鉆具部件的旋轉(zhuǎn)錨固的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開總體涉及鉆井操作中的鉆柱部件，并且涉及操作井下鉆具的方法。一些實(shí)施方案更具體地涉及用于在鉆柱的從動(dòng)旋轉(zhuǎn)期間阻止特定井下工具部件的旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)錨固系統(tǒng)、裝置、機(jī)構(gòu)、設(shè)備和方法。本公開還涉及鉆柱的轉(zhuǎn)向，并且涉及用于鉆柱轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、裝置、機(jī)構(gòu)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]用于碳?xì)浠衔?石油和天然氣)產(chǎn)品以及用于其他目的的鉆孔通常使用鉆柱被鉆孔，所述鉆柱包括具有鉆井組件的管狀鉆桿，所述鉆井組件包括被附接至其底端的鉆頭。鉆頭被旋轉(zhuǎn)來(lái)剪切或分解巖層材料以便鉆出井眼。鉆頭的旋轉(zhuǎn)通常通過鉆桿的旋轉(zhuǎn)被實(shí)現(xiàn)，例如，在井口從鉆井平臺(tái)。相反，或者此外，在一些應(yīng)用中鉆桿的至少一部分由形成鄰接鉆頭的鉆柱的一部分的泥漿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。
[0003]然而，鉆柱的一些元件可包括在利用驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉆桿的操作期間不旋轉(zhuǎn)的非旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)靜態(tài)部件。相反，這樣的非旋轉(zhuǎn)部件相對(duì)于鉆孔延伸通過的地層維持基本上恒定的旋轉(zhuǎn)取向。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(RSS)，例如，通常包括非旋轉(zhuǎn)外殼或套筒，所述外殼或套筒可沿著鉆孔與鉆柱一起縱向滑動(dòng)，但是在定向鉆井操作期間不與所述鉆柱一起旋轉(zhuǎn)。
[0004]當(dāng)鉆油井和氣井以用于烴的勘探和生產(chǎn)時(shí)，通常需要沿著特定的方向從垂直面偏離所述井。這被稱為定向鉆井。定向鉆井被用來(lái)，除了其他目的，通過例如形成來(lái)自主要鉆孔的偏離的支井增加特定的井的排流。這也用在海洋環(huán)境中，其中單個(gè)海上生產(chǎn)平臺(tái)使用分布在所述生產(chǎn)平臺(tái)的任意方向的多個(gè)偏離的井可達(dá)到多個(gè)烴儲(chǔ)罐。
[0005]在采用具有非旋轉(zhuǎn)外殼的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的定向鉆井操作中，外殼滾筒是不需要的。鉆桿或鉆柱的管通常在其中旋轉(zhuǎn)的固定外殼或套筒在定向鉆井期間提供用于所述鉆頭的轉(zhuǎn)向的參考。來(lái)自參考的任意偏離傾向于從需要的井路徑偏離所述鉆井操作。
[0006]非旋轉(zhuǎn)外殼的旋轉(zhuǎn)停滯通常通過旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，所述旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)被安裝在外殼上并且是徑向可擴(kuò)張的以便抵靠所述鉆孔壁，將抵抗旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩從地層傳遞至外殼。
【附圖說明】
[0007]—些實(shí)施方案以實(shí)例的方式被示出并且不被限制在附圖中的圖示，其中:
[0008]圖1描繪根據(jù)示例性實(shí)施方案的包括鉆柱的鉆井裝置的示意圖，所述鉆柱具有包括旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向裝置。
[0009]圖2描繪根據(jù)示例性實(shí)施方案的鉆柱的井底組件的示意側(cè)視圖，所述鉆柱具有包括旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向裝置。
[0010]圖3描繪根據(jù)示意性實(shí)施方案的包括旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)的非旋轉(zhuǎn)工具外殼的分離三維視圖。
[0011]圖4A-圖4B描繪根據(jù)示例性實(shí)施方案的旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)的分離側(cè)視圖，示出處于完全收縮狀態(tài)(圖4A)和處于擴(kuò)張狀態(tài)(圖4B)的旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)的錨固連接體。
[0012]圖5描繪根據(jù)示例性實(shí)施方案的旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)的分段三維視圖，示出形成錨固連接體的一部分的示例性可變連桿的細(xì)節(jié)，所述可變連桿響應(yīng)于錨固連接體的徑向擴(kuò)張度的變化在長(zhǎng)度上是動(dòng)態(tài)可變的。
[0013]圖6描繪根據(jù)示例性實(shí)施方案的形成鉆柱的轉(zhuǎn)向裝置的一部分的旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)的分離平面圖。
[0014]圖7描繪根據(jù)示例性實(shí)施方案的包括一對(duì)旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)的鉆柱附接件或插件的平面圖。
[0015]圖8描繪根據(jù)示例性實(shí)施方案的包括一對(duì)旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)的鉆柱附接件的部分側(cè)視圖。
[0016]圖9包括根據(jù)示例性實(shí)施方案的包括非旋轉(zhuǎn)外殼和多個(gè)旋轉(zhuǎn)錨固設(shè)備或反旋轉(zhuǎn)設(shè)備的鉆柱裝置的軸向平面圖，每個(gè)旋轉(zhuǎn)錨固設(shè)備包括一對(duì)旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)，所述一對(duì)旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)出于說明目的被示出為分別處于擴(kuò)張狀態(tài)和收縮狀態(tài)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下述【具體實(shí)施方式】參考附圖描述本公開的示例性實(shí)施方案，所述附圖描繪示出可如何實(shí)踐本公開的實(shí)例的各種細(xì)節(jié)。本論述闡述參考這些附圖的新型方法、系統(tǒng)和裝置的各種實(shí)例，并且足夠詳細(xì)地描述所描繪的實(shí)施方案以便使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本公開的主題。除本文描述的示例性實(shí)例之外的許多實(shí)施方案可用于實(shí)踐這些技術(shù)。除本文具體論述的替換之外的結(jié)構(gòu)和操作變化可在不脫離本公開的范圍的情況作出。
[0018]在本說明書中，描述中的參考“一個(gè)實(shí)施方案(one embodiment) ”或“一個(gè)實(shí)施方案(an embodiment) ”，或者“一個(gè)實(shí)例(one example)”或“一個(gè)實(shí)例(an example)” 不是必須指代相同的實(shí)施方案或?qū)嵗蝗欢?，這些實(shí)施方案不是互相排斥的，除非有此表述或者得益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見的。因此，可包括本文描述的實(shí)施方案和實(shí)例的各種組合和/或整合，以及如基于本公開被限定在所有權(quán)利要求的范圍內(nèi)的另外的實(shí)施方案和實(shí)例，以及這些權(quán)力要求的所有法定等同物。
[0019]根據(jù)本公開的一個(gè)方面，鉆柱和鉆井裝置被提供有安裝在形成鉆柱的一部分的可操作非旋轉(zhuǎn)外殼上的旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)，所述旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)包括徑向可延伸且可收縮以移動(dòng)錨固構(gòu)件(如滾子)的錨固連接體，其徑向朝向且遠(yuǎn)離外殼以便選擇性地接合鉆孔壁以用于阻止相對(duì)于在所述外殼內(nèi)被驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的鉆桿的所述外殼的旋轉(zhuǎn)。錨固連接體可包括多個(gè)外卷連接對(duì)(每個(gè)外卷連接對(duì)包括樞轉(zhuǎn)地連接在一起的兩個(gè)剛性連桿構(gòu)件)，所述多個(gè)外卷對(duì)具有基本上平行的相應(yīng)的樞轉(zhuǎn)軸，并且棱柱連接對(duì)樞轉(zhuǎn)地連接至至少一個(gè)外卷對(duì)，所述棱柱對(duì)包括一對(duì)剛性構(gòu)件，所述剛性構(gòu)件響應(yīng)于連接體機(jī)構(gòu)的徑向擴(kuò)張度的變化而相對(duì)于彼此縱向?qū)?zhǔn)且可縱向滑動(dòng)。
[0020]所述棱柱對(duì)可因此提供用于錨固連接體的可變長(zhǎng)度的連桿，響應(yīng)于連接體機(jī)構(gòu)的徑向擴(kuò)張度的變化動(dòng)態(tài)地可延伸且可收縮。
[0021]所述錨固連接體還可包括致動(dòng)機(jī)構(gòu)，如彈性壓縮彈簧，以便迫使錨固構(gòu)件徑向向外與鉆孔壁接觸。在一些實(shí)施方案中，壓縮彈簧可作用于棱柱連接對(duì)，以便迫使所述復(fù)合變化連桿的延伸并且擴(kuò)張所述錨固連接體。
[0022]圖1為根據(jù)示例性實(shí)施方案的包括鉆柱108的鉆井裝置100的示例性實(shí)施方案的示意圖，所述鉆柱108具有采用旋轉(zhuǎn)錨固機(jī)構(gòu)315(見，例如圖3)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
[0023]鉆井裝置100包括鉆柱108定位在其中的地下鉆孔104。鉆柱108可包括從固定在井口的鉆井平臺(tái)112懸垂的鉆桿的接合區(qū)。位于鉆柱108的底端的井下組件或井底組件(BHA) 122可包括鉆頭116，所述鉆頭116在鉆柱108的前端分解地層以便導(dǎo)引鉆孔104。
[0024]鉆孔104因此通常為基本上圓柱形的細(xì)長(zhǎng)腔，具有沿鉆孔104的長(zhǎng)度差不多地保持恒定的基本上圓形的橫截面輪廓。在一些情況中，鉆孔104可以是直線的，但是通常可包括沿其長(zhǎng)度的一個(gè)或多個(gè)彎曲、彎折、折線或棱角。如參考鉆孔104和其部件所使用的(除非上下文中另有明確的表示)，鉆孔104的“軸線”(以及因此鉆柱108或其一部分的軸線)是指圓柱形鉆孔104的縱向延伸的中心線。“軸向”因此是指沿基本上與位于正在討論的鉆孔104的相關(guān)的點(diǎn)或部分的鉆孔104的縱向方向平行的線的方向徑向”是指基本上沿至少大約與鉆孔軸線相交并且處于基本上垂直于所述鉆孔軸線的平面的線的方向；“切向”是指基本上沿處于基本上垂直于所述鉆孔軸線的平面的線的方向，并且這通過在本論述的上下文中重要的距離與鉆孔軸線徑向隔開的(在其最接近所述軸線的點(diǎn))；以及“周向”或“旋轉(zhuǎn)”是指由切向矢量圍繞所述鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)描述的基本上弧形或圓形路徑。注意在給定的時(shí)刻，周向或旋轉(zhuǎn)移動(dòng)包括切向移動(dòng)。
[0025]如本文所使用的，“向前”或“井下”移動(dòng)或位置(以及衍生或相關(guān)術(shù)語(yǔ))是指沿鉆孔104朝向鉆頭116、進(jìn)一步遠(yuǎn)離表面的軸向移動(dòng)或相關(guān)軸向位置。相反，“反向”、“向后”或“井下”是指沿鉆孔104遠(yuǎn)離鉆頭116并且朝向地球表面的軸向移動(dòng)或相關(guān)位置。
[0026]鉆井液(例如，鉆井“泥漿”或者可存在于井中的其他液體)從位于所述地球表面的鉆井液體儲(chǔ)罐(例如，存儲(chǔ)凹坑)中被循環(huán)，并且通過迫使所述鉆井液體向下送入由鉆柱108的中空內(nèi)部提供的鉆井眼128的栗送系統(tǒng)132被耦接至通常由130表示的所述井口，使得所述鉆井液體在相對(duì)較高的壓力下通過鉆頭116流出。在從鉆柱108流出之后，所述鉆井液沿鉆孔104向上返回移動(dòng)，占據(jù)限定在鉆柱108與鉆孔104的壁115之間的鉆孔環(huán)形(annulus，環(huán)空)134。盡管許多其他環(huán)形空間可以與裝置100相關(guān)聯(lián)，參考環(huán)形壓力、環(huán)形間隙以及此類，參考鉆孔環(huán)形134的特征，除非另有特別說明或者除非上下文另有明確指示。注意所述鉆井液沿通常由鉆桿118提供的鉆柱108的內(nèi)徑(S卩，鉆井眼128)被栗出，其中流體被限制在鉆頭116的從鉆井眼128流出的。鉆柱108的鉆桿118因此執(zhí)行以下雙重功能(a)從井口傳遞扭矩以及旋轉(zhuǎn)至鉆頭116，以及(b)傳輸井下鉆井液。
[0027]鉆井液隨后沿環(huán)形134向上流，從鉆孔104的底部攜帶巖肩至井口，其中所述巖肩被去除并且所述鉆井所述鉆井液體儲(chǔ)罐132。
[0028]鉆井裝置100可包括旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(RSS)，所述旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括被結(jié)合入鉆柱108并且形成其串聯(lián)部分的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向工具123。轉(zhuǎn)向工具123允許旋轉(zhuǎn)鉆井操作期間通過控制鉆頭116的取向?qū)︺@頭116的方向控制。以這種方式，所產(chǎn)生的井筒或鉆孔104的方向可被控制。
[0029]此示例性實(shí)施方案中的轉(zhuǎn)向工具123包括沿鉆柱108的一部分縱向延伸的管狀套筒或外殼129，共軸地接收鉆桿118的部分(見，例如圖2)。穿過外殼129的鉆桿118的那一部分也被稱為驅(qū)動(dòng)軸，但是注意鉆桿118的整個(gè)長(zhǎng)度有效地作為驅(qū)動(dòng)軸起作用，在鉆井平臺(tái)112處將來(lái)自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭矩以及旋轉(zhuǎn)傳遞至鉆頭116。轉(zhuǎn)向工具123因此可包括鉆桿118的一部分，提供所述驅(qū)動(dòng)軸，具有安裝在其上的外殼129。外殼129基本上共軸地安裝在驅(qū)動(dòng)軸上，所述驅(qū)動(dòng)軸可相對(duì)于外殼129旋轉(zhuǎn)以便允許驅(qū)動(dòng)軸在外殼129內(nèi)的從動(dòng)旋轉(zhuǎn)而同時(shí)外殼129維持恒定的旋轉(zhuǎn)取向。注意外殼129可用于彎曲或者偏離鉆桿118的方向，并且因此可能不能在所有時(shí)間都完美地與鉆桿118共軸。涉及這些部件的共軸布置的術(shù)語(yǔ)應(yīng)當(dāng)理解為包括這些輕微的誤差。類似地，描述將外殼129旋轉(zhuǎn)地安裝在鉆桿118上時(shí)不是指外殼129在鉆井操作期間被旋轉(zhuǎn)而是指示外殼129和鉆桿118沒有被旋轉(zhuǎn)地鍵連接在一起，并且因此相對(duì)于彼此是可旋轉(zhuǎn)的，在使用時(shí)允許外殼129的不旋轉(zhuǎn)。
[0030]旋轉(zhuǎn)錨固設(shè)備315被安裝在外殼129上以便阻止外殼129與鉆桿118圍繞鉆柱108的縱向軸線209 (圖2)的旋轉(zhuǎn)，使得外殼129相對(duì)于旋轉(zhuǎn)基本上是靜止的。旋轉(zhuǎn)錨固設(shè)備315被配置來(lái)通過與鉆孔104的壁115接合實(shí)現(xiàn)這樣的旋轉(zhuǎn)錨固，使得抵抗轉(zhuǎn)矩通過旋轉(zhuǎn)錨固設(shè)備315從鉆孔壁115被傳遞至外殼129。示例性旋轉(zhuǎn)錨固設(shè)備315的操作將參考圖3-圖9進(jìn)行更深入的描述。
[0031]通過使用包括靜止部件(例如外殼129)的裝置的定向鉆井控制在本領(lǐng)域是已知的，在此示例性實(shí)施方案中包括驅(qū)動(dòng)軸的軸線例如通過由外殼129攜帶的軸彎曲機(jī)構(gòu)沿外殼129的長(zhǎng)度的偏轉(zhuǎn)。如所提及