井下组件、工具和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油和天然气勘探和开发的领域，且具体地说，涉及井孔形成活动。更具体地说，本发明涉及用于扩井孔的扩孔刀片、组件、方法和工具以及制造这种工具的方法。
[0002]技术现状
[0003]在石油和天然气行业中，非直井使用定向钻井技术形成。钻井过程包括起初使用具有钻井底部钻具组件(BHA)的钻柱来钻先导井孔，该BHA具有在其前端的钻头。必须随后使用一个或多个扩孔工具扩大该先导井孔以容纳套管、生产管等，并改善井孔大小、形状和环境。如此形成的油井接着通过安装套管(如果可适用)、生产管及相关工具和在井底上打眼并刺激井底而“完成”，即做好生产准备。
[0004]更具体地说，首先，钻头向下前进直到钻头到达目标深度。接着拉出钻柱且将扩孔BHA附连在钻柱前端。接着将该扩孔BHA推到井下，在完井之前扩大并调整井孔，且随后拉出，同时在出井的过程中扩大井孔。如上所述，这种类型的扩孔在先导井孔已形成之后并且实施完井之前要求特定扩孔运行，这是不方便和无效率的。需要将钻井BHA从井孔拉出以用扩孔BHA替换该钻井BHA会导致昂贵的非生产时间。
[0005]通常，不良井孔质量被发现并可产生于:
[0006].油井的定向路径和导向装置的定向行为偏离于计划路线，从而产生扭曲
[0007].不良钻井实践引起钻头处的振动和回旋动作
[0008]?不当洗井引起沉积
[0009].不当钻井液成分不抑制在钻井后的地层瞬态和地层膨胀的某些方面
[0010].BHA移动穿过不同地层导致钻柱偏离预定路径
[0011].钻井工具不按规定执行，由此钻头留下不当井孔质量，以及转向装置绕指定目标路径摆动。
[0012]?钻穿夹层地层导致出现硬细脉
[0013]不良井孔质量影响钻井和完井过程，导致下列问题:
[0014].钻进和起钻过程中由于面向前后运动的钻柱的障碍物而引起的问题
[0015].BHA的不良动态响应
[0016]?完井结束及其正确部署的问题。
[0017]因此，为了执行有效率的钻井和完井过程，井孔调整是至关重要的，尤其是在来自以下范围的复杂作业中:
[0018].多边井
[0019].深水平井
[0020].大位移钻井
[0021].高压高温井
[0022].大角度井轮廓J形轮廓、S形轮廓。
[0023]不良井孔调整在钻井和完井过程的所有步骤中导致非生产性时间(NPT)。因此，一般实践是，在钻井运行之后执行采用受控参数的专门扩孔运行，以试图将井孔调到要求的质量。
[0024]各种元件已包含在钻井BHA中以在钻井过程中改善井孔质量。这种元件包括实际上可在钻井过程中提供扩孔程度的固定片式扩孔器或辊式扩孔器。
[0025]文献EP1811125公开了与钻杆和钻头一起用于在岩层中钻井的减振扩孔器。减振扩孔器包括具有钻井液通过的贯穿孔通道的本体。该本体具有适于与钻杆连接的圆柱形上部和直径比上部宽的圆柱形最下扩孔部。扩孔部包括位于外表面上并沿至少磨损表面的上带和磨损表面的下带布置的多个磨损表面，该磨损表面的上下带沿扩孔部轴向间隔并由中间带分开。通过沿本体长度轴向间隔的扩孔带的这种布置，扩孔器用于在轴向间隔位置支承抵靠井壁。扩孔器的表面支承抵靠孔壁，从而确保由工具产生的任何振动衰减。采用两个或两个以上的支承点代表磨损表面提供了扩孔器和由此钻具组件的位置稳定性。螺旋形凹槽在外表面上切隔并绕本体的周界均匀间隔。螺旋形凹槽用于允许在钻井作业过程中钻井液和从井孔收集到的夹带岩石材料通过。为了产生期望的减振效果，磨损表面镶嵌有耐磨硬质合金粧钉阵列。然而，该工具仅具有使钻头的横向运动最小且因此延长钻头寿命和提高机械钻速的效果，但井孔质量由于上述多个原因中的任一个仍然是不良的，该工具不会消除对采用专用扩孔运行的需求。
[0026]在钻进过程中以及在POOH(起钻)过程中，要求防止卡钻发生并可处理诸如以下情形的影响，这些情形诸如是:
[0027]活动地层
[0028]破裂和断裂地层
[0029]活性地层
[0030]过压地层
[0031]洗井问题
[0032]疏松地层
[0033]键槽
[0034]岩架和微狗腿弯
[0035]膨胀页岩和盐渍地层
[0036]大量倒扩孔
[0037]井径缩小点
[0038]文献W02004/029402公开了扩孔器和稳定器组合工具。该工具包括本体，在本体上设置:
[0039]稳定器，该稳定器包括直径比本体大的部分并刻有一系列螺旋状凹槽，该凹槽形成要与正在钻的井的壁接触的多个肋；以及
[0040]扩孔器部分，该扩孔器部分在所述稳定器下方，包括切削装置。
[0041 ] 可选地，三排硬质合金刀片设置至用于辅助钻杆撤回的稳定器。
[0042]然而，扩孔结构使用传统全圆顶形状的硬质合金或具有不同材料的其它切削装置。其缺点是通过该全圆顶形状的硬质合金保持的大小会因该硬质合金在其接触地层时开始形成磨损区而变化。这固有的缺点使得工具不能长时间保持所需标面，且这影响钻井作业的定向行为。
[0043]据此，本发明的目的是避免和减少以上缺点并提供与现有扩孔方法和工具相比更方便和更有效率的适于钻井和扩孔的井下组件、方法和工具，以及制造这种工具的方法。
[0044]更具地说，本发明的目的是避免在钻井之后以及完井运行之前对用以调整井孔的特定扩孔运行的需求。
[0045]本发明的另一目的是消除由于地层过度膨胀可能出现的任何井孔缩径。
[0046]理想的是，通过去除岩架和微狗腿弯改善井孔形状、直度和质量。还要具有保持大小尽可能长的时间以进行更好的方向控制的扩孔工具。井孔的高质量对于解决由于不良井孔质量的完井部署问题并提高BHA动态性能是理想的。
[0047]理想的是，防止在钻井过程中以及在POOH(起钻)过程中发生卡钻。
【发明内容】
[0048]在第一方面，本发明涉及扩孔工具的扩孔刀片。较佳地，扩孔工具是包括扩径部分的工具，诸如是包括扩径部分的扩孔器或钻头(也称为钻具)。根据本发明的扩孔刀片具有截头圆顶形状。较佳地，这种刀片包括从扩孔工具的刀身突出的大致圆顶状部分，所述圆顶状部分具有背离刀身表面的平坦顶部。
[0049]在第二方面，本发明涉及一种扩孔工具，该扩孔工具包括具有扩径部分的本体。
[0050]较佳地，扩孔工具的扩径部分包括具有截头圆顶形状的扩孔刀片。
[0051]较佳地，扩孔工具包括形成扩径部分的一个或多个刀身，一个或多个刀身具有扩孔表面并设有扩孔刀片阵列，该扩孔表面是从扩孔工具本体基本上径向向外面对的、刀身的外表面。有利地，在沿扩孔工具的纵向轴线观察扩孔工具时，一个或多个扩孔表面的扩孔刀片阵列完全绕360°环绕该本体。
[0052]较佳地，扩孔刀片在所述扩孔表面上等距间隔开，从而在扩孔表面上施加相等载荷。
[0053]较佳地，扩孔工具包括形成所述扩径部分的M个刀身，且各所述刀身在所述本体上设置成关于所述本体的纵向轴线M重旋转对称。
[0054]较佳地，扩孔工具的一个或多个刀身布置成在本体上形成螺旋结构，所述螺旋结构具有在切向于螺旋结构的切线和螺旋结构所在的圆柱的母线之间的预定螺旋角α。
[0055]较佳地，各个扩孔刀片以沿基本平行于所述扩孔表面的纵向轴线延伸的N个基本平行排的方式布置在扩孔表面上，各排彼此横向间隔开预定距离R，以及其中，沿所述本体的纵向轴线在两个相邻排中的任意两个最近刀片之间和在两个相对外排中的任意两个最近刀片之间的最短距离是完全一样的并具有预定值Y。
[0056]较佳地，同一排中的两个相邻刀片间隔开预定距离L且沿所述本体的纵向轴线在同一排中的两个相邻刀片之间的最短距离可确定为X = Lcosa，其中距离Υ = Χ/Ν且α是所述本体的纵向轴线和所述扩孔表面的纵向轴线之间的角度。
[0057]较佳地，最靠近扩孔表面的纵向边缘的各排与纵向边缘偏离预定距离Ε，其中比值R/E具有预定值。
[0058]较佳地，扩孔刀片具有从所述扩孔表面突出的最外部，且所述最外部位于与所述本体的所述纵向轴线相距一径向距离处以允许平衡钻进和减振。
[0059]较佳地，所述扩孔表面是所述刀身的最外表面，且所述刀身还包括相对于所述扩孔表面倾斜设置的切削表面，所述切削表面设有刀具。
[0060]较佳地，所述刀具沿所述切削表面布置成与所述本体的所述纵向轴线相距第一径向距离和第二径向距离之间，以允许平衡钻进和减振。
[0061]更佳地，所述刀具沿所述切削表面布置在与所述本体的所述纵向轴线相距一径向距离处，该径向距离小于所述扩孔刀片和所述本体的所述纵向轴线之间的所述径向距离。
[0062]较佳地，每个刀具包括纵向轴线，且刀具定向成使得每个刀具的纵向轴线沿预定方向延伸并定位成与垂直于所述本体的所述纵向轴线的平面成预定角度，该预定角度可调整到所需值。
[0063]较佳地，扩孔工具的本体包括与底端相对的上端，所述第一端包括用于上钻柱的连接装置，而所述底端包括用于下钻柱或钻铤或钻头的连接装置。
[0064]根据第三方面，本发明涉及井下组件，包括:
[0065]用于钻井的底部钻具组件(BHA)，BHA包括:
[0066]具有纵向轴线的壳体，
[0067]前端和尾端，
[0068]安装在该前端处的钻具；
[0069]以及
[0070]如在上文中根据本发明第二方面所述的扩孔工具。
[0071 ] 较佳地，该钻具包括纵向轴线和标面(gauge)，标面是法向于所述钻具的所述纵向轴线的平面上的最大横截面尺寸，其中根据本发明第二方面的扩孔工具的扩径部分的直径基本对应于钻具的标面的直径。
[0072]较佳地，井下组件的扩孔工具包括与底端相对的上端，所述第一端包括用于上钻柱的连接装置，而所述底端包括用于下钻柱或钻铤或钻具的连接装置。
[0073]根据第四方面，本发明涉及一种扩孔的方法，该方法包括以下步骤:
[0074]