用于旋转/可滑动钻探系统和方法的智能扩孔器的制造方法
【技术领域】
[0002]本发明大体上涉及用以扩大所钻探井孔的尺寸的井孔扩孔器，且在一些非限制性实施例中更特定地涉及一种井下智能扩孔器控制器，所述井下智能扩孔器控制器可检测旋转钻探与滑动钻探之间的差异，适当地且快速地对可能在每一钻杆立根出现几次的旋转钻探与滑动钻探之间的多次改变作出响应，其中额外控制件用以防止扩孔器部件在不适当的时间的部署，例如当钻穿水泥、测试和在井眼内外运行时。
【背景技术】
[0004]可扩张扩孔器或井下扩孔器在油田钻探工业中是众所周知的。术语扩孔器与井下扩孔器在本文中可被互换地使用，但扩孔器常常被认为是尺寸可与钻头尺寸相同或近似相同的固定刀片装置。
[0005]常常需要出于各种原因而增加井眼中的环形空间。典型的原因可以是:提供用于固井的额外环形空间；提供增加的生产流程区；允许增加的套管尺寸；清洁发生膨胀的洞孔;增加环形空间以避免在运行衬管时的波动压力、当量循环密度(ECD)问题、膨胀性页岩、脱落/塌陷、套管开窗及类似者。
[0006]可扩张扩孔器可通常具有两个基本操作状态。在一个状态中，一个或多个扩孔器部件关闭或处于折叠状态，在所述折叠状态中，扩孔器工具的直径较小，例如足够小以允许所述工具穿过现有的开放或下套管井孔。在第二状态中，提供开放或部分扩张状态，其中在其末端(切割器块)上具有切割器的一个或多个扩孔器部件从工具的主体延伸。在扩张状态中，随着工具在井孔中旋转以及降低和/或升高，扩孔器扩大井孔直径。扩孔器或井下扩孔器通常在钻柱的旋转期间操作且通常通过钻探流体流动而致动。
[0007]在一些类型的钻探操作(例如特定类型的定向钻探操作)中，当用于钻头的驱动机构是正位移泥浆马达(泥浆马达)或井下涡轮(涡轮)时利用旋转钻探和滑动钻探两者。泥浆马达和涡轮具有类似组件，所述组件为动力段、传输弯外壳段和轴承稳定器段。动力段包括转子和定子，由此转子通过泥浆马达中的空腔或涡轮中的涡轮级中的任一者上的压降而转动，进而转动钻头。传输弯外壳段含有耦合件，在所述耦合件内部消除所有偏心转子运动且适应弯外壳的未对准，同时将扭矩和向下推力传输到驱动轴。轴承稳定器段含有轴承组合件，其包括多个推力轴承盒、径向轴承、流量限制器和驱动轴。轴承组合件的外壳可具有螺纹外径(0.D.)以适应稳定器套筒上的螺纹。如果不需要稳定化，那么可使用无螺纹版本的光滑外壳。驱动轴具有标准钻探螺纹连接件以将马达连接到钻头。为了简单起见，用于本文中所使用的驱动机构的术语是泥浆马达。
[0008]当钻柱大体上未旋转且弯管经定向在所需方向上以将井孔的轨迹导向朝向目标位置时，在滑动钻探期间利用泥浆马达。
[0009]作为用泥浆马达的旋转/滑动定向转向过程的部分，常常在旋转钻探与滑动钻探之间频繁地改变钻柱。滑动钻探产生初始偏差弧，然后接着进行旋转钻探以提供定向控制。例如，可在钻探每一钻杆立根的同时在若干不同时间交替地使用滑动钻探和旋转钻探两者，其中钻杆立根可包括两个或两个以上连接在一起的钻杆。由于钻探类型的频繁交替改变，现有技术的可扩张扩孔器在用于旋转/滑动定向转向操作时具有显著的缺点，从而使得所述扩孔器对于此目的是不合适的、打开和关闭缓慢和/或能力不足。
[0010]许多可扩张扩孔器响应于以特定速率或压力抽吸钻探流体而扩张。然而，由于需要在滑动定向钻探期间抽吸钻探流体，故如果扩孔器仅由于钻探流体流动而扩张，那么这可能是非常有问题的。在大多数情况下，可扩张扩孔器经设计以保持关闭直到球、飞镖、RFID标签或其它对象掉落或被抽吸到钻柱的内径(ID)下为止，从而最初地扩张所述工具。为了简单起见，本文中用于所掉落对象的术语是球。球到达扩孔器所需的时间导致显著的损失钻机时间，使得此类型的可扩张扩孔器不适合于用泥浆马达的旋转/滑动钻探操作。即使此类型的装置可被重复地关闭以用于滑动钻探(通常不是这种情况)，此类型的激活也并不良好地适于在滑动钻探与旋转钻探之间快速地切换。使球掉落来关闭扩孔器以用于滑动钻探由于大量的损失钻机时间而并非实际上实用的。
[0011 ]可以利用对钻探流体流动或压力的变化作出响应(由此临时缩减标称流动速率)的机械和/或液压系统来多次扩张或关闭所述工具，这是可行的，而不需要使球掉落。然而，当在旋转钻探与滑动钻探之间频繁地切换时，扩张或缩回扩孔器部件所需的流体流动或压力的变化在操作方面是耗时的。缩减流动速率还可不利地影响驱动系统的性能。另外，重复的流动缩减将由于切换而显著地增加时间损失，且可随着频繁的切换而易于产生人员操作误差与机械操作误差两者。
[0012]利用电子系统的最近技术可需要频繁的下行链路命令。可将下行链路命令描述为按特定序列对钻机栗和/或旋转速度设置进行手动变更。还可使用受控阀来传输下行链路命令，所述受控阀将前往立管的钻探流体的一部分分流回到活动泥浆罐。当在旋转钻探与滑动钻探之间频繁地切换时，下行链路传输将经编码指令传输到井下电子器件以打开或关闭井下扩孔器。然而，重复的下行链路传输在扩张或缩回之间切换扩孔器部件时导致显著的时间损失。
[0013]可扩张扩孔器的一般领域中的背景专利与公告的实例包含:
[0014]美国公告号2013/0306，373公开包括工具主体、切割器块和传感器的电子激活工具，所述电子激活工具具有用于附接到钻探支撑和旋转以便允许井眼(尤其是在石油和天然气钻探中)的直径的同时井下扩孔和测量的构件，所述电子激活工具的特征在于使用通过泥浆脉冲、光纤、无线传输而发送的电子信号的激活构件，或还可在钻探期间传达命令以及从井下扩孔器接收数据的其它构件、并入适合于测量切割器块与工具的相对位置的定位传感器的至少一个径向可延伸切割器块、用以测量井眼直径的至少一个井径仪构件，所有构件都通过使用接收器、传感器和微处理器的通信构件而相互链接。
[0015]美国公告号20100282511公开用于井下钻柱上的有线扩孔器。在一些实施例中，扩孔器包含扩孔器主体，所述扩孔器主体包括穿过其的路径和定位在所述路径内以用于传输电力或通信中的至少一者的布线。在其它实施例中，扩孔器包含扩孔器主体，所述扩孔器主体包括封闭在扩孔器主体内的路径、定位在所述路径内以用于传输电力或通信中的至少一者的布线、位于扩孔器主体内的传感器和处理器。传感器与布线连接以用于通过布线来传输传感器所测量的数据，且处理器与布线连接以用于从传感器接收数据。
[0016]美国专利号8，235，144公开一种扩张和感测工具，所述工具包括工具主体、切割器块和传感器，以上装置允许石油和天然气钻机所钻探的井眼的直径的同时井下扩孔和测量。并入所述块上或所述主体内含有的定位传感器的径向可延伸切割器块测量所述切割器块相对于工具的位置，且振动传感器实时测量振动和井下扩孔井眼尺寸。接收器、传感器和微处理器传递所需的井眼深度，既同时地比较测定振动数据和井下扩孔参数又使其相关。所述工具可任选地被配置有井径仪或稳定器。
[0017]美国公告号20110284233公开经配置以用于重复和选择性液压致动和撤销激活的井下工具组合件。活塞组合件经配置以在井下工具主体中轴向地往复移动。活塞组合件在第一轴向位置和与所述第一位置轴向地相对的第二和第三轴向位置之间往复移动。井下工具在活塞组合件处于第三轴向位置时被致动，且在活塞组合件处于第一或第二轴向位置中的任一者时被撤销激活。当工具主体中的钻探流体压力推进活塞组合件朝向第二和第三轴向位置时，弹簧部件使活塞组合件偏向第一轴向位置。可从地面控制井下工具致动和撤销激活，例如经由循环钻探流体流动速率。
[0018]美国专利号5，060，736公开一种井底组合件，其具有由井下马达和位于钻柱上的马达上方的稳定器驱动的钻头。还提供子组合件以用于控制在钻机现场按需操作的钻头轨迹。子组合件包括直接位于钻头上方的井下扩孔器。井下扩孔器被液压致动以使切割器缩回和延伸。
[0019]美国专利7，506，703和7，597，158公开部署在钻柱的远端上的可扩张钻探设备，且包含切割头和邻近于所述切割头的大体上管状主体，从而提供经配置以收纳臂组合件的多个轴向凹座，所述臂组合件经配置以在缩回位置与延伸位置之间平移。当钻探流体压力超过激活值时，流量开关致动臂组合件，且所述钻探设备包含用以在钻探流体压力降到低于重置值时重置所述臂组合件的偏置部件。
[0020]美国专利5，746，278公开用于在钻孔或扩孔操作期间控制地下钻孔机器的设备和方法。钻孔工具在以选定旋转速率旋转的同时沿着地下路径位移。响应于影响钻孔工具沿着地下路径前进的地下条件的变化，控制系统在以选定旋转速率旋转钻孔工具的同时还并行地修改钻孔工具沿着地下路径的位移速率。控制器监视液体被抽吸通过井孔的速率且自动地调整位移速率和/或液体流动速率，使得足够的液体流过井孔以移除钻孔工具所产生的切肩和碎片。提供传感器来感测旋转、位移和液体分配栗中的压力水平，且电子控制器不断地监视传感器所检测的水平。当控制器检测到旋转栗压力上升到高于不能接受的水平时，控制器通过缩减钻孔工具沿着地下路径的位移速率来松开钻孔工具，同时以预选定速率维持钻孔工具的旋转。此类松开会缩减旋转栗上的负荷且允许压力恢复到可接受的水平。控制器在检测到旋转栗压力已降到低于设置水平之后重新接合钻孔工具。
[0021 ]美国专利7，823，663公开一种井下设备，其包括主体、安装在所述主体上且可在缩回配置与延伸配置之间移动的可延伸部件，以及用于将所述可延伸部件维持在缩回配置中的可远程操作的保持布置。可延伸部件可为切割器，使得所述设备可为切割设备，例如扩孔器。操作者可控制所述设备以将切割部件保持在缩回配置中，或防止切割部件的延伸。
[0022]美国专利8，215，418公开用于对井孔扩孔的可扩张扩孔器设备和方法，其中可将管状主体所携带的可横向移动刀片选择性地定位在向内位置和扩张位置处。由刀片偏置元件向内保持的可横向移动刀片可由被选择性地允许与其连通的钻探流体借助于安置在管状主体内的致动套筒而被迫向外。或者，分离元件可将来自钻探流体的力或压力传输到可移动刀片。此外，与可移动刀片连通的腔室可借助于井下涡轮或栗而被加压。脊状密封刮水器、补偿器、可移动轴承衬垫、在可移动刀片前方的固定轴承衬垫或用以变更扩张刀片位置的可调整垫片元件可包含在可扩张扩孔器内。另外，可产生指示可扩张扩孔器的操作特性的钻探流体压力响应。
[0023]美国专利6，470，977公开用于钻探井孔的弯段和直段两者的可转向井底组合件，其中所述井底组合件包含在井下马达下方的扩孔器。井底组合件包含具有界定钻头直径的钻头面的钻头，以及计量段，所述计量段具有近似钻头直径的大体上均匀直径圆柱表面且具有钻头直径的至少75%的轴向长度。所述马达优选在没有稳定器的情况下流畅地运行以用于接合井孔的壁。
[0024]美国专利6，732，817公开一种井下工具，其用作井下扩孔器或者用作被井下扩孔的井孔中的稳定器。所述工具包含安置在主体内的一个或多个移动臂，所述主体具有穿过