使用磁运动转换器的井眼仪器的制作方法

专利名称：使用磁运动转换器的井眼仪器的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及磁运动转换器。更具体地，本发明涉及对通过磁相互作用将旋转 运动转换成轴向运动的装置的使用，和这种装置在井眼仪器中的应用。
背景技术：
钻井和维修仪器包括冲击装置。冲击装置包括将钻井液流或旋转运动转换成往复 线性运动以使冲击钻头或类似装置冲击井眼的底部的钻井“冲击锤”。冲击运动至少部分地 使井眼延长。例如，参见授予Cyphelly的美国专利No. 4，958，690。Cyphelly的‘690专利 中公开的装置将钻井液流转换成往复线性运动。典型的往复运动装置使用诸如凸轮轴的偏心旋转装置，或者使用湍流的变化以使 活塞进行往复运动，然后活塞直接提供往复输出。可以在不使任意固体表面与另一个固体 表面接触的情况下产生往复运动。往复运动装置的固有缺陷之一在于来自该装置的振动被 传导到与该装置相关联的其它支撑元件，例如，钻具组合(工具“串”)的多个部分。尤其当 灵敏的电子装置位于往复装置附近时，这种振动可能是破坏性的，在诸如定向钻井组合的 工具和随钻测井(“LWD”)仪中通常发生这种情况。诸如Cyphelly的‘690专利中所公开 的震击钻具通常还具有与该震击钻具相关联的高流体压力损失，这可能会限制当考虑总系 统流体压力损失时可以使用该震击钻具的井眼深度。Pfahlert提出申请的国际专利申请出版物NO. W02006/065155描述了用于由旋转
运动生成往复线性运动的另一个装置。还需要可以与井眼仪器一起使用的往复运动装置。

发明内容
根据本发明的一方面的定向钻井设备包括壳体，所述壳体被构造成联接到钻柱。 多个磁体设置在所述壳体中，并且被构造成将旋转运动转换成往复运动。磁体被构造成通 过所述往复运动将冲击施加到所述壳体。马达联接到所述磁体以使所述磁体的一部分旋 转。控制系统被构造成操作所述马达，使得当所述壳体位于选定的旋转方位上时所述冲击 发生。根据本发明的另一方面的定向钻井设备包括壳体，所述壳体被构造成联接到钻 柱。多个磁体设置在所述壳体中，并且被构造成将旋转运动转换成往复运动。磁体被构造 成通过所述往复运动使一装置从所述壳体的中心轴线侧向伸出。马达联接到所述磁体以使 所述磁体的一部分旋转。控制系统被构造成操作所述马达，使得当所述壳体位于选定的旋 转方位上时所述伸出发生。根据本发明的另一方面的液体流动遥测调节器包括壳体，所述壳体被构造成连接 到仪器串。多个磁体设置在所述壳体中并被构造成将旋转运动转换成往复运动。马达联接 到所述磁体以使所述磁体的一部分旋转。阀杆联接到所述磁体的往复运动部。控制系统被 构造成操作所述马达，使得所述阀杆在选定时间下朝向阀座伸出以调节通过所述阀座的流体流动。根据本发明的另一方面的用于定向钻井的方法包括以下步骤使第一磁体组件在 所述钻柱内旋转。第一磁体组件操作性地与第二磁体组件相关联。第一磁体组件和第二磁 体组件被构造成将所述第一磁体组件在所述钻柱内的旋转转换成所述第二磁体组件的往 复运动。使所述往复运动与至少一个导向元件结合，所述至少一个导向元件与所述钻柱相 关联。执行所述使第一磁体组件在所述钻柱内旋转的步骤，使得当所述钻柱位于选定的旋 转方位时致动所述至少一个导向元件。根据本发明的另一方面的用于将往复扭矩施加到钻柱的方法包括以下步骤使第 一磁体组件进行线性往复运动。第二磁体组件用于将所述第一磁体组件的线性往复运动转 换成所述第二磁体组件的往复旋转运动。第二磁体组件用于在所述往复旋转运动的终点时 将扭转力施加到所述钻柱本发明的其它方面和优点将从以下说明和所附权利要求变得清楚可见。


图IA显示通过地下岩层钻井眼的钻机和相关联的设备；
图1显示使用磁运动转换器的定向钻井导向系统的示例；
图2显示图1中所示的系统的示例性铁砧；
图3显示用于图1中所示的系统的示例性梭；
图4显示梭式驱动套筒的示例；
图5显示导向系统的另一个示例；
图6显示在图5的系统中所使用的梭的示例；
图7显示导向系统的另一个示例；
图8显示导向系统的另一个示例；
图9显示用于在图8中的系统的梭的示例；
图10显示用于通过相对旋转驱动图8的梭的齿轮；
图11显示导向系统的另一个示例；
图12显示导向系统的另一个示例；
图13显示包括使用磁运动转换器的轴向冲击发生器的钻井马达的示例
图14显示示例性液体流动调节遥测发射器；
图15和图16显示磁扭转锤的示例；
图17显示包括与其相关联的发电机的示例性磁运动转换器；以及
图18显示使用磁性梭的定向钻井导向系统的另一个示例。
具体实施例方式
图IA显示井眼钻井系统以可以使用例如根据本发明的各个方面的装置。在图IA 中，钻机M或类似提升装置将称作“钻柱20”的管道悬挂在正在钻通地下岩层11的井眼 18。钻柱20可以通过将多段钻杆22( “单根管子”)通过螺纹首尾连接在一起而被组装。 钻柱20可以包括在其下端处的钻头12。当钻头12通过钻柱20的重量在井眼18的底部 处被轴向推进到地层11中时，并且当钻头12通过转动钻柱20的钻机M上的设备(例如， 顶驱26)旋转时，这种推动和旋转使钻头12轴向延长(“加深”)井眼18。钻柱20的下端可以包括在钻头12的上方或紧邻该钻头12的选定位置处的、根据本发明的各个方面并在 以下进一步说明的定向钻井导向系统。紧邻钻柱20的下端还可以包括随钻测井(“LWD”) 仪14。以下参照图1-10进一步说明定向钻井系统10。遥测单元16可以包括电磁(或光 学)信号遥测单元和液体流动调节遥测单元(在图IA中分别未示出)以通信来自地面的 指令和将由LWD仪器14获得的测量值通信给地面。可以在一些示例中使用来自LWD仪器 的指令和信号以操作定向钻井系统10中的控制系统(图1中的控制系统120，以下进行说 明)。在钻井眼18期间，泵32从罐观或槽提升钻井液(“泥浆”)30并通过立管34和 柔性管道35或软管在压力下排放泥浆30，所述泥浆通过顶驱沈并进入到钻柱20中的内 部通道(在图1中分别未示出)。泥浆30通过钻头12中的路线或喷管(参见图1)离开 钻柱20，其中，该泥浆然后冷却和润滑钻头12并将由钻头12产生的钻井岩屑提升到地球 的表面。在一些示例中，来自LWD仪器14的信号可以输送到遥测单元16中的遥测发射器 (在图IA中分别未示出，参见图14)，所述遥测单元调节通过钻柱20的泥浆30的流动。这 种调节可以使泥浆30的压力变化可以通过联接在泵32的出口与顶驱沈之间的选定位置 处的压力变换器36在地球的表面处被检测到。来自变换器36的例如可以是电信号和/或 光信号的信号可以被传导到用于使用本领域所公知的技术进行解码和解释的记录单元38。 解码信号通常与由LWD仪器14中的一个或多个传感器(分别未示出)获得的测量值相对 应。以下参照图14说明泥浆流动调节器的一个示例。本领域的技术人员将要认识的是在其它示例中顶驱沈可以被用于使钻柱20旋转 同时为泥浆30提供通过钻柱20的压力密封通道的水龙头、方钻杆、方钻杆补心和转盘(在 图IA中未示出)所代替。因此，本发明不限于与顶部驱动钻井系统一起使用的范围。还应 该清楚理解的是本发明不限于与分段管道输送系统一起使用的范围。使用挠性管将装置输 送到井眼中和从井眼中输出在本发明的保护范围内，并且本发明可以在具有这种挠性管的 每一个方面中使用。图1的横截面图中示出了使用磁体将旋转运动转换成往复线性运动的 定向钻井系统的示例。系统10可以设置在被构造成联接到钻柱(图IA中的钻柱20)壳体 114中。例如，壳体114可以包括在其纵向端部处的螺纹连接。壳体114可以例如由诸如蒙 乃尔合金、不锈钢或INC0NEL (在Huntington，WV的HuntingtonAlloys公司的注册商标) 的高强度非磁性金属合金制造而成。在壳体114的一个纵向端部处由附图标记116显示的 螺纹连接中的一个可以被构造成以螺纹的方式接合钻头12。在本示例中的钻头12的钻进 性质可以是不对称的。例如，钻头12可以包括诸如由附图标记12A显示的一侧或圆周段， 该侧或圆周段在钻通地下岩层时没有由附图标记12B显示的另一侧或圆周段有效率。“效 率”可以被限定为对于钻头上选定的轴向力、选定的钻井液流量和选定的转速来说钻头穿 透具体岩层的速度。这种不对称钻井性质例如可以通过具有不同的多个切削元件(例如， 齿或聚晶金刚石复合片牙轮)、切削元件的不同连接角度或切削元件的不同力学性质来获 得。为了说明本示例和随后的几个示例，侧部或段12A可以被称作为钻头12的“不易切削 侧”，而另一个侧部或段12B可以被称作为“易切削侧”。在钻井操作期间，如以上参照图IA 所述，钻头12可以旋转和轴向推进。钻井液(图IA的30)被同时泵送通过钻柱(图IA的 20)并进入到壳体114中的中心通道124。钻井液可以通过本领域所公知类型的线路或喷 嘴12C离开钻头12。
中心通道IM可以由基本上与壳体114同轴设置的管或管道129限定。管道1 在被如此设置时还限定管道129与壳体114的外壁之间的环形空间127。环形空间127内 可以包括诸如容积式马达的液压马达，该液压马达由固定到管道129的外部的定子1 和 设置到定子126的外部的转子1 构成。诸如以微处理机为基础的控制器的控制系统120 自动控制诸如电磁阀的阀122的操作。阀122允许在控制器120的适当操作下钻井液进入 到环形空间127中，使得移动通过钻柱(图IA的钻柱20)的钻井液操作液压马达(定子 1 和转子128)。从液压马达排放的钻井液可以通过适当的孔口或端口 118离开环形空间 127。转子1 可以通过适当的旋转联接器131旋转地联接到驱动套筒130。驱动套筒 130在图4的透视图中被示出，并且连接到磁运动转换器(以下说明)以使该磁运动转换器 的一部分随转子1 进行相应的旋转。因此，磁运动转换器的旋转部可以通过阀122的适 当操作而选择性地旋转。控制系统120可以与LWD仪器(图IA的LWD仪器14)中的一些 传感器进行信号通信以确定定向钻井系统10的测地方位以及井眼(图IA的井眼18)的测 地轨迹。虽然术语“LWD”通常用于表示包括地层评价传感器的钻井系统部件(通常在称作 为MWD(随钻测量)系统的钻井系统的一部分中发现方向传感器)并且还可以包括将LWD 数据和来自MWD系统中的倾斜计和磁力仪的方向信息向上输送的脉冲遥测系统，但是在本 发明中为了简化起见，LWD用简写。如以下进一步所述，定向钻井系统10中的一些部件的 操作可以使井眼轨迹进行变化。驱动套筒130旋转地联接到磁运动转换器的旋转部。磁运动转换器包括梭134和 铁砧132。铁砧132可以设置在管道129的外表面上，使得铁砧132不得不纵向移动。当梭 Π4旋转时，磁体(如图3所示布置在所述梭内)与铁砧132上的磁体(如图2所示被布 置)协作，使得铁砧132沿管道1 沿纵向方向往复移动。如图3所示，梭可以包括形成为 当组合时形成环形圆筒的细长弓形段的多个磁体134A。磁体134A可以被纵向交替极化，使 得任何一个磁体134A的相反电极位于其相对纵向端部处。为了进行清楚说明，所述示例仅 显示一个运动转换器级-在其它实施方案中，可以有多于一个的运动转换器级或多个磁体 环。图2的透视图中示出了铁砧132的示例。铁砧132可以包括大致圆筒形中间段132B， 所述中间段可以由诸如不锈钢的非磁性材料形成。中间段132B的纵向端部可以包括设置 在该纵向端部上的多个沿圆周方向交替布置的永久磁体132A。磁体132A的形状可以为图 2所示的圆盘的多个圆周段，并且可以垂直于该段的平面而被极化。利用如3和图2所示布置的梭和铁砧中的磁体，当梭134旋转(通过图1的马达) 时，由磁体134A感应的磁场交替地排斥铁砧(图2、上的磁体的相对侧。这样，梭134的旋 转运动被转换成铁砧132的往复线性运动。返回到图1，当铁砧132到达行程的纵向端部时，可以将冲击施加到壳体114，并从 而施加到钻头12。理想的是将铁砧中的磁体封装在诸如不锈钢、蒙乃尔合金或先前所述的 INC0NEL合金的强非磁性材料中，以使铁砧132能够在不破坏磁体的情况下冲击壳体114。理想的是对于梭134和铁砧132中的磁体的磁性材料来说使用诸如钐-钴或 钕-铁-硼的磁性材料以提供热稳定高磁通量。然而，用于磁体的具体材料不限于本发明 的保护范围。通过在钻头的旋转期间在具体的时间施加冲击，可以使钻头12沿优选的方向进行钻进，从而沿期望的方向改变井眼的轨迹。为了实现期望的井身轨迹方向，可以由操作阀 122的控制系统120控制冲击时间，使得马达在相对于壳体114的旋转方位的正确相位关系 下转动。马达的上述运转和随后的冲击可以确保当钻头12位于期望的旋转方位上时冲击 发生。当钻头12位于具体的旋转方位上，并且将冲击提供给壳体114时，钻头12将使井身 轨迹沿更易切削面12B转动。总之，通过阀122的适当控制和马达的相应运转，当钻头的易切削面12B被定向在 期望的导向方向上时钻头12将被冲击。控制系统120使用来自工具面传感器(例如，磁力 仪)和倾斜计(例如，图IA的LWD仪器14中)的信息确定现有井轨迹、系统导向方向和将 对井眼轨迹进行的任何校正动作。本发明的保护范围还包括为了沿相同的轨迹继续钻井 眼，可以简单地确保冲击沿圆周方向均勻分布。冲击的这种分布可以具有结合震击钻井和 直线旋转钻井的优点。如果震击钻井不是期望的，则可以关掉运动转换器。图5显示图1的定向钻井系统的另一个示例，其中马达(定子1 和转子128)同 轴设置在壳体114中，并且支撑在轴承141中的驱动轴140使梭134进行旋转。在本示例 中，与图1所示的布置相反，梭Π4设置在铁砧132的圆周内部。可以使用结构类似于参照 图1所示和所述的阀和控制系统的阀122和控制系统120执行马达的运转。图6的透视图示出了图5的示例的梭134。梭包括将驱动轴(图5的驱动轴140) 的旋转传递给梭134的花键134A。可以使用基本上如以上参照图1所述够造而成的钻头 12执行导向(改变井身轨迹)。在图7所示的另一个示例性定向钻井导向系统中，壳体114A通过轴承114B可旋 转地支撑在中心管道或管子129A的外部上。管道129A可以旋转地联接到钻柱(图IA的 钻柱20)。因此，管道129A旋转以直接驱动钻头12。管道129A可以通过钻柱(图IA的钻 柱20)和/或通过液压马达(未示出)(如果该液压马达容纳在钻柱中)直接旋转。在图 7的示例中，梭可以通过液压马达旋转，所述液压马达由联接到管道129A的外部的定子126 和设置到定子126的外部的转子1 构成，所述液压马达可以通过钻井液的选择性施加来 操作。可以通过由类似于参照图1所述的控制系统的控制系统120操作的阀122来提供钻 井液。转子1 可以联接到驱动套筒130，所述驱动套筒旋转地联接梭134，如图1的示例。 梭134与铁砧132协作以将选择性的冲击施加到壳体114A。梭134和铁砧132可以包括磁 体，所述磁体例如参照图2和图3所述被构造成将梭134的旋转转换成铁砧132的往复线 性运动。钻头12可以包括易钻切削侧12B和不易切削侧12A，以能够通过铁砧冲击的选择 性施加而进行导向，这类似于参照图1所述的技术。在图8所示的另一个示例性定向钻井 导向系统中，如图7所示，壳体114A被轴承114B可旋转地支撑在管道129A上。然而，图8 中的壳体114A可以包括稳定器翼片114C，所述稳定器翼片可以保持壳体114A旋转地固定 在井眼中(或者对于控制系统120来说至少充分缓慢地旋转以能够成功运转)。因此，当 管道129A旋转以使钻头12转动时，壳体114A相对于所述钻头旋转(即，概念上相对于井 壁不旋转)。齿轮150(也在图10的透视图中被示出)可以将相对旋转转换成驱动联接器 130的旋转。驱动联接器130以类似于图1所示的接合的方式接合梭132，或者可以包括在 梭132的外表面上的接合槽(图9中的接合槽134C)。驱动套筒130可以相对于壳体114A 旋转以调节铁砧134的冲击相位，从而与钻头12的以切削面12A重合，从而沿选定的方向 指向。可以通过诸如参照图1所述的控制系统执行对旋转和铁砧冲击的时间的控制。
图11中示出了可以使用传统的旋转对称钻头的定向钻井导向系统的另一个示 例。系统110包括可以在一端联接到钻柱(图IA的钻柱20)的壳体或钻铤114。壳体114 的另一端可以联接到钻柱的另一个部件或联接到钻头12，该钻头可以是传统的旋转对称钻 头或本领域所公知的其它类型的钻头。壳体114可以包括通过铰接或枢轴IM联接到该壳 体114的外表面的导向推力块118。铰接IM可以设置在导向推力块118的一侧，所述导向 推力块在钻井期间朝向由箭头所示的旋转方向。导向推力块118可以通过操作杆122被致 动，所述操作杆通过壳体114内的适当尺寸的开口。致动杆122可以与设置在壳体114内 的磁体120接触。磁体120的形状可以是弓形段，并且磁体120可以在由箭头所示的方向 上在其边缘处被极化。磁体梭116可以设置在壳体114内，所述磁体梭的形状可以为环形 圆筒。梭116可以由多个弓形段磁体116A、116B、116C、116D组合而成，所述多个弓形段磁 体在其边缘处在沿由箭头所述的交替方向上被径向极化。梭116可以通过马达IM旋转。 马达IM可以是由钻井液流操作(控制，例如，如图1所示)的液压马达，或者可以是电动 马达。当梭116旋转时，该梭116的被朝向推力块操作磁体120引导的磁通量极性改变， 使得推力块118以交替的方式远离壳体114被伸出或推进和朝向壳体114被缩回或拉进。 通过使马达124的旋转与壳体114的旋转相对应(例如，通过钻柱的旋转)，可以使推力块 118的伸出在选定的旋转方位上重复发生。通过使推力块在这种旋转方位上重复伸出，可以 改变井眼轨迹。图11所示的示例性梭116包括四个致动段磁体，然而可以在其它示例中使 用更多或更少的弓形磁体段。其它示例可以包括绕壳体114沿圆周方向设置的多于一个的 导向推力块、操作杆和相关联的磁体。因此，导向推力块和相关操作部件的数量不旨在限制 本发明的保护范围。图12示出了另一个示例性定向钻井导向系统。图12所示的系统可以设置在被构 造成联接到钻柱中的壳体214内。钻头12可以联接到壳体214的一端。壳体214可以包 括一体式或固定翼式稳定器216。壳体可以通过钻柱(未示出)来旋转以使钻头12的相应 旋转钻井眼。壳体214可以包括一个或多个铰链式铰接导向推力块236、238，所述推力块沿 壳体214的外部设置在沿圆周方向间隔开的位置处。推力块236、238可以通过相应的操作 杆238、240从壳体214选择性地伸出。操作杆在磁性铁砧2 上的相应凸轮230、232的作 用下被致动(侧向伸出)。铁砧可以包括类似于图1所示的铁砧被够造而成的磁体。磁性 梭2 可以类似于图1所示的梭被构造而成，使得当梭2 旋转时，使铁砧2 在壳体214 内纵向移动。这种纵向运动交替地使凸轮230、232致动相应的操作杆238J40，这导致导向 推力块236、238的相应伸出和缩回。梭2 可以通过诸如液压马达或电动马达的马达2 来旋转。可以选择梭226的旋转以使推力块236、238在选定的旋转方位上运转，从而在钻 井期间改变井眼的轨迹。图13中示出了使用磁运动转换器以产生用于钻井的冲击的示例性钻井马达。马 达310可以设置在被构造成联接在钻柱(图IA的钻柱20)内的壳体314中。壳体314可 以包括传统的容积式发电部分324，所述容积式发电部分包括定子324B和转子324A。发电 部分可以可选地包括涡轮机(未示出)。转子324A联接到传统地用在流体操作的钻井马达 中的这种类型的柔性联接器316以能够在转子和钻头之间进行相对移动，即，马达的定子 绕定子表面滚动，从而当其绕偏心半径滚动时引起轴旋转(即，轴使钻头转动)和转子的中心线旋进。转子与钻头之间的联接器通常是柔性轴或两个肘形接头。驱动轴327包括在一 端处的钻头盒325，所述钻头盒连接到钻头12以使钻头旋转。驱动轴327被轴承330可旋 转地支撑在壳体中，所述轴承可以是传统的钻井液润滑轴承或油润滑轴承。驱动轴327也 使磁性梭332旋转，所述磁性梭332的结构可以类似于图1所示的梭。梭332在磁性铁砧 334内旋转，所述磁性铁砧可以类似于图1所述的铁砧被构造而成。因此，梭332的旋转使 铁砧334沿纵向方向进行往复运动。铁砧334设置在壳体314内以冲击该壳体的较低纵向 端部，从而将冲击施加到钻头12。冲击可以增加通过钻头12钻地下岩层的速度。如在用于 定向导向井的传统的弯壳体泥浆马达中，钻头的轴线可以倾斜以提供建立井身轨迹的方向 的装置。在本示例中，马达通常用于使钻头旋转以提高钻井效率，但是可以利用驱动相同马 达的震击作用提高钻进速度。图14显示可以使用如图1所示的旋转梭/铁砧装置的液体流动调节遥测发射器 的示例。合并的旋转磁场梭和铁砧组件由附图标记406被总体示出，并且被设置在被构造 成联接在钻柱内的壳体14中。梭和铁砧组件可以基本上如图1所示被构造而成，使得梭的 旋转使铁砧进行纵向往复运动。铁砧可以在一个纵向端部处联接到阀杆402。磁体408可 以绕阀杆402沿圆周方向设置并且在平行于阀杆402的轴线的方向上被极化。阀杆402可 以选择性地延伸到设置在壳体14中的阀座404内，使得其内的杆的伸出限制或中断诸如钻 井液的流体400的流动。相应地，相反的永久磁体410可以绕阀座404设置，使得当铁砧沿 这种方向移动时阀杆402可以容易地从阀座404缩回。梭可以由使铁砧在选定的时间下运 转的马达操作，以对来自与钻柱相关联的任意装置的信号进行编码。即使没有钻井液流或 没有对该钻井液流进行控制的情况下，要认识的是冲击仅仅可以用于通过在钻井结构和钻 井液中产生应力波而传递信息。图15和图16显示可以用于通过在径向方向上震摇钻头以通过在钻头处获得更高 的瞬时转矩来移除岩石而减轻钻柱的旋转“粘滑”运动并提高ROP的扭转锤的示例。首先 参照图15，锤510可以设置在被构造成联接在钻柱(图IA的钻柱20)内的壳体514中。壳 体514内可以限定环形空间。环形空间515可以包括两组弓形交替永久磁体516、518。如 图15所示，每一组中的磁体具有交替磁极性。一个磁体组518在环形空间515中沿圆周方 向位于固定的位置中，并且在空间515中自由地纵向移动。另一个磁体组516被纵向固定， 但是可以在环形空间内沿圆周方向移动。参照图16，可纵向移动的磁体组518可以联接到 由马达520操作的诸如旋转斜盘522的往复机构。马达和旋转斜盘的操作可以被构造成使 磁体组518移动在该磁体组中的一个磁体的距离。因此，磁体组518相对于纵向固定磁体 组516的极性被改变。通过使沿圆周方向固定的磁体组518的磁体极性相对于可沿圆周方 向移动的磁体组516的磁体极性改变，可以使可沿圆周方向移动的磁体组516在环形空间 中沿圆周方向往复移动，从而在壳体514中产生扭矩脉冲。扭矩脉冲可以减少在钻井眼期 间的扭转粘滑。为了进行清楚地说明，在图中放大了空气间隙。在一些示例中，发电机或交流发电机可以与磁运动转换器相关联以从转换器的运 动提取电力。电力可以用于例如操作钻柱(图IA的钻柱20)中的诸如LWD和/或仪器的 电子装置。与图1所示的装置类似，图17显示联接到驱动套筒130的梭134。梭可以包括 如图1所示布置的磁体。驱动套筒130可以联接到诸如图1所示的流体操作马达。铁砧34 也如参照图1所述绕中心管道1 设置，并且可以包括如参照图1所述布置的磁体。铁砧Π4可以具有紧邻该铁砧设置的交流发电机绕组600，使得铁砧134的运动将在绕组600中 产生电流。绕组600可以电连接到相应的诸如电池或电容器的储能装置602。在绕组600 中感应并储存在储存装置602中的电力可以用于操作一个或多个电子装置(未示出)。在 其它示例中，交流发电机绕组可以紧邻梭设置，使得梭的旋转将在绕组中产生电流。还可以 使用接近于绕组的磁体的速度的急剧变化以产生用于高压应用的类似电脉冲钻井的专用 电压脉冲形状。这种钻井技术也可以与运动转换器的基本震击动作结合。图18中示出了定向钻井导向系统的另一个示例。图18中的系统的与参照图1所 述的系统的部件类似的部件使用与参照图1所述的附图标记相同的附图标记表示。图18中 所示的系统可以包括液压马达(由转子1 和定子1 构成)，所述液压马达设置在由中心 管道129限定的环形空间127中。如参照图1所述的示例，可以选择性地使钻井液输入环 形空间并从而操作液压马达。可以由与阀122进行信号通信的控制系统120控制钻井液的 这种选择性的进入。磁运动转换器旋转地联接到转子128并且包括梭134和铁砧132。铁 砧132可以设置在管道129的外表面上，使得铁砧132不得不纵向移动。当梭134旋转时， 磁体(如图3所示布置在所述梭内)与铁砧132 (如图2所示被布置)协作，使得铁砧132 沿管道1 往复纵向移动。在本示例中，梭132的往复线性运动可以操作双向液压泵700，所述双向液压泵包 括设置该双向液压泵内的活塞702。活塞700的每一侧的输出通过相关的液压管线704联 接到在钻头12的下端处的相应的液压缸710。每一个液压缸710内包括活塞708。每一个 活塞708支撑诸如PDC牙轮的切削元件。在钻井操作期间，控制系统120可以响应于旋转 方位信号(例如，来自图IA的LWD系统14)操作以允许钻井液在被选择以使马达的旋转基 本上与壳体114的旋转同时发生的速度下操作马达(例如，被顶驱或由泥浆马达提供)。每 当马达旋转时，梭132基于该梭的磁体结构和铁砧134的磁体结构移动通过选定数量的往 复运动。每一个这种往复运动将使泵活塞702进行相应的往复运动。泵活塞702的每一个 往复运动将使钻头活塞708中的一个相应地伸出，和使另一个钻头活塞708同时缩回。通 过使钻头活塞708的伸出与壳体114和钻头12的旋转同步，可以根据钻头12的旋转方位 在每一个钻头活塞708伸出时使井眼的轨迹转向。根据本发明的各个方面的钻井和测量系统可以具有更少的移动部件，更少的必须 的密封件，因此比用于本发明之前的本领域所公知的钻井和测量系统的马达和相关部件相 比具有更大的可靠性。虽然已经相对于有限的实施例说明了本发明，但是得益于本公开的本领域的技术 人员将认识到可以设计不背离如这里所公开的本发明的保护范围的其它实施例。因此，本 发明的保护范围应该仅仅由所附权利要求限制。
权利要求
1.一种定向钻井设备，包括壳体，所述壳体被构造成联接到钻柱；多个磁体，所述多个磁体设置在所述壳体中，并且被构造成将旋转运动转换成往复运 动，所述磁体被构造成通过所述往复运动将冲击施加到所述壳体；马达，所述马达联接到所述磁体以使所述磁体的一部分旋转；和控制系统，所述控制系统被构造成操作所述马达，使得当所述壳体位于选定的旋转方 位上时所述冲击发生。根据权利要求1所述的设备还包括钻头，所述钻头联接到所述壳体 的一端，所述钻头在至少一个圆周部分具有与所述钻头的任意其它圆周部分不同的地层钻 进特性。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个磁体包括环形圆筒，所述环形圆筒包括 纵向交替极化磁体。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述马达旋转地联接到所述环形圆筒。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述多个磁体包括被交替极化的、沿圆周方向分 段的多个磁体，所述被交替极化的、沿圆周方向分段的多个磁体设置在圆筒的每一个纵向 端部处，所述圆筒设置在限定在纵向极化磁体的所述环形圆筒内的开口中。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述马达包括液动马达。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制系统包括控制器和与所述控制器进行 信号通信的电动阀。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述马达包括电动马达。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述壳体能够在外部可旋转地支撑到驱动轴，所 述驱动轴被构造成旋转地联接到所述钻柱，并且其中，所述马达包括在所述壳体与所述多 个磁体之间的联动装置，藉此，所述壳体与所述驱动轴之间的相对旋转使所述多个磁体的 一部分旋转。
9.根据权利要求1所述的设备，还包括至少一个发电机绕组，所述至少一个发电机绕 组紧邻所述磁体设置并被构造成响应所述磁体的运动而产生电流。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制系统包括用于所述马达的速度控制装 置和用于测量所述壳体相对于选定目标的方位的传感器。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述速度控制装置包括阀，所述阀能够选择性 地操作以允许钻井液流动到所述马达，所述马达能够由通过所述马达的流体流操作。
12.一种定向钻井设备，包括壳体，所述壳体被构造成联接到钻柱；多个磁体，所述多个磁体设置在所述壳体中，并且被构造成将旋转运动转换成往复运 动，所述磁体被构造成通过所述往复运动使一装置从所述壳体的中心轴线侧向伸出；马达，所述马达联接到所述磁体以使所述磁体的一部分旋转；和控制系统，所述控制系统被构造成操作所述马达，使得当所述壳体位于选定的旋转方 位上时所述伸出发生。
13.根据权利要求12所述的设备，所述装置包括导向推力块，所述导向推力块设置在 所述壳体的外部并且能够操作以与所述多个磁体的往复运动部接触。
14.根据权利要求12所述的设备，其中，所述装置包括设置在所述磁体的往复运动部上的至少一个凸轮，所述凸轮能够操作以当所述凸轮与导向装置接触时使所述导向装置从 所述中心轴线侧向伸出。
15.根据权利要求12所述的设备，还包括至少一个发电机绕组，所述至少一个发电机 绕组紧邻所述磁体设置并被构造成响应所述磁体的运动而产生电流。
16.一种液体流动遥测调节器，包括壳体，所述壳体被构造成连接到仪器串；多个磁体，所述多个磁体设置在所述壳体中并被构造成将旋转运动转换成往复运动；马达，所述马达联接到所述磁体以使所述磁体的一部分旋转；阀杆，所述阀杆联接到所述磁体的往复运动部；和控制系统，所述控制系统被构造成操作所述马达，使得所述阀杆在选定时间下朝向阀 座伸出以调节通过所述阀座的流体流动。
17.根据权利要求16所述的调节器，其中，所述仪器串包括随钻测井仪器串，并且所述 控制系统能够操作以使所述阀杆响应于由所述仪器串中的至少一个传感器获得的测量值 而进行操作。
18.一种扭矩钻柱锤，包括壳体，所述壳体被构造成联接在钻柱内；多个磁体，所述多个磁体设置在所述壳体中的环形空间内，所述磁体被构造成将往复 线性运动转换成往复旋转运动；和马达和联动装置，所述马达和联动装置能够操作以将往复线性运动施加到所述磁体的 第一部分，其中，所述磁体的第二部分被构造成响应于所述磁体的第一部分的运动在所述环形空 间中以旋转的方式进行往复运动。
19.根据权利要求18所述的锤，其中，所述磁体的第一部分和所述磁体的第二部分包 括平行于所述壳体的纵向轴线布置的沿圆周方向被交替极化的磁体段。
20.根据权利要求19所述的锤，其中，所述磁体的第一部分被限制在所述环形空间中 线性移动。
21.根据权利要求19所述的锤，其中，所述磁体的第二部分被构造成通过在所述磁体 的往复旋转运动的终点处撞击所述磁体的第一部分而将扭矩冲击施加给所述壳体。
22.一种定向钻井设备，包括壳体，所述壳体被构造成联接到钻柱；多个磁体，所述多个磁体设置在所述壳体中，并且被构造成将旋转运动转换成往复运 动，所述磁体被构造成响应于所述往复运动来操作钻头上的可纵向伸出的切削元件；马达，所述马达联接到所述磁体以将使所述磁体的一部分旋转；和控制系统，所述控制系统被构造成操作所述马达，使得当所述壳体位于选定的旋转方 位上时发生所述切削元件的纵向伸出。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述多个磁体包括环形圆筒，所述环形圆筒包 括纵向交替的极化磁体。
24.根据权利要求22所述的设备，其中，所述马达旋转地联接到所述环形圆筒。
25.根据权利要求22所述的设备，其中，所述多个磁体包括被交替极化的、沿圆周方向分段的多个磁体，所述被交替极化的、沿圆周方向分段的多个磁体设置在圆筒的每一个纵 向端部处，所述圆筒设置在限定在纵向极化磁体的所述环形圆筒内的开口中。
26.根据权利要求22所述的设备，其中，所述马达包括液动马达。
27.根据权利要求22所述的设备，其中，所述控制系统包括控制器和与所述控制器进 行信号通信的电动阀。
28.根据权利要求22所述的设备，其中，所述马达包括电动马达。
29.根据权利要求22所述的设备，其中，所述壳体能够旋转地支撑到驱动轴的外部，所 述驱动轴被构造成旋转地联接到所述钻柱，并且其中，所述马达包括在所述壳体与所述多 个磁体之间的联动装置，藉此，所述壳体与所述驱动轴之间的相对旋转使所述多个磁体的 一部分旋转。
30.根据权利要求22所述的设备，其中，所述可纵向伸出的切削元件每一个都联接到 设置在相对应的液压缸内的相应活塞，并且其中，所述多个磁体被构造成操作液压泵，所述 液压泵功能性地连接到所述液压缸。
31.一种用于定向钻井的方法，包括以下步骤使第一磁体组件在所述钻柱内旋转，所述第一磁体组件操作性地与第二磁体组件相关 联，所述第一磁体组件和所述第二磁体组件被构造成将所述第一磁体组件在所述钻柱内的 旋转转换成所述第二磁体组件的往复运动；使所述往复运动与至少一个导向元件结合，所述至少一个导向元件与所述钻柱相关 联，其中，执行所述使第一磁体组件在所述钻柱内旋转的步骤，使得当所述钻柱位于选定的 旋转方位时致动所述至少一个导向元件。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述至少一个导向元件包括钻头的圆周段，所 述钻头的圆周段具有不同于所述钻头的其它圆周段的切削能力。
33.根据权利要求31所述的方法，其中，所述至少一个导向元件包括设置在钻头上的 可纵向伸出的牙轮。
34.根据权利要求31所述的方法，其中，所述至少一个导向元件包括与所述钻柱相关 联的可侧向伸出的推力块。
35.根据权利要求31所述的方法，其中，所述使所述第一磁体组件旋转的步骤包括操作旋转地联接到所述第一磁体组件的马达，使得所述第一磁体组件的旋转基本上与所述钻柱的旋转同时发生。
36.根据权利要求31所述的方法，还包括以下步骤将来自所述第二磁体组件的磁通量施加到大致纵向固定定位的发电机线圈以在所述 发电机线圈中产生电流。
37.一种用于将往复扭矩施加到钻柱的方法，包括以下步骤使第一磁体组件进行线性往复运动；使用第二磁体组件将所述第一磁体组件的线性往复运动转换成所述第二磁体组件的 往复旋转运动；以及在所述往复旋转运动的终点处使所述第二磁体组件将扭转力施加到所述钻柱。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述使第一磁体组件进行线性往复运动的步 骤包括操作马达以使一装置旋转，所述装置被构造成将所述装置的旋转运动转换成线性往复 运动。
39.根据权利要求37所述的方法，还包括以下步骤将来自所述第二磁体组件的磁通量施加到大致纵向固定定位的发电机线圈以在所述 发电机线圈中产生电流。
40.一种用于调节钻井液的流动用于进行信号通信的方法，包括以下步骤使第一磁体组件旋转；使用第二磁体组件将所述第一磁体组件的旋转运动转换成线性往复运动；以及使用所述线性往复运动使阀杆相对于阀座移动，执行所述使第一磁体组件旋转的步 骤，使得所述阀杆相对于所述阀座的运动与将通过调节所述钻井液的流动而被通信的信号 有关。
41.根据权利要求40所述的方法，还包括以下步骤将来自所述第二磁体组件的磁通量施加到大致纵向固定定位的发电机线圈以在所述 发电机线圈中产生电流。
全文摘要
本发明公开了一种使用被布置成将旋转运动转换成往复线性运动的多个磁体的定向钻井系统、钻井锤和液体流遥测调节器。各种类型的马达可以将旋转运动提供给磁体的一部分和各种联动装置，并且其它装置可以对调节阀进行导向或操作。扭矩式钻井锤使用被布置成将往复线性运动转换成往复旋转运动的多个磁体。马达和联动装置驱动磁体的线性移动部分，并且旋转部分提供撞击磁体的线性移动部分的扭矩撞击。
文档编号E21B1/14GK102066685SQ200980122276
公开日2011年5月18日 申请日期2009年5月28日 优先权日2008年6月13日
发明者伊恩·库珀, 杰弗里·C·当顿, 罗伯特·阿特, 迈克·威廉姆斯 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司