專利名稱：一種改進(jìn)的取芯鉆頭馬達(dá)和用于獲取物質(zhì)芯樣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種改進(jìn)的取芯鉆頭馬達(dá)和一種用于從鉆井的側(cè)壁獲取物質(zhì)芯樣的方法。
取芯通常是通過工具切削切下物質(zhì)的一內(nèi)部的部分之過程。雖然一些較軟的物質(zhì)可以通過將一取芯樣套筒直移地壓入物質(zhì)如土壤或瀝青中來取樣，但較硬的物質(zhì)一般需要用旋轉(zhuǎn)的取芯鉆頭來切削；亦即采用具有繞鉆頭圓周的切削端設(shè)置的切削齒之中空的圓柱形鉆頭。取得的芯物質(zhì)通常收集在可從井筒中收回的取芯裝置內(nèi)。取芯一般用于排除不想要的物質(zhì)部分或獲取有代表性的物質(zhì)樣品供分析以便得到關(guān)于其物理性能的信息。取芯廣泛地用于確定在礦物或石油的勘探和開發(fā)中遇到的井下地質(zhì)構(gòu)造的物理性能。
為獲取天然存在的碳?xì)浠衔镱惗@出的井的傳統(tǒng)的取芯采用連接于鉆具組端部的取芯鉆頭和芯圓筒來進(jìn)行。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的取芯鉆頭穿透有價值的構(gòu)造時芯被收集在芯圓筒內(nèi)。這種取芯過程基本上中斷了正常的鉆井過程，因為必須從鉆具組端部卸去鉆頭而代之以取芯鉆頭。以這種方式取芯可能是很費時間和費錢的。然而，這種方法通常對于以這種方式鉆穿的所有構(gòu)造都可保證獲取芯樣的高的成動力。
傳統(tǒng)的側(cè)壁旋轉(zhuǎn)取芯的特征是采用一取芯鉆頭，其具有中空的圓柱形結(jié)構(gòu)和繞一開口端的圓周接合的切削齒。取芯鉆頭通常在其壓到井的側(cè)壁時繞其軸線旋轉(zhuǎn)。當(dāng)從側(cè)壁上切下一芯樣時，芯樣被容納于由取芯鉆頭的內(nèi)壁所限定的中空圓筒內(nèi)。取芯鉆頭的最佳旋轉(zhuǎn)速度和加在鉆頭上的最佳的力(將鉆頭推入側(cè)壁的軸向力的大小)通常由被取芯的構(gòu)造類型和由取芯鉆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于地殼內(nèi)多孔的地質(zhì)構(gòu)造深度。有價值的構(gòu)造在鉆井中可以采用取芯工具來勘測以便獲取有代表性的、取自鄰接于有價值的構(gòu)造的井壁的巖石樣品。該有代表性的巖石樣品通常是采用中空的圓柱形取芯鉆頭從構(gòu)造中取的芯。通常側(cè)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并收回于取芯工具內(nèi)以待輸送到表面。
芯樣的分析和研究可以使工程師和地質(zhì)學(xué)家評估重要的構(gòu)造參數(shù)，例如儲藏量(孔隙度)、構(gòu)成構(gòu)造的巖石的流動潛力(滲透度)、可獲取的存在于構(gòu)造中的碳?xì)浠衔镱惢虻V物的組分，以及巖石的殘余水飽和度。這些評估值對其后的設(shè)計和充分完整的程序的實施是決定性的，該程序使得可以開采各選定的構(gòu)造和區(qū)域，而這些構(gòu)造和區(qū)域是根據(jù)由芯樣得到的數(shù)據(jù)說明在經(jīng)濟(jì)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于傳統(tǒng)的側(cè)壁取芯。通常有兩種取芯方法和裝置，即旋轉(zhuǎn)取芯和沖擊取芯。本發(fā)明的目的在于旋轉(zhuǎn)取芯，由于獲取的芯樣的優(yōu)質(zhì)這是更優(yōu)選的方法。
側(cè)壁的旋轉(zhuǎn)取芯通常涉及將中空的圓柱形取芯鉆頭的開口的和露出的圓周切削頭壓到井壁上并旋轉(zhuǎn)取芯鉆頭以促使在前端進(jìn)行切削。取芯工具在有價值的區(qū)域或構(gòu)造借助靠近井壁定向的旋轉(zhuǎn)芯鉆頭保護(hù)而不受井壁的影響。取芯鉆頭遠(yuǎn)離取芯工具軸線并朝著井壁方向徑向向外展開。
取芯鉆頭通常通過一可延長的軸或機(jī)械聯(lián)動裝置連接于取芯馬達(dá)。該軸或聯(lián)動裝置朝著側(cè)壁方向軸向推進(jìn)旋轉(zhuǎn)取芯鉆頭以使取芯鉆頭的切削頭接觸側(cè)壁。取芯鉆頭通過排除圓柱形切削區(qū)域內(nèi)的巖石穿入側(cè)壁。取芯鉆頭的圓周切削頭具有許多齒并且往往鑲嵌有硬質(zhì)合金、鉆石或其他具有用于切削巖石的高級硬度的材料。
在進(jìn)行切削芯樣的過程中圓柱形芯樣被容納于取芯鉆頭的內(nèi)部。在得到要求的長度的芯樣以后，芯樣通過在取芯鉆頭的開口的切削頭內(nèi)斷開留下的連結(jié)(徑向截面)而脫離構(gòu)造巖石。芯鉆頭和其中的芯樣通過將用于將取芯鉆頭延伸到其展開的位置的軸或聯(lián)動裝置退回而被收回于取芯工具內(nèi)。收回的芯樣可以從取芯鉆頭中排入取芯工具內(nèi)以便可以使用取芯鉆頭來在同一或不同的深度獲取以后的樣品。
旋轉(zhuǎn)取芯是優(yōu)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沖擊取芯法中的斷裂和凝結(jié)。然而，有效的旋轉(zhuǎn)取芯法要求有效地使用有限的空間。因為為了獲取一傳統(tǒng)的側(cè)壁芯樣需要許多部件和機(jī)械的操作，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)側(cè)壁取芯存在許多與可利用的井下之有限的空間相關(guān)的問題。當(dāng)成功地將井鉆到較深的構(gòu)造時，并且當(dāng)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(xì)長，從而為傳統(tǒng)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(cè)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。芯樣的長度受限于取芯鉆頭的沖程或行程。也就是說，從取芯鉆頭的切削齒開始接觸側(cè)壁的時間起，進(jìn)入側(cè)壁的最大軸向位移由取芯工具的機(jī)械特性決定。
現(xiàn)有技術(shù)的取芯工具的機(jī)械結(jié)構(gòu)由幾個不同的參數(shù)規(guī)定。為了進(jìn)行切削，旋轉(zhuǎn)取芯鉆頭必須采用包括在取芯工具內(nèi)的某種輕便的機(jī)械動力源使之在其軸線上旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)取芯工具中的芯鉆頭的馬達(dá)一般是由高壓油驅(qū)動的液壓馬達(dá)，該高壓油由電驅(qū)動的泵產(chǎn)生。電驅(qū)動的液壓油泵由通過導(dǎo)電纜提供給馬達(dá)的電力驅(qū)動，該馬達(dá)用來下降、上升和控制取芯工具并大致確定其在井筒內(nèi)的位置。取芯鉆頭的旋轉(zhuǎn)一般通過將取芯鉆頭利用一機(jī)械聯(lián)動裝置連接于液壓馬達(dá)來實現(xiàn)。并且，在取芯鉆頭展開時其必須從取芯工具殼體內(nèi)向外延伸到外面的側(cè)壁，然后在取芯鉆頭的旋轉(zhuǎn)過程中進(jìn)一步延伸進(jìn)入側(cè)壁以便切削芯樣。最后，在芯樣的切削完成以后，取芯鉆頭和包含在其內(nèi)的芯樣必須被縮進(jìn)取芯工具內(nèi)。如果采用同一取芯鉆頭要獲取其他以后的芯樣，該巖樣必須從取芯鉆頭中排出并儲藏在取芯工具內(nèi)以后輸送到表面。所有的機(jī)械裝置、液壓馬達(dá)、從馬達(dá)至取芯鉆頭用于旋轉(zhuǎn)和延伸鉆頭的機(jī)械聯(lián)動裝置和取芯鉆頭本身都必須“儲藏”在它們在細(xì)長取芯工具殼體內(nèi)的固定結(jié)構(gòu)中直到該工具處于接近側(cè)壁中有價值的區(qū)域為止。使用時，取芯工具必須為取芯鉆頭提供需要的轉(zhuǎn)速以及伸展和以便成功地獲取芯樣。機(jī)械的和尺寸的問題是相當(dāng)大的，而本發(fā)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(xiàn)有技術(shù)中的取芯裝置通常在機(jī)械上是很復(fù)雜的并因而在操作過程中易出現(xiàn)種種的故障，使它們在井下環(huán)境中是很不可靠的。因此，許多石油公司由于它們在獲取側(cè)壁芯樣方面的成動力往往很低而不愿采用。
這里需要一種裝置，其可以伸展取芯鉆頭并施加力通過取芯鉆頭強壓到側(cè)壁上、在獲取芯樣以后將取芯鉆頭縮進(jìn)取芯工具內(nèi)并且在切削芯樣的全過程中以要求的角速度旋轉(zhuǎn)取芯鉆頭。這里需要一種裝置，其可以延伸、退回和旋轉(zhuǎn)取芯鉆頭而沒有復(fù)雜的占據(jù)寶貴的空間的機(jī)械聯(lián)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(nèi)部占據(jù)不大的空間。這里需要一種改進(jìn)的取芯馬達(dá)，其非常緊湊使得在單個的取芯工具內(nèi)可以采用兩個或更多個取芯馬達(dá)以獲取多個樣品。
本發(fā)明對在細(xì)長井筒的有限的空間環(huán)境中的傳統(tǒng)的側(cè)壁取芯的問題提供一種解法。芯樣在其未損壞的狀態(tài)下的收回和分析提供有價值的地質(zhì)信息，其對石油公司的地質(zhì)學(xué)家來說強有力地改善其分析和作出決斷。


圖1示出改進(jìn)的取芯馬達(dá)在其未展開的位置時的側(cè)剖視圖；圖2示出改進(jìn)的取芯馬達(dá)在其部分地展開的位置時的側(cè)剖視圖；圖3示出驅(qū)動軸的結(jié)構(gòu)的透視圖，該驅(qū)動軸具有軸向軸槽和疊置在形成于其間的軸齒上面的螺紋；圖4示出旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒的結(jié)構(gòu)的透視剖視圖，該轉(zhuǎn)子套筒具有內(nèi)齒，該內(nèi)齒設(shè)計成滑動地接合驅(qū)動軸的外表面上的軸槽；圖5示出推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒的結(jié)構(gòu)的透視剖視圖，該轉(zhuǎn)子套筒具有內(nèi)螺紋，該內(nèi)螺紋設(shè)計成接合布置在各軸槽之間的驅(qū)動軸的外表面上的軸齒上的螺紋。
取芯設(shè)備10包括兩個分開的或獨立的馬達(dá)，它們被相互協(xié)作地控制，一旋轉(zhuǎn)馬達(dá)用于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸44和一推進(jìn)馬達(dá)用于在驅(qū)動軸44旋轉(zhuǎn)時使其軸向移動，其軸向位移或者向著取芯的側(cè)壁(圖1和2中的右邊方向)或者從側(cè)壁退回以縮進(jìn)取芯工具10內(nèi)。在取芯過程中旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸44所需要的動力將可能超過將驅(qū)動軸44延伸入構(gòu)造內(nèi)所需要的動力。因此，很可能旋轉(zhuǎn)馬達(dá)將比推進(jìn)馬達(dá)大并將產(chǎn)生比推進(jìn)馬達(dá)的大的動力。旋轉(zhuǎn)馬達(dá)包括一旋轉(zhuǎn)定子24、一旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子22和一旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23，每個都繞一公共中心軸線17同心地布置。旋轉(zhuǎn)定子24一般包括電導(dǎo)線纏繞的繞組以便在電流通過旋轉(zhuǎn)定子24的繞組時在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子22上感生電磁矩。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子22同心地布置在旋轉(zhuǎn)定子24的內(nèi)部并且應(yīng)該定位成與旋轉(zhuǎn)定子24閉合地電磁聯(lián)通而不與旋轉(zhuǎn)定子24接觸。旋轉(zhuǎn)定子24與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子22之間的這種精密的間距關(guān)系可以按任何傳統(tǒng)的方式包括將定子和轉(zhuǎn)子安裝在一共用的結(jié)構(gòu)或殼體12內(nèi)來保持。雖然旋轉(zhuǎn)定子24相對于殼體12是固定的，但旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子22繞一中心軸線旋轉(zhuǎn)并且通過軸承或襯套安裝或固定在殼體12上。
圖4為旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23的透視剖視圖，該旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23具有徑向向內(nèi)延伸的套筒齒145，這些套筒齒145與圖3中所示的驅(qū)動軸44的相應(yīng)的軸槽45相接合或配合。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23是一中空的圓柱套筒，其內(nèi)徑等于或稍大于驅(qū)動軸44的外徑，并且當(dāng)將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23容納在驅(qū)動軸44上時，徑向向內(nèi)向著旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)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(qū)動軸44的軸槽45內(nèi)。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23優(yōu)選地結(jié)合于或固定于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子22上?；蛘撸D(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子22可以是一整體部件而使旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23形成在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子22的內(nèi)表面上。在任一方式中，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23都具有設(shè)有齒的面向內(nèi)部的表面。
再參照圖1和2，推進(jìn)馬達(dá)具有類似于旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的結(jié)構(gòu)。具體地說，推進(jìn)馬達(dá)包括一推進(jìn)定子34、一推進(jìn)轉(zhuǎn)子32和一推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33，每個都繞一公共中心軸線17同心地布置。推進(jìn)定子34一般包括電導(dǎo)線纏繞的繞組以便在電流通過推進(jìn)定子34的繞組時在推進(jìn)轉(zhuǎn)子32上感生電磁力。推進(jìn)轉(zhuǎn)子32同心地布置在推進(jìn)定子34的內(nèi)部并且應(yīng)該定位成與推進(jìn)定子34閉合地電磁聯(lián)通而不與推進(jìn)定子34接觸。定子與轉(zhuǎn)子之間的這種精密的間距關(guān)系可以按任何傳統(tǒng)方式包括將定子和轉(zhuǎn)子安裝在一共用的結(jié)構(gòu)或殼體12內(nèi)來保持。雖然定子相對于殼體12是固定的，但轉(zhuǎn)子繞一中心軸線轉(zhuǎn)動或旋轉(zhuǎn)并因而通過軸承或襯套安裝或固定在殼體上。
圖5為推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33的透視剖視圖，該推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33具有形成在徑向向內(nèi)的內(nèi)表面上的螺紋146，該螺紋146與形成在圖3中所示的驅(qū)動軸44的軸齒48的外表面上的相應(yīng)的螺紋相配合。推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33和結(jié)合的推進(jìn)轉(zhuǎn)子32通過在推進(jìn)定子34中應(yīng)用控制的電流64繞驅(qū)動軸44旋轉(zhuǎn)。推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33優(yōu)選地結(jié)合于或固定于推進(jìn)轉(zhuǎn)子32上?；蛘撸七M(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33和推進(jìn)轉(zhuǎn)子32可以是一整體部件而使推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33形成在推進(jìn)轉(zhuǎn)子32的內(nèi)表面上。在任一方式中，推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒都具有設(shè)有螺紋的面向內(nèi)部的表面。
旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23和推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33結(jié)合于專門設(shè)計的驅(qū)動軸44上，該驅(qū)動軸44用來旋轉(zhuǎn)取芯鉆頭18和將鉆頭上的負(fù)載施加于取芯鉆頭18上。單獨示于圖3中的驅(qū)動軸44具有軸線17并可以在其鉆頭端47連接于取芯鉆頭18。驅(qū)動軸44具有帶有多個軸槽45的外表面，該軸槽45沿驅(qū)動軸44的長度延伸，優(yōu)選地從鉆頭端47延伸到或大致延伸到驅(qū)動軸44的排料端49。這些軸槽45優(yōu)選地是縱向的并平行于驅(qū)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(shè)計無關(guān)，軸槽45設(shè)計成與在具有共同軸線17的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23中的相應(yīng)的內(nèi)部套筒齒145相結(jié)合。槽和齒的結(jié)合應(yīng)該能夠從轉(zhuǎn)子套筒齒145向軸槽45傳遞一徑向力，而又便于套筒齒145相對于軸槽45的軸向滑動。例如，根據(jù)推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33的旋轉(zhuǎn)所確定的，當(dāng)驅(qū)動軸44從其完全縮進(jìn)的、圖1中所示的未展開的位置前進(jìn)到中間的、圖2中所示的部分地展開的位置并繼續(xù)前進(jìn)到相對于驅(qū)動軸44的完全軸向伸展的完全展開的位置時，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23優(yōu)選地設(shè)計成連續(xù)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸44。
驅(qū)動軸44的外表面還設(shè)有多個螺紋46，這些螺紋疊置在各軸槽45之間沿驅(qū)動軸44的長度形成的軸齒48上面。這些螺紋46可以設(shè)置有任何的螺距、深度或間距，但應(yīng)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(jìn)馬達(dá)能夠傳給取芯鉆頭18的鉆頭上的負(fù)載。推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33和驅(qū)動軸44上的螺紋的結(jié)合應(yīng)該能夠?qū)⒁惠S向的或往復(fù)的力傳到驅(qū)動軸44上。
當(dāng)電流通過旋轉(zhuǎn)定子24的繞組時，一力矩機(jī)電地施加于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子22和其結(jié)合的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23上，從而使這些部件繞軸線17旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動軸44的旋轉(zhuǎn)由驅(qū)動旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸44并將動力傳給取芯鉆頭18。驅(qū)動軸44的轉(zhuǎn)速可由通向旋轉(zhuǎn)定子24的電流61獨立地和精確地控制。
當(dāng)電流通過推進(jìn)定子34時，一力矩機(jī)電地施加于推進(jìn)轉(zhuǎn)子32和其結(jié)合的推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33上，從而使這些部件繞軸線17旋轉(zhuǎn)以使驅(qū)動軸44軸向延伸、保持或退回。驅(qū)動軸44的軸向或往復(fù)的運動通過以不等于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23的角速度的角速度旋轉(zhuǎn)推進(jìn)轉(zhuǎn)子32和其結(jié)合的推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33來實現(xiàn)。推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33和在推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33的徑向內(nèi)表面上形成的螺紋146的旋轉(zhuǎn)通過該螺紋146與加工在驅(qū)動軸44上的軸齒48上面的配合螺紋的接合來軸向移動驅(qū)動軸44。推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33的轉(zhuǎn)向和其上的螺紋的結(jié)構(gòu)(右旋或左旋)決定驅(qū)動軸44的軸向運動。推進(jìn)轉(zhuǎn)子32和推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33的旋轉(zhuǎn)(以不等于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23的角速度的角速度)或者使驅(qū)動軸44和其結(jié)合的取芯鉆頭18向側(cè)壁方向(向圖1中右邊)前進(jìn)或者將取芯鉆頭18退回到其在取芯設(shè)備10內(nèi)(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必須在取芯鉆頭18旋轉(zhuǎn)時可控地將取芯鉆頭18推向并進(jìn)入側(cè)壁以切削芯樣。因此，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23中的套筒齒145(或至少一個鍵或銷)必須保持與驅(qū)動軸44的軸槽或槽45機(jī)械的和旋轉(zhuǎn)的接觸而不管驅(qū)動軸44相對于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23的軸向移動。同樣，為了旋轉(zhuǎn)取芯鉆頭18以有效地切削和獲取芯樣，鉆頭上的負(fù)載，即通過驅(qū)動軸44施加在取芯鉆頭18上的軸向力是必不可缺少的。因此，在推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33的內(nèi)表面上的螺紋146必須保持與驅(qū)動軸44的軸齒48上的相應(yīng)的螺紋的機(jī)械接觸而不管驅(qū)動軸44通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23的旋轉(zhuǎn)。這些條件通過圖3中所示的驅(qū)動軸44的獨特設(shè)計得到滿足。
驅(qū)動軸44的轉(zhuǎn)速由旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子22和其結(jié)合的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23的轉(zhuǎn)速決定并與之相等。如果旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23和推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33的轉(zhuǎn)速相等，則推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33的轉(zhuǎn)速必定等于驅(qū)動軸44的轉(zhuǎn)速。在這種操作條件下，由于旋轉(zhuǎn)的推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33相對于旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動軸44保持靜止，驅(qū)動軸44將沒有軸向位移。旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動軸44的軸向移動通過相對于驅(qū)動軸44的轉(zhuǎn)速改變推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。在這種條件下，驅(qū)動軸44相對于推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33的軸向位移可利用驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速Wds、推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33的轉(zhuǎn)速Wtrs并通過螺紋(在軸齒和推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒的徑向內(nèi)表面上)的螺距Pthreads來算出。
假定旋轉(zhuǎn)軸44上的螺紋146為右旋螺紋并且旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和推進(jìn)轉(zhuǎn)子都沿順時針方向(從取芯設(shè)備10的取芯鉆頭端觀察)旋轉(zhuǎn)，取芯鉆頭18的穿透速率可以由下式來確定Vcb＝Pthreads×(Wtrs-Wds)例如，如果驅(qū)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(zhuǎn)數(shù))和Wds為2000rpm，則由驅(qū)動軸44向著側(cè)壁方向的推進(jìn)速率決定的取芯鉆頭的穿透速率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(qū)動軸44可以通過相對于驅(qū)動軸44的轉(zhuǎn)速Wds降低推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33的轉(zhuǎn)速Wtrs來縮進(jìn)取芯工具10內(nèi)。例如，如果Wds保持2000rpm而Wtrs降到1950rpm，則驅(qū)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(fù)號表示取芯鉆頭退回)。雖然取芯鉆頭的0.5英寸/分的前者穿透速率Vcb較適合于有效地切削一芯樣，但-5.0英寸/分的后者退回速率是為將取芯鉆頭18縮進(jìn)取芯工具10內(nèi)的更合適的速度。一單向馬達(dá)通過相對彼此改變推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23的轉(zhuǎn)速可以提供驅(qū)動軸44和其連接的取芯鉆頭18的伸展和退回。對于給定的馬達(dá)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制取芯過程的動力性以適合構(gòu)造的物理性質(zhì)。雖然提供的附圖示出優(yōu)選的實施方案，其具有推進(jìn)定子34、推進(jìn)轉(zhuǎn)子32和鄰近驅(qū)動軸44的排料端或“內(nèi)側(cè)”端49的推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33，以及旋轉(zhuǎn)定子24、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子22和鄰近驅(qū)動軸44的取芯鉆頭18或“外側(cè)”端的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23，但這兩組緊密相關(guān)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(fā)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(dá)到，其差別只有0.25％。為能夠精確地控制電流61和64以達(dá)到這個控制水平可利用各種裝置。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子檢測器25和推進(jìn)轉(zhuǎn)子檢測器35分別“計算”旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子22和推進(jìn)轉(zhuǎn)子32的轉(zhuǎn)數(shù)。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子檢測器25和推進(jìn)轉(zhuǎn)子檢測器35可以用磁式、光式、電子式或機(jī)械式或這些的某種組合方式檢測各自的轉(zhuǎn)子的位置。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子檢測器25和推進(jìn)轉(zhuǎn)子檢測器35可以檢測安裝在各個被檢測的轉(zhuǎn)子上的一發(fā)送應(yīng)答器，并且檢測出的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子位置的信號62和檢測出的推進(jìn)轉(zhuǎn)子位置的信號63傳給微處理器60。微處理器60算出旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子22和推進(jìn)轉(zhuǎn)子32的轉(zhuǎn)速，并自動調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)定子電流61和推進(jìn)轉(zhuǎn)子電流64以保持要求的取芯鉆頭的轉(zhuǎn)速Wcb(其等于驅(qū)動軸44的轉(zhuǎn)速Wds)和要求的取芯鉆頭的穿透速率Vcb。
驅(qū)動軸44可以包括各種結(jié)構(gòu)。在其基本的結(jié)構(gòu)中，各軸槽45和螺旋螺紋46加工在驅(qū)動軸44的分開的外面部分上。在這種結(jié)構(gòu)中，軸槽45可以位于驅(qū)動軸44上鄰近其鄰近取芯鉆頭18的鉆頭端的位置，而螺旋螺紋46可以位于驅(qū)動軸44上鄰近其在鉆頭18對面的排料端49的位置。在一更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中，螺旋螺紋46可以疊置在形成于各軸槽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(qū)動軸44的軸線17對中(即無限大的節(jié)距)，或者它們可以是繞驅(qū)動軸44的軸線17的螺旋形。應(yīng)該理解，具有螺旋軸槽45和相應(yīng)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(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33的內(nèi)部上的相應(yīng)的螺紋146的方案組合起來，實際上是在驅(qū)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(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33的內(nèi)部上的相應(yīng)的螺紋組，而第二組螺紋接合旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23的內(nèi)部上的相應(yīng)的螺紋組。當(dāng)然，當(dāng)采用這種方法時，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干涉并增進(jìn)與驅(qū)動軸44的獨立的相互作用。
本發(fā)明為取芯工具提供改進(jìn)的封裝效能。取芯工具可以包括本發(fā)明的多個取芯馬達(dá)或取芯模塊，全部都定位在單個取芯工具的內(nèi)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(nèi)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(guān)。
在單個取芯工具內(nèi)部采用多個取芯馬達(dá)或取芯模塊，可以去掉在現(xiàn)有技術(shù)的取芯工具中為了排出從取芯鉆頭中收回的芯樣所用的復(fù)雜的芯樣排料機(jī)構(gòu)。本發(fā)明提供一種取芯模塊，其可以將芯樣收回于驅(qū)動軸44的中空內(nèi)部之中，該中空內(nèi)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(qū)動軸44的內(nèi)部以隔離和保護(hù)芯樣免受侵蝕或損壞，否則在旋轉(zhuǎn)過程中由驅(qū)動軸44的內(nèi)壁可能造成這種侵蝕或損壞。
本發(fā)明不打算說明在取芯鉆頭18已穿透側(cè)壁到達(dá)其穿透的極點以后，打斷切削的芯樣以脫離其留下的與構(gòu)造的接合的步驟。該芯樣可以通過取芯鉆頭18相對于構(gòu)造的移動脫離構(gòu)造而斷開。一旦芯樣被斷開而脫離構(gòu)造，可以將其收回于帶有取芯鉆頭18的取芯工具10內(nèi)。
本發(fā)明還可以包括用于停止驅(qū)動軸44的軸向移動的電子裝置或物理裝置以便消除由于驅(qū)動軸44過度的移動而使驅(qū)動軸不希望地脫離任一轉(zhuǎn)子套筒的可能性。這樣的用于停止的裝置可以包括控制器的程序設(shè)計以跟蹤作為由兩轉(zhuǎn)子/套筒產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)的驅(qū)動軸44的位置?；蛘撸糜谕Ｖ沟难b置可以包括在驅(qū)動軸44、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒23或推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒33上形成的機(jī)械構(gòu)件，其在物理上防止驅(qū)動軸44的不希望的推進(jìn)或軸向前進(jìn)。一個實例可以是在驅(qū)動軸44的排料端49處消除或“填塞”驅(qū)動軸44的外表面上的一小部分齒，如圖3中所示。這種結(jié)構(gòu)在取芯馬達(dá)10的操作過程中為防止驅(qū)動軸44偶而脫離推進(jìn)套筒33提供一可靠的裝置。
“馬達(dá)”的意義，如在本文中所用的術(shù)語，包括一種消耗電能并產(chǎn)生機(jī)械能的裝置，但不限于此種，并且其可以包括一個以上的定子與一個以上的轉(zhuǎn)子相結(jié)合的布置用以轉(zhuǎn)動、旋轉(zhuǎn)或操作一個以上的機(jī)械輸出構(gòu)件?！安邸钡囊饬x，如在本文中所用的術(shù)語，包括螺紋、凸脊、導(dǎo)向件、溝槽和通道，但不限于這些。“齒”的意義，如在本文中所用的術(shù)語，包括凸脊、螺紋、溝槽和通道，但不限于這些。
雖然以上所述是針對本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案，但可以設(shè)想出其他的和進(jìn)一步的實施方案而并不脫離其基本的范圍，并且其范圍由附屬的權(quán)利要求決定。
權(quán)利要求
1.一種側(cè)壁取芯設(shè)備，其包括一旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，其具有一旋轉(zhuǎn)定子和一帶有一個或多個內(nèi)齒的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子；一推進(jìn)馬達(dá)，其具有一推進(jìn)定子和一帶有內(nèi)螺紋的推進(jìn)轉(zhuǎn)子；以及一管狀驅(qū)動軸，其具有一軸線、一可連接于一取芯鉆頭上的鉆頭端，和一帶有一個或多個疊加有一組螺紋的縱向槽的外表面，其特征在于，一個或多個縱向槽與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的一個或多個內(nèi)齒相配合，而驅(qū)動軸的內(nèi)螺紋與推進(jìn)轉(zhuǎn)子的螺紋相配合。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，旋轉(zhuǎn)定子機(jī)電地接合旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子并使其繞管狀驅(qū)動軸的軸線旋轉(zhuǎn)，從而將受控的角位移傳給旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子；其中，推進(jìn)定子機(jī)電地接合推進(jìn)轉(zhuǎn)子并使其繞管狀驅(qū)動軸的軸線旋轉(zhuǎn)，從而將受控的角位移傳給推進(jìn)轉(zhuǎn)子；以及其中，管狀驅(qū)動軸的鉆頭端通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子相對于推進(jìn)轉(zhuǎn)子的受控的有差別的角位移可以在管狀驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)過程中可控地軸向延伸和退回。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其還包括一控制器用以控制旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和推進(jìn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，一個或多個縱向槽平行于驅(qū)動軸的軸線。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的一個或多個齒設(shè)置在一單獨的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒上。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，推進(jìn)轉(zhuǎn)子的螺紋設(shè)置在一單獨的推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒上。
7.一種側(cè)壁取芯設(shè)備，其包括一旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，其具有一旋轉(zhuǎn)定子和一旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子；一推進(jìn)馬達(dá)，其具有一推進(jìn)定子和一推進(jìn)轉(zhuǎn)子；以及一管狀驅(qū)動軸，其具有一軸線、一可連接于一取芯鉆頭上的鉆頭端和一外表面，其特征在于，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)地而不是軸向地結(jié)合于驅(qū)動軸的外表面，而其中推進(jìn)轉(zhuǎn)子既旋轉(zhuǎn)地又軸向地結(jié)合于驅(qū)動軸的外表面。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子以槽和齒的關(guān)系旋轉(zhuǎn)地結(jié)合于該外表面。
9.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，推進(jìn)轉(zhuǎn)子借助螺紋接合既旋轉(zhuǎn)地又軸向地結(jié)合于該外表面。
10.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子直接鄰近于推進(jìn)轉(zhuǎn)子。
11.一種用于實現(xiàn)側(cè)壁取芯的設(shè)備，其包括一用于產(chǎn)生第一轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)；一用于產(chǎn)生第二轉(zhuǎn)矩的推進(jìn)馬達(dá)；一管狀軸；用于將第一轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)樗鲚S繞其軸線的旋轉(zhuǎn)的裝置；以及用于將第二轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)樗鲚S沿其軸線的移動的裝置。
12. 如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)馬達(dá)包括一管狀旋轉(zhuǎn)定子和一管狀旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子用以將第一轉(zhuǎn)矩施加于所述軸上的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換裝置。
13. 如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述推進(jìn)馬達(dá)包括一推進(jìn)定子和一推進(jìn)轉(zhuǎn)子用以將第二轉(zhuǎn)矩施加于所述軸上的移動轉(zhuǎn)換裝置。
14.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換裝置包括一連接于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒，該旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子套筒具有從其內(nèi)表面向內(nèi)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(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，移動轉(zhuǎn)換裝置包括一推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒，該推進(jìn)轉(zhuǎn)子套筒具有在其內(nèi)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(cè)壁取芯操作的過程中移動和旋轉(zhuǎn)取芯鉆頭的方法，其包括以下步驟將一取芯鉆頭連接于在井下工具中布置的管狀構(gòu)件的一端；將井下工具定位在鄰近一有價值的構(gòu)造側(cè)壁的井筒內(nèi)；利用繞管狀構(gòu)件同心地定位在井下工具內(nèi)的管狀旋轉(zhuǎn)馬達(dá)誘發(fā)該管狀構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)；利用繞管狀構(gòu)件同心地定位在井下工具內(nèi)的管狀推進(jìn)馬達(dá)誘發(fā)該管狀構(gòu)件移動從而將取芯鉆頭推入構(gòu)造側(cè)壁內(nèi)；以及利用該管狀推進(jìn)馬達(dá)誘發(fā)該管狀構(gòu)件的移動從而將取芯鉆頭退出構(gòu)造側(cè)壁。
17.一種制造，其包括(a)計算機(jī)可讀程序代碼裝置用于在芯樣的取芯過程中使計算機(jī)實現(xiàn)對取芯馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速的測定和控制；(b)計算機(jī)可讀程序代碼裝置用于在芯樣的取芯過程中使計算機(jī)實現(xiàn)對以螺紋結(jié)合于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸的套筒構(gòu)件的轉(zhuǎn)速的測定和控制以便在兩者的轉(zhuǎn)速不同時影響旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸的軸向位移；(c)計算機(jī)可讀程序代碼裝置用于使計算機(jī)算出要求的套筒構(gòu)件的轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)連接于驅(qū)動軸的取芯鉆頭的預(yù)定要求的穿透速率以便采取芯樣；(d)計算機(jī)可讀程序代碼裝置用于使計算機(jī)算出要求的流入電動馬達(dá)定子的電流以影響要求的套筒構(gòu)件的轉(zhuǎn)速從而實現(xiàn)連接于驅(qū)動軸的取芯鉆頭所要求的穿透速率以便采取芯樣；(e)計算機(jī)可讀程序代碼裝置用于使計算機(jī)從測定的套筒構(gòu)件相對于驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)位移中識別完全穿透狀態(tài)的起始；(f)計算機(jī)可讀程序裝置用于在芯樣的取芯過程中使計算機(jī)算出要求的流入電動馬達(dá)定子的電流以影響要求的套筒構(gòu)件的轉(zhuǎn)速從而中斷連接于驅(qū)動軸的取芯鉆頭的穿透；以及(g)計算機(jī)可讀程序裝置用于在芯樣的采取和允許將芯樣收回于取芯組件的內(nèi)部以后，使計算機(jī)算出要求的流入電動馬達(dá)定子的電流以影響要求的套筒構(gòu)件的轉(zhuǎn)速從而退回連接于驅(qū)動軸的取芯鉆頭。
全文摘要
本發(fā)明提供一種改進(jìn)的取芯馬達(dá)用來從鉆出的井筒的側(cè)壁上獲取一芯樣。本發(fā)明為取芯鉆頭提供相對于側(cè)壁的可控的旋轉(zhuǎn)、伸展和退回,而沒有復(fù)雜定位的聯(lián)動裝置并且保持供用于井下的細(xì)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(yōu)先權(quán)日2000年9月25日
發(fā)明者E·哈里甘, 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