CN100347398C - 钻井钻头组件和井管柱组件 - Google Patents

Abstract

一种井管柱组件，包括：一个管状第一井管柱部分，所述第一井管柱部分具有一个通道；一个第二井管柱部分，所述第二井管柱部分与第一井管柱部分相配合；及一个可松开的井管柱互连机构，所述井管柱互连机构用于选择性地将第一和第二井管柱部分互连；一个辅助工具，所述辅助工具用于操作第二井管柱部分，上述辅助工具可以沿着第一井管柱部分中的通道移动到第二井管柱部分，辅助工具包括一个工具连接机构和一个操作机构，上述连接机构用于选择性地将辅助工具连接到第二井管柱部分上，而上述操作机构用于操作井管柱互连机构。

Description

钻井钻头组件和井管柱组件

技术领域

本发明涉及一种用于从地面向下延伸的井中的井管柱组件。具体地说，本发明涉及一种钻井钻头组件，所述钻井钻头组件适合于在钻井钻头“贯通式钻头(through-bit)作业”前方的井中进行作业。

背景技术

井管柱(well string)一词用来指用于在井眼中作业，如钻井、测井、流体运输的任何管柱或井管。井管柱在它的整个长度上不一定必需是管状。井管柱尤其可以是一种钻柱，并可以包括一种钻井钻头。

国际专利申请出版物No.WO 00/17488公开了一种用于在地层中形成的井眼中进行钻井和测井的系统，其中测井工具可以从钻柱内部穿过钻柱下端处的钻井钻头下放在井眼中。

已知系统包括一个钻井钻头，所述钻井钻头包括一个钻头体和一个通道的封闭元件，上述钻头体设置一个用于测井工具的通道，而上述通道的封闭元件，在钻头端面处呈一个插入分段的形式。在钻头体的钻柱侧，钻头体可安装到一个管状钻柱上，而通道从钻柱侧的一个开口延伸到钻头体外部的井中。封闭元件包括一个钻头连接机构，所述钻头连接机构呈一种一次卡锁装置的形式，上述钻头连接机构用于选择性地将封闭元件连接到钻头体上，以便选择性地封闭通道。

已知系统还包括一个用于操纵封闭元件的辅助工具，上述辅助工具形成测井工具管柱的下游部分。

在说明书和权利要求书中，术语上游、上面和下游、下面的使用与将一个钻具下放到一个井眼中有关，因此上游、上面比下游、下面更接近地面。

已知系统的测井工具管柱的安装，使其可以沿着通道从连接的钻柱，穿过在钻柱侧处钻头体的开口，以便当封闭元件连接到钻头体上时，它可以到达封闭元件。辅助工具包括一个工具连接机构，所述工具连接机构呈二次卡锁装置的形式，该二次卡锁装置用于选择性地将辅助工具连接到封闭元件上。二次卡锁装置还设置成，在将辅助工具卡锁到封闭元件上的同时，主卡锁机构被操作，以使封闭元件保持连接到辅助工具上的同时，与钻头体分开。

当封闭元件连接到钻头体上时，已知系统的钻井钻头可以用于钻井作业。当希望对地层测井时，停止钻井作业，并将其下端处带有辅助工具的测井工具管柱通过钻柱下放到通道中。工具连接机构(二次卡锁机构)连接到封闭元件上，同时，操作钻头连接机构(主卡锁机构)，以便释放钻头体中的封闭元件。然后，可以把测井工具从能进行测井的地方下放到钻井钻头前面的井眼中。在测井完成之后，可以将测井工具管柱往后拉入钻柱中，以便将封闭元件再连接到钻头体上，而同时使辅助工具与封闭元件分开。

已知的系统具有坚固性有限的缺点。底部井眼设备的失效-安全操作在钻井作业中一般很重要。已知系统例如有在辅助工具不完全连接到封闭元件上的情况下，封闭元件不充分连接到钻头上的危险。在移开封闭元件期间，以及当完成测井之后试图重新插入封闭元件时，这种情况可能发生。因此，封闭元件可能丢失在井眼中。在国际专利申请出版物No.WO 03/004825中所公开的卡锁机构具有相同的缺点，上述国际专利申请在本发明的优先权日未发表。

美国专利出版物No.3554304公开了一种带切割器元件的钻井钻头，上述切割器元件在有浮纬花纹(overshot)的普通钢丝绳上穿过钻管下放，并通过一个卡锁机构锁紧在钻管的下端。钢丝绳可以拉回到地面上，并再次放下以便重新连接到切割器元件上。为了将切割器元件移到地面上，通过简单地拉动钢丝绳将卡锁机构松开。

本发明的目的是提供一种井管柱组件，所述组件能通过卡锁机构进入井管柱的外部的井中，并且能够坚固而失效-安全地作业。具体的目的是提供一种钻井钻头组件，所述钻井钻头组件适合于贯通式钻头作业，它能坚固而失效-安全地操作封闭元件和钻头体之间以及封闭元件和辅助工具之间的连接。

发明内容

为此，按照本发明，提供了一种井管柱组件，所述井管柱组件包括一个井管柱元件，该井管柱元件包括：

-一个管状第一井管柱部分，所述第一井管柱部分具有上端和下端，在上述上端和下端之间设置了一个通道；

-第二井管柱部分，所述第二井管柱部分与第一井管柱部分的下端相配合；及

-一个可松开的井管柱互连机构，所述井管柱互连机构用于选择性地使第一和第二井管柱部分互连；

井管柱组件还包括一个用于操纵第二井管柱部分的辅助工具，上述辅助工具设置成，当第一和第二井管柱部分互连时，辅助工具可以沿着第一井管柱部分中的通道移动到第二井管柱部分，其中辅助工具包括一个工具连接机构和一个操作机构，上述工具连接机构用于选择性地将辅助工具连接到第二井管柱部分上，而上述操作机构用于操作井管柱互连机构，

其中：辅助工具包括一个第一构件和一个第二构件，上述第一构件包括工具连接机构，而上述第二构件包括操作机构，第二构件设置成可移动，以便它可以相对于第一构件处于一个第一和一个第二位置；在第一位置，工具连接机构至少是在第一和第二井管柱部分互连时，可在不操作井管柱互连机构的情况下连接到第二井管柱部分上；及在辅助工具连接到第二井管柱部分上之后，可通过移动第二构件操作井管柱互连机构，上述第二构件包括在第一和第二位置之间的操作机构。

本发明从辅助工具必需实施两种功能这一观点出发。一方面，辅助工具必需连接到第二(下面)井管柱部分上。另一方面，井管柱互连机构(比如一种将封闭元件连接到钻头体上的连接机构)需要如此操作，以便使两井管柱部分相互分开。还应该认识到，如果辅助工具的两种功能可以以一特殊方式相互断开联系，则利用辅助工具操纵第二井管柱部分(比如封闭元件)的坚固性可以增加，因此井管柱互连机构只有在辅助工具连接到第二并管柱部分上时才能操作。这样防止了第二井管柱部分在井眼中的可能丢失，因为如果它完全连接到辅助工具上，则它只能与上面第一井管柱部分分开。当与打开井管相反操作时，则在敞开的井眼中完成了操作之后，辅助工具只有在两个井管柱部分再次适当地互连时才能移开。

本发明实现使各功能断开联系，在于辅助工具包括第一和第二构件，上述第一和第二构件每个都主要与其中一个功能有关，并且它们可彼此相对移动。在第一和第二构件之间的第一相对位置中，辅助工具可以连接到第二井管柱部分上，并且通过将第一和第二构件移动到它们的第二相对位置中，操作井管柱互连机构。

在一个具体实施例中，本发明的井管柱组件是一种适合用于贯通式钻头操作的钻井钻头组件，其中井管柱元件是一种钻井钻头，第一井管柱部分是一种可在其上端处固定到管状钻柱上的钻头体，以及该通道在该上端处的一个开口与钻头体外部之间延伸；其中第二井管柱部分是用于通道的封闭元件；以及其中井管柱互连机构是一种钻头连接机构，所述钻头连接机构用于松脱地将封闭元件连接到钻头体上，以便选择性地封闭通道。

在另一个具体实施例中，第一井管柱部分包括一个管状井管柱，所述管状井管柱具有上端和下端，及第二井管柱部分包括一个井管柱，所述井管柱具有上端和下端，上述第二井管柱部分的上端设置成与辅助工具及与第一井管柱部分的下端相配合，而其下端可固定到钻井钻头上。在这个实施例中，第一和第二井管柱部分形成一个井管柱，所述井管柱可在钻井钻头上方伸缩地打开和封闭。

在辅助工具的一个有利的实施例中，工具连接机构设置在第一构件的下游端附近，操作机构安装在第二构件的下游端附近，及第二构件设置成沿着通道在纵向上相对于第一构件滑动。因而合适的是，在第一相对位置，第二构件相对于第一构件处于上游位置，并且当第二构件朝第二相对位置方向移动时，第二构件朝下游方向移动。

这个实施例是有利的，因为它能只通过纵向运动来简单地操作井管柱互连机构。通过在第一相对位置降低带第二构件的辅助工具，辅助工具可以连接到第二井管柱部分上。在第二构件相对于第一构件进一步纵向运动的情况下，可以操作井管柱互连机构。这种纵向运动可以很容易产生。

合适的是，第二井管柱部分上游的通道和/或辅助工具装有一个定向装置用于给辅助工具角向定向，因此通过使辅助工具和第二井管柱部分在连接时(命令打开通道时)，彼此相对处于预定的角度定向，并且还处于预定的角度位置以再次封闭通道，可以进一步保证失效-安全操作。术语角度定向用来指绕井管柱纵向轴线旋转，并且角处于横向平面中。合适的是，为此，辅助工具在它的外壁处设置一个向外伸出的键，而通道的内壁设置两个导向凸缘，所述两个导向凸缘形成一个中心导槽，键可以穿过上述中心导槽，导槽具有上游端和下游端，还设置一个上游凸轮凸缘和一个下游凸轮凸缘，上述上游凸轮凸缘从导槽上游的一个位置完全绕内壁延伸到导槽的上游端，而上述下游凸轮凸缘从导槽下游的一个位置完全绕内壁延伸到导槽的下游端，其中凸轮凸缘和导向凸缘充分伸入通道中，以便当辅助工具穿过通道移动时，与键接合并将所述键导入导槽中，因而给辅助工具角度定向。可供选择地，凸轮凸缘和导槽也可以设置在辅助工具的圆周上，而键设置在通道的内表面上。

辅助工具的工具连接机构和封闭元件的配合部分进一步适当地成形，以便只有处于它们之间预定的正确的相对角向位置时，正如由定向装置所决定的，才将辅助工具连接到第二井管柱部分上或与所述第二井管柱部分分开，并且进一步操作井管柱互连机构才是可行的。

附图说明

现在将更详细并参照附图论述本发明及其优点，其中

图1示意性地示出按照本发明井管柱元件的第一实施例；

图2示意性地示出按照本发明辅助工具的上游部分；

图3示意性地示出按照本发明一种辅助工具的下游部分；

图4示意性地示出在图3中IV-IV处所作的剖视图；

图5示意性地示出辅助工具与钻井钻头之间的相互作用的第一种状态；

图6示意性地示出辅助工具与钻井钻头之间的相互作用的第二种状态；

图7示意性地示出辅助工具与钻井钻头之间的相互作用的第三种状态；

图8示意性地示出按照本发明一种井管柱元件的第二实施例，其中第一和第二井管柱部分相互连接在一起；

图9示出在井管柱部分已相互分开之后的图8的实施例；

图10示意性地示出第二实施例的互连机构；

图11-13示意性地示出在第二实施例中井管柱部分与辅助工具之间相互作用的几种状态；

图14示意性地示出供本发明用的一种定向装置的实施例；

图15示出通过沿着图14上线段II-II切开管状构件并展开而得到的图14定向装置展开的内壁平面图。

具体实施方式

本发明的第一实施例将参照图1-7进行描述。在这个实施例中，井管柱组件是一种适合于贯通式钻头操作的钻井钻头组件，井管柱元件是一种钻井钻头，第一井管柱部分是具有一个通道的钻头体，第二井管柱部分是一种用于通道的封闭元件；井管柱互连机构是一种钻头连接机构，所述钻头连接机构松脱地将封闭元件连接到钻头体上，以便选择性地封闭通道。

参见图1，图1示出一种用于贯通式钻头作业的钻井钻头1的纵向剖视图，上述钻头适合于与本发明一起用。钻井钻头1表示在井眼2中，并安装到钻柱3的下端上。钻井钻头1包括一个钻头体6，所述钻头体6包括一个钻头柄7，上述钻头体6和钻头柄7一起，在钻柱3的内部3a和钻井钻头1外部的井孔2之间形成一个用于钻具的中间纵向通道8，如下面将更详细指出的。一些钻头管口安装在钻头体6中。为了清楚起见，只示出了一个管口9。管口9经由钻管沟道9a连接到通道8上。

钻井钻头1还设置一个可拆卸的封闭元件10，在图1中所述封闭元件10处于对通道8的封闭位置。这个例子的封闭元件10包括一个中心插入分段12和一个卡锁分段14。插入分段12在它的前端处设置若干切割元件16，上述切割元件16如此安装，以便在封闭位置与在钻头体6前端处的切割器18一起形成接合的钻头端面。切割元件16和18可以是聚晶金刚石切割器。插入分段也设置管口19。另外，插入分段和钻头体6的配合面适当地加工成一定形状，以便能把钻孔转矩从钻柱3传送到插入分段12。

卡锁分段14固定地安装到插入分段12的后端上，上述卡锁分段14具有基本上是圆筒形状，并以狭小的间隙伸入到钻头体6内的中心纵向孔20中。纵向孔20形成通道8的一部分，它还提供与插入分段12中的管口19成流体连通。

通过卡锁分段14，封闭元件10可拆卸地安装到钻头体6上。封闭元件10的卡锁分段14包括一个基本上是圆筒形的外套筒23，所述外套筒23以狭窄的间隙沿纵向孔20延伸。一个密封圈24安装在外套筒23周边的一个槽中，以便防止沿着卡锁分段14的外表面流体连通。连接到套筒23下端上的是插入分段12。卡锁分段14还包括一个内套筒25，所述内套筒25滑动地装配到外套筒23中。内套筒25具有一个环形凸缘26，所述环形凸缘26在上游方向偏置在外套筒23的内凸肩28上。偏置力由一个部分压缩的螺旋形弹簧30施加，上述螺旋形弹簧30推动内套筒25离开插入分段12。在内套筒25的下端处，设置一个环形凹槽32，所述环形凹槽32安装成接纳弹簧30的上部。

外套筒23设置若干凹槽34，在所述凹槽34中安装卡锁球35。卡锁球35具有一个比套筒23的壁厚大的直径，并且每个凹槽34都安装成宽松地放入相应的球35，以便它可以在套筒23之内和之外沿径向移动一有限的距离。在图中示出了两个卡锁球35，然而，很显然，可以安装更多的卡锁球。作为替代卡锁球的一种方案，可以使用卡锁爪。

在如图1所示的封闭位置中，卡锁球35被内套筒25从径向上向外推，并存放在环形凹槽36中，该环形凹槽36设置在孔20周围的钻头体6中。这样把封闭元件10锁紧到钻井钻头1上，并且卡锁球35与槽36一起形成钻头连接机构的一部分，所述钻头连接机构用于将封闭元件10连接到钻头体6上。

内套筒25另外设置一个环形槽37，所述环形槽37在封闭位置，纵向上相对于凹槽36朝钻柱3的方向，亦即朝上游方向位移。也可以设置若干内槽38。正如下面将要更详细说明的，钻头连接机构可以通过产生内套筒25相对于外套筒23的纵向运动进行作业，因为这样卡锁球35可以锁入到槽36中或者从槽36中释放出来。

外套筒23的上游端23a是漏斗形，以便将辅助工具导入卡锁分段14中，上述辅助工具用来连接到封闭元件上并使钻头连接机构动作。卡锁槽39设置在外套筒23中，并与辅助工具的工具连接机构配合。

卡锁分段14还包括一个双向定向装置40和一个弹簧偏置的动作钮45，上述双向定向装置40和弹簧偏置的动作钮45二者安装成与辅助工具相配合，上述辅助工具可以穿过钻柱的内部开展工作以操纵封闭元件10。定向装置40包括一个导槽41，所述导槽41由向内延伸的凸缘42a、42b形成，所述凸缘42a、42b紧紧地围绕通道8的圆周在上游和下游方向延伸，以便形成一个上游凸轮凸缘43和下游凸轮凸缘44。为了清楚起见，定向装置40表示成如图1所示，然而其合适的定向是将导槽41安装成与钮45相对。

现在将描述辅助工具的一个实施例。

参见图2-4。图2示意性地示出一种辅助工具的上游部分，而图3以纵向剖视图形式示出按照本发明所述一种辅助工具的下游部分。图4示出在图3中IV-IV处所作的剖视图。

用于操纵封闭元件10的辅助工具50如此安装，以便当封闭元件10如图1所示连接到钻头体6上时，它可以沿着通向封闭元件10的通道，从表面穿过钻柱3的内部。为此，辅助工具是细长的，并且基本上是圆筒形，所述圆筒的最大外径小于钻柱3的内径。必须穿入到钻井钻头里并且可能穿过钻井钻头的辅助工具最下游部分具有的最大外径小于通道的最小直径。当钻井钻头1的直径小到15cm(6英寸)，或21cm(8.5英寸)，或31cm(12.25英寸)时，通道的典型最小直径为6cm(2.5英寸)。

辅助工具包括一个第一外部构件55和一个呈内部活塞56形式的第二构件。这个例子中的外部构件55具有一个外壳，所述外壳由一些部分57、58、59形成，部分57、58、59通过螺钉60、61组装。外部构件55包括在其最下游端处的工具连接机构。工具连接机构包括4个卡瓣63，所述4个卡瓣安装成与封闭元件10的卡锁分段14中的卡锁槽39配合，以便选择性地和松脱地将辅助工具连接到封闭元件上。

内部活塞56在其下游端处设置一个操作机构，所述操作机构呈一种柱塞64形式。柱塞64在其最下游端处具有一十字形横截面，如在图4中最佳可看出的，并且柱塞64用来在纵向上使内套筒25相对于卡锁分段的外套筒23移动。为此，内部活塞56在纵向上可相对于外部构件55活动。在标号66处，柱塞64表示成处于第一收缩位置。这个位置同时表征第一外部构件56与内部活塞(第二构件)56之间的相对位置。这也可从图2中辅助工具50的上游部分中看到，其中连接到内部活塞56上部的轴67从外部构件55的上部完全收缩。轴67具有一个凸肩68，并通过一个旋转接头69连接到另外的设备(未示出)如管子或一个测井工具上。

该旋转接头能使这种另外的设备相对于辅助工具旋转。

在柱塞处于这种收缩位置情况下，外部构件55的卡瓣63具有朝向辅助工具的轴线70的横向挠性，因此它们可以进入卡锁分段14并连接到卡锁槽39中。内部活塞56也可以在纵向上移动，以便处于相对于外部构件55的其它位置。一个这样的位置用点划线表示在标号71处，并且在这个位置，卡瓣63不能朝轴线方向弯曲。

柱塞64布置成使其能够推入到内套筒的上端，因此形成如前所述的工具连接机构的操作机构。

这将对图5-7更详细地描述。

辅助工具另外设置若干部分，所述部分进一步地支持失效—安全操作：把构成第一保持装置的上游触发器72和构成第二保持装置的下游触发器73安装在外部构件55上，以便与内部活塞56上的凹槽25以及与钻头体6的钮45配合，下面将要更详细说明。触发器72和73设置缺口77、78，并枢轴式绕轴82、83安装，上述缺口77、78延伸穿过外壳58中的一个开口80，其中缺口的相对端通过弹簧86、87在朝内部活塞56的方向偏置。

外壳还设置一个键90，所述键90从外部构件55下游部分的基本上是圆筒形外表面上伸出，与钻头体6的双向定向装置40配合。键90是细长的，平行于轴线70的方向，并具有锥形边缘，同时使它具有象船一样的形状。该键由弹簧92支承。也可以安装两个纵向上间隔开的分开的键代替船形的细长键。键90的下游并稍微在角度方向错开的，有一个防撞钮，所述防撞钮呈沿径向上向外延伸的尖头95的形式，上述尖头95由一个弹簧97支承。

内部活塞56还可以设置若干指状件(为清楚起见未示出)，所述指状件延伸在柱塞64更下游处，上述指状件可以与封闭元件10中的槽38配合。这样，内部活塞也可以按预定的位置连接到插入分段上，这样万一由于拉动或泵送而在插入分段12上产生很强的纵向上向外的力，也可以有助于失效—安全操作。

各部分保证失效—安全操作的功能从图5-7的描述将变得显而易见。

参见图5-7，图5-7示出辅助工具和钻井钻头与互连机构18之间相互作用的几个步骤。标号与图1-4中已经使用的那些标号相对应。

如图1所示处于封闭位置的带有封闭元件10的钻井钻头1可以用来掘进井眼2。

如图1所示处于封闭位置的带有封闭元件10的钻井钻头1具有常规PDC钻井钻头的形状和全部功能，并可以用该技术中众所周知的相同方法，比如通过使钻柱3旋转并把重量加在钻头上，用于正常的钻井作业。

当希望通过从封闭元件10的封闭位置中移开封闭元件10来打开通道10时，首先把钻井钻头定位在井眼底部的上方一个距离。然后，可以将封闭元件10从钻井钻头1中的封闭位置向外移开。

为此，将辅助工具50从地表或者从钻柱3内部一个位置降下，沿着通道8穿过钻头体钻柱侧的开口从钻柱进入钻头体6。

当降下辅助工具50时，内部活塞56处于它的收缩位置66，所述收缩位置在说明书中和在权利要求书中也称之为相对于外部构件56的第一位置。当辅助工具的下面部分进入钻头体6中时，键90接合上游的凸轮凸缘43(为清楚起见图5-7中未示出)，并且辅助工具绕旋转接头69转动，以便刚好在辅助工具接触卡锁分段14的点之前，在工具连接机构和卡锁分段14之间达到一预定的角向位置。

在外部构件56的下游端上形成工具连接机构的卡瓣63被外部套筒23的漏斗形上游端23a接纳并导向到卡锁分段14中。卡瓣63的支腿向内变形，直至卡瓣63与凹槽39对齐，以便它们可以向外卡扣。这个位置在图5中示出，其中钻具50连接到封闭元件10上。

另外从该图中显然可看出，钮45已接合到上游触发器72(它形成第一保持装置)的缺口77上，从而使触发器72的上游端升起离开凹槽75。因此，当卡瓣63已连接到凹槽39中时，第一保持装置72被操作(松开)，以便这时它不阻挡内部活塞56的下游运动。

进一步推动辅助工具50的上游端，将引起内部活塞56在纵向上相对于外部构件55滑动。柱塞64接合内套筒25的上游端，所述内套筒25具有的内径比柱塞64的直径小。内部活塞的进一步下游运动引起内套筒受推克服弹簧30的力，直至卡锁球35与凹槽37对齐。这种状态在图6中示出。因此卡锁球能向内移动，因而使封闭元件与环形槽36，亦即与钻头体分开。这样柱塞64形成一种用于钻头连接机构的操作机构。其中各卡锁球完全从环形槽36中释放的内部活塞56与外部构件55之间的相对位置在说明书中和在权利要求书中称之为第二相对位置。

在图6所示的位置中，内部活塞56防止卡瓣63向内弯曲，以便将辅助工具50牢固地锁紧到封闭元件10上。另外，在这个位置，内部活塞上的凹槽75已经移动，以致它与下游触发器73(第二保持装置)对齐。下游触发器73的下游端通过弹簧87的作用被迫进入凹槽75，并且当封闭元件10未卡闭时，阻止内部活塞56相对于外部构件55的纵向上游运动。

通过进一步朝下游方向推动辅助工具50，将封闭元件10从钻头体6向外移开。这在图7中示出。合适的是辅助工具可以挂在底部孔组件中，以便它可以很容易收回。辅助工具可以例如安装在测井工具的下端上，以便测井工具进入在钻头体6前方的敞开的井眼，在此处可以进行测井测量。如果采用一种流体注入工具而不是测井工具，则可以在井眼中进行流体注入作业，比如，水泥灌浆，注入损耗的循环材料，或者喷射清洗井眼壁或钻头切割器。

钻井钻头1和辅助工具50这样设计，以便如果希望的话，可以将封闭元件10再接合到钻头体6上。

当从图7所示的状态开始时，当辅助工具朝下游方向推时，与凹槽75相互作用的下游触发器73使内部活塞保持在所示的与外部构件55相对的位置。

键90与下游的凸轮凸缘44(为了清楚起见它只在图1中示出)相互作用，以便使带有辅助工具50的封闭元件10进入一预定的相对于钻头体的角度方位。当辅助工具50接合或连接到封闭元件10上时，这种预定的角度方位必需设置在不同的、比以前更低的辅助工具的位置处。为此，键90是细长的，或者是以合适的纵向间隔安装两个键。这样，方位出现在不同的纵向位置处。原则上这也可以通过使导槽41更长来达到目的。细长的键机构的优点是定向装置40作为钻井钻头的一部分需要较小的空间。键机构的延长部分可以选择成比导槽的长度更长。

当到达图6中所示的位置时，卡锁球35将被迫回到环形槽36中。在这个位置处，钮45启动下游触发器73，以使它与凹槽75分开，并包括在其下游端的柱塞64的内部活塞56可以朝上游方向移动。包括凹槽37的内套筒25向上移动，并且卡锁球再次锁紧到环形槽36中。在这个阶段钻头体和封闭元件再次互连。

在互连之后，辅助工具可以再次与封闭元件分开。为此，将内部活塞移动到如图5所示的与外部构件相对的位置，并且不再阻挡卡瓣63的向内弯曲运动。因此，通过进一步将辅助工具比如从地表向上拔，卡瓣63与凹槽39分开，为此，上游边缘稍微倾斜，如图中所示。在稍微再拉动之后，钮45与上游触发器72分开，上述上游触发器72然后将防止内部活塞再次朝下游方向移动。

正如从上述描述中显而易见的，本发明通过简单地使/推动辅助工具往下经过钻柱(比如用延伸到地表面的管子或通过泵送)，能失效-安全地移开钻井钻头中的封闭元件。本发明尤其是防止在井眼中可能丢失封闭元件。另外，通过简单地再次向上使辅助工具经过拉动辅助工具(比如通过管子或钢丝绳)能失效-安全地再次连接。

现在描述本发明一个可供选择的实施例。这个实施例涉及一种井管柱组件，所述井管柱组件适合于对井眼中并管柱外部的井眼和/或地层进行作业(比如钻井)。在上述作业过程中，希望有到井管柱外部井眼的入口。与参照图1-7所述的实施例不同，本实施例不需要特殊的钻井钻头，因为通往井眼的入口可以通过打开钻井钻头上方的井管柱提供。在井管柱外部敞开的井眼中的作业可以通过井管柱组件上部的下端处的开口进行。

参见图8，图8示意性地表示出按照本发明所述的井管柱组件101安装在穿过地下地层103的井眼102中时的情况。在图8中，示出井管柱元件104的第一和第二井管柱部分相互连接。第一井管柱部分以后也称之为上面井管柱部分108，而第二井管柱部分称之为下面井管柱部分105。下面井管柱部分105具有一个上端110和一个下端111，并且在下端处，在这种情况下安装一种常规的钻头112。下面井管柱部分105还包括底孔组件的另一些元件，如钻链、转向装置、泥浆电机、钻井时测量系统(未示出)。下面的井管柱部分不需要有大直径的纵向通道。

上面井管柱部分108具有一个下端115，并延伸到地表，因此它的上端在图中未示出。上面钻井部分108为管状，因此在它的上端和下端之间形成一个纵向通道116。

上面和下面打井钻具部分二者通过一个井管柱互连机构118松脱地互连，上述互连机构118由在下面井管柱部分105的上端110和上面井管柱部分108的下端115处配合部分的卡锁机构形成。卡锁机构在图8中仅仅示意性地表示卡锁球24，卡锁球24在下面井管柱部分上并与管状上面井管柱部分内部的一个或多个锁紧槽126相配合。合适的互连机构可以是类似于参照图1-7所说明的相配合的卡锁分段14和钻头体6。

井管状组件101还包括一个辅助工具130，所述辅助工具130可以沿着上面井管状部分108的通道116通过，其中辅助工具130包括一个操作机构133，所述操作机构133用于操纵井管柱互连机构118，以便使下面井管柱部分105与上面井管柱部分108分开。合适的辅助工具可以是类似于参照图2-4所述的钻具。

上面和/或下面井管柱部分设置机构135，所述机构135用于当上面和下面井管柱部分互连时旋转式将它们彼此相对锁紧。为了能通过旋转上面井管柱部分把转矩传送到下面井管柱部分，这样做是必需的。锁紧机构可以具有与另一个井管柱部分上合适的凹槽相配合的一个或多个锁紧指状件或键的形式。

参见图9，图9示意性地示出图8的井管柱组件101在通过辅助工具130，通过降低辅助工具操作井管柱互连机构118之后的状态。降下操作可以通过钓环(fishing neck)137，用钢丝或螺旋管或者用一种专用工具如泵送工具进行。

辅助工具130还包括一个工具连接机构138，所述工具连接机构138这样设置，以便在通过操作机构133使井管柱互连机构118分开之前，它将辅助工具130连接到下面井管柱部分105上。工具连接机构合适的是操作完全类似于参照图1-7所述的操作。

图9示出在一种状态下的井管柱组件101，其中辅助工具130已通过上面井管柱部分108下端处的开口140，到达如图所示的工作位置，辅助工具伸入井管状外部并眼102的一个区域141，此处辅助工具的一部分在径向上不被任何井管柱部分包围。

为了将辅助工具固定在工作位置中，辅助工具设置一个放下装置，所述放下装置呈在上端处一个着落环142的形式，所述着落环142与上面钻井部分108中的着落凸肩144协同操作。

辅助工具130还包括一个测井工具146，当井管柱打开并且辅助工具处于所示的工作位置时，所述测井工具146处在不被井管柱101包围的部分上。很显然，也可以安装另一种机构代替测井工具，来对包围辅助工具的井眼或地层进行作业。可供选择地，用标号146所表示的部分仅提供一个开口或窗口(未示出)，另一个专用工具可以通过上述开口或窗口操作，上述另一个专用工具可以下放到辅助工具中。

图10用纵向剖视图更详细示出井管柱互连机构118的一个例子，当上面和下面井管柱部分如图8所示互连时的情况。互连机构118由下面井管柱部分105上端110处的一个卡锁装置150形成，上述卡锁装置150与上面井管柱部分108下端155处的一个分段155相配合。

作为供本实施例用的辅助工具130的实施例，将涉及上面详细论述的辅助工具30。还引用了图2-4所引入的其它标号。

图11-13示出当互连机构118操作以使上面和下面井管柱部分分开时辅助工具30与互连机构118之间相互作用的几个阶段。

图8-13所示实施例的上面和下面井管柱部分、互连机构118及辅助工具30的操作和相互作用，与参照图1-7所述的钻头体、封闭元件、钻头连接机构和辅助工具的操作类似。这将很容易理解，因为在图10-13中选用200以上的标号，以使它们所指的部分与图1-7中低于100的相应标号具有相同或类似功能。在图10-16中100和200之间的标号与图8-9中所用的那些标号一致。

井管柱组件101的操作完全类似于参照图1-7所述的钻井钻头的操作，其中上面井管柱部分和下面井管柱部分分别起一种类似于钻头体和封闭元件的作用。

当希望在敞开的井眼102中进行操作时，首先将钻头112定位在井眼底部上方的一个距离。然后，在内部活塞56处于如图11中所示的收缩位置的情况下，将辅助工具30放下穿过上面井管柱部分108。定向机构240和键相互作用用于正确的角度定向，而工具连接机构(卡瓣63)接合并连接到下面并管柱部分105的配合部分上。然后通过将内部活塞移动到如图12所示的第二延伸的位置，来操作井管柱互连机构。图13示出其中上面和下面井管柱部分已分开，但辅助工具30连接并支持下面井管柱部分105的状态。在这种状态下，一部分辅助工具到达敞开的井眼并且在径向上不被井管柱包围，因此操作可以如参照图9所述进行。通过再次收缩辅助工具30，首先将钻具重新定向以适当地重新连接，然后操作井管柱互连机构，以便使上面和下面井管柱部分重新连接，及最后可以再次将辅助工具与下面井管柱部分分开。

按照本实施例所述的井管柱，不需要在下面井管柱部分的下端处设置钻头。例如可以安装一个扩孔器，或者一个注水泥工具。在一个具体应用中，下面井管柱部分的下端由一喷射头形成，并且在这种情况下井管柱的下面部分还包括一种关节连接。喷射头和关节连接在重新进入(ve-entry)系统中使用，以便将一个井管柱引向多边井的一个特定的支路。

现在参见图14-15，参照这些图将讨论一种定向装置，当细长的钻具如辅助工具穿过定向装置移动时，该定向装置用于将其在角度上定向。在图1-13中，这种定向装置用标号40、240表示。

当辅助工具下放到井眼中及另外当其再次收缩时，对于卡锁机构的失效-安全操作而言，最好在辅助工具和第二井管柱部分之间有某种角度定向。这样能正确地重新定位井管柱互连机构以重新连接。

在钻井技术中，已知采用所谓的斜口管鞋(mule-shoe)装置，所述斜口管鞋装置用来保证下放到钻柱中的那个设备在一预定的纵向位置和角度方向处着落。在斜口管鞋装置中，着落位置由一个键和一个圆周方向上的凸轮凸缘的配合动作决定，上述凸轮凸缘的设置，以便当设备下放到钻柱中时将键导入一个槽中。当键处于槽中时，达到了预定的纵向位置和角度定向。

键可以设置成从钻柱的内壁向内伸出，或设置成从设备的外表面向外伸出，并且凸轮凸缘和槽分别设置在设备的外表面上或钻柱的内壁上。

本发明还提供一种定向装置，所述定向装置用于当在管状井管柱内部纵向移动而不管纵向运动方向时，给一种细长钻具例如此前所述的辅助工具以角度定向。

为此，提供了一种定向装置，所述定向装置用于当一个细长钻具穿过定向装置中的一个通道在纵向上移动时给该细长的钻具以角度定向，其中细长的钻具在其外壁处设置一个向外伸出的键，其中通道的内壁设置两个导向凸缘，上述两个导向凸缘形成一个中心导槽，键可以穿过所述中心导槽，导槽具有一个上游端和一个下游端，另外设有一个上游凸轮凸缘从导槽上游的一个位置完全围绕内壁延伸到导槽的上游端，以及一个下游凸轮凸缘从导槽下游的一个位置完全围绕内壁延伸到导槽的下游端，其中凸轮凸缘和导向凸缘充分地伸入通道，以便当细长的钻具穿过管状构件移动时，与键接合并将键导入导槽中，因此给细长的钻具以角度定向。

按照本发明所述的定向装置的上游和下游凸轮凸缘能给细长的钻具定向，而不管纵向运动的方向如何。键可以穿过的中心导槽决定着细长钻具的角度定向，并能使细长的钻具在两个方向上以一预定的方位穿过和超出定向装置之外。

优选的是，导槽基本上是平行于中心纵向轴线安装，以便细长钻具在通过定向装置之后的角度定向相同，而不管纵向运动的方向如何。

按照本发明，定向装置的通道形成第一井管柱部分通道的一部分。

还提供了一种自动定向细长钻具，所述自动定向细长钻具用于当其纵向上穿过细长钻具用的通道移动时，以进行预定的角度定向，其中通道的内壁设置一个径向上向内伸出的键，其中细长钻具的外壁设置两个导向凸缘，所述两个导向凸缘形成一个键可以穿过的导槽，导槽具有上游端和下游端，另外设置一上游凸轮凸缘和下游凸轮凸缘，上游凸轮凸缘从导槽上游的一个位置完全围绕外壁延伸到导槽的下游端，下游凸轮凸缘从导槽下游的一个位置完全围绕外壁延伸到导槽的下游端。其中凸轮凸缘和导向凸缘从外壁充分地向外伸出，以便当细长的钻具穿过通道移动时，与键接合并在键上方给导槽导向，因而给细长的钻具以角度定向。

在图14和15的示意性的实施例中，定向装置301表示为一种基本上是圆筒形的管状件302，所述管状件302具有一个通道303，该通道303具有一个中心纵向轴线304。管状件适当地形成第一井管柱部分(6、108)的一部分。当基本上是圆筒形的细长钻具305在纵向上移动穿过定向装置301的通道303时，如箭头306所示，定向装置301用来给上述基本上是圆筒形的细长钻具以角度定向。细长的钻具305在它的外壁308处设置一个径向上向外伸的键310，所述键310，相当于如上所述示出的键90。细长的钻具305的直径与键310的径向厚度二者之和小于圆筒形管状件305的内径。

键310在如图所示的纵向方向上适当地延长，同时锥形上游端和下游端产生一种象船一样的形状。键也可以由两个部分形成，所述两个部分在纵向方向上间隔开一合适的距离。该距离不仅可以小于，而且也可以大于导槽315的长度。

合适的是，键以这种方式安装在细长的钻具上，以便使它例如通过用一个或多个弹簧支承件而具有某种径向挠性。然而，径向挠性应是这样，亦即甚至在键完全收缩时，它在径向上延伸足够远，以致它不能在一凸轮凸缘上施加压力，因此它必需偏转。

可选地，将一个或两个防撞钮设置在键的上游和/或下游，并在角度上稍稍离开一段距离，用标号316表示成尖头状。上述尖头也由一弹簧支承。

管状件的内壁312具有一个中心导槽315，上述导槽315由两个从内壁312伸出的凸缘317，318形成。凸缘317和318之间的间隙稍大于键310的宽度，因此使键能通过导槽315。这个实施例的凸缘317、318基本上平行于中心轴线304设置。还安装了一个上游凸轮凸缘，所述上游凸轮凸缘由凸缘322a、322b形成。其中每个凸缘322a、322b都从导槽315的上游端319形成凸缘317、318其中之一的延伸部分，并在围绕内壁312的半段成螺旋状绕到导槽315上游的一点325，在此处凸缘322a、322b接合。基本上与上游凸轮凸缘对称地设置一个下游凸轮凸缘，所述下游凸轮凸缘由凸缘328a、328b形成。每个凸缘328a、328b都从导槽315下游端329处的凸缘317，318的其中之一延伸，并且围绕内壁312的半段成螺旋状绕导槽315下游的一点330，在此处凸缘328a、328b接合。

通道303的自由直径，由通过凸缘317、318、322a、322b、328a、328b所限定，稍大于细长钻具的直径(不考虑键10的厚度)。键和凸缘的径向厚度这样选定，以便键可以凸缘可靠地导向，例如在大约1-10mm数量级或更大的范围内，但在精心设计情况下，也可以用更小的凸缘。对内径为6cm(2.5英寸)的管状件，从点325到点330的合适总长度是25-40cm。这使定向装置能设置成15cm(6英寸)或21cm(8.5英寸)直径的钻井钻头的钻柄的一部分。

在这个实施例的定向装置正常操作期间，将细长的钻具305如上述辅助工具30放下，穿过定向装置构成其一部分的井管柱，直至细长的钻具滑入管状件302并且键310与上游凸缘322a、322b接合，如果发生键正好接近点325，则稍微角向移开一段距离的防撞钮316首先接合凸轮凸缘，并使钻具向一侧稍微偏转，以使键不碰着点325。与键310相反，防撞钮这样由它的弹簧支承，例如在防撞按钮碰着点325的情况下。所述弹簧可以充分收缩，以使它可以移过凸轮凸缘。

在进一步放下时，凸缘在键310上施加一个转矩，是在左面还是在右面施加转矩取决于键310接合凸缘322a和322b中的哪一个。细长的钻具因而角向偏转，直至键滑入导槽315中时为止。在键310处于导槽315中的情况下，细长的钻具305相对于定向装置301和连接的钻柱角度定向。

细长的钻具可以进一步放下，以使键在下游凸缘一侧处离开导槽315。当细长的钻具移动完全穿过通道303时，如果没有转矩加在细长的钻具本身上，键将通常不接合凸缘328a，328b。

然后细长的钻具305例如可以通过一个钻井钻头操作。所述钻井钻头适合于贯通式钻头操作。上述钻井钻头安装在定向装置的下游侧处。

当再次收缩细长的钻具时，它一般可以处于任意角度定向。在收缩期间，键310然后将接合下游凸缘328a、328b，而细长的钻具305将角向偏转至它滑入导槽315中时为止。因为导槽315设置成与管状构件302的轴线304平行，所以导槽315保证角度定向与下放期间的方向相同。在辅助工具30作为细长的钻具305的情况下，预定的角度定向保证卡锁/解锁机构的正确操作。

很显然，当细长的钻具朝上游方向收缩时，这种定向提供在一个已知的比将所述细长的钻具朝下游方向插入时更下游的位置处。键310和导槽的长度决定这些位置之间的间距。利用一种细长的键甚至可用于一短的导槽的基本间距。为了和本发明一起用，将协同操作的导槽和键这样安装，以便只有当键被导槽适当地定向时，辅助工具才能连接到第二井管柱部分上。当收缩时，预定的角向位置能使各井管柱部分失效-安全地互连。

通过互换通道和细长钻具的作用，以一种补充的方式，也能达到同样目的。为此，将导向凸缘/导槽以及上游和下游凸轮凸缘安装在细长钻具的外表面上，而把键安装在通道的内表面上。细长的钻具可以通过上述通道，例如一个象钻柱的定向接头这样的管状构件。凸缘和导槽的配置与图15所述的配置类似。尤其是，细长的钻具优选的是可以具有一基本上是圆筒形状，同时凸缘从圆筒形壁伸出，并且细长钻具展开的外表面的平面图可以与图15所示的相同。这种细长的钻具当其在纵向上移动穿过在内壁上设有键的通道时是自动定向。细长的钻具可以设置与其它设备连接的机构，因此细长的钻具可以用作上述其它设备的定向机构。

本发明的定向装置合适的是具有一种定向附件的形状，上述定向附件安装在上面井管柱部分的下面部分中。它可以是钻头体的一个整体部分，如图1中所示，因此不需要单独的定向附件。

辅助工具可以是细长的钻具本身，它可以连接到细长的钻具上，或者它可以与细长的钻具分开。

Claims (10)

1.一种适合用于贯通式钻头作业的钻井钻头组件，包括一个钻井钻头，上述钻井钻头包括：

—一个钻头体，所述钻头体具有上端和下端，在上端和下端之间设置有一个通道，钻头体可在它的上端处安装到一个管状钻柱上，而该通道在上端处的一个开口和钻头体外部之间延伸；

—一个用于通道的封闭元件，所述封闭元件与钻头体的下端相配合；及

—一个钻头连接机构，所述钻头连接机构用于可松脱地将封闭元件连接到钻头体上，以便选择性地封闭通道；

钻井钻头组件还包括一个用于操纵封闭元件的辅助工具，当钻头体和封闭元件用钻头连接机构互连时，所述辅助工具可沿着钻头体中的通道移动到封闭元件上，辅助工具包括一个工具连接机构和一个操作机构，上述工具连接机构用于选择性地将辅助工具连接到封闭元件上，而上述操作机构用于操纵钻头连接机构，操作包括松开钻头连接机构，

并且上述辅助工具包括一个第一构件和一个第二构件，上述第一构件包括工具连接机构，而上述第二构件包括操作机构，第二构件相对于第一构件可活动地安装，以便它能相对于第一构件在第一和第二位置间移动，其中在第一位置，工具连接机构至少是在钻头体和封闭元件与钻头连接机构互连时可连接到封闭元件上，在此钻头连接机构不能操作，以及在辅助工具与封闭元件的连接条件下，钻头连接机构可通过第二构件的移动而操作，上述第二构件包括在第一和第二位置之间的操作机构。

2.按照权利要求1所述的钻井钻头组件，其中：工具连接机构设置在第一构件的下游端附近；操作机构设置在第二构件的下游端附近；以及第二构件设置成可相对于第一构件沿着通道在纵向上滑动，因此第一相对位置是第二构件的一个上游位置；及当第二构件朝第二相对位置移动时，它朝下游方向相对于第一构件移动。

3.按照权利要求2所述的钻井钻头组件，其中：辅助工具的第一构件包括一个管状体，第二构件可同轴滑动地安装在上述管状体中；封闭元件包括在它的上游端处的一个外套筒和一个同轴的内套筒；外套筒的上游端设置成与工具连接机构相配合，以便将辅助工具锁紧到外套筒上；内套筒的上游端设置成与辅助工具的操作机构相配合，以使钻头连接机构通过使内套筒在纵向上相对于外套筒滑动进行操作。

4.按照上述权利要求其中之一所述的钻井钻头组件，其中辅助工具还至少包括一个可操作的第一保持装置和一个可操作的第二保持装置中的一个，所述第一保持装置用于当辅助工具不连接到封闭元件上时将辅助工具的第二构件固定在第一相对位置中，所述第二保持装置用于当辅助工具连接到封闭元件上而封闭元件不连接到钻头体上时，将辅助工具的第二构件固定在第二相对位置中。

5.按照权利要求4所述的钻井钻头组件，其中辅助工具包括所述第一保持装置，并且其中钻头体设置有一个钮，所述钮伸入通道，并与第一保持装置相配合，以便在钮与第一保持装置之间的一个预定相对位置处操纵第一保持装置。

6.按照权利要求5所述的钻井钻头组件，其中所述辅助工具包括所述第二保持装置，所述钮与第二保持装置相互配合，以便在所述钮与第二保持装置之间的一个预定相对位置处操纵第二保持装置。

7.按照权利要求1-3其中之一所述的钻井钻头组件，其中通道和辅助工具设有相配合的角度定向机构。

8.按照权利要求7所述的钻井钻头组件，其中钻头体和辅助工具设有相配合的角度定向机构，它用于当辅助工具沿着通道向下移动时将辅助工具角度定向在第一相对位置处，而当辅助工具再次沿着通道向上移动时定向在低的第二相对位置处。

9.按照权利要求8所述的钻井钻头组件，其中：辅助工具在它的外壁处装备有一个向外延伸的键机构；在钻头体中通道的内壁设有两个导向凸缘，所述两个导向凸缘形成一个中心导槽，键可以通过上述导槽；导槽具有上游端和下游端，还设有一个上游凸轮凸缘和一个下游凸轮凸缘，上述上游凸轮凸缘从导槽上游的一个位置完全围绕内壁延伸到导槽上游端，而上述下游凸轮凸缘从导槽下游的一个位置完全围绕内壁延伸到导槽下游端；凸轮凸缘和导向凸缘充分伸入通道，以便当辅助工具穿过钻头体移动时与键机构接合并将上述键机构导入导槽中，因此给辅助工具角度定向。

10.一种井管柱组件，包括：

—一个上面管状井管柱部分，所述上面管状井管柱部分具有上端和下端，在上端和下端之间设置有一个通道；

—一个下面井管柱部分，所述下面井管柱部分具有上端和下端，所述下端可连接到一个钻头上或者包括一个钻头，下面井管柱部分与第一井管柱部分的下端相配合；

—一个可松开的井管柱互连机构，所述井管状互连机构使上面和下面井管柱部分选择性地互连；及

—一个辅助工具，所述辅助工具设置成当上面和下面井管柱部分互连时，辅助工具可以沿着上面井管柱部分中的通道移动到下面井管柱部分上，其中辅助工具包括一个工具连接机构和一个操作机构，上述工具连接机构用于选择性地将辅助工具连接到下面井管柱部分上，而上述操作机构用于连接或松开井管柱互连机构，

其中：辅助工具包括一个第一构件和一个第二构件，上述第一构件包括钻具连接部分，而上述第二构件包括操作机构，第二构件可移动地设置，以便它相对于第一构件可以处于第一和第二位置；在第一位置，至少当上面和下面井管柱部分互连时，工具连接机构可在不操作井管柱互连机构的情况下连接到下面井管柱部分上；及在辅助工具连接到下面井管柱部分上之后，可通过移动第二构件操作井管柱互连机构，所述第二构件包括在第一位置和第二位置之间的操作机构；和

—其中上面井管柱部分和辅助工具设置有相配合的角度定向机构，所述角度定向机构用于当沿着通道向下移动时将辅助工具角度定向在第一相对位置处，而当其沿着通道再次向上移动时将辅助工具角度定向在低的第二相对位置处。

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