井下工具的液壓控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)總體涉及鉆探操作中的井下工具，并且涉及操作井下工具的方法。一些實(shí)施方案更具體地涉及用于控制井下工具的操作的鉆井液?jiǎn)?dòng)的控制系統(tǒng)、設(shè)備、機(jī)構(gòu)和方法。本公開還涉及通過控制由鉆柱傳送的鉆井液(例如鉆井泥漿)的井下壓力條件實(shí)現(xiàn)的井下擴(kuò)孔器展開控制。
【背景技術(shù)】
[0002]用于碳?xì)浠衔?油和天然氣)開采的以及用于其他目的的鉆孔通常利用鉆柱進(jìn)行鉆探，所述鉆柱包括具有鉆探組件的管狀構(gòu)件(也稱為鉆桿)，所述鉆探組件包括附接到其底端的鉆頭。鉆頭旋轉(zhuǎn)以剪切巖石地層的材料或使其破裂來鉆探井眼。鉆柱通常包括在操作時(shí)位于井下并且因此在鉆探操作期間需要遠(yuǎn)程啟動(dòng)和停止的工具或其他裝置。此類工具和裝置包括例如擴(kuò)孔器、穩(wěn)定器或用于使鉆頭轉(zhuǎn)向的施力構(gòu)件。
[0003]機(jī)電控制系統(tǒng)(例如)在此類鉆探環(huán)境中通常是不可靠的。通過鉆柱中的流體壓力遠(yuǎn)程控制井下工具啟動(dòng)通常僅允許有限數(shù)量的啟動(dòng)/停止循環(huán)(在此之后控制系統(tǒng)需重置)，同時(shí)在一些系統(tǒng)中導(dǎo)致有效鉆柱直徑減小。例如，一些擴(kuò)孔器啟動(dòng)設(shè)備利用落球機(jī)構(gòu)，所述落球機(jī)構(gòu)允許單個(gè)啟動(dòng)循環(huán)，在此之后需要重置控制系統(tǒng)。
[0004]使用鉆井液(例如，循環(huán)到鉆柱下方并且沿鉆孔環(huán)空反升的泥漿)作為展開機(jī)構(gòu)可能引入無意的工具啟動(dòng)或停止的風(fēng)險(xiǎn)。
【附圖說明】
[0005]一些實(shí)施方案在附圖的各圖中以示例性而非限制性的方式示出，在附圖中:
[0006]圖1描繪根據(jù)示例性實(shí)施方案的包括鉆探工具組件的鉆探設(shè)施的示意性正視圖，所述鉆探工具組件包括井下工具和鉆井液可操作控制機(jī)構(gòu)，所述鉆井液可操作控制機(jī)構(gòu)用于選擇性的液壓致動(dòng)工具啟動(dòng)和液壓致動(dòng)工具停止。
[0007]圖2描繪根據(jù)示例性實(shí)施方案的包括擴(kuò)孔器和控制器的擴(kuò)孔器組件的三維視圖，所述控制器被配置用于選擇性的液壓致動(dòng)工具啟動(dòng)和停止。
[0008]圖3是根據(jù)示例性實(shí)施方案的用于井下工具的控制器組件的部分示意性三維視圖，出于說明性目的，圖3中省略控制器組件的殼體以暴露示例性控制器組件的內(nèi)部部件。
[0009]圖4A和圖4B是根據(jù)示例性實(shí)施方案的用于井下工具的控制器組件的側(cè)視圖，出于說明性目的，圖4A中省略控制器組件的殼體，而圖4B則示出包括其殼體的控制器組件的截面?zhèn)纫晥D。
[0010]圖5A和圖5B分別是形成與圖4A的示例性控制器組件類似或相似的控制器組件的部分的液壓缸(hydraulic ram)的三維視圖，圖5A中示出所述液壓缸處于聯(lián)接狀態(tài)，并且圖5B中示出其處于脫離聯(lián)接狀態(tài)。
[0011]圖6A-6H分別是根據(jù)示例性實(shí)施方案的用于井下工具的控制器組件的部分截面?zhèn)纫晥D，其中為了清楚說明而省略控制器組件的殼體。
[0012]圖7是示出操作員控制的井下鉆井液條件的變化的示例性表示的示意性曲線圖，操作員控制井下鉆井液條件的變化以控制與圖6A-6H的示例性實(shí)施方案類似或相似的工具控制器組件。
【具體實(shí)施方式】
[0013]以下詳述參照附圖來描述本公開的示例性實(shí)施方案，所述示例性實(shí)施方案描繪示出如何可實(shí)踐本公開的實(shí)例的各種細(xì)節(jié)。本討論參照這些附圖提出新穎方法、系統(tǒng)和設(shè)備的各種實(shí)例，并且足夠詳細(xì)地描述所描繪實(shí)施方案，以使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`所公開的主題。除本文所討論的說明性實(shí)例之外的許多實(shí)施方案可用于實(shí)踐這些技術(shù)。在不脫離本公開的范圍的情況下，除本文明確討論的替代方案之外可以做出結(jié)構(gòu)上和操作上的改變。
[0014]在本說明書中，對(duì)本說明書中“一個(gè)實(shí)施方案”或“實(shí)施方案”或“一個(gè)實(shí)例”或“實(shí)例”的參考并不旨在一定是指同一個(gè)實(shí)施方案或?qū)嵗?然而，這類實(shí)施方案并不相互排斥，除非這樣說明或如受益于本公開的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將顯而易見的。因此，本發(fā)明可包括本文所述的實(shí)施方案和實(shí)例的多種組合和/或綜合，以及如限定在基于本公開的所有權(quán)利要求和此類權(quán)利要求的所有法律等效物的范圍內(nèi)的其他實(shí)施方案和實(shí)例。
[0015]本公開的一方面描述一種井下工具控制機(jī)構(gòu)，其被配置為通過鉆井液的液壓作用來啟動(dòng)井下工具并且通過鉆井液的液壓作用來停止井下工具，所述控制機(jī)構(gòu)可通過操作員對(duì)鉆井液條件的控制而在啟動(dòng)模式與停止模式之間切換。
[0016]這種液壓驅(qū)動(dòng)的停止利用停止機(jī)構(gòu)提供啟動(dòng)和停止的可重復(fù)循環(huán)，所述停止機(jī)構(gòu)展現(xiàn)出比現(xiàn)有停止機(jī)構(gòu)優(yōu)越的可靠性和可控制性，其中工具停止是通過偏置機(jī)構(gòu)(例如像壓縮彈簧)來實(shí)現(xiàn)。
[0017]所述控制機(jī)構(gòu)可以是被動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，其被配置成使得所述控制機(jī)構(gòu)響應(yīng)于壓力差變化的功能操作基本上排他性地是機(jī)械的，包括例如一個(gè)或多個(gè)液壓致動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧偏置機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu))。在這種情況下，至少所述控制機(jī)構(gòu)的提供所公開的功能性的那些部分可操作，而沒有來自任何基本上非機(jī)械部件(例如，電氣部件、機(jī)電部件或電子部件)的貢獻(xiàn)。
[0018]圖1是用于通過操作員對(duì)鉆井液(例如，鉆井泥漿)的壓力條件的控制來控制井下工具的液壓致動(dòng)啟動(dòng)和液壓致動(dòng)停止的系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案的示意圖。
[0019]鉆探設(shè)施100包括地下鉆孔104，鉆柱108位于地下鉆孔104中。鉆柱108可包括從緊固在井口處的鉆探平臺(tái)112懸垂地連結(jié)的鉆桿區(qū)段。在鉆柱108底端處的井下組件或井底組件(BHA)151可包括鉆頭116，其用于使地層破裂，從而導(dǎo)引鉆孔104;并且還可包括一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)孔器組件118，其位于鉆頭116的井孔，用于通過可選擇性展開的切削元件的操作來加寬鉆孔104 AHA 151中可包括測(cè)量和控制組件120，所述BHA151還包括用于測(cè)量鉆孔參數(shù)、鉆探性能等的測(cè)量?jī)x器。
[0020]因此，鉆孔104是基本上圓柱形的細(xì)長空腔，其具有沿鉆孔104的長度幾乎保持不變的基本上圓形橫截面輪廓。鉆孔104在一些情況下可以是直線形的，但通常沿其長度可包括一個(gè)或多個(gè)彎曲、彎折、轉(zhuǎn)折或角度。如參考鉆孔104和其中的部件所使用的，鉆孔104(并且因此鉆柱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(對(duì)應(yīng)于例如圖3中的縱向軸線348)。
[0021]因此，“軸向”和“縱向”是指沿在所討論的鉆孔104的相關(guān)點(diǎn)或部分處與鉆孔104的縱長方向基本上平行的線的方向；“徑向”是指基本上沿與鉆孔軸線相交且位于垂直于鉆孔軸線的平面中的線的方向；“切向”是指基本上沿與鉆孔軸線不相交且位于垂直于鉆孔軸線的平面中的線的方向；并且“周向”或“旋轉(zhuǎn)”是指由切向矢量圍繞鉆孔軸線的旋轉(zhuǎn)所描述的基本上弧形或圓形的路徑?！靶D(zhuǎn)”及其派生詞不僅是指360°或更大的連續(xù)或重復(fù)的旋轉(zhuǎn)，而且包括小于360°的角位移或周向位移。
[0022]如本文所使用的，“向前”或“井下”(以及相關(guān)術(shù)語)的移動(dòng)或位置是指朝向鉆頭116、遠(yuǎn)離地表的軸向移動(dòng)或相對(duì)軸向位置。相反地，“后向”、“向后”或“向井上”是指軸向地沿鉆孔104、遠(yuǎn)離鉆頭116并且朝向地表的移動(dòng)或相對(duì)位置。應(yīng)注意，在附圖的圖2、3、4、6和7中，鉆柱108的井下方向從左向右延伸。
[0023]鉆井液(例如，鉆井“泥漿”或可存在于井中的其他流體)通過栗系統(tǒng)132從在地表處(且聯(lián)接到井口)的鉆井液貯存器(例如存儲(chǔ)坑)循環(huán)，栗系統(tǒng)132強(qiáng)制鉆井液沿由鉆柱108的中空內(nèi)部提供的鉆探孔128向下，使得鉆井液在相對(duì)高的壓力下通過鉆頭116離開。在從鉆柱108離開之后，鉆井液沿鉆孔104向上往回移動(dòng)，從而占據(jù)限定在鉆柱108與鉆孔104的壁之間的鉆孔環(huán)空134。盡管許多其他環(huán)形空間可與系統(tǒng)102相關(guān)聯(lián)，但對(duì)環(huán)空壓力、環(huán)空間隙等的參考是指鉆孔環(huán)空134的特征，除非另外指明或上下文另外明確指示。
[0024]應(yīng)注意，鉆井液是沿鉆柱108的內(nèi)徑(S卩，孔128)被栗送，其中從孔128出來的流體流在鉆頭116處受約束。鉆井液然后沿環(huán)空134向上流動(dòng)，從而將鉆粉從鉆孔104的底部輸送到井口，在所述井口處鉆粉被移除并且鉆井液可返回到鉆井液貯存器132。因此，孔128中的流體壓力大于環(huán)空134中的流體壓力。通過控制鉆井液條件實(shí)現(xiàn)的工具啟動(dòng)因此可以包括控制孔128與環(huán)空134之間的壓力差，盡管在其他實(shí)施方案中，井下鉆井液條件可參考孔128中的隔離壓力值。除非上下文另外說明，否則術(shù)語“壓力差”是指孔128中的總流體壓力與環(huán)空134中的壓力之間的差。
[0025]在一些情況下，鉆頭116通過鉆柱108的旋轉(zhuǎn)而從平臺(tái)112旋轉(zhuǎn)。在此示例性實(shí)施方案中，設(shè)置在鉆柱108中并且在這個(gè)實(shí)例中形成BHA151的一部分的井下電機(jī)136(例如像，所謂的泥漿電機(jī)或渦輪電機(jī))可幫助鉆頭116旋轉(zhuǎn)。在一些實(shí)施方案中，鉆柱108的旋轉(zhuǎn)可選擇性地由地表設(shè)備、由井下電機(jī)136或由地表設(shè)備和井下電機(jī)136兩者來提供動(dòng)力。
[0026]系統(tǒng)102可包括用于從井下傳感器和遙測(cè)設(shè)備接收信號(hào)的地表控制系統(tǒng)140，所述傳感器和遙測(cè)設(shè)備結(jié)合在鉆柱108中，例如，形成測(cè)量和控制組件120的一部分。地表控制系統(tǒng)140可在由操作員用來控制鉆探操作的顯示器或監(jiān)視器上顯示鉆探參數(shù)和其他信息。一些鉆探設(shè)施可以是部分或完全自動(dòng)的，使得鉆探控制操作(例如，對(duì)電機(jī)136的操作參數(shù)的控制以及通過控制井下鉆井液壓力條件實(shí)現(xiàn)的對(duì)井下工具展開的控制，如本文所述)可以是手動(dòng)的、半自動(dòng)的或完全自動(dòng)的。地表控制系統(tǒng)140可包括具有一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)處理器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。地表控制系統(tǒng)140可處理與鉆探操作相關(guān)的數(shù)據(jù)、來自地表處的傳感器和裝置的數(shù)據(jù)、從井下接收的數(shù)據(jù)，并且可控制井下工具和/或地表裝置的一個(gè)或多個(gè)操作。
[0027]替代或除了擴(kuò)孔器組件118，鉆柱108可包括一個(gè)或多個(gè)井下工具。因此，在這個(gè)實(shí)例中，鉆柱108的井下工具包括位于BHA151中的至少一個(gè)擴(kuò)孔器組件118，其用于在BHA 151穿透地層時(shí)擴(kuò)大鉆孔104的直徑。在其他實(shí)施方案中，鉆柱108可包括多個(gè)擴(kuò)孔器組件118，其例如鄰近BHA 151的相反末端定位并且聯(lián)接到BHA 151。
[0028]每個(gè)擴(kuò)孔器組件118可包括一個(gè)或多個(gè)周向間隔的刀片或攜帶切削結(jié)構(gòu)的其他切削元件(參見例如圖2中的擴(kuò)孔器臂251)。擴(kuò)孔器組件118包括擴(kuò)孔器144，所述擴(kuò)孔器144包括同軸地連接在鉆柱108中并且攜帶擴(kuò)孔器臂251的總體上管狀的擴(kuò)孔器殼體234，所述擴(kuò)孔器臂251可從