专利名称：柔性钻柱的制作方法
技术领域：
本发明涉及柔性钻柱，并且具体地涉及能够在侧向钻井钻探期间传送高扭矩的柔性钻柱。
技术背景
在油和气井中，通常期望从主垂直钻井侧向钻出孔，以增加与主 钻井和排水区域周围的地层的连通。这些侧向孔通常认为泄流井眼。它 们提供了穿过周围地层的通道，并能够增加烃进入主钻井的井套管的流 速，并提高提取烃的量。
为了具有显著长度的泄流井眼，用于钻进泄流井眼的设备或装置 通常具有柔性柱，以具有从主钻孔和侧向钻孔改变装置方向的能力，并 将旋转力和穿透速率传送给钻头。
US 6,220,372公幵了一种用于钻进侧向钻孔的装置，包括由至少 两个螺旋巻绕螺旋弹簧形成的柔性柱。该文档公开了弹簧应由具有圆形 横截面的金属丝形成。
US 4,658,916公开了由具有矩形横截面的金属丝形成的至少两个 螺旋巻绕螺旋弹簧形成的柔性钻柱。这个文档描述了用于形成螺旋弹簧 的金属丝具有矩形横截面。然而，如果螺旋弹簧由矩形横截面金属丝形 成，在巻绕过程期间，由于改变形成弹簧的金属丝的最终横截面形状的 压力，金属丝会被扭曲，而不再是矩形，如图1所示。
具有柔性柱的一种困难在于虽然柔性允许它弯曲以采用离开主 钻孔的角度指向钻头，以钻进钻孔，并且因此有助于钻进装置转过钻孔 中的弯曲，以便它能够以从主钻孔离开的角度钻进通路。当它需要沿 直线通路钻进时，该轴的柔性会减小轴的稳定性，并会减小被提供给钻 头的扭矩。
因此，本发明的目标在于提供在弹簧的螺旋之间具有平面接触的柔性柱，用于沿直引导通路或沿弯曲引导通路稳定传送扭矩和轴向负载 到钻头。发明内容
本发明的一个方面包括用于钻进侧向钻孔的柔性钻柱，包括螺 旋状外部金属丝螺旋弹簧；和至少一个内部螺旋状金属丝螺旋弹簧，同 心地驻留在外部螺旋弹簧内，相邻弹簧圈具有相反的斜；其中形成每 个螺旋状螺旋弹簧的金属丝具有横截面，以便当钻柱直线对准时，在 弹簧的相邻圈的金属丝之间存在平面接触。在沿直通路钻进期间，当旋 转力和轴向负载被应用于钻柱时，在相邻圈之间存在平面接触。在形成 每个螺旋弹簧的圈之间具有平面接触有助于防止钻柱的压曲。金属丝的 横截面以便即使当钻柱沿直方向钻进时，也保持相邻圈之间的平面接 触。
优选地，金属丝的横截面是棱柱的。更优选地，柔性钻柱的金属 丝的横截面是方形、矩形或菱形。这些横截面形状实现了螺旋弹簧的相 邻圈之间的平面接触。
螺旋弹簧的圈可以在圈的接触表面上具有脊，和/或在圈的接触表 面上具有槽。具有脊和/或槽增加了每个螺旋弹簧的圈之间的摩擦率。
该螺旋弹簧能够由平行螺旋绕的至少两条金属丝形成。使两条或 多条金属丝平行螺旋允许更多的扭矩传送，并减小螺旋角度。
柔性钻柱能够由具有预负载的螺旋弹簧形成。在螺旋体之间具有 预负载给弹簧纵向刚度，有助于在沿直轨迹钻进期间为柱提供稳定性。
该柔性钻柱还能够包括扭矩峰值过滤器。这保护轴防止由扭矩峰 值引起的损坏。该过滤器能够沿轴放置在任何地方。
该柔性钻柱可进一步包括在轴的下端处的钻头。
本发明的另一个方面包括制造如上所述的柔性钻柱的方法，包 括巻绕金属丝以形成螺旋状螺旋弹簧；当它被巻绕时，对金属丝施加 机械变形；并使用螺旋状螺旋弹簧以形成柔性钻柱；其中施加的机械 变形导致在巻绕后具有横截面的金属丝，以便当轴向负载应用于钻柱 时，在弹簧的相邻圈之间存在平面接触。
优选地，该方法包括当它正巻绕时向金属丝施加预负载。
该方法能够包括使用尺寸或热膨胀，以将两个或多个螺旋弹簧紧密组装在一起。这能够帮助减小柔性钻柱的螺旋弹簧之间的间隙。
图1显示了在巻绕后的金属丝的变形的示意图； 图2显示了在巻绕过程前和后的金属丝的示意图； 图3显示了用于制造本发明的螺旋弹簧的一个金属丝横截面的示意图；图4显示了能够用于本发明的一个螺旋弹簧的示意图；和 图5显示了在螺旋弹簧上发生的力。
具体实施方式
该柔性柱由螺旋巻绕外部螺旋弹簧和同心地留在其中的一个或多 个螺旋巻绕并且更小的内螺旋弹簧形成。每个接连更小的内部螺旋弹簧 具有大致与邻接的更大螺旋弹簧的内径相同的外径。每个螺旋弹簧沿与 邻近螺旋弹簧相反方向巻绕，外部螺旋弹簧设置巻绕基准方向，并且沿 与钻头将旋转的方向相同方向巻绕。该弹簧相对于在钻柱上和下端处的 每个其它螺旋弹簧保持刚性。该弹簧紧密巻绕，同时每个螺旋弹簧的轴 向相邻螺旋彼此接触。在装配期间，尺寸或热膨胀能够用于去除邻近螺旋弹簧之间的任何间隙，以便螺旋弹簧紧密地被组装在一起。
每个弹簧由巻绕金属丝或线材或者金属丝状物形成，具有几何横 截面。然而，当它螺旋以形成弹簧时，该巻绕过程会导致金属丝的最初 横截面变形。因此， 一旦形成弹簧，形成弹簧的金属丝具有与它螺旋巻 绕前最初开始的不同的最终横截面。
例如，如图1所示，由于当它形成螺旋弹簧时，置于金属丝上的 压缩力，具有最初方形横截面的金属丝(线材或者金属丝状物)被变形 成具有梯形横截面的金属丝。如图1所示，由沿其长度具有梯形横截面 的金属丝形成的螺旋弹簧在弹簧的相邻螺旋之间不具有平面接触。
为了形成相邻螺旋之间平面接触的螺旋弹簧，金属丝在巻绕前的最初横截面必须得到校正，以考虑在巻绕过程期间出现的变形。参照图 2，金属丝具有当用于形成螺旋弹簧时最初梯形横截面,由于在巻绕过程期 间置于金属丝的压縮力， 一旦形成弹簧，金属丝的横截面的最后形状是 方形。该角度P是金属丝的横截面得到校正的角度，以补偿金属丝将在 巻绕过程以形成弹簧期间受到变形。该最终方形横截面允许相邻螺旋之 间的平面连接。利用弹簧的螺旋之间的平面接触，当钻柱采用弯曲和直 形式时，柔性钻柱能够具有扭矩和轴向负载改进传送到诸如钻头的输出 设备。
通过或者在巻绕过程期间，将相反机械变形应用于金属丝，或通过在将导致实现螺旋之间平面连接的最终横截面的巻绕过程期间，以由 于施加的压縮力改变时的横截面直接金属丝拉拔，能够进行对用于形成 弹簧的最初金属丝的角度校正。
在螺旋之间具有平面接触提高了沿直通路钻井时，柔性钻柱的性 能。相邻螺旋之间的平面接触给柱更好的防压曲效应，并当置于轴向负 载时，诸如在钻井期间，确保柱的刚性。
螺旋的表面之间的平面接触增加了摩擦，这减小了在扭矩下，弹 簧的直径的收缩。通过具有菱形横截面的弹簧，还能够帮助在扭矩下减 小弹簧直径的收縮。当金属丝具有如图3中所示的菱形横截面时，相邻 线圈之间将存在平面连接。具有菱形横截面以用于形成螺旋弹簧的金属 丝具有角度a，其中角度a等于校正角度|3，以考虑由于巻绕过程出 现的变形，和附加角度，以便金属丝在巻绕过程后保持菱形横截面。
当形成柔性钻柱的弹簧螺旋受到扭矩时，这能够或者导致具有对 应的长度增加的直径减小，或者具有长度的对应减小的直径增加。如果 形成柱的弹簧交替巻绕，当弹簧处于扭矩下时， 一个弹簧直径扩大，并 且其相邻弹簧直径减小，从而产生强、稳定和柔性柱。
用于形成柔性柱的弹簧能够是被预先加载的弹簧。在弹簧的巻绕 过程期间施加预先加载。这给钻柱纵向刚度，当沿直方向钻进时，使柱 具有稳定性。
参照图4，为增加相邻圈1之间接触的摩擦比率，脊2禾n/或槽 3被增加到形成螺旋的金属丝。用于在金属丝上形成脊和槽的过程能够包括形成的金属丝的机械变形，或直接金属丝拉拔，然而可以使用其它 方法。增加相邻螺旋之间的摩擦率将减小在相邻表面之间会出现的滑 动，并且因此改进钻柱的稳定性。
在操作中，钻井装置包括根据本发明的柔性钻柱，钻头附于柱的下端，该钻进装置被下降进入矿井中。为钻进钻孔，该柔性柱被引导以 旋转，并指向钻头以侧向进入主矿井的侧面中。该柱的柔性使轴能够以 短的半径扭转。旋转电机实现了柱和钻头的旋转。由电机给予旋转，并 且轴向负载被传送到柔性钻柱，引发钻头旋转，并进行钻进。通过柔性 钻柱，旋转扭矩和轴向力被应用于钻头。
参照图5，对于在弹簧的相邻螺旋之间具有平面接触的柔性钻 柱，在钻进过程中，施加的扭矩和轴向力更有效。这提高了传送到钻头 的扭矩。该可传送扭矩是旋转扭矩4和离合效果的总和，离合效果由于 沿轴的长度轴向力5和相邻圈的接触表面之间的摩擦率的组合。
在不背离本发明的情况下，可进行进一步的变化。
权利要求
1.一种用于钻进侧向钻孔的柔性钻柱，包括螺旋状外部金属丝螺旋弹簧；和至少一个内部螺旋状金属丝螺旋弹簧，同心地驻留在外部螺旋弹簧内，相邻弹簧的圈具有相反的斜角；其中形成每个螺旋弹簧的金属丝具有横截面，以便当钻柱直线对准时，在弹簧的相邻圈之间存在平面接触。
2. 根据权利要求1所述的柔性钻柱，其中金属丝的横截面是方 形、矩形或菱形。
3. 根据权利要求1或2的任意一项的柔性钻柱，其中在圈的接 触表面上存在脊。
4. 根据权利要求1-3的任意一项的柔性钻柱，其中在圈的接触表 面上存在槽。
5. 根据权利要求1-4的任意一项的柔性钻柱，其中所述螺旋弹簧 由平行巻绕的至少两条金属丝形成。
6. 根据权利要求1-5的任意一项的柔性钻柱，其中所述螺旋弹簧 具有预负载。
7. 根据权利要求1-6的任意一项的柔性钻柱，包括扭矩峰值过滤器。
8. —种钻进装置，包括根据权利要求1-7的任何一项所述的钻 柱；和附于所述钻柱的下端的钻头。
9. 一种制造根据权利要求1-8的任意一项所述的柔性钻柱的方法，包括巻绕金属丝，以形成螺旋状螺旋弹簧； 当金属丝被巻绕时，对金属丝施加机械变形；和 使用螺旋状螺旋弹簧以形成柔性钻柱；其中施加的机械变形导致巻绕后的金属丝具有横截面，使得当轴 向负载施加于钻柱时，在弹簧的相邻圈之间存在平面接触。
10. —种制造根据权利要求9所述的柔性钻柱的方法，包括当金 属丝正巻绕时，施加预负载。
11. 一种根据权利要求9或10所述的方法，包括使用尺寸膨胀 或热膨胀以紧密组装两个或更多个螺旋弹簧。
全文摘要
一种用于钻进侧向钻孔的柔性钻柱，包括螺旋外部金属丝螺旋弹簧；和至少一个内部螺旋金属丝螺旋弹簧，同心地驻留在外部螺旋弹簧内，相邻弹簧的圈具有相反的斜角；其中形成每个螺旋弹簧的金属丝具有横截面，以便当钻柱直线对准时，在弹簧的相邻圈之间存在平面接触。
文档编号E21B17/00GK101333912SQ20081008707
公开日2008年12月31日 申请日期2008年4月11日 优先权日2007年4月20日
发明者多米尼克·塞比纳, 究斯·德克塞拉 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司