专利名称：用于在井孔中锚定钻柱的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对形成于地层中井孔内的钻柱进行锚定的装置。在钻深井或者钻大倾角井孔的过程中，一个普遍的问题是要为钻头提供足够的前推力。而钻柱与井孔壁之间的摩擦力却使得为钻头提供前推力的钻柱的有效重量大为减轻。
背景技术：
国际专利申请WO 99/09290公开了一种钻柱系统，该系统带有一用于将钻头向前推进的推进器，以及一锚定装置，锚定装置包括可径向伸出并具有驱动活塞的夹具，在推进器的启动过程中，该锚定装置将钻柱锚定于井孔壁上。
但是，公知锚定装置的问题在于，需要设置一独立的驱动装置来驱使活塞(从而连同夹具)在钻进下一段井孔后，返回至其缩回位置。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的钻柱锚定装置，它克服了现有技术中锚定装置的缺点。
本发明提供了一种用于对形成于地层中的井孔内的钻柱进行锚定的装置，包括-一与钻柱相连的锚定件，其可在缩回位置和伸出位置之间移动，在缩回位置该锚定件由井孔壁缩回，而在伸出位置该锚定件向井孔壁伸出，以便将钻柱锚定于井孔壁上；以及-一致动件，能被操作以通过井孔中钻井流体的压力作用将锚定件由伸出位置移至缩回位置。
从而可实现使锚定件通过由井孔内的钻井流体作用于致动件上的压力，返回至其缩回位置，因此无需另外设置一独立的驱动装置。
所述致动件宜布置为通过钻井流体的所述压力作用，将锚定件由伸出位置移至缩回位置的形式，该钻井流体位于钻柱和井孔壁之间的环形空间内。
优选地，致动件包括一按下述方式布置的活塞/缸组件，即所述组件通过作用于活塞上的所述钻井流体的压力，在活塞与缸间的相对轴向运动时，将锚定件由伸出位置移至缩回位置。
附图简要说明下面结合实施例并参照附图对本发明进行更为详尽的描述，在附图中
图1示出了采用本发明装置的一钻井组件；图2示出了用于本发明装置的液压控制系统的一个实施例；图3示出了用于本发明装置的液压控制系统的一个备择实施例。
图中，相同的附图标记对应于相同的部件。
具体实施例方式
参见图1，图中示出了伸入形成于地层3内的井孔2中的钻柱1，在钻柱和井孔壁5之间形成环形空间4。钻柱具有一上部钻柱件6和一设有钻头9的下部钻柱件8，其中二钻柱件6、8相互之间通过一由液压致动的伸缩推进器10进行连接，该推进器可将下部钻柱件8向井孔底部的方向推进。在上部钻柱件6和下部钻柱件8上沿钻柱外周的相等间距处，分别设置若干套垫板状的(如3套)锚定件12。各垫板12以下述方式分别与相应的钻柱件6、8连接，即垫板12可在缩回位置和伸出位置之间移动在缩回位置，垫板12由井孔壁5缩回，而在伸出位置，垫板12则向井孔壁5伸出，以便将各钻柱件6、8锚定于井孔壁5上。钻柱内部设置一控制系统(图2中示出)，用于控制各垫板12在其缩回位置和伸出位置之间的运动。
进一步参照图2，图中示出了用于控制垫板12的控制系统，它包括一液压回路20，该液压回路设有一第一活塞/缸组件22，其中活塞24以密封方式伸入缸26，并可相对于缸26沿向外的方向A和向内的方向B作轴向运动。该控制系统还包括一第二活塞/缸组件28，其中活塞30以密封方式伸入缸32，并可相对于缸32沿相对的方向C和D作轴向运动。活塞30设有一辅助活塞30a，以密封方式伸入与缸32相连接的辅助缸32a内。流体室32b限定在辅助缸32a内，位于辅助活塞30a和辅助缸32a的端壁32c之间。辅助活塞30a的外径小于活塞30的外径，而辅助缸32a的内径小于缸32的内径。
活塞24具有一外端面34，该端面承受存在于环形空间4中的钻井流体的压力P；还具有一内端面36，该端面承受存在于缸26流体室37中的液压流体的压力。活塞24通过连接装置(未示出)以下述方式与垫板12相连，即当活塞24沿向外的方向A运动时可使垫板12移至其伸出位置，而当活塞24沿向内的方向B运动时又可使垫板12移至其缩回位置。
活塞30具有一第一端面40，该端面与第二组件28的一低压室42流体连通；还具有一第二端面44，承受存在于缸32的流体室45中的液压流体的压力。低压室42包含一低压气体，或者理想情况为真空状态。室37通过导管46a、46b以及三通阀47与流体室45流体连通。
液压回路20进一步包括一液压流体泵50，该泵具有一通过导管56与液压流体贮存器54流体连通的入口52，以及一通过设有阀门61的导管60与室37流体连通的出口58。另外，出口58还通过导管62、三通阀63和导管64与第一流体室32b流体连通。流体贮存器54通过导管66、三通阀47与导管46流体连通，并通过导管69和三通阀63与导管64流体连通。流体贮存器54通过为其设置的活塞70补偿压力，其中活塞70将钻井流体压力P传递给流体贮存器54中的液压流体。另外，低压室42通过导管71与导管69连接，其中，导管71设有一单向阀72，只允许流体由低压室42流向导管69。
活塞24通过连接装置(未示出)以下述方式与垫板12连接，即当活塞24沿向外的方向A运动时使得垫板12移至其伸出位置，而当活塞24沿向内的方向B运动时又使得垫板12移至其缩回位置。
参见图3，图中示出了用于控制垫板12运动的备择控制系统。该备择控制系统包括与控制回路20类似的液压回路80，与其不同之处在于，在液压回路80内，由第三活塞/缸组件82取代了上文所述的第二活塞/缸组件28。该第三活塞/缸组件82包括一活塞84，该活塞以密封方式伸入缸86，并可相对于缸86沿相对的方向E和F作轴向运动。活塞84设有一辅助活塞84a，它以密封方式伸入与缸86相连接的辅助缸86a。活塞84在辅助活塞84a的一侧具有一端面90，在端面90的对面具有一端面92。辅助活塞84a具有一端面94。第一流体室96限定于缸86内，位于端面92和缸86的端壁98之间。第二流体室100限定于缸86内，位于端面90和缸86的另一端壁102之间。第三流体室104限定于辅助缸86a内，位于端面94和辅助缸86a的端壁106之间。第一流体室96通过三通阀63与泵50的出口58流体连通。第二流体室100通过导管110、111和三通阀112与导管62流体连通，并通过导管110、113和三通阀112与液压流体贮存器54流体连通。
下面将说明采用本发明装置对上部钻柱件6的单独一个垫板12进行致动或止动的正常使用方式，应当理解，其它各垫板12的致动和止动方式与此类似。
具有图2所示控制系统的发明装置在正常使用中，阀门61和三通阀47打开，从而流体可经导管46a、46b流入流体室45。三通阀63打开，从而液体可由流体室32b经导管64、69流入贮存器54。然后，泵50运行，将液压流体由贮存器54泵入缸26的流体室37和缸32的流体室45。结果，活塞24沿向外方向A移动，从而使垫板12向井孔壁5移动，以便将上部钻柱件6锚定于井孔内。活塞30和辅助活塞30a沿方向C移动，从而将任何可能已泄入低压流体室42的液压流体，经导管71、69和单向阀72排入贮存器54。之后，三通阀47打开，使该流体经导管46b和66流入贮存器54内，三通阀63也打开，使液压流体经导管62、64由泵50的出口58流入缸32a的流体室32b内，从而推动活塞30和辅助活塞30a沿方向D运动。结果，在流体室42内产生一非常低的气压(优选为真空)。然后，通过同时旋转钻头9并使推进器10将钻头9推向井孔底部，即可将井孔2钻得更深。在下一段井孔被钻完之后，钻头9停止旋转，泵50停止运行，随后阀门61关闭。然后打开阀门47，使导管46a与导管46b流体连通；打开阀门63，使流体室32b通过导管64、69与贮存器54流体连通。结果，钻井流体压力P使活塞沿向内的方向B移动，从而液压流体由流体室37经导管46a、46b流入流体室45，并由流体室32b流入贮存器54。由于流体室45内的压力大于低压室42内的压力(或为真空)，活塞30和辅助活塞30a即沿方向C移动。通过活塞24向内运动，垫板12即从井孔壁5上缩回。
下一步，上部钻柱件6在井孔内进一步下移。打开阀门63，从而使导管62与导管64流体连通。打开阀门47，从而使导管46b与导管66流体连通。然后运行泵50，将液压流体由贮存器54经导管62、64泵送入流体室32b，从而沿方向D推动辅助活塞30a和活塞30。而位于流体室45内的液压流体经导管46b和66流入贮存器54。此后，垫板12再次以上文中所述的方式向井孔壁5伸出，并钻出下一段井孔。
具有图3所示控制系统的本发明装置的正常使用，与具有图2所示控制系统的本发明装置在正常使用基本类似。打开阀门61和三通阀47，使流体经导管46a、46b流入流体室45。打开三通阀112，使流体从流体室100经导管110和113充入贮存器54。打开三通阀63，使流体室96经导管64和62与泵出口58液压连接。然后，运行泵50，将液压流体由贮存器54泵入缸26的流体室37和缸82的流体室96。结果，活塞24沿向外的方向A移动，从而使垫板12向井孔壁5移动，以将上部钻柱件6锚定于井孔壁上。活塞84和辅助活塞84a沿方向F移动，从而将液压流体由流体室100和104排入贮存器54内。通过同时旋转钻头9，导致推进器10将钻头9推向井孔底部，从而井孔2被钻得更深。完成另一段井孔的钻孔之后，钻头9停止旋转。阀门61关闭，然后阀门47打开，使流体室37经导管46a和导管46b与流体室104流体连通。三通阀63打开，使流体从流体室96经导管64和69排入贮存器54内。三通阀112打开，使流体室100经导管110、111和62与泵出口58流体连通。通过将液压流体泵入流体室100，活塞84和辅助活塞84a被推动沿方向E运动。结果，钻井流体压力P使活塞24沿向内的方向B移动，由此液压流体从流体室37经导管46a、46b流入流体室104，并从流体室96流入贮存器54。通过活塞24向内运动，垫板12从井孔壁5上缩回。
在运行泵50以使活塞24沿向外的方向A移动之前，不打开阀门61和关闭阀门47，可以适当地遵循以下备择步骤关闭阀门61，打开阀门63，使导管62、64间实现流体连通；打开阀门47，使得导管46a、46b之间流体连通。打开阀门112，使得流体室100经导管110、113与贮存器54之间流体连通。然后，运行泵50，将液压流体经导管64、64泵入第一流体室96，结果，活塞84和辅助活塞84a沿方向F移动。从而液压流体由第三流体室104经导管46b、46a转移至缸26的流体室37，导致活塞24沿向外的方向A移动。该备择程序的优点在于，由于活塞84的直径大于辅助活塞84a的直径，流体室37内的液体压力在泵入时大大增加。
在钻头的井下马达的驱动下可能继续旋转的情况下，在一合适的钻孔过程中，下部钻柱件8的垫板12仅在上部钻柱件的垫板12由井孔壁缩回的期间内向井孔壁伸出，以便为下部钻柱件提供一反向扭矩。
第二或第三活塞/缸组件28、82的活塞30、84是在活塞30、84两端流体压力差的作用分别沿方向C或E移动的，与此不同，或者除此之外，该移动还可通过以适当方式设置于第二或第三活塞/缸组件内的一弹簧的作用来实现。
在上述说明中，锚定件和与其相应的致动件是按独立的组件加以描述的。作为备择方案，锚定件和相应的致动件也可形成为一体式的单个构件。
权利要求
1.一种用于对形成于地层中的井孔内的钻柱进行锚定的装置，包括-一与钻柱相连的锚定件，其可在缩回位置和伸出位置之间移动，在缩回位置所述锚定件由井孔壁缩回，而在伸出位置所述锚定件向井孔壁伸出，以便将钻柱锚定于井孔壁上；以及-一致动件，其可通过井孔中钻井流体的压力作用进行操作，以将锚定件由伸出位置移至缩回位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述致动件布置为可通过钻井流体的压力作用，将锚定件由伸出位置移至缩回位置的方式，所述钻井流体位于钻柱和井孔壁之间的环形空间内。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，致动件包括一按下述方式布置的活塞/缸组件，即当通过作用于活塞上的所述钻井流体压力，活塞与缸间有一相对轴向运动时，所述组件将锚定件由伸出位置移至缩回位置。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一控制系统，用于选择性地引发一作用于活塞的力，该力反作用于活塞和缸间的所述相对轴向运动，从而反作用于锚定件由伸出位置向缩回位置的运动。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制系统包括一按下述方式布置的液压回路，即所述液压回路通过对活塞施加一液压流体压力而将所述的力作用于活塞。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述液压回路设有减压装置，用于有选择地减小作用于活塞上的液压流体压力。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述活塞/缸组件形成一第一活塞/缸组件，并且其中所述的减压装置包括通过一液压流体管道与所述第一活塞/缸组件流体连通的一第二活塞/缸组件，所述第二活塞/缸组件按下述方式设置，即通过第二组件中活塞和缸间的相对轴向运动，来减小作用于第一组件的活塞上的液压流体压力。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述液压回路设有动力装置，用于在第二活塞/缸组件的活塞两端造成压力差，从而在第二组件的活塞与缸之间产生所述相对轴向运动。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述动力装置包括一与第二组件的活塞的一端面流体连通的低压室。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述动力装置包括一与第二组件的活塞流体连通的高压室，以及一用于将液压流体泵送入所述高压室的泵。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述的泵以下述方式设置，即有选择地将液压流体泵入第一活塞/缸组件，从而导致第一活塞/缸组件的活塞将锚定件由缩回位置移至伸出位置。
12.参照附图，与以上描述基本上相同的装置。
全文摘要
本发明提供了一种用于对形成于地层中的井孔内的钻柱进行锚定的装置。该装置包括一与钻柱相连的锚定件，可在缩回位置和伸出位置之间移动，在缩回位置该锚定件由井孔壁缩回，而在伸出位置该锚定件向井孔壁伸出，以便将钻柱锚定于井孔壁上；还包括一致动件，可通过井孔中钻井流体的压力作用进行操作，以将锚定件由伸出位置移至缩回位置。
文档编号E21B4/18GK1484729SQ02803552
公开日2004年3月24日 申请日期2002年1月8日 优先权日2001年1月10日
发明者布鲁诺·贝斯特, 布鲁诺 贝斯特 申请人:国际壳牌研究有限公司