馬達控制系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]從被稱為儲層的地下地質(zhì)巖層獲得烴類流體(例如，石油和天然氣)。在各種井操作中，使用泥漿馬達將流動泥漿轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動。旋轉(zhuǎn)運動可被用于在鉆探操作期間驅(qū)動鉆頭。泥漿馬達通常被設(shè)計為采用在相應(yīng)定子內(nèi)的螺旋轉(zhuǎn)子的莫諾(Moineau)馬達(即，螺桿馬達)。螺旋轉(zhuǎn)子由在螺旋轉(zhuǎn)子與相應(yīng)定子之間經(jīng)過泥漿馬達的流體流旋轉(zhuǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002]一般來說，本發(fā)明提供了一種通過利用轉(zhuǎn)子和相應(yīng)定子系統(tǒng)來控制裝置的致動的系統(tǒng)和方法。轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地安裝于定子系統(tǒng)中，并且轉(zhuǎn)子相對于定子系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)與在轉(zhuǎn)子與定子系統(tǒng)之間通過的流體的體積置換相關(guān)。采用控制系統(tǒng)來控制轉(zhuǎn)子的角位移和/或扭矩。
[0003]然而，在實質(zhì)上不脫離本發(fā)明公開的教導(dǎo)的情況下，許多修改是可能的。因此，這些修改旨在包括在如權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明公開的范圍內(nèi)。
【附圖說明】
[0004]下文將參照附圖描述某些實施例，其中類似的附圖標記指示類似的元件。然而，應(yīng)理解，附圖示出了本文中所述的各種實施方案，且并非意在限制本文中所述的各種技術(shù)的范圍，并且:
[0005]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的其中可采用致動控制系統(tǒng)的實施例來控制可致動裝置的致動的井場系統(tǒng)；
[0006]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的致動控制系統(tǒng)的示例的示意圖；
[0007]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的聯(lián)接到可致動裝置的致動控制系統(tǒng)的示例的示意圖；
[0008]圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的可與本文中所述的致動控制系統(tǒng)一起使用的控制器的示意圖；
[0009]圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的致動控制系統(tǒng)的另一示例的示意圖；
[0010]圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的致動控制系統(tǒng)的另一示例的示意圖；
[0011]圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例的致動控制系統(tǒng)的另一示例的示意圖；
[0012]圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施例的致動控制系統(tǒng)的另一示例的示意圖；
[0013]圖9是根據(jù)本發(fā)明的實施例的被部署成感應(yīng)關(guān)于致動控制系統(tǒng)的操作的參數(shù)的多個傳感器的圖；
[0014]圖10是根據(jù)本發(fā)明的實施例的致動控制系統(tǒng)的另一示例的示意圖；
[0015]圖11是根據(jù)本發(fā)明的實施例的致動控制系統(tǒng)的另一示例的示意圖；
[0016]圖12是根據(jù)本發(fā)明的實施例的致動控制系統(tǒng)的另一示例的示意圖；
[0017]圖13是根據(jù)本發(fā)明的實施例的旋轉(zhuǎn)限制系統(tǒng)的示例的示意圖；和
[0018]圖14是根據(jù)本發(fā)明的實施例的致動控制系統(tǒng)的另一示例的示意圖。
【具體實施方式】
[0019]在以下描述中，陳述了眾多細節(jié)，以提供對本發(fā)明公開的一些實施例的理解。然而，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，可在無這些細節(jié)的情況下實施所述系統(tǒng)和/或方法，并且來自所述實施例的眾多變化或修改可以是可能的。
[0020]在本文中本發(fā)明一般來說涉及一種關(guān)于通過采用螺桿組件控制可致動裝置的致動的系統(tǒng)和方法。舉例來說，螺桿組件可以是利用轉(zhuǎn)子和相應(yīng)定子系統(tǒng)的莫諾組件的形式。轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地安裝于定子系統(tǒng)中，并且轉(zhuǎn)子相對于定子系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)與在轉(zhuǎn)子與定子系統(tǒng)之間通過的流體的體積置換相關(guān)。舉例來說，螺桿馬達可通過流經(jīng)螺桿馬達的流體來操作；并且螺桿泵可被操作成致使流體流經(jīng)該螺桿泵。采用控制系統(tǒng)來控制轉(zhuǎn)子的角位移和/或扭矩。
[0021]控制系統(tǒng)使得能夠在各種應(yīng)用中使用該組件，該組件可利用對施加于可致動裝置上的角位移和/或扭矩的更精確的控制。在一些應(yīng)用中，控制系統(tǒng)與泥漿馬達協(xié)同操作，以形成總體伺服式致動控制系統(tǒng)。可使用總體致動控制系統(tǒng)來控制輸出軸的旋轉(zhuǎn)速度和角度。在許多應(yīng)用中，可采用總體致動控制系統(tǒng)作為能夠?qū)崿F(xiàn)精確角位置、角速度和扭矩輸出控制的高保真旋轉(zhuǎn)伺服。在一些井眼鉆探操作中，由總體致動控制系統(tǒng)的泥漿馬達提供的致動控制可與鉆機泵控制系統(tǒng)結(jié)合。
[0022]參照圖1，示出了其中在井操作中采用致動控制系統(tǒng)來控制井部件的致動的示例。然而，可在各種系統(tǒng)和應(yīng)用(其是井相關(guān)的或非井相關(guān)的)中采用致動控制系統(tǒng)來提供對角位置、角速度和/或扭矩輸出的控制。相對于這些特性提供的控制能夠使用該致動控制系統(tǒng)，以用于致動/控制各種裝置。
[0023]在圖1中所示的示例中，井系統(tǒng)30被示為包括部署于井眼34中的井柱32 (例如，鉆柱)。井柱32可包括被設(shè)計成執(zhí)行預(yù)期鉆探操作、維護操作、生產(chǎn)操作和/或其它井相關(guān)的操作的操作性系統(tǒng)36。在鉆探應(yīng)用中，例如，操作性系統(tǒng)36可包括具有可導(dǎo)向鉆探系統(tǒng)的井下組件。操作性系統(tǒng)36還包括與可致動裝置40操作地聯(lián)接的致動控制系統(tǒng)38。如下文更詳細地描述，致動控制系統(tǒng)38采用螺桿系統(tǒng)(例如，泥漿馬達或泥漿泵系統(tǒng))來提供對可致動部件40的預(yù)定控制。然而，應(yīng)指出的是，僅出于解釋的目的而提供所示的布置，并且可在給定系統(tǒng)中采用許多其它大小、類型和布置的部件。舉例來說，可致動部件40可具有較小的直徑或大小，并且可設(shè)置于或部分地設(shè)置于致動控制系統(tǒng)38內(nèi)，例如，部件40可以是各種類型的內(nèi)部部件。在其它應(yīng)用中，可致動部件40可設(shè)置于控制系統(tǒng)38上方或相對于控制系統(tǒng)38的其它位置處。
[0024]在鉆探應(yīng)用中，可致動裝置40可包括使得其角速度和/或扭矩輸出由致動控制系統(tǒng)38控制的鉆頭。然而，可在具有各種可致動裝置40的各種系統(tǒng)和應(yīng)用中使用致動控制系統(tǒng)38。舉例來說，致動控制系統(tǒng)38可以是用以控制例如彎殼體泥漿馬達形式的可致動裝置40的工具面的精確定向器。在一些應(yīng)用中，致動控制系統(tǒng)38可連接到隨鉆測量系統(tǒng)和/或隨鉆測井系統(tǒng)。系統(tǒng)38和裝置40還可包括用于控制導(dǎo)向系統(tǒng)(例如，美國專利US6, 109, 372和US6，837，315中描述的導(dǎo)向系統(tǒng))的以泥漿馬達為動力的鉆頭軸伺服機構(gòu)。在其它應(yīng)用中，致動控制系統(tǒng)38可包括被采用于給泥漿脈沖遙測笛供應(yīng)動力的泥漿馬達。另一示例利用系統(tǒng)38的泥漿馬達作為用于“被供動力的”非旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定器式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的伺服偏心偏移距。致動控制系統(tǒng)38還可被用于實現(xiàn)對用于預(yù)期巖石鉆頭相互作用的鉆頭的高水平RPM和扭矩控制。
[0025]在其它應(yīng)用中，致動控制系統(tǒng)38可被用作主動旋轉(zhuǎn)聯(lián)接，以在仍傳輸扭矩的瞬時隔離可致動裝置40 (例如，將井下組件與鉆柱隔離)。致動控制系統(tǒng)38的螺桿系統(tǒng)還可被用作用于控制壓力鉆探和當(dāng)量循環(huán)密度控制的精密井下泵。系統(tǒng)38還可包括其中伺服泥漿馬達驅(qū)動絲杠以控制推進器形式的可致動裝置40的精密軸向推進器。類似地，致動控制系統(tǒng)38的泥漿馬達可被用作被設(shè)計的井下組件鉆探牽引系統(tǒng)的動力裝置，以使高保真牽引控制允許精細的穿透速度控制。在一些應(yīng)用中，致動控制系統(tǒng)38包括用于驅(qū)動沖擊錘系統(tǒng)形式的可致動裝置40的頻率/RPM控制驅(qū)動機構(gòu)。系統(tǒng)38還可被用作輸入到交流發(fā)電機的受控的旋轉(zhuǎn)輸入，該交流發(fā)電機能夠?qū)υ谟辛髁孔兓那樾沃芯S持的速度變化實現(xiàn)基本控制。致動控制系統(tǒng)38的螺桿系統(tǒng)還可被用作旋轉(zhuǎn)錘。因此，致動控制系統(tǒng)38和可致動裝置40可被構(gòu)成關(guān)于井和非井應(yīng)用的各種配置和系統(tǒng)。
[0026]在鉆探應(yīng)用中，鉆鋌或鉆頭速度中的波動可由于扭轉(zhuǎn)擾動而在鉆探期間出現(xiàn)，并且這些波動(例如，速度下降)可導(dǎo)致產(chǎn)生鉆探系統(tǒng)(例如，井下組件、鉆鋌、鉆頭)或其它系統(tǒng)的實際運動與預(yù)期的角運動(其中運動被解釋為位置、速度、加速度和/或復(fù)雜曲線)之間的角運動誤差的積累。鉆探過程涉及產(chǎn)生復(fù)雜擾動波的許多扭轉(zhuǎn)變化源，該復(fù)雜擾動波沿著井柱向上和向下流動并且經(jīng)過井柱中的任何機構(gòu)(例如，上文所述的各種可致動裝置40)。扭矩波還可導(dǎo)致管道卷曲，因此導(dǎo)致彎殼體泥漿馬達的定子旋轉(zhuǎn)并且進一步干擾工具面的角度方位。在鉆探應(yīng)用中，擾動源包含來自鉆頭的反扭矩、鉆柱中的其它泥漿馬達、穿過不同類型地層的鉆探以及其它環(huán)境和系統(tǒng)特性。致動控制系統(tǒng)38減小或除去這些不合需要的角運動和扭矩。
[0027]通過提供控制點(例如，彎殼體馬達)局部的控制動作，而非依靠例如響應(yīng)于通過傳統(tǒng)泥漿脈沖遙測傳遞的馬達速度測量結(jié)果而改變地面泥漿泵的速度，致動控制系統(tǒng)38的使用提供了快速“抵制”扭矩擾動的能力。泥漿流經(jīng)整個鉆探系統(tǒng)，所以以不規(guī)則方式阻塞或泄漏流體的鉆柱中的任何裝置也在輸入到連接于鉆柱的任何泥漿致動裝置(例如，泥漿馬達)的輸入處產(chǎn)生壓力波動，這又導(dǎo)致流動變化，所述流動變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的角度波動。這些源的示例包括鉆機泵速度的波動、利用正/負壓力脈沖的遙測方法、通過使鉆機泵速度變化實現(xiàn)的遙測下行鏈路、管下擴眼器的打開/關(guān)閉、鉆頭接觸井底與/否、鉆柱中的其它馬達、落球裝置、到環(huán)空的分流、鉆探泥漿成分的更改和其它源。利用致動控制系統(tǒng)38通過提供螺桿馬達/泵局部的控制，在井下抵制和修改這些影響。在鉆桿的表面旋轉(zhuǎn)影響控制的保真度的一些應(yīng)用中，鉆機的轉(zhuǎn)盤可被操作成調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)以匹配致動控制系統(tǒng)38處的井下參數(shù)。然而，致動控制系統(tǒng)38的泥漿馬達或其它螺桿系統(tǒng)的局部控制實現(xiàn)了較高水平的控制保真度。
[0028]通常參照圖2，以螺桿系統(tǒng)42和相關(guān)的局部控制系統(tǒng)44的形式示出了致動控制系統(tǒng)38的示例。取決于應(yīng)用不同，螺桿系統(tǒng)42可以是螺桿馬達或螺桿泵的形式。在所示的示例中，螺桿系統(tǒng)42包括可旋轉(zhuǎn)地接納在定子或定子系統(tǒng)48內(nèi)的轉(zhuǎn)子46。定子系統(tǒng)48可被設(shè)計有可旋轉(zhuǎn)地安裝于鉆鋌52內(nèi)的定子套50。螺桿系統(tǒng)42被設(shè)計成允許動力流體(例如，泥漿)流經(jīng)螺桿系統(tǒng)42 (例如，泥漿馬達)，同時允許定子套50以經(jīng)由控制系統(tǒng)44控