一種改進的取芯鑽頭馬達和用於獲取物質芯樣的方法
2023-10-25 16:27:22 2
專利名稱：一種改進的取芯鑽頭馬達和用於獲取物質芯樣的方法
技術領域：
本發明提供一種改進的取芯鑽頭馬達和一種用於從鑽井的側壁獲取物質芯樣的方法。
取芯通常是通過工具切削切下物質的一內部的部分之過程。雖然一些較軟的物質可以通過將一取芯樣套筒直移地壓入物質如土壤或瀝青中來取樣，但較硬的物質一般需要用旋轉的取芯鑽頭來切削；亦即採用具有繞鑽頭圓周的切削端設置的切削齒之中空的圓柱形鑽頭。取得的芯物質通常收集在可從井筒中收回的取芯裝置內。取芯一般用於排除不想要的物質部分或獲取有代表性的物質樣品供分析以便得到關於其物理性能的信息。取芯廣泛地用於確定在礦物或石油的勘探和開發中遇到的井下地質構造的物理性能。
為獲取天然存在的碳氫化合物類而鑽出的井的傳統的取芯採用連接於鑽具組端部的取芯鑽頭和芯圓筒來進行。當旋轉的取芯鑽頭穿透有價值的構造時芯被收集在芯圓筒內。這種取芯過程基本上中斷了正常的鑽井過程，因為必須從鑽具組端部卸去鑽頭而代之以取芯鑽頭。以這種方式取芯可能是很費時間和費錢的。然而，這種方法通常對於以這種方式鑽穿的所有構造都可保證獲取芯樣的高的成動力。
傳統的側壁旋轉取芯的特徵是採用一取芯鑽頭，其具有中空的圓柱形結構和繞一開口端的圓周接合的切削齒。取芯鑽頭通常在其壓到井的側壁時繞其軸線旋轉。當從側壁上切下一芯樣時，芯樣被容納於由取芯鑽頭的內壁所限定的中空圓筒內。取芯鑽頭的最佳旋轉速度和加在鑽頭上的最佳的力(將鑽頭推入側壁的軸向力的大小)通常由被取芯的構造類型和由取芯鑽頭的物理特性來決定。
石油和其他天然存在的礦物沉積或氣體往往存在於地殼內多孔的地質構造深度。有價值的構造在鑽井中可以採用取芯工具來勘測以便獲取有代表性的、取自鄰接於有價值的構造的井壁的巖石樣品。該有代表性的巖石樣品通常是採用中空的圓柱形取芯鑽頭從構造中取的芯。通常側壁取芯獲取的巖石樣品通常稱之為「芯樣」。芯樣實際上是從井壁上取下的並收回於取芯工具內以待輸送到表面。
芯樣的分析和研究可以使工程師和地質學家評估重要的構造參數，例如儲藏量(孔隙度)、構成構造的巖石的流動潛力(滲透度)、可獲取的存在於構造中的碳氫化合物類或礦物的組分，以及巖石的殘餘水飽和度。這些評估值對其後的設計和充分完整的程序的實施是決定性的，該程序使得可以開採各選定的構造和區域，而這些構造和區域是根據由芯樣得到的數據說明在經濟上是有吸引力來決定的。
若干獲取芯樣的取芯工具和方法已用於傳統的側壁取芯。通常有兩種取芯方法和裝置，即旋轉取芯和衝擊取芯。本發明的目的在於旋轉取芯，由於獲取的芯樣的優質這是更優選的方法。
側壁的旋轉取芯通常涉及將中空的圓柱形取芯鑽頭的開口的和露出的圓周切削頭壓到井壁上並旋轉取芯鑽頭以促使在前端進行切削。取芯工具在有價值的區域或構造藉助靠近井壁定向的旋轉芯鑽頭保護而不受井壁的影響。取芯鑽頭遠離取芯工具軸線並朝著井壁方向徑向向外展開。
取芯鑽頭通常通過一可延長的軸或機械聯動裝置連接於取芯馬達。該軸或聯動裝置朝著側壁方向軸向推進旋轉取芯鑽頭以使取芯鑽頭的切削頭接觸側壁。取芯鑽頭通過排除圓柱形切削區域內的巖石穿入側壁。取芯鑽頭的圓周切削頭具有許多齒並且往往鑲嵌有硬質合金、鑽石或其他具有用於切削巖石的高級硬度的材料。
在進行切削芯樣的過程中圓柱形芯樣被容納於取芯鑽頭的內部。在得到要求的長度的芯樣以後，芯樣通過在取芯鑽頭的開口的切削頭內斷開留下的連結(徑向截面)而脫離構造巖石。芯鑽頭和其中的芯樣通過將用於將取芯鑽頭延伸到其展開的位置的軸或聯動裝置退回而被收回於取芯工具內。收回的芯樣可以從取芯鑽頭中排入取芯工具內以便可以使用取芯鑽頭來在同一或不同的深度獲取以後的樣品。
旋轉取芯是優選的獲取芯樣的方法，因為芯樣保持其流動和儲藏的性能而沒有包含在衝擊取芯法中的斷裂和凝結。然而，有效的旋轉取芯法要求有效地使用有限的空間。因為為了獲取一傳統的側壁芯樣需要許多部件和機械的操作，傳統的旋轉側壁取芯存在許多與可利用的井下之有限的空間相關的問題。當成功地將井鑽到較深的構造時，並且當從表面位置的正確的垂直定位一步一步地得到定向的井筒時，這些井必定變得更為細長，從而為傳統的取芯裝置的安裝、展開和操作提供不大的空間。
雖然有利的是獲取像從側壁能夠得到的那樣大的有代表性的樣品，但存在一些實際限制使獲取較大芯樣既困難又費錢。芯樣的長度受限於取芯鑽頭的衝程或行程。也就是說，從取芯鑽頭的切削齒開始接觸側壁的時間起，進入側壁的最大軸向位移由取芯工具的機械特性決定。
現有技術的取芯工具的機械結構由幾個不同的參數規定。為了進行切削，旋轉取芯鑽頭必須採用包括在取芯工具內的某種輕便的機械動力源使之在其軸線上旋轉。旋轉取芯工具中的芯鑽頭的馬達一般是由高壓油驅動的液壓馬達，該高壓油由電驅動的泵產生。電驅動的液壓油泵由通過導電纜提供給馬達的電力驅動，該馬達用來下降、上升和控制取芯工具並大致確定其在井筒內的位置。取芯鑽頭的旋轉一般通過將取芯鑽頭利用一機械聯動裝置連接於液壓馬達來實現。並且，在取芯鑽頭展開時其必須從取芯工具殼體內向外延伸到外面的側壁，然後在取芯鑽頭的旋轉過程中進一步延伸進入側壁以便切削芯樣。最後，在芯樣的切削完成以後，取芯鑽頭和包含在其內的芯樣必須被縮進取芯工具內。如果採用同一取芯鑽頭要獲取其他以後的芯樣，該巖樣必須從取芯鑽頭中排出並儲藏在取芯工具內以後輸送到表面。所有的機械裝置、液壓馬達、從馬達至取芯鑽頭用於旋轉和延伸鑽頭的機械聯動裝置和取芯鑽頭本身都必須「儲藏」在它們在細長取芯工具殼體內的固定結構中直到該工具處於接近側壁中有價值的區域為止。使用時，取芯工具必須為取芯鑽頭提供需要的轉速以及伸展和以便成功地獲取芯樣。機械的和尺寸的問題是相當大的，而本發明為獲取芯樣提供一種更有效的和緊湊的裝置與方法。
此外，現有技術中的取芯裝置通常在機械上是很複雜的並因而在操作過程中易出現種種的故障，使它們在井下環境中是很不可靠的。因此，許多石油公司由於它們在獲取側壁芯樣方面的成動力往往很低而不願採用。
這裡需要一種裝置，其可以伸展取芯鑽頭並施加力通過取芯鑽頭強壓到側壁上、在獲取芯樣以後將取芯鑽頭縮進取芯工具內並且在切削芯樣的全過程中以要求的角速度旋轉取芯鑽頭。這裡需要一種裝置，其可以延伸、退回和旋轉取芯鑽頭而沒有複雜的佔據寶貴的空間的機械聯動裝置，亦即需要一種有效「封裝的」裝置，其在固定的未展開的位置時在取芯工具內部佔據不大的空間。這裡需要一種改進的取芯馬達，其非常緊湊使得在單個的取芯工具內可以採用兩個或更多個取芯馬達以獲取多個樣品。
本發明對在細長井筒的有限的空間環境中的傳統的側壁取芯的問題提供一種解法。芯樣在其未損壞的狀態下的收回和分析提供有價值的地質信息，其對石油公司的地質學家來說強有力地改善其分析和作出決斷。
圖1示出改進的取芯馬達在其未展開的位置時的側剖視圖；圖2示出改進的取芯馬達在其部分地展開的位置時的側剖視圖；圖3示出驅動軸的結構的透視圖，該驅動軸具有軸向軸槽和疊置在形成於其間的軸齒上面的螺紋；圖4示出旋轉轉子套筒的結構的透視剖視圖，該轉子套筒具有內齒，該內齒設計成滑動地接合驅動軸的外表面上的軸槽；圖5示出推進轉子套筒的結構的透視剖視圖，該轉子套筒具有內螺紋，該內螺紋設計成接合布置在各軸槽之間的驅動軸的外表面上的軸齒上的螺紋。
取芯設備10包括兩個分開的或獨立的馬達，它們被相互協作地控制，一旋轉馬達用於旋轉驅動軸44和一推進馬達用於在驅動軸44旋轉時使其軸向移動，其軸向位移或者向著取芯的側壁(圖1和2中的右邊方向)或者從側壁退回以縮進取芯工具10內。在取芯過程中旋轉驅動軸44所需要的動力將可能超過將驅動軸44延伸入構造內所需要的動力。因此，很可能旋轉馬達將比推進馬達大並將產生比推進馬達的大的動力。旋轉馬達包括一旋轉定子24、一旋轉轉子22和一旋轉轉子套筒23，每個都繞一公共中心軸線17同心地布置。旋轉定子24一般包括電導線纏繞的繞組以便在電流通過旋轉定子24的繞組時在旋轉轉子22上感生電磁矩。旋轉轉子22同心地布置在旋轉定子24的內部並且應該定位成與旋轉定子24閉合地電磁聯通而不與旋轉定子24接觸。旋轉定子24與旋轉轉子22之間的這種精密的間距關係可以按任何傳統的方式包括將定子和轉子安裝在一共用的結構或殼體12內來保持。雖然旋轉定子24相對於殼體12是固定的，但旋轉轉子22繞一中心軸線旋轉並且通過軸承或襯套安裝或固定在殼體12上。
圖4為旋轉轉子套筒23的透視剖視圖，該旋轉轉子套筒23具有徑向向內延伸的套筒齒145，這些套筒齒145與圖3中所示的驅動軸44的相應的軸槽45相接合或配合。旋轉轉子套筒23是一中空的圓柱套筒，其內徑等於或稍大於驅動軸44的外徑，並且當將旋轉轉子套筒23容納在驅動軸44上時，徑向向內向著旋轉轉子套筒23的中空中心方向延伸的套筒齒145滑動地容納在驅動軸44的軸槽45內。旋轉轉子套筒23優選地結合於或固定於旋轉轉子22上。或者，旋轉轉子套筒23和旋轉轉子22可以是一整體部件而使旋轉轉子套筒23形成在旋轉轉子22的內表面上。在任一方式中，旋轉轉子套筒23都具有設有齒的面向內部的表面。
再參照圖1和2，推進馬達具有類似於旋轉馬達的結構。具體地說，推進馬達包括一推進定子34、一推進轉子32和一推進轉子套筒33，每個都繞一公共中心軸線17同心地布置。推進定子34一般包括電導線纏繞的繞組以便在電流通過推進定子34的繞組時在推進轉子32上感生電磁力。推進轉子32同心地布置在推進定子34的內部並且應該定位成與推進定子34閉合地電磁聯通而不與推進定子34接觸。定子與轉子之間的這種精密的間距關係可以按任何傳統方式包括將定子和轉子安裝在一共用的結構或殼體12內來保持。雖然定子相對於殼體12是固定的，但轉子繞一中心軸線轉動或旋轉並因而通過軸承或襯套安裝或固定在殼體上。
圖5為推進轉子套筒33的透視剖視圖，該推進轉子套筒33具有形成在徑向向內的內表面上的螺紋146，該螺紋146與形成在圖3中所示的驅動軸44的軸齒48的外表面上的相應的螺紋相配合。推進轉子套筒33和結合的推進轉子32通過在推進定子34中應用控制的電流64繞驅動軸44旋轉。推進轉子套筒33優選地結合於或固定於推進轉子32上。或者，推進轉子套筒33和推進轉子32可以是一整體部件而使推進轉子套筒33形成在推進轉子32的內表面上。在任一方式中，推進轉子套筒都具有設有螺紋的面向內部的表面。
旋轉轉子套筒23和推進轉子套筒33結合於專門設計的驅動軸44上，該驅動軸44用來旋轉取芯鑽頭18和將鑽頭上的負載施加於取芯鑽頭18上。單獨示於圖3中的驅動軸44具有軸線17並可以在其鑽頭端47連接於取芯鑽頭18。驅動軸44具有帶有多個軸槽45的外表面，該軸槽45沿驅動軸44的長度延伸，優選地從鑽頭端47延伸到或大致延伸到驅動軸44的排料端49。這些軸槽45優選地是縱向的並平行於驅動軸44的軸線17，但它們可以是繞軸線17的螺旋形的。與確切的軸槽設計無關，軸槽45設計成與在具有共同軸線17的旋轉轉子套筒23中的相應的內部套筒齒145相結合。槽和齒的結合應該能夠從轉子套筒齒145向軸槽45傳遞一徑向力，而又便於套筒齒145相對於軸槽45的軸向滑動。例如，根據推進轉子套筒33的旋轉所確定的，當驅動軸44從其完全縮進的、圖1中所示的未展開的位置前進到中間的、圖2中所示的部分地展開的位置並繼續前進到相對於驅動軸44的完全軸向伸展的完全展開的位置時，旋轉轉子套筒23優選地設計成連續旋轉驅動軸44。
驅動軸44的外表面還設有多個螺紋46，這些螺紋疊置在各軸槽45之間沿驅動軸44的長度形成的軸齒48上面。這些螺紋46可以設置有任何的螺距、深度或間距，但應該考慮到螺紋46的螺距將影響位置控制的程度和在取芯時推進馬達能夠傳給取芯鑽頭18的鑽頭上的負載。推進轉子套筒33和驅動軸44上的螺紋的結合應該能夠將一軸向的或往復的力傳到驅動軸44上。
當電流通過旋轉定子24的繞組時，一力矩機電地施加於旋轉轉子22和其結合的旋轉轉子套筒23上，從而使這些部件繞軸線17旋轉。驅動軸44的旋轉由驅動旋轉轉子套筒23的旋轉來實現，旋轉轉子套筒23旋轉驅動軸44並將動力傳給取芯鑽頭18。驅動軸44的轉速可由通向旋轉定子24的電流61獨立地和精確地控制。
當電流通過推進定子34時，一力矩機電地施加於推進轉子32和其結合的推進轉子套筒33上，從而使這些部件繞軸線17旋轉以使驅動軸44軸向延伸、保持或退回。驅動軸44的軸向或往復的運動通過以不等於旋轉轉子套筒23的角速度的角速度旋轉推進轉子32和其結合的推進轉子套筒33來實現。推進轉子套筒33和在推進轉子套筒33的徑向內表面上形成的螺紋146的旋轉通過該螺紋146與加工在驅動軸44上的軸齒48上面的配合螺紋的接合來軸向移動驅動軸44。推進轉子套筒33的轉向和其上的螺紋的結構(右旋或左旋)決定驅動軸44的軸向運動。推進轉子32和推進轉子套筒33的旋轉(以不等於旋轉轉子套筒23的角速度的角速度)或者使驅動軸44和其結合的取芯鑽頭18向側壁方向(向圖1中右邊)前進或者將取芯鑽頭18退回到其在取芯設備10內(向圖1中左邊)的固定的未展開的位置。
為獲取一芯樣，取芯工具10必須在取芯鑽頭18旋轉時可控地將取芯鑽頭18推向並進入側壁以切削芯樣。因此，旋轉轉子套筒23中的套筒齒145(或至少一個鍵或銷)必須保持與驅動軸44的軸槽或槽45機械的和旋轉的接觸而不管驅動軸44相對於旋轉轉子套筒23的軸向移動。同樣，為了旋轉取芯鑽頭18以有效地切削和獲取芯樣，鑽頭上的負載，即通過驅動軸44施加在取芯鑽頭18上的軸向力是必不可缺少的。因此，在推進轉子套筒33的內表面上的螺紋146必須保持與驅動軸44的軸齒48上的相應的螺紋的機械接觸而不管驅動軸44通過旋轉轉子套筒23的旋轉。這些條件通過圖3中所示的驅動軸44的獨特設計得到滿足。
驅動軸44的轉速由旋轉轉子22和其結合的旋轉轉子套筒23的轉速決定並與之相等。如果旋轉轉子套筒23和推進轉子套筒33的轉速相等，則推進轉子套筒33的轉速必定等於驅動軸44的轉速。在這種操作條件下，由於旋轉的推進轉子套筒33相對於旋轉的驅動軸44保持靜止，驅動軸44將沒有軸向位移。旋轉的驅動軸44的軸向移動通過相對於驅動軸44的轉速改變推進轉子套筒33的轉速來實現。在這種條件下，驅動軸44相對於推進轉子套筒33的軸向位移可利用驅動軸轉速Wds、推進轉子套筒33的轉速Wtrs並通過螺紋(在軸齒和推進轉子套筒的徑向內表面上)的螺距Pthreads來算出。
假定旋轉軸44上的螺紋146為右旋螺紋並且旋轉馬達和推進轉子都沿順時針方向(從取芯設備10的取芯鑽頭端觀察)旋轉，取芯鑽頭18的穿透速率可以由下式來確定Vcb＝Pthreads×(Wtrs-Wds)例如，如果驅動軸的每英寸有10條螺紋(則螺紋的螺距Pthreads為0.1英寸每螺紋)、Wtrs為2005rpm(每分鐘轉數)和Wds為2000rpm，則由驅動軸44向著側壁方向的推進速率決定的取芯鑽頭的穿透速率Vcb將為(0.1×(2005-2000))＝0.5英寸/分鐘或0.0083英寸/秒。反之，如果芯樣已成功地切削和獲得，則驅動軸44可以通過相對於驅動軸44的轉速Wds降低推進轉子套筒33的轉速Wtrs來縮進取芯工具10內。例如，如果Wds保持2000rpm而Wtrs降到1950rpm，則驅動軸44的退回速率將為(0.1×(1950-2000))＝-5英寸/分，或-0.0833英寸/秒(負號表示取芯鑽頭退回)。雖然取芯鑽頭的0.5英寸/分的前者穿透速率Vcb較適合於有效地切削一芯樣，但-5.0英寸/分的後者退回速率是為將取芯鑽頭18縮進取芯工具10內的更合適的速度。一單向馬達通過相對彼此改變推進轉子套筒33和旋轉轉子套筒23的轉速可以提供驅動軸44和其連接的取芯鑽頭18的伸展和退回。對於給定的馬達速度，取芯工具10可以改型成利用另外的螺紋部件來改變伸展和退回的速度以便定製取芯過程的動力性以適合構造的物理性質。雖然提供的附圖示出優選的實施方案，其具有推進定子34、推進轉子32和鄰近驅動軸44的排料端或「內側」端49的推進轉子套筒33，以及旋轉定子24、旋轉轉子22和鄰近驅動軸44的取芯鑽頭18或「外側」端的旋轉轉子套筒23，但這兩組緊密相關的和相互作用的部件可以是相反的。
以上討論說明了為有效地操作本發明所需要的精度。在取芯過程中0.5英寸/分的穿透速率通過將Wtrs提高到和控制到僅比Wds高5rpm來達到，其差別只有0.25％。為能夠精確地控制電流61和64以達到這個控制水平可利用各種裝置。旋轉轉子檢測器25和推進轉子檢測器35分別「計算」旋轉轉子22和推進轉子32的轉數。旋轉轉子檢測器25和推進轉子檢測器35可以用磁式、光式、電子式或機械式或這些的某種組合方式檢測各自的轉子的位置。旋轉轉子檢測器25和推進轉子檢測器35可以檢測安裝在各個被檢測的轉子上的一發送應答器，並且檢測出的旋轉轉子位置的信號62和檢測出的推進轉子位置的信號63傳給微處理器60。微處理器60算出旋轉轉子22和推進轉子32的轉速，並自動調節旋轉定子電流61和推進轉子電流64以保持要求的取芯鑽頭的轉速Wcb(其等於驅動軸44的轉速Wds)和要求的取芯鑽頭的穿透速率Vcb。
驅動軸44可以包括各種結構。在其基本的結構中，各軸槽45和螺旋螺紋46加工在驅動軸44的分開的外面部分上。在這種結構中，軸槽45可以位於驅動軸44上鄰近其鄰近取芯鑽頭18的鑽頭端的位置，而螺旋螺紋46可以位於驅動軸44上鄰近其在鑽頭18對面的排料端49的位置。在一更複雜的結構中，螺旋螺紋46可以疊置在形成於各軸槽45之間的軸齒48上面，如圖3中所示。各軸槽45可以軸向地與驅動軸44的軸線17對中(即無限大的節距)，或者它們可以是繞驅動軸44的軸線17的螺旋形。應該理解，具有螺旋軸槽45和相應的套筒齒145的實施方案，與軸齒48上的螺旋螺紋46接合推進轉子套筒33的內部上的相應的螺紋146的方案組合起來，實際上是在驅動軸44的外部上將第一組螺紋疊加在第二組螺紋上。一組螺紋接合推進轉子套筒33的內部上的相應的螺紋組，而第二組螺紋接合旋轉轉子套筒23的內部上的相應的螺紋組。當然，當採用這種方法時，在兩組螺紋的深度和螺距方面必須有足夠的差值以便防止幹涉並增進與驅動軸44的獨立的相互作用。
本發明為取芯工具提供改進的封裝效能。取芯工具可以包括本發明的多個取芯馬達或取芯模塊，全部都定位在單個取芯工具的內部。這些取芯模塊可以同時使用或依次使用以便從不同的深度獲取芯樣。為了控制的目的，各取芯模塊在取芯工具內可以彼此用電連接。每一取芯模塊可具有一唯一的電子地址，從而能夠獨立地控制每一取芯模塊而與其他的取芯模塊無關。
在單個取芯工具內部採用多個取芯馬達或取芯模塊，可以去掉在現有技術的取芯工具中為了排出從取芯鑽頭中收回的芯樣所用的複雜的芯樣排料機構。本發明提供一種取芯模塊，其可以將芯樣收回於驅動軸44的中空內部之中，該中空內部用作收回的芯樣的儲藏室。收回的芯樣可以在表面上從該取芯模塊中排出。附加的部件，例如芯套筒，可以布置在驅動軸44的內部以隔離和保護芯樣免受侵蝕或損壞，否則在旋轉過程中由驅動軸44的內壁可能造成這種侵蝕或損壞。
本發明不打算說明在取芯鑽頭18已穿透側壁到達其穿透的極點以後，打斷切削的芯樣以脫離其留下的與構造的接合的步驟。該芯樣可以通過取芯鑽頭18相對於構造的移動脫離構造而斷開。一旦芯樣被斷開而脫離構造，可以將其收回於帶有取芯鑽頭18的取芯工具10內。
本發明還可以包括用於停止驅動軸44的軸向移動的電子裝置或物理裝置以便消除由於驅動軸44過度的移動而使驅動軸不希望地脫離任一轉子套筒的可能性。這樣的用於停止的裝置可以包括控制器的程序設計以跟蹤作為由兩轉子/套筒產生的相對轉數的函數的驅動軸44的位置。或者，用於停止的裝置可以包括在驅動軸44、旋轉轉子套筒23或推進轉子套筒33上形成的機械構件，其在物理上防止驅動軸44的不希望的推進或軸向前進。一個實例可以是在驅動軸44的排料端49處消除或「填塞」驅動軸44的外表面上的一小部分齒，如圖3中所示。這種結構在取芯馬達10的操作過程中為防止驅動軸44偶而脫離推進套筒33提供一可靠的裝置。
「馬達」的意義，如在本文中所用的術語，包括一種消耗電能並產生機械能的裝置，但不限於此種，並且其可以包括一個以上的定子與一個以上的轉子相結合的布置用以轉動、旋轉或操作一個以上的機械輸出構件。「槽」的意義，如在本文中所用的術語，包括螺紋、凸脊、導向件、溝槽和通道，但不限於這些。「齒」的意義，如在本文中所用的術語，包括凸脊、螺紋、溝槽和通道，但不限於這些。
雖然以上所述是針對本發明的優選的實施方案，但可以設想出其他的和進一步的實施方案而並不脫離其基本的範圍，並且其範圍由附屬的權利要求決定。
權利要求
1.一種側壁取芯設備，其包括一旋轉馬達，其具有一旋轉定子和一帶有一個或多個內齒的旋轉轉子；一推進馬達，其具有一推進定子和一帶有內螺紋的推進轉子；以及一管狀驅動軸，其具有一軸線、一可連接於一取芯鑽頭上的鑽頭端，和一帶有一個或多個疊加有一組螺紋的縱向槽的外表面，其特徵在於，一個或多個縱向槽與旋轉轉子的一個或多個內齒相配合，而驅動軸的內螺紋與推進轉子的螺紋相配合。
2.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，旋轉定子機電地接合旋轉轉子並使其繞管狀驅動軸的軸線旋轉，從而將受控的角位移傳給旋轉轉子；其中，推進定子機電地接合推進轉子並使其繞管狀驅動軸的軸線旋轉，從而將受控的角位移傳給推進轉子；以及其中，管狀驅動軸的鑽頭端通過旋轉轉子相對於推進轉子的受控的有差別的角位移可以在管狀驅動軸的旋轉過程中可控地軸向延伸和退回。
3.如權利要求1所述的設備，其還包括一控制器用以控制旋轉馬達和推進馬達的轉速。
4.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，一個或多個縱向槽平行於驅動軸的軸線。
5.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，旋轉轉子的一個或多個齒設置在一單獨的旋轉轉子套筒上。
6.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，推進轉子的螺紋設置在一單獨的推進轉子套筒上。
7.一種側壁取芯設備，其包括一旋轉馬達，其具有一旋轉定子和一旋轉轉子；一推進馬達，其具有一推進定子和一推進轉子；以及一管狀驅動軸，其具有一軸線、一可連接於一取芯鑽頭上的鑽頭端和一外表面，其特徵在於，旋轉轉子旋轉地而不是軸向地結合於驅動軸的外表面，而其中推進轉子既旋轉地又軸向地結合於驅動軸的外表面。
8.如權利要求7所述的設備，其特徵在於，旋轉轉子以槽和齒的關係旋轉地結合於該外表面。
9.如權利要求7所述的設備，其特徵在於，推進轉子藉助螺紋接合既旋轉地又軸向地結合於該外表面。
10.如權利要求7所述的設備，其特徵在於，旋轉轉子直接鄰近於推進轉子。
11.一種用於實現側壁取芯的設備，其包括一用於產生第一轉矩的旋轉馬達；一用於產生第二轉矩的推進馬達；一管狀軸；用於將第一轉矩轉變為所述軸繞其軸線的旋轉的裝置；以及用於將第二轉矩轉變為所述軸沿其軸線的移動的裝置。
12. 如權利要求11所述的設備，其特徵在於，所述旋轉馬達包括一管狀旋轉定子和一管狀旋轉轉子用以將第一轉矩施加於所述軸上的旋轉轉換裝置。
13. 如權利要求11所述的設備，其特徵在於，所述推進馬達包括一推進定子和一推進轉子用以將第二轉矩施加於所述軸上的移動轉換裝置。
14.如權利要求12所述的設備，其特徵在於，旋轉轉換裝置包括一連接於旋轉轉子的旋轉轉子套筒，該旋轉轉子套筒具有從其內表面向內延伸的齒用以與在所述管狀軸的外表面上形成的槽相接合。
15.如權利要求13所述的設備，其特徵在於，移動轉換裝置包括一推進轉子套筒，該推進轉子套筒具有在其內表面上形成的螺紋用以與在所述管狀軸的外表面上形成的附加的螺紋相接合。
16.一種在側壁取芯操作的過程中移動和旋轉取芯鑽頭的方法，其包括以下步驟將一取芯鑽頭連接於在井下工具中布置的管狀構件的一端；將井下工具定位在鄰近一有價值的構造側壁的井筒內；利用繞管狀構件同心地定位在井下工具內的管狀旋轉馬達誘發該管狀構件的旋轉；利用繞管狀構件同心地定位在井下工具內的管狀推進馬達誘發該管狀構件移動從而將取芯鑽頭推入構造側壁內；以及利用該管狀推進馬達誘發該管狀構件的移動從而將取芯鑽頭退出構造側壁。
17.一種製造，其包括(a)計算機可讀程序代碼裝置用於在芯樣的取芯過程中使計算機實現對取芯馬達的旋轉驅動軸的轉速的測定和控制；(b)計算機可讀程序代碼裝置用於在芯樣的取芯過程中使計算機實現對以螺紋結合於旋轉驅動軸的套筒構件的轉速的測定和控制以便在兩者的轉速不同時影響旋轉驅動軸的軸向位移；(c)計算機可讀程序代碼裝置用於使計算機算出要求的套筒構件的轉速以實現連接於驅動軸的取芯鑽頭的預定要求的穿透速率以便採取芯樣；(d)計算機可讀程序代碼裝置用於使計算機算出要求的流入電動馬達定子的電流以影響要求的套筒構件的轉速從而實現連接於驅動軸的取芯鑽頭所要求的穿透速率以便採取芯樣；(e)計算機可讀程序代碼裝置用於使計算機從測定的套筒構件相對於驅動軸的旋轉位移中識別完全穿透狀態的起始；(f)計算機可讀程序裝置用於在芯樣的取芯過程中使計算機算出要求的流入電動馬達定子的電流以影響要求的套筒構件的轉速從而中斷連接於驅動軸的取芯鑽頭的穿透；以及(g)計算機可讀程序裝置用於在芯樣的採取和允許將芯樣收回於取芯組件的內部以後，使計算機算出要求的流入電動馬達定子的電流以影響要求的套筒構件的轉速從而退回連接於驅動軸的取芯鑽頭。
全文摘要
本發明提供一種改進的取芯馬達用來從鑽出的井筒的側壁上獲取一芯樣。本發明為取芯鑽頭提供相對於側壁的可控的旋轉、伸展和退回,而沒有複雜定位的聯動裝置並且保持供用於井下的細長工具所用的空間。
文檔編號E21B4/04GK1347186SQ0114089
公開日2002年5月1日 申請日期2001年9月25日 優先權日2000年9月25日
發明者E·哈裡甘, G·W·康特雷拉斯, B·M·希爾, R·W·松德奎斯特, D·W·勞佩, S·特蘭 申請人:施盧默格海外有限公司