力平衡往复式阀的制作方法

力平衡往复式阀
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年7月3日提交的美国专利申请号62/870261的权益，该申请全文以引用方式并入本文。


背景技术：

3.在资源回收行业中，为了诸如流量控制、钻井、定向钻井和地层特性测量的目的，采用各种井下工具。此类工具的示例包括随钻测井(lwd)和随钻测量(mwd)工具。工具之间和/或工具与地面之间的通信可使用各种遥测系统来实现。
4.一种类型的遥测是泥浆脉冲遥测，其涉及经由钻孔流体诸如钻井泥浆中的压力脉冲传输通信。通常，井下数据被编码成数字格式，并且压力脉冲从脉冲发生器被传输到接收器。


技术实现要素：

5.一种用于生成压力脉冲的装置的实施方案包括阀构件，该阀构件设置在流体通道中，流体通道包括节流器，阀构件能够通过致动器而相对于节流器运动，以基于改变阀构件与节流器之间的相对位置并在流体通道上产生压差而在流体通道中的流体中生成压力脉冲，压差在阀构件上施加第一力。该装置还包括与压差液压连通的活塞构件，压差在活塞构件上施加第二力，活塞构件具有到阀构件的机动机械连接件。
6.一种生成压力脉冲的方法的实施方案包括：在处理装置处接收通信，该处理装置被配置成控制通信模块，该通信模块包括阀构件和设置在流体通道中的节流器；通过致动器控制阀构件相对于节流器的运动，以基于改变阀构件与节流器之间的相对位置并在通道上压差而在通道中的流体中生成压力脉冲，压差在阀构件上施加第一力；以及通过流体将压力脉冲传输到接收器。通信模块包括与压差液压连通的活塞构件，压差在活塞构件上施加第二力，活塞构件具有到阀构件的机动机械连接件。
附图说明
7.以下描述不应被认为以任何方式进行限制。参考附图，相同元件以相同附图标记表示：
8.图1示出了用于执行能源行业操作的系统的实施方案，该系统包括被配置用于泥浆脉冲遥测的通信模块；
9.图2示出了图1的通信模块的实施方案；
10.图3示出了包括脉冲发生器组件和力平衡组件的通信模块的实施方案的方面；
11.图4示出了力平衡组件的实施方案；
12.图5示出了处于闭合位置的图3的脉冲发生器组件和力平衡组件；
13.图6示出了处于打开位置的图3的脉冲发生器组件和力平衡组件；
14.图7是示出使用遥测装置进行通信的方法的实施方案的流程图；
15.图8是示出阀力与阀构件位置之间的关系的图；
16.图9是示出流体压力与阀构件位置之间的关系的图；
17.图10示出了施加在根据选定的冲程长度操作的阀构件上的流体压力；
18.图11示出了施加在图10的根据选定的冲程长度操作的阀构件上的阀力；
19.图12a和图12b(统称为图12)示出了与选定的冲程长度的示例相对应的流体压力和阀力；
20.图13示出了力平衡组件对阀构件上的阀力的影响；
21.图14示出了力平衡组件对阀构件上的阀力的影响；
22.图15示出了由现有技术的泥浆脉冲遥测阀构件上的致动器提供的机械功率的示例；
23.图16示出了由图15的致动器在联接到力平衡组件时提供的机械功率；
24.图17示出了作为冲程长度的函数的惯性功率的示例；
25.图18示出了具有正弦冲程的编码的泥浆脉冲遥测压力信号的示例；
26.图19示出了编码的泥浆脉冲遥测阀位置的示例；并且
27.图20示出了根据图19的阀位置曲线的惯性功率需求。
具体实施方式
28.本文所公开的设备和方法的一个或多个实施方案的详细描述以参照附图举例而非限制的方式呈现。
29.公开了用于生成流体压力信号并经由泥浆脉冲遥测进行通信的装置、系统和方法。遥测装置的实施方案包括阀构件，该阀构件能够相对于流体通道中的节流器运动以生成流体脉冲。通过使阀构件以振荡方式运动来产生压差，从而生成流体脉冲，该流体脉冲通过钻孔流体被传输到接收器。该遥测装置还包括力平衡组件，该力平衡组件被配置成使用流体压力来抵消由压差施加在阀构件上的阀力。
30.在一个实施方案中，力平衡组件包括与流体通道压力连通的辅助构件(例如，活塞构件)。该力平衡组件包括阀构件与辅助构件之间的机动机械连接件，其将辅助构件上的力传递到阀构件。所传递的力至少部分地抵消阀力，从而允许阀构件以比没有力平衡组件时所需的机械功率低的机械功率被致动。
31.本文所述的实施方案提供了许多优点和技术效果。实施方案允许通过平衡阀构件上的液压力以显著更小的致动力致动遥测装置。由于液压力被减小或消除，驱动阀构件所需的功率显著减小。本文所述的实施方案允许实现用于高数据速率泥浆脉冲遥测的柱塞阀，从而保持柱塞阀关于堵漏材料(lcm)能力、堵塞阻力和在高信号强度(脉冲压力)下的宽流量范围适应性的有益效果。
32.液压辅助的导向(或伺服)阀通常不是主动位置控制的，并且可能具有导向阀区段中的堵塞、沉降或磨损的问题。柱塞阀的实验室和现场测试证明了它们在耐用性、流动和密度扩散以及抗堵塞性方面优于旋转阀的优点。本文所述的实施方案的特征在于柱塞阀配置的优点，同时保持高速泥浆脉冲遥测的能力。
33.图1示出了用于执行能源行业操作(例如，钻井、测量、增产、建井、完井和/或生产)的系统10的实施方案。系统10包括钻孔柱12，其被示出为设置在钻井或其他井下操作期间
被钻探穿透至少一个资源承载地层16的井或钻孔14中。如本文所述，“钻孔”或“井筒”是指构成所钻的井的全部或一部分的孔。应注意，钻孔14可包括竖直、偏斜和/或水平区段，并且可遵循任何合适或期望的路径。如本文所述，“地层”是指在地下环境中可能遇到的并且围绕钻孔14的各种特征和材料。
34.钻孔柱12可操作地连接到地面结构或地面设备，诸如钻机18，其包括或连接到各种部件诸如地面驱动装置或转盘，用于支撑钻孔柱12、旋转钻孔柱12和降低柱区段或其他井下部件。在一个实施方案中，钻孔柱12为包括一个或多个钻杆区段的钻柱，该一个或多个钻杆区段向下延伸到钻孔14中并连接到井底组件(bha)20。
35.钻孔柱12包括或形成管件，流体22通过该管件循环到钻孔14中。在操作中，在一个实施方案中，流体22由地面设备注入管件和/或钻孔柱12中，流动通过管件，并且通过钻孔柱12与钻孔壁(或如果钻孔或钻孔区段被加套管，则是套管)之间的环形空间21返回到地面。流体22可为任何类型的流体，诸如钻井液或增产液，并且可包括进入钻孔14的地层流体诸如水、气体和/或油。
36.例如，地面设备包括钻机18，并且流体22包括注入管件中的钻井泥浆，以便于钻井和/或测量(例如，随钻测井)操作。bha 20包括钻头24，在该示例中，其从地面驱动，但也可从井下驱动(例如，通过井下泥浆马达)。泵送装置26可位于地面上，以在钻头24旋转时使流体22从泥浆坑或其他流体源28循环到钻孔14中。
37.在图1的实施方案中，所示的系统10被配置成执行钻井操作，并且钻孔柱12是钻柱。然而，本文所述的实施方案并不限于此，并且可具有适于执行包括井下发电机的能源行业操作的任何配置。例如，系统10可被配置为增产系统和/或完井系统，其可包括诸如水力压裂组件和/或生产组件(包括例如生产套筒和筛管)的部件。
38.系统10可包括被配置成执行选定的井下功能诸如执行井下测量、促进通信、执行增产操作和/或执行生产操作的各种井下工具30中的一个或多个井下工具。例如，井下工具30中的一个或多个井下工具可包括一个或多个传感器32，用于执行诸如随钻测井(lwd)或随钻测量(mwd)测量的测量。其他工具包括例如智能生产工具、衬管设置工具和用于在完成钻孔的构造的同时记录各种信息的工具。
39.系统10包括遥测组件，该遥测组件包括用于与地面和/或其他井下工具或装置通信的通信模块34(例如，遥测子系统)。在一个实施方案中，通信模块34被配置为泥浆脉冲遥测(mpt)装置，其包括引起流体22中的压力波动的脉冲发生器组件36。压力波动作为脉冲行进到与钻孔14流体连通的接收器38。脉冲可例如以调制的幅度和/或频率作为编码的压力信号来传输。脉冲发生器组件36包括可由致动器组件42控制的阀构件40。阀构件40相对于流体通道节流器(未示出)的运动引起压差的变化，该压差作为压力信号向上游传输。
40.脉冲发生器组件36还包括力平衡组件44，该力平衡组件被配置成抵消由流体22施加在阀构件40上的力。如下面进一步详细讨论的，力平衡组件44利用流体压力来施加与阀构件40上的流体压力相反的平衡力。力平衡组件44由此减少或基本上消除了流体压力源，这允许由致动器组件42使用比原本将需要的机械功率更少的机械功率来使阀构件40运动。
41.一个或多个井下部件和/或一个或多个地面部件可与处理器通信和/或由处理器控制，该处理器诸如井下处理器50和/或地面处理单元52。在一个实施方案中，地面处理单元52被配置为地面控制单元，其控制各种参数，诸如旋转速度、钻压、流体流动参数(例如，
压力和流速)等。地面处理单元52(或其他处理器)也可执行监测和通信功能(例如，以收集工具状态信息和关于钻孔状况的信息)。
42.地面处理单元52(和/或井下处理器50)可被配置成执行诸如控制钻井和导向、控制钻孔流体的流速和压力、使用通信模块34发送和接收数据和通信、处理测量数据和/或监测系统10的操作的功能。在一个实施方案中，地面处理单元52包括输入/输出装置54、处理器56和用于存储使处理器执行本文所述的方法和过程的各方面的数据、模型和/或计算机程序或软件的数据存储装置58(例如，存储器、计算机可读介质等)。
43.图2示出了通信模块34的实施方案。在该实施方案中，阀构件40被配置为设置在流体通道60中的柱塞阀构件。在一个实施方案中，流体通道60与循环通过钻孔14的钻孔流体22(例如，钻井泥浆)流体连通。流体通道60由壳体62限定，该壳体可以是井下部件(例如，管区段、钻铤、bha 20等)中的孔或附接到部件的单独壳体。
44.柱塞阀构件40能够轴向运动，即，在至少基本上平行于通道60的纵向轴线a的方向上运动。阀构件40能够相对于壳体62中的节流器64轴向运动，以在流体22中生成压力脉冲。节流器64可与壳体62成一体(例如，作为从壳体62的壁延伸的突起)或为附接到壳体62的表面的部件。
45.为了生成压力脉冲，控制器(例如，井下处理器50或通信模块34中的电子器件)使致动器施加力(称为致动器力fa)和受控冲程，以使阀构件40在通道中朝向节流器64运动。通过根据一个或多个频率使阀构件40振荡并改变冲程的幅度(由阀构件40运动引起的压差的幅度)和/或频率，相应地调整节流器64上游的流体22中的压力。发射一系列编码的脉冲以传输通信。
46.由阀构件40的运动产生的压差(节流器64上游侧与节流器64下游侧之间的压差)在阀构件40上施加液压力(称为阀力fv)。通信模块34还包括力平衡组件44，其被配置成抵消包括阀构件40上的阀力fv的液压力，并由此减少产生脉冲所需的机械功率。力平衡组件44包括辅助活塞66(例如，柱塞活塞)，其暴露于流体22和当阀构件40相对于节流器64运动时产生的压差(在节流器64上游侧与节流器64下游侧之间)。活塞66被配置成暴露于流体22，使得通道60中的在节流器64上游侧与节流器64下游侧之间的压差也在活塞66上施加液压力。活塞66上的液压力被称为活塞力fp。
47.机动机械传动组件68被包括在通信模块34中，以平衡阀构件40上的力。在一个实施方案中，传动组件68包括摇臂杆轴承，该摇臂杆轴承包括机械地联接到用作支点的轴承72的摇臂杆70。摇臂杆70提供阀构件40之间的机械连接并且允许平衡阀力。摇臂杆轴承由阀力fv和活塞力f
p
加载。通过平衡杆臂和活塞表面，可有效地平衡力。
48.活塞66与阀布置的高压侧(相对于节流器64在上游)液压连通。例如，如图2所示，活塞66具有与摇臂杆70的端部接触(或至少联接以传递力)的第一端部74和与节流器64上游的流体压力连通的第二端部76。例如，第二端部76延伸穿过通道60中的圆柱形开口78。
49.每当阀构件40闭合并且压力升高时，活塞66拾取该压力并因此在该当前压力下产生活塞力f
p
。由于阀力fv和活塞力f
p
两者具有相同的方向，它们可通过合适的驱动装置连接。因此，力平衡组件诸如摇臂杆机构使方向和力反向以抵消这两个力。例如，摇臂杆机构将活塞力f
p
传递到阀构件40，并在与阀力fv相反的方向上将活塞力f
p
施加到阀构件40。同样，摇臂杆机构将气门力fv传递到活塞66，并且在与活塞力f
p
相反的方向上将气门力fv施加
到活塞66。
50.活塞66的参数可被选择或设计成控制活塞66上的力f
p
的量。例如，端部76的表面积(以及缸78的对应直径)可被选择为控制活塞66上的力的量，并因此控制平衡的量。
51.由于阀力被平衡，驱动阀构件40所需的功率显著减小。如果正确地液压平衡，使阀构件40运动的致动器驱动装置将主要必须考虑惯性负载和其他损耗。
52.各种配置和机制中的任一种可用于影响力平衡。除了或代替上述摇臂杆机构，力平衡组件的机械连接件可包括齿条和小齿轮齿轮箱、曲柄或凸轮装置、摇摆板、液压联接器(具有液压连通的缸活塞装置)等。
53.图3至图6示出了通信模块34的示例以及采用齿条和小齿轮齿轮箱作为机械连接件的合适力平衡组件的另一示例。活塞66和阀构件40(在此示例中被配置为柱塞阀构件)能够轴向运动并由引导结构45诸如圆柱形壳体或支撑结构引导。引导结构45包括将活塞66和阀构件40暴露于流体22的相应开口。活塞66机械地联接到第一致动器杆80，并且阀构件40机械地联接到第二致动器杆82。
54.参考图4，在该示例中，传动组件68包括齿条和小齿轮驱动装置，其具有小齿轮84、连接到活塞66的第一齿条86和连接到阀构件40的第二齿条88。该齿条和小齿轮驱动装置被选择为主要的力平衡特征，以抵消阀构件40上的液压力。小齿轮84由联接到电(dc)马达单元92(图3中示出)的锥齿轮90驱动。可使用任何合适的齿轮齿数比或传动比。例如，传动组件68可具有1∶1的齿轮齿数比或不同的齿轮齿数比。
55.dc马达单元92的关键电气部件通过分离器(诸如橡胶波纹管94或隔膜)与钻井液或平衡机构区段内的流体液压分离，从而传送压力并允许角度运动。隔膜或波纹管94可限定不同的腔，该腔可填充有不同于流体22或平衡机构区段内的流体的流体。独立的补偿器96可用于平衡机构区段。由于活塞66和阀构件40机械地联接，因此活塞66和阀构件40中的一者向外运动，而另一者以相同的速率向内运动(对于相同的齿轮齿数比)。如果阀构件40和活塞66两者的特征在于至少基本上相同的引导(或密封)直径，则平衡机构区段的内部体积在阀运动期间保持恒定，从而限制或减小阀运动时的补偿器运动。可选择活塞66(密封)直径和阀构件40(密封)直径的其他合适组合，同时仍然允许平衡机构区段的内部体积在阀运动期间保持恒定。
56.在一个示例中，阀构件40(密封)直径是活塞66(密封)直径的两倍。这种配置转化为4倍大的液压面积，并因此在往复式运动中位移4倍大的体积。在该示例中，活塞66冲程长度是阀构件冲程长度的4倍(并且在与活塞冲程相反的方向上)，以在阀运动期间保持平衡机构区段的恒定内部体积，从而限制或减少阀运动时的补偿器运动。如可以理解的，可选择其他组合。
57.图5示出了处于闭合(脉冲)位置的脉冲发生器组件36，并且图6示出了处于打开位置的脉冲发生器组件36。在打开位置，阀构件40位于远离节流器64选定距离的第一轴向位置处。该距离可基于因素诸如流体流速、压力、期望的脉冲幅度和/或脉冲频率来选择。
58.在闭合位置(也称为脉冲位置)，阀构件40位于第二轴向位置处，该第二轴向位置邻近节流器64并且与打开位置相比更靠近节流器64。阀构件40被示出为在图5中处于完全闭合位置并且在图6中处于完全打开位置。在这些位置处，阀构件40(在该实施方案中为柱塞活塞或柱塞阀)在引导结构(例如，引导缸)45内，并且抵靠流体22密封。阀构件40可借助
于引导缸45之间的狭窄间隙或通过任何其他密封机构(例如，o形环)来密封。由于引导缸45和密封件(作为引导缸45的一部分)以及补偿器96分别定位在节流器64下游，所以它们都连通到类似的压力水平，因此在密封件上存在小的压降或不存在压降，从而增加耐久性和寿命。可调整阀冲程以覆盖一个工具尺寸的全部流量范围。用于小流速的脉冲位置可趋向于在闭合位置处阀构件40与节流器64之间的较小距离，而在高流速下，脉冲位置可趋向于在闭合位置处并且优选地也在较大冲程处阀构件40与节流器64之间的较大距离。当前流速可通过bha 20中的合适装置来测量，诸如涡轮机或行业中已知的其他流量测量装置。
59.为了产生信号脉冲，马达驱动的锥齿轮90在一个方向上旋转一定角度，而对于打开冲程，该旋转反向。可相对于马达扭矩容量和动态容量调整齿轮齿数比。在致动器的振荡运动的情况下，可基于流体22的当前流量和流体密度以及所需的信号压力单独地选择打开位置和闭合位置。当前流体密度可由bha中的井下装置测量，或在操作之前和/或在操作期间通过从地面向井下发送命令(下行链路)而编程到地面处的井下装置(例如工具30)中。井下流体密度测量可使用脉冲发生器组件36执行，例如通过检测在特定位置和流速处致动器(例如，电(dc)马达单元92)的负载或其他特征参数。其他密度测量可由专用装置执行。
60.尽管图3至图6中示出了齿条和小齿轮装置，但另选的联接机构是可行的。另选的机械连接件包括齿条和小齿轮齿轮箱、曲柄或凸轮装置、摇摆板、杆机构等。用于线性冲程的使用非恒定传动比的机构可能提供附加的优点。另选地，可使用阀构件40与活塞66之间的液压联接。另外，代替并排的阀构件40和活塞66，它们可同心地定位。此外，可使用多于两个柱塞装置(例如，多于一个阀构件40和/或多于一个活塞66)。可添加弹簧以平衡惯性负载或支撑动态运动。
61.使用液压系统，利用缸活塞装置拾取节流器64上游的高压，并通过机械地联接到阀构件40的辅助缸活塞装置将所需的反作用力液压地供应到阀构件40，可实现类似的效果。液压系统应被设计成具有低电阻，这可能需要液压连通管线中的大横截面来减少损耗。
62.应注意，尽管上文结合遥测装置描述了力平衡组件44和力平衡特征，但它们不限于此。本文所述的实施方案可与经受流体压力的其他装置和/或系统结合使用。此类系统的示例包括各种液压致动或操作的系统，诸如套筒和流量控制阀。
63.图7示出了生成流体压力脉冲、传输编码的压力信号并通过泥浆脉冲遥测进行通信的方法200。方法200可与系统10结合使用，但方法200可与任何合适类型的装置或系统结合使用。方法200包括一个或多个阶段201-204。在一个实施方案中，方法200包括以所述顺序执行所有阶段201-204。然而，可省略某些阶段，可添加附加的阶段，和/或可改变阶段的顺序。
64.在第一阶段201中，部署管件诸如钻柱12，并且将钻孔14钻至期望的位置或深度。在钻井期间，钻孔流体22被泵送通过钻柱12和bha 20。
65.在第二阶段202中，井下部件诸如工具30和/或bha 20生成例如数字信号形式的数据和/或通信。数字信号被传输到通信模块34。选择脉冲发生器组件36的频率和冲程长度用于传输。冲程长度是打开位置和闭合(脉冲)位置之间的差值，并且基于期望的信号压力和打开位置中可接受的压力限制(当阀构件40处于打开位置时节流器64上游的流体压力与当阀构件40处于闭合位置时上游的流体压力之间的差值)来选择。如上所讨论，当正确平衡时，用于使阀构件运动的致动力不需要克服由压差作用在阀构件40上的液压力。因此，致动
功率受限于其他因素，诸如惯性因素(惯性负载和损耗)、摩擦、致动器损耗等。
66.在第三阶段203中，操作通信模块34以在钻孔流体22中生成压力脉冲。例如，处理装置诸如井下处理器50、通信模块34中的处理器和/或另一处理器(例如，bha 20或工具30中的处理器)操作致动器组件42，以通过根据选定的冲程长度(或多个冲程长度)改变阀构件40的位置以选定频率和/或幅度生成脉冲。
67.在第四阶段204中，具有选定的信号压力和频率的压力脉冲通过钻孔流体22被传输到另一部件。例如，压力脉冲由接收器38检测并处理。在一个实施方案中，井下部件和/或地面设备18包括被配置成在井下发射脉冲的遥测装置。遥测装置可包括如本文所述的脉冲发生器组件和力平衡组件。
68.图8至图12示出了操作通信组件34的方面以及在选择脉冲长度和其他操作参数时考虑的因素。这些方面与任何平衡机构(例如，如图2所示)无关，并且通常应用于往复式阀。如上所讨论，为了传输包括压力脉冲的信号，阀构件40相对于节流器64运动以生成作为脉冲向上游传输的压差。当阀构件40运动时，流体压力在阀构件40上施加力fv，这取决于阀构件40到节流器64的相对位置。阀构件40的位置表示为位置x，其是距节流器64的轴向距离(例如，在平行于轴线a或以其他方式平行于阀构件40的运动轴线的方向上的距离)。
69.图8示出了作为位置x的函数的阀构件40上的阀力fr的示例，该位置对应于阀构件40与节流器64之间的轴向距离。在该示例中，当阀构件40接触节流器64或处于相对于节流器64的最近选定位置时，x的值为零。阀力与位置之间的关系被示出为阀力曲线210。图9示出了作为位置x的函数的对应流体压差，示出为流体压力曲线212。
70.可选择打开位置和闭合位置，以便在给定流速下生成选定的信号压力。当生成压力脉冲时使用的打开位置与闭合位置之间的差值被称为冲程长度或简单的冲程。例如，参考图10，基于压力-位置关系选择闭合位置以生成选定的信号压力(压差)。选择打开位置，使得节流器64处的压差相对低，并且打开位置和闭合位置处的压差之间的差值对应于选定的信号压力。打开位置的低压降减少了阀部件的腐蚀和其他机械负载。
71.图11示出了对于图10选择的闭合位置和打开位置作为位置x的函数的阀力fv。如图所示，在打开位置，所需的阀力将处于相对低的水平，而在闭合位置，阀力处于根据图10的所需压降的量值。可选择各种打开位置和闭合位置，从而导致其他力和冲程。
72.图12示出了当使用比图10和图11中所示更小的冲程长度但产生相同的信号压力时阀构件40上的压力和阀力。图12a示出了作为阀位置x的函数的流体压力，并且图12b示出了作为阀位置的函数的阀力fv。与图10和图11的冲程长度相比，闭合位置被选择在高水平的阀力和流体压力下(例如，在相对于腐蚀的最大允许压力下或相对于驱动机构的最大允许阀力下)，对应于更靠近节流器64的轴向位置。通过在相对高的水平下选择闭合位置，可用相对小的冲程实现与先前示例(图10和图11)中相同的信号压力，因为图12的冲程速率内的示例性压力曲线相对于位置以高速率改变。
73.致动器可被配置成精确地控制阀构件位置，同时能够供应期望的致动力。可选择其他位置和冲程长度以实现期望的脉冲压力。通常，闭合位置越靠近节流器64，平均压力(打开压力和闭合压力)越高并且致动力越高，但所需的阀冲程越小。高压力水平通常具有产生较高磨损和侵蚀的缺点，而在较小压力水平下操作要求较高的冲程以及因此致动器内部的较高动态负载。
74.如上所述，本文所述的实施方案显著降低了致动器必须施加以生成具有期望信号压力和频率的脉冲的机械功率。例如，与不具有平衡组件(例如，平衡组件44，从而需要较少(电)功率)特征的现有技术系统相比，通信模块34可实现信号压力而不需要相对低的功率。
75.图13和图14展示了与现有技术的脉冲发生器相比，根据本文所述的实施方案的生成期望的压力脉冲所需的致动力fa显著减小。在该示例中，阀构件40和活塞66连接到平衡组件44，并且力平衡组件44的力传动比(例如，齿轮齿数比)是1∶1。图13示出了对于具有与脉冲发生器组件36类似但没有力平衡组件的脉冲发生器组件的现有技术的脉冲发生器作为阀位置的函数的阀力的曲线图(曲线214)。图13还示出了使用根据本文实施方案的力平衡组件44的致动力的曲线图(曲线216)。如图所示，力平衡组件44几乎完全平衡了阀力，从而产生了曲线216的值，作为阀构件40的力与活塞66的力之间的差值。
76.在一些情况下，不完全地平衡或过度补偿阀打开力可能是有益的，例如以允许阀构件40被泥浆流推开并且没有驱动装置被激活。图14示出了对于用于在流体流动时保持打开力的与图13的示例相比尺寸较小的平衡活塞的作为阀位置的函数的致动力的曲线图。在该示例中，平衡组件44的用于相应地定位阀的致动力由曲线218示出。
77.图15和图16展示了如何使用如本文所述的力平衡组件可显著减小驱动脉冲发生器所需的机械功率的量。在该示例中，仅考虑抵抗阀力致动所需的机械功率(功率＝阀力乘以阀速度)。
78.图15示出了克服现有技术脉冲发生器组件的阀构件上的液压力所需的机械功率。曲线220示出了在相对较大的冲程期间作为时间的函数的克服液压力所需的机械功率，并且曲线222示出了相对较小的冲程所需的机械功率。
79.在该示例中，选择相对低的致动频率和正弦致动冲程(5hz)。小得多的冲程的有益效果导致在小冲程下致动所需的功率减小。如前所述，可能难以实现在高致动器力下高的力和所需的精度。
80.由于图15中显示的机械功率是阀速度和力的函数，因此功率与速度成比例地缩放。在正弦运动的情况下，功率也与致动频率成比例地缩放。
81.如上所述，在这一点上不考虑其他影响(例如，惯性、摩擦、致动器损耗等)。由于在典型的信号压力水平下的致动力可能相当高，因此致动现有技术阀的机械功率需求在较高致动频率下可能是显著的。
82.例如，所需求的信号压力可以是0.5mpa、2mpa或5mpa。用于现有技术阀的致动力可具有1kn、2kn或10kn的相应量值。致动频率可在0.1hz至100hz的范围内。因此，高值下的功率需求可达到若干kw。
83.图16示出了与根据图3至图6的实施方案使用力平衡所需的机械功率相比的图15的示例所需的机械功率。克服大冲程的液压力所需的机械功率示出为曲线224，并且用于小冲程的机械功率示出为曲线226。如图所示，机械功率显著减小或几乎完全消除。
84.由于为简单起见，该示例所考虑的机械功率是作为阀速度和力的函数来计算的，因此功率也与致动力成比例地缩放。由于平衡力比现有技术脉冲发生器中的阀力小几个数量级，所以机械功率也可小几个数量级。
85.即使在高致动频率下，通过平衡的机械力，液压地致动阀构件40的机械功率也是低的，如图16所示。随着通过平衡机构对抗液压力来闭合阀构件40的需求减小，所需的机械
功率和致动力fa根据平衡活塞的尺寸减少了几个因子或甚至几个数量级，使得柱塞阀的使用对于数据速率遥测是可行的。
86.如上所述，由于阀力被力平衡组件平衡，驱动阀构件所需的功率显著减小。如果正确地液压平衡，致动器驱动装置将主要必须考虑惯性负载和损耗。
87.惯性负载可通过导出冲程、速度和加速度来计算，以评估克服惯性损耗所需的功率。
88.考虑到压力曲线212(图9)和阀力曲线210(图8)、选定的阀位置(例如，打开位置、闭合位置、中间位置)和如图3至图6所示的示例性设计，可从示例性机械设计中评估和导出阀冲程、阀质量、旋转(马达)与阀冲程的传动比以及旋转惯性。由此可计算出产生正弦冲程所需的功率。在以下示例中，仅考虑来自质量加速度和旋转惯性的惯性负载。
89.图17示出了对于根据5hz正弦运动驱动的阀构件40随时间推移的计算的惯性功率要求(克服惯性力所需的致动功率)。小冲程所需的功率由曲线230示出，并且大冲程所需的功率由曲线232示出。如图所示，朝向较小值选择的阀冲程和因此旋转运动减小了由运动部件的较低加速度和速度引起的总惯性负载。最佳情况最后将是致动器力(分别为马达扭矩)、腐蚀磨损、控制精度等之间的协商。
90.如果可将载波频率调整到固定水平，则可通过添加的弹簧有效地减少(或消除)惯性负载。例如，线性弹簧可联接到阀构件40和活塞66，和/或扭转弹簧可联接到马达轴或其他地方。
91.虽然图17显示了在5hz下的所需功率，但可分析其他频率。对于正弦阀运动，曲线形式保持相同，不同之处在于功率需求的幅度与致动频率的三次幂成比例(频率的两倍导致功率的8倍(23))。例如，如果根据图17的5hz惯性功率需求的最大幅度是2w，则两倍频率处的功率需求将是2w
×23
＝16w，对于4倍的频率(20hz)，所需功率将是2w
×
43＝128w。
92.为了用适当的编码技术对信号进行编码，与图17的正弦运动相比，可能期望在脉冲循环期间具有更高速度和加速度的阀运动。另外，压力信号可以各种方式配置，并且不限于以上示例。例如，阀构件40可被驱动以便以不同的速度运动通过压力曲线的低压循环和高压循环。
93.图18示出了对应于使用正弦作用和图10和图11所示的冲程长度来致动阀构件40的压力曲线234。
94.成形致动曲线允许为压力信号创建更精确的正弦函数，其具有较少的高次谐波含量，并因此增加了载波频率中的信号强度。图19示出了冲程(幅度)曲线236，其表示具有通过阀打开区域的较高速度和在冲程的高压时间期间较低速度的成形正弦致动的此类示例。图19的曲线的偏斜部分是信号编码的实例。对于其他频率，信号可简单地在时间上缩放。
95.在评估根据图19的示例的致动功率需求时，应当认识到，在高加速度阶段(通常在改变信号编码的相位或频率时发生)，所需的功率也将是高的。图20示出了惯性功率需求曲线238，其表示考虑到如图3所呈现的旋转部件的旋转加速度和往复式质量的线性加速度所需的功率。
96.如图20所示，高峰值负载发生在高加速度阶段期间。冲程的减小或其他措施诸如添加弹簧可减少功率需求。为了更全面的功率评估，可叠加液压功率(图16)和惯性需求(图20)的曲线。
97.可使用各种协议诸如频移键控(fsk)、相移键控(psk)、幅移键控(ask)对信号进行编码。其他示例包括更新近的编码选项，诸如正交相移键控(qpsk)、正交幅移键控(qask)、其他基于时间的技术诸如脉冲位置调制(ppm)等。
98.下面示出了前述公开的一些实施方案：
99.实施例1：一种用于生成压力脉冲的装置，所述装置包括：阀构件，所述阀构件设置在流体通道中，所述流体通道包括节流器，所述阀构件能够通过致动器而相对于所述节流器运动，以基于改变所述阀构件与所述节流器之间的相对位置并在所述流体通道上产生压差而在所述流体通道中的流体中生成压力脉冲，所述压差在所述阀构件上施加第一力；和活塞构件，所述活塞构件与所述压差液压连通，所述压差在所述活塞构件上施加第二力，所述活塞构件具有到所述阀构件的机动机械连接件。
100.实施例2：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述机械连接件被配置成将所述第二力传递到所述阀构件并且在与所述第一力相反的方向上施加所述第二力。
101.实施例3：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述机械连接件被配置成将所述第一力传递到所述活塞构件并且在与所述第二力相反的方向上施加所述第一力。
102.实施例4：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述机械连接件被配置成交替地使所述第一力和所述第二力的方向反向。
103.实施例5：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述机械连接件包括以下中的一者：摇臂杆机构、齿条和小齿轮齿轮箱、曲柄装置、凸轮装置、摇摆板和液压连杆。
104.实施例6：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述机械连接件具有选自1∶1的比率和不同于1∶1的比率的传动比。
105.实施例7：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述活塞构件的尺寸和传动比被选择为在所述流体流动通过所述通道时保持打开力。
106.实施例8：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述致动器包括以下中的一者：被配置成产生线性运动的锥齿轮和曲轴；被配置成产生线性运动的滚珠丝杠驱动装置；到驱动所述齿条的所述小齿轮的直接连接件；和到所述摇臂杆机构的直接连接件。
107.实施例9：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述致动器包括电动马达和位置反馈装置。
108.实施例10：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述致动器包括压力补偿器。
109.实施例11：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述相对位置以在所述通道上游产生具有多个频率的频率调制压力信号的方式改变，其中所述多个频率中的至少一个频率和所述频率的相位被偏移以用于在所述流动流体中进行数据传输。
110.实施例12：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述阀构件机械地联接到弹簧。
111.实施例13：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述弹簧被配置成利用运动部件的惯性而形成振荡器，所述振荡器的第一自然频率被选择为在调制压力信号的选定频率中的一个频率的25％至200％的范围内。
112.实施例14：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述弹簧被配置成保持所述阀构件相对于所述通道的中间冲程位置
113.实施例15：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述阀构件和所述活塞构件同心地定位。
114.实施例16：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述机动机械连接件和所述电动马达通过隔膜液压分离，所述隔膜限定填充有另一流体的腔，所述另一流体不同于所述通道中的所述流体。
115.实施例17：一种生成压力脉冲的方法，所述方法包括：在处理装置处接收通信，所述处理装置被配置成控制通信模块，所述通信模块包括设置在流体通道中的阀构件和节流器；通过致动器控制所述阀构件相对于所述节流器的运动，以基于改变所述阀构件与所述节流器之间的相对位置并在所述通道上产生压差而在所述通道中的流体中生成压力脉冲，所述压差在所述阀构件上施加第一力；以及通过所述流体将所述压力脉冲传输到接收器，其中：所述通信模块包括与所述压差液压连通的活塞构件，所述压差在所述活塞构件上施加第二力，所述活塞构件具有到所述阀构件的机动机械连接件。
116.实施例18：根据前述实施例中任一项所述的装置，其中所述机械连接件被配置成将所述第二力传递到所述阀构件并且在与所述第一力相反的方向上施加所述第二力。
117.实施例19：根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述阀构件的所述相对位置根据通过所述通道的流速和流动通过所述通道的流体的密度中的至少一者来控制。
118.实施例20：根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述阀构件被控制以产生压力脉冲，所述压力脉冲被配置为以下中的至少一者：所述通道上游的频率调制压力信号、所述通道上游的幅度调制压力信号和所述通道上游的脉冲时间调制压力信号。
119.在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)，术语“一个”、“一种”和“该”以及类似指代的使用应被解释为涵盖单数和复数，除非在本文另外指明或与上下文明显地矛盾。此外，应当指出的是，本文的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来将一个元素与另一个元素区分开。与数量结合使用的修饰语“约”包含所陈述的值并且具有由上下文决定的含义(例如，其包括与特定数量的测量相关联的误差度)。
120.本公开的教导内容可用于多种井操作。这些操作可涉及使用一种或多种处理剂来处理地层、地层中驻留的流体、井筒、和/或井筒中的设备，诸如生产管材。处理剂可以是液体、气体、固体、半固体、以及它们的混合物的形式。例示性的处理剂包括但不限于压裂液、酸、蒸汽、水、盐水、防腐剂、粘固剂、渗透性调节剂、钻井泥浆、乳化剂、破乳剂、示踪剂、流动性改进剂，等等。例示性的井操作包括但不限于水力压裂、增产、示踪剂注入、清洁、酸化、蒸汽注入、注水、固井，等等。
121.虽然已参考一个或多个示例性实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可作出各种改变并且可用等同物代替其元件。另外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可作出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教导内容。因此，预期的是，本发明不限于作为设想用于实现本发明的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本发明将包括落入权利要求书的范围内的所有实施方案。另外，在附图和具体实施方式中，已公开了本发明的示例性实施方案，并且尽管已采用了特定术语，但除非另外指明，否则它们仅以一般性和描述性意义使用，而非出于限制的目的，否则本发明的范围因此并不限于此。