用于钻探操作中的制动装置和方法
【专利说明】用于钻探操作中的制动装置和方法
[0001]本申请是申请号为200980112769.X、名称为“用于钻探操作中的制动装置和方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本申请总体涉及钻探方法和用于钻探中的装置。特别地，本申请涉及用于在钻探操作过程中减少钻探工具从钻孔意外退出的方法和设备。
【背景技术】
[0003]当前已知和利用了很多钻探工艺。一种钻探工艺，即勘察钻探，常包括从地岩层中取出所需材料的样本。在用于勘察钻探的传统工艺中，开式钻头附接到用于取出所需样本的岩芯管的底部或前边缘。岩芯管包括附接到钻柱的外部部分和采集样本的内部部分。钻柱是随着岩芯管移入地岩层内更深处时，逐个部分地组装在一起的一系列连接在一起的钻杆。岩芯管旋入和/或推入所需地岩层内，以获取所需材料的样本(常称作芯样)。当获取芯样时，通过将整个钻柱移出(或起钻)已钻探过的孔(钻孔)而撤出包含芯样的内部部分。钻杆的每个部分必须按顺序从钻孔移出。然后，可从岩芯管取出芯样。
[0004]在绳索勘察钻探工艺中，岩芯管组件(或其它钻探工具)位于钻柱上，并钻进地岩层。岩芯管组件包括外部部分和位于外部部分内部的内管组件。岩芯管的外部部分又常在末端设置有钻头，并钻进地岩层。然而，岩芯管的内管组件常不包括钻头，且不连接到钻柱。相反，内管组件以可释放方式锁定到外部部分，且整个岩芯管组件一起钻进。当获取芯样时，内管组件从外部部分解锁，并利用回撤系统撤回。然后，取出芯样，并利用回撤系统将内管组件放置回外部部分内。因此，绳索系统减少了当获取芯样时，由于替代地使用了绳索系统而需要将钻柱的钻杆降下和提起的时间。
[0005]在一些钻探工艺中，沿向上方向钻出水平的或水平向上的钻孔。在使用绳索系统的这种工艺中，利用位于岩芯管组件上的阀和密封部分，通过在密封部分后施加液压，将内管组件泵送到位，由此迫使内管组件进入向上定向的钻孔。当内管组件到位并锁定到外部部分时，去除液压并使岩芯管组件钻进。为了撤回内管组件，可以相似工艺将绳索泵送到钻孔，且内管组件如上所述地解耦和移出。
[0006]尽管此种工艺可减少与撤回芯样相关的时间，但在移出内管组件时可碰到困难。例如，偶尔内管组件可从钻柱掉出，由于岩芯管组件以可能高速的方式存在于钻孔内，因此对地表处的设备和人员构成潜在危害。
【发明内容】
[0007]一种用于在钻孔内进行的钻探操作的制动装置，包括:制动器保持器，其具有在其中限定的多个制动器连接器开孔；本体构件，其具有锥形表面，锥形表面具有第一直径和第二直径，第二直径比第一直径大；至少一个制动元件，其至少部分地位于制动器保持器和本体构件之间，并与制动器连接器开口中的至少一个以及锥形表面连通；以及偏置构件，其构造成在本体构件上施加偏置力，以朝制动器保持器移动本体构件，以将制动元件从与锥形表面的第一直径接触移向与第二直径接触。
[0008]本发明的这些以及其它目的和特征将会从下述和所附权利要求中完全明白，或者通过在下文中阐述的本发明的实践中获知。
【附图说明】
[0009]为进一步阐明本发明的上述以及其它优点和特征，将参照附图中图示的特定实施方式对本发明进行更加详细的描述。可以理解，这些附图图示仅图示出本发明的实施方式，且因此不视为限制本发明的范围。通过利用附图并借助于附加特征和细节描述和解释本发明，其中:
[0010]图1图不出根据一个不例的具有制动装置的钻探系统；
[0011]图2A图示出根据一个示例的钻探组件的已组装视图；
[0012]图2B图示出根据一个示例的图2A中的钻探组件的分解图；
[0013]图2C图示出图2B的制动装置的横剖视图；
[0014]图3A至3B图示出根据一个示例的位于套管内的制动装置的操作；以及
[0015]图4图示出根据一个示例的制动装置。
[0016]附图与下述一起显示和解释钻探工艺中的制动装置和使用该制动装置的方法的原理。在附图中，为了清楚起见可放大部件的厚度和构造。不同附图中的同一参考标号表示相似的一一虽然必然完全相同的一一部件。
【具体实施方式】
[0017]本文提供的装置、组件、系统以及方法包括在水平的和/或上孔钻探(up-holedrilling)过程中用于控制位于期望位置的诸如岩芯管组件的钻探组件等运动的制动装置和方法。可按照需要将制动装置结合于钻探系统中。在至少一个示例中，制动装置是孔内组件(in-hole assembly)的部分，例如通常为绳索系统的部分，且可特别地为岩芯管组件的部分。在一个示例中，制动装置可为相对于外套管可移入合适位置的头组件的部分。在其它示例中，制动装置可耦接到或成为岩芯管的部分。
[0018]下述给出特定细节以便于能透彻理解。然而，本领域技术人员可理解，可在不利用这些特定细节的情况下实施和使用这些设备以及利用这些设备的方法。事实上，可通过修改图示的设备及其关联方法来实施这些设备及其关联方法，且这些设备及其关联方法可结合产业中传统使用的其它任何设备和技术一起使用。例如，尽管以下描述集中于在勘察钻探操作中使用制动装置，但这些设备及其关联方法可用于将装置和工具插入孔或管形构件内的很多不同工艺中，例如井测试、油气钻探操作、管道清洗等。
[0019]图1图示包括滑撬式组件105和钻机头110的钻探系统100。滑撬式组件105可作为钻机130的一部分耦接到滑架120。钻机头110构造成具有一个或多个耦接到钻机头110的带螺纹构件140。带螺纹构件可包括但不限于钻杆和套管。为便于参考，将把管形带螺纹构件140描述为钻杆。钻杆140可转而耦接到另外的钻杆，以形成钻柱150。钻柱150转而可耦接到具有钻头160的岩芯管组件、或其它构造成与诸如地岩层165的待钻探材料相界接的孔内工具(in-hole tool)。
[0020]在所图示的示例中，滑架120可定向成使得钻柱150为大体水平的或相对于水平面向上定向。此外，钻机头110构造成在钻探工艺过程中转动钻柱150。特别地，钻机头110可改变钻机头110转动的速度以及方向。可根据钻探工艺按照需要来选定钻机头的转速和/或钻机头110传递到钻柱150的转矩。
[0021]滑撬式组件105可构造成在钻机头110转动时，相对于滑架120平移以将轴向力施加到钻机头110，以促动钻头160进入地岩层165。在所图示的示例中，钻探系统100包括驱动器组件170，驱动器组件170构造成相对于滑架120移动滑撬式组件105，以如上所述地将轴向力施加到钻头160。如下文更详细讨论的，钻机头110可通过很多种方法构造以适于多种钻孔情形。
[0022]钻探系统100还包括具有制动装置200的孔内组件20。制动装置200构造成有助于阻止钻探工具和装置从地岩层165中的钻孔内意外退出。撤回机构的锁定或定位组件【例如绳索打携矛头、缆线连接器、真空泵内密封装置(vacuum pump-1n seal)等】可親接到制动装置的近端，使得制动装置位于钻探组件和回撤构件之间。在其它示例中，制动装置200可与撤回机构一体形成。在下述示例中，制动装置200包括构造成选择性地接合外套管的内表面或钻孔壁的内表面的制动元件。
[0023]如果需要，偏置构件(例如弹簧)保持制动元件与锥形表面和内壁接触，使得一直可存在一些摩擦。在这种配置中，当推挤进锥形表面使其增加与制动元件的接合时，制动元件的摩擦力增大。因此，当在钻探组件上施加背离钻孔方向的力时，锥形表面被压进制动元件。这种作用的结果增大了制动元件和内壁之间的摩擦力，使钻探组件制动，并且在足够大的力的作用下在钻孔内止动。然而，施加到回撤构件的反方向的力使制动元件远离圆锥形表面，并容许钻探工具移动和退出钻孔。
[0024]这种制动装置既可用于下孔钻探操作(down-hole drilling operat1n)中，也可用于上孔钻探操作(up-hole dr