CN102597413B - 液压锁定稳定器 - Google Patents

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Abstract

井下工具(100)包括配置于钻铤(110)的孔(115)内的压力外壳(120)。至少三个肋片(220)被配置在外壳(120)上和工具环状空间(115)内。肋片(220)中的至少一个包括配置于其上的浮动叶片(250)。所述叶片(250)包括配置于其中的多个径向活塞(260)。活塞(260)被构造成使得径向向外朝向的活塞表面的表面积大于径向向内朝向的活塞表面的表面积。活塞(260)的构造引起径向向外朝向的叶片表面的表面积小于径向向内朝向的叶片表面的表面积。在操作期间，静水压力在活塞(260)和浮动叶片(250)上施加差动力，从而推动活塞(260)朝着外壳(120)径向向内而叶片(250)朝着钻铤(110)径向向外。

Description

液压锁定稳定器
相关申请
本申请要求申请序列号为12/496,109名称为“液压锁定稳定器(HydraulicallyLocking Stabilizer)”，提交于2009年7月1日的美国实用新型的优先权。
技术领域
本发明通常涉及井下钻探操作，尤其涉及用于在钻铤内稳定和/或使得压力外壳对中的设备。
背景技术
最近几年，井下工具，尤其是配置在钻柱的下部钻具组件(BHA)内的井下工具，明显地变得越来越复杂。典型的BHA通常包括，例如，一个或更多的随钻测井(LWD)和/或随钻测量(MWD)工具。众所周知，这些工具包括各种电子传感器诸如伽玛射线传感器，中子传感器，电阻率传感器，地层压力和温度传感器，超声波传感器，音频声学传感器，磁传感器，加速度传感器，等等。LWD和MWD工具通常还包括具有至少一个微处理器和电子存储器的电子控制器。此外，典型的BHA还包括其他工具，诸如遥测工具，地层取样工具，和/或旋转操纵工具，其包括设置成在钻探过程中控制、监测和记录各种工具的功能的电子控制器。
同样在本领域众所周知的是，在钻探过程中通常遇到恶劣的动态条件。通常遇到的动态条件包括，例如，钻头跳动，侧向冲击和振动，和粘贴/滑移。钻头跳动包括钻柱的轴向振动，这通常导致钻头从地层暂时提起(离开钻孔的底部钻头的“跳动”)，侧向冲击和振动是横向于钻柱的轴线的侧向冲击和振动而且通常是由于具有井壁的BHA的冲击所导致的。粘贴/滑移指的是由在钻柱部件和井壁之间的摩擦引起的扭转振动。粘贴/滑移引起钻柱的迅速旋转加速和减速并且众所周知会产生瞬间的钻柱旋转速度，该瞬间的钻柱旋转速度是工作台的正常旋转速度的许多倍。钻头跳动，侧向冲击和振动，和粘贴/滑移通常被认为是导致井下工具的出现电子故障的主要原因。这些电子故障通常会导致要付出昂贵的代价(起下钻柱而进入和离开钻孔)来修理或更换损坏的工具和/或工具部件。
部分地由于上述的动态条件，对在井下工具内使用的电子传感器和控制器提出了不小的挑战。此外，通常需要将MWD传感器(例如，加速度计，磁强计，和陀螺仪)和某些LWD传感器(例如，伽玛射线传感器，中子传感器，和密度传感器)配置成尽可能地接近钻柱的纵向轴线。这些传感器通常配置在压力外壳，该压力外壳在钻铤的孔内对中。在这样的构造中，对于压力外壳来说通常需要压力外壳既牢固地固定在钻铤上又容易地从钻铤上移除(例如，用于为在钻探操作之间的传感器服务)。还应该使得对中机构成流线型以使得钻探流体以最小的限制流动通过位于钻铤的内表面和压力外壳的外表面之间的环状空间。
本领域已知各种对中器的构造。例如，一种类型的对中器包括具有金属肋片和/或环的压力外壳，该压力外壳的尺寸和形状的几乎接触钻铤的内壁。这种构造也可以采用O形环用于抑制振动。而这样的布置易于充分地对中压力外壳(多个)，肋片和钻铤之间的必要间隙在振动下易于损害钻铤的内表面并能实际上放大由电子设备监测的冲击和振动。此外，由于环和钻铤ID之间塞满了泥浆，所以移除对中器会比较棘手。
金属肋片或环型对中器的另一种变形结合了楔锁定装置。这些楔锁定装置通常使用传统的螺钉来供给能量。这些装置经常能充分地锁定和对中压力外壳(多个)。然而，众所周知，在使用中松动螺钉从而对装置进行解锁并且由于井下动态条件允许装置运动。众所周知，螺钉完全拧开且从BHA掉落到钻头，这会堵塞喷嘴并且引发钻探的问题。
另一种市场上能买到的构造采用模压橡胶肋片，该模压橡胶肋片的尺寸和形状设计成与钻铤的ID稍微地过盈配合。虽然这种布置易于充分地抑制振动，但是由于橡胶和钢材之间的高摩擦系数，在安装和移除对中器时会出现问题。此外，橡胶肋片容易被撕裂和化学降解，这会导致压力外壳在使用中出现过度的移动。
压力致动的楔锁定对中器在本领域也是已知的。虽然这种压力致动的楔机构(由倾斜平面提供)增加在钻铤内的稳定器的机械保持力，它们往往非常笨重，因此易于严重地限制了钻探流体流动通过钻铤。这种限制增加了局部流体速度和湍流，这反过来能导致钻铤和压力外壳受到严重的侵蚀和空蚀破坏。楔机构的进一步问题还在于通过活塞施加的力的相当大的一部分需要刚好克服楔和斜面之间的摩擦力以及楔和钻铤之间所需的运动。由于摩擦锁定，当试图从钻铤移除系统时楔式样的方法也会变得非常棘手。
因此，本领域需要一种改进的对中器，该对中器能解决上述问题和/或更普遍地提供改进或替代现有的布置，特别是，例如，用于对中和/或稳定在钻铤内的压力外壳。
发明内容
根据本发明提供了在所附权利要求中从多个方面进行描述的一种设备，特别是井下工具。
本发明解决在井下工具中使用的现有技术的稳定器的上述不足之处中的一项或多项。本发明的方面包括具有配置在钻铤的孔内的压力外壳的井下工具。压力外壳可能包括，例如，配置在其中的一个或多个MWD或LWD传感器。至少三个周向间隔的肋片配置在外壳上和在外壳的外表面与钻铤的内表面之间的环状空间内。在优选的构造中肋片中的两个是刚性的并且构造成和钻铤物理接触且因此稳定和/或对中在钻铤内的外壳。浮动叶片配置在第三个肋片上。叶片包括配置在其内的多个径向活塞。活塞被构造使得径向向外朝向的活塞表面的表面积大于径向向内朝向的活塞表面的表面积。这种活塞构造引起径向向外朝向的叶片表面的表面积小于径向向内朝向的叶片表面的表面积。
在操作中，当将工具配置在地下钻孔内时，这些表面积的差异导致差动力应用到活塞和叶片上。特别是，在静水压力的影响下，活塞被朝着外壳径向向内推动并且叶片被朝着钻铤径向向外推动。这种稳定力易于和静水压力成正比。
本发明的示例性实施例有利地提供了若干技术优势。例如，当将井下工具配置在地下钻孔内时，本发明的示例性实施例在压力外壳和钻铤之间提供强大的稳定力。此外，径向活塞的使用将摩擦损失最小化。当工具已从钻孔移除时，本发明还能够将压力外壳从钻铤容易地移除。
本发明的某些实施例，例如采用纵向间隔和周向对准的径向活塞的那些实施例的进一步优点还在于：它们易于给予通过工具环状空间的钻孔流体的流动最小的阻碍，同时也为外壳提供强大的稳定力。使流体不受阻碍地流动成为可能，有利地减少了侵蚀，这继而也可以延长井下工具的使用寿命。
在本发明的一个方面，本发明包括井下工具。该工具包括具有纵向孔和配置在孔内的外壳的基本上圆柱形的钻铤。至少三个轴向肋片配置在外壳上。浮动叶片配置在肋片中的至少一个上。浮动叶片被构造成径向向外地延伸以接触钻铤的内表面。浮动叶片具有径向向内和径向向外朝向的叶片表面。径向向内朝向的叶片表面的表面积大于径向向外朝向的叶片表面的表面积。多个径向活塞配置在叶片内。每个活塞都有对应的径向向内和径向向外朝向的活塞表面。径向向内朝向的活塞表面的表面积小于径向向外朝向的活塞表面的表面积。
特别是在本发明的一个特定方面中，本发明包括井下工具，该井下工具包括具有纵向孔和配置在孔内的外壳的基本上圆柱形的钻铤。第一和第二纵向地间隔的稳定器配置在外壳上。每个稳定器都包括至少三个细长的肋片，所述肋片中的至少一个包括浮动叶片，所述浮动叶片被构造成径向向外延伸以接触钻铤的内表面。浮动叶片具有径向向内和径向向外朝向的叶片表面。径向向内朝向的叶片表面的表面积大于径向向外朝向的叶片表面的表面积。每个稳定器进一步包括配置在叶片内多个径向活塞，每个活塞都具有对应的径向向内和径向向外朝向的活塞表面。径向向内朝向的活塞表面的表面积小于径向向外朝向的活塞表面的表面积。
在另一个方面，本发明包括用于稳定钻铤内的压力外壳的设备。该设备包括配置在外壳上的至少三个轴向肋片。浮动叶片配置在至少一个肋片上。浮动叶片被构造成径向向外延伸以接触钻铤的内表面。浮动叶片具有径向向内和径向向外朝向的叶片表面。径向向内朝向的叶片表面的表面积大于径向向外朝向的叶片表面的表面积。多个径向活塞配置在叶片内。每个活塞都具有对应的径向向内和径向向外朝向的活塞表面。径向向内朝向的活塞表面的表面积小于径向向外朝向的活塞表面的表面积。
前述内容相当广泛地概述了本发明的特征和技术优势以便能更好地理解为了下文对本发明进行的详细描述。本发明的其他特征和优势将在下文中进行描述，其形成了本发明的权利要求的主题。本领域的那些技术人员应该理解，可以很容易地利用所公开的构思和特定的实施例作为基础用于修改或设计能同样实现本发明的目的的其他结构。本领域的那些技术人员也应该认识到这种等效构造并没有偏离在附加权利要求中所阐述的本发明的精神和范围。
附图说明
为了更全面的理解本发明和它的优点，现在参考结合附图的以下描述，其中：
图1描绘了本发明的示例性实施例可能配置在其上的钻机。
图2描绘了图1所示的井下工具的示例性实施例的纵向截面。
图3描绘了图2所示的井下工具的圆形截面。
图4描绘了图2所示的液压致动的稳定器之一的透视图。
图5描绘了图4所示的稳定器的分解图。
图6描绘了图4所示的稳定器的纵向截面。
具体实施例
首先参见图1到图6，可以理解所示的示例性实施例的特征或方面可以从不同的视图得以示出。在某些特定视图共用一些特征或方面时，使用相同的附图标记对它们进行标记。因此，相对于其它视图中示出的附图标记，在此对图1到图6中一个视图中用特定附图标记的特征或方面进行描述。
图1示出了适合配置本发明的示例性实施例的钻机10。在图1所示的示例性实施例中，半潜式钻探平台12定位在设置于海床16下的油或气体的形成层(未示出)上。海底管道18从平台12的甲板20延伸到井口装置22。该平台可包括钻塔26和用于提高和降低钻柱30的起重设备28，其，如图所示，延伸进入钻孔40并且包括钻头32和井下工具100(例如，MWD工具)。如关于图2到图6中更详细地描述的，井下工具100包括配置在常规的钻铤内的压力外壳(在图1中未示出)。压力外壳通常包括一个或多个电子传感器和/或其他电子装置；然而，本发明并不局限在这些方面。
本领域的普通技术人员能理解本发明并不局限于仅与如图1中所示的半潜式平台12一起使用。本发明同样适合于与任何一种地下钻探操作一起使用，或者海上的或者陆上的。尽管有时关于MWD实施例在下文描述本发明的示例性实施例，可以理解本发明不限于这个方面。例如，如下面更详细地描述的，在在钻铤内外壳得以对中和/或稳定的基本上任何井下工具构造中，也可以利用本发明的实施例。因此，例如，在LWD工具，潜水器电池，潜水器通信，等等中，也可以利用本发明。
现在转到图2，以纵向截面示出了井下工具100。在示出的示例性实施例中，工具100包括管状工具主体110(钻铤)。工具主体110通常包括螺纹端(例如，阳和阴螺纹端-未示出)用于耦合其他BHA部件，但是本发明不限于此方面。该工具还包括配置在工具主体110内的压力外壳120。压力外壳120被构造成为向电子传感器和配置在电子传感器内的其他电子部件提供压力紧密密封。在示出的示例性实施例中，虽然本发明并不局限于使用任何特定数量的稳定器，但是经由第一和第二液压锁定对中器200，压力外壳120在工具主体内得以对中和稳定(即，和工具主体同轴配置)，。
在描绘的示例性实施例中，本发明的对中器200包括具有三个或更多个径向肋片220的套筒210。套筒210围绕串联潜水器150配置，串联潜水器依次连接到压力外壳120。肋片被构造成接触并施加力到工具主体110的内表面112，从而稳定钻铤内的压力外壳120。如在下文中关于图4至图6进行的更详细地描述，至少一个肋片包括一个浮动叶片250(在图2未示出)，该浮动叶片250构造成从外壳径向向外延伸以接触工具主体110的内表面112。
在图2描绘的示例性实施例中，压力外壳120在工具主体110内对中。此外，对应的肋片220在第一和第二对中器200内周向地彼此对准(即，它们被取向为同一工具面角)。可以理解，本发明并不局限于这些方面。例如，在压力外壳120在工具主体110内得以对中的实施例中，肋片220不需要周向地对准。根据本发明，还可以利用对中器来偏心工具主体110内的压力外壳120。在这种偏心的实施例中，对应的肋片通常是周向地对准的。
现在转到图3，以圆形截面示出了通过上部稳定器200的井下工具100。如所描绘的，稳定器200包括三个肋片220，三个肋片220的至少一个还包括浮动叶片250，该浮动叶片250示为延伸成接触工具主体110的内表面112。在示出的示例性实施例中，肋片220与套筒210成一体(即，套筒210和肋片220是一体构造的)。本发明在这方面明确地没有受到限制。例如，在一个可选的实施例中肋片220可紧固(例如，经由常规的螺钉)在套筒上。在另一可选的实施例中肋片220可直接紧固在压力外壳120上。本领域的那些普通技术人员容易理解，根据本发明，通过消除(或减少)对复杂机械操作的需求，这些可选的实施例能有利地降低对中器/稳定器的制造成本。
继续参照图3，肋片220优选地但并不必须地尺寸标准(即，和孔的ID匹配)以提供对压力外壳120的准确对中。将肋片220的尺寸和形状进一步有利地设计成流线型(即，是长而薄，或其他方式的想法，以具有较高的长宽比)。和环状空间115的横截面面积相比，这种流线型的肋片的有利地圆形截面具有小面积。这种结构能有利地将给流动通过该工具环状空间115的钻探流体的阻碍最小化，这继而易于降低侵蚀。
现在参见图4-6，浮动叶片250的一个有利的实施例的结构和功能得以更详细的描述。图4以透视图描绘了稳定器200，而图5描绘了分解图。图6描绘了通过叶片250的纵向截面。如图所示，至少一个肋片220包括一个浮动叶片250，该浮动叶片250构造成径向向外延伸以接触工具主体110的内表面。叶片250也被构造成向工具体110施加径向力(稳定力)。在示出的示例性实施例中，叶片250经由第一和第二纵向相对的保持销255固定到对应的肋片220上。叶片250构造成在销255的径向方向上“浮动”，其延伸通过在叶片的端部上形成的对应的径向槽252。这种构造将叶片250固定到肋片220上，同时允许叶片250能在径向方向上延伸和收回。
将多个径向活塞260(优选4个或更多个)配置在叶片250内的对应凹槽内。在示出的示例性实施例中，活塞260既是纵向(轴向)地间隔的又是周向地对准。这种构造，即，活塞260纵向地间隔和周向地对准能有利地使用长的、细长的叶片250，将如上所述的给钻探流体的流动的阻碍最小化。使用多个(例如，4个或更多个)活塞260的有利地增加了施加到叶片250上的径向力的大小，其继而易于改进压力外壳120的稳定性。此外，使用多个活塞260的有利之处还在于它提供在使用中冗余和改进的工具可靠性。纵向地间隔和/或周向地对准活塞260的有利之处在于在使得多个活塞能够被使用，同时也确保了对流体流动的阻碍最小化。如进一步描述的，活塞260和叶片250构造成在基本上纯径向方向上相对于彼此往复移动。这排除了使用楔机构的需要且有利地使叶片运动能够纯粹径向。
现在参见图6，每个活塞260都包括径向向外朝向的相对大直径基部262和径向向内朝向的相对小直径颈264。每个活塞进一步限定了对应的环形腔270，该环形腔270位于第一和第二径向间隔的O型环密封件258和268之间的颈264周围。O型环密封件258和268将每个活塞260与叶片250密封接合，因此在腔270和环状空间115之间提供基本上压力紧密密封。在示出的示例性实施例中，每一个活塞还包括保持环266，该保持环266配置在颈264周围用于固定位于叶片250内的活塞260。
如上所述，稳定器200构造成用于静水压力致动。如本领域的普通技术人员已知的，在钻孔内配置井下工具100时，环状空间115充满钻探流体，随着钻孔的总竖直深度增加而增加钻探流体的静水压力。如图4所描绘的，环状空间内的钻探流体围绕浮动叶片250(即，钻井流体容易进入叶片250的下侧)。当工具100在钻孔内降低时，静水压力增加到大气压力以上，差动力推动叶片250向外以接触工具主体110。这种差动力是由于活塞260和叶片250的内表面和外表面之间的差表面积造成的。特别是，如上所述，每个活塞都具有径向向外朝向的相对大直径基部262和径向向内朝向的相对小直径颈264。因此活塞径向向外朝向的表面积大于活塞径向向内朝向的活塞表面积。由于活塞260配置在叶片250中，叶片表面的径向向外朝向的表面积小于径向向内朝向的表面积。表面积的不同导致对应的差动力，该差动力推动活塞260径向向内以接触套筒210(或不使用套筒的实施例中的压力外壳120)并且推动叶片250径向向外以接触钻铤110，从而压缩腔270。本领域技术人员容易理解差动力(因此在叶片上的力)和钻探流体的静水压力成比例。本领域的普通技术人员也理解随着基部262和颈264的面积比增加，比例常数也易于增加。在示出的示例性实施例中，在叶片250上的外力大约是每1000pis500磅的静水压力。当然，本发明在比例常数方面并不受限制。
一旦将工具100从钻孔移除，压力外壳120和稳定器(多个)200可以很容易的从钻铤110移除。在没有静水压力时，叶片250浮动在保持销255上，因此其有利地对移除提供很小(或没有)阻力(或没有)。稍微地小于或符合标准尺寸的肋片220自由地滑出钻铤110。
虽然已经对本发明和其优点进行了详细地描述，但是应该理解在不偏离所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种改变、替换和替代。

Claims (16)

1.一种用于在钻铤(110)内稳定压力外壳(120)的设备(200)，所述设备(200)包括：
  至少三个细长肋片(220)，其配置在所述外壳(120)上；
  浮动叶片(250)，其配置在至少一个所述肋片(220)上，浮动叶片(250)被构造成径向向外地延伸以接触所述钻铤(110)的内表面(112)，所述浮动叶片(250)具有径向向内和径向向外朝向的叶片表面，径向向内朝向的叶片表面的表面积大于径向向外朝向的叶片表面的表面积；以及
多个径向活塞(260)，其配置在所述叶片(250)内，所述活塞(260)中的每一个都具有对应的径向向内和径向向外朝向的活塞表面，径向向内朝向的活塞表面的表面积小于活塞径向向外朝向的活塞表面的表面积。
2.根据权利要求1所述的设备(200)，其中所述至少三个细长肋片(220)为轴向肋片。
3.根据权利要求1或2所述的设备(200)，其中所述活塞(260)纵向间隔在所述叶片(250)内且在周向上彼此对准。
4.根据权利要求1-2中任一所述的设备(200)，包括至少四个活塞(260)。
5.根据权利要求1-2中任一所述的设备(200)，其中所述叶片(250)经由第一和第二销(255)固定在对应的肋片上，所述第一和第二销(255)穿过对应 的第一和第二径向槽(252)，所述对应的第一和第二径向槽(252)形成在所述叶片(250)的相对的纵向端上。
6.根据权利要求1-2中任一所述的设备(200)，其中所述活塞(260)的每一个都和所述叶片(250)密封接合。
7.根据权利要求1-2中任一所述的设备(200)，其中所述活塞(260)的每一个限定了对应的环形腔(270)，所述环形腔(270)定位成围绕所述活塞(260)的颈部分(264)。
8.根据权利要求7所述的设备(200)，其中每个环形腔(270)位于配置在所述活塞(260)周围的第一和第二径向间隔的O型环密封件(258，268)之间。
9.根据权利要求1-2中任一所述的设备(200)，其中所述肋片(220)被基本等角度地配置在所述外壳(120)的圆周的周围。
10.根据权利要求1-2中任一所述的设备(200)，其中所述肋片(220)直接紧固在所述外壳(120)上。
11.根据权利要求1-2中任一所述的设备(200)，其中所述肋片(220)配置在套筒(210)上，所述套筒(210)配置在所述外壳(120)周围。
12.根据权利要求1-2中任一所述的设备(200)，其中所述径向向内朝向的叶片表面和所述径向向外朝向的叶片表面与位于所述外壳(120)与所述钻铤(110)之间的环状空间(115)流体连通。
13.根据权利要求1-2中任一所述的设备，其中所述径向向内朝向的活塞表面和径向向外朝向的活塞表面与位于所述外壳(120)与所述钻铤(110)之间的环状空间(115)流体连通。
14.一种井下工具(100)，其包括：
  基本上圆柱形的钻铤(110)，其具有纵向孔(115)；
  外壳(120)，其配置在所述孔(115)内；以及
  根据前述任一权利要求所述的设备(200)。
15.根据权利要求14所述的井下工具(100)，其包括：
  配置在所述外壳上的第一和第二纵向间隔的稳定器(200)；所述稳定器中的每一个都包括根据权利要求1-13中的任一项所述的设备(200)并且包括至少三个细长肋片，所述肋片中的至少一个包括浮动叶片，并且其中所述稳定器中的每一个包括配置于叶片内的所述多个径向活塞。
16.根据权利要求15所述的井下工具，其中所述稳定器中的每一个包括至少四个活塞。
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