用于井下工具的减振器的制作方法

本申请要求2014年4月30日提交的美国临时专利申请No.61/986,871的优先权，出于所有目的，该美国临时专利申请的全部内容在此通过引用的方式并入。

技术领域

本公开涉及与地层中的旋转凿钻相关的井下工具领域，尤其涉及减小由于机械冲击和振动而造成的损伤和磨损。

背景技术：

在地层中旋转凿钻用于形成井孔，从而获得地层中的物质，例如碳氢化合物。旋转凿钻涉及布置在从地表延伸的钻柱的凿钻端上的钻头。钻柱由一系列管状物构成，所述管状物被构造成允许流体在地表和地层之间流动。在钻头上方并靠近钻头的可以是用于随钻测量(measurement-while-drilling)的地层工具和/或井孔测量工具。多种工具可以组合在一起作为底孔组件(bottom hole assembly)。

在钻头旋转期间，底孔组件中的井下工具可能受到振动和机械冲击，该振动和机械冲击能够损坏测量工具、沿着钻柱的通信、或者井下工具及其它井下部件之间的连接。所述工具中的电子和机械装置可能对机械冲击和振动特别敏感。对井下工具的电子器件的损害可能降低工具的可靠性及寿命。由于在凿钻可以恢复之前的凿钻操作的停滞和工具的修理，所述工具的故障可能导致昂贵的停机时间。为了减小损害并因此减小由于机械冲击和振动而造成的故障，可以通过一个或多个冲击吸收装置(通常称为减振器)将所述工具与机械冲击隔离。

减振器通常是被构造成减小由于机械冲击和振动引起的应力所造成的工具损伤和磨损的部件。常规的减振器通过减振器材料的可压缩性来减小从钻头的方向沿着钻柱的纵向轴线传递的机械冲击。常规的减振器可以是弹簧或弹性体环，该弹簧或弹性体环在其被暴露于机械冲击时纵向压缩。该减振器的冲击吸收能力通常取决于减振材料的厚度和类型。因此，减振器通常布置在井下工具的最有可能产生机械冲击的一侧。

对于减小对井下工具的机械冲击的耐久的减振器，存在着需求。对于提供保护免于径向和/或旋转方向及纵向方向上的冲击的减振器，存在着需求。对于沿井下工具的不同自由度提供不同程度的保护的减振器，也存在着需求。

技术实现要素：

在多个方面，本公开涉及与地层中的旋转凿钻相关的井下工具。具体地，本公开涉及减小由于机械冲击和振动而造成的损伤和磨损。

一个实施例包括一种用于减小井下工具中的机械冲击和振动的设备，该井下工具被构造成布置在井孔中，所述设备包括：截锥形套筒，所述截锥形套筒被构造成布置在井下工具和另一井下部件之间，其中，该井下工具和井下部件被构造成彼此配接，并且其中，截锥形套筒包括机械冲击吸收材料。该井下部件和井下工具中的一个可以具有截锥形配接插头，所述截锥形配接插头具有被构造成接收截锥形套筒的外表面，并且该井下部件和井下工具中的另一个可以具有插座，所述插座被构造成接收配接插头。所述表面可以是基本光滑的或具有径向波纹。该井下部件可以包括以下项中的一个：另一井下工具和扶正器(centralizer)。

所述机械冲击吸收材料可以包括弹性体材料。弹性体材料可以具有约10A至约60A之间的硬度值。在一些方面，弹性体材料具有约20A和约40A之间的硬度值。在一些方面，弹性体材料具有高于260℃的变形点。在一些方面，弹性体材料在约-50℃到约175℃的温度范围内保持其硬度值。弹性体材料可以包括硅。

机械冲击吸收材料可以包括波状金属。该金属可以具有相对于截锥形套筒的轴线的径向波纹或纵向波纹。截锥形配接插头可以由与波状金属相同的金属制成。机械冲击吸收材料被选择为在约-50℃到约175℃的温度范围内保持其特性。

截锥形套筒可以是圆锥或角锥形状的。截锥形套筒可以具有在约5度到约80度的范围内的内角。在一些方面，截锥形套筒可以具有在约5度到约35度的范围内的内角。在一些方面，截锥形套筒可以具有在约8度到约28度的范围内的内角。

根据本公开的另一实施例的是一种用于在井孔中操作的设备，该设备包括：井下工具，所述井下工具被构造成执行电子操作；井下部件，所述井下部件被构造成与井下工具互连；和截锥形套筒，所述截锥形套筒布置在井下工具和井下部件之间的互连件处，并包括机械冲击吸收材料。井下部件和井下工具中的一个可以具有截锥形配接插头，所述截锥形配接插头具有被构造成接收截锥形套筒的外表面，并且该井下部件和井下工具中的另一个可以具有配接插座，所述配接插座被构造成接收配接插头。该配接插头的外表面可以具有径向波纹或是基本光滑的。配接插座的内表面可以具有径向波纹或是基本光滑的。该井下部件可以包括下述中的一个：另一井下工具和扶正器。

机械冲击吸收材料可以包括弹性体材料或波状金属。弹性体材料可以具有约10A至约60A之间的硬度值。在一些方面，弹性体材料具有约20A至约40A之间的硬度值。在一些方面，弹性体材料具有高于260℃的变形点。在一些方面，弹性体材料在约-50℃到约175℃的温度范围内保持其硬度值。弹性体材料可以包括硅。

机械冲击吸收材料可以包括波状金属，该金属可以具有相对于截锥形套筒的轴线的径向波纹或纵向波纹。截锥形配接插头可以由与波状金属相同的金属制成。机械冲击吸收材料被选择为在约-50℃到约175℃的温度范围内保持其特性。

截锥形套筒可以是圆锥或角锥形状的。截锥形套筒可以具有在约5度到约80度的范围内的内角。在一些方面，截锥形套筒可以具有在约5度到约35度的范围内的内角。在一些方面，截锥形套筒可以具有在约8度到约28度的范围内的内角。

截锥形配接插头可以是中空的并具有第一开口和第二开口，截锥形配接插头还包括：预加载保持器，所述预加载保持器被构造成部分插入到截锥形配接插头的两个开口中的较小开口内，所述预加载保持器包括：凸台，所述凸台的尺寸被设定为大于较小开口的内径；和管，所述管具有比所述较小开口的内径小的外径。所述截锥形配接插头和配接插座可以构造成滑动地接合，以形成互连件。

已相当宽泛地总结了本公开的更重要特征的示例，以便可以更好地理解下文的其详细描述。当然，本公开的其他特征将在下文中被描述并且其将形成所附权利要求的主题。

附图说明

利用下面对附图中的各种公开的实施例的详细描述，能够获得本公开的更好理解，该详细描述仅作为示例给出，因此不限制本发明，其中：

图1是根据本公开的一个实施例的包括井下工具的、具有被构造成在井孔中使用的底孔组件的凿钻系统的视图；

图2A是根据本公开的一个实施例的与井下部件配接的井下工具的3D视图。

图2B是沿着图2A的工具的长度的截面视图；

图2C是根据本公开的一个实施例的配接插头上的减振器的3D视图；

图2D是根据本公开的一个实施例的、像中空截头圆锥体一样的弹性体减振器的3D视图；

图3A是根据本公开的一个实施例的、像具有径向波纹的中空截头圆锥体一样的金属减振器的3D视图；

图3B是根据本公开的一个实施例的、像具有纵向波纹的中空截头圆锥体一样的减振器的3D视图；

图3C是根据本公开的一个实施例的、像中空截头角锥体一样的减振器的3D视图；

图4A是图2C的无减振器的配接插头的3D视图；

图4B是根据本公开的一个实施例的具有径向波纹的配接插头的3D视图；

图5A是图2B的配接插座的3D视图；

图5B是根据本公开的一个实施例的具有径向波纹的配接插座的3D视图；

图6A是根据本公开的一个实施例的、沿着布置在波纹状配接插头和基本光滑的配接插座之间的弹性体减振器的长度的截面视图；

图6B是根据本公开的一个实施例的、沿着布置在基本光滑的配接插头和波纹状配接插座之间的图2D的弹性体减振器的长度的3D截面视图；

图6C是根据本公开的一个实施例的、沿着布置在具有互锁波纹的波纹状配接插头和波纹状配接插座之间的弹性体减振器的长度的2D截面视图；

图6D是根据本公开的一个实施例的、沿着布置在具有对置波纹的波纹状配接插头和波纹状配接插座之间的弹性体减振器的长度的2D截面视图；

图7是根据本公开的一个实施例的、用于与配接插头一起使用的预加载保持器的3D视图；

图8是沿着配接插头和配接插座之间的连接部的长度的、具有图2B的预加载保持器的2D截面视图；

图9是根据本公开的一个实施例的、垂直于井下工具的轴线并穿过预加载保持器的3D横截面视图；

图10是垂直于图9的井下工具的轴线并移除了配接插座的3D横截面视图；

图11是根据本公开的一个实施例的、沿着布置在配接插头和配接插座之间的金属减振器的长度的3D截面视图；

图12A是根据本公开的一个实施例的、用于具有对置的减振器并移除了底架的盖板的井下工具的互连件的3D视图。

图12B是井下工具的底架被闭合的情况下的、图12A的互连件的3D视图；并且

图13是根据本公开的一个实施例的、被构造用于井下工具的减振器组件的3D视图。

具体实施方式

在各个方面，本公开涉及井下凿钻操作。具体地，本公开涉及保护井下工具的可能对机械冲击和振动敏感的部件，该机械冲击和振动发生在凿钻操作期间并可能减少井下工具的操作寿命。本发明适合于不同形式的实施例。在附图中示出并将在本文中详细描述的具体的实施例应理解成：本发明被认为是原理的示例，并非旨在将本发明限制到本文所图示和描述的内容。

图1示出了凿钻系统100的视图，该凿钻系统100包括布置在地面120上以及在地层140中的井孔130上方的钻机100。钻柱150布置在井孔130中，该钻柱150具有在井孔130的底部处的钻头160。包括一个或多个井下工具180的底孔组件170位于钻头160上方。井下工具180可以构造成用于凿钻期间的测量、通信或其它操作。

图2A和2B示出了连接到另一井下部件210以形成互连部件的套件200的一个井下工具180的视图，该套件200包括在井下部件210和井下工具180之间的减振器230。图2A示出了套件200具有与井下部件210和井下工具180共用的轴线201。井下部件210可以是另一井下工具、扶正器或互连短节(interconnection sub)。预加载保持器220布置在井下工具180上，以将压力施加到井下部件210中的弹簧。在一些实施例中，预加载保持器220是可选的。

井下工具180和井下部件210彼此配接以形成互连件。减振器230被示出为布置在配接插头240和配接插座250之间。而图2B示出了套件200的截面图，以便能够看到井下部件210上的配接插头240和井下工具180上的配接插座250。图2B中的配接连接仅是说明性和示例性的，并且，在一些实施例中，配接插头240可以布置在井下工具180上，而配接插头250可以布置在井下部件210上。

图2C示出了布置在井下部件210上的减振器230的视图。减振器230包括吸收机械冲击和振动的材料。减振器230是大致截锥形的套筒，这意味着其具有圆锥或角锥的形状，它是中空的并且被基本平行于形成该圆锥或角锥底座的平面截断。该套筒的厚度可以基于井下工具180的期望的机械冲击减震和设计要求而变化。减振器230被构造成由另一截锥形部件接收，例如井下部件210或井下工具180的截锥形部分。

减振器230被构造成在钻孔环境中运行，所述钻孔环境包括进行碳氢化合物钻采的环境。正如本领域技术人员所理解的，减振器230由适合于井下操作条件的材料制成。

减振器230可以是弹性体材料。该弹性体材料可以具有约10A至60A之间的邵氏硬度值。在一些实施例中，弹性体材料可以具有约20A至40A之间的邵氏硬度值。弹性体材料可以在约-50℃和约175℃之间的温度范围内将邵氏硬度值保持在其设计范围内。在一些实施例中，该弹性体材料是硅。

图2D示出了具有光滑表面的如截头圆锥体一样的减振器230的视图。减振器230还可以形成为截头角锥体。与任何截锥体一样，减振器230具有内角，所述内角被定义为从顶点(如果该截锥体是完整的圆锥或角锥)到减振器230的角度，减振器230可以具有在约5度到约80度的范围内的内角。在一些实施例中，减振器可以具有在约5度到约35度的范围内的内角。此外，在一些实施例中，减振器可以具有在约8度到约28度的范围内的内角。

图3A和3B示出了包含金属的减振器310、320的视图。金属减振器310、320可以具有减振器230的多种属性，包括截锥体形状、内角和机械冲击吸收特性。金属减振器310、320可以是波纹状的。在本文中，“波纹状”用于描述任何具有两个或更多个不均匀的、交替的凸脊或凹槽的表面，不论是否锋利(如锯齿状)或光滑(如涟漪状)。金属减振器310、310被构造成由井下工具180或井下部件210的截锥形部分的大致光滑的表面收容。可以选择该金属，使得波纹形状在约-50℃到约175℃的温度范围内保持适于(保持其特性等)吸收机械冲击。在图3A中，减振器310被示出为具有关于轴线201的径向波纹。在图3B中，减振器320被示出为具有关于轴线201的纵向波纹。金属减振器310、320可以具有与弹性体减振器230相同的截锥体形状，虽然金属减振器310、320具有波状表面。

图3C示出了具有中空截头角锥体形状的减振器330的视图。减振器330可以是金属的或弹性体的。虽然示出了10个侧面，但这并非限制，而且减振器300可以具有四个或更多个侧面。减振器330可以构造成由具有与减振器330相同侧面数的截头角锥体形状的配接插头240收容。这样，减振器330的截头角锥体形状可以将其自身的内部时钟(clocking)提供给配接插头240或配接插座250的截头角锥体形状。在一些实施例中，其侧面将是均匀的。在一些实施例中，减振器330可以具有4至20个侧面。如图所示，减振器330在外侧340和内侧350上具有厚度基本均匀的截头角锥体形状；然而，这仅是说明性和示例性的。在一些实施例中，外侧340和内侧350中的一个可以是截头角锥体形状，而另一个是截头圆锥体形状。因此，当减振器330被构造成由配接插头240和配接插座250两者接收时，配接插头240和配接插座250可以一起使用，其中，配接插头240具有外部，该外部是截头圆锥体形状和截头角锥体形状中的一种，并且配接插座250具有内部，该内部是截头圆锥体形状和截头角锥体形状中的另一种。

图4A示出了被构造成接收减振器230的配接插头240的视图。配接插头240可以包括段410，所述段410具有比减振器230的最大内径大的较大外径，从而防止减振器230朝向具有配接插头240的部件210或工具180的纵向移动。配接插头240还可以包括凸台420，所述凸台420具有比减振器230的较小内径大的外径，从而防止减振器230远离部件210或工具180的纵向移动。配接插头240可以具有光滑的截锥形段430。所述截锥形段430被构造成接收所述段410和凸台420之间的弹性体减振器230。

图4B示出了具有波状截锥形段440的配接插头240的视图，所述波状截锥形段440被构造成接收弹性体减振器230。该段440布置在段410和凸台420之间。

图5A示出了图2B的配接插座250的视图。配接插座250可以具有基本光滑的内表面510。基本光滑的内表面510适于接收配接插头240，该配接插头240具有在配接插头240的表面上的减振器230、310、320。

图5B示出了具有波状表面520的配接插座250的视图。波状表面520适于接收配接插头240，该配接插头240具有在配接插头240的表面上的减振器230。波状表面520被示出为具有径向波状图案；然而，还可以想到的是，配接插座250可以具有纵向波纹。

图6A示出了在配接插头240和配接插座250之间的连接的一个实施例中的减振器230的截面视图。减振器230布置在配接插头240的波状表面440和配接插座250的基本光滑的表面510之间。

当沿着纵向轴线201接收到机械冲击时，冲击力可以被减振器230部分或完全吸收。这种截锥体形状提供了用于吸收冲击的、与常规环形减振器相比更大的表面积，同时还被设定尺寸以符合配接插座250的内部尺寸。通过将冲击分布在更大的表面积上，减振器320比相同材料、厚度以及相对于纵向轴线201的半径的环形减振器提供了更多的冲击吸收。因此，截锥形减振器230提供了类似的冲击减震，同时却更薄，或者，在与常规环形减振器厚度相同时，提供了更多的冲击减震及增加的寿命。当接收到横向冲击时，这种截锥体形状还提供了径向减震，并且当接收到旋转冲击时，这种截锥体形状提供了旋转减震。

图6B示出了在配接插头240和配接插座250之间的连接的另一个实施例中的减振器230的截面视图。这里，减振器230布置在配接插头240的基本光滑的表面430和配接插座250的波状表面520之间。

图6C示出了在配接插头240和配接插座250之间的连接的另一个实施例中的减振器的截面视图。这里，减振器230布置在配接插头240的波状表面440和配接插座250的波状表面520之间。波状表面440的波纹和波状表面520的波纹彼此对准，使得一个波状表面的波峰和波谷与另一个波状表面的波谷和波峰相互对准，以便彼此“互锁”。

图6D示出了在配接插头240和配接插座250之间的连接的另一个实施例中的减振器的截面视图。这里，减振器230布置在配接插头240的波状表面440和配接插座250的波状表面520之间。波状表面440的波纹和波状表面520的波纹彼此对准，使得一个波状表面的波峰和波谷与另一个波状表面的波峰和波谷相互对准，以便彼此匹配或“对置”。

图7示出了预加载保持器220的一个实施例的视图。预加载保持器220可以包括凸台710，该凸台710具有比凸台420的内径大的外径，使得预加载保持器220不能进入配接插头240中。鞍部720布置在凸台710上，从而提供凸台420和凸台710之间的衬垫。鞍部720可以包括弹性体材料，该弹性体材料可以与减振器230的弹性体材料相同或不同。线接入管730可以布置在凸台710的孔口中并构造成允许线在配接插头240和配接插座250之间穿过。线接入管730可以包括可选的狭缝740，以允许接入其内部。线接入管730具有比配接插头240的内径小的外径并构造成部分插入到配接插头240中。线接入管730通过一个或多个十字销相对于凸台710保持到位。

图8示出了线接入管730插入到配接插头240中的预加载保持器220的视图。井下部件210配备有弹簧810和同心多销连接器820。线接入管730被构造成将力施加到弹簧810，使得当预加载保持器220布置在配接插头240上时，弹簧810被压缩。

图9示出了安装到井下部件210的预加载保持器220的横截面视图。在配接插座250连接到配接插头240的情况下，预加载保持器220插入到成对的配接插座250的提升表面910之间。当井下部件210和井下工具180暴露于扭转力时，该提升表面910防止预加载保持器220的旋转移动。这里，可以看到十字销750和线接入管730的交叉。鞍部720可以提供机械冲击的旋转和横向减震。

图10示出了图9的横截面视图，其中，为了观察而露出了配接插头240。在一些实施例中，预加载保持器220可以形成为配接插头240的一部分，而不是被十字销250插入并固定。由于配接插座250不能在预加载保持器220就位的同时通过滑动接合与配接插头240配接，所以，配接插座250可以由能够围绕配接插头240重新形成的两件或更多件形成，以便形成连接。减振器230的截锥体形状提供了旋转冲击减震和横向冲击减震，这增加了由鞍部720提供的减震。事实上，除了用于减震旋转冲击的鞍部720之外，减振器230的整个表面有助于减震作用。

图11示出了金属减振器310布置在配接插头240和配接插座250之间的实施例。金属减振器310具有径向波纹，并且配接插头240的外表面和配接插座250的内表面是基本光滑的。

图12A和12B示出了井下部件1210和井下工具底架1250之间的互连件1200。井下部件1210被示出为具有配接插头1240，该配接插头1240构造成由井下工具底架1250中的腔1220收容。减振器1230、1260布置在配接插头1240上，该配接插头1240包括被构造成接收减振器1230、1260的两个截锥形段(未示出)。腔1220可以被设定尺寸，使得当盖1270被移除时，配接插头1240可以在横向方向上被收容到底架1250中，但不可以通过轴向方向上的移动而被收容或脱离。减振器1230、1260具有截锥形套筒的形状，例如减振器230、310、320、330。减振器1230可以相对于减振器1260具有相同或不同的尺寸。减振器1230、1260基本与配接插头1240的形状一致并布置成使得该中空截锥体的较小直径开口是相邻的。同时，示出了具有配接插头1240的井下部件1210和具有腔1220的井下工具底架1250，这仅是说明性和示例性的。在一些实施例中，井下工具底架1250可以具有配接插头1240，并且井下部件1210可以具有腔1220。

图13示出了用于与井下工具210一起使用的减振器组件1300。盖板1310被构造成由井下工具210接收。盖板1310包括被构造成接收减振器1230的截锥形底座(未示出)。通过底座的提升部1320、1330来确保减振器1230免于轴向移动，所述提升部1320、1330在减振器1230的轴向方向201的任一侧上。组件1300包括：安装脚1350，该安装脚1350被构造用于附接到另一井下部件；和轴1340，冲击和振荡可以通过该轴1340传递到减振器1230而被吸收。组件1300还包括可选的减振器层1360，该可选的减振器层1360可以增加由减振器1230提供的轴向冲击保护。可选的减振器层1360还可以由可选的支撑板1370支撑，该可选的支撑板1370布置成使得其平面垂直于轴向方向201。在一些实施例中，可以存在多个替代的可选的减振器层1360和可选的支撑板1370。

虽然已详细描述了本公开的实施例，但根据上面所述的优选实施例，其并非旨在限制到例如对本领域技术人员而言很明显的变型。

本公开的前述公开和说明是说明性和解释性的，并且，在不偏离本公开的精神的情况下，可以对所图示的设备和系统的细节及操作的构造和方法进行各种修改。