻探流体流隔离并具有设置在其中的动力产生组件；分流器，其适于将可变第二钻探流体流引导进入第二流动孔；以及MWD工具，其联接到钻环和动力产生组件，其中可变第二钻探流体流在动力产生组件内产生可变动力源，该可变动力源基本上为MWD工具提供所有动力。
分流井下工具内流体流的方法的实施例包括：使流体流过井下工具内的第一流动孔；将流体与降下工具内的第二流动孔隔离；以及将流体的一部分分流到第二流体孔。又一实施例包括改变到第二流动孔内的流体的流率。
附图说明
现将参照附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，附图中：
图1是设置在地下井内钻探和MWD设备的实施例的部分剖截的示意图；
图2是分流器和动力产生组件的示例性实施例的剖视图；
图3A是图2的分流器的放大图；
图3B是图2的动力产生组件的放大图；
图4是分流器和动力产生组件的另一示例性实施例的剖视图；
图5A是图4的分流器的放大图；
图5B是图4的动力产生组件的放大图；
图6是是图4和5A的分流器的的一部分的放大立体图；
图7A-7C是图6的实施例的旋转板和歧管组件的各位置的立体图；
图8是偏流系统的示例性实施例的示意图；以及
图9偏流方法的示例性实施的框图。
具体实施方式
在以下附图和说明书中，试图分别用相同的标号标示整个说明书和附图中相同的部件。附图不一定按比例绘制。本发明的某些特征可能以放大比例示出或为某种示意的形式，且为了清除和简明，常规部件的某些细节可能未示出。本发明可有不同形式的实施例。详细描述并在附图中示出各具体实施例，应理解本内容应认为是对本发明原理的示例，并不意指限制本文所说明和描述的本发明。应当完全认识到可分别或以任何适当组合方式采用以下讨论的各实施例的不同教示来产生所要求的效果。除非另外指出，术语“连接”、“配合”、“联接”、“附连”的任何形式的任何适用或描述构件之间相互作用的任何其它术语并不意味着将相互作用限制于构件间的直接相互作用，并还可包括所描述构件之间的间接相互作用。在以下讨论和权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放方式使用，且因此应诠释为意味着“包括但不限于...”。为了说明目的，用意思是朝向井的表面的“上”、“上部”、“向上”或“上游”和意思是朝向井的终端的“下”、“下部”、“向下”或“下游”指示上或下，而无论井孔如何定向。此外，在以下讨论和权利要求书中，有时可能陈述某些部件或构件是流体连通的。这意味着部件构造并相互关联成流体可通过通道、管子或管道在其间相通。此外，名称“MWD”或“LWD”用于指所有一般的钻探同时计量或钻探同时测井的设备和系统。对本领域的技术人员来说在参照附图阅读以下各实施例的详细说明时上述各种特性以及下文更详细描述的其它特征和特性将会显而易见。
首先参照图1，示意地示出MWD工具10为井底组件6的一部分，该组件包括MWD分段13和在其最远端的钻头7。井底组件6通过钻杆柱5从诸如船或其它常规平台之类的钻探平台2下降。钻杆柱5穿过立管3和井口4设置。常规钻井设备(未示出)支承在起重机1内并使钻杆柱5和钻头7旋转，使钻头7形成穿过形成物材料9的钻孔8。钻孔8包括与钻杆柱5形成环面15的壁表面16。钻孔8穿透诸如储藏区11之类的地下区域或储藏区，认为这些储藏区容纳有商业可行量的碳氢化合物。这都与本文的教示相一致：MWD工具10用在其它井底组件中，并具有在使用基于陆地的平台的陆基钻探以及如图1所示的近海钻探中的其它钻探设备。在所有情况下，除了MWD工具10之外，井底组件6还包含各种常规设备和系统，诸如井下钻探电动机、旋转可操纵工具、泥浆脉冲遥测系统、MWD或LWD传感器和系统以及本领域已知的其它装置。
尽管，本文所述的各实施例主要描述钻杆柱，这与本文的教示相一致：本文描述的MWD工具10和其它部件可在井孔8内通过例如旋转可操作钻杆柱或作业管柱运送。本发明还考虑了包括本文所描述各实施例的用于工具的其它运送装置，而本文描述的各具体实施例是为了使说明书清楚易懂。
现参照图2，示出分流器和动力产生系统100的示例性实施例。在系统100的第一端有分流组件102且在另一端有动力产生组件104。示出该系统设置在钻环106内，钻环具有主要钻探流体流动孔108和分支或辅助钻探流体流动孔110。但是，这与本发明相一致：设置在其它类型壳体内的系统联接到各种工具和井下传送装置。
接着参照图3A，该图示出图2的偏流组件102的放大图。组件102包括联接到阀组件114的分流端口112。阀组件114连接到副流动孔110。阀组件114包括液压致动部分118和活塞部分120，活塞部分具有孔122和偏置弹簧124。示出阀组件114处于关闭位置，意味着活塞部分120保持在孔122不与主要流动孔108和分流端口112流体连通的位置。可选择地致动液压部分118以使活塞部分120滑动，从而使得孔122朝向分流端口112移动。当孔122开始与分流端口112交叠时，主流体流动孔108内的流体流开始分流到流体分流端口112和孔122。当孔122继续与分流端口112对准时，更多流体从主流动孔108流入分流端口112、穿过孔122并进入最终连接到副流动孔110的通道(未示出)(流动孔108和流动孔110之间的该连接通路也可称为分流路径)。当分流端口112和孔122完全对准时，流动孔108内流体流的主要部分分流到流动孔110。活塞部分120可前后致动以打开和关闭分流路径，并可调节穿过分流路径的流率。本发明并不受到刚才所述阀实施例的限制，因为其它阀组件也可用来打开、关闭和调节分流路径。
现参照图3B，该图示出动力产生组件104的放大图。该组件104包括其中安装有涡轮机126的壳体132和联接到副流动孔110的接纳端128。主流动孔与涡轮机126相邻设置。壳体132包括出口端口136，且涡轮机126包括联接到泵130的驱动件134。如前所述，主流动孔108内的一些流体分流到流动孔110内，这些流体连通到接纳端128。然后流体穿过涡轮机126，使涡轮机的内部部件旋转并驱动构件134，且又驱动泵130。泵130可用于向联接到泵130的其它装置提供液压动力。涡轮机126可同样连接到诸如用于产生电能的发电机之类的其它动力装置。流体通过出口端口136流出涡轮机126，出口端口136连接到钻孔环面或其它周围环境。本发明并不限于本文所描述和所示的涡轮机实施例，因为本发明也考虑了其它其中将移动流体的动能转换成机械能的涡轮机和装置，其中通过流体与例如围绕轮或圆柱的周界布置的串联叶片、翼片、铲片或桨片推动或相互作用来实现该转换。
尽管示出分流组件102联接到动力产生组件104并与之连通，但本文也考虑了包括将分流组件102与井下工具的其它部件连接的其它实施例。分流组件102并不仅指动力产生设备，而是其中可能需要有选择并可变的流动转换的工具部件的任意组合。
接着参照图4，示出分流器和动力产生设备的另一实施例。设备200包括分流组件202和动力产生组件204。钻环206容纳分流歧管212、主流动孔208和副或分支流动孔210。分流组件202不同于图2和3A的滑动活塞阀型组件102，如下文所述。
现参照图5A，该图示出分流组件202的放大图。钻环或壳体206容纳插入件242，插入件具有主要流体流动孔208的延伸部208a。歧管212也安装在钻环206内，连接到流动孔208、210以及具有孔244的板或盘240。插入件242包括诸如电动机之类的控制机构246，该控制机构通过驱动构件248联接到板240。机构246使构件248旋转以然后使板240旋转。
现参照图5B，该图示出动力产生组件204的放大图。该组件204类似于组件104，但有几个不同点。该组件204包括涡轮机或流动齿轮226以接纳来自流动孔210的分流流体，但还包括用于改变分流流体方向返回到主流动孔208的出口端口252。因此，在一实施例中，分流流体最终被引导到环面内，而在另一实施例中，分流流体被引导返回到主流动孔内。此外，磁联接器250可拆卸地将涡轮机226联接到泵230。磁联接器使涡轮机226能够方便地从泵230去除并进行更换。
现参照图6，该图示出组件202的立体图。示出具有孔244的旋转板240联接在歧管212和插入件242之间。
接着参照图7A-7C，该图示出旋转板和歧管组件的不同立体图。在图7A中，板240设置成孔244与流动孔208对准且流过组件的所有流体都通过主流体流动孔208。在图7B中，致动旋转控制机构且板240稍微旋转使得孔244与流动孔208错开，并部分与流动孔208和副流动孔210两者对准或与两者交叠。主要钻探流体的一部分被引导到流动孔210内和用于产生动力的涡轮机226内。可稍微调节图7B中所示的板240的位置以改变流体进入分流孔210的流率。如图7C所示，板240可旋转到其最终位置关闭主流动孔208并将所有主要钻探流体引导到副流动孔210和用于产生动力的涡轮机226。如上所述，被改变方向或分流的流体流可通到其它装置而非所示用于产生动力的那些装置。
本文所述的分流器的各实施例可选择地使用和调节成改变分流的流率。某些实施例还包括反馈和控制机构，该机构用于通信确定何时使用分流器以及何时改变流率的必要信息。由分流器控制流到涡轮机的流率，且该流率确定涡轮机的速度(每分钟的转数，PRM)并因此确定功率输出。在一实施例中，例如，可检测来自连接到涡轮机的泵的压力加上涡轮机的速度来作为用于确定何时需要调节分流器的反馈。如果使用工具的多个部件，且在系统上有动力消耗，则该反馈会反映这种情况并使分流器调节成更大的流率且因此有来自涡轮机更大的功率。也可检测分流器阀或旋转板的位置来作为反馈。如果有发电机联接到涡轮机，则可监测交流发电机上的电压和电流。如果同样有泵联接到涡轮机，则可和电压和电流结合监测速度和压力。除了动力产生组件上的机械、液压或电负载，还可使用温度作为反馈信息。
现参照图8，示意图示出分流器、动力产生组件和反馈与控制机构的各实施例的组合。分流系统300包括分流和动力组件302以及反馈和控制系统304。该组件302包括分流器306、动力产生组件308、泵310、发电机312以及与本文描述的各实施例相一致并适于这些部件的各种组合的工具314。反馈和控制系统304包括分流器传感器316、动力组件传感器318、泵传感器320、发电机传感器322、工具传感器324以及联接到其关联的部件的工具处理器326，如图所示。这些传感器联接到反馈处理器328，反馈处理器328包括各种已知处理器并可设置在各个位置，诸如设置在组件100、200内、MWD工具10内、井底组件6的其它部件内或设置在井的表面处。
这些传感器包括各种具体传感器。例如，传感器316是本文所述阀或旋转板的位置指示器，传感器318是用于探测涡轮机速度的传感器，传感器320是压力传感器，传感器322指示发电机的电压和电流，且传感器326是另一个压力传感器或在井下工具314中可以找到的各种传感器中的一个传感器。传感器326可包含反馈信息，诸如用于形成物或流体ID测试序列的算法。这些传感器探测某些性能并将这些性能传送给处理器328，该处理器可包括用于与测得的性能比较的性能的基线。例如，在一实施例中，处理器328包括动力组件308内涡轮机的基线速度的预定范围。传感器318测量涡轮机的性能，诸如涡轮机的以RPM为单位的速度，并将测得的速度与储存的基线速度进行比较来确定涡轮机的实际速度是否在基线的预定范围内。如果不是，则调节分流器306来改变分流路径流率。因此，分流器可对性能不在基线的预定范围内的决定作出响应而变化。可对发电机的测得的、测得的性能诸如电压和电流或上述部件的其它性能之类的性能执行类似的过程。
在另一实施例中，可通过传感器318测量动力组件308内涡轮机的速度，可通过传感器320测量泵310的压力。可使用速度和压力测量来实现到工具314的动力输出。此外，反馈处理器328可与工具处理器326内的测试序列通信以预测将来工具314所要使用的动力的量的增加或减少。例如，处理器326可指示在五秒内执行几个液压动力构件的致动。处理器328会接收该反馈信息，并引导分流器打开，或进一步打开，引导该分流路径增加流体流率并因此增加动力组件308的功率输出。因此，可预期已知情况来致动可变分流器。其它实施例还包括本文所揭示的其它反馈信息。
现参照图9，该图示出方法400的示例性实施例的框图。在一实施例中，该方法400在方框402处开始。在方框404处，流体在第一流动孔内流动。在方框406处指示将流体与第二流动孔隔离。在方框408处指示将流体的一部分分流到第二流动孔。在方框410处指示，如本文所述个实施例中所述那样，从传感器或处理器接收反馈。在方框412处，反馈是否在可接受范围内，或者包括性能的反馈是否在该性能的基线预定范围内，如本文的各实施例所述那样。如果“否”，方框414指示改变引导到第二流动孔内的流体的流率。然后将过程引导返回到方框408。如果“是”，在方框416处，分流器的各实施例如本文所述那样可关闭，而将流体与第二流动孔隔离。该过程终止于方框418。
其它实施例包括示例性过程400的各部件的各种组合，且其它实施例还包括本文别处描述的各实施例的其它部件。例如，在方法400的替代实施例中，如果已知需要一定量的动力，则该过程可从方框408跳到方框416以仅提供预定量的动力。该可变分流器能够调节动力的预定量，如本文所述的各实施例那样能够选择分流器的位置，并因此也可选择流率和功率。在又一实施例中，如前所述，该反馈可包括已知情况的开始或终止，且因此方法400可调节成使得方框410跳到方框414，方框416总是作为终止分流或动力产生的选项。
将涡轮机定位在第二流动孔内并提供可有选择地使用和可变的分流器可降低涡轮机和泵的磨损。如果开始钻探占据90％的井下时间，而为例如流体ID系统或形成物检测器产生动力占据10％的时间，则流体流仅影响涡轮机10％的时间。此外，可变分流器增加了对涡轮机的速度控制成分，而流过涡轮机的所有的流或没有流都不形成速度控制，且因此增加了整个系统控制的复杂度。由于包括本文所述动力产生组件的某些实施例提供了强大的动力源和动力源的可变性，这些实施例非常适于为本文提到的复杂且尺寸大的工具提供所有所需要的动力。例如，可去除诸如在表面充电的一次性电池之类的、取决于表面相互作用的电源。
尽管已示出和描述了各具体实施例，但本领域的技术人员可对其进行更改而不背离本发明的精神和内容。这些所述实施例仅是示例性的而非限制。在本发明的范围内可能有很多更改和改变。因而，本发明的范围不限于所述各实施例，而是仅受以下权利要求书的限制，其范围应当包括权利要求书主题的所有等同物。