具体实施方式

现在将详细参考本公开的实施例，其示例在附图中示出。注意的是，在可行的情况下，在附图中可以使用类似或相似的附图标记，并且可以指示类似或相似的元件。

附图仅出于说明的目的描绘了本公开的实施例。本领域技术人员将从以下描述中容易地认识到，在不脱离本公开的一般原理的情况下，存在替代实施例。

在一个或多个示例性实施例中，可以在相对靠近钻头的钻孔的底部测量对钻机的使用信息，并且该信息在钻井液循环回路中利用压力脉冲被传输到地面。可以通过停止钻井液循环并允许钻柱在最短时间内保持静止来发送启动数据传输的指令。在检测到此指令后，随钻测量(MWD)系统(MWD构件或MWD工具)可以测量至少一种井下状况，通常是模拟信号，并且该信号可以由MWD工具处理并准备传输到地面。当钻井液循环重新开始时，MWD工具可能会等待预定的时间，以使钻井液流量稳定，然后通过反复关闭然后打开脉冲发生器阀开始信息的传输，以在钻井液循环回路中产生压力脉冲。发送的脉冲序列被编码为一种格式，该格式允许在地面对信息进行解码，并提取嵌入的信息并将其显示在显示屏上。

更具体地，可以将新颖的脉冲发生器(“压力脉冲发生器”、“脉冲发生器机械模块”或“脉冲发生器装置”)联接到传感器包、控制器以及电池电源，传感器封装、控制器以及电池电源全部都存在于钻柱的靠近正在钻探的钻孔底部的钻头的小段内。可以从地面指令MWD系统测量所需参数并将测量数据传输到地面。接收到传输信息的指令后，井下控制器会从传感器包中收集相关数据，并通过将数据编码为压力脉冲将此信息传输到地面。这些压力脉冲沿钻柱内部的钻井液柱向上传输，并通过与计算机连接的压敏传感器在地面进行检测，该计算机对传输的数据进行解码并将其显示在显示屏上。

随钻测量(MWD)系统可以例如包含测量地层性质(例如电阻率、天然伽马射线、孔隙度)、井眼几何形状(倾斜度、方位角)、钻井系统方向(工具面)以及钻井的钻井过程的机械性质的测量工具。MWD仪器或系统可测量井眼轨迹，提供用于定向控制的磁性或重力工具面以及遥测系统，遥测系统以压力波的形式通过钻柱将数据脉冲化(即，产生通过泥浆柱传输的压力脉冲)。

现在参考附图并且具体地参考图1，其中总体上示出了在钻孔16的定向钻井中使用的石油钻井系统10的示意图。石油钻井系统10可以用于在陆地以及水下钻井。使用旋转钻机在地层中钻出钻孔16，该旋转钻机包括井架12、钻台14、绞车18、移动滑车20、吊钩22、旋转接头24、方钻杆接头26以及旋转工作台28。用于钻井井眼的钻柱100包括多个钻管，多个钻管在地面处串联连接并固定到方钻杆接头26的底部。旋转工作台28用于旋转整个钻柱100，而绞车18用于将钻柱100降低到钻孔16中并施加受控的轴向压缩载荷。钻柱100的下部是底部整体构件150。

钻井液(也称为泥浆)通常存储在泥浆池或泥浆罐46中，并使用泥浆泵38进行输送，泥浆泵38迫使钻井液流过涌流抑制器40，然后流过方钻杆软管42，并通过旋转接头24进入钻柱100的顶部。钻井液以每分钟约150加仑至每分钟约600加仑的速度流过钻柱100，并流入底部整体构件150。然后，钻井液通过在钻柱100的外表面和钻孔16之间的环形空间中行进而返回到地面。当钻井液到达地面时，它通过泥浆回流管线44返回到泥浆罐46。

使钻井液保持循环所需的压力由方钻杆软管42上的压敏传感器48测量。压敏传感器检测由图1中的脉冲发生器300产生的压力脉冲引起的压力变化。来自脉冲发生器的压力波的大小可能高达500psi或更高。测得的压力作为电信号通过传感器线缆50传输到地面计算机52，地面计算机52对所传输的信息进行解码和显示。备选地，所测量的压力作为电信号通过传感器线缆50被传输到解码器，该解码器对电信号进行解码并且将解码的信号传输到地面计算机52，该地面计算机52将数据显示在显示屏上。

如上所述，钻柱100的下部(“远端”)包括井下钻具组合(BHA)150，底部钻具构件(BHA)包括具有安装在其中的MWD系统(MWD构件或MWD工具)160的非磁性钻铤、随钻测井(LWD)仪器165、井下马达170、近钻头测量短节175以及具有钻井喷嘴(未示出)的钻头180。钻井液流过钻柱100，并通过钻头180的钻井喷嘴输出。在钻井操作期间，钻井系统10可以以旋转模式操作，其中钻柱100通过旋转工作台28或移动滑车20中的马达((即，顶部驱动器))从地面旋转。钻井系统10也可以以滑动模式操作，其中钻柱100不从地面旋转，而是由使钻头180旋转的井下马达170驱动。钻井液从地面通过钻柱100被泵送到钻头180，并被注入到钻柱100和钻孔16的壁之间的环空中。如上所述，钻井液将钻屑从钻孔16带到地面。钻孔16也可以被称为井或钻井。

在一个或多个实施例中，MWD系统160可包括脉冲发生器短节、脉冲发生器驱动器短节、电池短节、中央存储单元、主板、电源短节、方向模块短节以及其他传感器板。在一些实施例中，这些设备中的一些可以位于BHA 150的其他区域中。脉冲发生器短节和脉冲发生器驱动器短节中的一个或多个可以与脉冲发生器300通信，该脉冲发生器可以位于MWD系统160下方。MWD系统160可将数据传输到脉冲发生器300，以便脉冲发生器300产生压力脉冲，这将在图2和3的描述中详细描述。

非磁性钻铤容纳MWD系统160，该MWD系统160包括用于测量倾斜度、方位角、井轨迹(井眼轨迹)等的工具包。LWD仪器16也包括在非磁性钻铤或钻柱100中的其他位置中，LWD仪器16是诸如中子孔隙度测量工具和密度测量工具，其用于确定诸如孔隙率和密度的地层特性。仪器可以电连接或无线地连接在一起，由电池组或由钻井液驱动的发电机供电。所收集的所有信息都可以以压力脉冲的形式通过钻柱中的泥浆柱传输到地面。

近钻头测量短节175可以设置在井下马达170和钻头180之间，以测量地层电阻率、伽马射线以及井轨迹。数据可以通过嵌入井下马达170中的线缆传输到底部整体构件150中的MWD系统160。脉冲发生器300可以位于MWD系统160下方，以与MWD系统160通信。

图2是根据实施例的脉冲发生器300的示例的立体图。在该示例性实施例中，脉冲发生器具有管状壳体，该管状壳体具有近端301和远端302。在该示例性实施例中，脉冲发生器300的长度可以为40至41英寸(例如40.785英寸)，并且脉冲发生器300的直径可以是1至2英寸(例如1.875英寸)。在该示例性实施例中，脉冲发生器300可具有成对的半环形的抗LCM(堵漏材料)筛网305，其包括独特的后切开口，以允许钻井液易于流入脉冲发生器300内的伺服阀。在图2的脉冲发生器300的视图中示出了抗LCM筛网305。在图3中示出了成对的筛网305。抗LCM筛网305的独特的后切开口防止较大和较重的LCM流入脉冲发生器300中的伺服阀，以防止脉冲发生器300堵塞和发生故障。例如，筛网305的长度可以在2英寸和4英寸之间(例如2.865英寸)。筛网305可具有筛网构件306，其最优以大约45度的角度阻止钻井液的流动。两个相邻的筛网构件306之间的狭缝的宽度可以为0.25英寸。狭缝的中点在较低点，而狭缝的两端在其中点，使得当钻井液通过筛网305进入脉冲发生器时，钻井液会急转，从而防止钻井液中的固体物质(例如大于1/16英寸)进入脉冲发生器300。筛网构件在图3中用附图标记306表示。

图3是示出实施例中的脉冲发生器300的内部的示意图。脉冲发生器300包括管状壳体。管状壳体包括马达壳体312、注油壳体314、滚珠螺杆壳体340以及压力补偿活塞壳体350。马达310位于马达壳体312中，滚珠螺杆345位于滚珠螺杆壳体340中。马达310通过滚珠螺杆345驱动提升轴320，使得提升轴320沿着管状壳体的纵向方向进行往复运动，从而导致伺服阀打开或关闭并在钻井液中产生压力脉冲，如说明书中其他地方详细论述的那样。压力脉冲在钻柱中的泥浆柱中传输到地面处的压敏传感器48。马达310可以从井下控制器接收指令，该井下控制器可以位于MWD系统160中。

注油壳体314由注油塞316密封。可以移除注油塞316，以允许将润滑剂(例如矿物油)添加到注油壳体314中。填充时可以调节脉冲发生器中润滑剂的压力。

参照图3和和图4，压缩弹簧366位于压力平衡活塞板364和伺服阀壳体390之间的压力补偿活塞壳体350中。提升轴320依次延伸穿过压力补偿活塞330、压力平衡活塞板364、压缩弹簧366以及伺服阀壳体390进入由金属筛网305包围的腔体中。

压力补偿活塞330为圆柱形。它在其纵向方向上具有中心通孔以容纳活塞轴320。活塞330的远端具有围绕其外表面布置的台阶330a和围绕通孔的内表面布置的台阶330b。在台阶330a中设置第一X形环360，在台阶330b中设置第二X形环362。因此，X形环360密封活塞330与活塞壳体350的壁之间的间隙，而X形环362密封活塞330与活塞轴320之间的间隙。这样，压力补偿活塞330将脉冲发生器分成近端部分(靠近地面的部分)和远端部分(靠近钻孔底部的部分)。活塞330防止远端部分中的钻井液和近端部分中的润滑油相互泄漏。

根据图4中的实施例，活塞330具有十个矩形的螺旋形凹槽，螺旋形凹槽的宽度大约为1/16英寸并且其深度大约为1/32英寸。压力补偿活塞330的长度可以是大约1.525英寸。螺旋形凹槽的螺距为每螺旋圈2英寸。凹槽填充有润滑油，以减少活塞330的内表面与提升轴320之间以及活塞330的外表面与壳体350的内表面之间的摩擦。

活塞330、压力平衡活塞板364以及压缩弹簧366共同工作，以平衡脉冲发生器近端部分中的润滑油和远端部分中的钻井液之间的压力。在操作期间，压缩弹簧366处于压缩状态，并且近端部分中的润滑油和远端部分中的钻井液是压力平衡的。当伺服阀关闭从而钻井液的压力增加时，钻井液在板364上施加较高的压力，这将活塞330推向近端方向，从而增加了近端部分中的润滑油的压力。当伺服阀打开时，钻井液的压力减小，活塞330沿远端方向运动，从而减小润滑油的压力。因此，活塞330的往复运动平衡了近端部分中的润滑剂和远端部分中的钻井液之间的压力。

在钻井操作中，钻井液的压力可以高达30,000psi，而压力脉冲的幅度可以高达500psi，这可能需要高压和高温金属密封。但是，由于润滑油几乎是不可压缩的流体，因此其体积的微小变化会产生很大的反压，这平衡了钻井液的压力。因此，该构造使得不必使用昂贵的高压、高温往复式密封件。因此，脉冲发生器300中的密封材料(例如，第一X形环和第二X形环)可能仅需要选择以维持操作环境的高温，而不必担心高压，这使得脉冲发生器的制造成本更低以及在运行过程中更可靠。

参考图3，该示意图示出了具有伺服阀的独特的两部分构造的脉冲发生器300的内部。如上所述，脉冲发生器300是机械模块或机械装置，其包括具有独特的两部分构造的可调节伺服阀，该可调节伺服阀提供共同的外径(OD)以接收提升伺服阀和具有用于可调节伺服阀的不同孔口内径(ID)的孔口构件。马达310通过滚珠螺杆345驱动提升轴320，以打开和关闭可调节伺服阀，从而可以产生压力脉冲，并通过泥浆柱将压力脉冲传输到地面的压敏传感器48。例如，可调节伺服阀可以包括提升阀370和孔口构件375。孔口构件375也可以被称为孔口板。脉冲发生器300的管状壳体包括孔口壳体380。一个或多个螺钉392可以将孔口构件375紧固到壳体380。

孔口构件375具有孔口，该孔口通过固定到提升轴320的顶端的提升阀370打开和关闭。在图3的实施例中，孔口的内径396可以为0.2英寸至0.5英寸。马达310驱动滚珠螺杆345以使提升轴320缩回，这使提升阀370运动以打开伺服阀孔口，并使钻井液流过该孔口。当马达310驱动滚珠螺杆345在远端方向上推动提升轴320时，伺服阀提升阀370关闭伺服阀孔口并阻止钻井液流出。因此，孔口的打开-关闭允许钻井液流入附接到脉冲发生器302的远端的下端构件(未示出)，并且从下端构件向泥浆柱中输出压力脉冲到地面上的压敏传感器48。如上所述，马达310从MWD系统160接收信号，以指示马达310产生压力脉冲。下端构件例如可从得克萨斯州休斯敦的Enteq Drilling SHO商购。

如上所述，图3中所示的可节调伺服阀具有包括提升阀370和孔口构件375的独特的两部分式设计。这种独特的两部分式设计提供了伺服阀的共同外径(OD)，同时允许伺服阀具有不同的内径(ID)。内径可以在大约0.2英寸到0.5英寸的范围内。共同外径允许根据需要改变(调整)伺服阀构件，以适应预期的钻井条件，从而提高脉冲发生器300的性能。例如，当钻超深井时，具有大ID(例如1/2英寸)的伺服阀可以用于在每次打开伺服阀的过程中使更多的钻井液流过孔口，这将产生更强的压力脉冲，该压力脉冲可以通过压敏传感器48更容易地检测到并且可以通过解码器在地面上解码，解码器可以位于地面计算机52中。图3是具有大ID的伺服阀的示例。提升阀370和孔口构件375可通过脉冲发生器300的远端302从可调节伺服阀中移除，使得提供不同的ID，例如较小的ID的另一提升阀和孔口构件，可插入到可调节伺服阀中。但是，另一提升阀和另一孔口构件提供的外径与孔口构件375提供的外径相同。

图5是示出根据图3的实施例的具有大ID的伺服阀的脉冲发生器300的一部分的示意图。图6是示出根据实施例的脉冲发生器300的一部分的示意图，该脉冲发生器具有比图3和图5更小的ID。图5和图6示出了提升轴320和具有筛网构件306的筛网305，筛网构件306优选地以大约45度的角度阻止钻井液的流动。然而，在图5中，提升阀370的尺寸和孔口构件375的厚度小于图6中的提升阀600和孔口构件610的尺寸。图6中提升阀600的尺寸和孔口构件610的尺寸提供内径约为1/4英寸的孔口，提升阀370的尺寸和孔口构件375的尺寸提供内径为1/2英寸的孔口。然而，孔口构件375和孔口构件610两者具有相同的外径，使得提升阀和孔口构件可以容易地安装和移除以进行更换。

尽管已经示出和描述了本公开的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神或教导的情况下进行修改。本文描述的实施例仅是示例性的，而不是限制性的。方法、系统和设备的许多变化和修改是可能的，并且在本发明的范围内。因此，保护范围不限于本文描述的实施例。保护范围仅由权利要求限定。权利要求的范围应包括权利要求的主题的所有等同形式。