CN104379864B - 具有铰孔工具的完井系统 - Google Patents

Abstract

一种完井系统(10)，包括耦合在一起以形成完井管柱(24)的管状组件(22)。提供流入控制设备以允许完井管柱的内孔与环带之间的选择性流体流通。在完井管柱的前端提供了一个铰孔工具(38)，该铰孔工具可以与完井管柱一起插入钻孔。该铰孔工具包括流体驱动的驱动单元，铰孔主体以及铰孔突出部分。在使用中，完井管柱位于钻孔之中，并且流体被引导至该铰孔工具，以促使对钻孔执行铰孔处理。为冲洗管形式的第二管件可以贯穿完井管柱的内孔，以便向铰孔工具提供流体。该铰孔工具可以在比可能激活流入控制设备的压力更低的流体压力下工作。

Description

具有铰孔工具的完井系统

技术领域

本发明涉及完井，且尤其涉及用于将具有铰孔工具的完井管柱伸进预先打孔的井筒的方法和设备，但是并不局限于此。本发明还涉及在铰孔结构内部具有特定几何设计的铰孔工具。

背景技术

在油气勘探和生产行业，为了从地层中得到烃，通常会从地表钻出井筒，并且该井筒会被内衬金属管件区段。很多形式的管件可用于内衬井筒，其示例包括普通的固壁管件，开槽管件，或是包含筛网的管件等等。每一个管件区段通常都配备了螺纹连接器，或者是以其他方式接合的，由此可以将多个管件区段接合在一起，以便形成伸进井筒的管柱。

通常被称为套管柱的多个管“柱”可被插入井筒，并且从地表上悬挂下来。完成井筒的位于井筒中的最后一个套管柱可被称为“完井管柱”，并且与通常悬挂于地表的套管柱形相比，所述完井管柱可以悬挂于前一个套管柱的选定位置内。在将完井管柱定位在井筒中之后，井筒壁部可被支撑或塌陷在完井管柱的外表面上。该完井管柱还可以被固定和密封在井筒内部的恰当位置。例如，对于固壁管件来说，管件外表面与井筒壁部之间的环带空间可以填充可凝固的材料，例如水泥，并且随后可以将完井管柱和水泥穿孔，以便向地层提供液压传递。在其他示例中，对于开槽管件或是包含筛网的管件来说，在环带空间中可以填充砂砾、沙粒等等。

与将完井管柱伸进井筒的处理相关的难题有很多，并且在首次尝试将完井管柱置于井筒的时候，所述完井管柱未能到达目标深度的情况也是很常见的。举例来说，完井管柱通常会遇到障碍，例如钻屑、岩架、膨胀地层、井筒塌陷等等，而这有可能会使套管或完井管柱更加难以或者根本无法前进。在其他情况中，套管或完井管柱有可能会嵌入或卡在井筒中，由此将会妨碍轻松地取回或者重新定向套管或完井管柱。

如果遇到难以将套管或完井管柱定位在最接近目标深度的位置的困境，那么在可能的情况下可以收回所述管柱和/或可以重新钻出或清洗该井筒，以便移除障碍物。然而，该处理并非总是可能的，而在这种情况下，套管或管柱有可能会被留在原地。解决这种问题的成本很高并且是非常耗时的。在套管或完井管柱上可以提供铰孔工具，并且该铰孔工具可以与管柱一起旋转，以便从井筒中移除障碍物以及允许管柱前进。然而，完井管柱通常不适合传递扭矩。举例来说，为了改善通过完井管柱的烃的流动，较为理想的是使构成管柱的管件的直径尽可能大，并且该管柱可以包括可膨胀的管件，这些管件通常会被伸进井筒，然后弹性膨胀至较大的直径。然而，较大直径的完井管柱管件通常具有低的最大扭矩螺纹(torque capacity thread)，其并不适合传递扭矩。

完井管柱还会被伸进很长的水平或偏斜井筒，作为示例，在此类井筒中，完井管柱必须通过限定了超出数千米的极其曲折的路径的紧密配合井筒前进。就此而论，由于摩擦损耗，要想旋转管柱是非常困难的。此外，用于将完井管柱定位在目标深度的主要驱动力通常是管柱的重量，由此，对于很长的水平或偏斜钻孔来说，将完井管柱定位在目标深度的驱动力仅仅是由所述管柱的相对较短的区段的重量提供的。由此，在一些情况中，要想操纵或定位完井管柱是非常困难或者无法实现的。

此外，完井管柱正变得更为复杂，其具有专用于在井筒中实现各种功能的部件。例如，完井管柱可以包括多个成本很高的部件，这其中包括开槽管件，可膨胀管件，自膨胀弹性封隔器，防砂筛管，流控制设备，阀门等等，并且这其中的很多部件本身并不适合承受很高的扭矩水平。这抑制了借助完井管柱来传送扭矩、张力或压力的能力及意愿。

此外，流控制设备、阀门、液压衬管悬挂器等等的应用及位置通常依照预测的储层性能来决定，并且该性能是在完井管柱在工作状况中以及被置于正确深度的基础上计算得到的。因此，就钻井的效用而言，致使完井管柱处于正确的深度以及未损坏状况是非常重要的。

由此，鉴于完井管柱面对高度振荡、扭矩以及机械负载的脆弱性，完井管柱可以被认为是一种直径很大的且重量很轻的管件，并且其在理想情况下是不旋转地置于井筒中的。

在这里作为参考而被全部引入的国际专利申请公开号WO2008/015402描述的是将管柱伸进钻孔的处理。铰孔工具可以位于管柱的远端上，该铰孔工具具有一个允许铰孔工具的铰孔结构相对于管柱进行旋转的驱动单元以便促成钻孔的铰孔处理，而不需要通过对管柱施加扭矩来旋转管柱。铰孔工具驱动单元可以由流体提供动力，例如钻泥等等，并且流体可以借助管柱的内孔而被从地表引导至铰孔工具。此类铰孔工具可以克服很多与结合管柱来运转和操作铰孔工具相关联的问题。然而，对于包含了防砂筛管、网状物、开槽衬管等工具的复杂的完井管柱来说，此类工具通常是多孔的或是液体可渗透的，这限制或阻止了通过完井管柱来传送流体的处理。

目前需要的是改进的流体流动操作的铰孔工具，该工具用于运转完井管柱，尤其是在斜度很高的井筒中。

发明内容

根据本发明的第一个方面，提供了一种完井系统，包括：与铰孔工具耦合的由流体提供动力的涡轮机，该铰孔工具被配置成耦合至可插入钻孔的完井管柱，该完井管柱包括至少一个流体压力激活部件，其中该涡轮机被配置成利用供给的流体发动，所述供给的流体处于比该至少一个流体压力激活部件的激活压力更低的压力。

涡轮机可被配置成防止工作压力超出至少一个流体压力激活部件的激活压力。

涡轮机可以包括至少一个定子部件以及至少一个转子部件，所述至少一个定子部件和至少一个转子部件中的每一个都具有至少一个叶片，其中所述至少一个定子部件和至少一个转子部件中的每一个的叶片的曲率、叶片的斜率、叶片间的周向间隔以及叶片的数量将被选择，以便提供可供该至少一个转子部件开始旋转的预定最小流体流速。

涡轮机可以包括至少一个定子部件以及至少一个转子部件，所述至少一个定子部件以及至少一个转子部件具有多个沿周向间隔排列的叶片，叶片的曲率、叶片的斜率、叶片间的周向间隔以及叶片的数量将被选择，以便当铰孔工具在钻孔中停顿的时候提供最大流体压降。

由流体提供动力的涡轮机可以以同心的方式相对于铰孔工具的中心轴安装。

所述由流体提供动力的涡轮机可以包括多个模块，其中每一个模块都包括一个转子部件和一个定子部件，模块的数量被选定成为选定长度的由流体提供动力的涡轮机提供选定的压降。

该系统还可以包括可插入完井系统内部的管件，以便将流体递送至铰孔工具。

所述可插入管件可以包括同心管柱。

所述可插入管件可以包括冲洗管。

所述至少一个压力激活部件包括以下各项之一：阀门，衬管悬挂器，流体控制设备，封隔器，流入控制设备(ICD)，防砂筛管，以及流体可渗透构件。

所述至少一个压力激活部件还可以包括屏障构件。

该系统还可以包括形成铰孔工具前端的铰孔突出部分以及与由流体提供动力的涡轮机的输出耦合的铰孔工具主体。

铰孔主体和铰孔突出部分中的至少一个还可以包括用于将流体引导至铰孔工具外部的流体端口。

铰孔主体和铰孔突出部分中的至少一个可以是旋转平衡的。

铰孔工具还可以包括在铰孔主体和铰孔突出部分中的至少一个中形成或是其在上提供的几何铰孔结构。

该系统还可以包括以下的至少一项：至少一个井下牵引器，至少一个振动设备，以及被配置成帮助将完井系统伸进钻孔的定心器。

根据本发明的第二个方面，提供了一种将完井系统伸进预先打孔的钻孔的方法，该方法包括：将一个由涡轮机旋转的铰孔工具耦合至完井管柱，在该完井管柱上具有至少一个压力激活组件；以及将动力流体引导至涡轮机，以便为铰孔工具提供动力，所述动力流体是以比至少一个压力激活组件的激活压力更低的压力提供的。

该方法可以包括：在大体没有旋转的情况下将完井系统伸进钻孔。

该涡轮机可以具有使其开始旋转的选定最小流速，以及在没有旋转铰孔工具的情况下泵送选定的流体通过完井管柱和铰孔工具。

选定的流体可以包括水泥以及堵漏材料之一。

该方法还可以包括：将管状构件伸进完井管柱，以及借助管状构件来将流体递送至铰孔工具。

该方法还可以包括：从钻孔中取回管状构件。

该方法还可以包括：在铰孔工具旋转的同时观察流体压力，以及当观察到的压力降低时，减小铰孔工具上的轴向负载，其中选择涡轮机中的叶片所具有的以下各项中的至少一项被选择以在当所述铰孔工具在钻孔中停顿时将压降增至最大：叶片的数量，叶片之间的周向间隔，叶片斜率以及叶片曲率。

根据本发明的第三个方面，提供了一种将完井系统伸进预先打孔的钻孔的方法。该方法可以包括：将由流体提供动力的铰孔工具耦合至包含至少一个流体压力激活部件的完井管柱；以及使用以比激活所述至少一个流体压力激活部件所需要的压力还要低的压力供应的流体来为铰孔工具提供动力。

根据本发明的第四个方面，提供了一种完井系统，包括：由流体提供动力的铰孔工具，其被配置成与包含至少一个压力激活部件的完井管柱相耦合，其中该铰孔工具被配置成利用供给的流体提供动力，所述供给的流体的压力比激活所述至少一个流体压力激活部件所需要的压力还要低。

相应地，关于铰孔工具和方法的不同实施方式可以允许与完井管柱耦合并由流体提供动力的铰孔工具具有一个压力激活部件，例如防砂筛管、阀门、流入控制设备(ICD)、衬管悬挂器等等，其中该压力激活部件是在比激活该压力激活部件的压力还要低的压力下工作的。

该完井系统可被配置成在下井管柱上伸进钻孔，并且在特定的实施方式中，该下井管柱可以包括一个钻杆，但是任何适当的下井或传送构件都是可以使用的。该完井系统可被配置成在几乎没有旋转的情况下位于钻孔中，由此减小或者消除原本可能会在完井管柱旋转的情况下导致的将不适合旋转的完井系统组件损坏的风险，作为示例，该组件可以是至少一个压力激活部件或钻孔。在特定的实施方式中，铰孔工具可被适配成定位在管柱的远端，但是该工具也可以被适配成定位在管柱上的别的位置。

铰孔工具可以包括驱动单元和铰孔主体，该驱动单元被配置成接收流体并且由此驱动铰孔主体旋转。该驱动单元可以包括转子和定子，该转子被配置成相对于定子旋转，以便驱动铰孔主体旋转。在特定的实施方式中，该转子可以包括一个轴，该轴安装在限定了定子的壳体的内部。作为替换，该转子可被安装在定子的外部。

该驱动单元可以包括涡轮机装置。该涡轮机装置可以采用任何适当的形式。例如，该涡轮机装置可以包括与定子耦合的至少一个涡轮机部件以及与转子耦合的至少一个涡轮机部件，并且在使用中，流体可被引导至涡轮机装置，以便驱动转子和定子的相对旋转。所述涡轮机装置可以以同心的方式相对于铰孔工具的中心轴安装，以使在对钻孔执行铰孔处理的时候的铰孔工具的振转变低。

驱动单元或涡轮机的结构可以是模块化的。举例来说，如果驱动单元包含涡轮机，那么涡轮机部件可以是成对提供的，其中每一对部件都限定了一个功率级。在特定的实施方式中，一个部件可被适配成耦合至定子，相应的部件则被适配成耦合至转子，并且这些涡轮机部件可被适配成是在径向上重叠的。通过使用模块化的驱动单元或涡轮机装置，可以允许根据需要来配置驱动单元输出的扭矩。例如，如果知道或者预见到铰孔工具将会遭遇更多阻力，那么可以提供数量较多的功率级。如果所期望的是较短的工具，那么可以选择较少的功率级。模块化的装置还允许根据需要来修改铰孔工具的轮廓，例如叶片轮廓。

使用涡轮机的处理要优于其他的铰孔工具旋转设备。涡轮机需要很低的启动和/或操作差压，并且由此可以在操作过程中提供较高的安全等级，这是因为用于启动和操作铰孔工具的压力要低于至少一个压力激活部件的激活压力。如果由于压力枯竭之类的原因导致储层中的压力很低，那么钻孔中具有很高的流体压力通常是不可取的，由此，通过使用根据本发明实施方式的涡轮机，可以促使在原本排除了铰孔处理的环境中执行铰孔操作。通过使用能以很低的差压启动和/或操作的涡轮机，还可以减小在钻孔中、例如在包含了很大的摩擦和液压损失的很长的斜钻孔中递送和/或循环流体所需要的泵及其关联的设备的压力需求。

此外，通过使用涡轮机，还可以促使铰孔工具相对于完井管柱进行高速旋转，并且可以在使用中具有很低或是可忽略的反扭矩。举例来说，在使用中，该系统可以在大体没有旋转或者旋转程度有限的情况下伸进钻孔，并且铰孔工具可以是以独立于管柱的情况并以原本可能会对管状管柱或是其连接造成损坏的速度旋转。在特定的实施方式中，铰孔工具可以是以高达800rpm-1000rpm的速度旋转的，但是该铰孔工具可以在需要的时候与更高的旋转速度相适配。

涡轮机可以提供附加的益处，那就是所述涡轮机可以限定一个穿过其中的流体路径，由此，在使用过程中，即使涡轮机停顿或者在其他方面导致无法操作，也可以通过铰孔工具来递送流体。虽然认为应该将完井管柱的旋转减至最低限度，然而，如果导致驱动单元或涡轮机无法工作，那么可以通过使用涡轮机来允许借助于旋转管柱来旋转铰孔工具。

完井管柱可以形成完井系统的第一管件，并且该系统还可以包括以与第一管件大体平行的方式延伸的第二管件，以用于将动力流体递送至铰孔工具。所述第二管件可以采用任何适当的形式。例如，第二管件可以包括一个同心管件，并且在一个特定的实施方式中，第二管件可以包括冲洗管，软管等等。

第二管件的至少一部分可被配置成位于完井管柱内部，并且由此可以具有比管柱内径更小的外径。作为替换或补充，第二管件的至少一部分可被适配成位于完井管柱的外部。通过借助第二管件来将流体递送至铰孔工具，可以根据需要来操作铰孔工具。

该至少一个压力激活部件可以具有任何适当的形式。例如，所述至少一个压力激活部件是可配置的，由此可以有选择地允许流体经过其中。在特定的实施方式中，每一个压力激活部件可以从包含以下各项的群组中选择：阀门，流体控制设备，流入控制设备(ICD)，防砂筛管等等。

通过借助第二管件来将流体递送至铰孔工具，可以对铰孔工具进行操作，而不用考虑所述压力激活部件是被配置在开放位置还是闭合位置。

在一些配置中，该系统可被配置成能够借助第二管件以及借助管柱来引导流体，并且作为示例，该处理可用于在独立于递送至铰孔工具的流体的情况下通过开放的部件来循环不同的流体，其中作为示例，所述部件可以是开放的ICD。

该至少一个压力激活部件还可以包括屏障构件，例如水溶性或烃溶性填充材料，此类构件以后会在遭遇到烃的时候溶解，或者会在指定时段之后溶解在水或油中。作为替换或补充，屏障构件可以包括机械部件，例如阀门部件，挡板，闸门等等。

铰孔工具还可以包括至少一个轴承，并且作为示例，该轴承可被适配成定位在驱动单元与铰孔主体之间。在特定的实施方式中，多个轴承可被提供，并且这些轴承可被配置成用于模块化结构。例如，一个或多个轴承可以包括可安装于定子和转子之一的外圈，以及可安装于定子和转子中的另一个的内圈。通过提供模块化的轴承，还可以允许根据需要来选择轴承的数量和/或尺寸。

所述至少一个轴承可以具有任何适当的形式。该工具可以包括组合的轴向和径向轴承，并且在特定的实施方式中，所述至少一个轴承可以包括至少一个滚珠轴承。如果轴承包括滚珠轴承，那么在特定的实施方式中，该滚珠轴承可以包括至少一个低摩擦的钢珠或陶瓷球轴承。该轴承可以包括至少一个钢珠以及至少一个陶瓷球，并且该轴承可以包括交替的钢珠和陶瓷球。由于钢和陶瓷具有不同的摩擦系数，因此，通过使用交替的钢珠和陶瓷球，可以减小每一个滚珠“攀爬”相邻滚珠的趋势。

作为替换或补充，所述至少一个轴承可以包括滑动轴承，径向轴承等等。

铰孔工具还可以包括形成铰孔工具和完井系统的前端的铰孔突出部分。该突出部分可以集成于铰孔主体。作为替换，该突出部分可以包括与铰孔主体耦合的单独组件。在特定的实施方式中，该突出部分可以包括凹形的端面和/或偏心端部，其被配置成在需要时帮助在无旋转的情况下刺透或穿透井筒中的障碍物。在其他实施方式中，该突出部分可以包括凸面和/或同心端部。

铰孔主体和铰孔突出部分中的至少一个还可以包括至少一个流体端口，用于允许将流体引导至铰孔工具外部。通过提供端口，可以允许引导钻液、污泥等流体通过铰孔工具，以便帮助从钻孔中移除和/或转移障碍物。至少一个端口可以是在铰孔主体或是铰孔突出部分中整体形成的。作为替换或补充，至少一个端口可以包括与所述主体或突出部分耦合的单独组件。流体端口可以是用任何适当的材料构造的，其示例包括含铁金属，不含铁金属，或是陶瓷或可切削玻璃之类的材料。在特定的实施方式中，一个或多个流体端口可以是用铸铁构造的，例如球墨铸铁。至少一个端口可以限定喷嘴或是为其提供安装。例如，该喷嘴可被适配成引导流体从该工具的流体管道流出，以便于通过喷射来移除障碍物。然后，流体和被移除的物质可以借助环带而被送回地表。

该铰孔工具还包括一个铰孔结构，并且该铰孔结构可以在铰孔主体和铰孔突出部分中的至少一个中形成或是在其上提供。

任何适当的铰孔结构都是可以使用的。例如，该铰孔结构可以包括以下的至少一个：肋条；叶片；凸出物等等。该铰孔结构可被布置成沿径向延伸至与钻孔壁部啮合，由此促使对钻孔执行铰孔处理。该铰孔结构可以围绕主体和/或突出部分的圆周的至少一部分延伸，并且可以采用螺旋、螺线、蜿蜒或其他配置来延伸。在替换的装置中，该铰孔工具可以是大体上轴向延伸。

该铰孔结构可以包括耐磨表面，并且作为示例，该铰孔结构可以包括围绕铰孔主体和铰孔突出部分中的至少一个的圆周面布置的碳化钨部件，例如碳化钨块料或砖块。作为替换或补充，该铰孔结构或是铰孔结构的部件可以包括一个涂层，例如高速氧燃料(HVOF)涂层，或者可以遭受表面硬化处理。

该铰孔结构还可以包括一个限定了切削或磨削表面的部件，例如聚晶金刚石复合片(PDC)切割器，热稳定聚晶切割器，碳化物颗粒或是其他任何适合帮助执行铰孔操作的装置。作为示例，该部件可以包括被压入或以其他方式与铰孔工具结合的陶瓷镶块。

人们已经发现，形成研磨表面的几何铰孔结构、尤其是诸如碳化物颗粒之类的几何布置的部件将会缓解或消除铰孔结构的堵塞。本发明的几何铰孔结构布置与本领域中已知的常规的随机布置或碳化物颗粒形成了对比，作为示例，该布置可以包括多个排列在一行或多行中的齿状物，并且在特定的实施方式中，这些齿状物可以是交叉排列的。这些齿状物可以具有任何适当的形式，并且在特定的实施方式中，每一个齿状物可以是作为沿径向延伸至与钻孔啮合的棱柱形成的，例如四面体棱柱。每一个齿状物可以限定一个被配置成在使用中最先与钻孔啮合的前导引点或边缘。

在铰孔部件之间可以提供至少一个端口或狭槽，所述至少一个狭槽被适配成允许诸如钻探泥浆等流体经过其中，以便进一步协助钻孔操作和/或克服或缓解工具堵塞。在特定的实施方式中，该流体与用以驱动铰孔工具的流体可以是相同的流体，但是其他任何适当的流体都是可以在适当情况下使用的。

该系统还可以包括井下牵引器和振动设备中的至少一个，其被配置成协助将完井系统伸进钻孔。作为示例，牵引器和振动设备中的至少一个可以与铰孔工具一起位于完井管柱的远端，或者位于管柱上的另一个位置，由此有助于将管柱定位在预期深度和/或有助于沿着钻孔拖曳完井管柱。作为示例，该处理可被用在水平或偏斜钻孔中(对管柱施力的能力原本局限于管柱垂直区段的重量)。

该系统还可以包括至少一个定心器，其被配置成支撑和/或保护系统的其他组件。举例来说，该定心器可以安装于与可被流体渗透的构件相邻的管柱，以便保护所述可被流体渗透的构件免受损坏。除了在钻孔中提供管柱定心之外，该定心器还可以被配置成促进在管柱与钻孔之间限定的环带中的层流流动。在另一个配置中，如果有条件保证通过湍流流动来实现增强的井筒清洗，那么定心器可以被配置成引起湍流。

铰孔工具的至少一部分可被配置成促进钻透处理。作为示例，该工具的至少一部分可以是用容易钻孔的材料构造的，并且可以是用铝、铝合金等等构造的，但是任何适当的材料都是可以使用的。作为替换，通过选择铰孔工具部件的尺寸，可以允许在最不费力的情况下钻透该工具。

该系统的所述部分可以是用任何适当的材料构造的。例如，铰孔工具驱动单元、铰孔器主体、突出部分以及定心器中的至少一个可以是用13％的铬钢或其他适当材料构造的。

根据本发明的第五个方面，提供了一种将完井系统伸进预先打孔的钻孔的方法。此类方法可以包括将由涡轮机提供动力的铰孔工具耦合到完井管柱，以及将动力流体引导至涡轮机，以便为铰孔工具提供动力。

根据本发明的第六个方面，提供了一种完井系统，该系统包括一个由涡轮机驱动的铰孔工具，其被配置成与完井管柱相耦合，其中该涡轮机被配置成通过接收动力流体来为铰孔工具提供动力。

根据本发明的第七个方面，提供了一种将完井系统伸进预先打孔的钻孔的方法，包括：在完井管柱形式的第一管件上安装流体驱动的铰孔工具，以及借助以与所述第一管件大体平行的方式延伸的第二管件来将动力流体递送至铰孔工具。

相应地，不同的实施方式允许具有防砂筛管、阀门等等的可被流体渗透的部件的完井管柱伸进钻孔，同时仍旧允许位于能被流体渗透的部件的远端并由涡轮机提供动力的铰孔工具的操作。

根据本发明的第八个方面，提供了一种具有几何铰孔部件装置的铰孔工具。

根据一个方面的完井系统包括：耦合在一起以形成完井管柱的管状组件。通过提供流入控制设备，可以允许完井管柱的内孔与钻孔内部的环带之间的选择性流体流通。在完井管柱的前端提供了一个铰孔工具。该铰孔工具可以与完井管柱一起插入钻孔。该铰孔工具包括流体驱动的涡轮机，铰孔主体以及铰孔突出部分。在使用中，完井管柱位于钻孔之中，并且流体被引导至该铰孔工具，以促使对钻孔执行铰孔处理。采用冲洗管形式的第二管件可以贯穿完井管柱的内孔，以便在完井管柱包含了用可渗透的材料制成的部件的情况下向铰孔工具提供流体。该铰孔工具可以在比可能激活诸如流入控制设备之类的任何水压设备的压力更低的流体压力下工作。所述铰孔工具是以一种致使流体压力不会超出可能激活诸如流入控制设备之类的任何水压设备的方式工作的。

应该认识到的是，以上结合本发明的任意一项方面或是以下结合任意一项具体实施方式描述的任意一项特征都可以与本发明的其他任何方面或实施方式所描述的任何特征结合使用。

从后续的描述及权利要求中可以清楚了解具有所公开的铰孔工具的完井系统的其他方面和优点。

附图说明

现在将参考附图来举例描述本发明的这些和其他方面。

图1是根据一个实施方式的完井系统的示意性侧视图。

图2A是在图1的完井系统中使用的铰孔工具的第一区段的截面图。

图2B是图2A所示的铰孔工具的第二区段的截面图。

图2C是图2B的一部分的放大视图。

图2D是图2A、图2B和图2C所示的铰孔工具的第三区段的截面图。

图2E是图2D的一部分的放大视图。

图2F是铰孔工具的第三区段的另一个布置的截面图。

图3是铰孔工具的另一个示例的透视图。

图4是图3所示的铰孔工具的分解透视图。

图5是图3和图4所示的铰孔工具的突出部分的透视图。

图6是图3-图5所示的铰孔工具的分解侧视图。

图7A是图3-图6所示的铰孔工具的一个实施方式的侧视图。

图7B是图3-图6所示的铰孔工具的另一个实施方式的侧视图。

图8A-图8D是图3至图7B的切割器装置的放大视图。

图9是图8A-图8D的几何布置的透视图。

图10是图8A-图8D的几何布置的另一个透视图。

图11显示的是涡轮机的定子部件的示例。

图12显示的是涡轮机的转子部件的示例。

具体实施方式

图1显示根据一个例示实施方式的完井系统10的示意性侧视图。在图1中可以看出，钻孔12已被钻出，并且该钻孔内衬有钻孔内衬管件14。最远侧的钻孔内衬管件14可以包括端接在管托16中的衬管。在所显示的示例中，衬管14可以包括一个75/8英寸(193.68mm)的衬管，然而，具有任何适当直径和厚度的管件都是可以使用的。钻孔12随后延伸至管托16以外，其在本示例中沿大体上水平方向延伸，并且水平的无内衬区段18可以贯穿含烃地层20。很容易理解的是，钻孔12的无内衬区段18可以具有任何需要的长度，并且可以延伸至任何距离，包括贯穿含烃地层20的多达数以千米的距离。

完井系统10可以包括多个管状组件22，作为示例，这些组件可以通过螺纹耦合在一起，由此形成完井管柱24。在使用中，完井管柱24可以利用支撑管柱25插入(“伸进”)钻孔12的无内衬区段18。在所显示的实施方式中，支撑管柱25可以包括一个钻杆，但是任何适当的管柱都是可以使用的。然后，通过使用衬管悬挂器17，可以将完井管柱24的上端悬挂于衬管16，随后则可以收回支撑管柱25。图1显示的是已经伸进钻孔12的无内衬区段18但是尚未悬挂于衬管悬挂器17的完井管柱24。完井管柱24及其组件的尺寸被调整成使其可以伸进钻孔12，并且在完井管柱24的外表面与钻孔壁部12之间限定了一个环带28。此外，完井管柱24还限定了一个通过完井管柱24来传送流体或工具的内孔26。

在图1显示的实施方式中，完井管柱24可以包括外径为41/2英寸(114.3mm)的中心管30的区段，但是其他适当的管件直径和类型也是可以在适当情况下使用的。除了中心管30的区段之外，完井管柱24还可能包括针对不同井下作业的多个部件。例如，在沿着完井管柱24的长度的间隔位置上可以提供可膨胀封隔器32。在所显示的实施方式中，可膨胀封隔器32可以包括外径为5.625英寸(142.88mm)的膨胀型封隔器，但是其他适当的封隔器类型和直径也是可以在适当情况下使用的。在使用中，每一个可膨胀封隔器32都会膨胀，并且会径向延伸至与钻孔12密封啮合，以便隔离环带28的区段并且由此避免环带28内部的不希望发生的流体迁移。

此外，通过提供流入控制设备(ICD)34，可以允许完井管柱24的内孔26与环带28之间的选择性的流体流通，并且在所显示的实施方式中，在管柱24上提供了三个外径为5.620英寸(142.75mm)的ICD 34。在使用中，可以通过共同使用ICD 34和封隔器32来控制流体流入和流出管柱24。

此外，在完井管柱24上还可以提供一个或多个定心器36(参见图2B)，以便在完井管柱24被伸进钻孔12时协助控制其位置，以及在完井管柱24被伸进钻孔12时协助减小摩擦阻力。在将完井管柱24伸进钻孔12时，每个定心器36还有助于保护系统10中的其他组件免受损害，这些部件例如是可膨胀封隔器32或ICD 34。此外，定心器36可被定位在邻近ICD 34的位置，其中定心器36可被配置成促进环带28中的层流流动。

铰孔工具38可以在完井管柱24的远侧前端提供，并且铰孔工具38是与完井管柱24一起被伸进钻孔12的。在本示例中，铰孔工具38包括由流体提供动力的驱动单元40，铰孔主体42以及铰孔突出部分(nose)43。

在使用中，流体(由图2C的箭头显示)可被引导至铰孔工具38的驱动单元40，以便驱动铰孔主体42和铰孔突出部分43旋转，由此促成针对钻孔12的铰孔处理，例如在完井管柱24遭遇到会阻止完井管柱24前进的障碍物的情况下，以及在将完井管柱24定位于钻孔12的时候确保无内衬钻孔区段18具有预期的形式。

系统10还可以包括第二管件，该管件采用的是贯穿完井管柱24的内孔26的同心管件或冲洗管44的形式。冲洗管44可以包括一系列的螺纹耦合管状区段，并且这些区段的外径小于完井管柱24的内径。在使用中，冲洗管44与完井管柱24一起被伸进钻孔12。

冲洗管44的下端可以包括柱塞45，并且在该柱塞上安装了一个或多个密封件47。在使用中，冲洗管44可以经由柱塞45耦合至在完井管柱24中提供的锁件46，其中冲洗管44会借助一个或多个柱塞密封件47来密封锁件46，以便防止流体向上回流至内孔26。在所显示的实施方式中，冲洗管44的远端可以包括外径为3.25英寸(82.55mm)的S22密封叠层，并且锁件46可以包括外径为41/2英寸(114mm)以及内径为31/4英寸(82.55mm)的抗液压锁封孔。

在锁件46与铰孔工具38之间可以提供一个浮箍48，作为示例，该浮箍可以是外径为41/2英寸(114mm)的“双v型”浮箍。在使用中，浮箍48允许流体流至铰孔工具38，同时防止流体向上回流至完井管柱24的内孔26。

冲洗管44可以向铰孔工具38的驱动单元40提供驱动流体，以促进铰孔主体42和铰孔突出部分43旋转。无论完井管柱24的内孔26是否对环带28开放，例如在将一个或多个ICD34配置成处于开放位置的情况下，流体都可以被提供给驱动单元40。

在使用中，完井系统10是在大体上不旋转的情况下被插入钻孔12的，由此减小或者消除了损坏那些不适合旋转或传递扭矩的完井管柱24的组件的风险。此外，即使向环带28开放了完井系统10的一部分，也还是可以对钻孔12执行铰孔处理。

现在参考图2A-图2D，该图显示的是根据一个例示实施方式的铰孔工具38。铰孔工具38可以包括驱动单元40，铰孔主体42，铰孔突出部分43以及轴承区段50。铰孔工具38可以与完井系统耦合并形成该系统的远侧前端，作为示例，所述完井系统可以是如上所述的系统10。

驱动单元40和轴承区段50是在铰孔工具38的主体52的内部提供的，并且所述主体52是通过螺纹公母接合(图2C)与完井管柱24的一端耦合的，但是其他适当的连接器同样是可以在适当情况下使用的。

驱动单元40包括转子56和定子58，在使用中，转子56被配置成相对于定子58进行旋转，以便驱动铰孔主体42以及突出部分43旋转。在所显示的实施方式中，转子56包括一个安装在壳体52内部的轴60。壳体52可以限定定子58。轴和转子组件是由固定螺母59保持的，并且定子组件是由固定螺母61保持的。驱动单元40还可以包括一个涡轮机装置62，该装置具有与轴60耦合的涡轮机部件62a以及与壳体52耦合的涡轮机部件62b。在所显示的实施方式中，驱动单元40是模块化的，也就是说，与转子56和定子58相耦合的涡轮机部件62a、62b的数量可以是根据需要而被选择的。通过使用模块化的涡轮机装置62可以允许将驱动单元42的长度减至最小，并且可以根据需要来配置驱动单元40输出的转矩。如将会参考图11和图12进一步说明的那样，涡轮机部件的叶片的特性可被选择，以便针对具体的用途来优化驱动单元40的流体流动和功率输出。

在使用中，流体被引导通过涡轮机装置62，以便驱动涡轮机部件62a、62b进行相对旋转。与现有技术中已知的容积式驱动单元相比，使用涡轮机可以具有某些优势。例如，涡轮机装置62可以是通过使用很低的压差以及在一个比可能激活完井系统中的某些部件，例如图1所示的ICD 34或封隔器32的压力更低的压力下启动和操作的。此外，涡轮机装置62将会促使铰孔主体42和铰孔突出部分43相对于完井管柱24高速旋转，并且其在使用中具有很低或是可以忽略的反作用扭矩。例如，铰孔工具38可以是以原本无法由完井管柱24或容积式马达(“PDM”)通过旋转铰孔工具来实现的速度驱动的。此外，由于涡轮机部件62a、62b采用的是同心排列，因此，涡轮机装置62在使用中可以提供很低的振动。此外，涡轮机装置62还适合在高压和高温环境中使用，例如在某些钻孔环境中遭遇的高压和高温环境。

铰孔工具38还可以包括多个轴承。在图2A-图2D显示的实施方式中，除了以下更详细描述的轴承区段50之外，铰孔工具38还可以包括在涡轮机装置62的任意一端提供的径向轴承63。如图2B所示，轴承区段50可以位于驱动单元42与铰孔主体51之间，并且可以与涡轮机装置62相校准。该轴承区段50包括组合的轴向和径向轴承，所述轴承包括沿轴向延伸且具有交替的钢珠和陶瓷球的低摩擦滚珠轴承64。由于钢与陶瓷具有不同的摩擦系数，因此，通过使用交替的钢珠和陶瓷球，可以减小每个滚珠“攀爬”相邻滚珠的趋势。轴承区段50是可以模块化的，由此可以根据需要来选择轴承64的数量以及轴承区段50的总长度。

在使用中，离开涡轮机装置62的流体被引导通过轴承区段50，然后进入铰孔突出部分43。

铰孔主体42和铰孔突出部分43可以借助螺纹连接66耦合至铰孔工具38的轴60，并且在使用中，轴60的旋转会驱动铰孔主体42和铰孔突出部分43旋转。在所显示的实施方式中，在铰孔主体42和铰孔突出部分43上可以安装铰孔肋条68的形式的铰孔结构。该铰孔肋条68从主体42的外表面及突出部分43开始沿径向延伸，并且在使用中，铰孔肋条68被设置成对钻孔12执行铰孔操作。在所显示的实施方式中，铰孔肋条68与主体42以及突出部分43是作为一个整体形成的，但是铰孔肋条68也可以在适当情况下包含单独的组件。任何肋条装置都是可以使用的。作为示例，在图2A显示的装置中，铰孔肋条68沿着周向间隔排列在铰孔主体42和铰孔突出部分43的外表面上，并且可以大体沿着轴向延伸。

铰孔突出部分43的最远端可以包括一个有助于在必要时促使刺穿或切割钻孔12中的障碍物的偏心部分70。

在铰孔突出部分43可以提供一个或多个流体出口或喷嘴72，并且在使用中可以通过此类喷嘴72来引导流体，以便通过喷射来帮助移除钻孔12中的障碍物。然后，流体和被移除的物质可以借助环带28而被送回地面。

人们已经发现，使用几何布置的碳化物部件而不是常规的随机布置的碳化物铰孔部件在缓解铰孔工具38的堵塞方面是特别有效的，对于常规的随机碳化物布置来说也是如此。作为示例，以下参考图3-图8D来描述具有几何铰孔部件布置的铰孔工具138。

图3显示的是与先前描述的铰孔工具38具有类似组件的例示铰孔工具138(其被赋予了相同的参考数字，但是该数字增大了100)。铰孔工具138的铰孔主体142和铰孔突出部分143可以具有从其相应的外表面伸出的铰孔肋条168，在使用中，铰孔肋条168会与钻孔壁部12啮合，由此促使对钻孔12执行磨削和/或铰孔处理。

图4和图6显示的是铰孔工具138的分解视图。在这些图中可以看出，铰孔突出部分143可以包括直径较小的阳螺纹部分74，该部分与铰孔工具主体142内部的位置相适配，并且借助相应的雌螺纹部分76而被可释放地固定于铰孔工具主体142。

图5显示的是铰孔工具138中的铰孔突出部分143的透视图，其中该突出部分143包括锥形前部78和凹形远端80。突出部分143上的铰孔肋条168在该铰孔突出部分143上大体沿轴向延伸，然而应该认识到的是，诸如螺旋或螺线配置之类的其他布置同样是可以在适当情况下使用的。例如，在所显示的实施方式中，突出部分143上的肋条168大体沿着轴向延伸，而铰孔工具主体142上的肋条168则是成螺旋形延伸的。

在铰孔突出部分143中可以提供多个端口，这些端口限定或者为喷嘴172提供了安装/固定。在使用中，流体可被引导通过喷嘴172，由此协助对钻孔12执行铰孔处理，和/或将铰下的物质运回地表。

图7A和图7B显示的是铰孔工具138的侧视图，其中显示了铰孔肋条168的布置。图8A-图8D、图9以及图10还显示了根据其他例示实施方式的切割器装置。

在这些图中可以看出，铰孔肋条168包括铰孔部件或是在其上形成的齿状物82。所形成的齿状物82可以是四面体棱柱，其沿着径向从铰孔肋条168的表面开始延伸，并且被适配成对钻孔12执行铰孔处理。齿状物82是以某种几何图案布置的，并且在所显示的实施方式中，齿状物82是沿着铰孔肋条168的长度而在两个交错的行中提供的。在铰孔肋条168安装了多个大体以线性布置的碳化物铰孔部件，这些部件被称为PDC 84，并且被间隔排列在齿状物82之间。本示例的几何切割器装置与本领域中已知的常规随机碳化物装置形成了对比，其中所述常规的随机碳化物装置较容易堵塞，由此降低了对钻孔执行铰孔处理的能力。

在工具38的铰孔结构周围还可以提供狭槽86(参见图7A-图8D)，并且流体可以被引导通过狭槽86，以便通过流体喷射等等来帮助移除铰下的物质。在铰孔部件之间可以提供附加的狭槽(未显示)，以便通过流体喷射等等来协助或者进一步协助移除铰下的物质。

该系统的至少一部分可被配置成帮助执行钻透处理。例如，该系统的至少一部分可以是用能够很容易钻孔的物质构造的，例如金属、金属合金、铝或铝合金、铸铁、玻璃、陶瓷或其他适当的物质。在替换的实施方式中，涡轮机区段包括一个大小被调整成允许铰孔工具钻出的内径，由此减小了所要移除的物质的体积。

作为替换或补充，在完井管柱的远端可以添加牵引机和/或振动器之类的其他设备，以便提供振动器/牵引机/铰孔器装置。在其他配置中，在完井管柱上的中间位置可以放置振动器/牵引机/铰孔器装置。在本公开的范围以内，从地表可以向一个或多个井下设备发送命令，例如用于控制牵引机或铰孔工具的开/关状态。

参考图11，该图更详细地显示了形成定子(图2B中的56)的一部分的其中一个涡轮机部件62a。涡轮机部件62a可以包括附着于多个沿周向间隔排列的定子叶片202上的外环200。所述定子叶片202可以附着于内环204。如参考图2B说明的那样，定子可以与壳体耦合。叶片202可以具有曲率204和斜率206(相对于涡轮机部件62a的纵轴的角度)，并且通过选择定子叶片202的数量以及其间的周向间隔，可以产生以下结果中的至少一个。首先，在通过涡轮机装置(图2B)泵送流体时，这时将会存在一个可供转子(图2B中的58)开始旋转的最小流速。这个最小流速可以与曲率204、斜率206、叶片202的数量及其周向间隔相关联。通过选择上述定子叶片参数，可以提供一个可供旋转开始进行的选定最小流速。如果具有选定的最小流速，那么可以在不导致铰孔主体42旋转的情况下泵送流体通过完井系统(图1中的10)。这种不会导致旋转的泵送处理对于泵送某些类型的井筒流体来说是非常理想的，因为对于某些类型的井筒流体、例如水泥、堵漏物质等等的泵送处理来说，如果因为铰孔工具42的旋转而导致搅拌/混合，那么其泵送效率有可能会降低。参考图12，该图更详细地显示了形成转子(图2中的58)的一部分的其中一个涡轮机部件62b。在环件208上可以安装多个沿周向间隔排列的叶片210，并且该环件可以与旋转轴(图2B中的60)耦合。与参考图11描述的定子涡轮机部件62a一样，转子涡轮机部件62b可以具有选定的叶片曲率212、斜率210、叶片数量以及相邻叶片之间的周向间隔214，以在选定的最小流速上使涡轮机装置(图2B中的62)旋转。本领域技术人员应该理解，通过选择如上所述的关于定子涡轮机部件(图11中的62a)和转子涡轮机部件(图12中的62b)的涡轮机叶片参数，可以得到可供涡轮机装置开始旋转的最小流体流速。

除了用于启动涡轮机装置(图2B中的62)旋转的前述最小流速之外，通过选择如上所述的关于定子部件和转子部件的涡轮机叶片参数，可以在铰孔主体(图1中的42)“停顿”、也就是由于铰孔主体(图1中的42)和/或铰孔突出部分(图1中的43)上的负载过大而停止旋转的时候产生最大压降。对于流体驱动的涡轮机来说，其属性在于：当转子因为流体流动而移动时，它们会对流经其自身的流体呈现出较低的压降。通过选择涡轮机叶片参数来将停顿时的降压增至最大，可以减小无意中激活完井系统(图1中的10)中的任何压力激活组件的风险。此外，停顿时的最大化压降可以在地表为完井系统操作者提供更易于识别的表明铰孔主体已经停顿的信号，由此指示可能需要的校正操作，例如减小铰孔主体和铰孔突出部分的轴向负载。通过选择上述涡轮机叶片参数，还可以防止流体压力超出能够激活完井系统中的任一流体压力驱动设备的压力。

虽然在这里参考了有限数量的实施方式来对本发明进行描述，但是对得益于本公开的本领域技术人员来说，很明显，在不脱离这里公开的发明范围的情况下，还可以设计出其他的实施方式。相应地，本发明的范围只受附加的权利要求限制。

Claims (21)

1.一种完井系统，包括：

与铰孔工具耦合的由流体提供动力的涡轮机，所述铰孔工具被配置成耦合至可插入钻孔的完井管柱，所述完井管柱包括至少一个流体压力激活部件，其中所述涡轮机被配置成利用供给的流体发动，所述供给的流体处于比所述至少一个流体压力激活部件的激活压力更低的压力，其中，所述涡轮机包括至少一个定子部件以及至少一个转子部件，所述至少一个定子部件和至少一个转子部件中的每一个都具有至少一个叶片，其中所述至少一个定子部件和至少一个转子部件中的每一个的叶片的曲率、叶片的斜率、叶片间的周向间隔以及叶片的数量将被选择，以便提供可供所述至少一个转子部件开始旋转的预定最小流体流速，以及当铰孔工具在钻孔中停顿时提供最大流体压降。

2.如权利要求1所述的完井系统，其中，所述涡轮机被配置成防止工作压力超出所述至少一个流体压力激活部件的激活压力。

3.如权利要求1或2所述的完井系统，其中，由流体提供动力的所述涡轮机以同心的方式相对于铰孔工具的中心轴安装。

4.如权利要求1或2所述的完井系统，其中，由流体提供动力的所述涡轮机包括多个模块，每一个模块都包括一个转子部件和一个定子部件，所述模块的数量被选定成为选定长度的由流体提供动力的所述涡轮机提供选定的压降。

5.如权利要求1或2所述的完井系统，其中，所述系统还包括可插入所述完井系统内部的管件，以便将所述流体递送至所述铰孔工具。

6.如权利要求5所述的完井系统，其中，所述可插入管件包括同心管柱。

7.如权利要求5所述的完井系统，其中，所述可插入管件包括冲洗管。

8.如权利要求1或2所述的完井系统，其中，所述至少一个压力激活部件包括以下各项之一：阀门，衬管悬挂器，流体控制设备，封隔器，流入控制设备ICD，防砂筛管，以及流体可渗透构件。

9.如权利要求8所述的完井系统，其中，所述至少一个压力激活部件还包括屏障构件。

10.如权利要求1或2所述的完井系统，其中，所述系统还包括形成所述铰孔工具前端的铰孔突出部分以及与由流体提供动力的所述涡轮机的输出耦合的铰孔工具主体。

11.如权利要求10所述的完井系统，其中，所述铰孔工具主体和所述铰孔突出部分中的至少一个还包括用于将流体引导至所述铰孔工具的外部的流体端口。

12.如权利要求10所述的完井系统，其中，所述铰孔工具主体和所述铰孔突出部分中的至少一个是旋转平衡的。

13.如权利要求10所述的完井系统，其中，所述铰孔工具还包括在所述铰孔工具主体和所述铰孔突出部分中的至少一个中形成或是在其上提供的几何铰孔结构。

14.如权利要求1或2的完井系统，还包括以下的至少一项：至少一个井下牵引器，至少一个振动设备，以及被配置成帮助将完井系统伸进钻孔的定心器。

15.一种将完井系统伸进预先打孔的钻孔的方法，所述方法包括：

将一个由涡轮机旋转的铰孔工具耦合至完井管柱，在所述完井管柱上具有至少一个压力激活组件，其中，所述涡轮机包括至少一个定子部件以及至少一个转子部件，所述至少一个定子部件和至少一个转子部件中的每一个都具有至少一个叶片，其中所述至少一个定子部件和至少一个转子部件中的每一个的叶片的曲率、叶片的斜率、叶片间的周向间隔以及叶片的数量将被选择，以便提供可供所述至少一个转子部件开始旋转的预定最小流体流速，以及当铰孔工具在钻孔中停顿时提供最大流体压降；以及

将动力流体引导至所述涡轮机，以便为所述铰孔工具提供动力，所述动力流体是以比所述至少一个压力激活组件的激活压力更低的压力提供的。

16.如权利要求15所述的方法，包括：在大体没有旋转的情况下将完井系统伸进钻孔。

17.如权利要求15或16所述的方法，包括：在没有旋转所述铰孔工具的情况下泵送选定的流体通过所述完井管柱和所述铰孔工具。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述选定的流体包括水泥以及堵漏材料之一。

19.如权利要求15或16所述的方法，还包括：将管状构件伸进所述完井管柱，以及借助所述管状构件来将所述流体递送至所述铰孔工具。

20.如权利要求19所述的方法，还包括：从所述钻孔中取回所述管状构件。

21.如权利要求15或16所述的方法，还包括：在所述铰孔工具旋转的同时观察流体压力，以及当观察到的压力降低时，减小所述铰孔工具上的轴向负载，其中所述涡轮机中的叶片所具有的以下各项中的至少一项被选择以在当所述铰孔工具在钻孔中停顿时将压降增至最大：叶片的数量，叶片之间的周向间隔，叶片的斜率以及叶片的曲率。