钻具部件的旋转锚固的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开总体涉及钻井操作中的钻柱部件，并且涉及操作井下钻具的方法。一些实施方案更具体地涉及用于在钻柱的从动旋转期间阻止特定井下工具部件的旋转的旋转锚固系统、装置、机构、设备和方法。本公开还涉及钻柱的转向，并且涉及用于钻柱转向的旋转转向系统、装置、机构和方法。
【背景技术】
[0002]用于碳氢化合物(石油和天然气)产品以及用于其他目的的钻孔通常使用钻柱被钻孔，所述钻柱包括具有钻井组件的管状钻杆，所述钻井组件包括被附接至其底端的钻头。钻头被旋转来剪切或分解岩层材料以便钻出井眼。钻头的旋转通常通过钻杆的旋转被实现，例如，在井口从钻井平台。相反，或者此外，在一些应用中钻杆的至少一部分由形成邻接钻头的钻柱的一部分的泥浆马达驱动。
[0003]然而，钻柱的一些元件可包括在利用驱动旋转钻杆的操作期间不旋转的非旋转或旋转静态部件。相反，这样的非旋转部件相对于钻孔延伸通过的地层维持基本上恒定的旋转取向。旋转转向系统(RSS)，例如，通常包括非旋转外壳或套筒，所述外壳或套筒可沿着钻孔与钻柱一起纵向滑动，但是在定向钻井操作期间不与所述钻柱一起旋转。
[0004]当钻油井和气井以用于烃的勘探和生产时，通常需要沿着特定的方向从垂直面偏离所述井。这被称为定向钻井。定向钻井被用来，除了其他目的，通过例如形成来自主要钻孔的偏离的支井增加特定的井的排流。这也用在海洋环境中，其中单个海上生产平台使用分布在所述生产平台的任意方向的多个偏离的井可达到多个烃储罐。
[0005]在采用具有非旋转外壳的旋转转向系统的定向钻井操作中，外壳滚筒是不需要的。钻杆或钻柱的管通常在其中旋转的固定外壳或套筒在定向钻井期间提供用于所述钻头的转向的参考。来自参考的任意偏离倾向于从需要的井路径偏离所述钻井操作。
[0006]非旋转外壳的旋转停滞通常通过旋转锚固机构实现，所述旋转锚固机构被安装在外壳上并且是径向可扩张的以便抵靠所述钻孔壁，将抵抗旋转的转矩从地层传递至外壳。
【附图说明】
[0007]—些实施方案以实例的方式被示出并且不被限制在附图中的图示，其中:
[0008]图1描绘根据示例性实施方案的包括钻柱的钻井装置的示意图，所述钻柱具有包括旋转锚固机构的转向装置。
[0009]图2描绘根据示例性实施方案的钻柱的井底组件的示意侧视图，所述钻柱具有包括旋转锚固机构的转向装置。
[0010]图3描绘根据示意性实施方案的包括旋转锚固机构的非旋转工具外壳的分离三维视图。
[0011]图4A-图4B描绘根据示例性实施方案的旋转锚固机构的分离侧视图，示出处于完全收缩状态(图4A)和处于扩张状态(图4B)的旋转锚固机构的锚固连接体。
[0012]图5描绘根据示例性实施方案的旋转锚固机构的分段三维视图，示出形成锚固连接体的一部分的示例性可变连杆的细节，所述可变连杆响应于锚固连接体的径向扩张度的变化在长度上是动态可变的。
[0013]图6描绘根据示例性实施方案的形成钻柱的转向装置的一部分的旋转锚固机构的分离平面图。
[0014]图7描绘根据示例性实施方案的包括一对旋转锚固机构的钻柱附接件或插件的平面图。
[0015]图8描绘根据示例性实施方案的包括一对旋转锚固机构的钻柱附接件的部分侧视图。
[0016]图9包括根据示例性实施方案的包括非旋转外壳和多个旋转锚固设备或反旋转设备的钻柱装置的轴向平面图，每个旋转锚固设备包括一对旋转锚固机构，所述一对旋转锚固机构出于说明目的被示出为分别处于扩张状态和收缩状态。
【具体实施方式】
[0017]下述【具体实施方式】参考附图描述本公开的示例性实施方案，所述附图描绘示出可如何实践本公开的实例的各种细节。本论述阐述参考这些附图的新型方法、系统和装置的各种实例，并且足够详细地描述所描绘的实施方案以便使得本领域技术人员能够实践本公开的主题。除本文描述的示例性实例之外的许多实施方案可用于实践这些技术。除本文具体论述的替换之外的结构和操作变化可在不脱离本公开的范围的情况作出。
[0018]在本说明书中，描述中的参考“一个实施方案(one embodiment) ”或“一个实施方案(an embodiment) ”，或者“一个实例(one example)”或“一个实例(an example)” 不是必须指代相同的实施方案或实例；然而，这些实施方案不是互相排斥的，除非有此表述或者得益于本公开的本领域技术人员将显而易见的。因此，可包括本文描述的实施方案和实例的各种组合和/或整合，以及如基于本公开被限定在所有权利要求的范围内的另外的实施方案和实例，以及这些权力要求的所有法定等同物。
[0019]根据本公开的一个方面，钻柱和钻井装置被提供有安装在形成钻柱的一部分的可操作非旋转外壳上的旋转锚固机构，所述旋转锚固机构包括径向可延伸且可收缩以移动锚固构件(如滚子)的锚固连接体，其径向朝向且远离外壳以便选择性地接合钻孔壁以用于阻止相对于在所述外壳内被驱动旋转的钻杆的所述外壳的旋转。锚固连接体可包括多个外卷连接对(每个外卷连接对包括枢转地连接在一起的两个刚性连杆构件)，所述多个外卷对具有基本上平行的相应的枢转轴，并且棱柱连接对枢转地连接至至少一个外卷对，所述棱柱对包括一对刚性构件，所述刚性构件响应于连接体机构的径向扩张度的变化而相对于彼此纵向对准且可纵向滑动。
[0020]所述棱柱对可因此提供用于锚固连接体的可变长度的连杆，响应于连接体机构的径向扩张度的变化动态地可延伸且可收缩。
[0021]所述锚固连接体还可包括致动机构，如弹性压缩弹簧，以便迫使锚固构件径向向外与钻孔壁接触。在一些实施方案中，压缩弹簧可作用于棱柱连接对，以便迫使所述复合变化连杆的延伸并且扩张所述锚固连接体。
[0022]图1为根据示例性实施方案的包括钻柱108的钻井装置100的示例性实施方案的示意图，所述钻柱108具有采用旋转锚固机构315(见，例如图3)的旋转转向系统。
[0023]钻井装置100包括钻柱108定位在其中的地下钻孔104。钻柱108可包括从固定在井口的钻井平台112悬垂的钻杆的接合区。位于钻柱108的底端的井下组件或井底组件(BHA) 122可包括钻头116，所述钻头116在钻柱108的前端分解地层以便导引钻孔104。
[0024]钻孔104因此通常为基本上圆柱形的细长腔，具有沿钻孔104的长度差不多地保持恒定的基本上圆形的横截面轮廓。在一些情况中，钻孔104可以是直线的，但是通常可包括沿其长度的一个或多个弯曲、弯折、折线或棱角。如参考钻孔104和其部件所使用的(除非上下文中另有明确的表示)，钻孔104的“轴线”(以及因此钻柱108或其一部分的轴线)是指圆柱形钻孔104的纵向延伸的中心线。“轴向”因此是指沿基本上与位于正在讨论的钻孔104的相关的点或部分的钻孔104的纵向方向平行的线的方向径向”是指基本上沿至少大约与钻孔轴线相交并且处于基本上垂直于所述钻孔轴线的平面的线的方向；“切向”是指基本上沿处于基本上垂直于所述钻孔轴线的平面的线的方向，并且这通过在本论述的上下文中重要的距离与钻孔轴线径向隔开的(在其最接近所述轴线的点)；以及“周向”或“旋转”是指由切向矢量围绕所述钻孔轴线旋转描述的基本上弧形或圆形路径。注意在给定的时刻，周向或旋转移动包括切向移动。
[0025]如本文所使用的，“向前”或“井下”移动或位置(以及衍生或相关术语)是指沿钻孔104朝向钻头116、进一步远离表面的轴向移动或相关轴向位置。相反，“反向”、“向后”或“井下”是指沿钻孔104远离钻头116并且朝向地球表面的轴向移动或相关位置。
[0026]钻井液(例如，钻井“泥浆”或者可存在于井中的其他液体)从位于所述地球表面的钻井液体储罐(例如，存储凹坑)中被循环，并且通过迫使所述钻井液体向下送入由钻柱108的中空内部提供的钻井眼128的栗送系统132被耦接至通常由130表示的所述井口，使得所述钻井液体在相对较高的压力下通过钻头116流出。在从钻柱108流出之后，所述钻井液沿钻孔104向上返回移动，占据限定在钻柱108与钻孔104的壁115之间的钻孔环形(annulus，环空)134。尽管许多其他环形空间可以与装置100相关联，参考环形压力、环形间隙以及此类，参考钻孔环形134的特征，除非另有特别说明或者除非上下文另有明确指示。注意所述钻井液沿通常由钻杆118提供的钻柱108的内径(S卩，钻井眼128)被栗出，其中流体被限制在钻头116的从钻井眼128流出的。钻柱108的钻杆118因此执行以下双重功能(a)从井口传递扭矩以及旋转至钻头116，以及(b)传输井下钻井液。
[0027]钻井液随后沿环形134向上流，从钻孔104的底部携带岩肩至井口，其中所述岩肩被去除并且所述钻井所述钻井液体储罐132。
[0028]钻井装置100可包括旋转转向系统(RSS)，所述旋转转向系统包括被结合入钻柱108并且形成其串联部分的旋转转向工具123。转向工具123允许旋转钻井操作期间通过控制钻头116的取向对钻头116的方向控制。以这种方式，所产生的井筒或钻孔104的方向可被控制。
[0029]此示例性实施方案中的转向工具123包括沿钻柱108的一部分纵向延伸的管状套筒或外壳129，共轴地接收钻杆118的部分(见，例如图2)。穿过外壳129的钻杆118的那一部分也被称为驱动轴，但是注意钻杆118的整个长度有效地作为驱动轴起作用，在钻井平台112处将来自驱动系统的扭矩以及旋转传递至钻头116。转向工具123因此可包括钻杆118的一部分，提供所述驱动轴，具有安装在其上的外壳129。外壳129基本上共轴地安装在驱动轴上，所述驱动轴可相对于外壳129旋转以便允许驱动轴在外壳129内的从动旋转而同时外壳129维持恒定的旋转取向。注意外壳129可用于弯曲或者偏离钻杆118的方向，并且因此可能不能在所有时间都完美地与钻杆118共轴。涉及这些部件的共轴布置的术语应当理解为包括这些轻微的误差。类似地，描述将外壳129旋转地安装在钻杆118上时不是指外壳129在钻井操作期间被旋转而是指示外壳129和钻杆118没有被旋转地键连接在一起，并且因此相对于彼此是可旋转的，在使用时允许外壳129的不旋转。
[0030]旋转锚固设备315被安装在外壳129上以便阻止外壳129与钻杆118围绕钻柱108的纵向轴线209 (图2)的旋转，使得外壳129相对于旋转基本上是静止的。旋转锚固设备315被配置来通过与钻孔104的壁115接合实现这样的旋转锚固，使得抵抗转矩通过旋转锚固设备315从钻孔壁115被传递至外壳129。示例性旋转锚固设备315的操作将参考图3-图9进行更深入的描述。
[0031]通过使用包括静止部件(例如外壳129)的装置的定向钻井控制在本领域是已知的，在此示例性实施方案中包括驱动轴的轴线例如通过由外壳129携带的轴弯曲机构沿外壳129的长度的偏转。如所提及