钻柱工具的液压控制的制作方法
【技术领域】
[0001]本申请大体涉及钻井操作中的钻柱工具，并且涉及操作钻柱工具的方法。某些实施方案更具体来说涉及用于控制钻柱工具操作的流体启动(activate)控制系统、设备、机构和方法。本公开还涉及通过由钻柱传送的钻井流体的压力序列所进行的井下扩孔器展开控制。
【背景技术】
[0002]通常在地面钻出钻孔以从地下地层中回收烃类诸如油气。一般利用钻柱端部的钻头钻出这样的钻孔。可以通过连续地加入任何数量的管状构件(有时也称为钻杆段)来就地形成钻柱。钻柱的下端通常包括井底组合件，该井底组合件具有任何数量的钻柱工具，其中钻头附接至底端。使钻头诸如通过旋转钻柱或通过使用泥浆马达独立地旋转钻头而旋转，以使岩石地层材料剪切或碎裂，从而钻出井筒。
[0003]钻柱中所包含的某些工具和装置要求在钻井操作期间远程启动和禁用。这样的工具和装置的示例包括扩孔器、稳定器和用于引导钻头的施力构件。然而，恶劣的井下环境通常会给为了实现所需水平的性能和可靠性的机电控制系统设计者带来挑战。
[0004]各种方法已被设计用于使用受控流体压力来远程操作工具。钻柱中受控流体压力的使用通常允许有限数量的启动/禁用周期，此后将重设控制系统。某些扩孔器启动设备例如使用落球(ball-drop)机构，该落球机构允许单个启动周期，此后需要重设控制系统。在许多常规系统中，可以将沿着钻柱向下并且向上回到钻孔环形空间循环的钻井流体(即，“泥楽”)用作控制流体。在这样的系统中，钻井泥浆可以利用对应的钻井流体压力水平执行多个单独功能。除了对钻井泥浆加压以使其循环通过钻柱和环形空间之外，还可以例如改变钻井泥浆的压力和流量以控制泥浆马达的速度和/或转矩。由于钻井操作期间钻井泥浆压力变化的该多个不同的原因，使用钻井泥浆控制工具或装置致动机构可以导致无意中的工具启动，这种工具启动是由于将不相关的泥浆压力波动误判为致动机构控制信号而引起的。
【附图说明】
[0005]在附图各图中以示例而非限制的方式示出了某些实施方案，附图中:
[0006]图1描绘了根据示例实施方案的包括提供控制安排的钻井设备的钻井设施的示意图，该控制安排用于通过预定义钻井流体压力序列来进行对工具启动的液压控制。
[0007]图2描绘了根据示例实施方案的用于扩孔器启动的钻井流体启动控制的钻井设备的三维视图。
[0008]图3A至3C描绘了根据示例实施方案的形成钻柱一部分的钻柱工具控制设备的一部分的局部纵向截面图，该设备包括分别在图3A至3C的各个展开阶段示出的分级活塞机构。
[0009]图4A至4C描绘了根据示例实施方案的形成钻柱一部分的钻柱工具控制设备的纵向截面的另一部分的纵向截面图，该示例设备包括图4中示意性示出的凸轮机构和启动机构。
[0010]图5描绘了根据示例实施方案的沿图4A中的线5-5获得的形成钻柱一部分的钻柱工具控制设备的横向截面图。
[0011]图6描绘了根据示例实施方案的形成设备一部分的内管的径向外表面的示意性展开或铺开视图并且提供了凸轮凹座，可将托架构件上的凸轮构件接纳于该凸轮凹座中以将托架构件的纵向移位转化成托架构件的旋转移动。
【具体实施方式】
[0012]以下详细描述参照附图描述了本公开的示例实施方案，附图描绘了示出可以如何实践本公开的示例的各种细节。本发明的论述参照这些附图解决了新颖方法、系统和设备的各个示例并且充分详细地描述了所示实施方案，以使得本领域技术人员能够实现所公开的主题。除了本文所述的说明性示例外，还有许多实施方案可用于实践这些技术。可以在不脱离本公开的范围的情况下进行除了本文特别论述的替代实施方案之外的结构变化和操作变化。
[0013]在本说明书中，该描述中对“一个实施方案”或“实施方案”或对“一个示例”或“示例”的引用不一定指相同的实施方案或示例;然而，除非受益于本公开的本领域技术人员如此陈述或明白的，否则这些实施实施方案并不相互排斥。因此，可以包含本文所述的实施方案和示例的各种组合和/或整合，以及在基于本公开的所有权利要求和这样的权利要求的所有法律等效物的范围内所限定的另外的实施方案和示例。
[0014]根据本公开的一个方面，提供具有控制机构的钻柱，该控制机构被配置成通过改变钻柱井孔与周围环形空间之间的压差(即，井孔-环形空间压差)来实现钻柱工具在不同操作模式(例如，扩孔器的展开和/或收缩)之间的远程液压切换，以执行预定义触发序列，该预定触发序列包括使压差升高到一个或多个相应压力范围内的多个周期。控制机构可以被配置成在压差升高到超过对应压力范围的预定义阈值的情况下自动重设或中断触发序列。控制机构可以进一步被配置成当工具留在井下时，允许执行重复的启动/禁用周期。
[0015]控制机构可为被动机械系统，被配置成使得控制机构响应于压差变化的功能操作是基本专有地机械的，包括例如一个或多个液压致动机构、弹簧偏置机构和凸轮机构。在这种情况下，控制机构的提供所公开功能的至少这些部件可以在无任何基本非机械组件(例如，电组件、机电组件或电子组件)的帮助下操作。
[0016]图1是用于通过向钻井流体(例如，钻井泥浆)应用预定义序列的流体压力变化来控制钻柱工具的启动和禁用的系统的示例实施方案的示意图。
[0017]钻井设施100包括其中定位有钻柱108的地下钻孔104。钻柱108可以包括从固定到井口的钻井平台112悬吊下来的钻杆的接合在一起的段。位于钻柱108底端的井下组合件或井底组合件(BHA)122可以包括用于使钻柱108前端的地球地层碎裂的钻头116以导引钻孔104，和位于钻头116的井上的一个或多个扩孔器组合件118，用于通过可选择性展开的切削元件的操作来使钻孔104变宽。
[0018]钻孔104因此为细长空腔，该细长空腔是基本圆柱形的，具有基本圆形的截面轮廓，沿钻孔104的长度或多或少保持恒定。在某些情况下，钻孔104可以是直线的，但通常可以沿其长度包括一个或多个曲线、弯曲部、转折或角度。如参照钻孔104和其中的组件所使用，钻孔104的“轴线”(以及因此钻柱108或其一部分的轴线)意指圆柱形钻孔104的纵向延伸中心线。因此，“轴向”意指沿着在讨论中的钻孔104的相关点或部分与钻孔104的纵向方向基本平行的线的方向；“径向”意指基本沿着与钻孔轴线相交并且位于垂直于钻孔轴线的平面上的线的方向；“切向”意指基本沿着与钻孔轴线不相交并且位于垂直于钻孔轴线的平面上的线的方向；并且“周向”或“旋转”意指通过围绕钻孔轴线的切向量的旋转所描述的基本弧形或圆形通路。
[0019]“旋转”及其衍生物不仅意指360°或更大的连续或重复旋转，而且包括小于360°的角移位。
[0020]如本文所使用，移动或位置“向前”或“井下”(和相关术语)意指朝向钻头116、远离地面的轴向移动或相对轴向位置。相反，“向后” “在后面”或“井上”意指轴向沿钻孔104、远离钻头116以及朝向地球表面的移动或相对位置。请注意，在附图的图2、图3、图4和图6中，钻柱108的井下方向从左向右延伸。
[0021]在BHA 122中可以包含测量和控制组合件120，该组合件还包括测量仪器以测量钻孔参数、钻井性能等。
[0022]使钻井流体(例如，钻井“泥浆”或可能位于井中的其它流体)从钻井流体储层(例如，储存坑)中循环出来，该钻井流体储层位于地球表面，并且通过栗系统132联接至井口，该栗系统迫使钻井流体沿着由钻柱108的中空内部所提供的钻井井孔128向下，以使得钻井流体在相对高的压力下通过钻头116离开。在从钻柱108离开后，钻井流体沿着钻孔104向上移动回来，从而占据界定在钻柱108与钻孔104壁之间的钻孔环形空间134。虽然许多其它环形空隙可以与钻井设施100相关，但对环形空间压力、环形空间间隙等的引用指的是钻孔环形空间134的特征，除非另有说明或除非上下文另外明确指示。
[0023]请注意，使钻井流体沿钻柱108的内径(S卩，井孔128)栗送，其中流到井孔128之外的流体限于钻头116。钻井流体随后沿着环形空间134向上流动，从而将钻肩从钻孔104底部携带到井口，在井口处除去这些钻肩并且可使钻井流体回到钻井流体储层132。因此，井孔128中的流体压力大于环形空间134中的流体压力。除非上下文另有指示，否则术语“压差”意指井孔128中的一般流体压力与环形空间134中的压力之间的差。
[0024]在某些情况下，通过从平台112旋转钻柱108来使钻头116旋转。在该示例实施方案中，设置在钻柱108中并且在这种情况下形成BHA 122—部分的井下马达136(诸如像所谓的泥浆马达或涡轮马达)可以有助于钻头116的旋转。在某些实施方案中，钻柱108的旋转可由地面设备、由井下马达136或由地面设备和井下马达136 二者选择性地提供动力。
[0025]钻井设施100可以包括地面控制系统140以从井下传感器和装置遥测设备接收信号，这些传感器和遥测设备并入在钻柱108中，例如形成BHA 122的一部分。地面控制系统140可以在由操作者使用来控制钻井操作的显示器或监视器上显示钻井参数和其它信息。某些钻井设施可以是部分或完全自动化的，以使得钻井控制操作(例如，通过钻井流体的压力序列对马达136的操作参数的控制和对钻柱工具展开的控制，如本文所述)可以是手动的、半自动化的或完全自动化的。地面控制系统140可以包括计算机系统，该计算机系统具有一个或多个数据处理器和数据存储器。地面控制系统140可以处理与钻井操作相关的数据、来自地面上的传感器和装置的数据、从井下接收的数据，并且可以控制钻柱工具和装置的一个或多个操作，这些钻柱工具和装置为井下和/或地面装置。
[0026]钻柱108可以包括一个或多个钻柱工具而不是扩孔器组合件118或除了扩孔器组合件118之外。在该示例中，钻柱108的钻柱工具因此包括至少一个扩孔器组合件118，该至少一个扩孔器组合件被定位BHA 122中以当BHA122穿透地层时扩大钻孔104的直径。在其它实施方案中，钻柱108可以包括多个扩孔器组合件118，该多个扩孔器组合件例如定位在BHA122的相对端附近并且联接至BHA 122。
[0027]每个扩孔器组合件118均可包括一个或多个周向间隔开的叶片或承载切削结构的其它切削元件(例如，参看图2中的切削壁208)。扩孔器组合件118包括扩孔器144，该扩孔器包括呈大体管状壳体的示例形式的主体，该壳体串联式并入在钻柱108中并且承载切削元件，这些切削元件可从扩孔器壳体的径向外表面径向延伸和收缩，以使扩孔器的有效直径选择性地扩展和收缩。
[0028]可以通过控制钻井流体压力来实现扩孔器144的操作模式(例如，展开或收缩)的受控选择。在该示例中，被配置成专有地响应于钻井流体压力值的特定变化或序列来触发扩孔器切削元件的展开或收缩的展开控制机构由形成扩孔器组合件118—部分的控制器148提供。控制器148可以包括具有呈大体管状钻杆壳体215(参看图2)的示例形式的主体的设备，该壳体与钻柱108串联式连接。在图1的示例实施方案中，将控制器148安装在工具扩孔器144的井下，但在其它实施方案(例如，图4所示的示例实施方案)中，可以将控制器148定位在扩孔器144的井上。
[0029]虽然工具展开(目前论述了该工具展开的示例机构)的流体压力控制提供了与例如机电展开机构相比的多个益处，但这样的流体压力控制在执行钻井操作时可能引起困难。例如，流体压力值与所需扩孔