具有可溶解滚珠轴承的井下致动系统和方法与流程

本发明的公开总体涉及地下井开发，并且更具体地涉及用于收集井下信息的致动和感测系统。

背景技术：

1、当钻探地下井时，操作者不能直接观察井筒的轨道和井下环境。另外，一旦工具、仪器、设备和其它装置被下放到井筒中，它们就不能从地面接近。从地面控制井下工具或仪器或装置的传统技术包括机械方法，诸如施加钻压(weight-on-bit)并转动钻柱组件、施加压力并投球，或诸如流体压力循环和流动压力循环等液压方法。

2、基于射频识别(“rfid”)的系统也已经被开发用于钻井应用。rfid标签在地面被编程有独特代码，该rfid标签被下降到井中并随着钻井流体流而沿井筒下行行进。诸如旁通阀、扩眼器(reamer)或封隔器(packer)等的井下装置与rfid读取器集成在一起。rfid读取器由被包封起来以进行保护的电池、电子器件和天线组成。当rfid标签和读取器的天线彼此邻近时，rfid标签由读取器的天线激励。天线持续地产生射频场以“监听”rfid标签。读取器具有仅对特定识别代码作出响应并忽略其它代码的能力，并且还具有通过仅接受一次独特代码来消除重复操作的能力。基于rfid的系统的最大优点在于，与通常用于激活旁通阀的过程(涉及投下激活球)相比，它们对钻柱的内径没有限制。rfid系统能够实现远程激活并且对钻柱的内部没有限制，从而导致钻井流体的较大流动区域，允许任何测井仪器不受限制地穿过钻柱。

技术实现思路

1、指示井下装置的机械和液压方法会给钻井过程带来某些限制和潜在的挑战或问题。例如，包括投下激活球以打开侧端口的致动系统需要从地面施加压力，这会损坏井下部件。这种系统还需要额外的沿井筒下行行程以从钻柱组件中移除球或对球进行扩孔。

2、rfid系统具有缺点。例如，rfid系统需要用于rfid标签的钻井流体流行进穿过钻柱组件并朝向rfid读取器行进，以激活或去激活井下装置。另外，当经过rfid读取器天线将rfid标签的独特标识号和特定指令发送到rfid读取器时，rfid标签必须处于正确的或优化的取向。此外，一旦从地面投下rfid标签，就不能从地面控制该标签，并且需要沿着钻柱向下部署多个rfid标签以进行多个激活/去激活操作。rfid读取器天线在钻杆中占据空间，并且还可能被来自钻井流体的碎屑污染。另外，rfid读取器天线总是处于打开状态，因为它必须“监听”rfid标签信号。操作不能根据需要立即停止或开始，因为必须部署另一个rfid标签来激活、去激活或重置井下装置，并且激活或去激活的时机将取决于rfid标签到达rfid读取器附近所花费的时间。

3、本发明的公开的系统和方法克服了当前可用的机械和rfid系统两者的缺陷。本发明的公开的系统和方法可以实时地与井下装置通信并向井下装置传递指令信号。本发明的公开的实施例提供了一种井下致动系统，其可以从地面进行控制以致动数字启用的井下装置，诸如工具和仪器。这些不同装置的致动使得能够执行不连续的钻井工作流程。致动系统是可以与井下装置无缝地集成的单独系统，使得其不会取代现有的钻井组合。

4、在本发明的公开的实施例中，由数字逻辑创建并解释一组信号图像，数字逻辑接着被转换以发送特定信号来激活或去激活特定装置。该系统的一组初始滚珠轴承用于生成第一组信号，以解释为对井下装置的第一组指令。然后，用于形成某些轴承的可溶解材料可以溶解以生成不同组的信号，这些信号将被解释为对装置的不同指令，或者可以用于指示不同装置，以执行井下的其它功能。

5、在本发明的公开的实施例中，一种用于指示地下井的井筒内的装置的系统包括从地面延伸到地下井中的钻柱。钻柱具有致动器组件。致动器组件具有第一管构件，该第一管构件具有由第一材料形成的区段。第二管构件与第一管构件同轴地对准。多个轴承被定位在第一管构件与第二管构件之间。多个轴承中的每一个包括第二材料。第一材料对第二材料为反应性的。多个轴承中的至少一个是包括可溶解材料的可变轴承。致动器组件能操作以通过生成指令信号来指示装置的操作，指令信号是通过使第一管构件相对于第二管构件转动并且解释当多个轴承转动经过区段时区段的反应的图案而生成的。

6、在替代实施例中，可变轴承可以具有可溶解材料的最外层，并且可溶解材料可以是第二材料。可变轴承可以包括由电绝缘材料形成的芯部轴承，该芯部轴承被可溶解材料的最外层包覆。作为替代方案，整个可变轴承可以由可溶解材料形成。作为替代方案，可变轴承可以包括由第二材料形成的芯部轴承，该芯部轴承被可溶解聚合物的最外层包覆，可溶解聚合物是可溶解材料并且对第一材料为非反应性的。

7、在其它替代实施例中，多个轴承可以包括侧轴承，并且区段可以位于第一管构件的外径表面上并且与侧轴承在轴向上对齐。侧轴承可以位于第一管构件的外径表面与第二管构件的内径表面之间。作为替代方案，多个轴承可以包括侧轴承，并且区段可以位于第一管构件的内径表面上并且与侧轴承在轴向上对齐。侧轴承可以位于第一管构件的内径表面与第二管构件的外径表面之间。

8、在另一些其它替代实施例中，系统可以进一步包括从第二管构件的内径表面沿径向向内延伸的支撑构件。支撑构件可以将第一管构件支撑在第二管构件的中心孔内。多个轴承可以包括端轴承，并且区段可以被定位在第一管构件的端表面处并且与端轴承在径向上对齐。端轴承可以位于第一管构件的端表面与支撑构件之间，该支撑构件被固定到第二管构件且从第二管构件沿径向延伸。

9、在又一些其它替代实施例中，致动器组件可以进一步包括数字逻辑电路，该数字逻辑电路被配置成接收和解释当多个轴承转动经过区段时区段的反应的图案，并且生成指令信号。第二管构件能操作以与钻柱一起转动，并且第一管构件可以位于第二管构件内并且被第二管构件包围。作为替代方案，第二管构件能操作以与钻柱一起转动，并且第一管构件可以包围第二管构件。

10、在本发明的公开的替代实施例中，一种用于指示地下井的井筒内的装置的方法包括将钻柱从地面延伸到地下井中。钻柱包括致动器组件，该致动器组件具有第一管构件，该第一管构件具有由第一材料形成的区段。第二管构件与第一管构件同轴地对准。多个轴承被定位在第一管构件和第二管构件之间。多个轴承中的每一个包括第二材料，其中第一材料对第二材料为反应性的。多个轴承中的至少一个是包括可溶解材料的可变轴承。方法进一步包括利用致动器组件通过生成指令信号来指示装置的操作，指令信号是通过使第二管构件相对于第一管构件转动并且解释当多个轴承转动经过区段时区段的反应的图案而生成的。

11、在替代实施例中，方法可以进一步包括使可溶解材料溶解，并且利用致动器组件通过生成修正指示信号来指示装置的后续操作，修正指示信号是通过使第二管构件相对于第一管构件转动并且解释当多个轴承转动经过区段时区段的反应的修正图案而生成的。可变轴承可以具有可溶解材料的最外层和由电绝缘材料形成的芯部轴承。可溶解材料可以是第二材料，并且使可溶解材料溶解可以包括使可溶解材料的最外层溶解，使得可变轴承对第一材料为非反应性的。作为替代方案，整个可变轴承可以由可溶解材料形成，其中可溶解材料是第二材料，并且使可溶解材料溶解可以包括使整个可变轴承溶解。作为替代方案，可变轴承可以包括由第二材料形成的芯部轴承，该芯部轴承被可溶解聚合物的最外层包覆，该可溶解聚合物是可溶解材料且对第一材料为非反应性的，并且使可溶解材料溶解可以包括使可溶解材料的最外层溶解，使得可变轴承对第一材料为反应性的。

12、在其它替代实施例中，多个轴承可以包括侧轴承，并且区段可以位于第一管构件的外径表面上并且与侧轴承在轴向上对齐。侧轴承可以位于第一管构件的外径表面与第二管构件的内径表面之间，并且解释当多个轴承转动经过区段时区段的反应的图案可以包括解释当侧轴承转动经过区段时区段的反应。作为替代方案，多个轴承可以包括侧轴承，并且区段可以位于第一管构件的内径表面上并且与侧轴承在轴向上对齐。侧轴承可以位于第一管构件的内径表面与第二管构件的外径表面之间，并且解释当多个轴承转动经过区段时区段的反应的图案可以包括解释当侧轴承转动经过区段时区段的反应。

13、在又一些其它替代实施例中，方法可以进一步包括利用从第二管构件的内径表面沿径向向内延伸的支撑构件将第一管构件支撑在第二管构件的中心孔内。多个轴承可以包括端轴承，并且区段可以被定位在第一管构件的端表面处并且与端轴承在径向上对齐。端轴承可以位于第一管构件的端表面与支撑构件之间，该支撑构件被固定至第二管构件并从第二管构件沿径向延伸。解释当多个轴承转动经过区段时区段的反应的图案可以包括解释当端轴承转动经过区段时区段的反应。

14、在另一些其它替代实施例中，致动器组件可以进一步包括数字逻辑电路，并且方法可以进一步包括接收和解释当多个轴承转动经过区段时区段的反应的图案，并且利用数字逻辑电路生成指令信号。第二管构件可以与钻柱一起转动，并且第一管构件可以位于第二管构件内并被第二管构件包围，其中使第二管构件相对于第一管构件转动可以包括使钻柱转动。作为替代方案，第二管构件可以与钻柱一起转动，并且第一管构件可以包围第二管构件，其中使第二管构件相对于第一管构件转动可以包括使钻柱转动。