用于旋轉(zhuǎn)/可滑動(dòng)鉆探系統(tǒng)和方法的智能擴(kuò)孔器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明大體上涉及用以擴(kuò)大所鉆探井孔的尺寸的井孔擴(kuò)孔器，且在一些非限制性實(shí)施例中更特定地涉及一種井下智能擴(kuò)孔器控制器，所述井下智能擴(kuò)孔器控制器可檢測(cè)旋轉(zhuǎn)鉆探與滑動(dòng)鉆探之間的差異，適當(dāng)?shù)厍铱焖俚貙?duì)可能在每一鉆桿立根出現(xiàn)幾次的旋轉(zhuǎn)鉆探與滑動(dòng)鉆探之間的多次改變作出響應(yīng)，其中額外控制件用以防止擴(kuò)孔器部件在不適當(dāng)?shù)臅r(shí)間的部署，例如當(dāng)鉆穿水泥、測(cè)試和在井眼內(nèi)外運(yùn)行時(shí)。
【背景技術(shù)】
[0004]可擴(kuò)張擴(kuò)孔器或井下擴(kuò)孔器在油田鉆探工業(yè)中是眾所周知的。術(shù)語(yǔ)擴(kuò)孔器與井下擴(kuò)孔器在本文中可被互換地使用，但擴(kuò)孔器常常被認(rèn)為是尺寸可與鉆頭尺寸相同或近似相同的固定刀片裝置。
[0005]常常需要出于各種原因而增加井眼中的環(huán)形空間。典型的原因可以是:提供用于固井的額外環(huán)形空間；提供增加的生產(chǎn)流程區(qū)；允許增加的套管尺寸；清潔發(fā)生膨脹的洞孔;增加環(huán)形空間以避免在運(yùn)行襯管時(shí)的波動(dòng)壓力、當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)問(wèn)題、膨脹性頁(yè)巖、脫落/塌陷、套管開(kāi)窗及類似者。
[0006]可擴(kuò)張擴(kuò)孔器可通常具有兩個(gè)基本操作狀態(tài)。在一個(gè)狀態(tài)中，一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)孔器部件關(guān)閉或處于折疊狀態(tài)，在所述折疊狀態(tài)中，擴(kuò)孔器工具的直徑較小，例如足夠小以允許所述工具穿過(guò)現(xiàn)有的開(kāi)放或下套管井孔。在第二狀態(tài)中，提供開(kāi)放或部分?jǐn)U張狀態(tài)，其中在其末端(切割器塊)上具有切割器的一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)孔器部件從工具的主體延伸。在擴(kuò)張狀態(tài)中，隨著工具在井孔中旋轉(zhuǎn)以及降低和/或升高，擴(kuò)孔器擴(kuò)大井孔直徑。擴(kuò)孔器或井下擴(kuò)孔器通常在鉆柱的旋轉(zhuǎn)期間操作且通常通過(guò)鉆探流體流動(dòng)而致動(dòng)。
[0007]在一些類型的鉆探操作(例如特定類型的定向鉆探操作)中，當(dāng)用于鉆頭的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是正位移泥漿馬達(dá)(泥漿馬達(dá))或井下渦輪(渦輪)時(shí)利用旋轉(zhuǎn)鉆探和滑動(dòng)鉆探兩者。泥漿馬達(dá)和渦輪具有類似組件，所述組件為動(dòng)力段、傳輸彎外殼段和軸承穩(wěn)定器段。動(dòng)力段包括轉(zhuǎn)子和定子，由此轉(zhuǎn)子通過(guò)泥漿馬達(dá)中的空腔或渦輪中的渦輪級(jí)中的任一者上的壓降而轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)鉆頭。傳輸彎外殼段含有耦合件，在所述耦合件內(nèi)部消除所有偏心轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)且適應(yīng)彎外殼的未對(duì)準(zhǔn)，同時(shí)將扭矩和向下推力傳輸?shù)津?qū)動(dòng)軸。軸承穩(wěn)定器段含有軸承組合件，其包括多個(gè)推力軸承盒、徑向軸承、流量限制器和驅(qū)動(dòng)軸。軸承組合件的外殼可具有螺紋外徑(0.D.)以適應(yīng)穩(wěn)定器套筒上的螺紋。如果不需要穩(wěn)定化，那么可使用無(wú)螺紋版本的光滑外殼。驅(qū)動(dòng)軸具有標(biāo)準(zhǔn)鉆探螺紋連接件以將馬達(dá)連接到鉆頭。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，用于本文中所使用的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的術(shù)語(yǔ)是泥漿馬達(dá)。
[0008]當(dāng)鉆柱大體上未旋轉(zhuǎn)且彎管經(jīng)定向在所需方向上以將井孔的軌跡導(dǎo)向朝向目標(biāo)位置時(shí)，在滑動(dòng)鉆探期間利用泥漿馬達(dá)。
[0009]作為用泥漿馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)/滑動(dòng)定向轉(zhuǎn)向過(guò)程的部分，常常在旋轉(zhuǎn)鉆探與滑動(dòng)鉆探之間頻繁地改變鉆柱?；瑒?dòng)鉆探產(chǎn)生初始偏差弧，然后接著進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆探以提供定向控制。例如，可在鉆探每一鉆桿立根的同時(shí)在若干不同時(shí)間交替地使用滑動(dòng)鉆探和旋轉(zhuǎn)鉆探兩者，其中鉆桿立根可包括兩個(gè)或兩個(gè)以上連接在一起的鉆桿。由于鉆探類型的頻繁交替改變，現(xiàn)有技術(shù)的可擴(kuò)張擴(kuò)孔器在用于旋轉(zhuǎn)/滑動(dòng)定向轉(zhuǎn)向操作時(shí)具有顯著的缺點(diǎn)，從而使得所述擴(kuò)孔器對(duì)于此目的是不合適的、打開(kāi)和關(guān)閉緩慢和/或能力不足。
[0010]許多可擴(kuò)張擴(kuò)孔器響應(yīng)于以特定速率或壓力抽吸鉆探流體而擴(kuò)張。然而，由于需要在滑動(dòng)定向鉆探期間抽吸鉆探流體，故如果擴(kuò)孔器僅由于鉆探流體流動(dòng)而擴(kuò)張，那么這可能是非常有問(wèn)題的。在大多數(shù)情況下，可擴(kuò)張擴(kuò)孔器經(jīng)設(shè)計(jì)以保持關(guān)閉直到球、飛鏢、RFID標(biāo)簽或其它對(duì)象掉落或被抽吸到鉆柱的內(nèi)徑(ID)下為止，從而最初地?cái)U(kuò)張所述工具。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文中用于所掉落對(duì)象的術(shù)語(yǔ)是球。球到達(dá)擴(kuò)孔器所需的時(shí)間導(dǎo)致顯著的損失鉆機(jī)時(shí)間，使得此類型的可擴(kuò)張擴(kuò)孔器不適合于用泥漿馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)/滑動(dòng)鉆探操作。即使此類型的裝置可被重復(fù)地關(guān)閉以用于滑動(dòng)鉆探(通常不是這種情況)，此類型的激活也并不良好地適于在滑動(dòng)鉆探與旋轉(zhuǎn)鉆探之間快速地切換。使球掉落來(lái)關(guān)閉擴(kuò)孔器以用于滑動(dòng)鉆探由于大量的損失鉆機(jī)時(shí)間而并非實(shí)際上實(shí)用的。
[0011 ]可以利用對(duì)鉆探流體流動(dòng)或壓力的變化作出響應(yīng)(由此臨時(shí)縮減標(biāo)稱流動(dòng)速率)的機(jī)械和/或液壓系統(tǒng)來(lái)多次擴(kuò)張或關(guān)閉所述工具，這是可行的，而不需要使球掉落。然而，當(dāng)在旋轉(zhuǎn)鉆探與滑動(dòng)鉆探之間頻繁地切換時(shí)，擴(kuò)張或縮回?cái)U(kuò)孔器部件所需的流體流動(dòng)或壓力的變化在操作方面是耗時(shí)的?？s減流動(dòng)速率還可不利地影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。另外，重復(fù)的流動(dòng)縮減將由于切換而顯著地增加時(shí)間損失，且可隨著頻繁的切換而易于產(chǎn)生人員操作誤差與機(jī)械操作誤差兩者。
[0012]利用電子系統(tǒng)的最近技術(shù)可需要頻繁的下行鏈路命令。可將下行鏈路命令描述為按特定序列對(duì)鉆機(jī)栗和/或旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置進(jìn)行手動(dòng)變更。還可使用受控閥來(lái)傳輸下行鏈路命令，所述受控閥將前往立管的鉆探流體的一部分分流回到活動(dòng)泥漿罐。當(dāng)在旋轉(zhuǎn)鉆探與滑動(dòng)鉆探之間頻繁地切換時(shí)，下行鏈路傳輸將經(jīng)編碼指令傳輸?shù)骄码娮悠骷源蜷_(kāi)或關(guān)閉井下擴(kuò)孔器。然而，重復(fù)的下行鏈路傳輸在擴(kuò)張或縮回之間切換擴(kuò)孔器部件時(shí)導(dǎo)致顯著的時(shí)間損失。
[0013]可擴(kuò)張擴(kuò)孔器的一般領(lǐng)域中的背景專利與公告的實(shí)例包含:
[0014]美國(guó)公告號(hào)2013/0306，373公開(kāi)包括工具主體、切割器塊和傳感器的電子激活工具，所述電子激活工具具有用于附接到鉆探支撐和旋轉(zhuǎn)以便允許井眼(尤其是在石油和天然氣鉆探中)的直徑的同時(shí)井下擴(kuò)孔和測(cè)量的構(gòu)件，所述電子激活工具的特征在于使用通過(guò)泥漿脈沖、光纖、無(wú)線傳輸而發(fā)送的電子信號(hào)的激活構(gòu)件，或還可在鉆探期間傳達(dá)命令以及從井下擴(kuò)孔器接收數(shù)據(jù)的其它構(gòu)件、并入適合于測(cè)量切割器塊與工具的相對(duì)位置的定位傳感器的至少一個(gè)徑向可延伸切割器塊、用以測(cè)量井眼直徑的至少一個(gè)井徑儀構(gòu)件，所有構(gòu)件都通過(guò)使用接收器、傳感器和微處理器的通信構(gòu)件而相互鏈接。
[0015]美國(guó)公告號(hào)20100282511公開(kāi)用于井下鉆柱上的有線擴(kuò)孔器。在一些實(shí)施例中，擴(kuò)孔器包含擴(kuò)孔器主體，所述擴(kuò)孔器主體包括穿過(guò)其的路徑和定位在所述路徑內(nèi)以用于傳輸電力或通信中的至少一者的布線。在其它實(shí)施例中，擴(kuò)孔器包含擴(kuò)孔器主體，所述擴(kuò)孔器主體包括封閉在擴(kuò)孔器主體內(nèi)的路徑、定位在所述路徑內(nèi)以用于傳輸電力或通信中的至少一者的布線、位于擴(kuò)孔器主體內(nèi)的傳感器和處理器。傳感器與布線連接以用于通過(guò)布線來(lái)傳輸傳感器所測(cè)量的數(shù)據(jù)，且處理器與布線連接以用于從傳感器接收數(shù)據(jù)。
[0016]美國(guó)專利號(hào)8，235，144公開(kāi)一種擴(kuò)張和感測(cè)工具，所述工具包括工具主體、切割器塊和傳感器，以上裝置允許石油和天然氣鉆機(jī)所鉆探的井眼的直徑的同時(shí)井下擴(kuò)孔和測(cè)量。并入所述塊上或所述主體內(nèi)含有的定位傳感器的徑向可延伸切割器塊測(cè)量所述切割器塊相對(duì)于工具的位置，且振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量振動(dòng)和井下擴(kuò)孔井眼尺寸。接收器、傳感器和微處理器傳遞所需的井眼深度，既同時(shí)地比較測(cè)定振動(dòng)數(shù)據(jù)和井下擴(kuò)孔參數(shù)又使其相關(guān)。所述工具可任選地被配置有井徑儀或穩(wěn)定器。
[0017]美國(guó)公告號(hào)20110284233公開(kāi)經(jīng)配置以用于重復(fù)和選擇性液壓致動(dòng)和撤銷激活的井下工具組合件?；钊M合件經(jīng)配置以在井下工具主體中軸向地往復(fù)移動(dòng)。活塞組合件在第一軸向位置和與所述第一位置軸向地相對(duì)的第二和第三軸向位置之間往復(fù)移動(dòng)。井下工具在活塞組合件處于第三軸向位置時(shí)被致動(dòng)，且在活塞組合件處于第一或第二軸向位置中的任一者時(shí)被撤銷激活。當(dāng)工具主體中的鉆探流體壓力推進(jìn)活塞組合件朝向第二和第三軸向位置時(shí)，彈簧部件使活塞組合件偏向第一軸向位置?？蓮牡孛婵刂凭鹿ぞ咧聞?dòng)和撤銷激活，例如經(jīng)由循環(huán)鉆探流體流動(dòng)速率。
[0018]美國(guó)專利號(hào)5，060，736公開(kāi)一種井底組合件，其具有由井下馬達(dá)和位于鉆柱上的馬達(dá)上方的穩(wěn)定器驅(qū)動(dòng)的鉆頭。還提供子組合件以用于控制在鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)按需操作的鉆頭軌跡。子組合件包括直接位于鉆頭上方的井下擴(kuò)孔器。井下擴(kuò)孔器被液壓致動(dòng)以使切割器縮回和延伸。
[0019]美國(guó)專利7，506，703和7，597，158公開(kāi)部署在鉆柱的遠(yuǎn)端上的可擴(kuò)張鉆探設(shè)備，且包含切割頭和鄰近于所述切割頭的大體上管狀主體，從而提供經(jīng)配置以收納臂組合件的多個(gè)軸向凹座，所述臂組合件經(jīng)配置以在縮回位置與延伸位置之間平移。當(dāng)鉆探流體壓力超過(guò)激活值時(shí)，流量開(kāi)關(guān)致動(dòng)臂組合件，且所述鉆探設(shè)備包含用以在鉆探流體壓力降到低于重置值時(shí)重置所述臂組合件的偏置部件。
[0020]美國(guó)專利5，746，278公開(kāi)用于在鉆孔或擴(kuò)孔操作期間控制地下鉆孔機(jī)器的設(shè)備和方法。鉆孔工具在以選定旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿著地下路徑位移。響應(yīng)于影響鉆孔工具沿著地下路徑前進(jìn)的地下條件的變化，控制系統(tǒng)在以選定旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)鉆孔工具的同時(shí)還并行地修改鉆孔工具沿著地下路徑的位移速率?？刂破鞅O(jiān)視液體被抽吸通過(guò)井孔的速率且自動(dòng)地調(diào)整位移速率和/或液體流動(dòng)速率，使得足夠的液體流過(guò)井孔以移除鉆孔工具所產(chǎn)生的切肩和碎片。提供傳感器來(lái)感測(cè)旋轉(zhuǎn)、位移和液體分配栗中的壓力水平，且電子控制器不斷地監(jiān)視傳感器所檢測(cè)的水平。當(dāng)控制器檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)栗壓力上升到高于不能接受的水平時(shí)，控制器通過(guò)縮減鉆孔工具沿著地下路徑的位移速率來(lái)松開(kāi)鉆孔工具，同時(shí)以預(yù)選定速率維持鉆孔工具的旋轉(zhuǎn)。此類松開(kāi)會(huì)縮減旋轉(zhuǎn)栗上的負(fù)荷且允許壓力恢復(fù)到可接受的水平?？刂破髟跈z測(cè)到旋轉(zhuǎn)栗壓力已降到低于設(shè)置水平之后重新接合鉆孔工具。
[0021 ]美國(guó)專利7，823，663公開(kāi)一種井下設(shè)備，其包括主體、安裝在所述主體上且可在縮回配置與延伸配置之間移動(dòng)的可延伸部件，以及用于將所述可延伸部件維持在縮回配置中的可遠(yuǎn)程操作的保持布置?？裳由觳考蔀榍懈钇?，使得所述設(shè)備可為切割設(shè)備，例如擴(kuò)孔器。操作者可控制所述設(shè)備以將切割部件保持在縮回配置中，或防止切割部件的延伸。
[0022]美國(guó)專利8，215，418公開(kāi)用于對(duì)井孔擴(kuò)孔的可擴(kuò)張擴(kuò)孔器設(shè)備和方法，其中可將管狀主體所攜帶的可橫向移動(dòng)刀片選擇性地定位在向內(nèi)位置和擴(kuò)張位置處。由刀片偏置元件向內(nèi)保持的可橫向移動(dòng)刀片可由被選擇性地允許與其連通的鉆探流體借助于安置在管狀主體內(nèi)的致動(dòng)套筒而被迫向外?；蛘?，分離元件可將來(lái)自鉆探流體的力或壓力傳輸?shù)娇梢苿?dòng)刀片。此外，與可移動(dòng)刀片連通的腔室可借助于井下渦輪或栗而被加壓。脊?fàn)蠲芊夤嗡?、補(bǔ)償器、可移動(dòng)軸承襯墊、在可移動(dòng)刀片前方的固定軸承襯墊或用以變更擴(kuò)張刀片位置的可調(diào)整墊片元件可包含在可擴(kuò)張擴(kuò)孔器內(nèi)。另外，可產(chǎn)生指示可擴(kuò)張擴(kuò)孔器的操作特性的鉆探流體壓力響應(yīng)。
[0023]美國(guó)專利6，470，977公開(kāi)用于鉆探井孔的彎段和直段兩者的可轉(zhuǎn)向井底組合件，其中所述井底組合件包含在井下馬達(dá)下方的擴(kuò)孔器。井底組合件包含具有界定鉆頭直徑的鉆頭面的鉆頭，以及計(jì)量段，所述計(jì)量段具有近似鉆頭直徑的大體上均勻直徑圓柱表面且具有鉆頭直徑的至少75%的軸向長(zhǎng)度。所述馬達(dá)優(yōu)選在沒(méi)有穩(wěn)定器的情況下流暢地運(yùn)行以用于接合井孔的壁。
[0024]美國(guó)專利6，732，817公開(kāi)一種井下工具，其用作井下擴(kuò)孔器或者用作被井下擴(kuò)孔的井孔中的穩(wěn)定器。所述工具包含安置在主體內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)臂，所述主體具有穿過(guò)