攪動器的製作方法
2023-12-10 18:05:37 1
專利名稱：攪動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種攪動器，尤其涉及用於在井下(downhole)環境中使用的攪動器。
背景技術：
本申請人提出了用於提供多種目的的井下油管柱(tubing string)攪動的不同的布置請參看諸如美國專利No.6,279,670和No.6,439,318以及國際專利申請WO 02/20940以及PCT/GB2004/004503，其公開此處併入以供參考。
在美國專利No.6,279,670所描述的攪動器布置中，提供了一種閥結構，所述閥結構通過閥提供了流動面積的周期性變化。這反過來在流經閥的流體中產生壓力脈衝，這可以被用於激勵衝擊工具。為了保持流經攪動器的流體流，所述閥絕對不能完全關閉流動路徑。
本發明的實施例涉及這樣的攪動器布置的改進結構。
發明內容
根據本發明的一方面，提供了一種攪動器，包括適於安裝到支撐部件的主體；容積式馬達，所述馬達具有定子和轉子，在使用中，所述轉子通過在定子內橫向地旋轉和移動而振蕩；以及閥，所述閥包括振蕩的第一閥部件和固定的第二閥部件，每個閥部件限定閥開口並具有主縱向軸線，第一閥部件連接到轉子，並相對第二閥部件可移動，在使用中，閥部件協作以集合地限定通過所述閥的變化的流動面積，所述閥部件開口中至少之一從各主縱向軸線偏移。
攪動器主要用於井下的應用中，諸如鑽孔以獲取地下碳氫承載地巖層(formations)，或者協助管、公開和裝置的通過此類孔。
所述閥開口中至少之一的偏移方便了在通過閥開口所限定的最小和最大流動面積之間提供更大的變化。這協助對於橫過攪動器對於給定的壓力下降獲得更大的壓力脈衝。典型地，這通過安置開口來實現，以使至少在一個布置中所述開口重合，這樣最大的流動面積對應於一個或者兩個開口的流動面積。這與其中開口沒有偏移的布置相對比在這種情況下，在轉子振蕩時，第一閥部件開口將圍繞閥部件開口趨於跟隨圓形路徑，這樣開口將通常不會重合。
一個開口或者兩個開口可以是圓形的，這方便了製造和組裝，儘管其它形式也可以被利用，如果需要的話。
所述開口可是相同或者相似的尺寸或者形狀，並且優選地至少在轉子的旋轉的過程中一次，所述開口重合，這樣通過所述閥的最大的流動面積與閥部件開口面積相同或者相似。
優選地，第一閥部件直接連接到轉子，這樣轉子的旋轉和橫向運動被直接轉送到所述閥部件。
第一閥部件開口可以安置在第一閥部件中心軸線或主軸線上或者與其相鄰。這樣所述開口將在部件振蕩時形成基本圓形的路徑。通過與這樣的非偏移第一閥部件開口協力的偏移第二閥部件開口，就可以安置在各振蕩的過程中開口的對齊。在這樣的實施例中，通過閥的流動變化的頻率將與馬達的速度重合。
第一閥部件開口可以偏移；使用此結構，所述開口將趨向於描畫橢圓路徑，或者可以描畫基本線性的橫向路徑。當與偏移第二閥開口協力利用時，所述開口可以在各振蕩的過程中對齊一次。但是，如果與安置在第二閥部件主軸線上或者與其相鄰的第二閥部件開口協作時，偏移第一閥部件使用時，所述開口在每次振蕩的過程中對齊兩次。在這樣的實施例中，通過閥的流動變化的頻率將是馬達速度的兩倍。
優選地，定子具有主縱向軸線，第一閥部件主軸線從定子軸線偏移。為了與非偏移第二閥部件開口一起使用，第一閥部件開口可以朝向定子軸線偏移。優選地，第一閥部件開口位於閥部件的半徑的中心，其定向在與軸線相交的線具有在185和225度之間的角度上，並且更優選的是210度。這樣的閥部件開口提供了更為有效的操作。但是，在第二閥部件開口偏移的地方，根據閥設計，第一閥部件開口位於半徑的中心上，其與前述兩個軸線相交的線在0或者180度位置上重合。然後，第二閥部件開口的取向被選擇，這樣所述開口的中心在第一閥部件的各振蕩的過程中重合一次。
在其中兩個開口是偏移的實施例中，開口正確地對齊是很重要的，以保證開口將重合。在一個實施例中，一個或者兩個開口設置在帶螺紋的插入件中，並且所述開口的取向可以通過限制插入件在螺紋的運動而被控制，例如通過在插入件接收凹槽中提供不同厚度的薄墊片。
優選地，通過閥的最大和最小流動面積之間的比值在10∶1和2.5∶1之間。最小的流動面積相對最大流動面積相對較小，相對高壓差被需要橫過馬達以防止馬達停轉。但是，更高的壓力差增加了馬達和相關部件上的軸向載荷，並且增加了接觸部分之間的摩擦。最大和最小流動面積之間的更小的差異需要更小的壓力差，但是也提供更小的壓力脈衝。
優選地，馬達是Moineau原理馬達。在這樣的馬達中，馬達的操作需要提供至少一個整節距定子，其對應於單級。優選地，馬達具有在一個和兩個之間的級，並且優選地，級的數目大於或等於1.1並且小於或等於1.5。這提供了相對更短的馬達，並且相對有力的定子。
優選地，主體包括轉子制動件，以限制轉子在反向方向上的軸向運動。在通常的操作中，轉子將承受來自驅動流體的流體壓力，並且響應壓力的轉子的軸向運動將通過閥部件之間的接觸可能受到(至少部分地)阻礙。但是，在馬達承受反向壓力差的情況下，制動件將限制或者防止轉子在相反的軸向方向上運動，並且這樣防止或者限制對馬達尤其是定子的損壞。優選地，制動件包括安裝到轉子之上的主體的表面，所述表面通常從轉子間隔開，並且這樣在馬達的通常的操作的過程中沒有磨損。
定子可以包括限定多個圓形突出物的彈性體襯墊，同時轉子限定比定子少一個的圓形突出物。優選地，定子和轉子之間具有一定的幹涉，並且在優選的實施例中，幹涉被選擇以在操作溫度上或者在基線溫度70°F上至少為0.005英寸(0.127mm)。
優選地，閥部件具有協作表面，所述表面允許在其間形成滑動接觸。典型地，所述表面是相對較硬的材料諸如硬質合金，以抵抗磨損。所述開口可以形成在表面中，並且所述開口的側面優選地與表面相正交，並且這樣限定正方形邊。這樣的邊提供了更尖銳的壓力脈衝，所述壓力脈衝將提供更為有效的攪動。通常的做法是對這樣的邊形成倒角，以減小損失和磨損並容納相對較脆的材料，諸如用於形成此部件的所述表面的硬質合金。令人驚訝地是，我們發現在正常使用中，相對尖銳的邊並不趨向於被損壞或被磨損到任何可預見的程度。
優選地，第二閥部件開口導入到液體通道，並且所述通道的壁面可以通過插入件進行限定，所述插入件可以由防腐蝕材料，例如硬質合金(例如碳化鎢)製成。通過通道的流動的變化導致流體被引向通道的壁，並且插入件阻礙對壁的腐蝕。
優選地，攪動器在1和40赫茲之間的脈衝頻率上操作並且最為優選地6-30赫茲。
攪動器優選地適於安置在支撐部件中，諸如鑽杆柱、鑄件、襯墊或者盤管。攪動器可以定位成朝向支撐部件的引導端，這樣支撐部件的端部承受攪動。可選地，攪動器可以安置在支撐部件的一個位置上，所述位置可能位於孔中的彎曲或者其它接近點上，在所述位置上，攪動將具有最大的效果以使得支撐部件很容易通過所述孔，或者方便重量從表面通過支撐部件傳輸。在其它的情況下，兩個或者更多的攪動器可以安置在支撐部件中以提供對支撐部件的被選擇部分或者支撐部件的整個長度的激勵。
已經發現在向下鑽孔的應用中，在支撐部件中提供攪動器可以顯著地便利支撐部件通過孔。在旋轉和滑動鑽孔應用中，攪動器被發現增加了鑽孔的速率和增加了被鑽孔的長度。在卷繞管鑽孔應用中，提供攪動器能夠顯著地減小或者消除螺旋鎖定。
攪動器可以與相對柔軟的支撐部件部分相組合，所述部分可以設置在攪動器之上或者之下。這樣的部分將優選地彎曲並且這樣趨向於保護定子發生彎曲。
攪動器可以與壓力響應部件組合提供，並且特別是響應正壓力脈衝而軸向延伸的衝擊工具。
根據本發明的另外一方面提供了一種攪動器，包括適於安裝到支撐部件的主體；容積式馬達，所述容積式馬達具有定子和轉子；以及閥，所述閥包括第一閥部件和第二閥部件，每個閥部件限定閥開口並具有主縱向軸線，第一閥部件連接到轉子並相對第二閥部件可移動，在使用中，閥部件協作以集合地限定通過閥的變化的流動面積，所述閥部件開口中至少之一從各主縱向軸線偏移。
本發明的這些和其它方面將從下述示例中並參照附圖而詳細說明，其中圖1是根據本發明的優選實施例的攪動器的橫截面視圖；圖2是圖1的攪動器的上端端部的放大橫截面圖；圖3是圖1的攪動器的閥的一部分的放大的橫截面視圖；圖4是圖3的閥部分的端部視圖；圖5是圖1的攪動器的靜止閥板的端部視圖；圖6是可選閥板的視圖。
具體實施例方式
現在將參照附圖1，說明了根據本發明的優選實施例的攪動器10。所述攪動器包括細長管狀主體12，用於形成油管柱(未示出)的一部分。相應地，形成主體的端部的輔助件14、15設有適當的盒和銷16、17連接。主體12的中心部分形成Moineau原理容積式馬達19的定子18。這樣，定子18包括容納彈性體主體22的金屬套筒20，所述彈性體主體有效地限定較大的粗螺紋。不鏽鋼轉子24延伸通過定子18並與定子主體22協作以產生一系列密封室。這些室或者腔在轉子24被旋轉時逐漸移動通過定子18。通過橫過馬達19施加足夠的壓力差，腔被有效地向下推動通過定子18，並且這樣轉子24被旋轉。
在通常的操作中，橫過馬達19的壓力差壓力將趨於將轉子24向下推動，並且，如上所述，此作用力被通過馬達19所驅動的閥裝置30所阻礙。但是，在特定的環境下，壓力差可以在相反的方向上橫過馬達19施加，這樣趨於將轉子24向上推動。這樣的向上的運動通過設置在彈性體主體22的上端和上輔助件14之間的轉子端制動件32所阻礙，如圖2中更為詳細說明。圖2說明了制動件32和轉子24在通常的操作條件下的相對位置，並且可以注意到制動件32和轉子24的上端之間具有間隙。相應地，制動件32和轉子24之間通常沒有接觸。但是如果馬達19承受了足以將轉子24向上移動的反向壓力差，轉子24的端部將與制動件32相接觸，這樣其限制了轉子24的軸向移動程度。這防止對定子體22造成損壞並限制轉子24的運動。當壓力差回到正常，轉子24隻移動較小的距離，並且這樣在相反的方向上的轉子運動通過閥裝置30所減小時，沒有機會來建立可能導致損壞的速度和動量。
如上所述，馬達19被利用來驅動閥30，其操作以在通過攪動器10所泵取的流體中產生壓力脈衝。壓力脈衝通過改變經過閥30的流動面積而產生。這通過相對固定的第二閥板36移動振蕩的第一閥板34來實現。振蕩閥板34在圖3、4中更為詳細地顯示，同時固定閥板36被顯示在圖5中。
可以注意到第一閥板34被直接安裝到轉子24的下端，所述下端從定子主體22延伸。特別地，閥板34被安裝在具有帶螺紋上端40的閥板38中，所述上端容納在形成在轉子24的端部中的對應帶螺紋座42中。閥板34形成埠，這樣流體可以流經埠44進入閥板38，然後通過由閥板34所限定的流動埠46。
第一閥板由實心硬質合金(tungsten carbide)所形成並縮緊配合到閥部件主體38中，其限定了主軸線A。此軸線A從定子的主軸線B偏移，並在轉子34在定子18內旋轉時限定圓形路徑。相應地，與軸線A對齊的流動埠也描畫了圓形路徑。但是，從圖3、4明顯可見，流動埠46的中心線C從軸線A偏移。此外，流動埠46的中心線以從與軸線A、B相交的線I以210度的角度被安置在閥板34的半徑R上。令人驚訝的是，使用攪動器10產生壓力脈衝通過將流動埠46安置在此方向的正、負15度之內而被發現顯著地得到改進。
第一閥板34的取向可以在通過在第一閥部件38和轉子24之間提供墊片60而在組裝的過程中被設置。通過選擇不同厚度的墊片60，就可以變化帶螺紋40、42配合的程度，這樣控制流動埠46的方向。
第二閥板36相對主體固定，並且安裝在第一閥板34之下，與板34、36的相對表面滑動接觸。第二閥板36也限定流動埠48，並且在攪動器10中，流動埠48安置在主攪動器軸線B的中心上。第二閥板36由實心硬質合金所形成，並安裝在管狀支撐件50上(圖1)。通過支撐件50的孔與抗腐蝕硬質合金套筒52成一條線。
流動埠46、48被形成在實心硬質合金部分中。所述硬質合金是較硬但是較脆的材料。在通常的情況下，這樣的部分的邊緣形成倒角，以最小化對脆性金屬的損壞，並且在流體流經邊緣之上的地方最小化損耗。但是，在本發明的此實施例中，限定流動埠46、48的不同的表面和閥板34、36的滑動接觸表面是方形的並限定較尖銳的邊緣。這樣的邊緣提供了更為尖銳的壓力脈衝以提供更為有效的攪動。
在操作攪動器的過程中，轉子24並且由此第一閥板34被旋轉並在流體被通過馬達泵取時橫向移動。由於在第一閥板34中的流動埠46的偏心位置，流動埠46沒有描畫圓形路徑，而是沿著橫過第二閥板36的基本橫向路徑。這樣，流動埠46、48基本在轉子24的每次旋轉中對齊兩次，這樣壓力脈衝頻率是轉子速度的兩倍。
可以注意到底部輔助件15包括被減小厚度的壁部分或者彎曲輪廓62。如果攪動器10被安置在孔的彎曲部分中，彎曲輪廓62將彎曲以容納曲線，這樣保護相對較薄壁的定子套筒20。
在使用中，攪動器10被安置在諸如鑽杆柱的管狀支撐部件中。通常，衝擊工具被提供在攪動器之上，而由攪動器10所產生的壓力脈衝將作用在衝擊工具上。
攪動器10可定位在底孔組件中或鄰接底孔組件，或可以安置在管柱中位於在所述柱經受在管柱和孔壁之間相對較高的摩擦的位置上。如果流體然後通過所述柱被泵取，流體流經攪動器10。通過攪動器10的流體流將驅動馬達19，導致轉子24以及由此的第一閥板34旋轉並橫向移動。這樣，第一閥板34將橫過第二閥板36移動和流動埠46、48移動進入對齊狀態和從對齊狀態下移出。顯然，這將變化通過攪動器10的流動面積，並且所導致的流動面積的變化在鑽探流體中產生壓力脈衝。如果衝擊工具被設置在攪動器10之上的柱中，壓力脈衝向上通過馬達19運動並作用在衝擊工具上，導致衝擊工具膨脹和收縮。
在鑽探的操作中，攪動器10的操作將在鑽頭上產生變化的重量(weight on bit)並且也趨於轉動容納攪動器10的鑽柱部分。可以相信鑽柱的攪動顯著地減小了通過鑽柱所承受的拉動。在方向鑽探中，其中鑽柱趨向於不旋轉，此鑽柱的攪動被發現顯著地方便了鑽柱的滑動移動。此外，在旋轉鑽探中，其中鑽柱從表面旋轉，攪動器10的操作被發現顯著地改良鑽探操作，增加了進展的速度，鑽頭的壽命，並增加了可以鑽探的孔的深度。
攪動器10也可以用於方便其它工具和裝置通過，並可以用於協助插入外套和襯墊。
在可選的實施例中，第二閥板流動埠148從主軸線B偏移，如圖6中所示。在這樣的攪動器中，振蕩流動埠46的中心線被定位在與線I重合的振蕩閥板34的半徑上，所述線I與軸線A、B相交。這樣第一和第二流動埠46、148可以被安置以只在每次振蕩中對齊一次，這樣壓力脈衝頻率與馬達速度一致。
儘管對本發明的優選實施例進行了說明，但是普通技術人員可以理解，在不背離本發明的精神和實質的情況下，可以對本發明進行變更，其範圍由權利要求書及其等同物限定。
權利要求
1.一種攪動器，包括適於安裝到支撐部件的主體；容積式馬達，所述馬達具有定子和轉子，在使用中，所述轉子通過在定子內橫向地旋轉和移動而振蕩；以及閥，所述閥包括振蕩的第一閥部件和固定的第二閥部件，每個閥部件限定閥開口並具有主縱向軸線，第一閥部件連接到轉子，並相對所述第二閥部件可移動，在使用中，閥部件協作以集合地限定通過所述閥的變化流動面積，至少閥部件開口之一從各個主縱向軸線偏移。
2.根據權利要求1所述的攪動器，其特徵在於，所述攪動器用於安裝到細長支撐部件用於井下位置。
3.根據權利要求1或者2所述的攪動器，其特徵在於，所述閥被安置以提供連續但是變化流。
4.根據權利要求1-3任何一項所述的攪動器，其特徵在於，閥部件開口被安置以使至少在一個閥布置中所述開口重合，這樣通過閥的最大流動面積對應所述開口中的至少一個的所述流動面積。
5.根據前述任何一項所述的攪動器，其特徵在於，所述開口中至少之一是圓形的。
6.根據前述任何一項所述的攪動器，其特徵在於，所述開口具有相似的形狀。
7.根據前述任何一項所述的攪動器，其特徵在於，所述第一閥部件直接連接到轉子，這樣轉子的旋轉和橫向運動被直接傳輸到所述閥部件。
8.根據前述任何一項所述的攪動器，其特徵在於，所述第一閥部件開口被安置在所述第一閥部件的軸線上或者與所述第一閥部件的軸線相鄰，所述第二閥部件開口從所述第二閥部件軸線偏移。
9.根據權利要求1-7中任何一項所述的攪動器，其特徵在於，所述第一閥部件開口從所述第一閥部件軸線偏移，並且所述第二閥開口從所述第二閥部件軸線偏移。
10.根據權利要求1-7中任何一項所述的攪動器，其特徵在於，所述第一閥部件開口從所述第一閥部件軸線偏移，並且所述第二閥開口位於所述第二閥部件的軸線之上或者與所述第二閥部件的軸線相鄰。
11.根據前述任何一項所述的攪動器，其特徵在於，所述定子具有主縱向軸線，並且所述第一閥部件軸線從所述定子軸線偏移。
12.根據權利要求11所述的攪動器，其特徵在於，所述第一閥部件開口朝向所述定子軸線偏移。
13.根據權利要求12所述的攪動器，其特徵在於所述第一閥部件開口位於所述閥部件的半徑的中心，其定向在與結合第一閥部件軸線和定子軸線的線成185和225度之間的角度上。
14.根據權利要求1-12中任何一項所述的攪動器，其特徵在於，第一閥部件開口位於閥部件的半徑的中心，其與結合第一閥部件軸線和定子軸線的線相重合。
15.根據前述任何一項所述的攪動器，其特徵在於所述開口中的至少之一設置在帶螺紋插入件之上，所述插入件與帶螺紋凹槽相配合，並且所述開口的取向通過限制插入件的運動到凹槽中而得到控制。
16.根據前述任何一項所述的攪動器，其特徵在於，通過閥的最大和最小流動面積之間的比值在10∶1和2.5∶1之間。
17.根據前述任何一項所述的攪動器，其特徵在於，馬達是Moineau原理馬達。
18.根據權利要求17所述的攪動器，其特徵在於，馬達具有在一個和兩個之間的級。
19.根據權利要求18所述的攪動器，其特徵在於，級的數目大於或等於1.1並且小於或等於1.5。
20.根據前述任何一項所述的攪動器，其特徵在於，所述主體包括轉子制動件，以限制轉子在反向方向上的軸向運動。
21.根據權利要求20所述的攪動器，其特徵在於所述制動件包括在轉子之上安裝到主體的表面，所述表面通常從轉子間隔開。
22.根據前述任何一項所述的攪動器，其特徵在於所述定子可以包括限定多個圓形突出物的彈性體襯墊，同時轉子限定比定子少一個的圓形突出物，定子和轉子之間存在在溫度70°F時至少為0.005英寸(0.127mm)幹涉程度。
23.根據前述任何一項所述的攪動器，其特徵在於所述閥部件具有協作滑動表面，所述表面由硬金屬所形成，所述開口被形成在所述表面中和與所述表面相正交的側面中。
24.根據前述任何一項所述的攪動器，其特徵在於所述第二閥部件開口引入到流體通道中，並且所述通道的壁通過由抗腐蝕材料所形成的插入件所限定。
25.根據前述任何一項所述的攪動器，其特徵在於，所述攪動器被操作以提供1-40赫茲之間的脈衝頻率。
26.根據權利要求25所述的攪動器，其特徵在於，所述攪動器被操作以提供6-30赫茲之間的脈衝頻率。
27.根據前述任何一項所述的攪動器，其特徵在於攪動器與相對柔軟的支撐部件部分相組合以優選地可以彎曲並防止定子彎曲。
28.一種攪動器，包括適於安裝到支撐部件的主體；容積式馬達，所述容積式馬達具有定子和轉子；以及閥，所述閥包括第一閥部件和第二閥部件，每個閥部件限定閥開口並具有主縱向軸線，所述第一閥部件連接到轉子並相對所述第二閥部件可移動，在使用中，所述閥部件協作以集合地限定通過所述閥的變化的流動面積，所述閥部件開口中的至少之一從各個主縱向軸線偏移。
全文摘要
一種攪動器，包括適於安裝到支撐部件的主體；容積式馬達，所述馬達具有定子和轉子；以及閥。在使用中，所述轉子通過在定子內橫向地旋轉和移動而振蕩，以及所述閥包括振蕩的第一閥部件和固定的第二閥部件。每個閥部件限定閥開口並具有主縱向軸線，第一閥部件連接到轉子，並相對第二閥部件可移動。閥部件協作以集合地通過所述閥限定變化流動面積，至少閥部件開口之一從各主縱向軸線偏移。
文檔編號E21B4/00GK1811126SQ20051009249
公開日2006年8月2日 申請日期2005年8月23日 優先權日2005年1月28日
發明者阿蘭·馬丁·埃迪森, 理察·亞歷山大·英尼斯 申請人:安德格治有限公司