锤钻的制作方法

本申请要求2014年10月17日递交的美国临时专利申请第62/065,532号的权益和优先权，其通过引用并入本文。

发明背景

本发明涉及井下工具(downhole tool)。更具体地但不是作为限制的，本发明涉及井下冲击工具(downhole percussion tool)。

在油气井的钻井中，使用钻头装置(bit means)钻出井筒。为了提高钻探各种类型的地层的钻进速率(rate of penetration)，采用了井下冲击工具，有时称作锤、推进器或冲击器。在某些类型的井筒(例如斜井和水平井)中，钻机可以使用井下泥浆马达。井底组件的复杂性和敏感性影响了钻机使用某些工具(如井下锤)的能力。

发明概述

在一个实施方案中，公开了在井筒内连接到工作串组(workstring)的井下设备。该工作串组连接到钻头构件。该设备包括：可操作地连接到马达装置的动力心轴；可操作地形成在钻头构件上的砧座构件，砧座构件可操作地连接到动力心轴；可操作地连接到工作串组的径向轴承壳体单元，其中径向轴承壳体单元围绕动力心轴布置；可操作地附接到径向轴承壳体单元的弹簧鞍座；围绕弹簧鞍座布置的弹簧衬垫；具有第一端和第二端的弹簧，其中第一端毗连弹簧鞍座；可滑动地附接到弹簧鞍座的锤构件，并且其中锤构件毗连弹簧的第二端。在一个优选实施方案中，锤和砧座在径向轴承壳体单元的下方。工作串组可以是管状的钻柱、或连续管(coiled tubing)或不压井管(snubbing pipe)。砧座构件包含具有倾斜部分和直立部分的径向凸轮表面。锤构件包括具有倾斜部分和直立部分的径向凸轮表面。

在另一个实施方案中，井下设备在井筒内连接到工作串组，其中井下设备连接到钻头构件。该设备包括：心轴，其可操作地连接到马达装置；砧座，其可操作地形成在钻头构件上，其中砧座可操作地连接到心轴；径向轴承壳体单元，其可操作地连接到工作串组，其中径向轴承壳体单元围绕心轴布置；和锤，其可滑动地附接到径向轴承壳体单元。在一个实施方案中，锤和砧座在径向轴承壳体单元下方。砧座包含具有倾斜部分和直立部分的凸轮表面，并且锤包含具有倾斜部分和直立部分的凸轮表面。该设备还可以可选地包括：弹簧鞍座，其可操作地附接到径向轴承壳体单元；和弹簧衬垫，其围绕弹簧鞍座布置，其中弹簧具有第一端和第二端，其中第一端毗连弹簧衬垫。在一个实施方案中，锤使用花键装置可滑动地附接到径向轴承壳体单元，花键装置可操作地定位在弹簧鞍座上。

在一个实施方案中还公开了一种使用工作串组钻出井筒的方法。该方法包括提供在井筒内连接到工作串组的井下设备，该设备连接到钻头构件，该井下设备包括：动力心轴，其可操作地连接到马达装置，从而通过动力心轴将来自马达的扭矩和旋转提供到钻头；砧座构件，其可操作地形成在钻头构件上，该砧座构件可操作地连接到动力心轴；径向轴承壳体单元，其可操作地连接到工作串组，其中径向轴承壳体单元围绕动力心轴布置；弹簧鞍座，其可操作地附接到径向轴承壳体单元；弹簧衬垫，其围绕弹簧鞍座布置；弹簧，其具有第一端和第二端，其中第一端毗连弹簧衬垫；锤构件，其可滑动地附接到弹簧鞍座，并且其中锤构件毗连弹簧的第二端。该方法还包括将工作串组下降到井筒中；将钻头构件与地下界面(例如储集岩)接触；将动力心轴的远端与钻头构件的内表面接合；可滑动地移动砧座构件；以及，将砧座构件的径向凸轮表面与锤构件的互补的径向凸轮表面接合，使得锤构件在砧座构件上施加锤击力(有时称作振荡力)。

在一个公开的实施方案中，当启动马达(泵送流体)时，动力心轴、驱动轴和钻头盒子部件(bit box sub)使钻头旋转。如果锤质量体凸轮表面和砧座凸轮表面接合，则锤击(即冲击)被启动并对钻头盒子部件施加振荡力。因此，钻头将承载来自钻柱的静态钻压(weight on bit)以及冲击锤质量体的所施加的振荡力。如果锤质量体凸轮表面和砧座凸轮表面脱离，则钻头盒子部件仅旋转。

本公开的特征在于弹簧装置是可选的。关于弹簧实施方案，所使用的弹簧的类型可以是螺旋弹簧或贝氏弹簧(Belleville spring)。弹簧实施方案的一方面包括，如果锤质量体凸轮表面和砧座凸轮表面接合并且锤质量体相对于砧座构件轴向地滑动，则弹簧装置将被周期地压缩和释放，从而使锤质量体朝向砧座构件周期地加速，这反过来产生另外的冲击力。弹簧实施方案的特征是，弹簧被调节阻力而不使心轴相对于壳体移动。一个实施方案的另一个特征是，通过支撑轴向轴承和径向轴承界定心轴。一个实施方案的另一个特征是，锤机构可以位于钻头和马达之间或位于轴承部分和马达的下方。

根据本公开的教导，还有的另一个特征包括，当钻井液通过马达被泵送并且两个凸轮表面接合时，马达装置转动和锤击(即振荡力)。另一个特征是，当钻井液通过马达被泵送并且两个凸轮表面脱离时，马达仅转动。当没有钻井液被泵送时，马达不转动也不锤击。

附图简述

图1是井下设备的第一实施方案的局部剖视图。

图2是处于接合模式的第一实施方案的井下设备的下壳体的局部剖视图。

图3是处于脱离模式的第一实施方案的井下设备的下壳体的局部剖视图。

图4是作为井底组件的一部分的第一实施方案的井下设备的局部剖视图。

图5是处于接合模式的第二实施方案的井下设备的下壳体的局部剖视图。

图6是处于脱离模式的第二实施方案的井下设备的下壳体的局部剖视图。

图7A是砧座径向凸轮构件的一个实施方案的透视图。

图7B是图7A中所见的砧座径向凸轮构件的俯视图。

图8是锤径向凸轮构件的一个实施方案的透视图。

图9是本发明的井下设备在井筒中的示意图。

图10A是在钻井操作期间静态钻压(WOB)对时间的曲线图。

图10B是使用冲击单元的动态WOB的曲线图。

图10C是使用冲击单元的动态钻压的曲线图，其中冲击力相对于静态载荷叠加。

图11是井下设备的下壳体的可选的实施方案的局部剖视图。

图12是井下设备的下壳体的另一个可选的实施方案的局部剖视图。

图13是井下设备的下壳体的另外的可选的实施方案的局部剖视图。

图14是图13中所示的锤质量体和砧座的示意图。

优选实施方案的详细描述

现在参考图1，现在将讨论第一实施方案的井下设备2的局部剖视图。第一实施方案的设备2包括大致在4处所见的动力心轴，该动力心轴可操作地附接到井下泥浆马达(未示出)的输出。设备2还包括大致在6处所见的径向轴承壳体单元。径向轴承壳体单元6将可操作地附接到工作串组(workstring)，例如钻杆或连续管，如稍后将在本公开中描述的。更具体地，图1示出了动力心轴4(如本领域普通技术人员很好理解的，该动力心轴4连接到马达部分的输出)。心轴4可以被称为动力心轴或柔性轴。图1中还示出了上轴承壳体10a，其包括上径向轴承12a、下径向轴承14a、球16a和止推座圈18a。下壳体大致在图1中的20a处所见，并将被进一步详细地描述。

如图1中所见，示出了第一实施方案的井下设备2的下壳体20a的局部剖视图。图1示出了锤质量体22a(有时称作锤构件或锤)，其(例如，通过花键装置经由弹簧鞍座40a)附接到径向轴承壳体单元6。锤质量体22a将具有径向凸轮表面24a。锤质量体22a将与砧座26a接合，其中砧座26a具有包含径向凸轮表面28a的第一端，其中在优选的实施方案中，径向凸轮表面28a和径向凸轮表面24a互补且配合，如下文更全面陈述的。图1还示出了动力心轴4，其通过螺纹连接件或类似的装置固定地连接到驱动轴30a。键32a(也称作花键)允许动力心轴4和驱动轴30a与钻头盒子部件34a旋转地接合，同时还允许钻头盒子部件34相对于驱动轴30a的横向移动。砧座26a固定地连接到钻头盒子部件34a。

图1还示出了用于偏压锤质量体22a的弹簧装置36。弹簧装置36用于瞬时作用。更具体地，图1示出了弹簧鞍座40a，该弹簧鞍座40a是轴承壳体6的延伸部，即弹簧鞍座40a(例如通过螺纹)附接到轴承壳体6。弹簧鞍座40a围绕驱动轴30a布置。围绕弹簧鞍座40a布置的是衬垫子部件42a，其中衬垫子部件42a可以根据装载弹簧装置36所需的力的量以可变的长度制成。如所示的，弹簧装置36是螺旋弹簧构件。弹簧装置36还可以是贝氏垫片弹簧(Belleville washer spring)。弹簧装置36的一端毗连锤质量体22a并紧靠锤质量体22a作用，继而促使锤质量体22a与砧座26a接合。

在图2中，示出了处于接合模式的第一实施方案的井下设备2的下壳体20a的局部剖视图。应注意，在各个附图中出现的相同的数字指代相同的部件。凸轮表面24a与凸轮表面28a毗连并且是面对面的。注意，驱动轴30a的端部37a与钻头盒子部件34a的成角度的内表面38a的接合位置确保了WOB从钻柱到钻头盒子部件34a和钻头(此处未示出)的轴向传递。在图3中，现在将描述处于脱离模式的第一实施方案的井下设备2的下壳体20a的局部剖视图。在该模式下，如本领域普通技术人员很好理解的，设备2可以例如下钻(run into the hole)或起钻(pull out of the hole)。因此，锤22a的径向凸轮表面24a不再接合砧座26a的径向凸轮表面28a。注意驱动轴30a的端部37a相对于钻头盒子部件34a的成角度的内表面38a的位置。如前所述，钻头构件(在该视图中未示出)通过普通的装置(例如通过螺纹装置)连接到钻头盒子部件34a。

现在参考图4，现在将讨论作为井底组件的一部分的第一实施方案的井下设备2的示意图。第一实施方案的设备2包括大致在4处所见的动力心轴，该动力心轴可操作地附接到井下泥浆马达“MM”的输出。设备2还包括大致在6处所见的径向轴承壳体单元。径向轴承壳体单元6将可操作地附接到工作串组100，例如钻杆或连续管。图4中还示出了上轴承壳体10a，该上轴承壳体10a包括上径向轴承12a、下径向轴承14a、球16a和止推座圈18a。下壳体大致在20a处可见。如在图4中所示，钻头102附接到设备2，其中钻头102将钻出井筒，如本领域普通技术人员所容易理解的。

图5和图6示出了没有弹簧装置的设备2的实施方案。现在参考图5，示出了处于接合模式的第二实施方案的井下设备2的下壳体20b的局部剖视图。图5示出了锤质量体22b(有时称作锤构件或锤)，其(例如，通过花键装置)附接到弹簧鞍座和径向轴承壳体单元(此处未示出)。锤质量体22b将具有径向凸轮表面24b。锤质量体22b将与砧座26b接合，其中砧座26b具有包含径向凸轮表面28b的第一端，其中在优选的实施方案中，径向凸轮表面28b和锤质量体22b的径向凸轮表面24b互补且配合，如下文更全面陈述的。图5还示出了驱动轴30b(其中驱动轴30b连接到动力心轴，此处未示出)。键32b(也称作花键)允许驱动轴30b与钻头盒子部件34b的旋转接合，同时还允许钻头盒子部件34b相对于驱动轴30b的横向移动。砧座26b固定地连接到钻头盒子部件34b。

在图6中，现在将描述处于脱离模式的第二实施方案的井下设备2的下壳体20b的局部剖视图。在该模式下，如本领域普通技术人员很好理解的，设备2可以例如下钻或起钻。因此，锤质量体22b的径向凸轮表面24b不再接合砧座26b的径向凸轮表面28b。注意驱动轴30b的端部37b相对于钻头盒子部件34b的成角度的内表面38b的位置。如前面所提到的，钻头构件(例如通过螺纹装置)连接到钻头盒子部件34b。

现在参考图7A，其是砧座径向凸轮构件的一个实施方案的透视图。更具体地，图7A示出了具有径向凸轮表面28a的砧座26a，其中径向凸轮表面28a包括倾斜部分50、水平(平坦)部分51和直立部分52。倾斜部分50可以称作斜坡，其通往图7A中所见的垂直直立部分52。图7B是图7A中所见的砧座径向凸轮构件的俯视图。在一个实施方案中，可以在径向凸轮表面26a上设置多个斜坡(例如延伸至直立部分52的倾斜部分50、水平部分51)。

在图8中，示出了锤径向凸轮构件的一个实施方案的透视图。更具体地，图8示出了具有径向凸轮表面24a的锤质量体22a。如前所述，径向凸轮表面24a也具有倾斜部分54、水平(平坦)部分55和直立部分56，该倾斜部分54、水平(平坦)部分55和直立部分56与砧座径向凸轮表面28a的倾斜部分和直立部分互补并配合。注意，图7A、图7B和图8中所示的凸轮装置与图5和图6中所图示的设备2的第二实施方案的凸轮装置将是相同的。

在图9中示出了井筒自其延伸的钻机104的示意图。井下设备2大致上示出为附接到工作串组100，该工作串组100可以是钻柱、连续管、不压井管或其他的管状物。钻头构件102已经钻取了井筒106，如本领域普通技术人员很好理解的。根据本公开的教导，井下设备2可以用于通过使用锤22a/22b对砧座26a/26b的冲击力的冲击效应来，提高钻井的钻进速率，如前所述。在一个实施方案中，通过钻头构件102与储层界面(例如在地下井筒中发现的储集岩108)或其他界面(例如桥塞(bridge plugs))进行接触，启动井下锤。在一个实施方案中，钻机可以同时钻井和锤击。根据本发明的教导，在弹簧(第一)实施方案中，当锤质量体撞击砧座构件时，锤质量体将通过压缩的弹簧的弹簧力加速，从而产生冲击力。

现在参考图10A、图10B和图10C，现在将讨论在钻井操作期间钻压(WOB)对时间的曲线图。更具体地，根据本公开的教导，图10A是静态钻压对时间；图10B是使用锤和砧座构件(即冲击单元)的动态钻压对时间；和图10C表示总钻压，其中冲击力相对于静态负载在图像上叠加(即，求和)。如前所述，冲击单元由砧座、锤、凸轮轴布置和弹簧组成。在图10B和图10C中所示的波形W表示冲击单元在使用期间的振荡的冲击力。注意，在图10C中，W1表示当锤质量体冲击砧座时的力，并且W2表示当锤质量体不冲击砧座时的力。必须注意，波形的大小和形状可以根据弹簧、砧座、锤质量体和衬垫子部件的材料和设计而有所不同。

本公开的一个方面是，钻柱的静态重压传递到钻头，该静态重压不同于由锤构件和砧座构件产生的冲击力(动态钻压)。静态钻压不通过包括凸轮表面(即凸轮轴布置)在内的锤构件和砧座构件传递。冲击力通过锤和砧座但不通过凸轮轴布置传递到钻头。如果凸轮轴布置独立于钻压的量接合，则冲击单元将产生冲击力。本公开的一个实施方案的另一个方面是，马达的动力部分同时旋转地驱动钻头并且轴向地驱动锤构件。在设备的壳体和内部驱动机构(包括动力心轴和驱动轴)之间不发生相对轴向移动，该内部驱动机构驱动钻头和冲击单元。

一个实施方案的另一个方面是，砧座尽可能地靠近钻头定位；钻头盒和/或钻头可以用作砧座。一个实施方案的还有的另一个方面是，当钻头没有遇到阻力时，两个凸轮之间不经历相互作用，且因此没有冲击运动。

图11图示了下壳体20c的可选的实施方案，其中弹簧鞍座40c围绕驱动轴30c布置。弹簧装置36c围绕弹簧鞍座40c布置。弹簧装置36c的一端毗连锤质量体22c并紧靠锤质量体22c作用，而弹簧装置36c的另一端毗连衬垫子部件42c并紧靠衬垫子部件42c作用。砧座子部件150也围绕驱动轴30c布置。砧座子部件150固定地连接到钻头盒子部件34c。键151可以旋转地将钻头盒子部件34c锁定到驱动轴30c，同时允许钻头盒子部件34c和砧座子部件150相对于驱动轴30c的轴向移动。滚动元件152可以布置在砧座子部件150的内部的局部空腔154中。该设备可以包括任意数量的滚动元件152。但是，滚动元件的数量不应超过径向凸轮表面24c上的高点或斜坡部分的数量。在一个实施方案中，滚动元件152的数量可以等于径向凸轮表面24c(下文更详细地描述)上的高点的数量或斜坡部分的数量。滚动元件152可以沿着砧座子部件150和径向凸轮表面24c的圆周均等地间隔开。在另一个实施方案中，局部空腔154可以在砧座子部件150的内壁中。砧座子部件150可以包括三个局部空腔154，其每个定尺寸成保持滚动元件152。砧座子部件150可以包括任意数量的局部空腔154用于容纳滚动元件152。局部空腔154容纳滚动元件152，同时允许滚动元件152在空腔内旋转。滚动元件152可以是球形构件、细长的球形构件、圆柱形构件、其他凸构件或凹构件。在一个实施方案中，球形元件是不锈钢球轴承或陶瓷球。耐磨环156可以邻近局部空腔154和滚动元件152布置在砧座子部件150内。当砧座子部件150随着驱动轴30c的旋转而旋转时，滚动元件152沿着锤质量体22c的径向凸轮表面24c滚动，从而产生锤质量体22c相对于砧座子部件150的轴向位移，直到滚动元件152滚动到径向凸轮表面24的直立部分，由于弹簧36c将锤质量体22c朝向砧座子部件150推压而产生轴向冲击。

图12图示了下壳体20c的另一个可选的实施方案，下壳体20c包括砧座子部件160。砧座子部件160可以固定地连接到钻头盒子部件34c，该钻头盒子部件34c旋转地锁定到驱动轴30c。滚动元件152可以布置在砧座子部件160的内壁中的局部空腔162中。砧座子部件160可以包括任意数量的局部空腔162用于容纳滚动元件152。例如，砧座子部件160可以包括三个局部空腔162。砧座子部件160可以包括止推座圈164，该止推座圈164邻近局部空腔162和滚动元件152。多个推力轴承166布置在止推座圈164和砧座子部件160的径向肩部168之间。径向肩部168可以包括凹槽，该凹槽配置为保持推力轴承166，例如球轴承。当滚动元件152沿着径向凸轮表面24c的圆周滚动时，推力轴承166和止推座圈164相对于砧座子部件160旋转。推力轴承166和止推座圈164有助于确保滚动元件152在锤质量体22c的径向凸轮表面24c上滚动(而不是滑动)。

图13图示了下壳体20c的另外的实施方案，下壳体20c包括砧座子部件170。砧座子部件170可以固定地连接到钻头盒子部件34c，该钻头盒子部件34c旋转地锁定到驱动轴30c。砧座子部件170可以在其内壁中包括一个或更多个局部空腔172。内部壳体176布置在砧座子部件170内。内部壳体176可以包括横向凹槽，该横向凹槽定尺寸为与砧座子部件170的局部空腔172一起保持滚动元件152。以这种方式，砧座子部件170和内部壳体176可以牢固地保持滚动元件152。连接元件200将砧座子部件170锁定到内部壳体176。连接元件200可以包括固定螺钉、销、花键或键。可选地，代替砧座子部件170中的局部空腔172和内部壳体176，可以单独的罩构件放置在砧座子部件170内以保持滚动元件152。砧座子部件170还可以包括止推座圈178和布置在止推座圈178和砧座子部件170的径向肩部之间的多个推力轴承180。图13示出了锤质量体22c上的锤表面182和砧座子部件170上的砧座表面184。锤质量体22c也可以包括花键186，该花键186与弹簧鞍座40c上的花键配合以允许锤质量体22c轴向地移动同时防止锤质量体22c相对于弹簧鞍座40c旋转。当砧座子部件150随着驱动轴30c的旋转而旋转时，滚动元件152沿着锤质量体22c的径向凸轮表面24c滚动，从而产生锤质量体22c相对于砧座子部件150的轴向位移，直到滚动元件152滚动到径向凸轮表面24的直立部分，以通过锤表面182冲击砧座表面184产生轴向冲击。这种布置通过减少与滚动元件152和径向凸轮表面24c上的冲击力相关联的磨损来增加设备的寿命。该设备可以包括用于使锤质量体22c对砧座子部件170的冲击无效的机构，例如通过将弹簧36c从锤质量体22c脱离、通过将锤质量体22c的花键186脱离、或通过将锤质量体22c锁定到砧座子部件170。

图14是在图13中所示的锤质量体22c和砧座子部件170的各个部件之间的相互作用的示意图。锤质量体22c的径向凸轮表面24c可以包括从低点189通向高点190的斜坡部分188，高点190邻近直立部分192。这种轮廓图案可以沿着径向凸轮表面24c的圆周重复。当砧座子部件170随着驱动轴30c的旋转而旋转时，滚动元件152以方向210沿着锤质量体的径向凸轮表面24c滚动。具体地，滚动元件152可以沿着鞋面188滚动到高点190。该相互作用使锤质量体22c的锤表面182远离砧座子部件170的砧座表面184轴向地移位。当滚动元件152滚动通过高点190时，滚动元件152可以与径向凸轮表面24c脱离，并且由于弹簧36c的力，锤质量体22c可以被迫使轴向地压向砧座子部件170。锤表面182冲击砧座表面184，以为钻井钻头提供冲击力。图14示出了在锤表面182和砧座表面184之间冲击时的这些部件的构造。在冲击时，由于在滚动元件152的直径D2和(在止推座圈178和径向凸轮表面24c的低点189之间的)距离D3之间的轴向间隙D1，滚动元件152可以不与径向凸轮表面24c接触。轴向间隙D1还可以减少滚动元件152和径向凸轮表面24c上的磨损。图14还示出了总的行程长度，即，锤质量体22c在连续的冲击之间的轴向位移的长度。在可选的实施方案中，滚动元件容纳在锤质量体内，并且砧座子部件包括径向凸轮表面。

对于本领域技术人员将明显的是，可以对所图示的实施方案进行修改而不脱离本发明的精神和范围。就以上描述和附图公开了不在以下权利要求的范围内的任何主题而论，这些发明不意在奉献给公众，并且保留提交一个或多个申请以要求保护这种另外的发明的权利。