用于在钻孔时抵抗旋转力的装置的制作方法

本申请是要求于2015年11月3日提交的第62/250,368号美国临时申请的优先权的非临时申请。

技术领域

本公开涉及井下钻具，具体涉及井下钻具的非旋转部分以及用于井下钻具的非旋转部分的稳定器。

背景技术：

当钻定向井孔时，使用各种技术来操纵钻柱。在许多此类技术中，井底组件(bottomhole assembly，BHA)可包括围绕旋转钻轴的、基本上不旋转的子组件(以下称为“非旋转子组件”)。非旋转子组件通常通过一个或多个轴承联接至旋转钻轴，并且使用周围钻井孔来保持其定向。然而，由于由旋转钻轴施加在非旋转子组件上的扭转力，非旋转子组件可能出现一些不期望的旋转。

技术实现要素：

本公开提供一种可定位在井孔中的抗旋转稳定器。该抗旋转稳定器可包括其中形成有凹部的稳定器本体。抗旋转稳定器还可包括至少部分地定位在凹部内的抗旋转垫。抗旋转稳定器还可包括联接在稳定器主体和抗旋转垫之间的扭力杆。扭力杆可偏离抗旋转垫的中心联接至抗旋转垫，并且可处于扭转负载下。

本公开还提供了一种可定位在井孔中的抗旋转稳定器。该抗旋转稳定器可包括其中形成有凹部的稳定器本体。抗旋转稳定器还可包括抗旋转辊，抗旋转辊联接至稳定器主体，并且至少部分地定位在凹部内。抗旋转辊可向外偏置成与井孔接触。

本公开还提供了一种方法。该方法可包括设置抗旋转稳定器。抗旋转稳定器可包括其中形成有凹部的稳定器主体。抗旋转稳定器可包括至少部分地定位在凹部内的抗旋转垫。抗旋转稳定器可包括联接在稳定器主体与抗旋转垫之间的扭力杆。扭力杆可偏离抗旋转垫的中心联接至抗旋转垫，并且可处于扭转负载下。该方法还可包括将抗旋转稳定器定位在钻井孔的无套管部分中，在来自扭力杆的扭力作用下使抗旋转垫从稳定器主体延伸；使抗旋转垫与井孔接合；以及防止抗旋转稳定器相对于钻井孔旋转。

本公开还提供了一种方法。该方法可包括设置抗旋转稳定器。抗旋转稳定器可包括其中形成有凹部的稳定器主体。抗旋转稳定器还可包括抗旋转辊，抗旋转辊联接至稳定器主体，并且至少部分地定位在凹部内。抗旋转辊可向外偏置成与井孔接触。该方法还可包括将抗旋转稳定器定位在井孔的无套管部分中，在来自扭力杆的扭力作用下，使抗旋转垫从稳定器主体延伸；使抗旋转垫与井孔接合；以及防止抗旋转稳定器相对于钻井孔旋转。

附图说明

当与附图一起阅读时，可通过以下详细描述更好地理解本公开。应强调的是，根据本领域的标准实践，各特征均未按比例绘制。实际上，为了讨论清楚起见，可任意增大或减小各特征的尺寸。

图1示出了根据本公开的至少一个实施方式的包括抗旋转稳定器的井下工具的剖视图。

图2示出了根据本公开的至少一个实施方式的抗旋转稳定器的立体图。

图3示出了图2的抗旋转稳定器的分解图。

图4示出了图2的抗旋转稳定器的端视图，其中抗旋转垫处于缩回位置。

图5示出了图2的抗旋转稳定器的端视图，其中抗旋转垫处于延伸位置。

图6示出了图2的抗旋转稳定器的抗旋转垫的立体图。

图7示出了根据本公开的至少一个实施方式的抗旋转稳定器的正视图。

图8示出了图7的抗旋转垫的详细立体图。

图9示出了根据本公开的至少一个实施方式的抗旋转稳定器的正视图。

图10示出了图9的抗旋转稳定器的详细立体图。

图11示出了根据本公开的至少一个实施方式的抗旋转稳定器的正视图。

图12示出了图11的抗旋转稳定器的详细立体图。

图13示出了根据本公开的至少一个实施方式的抗旋转稳定器的立体图。

图14示出了图13的抗旋转稳定器的端视图。

图15示出了图13的抗旋转稳定器的抗旋转垫。

图16示出了根据本公开的至少一个实施方式的抗旋转稳定器的正视图。

图17示出了图16的抗旋转稳定器的详细立体图。

图18示出了根据本公开的至少一个实施方式的抗旋转稳定器的立体图。

图19示出了图18的抗旋转稳定器的抗旋转垫。

图20示出了图18的抗旋转稳定器的端视图，其中抗旋转垫处于缩回位置。

图21示出了图18的抗旋转稳定器的端视图，其中抗旋转垫处于延伸位置。

图22示出了根据本公开的至少一个实施方式的抗旋转稳定器的详细立体图。

图23示出了根据本公开的至少一个实施方式的抗旋转稳定器的立体图。

图24示出了图23的抗旋转稳定器的抗旋转辊组件的剖视图。

图25示出了图24的抗旋转辊组件的剖视图。

图26示出了图23的抗旋转稳定器的替代抗旋转辊组件的剖视图。

图27示出了图26的抗旋转辊组件的剖视图。

图28示出了根据本公开的至少一个实施方式的抗旋转稳定器的端视图。

图29示出了根据本公开的至少一个实施方式的抗旋转稳定器的侧视图。

具体实施方式

应理解的是，以下公开提供了许多不同的实施方式或示例，以用于实现各实施方式的不同特征。下面描述了部件和布置的具体示例，以简化本公开。当然，这些具体示例仅是示例，并不旨在进行限制。另外，本公开可在各示例中重复使用参考标号和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论的各实施方式和/或配置之间的关系。

图1示出了具有抗旋转稳定器101的井底组件(BHA)100。尽管在本文中描述为稳定器，但受益于本公开的内容的本领域普通技术人员应理解的是，如本文中所描述的抗旋转稳定器101可与井下设备一起使用，而并非旨在限于独立稳定器，并且可包括例如非旋转外壳、非旋转稳定器或与井孔接触的任何其它工具。BHA 100可定位在井孔10中。BHA 100可包括联接至钻头箱105的旋转钻轴103，钻头箱105可接纳钻头。钻轴103可通过例如但不限于泥浆马达(未示出)旋转或通过由钻机(未示出)旋转钻柱来旋转。

抗旋转稳定器101可联接至非旋转子组件107。如本领域所理解的，非旋转子组件107可包括用于操纵井孔10的钻探的一个或多个传感器或转向组件。在一些实施方式中，BHA 100可为可旋转转向系统(rotary-steerable system，RSS)的一部分。如本领域所理解的是，非旋转子组件107可相对于钻井孔10缓慢旋转。如本文所述，抗旋转稳定器101可接触钻井孔10，以阻止非旋转子组件107的这种无意旋转。抗旋转稳定器101和非旋转子组件107可通过一个或多个轴承组件联接至钻轴103。

抗旋转稳定器101可包括稳定器主体109和一个或多个抗旋转垫111。抗旋转垫111可从稳定器主体109延伸至与周围井孔10接触。抗旋转垫111可为可延伸的叶片。在一些实施方式中，抗旋转垫111可由金属构成。抗旋转垫111可定位成使得抗旋转稳定器101上的扭力被传递至周围钻井孔10中，从而减少抗旋转稳定器101和非旋转子组件107的旋转。在一些实施方式中，抗旋转稳定器101可在开放孔中使用，即，在钻井孔10的无套管部分中使用。抗旋转垫111可适于接合井孔10的地球表面。如下文所述，抗旋转垫111可从稳定器主体109的外表面延伸至远到足以接合井孔10的地球表面。

在一些实施方式中，抗旋转垫111可铰接地联接至稳定器主体109。在一些实施方式中，抗旋转垫111可通过弹簧从稳定器主体109延伸。

在一些实施方式中，如图2和图3所示，抗旋转垫111可定位在形成于稳定器主体109中的凹部113内。在一些实施方式中，抗旋转垫111可通过扭力杆115联接至稳定器主体109。扭力杆115可在一端固定地联接至稳定器主体，并且在另一端联接至抗旋转垫111。扭力杆115可偏离中心地联接至抗旋转垫111，以使得当如图4和5所示旋转时，抗旋转垫111从凹部113出来。扭力杆115可处于扭转负载下，以使得抗旋转垫111从凹部113延伸到与周围井孔10接触。抗旋转垫111可利用弹簧压力在接触表面处接触钻井孔10，以使得抗旋转垫111响应于遇到井孔10的直径变化而延伸和缩回。

在一些实施方式中，抗旋转垫111可延伸，以使得抗旋转垫111的延伸边缘在如前所述的钻杆103的旋转方向(如图5所示的逆时针)上位于扭力杆115的前面，以使得抗旋转稳定器101上的扭力使抗旋转垫111进一步接合井孔10。在一些实施方式中，抗旋转稳定器101的反向旋转可导致井孔10上的抗旋转垫111的缩回或抗旋转垫111的夹持力减小，从而在钻杆103沿相反方向旋转的情况下允许抗旋转稳定器101进行一些旋转。在一些实施方式中，如图4所示，抗旋转垫111可在凹槽113内缩回，以使得抗旋转垫111在例如但不限于通过井孔10的狭窄部分或通过套管的一部分插入抗旋转稳定器101期间，与稳定器主体109的外表面齐平。

在一些实施方式中，扭力杆115可包括一个或多个扭矩传递特征。在一些实施方式中，如图3所示，扭力杆115可包括一个或多个突出部117，突出部117联接至形成于稳定器主体109上的槽119和形成于抗旋转垫111上的垫槽121，从而允许在稳定器主体109与抗旋转垫111之间传递扭力。在一些实施方式中，扭力杆115的至少一部分可具有允许在稳定器主体109与抗旋转垫111之间传递扭力的几何形状。例如，在一些未示出的实施方式中，扭力杆115可具有矩形或正方形的横截面轮廓，该横截面轮廓与稳定器本体109和抗旋转垫111中的配合表面接合，以提供扭转载荷的传递。在一些实施方式中，抗旋转垫111可插入凹槽113中，以组装抗旋转稳定器101。扭力杆115可通过主体扭转孔123和垫扭转孔125插入，使得突出部117接合槽119、槽121。当扭力杆115插入抗旋转垫111中时，抗旋转垫111可处于完全延伸位置。扭力杆115可通过保持螺钉127或本领域已知的任何其它合适的保持机构保持在主体扭转孔123内。在一些实施方式中，抗旋转垫111可通过盖锁129保持在凹部113内，盖锁129可通过一个或多个螺钉131或本领域已知的任何其它合适的保持机构保持到稳定器主体109。在一些实施方式中，抗旋转垫111可随着安装盖锁129而至少部分地压入凹槽113中，从而使得当处于盖锁129允许的最大延伸位置时，抗扭转垫111处于来自扭转加载的扭力杆115的弹簧张力之下。

在一些实施方式中，抗旋转垫111可由单件材料形成。在一些实施方式中，抗旋转垫111可由诸如钢的金属形成。在一些实施方式中，抗旋转垫111可进行硬化。

在一些实施方式中，如图6所示，抗旋转垫200可包括垫主体201。如前所述的垫扭转孔125和垫槽121可形成于垫主体201中。在一些实施方式中，垫主体201可包括一个或多个特征以减少抗旋转垫200的磨损。例如，在一些实施方式中，垫主体201可包括硬面。在一些实施方式中，该硬面可以是，例如但不限于，碳化钨或可通过焊接或激光熔覆联接至垫主体201上的其它合金。在一些实施方式中，抗旋转垫200可包括一个或多个插入件，该一个或多个插入件位于如前所述的抗旋转垫200与井孔10之间的交叉处的垫主体201上。在下文中进一步讨论的插入件由硬化材料形成，例如但不限于，碳化钨、多晶金刚石或其它材料。

抗旋转垫主体201和插入件203的几何形状可变化。如图6所示，在一些实施方式中，一个或多个三角形插入件203可联接至衬垫主体201。三角形插入件203可成形为在三角形插入件203与井孔10之间生成小的接触区域(未示出)，从而潜在地提高它们之间的力传递能力。

在一些实施方式中，如图7、图8所示，抗旋转稳定器101可包括具有圆形插入件303的抗旋转垫300。受益于本公开的本领域普通技术人员应理解的是，可改变插入件的数量而不偏离本公开的范围。

在一些实施方式中，如图9至图10所示，抗旋转垫400可包括沿垫主体401以不同节距定位的插入件403。在一些实施方式中，如图9、图10所示，插入件403可定位成使得插入件403与在前面讨论的钻轴103的旋转方向上延伸的螺旋部对准。在这种布置中，插入件403可对准成使得插入件403中的至少一个的一部分在横穿抗旋转垫400的大部分期间与井孔10(未示出)接触。

在一些实施方式中，如图11至图12所示，抗旋转垫500可包括沿衬垫主体501以不同节距定位的插入件503，以使得插入件503与在与前面讨论的钻轴103的旋转方向相反的方向上延伸的螺旋部对准。在这种布置中，插入件503可对准成使得插入件503中的至少一个的一部分在横穿抗旋转垫500的大部分期间与井孔10(未示出)接触。另外，在这种布置中，随着抗旋转稳定器101穿过钻井孔10(未示出)，插入件503可例如但不限于诱发抗旋转稳定器101的旋转，从而，例如但不限于，在钻探操作期间抵消其偶然和意外的旋转。

在一些实施方式中，抗旋转稳定器101可包括一个或多个辊而不是插入件。例如，如图13至图15所示，抗旋转垫600可包括一个或多个辊603，该一个或多个辊603可旋转地联接至垫主体601，垫主体601适于接触周围井孔10，并且适于随着抗旋转稳定器101纵向移动而滚动，从而减小抗旋转垫600与钻井孔10之间的摩擦，同时维持它们之间的接触。

在一些实施方式中，如图16、图17所示，抗旋转稳定器101可包括抗旋转垫700，抗旋转垫700包括联接至垫本体701的一个或多个辊703，一个或多个辊703与抗旋转稳定器101的纵向轴线成一定角度对准。在一些这样的实施方式中，辊703可与在与前面讨论的钻轴103的旋转方向相对的方向上延伸的螺旋部对准。在这种布置中，辊703可接触周围的井孔10(未示出)，并且随着抗旋转稳定器101穿过井孔10，在抗旋转稳定器101上施加扭力，从而例如但不限于抵消其在钻探作业期间的意外和无意的旋转。在一些实施方式中，辊703可在与抗旋转稳定器101的纵向轴线成处于0.1°与45°之间、0.5°与20°之间、或者1°与10°之间的角度来对准。

在一些实施方式中，如图18至图21所示，抗旋转稳定器101可包括不具有插入件或辊抗旋转垫800。在一些这样的实施方式中，抗旋转垫800可包括形成于垫主体801中的凸起接触表面808。凸起接触表面803可例如但不限于，随着当接触表面803沿着周围井孔10滚动时抗旋转稳定器101与周围井孔10(未示出)之间传递的力增大，而使抗旋转垫800进一步延伸。在一些实施方式中，抗旋转垫800可包括一个或多个表面特征以增大抗旋转垫800与周围井孔之间的摩擦力。在一些实施方式中，例如但不限于，如图18至图21所示，抗旋转垫800的凸起接触表面803可包括一个或多个凹槽805。

在一些实施方式中，如图22所示，可在稳定器主体109中，在凹部113与稳定器主体109的外部之间形成一个或多个端口133。端口133可例如但不限于允许流体或钻屑在钻探操作期间或随着抗旋转垫111如前所述缩回到凹槽113中而离开凹部113。

在一些实施方式中，如图23所示，抗旋转稳定器1000可包括稳定器主体1009和抗旋转辊1011。稳定器主体1009可包括形成于其中的凹部1013，抗旋转辊1011可定位在凹部1013内。抗旋转辊1011可从稳定器主体1009的外表面径向延伸，以接触周围井孔10(未示出)。抗旋转辊1011可接合井孔10以防止抗旋转稳定器1000旋转，同时随着抗旋转稳定器1000纵向移动通过井孔10而减小抗旋转稳定器1000与井孔10之间的摩擦。

在一些实施方式中，如图24、图25中所示，抗旋转辊1011可通过辊连接件1015铰接地联接至稳定器主体1009。在一些实施方式中，如图25所示，可将辊连接件1015偏置到延伸位置，以抵靠井孔10(未示出)接合抗旋转辊1011。在一些实施方式中，辊连接件1015可由诸如弹簧1017的弹簧进行偏置。

在一些实施方式中，如图26、图27所示，抗旋转辊1011可以可旋转地联接至运载件1115。运载件1115可通过运载件弹簧1117联接至稳定器主体1009。运载件弹簧1117可以是例如但不限于如图所示的板簧。

在一些实施方式中，如前所述的抗旋转辊1011可替代地通过弹簧1017、弹簧1117偏至到向内位置(如图24、图26所示)中。可通过一个或多个机构选择性地延伸抗旋转辊1011。例如，在一些实施方式中，联接至稳定器主体1009以使得其在垂直于抗旋转稳定器1000的纵向轴线的轴线上旋转的辊可与井孔10接触，抗旋转稳定器1000的这种旋转引起辊的旋转，从而引起抗旋转辊1011的延伸。

尽管本文中描述为包括4个抗旋转垫111，但是受益于本公开的本领域普通技术人员应理解的是，如本文上面所述的抗旋转稳定器101、抗旋转稳定器1000可采用任何数量的抗旋转垫111或抗旋转辊1011，而不偏离本公开的范围。例如，在一些实施方式中，抗旋转稳定器101可包括一个或多个抗旋转垫111。在一些实施方式中，抗旋转稳定器101可包括三个或更多抗旋转垫111。例如，图28示出了包括5个抗旋转垫111'的抗旋转稳定器101'。

另外，受益于本公开的本领域普通技术人员应理解的是，参照图29，抗旋转垫200'的插入件203'可以以任何配置进行定位，而不背离本公开的范围。本文中所描述的布置是在本公开的某些实施方式中使用的布置的示例。例如但不限于，图29中的插入件203'在抗旋转垫200'内交错布置。

前面概述了多个实施方式的特征，以使得本领域普通技术人员可更好地理解本公开的各个方面。这些特征可由许多等同替代方案中的任何一个来代替，本文中仅公开了其中的一些。本领域的普通技术人员应理解的是，他们可容易地使用本公开作为用于设计或修改用于实现本文所介绍的实施方式的相同目的和/或实现相同优点的其他过程和结构的基础。本领域普通技术人员还应当认识到的是，这样的等同结构不脱离本公开的精神和范围，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下他们可进行各种改变、替换和更改。