專利名稱：彎曲鉆進(jìn)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油氣井鉆進(jìn)的一般問題，特別是涉及在地表鉆彎曲井孔所用的設(shè)備和方法。
橫向井孔，或“橫向平井”可用來抽吸比用其它的方法回收的更多的原油。例如，通過橫斷裂縫，滲入油層斷層和排出上浸物，可使用橫向平巷來導(dǎo)出原油。橫向重新完井也能夠解決生產(chǎn)中的問題，如水錐、氣錐和過多的從油水界面下方延伸的液力裂縫切入的水。而且，橫向重新完井與完善的回采技術(shù)結(jié)合，能產(chǎn)生雙重效益，解決了地層問題，通過重新完井注油井接觸未清除的油，和通過將現(xiàn)有的油井型式轉(zhuǎn)變?yōu)榫€驅(qū)動(dòng)構(gòu)造來改變清除的方向。最后，橫向重新完井方法能夠利用現(xiàn)有的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有井孔的資源，已知的油源的位置和第二和第三代回采技術(shù)。
廣泛使用橫向重新進(jìn)入的一個(gè)主要障礙是橫向鉆進(jìn)和完井的成本必須保持盡可能的低。在成熟領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)評(píng)估要求其成本大大低于最經(jīng)常用來鉆新的水平井的方法。這樣，極需一種可靠的降低成本的鉆進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可利用現(xiàn)有的設(shè)備和評(píng)估的成本結(jié)構(gòu)以及維修服務(wù)。
除經(jīng)濟(jì)上的限制之外，還有技術(shù)上的限制。對(duì)于一個(gè)技術(shù)上是成功的彎曲鉆進(jìn)系統(tǒng)，最好必須鉆一個(gè)曲率半徑均勻的弧形，并且向著所要求的方向彎曲。這是因?yàn)樗貏e需要·將鉆進(jìn)裝置的端部放置在一個(gè)準(zhǔn)確的深度區(qū)間，以便橫向平井進(jìn)入所要求的作業(yè)區(qū)。
·把橫向平井布置在這樣的方向，該方向由井間隔、所需的清除形式或其它地質(zhì)上原因來確定。
·建立一個(gè)光滑的井孔，以便于橫向鉆井和完井。
旋轉(zhuǎn)式可控制的鉆進(jìn)系統(tǒng)是一種彎曲鉆進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的井下部件一般包括彎曲組件、柔性鉆套環(huán)和定向裝置。彎曲組件較短，并與柔性接頭協(xié)同工作，柔性接頭被推到井孔的一側(cè)，以便使鉆頭傾斜。定向設(shè)備通常包括一個(gè)用于磁性定向的標(biāo)準(zhǔn)螺鞋。這個(gè)基本系統(tǒng)的概念已提出幾十年了,但，確立角度和控制方向這兩個(gè)問題限制了它在商業(yè)上的成功。
授予Warren等人的美國專利US5,213,168公開了一種改進(jìn)的彎曲鉆進(jìn)裝置，始終如一的操作性能部分是通過使鉆頭穩(wěn)定地始終指向彎曲的通道，并重新設(shè)計(jì)了鉆頭，從而使它僅在所指定的方向上切削而獲得的。特別是，通過使用一種“低摩擦導(dǎo)向器”技術(shù)而獲得了改進(jìn)的鉆頭穩(wěn)定性(參見授予Brett等人和轉(zhuǎn)讓給Amoco公司的美國專利US5,010,789和US5,042,596)。鉆頭切削件的設(shè)置使得橫向力朝向鉆頭側(cè)面或?qū)蚱鞑糠稚系墓饣囊r套。該襯套與孔壁接觸，并將復(fù)位力傳遞給鉆頭。該復(fù)位力隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，并始終推著鉆頭的一側(cè)(即沒有導(dǎo)向切削結(jié)構(gòu)的一側(cè))靠在孔壁上。當(dāng)使用這樣的鉆頭時(shí)，通過使鉆頭始終指向彎曲井孔的切線方向，該彎曲鉆進(jìn)裝置就能鉆出一個(gè)彎曲的井孔。該鉆進(jìn)裝置鉆進(jìn)順利，井孔的直徑均勻，鉆進(jìn)效果不會(huì)隨著巖性的改變而改變。而且，這種裝置的生產(chǎn)成本，包括抗旋轉(zhuǎn)鉆頭的生產(chǎn)成本大大低于使用泥漿泵的基鉆進(jìn)裝置的成本。
當(dāng)鉆頭在導(dǎo)向孔內(nèi)繞其中心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柔性接頭的偏心位置使除鉆頭工作面之外的一切部位上的鉆頭軸線相對(duì)于井孔中心線發(fā)生傾斜。在鉆頭工作面上，鉆頭的中心線指向彎曲中心線的切線方向。如果井孔的曲率發(fā)生變化并變得小于所需要的曲率的話，那么該鉆頭軸線將指向井孔傾斜角的上方，從而增大曲率。如果曲率變得大于所需的曲率，那么相反的情況就發(fā)生。因此，當(dāng)鉆頭工作面中心線和井孔曲率對(duì)準(zhǔn)時(shí)，平衡才穩(wěn)定。而且，當(dāng)鉆頭沿彎曲路線向前鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭的傾斜角始終在變化，所以鉆頭傾斜的方向始終使井孔保持沿著所需的彎曲路線，而不需要鉆頭向旁邊切削。
盡管美國專利US5,213,168比現(xiàn)有技術(shù)有更多的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)踐已證明仍然有改進(jìn)的余地。
本發(fā)明的主要目的是提供改進(jìn)的小半徑和大半徑側(cè)向鉆進(jìn)系統(tǒng)。
本發(fā)明的一個(gè)具體的目的在于提供一種具有改進(jìn)的萬向接頭或柔性接頭的彎曲鉆進(jìn)裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種更耐用的彎曲鉆進(jìn)裝置。
本發(fā)明又一個(gè)目的在于提供一種與傳統(tǒng)鉆頭共同使用的改進(jìn)的彎曲鉆進(jìn)裝置。
本發(fā)明再一個(gè)目的是提供一種低成本，包括雙中心抗旋轉(zhuǎn)鉆頭的小半徑側(cè)向鉆進(jìn)系統(tǒng)。
本發(fā)明還有一個(gè)特別的目的在于提供一種在彎曲鉆進(jìn)裝置中使用的改進(jìn)的鉆頭。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種用于彎曲鉆進(jìn)裝置的鉆頭。所述彎曲鉆進(jìn)裝置連接在用于鉆一個(gè)彎曲地下井孔的旋轉(zhuǎn)鉆具上，該井孔有一底部、一壁、一內(nèi)徑和一外徑。該鉆進(jìn)裝置包括與用于給鉆具導(dǎo)向穿過彎曲井孔的鉆具連接的彎曲導(dǎo)向裝置，改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)鉆頭和一個(gè)設(shè)在鉆具兩端的中間，離鉆頭有一定距離的柔性接頭。改進(jìn)的鉆頭具有一個(gè)設(shè)置在鉆頭縱軸線附近，用來與鉆具下端連接的主體部分；一個(gè)側(cè)面部分，它設(shè)置在鉆頭縱軸線附近，從主體延伸出來，并且有上下端；一個(gè)設(shè)置在鉆頭縱軸線附近并從側(cè)面部分延伸出來的工作面部分；和多個(gè)裝在鉆頭上，并在鉆頭的下端產(chǎn)生一個(gè)作用在鉆頭下端上的橫向力的切削件，所述橫向力隨著鉆頭在井孔中的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。特別是，改進(jìn)的鉆頭在其側(cè)面設(shè)有用于在鉆進(jìn)過程中始終與井孔保持接觸的，并承受來自孔壁的反作用力的支撐裝置，該支撐裝置與作用在鉆頭上的橫向力相對(duì)應(yīng)，并且它被指向靠近鉆頭側(cè)面的上端。反作用力和橫向力形成了鉆頭上的下方力矩，該下方力矩的方向與具有指向柔性接頭的分力的上方力矩方向相反。支撐裝置上端的位置在離鉆頭工作面予定軸向距離的位置上，這樣，上方和下方力矩的量值要比支撐裝置設(shè)置在比預(yù)定的軸向距離大的位置上時(shí)所產(chǎn)生的上方和下方力矩的量值小。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，鉆頭的切削件包括兩組切削件。其中一組切削件設(shè)置在靠近鉆頭側(cè)面部分的下端，第二組切削件設(shè)置在靠近鉆頭側(cè)面部分的上端。其中第一組切削件離鉆頭縱軸線的徑向距離小于第二組切削件離鉆頭縱軸線的徑向距離。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，用擴(kuò)孔裝置將標(biāo)準(zhǔn)鉆頭主體部分與彎曲鉆進(jìn)裝置的保持器連接起來。該擴(kuò)孔裝置有一下端和一上端，并在它的下端帶有反作用件，在它的上端帶有擴(kuò)孔件。反作用件在鉆進(jìn)過程中始終與井孔壁的一部分接觸，并承受來自井孔的反作用力，它與來自切削件的橫向力相對(duì)應(yīng)。反作用件從鉆頭的縱軸線向徑向延伸到不超過由切削件所切削的孔。擴(kuò)孔裝置把由切削件所切的孔擴(kuò)大，其位置在反作用件前方最大角度180°處。
本發(fā)明的許多優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)從下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例和附圖的詳細(xì)說明中將看得更清楚。


圖1A為本發(fā)明的彎曲鉆進(jìn)裝置的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，它適于應(yīng)用在鉆彎曲半徑大的彎曲孔；圖1B、1C、1D和1E為本發(fā)明的彎曲鉆進(jìn)裝置的另一個(gè)實(shí)施例的部分示意圖，它適合應(yīng)用在鉆彎曲半徑小的彎曲孔；圖2為與圖1A至1D中類似的傳統(tǒng)的彎曲鉆進(jìn)裝置下端的放大截面圖，其中彎曲導(dǎo)向裝置設(shè)在柔性接頭上方；圖3為設(shè)置在圖1A所示彎曲鉆進(jìn)裝置端部的鉆頭的側(cè)視示意圖；圖4為圖3中所示鉆頭的仰視圖5為本發(fā)明的彎曲鉆進(jìn)裝置的又一實(shí)施例的示意圖；圖5A和5B為圖5所示彎曲導(dǎo)向裝置中沿線5A—5A截開的兩個(gè)位置(在高側(cè)和其左方90°側(cè))的剖面圖；圖5C為圖5上端所示裝置的改進(jìn)的柔性接頭的放大剖視圖；圖5D至5E為圖5C所示改進(jìn)的柔性接頭沿剖面線5D—5D和5E—5E剖開的剖視圖；圖6為圖5所示的沿6—6線剖開的剖視圖；和圖7為本發(fā)明的彎曲鉆進(jìn)裝置的又一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
雖然本發(fā)明可以有許多不同形式的實(shí)施例，但圖中只表示了幾個(gè)實(shí)施例，這里也只描述本發(fā)明的幾個(gè)典型的實(shí)施例。但要理解，這里公開的是說明本發(fā)明原理的例子，而不是將本發(fā)明局限于幾個(gè)實(shí)施例。
參閱圖1A，彎曲鉆進(jìn)20連接在旋轉(zhuǎn)鉆頭22和鉆具24之間，它用來鉆彎曲的油氣井的孔26。該孔26具有一個(gè)內(nèi)徑Ri、一個(gè)外徑Ro和一個(gè)曲率半徑Rc。所述彎曲鉆進(jìn)裝置20由一般的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源來驅(qū)動(dòng)(為簡便起見，驅(qū)動(dòng)源未在圖中示出，且為普通專業(yè)技術(shù)人員所熟悉)，它用于在地下土層中鉆一個(gè)具有孔壁28的孔26。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源可以是市場上買得到的帶有用于連接市場上買得到的鉆頭的鉆具的鉆機(jī)。該裝置20可以用在任何場合(如水井、蒸汽井、地下采礦等)鉆一個(gè)彎曲的孔26。它也可以用來從一個(gè)基本垂直的孔出發(fā)鉆一個(gè)彎曲的孔26。
該彎曲鉆進(jìn)裝置20包括一個(gè)彎曲導(dǎo)向裝置34，它與鉆具24連接；鉆頭22；支撐裝置48；和接觸裝置或孔配合裝置50。
為了鉆一個(gè)彎曲的孔26，必需使鉆頭軸線31相對(duì)于孔26的縱向軸線產(chǎn)生一個(gè)偏角30并保持住，而且還要在孔中控制該偏角的方位的方向。彎曲導(dǎo)向裝置34用來產(chǎn)生并保持由鉆具24向孔的外徑Ro方向偏轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的偏角。
鉆頭22有一主體部分36，一從主體部分延伸出來的導(dǎo)向部分40，一從導(dǎo)向部分延伸出來的工作面部分42，多個(gè)切削元件44，和用來產(chǎn)生沿凈不平衡力向量Fi(見圖4)方向的凈不平衡力的不平衡力裝置46，所述向量Fi在鉆進(jìn)過程中基本與鉆頭縱向軸線31垂直。
支撐裝置48位于彎曲鉆進(jìn)裝置20上的切削元件44附近，它與由鉆頭縱軸線31和凈不平衡力向量Fi所構(gòu)成的力平面相交，并在鉆進(jìn)過程中基本與孔壁28保持接觸。
孔配合裝置50用于接觸或配合孔壁28，并支承鉆進(jìn)過程中孔壁28上的凈不平衡力Fi的徑向分力。
參閱圖2，彎曲導(dǎo)向裝置34包括一個(gè)設(shè)置在一套筒或偏心套筒98內(nèi)的能轉(zhuǎn)動(dòng)的心軸86，和一個(gè)柔性球接頭裝置186。該心軸86有一個(gè)上孔端88，一個(gè)下孔端90，一根縱向或轉(zhuǎn)動(dòng)軸線92和一個(gè)內(nèi)部流體通道94。所述套筒98有上孔端100、下孔端102、一根縱向軸線104(也見圖5A和5B)和一個(gè)在上下孔端之間延伸的通道106。該通道106可以以一個(gè)相對(duì)于套筒軸線104偏斜的角度延伸穿過套筒98，以便使心軸86的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線92相對(duì)于套筒軸線產(chǎn)生偏斜。套筒98包括孔配合裝置50，它用來防止在鉆進(jìn)過程中套筒與心軸86一起轉(zhuǎn)動(dòng)。孔配合裝置50主要包括大釘、刀片、線狀或刷狀件、或其它產(chǎn)生摩擦的裝置，在鉆進(jìn)過程中，所述產(chǎn)生摩擦的裝置將與孔壁28配合，以防止當(dāng)鉆頭22、鉆具24和心軸86轉(zhuǎn)動(dòng)(通常從孔26頂部向下看到順時(shí)針方向)時(shí)套筒98的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且允許套筒在心軸反向(通常為反時(shí)針)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)隨心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。(參見Warren等人發(fā)明的，轉(zhuǎn)讓給Amoco公司的美國專利US5,213,168)。
所述裝置20所以用在鉆大、中、小彎曲半徑的彎曲孔。當(dāng)橫向鉆進(jìn)時(shí)，傾斜彎化率通常是根據(jù)孔R(shí)c(見圖1A)的半徑來描述的。它不同于常規(guī)鉆進(jìn)方法，在常規(guī)的方法中，彎曲孔常用每100英尺增大或減小的度數(shù)來描述。小半徑曲線一般半徑小于150英尺。中等半徑大約為150至300英尺，大半徑曲線的半徑都超過300英尺。為了比較，每100英尺增加5度約等于1000英尺半徑的曲線。各種曲率(小、中、大)中沒有哪一種本質(zhì)上比其它的要好。根據(jù)用于給定井的對(duì)象和場地的限制，某一曲率常常比另一種曲率更合適。但是，作為一個(gè)總的原則，小半徑曲線常常更適用于油層再采，因?yàn)樵谔坠茏c作業(yè)區(qū)之間開孔的地方最小。半徑越小，從套管中取出部件的需要也越小。小半徑的曲線也允許將防水泵放置在靠近產(chǎn)油區(qū)的位置。另外，曲線越短，需要穿過作業(yè)區(qū)上方的地層就愈少。這樣可以將與有暴露在不穩(wěn)定油頁巖上的開孔、油層上的天然氣囊和其它采油區(qū)聯(lián)系在一起的問題減少到最低限度。當(dāng)曲線半徑變小時(shí)，所能鉆進(jìn)的側(cè)向平井的長度也越短。小半徑曲線也限制了所采用的完井方式。例如，通常給30英尺半徑的曲線下套管將是不現(xiàn)實(shí)的。
通過在鉆具的兩端之間增加一個(gè)柔性接頭186，能夠提高鉆具24的柔軟性和該裝置20鉆小半徑曲線孔的能力。所述柔性接頭186可以是關(guān)節(jié)接頭，或其它能夠產(chǎn)生偏斜30的任何形式的萬向接頭，以加大曲部分Rc的半徑和通過偏斜所傳遞的扭力、推力和拉力。
其它的改變彎曲孔26的彎曲部分Rc半徑的裝置或方法是改變鉆頭22與柔性接186之間的長度L(見圖1A)。使用一個(gè)或多個(gè)隔離件178就能夠做到這一點(diǎn)。參閱圖2，彎曲鉆進(jìn)裝置20有一個(gè)可拆卸地連接在鉆頭22與心軸86下端90之間的隔離件178。它提供了一個(gè)改變鉆頭22與心軸86下端90之間的距離L的方便的裝置，而不需要修改鉆頭或心軸。隔離件178可設(shè)計(jì)成能更快更便宜地制造成各種長度。這樣就允許把其它需要更昂貴和費(fèi)時(shí)的制造工藝的部件(如鉆頭22，心軸86等)制造成統(tǒng)一的規(guī)格，而不需要昂貴的定貨制造了。
再來看鉆頭22，鉆頭主體部分36設(shè)置在鉆頭縱向軸線31的周圍，用于容納穿過鉆具24和彎曲導(dǎo)向裝置34的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源。主體36包括一個(gè)能夠用已知方法將其連接到鉆具24上的其它部分的連接件38(如一套形件或銷形件，參見圖2的下端)。鉆頭縱軸線31延伸穿過鉆頭22主體36的中心。這里所使用的術(shù)語“徑向”是指從鉆頭縱軸線31垂直向外確定或測定的位置，如圖3和4所示。術(shù)語“側(cè)向”是指從鉆頭縱軸線31橫著向外，但不一定與鉆頭縱軸線31垂直，所確定或所測定的位置或方向。術(shù)語“軸向”或“縱向”是指沿鉆頭軸線31或與軸線共同延伸所確定或所測定的位置或方向。
鉆頭22的導(dǎo)向裝置40一般為筒形，并有一個(gè)基本與鉆頭軸線31平行的軸線。由于該導(dǎo)向裝置基本上為筒形，因此它在一個(gè)從鉆頭軸線31到導(dǎo)向裝置外表面48徑向向外確定的導(dǎo)向半徑Rg，如圖2所示。換句話講，導(dǎo)向部分40沿著圓周線與鉆頭22的工作面部分42相交，所述圓周線是確定鉆頭半徑Rg的地方。導(dǎo)向部分40從主體36開始延伸，并最好包括多個(gè)外槽52或通道57(見圖4)。所述外槽50或通道57一般與鉆頭軸線31平行，以便于從孔26的孔底將巖屑、鉆井泥漿和碎石取出。
鉆頭22的工作面部分42有一個(gè)彎曲輪廓(即，當(dāng)從與鉆頭軸線垂直的方向看，工作面部分的橫截面有一個(gè)凹面輪廓)。例如，當(dāng)從立體圖側(cè)面看，工作面部分42有一球形、拋物線形或其它的彎曲形狀(見圖2和3)。但這種外形不受限制。例如，工作面部分42可以是平的，或可以有一個(gè)用于提取巖芯樣的軸向延伸的空腔。
鉆頭22的許多切削件44固定在鉆頭外部，這些切削件44從鉆頭外表面凸出，并彼此有一定間距。鉆頭22最好包括至少一個(gè)導(dǎo)向切削件56，它與鉆頭工作面部分42上的切削件44有一間隔，并被固定在導(dǎo)向部分40上，而且從導(dǎo)向部分上凸起。
各切削件最好是安裝在支撐部分上，硬質(zhì)合金支撐部分(見圖4)上的聚晶金剛石復(fù)合材料。當(dāng)然，切削件可以是其它材料，如天然金剛石和熱穩(wěn)定聚晶金剛石材料。各切削件44和56都有一個(gè)分別設(shè)置在鉆頭主體工作面部分42或?qū)虿糠?0中的底部。各切削件44和56有一個(gè)用于接觸所切削的地下土層材料的切削刃。
彎曲鉆進(jìn)裝置20最好包括用于產(chǎn)生一個(gè)凈不平衡力Fi的裝置46，所述凈不平衡力Ri是沿著凈不平衡力向量的方向上產(chǎn)生的，凈不平衡力向量基本上垂直于鉆頭在鉆進(jìn)過程中的縱向軸線31。在繼續(xù)描述之前，最好說明一下凈不平衡力裝置46的優(yōu)選的元件和性能，鉆進(jìn)過程中作用在鉆頭22上的各種力和這些力是怎樣產(chǎn)生的，以及這些力是怎樣作用在彎曲鉆進(jìn)裝置20中的。
不平衡力裝置46可以由鉆頭22或鉆具24中的不平衡重量，套在鉆頭或鉆具上的偏心套筒或環(huán)，或類似的能產(chǎn)生凈不平衡力向量Fi的機(jī)構(gòu)所組成。不平衡力裝置46的不平衡力最好由切削件44和56所產(chǎn)生，包括一徑向不平衡力和一周向不平衡力。換句話說，凈不平衡力向量Fi能夠看成一個(gè)徑向不平衡力向量和一個(gè)周向不平衡力向量的合力或兩者的合成矢量。
當(dāng)切削件44和56產(chǎn)生不平衡力時(shí)，凈不平衡力向量Fi的大小和方向?qū)⒏鶕?jù)切削件的位置和方位來確定(例如切削件44和56在鉆頭22上的特殊布置和鉆頭的形狀，因?yàn)殂@頭的形狀對(duì)切削件的位置有影響)。方位包括切削件的縱向前角和旁鋒刀面角。向量Fi的大小和方位也受每個(gè)切削件44和56的具體的設(shè)計(jì)(如形狀、尺寸等)、作用在鉆頭22上的重量載荷、轉(zhuǎn)速和所鉆進(jìn)的地下土層的物理特性的影響。鉆頭上的重量載荷是由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源(即鉆具)所施加的縱向或軸向力，該力直接作用在鉆頭22的工作面部分42上。地下鉆頭通常要承受10,000磅以上的重量載荷。
在任何情況下，切削件44和56的位置要布置成所產(chǎn)生的凈不平衡力向量Fi使支撐面48在鉆進(jìn)過程中與孔壁28接觸，使所產(chǎn)生的凈徑向不平衡力向量有一個(gè)平衡方向，并使所產(chǎn)生的凈徑向不平衡力向量隨擾動(dòng)位移而基本回復(fù)到平衡方向。本發(fā)明的這些方面和作用在鉆頭上的相關(guān)的力，在美國專利US5,213,168；US5,131,478；US5,010,789和US5,042,596中都有說明，這些專利都轉(zhuǎn)讓給了Amoco公司。
如圖4所示，切削件在工作面部分上沿徑向直線布置。但，這是為了用圖進(jìn)行說明，而不是為了限制本發(fā)明。例如，切削件可以沿工作面部分作非線性布置，以便形成一個(gè)或多個(gè)彎曲的形狀(未示出)，或者可以在工作面部分上無規(guī)則不均勻地布置切削件(未示出)。所有切削件都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)凈不平衡力向量Fi，該向量Fi在鉆進(jìn)過程中基本上與鉆頭縱軸線31垂直。
參閱圖3和4，支撐裝置或滑動(dòng)面48設(shè)置在鉆頭切削件附近，以便與由凈不平衡力向量Fi和鉆頭縱軸線31所形成的力平面相交。支撐面48的位置最好在鉆頭22上或靠近鉆頭22(例如在鉆環(huán)上或在接在鉆頭上的穩(wěn)定器上，專業(yè)技術(shù)人員看了本說明書就能明白)。支撐面48最好設(shè)置在鉆頭22的導(dǎo)向部分40上的基本上沒有連續(xù)的切削件的區(qū)域。沒有切削件的區(qū)域最好在鉆頭22工作面42上延伸。
沒有切削件的區(qū)域包括導(dǎo)向部分40和工作面部分42的一個(gè)基本上連續(xù)的區(qū)域，工作面部分42沒有切削件44和56以及磨損表面。沒有切削件的區(qū)域與由鉆頭縱軸線31和凈不平衡力向量Fi構(gòu)成的力平面相交，并布置在該力平面周圍。上述力平面是一個(gè)用于作參考基準(zhǔn)的概念，這一概念有利于解釋說明鉆頭22和彎曲鉆進(jìn)裝置20上的凈不平衡向量Fi的作用。例如，該力平面位于圖3圖紙的平面上，并從鉆頭縱軸線31向外延伸，穿過支撐面48。當(dāng)如圖4所示從縱向看鉆頭22時(shí)，這一力平面與圖面垂直，具有與凈不平衡力向量Fi相對(duì)應(yīng)的凸出部分。所述力平面的概念有助于理解不平衡力向量的作用，這是因?yàn)閮舨黄胶饬ο蛄坎⒉豢偸桥c導(dǎo)向部分40相交。在一些情況下，所述的力向量Fi可以從鉆頭工作面部分40上的或其附近的軸線31正對(duì)著孔壁28徑向向外延伸，而不穿過導(dǎo)向部分40。即使在這些情況下，凈不平衡力向量Fi仍將指向并位于鉆頭22上的穿過導(dǎo)向部分40的徑向平面上。
支撐表面48設(shè)置在力平面沒有切削件部分的周圍，用于在鉆進(jìn)時(shí)基本上連續(xù)地接觸孔壁28。支撐面48也可以包括一個(gè)或多個(gè)滾柱、滾珠軸承或其它低摩擦負(fù)荷的支撐面。支撐面48最好包括一個(gè)基本光滑的耐磨滑動(dòng)面48，它設(shè)置在力平面附近的切削件缺少部分上，以便在鉆進(jìn)時(shí)與孔壁28滑動(dòng)接觸。最佳滑動(dòng)面48與由鉆頭縱軸線31和凈不平衡力向量Fi構(gòu)成的力平面相交。
滑動(dòng)或支撐面48構(gòu)成了基本上連續(xù)的、其面積等于或小于沒有切削件部分的區(qū)域。這里的支撐面48設(shè)置在導(dǎo)向部分40上。支撐面48可以是與鉆頭22的其它部分相同的材料，或者是相對(duì)較硬的材料，如硬質(zhì)合金。另外，支撐面48可以包括一個(gè)能增強(qiáng)其支撐面和提高其壽命的抗磨層或金剛石滲透層、多個(gè)金剛石柱鑲嵌物、多個(gè)薄的金剛石墊、或類似的鑲嵌物或滲透層。
支撐面48直接與孔壁28接觸。通過鉆頭將鉆井泥漿泵入并通過鉆頭22的導(dǎo)向部分在孔中朝上循環(huán)，因此給支撐面48一些潤滑。盡管如此，支撐面48與孔壁28仍基本上要保持接觸。因此，如上所述，低摩擦耐磨層對(duì)于支撐面48是常常需要的。
支撐面的具體的尺寸和形狀要根據(jù)具體的鉆頭設(shè)計(jì)和使用的情況來確定。支撐面或滑動(dòng)面48最好沿基本是在導(dǎo)向部分40的整個(gè)縱向長度延伸，而圍繞圓周面的延伸長度不大于其50％?；瑒?dòng)面48可以繞導(dǎo)向面的約20％—50％的圓周上延伸?；瑒?dòng)面或支撐面48繞導(dǎo)向圓周面上的延伸長度最少為30％左右。
優(yōu)選的滑動(dòng)面48要足夠大，所以當(dāng)該滑動(dòng)面作用在孔壁28上時(shí)，所施加的力大大地低于孔壁地層材料的壓縮強(qiáng)度。這樣就能夠使滑動(dòng)面48不挖入和不破碎孔壁28，而如果挖入孔壁就會(huì)導(dǎo)致鉆頭產(chǎn)生不必要的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和孔26尺寸過大。滑動(dòng)面48的尺寸要足夠大，以便在不平衡力由于地下地層材料的硬度變化和孔26內(nèi)的其它擾動(dòng)力而移動(dòng)時(shí)，仍能將凈不平衡力向量Fi圍住。通常，滑動(dòng)面48的尺寸可以這樣選擇，即，在鉆頭切削刃磨損時(shí)，仍使凈不平衡力向量Fi繼續(xù)被滑動(dòng)面所包圍。
參閱圖1B，用于鉆小半徑的彎曲井孔的最好的改進(jìn)型式包括附加在鉆具上的柔性或活節(jié)鉆管段84，它緊接在彎曲鉆進(jìn)裝置20的上方。該活節(jié)鉆管段84通常包括幾段具有萬向接頭85之類的管段，正如專業(yè)技術(shù)人員所公知的一樣。設(shè)置了活節(jié)段84就不會(huì)降低該裝置20鉆小半徑彎曲井孔的能力，(也就是說，傳統(tǒng)的鉆具常不具有足夠的柔性以便在小半徑井孔中移動(dòng)，因此它不能用來鉆小半徑的井孔)?；罟?jié)鉆管段84最好從彎曲鉆進(jìn)裝置20穿過井孔的彎曲部分向孔上延伸。
活節(jié)鉆套環(huán)常被稱為“擺動(dòng)管”。這些鉆套環(huán)設(shè)計(jì)成從鋼制鉆套環(huán)上切下的一串互鎖的凸出結(jié)構(gòu)。每一個(gè)這樣的鉆套環(huán)84都裝有高壓液軟管和密封組件。以往，這些鉆套環(huán)只在用于轉(zhuǎn)動(dòng)穿過小半徑彎曲井孔時(shí)方選用，但也不理想，因?yàn)樵趬毫d荷下這些鉆套環(huán)傾向于拉直，使鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)困難，使調(diào)整偏斜套的程序復(fù)雜，而且不易控制。當(dāng)設(shè)計(jì)和制造得好時(shí)，鋼制鉆套環(huán)是非常結(jié)實(shí)的，并且使用壽命長，但也存在一些嚴(yán)重問題。此外，不論擺動(dòng)管如何制造，它都有些難以控制，這是因?yàn)樗荒茉阢@塔中立起。這就導(dǎo)致在鉆進(jìn)和傾斜時(shí)要增加提升和放下的時(shí)間。由于必須安裝液壓套管以便于鉆井液的循環(huán)，從而限制了能夠穿過鉆具的測量儀器的尺寸。也限制了系統(tǒng)的壓力值。
由于在發(fā)生偏轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，各段鉆套環(huán)的撓性變化很大，因此擺動(dòng)管常造成鉆進(jìn)困難。在半徑為30英尺的彎曲井中轉(zhuǎn)動(dòng)的60至100段鉆套環(huán)的總效果能夠產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩振動(dòng)。使各段鉆套環(huán)向管子長度的下方偏置或“定相”，能夠減少上述問題，但有些偏置實(shí)際上擴(kuò)大了這種效果。
由于各段鉆套環(huán)的“斜度”而常發(fā)生定向的問題，擺動(dòng)管在制造過程中通過用割炬所切割的切口而獲得撓性，但，同一個(gè)特征使得各段鉆套環(huán)能相對(duì)地滑動(dòng)和移動(dòng)，特別是當(dāng)鉆管在彎道中偏轉(zhuǎn)時(shí)更是如此。在彎道中60至100段段鉆套環(huán)的傾斜能夠產(chǎn)生導(dǎo)致嚴(yán)重定向錯(cuò)誤的長期的轉(zhuǎn)動(dòng)中止。
另一個(gè)替代擺動(dòng)管的方案是使用連續(xù)的套管，這些套管是由高強(qiáng)度、低模量材料，如鈦或石墨玻璃纖維復(fù)合材料(見圖1D)制造的。這些材料能夠提供足夠的強(qiáng)度而不會(huì)產(chǎn)生在更普通的材料，如鋼或鋁中常發(fā)生的嚴(yán)重的強(qiáng)度問題。
大部分金屬件在高于它們的屈服強(qiáng)度50％的循環(huán)載荷作用下將不能正常工作，這是因?yàn)楦g和表面凹凸(凹口)加速了疲勞斷裂的發(fā)展。因此，看來只有鈦能提供在小半徑鉆進(jìn)中使用的足夠的抗疲勞強(qiáng)度。另一方面，復(fù)合材料具有更好的抗疲勞斷裂性能和較低的成本。因此，盡管鈦件的應(yīng)力略小于復(fù)合材料中的，但實(shí)際上復(fù)合材料可以具有較高的疲勞壽命。
復(fù)合鉆管84(見圖1D)是擺動(dòng)管的一種替代方案。復(fù)合管沿管體間隔設(shè)置有耐磨套，以防止與井孔全部接觸。最好的耐磨套的間隔能通過有限元分析來確定。重量輕、沒有活節(jié)的復(fù)合管比擺動(dòng)管更易操作。鉆進(jìn)較順利，重量減輕了，力矩的傳遞改善(由較高的穿透速度所證實(shí))，而且定向更準(zhǔn)確。另外，復(fù)合管的使用更方便。
從用復(fù)合管作試驗(yàn)中可看出，在沒有不希望有的活節(jié)套環(huán)工作的情況下，彎曲鉆進(jìn)能進(jìn)行得有效而準(zhǔn)確。這就使得要研究一下，是不是能重新設(shè)計(jì)擺動(dòng)管，以使它接近復(fù)合管的特性。建造了一個(gè)裝置來分析動(dòng)態(tài)的擺動(dòng)管特性。該裝置由22英尺的4.5英寸套管彎成每英尺2度(即，28英尺的半徑)的弧線，用它鉆出一個(gè)3.94英寸的井孔，在該井孔中，擺動(dòng)管能夠偏斜和轉(zhuǎn)動(dòng)。該裝置通過電動(dòng)機(jī)和液壓缸同時(shí)給擺動(dòng)管提供旋轉(zhuǎn)和軸向載荷。在套管上切一個(gè)窗口，以便直接觀看裝活節(jié)的各段鉆套環(huán)。液體的壓力、鉆頭上的載荷和電機(jī)的電流(力矩)記錄在長圖記錄紙上，然后將圖形數(shù)字化，以便用于數(shù)據(jù)分析。結(jié)果顯示·在轉(zhuǎn)過一整轉(zhuǎn)過程中，各段中撓性的變化使得所述管反復(fù)地伸縮(即，管子一會(huì)長，一會(huì)短)。
·各段的前邊緣的圓形表面，在施加力矩時(shí)使得驅(qū)動(dòng)凸部“重疊”在被驅(qū)動(dòng)凸部上，這進(jìn)一步使管伸長。
·一旦力矩卸載(通過關(guān)掉鉆機(jī)平臺(tái)馬達(dá))，管就松開，并且軸向載荷明顯地下降。
用小塑料管模型作試驗(yàn)表明，理想的擺動(dòng)管應(yīng)設(shè)計(jì)成能夠從凸部到凸部平穩(wěn)地傳遞軸向載荷，如果可能，同時(shí)將力矩從兩個(gè)驅(qū)動(dòng)凸部傳遞到兩個(gè)被驅(qū)動(dòng)凸部。另外，當(dāng)處在拉力下而始終能對(duì)中的能力對(duì)于定向來說將是十分有利的。
實(shí)驗(yàn)證明弧形表面的樣式不能滿足傳遞力矩的標(biāo)準(zhǔn)。但，如果讓兩個(gè)驅(qū)動(dòng)凸部同時(shí)傳遞力矩，方形邊緣的樣式就能滿足力矩標(biāo)準(zhǔn)。同樣，平的凸部頂面和前邊緣能平穩(wěn)地傳遞軸向載荷。
根據(jù)燕尾形的對(duì)中性能好并且有所需要的平的凸部邊緣(見圖1C)，試驗(yàn)了一種燕尾形鉆套環(huán)。一個(gè)零相位的20英尺接頭取得了令人振奮的結(jié)果，但很明顯，各段鉆套環(huán)必須定好相，以便使活節(jié)鉆套環(huán)更順利地運(yùn)轉(zhuǎn)。不象現(xiàn)有技術(shù)中的那樣，每段鉆套環(huán)僅傾斜幾度，而是以頻繁地重復(fù)的方式，以減少橫向傾斜的擴(kuò)大。這種改進(jìn)是引人注目的，實(shí)際上，在各種軸向載荷作用下都能順利地轉(zhuǎn)動(dòng)。由于燕尾形的設(shè)計(jì)，擺動(dòng)管的特性得到很大改善。
燕尾形設(shè)計(jì)使得擺動(dòng)管能用于小半徑彎曲鉆進(jìn)，并得到很高的評(píng)價(jià)。但是為了用該系統(tǒng)達(dá)到更高的目標(biāo)，例如較長的橫向平井，復(fù)合管的潛在優(yōu)點(diǎn)可能取代低成本的鋼擺動(dòng)管。
很早就注意到，改變彎曲井孔26的彎曲半徑的一種裝置或方法，是改變鉆頭22與心軸86的下端90之間的一個(gè)或許多間隔件178(見圖1A)的長度L。所述間隔件178連接在鉆頭22和心軸86的下端90之間，可以拆卸。在鉆水平井孔段時(shí)，常常必須校正傾斜度或方向。橫向孔愈長，而且作業(yè)區(qū)愈薄，愈是需要也愈是能夠進(jìn)行這種校正。通常，對(duì)橫向部分的方向或傾斜度的校正必須在比在小半徑井孔中使用的更長的彎曲部分中進(jìn)行。小半徑井孔部分的曲率通常是每100英尺200°。一般的校正約為每100英尺10°。為了達(dá)到特定曲率的彎曲鉆進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)是由它的特征長度和偏斜套的偏心率來控制或確定的。例如，如果小半徑彎曲鉆進(jìn)裝置的特征長度為16英寸，偏心率為0.625英寸，那么，為了加大曲率半徑，就必須大大加長其特征長度，或大大減小其偏心率。如果長度保持在16英寸，那么，為了將曲率增大到每100英尺10°，就必須將偏心率降到0.037。這個(gè)數(shù)值小于井孔直徑的正常變化，并很可能使所述鉆進(jìn)裝置的鉆進(jìn)狀態(tài)無法予測。換句話說，通過降低偏心率來達(dá)到縮小曲率是不可行的。
然而，卻能夠增加特征長度來達(dá)到減小曲率的目的。如果偏心率保持在0.625英寸，那么特征長度需要加長到104英寸。雖然具有這些尺寸的裝置的鉆進(jìn)狀態(tài)是能夠予測的，但是，在進(jìn)入橫向或水平段井孔之前必須通過的這段小半徑彎曲段的弧線太長了，以致于這種裝置不能通過這段弧線。
解決此難題的一個(gè)方法是制造一個(gè)柔性間隔件178。如圖1E所示，通過使用類似于圖1D中的管84所使用的玻璃纖維/硬質(zhì)合金復(fù)合管來制造間隔管178就可以解決這個(gè)問題。這樣該鉆進(jìn)裝置具有足夠的柔性以通過這段弧線，而仍具有足夠的剛性，以保持鉆頭適當(dāng)?shù)姆较?。換句話說，在鉆頭上方有復(fù)合管178的彎曲鉆具，有足夠的柔性通過弧線段，并仍具有為鉆頭導(dǎo)向的適當(dāng)?shù)膭傂浴?br> 使用具有凸部結(jié)構(gòu)的活節(jié)套環(huán)也可能獲得相同的效果，在施加壓力時(shí)，所述凸部能剛性地鎖定在其位置上。通過使用高強(qiáng)度鋼或鈦制造的間隔件，也可能獲得這樣的柔性，這些材料具有足夠的柔性，而不會(huì)在通過彎曲井孔段時(shí)超過其屈服強(qiáng)度。
柔性件或方向接頭的作用是當(dāng)鉆小半徑圓弧時(shí)允許鉆頭22在井孔26中足夠地傾斜。它必須能夠傳遞朝向鉆頭的軸向推力、鉆頭卡住時(shí)向上拉的拉力和使鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩。柔性接頭也必須轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，在壓力載荷作用下能彎曲、在力矩載荷作用下不會(huì)被拉直，和以最小的泄漏傳送流體。
美國專利US5,213,168中公開了一種先進(jìn)的柔性接頭。該接頭包括兩個(gè)力矩傳遞齒，這兩個(gè)齒在球和止推套的中心上方附近嚙合，在鉆進(jìn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，球和止推套能稍稍擺動(dòng)，以保持兩個(gè)齒的嚙合。如果齒上的載荷正處在球中心的正上方時(shí)，則擺動(dòng)最小。這種接頭的強(qiáng)度高，用于小半徑彎曲鉆進(jìn)時(shí)的操作性能好。在此以前的柔性接頭不能證明是滿意的，因?yàn)樗鼈儫o論是在壓力還是力矩載荷的作用下都傾向于被拉直。
圖5、5C、5D和5E中所示的是一種改進(jìn)的柔性或萬向接頭286。這種接頭包括一個(gè)承載套管250和一個(gè)插管252。該萬向接頭286通過鉆具傳遞軸向力和力矩，同時(shí)讓鉆井液通過該接頭的中心進(jìn)行循環(huán)。
承載管250包括一第一端254、一相對(duì)端256和穿過端部254和256延伸的孔258。承載管250一般為圓筒形，它有一延伸到兩端254和256的縱向軸線259，還包括一個(gè)設(shè)置在孔258中并從承載管第一端254延伸出來的承載件或球銷262。承載管250的相應(yīng)的端部256用來連接鉆具、鉆套環(huán)、彎曲鉆進(jìn)裝置或類似裝置?？?58最好與承載件262中的孔265連通，以便流過流體。如圖所示，承載件262的一端有一軸263。該軸263用來把承載件連接在承載管250中。
插管252包括第一端264、一相對(duì)端266和一穿過所述兩端的孔268。插管252設(shè)計(jì)和布置成可借助于支撐保持器278和保持螺母290將承載管250的承載件262安裝在它的第一端264的孔268中。插管252最好為圓筒形，并具有一根延伸到兩端264和266的縱軸線269。插管的相對(duì)端266可以在插管252與之相連接的鉆管、鉆套環(huán)、心軸或類似的裝置中形成。
插管252包括一個(gè)設(shè)置在插管252的孔268中的止推套或止推軸承表面274。球銷262包括一個(gè)用于接觸止推支承表面274，和在承載管250與插管252之間傳遞推力的止推承載面276，為了將作用在鉆頭上的重力從鉆具傳遞到彎曲鉆進(jìn)裝置保持器上去，必須有承載面276。
過去使用小半徑鉆進(jìn)裝置的實(shí)踐表明，柔性接頭必須具備這樣的性能，即，在軸向壓力或力矩作用下也不會(huì)被拉直。而且，力矩的傳遞最好盡可能離開接頭的中心線遠(yuǎn)些。這里的壓力載荷是通過止推套274和球銷262來傳遞的。拉伸載荷由軸承保持器278和球銷262來傳遞。止推套274和球銷262最好用不同的金屬或材料制造，以便使摩擦減少到最低限度。密封件280(如O型密封環(huán))幫助限制鉆井液穿過球銷262和止推套274的中心進(jìn)入井孔中。
圖5和5C所示的一種改進(jìn)的柔性接頭286的新特點(diǎn)是將力矩傳遞橫穿過接頭286的方法。參閱圖5E，通常將6個(gè)金屬球260放置在球銷262和止推套274中的互補(bǔ)的球形座或凹槽270和272中，以便于平穩(wěn)地傳遞力矩。這些凹槽或座270和272的形狀是這樣的，當(dāng)接頭偏向任何方向時(shí)(在設(shè)計(jì)限度之內(nèi))，所有的球都均勻受力。特別是，球銷262中的座270基本上為球形，以便將球260保持在相對(duì)于球銷端部的“球”心的適當(dāng)位置上。但是，相鄰的座272的形狀最好不是完全互補(bǔ)的球形(即，是橢圓形的)，以便能讓插管252相對(duì)于承載管250作有限的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)(如幾度右左)。具體的說，止推承載面276和止推支撐面274是這樣設(shè)計(jì)和布置的，當(dāng)接觸到止推支撐面時(shí)，止推承載面274能借助于力矩傳遞球260繞樞軸中心292轉(zhuǎn)動(dòng)，該樞軸中心是共面的，或徑向重合的(相對(duì)于承載管250和插管252的縱軸線259和269)。
改進(jìn)的萬向接頭286的另一個(gè)獨(dú)特的地方是把球銷262固定在承載管250(見圖5D)上的方法。具體說，使用了一個(gè)扁鍵294和一組定位銷296。扁鍵294是為了防止球銷262相對(duì)于承載管250的軸向運(yùn)動(dòng)的。借助于4個(gè)銷子或轉(zhuǎn)動(dòng)定位銷296來提供扭轉(zhuǎn)剛性，定位銷296設(shè)置在球銷262的銷軸端299與承載管250的主體之間的槽298中。密封件280用于保持壓力。
如圖5C所示，止推承載面276和止推支撐面274最好是配合的凸凹面，以便當(dāng)承載管250和插管252之間傳遞軸向推力時(shí)，便于樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖5C所示，止推承載面276為凸形，而止推支撐面為凹形，不過面274和276中無論那一個(gè)都可以是凸面，而另一個(gè)則為凹面。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的柔性接頭286中，止推承載面276和軸承保持器278構(gòu)成了一個(gè)用于球銷262的球端的球形凹座。
柔性接頭286可以設(shè)置在兩個(gè)彎曲導(dǎo)向裝置34中的任一個(gè)中，并當(dāng)導(dǎo)向裝置為配合裝置50時(shí)，通常布置在彎曲導(dǎo)向裝置的同一端上。承載管250或插管252可以用來將柔性接頭186連接到心軸86上。在圖2中，配合裝置50和柔性接頭186設(shè)置在心軸86的下孔口端90。插管的下端布置成朝向心軸86的下孔口端。在圖5中，接觸裝置50的位置與圖2相反。
參閱圖2，鉆頭22上的切削件44在井孔中產(chǎn)生一個(gè)橫向力。該力FC由作用在滑動(dòng)套48上的反作業(yè)力FR相對(duì)抗，該滑動(dòng)套在鉆頭22的底部稍上方。試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明作用在滑動(dòng)套48上的作用力FR作用在或指向該套的頂端(即，因?yàn)槟p，大多發(fā)生在該套的上端)。由于切削力FC和反作用力FR在沿著鉆頭22的軸線31方向不是作用在相同的軸向位置上，因此，所形成的力矩將給萬向接頭186造成一個(gè)橫向力FL(即，由于萬向接頭是鉆具中最緊湊的非剛性部件)。具體說，橫向/側(cè)向力FL試圖將球162推出它的座176，因此引起接頭的磨損和鉆頭22軸線31的頻繁移動(dòng)。這種移動(dòng)足以影響到彎曲鉆進(jìn)裝置所鉆的曲率半徑FC。
萬向接頭186上的橫向力FL通過減少切削力FC和套的反作力FR的軸向分開距離，能夠減到最小。在鉆進(jìn)裝置中，在未發(fā)生故障之前，兩個(gè)力FC和FR之間的軸向分開距離對(duì)于3—15/16英寸直徑的鉆頭來說估計(jì)約為3英寸。具有靠近鉆頭端部的導(dǎo)向器的相同直徑的鉆頭具有較好的性能。
由力FR和FC所形成的力矩也能夠通過將部分切削力FC沿軸向分配在套48上面以及套的下面來降低。圖3和4中示出了這種情況。用這種構(gòu)思所設(shè)計(jì)的鉆頭22′，對(duì)于所有實(shí)際上的目的來說，能夠消除由力FR和FC構(gòu)成的力矩對(duì)萬向接頭設(shè)計(jì)的限制。
參閱圖3，鉆頭22′有一個(gè)附加的優(yōu)點(diǎn)，即，在該鉆頭使用在緊配(如小半徑)孔中時(shí)，能使間隙問題減少到最小。更詳細(xì)的說，一旦鉆頭22′被拉動(dòng)一段約等于套48的長度時(shí)，鉆頭就移入直徑比鉆頭的最大直徑部分稍大些的井孔中。這就提供了足夠大的間隙，所以，即使鉆頭22′稍有傾斜，或者在它上方帶著一些巖屑的話，鉆頭被卡在井孔26中的可能性也很小。
再參閱圖3，鉆頭22′繞中心線或軸線31轉(zhuǎn)動(dòng)，該軸線由切削件5a和6a和滑動(dòng)套48確定。標(biāo)準(zhǔn)切削件56a和56b徑向布置得離鉆頭22′的中心線31的距離比滑動(dòng)套48更遠(yuǎn)(即RC大于RP)。這樣，當(dāng)鉆頭22′轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)切削件56a和56b鉆削出一個(gè)孔，其直徑為半徑RC的兩倍(即2RC)。而且，一旦鉆頭22′拉動(dòng)的距離稍大于滑動(dòng)套的長度，鉆頭就移入井孔中比最大直徑RP加RC還稍大一些的部分中。在一種設(shè)計(jì)中，井孔直徑和鉆頭22′的有效直徑之間的差約為1/16英寸。這就提供了一個(gè)足夠大的間隙，即使占頭22′稍微傾斜一些或在它上方帶著巖屑，也不大可能被卡在井孔中。
參閱圖5，類似的彎曲鉆進(jìn)裝置的測試說明，使用這種彎曲鉆進(jìn)裝置能將井孔的傾斜以每100英尺5°的速度增加到35°。但是，在傾斜度達(dá)到35°之后，任何試圖用鉆進(jìn)裝置的偏心率使鉆進(jìn)從彎曲面轉(zhuǎn)過90°來的努力(即為了改變井孔的方向)都沒有成功。一旦偏心套筒98定向之后，鉆進(jìn)重新開始時(shí)，(在有些情況下甚至在鉆進(jìn)重新開始之前)套筒就轉(zhuǎn)動(dòng)，于是接頭的位置就在曲線的外面。這種轉(zhuǎn)動(dòng)似乎是由產(chǎn)生力矩的重力和彎曲力所共同造成的，參見圖5A和5B，它使得套筒98在上邊向右或向左偏時(shí)發(fā)生不穩(wěn)定。雖然在沒有彎曲的井孔中接觸力減小了，但作用在鉆進(jìn)裝置上的重力有時(shí)也足以妨礙使套筒維持在所要求的方向上。
通過在鉆進(jìn)裝置中增加第二柔性或萬向接頭，以及在兩個(gè)接頭之間的間隔件和穩(wěn)定器，就能夠減少彎曲力和重力。圖7示出了這種情況。來自接頭上方套環(huán)的彎曲力和重力都由穩(wěn)定器58承受。因此，它們不會(huì)產(chǎn)生力矩來使套筒98轉(zhuǎn)動(dòng)。來自接頭下面的鉆進(jìn)裝置部件的重力將仍由偏心套筒98承受。偏心套筒98兩側(cè)的鋒利的軸向?qū)?zhǔn)的彈簧加壓的刀片51進(jìn)一步幫助偏心套筒保持其方向。
在兩個(gè)柔性接頭286和286′之間的間隔件278的長度根據(jù)套筒98的偏心程度來決定。在一種情況下，間隔件278的長度可以這樣選擇，以便在接頭處的最大彎曲度約為一度。間隔件278的傾斜度提供了一個(gè)附加好處，即，作用在鉆頭上的重力(WOB)將使徑向分力指向偏心套筒98的后部，這樣有利于將它控制在原來的位置上。在偏心套筒底側(cè)上加上鋒利的沿軸向的凸脊，可以增強(qiáng)這種效果。
當(dāng)使用彎曲鉆進(jìn)裝置時(shí)，如圖1和2所示的一樣，當(dāng)使鉆進(jìn)裝置20脫離井孔時(shí)，有時(shí)要受到相當(dāng)大的阻力。一般認(rèn)為這是由于拉著不轉(zhuǎn)動(dòng)的套筒98穿過有較厚濾餅的滲水區(qū)。在套筒98上方不遠(yuǎn)處增加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定器58，就成為一種在鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將濾餅除掉的裝置。通過使鉆井液循環(huán)和在鉆具穿過任何可能有厚的濾餅的滲水區(qū)時(shí)使鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)，能進(jìn)一步減少這種提升阻力。
對(duì)315/16英寸的小關(guān)徑彎曲鉆進(jìn)工具和8英寸大半徑鉆進(jìn)工具，即，對(duì)與圖1A和1B所示的類似工具的測試說明，在鉆一個(gè)受控彎曲井孔時(shí)防止鉆頭旋轉(zhuǎn)是非常有利的。這是美國專利US5,213,168的技術(shù)主題。這些試驗(yàn)還說明當(dāng)鉆進(jìn)裝置從井孔中提出時(shí)，圖3和4中的鉆頭的障礙將減少。如果在彎曲鉆進(jìn)裝置中使用標(biāo)準(zhǔn)鉆頭時(shí)能夠至少實(shí)現(xiàn)一些抗轉(zhuǎn)動(dòng)鉆頭或雙中心鉆頭的優(yōu)點(diǎn)，將是很有利的。
為此目的，一個(gè)辦法就是使用一個(gè)與位于鉆頭上方的擴(kuò)孔裝置(如PDC或滾子擴(kuò)孔器)組合的標(biāo)準(zhǔn)鉆頭。圖5和6示出了這樣一個(gè)裝置。在標(biāo)準(zhǔn)鉆頭22″的上方設(shè)有一個(gè)擴(kuò)孔裝置60(如PDC或滾子擴(kuò)孔器)。這種組合既能穩(wěn)定地防止旋轉(zhuǎn)，同時(shí)又有雙中心擴(kuò)孔的好處。在這個(gè)例子中，旋轉(zhuǎn)的鉆頭22″有一個(gè)設(shè)置在縱軸線31周圍，用于與彎曲導(dǎo)向裝置34連接(通過間隔器70和72)的主體部分36，有一個(gè)導(dǎo)向部分40，一個(gè)工作面部分42和設(shè)置在工作面上的切削裝置。切削裝置隨著鉆頭在井孔中的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)鉆頭產(chǎn)生一個(gè)橫向力；但是，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的或傳統(tǒng)的鉆頭22″來說，這個(gè)力是很小的。擴(kuò)孔裝置60的主體62攜帶了一個(gè)反作用件64和一個(gè)擴(kuò)孔件66。
擴(kuò)孔件66的位置在反作用件64的上方。擴(kuò)孔件66相對(duì)于縱向軸線31在鉆頭切削件上方的一定軸向距離上沿徑向延伸。擴(kuò)孔件66的位置在反作用件64前方最大為180°處。擴(kuò)孔件66與井孔壁接觸，并對(duì)井孔產(chǎn)生一個(gè)橫向力。通常，擴(kuò)孔件66所產(chǎn)生的橫向力大于由鉆頭22″所產(chǎn)生的任何類似的力(即凈橫向力的位置似乎僅僅是來自擴(kuò)孔件)。
反作用件64的位置在鉆頭22″的導(dǎo)向部分的上方。該反作用件64在鉆進(jìn)過程中基本上與井孔壁28連續(xù)接觸，并承受來自井孔的力，該力與由于擴(kuò)孔件66以及鉆頭22″產(chǎn)生的凈橫向力相對(duì)應(yīng)。反作用件64從縱軸線31向外的延伸不超過由鉆頭切削件切削的孔。反作用力和橫向力形成了一個(gè)下方的力矩，該力矩與帶有指向柔性接頭的分力的上方的力矩方向相反。反作用件64可以包括一個(gè)非切削的滑動(dòng)件或滾柱。
擴(kuò)孔件66最好設(shè)置在比從鉆頭到柔性接頭286的距離更靠近鉆頭22″的位置上，以便使上方和下方的力矩小于擴(kuò)孔件設(shè)置在離鉆頭軸向較遠(yuǎn)的地方時(shí)的上、下方力矩。換句話說假如擴(kuò)孔件66被設(shè)置在遠(yuǎn)離鉆頭的地方，上、下方的力矩就要大得多。擴(kuò)孔件66最好設(shè)置在反作用件的前方，最少60°(見圖6)。
如圖6所示，擴(kuò)孔件66包括一個(gè)徑向設(shè)置的臂67和設(shè)置在臂上的多個(gè)切削件68。如圖6所示，反作用件64包括一個(gè)套；而在某些設(shè)計(jì)中，多個(gè)套64a和64b(虛線所示)可能更好。在工作中，擴(kuò)孔裝置60將井孔擴(kuò)大了一點(diǎn)，以便在從井孔中提升鉆具時(shí)形成一個(gè)間隙。它也提供了一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)工具克服“低摩擦”反作用力64的徑向力，以便使鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)減到最小。
從以上陳述中可以看到，對(duì)于專業(yè)技術(shù)人員來說大量的改變，替換和修改是顯而易見的。因此，本說明書只是為了作出說明，并教導(dǎo)專業(yè)技術(shù)人員實(shí)施本發(fā)明的方法?？梢宰鞒龈鞣N改變，材料可以替換，也可以利用本發(fā)明的各種特點(diǎn)。例如圖5和7中的鉆頭可以用一個(gè)牙輪鉆頭。此外，一些標(biāo)準(zhǔn)的PDC阻力鉆頭可以有一個(gè)導(dǎo)向襯套，該襯套用于圖5和7所示的裝置中時(shí)起低摩擦反作用件的作用，因此，不必在擴(kuò)孔裝置上單獨(dú)設(shè)置反作用件。因此，在不脫離由權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以作出各種修改，替換和變化等。當(dāng)然，權(quán)利要求書的目的是要覆蓋包含在權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有改進(jìn)型。
權(quán)利要求
1.一種連接在旋轉(zhuǎn)鉆具上的用于鉆一個(gè)彎曲地下井孔的彎曲鉆進(jìn)裝置，所述井孔有一個(gè)底部、一個(gè)壁、一個(gè)內(nèi)徑和一個(gè)外徑，所述裝置包括彎曲導(dǎo)向裝置，它與鉆具連接，用于將鉆具引導(dǎo)通過彎曲的井孔；一個(gè)安裝在彎曲導(dǎo)向裝置上的柔性接頭；和一個(gè)旋轉(zhuǎn)鉆頭，該鉆頭具有一個(gè)設(shè)置在鉆頭縱軸線周圍，用于連接在鉆具下端的主體部分，一個(gè)設(shè)置在鉆頭縱軸線周圍，從主體部分延伸出來，具有一個(gè)上孔端和一個(gè)下孔端的側(cè)面部分，一個(gè)設(shè)置在鉆頭縱軸線周圍，并從側(cè)面部分延伸出來的工作面部分，以及隨鉆頭在井孔中的轉(zhuǎn)動(dòng)而在鉆頭的下端產(chǎn)生橫向力的許多切削件；其特征在于，改進(jìn)的部分包括設(shè)置在鉆頭側(cè)面部分的支撐裝置，該裝置在鉆進(jìn)過程中始終與井孔壁保持接觸，并承受來自所述井孔的反作用力，該反作用力與作用在鉆頭上的橫向力相對(duì)應(yīng)，并指向靠近上述鉆頭的側(cè)面部分的上端，其中所述的反作用力和所述的橫向力形成對(duì)鉆頭的下方的力矩，該力矩與有一個(gè)指向柔性接頭的分力的上方的力矩方向相反，所述支撐裝置的上端位置在離鉆頭工作面予定軸向距離上，使得上下方的力矩比支撐裝置設(shè)置在軸向距離大于上述預(yù)定軸向距離時(shí)將會(huì)形成的上下方力矩小。
2.如權(quán)利要求1所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，柔性接頭設(shè)置在離鉆頭工作面一固定的軸向距離處并且所述的預(yù)定的軸向距離小于所述固定軸向距離的一半，以便使所述上方和下方的力矩減到最小。
3.如權(quán)利要求1所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，它還包括至少一個(gè)切削件，該切削件設(shè)置在靠近鉆頭主體部分的位置上，并離鉆頭縱軸線有一徑向距離，該距離大于多個(gè)切削件離鉆頭縱軸線的距離。
4.如權(quán)利要求3所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)切削件設(shè)置在離鉆頭縱軸線有一徑向距離處，該距離基本上大于所有的裝在鉆頭工作面上的切削件離鉆頭縱軸線的距離。
5.如權(quán)利要求1所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，所述切削件包括一組設(shè)置在靠近所述鉆頭側(cè)面部分的下端的切削件，和第二組設(shè)置在靠近鉆頭側(cè)面部分的上端的切削件；而且其中所述的一組刀削件離鉆頭縱軸線的距離小于第二組切削件離鉆頭縱軸線的距離。
6.如權(quán)利要求5所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，第二組切削件的切削件的數(shù)量少于所述第一組切削件的切削件的數(shù)量。
7.如權(quán)利要求1所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，上述預(yù)定的軸向距離是所述鉆頭工作面到所述支撐裝置之間的距離的2—5倍。
8.如權(quán)利要求1所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，所述鉆頭是一種抗旋轉(zhuǎn)的鉆頭，且所述的支撐裝置設(shè)置在所述抗旋轉(zhuǎn)鉆頭上無切削件的部分上。
9.如權(quán)利要求1所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，它還包括用于連接鉆頭和柔性接頭的一段柔性管段。
10.一種用于鉆一個(gè)地下彎曲井孔的旋轉(zhuǎn)鉆頭，它包括一設(shè)置在鉆進(jìn)軸線的周圍，用于連接到帶有一個(gè)柔性接間的鉆具上去的主體部分；一個(gè)設(shè)置在所述鉆進(jìn)軸線周圍，從所述主體部分延伸出來的中間部分，該中間部分有一個(gè)上端和一個(gè)下端；一個(gè)設(shè)置在所述鉆進(jìn)軸線周圍，并從所述中間部分延伸出來的工作面部分；和安裝在鉆間中間部分上的第一組切削件，這組切削件離所述鉆進(jìn)軸線為第一預(yù)定徑向距離；其特征在于，改進(jìn)的部分包括第二組切削件設(shè)置在鉆頭的中間部分上，它離第一組切削件為一預(yù)定的距離，并離鉆進(jìn)軸線為第二徑向距離，其中所述第二徑向距離大于第一徑向距離，隨著井孔中鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，所有的切削件產(chǎn)生的橫向力作用在鉆頭的下端上；以及設(shè)置在鉆頭的中間部分并在第一組切削件和第二組切削件之間的支撐裝置，在鉆進(jìn)過程中，該支撐裝置基本上連續(xù)地與井孔壁保持接觸，并承受來自井孔的反作用力，該反作用力與上述橫向力相對(duì)應(yīng)，且指向靠近鉆頭中間部分的上端的位置，所述的反作用力和所述的橫向力在鉆頭的工作面上形成下方的力矩，并與有一個(gè)指向柔性接頭的分力的上方的力矩方向相反，其中，第一組切削件和所述的第二組切削件橫過支撐裝置的分隔距離足夠小，使得上下方的力矩比第一組切削件離開第二組切削件的軸向距離大于上述予定距離時(shí)所產(chǎn)生的力矩小。
11.一種連接在旋轉(zhuǎn)鉆具上的用于鉆一個(gè)彎曲地下井孔的彎曲鉆進(jìn)裝置，所述井孔有一個(gè)底部、壁、一個(gè)內(nèi)徑和一個(gè)外徑，所述裝置包括彎曲導(dǎo)向裝置，它與鉆具連接，用于使鉆具向彎曲的井孔的外徑偏斜，一個(gè)設(shè)置在鉆具兩端中間的柔性接頭，以及一個(gè)鉆頭，該鉆頭有設(shè)置在縱軸線周圍的，用于連接到旋轉(zhuǎn)鉆具的下端的主體部分，并有多個(gè)切削件；其特征在于它還包括一個(gè)安裝在鉆具上并設(shè)置在鉆頭上方的擴(kuò)孔件，以便通過與井孔壁的接觸將所鉆的井孔擴(kuò)大，所述的擴(kuò)孔件相對(duì)所述的縱軸線的徑向延伸，并處在鉆頭的切削件的上方的一預(yù)定軸向距離的位置上，所述的擴(kuò)孔件隨著它與井孔壁的接觸而產(chǎn)生橫向力；一個(gè)安裝在鉆具上，并設(shè)置在鉆頭和所述的擴(kuò)孔件之間的反作用件，在鉆進(jìn)過程中，它與井孔壁基本上保持連續(xù)接觸，并且承受來自井孔的與所述的橫向力相對(duì)應(yīng)的反作用力，所述的反作用件從鉆頭的縱軸線延伸到不超過鉆頭所鉆的孔處，所述的反作用力和所述的橫向力形成了一個(gè)下方的力矩，該力矩與帶有指向柔性接頭的分力的上方的力矩方向相反，所述的擴(kuò)孔件的位置在所述的反作用件之前最少約180度處。
12.如權(quán)利要求11所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，所述的擴(kuò)孔件的位置最小在所述反作用件前方約60度處。
13.如權(quán)利要求11所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，鉆頭是牙輪鉆頭。
14.如權(quán)利要求11所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，它還包括一個(gè)用于連接鉆頭主體部分和鉆具下端的段，所述的段有一個(gè)用于安裝所述反作用件的下端，和一個(gè)用于安裝所述的擴(kuò)孔件的上端。
15.如權(quán)利要求14所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，所述的反作用力和所述的向力形成一個(gè)下方的力矩，該力矩作用在所述段上，其方向與帶有指向柔性接頭的分力的上方的力矩相反；所述擴(kuò)孔件設(shè)置在離鉆頭切削件有一預(yù)定軸向距離的位置上，所述的擴(kuò)孔裝置的軸向距離較大的位置，使得指向柔性接頭的所述分力增大。
16.如權(quán)利要求11所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，柔性接頭有一端安裝在彎曲導(dǎo)向裝置上。
17.如權(quán)利要求11所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，所述的反作用件包括兩個(gè)反作用元件，每個(gè)反作用元件在鉆進(jìn)過程中基本上始終與所述井孔壁部分保持連續(xù)接觸，并承受所述的反作用力的分力。
18.如權(quán)利要求11所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，所述的反作用件從滑動(dòng)套和滾動(dòng)非切削件中選擇。
19.如權(quán)利要求11所述的彎曲鉆進(jìn)裝置，其特征在于，所述的擴(kuò)孔件設(shè)置在所述反作用件之前最小約60度處。
全文摘要
一種用于鉆地下彎曲井孔的旋轉(zhuǎn)鉆頭。該鉆頭包括一個(gè)側(cè)面部分、多個(gè)作用在鉆頭上的并隨著鉆頭在井孔中轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生橫向力的切削件，以及支撐裝置。所述支撐裝置設(shè)置在鉆頭的側(cè)面部分上，并在鉆進(jìn)過程中與井孔壁保持接觸以承受來自井孔壁的反作用力，該反作用力與橫向力相對(duì)應(yīng)，并指向靠近鉆頭側(cè)面的上端的位置。反作用力和橫向力對(duì)鉆頭形成一個(gè)上方的力矩。該力矩與具有指向柔性接頭的分力的下方的力矩方向相反。支撐裝置的上端離切削件較近，以使上下方力矩減到最小。
文檔編號(hào)E21B17/00GK1124515SQ95190214
公開日1996年6月12日 申請(qǐng)日期1995年3月10日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月25日
發(fā)明者湯米·M·沃倫, 豪斯頓·B·莫特 申請(qǐng)人:艾姆柯公司