井眼調節(jié)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種井眼調節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個軸和至少兩個偏心的單側擴孔器，其中所述單側擴孔器布置成彼此離開預定距離，并且所述單側擴孔器布置成彼此離開預定旋轉角度。
【專利說明】井眼調節(jié)系統(tǒng)
[0001] 相關申請的引用
[0002] 本申請要求以下臨時申請的優(yōu)先權：2011年10月3日提交的美國臨時申請 No. 61/542601，和2011年12月2日提交的美國臨時申請No. 61/566079,這兩個申請的發(fā)明 名稱均為"Wellbore Conditioning System",這兩個美國臨時申請都通過引用具體地且整 體地并入。

【技術領域】
[0003] 本發(fā)明涉及井眼調節(jié)系統(tǒng)和裝置。具體地，本發(fā)明涉及用來調節(jié)水平井眼的系統(tǒng) 和裝置。

【背景技術】
[0004] 用于鉆油井、天然氣井、地熱井和其它類似用途的鉆頭典型地包括實心金屬或復 合基材類型金屬本體，該本體具有下切割面區(qū)域和上桿部區(qū)域，該上桿部區(qū)域用來連接到 由常規(guī)連接的管狀構件形成的鉆柱的底部鉆具組合，它們?nèi)缓笸ㄟ^旋轉工作臺或頂部驅動 鉆機，或通過選擇性地結合表面設備的井下馬達作為單個單元旋轉。替代地，旋轉鉆頭可以 連接到包括底部鉆具馬達組件的底部鉆具組合，而該底部鉆具組合連接到鉆柱，其中底部 鉆具馬達組件旋轉該鉆頭。鉆頭本體可以具有一個或更多個內(nèi)部通道以便將鉆削流體或泥 漿引到鉆頭的切割面以冷卻布置在其上的刀刃并且促進地層碎屑和地層微粒移除。鉆頭的 側部典型地可以包括多個徑向或側向延伸的刀片，該刀片具有基本上恒定直徑的并且基本 上平行于鉆頭的中心縱向軸線的最外表面（通常稱為保徑墊（gage pad))。保徑墊通常接 觸正被鉆削的眼孔的壁以便支撐鉆頭并且在鉆頭沿希望的切割路徑或軌跡前進時為鉆頭 提供引導。
[0005] 在水平的油井和天然氣井的鉆削期間，例如，井眼的軌跡通常是不均勻的且不規(guī) 則的。由地質導向、定向鉆削過度修正和/或地層相互作用引起的井眼的高度曲折使得在 這種井中穿過多級可擴展封隔器組裝（packer assemble)或殼體及其困難并且有時是不可 能的。在鉆削長距離水平井時，由鉆柱和井眼相互作用產(chǎn)生的摩擦嚴重限制重量傳遞到鉆 頭，因此降低鉆進速度并且潛在地引起無數(shù)其它問題，并且在最差的情況中，不能達到井的 總的計劃深度。
[0006] 目前，大多數(shù)孔擴大工具具有直的機械接合或液壓接合。這些工具已經(jīng)具有數(shù)個 可靠性問題，包括：過早接合，不通往它們的希望位置，并且不完全關閉，所有這些可能導致 災難性結果。這種工具包括可擴展的鉆頭，可擴展的開孔鉆頭，和可擴展的穩(wěn)定器。常規(guī)的 固定同心穩(wěn)定器和隨鉆鉸孔工具的使用也已經(jīng)證明在大多數(shù)情況中是無效的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明克服與目前策略和設計相關的問題和缺點并且提供調節(jié)井眼的新的工具 和方法。
[0008] 本發(fā)明的實施例涉及一種井眼調節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個軸和從該至少一個 軸延伸的至少兩個單側擴孔器。所述單側擴孔器布置成彼此離開預定距離并且所述單側擴 孔器布置成彼此離開預定旋轉角度。
[0009] 優(yōu)選地，每一個單側擴孔器從所述至少一個軸的外表面沿垂直于所述軸的旋轉軸 線的方向延伸。在優(yōu)選實施例中，每一個擴孔器由多個刀片組成，其中沿逆轉的方向，每一 個刀片具有大于先前刀片的半徑。該系統(tǒng)優(yōu)選地還包括連接到每一個刀片的多個刀刃。每 一個刀刃優(yōu)選地是聚晶金剛石復合（roc)刀刃。該系統(tǒng)也優(yōu)選地還包括連接到每一個刀片 的至少一個圓頂滑塊。優(yōu)選地，每一個圓頂滑塊是roc圓頂滑塊。
[0010] 優(yōu)選地，在鄰近每一個擴孔器的所述至少一個軸中存在凹部。在優(yōu)選實施例中，所 述至少一個軸和擴孔器由單塊材料制成。優(yōu)選地，存在多個軸并且每一個軸包括一個擴孔 器。
[0011] 本發(fā)明的另一實施例涉及一種井眼鉆柱。該井眼鉆柱包括：鉆頭；井下泥漿馬達； 隨鉆測量（MWD)裝置，所述隨鉆測量裝置將所述鉆頭和所述井下泥漿馬達的取向傳送到控 制器；和井眼調節(jié)系統(tǒng)。該井眼調節(jié)系統(tǒng)包括至少一個軸和從該軸延伸的至少兩個偏心單 側擴孔器。所述單側擴孔器布置成彼此離開預定距離并且所述單側擴孔器布置成彼此離開 預定旋轉角度。所述井眼調節(jié)系統(tǒng)可在所述底部鉆具組合中或周圍的部位布置在所述井眼 鉆柱內(nèi)。
[0012] 優(yōu)選地，每一個單側擴孔器從所述至少一個軸的外表面沿垂直于所述至少一個軸 的旋轉軸線的方向延伸。在優(yōu)選實施例中，每一個擴孔器由多個刀片組成，其中每一個刀片 具有大于沿逆轉的方向的先前刀片的半徑。該井眼調節(jié)系統(tǒng)優(yōu)選地還包括聯(lián)接到每一個刀 片的多個刀刃。每一個刀刃優(yōu)選地是聚晶金剛石復合（roc)刀刃。該井眼調節(jié)系統(tǒng)也優(yōu)選 地還包括聯(lián)接到每一個刀片的至少一個圓頂滑塊。優(yōu)選地，每一個圓頂滑塊是roc圓頂滑 塊。
[0013] 優(yōu)選地，在鄰近每一個擴孔器的所述至少一個軸中存在凹部。在優(yōu)選實施例中，所 述至少一個軸和擴孔器由單塊材料制成。優(yōu)選地，存在多個軸并且每一個軸包括一個擴孔 器。
[0014] 本發(fā)明的其它實施例和優(yōu)點部分地在下面的描述中被闡述，并且部分地可以從這 個描述顯而易見，或者可以從本發(fā)明的實踐了解到。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 僅通過例子的方式并且參考附圖更詳細地描述本發(fā)明，其中：
[0016] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例的示意圖。
[0017] 圖2-4是本發(fā)明的擴孔器的實施例的視圖。
[0018] 圖5是井眼內(nèi)的該系統(tǒng)的實施例的夸大視圖。

【具體實施方式】
[0019] 如這里體現(xiàn)的且概括描述的，這里的公開內(nèi)容提供本發(fā)明的詳細實施例。然而，公 開的實施例僅僅是本發(fā)明的示例，本發(fā)明可以以各種各樣的且替代的形式被實施。因此，具 體結構和功能細節(jié)不意圖是限制性的，而是本發(fā)明在于，它們?yōu)闄嗬筇峁┗A，并且作 為代表性基礎用來教導本領域技術人員多樣地利用本發(fā)明。
[0020] 能夠被本發(fā)明的實施例解決的該【技術領域】中的問題是調節(jié)窄的井眼而不干涉鉆 井裝置。已經(jīng)驚人地發(fā)現(xiàn)，與已存在的技術相比，沿軸布置一對單側擴孔器允許窄的井眼的 優(yōu)良調節(jié)。
[0021] 圖1描繪井眼調節(jié)系統(tǒng)100的優(yōu)選實施例。在優(yōu)選實施例中，井眼調節(jié)系統(tǒng)100 由單個軸組成。然而，在其它實施例中，井眼調節(jié)系統(tǒng)100由前軸105a和后軸105b組成， 如圖1中所示。雖然示出兩個軸，但可以使用另一數(shù)量的軸，例如，可以使用三個或四個軸。 優(yōu)選地，總的軸長度是10英尺，然而，該軸可以具有其它長度。例如，總的軸長度可以是8 英尺或12英尺長。在具有兩個軸的實施例中，軸105a和105b在接頭110處被聯(lián)接（在 圖1中，接頭110被示出為在聯(lián)接軸l〇5a和105b之前）。在優(yōu)選實施例中，接頭110是螺 紋接頭，其中連接到軸l〇5b的接頭110的凸形部分具有外螺紋并且連接到軸105a的接頭 110的凹形部分具有內(nèi)螺紋。然而，可以使用另一類型的聯(lián)接，例如，圖1中描繪的接頭110 的部分可以顛倒，其中凸形部分在軸l〇5a上并且凹形部分在軸105b上。此外，可以使用連 接軸105a到軸105b的其它方法，諸如焊接、螺栓、摩擦接頭和粘合劑。在優(yōu)選實施例中，在 被連接時，軸l〇5a和105b是共軸的并且一致地旋轉。此外，在優(yōu)選實施例中，與軸105a和 105b為單體軸相比，接頭110可以更耐彎曲、斷裂或其它失效。
[0022] 在優(yōu)選實施例中，該軸由鋼，優(yōu)選地由4145或4140鋼合金組成。然而，該軸可以 由其它鋼合金、鋁、碳纖維、玻璃纖維、鐵、鈦、鎢、尼龍、其它高強度材料，或其組合制成。優(yōu) 選地，該軸由單塊材料銑削而成，然而，可以使用形成該軸的其它方法。例如，該軸可以是鑄 造的、旋轉模制的、由多塊制成、注射模制的及其組合。該軸的優(yōu)選外直徑近似為5. 5英寸， 然而，該軸可以具有其它外直徑（例如，10英寸，20英寸，30英寸，或與井眼共有的另一直 徑）。如這里討論的，擴孔器延伸超過該軸的外直徑。
[0023] 如圖1中示出的，在兩軸實施例中，軸105a和105b的每一個分別具有單個單側擴 孔器115a和115b。在單體軸實施例中，該軸具有至少兩個單側擴孔器115a和115b。每一 個擴孔器115a和115b在軸的一個單側上從軸的本體突出。此外，每一個擴孔器115a和 115b優(yōu)選地偏心地位于軸105a和105b的本體上使得擴孔器115a和115b的質心不與軸 105a和105b的本體的質心共軸。如在圖1中可以看到的，擴孔器115a沿第一方向（在圖 1上向上）突出，而擴孔器115b沿第二方向（在圖1上向下）突出。雖然擴孔器115a和 115b被示出為彼此分開180°，但可以存在其它旋轉構造。例如，擴孔器115a和115b可以 彼此分開90°、45°或75°。在優(yōu)選實施例中，擴孔器115a和115b是相同的，然而，取決 于該系統(tǒng)100的預期用途可以作出擴孔器構造的偏差。
[0024] 如圖5中描繪的系統(tǒng)100的實施例中示出的，在操作中，第一擴孔器115a鉆到井 眼550的一個部分中，而第二擴孔器115b鉆到井眼550的徑向相反的部分中。由徑向相反 的擴孔器產(chǎn)生的相反的力（由圖5中的箭頭示出）使系統(tǒng)100在井眼550內(nèi)位于中心。這 種自定心特征允許系統(tǒng)100維持井眼500內(nèi)的中心部位同時沒有移動部件。
[0025] 在優(yōu)選實施例中，擴孔器115a和115b的每一個具有四個刀片，然而，可以存在其 它數(shù)量的刀片（例如，一個刀片，三個刀片，或五個刀片）。優(yōu)選地，四個刀片的每一個的半 徑以不同的增量從軸l〇5a和105b突出。刀片的半徑的增量增加允許沿逆轉的方向的第一 刀片（即，第一刀片用于接觸井眼的表面）去除井眼壁的第一部分，沿逆轉的方向的第二刀 片去除井眼壁的第二較大部分，沿逆轉的方向的第三刀片去除井眼壁的第三較大部分，并 且沿逆轉的方向的第四刀片去除井眼壁的第四較大部分，使得在第四刀片之后，井眼為希 望尺寸。前進的逆轉刀片半徑布局產(chǎn)生均衡的切割深度。在井眼被加大和調節(jié)時，刀刃工 作載荷從刀片到刀片被均勻地分布。這種計算的刀刃工作率減小沖擊載荷。沖擊載荷的減 小轉化為減小的扭矩和刀刃疲勞。此外，由于刀片的半徑的逐漸增加，存在到全孔直徑的平 滑過渡，這優(yōu)選地減小系統(tǒng)100上的振動和扭矩。
[0026] 如在圖2-4中可以看到的，刀片的每一個具有多個刀刃。優(yōu)選地，該刀刃是聚晶金 剛石復合（roc)刀刃。然而，可以使用其它材料，諸如氧化鋁，碳化硅，或立方氮化硼。刀刃 的每一個優(yōu)選地為7/11英寸（16_)直徑，然而，該刀刃可以具有其它直徑（即，1/2英寸， 3/4英寸，或5/8英寸）。刀刃優(yōu)選地為可更換的且可旋轉的。在某些實施例中，刀刃具有 傾斜外邊緣以防止剝落并且減小切割結構產(chǎn)生的扭矩。在優(yōu)選實施例中，刀片具有至少一 個圓頂滑塊555,如圖5中所示。優(yōu)選地，圓頂滑塊555與刀刃由相同的材料制成。圓頂滑 塊555優(yōu)選地為圓的或半圓的表面，在該系統(tǒng)滑過井眼時，該圓的或半圓的表面減小與井 眼壁的摩擦，因此保護刀刃免受損壞。當鉆柱不旋轉時，圓頂滑塊555接觸井眼550壁或殼 體的表面并且產(chǎn)生擴孔器刀片的隔開，這有助于系統(tǒng)100滑過井眼550的能力。另外，在系 統(tǒng)100的操作期間，圓頂滑塊555允許該系統(tǒng)以比沒有圓頂滑塊的情況小的摩擦在井眼550 內(nèi)旋轉，因此在起下鉆操作期間減小旋轉該系統(tǒng)所需的扭矩并且減小對殼體和工具的切割 結構的損壞。此外，在系統(tǒng)100滑過殼體或在殼體內(nèi)旋轉時，圓頂滑塊555保護殼體免受刀 刃的損壞。
[0027] 返回圖1，在擴孔器115a和115b的每一個的任一側上優(yōu)選地布置有凹部120a和 120b。凹部120a和120b具有比軸105a和105b的本體小的直徑。優(yōu)選地，在系統(tǒng)100正調 節(jié)時，凹部120a和120b促進碎屑移除。此外，凹部120a和120b可以增加銑削擴孔器115a 和115b的容易性。
[0028] 擴孔器115a和115b優(yōu)選地沿該軸布置，以預定距離分開。例如，擴孔器可以分開 4英尺，5英尺，6英尺，或另一距離。基于井眼的特性（例如，希望的直徑和曲率），可以優(yōu) 化擴孔器115a和115b之間的距離以及擴孔器115a和115b的旋轉角度。兩個擴孔器被布 置成距離和旋轉角度分離越大，井眼系統(tǒng)100可以漂移通過的部位越窄。外部擴孔器本體 直徑在系統(tǒng)100的性能中起關鍵的作用。此外，擴孔器115a和115b的可調節(jié)布置允許系 統(tǒng)100使用單個工具實現(xiàn)多個穿過/漂移要求。
[0029] 優(yōu)選地，系統(tǒng)100布置在從定向底部鉆具組合向上鉆孔的預定部位處。定向底部 鉆具組合可以包括例如，鉆頭，鉆桿接頭，井下泥漿馬達（例如，彎曲外殼馬達），和隨鉆測 量裝置，鉆環(huán)，定向控制裝置，和其它鉆井裝置。通過將井眼調節(jié)系統(tǒng)放置在鉆柱的底部鉆 具組合中或周圍，鉸孔工具將很小或不會不利地影響操縱定向組件的能力或鉆進速度，并 且可以實現(xiàn)希望的建造或下降速率。
[0030] 通過考慮這里公開的本發(fā)明的說明書和實踐，本發(fā)明的其它實施例和用途對于本 領域技術人員來說將是顯然的。這里列舉的所有參考（包括所有出版物，美國和外國專利 和專利申請）通過引用具體地且完全地并入。所意圖的是，說明書和例子被認為僅僅是示 例性的，本發(fā)明的真實范圍和精神由下面的權利要求指示。此外，術語"由…組成"包括術 語"由…構成"和"基本上由…構成"。
【權利要求】
1. 一種井眼調節(jié)系統(tǒng)，所述井眼調節(jié)系統(tǒng)包括： 至少一個軸；和 從所述至少一個軸延伸的至少兩個單側擴孔器，其中所述至少兩個單側擴孔器布置成 彼此離開預定距離，并且所述至少兩個單側擴孔器布置成彼此離開預定旋轉角度。
2. 根據(jù)權利要求1所述的井眼調節(jié)系統(tǒng)，其中，每一個單側擴孔器從所述至少一個軸 的外表面沿垂直于所述至少一個軸的旋轉軸線的方向延伸。
3. 根據(jù)權利要求1所述的井眼調節(jié)系統(tǒng)，其中，每一個單側擴孔器由多個刀片組成，其 中沿逆轉的方向，每一個刀片具有大于先前刀片的半徑。
4. 根據(jù)權利要求3所述的井眼調節(jié)系統(tǒng)，還包括聯(lián)接到每一個刀片的多個刀刃。
5. 根據(jù)權利要求4所述的井眼調節(jié)系統(tǒng)，其中，每一個刀刃是聚晶金剛石復合（roc)刀 刃。
6. 根據(jù)權利要求3所述的井眼調節(jié)系統(tǒng)，還包括聯(lián)接到每一個刀片的至少一個圓頂滑 塊。
7. 根據(jù)權利要求6所述的井眼調節(jié)系統(tǒng)，其中，每一個圓頂滑塊是PDC圓頂滑塊。
8. 根據(jù)權利要求1所述的井眼調節(jié)系統(tǒng)，還包括所述至少一個軸中的、鄰近每一個擴 孔器的凹部。
9. 根據(jù)權利要求1所述的井眼調節(jié)系統(tǒng)，其中，所述至少一個軸和擴孔器由單塊材料 制成。
10. 根據(jù)權利要求1所述的井眼調節(jié)系統(tǒng)，其中，存在多個軸并且每一個軸包括一個擴 孔器。
11. 一種井眼鉆柱，所述井眼鉆柱包括： 鉆頭； 井下泥漿馬達； 隨鉆測量裝置（MWD)，所述隨鉆測量裝置將所述鉆頭和所述井下泥漿馬達的位置傳送 到控制器；和 井眼調節(jié)系統(tǒng)，其中所述井眼調節(jié)系統(tǒng)包括： 至少一個軸；和 從所述至少一個軸延伸的至少兩個單側擴孔器，其中所述至少一個單側擴孔器布置成 彼此離開預定距離，并且所述至少一個單側擴孔器布置成彼此離開預定旋轉角度；并且 其中，所述井眼調節(jié)系統(tǒng)能夠在底部鉆具組合中或周圍的部位處布置在所述井眼鉆柱 內(nèi)。
12. 根據(jù)權利要求11所述的井眼鉆柱，其中，每一個單側擴孔器從所述至少一個軸的 外表面沿垂直于所述至少一個軸的旋轉軸線的方向延伸。
13. 根據(jù)權利要求11所述的井眼鉆柱，其中，每一個單側擴孔器由多個刀片組成，其中 沿逆轉的方向，每一個刀片具有大于先前刀片的半徑。
14. 根據(jù)權利要求13所述的井眼鉆柱，還包括聯(lián)接到每一個刀片的多個刀刃。
15. 根據(jù)權利要求14所述的井眼鉆柱，其中，每一個刀刃是聚晶金剛石復合（roc)刀 刃。
16. 根據(jù)權利要求13所述的井眼鉆柱，所述井眼鉆柱還包括聯(lián)接到每一個刀片的至少 一個圓頂滑塊。
17. 根據(jù)權利要求16所述的井眼鉆柱，其中，每一個圓頂滑塊是PDC圓頂滑塊。
18. 根據(jù)權利要求11所述的井眼鉆柱，所述井眼鉆柱還包括所述至少一個軸中的、鄰 近每一個擴孔器的凹部。
19. 根據(jù)權利要求11所述的井眼鉆柱，其中，所述至少一個軸和擴孔器由單塊材料制 成。
20. 根據(jù)權利要求11所述的井眼鉆柱，其中，存在多個軸并且每一個軸包括一個擴孔 器。
【文檔編號】E21B10/26GK104093926SQ201280055765
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2012年10月3日 優(yōu)先權日:2011年10月3日
【發(fā)明者】J·D·伊森奧爾, G·T·梅爾 申請人:硬巖解決方案有限責任公司