CN103299021A - 用于井下钻井应用的柔性接头 - Google Patents

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Abstract

一种通过提供独特柔性接头而促进钻井应用的技术。在一个实施方案中，所述柔性接头(30)具有可调整的弯曲刚度，同时比常规柔性接头更紧凑。所述柔性接头也可以被设计以从工具接头将弯曲力矩解耦，并且在一些应用中，可通过整合适当传感器(52)和液压致动器系统(50)而作为为主动振动和冲击控制连接器运行。所述设计还能够整合其它特征，如设置于所述柔性接头上方和/或下方的电绝缘特征。在一些应用中，所述柔性接头也可以具有电馈通。

Description

用于井下钻井应用的柔性接头
相关申请案的交叉参考
本文件是基于2010年6月18日提交的序列号为61/356,462的美国临时申请，并要求其优先权，其内容以引用的方式并入本文。
背景技术
在井下钻井应用中，柔性接头有时用于促进定向钻井。柔性接头在导向钻井应用中可以是有用的，以向井底组件提供充分的柔性以允许井眼偏斜。常规的柔性接头是管的较长、收缩段，其具有比井底组件的其它组件更低的弯曲刚度。
发明内容
一般而言，本发明提供具有用于许多种钻井应用中的大体上改进能力的柔性接头。在一个实施方案中，柔性接头具有可调整的弯曲刚度，同时比常规柔性接头更紧凑。柔性接头也可以被设计以从工具接头将弯曲力矩解耦，并且在一些应用中，可通过整合适当传感器和液压致动器系统而作为主动振动和冲击控制连接器运行。该设计也能够整合其它特征，如设置于柔性接头上方和/或下方的电绝缘特征。在一些应用中，柔性接头也可以具有电馈通。
附图说明
将在下文中参考附图描述本定明的某些实施方案，其中相同参考数字表示相同的元件，且：
图1是根据本发明的实施方案的整合于钻柱中以促进定向钻井的柔性接头的示意图；
图2是示出根据本发明的实施方案的利用柔性接头控制有害钻井效应的方法的实施方案的流程图；以及
图3是根据本发明的实施方案的整合柔性接头以促进定向钻井的钻井系统的示意图。
具体实施方式
在下文描述中，阐述了许多细节以提供对本发明的理解。然而，本领域普通技术人员应理解，可在没有这些细节的情况下实践本发明，并且所描述的实施方案的许多变动或修改是可能的。
本发明大致涉及通过将柔性接头整合于钻柱中而促进定向钻井的系统和方法。柔性接头可用于向井底组件提供充分的柔性以更好地允许正在被钻入的井筒偏斜。柔性接头可被设计以在紧凑的结构中提供可变刚度。在一些实施方案中，柔性接头可调整以改变所允许的偏斜角度。在其它实施方案中，柔性接头可包括内嵌集成的稳定器。此外，柔性接头可用于多种旋转导向钻井应用中以促进定向钻井。
大致参考图1，柔性接头20的实施方案被示出为耦接至钻柱22，钻柱22可包括位于柔性接头20的井下侧上的井底组件24。在钻井应用中，井底组件24可包括用于导向钻头的旋转导向系统。在所示出的实例中，柔性接头20包括经由万向接头30(如虎克接头式(Hooke’s Joint type)的万向接头)耦接至第二部件28的第一部件26。第一部件26可相对于第二部件28而绕万向接头30枢转，以形成弯曲角。柔性接头20和万向接头30的设计提供可经受高负荷的坚固接头。
在所示出的实施方案中，柔性接头20整合了内部、可调整的弹簧组件32，其可被调整以提供第一部件26相对于第二部件28的可变弯曲刚度。例如，弹簧组件32可包括多个弓形弹簧34，其可通过外部调整机构36而选择性地调整以改变弯曲刚度。然而，弹簧组件32也可以利用其它类型的弹簧，如扭力弹簧、螺旋弹簧或张力弹簧。
柔性接头20还可以包括连接至部件26、28中的一个并延伸通过万向接头30以遮蔽万向接头的套筒38。举例而言，套筒38可在允许套筒延伸通过万向接头30并覆盖第一部件26的一部分的位置处刚性地连接至第二部件28。这允许套筒38用于限制柔性接头的最大偏移/弯曲角。实际上，调整机构40(如开口环)可被安装至套筒38以限制第一部件26相对于第二部件28的可枢转移动，并因此选择性地调整柔性接头20的最大偏移/弯曲角。外部套筒38可灵活地进入井筒42，或其可整合稳定器44，如稳定器叶片，以帮助使柔性接头20居中于井筒42中。
在所示出的实施方案中，弹簧组件32位于套筒内部表面与被外部套筒38覆盖的第一部件26的部分之间的外部套筒38内。弹簧组件32上的预载可被选择性地调整以改变柔性接头的弯曲刚度。例如，如果弹簧组件包括弓形弹簧34，那么弓形弹簧上的预载可在外部调整以改变第一部件26相对于第二部件28的弯曲刚度。
取决于给定应用的具体细节，附加特征可被整合于柔性接头20中，如定位在柔性接头20内的电馈通46。举例而言，馈通46可在形成柔性接头的连接器的顶部和底部处包括局部工具总线(LTB)连接或多引脚旋转连接。此外，可将绝缘特征48，如绝缘涂层可以在工具或柔性接头20的上方和下方的其它组件之间提供电绝缘的方式应用于第一部件26和第二部件28。
柔性接头20的设计启用相对较短的外形，其帮助在较高全角变化率(DLS)时减小柔性接头上方和下方的旋转连接上的弯曲负荷。这个特性促进在较高DLS时运行另外DLS受限的工具。此外，可在旋转和滑动钻井模式下使用柔性接头20。
可整合于柔性接头20中的另一特征是一个致动器或多个致动器50，如与一个或多个传感器52共同运行的一个液压致动器或多个液压致动器。传感器52可被设计和定位以感测冲击和振动，并将数据提供至控制系统54。例如，传感器52可被定位以感测第一部件26与第二部件28之间的相对运动，例如振动。控制系统54也被设计来以主动地减少例如钻井作业期间的振动和冲击的方式控制液压致动器50。一个或多个液压致动器50可被定位于外部套筒38与被套筒38覆盖的第一部件26的部分之间。
传感器52也可以被选择和利用来以主动地地减少冲击、振动和/或其它有害效应的方式优化钻井条件。在一个实施方案中，例如，传感器52将数据传输至在表面位置处的控制系统54。可通过适当遥测系统(如随钻测量型系统或有线钻管系统)将数据传输至井上。来自传感器52的数据接着经由控制系统54处理和评估以改进/优化条件，以便减轻冲击和振动。可被优化以主动地减少有害效应的条件的实例包括扭矩、钻井RPM、钻头上的重量、流速和/或其它条件。
大致参考图2，提供了流程图以示出利用与柔性接头20共同运行的受控致动器50以限制或减少钻井作业的有害效应的方法的实施方案。如流程图的方框56所示出，钻柱22包括柔性接头20并在钻井应用中与柔性接头20运行。使用一个或多个传感器52以感测柔性接头部件之间(如第一部件26与第二部件28之间)的相对运动，如方框58所表示。然而，可取决于钻柱的结构并取决于特定的参数或正被监测的参数而将传感器52提供在附加或替代部件上、附加或替代部件之间或附近。
来自传感器52的运动数据被传输至控制系统54，如方框60所表示。控制系统54可位于钻柱22中的井下，或控制系统54可位于表面或另一适当位置。无论如何，控制系统54被编程以处理传感器数据，如方框62所表示，以促进控制由钻井作业引起的非所需效应，例如振动和/或冲击。基于所处理的数据，使用控制系统54以将控制信号发送至致动器50，如方框64所表示。控制信号被设计来以通过减少或消除非所需效应，例如振动和/或冲击而帮助优化钻井的方式运行一个或多个致动器50，如方框66所表示。在一些实施方案中，致动器50包括液压致动器；然而对于给定应用可使用其它类型的致动器，例如电机致动器、压电致动器。
可在多种钻井系统中利用柔性接头20以促进许多类型的钻井作业。在图3中，例如，钻井系统包括部署于分支井筒或多分支井筒钻井应用中的钻柱22。在这个实例中，钻柱包括具有被设计来促进一个或多个分支井筒70的钻井的旋转导向系统68的井底组件24。旋转导向系统68可以是本领域普通技术人员已知的多种类型中的任何一种，且系统68用于将钻头72定向以将分支井筒70钻入至所需目标。
在这个特定实例中，使用多个传感器52以将数据提供至控制系统54，控制系统54转而将控制信号引导至多个液压致动器50以减少在分支井筒钻井作业期间可能会导致的振动和冲击负荷。如所示出，控制系统54可被定位于表面位置；然而，根据钻井系统的设计和给定钻井应用的参数，可使用且可选择其它控制系统位置。可经由通信线74而在柔性接头20与控制系统54之间传递信号。通信线74可包括硬布线式的线，例如电缆，或使用无线通信方法(如泥浆脉冲遥测)的无线通信线。
虽然上文仅对本发明的少数实施方案进行了详细描述，但是本领域普通技术人员应容易了解，在没有本质上脱离本发明的教导的情况下，许多修改是可能的。因此，这些修改旨在包括于如权利要求中所限定的本发明的范畴内。

Claims (20)

1.一种在井眼中能够弯曲的系统，其包括：
柔性接头，其具有第一部件，所述第一部件相对于第二部件经由万向接头而形成弯曲角，所述柔性接头还包括弹簧组件，其可调整以改变所述第一部件相对于所述第二部件的弯曲刚度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述柔性接头还包括套筒，其贴附至所述第一部件和所述第二部件中的一个，并延伸通过所述万向接头以限制弯曲。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述弹簧组件包括弓形弹簧。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述柔性接头还包括电馈通。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述柔性接头还包括传感器以感测所述第一部件相对于所述第二部件的运动，所述系统还包括液压致动器系统，其从所述传感器接收数据并作出反应以减少振动。
6.根据权利要求1所述的系统，其还包括至少一个井下传感器，其将数据提供至控制系统，所述控制系统转而处理所述数据以主动地以减少冲击和振动的方式优化钻井条件。
7.根据权利要求1所述的系统，其还包括井底组件，其被耦接至钻柱中的所述柔性接头。
8.一种方法，其包括：
用可调整的弹簧组件构造柔性接头；
将所述柔性接头耦接至钻柱；以及
调整所述可调整弹簧组件以提供所需弯曲刚度。
9.根据权利要求8所述的方法，其还包括限制所述柔性接头的弯曲程度。
10.根据权利要求8所述的方法，其还包括用延伸通过万向接头的套筒来限制所述柔性接头的弯曲程度。
11.根据权利要求8所述的方法，其还包括将电馈通放置于所述柔性接头中。
12.根据权利要求8所述的方法，其还包括在所述柔性接头中使用液压致动器以减少振动。
13.根据权利要求8所述的方法，其中构造包括用可调整的弓形弹簧组件构造所述柔性接头。
14.根据权利要求8所述的方法，其中耦接包括将所述柔性接头耦接至钻柱，所述钻柱包括具有旋转导向系统以导向钻头的井底组件。
15.根据权利要求13所述的方法，其还包括提供所述柔性接头的部件的电绝缘。
16.一种减少钻柱中的振动的方法，其包括：
将柔性接头耦接至钻柱；
向所述柔性接头提供被定位在相对于彼此而移动的柔性接头部件之间的致动器；
经由传感器感测所述柔性接头部件之间的相对运动；
从所述传感器输出数据至控制系统；以及
经由所述控制系统处理所述数据，并利用所述控制系统以基于所述数据而将输入提供至所述致动器，以减少所述钻柱的振动。
17.根据权利要求16所述的方法，其中提供包括向所述柔性接头提供多个致动器。
18.根据权利要求16所述的方法，其中提供包括向所述柔性接头提供液压致动器。
19.根据权利要求16所述的方法，其中感测包括将至少一个传感器定位在所述柔性接头上。
20.根据权利要求16所述的方法，其中提供包括将所述致动器连接于所述柔性接头的外部套筒与被所述套筒覆盖的柔性接头部件之间。
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