專利名稱：用于井下工具的機(jī)電促動(dòng)器設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本設(shè)備一般針對(duì)機(jī)電促動(dòng)器和尤其是針對(duì)主要是在天然氣和/或石油工業(yè)中使用的供井眼鉆孔、修井和/或鉆井的生產(chǎn)或生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的工具的機(jī)電促動(dòng)器。
背景技術(shù)：
機(jī)電促動(dòng)器系統(tǒng)一般眾所周知且已存在許多年了。在井下工業(yè)(石油、天然氣、采礦、水、勘探、施工等)中，機(jī)電促動(dòng)器可以作為工具或系統(tǒng)的一部分使用，上述工具或系統(tǒng)包括但不限于，擴(kuò)孔器、可調(diào)式孔規(guī)(gauge)穩(wěn)定器、垂直可轉(zhuǎn)向工具、旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向工具、旁通閥、封隔器、井下閥、造斜器、鎖緊或釋放機(jī)構(gòu)、錨定機(jī)構(gòu)、或隨鉆測(cè)量(MWD)脈沖發(fā)生器。例如，在MWD脈沖發(fā)生器中，促動(dòng)器可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)操縱更大泥漿液壓驅(qū)動(dòng)閥的導(dǎo)向/伺服閥機(jī)構(gòu)。這種閥可以作為用來(lái)將數(shù)據(jù)從鉆頭附近鉆井眼的底部(通稱為井下)傳回到地面的系統(tǒng)的一部分。這些通信系統(tǒng)的井下部分通稱為井下泥漿脈沖發(fā)生器，因?yàn)橄到y(tǒng)在能用來(lái)將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)從井下傳到地面的泥漿或流體柱中產(chǎn)生可編程的壓力脈沖。泥漿脈沖發(fā)生器一般眾所周知并有許多不同的泥漿脈沖發(fā)生器及可以用來(lái)產(chǎn)生泥漿脈沖的機(jī)構(gòu)的實(shí)施方案。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有系統(tǒng)具有一個(gè)或多個(gè)下列希望克服的問(wèn)題/限制:
-具有大量部件而造成難以維修且要求比必要的更多的電力的更大、更長(zhǎng)、更重的裝置。-具有大量部件和不能容易接近的部件，因而使維修復(fù)雜化且降低了可靠性。-具有造成減少耐久性的彈性隔膜補(bǔ)償，尤其是在使彈性隔膜變質(zhì)的環(huán)境中。-沒(méi)有減震，自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)或受控制的載荷率反饋機(jī)構(gòu)。-沒(méi)有用“T形槽構(gòu)造”的結(jié)構(gòu)連接牢固地附接而簡(jiǎn)化它的安裝和拆卸。-沒(méi)有將濾網(wǎng)外殼與油補(bǔ)償、密封部分分開(kāi)和在濾網(wǎng)外殼中沒(méi)有減少井下閥堵塞的機(jī)會(huì)的一個(gè)或多個(gè)“巖屑捕集器”。-沒(méi)有用于改善電機(jī)的可靠性的補(bǔ)充電機(jī)控制。因此，希望具有克服上述典型系統(tǒng)的限制的機(jī)電促動(dòng)器系統(tǒng)并為此本公開(kāi)以此為目標(biāo)。


圖1是機(jī)電促動(dòng)器的優(yōu)選實(shí)施例的圖示；
圖2示出圖1的機(jī)電促動(dòng)器的實(shí)施例；
圖3是圖2的機(jī)電促動(dòng)器的實(shí)施例的組件剖視 圖4示出促動(dòng)器的電子電路組的實(shí)施方案的方框 圖5示出把反電動(dòng)勢(shì)(EMF)信號(hào)轉(zhuǎn)變成霍爾信號(hào)當(dāng)量的電路的實(shí)施方案；和 圖6示出促動(dòng)器的MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)的實(shí)施方案。
具體實(shí)施例方式一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的i羊細(xì)i兌明
設(shè)備和方法尤其可適用于如在井眼鉆孔、修井、和生產(chǎn)中驅(qū)動(dòng)井下工具，而在這方面是說(shuō)明設(shè)備和方法。用設(shè)備和方法可以利用、驅(qū)動(dòng)和控制的井下工具包括但不限于擴(kuò)孔器、可調(diào)式孔規(guī)穩(wěn)定器、垂直可轉(zhuǎn)向工具、旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向工具、旁通閥、封隔器、控制閥、鎖緊或釋放機(jī)構(gòu)、和/或錨定機(jī)構(gòu)。例如，在一種應(yīng)用中，可以使用促動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向/伺服閥機(jī)構(gòu)用于如在MWD (隨鉆測(cè)井)脈沖發(fā)生器中操作更大泥漿液壓驅(qū)動(dòng)閥?，F(xiàn)在，在下面更詳細(xì)說(shuō)明機(jī)電促動(dòng)器的例子。圖1是例如在井下MWD脈沖發(fā)生器工具中可以使用的機(jī)電促動(dòng)器20的例圖。促動(dòng)器可以包括安放許多促動(dòng)器的部件的第一和第二外殼22:、222和連接到外殼22:上的閥罩223，并具有不安放在充油外殼22i內(nèi)的促動(dòng)器部件的可換濾網(wǎng)23。促動(dòng)器不在充油外殼內(nèi)的那些部件因此能通過(guò)除去可換濾網(wǎng)而更容易接近，以便將那些部件暴露出供更容易地裝配和拆卸，且對(duì)它們能更方便地進(jìn)行維修。促動(dòng)器還可以包括旋轉(zhuǎn)式促動(dòng)器25、絲杠或滾珠絲杠26和一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)井下工具的伺服軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)件27。促動(dòng)器還可以具有給來(lái)自促動(dòng)器的震動(dòng)減震和補(bǔ)償各構(gòu)件之間未對(duì)準(zhǔn)的減震和自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)件27。在一個(gè)實(shí)施方案(用于特定的載荷組和溫度要求)中，一個(gè)或多個(gè)減震件27 (如圖2中所示)可以是用金屬制成與滾珠絲杠26的往復(fù)運(yùn)動(dòng)螺母和軸28之間的聯(lián)軸器成為整體的機(jī)加工的螺旋彈簧。然而，一個(gè)或多個(gè)減震件可以采取別的形式，且還可以用不同材料制成，如該領(lǐng)域的技術(shù)人員及根據(jù)供特殊應(yīng)用的載荷和溫度要求選擇的。促動(dòng)器還可以具有軸28，該軸28通過(guò)補(bǔ)償活塞29和有時(shí)通過(guò)其功能在下面更詳細(xì)說(shuō)明的緩沖盤32連接到井下工具上。緩沖盤32 (也見(jiàn)圖2)可以用高溫?zé)崴苄运芰现瞥?，但也可以根?jù)供特定應(yīng)用的載荷和溫度要求用其它材料制成。促動(dòng)器20還可以具有使促動(dòng)器內(nèi)壓力與井眼壓力平衡的流體砂漿排除和壓力補(bǔ)償系統(tǒng)29。促動(dòng)器還可以具有能把促動(dòng)器電連接到電子控制元件上但使電子控制元件與流體和壓力隔離的壓力密封式饋電線24。尤其是，當(dāng)在井下時(shí)，充油的壓力補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)的壓力基本上等于井眼中的壓力，且該壓力主要是井眼中流體柱的結(jié)果。流體砂漿排除和壓力補(bǔ)償系統(tǒng)29的詳細(xì)情況在下面更詳細(xì)說(shuō)明。壓力密封式饋電線24可以具有帶密封性能的金屬體、用于饋電線的金屬導(dǎo)體、及在金屬體與每根金屬導(dǎo)體之間的電絕緣和壓力密封部件(通常是玻璃或陶瓷)?？晒┻x擇地，壓力密封式饋電線30可以是具有密封性能的塑料體和用于饋電線的金屬導(dǎo)體。促動(dòng)器還可以具有一組控制促動(dòng)器的全部操作的電子控制元件31，如下面更詳細(xì)說(shuō)明的。該組電子控制元件31由能源(未示出)提供電力，上述能源可以是例如一節(jié)或多節(jié)電池或另外的電力源?，F(xiàn)在，參照?qǐng)D2更詳細(xì)說(shuō)明機(jī)電促動(dòng)器實(shí)施例的另一些細(xì)節(jié)。圖2示出圖1的機(jī)電促動(dòng)器的實(shí)施例的例圖。典型的促動(dòng)器系統(tǒng)可以利用供壓力補(bǔ)償?shù)膹椥圆y管/隔膜系統(tǒng)，而如圖2中所示，主題促動(dòng)器還可以包括是流體砂漿排除和壓力補(bǔ)償系統(tǒng)29的一部分的活塞29。活塞補(bǔ)償系統(tǒng)是具有用于把鉆井和建造井中所用的有磨損、導(dǎo)電、腐蝕性的泥漿漿料與促動(dòng)器組件20的狹窄間隙和/或不耐蝕元件、和/或電氣/電子元件隔開(kāi)而同時(shí)平衡從井眼流體到工具接口密封的壓差以將促動(dòng)器載荷要求并因此將電力要求減至最小的性能的充裝介電流體的室。在一個(gè)實(shí)施方案中，促動(dòng)器在軸28上具有與活塞的緊湊構(gòu)造(以往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)兩種型式)。活塞位于組件內(nèi)一位置中以便使系統(tǒng)的總長(zhǎng)度減至最小、改善接近密封和內(nèi)部機(jī)構(gòu)、減少部件數(shù)、和能壓力傳輸。促動(dòng)器構(gòu)造通過(guò)減少元件數(shù)量和制造所需的材料、簡(jiǎn)化機(jī)加工、降低重量并因此減少后勤費(fèi)用、及通過(guò)提供改善的接近經(jīng)常需要更換的元件簡(jiǎn)化維修而降低了成本?；钊牟季诌€省去了如在典型的補(bǔ)償系統(tǒng)情況下所需的在外殼中第二組流體壓力通風(fēng)道999或口。因此活塞的布局通過(guò)排除通風(fēng)道將外部外殼直徑制得更均勻而減少了由于流體砂漿腐蝕作用而引起的外殼OD (外徑)磨損，因?yàn)楦g性的磨損通常直接集中在表面不連續(xù)性的下游。圖2中所示的促動(dòng)器實(shí)施方案可以在端部上具有潤(rùn)滑脂填料(pack)41，以便緩沖在活塞29的OD (外徑)和ID (內(nèi)徑)上的補(bǔ)償系統(tǒng)密封防止腐蝕性的流體沙漿影響。緩沖盤32幫助保持潤(rùn)滑脂和排除較大的巖屑，且還為貫穿它的軸28提供另外的側(cè)向支承。在一個(gè)實(shí)施方案中，使緩沖盤32通風(fēng)以便在潤(rùn)滑脂填料的體積和井筒流體之間能壓力傳輸。此外或可供選擇地，也可以使鄰近緩沖盤的外殼通風(fēng)以便允許這種壓力傳輸。在一個(gè)實(shí)施方案中，將緩沖盤32夾緊在用螺紋擰在一起的兩個(gè)外殼之間(如圖1中所示)，因此不需要其它的緊固或定中心的方法。緩沖盤32也可以劈開(kāi)或開(kāi)槽以便如果將直徑大于軸的元件附接到軸的端部和/或位置上這樣以使緩沖盤不能圍繞軸和在軸上方插入安裝的話允許裝配/拆卸。緩沖盤32可以在軸向上是柔性的而在側(cè)向上是剛性的，在一個(gè)實(shí)施例中，這通過(guò)從內(nèi)徑到小于外徑的距離包括多個(gè)徑向狹縫完成。萬(wàn)一巖屑在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的軸和緩沖盤內(nèi)徑之間變成被捕集或楔入，則緩沖盤32的軸向柔性是釋放機(jī)構(gòu)和萬(wàn)一壓力流體通風(fēng)道變堵塞則也是減壓機(jī)構(gòu)。在另一些實(shí)施例中，緩沖盤32能是不需要通風(fēng)的撓性柔順構(gòu)件。例如，緩沖盤32能是在上述情況下隨著體積改變拉伸而沒(méi)有顯著地把載荷加到促動(dòng)器上且如果附接到軸上在往復(fù)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)時(shí)還撓曲的橡膠隔膜。緩沖盤32也能是剛性材料和彈性材料的組合以便實(shí)現(xiàn)側(cè)向支承和軸向柔性。從充油段延伸，貫穿補(bǔ)償活塞29 ID密封、貫穿潤(rùn)滑脂填料41、緩沖盤32并伸入井筒流體的軸28可以具有均勻的直徑以防止可以找到它通向該區(qū)域的道路的元件或巖屑任何往復(fù)運(yùn)動(dòng)的干擾。在可供選擇的實(shí)施例中，活塞補(bǔ)償和排除系統(tǒng)可以通過(guò)除去活塞40并把彈性隔膜組件安裝到同一密封區(qū)很容易轉(zhuǎn)變成彈性隔膜補(bǔ)償系統(tǒng)。促動(dòng)器的該實(shí)施例可以用于需要消除密封摩擦作用的系統(tǒng)，如對(duì)壓力測(cè)量、精密控制、或較低力促動(dòng)器所要求的。在促動(dòng)器中，旋轉(zhuǎn)式促動(dòng)器24如dc (直流)電機(jī)例如用滾珠絲杠或?qū)輻U25安裝成與旋轉(zhuǎn)式促動(dòng)器24的輸出軸成為整體或附接到旋轉(zhuǎn)式促動(dòng)器24的輸出軸上。絲杠25旋轉(zhuǎn)，螺母1000線性移動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)、且然后把螺母結(jié)合到一個(gè)或多個(gè)被驅(qū)動(dòng)的/往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件/元件40，50，1001，28上?？晒┻x擇地，電機(jī)軸能附接到滾珠絲杠或絲杠螺母上，螺母旋轉(zhuǎn)，絲杠在軸向上移動(dòng)，且絲杠25與一個(gè)或多個(gè)被驅(qū)動(dòng)的/往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件/元件40，50，1001成為整體并結(jié)合到一個(gè)或多個(gè)被驅(qū)動(dòng)的/往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件/元件40，50，1001上。在圖2所示的實(shí)施例中，螺母和附接的或整體往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件隨軸-絲杠旋轉(zhuǎn)而往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但通過(guò)抗旋轉(zhuǎn)功能部件或構(gòu)件1001防止往復(fù)運(yùn)動(dòng)、軸向移動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)。。該功能部件可以是例如銷釘、鍵、螺釘頭部、滾珠、或沿著周圍促動(dòng)器導(dǎo)向件或周圍外殼中的細(xì)長(zhǎng)止動(dòng)器或槽1002滑動(dòng)的整體成機(jī)加工的功能部件?？蓮倪x擇地，抗旋轉(zhuǎn)構(gòu)件能附接到導(dǎo)向件/外殼上或與導(dǎo)向件/外殼成為整體，并通過(guò)沿著一個(gè)或多個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件中狹縫/槽或細(xì)長(zhǎng)止動(dòng)器滑動(dòng)來(lái)防止往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)?？晒┻x擇地，抗旋轉(zhuǎn)構(gòu)件能夾緊在一個(gè)或多個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件和固定構(gòu)件二者中的細(xì)長(zhǎng)止動(dòng)器或狹縫內(nèi)。使導(dǎo)向件和/或周圍的外殼通風(fēng)以便隨著促動(dòng)器往復(fù)運(yùn)動(dòng)而讓流體在改變體積的不同腔之間傳遞。在如圖1所示的一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)向件附接到旋轉(zhuǎn)式促動(dòng)器外殼上。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)給往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件加載所產(chǎn)生的推力被是旋轉(zhuǎn)式促動(dòng)器內(nèi)組合式止推/徑向軸承的構(gòu)件抵消。該構(gòu)件即軸承能適應(yīng)軸向和徑向載荷而盡量減小旋轉(zhuǎn)式促動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩要求。這種類型軸承眾所周知。然而，通常和在現(xiàn)有井下促動(dòng)器中，在旋轉(zhuǎn)式促動(dòng)器的外部提供一個(gè)或多個(gè)止推軸承，而旋轉(zhuǎn)式促動(dòng)器僅保留徑向支承軸承。若將徑向軸承和止推軸承結(jié)合到促動(dòng)器中，如上述裝置中那樣，則減少了元件的數(shù)量、改善了可靠性，和簡(jiǎn)化了裝配/拆卸。然而，止推軸承能可供選擇地或者此外附接到促動(dòng)器軸或滾珠絲杠/導(dǎo)螺桿上或者在促動(dòng)器軸或滾珠絲杠/導(dǎo)螺桿內(nèi)形成整體而沒(méi)有如通常還做的那樣的往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件。典型的井下促動(dòng)器系統(tǒng)要求加大尺寸的導(dǎo)螺桿或滾珠絲杠、止推軸承、和往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件，以便容許由在往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件處沖擊可能引起的更大載荷。當(dāng)例如安置剛性閥時(shí)，情況能是這樣。在圖1和2中所示的促動(dòng)器中，系統(tǒng)元件由于加入一個(gè)或多個(gè)整體或附接的圖1中的減震件27 (和在圖2中是減震件40)如機(jī)械彈簧而顯著地更小。減震件減少了峰值沖擊載荷并適應(yīng)未對(duì)準(zhǔn)，因而減少了其它促動(dòng)器部件的強(qiáng)度要求。一個(gè)或多個(gè)減震件27/40可以成一直線放置或者放在旋轉(zhuǎn)式促動(dòng)器軸、往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件內(nèi)、或者放在螺母和底座之間、或放在一個(gè)或多個(gè)止推軸承上、或放在驅(qū)動(dòng)裝置(在促動(dòng)器外部)中。在一個(gè)實(shí)施例中，它與附接到滾珠絲杠或?qū)輻U26的往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件上的聯(lián)軸器成為整體，如圖2中所示。減震件的整體減少了載荷，這能實(shí)現(xiàn)部件強(qiáng)度要求減少，能實(shí)現(xiàn)元件尺寸減小，并因此減少整個(gè)部件質(zhì)量，這樣又能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)尺寸和電力要求減少。這例如在電池組操作的系統(tǒng)如可以使用促動(dòng)器的井下裝置中是重要的。較小的部件還能實(shí)現(xiàn)在鉆井中例如在要求高流體流動(dòng)能力的系統(tǒng)或待在鉆或維修較小井眼中使用的較小直徑組件中使用的組件中經(jīng)常要求的較小直徑組件。當(dāng)在套管或管道的壁中安裝組件時(shí)這也是重要的，因?yàn)榭梢猿尚斡糜谀承┕ぞ摺Ｔ趦?yōu)選實(shí)施例中減震件27還提供柔順性以便適應(yīng)對(duì)減少系統(tǒng)部件的磨損和疲勞很重要的組件未對(duì)準(zhǔn)。該柔順性還可以減少應(yīng)力，這也能實(shí)現(xiàn)部件尺寸減小，因此提供上述好處。對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，也能調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)減震件27/40的軸向柔順性以便控制載荷率增加和減少，這為電子設(shè)備提供控制反饋機(jī)構(gòu)。例如，如果是一個(gè)或多個(gè)機(jī)械彈簧、則能將彈簧剛度增加、減少、或逐步安排，以便改變可檢測(cè)的載荷率。對(duì)于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，還能按需要調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧剛度以便提供反饋/控制。在另一個(gè)實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)減震件27/40包括一個(gè)或多個(gè)在加載時(shí)壓縮或伸展的機(jī)械彈簧。這減小或增加起流體通道或口作用的間隙的尺寸。隨著通道關(guān)閉或打開(kāi)，一個(gè)或多個(gè)液壓流動(dòng)面積的改變引起能用于控制目的用電子設(shè)備檢測(cè)的載荷的改變。該口也能與非減震部件形成整體，其中將起流體的通道或口作用的開(kāi)口疊加。因而不受限制的流體通道/開(kāi)口流動(dòng)面積隨往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的位置不同而變化。另外這里流動(dòng)面積的變化也改變能用控制電子設(shè)備檢測(cè)的載荷。圖3是圖2的機(jī)電促動(dòng)器的實(shí)施例的組件剖視圖。促動(dòng)器也可以具有很容易可更換的軸28。如圖2和3中所示，促動(dòng)器20可以具有軸有T形槽的聯(lián)軸器50，該聯(lián)軸器50可側(cè)向運(yùn)動(dòng)供安裝和除去軸直至安裝防止側(cè)向行進(jìn)的活塞或其它構(gòu)件為止。在安裝活塞29之后，將軸夾緊，并通過(guò)活塞防止側(cè)向運(yùn)動(dòng)。軸28加工成一定尺寸以便隨著往復(fù)運(yùn)動(dòng)而盡量減小直徑和盡量減小體積變化，而保持載荷能力。軸還加工成一定尺寸以使活塞密封能在端部附件上滑動(dòng)而不損壞上述活塞密封。軸還加工成一定尺寸以便盡量減少驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量并因此減少驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣性以減少電機(jī)的電力要求。軸28也可以用其它方法附接到聯(lián)軸器50上。例如，軸能與聯(lián)軸器或絲杠成為整體、用螺紋擰到聯(lián)軸器或絲杠上、或者用夾子或有螺紋的緊固件固定。在圖3所示的實(shí)施例中，聯(lián)軸器可供很容易卸去和重新安裝，而提供更牢固的附接。盡管有螺紋的緊固件在高振動(dòng)環(huán)境下可以松動(dòng)，但聯(lián)軸器50不松動(dòng)。濾網(wǎng)組件23可以圍繞外殼的整體0D。濾網(wǎng)ID和外殼狹槽之間的空腔1004在導(dǎo)閥孔的井下側(cè)上起巖屑捕集器作用。外殼可以捕集如上所述緩沖盤。濾網(wǎng)可以開(kāi)槽或穿孔并解開(kāi)用于流體通道。濾網(wǎng)組件23提供比以前使用的系統(tǒng)更均勻的OD且設(shè)計(jì)可更換的濾網(wǎng)用于在部件腐蝕的情況下便于替換。濾網(wǎng)組件23還使用最小數(shù)量的止動(dòng)器/螺釘以便減少失去一個(gè)井下的機(jī)會(huì)。對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)流體的密封不像其它系統(tǒng)中那樣與濾網(wǎng)外殼成為整體。這可供濾網(wǎng)外殼凈化或替換而不破壞補(bǔ)償系統(tǒng)。這是重要的，因?yàn)闉V網(wǎng)組件由于OD不連續(xù)性而易于腐蝕，和因?yàn)楫?dāng)用作閥時(shí)流體穿過(guò)組件流動(dòng)。這也可供現(xiàn)場(chǎng)替換濾網(wǎng)組件。這對(duì)實(shí)現(xiàn)使濾網(wǎng)類型與LCM (長(zhǎng)鏈分子)或流體類型匹配可能是重要的。這也簡(jiǎn)化了其中濾網(wǎng)和濾網(wǎng)外殼或鉆具類型適配器可以在預(yù)先組裝好的促動(dòng)器上改變的制造過(guò)程。在另一個(gè)實(shí)施例中，促動(dòng)器組件可以通過(guò)用齒輪箱和貫穿補(bǔ)償活塞密封的軸代替滾珠絲杠或?qū)輻U很容易成形為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。如果電機(jī)轉(zhuǎn)矩單獨(dú)足夠，則不需要齒輪箱。相反，其它系統(tǒng)或是不補(bǔ)償，或是包括復(fù)雜的磁性聯(lián)軸器。主題促動(dòng)器組件可使用活塞或可互換的隔膜補(bǔ)償系統(tǒng)，而盡量減小系統(tǒng)的總長(zhǎng)度并保持上述其它特色和好處。促動(dòng)器包括電子控制元件組31。圖4示出促動(dòng)器20的電子元件組件31的實(shí)施方案。電子元件可以包括在通過(guò)運(yùn)動(dòng)感測(cè)裝置或反電動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的位置反饋控制促動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)的基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA) 60的微功率快閃(flash)中所實(shí)施狀態(tài)機(jī)。電子設(shè)備還可以包括一組由狀態(tài)機(jī)控制并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)促動(dòng)器24的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(反EMF信號(hào))的驅(qū)動(dòng)電路62。那些驅(qū)動(dòng)信號(hào)還輸入到一組無(wú)傳感器的電路64，如果一個(gè)或多個(gè)運(yùn)動(dòng)感測(cè)裝置如下面所述失效，則上述無(wú)傳感器的電路64把控制信號(hào)反饋到能用來(lái)控制促動(dòng)器的狀態(tài)機(jī)。電子兀件還可以包括一個(gè)或多個(gè)眾所周知的霍爾效應(yīng)傳感器/換能器66,該霍爾效應(yīng)傳感器/換能器66測(cè)量促動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)/動(dòng)作(預(yù)定的運(yùn)動(dòng))并把信號(hào)反饋到FPGA 60以便FPGA能按需要調(diào)節(jié)用于促動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施方案中，霍爾效應(yīng)傳感器裝在購(gòu)買的電機(jī)組件內(nèi)。然而，促動(dòng)器也可以使用別的傳感器如同聲分解器、光學(xué)編碼器、磁鐵/簧片開(kāi)關(guān)組合、磁鐵/感應(yīng)線圈、近程傳感器、電容傳感器、加速度計(jì)、轉(zhuǎn)速計(jì)、機(jī)械開(kāi)關(guān)、電位計(jì)、速率陀螺等。來(lái)自傳感器66的換能器反饋信號(hào)在所有機(jī)構(gòu)加載情況期間都提供最佳功率效率，并因此增加了電池使用壽命和減少了由于換電池的操作費(fèi)用。然后，霍爾效應(yīng)換能器由于亂用的井下環(huán)境而易于不正常工作?；魻栃?yīng)換能器目前被認(rèn)為是優(yōu)選的運(yùn)動(dòng)控制裝置，因?yàn)樗鼈冊(cè)趤y用的環(huán)境中與其它傳感器相比是比較可靠的。因此，在控制電子設(shè)備中，如果任何一個(gè)或多個(gè)霍爾運(yùn)動(dòng)控制裝置(例如，霍爾傳感器A、霍爾傳感器B和霍爾傳感器C)不能返回診斷計(jì)數(shù)，則固件機(jī)構(gòu)是在應(yīng)有位置用無(wú)傳感器電路系統(tǒng)64轉(zhuǎn)換到較低功率效率反電動(dòng)勢(shì)位置反饋。例如，方法可以操作如下:如果霍爾傳感器B不能產(chǎn)生診斷計(jì)數(shù)，則將利用霍爾傳感器A，利用反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)B，和利用霍爾傳感器C。在這種情況下功率效率不受損失且保持可靠性。如果一個(gè)以上霍爾效應(yīng)換能器失效，則固件將完全依靠反電動(dòng)勢(shì)位置反饋(反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)A，反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)B和反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)C)且現(xiàn)在功率效率稍有降低，但仍然保持合適的操作。圖5示出將反EMF信號(hào)轉(zhuǎn)變成霍爾信號(hào)當(dāng)量的電路的實(shí)施方案。在所示的實(shí)施方案中，反EMF信號(hào)(相A，相B和相C)用電阻、電容和運(yùn)算放大器(比較器)轉(zhuǎn)變，如所示，以便如果這是三相系統(tǒng)的話則產(chǎn)生霍爾信號(hào)A，霍爾信號(hào)B和霍爾信號(hào)C，如所示。電子控制元件組31還可以提供可用遺漏關(guān)鍵戰(zhàn)術(shù)記錄的診斷/存入數(shù)據(jù)操作。存儲(chǔ)非易失數(shù)據(jù)的典型方法通常是用大的量化的紙段將數(shù)據(jù)寫入到快速存儲(chǔ)器中，因此，如果在紙頁(yè)寫入期間發(fā)生電力異常或清除，則大量數(shù)據(jù)能很容易失去。典型的I千字節(jié)紙頁(yè)可以存儲(chǔ)診斷或運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間。為了防止這種數(shù)據(jù)的丟失，除了快速存儲(chǔ)器之外，可以利用新型非易失存儲(chǔ)器供快速單字節(jié)寫入代替對(duì)快速存儲(chǔ)器敏感的大量I千字節(jié)頁(yè)面寫入。在一個(gè)實(shí)施方案中，非易失存儲(chǔ)器可以是鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(F-RAM)，該F-RAM是用鐵電層代替在其它非易失存儲(chǔ)器中發(fā)現(xiàn)的典型介電層的非易失存儲(chǔ)器。鐵電層使F-RAM能消耗較小電力、能持續(xù)工作100萬(wàn)億寫周期、在500倍常規(guī)閃存寫入速度下工作，和能在亂用的井下環(huán)境中持續(xù)工作。使用新型非易失存儲(chǔ)器通過(guò)單字節(jié)傳送代替I千字節(jié)數(shù)據(jù)傳送使數(shù)據(jù)丟失減至最少。電子控制元件組31還可以具有專用MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)門驅(qū)動(dòng)器電路系統(tǒng)70 (見(jiàn)示出MOSFET驅(qū)動(dòng)器70的實(shí)施方案的圖6)，利用上述驅(qū)動(dòng)器電路系統(tǒng)70以便在改變輸入電壓時(shí)調(diào)節(jié)施加到一個(gè)或多個(gè)MOSFET上的門驅(qū)動(dòng)電壓，其中輸入電壓通常由電池供應(yīng)。MOSFET是優(yōu)選的開(kāi)關(guān)；然而，任何其它開(kāi)關(guān)都能用。在電路系統(tǒng)中，每個(gè)MOSFET都具有產(chǎn)生用于每個(gè)MOSFET的門電壓的門驅(qū)動(dòng)電路74和低壓檢測(cè)電路及控制門驅(qū)動(dòng)電路74的門調(diào)壓器76，其中當(dāng)電壓太低時(shí)它能提供停機(jī)信號(hào)。將門電壓調(diào)節(jié)到最佳電壓使MOSFET能在大輸入電壓變動(dòng)時(shí)消耗最少電力，因此使MOSFET溫升最小而增加可靠性。電子控制元件組31還可以具有如果輸入電壓降到一定電平則能禁止使用MOSFET的電路76，在上述電平中不能保持最佳門電壓，因此消除了 MOSFET過(guò)熱和自動(dòng)破壞。上述井下促動(dòng)器還提供用于充油到促動(dòng)器中有助于維修方便的簡(jiǎn)單方法。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，其中某些系統(tǒng)利用隔膜來(lái)補(bǔ)償，隔膜在真空下(當(dāng)除去油時(shí))坍縮而產(chǎn)生氣阱并可能損壞隔膜。而且，從現(xiàn)有隔膜補(bǔ)償系統(tǒng)中除去過(guò)量的油也更復(fù)雜，因?yàn)樵跊](méi)有對(duì)隔膜施加壓力的固定器的情況下更難接近隔膜以從隔膜中移走油。為使隔膜補(bǔ)償系統(tǒng)形成整體所需的結(jié)構(gòu)和開(kāi)口還要加流體體積到必須補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)中。相反，上述井下促動(dòng)器允許在安裝補(bǔ)償活塞或隔膜之前給系統(tǒng)真空充油。因此，在真空充油過(guò)程之前可以將補(bǔ)償件(活塞或隔膜)除去和在真空充油完成之后安裝補(bǔ)償件。此外，將過(guò)量的油通過(guò)簡(jiǎn)單地打開(kāi)口并把補(bǔ)償活塞安裝到所需位置從系統(tǒng)中移走。上述促動(dòng)器具有下列克服典型系統(tǒng)的限制的全部特點(diǎn):
-減少部件數(shù)用更有效方式實(shí)現(xiàn)同樣功能
-通過(guò)減少部件數(shù)并成形供簡(jiǎn)化接近的部件簡(jiǎn)化了費(fèi)用、維修、和改善可靠性 -利用活塞補(bǔ)償與彈性隔膜補(bǔ)償相比改善了在使彈性隔膜變質(zhì)的環(huán)境中的使用耐久
性
-增加減震、自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，使系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)更小的承重和往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件
-利用較小部件數(shù)，降低成本、電力要求和尺寸
-增加一個(gè)或多個(gè)減震件和液壓限制方案以提供控制反饋機(jī)構(gòu)
-用T形槽構(gòu)造牢固地附接軸而簡(jiǎn)化了它的安裝和拆卸
-增加提供軸側(cè)向支承的盤而不干擾往復(fù)運(yùn)動(dòng)或壓力平衡
-將濾網(wǎng)與油補(bǔ)償密封部分分開(kāi)
-加巖屑捕集器到濾網(wǎng)外殼上減少了堵塞井下閥的機(jī)會(huì)
-給驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)增加電子設(shè)備功能部件改善了可靠性
-增加對(duì)促動(dòng)器的性能是關(guān)鍵的記錄診斷數(shù)據(jù)來(lái)幫助故障分析和其它診斷
-增加電路系統(tǒng)以在所有輸入電壓和亂用的環(huán)境條件范圍內(nèi)大大改善MOSFET可靠性
-給操作和控制促動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制裝置增加冗余以改善優(yōu)于其它典型系統(tǒng)的可靠性。盡管上面已經(jīng)參照本公開(kāi)的特定實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但該領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離其范圍由所附權(quán)利要求書限定的本公開(kāi)的原理和精神的情況下，在該實(shí)施例中可以進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
1.一種用于井下工具的促動(dòng)器，包括: 充油的外殼； 安放在充油的外殼中的促動(dòng)器，該促動(dòng)器產(chǎn)生施加給可連接到促動(dòng)器的井下工具的力； 鄰近促動(dòng)器的減震件，該減震件吸收來(lái)自促動(dòng)器的沖擊； 安放在充油的外殼中的補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，該補(bǔ)償機(jī)構(gòu)使促動(dòng)器內(nèi)壓力與井眼壓力平衡； 安放在充油外殼中的軸，該軸把促動(dòng)器的力傳送給可連接到促動(dòng)器的井下工具；和電子控制系統(tǒng)，位于與該充油的外殼分開(kāi)的外殼中，該電子控制系統(tǒng)與促動(dòng)器電通信以便給促動(dòng)器提供電力信號(hào)和控制信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的井下工具促動(dòng)器，其中促動(dòng)器還包括旋轉(zhuǎn)式促動(dòng)器和往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的其中之一。
3.如權(quán)利要求2所述的井下工具促動(dòng)器，其中促動(dòng)器還包括連接到促動(dòng)器和軸上的導(dǎo)螺桿/滾珠絲杠，上述導(dǎo)螺桿/滾珠絲杠保證軸基于促動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的合適運(yùn)動(dòng)。
4.如權(quán)利要求3所述的井下工具促動(dòng)器，其中促動(dòng)器還包括將軸連接到促動(dòng)器的T形槽聯(lián)軸器。
5.如權(quán)利要求2所述的井下工具促動(dòng)器，其中促動(dòng)器還包括防止往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的旋轉(zhuǎn)的抗旋轉(zhuǎn)功能部件。
6.如權(quán)利要求5所述的井下 工具促動(dòng)器，其中抗旋轉(zhuǎn)功能部件是銷釘、鍵、螺釘頭部、滾珠和在充油外殼中沿著槽滑動(dòng)的整體機(jī)加工的功能部件的其中之一。
7.如權(quán)利要求5所述的井下工具促動(dòng)器，其中減震件對(duì)準(zhǔn)軸。
8.如權(quán)利要求7所述的井下工具促動(dòng)器，其中減震件是機(jī)加工的螺旋彈簧。
9.如權(quán)利要求1所述的井下工具促動(dòng)器，其中軸具有均勻的直徑。
10.如權(quán)利要求1所述的井下工具促動(dòng)器，其中補(bǔ)償機(jī)構(gòu)是活塞。
11.如權(quán)利要求1所述的井下工具促動(dòng)器，其中活塞圍繞軸以便減少促動(dòng)器的總長(zhǎng)度。
12.如權(quán)利要求1所述的井下工具促動(dòng)器，其中補(bǔ)償機(jī)構(gòu)是彈性隔膜。
13.如權(quán)利要求1所述的井下工具促動(dòng)器，還包括排除巖屑并支承軸的鄰近補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的緩沖盤。
14.如權(quán)利要求13所述的井下工具促動(dòng)器，其中緩沖盤是高溫?zé)崴苄运芰系摹?br> 15.如權(quán)利要求13所述的井下工具促動(dòng)器，其中緩沖盤是開(kāi)孔的。
16.如權(quán)利要求13所述的井下工具促動(dòng)器,其中充油外殼還包括第一外殼和第二外殼及其中緩沖盤保持在第一和第二外殼之間。
17.如權(quán)利要求1所述的井下工具促動(dòng)器，還包括使電子控制系統(tǒng)與充油外殼中壓力和流體絕緣的壓力密封式饋電線。
18.如權(quán)利要求1所述的進(jìn)下工具促動(dòng)器，其中電子控制系統(tǒng)還包括產(chǎn)生一組測(cè)量軸的運(yùn)動(dòng)的信號(hào)的一組傳感器，基于傳感器信號(hào)組產(chǎn)生信號(hào)的狀態(tài)機(jī)和一組基于狀態(tài)機(jī)信號(hào)產(chǎn)生用于促動(dòng)器的控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路。
19.如權(quán)利要求18所述的井下工具促動(dòng)器，其中狀態(tài)機(jī)是現(xiàn)場(chǎng)可編程的門陣列。
20.如權(quán)利要求18所述的井下工具促動(dòng)器，其中每個(gè)傳感器都是霍爾效應(yīng)傳感器、同步分解器、光學(xué)編碼器、磁鐵/簧片開(kāi)關(guān)組合、磁鐵/線圈感應(yīng)傳感器、近程傳感器、電容傳感器、加速度計(jì)、轉(zhuǎn)速計(jì)、機(jī)械開(kāi)關(guān)、電位計(jì)和速率陀螺的其中之一。
21.如權(quán)利要求1所述的井下工具促動(dòng)器，還包括具有可更換的濾網(wǎng)以便允許接近不在充油外殼內(nèi)的部件的閥罩。
22.如權(quán)利要求1所述的井下工具促動(dòng)器，還包括附裝到捕集巖屑的外殼上的濾網(wǎng)組件。
23.用于維持井下工具促動(dòng)器的方法，包括: 裝配井下促動(dòng)器，該井下促動(dòng)器具有外殼、產(chǎn)生施加到可與促動(dòng)器連接的井下工具上的力的在外殼中的促動(dòng)器、吸收來(lái)自促動(dòng)器的沖擊的鄰近促動(dòng)器的減震件、將促動(dòng)器的力傳送到可與促動(dòng)器連接的井下工具的在外殼中的軸和與促動(dòng)器電通信以便給促動(dòng)器提供電力信號(hào)和控制信號(hào)的 電子控制系統(tǒng)； 將油充入外殼中；和 將補(bǔ)償機(jī)構(gòu)安裝到使促動(dòng)器內(nèi)壓力與井眼壓力平衡的外殼中。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，還包括通過(guò)打開(kāi)外殼中的口從外殼除去過(guò)量的油。
全文摘要
提供用于驅(qū)動(dòng)井下工具的設(shè)備和方法。用設(shè)備和方法可以驅(qū)動(dòng)和控制的井下工具可以包括擴(kuò)孔器、可調(diào)式孔規(guī)穩(wěn)定器、垂直可轉(zhuǎn)向工具、旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向工具、旁通閥、封隔器、造斜器、井下閥、鎖緊或釋放機(jī)構(gòu)和/或錨定機(jī)構(gòu)。
文檔編號(hào)E21B23/00GK103119240SQ201180031210
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者P.R.塞古拉, D.Q.弗洛雷斯, W.F.特瀨諾 申請(qǐng)人:本奇特里集團(tuán)有限責(zé)任公司