專利名稱：帶有流道的井下離合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一鉆具組工具，其用于在大地地層中所形成的一井眼(wellbore)中延伸的一鉆具組內(nèi)。
在大地構(gòu)造中所鉆鑿的用于勘探和生產(chǎn)碳?xì)浠衔锬康牡木垡炎兊迷絹碓缴詈驮趲缀谓Y(jié)構(gòu)上更加復(fù)雜了，因?yàn)樵诤芏嗲闆r下都會包括彎曲的、傾斜的或水平的部分。這種深而復(fù)雜的井眼對所使用的鉆具組強(qiáng)加了更苛刻的要求。但是一未得以解決的問題是在鉆具組與井眼壁之間出現(xiàn)大的摩擦力，這些摩擦力通常會妨礙合適的井眼操作。
例如，經(jīng)常出現(xiàn)下部鉆具組部件、通常是指井底組件(BHA)被粘住在井眼內(nèi)的情況。為了釋放鉆具組的被粘住的部件，向上部鉆具組部件施加一拉伸或壓縮力，以放開被粘住的下部鉆具組部件。為了增大這種力的效果，通常在鉆具組內(nèi)、在該鉆具組的可能會被粘住在井眼內(nèi)的部件之上的一位置裝入一振動工具。這種振動工具包括例如伸縮的上部和下部部件，其中上部部件被連接到上部鉆具組部件上，而下部部件則被連接到下部鉆具組部件上。當(dāng)向上部鉆具組部件施加一拉伸或壓縮力時(shí)，上部伸縮部件首先受到防止其向上或向下運(yùn)動的一高的阻力(例如通過用于液壓油的一狹窄的流動約束)，然后突然受到防止這種運(yùn)動的一低的阻力，直到一擋塊防止其進(jìn)一步運(yùn)動。結(jié)果，最初聚集于上部鉆具組部件上的彈性能量就被突然釋放并且在下部鉆具組部件上引起一沖擊力。
釋放一鉆具組的傳統(tǒng)方法的一問題是在鉆具組與井眼壁之間出現(xiàn)大的縱向摩擦力，該摩擦力大大降低了作用于鉆具組的被粘住部件上的有效拉伸或壓縮力。特別是在較高偏離的井眼中，大部分的拉伸或壓縮力被縱向摩擦力抵消了。此外，摩擦力隨著鉆具組長度的增大而增大，從而對于較深的井眼就更難以釋放鉆具組。
此外，在井眼鉆探中，頻繁地要求通過采用一股鉆井流體從井眼中去除鉆井切屑來清洗井眼。但是，有時(shí)不能有效地去除大部分的鉆井切屑。
本發(fā)明的一目的是提供用于顯著地減少由井眼施加于鉆具組上的縱向摩擦力的一鉆具組工具和一方法。
本發(fā)明的另一目的是提供具有增強(qiáng)的井眼清洗能力的一種鉆具組工具和方法。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了用于在形成于一大地地層中的一井眼內(nèi)使用的一種鉆具組工具，該工具包括可連接到一上部鉆具組部件上的一第一元件；可連接到一下部鉆具組部件上的一第二元件；允許第一元件相對于第二元件繞鉆具組縱向軸線旋轉(zhuǎn)的軸承裝置；用于將第一元件繞縱向軸線的轉(zhuǎn)動傳遞給第二元件的旋轉(zhuǎn)傳遞裝置；和用于有選擇地分離所述旋轉(zhuǎn)傳遞裝置的控制裝置，以有選擇地允許第一元件利用所述軸承裝置而相對于第二元件轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明還提供了操作該鉆具組工具的方法，其中連接到上部鉆具組部件上的第一元件在所述井眼內(nèi)延伸，連接到下部鉆具組部件上的第二元件在井眼內(nèi)延伸，該方法包括以下步驟a)轉(zhuǎn)動上部鉆具組部件，同時(shí)旋轉(zhuǎn)傳遞裝置將第一元件的轉(zhuǎn)動傳遞給第二元件，從而轉(zhuǎn)動下部鉆具組部件，以鉆鑿所述井眼的一部分；b)使控制裝置分離旋轉(zhuǎn)傳遞裝置，從而允許第一元件相對于第二元件利用軸承裝置轉(zhuǎn)動；和c)繞其縱向軸線轉(zhuǎn)動上部鉆具組部件，同時(shí)下部鉆具組部件保持基本靜止。
當(dāng)例如下部鉆具組部件被粘住在井眼內(nèi)時(shí)，旋轉(zhuǎn)傳遞裝置分離，從而允許井眼內(nèi)的上部鉆具組部件相對于下部鉆具組部件旋轉(zhuǎn)。由于由井眼壁施加給鉆具組的摩擦力的方向是相對運(yùn)動的方向，在旋轉(zhuǎn)過程中這些力基本上在上部鉆具組部件的圓周方向。作為向鉆具組施加縱向力而可能出現(xiàn)的任何附加的縱向摩擦力分量具有一降低的幅度，這是因?yàn)榭偰Σ亮Φ姆仁怯邢薜?例如由庫侖摩擦定律所定義的)。因此通過轉(zhuǎn)動上部鉆具組部件，同時(shí)使下部鉆具組部件保持靜止，則可獲得顯著地降低縱向摩擦力分量。在下部鉆具組部件被粘住的情況中，在表面上施加的整個(gè)縱向力實(shí)質(zhì)上減少了，因此在井眼可獲得鉆具組的重量，以釋放被粘住的下部鉆具組部件。
合適的是鉆具組工具是應(yīng)用于下部鉆具組部件被粘住在井眼內(nèi)的情況中，其中在步驟c)的過程中一縱向力被施加給上部鉆具組部件，從而從井眼釋放下部鉆具組部件。
根據(jù)本發(fā)明的鉆具組部件也可被用于井眼清洗之目的，其中在步驟c)的過程中或之后，井眼流體流經(jīng)該井眼，從而從井眼中清洗出鉆鑿切屑。通過轉(zhuǎn)動上部鉆具組部件，使得井眼流體所環(huán)繞的鉆具組處于運(yùn)動中，從而巖石微粒、例如鉆鑿切屑等隨著井眼流體一起運(yùn)動。因此可以更有效地從井眼中去除這些巖石微粒，同時(shí)鉆具組下端的鉆頭保持靜止。
為了增強(qiáng)井眼清洗效率，合適的是上部鉆具組部件在步驟c)中的旋轉(zhuǎn)速度這樣選擇，以至于在井眼中的上部鉆具組部件上產(chǎn)生一橫向振動。
更好的是在步驟c)的過程中，上部鉆具組部件在井眼內(nèi)采用一螺旋形狀。這可例如通過允許上部鉆具組部件以一控制的方式扣合而獲得。旋轉(zhuǎn)的螺旋形上部鉆具組部件在井眼內(nèi)具有一泵送效果，從而井眼流體和微粒被泵送出井眼外。
下面通過結(jié)合附圖以實(shí)施例的方式更詳細(xì)地描述本發(fā)明。


圖1示意地表示根據(jù)本發(fā)明的鉆具組工具的一縱向剖面。
圖1所示的鉆具組工具1包括芯軸形式的一第一元件1a和殼體形式的一第二元件5，其中該第一元件1a由一接頭2連接到一上部鉆具組部件3上，而第二元件5則由一接頭6連接到一下部鉆具組部件7上。芯軸1a可在殼體5內(nèi)通過設(shè)置在芯軸1a與殼體5之間的軸承11而繞該工具的縱向軸線9旋轉(zhuǎn)，其中軸承11不允許芯軸1a與殼體5之間有其它的相對運(yùn)動。一離合器15經(jīng)一花鍵裝置17設(shè)置在殼體5內(nèi)，其中花鍵裝置17允許離合器15在殼體內(nèi)沿其縱向在兩個(gè)端部位置之間滑動。在離合器的最靠近芯軸1a的端部設(shè)有齒19，這些齒被裝配到設(shè)置于芯軸1a上的相應(yīng)凹口20內(nèi)。一彈簧22將離合器15壓向一第一端部位置，在此，齒19位于凹口20內(nèi)，在該第一端部位置，芯軸1a的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)相配的凹口20與齒19、并且經(jīng)花鍵裝置17而傳遞到殼體5上。
用于鉆井流體流動的一流體通道24縱向延伸穿過芯軸1a、離合器15和殼體5。用于一彈性致動球28的一支座26設(shè)置在離合器15中的流體通道24內(nèi)，支座26與致動球28的尺寸如此設(shè)定，使得當(dāng)致動球28位于支座26上時(shí)，該致動球28堵塞離合器15內(nèi)的流體通道24。在殼體5內(nèi)設(shè)有多個(gè)出口30，這些出口30在殼體5的內(nèi)部與外部之間提供流體連通。當(dāng)離合器15位于其第一端部位置時(shí)關(guān)閉出口30。離合器15的第二端部位置由適當(dāng)?shù)闹箵跹b置(未示出)限定，在該第二端部位置時(shí)彈簧22比在第一端部位置時(shí)壓縮得更多，并且出口未被離合器15關(guān)閉。
彈性球28的尺寸如此設(shè)定，使得當(dāng)在該球28的上游在流體通道24內(nèi)施加適當(dāng)?shù)倪^壓時(shí)，該球28被擠入支座26和離合器15的流體通道24內(nèi)。適于容納和保持多個(gè)球28的一球容納器(未示出)設(shè)置在殼體5內(nèi)的彈簧22所在位置的一空間32內(nèi)。
在正常使用鉆具組工具1來釋放被粘住在一井眼內(nèi)的下部鉆具組部件7的過程中，該工具1被設(shè)置在鉆具組的高于或低于裝在該下部鉆具組部件7內(nèi)的一振動工具(未示出)的位置，但高于粘住點(diǎn)位置。離合器15被彈簧22壓到作為正常鉆井位置的第一端部位置。在該位置出口30被關(guān)閉，并且芯軸1a的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由離合器15傳遞給殼體5。鉆井流體經(jīng)流體通道24被泵送到在鉆具組下端的一鉆頭(未示出)。為了釋放被粘住的下部鉆具組部件7，經(jīng)鉆具組將致動球28泵送到支座26，以堵塞流體通道24。因此流體壓力增大(由于連續(xù)地泵送)，并且迫使離合器15到達(dá)其第二端部位置。當(dāng)離合器15移向其第二端部位置時(shí)，出口30被打開，從而鉆井流體從通道24經(jīng)開口30流向鉆具組與井眼之間的環(huán)形空間(未示出)內(nèi)。
當(dāng)離合器15在其第二(端部)位置時(shí)，芯軸1a可以在殼體5內(nèi)自由地旋轉(zhuǎn)。通過上部鉆具組部件3與芯軸1a的旋轉(zhuǎn)，鉆具組與井眼壁之間的摩擦力就被周向地導(dǎo)引。在該情況下，施加于上部鉆具組部件3上的任何縱向運(yùn)動都不會導(dǎo)致較大幅度的一縱向摩擦力分量，因?yàn)橄拗屏丝偰Σ亮Φ姆?。因此，施加給上部鉆具組部件3的一拉力不會被任何較大的縱向摩擦力抵消。結(jié)果可用幾乎整個(gè)拉力來聚集上部鉆具組部件3內(nèi)的彈性能量。振動工具突然釋放這一聚集能量，從而產(chǎn)生釋放下部鉆具組部件的一強(qiáng)勁沖擊力。
在鉆具組已從井眼釋放后，一選擇的過壓被施加給通道24內(nèi)的流體，從而將球28擠壓到由球容納器容納和保持該球28位置處的空間32內(nèi)。隨著球28到達(dá)空間32內(nèi)，通道24內(nèi)的流體壓力再次降低，從而彈簧22迫使離合器15返回到其第一端部位置，以重新嚙合，并且可重新開始鉆井。
在正常使用鉆具組工具1來清洗井眼的過程中，如上所述，致動球28被泵送到鉆具組內(nèi)，以分離離合器15和打開出口30。然后上部鉆具組部件3以一選擇的速度旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一橫向振動，同時(shí)井眼流體通過鉆具組經(jīng)出口30而被循環(huán)。振動的鉆具組增強(qiáng)了循環(huán)的井眼流體的清洗效率。
替代給上部鉆具組部件產(chǎn)生橫向振動以進(jìn)行井眼清洗，也可在井眼內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過程中采用螺旋形狀來誘導(dǎo)上部鉆具組部件。旋轉(zhuǎn)的螺旋形上部鉆具組部件用作一泵，將井眼流體和包含于其中的微粒泵送到井眼外。
在另一種配置中，第二元件和振動裝置是整體地形成的。
替代如上所述采用致動球裝置來控制離合器，也可用一“J形槽(J-slot)”機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)嚙合與分離。在這種機(jī)構(gòu)中，可通過降低或升起上部鉆具組部件和對其施加一選定量的旋轉(zhuǎn)來控制離合器。這種“J形槽”機(jī)構(gòu)可應(yīng)用于例如所謂的打撈鉆桿組(fishing string)，并且可與一流體壓力脈沖致動機(jī)構(gòu)相結(jié)合，以嚙合/分離離合器。
或者可與一井下離合器致動器結(jié)合應(yīng)用一無線遙測系統(tǒng)來控制離合器。例如，在這種系統(tǒng)中，一井下泥漿脈沖接收器從表面接收一泥漿脈沖信號，該泥漿脈沖信號包含嚙合或分離離合器的指令。由控制一液壓系統(tǒng)的一電子系統(tǒng)來編碼泥漿脈沖信號，以嚙合或分離離合器。操作井下電子和液壓系統(tǒng)(包括致動器)所需的動力可以由泥漿流通過一渦輪機(jī)/交流發(fā)電機(jī)組合來產(chǎn)生，這種組合在測量和鉆井工具中是常用的。
權(quán)利要求
1.一種用于在形成于一大地地層中的一井眼內(nèi)使用的鉆具組工具，該工具包括可連接到一上部鉆具組部件上的一第一元件；可連接到一下部鉆具組部件上的一第二元件；允許第一元件相對于第二元件繞鉆具組縱向軸線旋轉(zhuǎn)的軸承裝置；用于將第一元件繞縱向軸線的轉(zhuǎn)動傳遞給第二元件的旋轉(zhuǎn)傳遞裝置；和用于有選擇地分離所述旋轉(zhuǎn)傳遞裝置的控制裝置，以有選擇地允許第一元件利用所述軸承裝置而相對于第二元件轉(zhuǎn)動。
2.如權(quán)利要求1所述的鉆具組工具，其特征是所述旋轉(zhuǎn)傳遞裝置包括一離合器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鉆具組工具，其特征是所述控制裝置包括可經(jīng)鉆具組運(yùn)動到該工具的一物體。
4.如權(quán)利要求1～3的任一項(xiàng)所述的鉆具組工具，其特征是第一元件被連接到上部鉆具組部件上，第二元件被連接到下部鉆具組部件上，并且其中鉆具組包括一振動裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的鉆具組工具，其特征是該工具與振動裝置整體地形成。
6.如權(quán)利要求4或5所述的鉆具組工具，其特征是振動裝置位于下部鉆具組部件內(nèi)。
7.一種操作權(quán)利要求1～6的任一項(xiàng)所述的鉆具組工具的方法，其中，連接到上部鉆具組部件上的第一元件在所述井眼內(nèi)延伸，連接到下部鉆具組部件上的第二元件在井眼內(nèi)延伸，該方法包括以下步驟a)轉(zhuǎn)動上部鉆具組部件，同時(shí)旋轉(zhuǎn)傳遞裝置將第一元件的轉(zhuǎn)動傳遞給第二元件，從而轉(zhuǎn)動下部鉆具組部件，以鉆鑿所述井眼的一部分；b)使控制裝置分離旋轉(zhuǎn)傳遞裝置，從而允許第一元件相對于第二元件利用軸承裝置轉(zhuǎn)動；和c)繞其縱向軸線轉(zhuǎn)動上部鉆具組部件，同時(shí)下部鉆具組部件保持基本靜止。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征是下部鉆具組部件被粘住在井眼內(nèi)，并且其中在步驟c)中一縱向力施加到上部鉆具組部件上，從而從井眼釋放下部鉆具組部件。
9.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征是在步驟c)的過程中或之后井眼流體流經(jīng)該井眼，從而清洗出井眼中的鉆鑿切屑。
10.如權(quán)利要求7～9的任一項(xiàng)所述的方法，其特征是上部鉆具組部件在步驟c)中的旋轉(zhuǎn)速度這樣選擇，以至于在井眼的上部鉆具組部件上產(chǎn)生一橫向振動。
11.如權(quán)利要求7～9的任一項(xiàng)所述的方法，其特征是在步驟c)的過程中上部鉆具組部件在井眼內(nèi)采用螺旋形狀。
12.如此前結(jié)合附圖所基本描述的工具。
13.如此前結(jié)合附圖所基本描述的方法。
全文摘要
提供了用于在形成于一大地地層中的一井眼內(nèi)使用的一種鉆具組工具(1)。該工具包括可連接到一上部鉆具組部件(3)上的一第一元件(1A);可連接到一下部鉆具組部件(7)上的一第二元件(5);允許第一元件相對于第二元件繞鉆具組縱向軸線(9)旋轉(zhuǎn)的軸承裝置(11);和用于將第一元件繞縱向軸線的轉(zhuǎn)動傳遞給第二元件的旋轉(zhuǎn)傳遞裝置(15)。此外提供有用于有選擇地分離所述旋轉(zhuǎn)傳遞裝置的控制裝置(28),以有選擇地允許第一元件利用所述軸承裝置而相對于第二元件轉(zhuǎn)動。
文檔編號E21B17/06GK1249015SQ98802821
公開日2000年3月29日 申請日期1998年2月24日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月25日
發(fā)明者布魯諾·貝斯特, 馬庫斯·安東紐斯·范·布倫 申請人:國際殼牌研究有限公司