本发明总体上涉及用于在石油和天然气井筒的钻探中使用的稳定器组件。更具体地说，本发明涉及用来控制井筒的钻探方向的可调整稳定器。
发明背景
在钻探石油和天然气井的领域中众所周知的是，沿着钻柱放置稳定器以便机械地稳定钻柱。具体地说，稳定器用来维持在钻柱的轴线与井筒的侧面之间的优选间距。因此，稳定器可以防止差压卡钻，特别是在邻接钻头而定位于钻柱中时。此外，稳定器可用于增加钻柱的刚性，尤其是在被结合作为井底总成(BHA)的一部分时。
稳定器还可用于控制井筒的钻探方向，这是通过维持钻头路径的笔直轨迹或通过诱导在钻头路径中的偏差实现的。
通常，稳定器由从稳定器主体延伸的细长的、轴向叶片构成。叶片在定向上是直链螺旋的，或整体形成作为主体的一部分。此类稳定器通常被称为“固定叶片”稳定器。固定叶片稳定器具有预定的直径并且因此，仅被设置来维持钻柱轴线从井筒的侧面的预定偏移。
当装配钻柱时，将具有预定直径的固定叶片稳定器插入钻杆或钻铤区段之间并且将钻杆下入井筒中。稳定器以预定的偏移距离维持钻柱距井筒的间距。如果期望更改偏移距离，则必须将固定叶片稳定器从井筒中起出，破坏钻柱并且将具有优选直径的稳定器插入到钻柱中。
另一类型的稳定器是可调整叶片稳定器。可调整叶片稳定器最经常被用作定向钻探组件的一部分并且包括稳定器叶片，所述稳定器叶片被设置来一旦所述稳定器处于所期望的井下位置，就通过致动机构(诸如，泥浆驱动活塞)径向向外移动。在部署期间，稳定器叶片处于收缩位置以便最小化稳定器的直径。最常见地，致动机构由通过钻柱的液压流致动，由此导致稳定器叶片的径向延伸。通常，在液压流中断或下降到预定压力之下时，稳定器收缩。
附图简述
图1示出根据一些实施方案的可调整直叶片稳定器。
图2示出图1的稳定器的主体。
图3a和3b示出根据一些实施方案的可调整直叶片稳定器的稳定器叶片。
图4示出根据一些实施方案的可调整直叶片稳定器的滑块。
图5示出根据一些实施方案的可调整直叶片稳定器的螺纹螺柱。
图6示出根据一些实施方案的可调整直叶片稳定器的锁环。
图7示出与稳定器叶片的轨道啮合的滑块。
图8示出与主体的轨道啮合的滑块。
图9示出被设置来装配到稳定器叶片的滑块。
图10示出与主体上管柱端部啮合的螺纹螺柱的端部
图11示出与位于下管柱端部的主体啮合的螺纹螺柱的端部
具体实施方式
先前公开内容可以重复各种实例中的元件符号和/或字母。这种重复是为了简单和清楚起见，并且本身不指示所讨论的各种实施方案和/或配置之间的关系。另外，空间相对术语如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…上方”、“上部”、“井上”、“井下”、“上管柱”、“下管柱”等在本文可能为了便于描述而使用以描述如图中所示的一个元件或特征结构与另一个元件或特征结构的关系。所述空间相对术语意图包含与图中所描绘的定向不同的在使用中或操作中的设备的定向。举例来说，如果图中的设备翻转，那么描述为在其它元件或特征“以下”或“下方”的元件接着被定向为在其它元件或特征“上方”。因此，例示性术语“下面”可以包含上方和下面的定向两者。可以以其他方式来定向设备(旋转90度或在其他定向)，且可以同样地相应解释本文所使用的空间相对描述符。
参考图1，其示出可调整直叶片稳定器10。稳定器10通常包括沿着轴线14限定的主体12。主体12具有一个，并且优选地多个围绕主体12的周长定位的细长稳定器叶片16。优选地，叶片16围绕主体12的周长等距地间隔开。每个叶片16被设置来径向延伸并且响应于螺纹螺柱18的致动收缩。
图2更详细地示出主体12。通常主体12具有第一井下/钻头端部20和第二井上端部22，其中通孔24在端部20、22之间延伸。每个端部20、22可以按本领域中已知的方式螺纹连接，以便将稳定器12固定到管柱(未示出)。
对于每个叶片16(见图1)来说，主体12具有在主体12的外部表面28中形成的细长腔体26。每个腔体26被设置成平行于轴线14。腔体26由相对侧壁30和相对端壁32限定。与每个腔体26相关联的是第一轨道34。在某些实施方案中，第一轨道34在腔体26内形成，定位在侧壁30之间并且从一个端壁32延伸到另一个端壁32。在某些实施方案中，轨道34优选地与主体12的细长轴线14基本上平行。
在某些实施方案中，轨道34可以由间隔开的沟槽36(另见，图8、图10和图11)形成。沟槽36可适当地形成在腔体26中。例如，沟槽36可以形成在唇部37中，所述唇部37在相对侧壁30的基座处形成。在此实施方案中，轨道34的特征在于邻接腔体26的第一端部的第一部分34a和邻接腔体26的第二井上端部的第二部分34b，以及具有限定在第一部分34a与第二部分34b之间的轨道34中的开口38。
每个端壁32充当沿着每个轨道部分34a、34b邻接腔体26的相应端部设置的止挡物。此外，每个端壁32具有在其中形成的狭槽38。优选地，每个狭槽38是U形。参考图10和图11，并且继续参考图2，狭槽38a中的一个由至少一个，并且优选地由多个平坦表面40限定，而另一狭槽38b具有伸入狭槽38b中的肋状物42。
如图1和图2所示，主体12还可以包括孔44，所述孔44在侧壁30中形成并且通过侧壁30从腔体26的内部延伸到主体12的外部表面28。
参考图3a和3b，更详细地示出叶片16。优选地，叶片16在主体12的腔体26的大体形状中是细长的(见图1)。叶片16沿着轴线41形成并且其特征在于第一井下/钻头端部42、第二井上端部44、外表面46和内表面48。外表面46被设置用于与井筒(未示出)的壁接触。与每个叶片16相关联的是第二轨道50。在某些实施方案中，第二轨道50在内表面48上形成，并且从叶片16的一个端部42延伸到另一个端部44。
在某些实施方案中，轨道50可以由间隔开的沟槽52(另见图6)形成。沟槽52可以适当地形成在叶片16中。例如，沟槽52可以形成在叶片16的相对侧壁53中。在某些实施方案中，沟槽52具有U形的横截面，由此形成流动通路。在此实施方案中，轨道50的特征在于邻接叶片16的端部42的第一部分50a和邻接叶片16的第二端部44的第二部分50b，以及具有限定在第一部分50a与第二部分50b之间的轨道50中的开口54。
在某些实施方案中，轨道50优选地相对于叶片16(以及当叶片16附接到上面时主体12)的细长轴线41倾斜。
在某些实施方案中，第一部分50a是在开口54与叶片16的第一端部42之间倾斜的，并且第二部分50b是在开口54与叶片16的第二端部44之间倾斜的，使得在每个轨道部分50a、50b与叶片16的轴线41之间的间距(内表面48沿其形成)沿着轨道部分50a、50b的长度从开口54到叶片16的相应端部42、44逐渐增加。
将理解，主体12的轨道34(见图2)和叶片16的轨道50(见图3a和3b)协同地起作用，因为一个轨道相对于另一个轨道倾斜。尽管某些实施方案将主体12的轨道34描述为与轴线14基本上平行而叶片16的轨道50是倾斜的，但是也可以设想相反的布置，其中轨道34是倾斜的而轨道50是平行的。
端壁56充当沿着每个轨道部分50a、50b邻接叶片16的相应端部42、44设置的止挡物。
转向图4，其示出稳定器10的滑块60。滑块60具有顶部62和底部64以及沿着穿过块60的轴线68限定的螺纹通孔66。
在某些实施方案中，块60包括邻接顶部62的第一从动件70和邻接底部64的第二从动件72。如将解释的，第一从动件70通常被设置来滑动地啮合叶片16的轨道50，而第二从动件72通常被设置来滑动地啮合主体12的轨道34。总之，轨道(诸如轨道50或轨道34)和从动件充当导轨组件，在所述导轨组件中从动件啮合轨道，使得从动件相对于轨道的移动被限制为沿着轨道的滑动移动。在其他实施方案中，轨道可以在块上形成并且从动件可从对应的部件(即，主体或叶片)延伸。换句话说，轨道可以在稳定器主体或可移动叶片上形成，同时从动件在滑块上形成，或反之亦然。如本文所描述的“轨道”和“从动件”应当被理解为任意布置，其中形成滑动机械联接，由此使从动件被约束为沿着所述轨道移动。此外，应理解，尽管轨道被描述为形成在特定的部件上，而从动件被描述为形成在其他部件上，但是只要维持了滑动机械联接，则各种部件上的轨道和从动件的布置可以颠倒。作为非限制性实例，轨道可以是通过部件(诸如从动件)中形成的孔滑动啮合的钢轨，或轨道可以是通过凸缘滑动地啮合的狭槽。
优选地，利用角度或倾斜类似地形成啮合倾斜轨道的从动件。因此，在图4中，从动件70可以包括倾斜的表面70’(用于与图3b所示的叶片16的倾斜轨道50啮合)。如图所示，从动件70，并且具体地表面70’，沿着相对于块60的轴线68具有θ的角度或倾斜的平面形成。从动件72通常沿着与轴线68平行的平面形成。
在图4的实施方案中，第一从动件70和第二从动件72是从滑块60延伸的凸缘。
参考图7和图8并且继续参考图4，稳定器10可以包括两个滑块60，即滑块60a和滑块60b。在这些实施方案中，滑块60a包括带有左旋螺纹的通孔66a，并且滑块60b包括带有右旋螺纹的通孔66b。根据下述内容将理解两个滑块向叶片16提供增加的稳定性。
现在转向图5，其更详细地示出螺纹螺柱18。螺纹螺柱18的特征在于具有第一端部76和第二端部78并且具有外部表面80，所述外部表面80具有在第一端部76与第二端部78之间至少部分地在其上形成的螺纹82。螺纹82被设置用于由块60的螺纹通孔66啮合。
在包括带有左旋通孔66a的滑块60a以及带有右旋通孔66b的滑块60b的稳定器10的实施方案中，螺柱18的螺纹表面80可以包括邻接螺柱18的第一端部76的第一螺纹部分82a和邻接螺柱18的第二端部78的第二螺纹部分82b，其中所述螺纹的一部分是右旋的并且所述螺纹的另一部分是左旋的，以便与螺纹地啮合到螺纹表面的那个部分的块60相对应。
如图5和图11所示，螺柱18还可以包括在外部表面80中邻接螺柱18的一个端部形成的径向凹口84。类似地，如图5和图10所示，螺柱18的外部表面80可以包括横截面为多边形的部分86。在图10中，部分86被示出为具有八角形的横截面。
如图5所示，螺柱18还可以包括在螺纹表面的右旋部分82a与左旋部分82b之间形成的轴肩88。
图6示出可以包括在稳定器10的一些实施方案中的可选锁定机构90。锁定机构90由围绕轴线94限定的环形基座92形成。至少一个，并且优选地多个指状物96设置在环形基座92的周长上。每个指状物96从周长向内朝向锁定机构90的轴线94偏置。优选地，指状物96相对于基座92具有一些灵活性，使得指状物当在其上设置时可以啮合并且夹持螺柱18(未示出)。在这点上，每个指状物96可以包括在远端处的平坦边缘以便增强啮合。锁定机构90还可以包括在与指状物96相反的方向上从环形基座92延伸远离指状物96的支臂98。突出物100从支臂98的远端径向向外延伸。
一旦叶片16的径向位置已经针对稳定器10设置，锁定机构90就被利用来防止螺柱18的旋转。将理解，以上描述仅是锁定机构的一个实施方案，以便实现一旦叶片16的位置已经设置就固定螺柱18防止旋转的任务。然而，也可设想其他锁定机构。例如，螺柱18可以在端部78处带有螺纹而不是多边形形状，并且方形螺栓可以螺纹连接到端部78上，所述螺栓可以具有被设置来啮合狭槽38a的类似形状内周长的外周长。
图7和图8示出滑块60a、60b分别与叶片16和主体12的啮合。具体地说，块60a、60b的从动件70分别滑动地啮合第一轨道部分50a和第二轨道部分50b的沟槽52。因此，块60a被约束为相对于叶片16沿着第一轨道部分50a滑动地移动，并且块60b被约束为沿着第二轨道部分50b滑动地移动。类似地，块60a、60b的从动件72分别滑动地啮合第一轨道部分34a和第二轨道部分34b的沟槽36。因此，块60a被约束为相对于主体12沿着第一轨道部分34a滑动地移动，并且块60b被约束为沿着第二轨道部分34b滑动地移动。叶片16的开口54和主体12的开口38允许块60a、60b的从动件啮合它们相应的轨道部分。这在图9中被最佳地示出，其中块60a、60b设置在螺柱18的它们的相应螺纹部分82a、82b上，使得它们在轴肩88处彼此邻接。在这样位置中，块60a、60b的从动件70可以定位在开口54中，使得从动件70与它们的相应轨道部分50a、50b对齐。由于块60a、60b的相应螺纹，螺柱18的旋转将导致块60a、60b远离彼此移动，由此导致每个从动件70啮合其相应的轨道部分50a、50b的沟槽52。从动件72类似地同时定位在主体12的窗口38中，使得螺柱18的旋转还导致每个从动件72啮合相应的轨道部分34a、34b的沟槽36。此外，当从动件72这样定位在窗口38中时，螺柱18的第一端部76啮合狭槽38b，使得肋状物42安放在凹口84内以便轴向约束螺柱18相对于主体12的移动。类似地，螺柱18的第二端部78通过狭槽38b伸出，以便允许啮合且旋转螺柱18直到实现叶片16的期望径向位置。
如上文所描述的将块60a、60b的从动件70、72与主体12和叶片16的其相应的轨道34、50啮合的结果是，叶片16由此与主体12啮合并且固定到主体12。螺柱18的继续旋转导致块60a、60b移开。在块60a、60b移开处，轨道50的倾斜导致叶片16相对于主体12向内径向移动直到实现叶片16的期望位置。因此，当块60a、60b最靠近开口54时，叶片16处于其最大径向扩张，并且当块60a、60b最靠近止挡物56时，叶片16处于其最大径向收缩。
一旦实现叶片16的期望位置，锁定机构90就可以设置在第二端部78上以便防止螺柱18的进一步旋转。指状物96啮合螺柱18的表面80的平坦部分，如图10所示。此外，环形基座92安放在狭槽38b中，使得防止环形基座92相对于主体12旋转。类似地，支臂98朝向腔体26延伸，使得突出物100可以啮合壁32，由此防止锁定机构90相对于螺柱18向外轴向移动。
本文描述的可调整直叶片稳定器允许单个直叶片稳定器用在具有可变的小于保径尺寸的多种井筒孔大小中。这消除了对于用于不同的孔大小和小于保径尺寸的不同稳定器存货的需要。实际上，在钻探开始之前，在地面上进行对叶片位置的调整。在某些实施方案中，由于两个滑块和螺柱的两个端部上面都具有相对的螺纹，螺柱的旋转导致每个块在相反的方向上移动。换句话说，基于螺柱的顺时针或逆时针旋转，滑块朝向彼此移动或远离彼此移动。在任一端部上的可移动叶片的轨道上的倾斜，连同滑块的从动件的角度有助于随着滑块朝向彼此移动而向外推动叶片。以这种方式，就可以仅通过旋转螺柱来实现叶片上的不同直径。
此系统被暴露于向回流动到地面的钻探泥浆。此泥浆会通过安置螺柱处的稳定器主体上的U形狭槽进入稳定器主体。通过在稳定器主体的壁中提供孔以便允许空气通过其逸出，解决了因泥浆侵入而造成的稳定器中的空气截留。此外，还通过在稳定器叶片的基座处的形成U形轨道的间隔开的狭槽来解决泥浆侵入。此泥浆沿着叶片移动并且通过由在叶片底部上的轨道形成的U形狭槽经过叶片。本发明满足不同的孔大小，而无需维持具有不同大小的稳定器的大量存货。此外，系统允许独立调整每个叶片的位置，使得可以实现钻柱在井筒中的特定位置。因此，例如，稳定器的一个部分上的叶片可以延伸或收缩的程度比另一部分上程度要高。
因此，已经描述了用于在钻柱中使用的稳定器。稳定器的实施方案通常可以具有其特征在于细长轴线的主体，所述主体具有在所述主体的外部表面中形成的细长腔体，其中沿着腔体形成有轨道；细长稳定器叶片，其具有第一端部、第二端部、外表面和内表面，其中沿着内表面形成有轨道；滑块，其具有被设置来滑动地啮合稳定器叶片的轨道的第一从动件，被设置来滑动地啮合主体的轨道的第二从动件和沿着通孔轴线在所述块中形成的螺纹通孔；以及细长轴，其具有第一端部和第二端部并且具有在所述第一端部与所述第二端部之间至少部分地螺纹连接的外部表面，其中所述轴的所述螺纹表面啮合所述块的螺纹通孔。稳定器的其他实施方案通常可以包括其特征在于细长轴线的主体，所述主体具有在所述主体的外部表面中形成的细长腔体；细长稳定器叶片，其具有第一端部、第二端部、外表面和内表面，其中沿着内表面形成有轨道；滑块，其具有顶部、底部以及沿着通孔轴线在所述块中形成的螺纹通孔；细长轴，其具有第一端部和第二端部并且具有在所述第一端部以所述第二端部之间至少部分地螺纹连接的外部表面，其中所述轴的所述螺纹表面啮合所述滑块的螺纹通孔；以及导轨组件，所述导轨组件包括将所述滑块的底部滑动地固定到所述主体的第一轨道和第一从动件以及将所述滑块的顶部滑动地固定到所述可移动叶片的第二轨道和第二从动件。对于任何前述实施方案，稳定器可以单独地或彼此组合地包括以下要素中的任一个：
轨道相对于主体的细长轴线倾斜；
主体的轨道与主体的细长轴线基本上平行并且叶片的轨道相对于细长主体的轴线倾斜；
每个轨道包括一组间隔开的沟槽；
叶片的轨道包括邻接叶片的第一端部的第一部分和邻接叶片的第二端部的第二部分，并且具有限定在第一部分与第二部分之间的轨道中的开口；
叶片的轨道的第一部分在开口与第一端部之间倾斜，并且叶片的轨道的第二部分在开口与第二端部之间倾斜，其中每个轨道部分与内表面之间的间距沿着所述轨道的长度从所述开口到所述叶片的相应端部逐渐增加；
轴肩，其形成沿着每个轨道部分邻接叶片的相应端部设置的止挡物；
第一滑块和第二滑块，每个滑块具有在其中形成的螺纹孔，其中所述第一滑块的螺纹孔包括左旋螺纹并且所述第二滑块的螺纹孔包括右旋螺纹；
第一从动件沿着与通孔的轴线形成角度的平面形成，并且第二从动件沿着与通孔的轴线平行的平面形成；
第一从动件和第二从动件是从滑块延伸的凸缘；
细长轴的螺纹表面包括邻接所述轴的第一端部的第一螺纹部分和邻接所述轴的第二端部的第二螺纹部分，其中所述螺纹的一个部分是右旋的并且所述螺纹的另一部分是左旋的；
径向凹口在细长轴的外部表面中邻接所述轴的一个端部形成；
邻接一个端部的细长轴的外部表面具有多边形的横截面；
轴肩形成在螺纹表面的右旋部分与左旋部分之间；
2个与6个之间的叶片围绕稳定器主体的周长均匀地间隔开；
所述主体包括在其中轴向形成的内部通孔；
主体包括上螺纹端部和下螺纹端部，所述螺纹端部被设置来啮合钻柱的螺纹；
主体的轨道包括邻接腔体的第一端部的第一部分和邻接腔体的第二端部的第二部分，并且具有限定在第一部分与第二部分之间的轨道中的开口；
主体还包括轴肩，所述轴肩形成沿着每个轨道部分邻接腔体的相应端部设置的止挡物；
主体还由在所述腔体的每个端部处形成的狭槽限定；
狭槽是U形狭槽；
主体还包括在所述主体的一个端部处伸入狭槽中的肋状物；
在主体的一个端部处的狭槽由至少一个平坦表面形成；
腔体由在主体中形成的细长相对壁限定；
主体还包括限定在至少一个壁中的孔，所述孔延伸通过所述壁到达主体的外部表面；
锁定机构安装在细长轴的端部上，所述锁紧垫圈由围绕轴线限定的圆环构成，所述圆环具有设置在所述圆环的周长上的至少3个指状物，其中每个指状物从所述周长朝向所述圆环的轴线成角度，所述锁紧垫圈还包括在与所述指状物相反的方向上从所述圆环延伸远离所述指状物的支臂，所述支臂具有径向向外延伸的突出物；并且
锁定机构的每个指状物具有平坦远端。
此外，稳定器的其他实施方案通常可以表征为具有其特征在于细长轴线的主体，所述主体具有在所述主体的外部表面中形成的细长腔体；细长稳定器叶片，其具有第一端部、第二端部、外表面和内表面，其中沿着内表面形成有轨道；滑块，其具有顶部、底部以及沿着通孔轴线在所述块中形成的螺纹通孔；细长轴，其具有第一端部和第二端部并且具有在所述第一端部以所述第二端部之间至少部分地螺纹连接的外部表面，其中所述轴的所述螺纹表面啮合所述滑块的螺纹通孔；以及导轨组件，所述导轨组件包括将所述滑块的底部滑动地固定到所述主体的第一轨道和第一从动件以及将所述滑块的顶部滑动地固定到所述可移动叶片的第二轨道和第二从动件。对于任何前述实施方案，稳定器可以单独地或彼此组合地包括以下要素中的任一个：
第一轨道设置在主体的细长腔体内并且第一从动件从邻接滑块的底部处延伸；
第二轨道设置为邻接叶片的内表面并且第二从动件从邻接滑块的顶部处延伸；并且
每个轨道包括一组间隔开的沟槽，并且每个从动件包括从滑块延伸且被设置来啮合所述轨道的相应沟槽的两个凸缘；
尽管前述公开涉及本公开的具体实施方案，但是各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的。本发明旨在所附权利要求的范围和精神内的所有变化形式被前述公开所包含。