CN103154418A

CN103154418A - 远程控制的井下装置及其使用方法

Info

Publication number: CN103154418A
Application number: CN2011800488306A
Authority: CN
Inventors: S·R·雷德福; J·G·埃文斯; B·斯托弗; J·威特
Original assignee: Baker Hughes Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2031-08-26
Also published as: WO2012027668A1; US20120048571A1; BR112013004550A2; MX2013002101A; EP2609275A1; CN103154418B; RU2013113106A; CA2809257A1; SG188282A1; SA111320712B1; US9027650B2

Abstract

在一个方面中，披露了一种用于井下的设备，其在一种构造中包括构造成用于处在工作位置和非工作位置的井下装置以及致动装置，该致动装置包括：壳体，其包括构造成用于在其中容纳第一流体的环形腔室；在所述环形腔室中的活塞，其构造成将所述环形腔室分成第一部分和第二部分，所述活塞连接到偏压构件；控制单元，其构造成用于使第一流体从第一部分移动到第二部分，以在压力下将第二流体供应至所述工具，以将所述工具移动到所述工作位置以及从第二部分到第一部分以停止向所述工具供应第二流体以使所述工具移动到所述非工作位置。在另一个方面中，该装置包括遥测单元，其向所述控制单元发送第一模式识别信号以使所述工具移动到所述工作位置，并发送第二模式识别信号以使所述工具移动到所述非工作位置。

Description

远程控制的井下装置及其使用方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年8月26日申请的美国临时申请序列号61/377,146的优先权，其全文通过引用并入于此。

技术领域

本发明总体上涉及可以从远程位置（比如地表）致动的井下工具。

背景技术

油井（也称做井眼或井筒）用钻柱钻出，钻柱包括具有钻探组件（也称做钻进组件或底部钻具组合或“BHA”）的管状构件（也称做钻管），钻探组件包括连接到其底端的钻头。钻头转动以使岩层碎裂来钻出井眼。钻柱通常包括在钻进操作期间需要远程启动工作和停止工作的工具或装置。这种装置包括扩孔器、稳定器或者用于转向钻头的力施加构件。采油井包括远程控制的诸如阀、入流控制装置等等之类的装置。本发明这里提供了一种新颖的用于控制这种以及其他井下工具或装置的装置。

发明内容

在一个方面中，披露了一种用于井下的设备，其在一种构造中包括构造成用于处在工作位置和非工作位置的井下工具以及致动装置，该致动装置包括：壳体，其包括构造成用于在其中容纳第一流体的环形腔室；在所述环形腔室中的活塞，其构造成将所述环形腔室分成第一部分和第二部分，所述活塞连接到偏压构件；控制单元，其构造成用于使第一流体从第一部分移动到第二部分，以在压力下将第二流体供应至所述工具，以将所述工具移动到所述工作位置以及从第二部分到第一部分以停止向所述工具供应第二流体以使所述工具移动到所述非工作位置。在另一个方面中，该装置包括遥测单元，其向所述控制单元发送第一模式识别信号以使所述工具移动到所述工作位置，并发送第二模式识别信号以使所述工具移动到所述非工作位置。

本发明提供了该装置的各个特征的示例并且这里披露的方法是概括性的而不是全面的以便于可以更好地理解其如下的详细描述。当然存在下文中披露的构成所附权利要求的主题的该装置和方法的附加特征。

附图说明

本发明在这里参照附图最好理解，其中相似的附图标记总体上指派给相似的元件，其中：

图1是根据本发明的一个实施方式的包括致动装置的钻进系统的正视图；

图2A和2B是根据本发明的一个实施方式的钻柱的一部分、工具和致动装置的实施方式的截面侧视图，其中所述工具以两个位置示出；以及

图3A和3B是根据本发明的一个实施方式的处于两个状态或两个位置的致动装置的截面示意图。

具体实施方式

图1是示例性钻进系统100的示意图，其包括钻柱，所述钻柱具有连接到其底端的钻进组件，所述钻进组件包括根据本发明的一个实施方式的转向单元。图1示出了一种钻柱120，其包括在井筒126中输送的钻进组件或者底部钻具组合（“BHA”）190。所述钻进系统100包括在支撑转盘114的平台或地板112上竖立的传统的井架111，原动机比如电动机（未示出）使所述转盘114以所需的转速转动。底端连接所述钻进组件190的管（比如连接而成的钻杆）122从地表延伸到井筒126的底部151。连接到钻进组件190的钻头150在转动时使地层碎裂以钻出井筒126。所述钻柱120经由方钻杆接头121、旋转接头128和绳索129通过滑轮连接到绞车130。绞车130操作来控制钻压（“WOB”）。钻柱120可通过顶部驱动器（未示出）——而不是原动机和转盘114——而转动。绞车130的操作在本领域中是公知的，因而这里不再详细描述。

在一个方面中，泥浆泵134使来自于诸如泥浆池之类的钻井液的源132的合适钻井液131（也称做“泥浆”）在压力下通过钻柱120循环。该钻井液131经由去涌动器136和流体管线138从泥浆泵134进入钻柱120中。来自于钻管的钻井液131a通过钻头150中的开口在井筒底部151排出。返回钻井液131b通过钻柱120与井筒126之间的环形空间127向上循环并且经由返回管线135和将钻屑186从返回钻井液131b中移除的钻屑筛185而返回到泥浆池132。管线138中的传感器S₁提供关于流体流速的信息。与钻柱120相关联的地表扭矩传感器S₂和传感器S₃提供关于钻柱120的扭矩和转速的信息。钻柱120的机械钻速可以由传感器S₅确定，而传感器S₆可以提供钻柱120的悬重。

在一些应用中，通过转动钻杆122使钻头150转动。然而，在其他应用中，布置在钻进组件190中的井下马达155（井下动力钻具）也使钻头150转动。在一些实施方式中，钻柱120的转速由地表设备和井下马达155提供动力。对于给定的钻头和BHA，机械钻速（“ROP”）很大程度上取决于钻压（WOB）或者钻头150上的推力及其转速。

继续参见图1，地表控制单元或控制器140经由放置在流体管线138中的传感器143接收来自于井下传感器和装置的信号，并且其接收来自于S₁-S₆和用在系统100中的其他传感器的信号，并且根据由程序提供给地表控制单元140的程序化指令来处理这些信号。地表控制单元140在显示器/监视器142上显示由操作人员使用以控制钻进操作的所需的钻进参数和其他信息。所述地表控制单元140可以是基于计算机的单元，其可以包括处理器142（比如微处理器）、存储装置144（比如固态存储器、磁带或硬盘）以及在存储装置144中的一个或多个计算机程序146，处理器142可以访问所述计算机程序146来执行包含在这些程序中的指令。所述地表控制单元140还可以与位于另一地表位置的至少一个远程控制单元148通讯。所述地表控制单元140可以处理与钻进参数相关的数据、来自于地表上的传感器和装置的数据、从井下接收到的数据，并且可以控制井下和地表装置的一个或多个操作。

所述钻进组件190还包含确定电阻率、密度、孔隙率、渗透性、声学特性、核磁共振特性、井下流体或地层的腐蚀性、盐或盐溶液含量以及钻进组件190周围地层195的其他选定特性的地层评估传感器或装置（也称做当钻测量“MWD”或随钻测井“LWD”传感器）。这些传感器在本领域中一般是公知的并且为了方便这里总体用165表示。钻进组件190还可以包括多种其他传感器和通讯装置159，以用于控制和/或确定钻进组件的一个或多个功能和特性（比如速度、振动、弯矩、加速度、振荡、旋转、黏滑等等）和钻进操作参数，比如钻压、流体流速、压力、温度、机械钻速、方位角、刀面、钻头转动等等。

仍然参见图1，钻柱120还包括一个或多个井下工具160a和160b。在一个方面中，工具160a位于BHA190中，并且包括至少一个扩孔器180a以在BHA190穿透地层195时加大井筒126直径。此外，工具160a可以在井筒内定位于BHA190上方并且连接到BHA190，其中工具160b包括扩孔器180b。在一个实施方式中，每个扩孔器180a，180b是可膨胀扩孔器，其选择性地从工具160a，160b伸出和缩回以接合和脱开井筒壁。这些扩孔器180a，180b还可以在井下操作期间稳定钻进组件190。在一个方面中，扩孔器180a，180b的致动或运动分别由致动装置182a，182b提供动力。这些致动装置182a，182b则由位于致动装置182a，182b中或者连接到致动装置182a，182b的控制器184a，184b控制。这些控制器184a，184b可以独立地操作或者可以与其他控制器比如地表控制器140通讯。在一个方面中，地表控制器140经由井下控制器184a，184b分别远程控制扩孔器180a，180b的致动。这些控制器184a，184b可以是基于计算机的单元，可以包括处理器、存储装置（比如固态存储器、磁带或硬盘）以及在存储装置中的一个或多个计算机程序，所述处理器可以访问所述计算机程序来执行包含在这些程序中的指令。应该注意的是，所示出的扩孔器180a，180b只是由下面详细描述的致动装置182a，182b可以致动或提供动力的工具或装置的一个示例。在一些实施方式中，钻进系统100可以利用致动装置182a，182b通过流体的选择性流动来致动一个或多个工具，比如扩孔器、转向垫和/或具有可动刀片的钻头。因此，致动装置182a，182b提供对一个或多个井下装置或工具160a，160b的致动，其中该装置由控制器184a，184b在地表处远程控制或者在原地进行控制。

图2A和2B是钻柱的一部分、工具和致动装置的一个实施方式的截面侧视图，其中示出了所述工具处在两个位置。图2A示出了具有处于缩回位置（也称做“非工作”位置或“闭合”位置）的扩孔器202的工具200。图2B示出了具有处于伸出位置（也称做“工作”位置或“打开”位置）的扩孔器202的工具200。所述工具200包括构造成用于改变扩孔器202位置或状态的致动装置204。示出的工具200示出了单个扩孔器202和致动装置204，然而，这里讨论的想法可以应用于具有多个工具200、扩孔器202和/或致动装置204的实施方式中。例如，单个致动装置204可以致动工具200中的多个扩孔器202，其中致动装置204控制流向扩孔器202的流体流。如图所示，将致动装置204作为功能模块示意性地示出，然而，在图3A和3B中示出了更大的细节。在一个方面中，扩孔器202包括或者连接到致动组件206，其中致动装置204和致动组件206实现扩孔器202的运动。管线208提供致动装置204与致动组件206之间的流体连通。致动组件206包括腔室210、滑套212、放液喷嘴214和止回阀216。所述滑套212（或环形活塞）连接到扩孔器202的刀片，其中扩孔器202可以沿着致动轨道218伸出和缩回。在一个方面中，扩孔器202包括研磨构件，比如构造成用于破坏井筒壁的切削元件，从而扩大壁直径。扩孔器202可以伸出以接触井筒壁，正如由箭头219和在图2B中示出的。

仍然参见图2A和2B，在一个方面中，钻井液224流过衬套220，其中衬套220包括流动孔口222、流动旁通端口226和喷嘴端口228。在一个方面中，致动装置204经由线路230电连接到沿井内位于上方的控制器。如下所述，致动装置204可以包括构造成用于装置的本地控制的控制器。此外，致动装置204可以如图所示通过线路232连接到其他井下装置、传感器和/或控制器。例如，工具端部234可以连接到BHA，其中线路232与位于BHA中的装置和传感器通讯。如图所示，线路230可以连接到传感器，该传感器经由井上产生的、发送包括扩孔器202所需位置的命令的信号而能够实现致动装置204的地表控制。在一个方面中，线路232连接到检测钻柱转速或者RPM的模式的加速度计，其中所述模式被解码，以用于控制一个或多个致动装置204的命令。此外，操作人员可以使用线路230基于预定条件——比如以选定角度钻出斜井——来改变所述位置。例如，在以15度钻出斜井期间，来自于地表控制器的信号可以使扩孔器202伸出，如图2B中所示，其中伸出的扩孔器202提供稳定性同时还增大井筒直径。应该注意的是图2A和2B图示了可以由来自致动装置204的流体流控制的工具或装置（200，202）的非限制性示例，其也参照图3A和3B进行详细描述。

图3A和3B是处于两个位置的致动装置300的一个实施方式的示意性截面侧视图。图3A图示了处于工作位置的致动装置300，提供流体流301来致动井下工具，如图2A和2B中所描述的。图3B示出了处于闭合位置的致动装置300，其中没有流体流来致动所述工具。在一个方面中，致动装置300包括壳体302和位于壳体302中的活塞304。壳体302包括腔室306，自活塞304延伸的环形构件307定位在所述腔室306中。在一个方面中，壳体302包含液压流体308，比如基本不可压缩的油。所述腔室306可以由所述环形构件307分成两个腔室309a和309b。此外，流动控制装置310（或者锁定装置）可以使流体308在腔室309a与309b之间转移，从而实现所述环形构件307在所述腔室306内的移动。在一个方面中，所述壳体302包括提供与管线208流体连通的端口312（图2A和2B）。当活塞304处于选定的工作轴向位置时，如图3A中所示，端口314使活塞304中的流体流动路径316（也称做流动路径或环形空间）与端口312和管线208流体连通。在一个方面中，钻井液由地表泵泵送，使流体流到井下，由箭头318示出。因此，如图3A中所示，致动装置300处于钻井液从流动路径316流过端口314，312进入供应管线208中（正如由箭头301示出的）的工作位置。在一个方面中，致动装置300包括多个密封件，比如环形密封件315a，315b，315c，315d和315e，其中这些密封件限制并使流体能够流过该装置300的选定的部分。如图所示，流动控制装置310（也称做“锁定装置”）使用流体流来将活塞304“锁定”在选定的轴向位置。应该理解的是，可以使用任何合适的锁定装置来通过锁定和解锁环形构件307在腔室306内的位置而控制轴向移动。在其他方面中，锁定装置310可以包括任何合适的机械的、液压的或电元件，比如螺线管或偏压夹头。

继续参见图3A和3B，偏压构件320——比如弹簧——连接到壳体302和活塞304。该偏压构件320可以被压缩和伸长，从而当活塞304沿着轴线321移动时提供轴向力。在一个方面中，使用流动控制装置310来控制活塞304在壳体302内的轴向移动。如图所示，流动控制装置310是闭环液压系统，其包括液压管线332、阀324、处理器326和存储装置328以及存储在存储装置328中的可以由处理器326访问的软件程序319。所述处理器326可以是构造成用于控制与腔室309a，309b流体连通的阀324的打开和关闭的微处理器。在一个实施方式中，处理器326和存储器328由线路330连接到其他装置，比如地表处的控制器140（图1）或者钻柱中的传感器和控制器。在其他实施方式中，流动控制装置310基于处理器326、存储器328、软件329和另外的输入（比如感测到的井下参数和感测到的参数的模式）独立地或者本地地操作。在另一个方面中，流动控制装置310和致动装置300可以由地表控制器控制，其中由通讯线路比如线路330将信号发送到井下。在另一个方面中，传感器比如加速度计可以感测泥浆脉冲模式，其中该模式传递命令消息，比如描述致动装置300的所需位置的命令消息。如图所示，活塞304包括具有一个或多个旁通端口336的喷嘴335，其中喷嘴335能够实现从流动路径316向井下的流动。

下面参照图3A和3B详细地讨论致动装置300的操作。图3A示出了致动装置处于工作位置。当流向井下的钻井液317流过喷嘴335的受限容积时，在流动方向上形成轴向力，轴向地333推动活塞304，该装置300移动到工作位置。在一个实施方式中，流体流的轴向力大于偏压构件320的抵抗弹簧力，从而当活塞在方向333移动时压缩所述偏压构件320。此外，阀324被打开以使液压流体流动离开腔室309b，实质上填充腔室309a。这实现了环形构件307在腔室306中的移动，从而使活塞304能够沿轴向333移动。因此，当阀324打开（或解锁）时，由泥浆泵在井上方控制的钻井液的流动提供了轴向力以使活塞304移动到工作位置。当腔室309a被基本填满并且腔室309b被基本清空时，阀324关闭或锁定，从而能够使端口312和314对准并提供流动路径。在工作位置，钻井液流过喷嘴335和旁通端口336，因为离开端口336的流动不再受内表面338的限制。因此，在工作位置，致动装置300提供了流体流301以致动一个或多个井下工具，比如图2B中示出的扩孔器202。

如图3B中所示，致动装置300处于闭合位置，流动控制装置310和偏压构件320已经使活塞沿轴向333移动，从而停止钻井液从流动路径316通过端口314和312的流动。为了移动到闭合位置，打开所述阀324以使液压流体能够从腔室309a流到腔室309b，从而解锁环形构件307在腔室306内的定位并且使活塞304能够沿轴向332移动。此外，减小或停止钻井液317的流动将允许偏压构件320的力使活塞304沿轴向332移动。一旦活塞304处于所需的闭合位置，其中端口312和314不再彼此流体连通，阀324就关闭以将活塞304锁定就位。在闭合位置，腔室309a基本是空的，腔室309b基本是满的。此外，在致动装置300的闭合位置，钻井液并不流过由内表面338限制的旁通端口336。因此，处于闭合位置的致动装置300截断流体流以及停止对可操作地连接到该装置的一个或多个工具的致动，从而将所述工具比如扩孔器202（图2A）保持在中性位置。

回过来参见图1，在一个方面中，一个或多个井下装置或工具比如扩孔器180a，180b经由通过钻柱传递的模式识别信号而由地表控制并与地表通信。信号模式可以是任何合适的允许实现地表钻机与井下工具之间的通讯的鲁棒信号，比如钻柱转速（每分钟转数或“RPM”）的改变或者泥浆脉冲频率的改变。在一个方面中，将旋转的顺序、转速（RPM）和持续时间视作模式或模式命令，其在井下被检测，用以控制一个或多个井下工具。例如，钻柱可以以40RPM转动10秒，接着以20RPM转动30秒，其中一个或多个传感器比如加速度计或其他传感器感测钻柱转速并且向处理器326传送这些检测到的速度以及相应的信号（图3A和3B）。处理器326解码所述模式，以确定从地表发送的选定工具位置，然后致动装置300（图3A和3B）使所述工具移动到所需位置。在另一个方面中，具有变化参数（比如持续时间、幅度和/或频率）的泥浆脉冲序列可以提供由压力传感器接收的命令模式来控制一个或多个井下装置。在一些方面中，多个井下工具可以由模式命令控制，其中第一模式序列触发第一工具到位置A，第二模式序列触发第二工具到第二位置B。在该示例中，第一和第二模式可以是RPM和/或向两个单独的井下工具发送特殊命令的脉冲模式。因此，RPM模式序列和/或与工具和致动装置（比如上面描述的致动装置）组合的脉冲模式序列和传感器能够与一个或多个井下装置通讯并且改进对一个或多个井下装置的控制。

虽然前面所披露的内容涉及确定的实施方式，对于本领域技术人员来说对于这些实施方式的改变和修改将会是显而易见的。这里所披露的内容旨在包括在所附权利要求的范围和精髓内的所有的改变和修改。

Claims

1.一种用于井下的设备，包括：

井下装置；

构造成用于致动井下装置的致动装置，该致动装置包括：构造成用于在其中容纳第一流体的腔室；将所述腔室分成第一腔室部和第二腔室部的可动构件；以及构造成用于使第一流体能够在第一腔室部与第二腔室部之间移动的流动控制装置，其中，当使第一流体移动到第一腔室部中时，供应第二流体以使所述井下装置工作；当使第一流体移动到第二腔室部中时，停止第二流体的供应，从而使所述井下装置停止工作。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述腔室形成在壳体与所述可动构件之间。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述可动构件包括用于使第二流体从中流过的通道，其中第二流体使所述可动构件从非工作位置移动到工作位置。

4.根据权利要求1所述的设备，还包括偏压构件，所述偏压构件构造成用于当使第一流体移动到第二腔室部中时使所述可动构件从工作位置移动到非工作位置。

5.根据权利要求1所述的设备，还包括遥测单元，该遥测单元构造成用于向所述流动控制装置发送第一命令信号以使所述井下设备工作，以及发送第二命令信号以使所述井下装置停止工作，其中每个命令信号包括模式识别信号。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述遥测单元经由管的转动向所述流动控制装置发送所述信号。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述流动控制装置包括处理器，所述处理器构造成响应于从远程位置接收到的命令信号来使所述致动装置工作和使所述致动装置停止工作。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述井下装置选自由扩孔器、构造成用于向井筒壁施加力的力施加构件、构造成用于将井下装置夹持到井筒上的锚定件、可调节稳定器和构造成用于使流动路径的流体转向的循环装置组成的组。

9.一种执行井下操作的方法，包括：

在井筒中提供井下装置，该井下装置构造成用于实现工作状态和停止工作状态；

提供致动装置，该致动装置包括第一腔室和第二腔室，其中当使第一流体移动到第一腔室中时，供应第二流体以使所述井下工具工作，当使第一流体移动到第二腔室中时，停止第二流体的供应以使所述井下装置停止工作；以及

使第一流体选择性地在第一腔室与第二腔室之间移动，以选择性地使所述井下装置工作和使所述井下装置停止工作。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括通过布置于井下的处理器控制所述致动装置的操作。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括响应于从远程位置接收到的信号开始实施第一流体在所述第一腔室与第二腔室之间的移动。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述信号对应于连接到所述井下装置的管的转动。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述信号包括模式识别信号。

14.根据权利要求11所述的方法，其中提供所述井下装置包括提供选自由扩孔器、构造成用于向井筒壁施加力的力施加构件、构造成用于将所述井下装置夹持到井筒上的锚定件以及可调节稳定器组成的组的装置。

15.一种用于控制井下装置的设备，包括：

管状壳体，其包括与井下装置流体连通以使所述井下装置工作的第一端口和环形腔室；

活塞，其构造成用于在所述管状壳体内部轴向移动，其中所述活塞和所述管状壳体由偏压构件连接，所述活塞包括：用于使钻井液流过所述活塞的流动路径；构造成用于在所述活塞的选定的轴向位置实现从所述环空到第一端口的流体连通的第二端口；在所述管状壳体的环形腔室内的环形构件，以将环形腔室的两个部分密封成第一腔室和第二腔室；以及

流动控制装置，其构造成基于命令信号来改变第一和第二腔室中的流体量。

16.根据权利要求15所述的设备，还包括遥测单元，其构造成用于从远程位置向所述流动控制装置发送命令信号。

17.根据权利要求15所述的设备，其中所述命令信号包括由所述遥测单元经由连接到所述井下装置的管传递的模式识别信号。

18.根据权利要求15所述的设备，其中所述井下装置选自由扩孔器、构造成用于向井筒壁施加力的力施加构件、构造成用于将井下装置夹持到井筒上的锚定件、可调节稳定器和构造成用于使流动路径的流体转向的循环装置组成的组。

19.一种用在井下的致动装置，包括：

壳体，其包括与工具的腔室流体连通的第一端口和环形腔室；

锁定装置；以及

活塞，其构造成用于在所述壳体内部轴向移动，其中所述活塞和所述壳体通过偏压构件连接，所述活塞包括：用于使钻井液流过所述活塞的流动路径；在所述活塞的一端上的喷嘴，该喷嘴构造成用于利用钻井液流来提供作用到活塞上的轴向力；第二端口，其构造成用于在所述活塞的选定的轴向位置实现从所述流动路径到所述第一端口的流体连通；以及环形构件，其构造成用于定位在管状壳体的环形腔室内，其中所述锁定装置构造成用于通过选择性地锁定和解锁所述环形构件在所述环形腔室内的移动来控制活塞的轴向移动。

20.根据权利要求19所述的装置，其中所述环形构件将所述环形腔室密封地分成第一腔室和第二腔室，其中所述锁定装置包括与第一和第二腔室流体连通的流动控制装置，以通过控制第一和第二腔室中的流体量来锁定和解锁所述环形构件。