CN102482926B - 用于释放沉淀固体的井下工具头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于安装在井下工具(10)上以用于在井下地层中钻井或者用于释放管道、套管(3)、井或任何其它井下腔室中的腔室流体中的沉淀固体(2)例如冰、垢体或类似物的井下工具头(1)。该井下工具头包括中空筒形本体(4)，该中空筒形本体带有从本体的基部(7)延伸的周壁(5)，该周壁在其与基部相对的一端中具有周沿(6)。周沿(6)包括用于切削、磨碎、钻削和/或铣削的多个边缘(8)，并且基部具有多个贯通孔(9)以用于让包含沉淀固体的腔室流体经过所述孔。

Description

用于释放沉淀固体的井下工具头

技术领域

本发明涉及一种用于安装在井下工具上以用于释放管道、套管、井或任何其它腔室中的腔室流体中的沉淀固体例如冰、垢体或类似物的井下工具头。

背景技术

管道用于例如从石油钻塔到海岸输送油、气等。这种油类流体含有水的成分，并且由于管道位于被水覆盖的海床上，所以环境温度可能引起油类流体冷却到水组分作为冰沉淀在管道内壁上的这种程度。沉淀的冰可至少部分地阻塞管道中的流动，从而降低油类流体的速度。

此外，井下套管可由于油中的水组分可能包含碱土阳离子和阴离子的事实而至少部分被垢体堵塞，并且当阳离子和阴离子以特定浓度存在时形成不溶于水的垢体。

当沉淀固体例如冰和垢体松动时，一些固体具有使得它们不能通过公知的释放工具的尺寸，从而使工具被卡住。

此外，当在井下钻井时，地层块从地层释放，并且这种块也可能具有使得块不能通过工具的这种尺寸。

发明内容

本发明的一方面至少部分在于通过提供一种改进的井下工具来克服上述缺点，该井下工具能够破碎、破裂和/或磨碎诸如冰、垢体或地层块之类的固体，以防止它们妨碍工具的操作。

此方面和从以下描述变得显而易见的优点通过一种井下工具头来获得，该井下工具头用于安装在井下工具上以用于在井下地层中钻井或释放管道、套管、井或任何其它井下腔室中的腔室流体中的沉淀固体例如冰、垢体或类似物，包括：

-中空筒形本体，带有从该本体的基部延伸的周壁，该周壁在其与基部相对的一端中具有周沿，

其中所述周沿包括用于切削、磨碎、钻削和/或铣削的多个边缘，并且

其中所述基部具有用于让包含沉淀固体的腔室流体经过所述孔的多个贯通孔。

在一个实施例中，所述孔可具有切削边缘，该切削边缘用于切削从腔室释放的沉淀固体并用于将沉淀固体分割为若干块。

在另一实施例中，块和固体两者都可大于所述孔。

井下工具头的上述基部可具有基部区域，并且基部中的孔可构成超过20％的基部区域，优选超过30％的基部区域，更优选超过40％的基部区域，且更加优选超过50％的基部区域。

此外，孔中的至少一个可从基部并且沿周壁向上延伸。

基部中的每个孔可具有一宽度，该宽度构成超过1％的基部区域，优选超过3％的基部区域，更优选超过5％的基部区域，且更加优选超过8％的基部区域。

此外，所述孔的切削边缘具有介于0.0mm与1.0mm之间、优选介于0.0mm与0.5mm且更优选介于0.0mm与0.2mm之间的曲率半径。

周壁可具有多个孔。

另外，周壁可具有周壁区域，并且周壁区域中的孔可构成超过20％的周壁区域，优选超过30％的周壁区域，更优选超过40％的周壁区域，且更加优选超过50％的周壁区域。

此外，周壁中的每个孔可具有一宽度，该宽度构成超过1％的周壁区域，优选超过3％的周壁区域，更优选超过5％的周壁区域，且更加优选超过8％的周壁区域。

此外，所述周沿可具有沿所述周沿分布的至少三个边缘，优选至少四个边缘，更优选至少六个边缘，且更加优选至少八个边缘。

边缘可构成超过5％的周沿，优选超过10％的周沿，且更优选25％的周沿。

此外，所述孔中的至少一个的截面可以是圆形、正方形或星形的。

在一个实施例中，一元件可布置在井下工具与井下工具头之间，该元件包括从面向井下工具头的基部的元件面延伸并且终止于该元件的一侧以让腔室流体经该侧流出的通道。

当井下工具头绕工具的纵向轴线旋转时，该通道的至少一个开口可与基部中的孔重叠。

另外，元件的元件面可布置成与基部相距比井下工具头的基部中的孔的宽度小的距离。

本发明还涉及一种带有用于释放管道、套管、井或任何其它腔室中的腔室流体中的沉淀固体例如冰、垢体或类似物的工具的井下工具头的用途。

此外，本发明涉及一种用于在地层或类似的井底钻井的井下工具，包括：

-上述井下工具头，和

-用于旋转井下工具头的驱动单元，

其中所述井下工具头可设置在与驱动单元连接的轴上。

最后，本发明涉及一种用于执行井下操作的井下系统，包括：

-上述井下工具，和

-用于在井内移动井下工具的驱动工具，例如井下牵引机。

附图说明

下面参考附图详细说明本发明，在附图中

图1A示出了根据本发明的井下工具头的截面图，

图1B示出了从上方看去的图1A的井下工具头，

图2A示出了井下工具头的另一实施例的截面图，

图2B示出了从上方看去的图2A的井下工具头，

图3A示出了井下工具头的又一实施例的截面图，

图3B示出了从上方看去的图3A的井下工具头，

图4示出了安装在井下工具上的井下工具头的截面图，

图5A示出了释放的沉淀固体例如垢体撞击井下工具头的孔边缘，

图5B示出了分割为三部分的图5A的固体，

图5C示出了进入井下工具头的孔的图5B的三部分，和

图6示出了井下工具头的又一实施例的截面图。

附图仅为示例性的并基于说明的目的示出。

具体实施方式

在图1A和1B中，示出了根据本发明的井下工具头1。井下工具头1具有筒形本体4，该本体是中空的，因为它由周壁5和基部7构成。在图1A中，基部与井下工具头的底部相同。井下工具头1用于在井下地层中钻井或者用于释放管道、套管3、井或任何其它井下腔室中的腔室流体中的沉淀固体2，例如冰、垢体或类似物。

周壁5具有包括用于切削、磨碎、钻削和/或铣削的多个边缘8的周沿6。这些边缘例如可构成齿、钻头、磨石或镶嵌件例如碳化钨镶嵌件(TCI)的一部分。

管道用于例如从石油钻塔到岸上的精炼厂输送流体，例如油、油与水的混合物、气体等。在许多钻井操作中，油类流体与滤液或其它添加剂混合以便改善钻井工艺。此外，该流体可包含其它元素，例如切屑、钻屑、砂、管子涂料、前次爆炸的残留物、井内套管的铁锈或者从井、套管或地层剥落的附属物。在下文中，将参考套管3或带有油类流体的地层中的另一井下腔室来解释本发明，不过该流体也可以是气体等。

因此，井下工具头1被输送释放的固体或地层块的油类流体包围。

当在井下地层中钻井时，地层块从地层剥离，并且由于井下工具头1是中空的，地层块被收集在中空筒形本体4中并且被迫通过基部7中的孔9，该基部是所述本体的底部。当地层块撞击孔的切削边缘12时，地层块在一定程度上被压碎，因为所述块被切断成几个部分。这样，地层块的尺寸缩小使得它们能够容易地通过地层的内壁与井下工具的外壁之间的空间。

当井下工具头1用于释放沉淀在管道或套管3的内壁上的固体2时，释放的固体由于井下工具头1的形状而同样被迫进入筒形本体4的底部7中的孔9。因此，油类流体迫使固体朝向孔9，并且当固体撞击孔的切削边缘12时，固体同样被切断成几个部分。

这样，井下工具头1能够将所释放的沉淀固体2和地层块两者的尺寸缩小到特定尺寸使得缩小的固体或块能够通过工具，从而确保井下工具在操作期间不会被卡住。

井下工具头中的孔的切削边缘12具有介于0.0mm与1.0mm之间、优选介于0.0mm与0.5mm且更优选介于0.0mm与0.2mm之间的曲率半径。

如图1A所示，基部7具有六个贯通孔9，所有贯通孔都具有圆形截面(参见图1B)。基部7中的每个孔9具有一宽度，该宽度构成超过1％的基部区域14，在此实施例中大约3％的基部区域14。

在另一实施例中，基部7中的每个孔9具有一宽度，该宽度构成超过3％的基部区域14，优选超过5％的基部区域14，并且更加优选超过8％的基部区域14。

基部7中的孔的尺寸取决于地层块或沉淀固体2的尺寸，这是因为所述孔能够切断一定百分比的块或固体。这样，井下工具头并未完全磨碎所述块或固体，而是还松动较大的块。这些块最大比基部中的孔大2～20％，优选最大比所述孔大5～10％。因此，可相应调节井下工具与地层之间的距离。

如果不能调节所述距离，则将孔9的尺寸调节为与井下工具的外壁与地层、套管3或管道的内壁之间的距离相对应，这是因为如果切断的块或固体能够经过井下工具而不卡住工具，孔不比井下工具与地层之间的间隙宽是重要的。

孔9的数量取决于油类流体的体积流量，这是因为必须避免块或固体完全堵塞所有孔，而是让足量的油类流体经过，使得不会妨碍工具在套管3或地层中向前移动。

如果地层块或释放的固体不能经孔9进入，则它们将聚集在中空筒形本体4中。然后，油类流体将迫使块或固体撞击在孔的切削边缘12上直到充足比例的块或固体已从所述块或固体剥离，以便它们能够经过孔9并且释放到腔室流体中。

这样，确保了仅允许预定尺寸的固体或块经过井下工具头1中的孔9，尺寸通过井下工具与地层或套管3之间的间隙的宽度预先确定，以确保固体或块将能够通过此间隙。

在图2A和2B中，井下工具头1具有四个孔9，所有孔都具有正方形截面。如从图2A能看到，每个孔9始终延伸穿过工具头1的基部7，同时还沿筒形本体4的筒形壁5的一部分向上延伸并穿过壁5。

在图3A和3B中，井下工具头1具有六个孔9，所有孔都具有星形截面。由此，每个孔9设置有形成有六个点的较长切削边缘12，从而与具有大致相同内尺寸的圆孔相比增加了切削效果，同时，星形孔不允许大很多的地层块或固体通过。

图4中示出了带有井下工具的井下系统，该井下工具具有安装在工具上的井下工具头1。该井下工具由用于使井下工具在井内移动的驱动工具16例如井下牵引机驱动。井下工具头1由驱动单元15旋转。如能看到的，井下工具头1中的孔9的宽度与井下系统的外壁与套管3的内壁之间的距离大致相同。

在图5A-5B中，示出了孔的切削边缘12如何能够切断所释放的沉淀固体2或地层块的一部分。在图5A中，固体2或块已撞击孔9的边缘，从而引起固体2或块开裂。当裂缝已延伸穿过整个固体2或块时，固体2或块被分为三部分，如图5B所示。这样，块或固体2缩小为：一个主要部分，该主要部分然后能够经过孔9，如图5B-5C所示；以及随后也进入通过所述孔的多个(在本例中为两个)较小部分。

如果图5A的主要块或固体2未显著缩小，则油类流体将迫使缩小的块或固体2继续撞击在孔9的边缘12上。当井下工具在套管3或井下地层中向前移动时，井下工具头1被油类流体冲刷，并且这样油类流体能够迫使块或固体2朝向井下工具头1中的孔9。

在井下工具的速率不够高到使固体2撞击在井下工具头1的基部中的孔9的边缘上的情况下，压碎元件18可布置在工具头与井下工具之间，从而形成井下工具头组件100，如图6所示。井下工具头组件100的压碎元件18包括至少一个通道19，该通道在面向工具头1的基部的元件面中带有开口。元件18布置成与基部相距一段小的距离以便能够压碎部分地穿过基部中的孔9突出的固体2。这样，固体2被压碎成较小的块，从而使它们能够经基部中的孔9离开井下工具头1。因此，固体2不再占用井下工具头1内部的空间并妨碍使用井下工具头进一步钻井。

井下工具头1经由轴连接到井下工具，并且元件18布置在同一轴周围并且被固定到井下工具上。因此，元件18是静止的，而井下工具头1能够绕井下工具的纵向轴线旋转，从而在工具头旋转时迫使部分突出于工具头的基部中的孔9的固体2撞击在元件中的开口上。随后，压碎的固体2经通道19逸散并且选出到井下工具周围的腔室中。

在图6中，压碎元件18被示出为包括两个通道19；然而，该元件可包括更多的通道以便确保通道的开口始终至少部分与工具头1的基部中的孔9对准。最佳方案是使通道开口的至少一部分与基部中的孔9重叠；然而，即使所述孔在工具头1相对于元件旋转的过程中未始终与所述开口重叠，元件8也能够压碎固体2。

为了获得压碎效果，元件18的元件面必须定位成与基部相距一定距离，该距离小于工具头1的基部中的一个孔9的宽度。如果孔不是圆形的并因此宽度不同，则应该使用孔的最小宽度作为基础。

元件18的面与工具头1的基部之间的距离可优选小于50mm，更优选小于25mm，且更加优选小于10mm。

在图6中，通道19的开口的宽度大于基部中的孔9的宽度；然而，该开口的宽度也可等于孔的宽度。元件18被示出为具有与工具头1相同的直径，但在另一实施例中，元件的直径可小于或大于工具头的直径。

图6的通道19具有与通道的开口相同的宽度，并且在固体2已进入通道的开口之后，它们被引导通过一基本上直的滑槽并经元件一侧中的开口引出并因此从井下工具引出。通道19可具有任何适当的截面形状。

图7A示出了压碎元件18的在图6中示出的视图D-D。压碎元件18具有四个开口19以及连接压碎元件和井下工具头的中心轴11。在图7B和7C中，示出了压碎元件18的其它实施例，从与图7A相同的视向看。在图7A中，孔是圆形的，但在另一实施例中，孔可以具有更有机的形状。在图7B和7C中，开口19从压碎元件的顶面并且沿着压碎元件的侧面延伸使得当元件经过井下工具头的孔时元件的边缘起到切削边缘12的作用。在图7B中，所述元件具有三个开口，而在图7C中，所述元件具有四个开口。在图7C中，所述元件具有带切削边缘12的切削镶嵌件12使得元件的材料可与切削边缘的材料不同。通过具有切削镶嵌件，能够通过改变镶嵌件而容易地提高或重新建立压碎元件的切削能力。

在井下工具不能始终沉入套管3的情况下，能使用井下牵引机来始终推动井下工具在套管中就位。井下牵引机是任何类型的能够在井内推动或拉动工具的驱动工具，例如Well

Claims (25)

1.一种用于安装在井下工具(10)上以释放管道、套管(3)、井或任何其它井下腔室中的腔室流体中的沉淀固体(2)的井下工具头(1)，包括：

-中空筒形本体(4)，带有从所述本体的基部(7)延伸的周壁(5)，所述周壁(5)在其与所述基部相对的一端中具有周沿(6)，

其中所述周沿(6)包括用于切削、磨碎、钻削和/或铣削的多个边缘(8)，

其中所述基部(7)具有多个贯通孔(9)以用于让包含沉淀固体的腔室流体经过所述孔，并且

其中所述孔(9)具有用于切削从所述腔室释放的沉淀固体(2)并且用于将所述沉淀固体(2)分割成几块的切削边缘(12)，所述沉淀固体大于所述孔。

2.根据权利要求1所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述基部(7)具有基部区域(14)并且所述基部(7)中的所述孔(9)构成超过20％的基部区域。

3.根据权利要求1或2所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述孔中的至少一个从所述基部(7)并且沿所述周壁(5)向上延伸。

4.根据权利要求1或2所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述基部(7)中的每个孔(9)具有一宽度，所述宽度构成超过1％的基部区域。

5.根据权利要求1或2所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述孔的所述切削边缘(12)具有介于0.0mm与1.0mm之间的曲率半径。

6.根据权利要求1所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述周壁具有多个孔和周壁区域。

7.根据权利要求6所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述周壁中的所述孔构成超过20％的周壁区域。

8.根据权利要求6或7所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述周壁中的每个孔具有一宽度，所述宽度构成超过1％的周壁区域。

9.根据权利要求1或2所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述多个边缘是沿所述周沿分布的至少三个边缘。

10.根据权利要求9所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述边缘构成超过5％的周沿。

11.根据权利要求1或2所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述孔中的至少一个的截面是圆形的或正方形的。

12.根据权利要求1所述的井下工具头(1)，其特征在于，沉淀固体(2)为冰或垢体。

13.根据权利要求2所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述基部(7)中的所述孔(9)构成超过30％的基部区域。

14.根据权利要求2所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述基部(7)中的所述孔(9)构成超过40％的基部区域。

15.根据权利要求2所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述基部(7)中的所述孔(9)构成超过50％的基部区域。

16.根据权利要求4所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述孔的所述宽度构成超过3％的基部区域。

17.根据权利要求4所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述孔的所述宽度构成超过5％的基部区域。

18.根据权利要求4所述的井下工具头(1)，其特征在于，所述孔的所述宽度构成超过8％的基部区域。

19.一种井下工具头组件(100)，包括根据权利要求1-18中任一项所述的井下工具头和布置在所述井下工具与所述井下工具头之间的元件(18)，所述元件包括开口和元件面，该元件面布置成与所述基部相距比所述井下工具头的基部中的孔的宽度小的距离。

20.根据权利要求19所述的井下工具头组件(100)，其特征在于，所述元件包括从所述元件面的开口延伸并且终止于所述元件的一侧以让腔室流体经所述侧流出的通道(19)。

21.根据权利要求19或20所述的井下工具头组件(100)，其特征在于，当所述井下工具头绕所述井下工具的纵向轴线旋转时，所述通道的至少一个开口与所述基部中的孔重叠。

22.根据权利要求1-18中任一项所述的井下工具头的用途，该用途是用于释放管道、套管(3)、井或任何其它腔室中的腔室流体中的沉淀固体(2)或者用于在井下地层中钻井。

23.一种井下工具(10)，包括：

-根据权利要求1-18中任一项所述的井下工具头(1)，和

-用于旋转所述井下工具头(1)的驱动单元(15)，

其中，所述井下工具头设置在与所述驱动单元(15)连接的轴(11)上。

24.一种用于执行井下操作的井下系统(20)，包括：

-根据权利要求23所述的井下工具，和

-用于在所述井内移动所述井下工具的驱动工具。

25.根据权利要求24所述的井下系统(20)，其特征在于，所述驱动工具为井下牵引机。