增强流体压力和环空流速的井下工具和方法
【技术领域】
[0001]本公开大致涉及钻井和完井流体的循环，且更具体地涉及在循环期间赋予额外能量给这些流体的井下工具。
[0002]发明背景
[0003]可通过旋转钻柱来钻烃类开采井，所述钻柱是大致包括在下端具有钻头和底部钻孔组件(“BHA”)的多个互连钻管段的组件。在钻井时，钻头产生岩肩和其它碎肩。在井下钻井操作中，流体循环通常用于井筒清洁和固体物运送，诸如以移除岩肩和其它碎肩。一般来说，循环涉及沿着钻柱向下栗送流体(使用地面的泥浆栗)并且将其向上栗送回钻柱与井筒壁之间的环空。流体沿着环空移动的速度被称作环空流速。因此，重要的是监测环空流速来确保适当的井筒清洁、固体物运送以及避免井筒壁的侵蚀。
[0004]流体环空流速以多种方式被不利地影响。例如，在循环期间，由于管道和环空内的摩擦损失以及管道与环空之间的静水压差而在循环系统中发生压降。最大压力在泥浆栗歧管上产生(立管压力(“SPP”))且最低压力产生在流体回路上(开放回路的大气压力或用于管控压力操作的所施加节流压力)。因此，流速受限于最大SPP。因此，在一些实例中，环空流速可能未高至足以充分清洁井筒。但是，如果在循环期间流体压力稍微增大，那么SPP可能减小。接着，这将允许最大栗速的增加，其产生更高环空流速。
[0005]因此，鉴于上述内容，本领域存在对增大流体环空流速的方法的需求。
[0006]附图简述
[0007]图1图示根据本公开的特定示例性实施方案的用于钻井操作的循环系统；
[0008]图2A是根据本公开的特定示例性实施方案的井下工具的截面图；
[0009]图2B图示根据本公开的特定示例性实施方案的沿着井下工具的旋转套筒的内表面定位的齿圈的剖视图；
[0010]图2C是根据本公开的特定示例性实施方案的包括多个偏移夹持构件的井下工具的三维图；
[0011]图2D是沿着图2A的线2D取得的井下工具的顶视截面图；
[0012]图3A图示根据本公开的特定示例性实施方案的在井下工具中所使用的驱动机构的替代实施方案；以及
[0013]图3B图示图3A的井下工具的三维外观图。
【具体实施方式】
[0014]本公开的说明性实施方案和相关方法在下文被描述为它们可用于井下工具中，其在循环期间增强流体环空压力，因此允许更高的流体环空流速。为简明起见，未在本说明书中描述实际实施方案或方法的所有特征。此外，本文中描述的“示例性”实施方案指的是本公开的实例。当然将了解在任何这种实际实施方案的开发中，必须作出许多实施特定决策来实现将随实施方案而变化的开发者的特定目标，诸如与系统相关和业务相关限制的相符性。此外，将了解这样一种开发行为可能是复杂且耗时的，但只是受益于本公开的本领域一般技术人员的常规任务。将从下文描述和附图的考虑中变得更了解本公开的各种实施方案和相关方法的进一步方面和优点。
[0015]如本文中描述，本公开的示例性实施方案涉及一种联机井下工具，其由钻柱旋转驱动以驱动栗机构，所述栗机构在循环期间增强流体压力，因此允许环空流速的增大。井下工具的一个公开实施方案包括驱动机构，其包括驱动齿轮和驱动轴以控制通过旋转钻柱产生的转矩(即，旋转力)。如本文中使用，术语“齿轮”广泛地指任何旋转构件，其具有沿着周边的表面，所述表面被构造来与沿着另一个旋转构件的周边的表面接合。在下文讨论的示例性实施方案中，所描述的齿轮可为传统齿轮，其具有被构造来与另一个旋转件构件(或另一个齿轮或齿圈)上的相应多个齿啮合的多个齿。但是，这样一种齿轮可替代地包括例如齿轮的周边上的表面，所述表面在不使用传统齿轮齿的情况下与另一个旋转构件上的相应表面摩擦啮合，使得在不使用齿的情况下，一个的旋转导致另一个的旋转。用于摩擦接合彼此的表面可被赋予高摩擦系数，诸如通过使表面粗糙化或施敷摩擦材料，诸如橡胶化合物。响应于钻柱的旋转，驱动齿轮旋转以将动力(经由施加转矩)传送至耦接至栗机构的驱动轴。驱动轴响应于所施加转矩而旋转，以接着将动力从驱动轴传送至栗组件，以驱动栗组件，以增强行进穿过井下工具的流体的压力。下文将进一步详细描述本公开的这些和其它特征。
[0016]图1图示根据本公开的特定示例性实施方案的用于钻井操作的循环系统。钻井系统100 (例如，旋转型)包括定位在井筒的地面104上的钻机102。钻机102为钻柱108提供支撑。钻柱108使用于钻井筒112的转盘110穿透地下地层。在这个示例性实施方案中，钻柱108包括方钻杆116 (在上部分中)和位于钻柱108的下部分上的底部钻孔组件120。底部钻孔组件120包括钻铤122、用于增强流体压力的井下工具124和钻头126。此夕卜，虽然未示出，但是底部钻孔组件120可包括任何数量的其它井下工具，诸如，例如随钻测量(MWD)工具、随钻测井(LWD)工具等。
[0017]在钻井操作期间，钻柱108和底部钻孔组件120由转盘110或顶部驱动器旋转，除本公开的具体教示以外如本领域中一般了解。在其它实施方案中，诸如在定向钻井应用中，钻头可替代地由定位在井下的电动机(未示出)旋转。钻铤122可用于增加重量至钻头126，且加固底部钻孔组件120，因此允许底部钻孔组件120将重量转移至钻头126。因此，由钻铤122提供的这个重量也协助钻头126穿透地面104和地下地层。
[0018]在钻井操作期间，泥浆栗132可将钻井流体(也被称作“钻井泥浆”)从泥浆池134穿过软管136栗送至钻管(沿着钻柱108定位)中，穿过井下工具124且向下至钻头126。如本文中描述，井下工具124的示例性实施方案用于管理钻柱的旋转以给栗机构提供动力，所述栗机构在流体行进穿过井下工具124时增大流体的压力。钻井流体可接着从钻头126流出且穿过钻柱108与井筒112侧之间的环空区域140返回至地面(S卩，循环)。钻井流体可接着返回至泥浆池134，其中这些流体被过滤。因此，钻井流体可在钻井操作期间冷却钻头126以及提供钻头126的润滑。此外，钻井流体移除由钻头126形成的地下地层的岩肩。
[0019]参考图2A，现将详细描述井下工具124的特定示例性实施方案。图2A是沿着钻柱定位的井下工具124的截面图。但是，替代地，井下工具124也可用于其它底部钻孔组件中，其中进行流体循环，诸如，例如完井组件。井下工具124包括工具外壳141，其界定延伸穿过其中的流体流道(本文中被称作“孔”)142，在所述流体流道中流体(例如，钻井或完井流体)可流动。驱动机构144沿着孔142定位。举例来说，驱动机构144包括两个驱动齿轮146a和146b，其沿着工具外壳141定位且相对于驱动轴148正对彼此定位。驱动轴148经由定位在其上端的中心齿轮150可操作地耦接至驱动齿轮146a、b。在这个示例性实施方案中，驱动齿轮146a、b与另一个齿轮(在本文中被称作“中心齿轮”150)啮合以将旋转力转移至驱动轴148。
[0020]栗机构152可操作地耦接至驱动轴148以经由由驱动轴148赋予的所施加转矩接收动力。接着，栗机构152使用驱动轴148的旋转来驱动栗152以由此增大行进穿过井下工具124的流体的压力，其中流体环空流速相应增大。在特定实施方案中，驱动轴148形成栗机构152的一部分，而在其它实施方案中，驱动轴148可为未包括在栗机构152内，而是可操作地耦接至栗机构152的另一个旋转机构以为栗150提供动力的单独组件。在这个示例性实施方案中，栗机构152是多级叶轮组件，其包括彼此串联配置的多个叶轮板154。替代地，可使用其它栗机构，诸如，例如涡轮、射流栗或另一种离心式栗。离心式栗特别有利，因为它会产生额外液压，释放一些立管压力，且在联机栗驱动器故障的情况下仍可使用。
[0021]仍参考图2A的示例性实施方案，驱动机构144也包括绕工具外壳141定位的套筒156。套筒156的外表面包括一个或多个夹持构件158以接合井筒112的壁，使得套筒156在工具外壳141在循环操作期间旋转期间保持静止。在特定示例性实施方案中，选择套筒156的直径使得它在底部钻孔组件120的部署和撤回期间沿着井筒112的壁向上/向下垂直滑动，同时也在钻柱108被旋转时阻止套筒156的旋转。可例如使用套管或井筒的内径确定适当直径。
[0022]机械密封件160绕工具外壳141定位在套筒156的上端和下端上以提供防流体从环空140泄漏至驱动齿轮146a、b周围的区域中的保护。密封件可由例如金属、塑料或陶瓷材料制成。齿圈162沿着套筒156的内表面定位，如图2B中所示。齿圈162包括固定至套筒152或与套筒152—体形成的一系列齿，所述齿与沿着驱动齿轮146a、b的每个的周边定位的齿啮合。驱动齿轮146a、b各(诸如使用销164)绕各自轴可旋转地耦接至工具