CN101646835B - 带有进给控制器的钻具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于井下钻孔的钻具(1)，该钻具包括与该钻具的第一部分(18)相连接的钻头(2)、用于在钻孔时驱动所述钻头和所述第一部分沿纵向向前移动的驱动单元(9)、以及用于控制所述钻头的纵向移动的进给控制器(19)。

Description

带有进给控制器的钻具

技术领域

本发明涉及一种用于在井下的地层(formation)等内钻孔的钻具，该钻具包括钻头和驱动单元，该钻头具有钻头刃(drilling bit)，该驱动单元用于在钻孔时驱动所述钻头沿纵向向前移动。

背景技术

当在地下地层内钻井时，需要使用钻具。但是，也可以对已有的井进行钻孔，以形成分支井或对卡塞的阀件进行重新穿孔。US 3,225,843公开了一种钻具的例子，该钻具在钻孔时固定在地层上，以便将尽可能多的能量传递到钻孔过程，从而获得较大的钻孔动力。

地下地层在整个地层内硬度可能变化。因此，当对地层的较软部分钻孔时，钻孔力不需要跟当对地层的最硬部分钻孔时一样大。当从地层的较软部分钻到地层的较硬部分时，钻头上的钻头刃会碰撞到硬的地层，这可能会严重损坏钻头刃的各个切割边缘。

发明内容

本发明的一个方面是，至少部分地克服上述钻具的缺点，提供一种改进钻孔过程的改进的钻具。

这方面和从以下描述显而易见的优点由以下这种钻具获得：该钻具用于在井下的阀件或地层的上方或上面的一结构中沿钻孔方向钻孔，所述结构例如完井过程中的凹部、突出部或边缘(recess，protrusion or edge incompletion)，该钻具包括：

-钻头，该钻头具有钻头刃并与第一部分相连接，

-驱动单元，该驱动单元用于在钻孔时驱动所述钻头和所述第一部分沿纵向向前移动，以及

-进给控制器，该进给控制器用于控制所述钻头的纵向移动，该进给控制器包括：

-第二部分，该第二部分固定地设置在所述钻具内，其中，所述第一部分和所述第二部分共同形成第一流体腔室，所述第一部分和所述第二部分在钻孔时可相对于彼此移动，以及

-流体控制装置，该流体控制装置用于控制流体从一个腔室流到另一腔室的速度，以便控制所述钻头相对于所述钻具的纵向移动，

其中，所述钻具还包括固定装置，该固定装置用于使所述钻具贴靠在所述结构或所述地层上，并用于至少在钻孔方向上固定所述钻具。

通过在钻具上设置进给控制器，可以控制钻孔过程，使得钻头上的钻头刃不会猛烈地碰撞到地层，这种碰撞会严重损坏钻头刃的各个切割边缘。

尽管进给控制器的作用是在需要时降低向前移动的钻头的速度，但是，当不必降低钻孔速度时，使用进给控制器不会显著降低钻孔效率。这是由于，钻具可以构造成：钻头与驱动单元直接轴连接，而进给控制器可以围绕轴安装。

在一个实施例中，所述第一部分或所述第二部分可以是在起活塞壳体作用的另一部分内滑动的活塞。

在另一实施例中，进给控制器还可以包括回流阀，该回流阀允许流体从第二流体腔室流回第一流体腔室，从而当停止钻孔时使所述活塞返回其初始位置。

在又一实施例中，流体控制装置可以包括第一带齿装置，该第一带齿装置与设置在驱动单元的轴上的第二带齿装置相互作用，当该第一带齿装置的齿接到来自第一流体腔室的流体滴时，该第一带齿装置的所述齿随后与第二带齿装置的齿接合，由此将流体滴传送到第二流体腔室。

此外，流体控制装置可以是节流阀，该节流阀控制从第一流体腔室到第二流体腔室的流体流动。

另外，第一流体腔室可以在其内具有至少一个弹簧装置，该弹簧装置用于当停止钻孔时使活塞返回其初始位置。

在另一实施例中，钻具还可以具有至少一个在钻头内的出口，该出口用于喷射流体，以使细屑从地层上剥离下来并迫使剥离下来的细屑离开钻头。

在又一实施例中，钻头可以具有至少两个用于提供转动钻孔过程的钻臂。

此外，钻头可以具有带有多个钻头刃的排列体。

另外，钻头可以具有至少三个带有钻头刃并相对于彼此转动的轮。

在一个实施例中，固定装置可以可移动地连接到钻头上，以在钻孔过程中相对于固定装置移动钻头。

在另一实施例中，固定装置沿钻孔方向设置在钻具的前部，以使钻具贴靠在钻具前部的一结构上。

在又一实施例中，固定装置具有筒形环绕壁，当在钻孔前钻头刃处于其初始位置时，所述壁包围所述钻头刃。

此外，固定装置可以是连接到钻具上的井下牵引器的轮子。

另外，固定装置包括两个紧固元件，所述紧固元件能够运动，以沿钻孔方向的横向挤压地层。

此外，本发明涉及一种用于井下钻孔的钻孔系统，包括：

-上述钻具，以及

-例如井下牵引器的用于在井内移动所述钻具的驱动工具。

附图说明

下面参照附图对本发明进行详细解释，其中：

图1示出根据本发明的钻具，该钻具具有以剖视图示出的根据本发明的进给控制器；

图2示出具有以剖视图示出的进给控制器的根据本发明的钻具的另一实施例；

图3示出钻具的又一实施例；

图4示出钻头的一个实施例；

图5示出钻头的另一实施例；

图6示出钻头的又一实施例；

图7示出根据本发明的进给控制器的另一实施例的剖视图；以及

图8示出进给控制器的又一实施例的剖视图。

这些图仅是示意性的，用于示例性目的。

具体实施方式

如图1示出根据本发明的钻具1，该钻具包括钻头2和进给控制器19。钻头2由驱动单元9以一定的速度和一定的钻压(WOB)旋转地驱动，使得在钻孔过程中钻头刃10和30朝向一结构——例如，卡塞的阀件35(如图所示)或地层36——的纵向位移保持稳定。

地层36的硬度可能变化，从而当钻孔时呈现出不同的难度。为了确保驱动单元9能够输出足够的力以转动钻头2，该驱动单元9构造成能够输出比足以钻进地层36的最硬部分的力更大的力。

通过使用进给控制器19控制钻头2沿钻具1的纵向向地层36的最大移动量，确保了钻头2以预定的纵向移动被驱动。这样，钻头2沿钻具1的纵向钻入不能比进给控制器19所允许的快。因此，当从地层36的较软部分钻到地层36的较硬部分时，钻头2的切割边缘避免了猛烈地碰撞到硬的地层。从而，显著降低了钻头2的切割边缘损坏的风险。

在如图1所示的实施例中，钻头2具有细长的钻头刃30，该钻头刃30在其周围具有固定装置33。该固定装置33相对于地层36或卡塞的阀件35紧固钻具1，使得当在地层36内钻孔或钻通卡塞的阀件35时进给控制器19能够控制钻头刃30的移动。

钻头2设置在与驱动单元9相连接的轴32上。在该实施例中，固定装置33设置在轴32上，以靠在卡塞的阀件35的内壁上并保持钻具1在钻孔过程中相对于该阀件定位。此处示出固定装置33是环绕钻头刃30的筒体。由于该筒形固定装置33的周向形状，该装置33能够在弯曲部分内——例如，在井下球阀35的球形壳体内——引导钻头刃30。这样，钻头刃30被迫贴靠在球阀35的弯曲的内壁上，从而钻头刃30能够钻通该球阀35，以便对该阀35进行重新穿孔。

在另外的实施例中，如图2和图3所示，固定装置33是两个紧固元件的形式，这两个紧固元件能够沿横向于钻孔方向的方向移动，从而能够在钻孔过程中将钻具1保持在合适位置。在另一实施例中，固定装置33可以是连接到钻具上的井下牵引器的轮子。

在图2中，当钻孔时，流体从钻头内的出口11喷射出来，以使地层块剥离，从而使得钻孔操作更有效率。在图3中，流体被吸入钻头内的入口37内，从而在钻孔操作过程中钻头上的钻头刃被冲洗。

本发明的进给控制器19可以包括任何适合用于控制钻头2的纵向位移的控制装置23。在图1和图2的实施例中，控制装置23控制从第一腔室21到第二腔室22的流体流动。当钻孔时，位于钻具1的第一部分18、32上的钻头2相对于钻具1的第二部分20沿纵向移动。第一部分18和第二部分20共同封闭第一流体腔室21。钻头2相对于第二部分20的移动会减小第一流体腔室21的容积，从而第一流体腔室21内的流体被迫通过控制装置23流出。控制装置23控制允许从第一流体腔室21流到第二流体腔室22的流体的量，并由此控制钻头2的纵向钻孔运动。

当钻孔过程结束时，回流阀24打开，以便流体流回第一流体腔室21，随后进给控制器19准备好再次控制钻头2的纵向钻孔运动。

为了迫使第一部分18返回其初始位置，在第一流体腔室21内设置有弹簧装置27，例如螺旋弹簧，如图7和图8所示。

在图7和图8所示的实施例中，第一部分18是在活塞壳体形式的第二部分20内滑动的活塞。在另一实施例中，第一部分18是活塞壳体的形式，第二部分20是能够在该壳体内滑动的活塞。

在图1、图2和图3中，钻头2设置在具有轴肩的轴32上。该轴32延伸通过进给控制器19的壳体，从而该轴肩起到在进给控制器19的壳体内的活塞的作用。在该实施例中，第一部分18是在轴32上的活塞，第二部分20是活塞壳体。

从图7和图8可以看出，第二流体腔室22可以位于其上安装有钻头的轴32内。但是，从图1可以看出，第二流体腔室22也可以位于钻具的周围结构内。当流体腔室22设置在钻具的周围结构内时，控制装置也类似地设置在该周围结构内。

此外，从图2可以看出，第二流体腔室22可以与轴32上的活塞的另一侧的第一流体腔室21相邻地定位，并且同样地也由第一部分18和第二部分20封闭。在该实施例中，控制装置位于轴32内。

在图7和图8中，示出第一流体腔室21具有环状横截面；但是，在另一实施例中，第一流体腔室21可以具有正方形横截面。

在图7所示的实施例中，进给控制器19具有节流阀形式的控制装置23，该节流阀允许流体从第一流体腔室21流入第二流体腔室22，从而控制钻头2的纵向位移。节流阀可以是电控的，以在钻孔时调节流体流动，或者可以在进入井下地层之前进行手动调节。

在图8中，示出控制装置23是与第二带齿装置26接合的第一带齿装置25，例如齿轮或局部带齿的装置。第一带齿装置25在与第二带齿装置26接合转动时接到流体滴。然后，在第一带齿装置25的两个齿中间的流体滴被传送到第二带齿装置26的齿上。通过第二带齿装置26的进一步转动，该流体滴随后被传送到第二流体腔室22内。这样，控制了从第一流体腔室21到第二流体腔室22的流体流动。

图8所示的带齿装置25和26由使第二带齿装置26转动的驱动单元9转动。但是，在另一实施例中，驱动单元9使第一带齿装置25转动，然后第一带齿装置25带动第二带齿装置26转动。

在本发明的另一实施例中，进给控制器19包括用于控制钻头2的纵向移动的螺纹和齿轮。螺纹设置在与钻头2相连接的轴32上，齿轮设置成与驱动单元9相连接。

根据本发明，钻头2可以是任何类型的钻头。图1-6示出一些例子。在图4所示的实施例中，钻头2具有三个钻头刃10的排列体16，排列体16设置在其上的钻头2转动，以使钻头刃10从地层上切割下细屑。在图5所示的另一实施例中，钻头2具有三个带有多个钻头刃10的轮17，在钻孔过程中轮17相对于彼此转动。在图6所示的钻头2的又一实施例中，钻头2具有两个带有多个钻头刃10的臂14，臂14在钻孔时转动。

上述进给控制器19能够控制各种钻头2的纵向移动，从而当在硬度变化的地层中钻孔时钻头2上的钻头刃10不会损坏。

在图2中，钻具1具有带有若干钻头刃10和两个出口11的钻头2，出口11用于喷射流体，以便提高钻孔效率。出口11在钻头2内定位成使得流体被喷射出，以使细屑从地层上剥离下来并将细屑从钻头2上冲掉。并且，钻具1包括泵，该泵由驱动单元9驱动，以注入流体。

在该实施例中，驱动单元9是电动机，该电动机驱动泵和钻头2。该电动机具有用于驱动泵和钻头2的轴32。轴32通过齿轮连接部连接到钻头2上。这样，一个钻头2可以用另一钻头2替换。

在钻具1没有一直浸在套管里的情况下，可以使用井下牵引器来推动钻具1，直到钻具位于井内的合适位置。井下牵引器是任何类型的能够在井下推动或拉动钻具的驱动工具，例如Well

Claims (10)

1.一种用于在井下的阀件或地层的上方或上面的一结构中沿钻孔方向钻孔的钻具(1)，该钻具包括：

-钻头(2)，该钻头具有至少一个钻头刃(10；30)并与所述钻具的第一部分(18)相连接，

-驱动单元(9)，该驱动单元用于在钻孔时驱动所述钻头和所述第一部分沿纵向向前移动，该驱动单元与所述钻具的第二部分(20)相连接，以及

-固定装置(33)，该固定装置与所述第二部分相连接，以使所述钻具贴靠在所述结构或所述地层上，并在钻孔时固定所述钻具，

其中，所述钻具还包括进给控制器(19)，该进给控制器用于通过控制所述钻具的所述第一部分相对于所述第二部分的移动来控制所述钻头在地层中的纵向移动，

其中，所述进给控制器包括：

-所述第二部分(20)，所述第二部分固定地设置在所述钻具内，其中，所述第一部分和所述第二部分共同形成第一流体腔室(21)，

-第二流体腔室(22)，该第二流体腔室与所述第一流体腔室流体连接，以及

-流体控制装置(23)，该流体控制装置用于控制流体从一个腔室流到另一腔室的速度，以控制所述钻头相对于所述钻具的纵向移动。

2.根据权利要求1的钻具，其特征在于，所述第一部分或所述第二部分是在起活塞壳体作用的另一部分内滑动的活塞。

3.根据权利要求2的钻具，其特征在于，所述进给控制器还包括回流阀(24)，该回流阀允许流体从所述第二流体腔室流回所述第一流体腔室，从而当停止钻孔时使所述活塞返回其初始位置。

4.根据权利要求1-3中任一项的钻具，其特征在于，所述流体控制装置(23)包括第一带齿装置(25)，该第一带齿装置与设置在所述驱动单元的轴(32)上的第二带齿装置(26)相互作用，当该第一带齿装置的齿接到来自所述第一流体腔室的流体滴时，该第一带齿装置的所述齿随后与该第二带齿装置的齿接合，由此将流体滴传送到所述第二流体腔室。

5.根据权利要求1-3中任一项的钻具，其特征在于，所述流体控制装置(23)是节流阀，该节流阀控制从所述第一流体腔室到所述第二流体腔室的流体流动。

6.根据权利要求2或3的钻具，其特征在于，所述第一流体腔室在其内具有至少一个弹簧装置(27)，该弹簧装置用于当停止钻孔时使所述活塞返回其初始位置。

7.根据权利要求1-3中任一项的钻具，其特征在于，所述固定装置(33)沿钻孔方向设置在所述钻具的前部，以使所述钻具贴靠在所述钻具前部的周围物体上。

8.根据权利要求1-3中任一项的钻具，其特征在于，所述固定装置(33)具有筒形环绕壁，当在钻孔前所述钻头刃(30)处于其初始位置时，所述壁包围所述钻头刃(30)。

9.根据权利要求1-3中任一项的钻具，其特征在于，所述固定装置(33)包括两个紧固元件，所述紧固元件能够运动，以沿钻孔方向的横向挤压所述地层。

10.一种用于井下钻孔的钻孔系统，包括：

-根据权利要求1-6中任一项的钻具，以及

-用于在井内移动所述钻具的驱动工具。

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