專利名稱：液力鉆具組蓄壓器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于鉆具組中的液力蓄壓器，該鉆具組具有把流體供給到液力鉆具組工具中的流體通道。地下鉆孔通常具有鉆具組，該鉆具組具有底孔組件，該底孔組件設置有一些工具，這些工具被成形成執(zhí)行各種各樣的功能。這些工具通常由通過鉆具組所泵送的鉆井液來提供動力。一些流體驅動的鉆具組工具在整個時間內(nèi)需要波動的流體量。這種工具的一個例子是用來驅動沖擊鉆頭的沖擊錘。在這種沖擊錘的部分工作循環(huán)期間，流體的需要量高于平均時間的需要量，同時在另外部分的循環(huán)期間，這種需要量小于平均時間的需要量。其結果是，整個工具的壓力也具有強烈的變化。在流體需要量較高的那部分循環(huán)期間，整個工具的壓力小于平均時間的壓力，并且在流體需要量較小的那部分循環(huán)期間，整個工具的壓力大于平均時間的壓力。這種壓力變化通常稱為水錘現(xiàn)象。它導致鉆井效率降低，并且可能干擾其它的鉆具組工具如以壓力脈沖為基礎的連通系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是提供一種這樣的裝置該裝置能夠減少壓力變化并且能夠克服上述問題。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于鉆具組中的液力蓄壓器，該鉆具組具有把流體供給到液力鉆具組工具中的流體通道，該蓄壓器包括主體，它設置有連接裝置，該連接裝置把蓄壓器連接到鉆具組中；及膨脹室，當蓄壓器通過連接裝置連接到鉆具組中時，該膨脹室與流體通道處于流體連通中，該膨脹室可以在第一容積和第二容積之間進行膨脹，而第二容積大于第一容積；其中膨脹室設置有這樣的裝置當流體通道內(nèi)的流體壓力增大時，該裝置使膨脹室從第一容積運動到第二容積，并且當流體通道內(nèi)的壓力減小時，該裝置使膨脹室從第二容積運動到第一容積。
膨脹室的容積增大補償了鉆具組工具所產(chǎn)生的流體壓力增大，并且膨脹室的容積減小補償了該工具所產(chǎn)生的流體壓力減小。因此，可以實現(xiàn)在鉆具組內(nèi)使流體壓力基本保持不變。
借助于缸/活塞的布置使膨脹室在所述容積之間進行合適地運動，其中，在該缸內(nèi)，活塞在第一位置和第二位置之間進行運動，而在第一位置上該膨脹室具有第一容積，在第二位置上該膨脹室具有第二容積。
在優(yōu)選實施例中，蓄壓器通過連接裝置連接到鉆具組上，其中所述液力鉆具組工具是沖擊錘，該沖擊錘被布置來驅動鉆具組的沖擊鉆頭。為了使蓄壓器/沖擊錘組件的工作與所使用的鉆頭類型無關，因此優(yōu)選的是，沖擊錘被布置來接受來自膨脹室的第一股流體，而鉆頭被布置來接受來自流體通道的第二股流體，第一股流體與第二股流體是分開的。
在下文中，參照附圖，借助例子更加詳細地描述本發(fā)明，在這些附圖中

圖1示意性地示出了本發(fā)明蓄壓器處于第一模式中的實施例；圖2示意性地示出了圖1的蓄壓器處于第二模式中；圖3示意性地示出了本發(fā)明蓄壓器的第一替換實施例；及圖4示意性地示出了本發(fā)明蓄壓器的第二替換實施例。
參照圖1，示出了具有流體通道2的鉆具組1，本發(fā)明的液力蓄壓器3布置到該流體通道中。鉆具組1延伸到井眼(未示出)中，并且具有底孔組件(未示出)，該底孔組件包括液力沖擊錘上，該沖擊錘布置來驅動鉆頭。沖擊錘根據(jù)缸內(nèi)的往復運動活塞來進行工作，因此液力驅動的活塞運動涉及到通過鉆具組供給到?jīng)_擊錘中的、隨時間改變的流體供給量。液力沖擊錘設計成只在流體的流率超過某一閾值流率時才起作用，從而在沒有驅動錘子的情況下允許鉆井液通過井眼進行循環(huán)，從而例如清除井眼中的鉆屑。
蓄壓器3包括外徑基本上等于鉆具組1的內(nèi)徑的管形體4，該管形體4固定地連接到鉆具組1的內(nèi)表面上并且通過環(huán)形密封件6來密封。內(nèi)管4設置有內(nèi)徑和外徑都減小的下端部，該下端部形成了下文中所描述的膨脹室的管形入口8。管形入口8具有下端表面10，環(huán)形凹口12布置在表面10中，借助設置在入口8的壁部中的開口16使凹口12與入口8的外部處于流體連通中。
管形缸18由通過連接器20使它們相互連接起來的部分18a、18b形成，并且管形缸18的內(nèi)徑基本上等于入口8的外徑，借助螺釘連接(未示出)使管形缸18在它的上端處連接到入口18上。缸18的外徑小于鉆具組的內(nèi)徑，因此在缸20和鉆具組1之間形成了環(huán)形空間22。環(huán)形空間22在環(huán)形凹口12(通過開口16)和沖擊錘的流體入口之間提供了流體連通。
活塞24可滑動地且可密封地布置在缸20中，該活塞包括活塞體26，活塞體26可密封地接合入口8的下端并且設置有通孔28。環(huán)形限流器29布置在通孔28中。活塞體26設置有與通孔對準的管形延伸部30，該延伸部30延伸到活塞體26的下方。管形延伸部30在位于蓄壓器3上游的流體通道2(通過通孔28)的部分和鉆頭(未示出)的流體噴嘴之間提供了流體連通。延伸部30設置有兩個較小的橫向通道32，這些橫向通道32在延伸部30的內(nèi)部和外部之間提供了流體連通。螺旋壓縮彈簧34布置在缸20中，并且位于活塞24內(nèi)部環(huán)形臺肩36之間，而該環(huán)形臺肩36設置在缸的下端上。彈簧34沿著向上的方向推動活塞24，因此，在沒有限制力的情況下，處于第一位置上的活塞24被偏壓在入口8上，因此活塞體26可密封地接合入口8的下端。在活塞體26的上端、缸18的內(nèi)表面和入口8的下端部之間限定出膨脹室38。當活塞處于第一位置上(圖1)時，膨脹室具有第一相對較小的容積。
參照圖2，它示出了圖1的組件，其中活塞24從入口8處沿著軸向進行運動?；钊?4的這個位置被稱為第二位置，并且膨脹室38的相應容積被稱為第二容積，其中第二容積大于第一容積。
彈簧34的特性被選擇成只要通過鉆具組1泵出的流體的流率小于上述的閾值流率，就使活塞24保持在第一位置上。
圖3所示的第一個替換蓄壓器包括管形體40，該管形體40固定地、可密封地布置在鉆具組(未示出)的流體通道中。與圖1、2的實施例相類似，鉆具組具有底孔組件(未示出)，該組件包括由液力沖擊錘(未示出)所驅動的沖擊鉆頭。管形體40設置有圓柱形孔42，該圓柱形孔42具有封閉的下端44和敞開的上端，該上端與鉆具組的流體通道的上部處于流體連通中?；钊?6可滑動地布置在孔42中，借助布置在活塞46和孔的下端44之間的螺旋壓縮彈簧48來向上偏壓該活塞。在孔42內(nèi)，在活塞46和孔42的上端之間限定出膨脹室50。流體通道52設置在主體40中，該通道52在膨脹室50和鉆具組的流體通道的下部之間提供流體連通。此外，主體40設置有較小的孔54，該孔54在位于活塞46下方的孔42部分和鉆具組的外部之間提供了流體連通。
圖4所示的第二個替換蓄壓器包括管形體60，該管形體60固定地、可密封地布置在鉆具組(未示出)的流體通道中。與圖1、2、3的實施例相類似，鉆具組具有底孔組件(未示出)，該組件包括由液力沖擊錘(未示出)所驅動的沖擊鉆頭。管形體60設置有圓柱形孔62，該圓柱形孔42具有下端64和敞開的上端，該下端64設置有通孔65，該上端與鉆具組的流體通道的上部處于流體連通中?；钊?6可滑動地布置在孔62中，借助布置在活塞66和孔的下端64之間的螺旋壓縮彈簧68來向上偏壓該活塞。在孔62內(nèi)，在活塞66和孔62的上端之間限定出膨脹室70?；钊?6設置有流體導管72，該流體導管72可滑動地延伸通過孔62的下端64的通孔65。導管72在膨脹室66和鉆具組的流體通道的下部之間提供了流體連通。此外，主體60設置有較小的孔74，該孔74在位于活塞66下方的孔62部分和鉆具組的外部之間提供了流體連通。
在正常使用圖1、2的實施例期間，呈鉆井液形式的液壓流體通過鉆具組泵送到底孔組件中。只要流體的流率小于閾值流率，那么活塞24保持在第一位置上并且流體從鉆具組2的流體通道2流到蓄壓器3中，在蓄壓器3中，它通過通孔28和延伸部30到達鉆頭的流體噴嘴中。在活塞處于第一位置時，活塞的液壓面積(即流體對著它進行流動的面積)等于入口8的內(nèi)橫截面積。
當鉆具組內(nèi)的流體流率超過閾值流率時，流體開始克服彈簧34的彈力而向下稍稍地推動活塞24。在活塞不與入口8接觸時，活塞的液壓面積突然增大到缸18的內(nèi)橫截面積。其結果是，活塞24逐漸向下運動到第二位置上，因此彈簧34明顯地被壓縮。在活塞24突然運動期間，橫向通道32便于活塞24的內(nèi)部和外部之間的流體壓力平衡。
當活塞24處于第二位置時，部分流體從流體通道2流到膨脹室38中，并且從膨脹室通過開口16和環(huán)形空間22流到?jīng)_擊錘的流體入口中。另外部分的流體通過通孔28和延伸部30流到鉆頭的流體噴嘴中。
沖擊錘所消耗的、隨時間改變的流體供給量引起沖擊錘上游處的流體產(chǎn)生壓力波動。在沖擊錘活塞向上運動的沖程期間，當沖擊錘上游處的流體壓力增大時，膨脹室38內(nèi)的壓力也增大了，因此，借助活塞24克服彈簧34的彈力而向下運動，使得室38的容積增大。由于供給到鉆具組中的流體供給量合拍地基本上保持不變，因此室34的增大容積的作用是減少位于蓄壓器3上游處的鉆具組內(nèi)的流體壓力。流體壓力的減少補償了由沖擊錘的向上運動沖程所產(chǎn)生的壓力增大。
相反地，在沖擊錘活塞向下運動的沖程期間，當沖擊錘上游處的流體壓力減小時，膨脹室38內(nèi)的壓力也減小了，因此，借助彈簧34的彈力使活塞向上運動，使得室38的容積減小。室34的容積減小使得位于蓄壓器3上游處的流體壓力增大，因此補償了由沖擊錘的向下運動沖程所產(chǎn)生的流體減少。
因此，可以實現(xiàn)，蓄壓器上游處的流體壓力基本上保持不變，而與錘子隨著時間改變的流體需要量無關。
第一替換實施例的正常工作(圖3)基本上與圖1、2的實施例的正常工作相類似。一個不同之處在于，活塞46沒有通孔，因此所有的流體通過流體通道52而流到液力沖擊錘中。在錘子活塞向上運動的沖程期間，當錘子上游處的流體壓力增大時，膨脹室50內(nèi)的壓力也增大了，因此，借助活塞46克服彈簧48的彈力而向下運動，使得室50的容積增大。由于供給到鉆具組中的流體供給量合拍地基本上保持不變，因此室50的增大容積的作用是減少位于蓄壓器上游處的鉆具組內(nèi)的流體壓力。流體壓力的減少補償了由沖擊錘的向上運動沖程所產(chǎn)生的壓力增大。
相反地，在沖擊錘活塞向下運動的沖程期間，當沖擊錘上游處的流體壓力減小時，膨脹室50內(nèi)的壓力也減小了，因此，借助彈簧48的彈力使活塞向上運動，使得室50的容積減小。室50的容積減小使得位于蓄壓器上游處的流體壓力增大，因此補償了由沖擊錘的向下運動沖程所產(chǎn)生的流體減少。
第二替換實施例的正常工作(圖4)與第一實施例的正常工作相類似，不同之處在于，現(xiàn)在，所有的流體通過流體導管72而流到液力沖擊錘中，而不是通過第一替換實施例的流體通道52而流到?jīng)_擊錘中。此外，在活塞66的向上和向下運動期間，流體導管72可滑動地通過開口65。
除了使用本發(fā)明的蓄壓器來補償沖擊錘的壓力變化外，還可以使用蓄壓器來補償由任何其它鉆具組工具所產(chǎn)生的壓力變化。
權利要求
1.一種用于鉆具組中的液力蓄壓器，該鉆具組具有把流體供給到液力鉆具組工具中的流體通道，該蓄壓器包括一個主體，它設置有連接裝置，該連接裝置把蓄壓器連接到鉆具組中；及一個膨脹室，當蓄壓器通過連接裝置連接到鉆具組中時，該膨脹室與流體通道處于流體連通中，該膨脹室可以在第一容積和第二容積之間進行膨脹，而第二容積大于第一容積；其中膨脹室設置有這樣的裝置當流體通道內(nèi)的流體壓力增大時，該裝置使膨脹室從第一容積運動到第二容積，并且當流體通道內(nèi)的壓力減小時，該裝置使膨脹室從第二容積運動到第一容積。
2.如權利要求1所述的蓄壓器，其特征在于，借助于缸/活塞的布置使膨脹室在所述容積之間進行運動，其中，在該缸內(nèi)，活塞在第一位置和第二位置之間進行運動，而在第一位置上該膨脹室具有第一容積，在第二位置上該膨脹室具有第二容積。
3.如權利要求2所述的蓄壓器，其特征在于，缸/活塞裝置設置有彈簧，該彈簧使活塞從第二位置偏壓到第一位置上。
4.如權利要求2或者3所述的蓄壓器，其特征在于，活塞處于第一位置上時的活塞液壓面積小于處于第二位置上時的活塞液壓面積。
5.如權利要求4所述的蓄壓器，其特征在于，膨脹室設置有入口，該入口與流體通道處于流體連通中，該入口具有環(huán)形端，處于第一位置上的活塞被偏壓在該環(huán)形端上，該環(huán)形端的直徑小于活塞直徑。
6.如權利要求2-5任一所述的蓄壓器，其特征在于，當蓄壓器借助連接裝置連接到鉆具組上時，該缸在鉆具組中布置成基本上與環(huán)形空間同心，而該環(huán)形空間位于缸和鉆具組之間，其中蓄壓器具有出口，該出口與所述環(huán)形空間處于流體連通中。
7.如權利要求1-6任一所述的蓄壓器，其特征在于，膨脹室具有出口，當蓄壓器通過連接裝置連接到鉆具組上時，該出口與蓄壓器下游處的一部分流體通道處于流體連通中。
8.如權利要求7所述的蓄壓器，當根據(jù)權利要求2-6中的任意一個時，其特征在于，出口設置在活塞中。
9.如權利要求1-8任一所述的蓄壓器，其特征在于，蓄壓器借助連接裝置連接到鉆具組上，所述液力鉆具組工具是沖擊錘，該沖擊錘被布置來驅動鉆具組的沖擊鉆頭。
10.如權利要求9所述的蓄壓器，其特征在于，沖擊錘被布置來接受來自膨脹室的第一股流體，而鉆頭被布置來接受來自流體通道的第二股流體，第一股流體與第二股流體是分開的。
11.基本上如參照附圖在前文中所描述的一樣的蓄壓器。
全文摘要
提供了一種用于鉆具組中的液力蓄壓器，該鉆具組具有把流體供給到液力鉆具組工具中的流體通道。該蓄壓器包括一個主體，它設置有連接裝置，該連接裝置把蓄壓器連接到鉆具組中；及一個膨脹室，當蓄壓器通過連接裝置連接到鉆具組中時，該膨脹室與流體通道處于流體連通中。該膨脹室可以在第一容積和第二容積之間進行膨脹，而第二容積大于第一容積。此外，膨脹室設置有這樣的裝置當流體通道內(nèi)的流體壓力增大時，該裝置使膨脹室從第一容積運動到第二容積，并且當流體通道內(nèi)的壓力減小時，該裝置使膨脹室從第二容積運動到第一容積。
文檔編號E21B21/10GK1476510SQ01819485
公開日2004年2月18日 申請日期2001年11月27日 優(yōu)先權日2000年11月27日
發(fā)明者佩特魯斯·C·克里塞爾斯, 居雷·H·澤斯林, H 澤斯林, 佩特魯斯 C 克里塞爾斯 申請人:國際殼牌研究有限公司