CN102834582A - 钻柱分离装置、包括分离装置的钻井系统和系统的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于钻柱的分离装置（10），该装置在纵向方向（X）上包括：用于固定在钻柱的钻杆上的第一结构（11）；用于支撑钻凿用切削工具并且相对第一结构平移活动的第二结构（12）；和在所述第一结构与第二结构之间的推力器组件。推力器组件适于在第二结构（12）上施加推力，以使所述第二结构与所述第一结构分离，对于第二结构相对第一结构的任何位置，所述推力都是恒定的。

Description

钻柱分离装置、包括分离装置的钻井系统和系统的应用

技术领域

本发明涉及用于钻柱的分离装置、包括该类分离装置的钻井系统和该类系统的应用。

背景技术

该类分离装置的应用是在钻井、如用于生产石油的井中。在该应用中，分离装置位于例如井底，在切削工具与钻柱的钻杆之间。在钻井过程中，操作者例如操纵在井口的刹把，以控制钻柱的下降。承靠于井底地质构造上的切削工具则只承受钻柱钻杆重量的一很小部分。

但是，当切削工具碰击到硬度远高于地质构造普通硬度的岩石时，则它经受沿纵向方向朝向井口的非常大的反作用力。这些极端反作用力的重复导致切削工具的磨损。然而更换切削工具是耗时和非常昂贵的。

发明内容

本发明的目的在于避免切削工具承受沿钻井纵向方向的大的反作用力。

根据本发明的一实施方式的用于钻柱的分离装置在纵向方向上包括：

－用于固定在钻柱的钻杆上的第一结构；

－用于支撑钻凿用的切削工具的第二结构，所述第二结构能相对第一结构沿纵向方向平移活动；

所述分离装置的特征在于其另外包括在第一结构与第二结构之间的推力器组件，所述推力器组件适于在所述第二组件上施加推力，以使所述第二结构与所述第一结构分离，所述推力对于第二结构相对第一结构的任何位置都是基本恒定的。

由于这些设置，分离装置在受到高于推力的反作用力时缩回。因此，切削工具朝分离装置的方向移动，稍微离开井底，切削工具与地质构造之间的接触减小，和对切削工具的反作用力减小。这样，通过分离装置自动调节地质构造对切削工具的反作用力。切削工具不再承受重复的极端反作用力，因此磨损减慢。

另外，分离装置具有过滤来自钻柱向切削工具的、和相反地来自切削工具向钻柱的振动的作用。则钻柱和整个钻井系统承受较小的干扰振动，这还有利于钻井控制。

另外，由于分离装置的推力在第二结构在第一位置与第二位置之间相对第一结构的大移动行程上都是恒定的，因而分离装置具有的内在刚度非常低。因此，通过分离装置悬挂的切削工具的重量本身不会导致放大钻井系统振动的共振模式。

在根据本发明的用于钻柱的分离装置的不同实施方式中，必要时可以另外采用以下设置中的一个和/或另一个：

－第二结构被引导相对第一结构沿纵向方向平移，并且推力器组件包括至少一具有弹性构件和输出臂的平衡机构，弹性构件产生与弹性构件的压缩成正比的弹性力，输出臂与所述弹性构件连接，并且输出臂能够围绕输出轴枢转；和至少一在所述输出臂与所述第二结构之间的连接部件，用以将所述推力沿纵向方向施加给所述第二结构，所述连接部件包括轮，该轮铰接以相对输出臂转动、离开所述输出轴，并承靠在与第二结构连接并与纵向方向基本垂直的连接表面上；

－平衡机构另外包括：

--根据弹性构件的压缩可移动的活动构件；

--围绕输入轴转动铰接的输入臂，输入臂包括与活动构件的表面接触的端部分，所述输入臂相对垂直于所述纵向方向的方向倾斜第一角度；

--与所述输入臂连在一起的输入齿轮；和

--与输出臂连在一起并与所述输入齿轮啮合的输出齿轮，并且输出臂相对纵向方向倾斜第二角度，所述第二角度等于所述第一角度的两倍；

－活动构件沿纵向方向可平移移动，并且能按照相对所述纵向方向的倾角倾动；

－输入和输出齿轮具有角扇形件的形状，以减小平衡机构的尺寸；

－推力器组件包括第一和第二平衡机构，每个平衡机构包括一输出轴，这些输出轴在纵向方向上相对于彼此错开地布置，以减小所述输出轴之间的垂直于所述纵向方向的径向距离，和以减小与推力器组件的垂直于纵向方向的径向尺寸；

－第一和第二平衡机构的输入齿轮相互啮合；

－推力器组件包括多个模块，所述多个模块彼此相继地沿纵向方向安装在第一结构与第二结构之间，每个模块在所述第二结构上提供一部分推力，以使所述多个模块的推力部分的总和等于该推力器组件的推力；

－多个模块相同，每个模块提供的推力部分相同；

－推力器组件包括至少一个沿纵向方向穿过所有模块的拉杆，其适于使模块与第一结构连在一起，并且每个模块包括至少一个用于接受所述推力部分的推杆，一模块的推杆用于推动下一模块的推杆或者以所述推力推动第二结构；

－每个模块包括一膨胀部件，其适于使模块与同第一结构连在一起的外管相联接；

－在每个推杆与下一推杆之间安置一弹性元件；

－每个模块包括一内管部分和围绕内管部分的一外管部分，其中：

--外管部分彼此相继地联接并联接到所述第一结构；

--内管部分彼此相继地联接并联接到所述第二结构；和

--每个模块将所述推力部分提供给所述模块的内管部分；

－推力器组件容置于径向地延伸在内管与外管之间的环形空间中，内管用于使至少一流体引导在所述内管内，外管与第一结构相联接，外管包围所述推力器组件；

－所述推力器组件的一些元件彼此通过套箍、然后在套箍后通过销接相联在一起进行组装，以便能够抵抗施加在被组装的这些元件上的机械应力。

本发明还涉及包括上述分离装置的钻井系统，该钻井系统另外包括：

－包括至少一个钻杆的钻柱，所述钻柱与分离装置的第一结构连接；

－用于钻凿地质构造的切削工具，切削工具与分离装置的第二结构连接；和

－在钻井井口的钻柱保持装置，其适于控制钻柱在钻井中的上升和下降。

在根据本发明的钻井系统的不同实施方式中，必要时可以另外使用以下设置中的一个和/或另一个：

－分离装置包括至少一个移动传感器，用以确定第二结构相对第一结构的位置，并且该钻井系统包括传输部件，用以将所述位置传输给保持装置以控制钻柱的保持力；

－如果位置指示第二结构在第一结构附近，则增加钻柱的保持力，如果位置指示第二结构远离第一结构，则减小钻柱的保持力。

本发明还涉及上述钻井系统的应用，其中：

－确定钻柱的保持力，使所述保持力保持恒定；

－钻进地质构造一段预定距离，所述预定距离小于分离装置的行程；

－测量与切削工具为钻进所述预定距离的角转动相对应的角度；和

－通过预定距离与测得的角度之比，来确定对于所述地质构造的每转的切削深度。

可选地，本发明涉及上述钻井系统的应用，其中；

－确定钻柱的保持力，使所述保持力保持恒定；

－以切削工具的预定转动角度钻凿地质构造；

－测量对应于切削工具的为以所述预定转动角度钻凿的前进量的距离，所述距离是分离装置的第一结构和第二结构之间的距离；和

－通过测得的距离与预定转动角度之比，来确定对于所述地质构造的每转的切削深度。

由于这些设置，可以利用直接测得的井底信息来确定每转的切削深度。则非常准确地确定每转的切削深度。

在使用根据本发明的钻井系统的不同实施方式中，必要时可以另外使用以下设置中的一个和/或另一个：

－保持力为零；和

－每转的切削深度允许通过切削工具的切削模型确定井底岩石强度。

本发明还涉及分离装置。

文献FR-2814449描述了载荷移动装置，如用于搬运桩子或板桩。

但是，该类装置只能补偿载荷重量，即沿竖直方向的力。

本发明的目的在于能够补偿沿任何方向的力。

根据本发明一实施方式的分离装置在纵向方向上包括：

－用于固定在钻柱的钻杆上的第一结构；

－用于支撑钻凿用的切削工具的第二结构，所述第二结构是活动的和被引导相对第一结构沿纵向方向平移；

－在所述第一结构与第二结构之间的推力器组件，所述推力器组件适于在所述第二结构上施加推力，以使所述第二结构与所述第一结构分离，对于第二结构相对第一结构的任何位置，所述推力基本恒定；

－推力器组件包括至少一个具有弹性构件和输出臂的平衡机构，弹性构件产生与弹性构件的压缩成正比的弹性力，输出臂与所述弹性构件连接，并且输出臂能够围绕输出轴枢转；

分离装置的特征在于，推力器组件包括输出臂与第二结构之间的连接部件，用以将所述推力沿所述纵向方向施加给所述第二结构，所述连接部件包括轮，所述轮铰接以相对所述输出臂转动、离开所述输出轴并承靠在连接表面上，所述连接表面连接至所述第二结构并基本垂直于所述纵向方向。

由于这些设置，分离装置可用于使第二结构与第一结构分离，而无论所述结构相对竖直方向的方向如何，或无论分离力相对竖直方向的方向如何。

在根据本发明的分离装置的不同实施方式中，必要时可以使用以下设置中的一个和/或另一个：

－平衡机构另外包括：

--根据弹性构件的压缩可移动的活动构件；

--围绕输入轴转动铰接的输入臂，并且该输入臂包括与活动构件的表面接触的端部分，所述输入臂相对垂直于所述纵向方向的方向倾斜第一角度；

--与所述输入臂连在一起的输入齿轮；和

--与输出臂连接和与输入齿轮相啮合的输出齿轮；并且

输出臂相对纵向方向倾斜第二角度，所述第二角度等于所述第一角度的两倍；

－活动构件可以沿纵向方向平移移动，并且能够按照相对所述纵向方向的倾角倾动；

－输入和输出齿轮具有的形状为角扇形件，以减小平衡机构的尺寸；

－推力器组件包括第一和第二平衡机构，每个平衡机构包括一输出轴，这些输出轴相对于彼此在纵向方向上以错开的方式布置，以减小所述输出轴之间的垂直于所述纵向方向的径向距离，和以减小所述推力器组件的垂直于所述纵向方向的径向尺寸；

－第一和第二平衡机构的输入齿轮相互啮合；

－推力器组件包括多个模块，这多个模块彼此相继地沿纵向方向安装在第一结构与第二结构之间，每个模块在第二结构上提供一部分推力，以使所述多个模块的推力部分的总和等于该推力器组件的推力；

－所述多个模块相同，每个模块提供的推力部分相同；

－推力器组件包括至少一个沿纵向方向穿过所有模块并适于使模块与第一结构相联接的拉杆，并且每个模块包括至少一个用于接受所述推力部分的推杆，一模块的推杆适于推动下一模块的推杆，或以所述推力推动第二结构；

－每个模块包括一膨胀部件，其适于使模块与同第一结构连在一起的外管相联接；

－一弹性元件位于每个推杆与下一推杆之间；

－每个模块包括一内管部分和围绕内管部分的一外管部分，其中：

--所述外管部分彼此相继地联接并联接到所述第一结构；

--所述内管部分彼此相继地联接并联接到所述第二结构；和

--每个模块将所述推力部分提供给模块的内管部分；

－推力器组件容置于径向地延伸在内管与外管之间的环形空间中，内管用于在所述内管中引导至少一流体，外管与第一结构相联接，并且外管包围所述推力器组件；

－所述推力器组件的一些元件彼此通过套箍、然后在套箍后通过销接相联在一起进行组装，以便能够抵抗施加在被组装的这些元件上的机械应力。

附图说明

随着下面参照附图对作为非限定性例子给出的本发明的两个实施方式的描述，本发明的其它的特征和优点将体现出来。

附图中：

－图1是包括根据本发明的分离装置的钻井系统的示意图；

－图2是分离装置的第一实施方式的纵剖面图；

－图3是图2分离装置的一模块的透视图；

－图4是图3模块的侧视图；

－图5是图3模块的另一透视图；

－图6是分离装置的第二实施方式的一模块的透视图；

－图7是图6模块的侧视图，为观看，一些元件被取消；

－图8是图6模块的另一侧视图，为观看，其它元件被取消。

具体实施方式

在不同的图中，相同参考标号表示相同或相似的元件。

图1表示用于钻凿钻井2的系统1，该系统包括：

－钻井设备3，例如在地质构造或地层的表面；

－钻柱4，其包括多个长度的钻杆4a，这些钻杆彼此相继地连接，以便达到位于距地表一定深度的井底；

－安装在该钻柱4下端的分离装置10；和

－安装在分离装置10下端的切削工具或钻具或钻头或埋头钻5。

钻井设备3包括例如：用于操纵钻杆的钻塔；用于带动钻柱4和切削工具5转动的驱动部件；以及保持装置6，其适于控制钻柱4在钻井2中的下降和上升和控制钻柱4重量的保持力，使得避免切削工具5太紧承靠在井底地质构造上。

实际中，钻柱4的钻杆重量可以大约为100吨。为有效运行和使切削工具的磨损较小，地质构造对切削工具5的反作用力应大约为20吨，即基本为200000牛顿。因此，保持装置6的保持力的值具有非常大的数值和是难于控制的。切削工具5在地质构造上的碰撞或冲击产生的振动通过钻杆从井底传播直到钻井设备3。这些振动一般被用于控制保持力的值。但是，这种传播可用较长时间，例如大于30秒。在保持装置处进行的控制只能以大延迟进行，这增加了控制该保持力的难度。

图2表示用于钻柱的分离装置10的第一实施方式。该装置在纵向方向X上延伸，并且包括：

－用于固定于钻柱的钻杆的第一结构11或上游连接构件；

－用于支撑钻凿用切削工具的第二结构12或下游连接构件。

第二结构12是可相对第一结构11在纵向方向X上平移活动的。

分离装置10包括：内管10a，其用于在该内管内引导至少一流体；和外管10b，其与第一结构11相联接，并且在沿纵向方向X的分离装置的基本整个长度上形成该分离装置10的外罩套。必要时，内管10a和/或外管10b可通过分段组装来形成，以便于分离装置10的安装。

例如，外管10b可具有的平均直径介于200mm到600mm之间。例如，内管10a可具有的平均直径介于40mm到200mm之间。

该分离装置10包括一推力器组件，所述推力器组件包括一些模块13，例如数量为十个，分别用参考标号13₁-13₁₀表示，这些模块在第一结构11与第二结构12之间沿纵向方向X彼此相继地串联安装在外管10b内。在图2的实施方式中，这些模块13全都是相同的，但也可以组装具有不同特征的不同模块。

每个模块13包括：

－一支撑结构16，模块13系列或模块组的支撑结构16通过拉杆14相互间联接，拉杆14穿过这些模块并将它们连接到第一结构11；

－两个推杆15，这两个推杆15沿纵向方向X穿过所述模块，并用于把移动传送给第二结构12；和

－平衡机构20，其适于在推杆15上施加沿纵向方向X的推力，以便引起这些推杆移动。

对于推杆15相对支撑结构16的任何位置、即对于第二结构12相对第一结构11的任何位置，每个平衡机构20的推力都是基本恒定的。

推杆15的移动行程例如为50mm-200mm之间，对于所示实施方式例如为90mm。

邻近第二结构12或切削工具5的最后模块13₁的推杆15作用在第二结构12上或推动第二结构12，其他模块13₂-13₁₀的推杆15作用在后面模块13₁-13₉的相应推杆15上或推动这些相应推杆15。

可以通过定中销使模块13相互之间有角度地定位。

弹性元件（未示出）也可被插置在相邻的相继模块的推杆15之间，以避免其运行时分离装置10的任何阻塞和模块之间连接的任何超静定现象。

每个所述模块13将一推力传输给下一模块，并且并行地作用，则第二结构12承受的推力是分离装置10的所有模块13的所有平衡机构20的推力的总和。

在该实施方式中，推力器组件包括十个模块13，每个模块包括四个平衡机构。模块13基本相同和产生相同推力。第二结构12承受的推力基本等于分离装置的一个所述模块13的推力的十倍，或者一个所述平衡机构的推力的四十倍。

例如，如果第二结构12应接受200000牛顿的总推力，则每个模块13产生20000牛顿，而每个平衡机构产生5000牛顿。

图3、4和5表示分离装置10的一模块13的细节图。该模块13包括：

－通过拉杆14与第一结构11连接的一支撑结构16；

－两个在纵向方向X上延伸的推杆15；和

－用于在推杆15上施加沿纵向方向X的推力的平衡机构20。

每个模块13被容置在一柱状环形的空间内，该空间径向地延伸在分离装置10的内管10a与外管10b之间。

每个模块13包括一与支撑结构16连接的径向膨胀部件17，该径向膨胀部件17适于使模块13与外管10b的内部相联接。因此，使一模块13在外管10b中定位，通过致动其径向膨胀部件17而使该模块与该外管相联接，然后再使下一模块13定位在外管10b中。这些模块13就这样被固定在外管10b中，并且每个模块将它们的作用力和应力传输给该外管，使得超静定现象减小和在钻井中运行时，外管10b可以变形、尤其是发生弯曲，而不影响分离装置的每个模块13的运行。

支撑结构16具有刚性笼的形状，包括：在模块第一纵向端的第一支撑板16b、在模块第二纵向端的第二支撑板16c，每个支撑板基本是在垂直于纵向方向的平面内；和使第一支撑板16b与第二支撑板16c连接的纵向梁16d。该支撑结构16还包括导引轴承16a，导引轴承16a安装在第一支撑板16b和第二支撑板16c上，用于在整个移动行程上引导推杆15相对支撑结构16平移。

滑块15a被联接在每个推杆15的中间部分中，用于接受平衡机构20的推力。

因此，每个推杆15可以在支撑结构16中在第一和第二轴承16a之间平移移动。滑块15a可以另外止挡在这些轴承之间，以限制推杆15在支撑结构16中的移动。

平衡机构20将弹性元件的压缩x转换为输入臂的为第一角度θ₁的转动，然后转换为输出臂的为第二角度θ₂的转动。第一角度θ₁具有的值是第二角度θ₂的一半：θ₁=θ₂/2=θ/2。

可以在专利公开文献FR-2627718、继而在专利公开文献FR-2814449中找到关于类似平衡机构的运行原理的说明。但是，由于模块13的小的体积尺寸和它的整体圆柱形状，因而本发明的分离装置10的平衡机构20具有不同的实施。另外，本分离装置10包括将第二结构相对第一结构引导的导引部件，使得能够补偿沿无论哪个方向的力，而不仅仅补偿沿竖直方向的载荷的重量。

图4和5表示一模块13，其中一些元件已经去掉，以便更好地观察如下所述的包括两个互连的平衡机构20a、20b的平衡组件。

该平衡组件包括：

－在模块13的第一端13a的第一弹性构件21，第一弹性构件21例如包括四个金属螺旋弹簧，这四个金属螺旋弹簧在纵向方向X上在一侧承靠在第一支撑板16b上和在另一侧承靠在第一活动构件23上；

－在模块13的第二端13b的第二弹性构件22，第二弹性构件22例如同样包括四个金属螺旋弹簧，这四个金属螺旋弹簧在纵向方向X上在一侧承靠在第二支撑板16c上，和在另一侧承靠在第二活动构件24上。

第一弹性构件21和第二弹性构件22被容置于支撑结构16内部，朝模块内部的方向、即朝所述模块13的中心部分或中心区域的方向彼此相向地取向。它们带预应力地被安装和作用在每个活动构件23、24上，使得这些活动构件趋向于彼此相向地移动。因此，每个活动构件23、24具有彼此相对的表面。

第一平衡机构20a包括：

－第一输入臂25，其被铰接以围绕中间输入轴25₁相对模块13的支撑结构16转动，第一输入臂在输入轴25₁两侧于其每一端包括相对所述第一输入臂25自由转动的一轮25₂、25₃，第一轮25₂与第二活动构件24的表面接触，第二轮25₃与第一活动构件23的表面接触；

－第一输入齿轮27，其与所述第一输入臂25连在一起；

－第一输出齿轮29，其被铰接以围绕输出轴29₁相对模块13的支撑结构16转动，第一输出齿轮29与第一输入齿轮27通过所述第一输入齿轮27和第一输出齿轮29的匹配的齿相啮合；

－第一输出臂31，其延伸在输出轴29₁与端部31₁之间，第一输出臂31与所述第一输出齿轮29连在一起，并且在它的端部31₁包括相对所述输出臂31自由转动安装的轮31₂，所述轮31₂将与基本垂直于滑块15a的纵向方向的连接表面接触。

第一输入臂25相对与纵向方向X基本垂直的方向倾斜第一角度θ₁=θ/2。

第一输出臂31相对纵向方向倾斜第二角度θ₂=θ。

第二平衡机构20b与第一平衡机构20a相类似。第二平衡机构20b包括：

－第二输入臂26，其被铰接以围绕中间输入轴26₁相对模块13的支撑结构16转动，第二输入臂在输入轴26₁两侧于其每一端包括相对所述第二输入臂26自由转动的一轮26₂、26₃，第一轮26₂与第二活动构件24的表面接触，第二轮26₃与第一活动构件23的表面接触；

－第二输入齿轮28，其与所述第二输入臂26连在一起；

－第二输出齿轮30，其被铰接以围绕输出轴30₁相对模块13的支撑结构16转动，第二输出齿轮30与第二输入齿轮28通过所述第二输入齿轮28和第二输出齿轮30的匹配的齿相啮合；

－第二输出臂32，其延伸在输出轴30₁与端部32₁之间，第二输出臂32与所述第二输出齿轮30连在一起，并且在它的端部32₁包括相对所述第二输出臂32自由转动安装的轮32₂，所述轮31₂与基本垂直于滑块15a的纵向方向的连接表面接触。

第二输入臂26相对与纵向方向基本垂直的方向倾斜第三角度θ₃=-θ/2，该第三角度因此与第一角度是相反的。

第二输出臂32相对纵向方向倾斜第四角度θ₄=-θ，因此该第四角度与第二角度是相反的。

另外，第一机构20a的第一输入齿轮27与第二机构20b的第二输入齿轮28啮合，使得第一输入齿轮27和第二输入齿轮28按相反方向枢转。因此，第一和第二平衡机构相对纵向方向基本对称。第一输出臂32和第二输出臂32也按相反方向枢转。但是，由于这些输出臂在推杆15的滑块15a的两侧，因而它们两者都将推杆15沿相同方向推动，因此使它们各自的推力相加。

由于每个平衡机构20的几何形状（臂的角度），这些平衡机构将恒定推力传输给滑块15a，而无论滑块15a在导引轴承16a之间的位置如何，所述推力是在纵向方向X上的。

图6-8表示分离装置10的第二实施方式。与第一实施方式相比，该第二实施方式被简化：它既不包括拉杆，也不包括推杆和不包括径向膨胀部件。

在第二实施方式中，每个模块13包括一外管部段（未示出），所述外管部段同时用于支撑模块13，如第一实施方式的支撑结构的纵向梁16d所作用的，和同时用于将模块13的推力的反作用力传输给第一结构11，如第一实施方式的拉杆14所作用的。

每个模块13还包括一内管部段10c，这里所述内管部段用于传输模块13的推力，如第一实施方式的推杆15所作用的。

因此，该实施方式的外管不是以单一零件形成，因此模块13不是彼此相继地安装在外管内。由于外管部段作为模块13的构成部分，因而这些模块13简单地彼此相继地安装，每个外管部段适于与下一外管部段或与第一结构相联接。

该第二实施方式的内管10a也由每个模块13的内管部段10c组装而成。每个内管部段10c还包括突起10d，突起10d具有连接表面，以使输出臂31、32的轮31₂、32₂能够沿纵向方向推动所述内管部段10c。

由于这些设置，模块13被简化，并且它们的组装也被简化。

从第一实施方式取消的元件释放出用于使留下元件以更多材料定尺寸的空间。因此它们的强度更大。另外，这允许在每个模块13中布置更多的金属弹簧以形成弹性构件21、22。因此，第二实施方式的模块13性能更好，即能够对于相同尺寸提供更大推力。

另外，在该第二实施方式中，第一平衡机构20a的第一输入齿轮27不再与第二平衡机构20b的第二输入齿轮28啮合（图6）。该实施方式的平衡机构20相互更加独立。

第一活动构件23和第二活动构件24不仅可以在纵向方向X上移动，还能以相对该纵向方向的倾角移动。角向倾动（basculement）通过弹性构件21、22的弹性被吸收，因此不会干扰第一输入齿轮27和第二输入齿轮28的转动，也不会干扰第一输出齿轮29和第二输出齿轮30，这些齿轮铰接以相对支撑结构的纵向梁16d转动。

则减小分离装置的超静定和受阻的风险。

另外，输入齿轮27、28可以由具有更窄角度的角扇形件形成。对于第一实施方式的输入齿轮27、28，该角度例如大于90°，和接近180°（图5），而对于第二实施方式的输入齿轮27、28，该角度例如小于45°（图6）。

因此，这些齿轮在模块13中占较少空间。

由于这些改变，可以进一步安置更多的金属弹簧用以形成弹性构件21、22。则模块13的性能进一步更好。这些改变也可适用于本发明的第一实施方式。

对本发明的所有实施方式，分离装置可以包括：

－移动传感器，用于确定第二结构12相对第一结构11的位置；和

－传输部件，用于将位置传输给保持装置6以控制钻柱的保持力。

由于该位置信息，可以更好地控制对保持装置6所要求的保持力，尤其是可以根据所述位置要求减小或增加该保持力。

因此，这类受控系统的分离装置10最常处于第二结构12没有挡靠在第一结构11上的状态。在该状态中，第二结构12接受与切削工具5的良好运行相适应的预定推力。反过来，切削工具5受到保护，不受任何大于所述预定推力的反作用力。

分离装置可以用于准确地确定每转的切削深度DOC（指英文术语“Depth Of Cut”）。

一般地，通过测量钻柱4在井中的前进量和该钻柱的旋转度，在井口确定每转的切削深度DOC。

但是，钻柱不完全是刚性的，钻柱会弯曲、压缩和沿其轴线扭曲。因此，不能准确地了解切削工具在地质构造中的实际前进量和旋转度。可以通过计算进行校正，但是在井底切削工具5处的量值仍是未知的，使得确定的每转的切削深度的计算值是不准确的。

根据本发明的分离装置现在允许直接获得该每转的切削深度DOC。实际上，分离装置的第二结构12相对地质构造是基本固定的，第一结构相对第一结构的位移就相应于切削工具5在地质构造中的前进量。

则可以通过执行以下步骤来确定每转的切削深度DOC：

－确定钻柱的保持力，所述保持力保持恒定；

－钻进地质构造一段预定距离，所述预定距离是在分离装置10的第一和第二结构之间测得的，并且该预定距离小于该分离装置10的行程；

－测量一角度，该角度对应于切削工具5为钻进所述预定距离的角转动；和

－通过所述预定距离与测得角度之比，确定对于所述地质构造的每转的切削深度DOC。

可选地，可以通过执行以下步骤来确定每转的切削深度：

－确定钻柱的保持力，所述保持力保持恒定；

－以所述切削工具5的预定转动角度钻凿地质构造；

－测量对应切削工具5的为以预定转动角度钻凿的前进量的距离，所述距离为分离装置10的第一和第二结构之间的距离；和

－通过测得距离与预定转动角度之比，来确定对于所述地质构造的每转的切削深度DOC。

施加的保持力必要时为零。在这种情况下，完全释放保持装置6的制动器，钻柱4的整个重量施加在分离装置10和切削工具5的组件上。

最后，分离装置10的这种使用对于确定地质构造的物理参数例如现场岩石强度CCS（指英文术语“Confined Compressive Strength(侧限抗压强度)”）是非常有利的。

可以通过切削工具5的切削模型来计算这种现场强度。

在下面的文献中描述了切削模型："A Phenomenological Model for theDrilling Action of Drag Bits(用于刮刀钻头的钻凿作业的现象模型)",E.Detournay,P.Defourny,International Journal of Rock Mechanics andMining Sciences&Geomechanics Abstracts(岩石力学和采矿科学&地质力学提要国际期刊),第29册,第1号,1992年1月,第13-23页。

在该文献中，公式22将转矩T、重量W和每转的切削深度δ（这里，DOC）联系起来：

$\frac{2T}{a}=(1-\mathrm{\μ\γ\ζ})\mathrm{\ϵa\δ}+\mathrm{\μ\γW}$

其中：

－T是钻柱4的转矩；

－a是切削工具5的半径；

－μ是切削工具在地质构造上的摩擦系数；

－γ是使切削工具5与地质构造之间的接触力的分布和朝向的影响建模的数；

－ζ是构成关于切削工具5的一切割元件的切削力倾斜的特征的数；

－ε是内在比能，即切削地质构造的单位体积岩石所需的能量（J/m³或MPa）；

－δ（或DOC）是每转的切削深度；和

－W是施加在切削工具5上的重量。

比能ε对应于现场岩石的侧限抗压强度CCS。

转矩T和重量W是公知的。

准确了解每转的切削深度δ（或DOC）允许通过上述公式精确地确定内在比能ε，即现场岩石的侧限抗压强度CCS。

Claims (22)

1.用于钻柱的分离装置（10），所述分离装置在纵向方向（X）上包括：

－第一结构（11），其用于固定至钻柱的钻杆；

－第二结构（12），其用于支撑钻凿用的切削工具，所述第二结构（12）能沿所述纵向方向（X）相对所述第一结构（11）平移活动；

所述分离装置的特征在于，该分离装置另外还包括在所述第一结构与所述第二结构之间的推力器组件，所述推力器组件适于在所述第二结构（12）上施加推力，以使所述第二结构与所述第一结构分离，对于所述第二结构相对所述第一结构的任何位置，所述推力都是基本恒定的。

2.如权利要求1所述的分离装置，其中，所述第二结构（12）被引导沿所述纵向方向（X）相对所述第一结构（11）平移，并且所述推力器组件包括：

－至少一平衡机构（20），其包括弹性构件（21、22）和输出臂（31），所述弹性构件（21、22）产生与所述弹性构件的压缩（x）成正比的弹性力，所述输出臂（31）连接至所述弹性构件（21、22）并且适于围绕输出轴（29₁）枢转；和

－至少一在所述输出臂（31）与所述第二结构（12）之间的连接部件，用以将所述推力沿所述纵向方向（X）施加给所述第二结构（12），所述连接部件包括轮（31₂），所述轮铰接以相对所述输出臂（31）转动、离开所述输出轴（29₁）并承靠在连接表面上，所述连接表面连接至所述第二结构（12）和基本垂直于所述纵向方向（X）。

3.如权利要求2所述的分离装置，其中，所述平衡机构（20）另外还包括：

－活动构件（23、24），其能根据所述弹性构件的压缩（x）移动；

－输入臂（25），其被铰接以围绕输入轴（25₁）转动，并且该输入臂包括与所述活动构件（23、24）的表面接触的端部分，所述输入臂（25）相对垂直于所述纵向方向（X）的方向倾斜第一角度；

－输入齿轮（27），其与所述输入臂（25）连在一起；和

－输出齿轮（29），其与所述输出臂（31）连在一起并与所述输入齿轮（27）相啮合，所述输出臂（31）相对所述纵向方向（X）倾斜第二角度，所述第二角度等于所述第一角度的两倍。

4.如权利要求3所述的分离装置，其中，所述活动构件（23）能沿所述纵向方向（X）平移移动，和适于按照相对所述纵向方向的倾角倾动。

5.如权利要求3所述的分离装置，其中，所述输入齿轮（27）和所述输出齿轮（29）具有角扇形件的形状，以减小所述平衡机构的尺寸。

6.如权利要求2所述的分离装置，其中，所述推力器组件包括第一和第二平衡机构（20a、20b），每个平衡机构包括一输出轴，所述输出轴（29₁、30₁）相对于彼此在纵向方向（X）上以错开的方式布置，以减小所述输出轴之间的垂直于所述纵向方向的径向距离，和以减小所述推力器组件的垂直于所述纵向方向的径向尺寸。

7.如权利要求6和3所述的分离装置，其中，所述第一和第二平衡机构（20a、20b）的输入齿轮（27、28）相互啮合。

8.如权利要求1所述的分离装置，其中，所述推力器组件包括多个模块（13），所述多个模块彼此相继地沿纵向方向安装在所述第一结构（11）与所述第二结构（12）之间，每个模块（13）提供一推力部分到所述第二结构（12）上，以使所述多个模块（13）的推力部分的总和等于所述推力器组件的所述推力。

9.如权利要求8所述的分离装置，其中，所述多个模块（13）是相同的，每个模块提供一相同的推力部分。

10.如权利要求8所述的分离装置，其中，所述推力器组件包括至少一个拉杆（14），所述至少一个拉杆沿所述纵向方向（X）穿过所有模块和适于使所述模块（13）联接至所述第一结构（11），并且每个模块（13）包括至少一个适于接受所述推力部分的推杆（15），一模块（13）的推杆（15）适于推动下一模块的推杆（15），或者以所述推力推动所述第二结构（12）。

11.如权利要求10所述的分离装置，其中，每个模块（13）包括一膨胀部件（17），所述膨胀部件适于使所述模块（13）与同所述第一结构（11）连在一起的外管（10b）相联接。

12.如权利要求10所述的分离装置，其中，在每个推杆（15）与下一推杆之间安置一弹性元件。

13.如权利要求8所述的分离装置，其中，每个模块（13）包括一内管部分（10c）和环围所述内管部分的一外管部分；并且：

－所述外管部分彼此相继地联接并联接到所述第一结构（11）；

－所述内管部分彼此相继地联接并联接到所述第二结构（12）；和

－每个模块（13）将所述推力部分提供给所述模块的内管部分（10c）。

14.如权利要求1所述的分离装置，其中，所述推力器组件容置在径向地延伸在内管（10a）与外管（10b）之间的环形空间中，所述内管用于在该内管中引导至少一流体，所述外管与所述第一结构相联接，和所述外管包围所述推力器组件。

15.如权利要求1所述的分离装置，其中，所述推力器组件的元件彼此通过套箍、然后在套箍后通过销接相连在一起进行组装，以便能够抵抗施加于组装在一起的所述元件上的机械应力。

16.钻井系统（1），所述钻井系统包括根据权利要求1至14中任一项所述的分离装置（10），所述钻井系统另外还包括：

－钻柱（4），其包括至少一个钻杆（4a），所述钻柱与所述分离装置（10）的第一结构（11）相连接；

－切削工具（5），其用于钻凿地质构造，所述切削工具（5）与所述分离装置（10）的第二结构（12）相连接；和

－在钻井井口的钻柱（4）保持装置（6），其适于控制所述钻柱在所述钻井中的下降和上升。

17.如权利要求16所述的钻井系统，其中，所述分离装置（10）包括至少一个移动传感器，用以确定所述第二结构（12）相对所述第一结构（11）的位置，并且所述钻井系统包括传输部件，用以把所述位置传输给所述保持装置（6）以控制所述钻柱（4）的保持力。

18.如权利要求17所述的钻井系统，其中，如果所述位置指示所述第二结构（12）在所述第一结构（11）附近，则所述钻柱（4）的保持力增加，如果所述位置指示所述第二结构（12）远离所述第一结构（11），则所述钻柱的保持力减小。

19.如权利要求17所述的钻井系统的应用，其中：

－确定钻柱的保持力，使所述保持力保持恒定；

－钻进地质构造一段预定距离，所述预定距离小于分离装置（10）的行程；

－测量一角度，该角度对应于切削工具（5）为钻进所述预定距离的角转动；

－通过所述预定距离与测得的所述角度之比，来确定对于所述地质构造的每转的切削深度（DOC）。

20.如权利要求17所述的钻井系统的应用，其中：

－确定钻柱的保持力，使所述保持力保持恒定；

－以切削工具（5）的预定转动角度钻凿地质构造；

－测量一距离，所述距离对应于所述切削工具（5）的为以所述预定转动角度钻凿的前进量，所述距离是分离装置（10）的第一结构和第二结构之间的距离；和

－通过测得的所述距离与所述预定转动角度之比，来确定对于所述地质构造的每转的切削深度（DOC）。

21.如权利要求19或20所述的钻井系统的应用，其中，所述保持力为零。

22.如权利要求19至21中任一项所述的钻井系统的应用，其中，所述每转的切削深度（DOC）允许通过所述切削工具（5）的切削模型来确定井底岩石强度（CCS）。

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