用于井下工具的操控系統(tǒng)和方法
【專利摘要】公開了一種用于井下工具的操控系統(tǒng)和方法。井下工具包括具有軸向孔的主體和相對于孔徑向靠外設置的腔，孔至少部分地延伸穿過主體。閥設置在孔內并且適于在第一位置和第二位置之間移動，在第一位置，該閥阻止流體從孔通過端口流到腔中，在第二位置，該閥允許流體從孔通過端口流到腔中。設置在孔內的馬達適于使閥在第一和第二位置之間移動。井下工具的可操控部件，例如擴孔器井下工具的切割器組，可移動地連接到主體并且適于響應于流體通過端口進入腔中而從非操控狀態(tài)移動到操控狀態(tài)。
【專利說明】用于井下工具的操控系統(tǒng)和方法

【技術領域】
[0001]這里公開的實施例總體上涉及井下工具。更具體地，這里公開的一個或多個實施例涉及用于操控井下工具以執(zhí)行它們預期的操作和/或功能的系統(tǒng)和方法。

【背景技術】
[0002]在鉆探井眼的過程中，經常采用井下工具執(zhí)行井下工具預期的操作或功能，例如擴孔器被用于擴大井眼的直徑。在井下工具為擴孔器的例子中，傳統(tǒng)的擴孔器具有主體，主體具有從其中軸向延伸穿過的軸向孔，流體流動通過軸向孔。一個或多個切割器組可移動地連接到主體并且適于在收起狀態(tài)和展開狀態(tài)之間轉變。
[0003]處在收起狀態(tài)的擴孔器通過鉆柱被送入井眼中。在收起狀態(tài)，切割器組被折疊到擴孔器的主體內以使得切割器組相對于包圍的套管或井眼壁徑向靠內設置。一旦擴孔器到達井眼的期望深度，擴孔器被操控到展開狀態(tài)。在展開狀態(tài)，切割器組徑向向外移動并且與井眼壁接觸。切割器組接著被用于切割或研磨井眼壁以擴大其直徑。


【發(fā)明內容】

[0004]本
【發(fā)明內容】
部分用于介紹在下面的詳細說明中進一步描述的選取的概念。本
【發(fā)明內容】
不是用于確定要求保護的主題的關鍵或本質特征，也不是用于幫助限定要求保護的主題的范圍。
[0005]公開了一種具有操控系統(tǒng)的井下工具。該井下工具包括具有軸向延伸的孔的主體和相對于孔徑向靠外設置的腔，所述孔至少部分地延伸穿過主體，腔例如位于主體的壁內?？淄ㄟ^端口與腔流體連通。閥被設置在孔內并且適于在第一位置和第二位置之間移動，在第一位置，該閥阻斷流體從孔通過端口流到腔中，在第二位置，該閥允許流體從孔通過端口流到腔中。馬達被設置在孔內并且適于使閥在第一位置和第二位置之間移動。可移動地連接到主體的井下工具的可操控部件適于響應于流體流動通過端口進入腔中而在操控狀態(tài)和非操控狀態(tài)之間移動。閥在第一位置和第二位置之間的移動可包括線性和旋轉閥移動。在這里公開的一個或多個實施例中，井下工具為擴孔器并且可操控部件為適于在閥處于第一位置時的收起狀態(tài)和閥處于第二位置時的展開狀態(tài)之間移動的切割器組。
[0006]在另一個實施例中，井下工具包括具有軸向延伸的孔的主體和相對于孔徑向靠外設置的腔，所述孔至少部分地延伸穿過主體，腔例如位于主體的壁內?？淄ㄟ^端口與腔流體連通。閥設置在孔內并且適于在第一位置和第二位置之間移動，在第一位置，閥阻斷流體從孔通過端口流到腔中，在第二位置，閥允許流體從孔通過端口流到腔中。馬達設置在孔內并且適于在孔內在第一位置和第二位置之間軸向地移動該閥。井下工具的可操控部件(例如切割器組)可移動地連接到主體并且適于在閥處于第一位置時的非操控(或收起)狀態(tài)和閥處于第二位置時的操控(或展開)狀態(tài)之間移動。位置傳感器系統(tǒng)設置在孔內并且配置成測量可操控部件的軸向位置。連接到位置傳感器系統(tǒng)的遙測系統(tǒng)同樣設置在孔內并且配置成將表示可操控部件的軸向位置的信號傳遞到遠程位置，例如地面位置。
[0007]還公開了一種用于操控井下工具的方法。該方法包括將信號從地面位置傳遞給設置在井下工具中的井下接收器。該信號控制設置在至少部分地軸向延伸穿過井下工具的主體的孔內的馬達的一個或幾個操作。腔相對于孔徑向靠外設置，其例如位于主體的壁中。馬達連接到并且移動設置在孔內的閥，使其在第一位置和第二位置之間移動。當閥處于第一位置時，阻斷流體流動通過設置在孔和腔之間的端口，當閥處于第二位置時，允許流體從孔通過端口流到腔中?？刹倏夭考軌蚩梢苿拥剡B接到井下工具的主體并且被布置和設計成響應于由于流體流入腔中所引起的液壓升高而在非操控狀態(tài)和操控狀態(tài)之間移動。在井下工具的可操控部件被操控時，井下工具被操作。
[0008]公開了一種用在井眼中的井工具操控系統(tǒng)。該井工具操控系統(tǒng)包括設置在井下管道的內部流道內的閥。該閥被布置和設計成在密封井下管道的內壁中的端口的第一位置和允許流體從內部流道流入端口中的第二位置之間移動。該閥具有一個或多個從其中穿過的通道使得無論閥處于什么位置都允許流體從通道軸向地通過到達井下鉆頭。馬達設置在井下管道的內部流道內以允許內部流道中的流體從馬達周圍通過。馬達被連接到閥并且被布置和設計成使閥在第一位置和第二位置之間移動。響應于流體流入端口并通過端口的可操控部件由此通過將閥從第一位置移動到第二位置而被操控。閥在第一位置和第二位置之間的移動包括線性和旋轉閥移動。
[0009]在另一個實施例中，井工具操控系統(tǒng)包括具有旋轉地設置在井下管道的內部流道內的閥的閥模塊。該閥被布置和設計成在阻斷井下管道的內壁中的端口的第一旋轉位置和允許流體流動進入端口中的第二旋轉位置之間移動。閥模塊和閥還被布置和設計成例如具有從其中穿過的通道以使得無論閥處于什么位置都允許鉆井流體從通道通過到達井下鉆頭。該閥進一步被布置和設計成當鉆井流體通過閥模塊時，響應于產生在內部流道和井眼之間的壓差而坐落在閥模塊的閥殼體上。馬達模塊設置在井下管道的內部流道內以允許鉆井流體從馬達的周圍通過。馬達模塊包括連接到該閥的馬達，以使閥在第一旋轉位置和第二旋轉位置之間移動?？刹倏夭考?，響應于流體流入并且通過端口的流體，由此通過使閥從第一旋轉位置移動到第二旋轉位置而被操控。
[0010]還公開了一種用于操控井下工具的可操控部件的方法。該方法包括從井口位置向井下接收器發(fā)送命令信號。該命令信號控制設置在井下管道的內部流道內的馬達的操作。該馬達使得設置在井下管道內的閥在密封井下管道的內壁中的端口的第一位置和允許流體從內部流道流入端口的第二位置之間移動。該閥進一步被布置和設計成無論閥處于什么位置都允許鉆井流體從其中通過到達井下鉆頭。當閥處于第二位置時，流體從內部流道進入端口使得流體流動進入并且通過端口而操控井下工具的可操控部件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]為了使敘述的特征可以詳細地理解，上面簡要概述的更具體的描述可以參看一個或多個實施例，其中一些實施例在附圖中示出。然而，需要注意的是，附圖只是示例性的實施例，因此并不能看作是對保護范圍的限制。
[0012]圖1描繪了根據公開的一個或多個實施例的設置在井眼內并且具有操控系統(tǒng)的示例性井下工具的示意圖。
[0013]圖2描繪了根據公開的一個或多個實施例的示例性閥模塊的透視圖。
[0014]圖3描繪了根據公開的一個或多個實施例的示例性馬達模塊的透視圖。
[0015]圖4描繪了根據公開的一個或多個實施例的通過自對準連接器連接的閥模塊和馬達模塊的部分透視圖。
[0016]圖5描繪了根據公開的一個或多個實施例的閥模塊的部分剖視圖。
[0017]圖6描繪了根據公開的一個或多個實施例的設置在井下工具中的閥模塊的部分首1J視圖。
[0018]圖7描繪了圖6的閥模塊被操控到不同的操作位置的部分剖視圖。
[0019]圖8-1描繪了根據公開的一個或多個實施例的位置感測系統(tǒng)的部分透視圖。
[0020]圖8-2描繪了圖8-1所示的位置感測系統(tǒng)的傳感器陣列部分的一個實施例的部分透視圖。
[0021]圖8-3描繪了根據公開的一個或多個實施例的圖8-2所示的位置感測系統(tǒng)的傳感器陣列部分的部分透視圖，傳感器陣列設置在井口方向連接到井下工具的鉆柱中。
[0022]圖9描繪了根據公開的一個或多個實施例的設置在井下工具中的位置感測系統(tǒng)的磁體籃或冠部分的部分剖視圖。
[0023]圖10描繪了根據公開的一個或多個實施例的位置感測系統(tǒng)的一部分的部分透視圖，其中，位置感測系統(tǒng)的形式為與正向脈沖隨鉆測量工具組裝在一起的診斷探頭。
[0024]圖11描繪了根據公開的一個或多個實施例的具有示例性的操控系統(tǒng)但是沒有位置感測系統(tǒng)的井下工具的部分剖視圖。
[0025]圖12描繪了根據公開的一個或多個實施例的包括閥模塊的井下工具的部分剖視圖。
[0026]圖13描繪了根據公開的一個或多個實施例的井下工具的另一個部分的部分剖視圖，其中示出了閥模塊。
[0027]圖14描繪了根據公開的一個或多個實施例的在井下方向連接到井下工具并且在其中包括有操控系統(tǒng)的電子器件部分和動力源的鉆柱的部分剖視圖。
[0028]圖15描繪了根據公開的一個或多個實施例的井下工具的部分剖視圖，其示出了圖13的閥模塊處于第一操控位置。
[0029]圖16描繪了根據公開的一個或多個實施例的井下工具的部分剖視圖，其示出了圖13的閥模塊處于第二操控位置。
[0030]圖17描繪了根據公開的一個或多個實施例的設置在井眼內并且具有另一個操控系統(tǒng)的示例性井下工具的示意圖。
[0031]圖18-1描繪了根據公開的一個或多個實施例的設置在井下工具內的示例性旋轉指狀閥模塊的部分剖視圖。
[0032]圖18-2描繪了根據公開的一個或多個實施例的圖18-1的旋轉指狀閥模塊的指狀閥的透視圖。
[0033]圖19描繪了根據公開的一個或多個實施例的通過自對準連接器連接到馬達模塊的圖18-1的旋轉指狀閥模塊的部分剖視圖。
[0034]圖20描繪了根據公開的一個或多個實施例的井下工具的部分剖視圖，其示出了連接到馬達模塊的旋轉指狀閥模塊。
[0035]圖21描繪了根據公開的一個或多個實施例的井下工具的部分剖視圖，其示出了圖20的旋轉指狀閥模塊處于第一操控位置。
[0036]圖22描繪了根據公開的一個或多個實施例的井下工具的部分剖視圖，其示出了圖20的旋轉指狀閥模塊處于第二操控位置。
[0037]圖23描繪了根據公開的一個或多個實施例的用于旋轉指狀閥模塊的示例性漸縮的閥部件和相應的倒角的閥部件的透視圖。
[0038]圖24描繪了根據公開的一個或多個實施例的可以用在井下工具中的示例性旋轉端口閥模塊的部分剖視圖。
[0039]圖25描繪了根據公開的一個或多個實施例的圖24的旋轉端口閥模塊的閥殼體的首1J視圖。
[0040]圖26描繪了根據公開的一個或多個實施例的井下工具的剖視圖，其示出了圖24的示例性旋轉端口閥模塊連接到馬達模塊用于操控井下工具。
[0041]圖27描繪了根據公開的一個或多個實施例的圖17的井系統(tǒng)的一部分的剖視圖，其示出了示例性旋轉槽閥模塊連接到馬達模塊用于操控井下工具。
[0042]圖28描繪了根據公開的一個或多個實施例的井下工具的部分剖視圖，其示出了圖27的旋轉槽閥模塊處于第一操控位置。
[0043]圖29描繪了根據公開的一個或多個實施例的井下工具的部分剖視圖，其示出了圖27的旋轉槽閥模塊處于第二操控位置。
[0044]圖30描繪了根據公開的一個或多個實施例的設置在井下工具內的替代閥模塊的示意圖。
[0045]圖31描繪了根據公開的一個或多個實施例的可以設置在井下工具中的另一種示例性操控系統(tǒng)的示意圖。

【具體實施方式】
[0046]在后面的描述中，對多個細節(jié)進行了闡述以理解本公開的若干說明性實施例。然而，本領域技術人員可以理解，沒有這些細節(jié)，本公開的系統(tǒng)和/或方法也可以實施，且描述的實施例可以具有多種變化或改進。
[0047]本公開的一個或多個實施例總體涉及操控井下工具的系統(tǒng)和方法。井下工具在多種環(huán)境(包括井眼環(huán)境)下可以遠程操控。這種遠程操控，例如在井口位置和井下工具之間，可以以本領域技術人員已知的任意方式執(zhí)行并且可以包括有線和/或無線通信、聲波、電磁波、泥漿壓力脈沖和/或通過絕緣導體傳遞的信號。在至少一個實施例中，該系統(tǒng)和方法可以用于操控井下工具的可操控部件，例如用在井下鉆井作業(yè)中的擴孔器的切割器組。系統(tǒng)電子器件和部件也可以設計成提供工具操控的實時(或者準實時)確認，例如切割器組的展開或收起。
[0048]操控系統(tǒng)可以包括與實時(或準實時)位置感測系統(tǒng)組合的數字激活系統(tǒng)，以操控并且監(jiān)測井下工具的操控?？梢酝ㄟ^多種遙測技術和系統(tǒng)將信號送到井下和/或井口，所述多種遙測技術和系統(tǒng)例如包括:模式化流動系統(tǒng)、轉盤系統(tǒng)、絕緣導體、壓力脈沖系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)、聲系統(tǒng)或其它合適的遙測方法。在另一個實施例中，表示位置的信號可以被記錄在井下記憶裝置、例如存儲芯片中，用于在隨后進行取回。
[0049]操控系統(tǒng)，S卩，具有或沒有位置感測系統(tǒng)的數字激活系統(tǒng)，可以在許多與井相關以及與井無關的應用場合中與各種井下工具一起使用。這種操控系統(tǒng)可以安裝在或連接到鉆柱、電纜或其它本領域技術人員已知的井下傳輸工具上，用于操控多種與井相關的工具，包括但不限于擴孔器和/或穩(wěn)定器。在這些應用中，操控系統(tǒng)可以設計成具有可以在井場選擇性地組裝的模塊化部件。
[0050]數字(即啟用/停用)激活系統(tǒng)可以包括具有可線性移動的閥組件的閥模塊和/或具有可旋轉移動的閥組件的閥模塊。數字激活系統(tǒng)可以進一步包括包含馬達、例如旋轉馬達的馬達模塊以及適合的電子器件。自對準連接器可以用于將閥模塊的閥組件連接到馬達模塊的馬達。自對準連接器可以與轉換組件配合工作，以便能將馬達的旋轉運動輸出轉換成閥的線性運動來操控井下工具。
[0051]圖1描繪了根據一個或多個實施例的設置在井眼24中的鉆柱22的示意圖。鉆柱22具有與之連接的具有操控系統(tǒng)30的井下工具26。井下工具26可以是或者包括擴孔器，該擴孔器具有多個可移動地連接到其上的切割器組28，該切割器組在收起狀態(tài)和展開狀態(tài)之間被操控。圖1中與井下工具26相關聯的操控系統(tǒng)30僅用于幫助說明，應該理解這里描述的操控系統(tǒng)30可以包括多個附加部件并且可以設置在多種類型的井下環(huán)境中。操控系統(tǒng)30還可以根據給定的應用場合的運行和環(huán)境特征以各種不同的結構構造。井下工具26和井下工具操控系統(tǒng)30可以至少部分地設置在井底組件32中。井底組件32可包括隨鉆測量工具34，例如，正脈沖隨鉆測量工具。井底組件32在鉆井眼24的過程中憑借鉆柱22被用于轉動鉆頭36。
[0052]操控系統(tǒng)30包括具有閥模塊40和馬達模塊42的數字激活系統(tǒng)38。馬達模塊42包括馬達82 (參見圖3)和電子器件80 (參見圖3)，電子器件80用于接收控制信號并且用于控制馬達82 (參見圖3)。動力通過井下動力源44 (圖14)、例如電池被提供給馬達82。也可將渦輪機或容積式馬達(均未示出)連接到馬達82來提供能量。如后面更加詳細描述的，馬達82的旋轉運動可以被轉換成線性/軸向運動。
[0053]操控系統(tǒng)30可以進一步包括實時(或準實時)位置感測系統(tǒng)50，其包括診斷探頭部分52和具有一個或多個磁傳感器的傳感器部分54。位置感測系統(tǒng)50可以連接到或者用于與數字激活系統(tǒng)38協(xié)作，以例如通過監(jiān)測切割器組28 (或者連接到其上的部件)或者閥模塊40的一個或多個部件的線性移動監(jiān)測井下工具26的激活/操控。
[0054]圖2描繪了根據一個或多個實施例的示例性的閥模塊40的透視圖。閥模塊40包括可滑動地接納穿過端蓋58的柱塞或軸46的閥模塊主體56。著陸卡盤60可連接到閥模塊主體56，以便于使閥模塊40著陸和定位在井下管件或鉆柱22的內部流動通道或孔106內(參看圖6)，例如定位在鉆柱22的中心(或者從鉆柱22的縱向軸線偏移開)，同時允許鉆井泥漿和/或其它流體流動通過鉆柱22并且通過著陸卡盤開口 62圍繞/通過閥模塊40。閥模塊40以及操控系統(tǒng)30的其它模塊位于鉆柱22的孔106的中心使得操控系統(tǒng)30能夠用在具有任意直徑的鉆柱22中，其中，柱塞頭/組件或閥74的大小適于與孔106/接納結構100的內直徑密封地接合(參見圖6)。閥組件可以被定義為連接到柱塞頭/組件或閥74的柱塞或軸46。柱塞頭/組件或閥74被布置和設計成具有一個或多個軸向開口 110，以允許鉆井泥漿和/或其它流體流動通過鉆柱22的孔106 (圖6)。閥模塊主體56還包圍轉換組件64，以將旋轉運動轉換成柱塞或軸46的線性運動。作為舉例，轉換組件64可以包括具有螺紋的螺桿和連接到軸46的螺母，以便在具有螺紋的螺桿在相應的螺母中轉動時而沿著線性方向移動軸46。適用的轉換組件64的例子可以包括絲桿、艾米克螺桿(ACMEscrew)、滾珠絲杠等。然而，本領域技術人員已知的其它類型的傳動和轉換組件也可以用于將旋轉運動轉換成線性運動。
[0055]閥模塊40還可以包括自對準連接器部分66，其連接到閥74，且被設計成自動地接納馬達模塊42的連接到馬達82的相應的自對準連接器部分68 (參見圖3)。閥連接器部分66可包括布置并且設計成接納和定向馬達連接器部分68的相應的凸起72( “犬骨”)(圖3和4)的自對準凹槽或槽口 70。自對準連接器部分66、68能夠更高效地海運、組裝和部署，因為工具在現場的組裝被簡化，這允許在自對準連接器部分66和閥連接器部分68進行初始配合的過程中產生些許的未對準。在一個或多個實施例中，自對準連接器部分66、68可布置和設計成借助鉆柱22部署在井下，其中，在井下形成自對準連接器84(圖4)。
[0056]圖3描繪了根據一個或多個實施例的說明性馬達模塊42的透視圖。馬達模塊42包括馬達82和電子器件部分80。電子器件部分80被設計成包括用于探測送到井下的命令信號的井下接收器或傳感器，該命令信號例如是壓力脈沖信號、振動、鉆柱每分鐘轉速(rpm)或上面公開的其它遙測方法的信號；并且還被設計成產生和向馬達82提供控制信號以用于控制馬達82的旋轉輸出運動。在一個或多個實施例中，井下接收器或傳感器可以是加速計。馬達82驅動馬達連接器部分68，該馬達連接器部分68驅動閥連接器部分66。馬達連接器部分68和閥連接器部分66的這種旋轉運動通過轉換組件64被轉換成軸46的線性運動。馬達82還起著制動器的功能以防止發(fā)生不期望的反向驅動。馬達模塊42可包括多個其它結構，例如定中器或定中結構86，其可以用于幫助馬達模塊42定位在鉆柱22的包圍管件或主體88的中心(參見圖1)。定中結構86被設計成允許流體在主體88和模塊40,42之間的環(huán)形空間中在主體88的孔106 (例如鉆柱22的一部分)中流動。
[0057]圖4描繪了根據一個或多個實施例的通過自對準連接器84接合或連接的閥模塊40和馬達模塊42的部分透視圖。馬達連接器部分68與閥連接器部分66相接合，以形成總自對準連接器84。
[0058]圖5描繪了根據一個或多個實施例的閥模塊40的部分剖視圖。閥連接器部分66與通過多個軸承92可旋轉地安裝在閥模塊主體56內的軸或心軸90連接。心軸90包括容納在連接到軸46的螺母部分98的相應的螺紋部分96中的螺紋部分94。當馬達82通過連接器部分66來轉動心軸90 (參見圖3)時，螺紋部分94相對于相應的螺紋部分96轉動，而螺母部分98被保持成固定而不能轉動。這使得軸46根據心軸90的轉動方向而進行線性移動。軸46的線性運動例如被用于驅動閥74來控制井下工具26的操控。
[0059]圖6描繪了設置在井下工具26中的閥模塊40的部分剖視圖，圖7描繪了圖6的閥模塊40被操控到不同的工作位置的部分剖視圖。井下工具26在這個例子中為擴孔器，其可包括主體88，主體88具有孔106，該孔106至少部分地穿過主體88形成。主體88可以是一個部件或者是連接到一起的多個部件。閥模塊40可以設置在主體88的孔106內。
[0060]閥74可滑動地設置在位于主體88內的接納結構100內，使得密封件76與接納結構100的內表面密封接合。一個或多個端口 102延伸穿過井下工具26的接納結構100，使得當閥74可滑動地設置在接納結構100內以打開端口 102時，通過端口 102在操控腔112和井下工具26的孔106之間建立流體連通。端口 102被布置和設計成能將加壓流體傳送到井下工具26中的操控腔112。當操控腔112中的壓力上升得足夠高時，操控元件104(例如，活塞，諸如設置在腔112中的環(huán)形活塞)軸向地移動或滑動，從而操控切割器組28，該切割器組28例如通過傾斜通道或軌道同時軸向且徑向向外移動，切割器組可移動地連接在這些通道或軌道上。這里公開的可與操控系統(tǒng)30 —起使用的說明性的擴孔器在美國專利N0.6，732,817中示出和描述，該專利內容通過引用在與本公開一致的程度上被結合到這里。盡管圖6所示的是擴孔器，但井下工具26可以是或者包括多種工具類型，例如閥、滑動套筒、卡鎖件、管切割器、型材軋機、震擊器、打撈工具以及其它可操控的工具。
[0061 ] 如圖6所示，閥74已經被軸46移動到接納結構100內的位置或地點，使得密封件76設置在端口 102的線性/軸向側(即它們騎跨端口 102)，由此防止流動通過端口 102。流體、例如鉆井泥漿沿著箭頭108的方向通過井下工具26的孔106向井下傳送，并流動通過閥74的軸向開口 110而且沿著閥模塊主體56的外部流向鉆頭36 (圖1)。當井下工具26要被操控到另一個工作位置時，控制信號被發(fā)送到井下到達馬達模塊42的電子器件部分80，并被位于電子器件部分80內或鄰近處的井下接收器/傳感器接收或感測到，而且被用于控制馬達82的運行以使軸46進行線性運動。在該例子中，如圖7所示，軸46的線性運動牽引閥74離開端口 102，以使得加壓流體能夠從孔106流動并且流出端口 102。流體如箭頭114所示地流進操控腔112，以使得操控元件104朝向井口移動，由此移動/操控切割器組28。
[0062]如這里所公開的，操控系統(tǒng)30的閥模塊40和馬達模塊42可以與位置感測系統(tǒng)50組合。位置感測系統(tǒng)50可使用一個或多個磁體感測井下工具26和/或切割器組28的位置并且實時或準實時向地面或另一個遠程位置傳送該位置。在另一個實施例中，位置感測系統(tǒng)50可通過測量馬達82和/或軸46的轉數確定閥模塊40和/或切割器組28的位置。
[0063]圖8-1描繪了位置感測系統(tǒng)50的部分透視圖，圖8-2描繪了位置感測系統(tǒng)50的傳感器陣列部分Il8的一個實施例的部分透視圖，圖8-3描繪了位于磁體籃122內的傳感器陣列部分118的部分透視圖，圖9描繪了根據一個或多個實施例的設置在井下工具中的位置感測系統(tǒng)50的磁體籃122的部分剖視圖。位置感測系統(tǒng)50可采用具有借助合適的定中結構86設置在鉆柱22的主體88內的診斷探頭116的診斷探頭部分52(圖1)。如圖8-1和8-2所示，診斷探頭116可包括傳感器118，例如傳感器陣列，其連接到支持電子器件120。如圖9所示，傳感器陣列118可以是或者包括多個磁力計，它們容納在傳感器部分54的相應的冠部或磁體籃122中。磁體籃122相對于傳感器陣列118的相對軸向移動用于跟蹤井下工具26的切割器組28的位置/狀態(tài)。位置信號通過電子器件120被傳遞或傳送到地面控制器，以便能夠實時或準實時監(jiān)測井下工具26的操控。這種位置傳遞或傳送可以與從井口向井下傳遞/傳送采用相同或不同的遙測方法執(zhí)行。
[0064]如圖8-3和9示例性所示，部件可以定向成使得探頭/傳感器陣列118設置在磁體籃122內，磁體籃122包括磁體124，以通過探頭/傳感器陣列118監(jiān)測位置的改變。探頭/傳感器陣列118被保持在磁體籃122的內部126中而防止與磁體籃122發(fā)生接觸。在該具體的例子中，傳感器陣列118包括沿期望長度以三板“星形陣列”結構形式設置的多個磁力計。這種三板結構形式(其中，每個板從延伸通過探頭/傳感器陣列118的公共縱向軸線徑向向外延伸)使得無論磁體籃122處于什么樣的旋轉位置磁體籃122的磁體124都能被感測到。磁體籃122被連接到心軸128，并且磁體籃122和心軸128適于隨著切割器組28軸向移動而軸向移動。心軸128可連接到環(huán)件123，所述環(huán)件通過彈簧元件130在一個方向上被偏壓以便于磁體籃122返回默認位置。環(huán)件123以及進而的浮動心軸128隨著切割器組128被操控且軸向移動而沿相反的方向移動。當井下工具26的可操控部件(例如，切割器組28)通過軸46的線性移動而被啟用和/或停用時，可操控部件接合且克服彈簧130的偏壓作用向井口推動環(huán)件123。連接到環(huán)件123的心軸128相對于傳感器陣列118、例如磁力計陣列移動磁體籃122和磁體124。由于磁體籃122和磁體124的位置指示出可操控部件(例如切割器組28)的位置/狀態(tài)，因此可操控部件(例如切割器組28)的位置/狀態(tài)可以被測量、計算并且通過合適的遙測系統(tǒng)、例如正向脈沖遙測系統(tǒng)或其它公開的遙測系統(tǒng)向井口傳遞。在一些應用場合中，位置數據被傳遞給控制系統(tǒng)，例如基于計算機的控制系統(tǒng)，其輸出有關工具操控狀態(tài)和/或程度的信息。在替代的實施例中，磁體籃122可以連接到閥74(未示出)。可替代地，位置感測系統(tǒng)50可以與操控系統(tǒng)30連接，以監(jiān)測軸46的移動并且將移動信息傳遞/傳送給控制系統(tǒng)。
[0065]圖10描繪了根據一個或多個實施例的位置感測系統(tǒng)50的一部分的部分透視圖，位置感測系統(tǒng)50為與正向脈沖隨鉆測量工具組裝在一起的診斷探頭116的形式。如圖10所示，診斷探頭116被連接到遙測系統(tǒng)132的脈沖器探頭134。脈沖器探頭134為正向脈沖隨鉆測量工具的一部分并且被用于通過正向壓力脈沖向井口傳達信號。然而，如前面所公開的，也可以采用其它類型的遙測系統(tǒng)傳遞和/或接收信號?？梢酝ㄟ^井下動力源136、例如電池探頭為遙測系統(tǒng)132提供動力，井下動力源136連接在脈沖器探頭134和診斷探頭116之間。
[0066]圖11描繪了根據一個或多個實施例的井下工具26的部分剖視圖，井下工具26在該實例中為擴孔器，其具有示例性的操控系統(tǒng)30而沒有位置感測系統(tǒng)50。如在圖12中最好地示出，操控系統(tǒng)30被設計成操控井下工具26的可操控部件(例如切割器組28)。在圖11中，示出了操控系統(tǒng)30的一部分并且示出了具有處于收起狀態(tài)的切割器組28的井下工具26。切割器組28通過操控元件104被液壓操控，操控元件104通過加壓鉆井流體/泥漿進入腔112被移動(圖12)。通過閥模塊40的閥74(圖12)控制加壓鉆井流體/泥漿進入腔112 (圖12)的操控流。
[0067]圖12描繪了井下工具26的部分剖視圖，其在該實例中為擴孔器，并包括閥模塊40，圖13描繪了根據一個或多個實施例的圖12的井下工具26的另一個部分的部分剖視圖，示出了閥模塊40。如上所述，閥74的線性移動通過心軸90相對于螺母組件98的旋轉而被軸46所控制，螺母組件98例如為槽型螺母組件，如圖12和13所示。閥74設置成阻斷通過端口 102的流動，并且由此阻斷鉆井流體/泥漿朝向操控腔112的流動。如圖13最好地示出，馬達軸41通過合適的連接結構140被連接到心軸90以將馬達82的旋轉輸出運動傳遞給心軸90。心軸90包括絲杠部分142，其包括與螺母部分98的相應的螺紋部分96嚙合的螺紋部分94。然而，這些部件僅僅是用于將馬達82的旋轉輸出轉換成軸46的線性輸出的機構的例子，也可以采用本領域技術人員已知的其它機構。
[0068]圖14描繪了根據一個或多個實施例的井下工具26在井下連接的鉆柱22的部分剖視圖并且在其中包括有操控系統(tǒng)30的電子器件部分80和動力源44。操控系統(tǒng)30的電子器件部分80和動力源44設置在鉆柱22的孔106中，使得流體/泥漿可以在這些部件和鉆柱之間的環(huán)形空間內向鉆頭(未示出)流動。如圖14所示，從地面發(fā)送的關于井下工具26的操控的控制信號被電子器件部分80 (例如井下接收器或傳感器，例如加速計或其它裝置)接收和處理。電子器件部分80和馬達82 (如圖12所示，連接到電子器件部分80)可通過動力源44在井下被供給電能。如圖所示，動力源44可包括設置在電池殼146中的多個電池144。作為舉例，電池144可以是中等井下鋰電池。此外，電池殼146的大小允許使用各種電池數量和組合。
[0069]電子器件部分80可包括讀取壓力脈沖的命令序列的壓力脈沖系統(tǒng)。一旦接收到正確的預編程命令序列，馬達82(圖12)被供給動力使得馬達軸41發(fā)生旋轉運動(并且軸46發(fā)生線性運動)(圖13)并且最終井下工具26被期望地操控。然而，如上面所公開的各種遙測系統(tǒng)，可以用于控制閥的移動并且用于向位置監(jiān)測系統(tǒng)傳遞信號或者從其得到信號。
[0070]圖15描繪了根據一個或多個實施例的井下工具26的一部分的部分剖視圖，其中，示出了閥模塊40處于第一操控位置。在切割器組28被操控之前，鉆井流體/泥漿被泵送向下通過孔106、然后通過閥74中的軸向開口 110，并且沿著閥模塊40和馬達模塊42的外部按規(guī)定的路徑流向鉆頭36(圖1)。操控系統(tǒng)30的各個模塊的設計允許在正常鉆井作業(yè)過程中鉆井泥漿或其它流體被泵送到井下，如箭頭48所示。然而，一旦適當的控制信號被向井下傳遞/傳送到達電子器件部分80，馬達模塊42就控制閥模塊40和軸46的運行以沿線性方向平移閥47，由此打開穿過端口 102的流動路徑(圖16)。在馬達模塊42控制閥模塊40的運行來移動閥74之前，流體/泥漿借助地面泵通過孔106的流動被暫時地停止以減少在孔106和井眼24之間產生的任意壓差。壓差的減少降低了馬達82移動閥74所需要的力/能量。一旦閥74改變了位置，流體/泥漿通過孔106的流動可被恢復。馬達82還起著制動器的作用，以防止發(fā)生不期望的反向驅動，即，閥74的移動。
[0071]圖16描繪了根據一個或多個實施例的井下工具26的部分剖視圖，其中，示出了閥模塊40處于第二操控位置。鉆井流體/泥漿向外流動通過端口 102并且進入操控腔112。隨著操控腔112中建立起足夠高的壓力，操控元件104軸向移動或滑動并且由此操控切割器組28進入第二或展開狀態(tài)。這種平移的發(fā)生是由壓差造成的，壓差例如是操控腔112中的鉆井流體壓力(通過端口 102)和井眼壓力之間的壓差。如圖16中箭頭150所示，操控元件104沿軸向方向被驅動，以迫使切割器組28同時地軸向和徑向向外移動。
[0072]軸46的移動被設計成進一步移動閥74以暴露端口 102，這使得被轉移的流體/泥漿流進操控腔112并且沿與流體/泥漿流動148相反的方向推動操控元件104以激活/操控可操控部件，例如切割器組28。當軸46被反向移動時(例如，通過向馬達82發(fā)送信號使其反向旋轉)，閥74軸向地平移以密封旁通端口 102，由此由于缺少被轉移的泥漿流(與彈簧130產生的彈簧偏壓結合)使得激活元件104沿著泥漿流的方向被推動到達其停用位置，隨后停止部署可操控元件，例如切割器組28。
[0073]圖17描繪了根據一個或多個實施例的設置在井眼24內的說明性的井下工具26，其具有另一個操控系統(tǒng)30’。井下工具26包括數字激活系統(tǒng)38’。數字激活系統(tǒng)38’包括不同于閥模塊40的示意性閥模塊240。在不同實施例中，閥模塊240可包括如這里公開的可旋轉移動的閥組件270或可線性移動的閥組件280。既可以傳遞馬達模塊42中的馬達82的旋轉輸出運動(未示出)用于為閥模塊240中的旋轉閥組件270施加旋轉運動，也可以將馬達模塊42中的馬達82的旋轉輸出運動轉換成閥模塊240中的線性閥組件280的線性/軸向運動。
[0074]圖18-1描繪了設置在井下工具26內的示意性旋轉指狀閥模塊242的部分剖視圖，圖18-2描繪了根據一個或多個實施例的指狀閥模塊242的指狀閥272的透視圖。閥模塊240包括具有由連接到一起的上部心軸252、中間心軸254以及下部心軸256形成的閥殼體250的旋轉指狀閥模塊242。閥殼體250在其中容納有包括指狀閥272、預壓彈簧274、彈簧限位器276以及自對準連接器部分278的旋轉閥組件270。指狀閥272的指275的多個上表面273與閥殼體250的中間心軸254上的基座表面253接合。指狀閥272的下表面271受到預壓彈簧274的作用。預壓彈簧274被連接到閥殼體250的下部心軸256的內表面的彈簧限位器276限位保持。
[0075]推力球軸承279可設置在預壓彈簧274和指狀閥272之間，并且環(huán)狀軸承255可設置在下部心軸256和指狀閥272之間，用于減少兩者之間的旋轉摩擦。下部心軸256的內表面和指狀閥272的外表面可以是拋光金屬表面，并且環(huán)狀軸承255可以由熱塑性材料形成，以在兩者之間提供有效的低摩擦密封。這種密封很好地適用于高溫、高壓以及具有磨損性的井下環(huán)境。合適的拋光金屬表面材料的例子包括碳化物和鋼。合適的環(huán)狀軸承255材料的例子包括熱塑性材料，例如PEEK，托朗(Torlon)和特氟龍。然而，本領域技術人員已知的其它類型的材料也可以用于拋光金屬表面和環(huán)狀軸承255。
[0076]指狀閥272布置并且設計成具有多個間隔開(例如，周向偏錯)的指275。當閥模塊240與鉆柱22中的井下工具26協(xié)作時(圖17)，指狀閥272的旋轉使得指275阻斷或打開傳送加壓流體給操控元件104 (圖20)以操控井下工具26的端口 202 (圖20)。指狀閥272進一步包括一個或多個允許鉆井泥漿和/或其它流體流動通過鉆柱22 (圖17)的孔106(圖20)的軸向開口 210。指狀閥272可包括沿著其外表面設置的用于容納環(huán)狀軸承255的軸承槽212，以及用于容納延伸穿過閥殼體250的下部心軸256的壁的止擋銷216的控制槽214。當指狀閥272被旋轉時，止擋銷216在控制槽214內移動，直到止擋銷216到達控制槽214的端部，由此阻止進一步的旋轉。因此，止擋銷216和控制槽214之間的相互作用為指狀閥272的角位置提供控制并且還提供主動止擋。
[0077]圖19描繪了根據一個或多個實施例的通過自對準閥連接器部分278連接到馬達模塊42的旋轉指狀閥模塊242的部分剖視圖。自對準閥連接器部分278設計成自動地接納馬達模塊42的相應的馬達連接器部分68’。閥連接器部分278可包括自對準六角形接納結構277，其設計成接納和定向馬達連接器部分68’的相應的六角形連接部72’。
[0078]圖20描繪了根據一個或多個實施例的井下工具26的部分剖視圖，其中，示出了連接到馬達模塊42的旋轉指狀閥模塊242。閥模塊242設置在井下工具26的接納結構100內以使得密封件76與接納結構100的內表面密封接合。端口 102 (未示出)可設置在井下工具26的接納結構100中并且延伸通過井下工具26的接納結構100。當指狀閥272可旋轉地設置在接納結構100內以允許流體連通時，端口 102(未示出)與閥殼體250的中間心軸254的基座表面252內的端口 202對準以使得可在操控腔112和井下工具26的孔106之間建立流體連通。當端口 102、202將加壓流體從孔106通過操控腔112傳送給操控元件104時，壓力足夠大的流體用于移動操控元件104并且由此將井下工具26操控到另一個期望的工作狀態(tài)。為了旋轉指狀閥272，馬達82驅動連接到馬達連接器部分68’的馬達軸41，由此旋轉驅動閥連接器部分278并且向指狀閥272施加旋轉運動。馬達連接器部分68’被示出容納并且定向在閥連接器部分278中以形成完整的自對準連接器84’。
[0079]圖21描繪了根據一個或多個實施例的井下工具26的部分剖視圖，其中，示出了旋轉指狀閥模塊242處于第一操控位置，圖22描繪了根據一個或多個實施例的井下工具26的部分剖視圖，其中，示出了旋轉指狀閥模塊242處于第二操控位置。在圖21中，閥模塊242被示出處于閉合位置，即，指狀閥272設置成使指275阻斷通過端口 202的流動并且由此阻斷鉆井流體/泥漿向操控腔112的操控流動。在井下工具26被操控之前，如圖21的流動箭頭220所示，鉆井流體/泥漿被向下泵送通過孔106、通過指狀閥272中的軸向開口210(圖18-2)，在自對準連接器84’和彈簧限位器276之間流動，然后沿著馬達模塊42外部按規(guī)定路線流到鉆頭36 (圖17)?？?06中的鉆井流體/泥漿的壓力，例如鉆柱22內部的壓力，高于井眼24中的鉆井流體/泥漿的壓力，例如鉆柱22外部的壓力。作為示例，孔106中的壓力可以比井眼24中的壓力高800psi到I, OOOpsi。因此，在孔106和井眼24之間井下工具26兩側具有一個壓差。當閥模塊242處于圖21所示的閉合位置時，圖18-1的旋轉指狀閥模塊242使用這種壓差來產生對端口 202的有效密封。
[0080]如圖18-2所示，指狀閥272的下表面271的表面積大于指狀閥272的指275的多個上表面273的組合表面積。此外，在圖21的閉合位置，指狀閥272的下表面271暴露于孔106的較高壓力下，而指275的上表面273暴露于操控腔112的較低壓力下。在該實施例中，操控腔112處于井眼壓力下，因為操控腔112通過噴嘴111 (圖20)與井眼24流體連通。由此，由于暴露于孔106的較高壓力下的下表面271的表面積大于暴露于井眼24的較低壓力下的上表面273的組合表面積，因此壓差的凈力會向上推動指狀閥272。這種向上的力使得指275的上表面273保持坐落在閥殼體250的中間心軸254上的基座表面253上，由此增強了對端口 202的密封。因此，旋轉指狀閥模塊242采用壓差來增強密封，這阻止了當閥模塊242處于閉合位置時通過端口 202發(fā)生的泄露，由此防止產生無意地操控井下工具26。
[0081]總體參照圖22，圖18-1的旋轉指狀閥模塊242被示出處于打開位置，指狀閥272設置成使指275打開通過一個或多個端口 202的流動路徑并且允許鉆井流體/泥漿流到操控腔112。當恰當的控制信號被傳遞/傳送到井下到達電子器件80(圖12)時，在馬達模塊42移動閥模塊240使其從圖21所示的閉合位置到達圖22所示的打開位置(或與之相反)之前，來自地面的鉆井流體/泥漿的泵送被停止。此時，孔106中的壓力與井眼24中的壓力相同，使得井下工具26上不存在壓差。接著馬達模塊42轉動馬達軸41以由此向指狀閥272施加旋轉運動，這使得指275發(fā)生移動從一個或多個端口 202脫離開并且打開通過端口 202的流動路徑。按照這種方式，馬達82不必克服壓差力來旋轉移動指狀閥272。在這種旋轉過程中，電子器件部分80(圖12)可以監(jiān)測用于指示閥模塊位置的馬達82的電流。特別地，當止擋銷216與控制槽214的端部接合時，馬達82的電流將產生尖峰，這表示閥模塊242已經從打開位置移動到跨過端口 202的閉合位置(S卩，阻止通過端口 202進入操控腔112的流動)，或者從閉合位置移動到打開位置(即，允許通過端口 202進入操控腔112的流動)。一旦閥模塊242已經移動到如圖22所示的打開位置，鉆井流體/泥漿被向下泵送通過孔106并且向外通過端口 202作用于操控元件104，如圖22的流動箭頭225所示，以將切割器組28 (圖17)(或其它工具作業(yè))變換到期望的狀態(tài)。
[0082]在一個或多個實施例中，圖18-1的旋轉指狀閥模塊242被設計成使指275的上表面273和基座表面253之間基本上維持連續(xù)接觸，無論閥模塊242處于閉合位置還是打開位置。在圖22所示的打開位置，預壓彈簧274向指狀閥272施加足夠的力以維持指275和基座表面253之間的這種接觸。指275和基座表面253的端口 202之間的相互作用與轉子和定子之間的相互作用相類似，用于允許或阻止流體從兩者之間流過。因此，具有指275的閥272可以被表征為轉子而具有端口 202的基座表面253可以被表征為定子。
[0083]在上面描述的例子中，指狀閥272的旋轉運動被設計成暴露一個或多個旁通端口202，這允許轉移的流體/泥漿流進操控腔112以推動操控元件104來激活切割器組28 (或其它工具作業(yè))。指狀閥272的進一步旋轉使指275對齊以密封旁通端口 202，由于缺少轉移流體流動(同時與圖9的彈簧130產生的彈簧偏壓結合)而可迫使操控元件104返回其停用位置，由此切割器組28 (或其它工具作業(yè))的展開被停止。因此，如上所述，操控系統(tǒng)30’(圖17)可以根據需要被激活和停用，以操控/停止井下工具26。此外，使用自對準連接器部分278、68’有助于在現場組裝和使用旋轉指狀閥模塊242和馬達模塊42。包含的電子器件部分80 (圖12)進一步便于在期望指狀閥272移動時使用遠程下行信道來選擇性地激活馬達82。位置感測系統(tǒng)50還可以被結合到操控系統(tǒng)30’中以監(jiān)測指狀閥272的移動并且例如向地面控制系統(tǒng)傳遞/傳送信息。
[0084]圖23描繪了根據一個或多個實施例的具有漸縮的第一閥構件282和相應的倒角的第二閥構件284的示例性閥組件280的透視圖，其用于可以應用在井下工具26中的閥模塊240。閥組件280可以與前面公開的旋轉指狀閥模塊242組合使用。如此的話，漸縮的第一閥構件282可以是指275并且倒角的第二閥構件284可以是端口 202。如下面進一步公開的，閥組件280同樣采用井下工具26上的壓差來維持密封。
[0085]如圖23所示，第一閥構件282包括被布置和設計成與第二閥構件284的倒角的端部分285相對應的圓錐形端部283。第一閥構件282例如設置成指275的端部，通過馬達模塊42 (圖17)的馬達82的運行被旋轉地移動，與例如設置在閥殼體250的中間心軸254的基座表面252中的第二閥構件284接合以及脫離。第一閥構件282的圓錐形端部283與第二閥構件284的倒角的端部分285之間的相互作用產生一個基座表面，與平坦的基座表面，例如上面公開的與旋轉指狀閥模塊242相關的表面之間的相互作用相比，這種基座表面提供楔入效應以增強密封。在閥組件280的閉合位置處，第一閥構件282的圓錐形漸縮端部283被推入到第二閥構件284的相應的倒角的狀端部285中，并且當鉆井流體/泥漿流向井下被泵送時產生的井下工具26上的壓差會在閥構件282、284上產生吸力以維持兩者之間的密封。
[0086]為了分開閥構件282、284，從地面的鉆井流體/泥漿泵送被減少或停止，以移除井下工具26 (圖17)上的壓差，并且接著馬達模塊42的馬達82 (圖17)轉動閥組件280，以將第一閥構件282從第二閥構件284上移開從而打開通過井下工具26的接納結構100中的旁通端口 102(例如參見圖22)的流動路徑。一旦閥組件280被移動到打開位置，鉆井流體/泥漿就向井下被泵送通過孔106并且從那里向外通過旁通端口 102并且作用于操控元件104 (例如參見圖22)以將切割器組28 (圖17)(或其它工具作業(yè))變換到期望的操控狀態(tài)。
[0087]圖24描繪了根據一個或多個實施例的示例性旋轉端口閥模塊244的部分剖視圖，其可以用在井下工具26中。在該實施例中，閥模塊240包括具有整體閥殼體250的旋轉端口閥模塊244。閥殼體250中容納有密封元件266和旋轉閥組件270。旋轉閥組件270包括第一閥元件264，該第一閥元件264具有設置在其中的一個或多個端口 267。第一閥元件264連接到第二閥元件262(同樣是旋轉閥組件270的一部分)以形成端口閥265。旋轉閥組件270進一步包括預壓彈簧274、彈簧限位器276以及自對準連接器部分278。預壓彈簧274被彈簧限位器276限位，該彈簧限位器276被連接到閥殼體250的內表面。推力球軸承279可以設置在預壓彈簧274和第二閥元件262之間，并且環(huán)狀軸承255可以設置在閥殼體250和第二閥元件262之間，以減少兩者之間的旋轉摩擦。
[0088]密封元件266和/或第一閥元件264可由熱塑性或彈性材料，例如PEEK、托朗、特氟龍、橡膠等構成，或者具有由上述材料構成的表面，以增強密封元件266和第一閥元件264之間的密封。閥殼體250的內表面以及端口閥265的外表面可以是拋光金屬表面,且環(huán)狀軸承255可由熱塑材料形成以在兩者之間提供有效的低摩擦密封。這種密封非常適用于高溫、高壓和磨損性的井下環(huán)境。適用于拋光金屬表面的材料的例子包括碳化物和鋼。適用于環(huán)狀軸承255的材料的例子包括熱塑性材料，諸如PEEK、托朗和特氟龍。然而，本領域技術人員已知的其它類型的材料也可以用于拋光金屬表面和環(huán)狀軸承255。
[0089]圖25描繪了根據一個或多個實施例的圖24的旋轉端口閥模塊244的閥殼體250的剖視圖。閥殼體250布置和設計成具有多個間隔分布的、當旋轉端口閥模塊244與井下工具26組合時與多個旁通端口 102 (圖26)相對齊的開口 257。密封元件266同樣被布置和設計成具有多個間隔分布的、當密封元件266被組裝到閥殼體250的凹陷區(qū)域251時(如圖25所示，密封元件266沒有設置在凹陷區(qū)域251中)與閥殼體250中的間隔分布的開口257相對應的開口 268。當密封元件266設置在凹陷區(qū)域251內時，密封元件266的上表面263與凹陷區(qū)域251的上端部上的基座表面253接合，并且密封元件266的下表面269被第一閥元件264接合(圖24)，第一閥元件264通過第二閥元件262 (圖24)受到預壓彈簧274 (圖24)的作用。
[0090]圖26描繪了根據一個或多個實施例的井下工具26的剖視圖，其中示出了圖23的示例性旋轉端口閥模塊244連接到馬達模塊42用于操控井下工具26。閥模塊244設置在井下工具26的接納結構100內，使得密封件76與接納結構100的內表面密封接合。端口102延伸通過井下工具26的接納結構100，使得當端口閥265旋轉地設置在接納結構100內將端口 267分別與密封元件266和閥殼體250中的開口 268、257對準時在操控腔112和井下工具26的孔106之間建立流體連通。當旁通端口 102將加壓流體從孔106經過操控腔112運送給操控元件104時，壓力足夠大的流體用于推動操控元件104并且由此將井下工具26操控到另一個期望的工作狀態(tài)。為了將端口閥265從圖26所示的閉合位置旋轉到打開位置，馬達82驅動連接到連接器部分68’的馬達軸41，馬達軸41接下來旋轉地驅動連接器部分278向端口閥265施加旋轉運動。在圖26中，相應的連接器部分68’被示出容納和定位在連接器部分278中，以形成完整的自對準連接器84’。
[0091]與圖18-2的指狀閥272類似，圖24的端口閥265可包括控制槽214(未示出)以容納延伸穿過閥殼體250的壁的止擋銷216 (未示出)。當端口閥265被轉動時，止擋銷216可以在控制槽214內移動，直到止擋銷216到達控制槽214的端部，由此防止發(fā)生進一步的轉動。止擋銷216和控制槽214之間的相互作用由此對端口閥265的角位置進行控制并且還提供主動的止擋。
[0092]在圖26中，閥模塊244被示出位于閉合位置，例如，端口閥265設置成使端口 267阻斷通過井下工具26中的旁通端口 102的流動并且由此阻斷鉆井流體/泥漿到達操控元件104的操控流動。在操控井下工具26之前，如圖26中的流動箭頭222所示，鉆井流體/泥漿被向下泵送通過孔106、通過端口閥265、圍繞整個自對準連接器84’的外部并且沿著馬達模塊42的外部按照規(guī)定路徑到達鉆頭36 (圖17)。與圖18-1的旋轉指狀閥模塊242類似，圖24的旋轉端口閥模塊244同樣利用井下工具26上的孔106和井眼24之間的壓差以使得當閥模塊244處于如圖26所示的閉合位置時，第一閥元件264對開口 268產生有效密封。
[0093]端口閥265暴露于孔106的高壓下的組合表面積大于第一閥兀件264暴露于操控腔112的低壓下的表面積。由于操控腔112與井眼24通過噴嘴111流體連通，因此操控腔112處于井眼24的壓力下。由此，由于端口閥265暴露于孔106的高壓下的組合表面積大于第一閥元件264暴露于井眼24的低壓下的表面積，因此壓差的凈力會向上推動端口閥265。這種向上的力使得密封元件266的上表面263能夠保持坐落在閥殼體250的基座表面253上(圖25)，由此增強了對端口 102的密封。壓差的凈力還會推動第一閥元件264使其與密封元件266產生更好的密封接觸/接合。因此，旋轉端口閥模塊244采用壓差來增強密封，這樣可以防止當閥模塊244處于閉合位置時通過端口 102發(fā)生泄漏，由此防止無意間操控井下工具26。
[0094]圖24的旋轉端口閥模塊244被設計成在基座表面253處(圖25)在密封元件266的上表面263 (圖25)和閥殼體250之間維持基本上連續(xù)的接觸，無論閥模塊244是處于閉合位置還是處于打開位置。在打開位置(未示出)，預壓彈簧274向端口閥265施加足夠大的力，由此通過第一閥元件264和密封元件266的下表面269 (圖25)之間的相互作用向密封元件266施加足夠大的力，以維持密封元件266和基座表面253 (圖25)之間的這種接觸。
[0095]端口閥265的旋轉移動被設計成通過開口 257、267暴露旁通端口 102，這樣允許被轉移的泥漿流推動操控元件104來操控切割器組28 (圖17)(或其它工具作業(yè))。端口閥265的進一步的旋轉密封住旁通端口 102，使得由于缺少轉移的流體流(結合由圖9的彈簧130產生的彈簧偏壓)而迫使操控元件104可返回到其停用位置，由此停止切割器組28 (或其它工具作業(yè))的展開。因此，如上面所公開的，操控系統(tǒng)30’可以根據需要被激活和停止以例如操控/停用井下工具26的切割器組28。此外，采用自對準連接器部分278、68’便于在現場組裝和使用旋轉閥模塊244和馬達模塊42。如上面所公開的，電子器件部分80 (圖12)進一步便于使用遠程下行信道以在期望旋轉端口閥265移動時選擇性地激活馬達82。位置感測系統(tǒng)50還可以被結合到操控系統(tǒng)30’中，以監(jiān)測端口閥265的移動并且將信息例如傳遞/傳送給地面控制系統(tǒng)。
[0096]圖27描繪了根據一個或多個實施例的圖17的井系統(tǒng)20’的一部分的剖視圖，其中示出了連接到馬達模塊42用于操控井下工具26的示例性旋轉槽閥模塊246。閥殼體250中容納有旋轉閥組件270，該旋轉閥組件270包括具有一個或多個槽291的旋轉槽閥292。罩294設置在閥292的下端部中。旋轉槽閥292可以被釬焊到罩294。罩294可以包括連接器部分293，例如設計和布置成容納相應的連接器部分68’的螺紋接納結構，連接器部分68’例如為位于連接到馬達軸41的心軸298上的螺紋延伸部。在一個或多個實施例中，罩294被布置和設計成將連接器部分293居中或接近居中地設置在旋轉槽閥292的孔內。另一個連接結構296維持罩294和心軸298之間的連接。連接結構296可包括鎖定螺母、螺旋連接結構、歐式聯軸節(jié)(Oldham coupling)或其它任意合適類型的連接結構。多個環(huán)狀密封件295可在徑向上設置在閥殼體250和旋轉槽閥292之間，其中，至少一個環(huán)狀密封件295軸向上設置在槽291的每一側。環(huán)狀密封件295適用的材料的例子為PEEK、托朗和特氟龍。然而，本領域技術人員已知的其它類型的材料也可以用于環(huán)狀密封件295以提供密封并且便于閥292在閥殼體250內的轉動。在一個或多個實施例中，設置O形環(huán)密封件297以便為槽閥292中的每個槽291的壁加襯。
[0097]仍然參照圖27，旋轉槽閥模塊246被示出與井下工具26相結合并且被連接到馬達模塊42。在該實施例中，閥模塊246設置在井下工具26的接納結構100內，以使得密封件76與接納結構100的內表面密封接合。端口 102 (圖28)延伸通過井下工具26的接納結構100以使得當槽閥292旋轉地設置在接納結構100內使槽291與端口 102對準時，在操控腔112和井下工具26的孔106之間可建立流體連通并且允許發(fā)生這種流體連通。當端口 102將加壓流體從孔106通過操控腔112運送到操控元件104時，具有足夠壓力的流體會移動操控元件104并且由此操控井下工具26的切割器組28 (圖17)(或其它工具作業(yè))使其到達期望的工作狀態(tài)。在該示例性的實施例中，為了將選擇槽閥292從閉合位置轉動到打開位置，馬達82驅動連接到具有連接器部分68”的心軸298的馬達軸41，所述連接器部分68”接下來旋轉驅動罩294以將旋轉運動施加給槽閥292。
[0098]圖28描繪了根據一個或多個實施例的井下工具26的一部分的部分剖視圖，其中，示出了旋轉槽閥模塊246處于第一操控位置，圖29描繪了井下工具26的一部分的部分剖視圖，其中，示出了旋轉槽閥模塊246處于第二操控位置。在圖28中，閥模塊246被示出處于閉合位置，例如，槽閥292設置成通過旁通端口 102的流動被阻止以防止鉆井流體/泥漿流到達操控元件104。在井下工具26被操控之前,如圖28的流動箭頭230所示,鉆井流體/泥漿被向下泵送通過孔106，通過罩294中的開口 215，并且沿著馬達模塊42的外部按照規(guī)定路徑到達鉆頭36 (圖17)。環(huán)狀密封295和O形環(huán)密封件297 (在圖27中最好地示出)提供密封以在閥模塊246處于閉合位置時防止通過端口 102發(fā)生泄漏，由此防止井下工具26意外被操控。
[0099]總體參照圖29，圖27的旋轉槽閥模塊246被示出位于打開位置，例如槽閥292被旋轉地設置成使槽291與井下工具26中的旁通端口 102相對齊以打開通向操控腔112的流動路徑并且允許鉆井流體/泥漿的操控流到達操控元件104。當向井下傳遞/傳送合適的控制信號到達電子器件部分80時(圖12)時，從地面的鉆井流體/泥漿流的泵送在馬達模塊42將閥模塊246從圖28所示的閉合位置移動到圖29所示的打開位置(或者反過來)之前被停止?？?06中的壓力此時與井眼24中的壓力相同，使得井下工具26上不存在壓差。接著，馬達模塊42轉動馬達軸41和心軸298，由此將旋轉運動施加給槽閥292，槽閥292隨后將槽291移動成與端口 102對齊并且打開通過端口 102的流動路徑。通過這種方式，馬達82不必克服壓差力來旋轉地移動槽閥292。一旦閥模塊246被移動到圖29所示的打開位置，如圖29的流動箭頭235所示，鉆井流體/泥漿被向下泵送通過孔106并且向外通過端口 102作用于操控元件104，以將切割器組28(或其它工具作業(yè))變換到期望的工作狀態(tài)。
[0100]在上面描述的例子中，槽閥292的旋轉移動被設計成能暴露旁通端口 102，使得被轉移的鉆井流體/泥漿流推動操控元件104以激活切割器組28 (或其它工具作業(yè))。槽閥292的進一步的旋轉將旁通端口 102密封，由于缺少被轉移的流體流(與圖9的彈簧130產生的彈簧偏壓相結合)，迫使操控元件104返回到其停用位置，由此停止切割器組28 (或其它工具作業(yè))的展開。因此，如上面所公開的，操控系統(tǒng)30’可以根據命令被激活和停止，以操控/停用井下工具26。電子器件部分80 (圖12)進一步便于在期望槽閥292移動時使用遠程下行信道來選擇性地激活馬達82。位置感測系統(tǒng)50還可以被結合到整個系統(tǒng)30’中以監(jiān)測槽閥292的移動并且例如將信息傳遞/傳送給地面控制系統(tǒng)。
[0101]井下工具26可以使用多種部件，并且這些部件可以以被設計成便于在多種類型的井和環(huán)境中操控井下工具26的多種結構連接。在一些應用場合中，該操控系統(tǒng)和方法使用一種或多種直接機械連接，而在其它應用場合中，如前面所公開的，操控系統(tǒng)和方法也可以被用于相對于液壓操控工具控制流體流動。然而，這里公開的一種或多種操控系統(tǒng)和方法可以用于取代耗時的落球系統(tǒng)/方法，同時能夠遠程控制工具操控。操控系統(tǒng)可以被用作初始設備或者被用于替代現有的落球系統(tǒng)以提高效率。此外，部件的尺寸和類型以及這些部件的結構和布置可以根據給定應用的參數和/或系統(tǒng)和方法所應用的環(huán)境特征而改變。
[0102]圖30描繪了根據一個或多個實施例的設置在井下工具26內的示例性閥模塊40的示意圖，其中，井下工具26的可操控部件通過位于閥模塊40和可操控部件之間的機械連接被操控。閥模塊40包括連接到閥74的軸46。閥74可以是圓柱形或其它任意形狀以與井下工具26的主體的內圓周相適配。閥74可具有一個或多個軸向開口或孔110(例如參見圖5)，其形成為至少部分地貫穿閥74，用作通過流體通道106的流體通道。井下工具26 (在該例子中為擴孔器)被閥74的線性/軸向移動所操控，閥74被孔106內的軸46移動。閥74連接到或適于通過操控元件104連接到切割器組28。如圖所示，操控元件104通過直接機械連接連接到閥74。操控元件104布置和設計成允許切割器組28隨著操控元件104軸向地移動而軸向和徑向地移動。
[0103]一個或多個密封件76、77布置和設計成圍繞閥74的外表面，以維持在穿過井下工具26的內部流動通道或孔106和閥74的軸向開口 110中的流體流動。在井眼24的鉆探過程中，流體向井下流動通過心軸128、通過閥74中的軸向開口 110(例如參見圖5)，并且朝向鉆頭36(未示出)流動。一旦給馬達82發(fā)送信號使其開始工作以操控工具，軸46借助馬達82的這種運行而發(fā)生的線性/軸向移動使得閥74在第一位置(即如圖30所示，切割器組28收起)和第二位置(切割器組28展開，未示出)之間軸向移動。停用井下工具26的馬達82的運行使得閥74從第二位置移動回到第一位置，由此停用切割器組28使其回到收起狀態(tài)。在閥74的移動過程中，流體繼續(xù)向井下流動通過心軸128，通過閥74的軸向開口 110(例如參見圖5)，并且朝向鉆頭36流動。當閥74移動到第二位置并由此借助操控元件104操控切割器組28時，閥74露出噴嘴111，由此使噴嘴111與流動通過孔106的流體流體連通。流動通過一個或多個噴嘴111的流體可以協(xié)助清潔和/或冷卻切割器組28。
[0104]圖31描繪了根據一個或多個實施例的具有操控系統(tǒng)的井下工具26的另一個示例性實施例的示意圖。如圖所示，馬達82和轉換組件64(用于線性而不是旋轉閥運動)可被連接到并且設置在閥模塊40的井上側。換句話說，馬達82和可選的轉換組件64可以被連接到且設置在閥模塊40和地面之間。
[0105]如上面所描述的，電子器件部分80可包括從地面接收命令信號以操控井下工具26的接收器/傳感器。電子器件部分80可對所述命令信號作出響應，讓馬達82轉動連接到閥模塊40的閥74的軸46的馬達軸41 (未示出)。在一個實施例中，馬達82的運行轉動馬達軸41，由此使得軸46和閥74旋轉。如前面公開的，閥74可以布置和設計成在一個旋轉位置相對于井下工具26的孔106阻斷端口 102并且在另一個旋轉位置打開端口 102使其通到井下工具26的孔。因此，閥74的轉動打開了端口 102，會使得來自孔106的流體從其中流過，例如用于操控井下工具26。在另一個實施例中，可以采用轉換組件64將馬達軸41的旋轉移動轉換成軸46和閥模塊40的閥74的軸向移動。如前面所公開的，閥74可以被布置和設計成在一個軸向位置上阻斷端口并且在另一個軸向位置上打開端口。因此，軸46和閥模塊40的閥74的軸向移動打開了端口 102，會使得來自孔106的流體從其中流過。馬達82也可以作用為制動器以將閥74保持在操控或停用位置。
[0106]井下工具26可以包括振動傳感器310，例如加速計。振動傳感器310可以設置在井下工具26的孔106內，或者連接到井下工具或者操控系統(tǒng)。振動傳感器310可例如適于測量井下工具26在工作時的振動，例如，當井下工具26用于擴大井眼24的直徑，銑削穿過套管的窗口等時。在一個或多個實施例中，如果井下工具26為擴孔器，閥模塊40的閥74和/或切割器組28的軸向位置(參見圖11)，可以通過測量馬達82和/或軸46的轉動圈數來確定。這些振動和位置測量可以通過遙測系統(tǒng)被傳遞到地面，例如采用這里公開的一個或多個泥漿脈沖。例如，在圖31所示的實施例中，電子器件部分80可使第二馬達302的軸304來驅使轉子308相對于定子306轉動。轉子308相對于定子306的移動可使得傳遞振動和/或位置測量結果的泥漿脈沖到達地面。在至少一個實施例中，轉子308和定子306可具有貫穿它們形成的軸向開口，并且當轉子308中的開口變成與定子306中的開口對準時形成壓力脈沖。動力源44，例如是一個或多個電池，可以用于為電子器件部分80、振動傳感器和/或馬達82、302供電。
[0107]如這里使用的，術語“內”和“外”，“上”和“下”，“上部”和“下部”，“向上”和“向下”，“上方”和“下方”，“向內”和“向外”以及這里使用的其它類似的術語指代彼此的相對位置，并不是用于表示具體的方向或空間方位。術語“聯結”，“被聯結”，“連接”，“被聯結”，“與…連接”，以及“連接著”指的是“與…直接連接”或“通過另一個元件或部件與…連接”。術語“熱的”和“冷的”指的是彼此的相對溫度。
[0108]盡管上面僅僅對少數幾個實施例進行了詳細描述，本領域技術人員可以容易地意識到，在示例性的實施例中可以具有許多修改而不會實質上脫離“用于井下工具的操控系統(tǒng)和方法”。因此，全部的這種修改都被包括在本公開的范圍之內。在權利要求中，功能性限定表述(即明確地將“裝置”與相關的功能一起使用的語句)用于覆蓋在這里被描述成執(zhí)行敘述的功能的結構，而且不僅僅是結構等同，還包括等同的結構。因此，盡管釘子和螺桿不是結構等同，因為釘子采用圓柱形面將木制部件緊固到一起，而螺桿采用螺旋面，但是在緊固木制部件的情況下，釘子和螺桿是等同結構。
[0109]特定的實施例和特征已經使用一組數字上限和一組數字下限進行了描述。應該意識到這些范圍包括任意兩個值的組合，例如，任意的下限值和任意的上限值的組合，任意兩個下限值的組合，和/或任意兩個上限值的組合都是可以執(zhí)行的，除非另有指明。在下方的一個或多個權利要求中，具有特定的下限值、上限值和范圍。所有的數值都“約等于”或“近似于”標明值，并且考慮了本領域普通技術人員能夠預期的實驗誤差和變化。
[0110]上面對各種術語進行了定義。術語在權利要求中的范圍在上方沒有定義，其應該被賦予相關領域的人已經給出的在至少一份印刷的公開或發(fā)行的專利所反映的最寬泛的定義。此外，本申請引用的所有專利、測試過程以及其它文獻通過引用被完整地結合到本申請的范圍中，這些公開與本申請并不矛盾并且這種結合的全部權限都是允許的。
[0111]盡管之前的內容均涉及本發(fā)明的實施例，但本發(fā)明還可以設計有其它的和進一步的實施例而不會脫離其基本的范圍。
【權利要求】
1.一種具有操控系統(tǒng)的井下工具，包括: 具有孔的主體，該孔至少部分軸向延伸地穿過主體； 相對于孔徑向靠外設置并且通過端口與孔流體連通的腔； 設置在孔內并且適于在第一位置和第二位置之間移動的閥，該閥在第一位置阻止流體從孔通過端口流向腔，該閥在第二位置允許流體從孔通過端口流到腔中； 設置在孔內并且適于使閥在第一位置和第二位置之間移動的馬達；以及 可移動地連接到主體的可操控部件，該可操控部件適于響應流體通過端口流到腔中而從非操控狀態(tài)移動到操控狀態(tài)。
2.權利要求1的井下工具，其中，該閥被布置和設計成能在孔內在第一位置和第二位置之間軸向移動。
3.權利要求1的井下工具，進一步包括連接在馬達和閥之間的轉換組件，該轉換組件將馬達的旋轉運動轉換成閥的軸向運動。
4.權利要求1的井下工具，其中，馬達被布置和設計成能圍繞延伸穿過該閥的縱向軸線來轉動該閥。
5.權利要求4的井下工具，其中，該閥包括指，該指被布置和設計成當該閥處于第一位置時與端口對準、當該閥處于第二位置時從端口偏離。
6.權利要求4的井下工具，其中，該閥具有徑向地穿過該閥形成的開口，該開口被布置和設計成當該閥處于第一位置時從端口偏離、當該閥處于第二位置時與端口對準。
7.權利要求1的井下工具，進一步包括操控元件，該操控元件響應于流入腔中的流體的液壓，該操控元件被布置和設計成響應于由流入腔中的流體引起的升高的液壓而將可操控部件從非操控狀態(tài)移動到操控狀態(tài)。
8.權利要求1的井下工具，進一步包括至少部分地設置在孔內且適于測量可操控部件的軸向位置的位置傳感器系統(tǒng)。
9.權利要求8的井下工具，其中，位置傳感器系統(tǒng)包括: 連接到可操控部件的至少一個磁體；以及 設置在孔內的探頭，該探頭具有沿其軸向長度布置的多個磁力計。
10.權利要求9的井下工具，其中，該多個磁力計沿著設置在探頭內的至少兩個板的軸向長度布置。
11.權利要求8的井下工具，進一步包括設置在孔內的遙測系統(tǒng)，該遙測系統(tǒng)被布置和設計成能將表示可操控部件的軸向位置的信號傳遞到遠程位置。
12.權利要求8的井下工具，其中，可操控部件接合且移動心軸，心軸的軸向位置表示可操控部件的狀態(tài)。
13.權利要求1的井下工具，其中，井下工具為擴孔器。
14.一種用在井眼中的井工具操控系統(tǒng)，包括: 閥，其設置在井下管道的內部流道內，且被布置和設計成能在密封井下管道的內壁中的端口的第一位置和允許流體從內部流道流入端口的第二位置之間移動，該閥具有從其中穿過的一個或多個通道，以允許流體從通道中軸向地通過到達鉆頭而不管閥的位置如何；以及 馬達，其設置在井下管道的內部流道內以允許內部流道中的流體從馬達周圍通過，該馬達被連接到閥且被布置和設計成能使閥在第一位置和第二位置之間移動。
15.權利要求14的井工具操控系統(tǒng)，進一步包括連接到馬達且適于接收來自遠程位置的信號的井下接收器，所述信號控制馬達的一個或多個操作，以使閥在第一位置和第二位置之間移動。
16.權利要求14的井工具操控系統(tǒng)，其中，該閥被布置和設計成能在內部流道內在第一位置和第二位置之間軸向移動。
17.權利要求16的井工具操控系統(tǒng)，進一步包括連接在馬達和閥之間的轉換組件，該轉換組件將馬達的軸的旋轉移動轉換成閥的軸向移動。
18.權利要求14的井工具操控系統(tǒng)，其中，馬達被布置和設計成能使該閥圍繞延伸穿過該閥的縱向軸線轉動。
19.權利要求18的井工具操控系統(tǒng)，其中，該閥被布置和設計成能在流體通過該閥的所述一個或多個通道時響應于內部流道和井眼之間產生的壓差而坐落在第一位置。
20.權利要求14的井工具操控系統(tǒng)，進一步包括至少部分地設置在內部流道內且適用于測量可操控部件的軸向位置的位置傳感器系統(tǒng)。
21.權利要求20的井工具操控系統(tǒng)，進一步包括設置在內部流道內的遙測系統(tǒng)，該遙測系統(tǒng)被布置和設計成能將表示可操控部件的軸向位置的實時信號傳遞到遠程位置。
22.權利要求14的井工具操控系統(tǒng)，其中，閥和馬達為模塊化的，且能夠單獨地從地面部署到井眼的井下位置以及從井眼的井下位置回收到地面。
23.權利要求14的井工具操控系統(tǒng)，其中，該馬達通過自對準連接被連接到該閥。
24.一種用于操控井下工具的方法，包括: 將來自地面位置的信號傳遞給設置在井下工具中的井下接收器，該信號控制設置在至少部分地軸向延伸穿過井下工具的主體的孔內的馬達的一個或多個操作，該馬達被連接到設置在孔內的閥且使閥在第一位置和第二位置之間移動，當閥位于第一位置時，閥阻止流體流動通過設置在孔和腔之間的端口，該腔相對于該孔徑向靠外設置，當閥位于第二位置時，閥允許流體從孔通過端口流入腔中，流入腔中的流體使得腔內的液壓升高，從而操控井下工具的可操控部件；以及 在井下工具的可操控部件被操控時操作井下工具。
25.權利要求24的方法，其中，連接在馬達和閥之間的轉換組件將馬達的軸的旋轉移動轉換成閥的軸向移動。
26.權利要求24的方法，進一步包括采用至少部分地設置在孔內的位置傳感器系統(tǒng)測量可操控部件的軸向位置。
27.權利要求26的方法，進一步包括采用設置在孔內的遙測系統(tǒng)將可操控部件的軸向位置傳遞到地面位置。
28.權利要求27的方法，其中，該傳遞采用從下面的組中選取的一種遙測方法進行:壓力脈沖、聲波、電磁波以及絕緣導體。
【文檔編號】E21B34/06GK104169520SQ201380015343
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年2月13日 優(yōu)先權日:2012年2月13日
【發(fā)明者】S·P·傅伊特, M·S·卡林, A·L·D·克里斯圖雷安, C·H·杜威, J·多博什, J·胡, D·A·S·斯威策, R·烏特 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司