井下工具的遠程液壓控制的制作方法
【技術領域】
[0001]本申請總體涉及鉆探操作中的井下工具，并且涉及操作井下工具的方法。一些實施方案更具體地涉及用于井下工具的流體啟動控制系統、機構和方法。本公開還涉及通過流體壓力程控進行的井下擴眼器展開控制。
【背景技術】
[0002]用于碳氫化合物(油和天然氣)開采以及用于其它目的的鉆孔通常是利用鉆柱進行鉆探的，所述鉆柱包括具有鉆探組件的管狀構件(也被稱為鉆探管)，所述鉆探組件包括附接到其底部末端的鉆頭。鉆頭旋轉以剪切巖石地層的材料或使其破裂來鉆探井眼。鉆柱通常包括在鉆探操作期間需要遠程啟動和停止的工具或其它裝置。這類工具和裝置尤其包括擴眼器、穩定器或用于使鉆頭轉向的施力構件。
[0003]機電控制系統在這類鉆探環境中通常是不可靠的。通過控制鉆柱中的流體壓力實現的對井下工具啟動的遠程控制通常僅允許單個啟動/停止循環，在此之后控制系統需重置，同時在一些系統中導致有效鉆柱直徑的減少。鉆探流體的使用導致在正常鉆探操作期間工具意外啟動的風險。
【附圖說明】
[0004]一些實施方案在附圖的各圖中以示例性而非限制性方式示出，在附圖中:
[0005]圖1示出根據示例性實施方案的鉆探設備的示意圖，所述鉆探設備包括提供用于對工具啟動的遠程流體啟動控制的控制裝置的鉆探設備。
[0006]圖2A-圖2B示出根據示例性實施方案的用于對工具啟動的遠程流體啟動控制的鉆探設備的局部剖面三維視圖，示例性工具為在圖2A中展開并且在圖2B中回縮的擴眼器的形式。
[0007]圖3A-圖3B示出根據示例性實施方案的圖2的鉆探設備的縱剖面。
[0008]圖4A-圖4B示出圖2的鉆探設備的一部分的放大的縱剖面，其分別示出處于打開狀態和處于閉合狀態的鉆探設備的閥活塞。
[0009]圖5A和圖5B示出根據示例性實施方案的用于形成圖2的鉆探設備的一部分的筒形凸輪的三維視圖。
[0010]圖6示出根據示例性實施方案的圖2的鉆探設備的一部分的放大的縱剖面三維視圖，其示出形成鉆探設備的一部分的鎖銷和筒形凸輪的細節。
[0011]圖7示出根據示例性實施方案的圖2的鉆探設備的一部分的放大的三維縱剖面，其示出鉆探設備的支撐活塞(stay piston)的細節。
[0012]圖8A-圖SG各自示出根據示例性實施方案的圖2的鉆探設備在鉆探設備的受控操作期間的不同階段的三維縱剖面，以及對應于相關縱剖面的狀態的壓力曲線圖和鎖銷行進圖。
【具體實施方式】
[0013]以下詳述參照附圖來描述本公開的示例性實施方案，所述示例性實施方案示出示出可以如何實踐本公開的實施例的各種細節。本文的討論參照這些附圖提出新穎方法、系統和裝置的各種實施例，并且進行足夠詳細地描述，以使得本領域的技術人員能夠實踐本公開的主題。除本文所討論的說明性實施例之外的許多實施方案可以用于實踐這些技術。在不脫離本公開的范圍的情況下，除本文明確討論的替代方案之外可以做出結構上和操作上的改變。
[0014]在本說明書中，對本說明書中“ 一個實施方案”或“實施方案”或“一個實施例”或“實施例”的參考并不旨在一定是指同一個實施方案或實施例；然而，這類實施例并非相互排斥的，除非這樣說明或如受益于本公開的本領域的普通技術人員將顯而易見的。因此，本發明可包括本文所述的實施方案和實施例的多種組合和/或綜合，以及如限定在基于本公開的所有權利要求和此類權利要求的所有法律等效物的范圍內的其它實施方案和實施例。
[0015]圖1是用于利用流體壓力控制井下工具操作的系統的示例性實施方案的示意圖。鉆探設備100包括鉆柱108位于其中的地下鉆孔104。鉆柱108可包括從固定在井口的鉆探平臺112懸置的鉆桿的連接部分。位于鉆柱108的底端的井下組件或井底組件(BHA) 122可包括:鉆頭116，用于使位于鉆柱108的前端處的地層破裂以導引鉆孔104 ;以及一個或多個擴眼器組件118，在鉆頭116的沿井孔上行，用于通過選擇性地可擴展的切削元件的操作而使鉆孔104加寬。
[0016]因此，鉆孔104是細長的空腔，其為大致圓柱形，具有沿鉆孔104的長度保持或多或少恒定的大致圓形橫截面輪廓。鉆孔104在一些情況下可以是直線形的，但通常可包括沿其長度的一個或多個彎曲部、彎折、轉折或角度。如參考鉆孔104和其中的部件所使用的，鉆孔104的“軸線”(以及因此鉆柱108或其一部分的“軸線”)是指圓柱形鉆孔104的中心線。因此，“軸向”是指沿在所討論的鉆孔104的相關點或部分處與鉆孔104的縱向方向大致平行的線的方向；“徑向”是指大致沿與鉆孔軸線相交且位于垂直于鉆孔軸線的平面中的線的方向；“切向”是指大致沿不與鉆孔軸線相交且不位于垂直于鉆孔軸線的平面中的線的方向；并且“周向”是指由切向矢量圍繞鉆孔軸線的旋轉所示出的大致弧形或圓形路徑。
[0017]如本文所使用，移動或位置“向前”或“沿井孔下行”(以及相關術語)是指朝向鉆頭116、遠離地表的軸向移動或相對軸向位置。相反地，“向后”、“向后方”或“沿井孔上行”是指軸向地沿鉆孔104、遠離鉆頭116并且朝向地表的移動或相對位置。
[0018]測量和控制組件120可被包括在BHA 122中，所述BHA 122還包括用于測量鉆孔參數、鉆探性能等的測量儀器。
[0019]鉆探流體(例如，鉆探“泥漿”或可存在于井中的其它流體)從處在地表處且連接至井口(通常指示在130處)的鉆探流體貯存器132 (例如存儲坑)，通過泵(未示出)來循環(此泵強制鉆探流體沿由鉆柱108的中空內部形成的鉆探孔128向下)，以使得鉆探流體在高壓下通過鉆頭116離開。在從鉆柱108離開之后，鉆探流體占據限定在鉆柱108與鉆孔104的壁之間的鉆孔環空134。雖然許多其它環形空間可與系統102相關聯，但對環空壓力、環空間隙等的參考是指鉆孔環空134的特征，除非另有規定。
[0020]應注意，鉆探流體是沿鉆柱108的內徑(即，孔128)泵送的，其中從孔128流出的流體被限制在鉆頭116處。
[0021]鉆探流體隨后沿環空134向上流動，從而將切肩從鉆孔104的底部運送到井口130，在所述井口 130處切肩被移除并且鉆探流體可返回至鉆探流體貯存器132。因此，孔128中的流體壓力大于環空134中的流體壓力。除非上下文另有說明，否則術語“壓差”是指孔128的總流體壓力與環空134中的壓力之間的差。
[0022]在一些情況下，鉆頭116是通過鉆柱108從平臺112上的旋轉而旋轉的。在這個示例性實施方案中，井下馬達136 (例如像所謂的泥漿馬達或渦輪馬達)被設置在鉆柱108中，并且(在這個實例中形成BHA 122的一部分)可以使鉆頭116旋轉。在一些實施方案中，鉆柱108的旋轉可以選擇性地由地表設備和井下馬達中的一者或兩者來提供動力。
[0023]系統102可包括用于從整合在鉆柱108中(通常形成BHA 122的一部分)的傳感器和裝置接收信號的地表控制系統140。地表控制系統140可以在由操作員用來控制鉆探操作的顯示器或監視器上顯示鉆探參數和其它信息。一些鉆探設備可以是部分或完全自動的，以使得鉆探控制操作(例如，通過對鉆探流體的壓力程控而實現的對馬達136的操作參數的控制和對井下工具的控制，如本文所述)可以是手動的、半自動的或完全自動的。地表控制系統140可包括具有一個或多個數據處理器和數據存儲器的計算機系統。地表控制系統140可以處理與鉆探參數相關的數據、來自地表處的傳感器和裝置的數據、從井下接收的數據，并且可以控制井下工具和裝置的一個或多個操作，所述裝置是井下裝置和/或地表裝置。
[0024]代替先前提及的擴眼器組件118或除了先前提及的擴眼器組件118之外額外地，鉆柱108可包括一個或多個井下工具。因此，在這個實施例中，鉆柱108的井下工具包括位于BHA 122中的至少一個擴眼器組件118，其用于在BHA 122穿透地層時使鉆孔104的直徑擴大。在其它實施方案中，擴眼器組件118可定位在BHA 122的沿井孔上行并且連接至所述BHA 122。每個擴眼器組件118可包括一個或多個周向間隔開的刀片或攜帶切削結構的其它切削元件。擴眼器組件118容納擴眼器144，所述擴眼器144選擇性地從擴眼器組件118的外殼徑向擴展和回縮，以選擇性地增大和減小直徑。
[0025]在這個實施方案中，擴眼器144是通過使用加壓鉆探流體而被液壓致動的。加壓鉆探流體還用于選擇擴眼器144的展開模式。在這個實施例中，用于實現對擴眼器144的流體壓力控制的展開控制機構是由控制器148提供的，所述控制器148包括具有在鉆柱108中成直線連接的鉆桿本體或外殼215 (參見圖2)的組件。在這個實施方案中，控制器148被安裝在相關聯的擴眼器組件118的沿井孔下行。
[0026]流體壓力的考慮
[0027]應注意，盡管對工具展開的流體壓力控制具有益處(目前將要對此進行討論)，但這種流體壓力控制可能引入執行鉆探操作方面的困難。例如，流體壓力值與所期望的擴眼器展開之間很少存在簡單的直接對應。雖然在這個實施例中擴孔操作與孔128中的高流體壓力(也被稱為孔壓或內部壓力)一致，但擴眼器144不會每次都在出現高孔壓的情況下展開。
[0028]孔壓可以例如上升，以便在正鉆探鉆孔104時，通過馬達136來驅動鉆頭116。在這種鉆探階段期間的擴眼器展開通常是要避免的。
[0029]在這個實施方案中，控制器148的功能在于選擇性地調整擴眼器144響應某些流體壓力條件的方式。擴眼器組件118可以是雙模態的，即選擇性地設置在休眠模式或活動模式中。在休眠模式中，盡管高孔壓(例如，用于井下機器如馬達136的操作水平下的壓力)，擴眼器144仍回縮并且保持回縮狀態。在活動模式中，擴眼器144動態地響應于孔壓，以使得高孔壓通過擴眼器144的切削元件的徑向擴展而自動且不變地導致擴眼器144的展開。控制擴眼器組件118以選擇性地將其暴露于一種模式或另一種模式可以通過產生孔壓值的預定程序來完成。在一個實施例中，模式切換包括施加低壓(相對于工具操作壓力)持續長于預定義的觸發時間。以下的大部分描述討論了用于實