Скважинная телеметрическая система с приводом типа звуковой катушки

Изобретение относится к средствам передачи информации от забоя скважины на поверхность с использованием импульсной телеметрии. Техническим результатом является обеспечение более высокой производительности передачи данных, увеличение срока эксплуатации элементов телеметрической системы. В частности, предложена импульсная телеметрическая система для передачи цифровых данных от ствола скважины к поверхностному блоку, содержащая: бурильную трубу, расположенную в скважине, содержащую передний по ходу конец и вмещающую по меньшей мере в части буровой раствор; один или более скважинных датчиков; блок обработки, соединенный с одним или более скважинным датчиком; клапан, соединенный по текучей среде с буровым раствором для регулирования давления в бурильной трубе рядом с передним по ходу концом для обуславливания перепадов давления в буровом растворе для передачи данных через буровой раствор. Причем клапан содержит привод типа звуковой катушки для образования перепадов давления в буровом растворе. При этом блок обработки содержит датчик скорости, выполненный с возможностью измерения скорости привода типа звуковой катушки и при этом блок обработки выполнен с возможностью управления положением привода типа звуковой катушки на основе измеренной скорости. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение в целом относится к бурению и добыче нефти, а в частности, но без ограничения, к системам и способам для передачи информации от забоя скважины к поверхности с использованием импульсной телеметрии, содержащей один или более приводов типа звуковой катушки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Операции бурения и добычи улучшаются с помощью большего объема информации, относящейся к условиям и параметрам бурения в скважине. Информацию иногда получают путем убирания буровой компоновки и введения кабельного каротажного прибора. В настоящее время данные часто получают при помощи технологий измерений во время бурения (MWD) или каротажа во время бурения (LWD). Часто во время бурения операторам требуется знать направление и угол наклона бурового долота, температуру и давление в стволе скважины и т.д. Для получения этой информации в скважине используют датчики или чувствительные элементы. Однако сложность заключается в доставке данных, или по меньшей мере их части, на поверхность во время операций бурения.

[0003] С этой целью было разработано множество способов. Например, в импульсной телеметрии сигналы акустического давления образуют и направляют через буровой раствор. Однако этот и подобные способы имеют несоответствия и недостатки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0004] На фиг. 1 представлен схематический вид сбоку с частью формации, изображенным в разрезе, изображающий импульсную телеметрическую систему для передачи цифровых данных от ствола скважины к поверхностному блоку;

[0005] На фиг. 2 представлена разобранная схематическая диаграмма иллюстративного варианта реализации импульсной телеметрической системы;

[0006] На фиг. 3 представлена схематическая диаграмма иллюстративного неограничивающего варианта реализации привода типа звуковой катушки;

[0007] На фиг. 4 представлена схематическая диаграмма двух кривых при идеальных условиях (сопротивление не включено);

[0008] На фиг. 5 представлена схематическая диаграмма блока обработки;

[0009] На фиг. 6 представлена схематическая диаграмма цели иллюстративного варианта реализации блока 600 управления; и

[0010] На фиг. 7 представлена схематическая блок-схема иллюстративного варианта реализации одного способа передачи данных, образованных в стволе скважины, к поверхностному блоку.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] В последующем подробном описании иллюстративных вариантов реализации приводятся ссылки на сопроводительные графические материалы, которые являются составляющей этих вариантов реализации. Эти варианты реализации подробно описаны здесь для того, чтобы дать возможность специалистам в данной области реализовать настоящее изобретение; при этом следует понимать, что могут быть использованы другие варианты реализации, и что логические структурные, механические, электрические и химические изменения могут быть осуществлены без отклонения от сущности или объема настоящего изобретения. Во избежание подробностей, которые не являются необходимыми для специалистов в данной области техники для осуществления вариантов реализации, описанных в настоящем описании, описание может опускать определенную информацию, известную специалистам в данной области техники. Приведенное далее подробное описание не должно рассматриваться как имеющее ограничительный характер, а объемиллюстративных вариантов реализации определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.

[0012] В следующих далее чертежах и описании одинаковые элементы, как правило, отмечены одними и теми же цифровыми обозначениями по всему тексту описания и во всех чертежах, соответственно. Чертежи не обязательно приведены в масштабе. Некоторые характерные особенности изобретения могут быть изображены увеличенными в масштабе или в несколько схематичной форме, и для целей ясности и краткости некоторые детали известных элементов могут быть не показаны.

[0013] Если не указано обратное, любое использование терминов "соединять", "вводить во взаимодействие", "связывать", "прикреплять" в любой их форме, или любого другого термина, описывающего взаимодействие элементов, не предполагает сведение такого взаимодействия к непосредственному взаимодействию элементов и может также включать косвенное взаимодействие между описанными элементами. В следующем далее описании и в формуле изобретения термины “включающий” и “содержащий” используются с неограничительным значением, и, таким образом, должны истолковываться как означающие “включая, но не ограничиваясь…“. Если не указано обратное, как использовано во всем данном документе, слово "или" не подразумевает взаимно исключительного характера.

[0014] Использованные в настоящем описании термины "уплотнение", "уплотняющий", "уплотняющее взаимодействие" или "гидравлическое уплотнение", включают "идеальное уплотнение" и "неидеальное уплотнение". "Идеальное уплотнение" может относиться к ограничению потока (уплотнению), которое полностью предотвращает поток текучей среды вдоль ограничения потока или через него, и обеспечивает перенаправление или остановку текучей среды. "Неидеальное уплотнение" может относиться к ограничению потока (уплотнению), которое по существу предотвращает поток текучей среды вдоль ограничения потока или через него, и обеспечивает перенаправление или остановку существенной части текучей среды.

[0015] Со ссылкой на чертежи, на фиг.1 представлен схематический вид сбоку с частью формации, изображенным в разрезе, изображающий импульсную телеметрическую систему 100 для передачи цифровых данных от ствола 102 скважины к поверхностному блоку 104. Вышка 106 расположена над скважиной 108 с ее стволом 102. Бурильная труба 110 расположена в стволе 102 скважины. Бурильная труба 110 содержит заднюю по ходу часть 111 и переднюю по ходу часть 113. “Передний по ходу” означает расположенный далее по потоку или ближе от ствола скважины к поверхности в основном направлении потока текучей среды в трубе при нормальных условиях, а “задний по ходу” означает расположенный далее в том же направлении потока текучей среды при нормальных условиях. Пространство между стволом 102 скважины и наружной стороной бурильной трубы 110 образует кольцевое пространство 112.

[0016] Бурильная труба 110 содержит центральный канал 114, определяющий внутренний участок бурильной трубы 110. Подузел 116, содержащий утяжеленную бурильную трубу 118, соединен с буровым долотом 120 и соединен с бурильной трубой 110 или содержит ее. Подузел 116 содержит один или более каротажных приборов, чувствительных элементов или датчиков 122 для образования информации о формации 124 или процессе бурения. Один или более датчиков 122 содержит одно или более из следующего: датчик гамма-излучения, азимутальный датчик, датчик давления в стволе скважины, датчик температуры, датчик вибрации, ударный датчик, датчик крутящего момента, датчик проницаемости, датчик плотности, датчик сопротивляемостии т.д.

[0017] Также, в скважине расположена и связана с бурильной трубой 110 импульсная телеметрическая система 100. Импульсная телеметрическая система 100 может быть образована как часть подузла 116, или может быть соединена с ним. Импульсная телеметрическая система 100 использует один или более клапанов, содержащих приводы типа звуковой катушки для модулирования потока бурового раствора или промывочной жидкости в участке бурильной трубы 110 для образования импульсов, проходящих через буровой раствор, или переносимых буровым раствором, к поверхностному блоку 104, осуществляющему их дальнейшую обработку. Импульсная телеметрическая система 100 может являться телеметрической системой отрицательного давления или может являться системой положительного давления. В телеметрической системы отрицательного давления клапаны открывают кратковременно на выходе из бурильной трубы 110 для образования импульса быстрого перепада давления или отрицательного давления, проходящего через буровой раствор к поверхностному блоку 104. В системе положительного давления клапан или клапаны кратковременно ограничивают поток бурового раствора для образования импульса давления, также проходящего через буровой раствор к поверхностному блоку 104.

[0018] Как будет описано далее, импульсная телеметрическая система 100 использует привод типа звуковой катушки для перемещения одного или более компонентов клапана, например, плунжера, для ограничения потока или выпускания потока для образования импульсов давления для телеметрии. Привод типа звуковой катушки считается превосходящим конструкции, использующие соленоиды. В соответствии с настоящим описанием, приводы типа звуковой катушки могут обеспечивать высокий коэффициент преобразования электрической энергии в механическую, высокое соотношение передаваемого усилия к размеру, более быстрое время отклика, потенциально обеспечивая более высокую производительность передачи данных, более легкие компоненты, более длинный срок эксплуатации, минимальное техническое обслуживание, избегая смещающих от центра воздействий. Приводы типа звуковой катушки (voice coil actuators) получили свое название от использования этой технологии в громкоговорителях. Привод типа звуковой катушки будет дополнительно описан далее.

[0019] Бурильная труба 110 может проходить по направлению вниз от узла 126 подъемника, подвешенного от вышки 106, через стол 128 ротора. Стол 128 ротора обеспечивает вращение бурильной трубы 110 и утяжеленной бурильной трубы, и, затем, бурового долота 120. Буровой раствор циркулирует к буровому долоту 120 для способствования бурению. Например, буровой раствор может охлаждать буровое долото 120 и удалять буровой шлам.

[0020] Резервуар 130 хранит буровой раствор на поверхности 132. Труба 134 может быть использована для перемещения бурового раствора от резервуара 130 через насос 136 бурового раствора в трубу 138, ведущую к стояку 140. Стояк 140 соединен с бурильной трубой 110 через гибкий трубопровод 142. Насос 136 бурового раствора нагнетает буровой раствор из резервуара 130 и перемещает буровой раствор вдоль труб/трубопроводов 138, 140, 142 в центральный канал 114 бурильной трубы 110 к подузлу 116. Буровой раствор, проходящий через подузел 116, выводят рядом с буровым долотом 120 и возвращают на поверхность через кольцевое пространство 112 и через трубу 143 доставляют к резервуару 130. Буровой раствор в резервуаре 130 может быть восстановлен (удаление шлама и дегазирование и т.д.) и повторно использован. Следует отметить, что резервуар 130 может содержать два резервуара - один с готовым к использованию буровым раствором, соединенный с трубой 134, и один для приема использованного бурового раствора из трубы 143.

[0021] Поверхностный блок 104, кроме прочего, может быть выполнен с возможностью расшифровки импульсов или перепадов давления, отправленных через буровой раствор в центральном канале 114. Поверхностный блок 104 может содержать один или более поверхностных датчиков или передатчиков 144. Например, датчики 144 в ряду могут быть расположены на расстоянии друг от друга для подавления помех. Передатчик 144 изображен на трубе 138 для считывания перепадов или импульсов давления от импульсной телеметрической системы 100. Могут быть использованы другие компоненты, такие как датчики для способствования подавлению помех, или поглотитель гидравлического удара 146 (для уменьшения гидравлических ударов от насоса 136) или другие устройства. Клапан 148 может содержаться в трубе 138 для индуцирования импульсов через буровой раствор в центральном канале 114 для передачи данных или инструкций от поверхности 132 к подузлу 116. Клапан 148 может содержать привод типа звуковой катушки и может функционировать аналогично клапану в подузле 116, более подробно описанному далее. В таком варианте реализации декодирующее устройство может содержаться в подузле для приема данных или команд через импульсы, образуемые клапаном 148. Импульсы, проходящие по направлению вниз, могут быть использованы для управления аспектами подузла 116.

[0022] Поверхностный блок 104 может содержать один или более процессоров, например, микропроцессоров, связанных с одним или более запоминающих устройств, приводом и цепью управления для передачи данных вниз по скважине, и цепью обнаружения для восходящей связи. Один или более процессоров и одно или более запоминающих устройств выполнены с возможностью выполнения этапов, содержащих прием перепадов или импульсов давления, обнаруженных цепью обнаружения, и их декодирование в данные в требуемом формате, в режиме восходящей связи. В режиме нисходящей связи один или более процессоров и одно или более запоминающих устройств выполнены с возможностью кодирования данных и передачи закодированных данных к расположенному ниже по скважине устройству через привод и цепь управления.

[0023] Со ссылкой на фиг. 2, представлена схематическая диаграмма иллюстративного варианта реализации импульсной телеметрической системы 100. Импульсная телеметрическая система 100 содержит клапан 202, содержащий привод 204 типа звуковой катушки. Клапан 202 может являться клапаном любого типа, ограничивающим или выпускающим поток бурового раствора в результате перемещения одного или более компонентов посредством привода 204 типа звуковой катушки. Например, клапан 202 может содержать плунжер или поршень (явно не показано), выполненный с возможностью перемещения посредством части привода 204 типа звуковой катушки.

[0024] Центральный канал 114 бурильной трубы 110 проходит в подузел 116 и разделяется по меньшей мере на два канала: обходной канал 206 и впускной канал 208. Выпускной канал 210 доставляет буровой раствор от клапана 202 по направлению к буровому долоту 120 (фиг.1). Буровой раствор в выпускном канале 210 соединяют с буровым раствором из обходного канала 206. В других вариантах реализации обходной канал 206 может отсутствовать. Например, в полностью ограниченном клапане положительного давления обходной канал 206 может отсутствовать. В конфигурации с клапаном отрицательного давления выпускной канал может проникать в утяжеленную бурильную трубу подузла 116 в кольцевое пространство для отклонения части бурового раствора.

[0025] Блок 212 обработки связан с приводом 204 типа звуковой катушки. Блок 212 обработки соединен с одним или более датчиков 122 для приема данных от них. Блок 212 обработки может содержать один или более процессоров и одно или более запоминающих устройств, связанных с одним или более процессоров. Один или более процессоров и одно или более запоминающих устройств в общем обозначены цифрой 214. Блок 216 управления связан с одним или более процессоров и одним или более запоминающих устройств 214, и приводом 204 типа звуковой катушки. Блок 216 управления будет более подробно описан далее со ссылкой на фиг. 5 и 6.

[0026] Блок 218 питания может содержаться для предоставления электропитания к одному или более процессоров и одному или более запоминающих устройств 214, блоку 216 управления или приводу 204 типа звуковой катушки. Блок 218 питания может являться генератором, батареей или другим устройством. Передатчик 220 разности давлений может содержаться для измерения давления бурового раствора в клапане 202. Таким образом, передатчик 220 разности давлений выполнен с возможностью измерения давления на впускном канале 208 и выпускном канале 210. Полученная в результате разность давлений может быть доставлена к одному или более процессоров и одному или более запоминающих устройств 214 или блоку 216 управления.

[0027] Хотя на фиг. 3 изображена одна иллюстративная конфигурация клапана, следует понимать, что могут быть использованы различные конфигурации клапана.Однако все конфигурации клапана содержат привод типа звуковой катушки.

[0028] Со ссылкой на фиг. 3 представлена схематическая диаграмма иллюстративного неограничивающего варианта реализации привода 300 типа звуковой катушки, подходящего для использования в качестве привода 204 типа звуковой катушки на фиг. 2 для управления клапаном 202. На фиг. 3 представлена упрощенная диаграмма, изображающая основные идеи, и специалистам в данной области техники будет понятно, что возможны другие конфигурации. Более конкретно, на фиг. 3 представлен вид одного цилиндрического привода 300 типа звуковой катушки с разрезом вдоль своей оси и с удаленным участком. Привод 300 типа звуковой катушки содержит оболочку 302, которая может быть образована из магнитно-мягкого материала, и которая может быть выполнена в форме Е-образного цилиндрического элемента. Оболочка 302 образует форму “E” или “EP” с элементами: наружным элементом 308, обычно выполненным в цилиндрической форме, и элементом 309 центральной стойки. Привод 300 типа звуковой катушки также содержит постоянный магнит 312, соединенный по меньшей мере с частью внутреннего участка или поверхности 310 наружного элемента 308. Элемент 309 центральной стойки может быть соединен с постоянным магнитом, объединенным в пару с магнитом 312. Катушка 326 в цилиндрическом направлении намотана на держатель 320 катушки для передачи тока. Катушка 326 и держатель 320 катушки образуют арматуру привода в одном варианте реализации, хотя постоянный магнит 312 и оболочка 302 также могут образовывать арматуру. В любом из этих случаев небольшой воздушный зазор 323 образован между постоянным магнитом и держателем 320 катушки. Воздушный зазор 323 может быть наполнен маслом или другим смазочным веществом для охлаждения и смазки.

[0029] Держатель 320 катушки может быть изготовлен из различных материалов, без ограничения включая алюминиевый сплав, титан, сталь, керамику, композитные материалы и т.д. Соединительный элемент 332 плунжерного типа может быть использован для соединения держателя 320 катушки с одним или более компонентов клапана 202 (фиг. 2) для управления потоком или давлением через клапан 202. Магнитное поле показано линиями 334. Направление потока тока в катушках 326, т.е., тока катушки, влияет на направление усилия на соединительный элемент 332.

[0030] Привод 300 типа звуковой катушки образует электромагнитное поле, передаваемое к соединительному элементу 332. Усилие в настоящей системе использовано для перемещения одного или более компонентов клапана 202 для образования отрицательных или положительных перепадов или импульсов давления. Без привязки к теории, привод 300 типа звуковой катушки использует макроскопическую форму силы Лоренца, а именно, магнитную силу, воздействующую на проводник тока. Привод 300 типа звуковой катушки обычно содержит один или более постоянных магнитов 312, образующих магнитное поле, магнитопроводную оболочку 302, например, мягкую магнитопроводную оболочку, для образования магнитного поля с низким магнитным сопротивлением, одну или более катушек 326 для потока тока, взаимодействующего с магнитным полем, и держатель 320 катушки, обеспечивающий физическую опору катушки 326, а также выполняет функцию арматуры для передачи механического усилия к соединительному элементу 332.

[0031] Усилие, образованное приводом 300 типа звуковой катушки, может быть приблизительно выражено следующим уравнением:

[0032] F = N* B*I *ℓ (1),

[0033] где

[0034] ℓ выражает среднюю кольцевую длину катушки (катушек);

[0035] B выражает плотность магнитного потока;

[0036] I выражает ток катушки (катушек);

[0037] N выражает количество витков катушки (катушек); и

[0038] F выражает механическое усилие, прикладываемое к соединительному элементу 332.

[0039] Конфигурация 312 постоянного магнита может образовывать по существу однородное магнитное поле в воздушном зазоре 323, в котором катушка 326 и держатель 320 катушки выполнены с возможностью перемещения в осевом направлении. В соответствии с законом силы Лоренца, сила, воздействующая на катушку, выражена уравнением (1), приведенным ранее.

[0040] Сила привода типа звуковой катушки, F, имеет относительно простое соответствие, как показано в уравнении (1). Не принимая во внимание эффекта тока катушки на постоянный магнит 312, сила привода типа звуковой катушки является линейной функцией тока катушки. Кроме того, направление силы также зависит от направления тока. Эти характеристики могут обеспечить высокую степень управляемости привода 300 типа звуковой катушки.

[0041] Привод 300 типа звуковой катушки имеет высокую эффективность преобразования электроэнергии по сравнению со многими другими устройствами. Наблюдается только лишь изменение в плотности магнитного потока вследствие эффекта тока катушки, который может ослаблять или усиливать магнитное поле в зависимости от направления тока катушки. Это приводит к незначительной потере магнитного гистерезиса. Так как изменение плотности потока является незначительным, индуцированные потери от вихревых токов также намного меньше по сравнению с другими способами. Дополнительно, потери магнитной накапливаемой энергии отсутствуют. Дополнительно, более высокая энергоэффективность приводит к меньшему повышению температуры системы, что, в свою очередь, способствует уменьшению параметрического дрейфа магнитов.

[0042] Привод 300 типа звуковой катушки характеризуется хорошим отношением передаваемого усилия к размеру. При перемещении катушки 326 в воздушном зазоре, воздушный зазор не изменяется и, следовательно, может быть обеспечен минимальный воздушный зазор. Для определенного магнита может быть образовано более сильное магнитное поле по сравнению с соленоидами или другими способами. Посредством усложненной конструкции, направленной на поток, плотность потока в воздушном зазоре может быть еще выше, чем остаточное значение для магнитов 326. Образование более сильного магнитного поля обеспечивает лучшее соотношение силы к току. Механическая сила привода типа звуковой катушки имеет незначительную зависимость от положения катушки. Во время одного такта катушки механическая сила будет оставаться по существу однородной, при отсутствии изменения тока катушки.

[0043] Привод 300 типа звуковой катушки также характеризуется коротким временем отклика. Это обеспечивает возможность повышенной скорости передачи данных. Действительно, время отклика может составлять меньше миллисекунды. В отличие от других устройств, образующих механическую силу путем сохранения магнитной энергии в воздушном зазоре, которая обычно медленна вследствие высокой постоянной времени индуктора-резистора (LR) катушки, привод 300 типа звуковой катушки значительно быстрее. Привод 300 типа звуковой катушки образует свою механическую силу без хранения энергии, а, вместо этого, на основании взаимодействия тока катушки с постоянным магнитным полем. Также, импульсные телеметрические системы в настоящем описании переносить больше данных, чем другие системы, например, системы с соленоидным приводом, так как частота импульсов может быть значительно выше. Частота цикла привода 300 типа звуковой катушки может составлять 10 Гц или больше.

[0044] Привод 300 типа звуковой катушки может содержать легкую подвижную арматуру, образованную катушкой 326 и держателем 320 катушки. Так как через арматуру не проходит магнитное поле, для использования доступно множество материалов. Более легкие материалы арматуры приводят к более низкой инерции системы и, следовательно, меньшей требуемой силе. Привод 300 типа звуковой катушки может также предотвращать смещающие от центра воздействия, которые могут возникать в других устройствах.

[0045] Со ссылкой на фиг. 4, представлена схематическая диаграмма двух кривых при идеальных условиях (сопротивление не включено). Одна кривая 400 изображает силу, образованную приводом типа звуковой катушки. В этом случае, ордината количественно представляет силу, а абсцисса представляет относительное приведение в действие клапана, приводимого в действие приводом типа звуковой катушки. Вторая кривая 402 представляет скорость соединительного компонента или подвижного компонента в клапане. Скорость изображена качественно на оси ординат. Диаграмма изображает идеальную скорость оборотов вала относительно положения вала (приведение в действие), а также требуемой результирующей силы, воздействующей на вал в одном иллюстративном клапане.

[0046] В варианте реализации на фиг. 4 механическое воздействие на вал отсутствует, так как скорость уменьшается до нуля рядом с точкой 404 при полном приведении в действие. Таким образом исключается износ или повреждение клапана такого типа, присущие соленоидным клапанам. Сила изначально является положительной и по существу однородной на сегменте 406, а затем уменьшается на сегменте 408 и становится отрицательной, начиная с сегмента 410. Сила становится по существу однородной отрицательной на сегменте 412. Привод катушки может легко достигать этого изменения в направлении силы, так как направление механической силы зависит от направления магнитного поля и тока катушки.

[0047] Со ссылкой на фиг. 5, представлена схематическая диаграмма блока 500 обработки. Блок 500 обработки содержит один или более процессоров 502, связанных с одним или более запоминающих устройств 504 для образования элемента 506 обработки. Блок 500 обработки также содержит блок 508 управления. Элемент 506 обработки соединен с одним или более скважинных датчиков и может принимать данные от одного или более скважинных датчиков через входную шину510. Один или более процессоров 502 и одно или более запоминающих устройств 504 выполнены с возможностью выполнения многочисленных процессов. Например, один или более процессоров 502 и более запоминающих устройств 504 могут быть сконфигурированы или запрограммированы для осуществления таких функций, как преобразование некоторых или всех данных, полученных через входную шину 510 от датчиков, в бинарные данные, необходимые для использования на поверхности. Бинарные данные могут быть доставлены к блоку 508 управления, а блок управления может управлять приводом типа звуковой катушки посредством сигналов, доставляемых от выходной шины 512. Блок 508 управления обеспечивает необходимое перемещение привода типа звуковой катушки для приведения в действие клапана, например, клапана 202 на фиг.2, для передачи перепадов давления, содержащих данные, к поверхности или по меньшей мере по направлению к ней.

[0048] Со ссылкой на фиг. 6, представлена схематическая диаграмма цели иллюстративного варианта реализации блока 600 управления. Блок 602 питания обеспечивает электропитание блока 600 управления. Блок 602 питания может являться скважинным генератором, батареей или другим устройством. Электропитание доставляют к цифровому источнику тока или контроллеру 604. Цифровой источник 604 тока обычно преобразует ток высокого напряжения в низкое и управляет количеством тока, в конечном итоге доставляемого к приводу 606 типа звуковой катушки. Сила, образованная приводом 606 типа звуковой катушки, пропорциональна току, и, следовательно, путем управления количеством тока может быть обеспечено управление образованной силой. Может быть использован любой тип контроллера для тока.

[0049] Привод 606 типа звуковой катушки может прикладывать силу в двух направлениях в зависимости от направления приложения тока. Вариант блока 600 управления выполнен с возможностью изменения направления потока тока. В этом иллюстративном неограничивающем варианте реализации боковой привод 608 и основной контроллер 622 обеспечивают управление направлением тока, проходящего через привод 606 типа звуковой катушки. Боковой привод 608 используют с множеством однонаправленных коммутаторов 610, 612, 614 и 616. Коммутаторы 610, 612, 614 и 616 могут содержать одно или более из следующего: транзисторы, МОП-транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или другие коммутирующие устройства. Посредством управления коммутаторами, поток тока через привод 606 типа звуковой катушки может принимать одно из двух направлений. Например, один поток тока, образованный закрыванием коммутаторов 610, 616 и открыванием коммутаторов 612, 614; противоположный ток образован посредством закрывания612, 614 и открывания коммутаторов 610, 616.

[0050] Привод 606 типа звуковой катушки использует изменение направления силы для уменьшения итогового механического воздействия в клапанах, а блок 600 управления используют для способствования этой цели. Сила, образованная приводом 606 типа звуковой катушки, зависит от магнитного поля и тока катушки. Изменение направления силы может происходить от изменения направления поля или изменения направления тока. Учитывая относительно короткий такт вала,например, приблизительно 0,156 дюйма (0,39624 см) в одном иллюстративном варианте реализации, достаточно быстрое изменение направления магнитного поля является затруднено. Даже в случае его достижения, потеря магнитного гистерезиса и потеря от вихревых токов обеспечит увеличение значительное увеличение вследствие существенного изменения потока. С этой целью основной иллюстративный вариант реализации, описанный ранее, изменяет направление тока, что, в свою очередь, может быть осуществлено посредством источника тока или конструкции коммутатора цели. Последнее изображено на фиг. 6.

[0051] Как было указано ранее, на фиг. 6 представлен привод со схемой "полный мост" (full bridge drive), обеспечивающий возможность быстрого изменения направления тока. Вопрос заключается в том, когда следует изменять направление тока. Для ответа на этот вопрос, следует рассмотреть данные о перемещении, положении и скорости вала. Следовательно, подходящий пропорционально-интегрально-дифференциальный (PID) контроллер может быть реализован для точного управления приведением в действие. Однако такая точность может не требоваться, так как небольшая скорость вала или соединительного элемента в конце такта не образует существенного воздействия. В некоторых вариантах реализации, включая фиг. 5, для упрощения конструкции системы для управления может быть использован только датчик 618 скорости. Положение вала или соединительного элемента может быть выведено позднее посредством внешнего интегрирующего устройства 620 или внутренней цифровой обработки в основном контроллере 622.

[0052] Основной контроллер 622 может управлять цифровым источником 604 тока для задания используемого количества тока и управления боковым приводом 608 для управления направлением. Основной контроллер 622 принимает данные о скорости от датчика 618 скорости для вычисления предположительного положения привода, или может принимать данные о смещении от интегрирующего устройства 620. Дополнительно, ток рядом с приводом 606 типа звуковой катушки может быть измерен датчиком 624 тока.

[0053] Измеритель тока может образовывать часть управляющего контура цифрового источника тока. В этом случае основной контроллер 622, цифровой источник 604 тока и измеритель или датчик 624 тока встроены в один замкнутый управляющий контур. Датчик 624 тока выполняет функцию обратной связи управляющего контура. В другом случае датчик 624 ток может обеспечивать функциональность цифрового источника 604 тока и транзисторов 610, 612,614 и 616 для достижения лучшей надежности системы. Датчик 624 тока может быть реализован посредством резистора ответвленного тока, датчика холловского тока, магнитного или резистивного датчика или преобразователя тока.

[0054] Включение в блок 600 управления устройства для определения или приблизительного определения размещения арматуры или соединительного элемента в приводе 606 типа звуковой катушки может являться предпочтительным. Как указано, то может быть осуществлено посредством непосредственного измерения смещения или альтернативно, скорость может быть использована для вычисления приблизительного положения. В настоящем иллюстративном варианте реализации применен способ с использованием скорости, а блок 600 управления содержит датчик 618 скорости для определения скорости привода 606 типа звуковой катушки и, в частности, арматуры. Данные о скорости от датчика 618 скорости передают к основному контроллеру 622 или, при необходимости, к интегрирующему устройству 620. Интеграция данных о скорости для вычисления смещения может быть осуществлена основным контроллером 622 цифровым способом, или аналоговый сигнал может быть интегрирован посредством интегрирующего устройства 620. Датчик 618 скорости может быть контактным или бесконтактным. Первый из вышеупомянутых может являться измерительным устройством потенциала поля токов проводимости, а последний может являться цифровым устройством кодирования, магнитным счетно-решающим устройством или даже уменьшенной версией привода типа звуковой катушки (VCA), или другим устройством.

[0055] Это смещение используют для определения, когда обращать ток, и, таким образом, определения направления силы в приводе 606 типа звуковой катушки. Путем управления этим изменением, арматура или подвижные компоненты в клапане, связанные с приводом 606 типа звуковой катушки, могут избегать столкновения с другими поверхностями и, таким образом, избегать усталости или износа. Специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть использованы другие варианты реализации блока управления.

[0056] Со ссылкой на фиг. 7, представлена схематическая блок-схема иллюстративного варианта реализации одного способа 700 передачи данных, образованных в стволе скважины, к поверхностному блоку. Способ 700 содержит этап 702 расположения бурильной трубы в стволе скважины. По меньшей мере участок бурильной трубы содержит буровой раствор, проходящий колонной к поверхностному блоку. Способ 700 также содержит этап 704 расположения одного или более скважинных датчиков в стволе скважины, и этап 706 использования одного или более скважинных датчиков для образования данных, относящихся к некоторой характеристике ствола скважины или процесса бурения. Способ 700 также содержит этап 708 преобразования данных в цифровой формат для получения набора цифровых данных и этап 710 перемещения части клапана посредством привода типа звуковой катушки в ответ на управляющий сигнал для образования перепадов давления в буровом растворе, несущих набор цифровых данных через буровой раствор к поверхностному блоку. Другие способы будут понятны из настоящего описания.

[0057] В дополнение к описанным выше вариантам реализации, объем изобретения также включает многие примеры конкретныхсочетаний, некоторые из которых детализированы ниже.

[0058] Пример 1. Импульсная телеметрическая система для передачи цифровых данных от ствола скважины к поверхностному блоку, содержащая: бурильную трубу, расположенную в скважине, содержащую передний по ходу конец и вмещающую по меньшей мере в части буровой раствор; один или более скважинных датчиков; блок обработки, соединенный с одним или более скважинных датчиков; клапан, соединенный по текучей среде с буровым раствором для регулирования давления в бурильной трубе рядом с передним по ходу концом для обуславливания перепадов давления в буровом растворе в бурильной трубе для передачи данных по буровому раствору; причем клапан содержит привод типа звуковой катушки для образования перепадов давления в буровом растворе.

[0059] Пример 2. Импульсная телеметрическая система в соответствии с примером 1, описанным ранее, в которой блок обработки содержит по меньшей мере один процессор и по меньшей мере одно запоминающее устройство, связанное с указанным процессором, причем по меньшей мере один процессор и по меньшей мере одно запоминающее устройство выполнены с возможностью осуществления следующих этапов: получения данных от одного или более датчиков; образования цифрового отображения по меньшей мере некоторых данных; и отправления сигнала управления приводу типа звуковой катушки, модулирующему перепады давления в буровом растворе в соответствии с цифровыми данными.

[0060] Пример 3. Импульсная телеметрическая система в соответствии с примером 1, описанным ранее, или примером 2, в которой привод типа звуковой катушки содержит держатель катушки, соединенный с плунжером клапана для образования уплотнения в клапане. Держатель катушки может быть изготовлен из алюминия, титана или другого материала.

[0061] Пример 4. Импульсная телеметрическая система в соответствии с примером 1, описанным ранее, или примерами 2 или 3, в которой клапан выполнен с возможностью приема усилия закрывания от привода типа звуковой катушки и усилия открывания от привода типа звуковой катушки в пределах временного промежутка, составляющего менее одной секунды.

[0062] Пример 5. Система в соответствии с примером 1 или любым из примеров 2 или 3, в которой клапан выполнен с возможностью приема усилия закрывания от привода типа звуковой катушки и усилия открывания от привода типа звуковой катушки в пределах временного промежутка, составляющего менее 5 - 10 миллисекунд.

[0063] Пример 6. Система в соответствии с примером 1 или любым из примеров 2-5, в которой привод типа звуковой катушки содержит: один или более постоянных магнитов; оболочку; держатель катушки; катушку, связанную по меньшей мере с частью держателя катушки; и причем один или более постоянных магнитов являются неподвижными, а держатель катушки выполнен с возможностью перемещения относительно одного или более постоянных магнитов и соединен с частью клапана для перемещения компонента в клапане.

[0064] Пример 7. Система в соответствии с примером 1 или любым из примеров 2-5, в которой привод типа звуковой катушки содержит: один или более постоянных магнитов; оболочку; держатель катушки; катушку, связанную по меньшей мере с частью держателя катушки; и причем держатель катушки является неподвижным, а один или более постоянных магнитов соединены с частью клапана для перемещения компонента в клапане и выполнены с возможностью перемещения относительно держателя катушки.

[0065] Пример 8. Система в соответствии с примером 1 или любым из примеров 3-7, в которой блок обработки содержит блок управления, и в которой блок управления содержит: цифровой источник тока для управления количеством тока, доставляемого к приводу типа звуковой катушки; и основной контроллер и боковой привод для управления направлением тока, проходящего через привод типа звуковой катушки.

[0066] Пример 9. Система в соответствии с примером 1 или любым из предыдущих примеров, в которой один или более скважинных датчиков содержат одно или более из следующего: датчик гамма-излучения, компасный датчик, датчик передней поверхности инструмента, датчик давления в стволе скважины, датчик температуры, датчик вибрации, ударный датчик и датчик крутящего момента, датчик проницаемости, датчик плотности и датчик сопротивляемости.

[0067] Пример 10. Способ передачи данных, образованных в стволе скважины, к поверхностному блоку, содержащий: расположение бурильной трубы в стволе скважины, причем по меньшей мере часть бурильной трубы содержит буровой раствор, проходящий колонной к поверхностному блоку, расположение одного или более скважинных датчиков в стволе скважины, использование одного или более скважинных датчиков для образования данных, характеризующих некоторую характеристику ствола скважины или процесса бурения; преобразование по меньшей мере части данных в цифровой формат для получения набора цифровых данных; и перемещение части клапана посредством привода типа звуковой катушки в ответ на управляющий сигнал для образования перепадов давления в буровом растворе, несущих по меньшей мере часть набора цифровых данных через буровой раствор к поверхностному блоку.

[0068] Пример 11. Способ в соответствии с примером 10, в котором привод типа звуковой катушки содержит держатель катушки, соединенный с плунжером клапана для образования уплотнения в клапане.

[0069] Пример 12. Способ в соответствии с примером 10, в котором клапан получает усилие закрывания от привода типа звуковой катушки и усилие открывания от привода типа звуковой катушки в пределах временного промежутка, составляющего менее одной секунды.

[0070] Пример 13. в котором клапан получает усилие закрывания от привода типа звуковой катушки и усилие открывания от привода типа звуковой катушки в пределах временного промежутка, составляющего менее 5-10 миллисекунд.

[0071] Пример 14. Способ в соответствии с примером 10, в котором привод типа звуковой катушки содержит: один или более постоянных магнитов; оболочку; держатель катушки; катушку, связанную по меньшей мере с частью держателя катушки; причем один или более постоянных магнитов являются неподвижными, держатель катушки выполнен с возможностью перемещения относительно одного или более постоянных магнитов при нахождении звуковой катушки в приведенном состоянии; причем держатель катушки соединен с частью клапана для перемещения компонента в клапане; и причем перемещение части клапана посредством привода типа звуковой катушки включает перемещение держателя катушки для перемещения части клапана.

[0072] Пример 15. Система в соответствии с примером 10, в которой привод типа звуковой катушки содержит: один или более постоянных магнитов; оболочку; держатель катушки; катушку, связанную по меньшей мере с частью держателя катушки; причем держатель катушки является неподвижным, а один или более постоянных магнитов соединены с частью клапана для перемещения компонента в клапане и выполнены с возможностью перемещения относительно держателя катушки; и причем перемещение части клапана посредством привода типа звуковой катушки содержит перемещение одного или более постоянных магнитов для перемещения части клапана.

[0073] Пример 16. Способ в соответствии с примером 10 или любым из примеров 11-15, в котором блок обработки содержит блок управления, и в котором блок управления содержит: цифровой источник тока для управления количеством тока, доставляемого к приводу типа звуковой катушки; и основной контроллер и боковой привод для управления направлением тока, проходящего через привод типа звуковой катушки.

[0074] Пример 17. Способ в соответствии с примером 10 или любым из примеров 11-16, в котором этап расположения одного или более скважинных датчиков в стволе скважины содержит расположение одного или более из следующего: датчик гамма-излучения, компасный датчик, датчик передней поверхности инструмента, датчик давления в стволе скважины, датчик температуры, датчик вибрации, ударный датчик и датчик крутящего момента, датчик проницаемости, датчик плотности и датчик сопротивляемости.

[0075] Пример 18. Способ изготовления скважинного импульсного телеметрического блока, содержащий: образование клапана, связанного с бурильной трубой для образования перепадов давления буровым раствором; и соединение привода типа звуковой катушки с клапаном для перемещения по меньшей мере части клапана.

[0076] Пример 19. Способ в соответствии с примером 18, дополнительно содержащий электрическое соединение блока обработки с приводом типа звуковой катушки.

[0077] Пример 20. Способ в соответствии с примером 18, в котором привод типа звуковой катушки содержит держатель катушки, соединенный с плунжером клапана для образования уплотнения в клапане.

[0078] Несмотря на то, что настоящее изобретение и его преимущества были описаны в контексте определенных иллюстративных неограничивающих вариантов реализации, следует понимать, что различные изменения, замены, сочетания и исправления могут быть осуществлены без отклонения от объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения. Следует понимать, что любая характерная особенность, описанная в сочетании с любым вариантом реализации, может быть также применима к любому другому варианту реализации.

[0079] Следует понимать, что полезный эффект и преимущества, описанные ранее, могут относиться к одному варианту реализации или могут относиться к нескольким вариантам реализации. Также следует понимать, что использование элемента в единственном числе включает один или более таких элементов.

[0080] Этапы способов, описанных в настоящем описании, могут быть осуществлены в любом подходящем порядке или одновременно там, где это возможно.

[0081] Там, где это возможно, аспекты любого из примеров, описанных ранее, могут быть совмещены с аспектами других описанных примеров с образованием других примеров, имеющих сопоставимые или другие свойства, и решающих эти же или другие задачи.

[0082] Следует понимать, что предшествующее описание предпочтительных вариантов реализации подается исключительно в качестве примера, и что различные изменения могут быть осуществлены специалистами в данной области техники. Предыдущее описание, примеры и данные обеспечивают полное описание структуры и применения приведенных в качестве примера вариантов реализации изобретения. Хотя различные варианты реализации были описаны ранее достаточно подробно или со ссылкой на один или более частных вариантов реализации, специалисты в данной области техники смогут осуществить множественные изменения в раскрытых вариантах реализации без отклонения от объема формулы изобретения.

1. Импульсная телеметрическая система для передачи цифровых данных от ствола скважины к поверхностному блоку, содержащая:

бурильную трубу, расположенную в скважине, содержащую передний по ходу конец и вмещающую по меньшей мере в части буровой раствор;

один или более скважинных датчиков;

блок обработки, соединенный с одним или более скважинных датчиков;

клапан, соединенный по текучей среде с буровым раствором для регулирования давления в бурильной трубе рядом с передним по ходу концом для обуславливания перепадов давления в буровом растворе для передачи данных через буровой раствор;

причем клапан содержит привод типа звуковой катушки для образования перепадов давления в буровом растворе, причем блок обработки содержит датчик скорости, выполненный с возможностью измерения скорости привода типа звуковой катушки и при этом блок обработки выполнен с возможностью управления положением привода типа звуковой катушки на основе измеренной скорости.

2. Система по п. 1, в которой блок обработки содержит по меньшей мере один процессор и по меньшей мере одно запоминающее устройство, связанное с указанным процессором, причем по меньшей мере один процессор и по меньшей мере одно запоминающее устройство выполнены с возможностью осуществления следующих этапов:

получения данных от одного или более датчиков;

образования цифрового отображения по меньшей мере некоторых данных; и

отправления сигнала управления приводу типа звуковой катушки, модулирующему перепады давления в буровом растворе в соответствии с цифровыми данными.

3. Система по п. 1, в которой привод типа звуковой катушки содержит держатель катушки, соединенный с плунжером клапана для образования уплотнения в клапане.

4. Система по п. 1, в которой привод типа звуковой катушки выполнен с возможностью передачи усилия закрывания части клапана и усилия открывания части клапана в пределах временного промежутка, составляющего менее одной секунды.

5. Система по п. 1, в которой привод типа звуковой катушки выполнен с возможностью передачи усилия закрывания части клапана и усилия открывания части клапана в пределах временного промежутка, составляющего менее 0,3 с.

6. Система по п. 1, в которой привод типа звуковой катушки содержит:

один или более постоянных магнитов;

оболочку;

держатель катушки;

катушку, связанную по меньшей мере с частью держателя катушки; и

причем один или более постоянных магнитов являются неподвижными, а держатель катушки выполнен с возможностью перемещения относительно одного или более постоянных магнитов и соединен с частью клапана для перемещения компонента в клапане.

7. Система по п. 1, в которой привод типа звуковой катушки содержит:

один или более постоянных магнитов;

оболочку;

держатель катушки;

катушку, связанную по меньшей мере с частью держателя катушки; и

причем держатель катушки является неподвижным, а один или более постоянных магнитов соединены с частью клапана для перемещения компонента в клапане и выполнены с возможностью перемещения относительно держателя катушки.

8. Система по п. 1, в которой блок обработки содержит блок управления и в которой блок управления содержит:

цифровой источник тока для управления количеством тока, доставляемого к приводу типа звуковой катушки; и

основной контроллер и боковой привод для управления направлением тока, проходящего через привод типа звуковой катушки.

9. Система по п. 1, в которой один или более скважинных датчиков содержат одно или более из следующего: датчик гамма-излучения, компасный датчик, датчик передней поверхности инструмента, датчик давления в стволе скважины, датчик температуры, датчик вибрации, ударный датчик и датчик крутящего момента, датчик проницаемости, датчик плотности и датчик сопротивляемости.

10. Способ передачи данных, образованных в стволе скважины, к поверхностному блоку, содержащий:

расположение бурильной трубы в стволе скважины, причем по меньшей мере часть бурильной трубы содержит буровой раствор, проходящий колонной к поверхностному блоку,

расположение одного или более скважинных датчиков в стволе скважины,

использование одного или более скважинных датчиков для образования данных, характеризующих некоторую характеристику ствола скважины или процесса бурения;

преобразование по меньшей мере части данных в цифровой формат для получения набора цифровых данных; и

перемещение части клапана посредством привода типа звуковой катушки в ответ на управляющий сигнал для образования перепадов давления в буровом растворе, несущих по меньшей мере часть набора цифровых данных через буровой раствор к поверхностному блоку, и

управления положением привода типа звуковой катушки на основе измеряемой скорости привода типа звуковой катушки.

11. Способ по п. 10, в котором привод типа звуковой катушки содержит держатель катушки, соединенный с плунжером клапана для образования уплотнения в клапане.

12. Способ по п. 10, в котором клапан получает усилие закрывания от привода типа звуковой катушки и усилие открывания от привода типа звуковой катушки в пределах временного промежутка, составляющего менее одной секунды.

13. Способ по п. 10, в котором клапан получает усилие закрывания от привода типа звуковой катушки и усилие открывания от привода типа звуковой катушки в пределах временного промежутка, составляющего менее 0,3 с.

14. Способ по п. 10, в котором привод типа звуковой катушки содержит:

один или более постоянных магнитов;

оболочку;

держатель катушки;

катушку, связанную по меньшей мере с частью держателя катушки;

причем один или более постоянных магнитов являются неподвижными, держатель катушки выполнен с возможностью перемещения относительно одного или более постоянных магнитов при нахождении звуковой катушки в приведенном состоянии;

причем держатель катушки соединен с частью клапана для перемещения компонента в клапане; и

причем перемещение части клапана посредством привода типа звуковой катушки включает перемещение держателя катушки для перемещения части клапана.

15. Способ по п. 10, в которой привод типа звуковой катушки содержит:

один или более постоянных магнитов;

оболочку;

держатель катушки;

катушку, связанную по меньшей мере с частью держателя катушки;

причем держатель катушки является неподвижным, а один или более постоянных магнитов соединены с частью клапана для перемещения компонента в клапане и выполнены с возможностью перемещения относительно держателя катушки; и

причем перемещение части клапана посредством привода типа звуковой катушки содержит перемещение одного или более постоянных магнитов для перемещения части клапана.

16. Способ по п. 10, в котором блок обработки содержит блок управления, и в котором блок управления содержит:

цифровой источник тока для управления количеством тока, доставляемого к приводу типа звуковой катушки; и

основной контроллер и боковой привод для управления направлением тока, проходящего через привод типа звуковой катушки.

17. Способ по п. 10, в котором этап расположения одного или более скважинных датчиков в стволе скважины содержит расположение одного или более из следующего:

датчик гамма-излучения, компасный датчик, датчик передней поверхности инструмента, датчик давления в стволе скважины, датчик температуры, датчик вибрации, ударный датчик и датчик крутящего момента, датчик проницаемости, датчик плотности и датчик сопротивляемости.