CN104736791B - 井下组件、工具和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扩孔工具的扩孔刀片，其特征在于，所述扩孔刀片包括具有截头圆顶形状的扩孔部分。根据第二方面，本发明涉及一种扩孔工具，包括具有扩径部分的本体，其特征在于，所述扩径部分包括扩孔刀片，该扩孔刀片包括具有截头圆顶形状的扩孔部分。在另一方面，本发明涉及包括用于钻井的底部钻具组件的井下组件，底部钻具组件包括：具有纵向轴线的壳体、前端和后端，以及安装在前端的钻具；井下组件特征在于：其还包括所述扩孔工具。在另一方面，提供了一种扩井孔的方法，且方法包括以下步骤：a)提供所述井下组件；b)将所述井下组件附连到钻柱的前端；c)钻先导井孔直到井下组件到达地面下的目标深度；以及d)从井孔撤回钻柱，同时旋转井下组件的扩孔工具，由此扩井孔并充分消除井孔不规则部分以致使井孔准备实施完井过程且防止钻具组件的BHA在从井孔撤回时卡住。

Description

井下组件、工具和方法

技术领域

本发明涉及石油和天然气勘探和开发的领域，且具体地说，涉及井孔形成活动。更具体地说，本发明涉及用于扩井孔的扩孔刀片、组件、方法和工具以及制造这种工具的方法。

技术现状

在石油和天然气行业中，非直井使用定向钻井技术形成。钻井过程包括起初使用具有钻井底部钻具组件(BHA)的钻柱来钻先导井孔，该BHA具有在其前端的钻头。必须随后使用一个或多个扩孔工具扩大该先导井孔以容纳套管、生产管等，并改善井孔大小、形状和环境。如此形成的油井接着通过安装套管(如果可适用)、生产管及相关工具和在井底上打眼并刺激井底而“完成”，即做好生产准备。

更具体地说，首先，钻头向下前进直到钻头到达目标深度。接着拉出钻柱且将扩孔BHA附连在钻柱前端。接着将该扩孔BHA推到井下，在完井之前扩大并调整井孔，且随后拉出，同时在出井的过程中扩大井孔。如上所述，这种类型的扩孔在先导井孔已形成之后并且实施完井之前要求特定扩孔运行，这是不方便和无效率的。需要将钻井BHA从井孔拉出以用扩孔BHA替换该钻井BHA会导致昂贵的非生产时间。

通常，不良井孔质量被发现并可产生于：

·油井的定向路径和导向装置的定向行为偏离于计划路线，从而产生扭曲

·不良钻井实践引起钻头处的振动和回旋动作

·不当洗井引起沉积

·不当钻井液成分不抑制在钻井后的地层瞬态和地层膨胀的某些方面

·BHA移动穿过不同地层导致钻柱偏离预定路径

·钻井工具不按规定执行，由此钻头留下不当井孔质量，以及转向装置绕指定目标路径摆动。

·钻穿夹层地层导致出现硬细脉

不良井孔质量影响钻井和完井过程，导致下列问题：

·钻进和起钻过程中由于面向前后运动的钻柱的障碍物而引起的问题

·BHA的不良动态响应

·完井结束及其正确部署的问题。

因此，为了执行有效率的钻井和完井过程，井孔调整是至关重要的，尤其是在来自以下范围的复杂作业中：

·多边井

·深水平井

·大位移钻井

·高压高温井

·大角度井轮廓：J形轮廓、S形轮廓。

不良井孔调整在钻井和完井过程的所有步骤中导致非生产性时间(NPT)。因此，一般实践是，在钻井运行之后执行采用受控参数的专门扩孔运行，以试图将井孔调到要求的质量。

各种元件已包含在钻井BHA中以在钻井过程中改善井孔质量。这种元件包括实际上可在钻井过程中提供扩孔程度的固定片式扩孔器或辊式扩孔器。

文献EP1811125公开了与钻杆和钻头一起用于在岩层中钻井的减振扩孔器。减振扩孔器包括具有钻井液通过的贯穿孔通道的本体。该本体具有适于与钻杆连接的圆柱形上部和直径比上部宽的圆柱形最下扩孔部。扩孔部包括位于外表面上并沿至少磨损表面的上带和磨损表面的下带布置的多个磨损表面，该磨损表面的上下带沿扩孔部轴向间隔并由中间带分开。通过沿本体长度轴向间隔的扩孔带的这种布置，扩孔器用于在轴向间隔位置支承抵靠井壁。扩孔器的表面支承抵靠孔壁，从而确保由工具产生的任何振动衰减。采用两个或两个以上的支承点代表磨损表面提供了扩孔器和由此钻具组件的位置稳定性。螺旋形凹槽在外表面上切隔并绕本体的周界均匀间隔。螺旋形凹槽用于允许在钻井作业过程中钻井液和从井孔收集到的夹带岩石材料通过。为了产生期望的减振效果，磨损表面镶嵌有耐磨硬质合金桩钉阵列。然而，该工具仅具有使钻头的横向运动最小且因此延长钻头寿命和提高机械钻速的效果，但井孔质量由于上述多个原因中的任一个仍然是不良的，该工具不会消除对采用专用扩孔运行的需求。

在钻进过程中以及在POOH(起钻)过程中，要求防止卡钻发生并可处理诸如以下情形的影响，这些情形诸如是：

活动地层

破裂和断裂地层

活性地层

过压地层

洗井问题

疏松地层

键槽

岩架和微狗腿弯

膨胀页岩和盐渍地层

大量倒扩孔

井径缩小点

文献WO2004/029402公开了扩孔器和稳定器组合工具。该工具包括本体，在本体上设置：

稳定器，该稳定器包括直径比本体大的部分并刻有一系列螺旋状凹槽，该凹槽形成要与正在钻的井的壁接触的多个肋；以及

扩孔器部分，该扩孔器部分在所述稳定器下方，包括切削装置。

可选地，三排硬质合金刀片设置至用于辅助钻杆撤回的稳定器。

然而，扩孔结构使用传统全圆顶形状的硬质合金或具有不同材料的其它切削装置。其缺点是通过该全圆顶形状的硬质合金保持的大小会因该硬质合金在其接触地层时开始形成磨损区而变化。这固有的缺点使得工具不能长时间保持所需标面，且这影响钻井作业的定向行为。

据此，本发明的目的是避免和减少以上缺点并提供与现有扩孔方法和工具相比更方便和更有效率的适于钻井和扩孔的井下组件、方法和工具，以及制造这种工具的方法。

更具地说，本发明的目的是避免在钻井之后以及完井运行之前对用以调整井孔的特定扩孔运行的需求。

本发明的另一目的是消除由于地层过度膨胀可能出现的任何井孔缩径。

理想的是，通过去除岩架和微狗腿弯改善井孔形状、直度和质量。还要具有保持大小尽可能长的时间以进行更好的方向控制的扩孔工具。井孔的高质量对于解决由于不良井孔质量的完井部署问题并提高BHA动态性能是理想的。

理想的是，防止在钻井过程中以及在POOH(起钻)过程中发生卡钻。

发明内容

在第一方面，本发明涉及扩孔工具的扩孔刀片。较佳地，扩孔工具是包括扩径部分的工具，诸如是包括扩径部分的扩孔器或钻头(也称为钻具)。根据本发明的扩孔刀片具有截头圆顶形状。较佳地，这种刀片包括从扩孔工具的刀身突出的大致圆顶状部分，所述圆顶状部分具有背离刀身表面的平坦顶部。

在第二方面，本发明涉及一种扩孔工具，该扩孔工具包括具有扩径部分的本体。

较佳地，扩孔工具的扩径部分包括具有截头圆顶形状的扩孔刀片。

较佳地，扩孔工具包括形成扩径部分的一个或多个刀身，一个或多个刀身具有扩孔表面并设有扩孔刀片阵列，该扩孔表面是从扩孔工具本体基本上径向向外面对的、刀身的外表面。有利地，在沿扩孔工具的纵向轴线观察扩孔工具时，一个或多个扩孔表面的扩孔刀片阵列完全绕360°环绕该本体。

较佳地，扩孔刀片在所述扩孔表面上等距间隔开，从而在扩孔表面上施加相等载荷。

较佳地，扩孔工具包括形成所述扩径部分的M个刀身，且各所述刀身在所述本体上设置成关于所述本体的纵向轴线M重旋转对称。

较佳地，扩孔工具的一个或多个刀身布置成在本体上形成螺旋结构，所述螺旋结构具有在切向于螺旋结构的切线和螺旋结构所在的圆柱的母线之间的预定螺旋角α。

较佳地，各个扩孔刀片以沿基本平行于所述扩孔表面的纵向轴线延伸的N个基本平行排的方式布置在扩孔表面上，各排彼此横向间隔开预定距离R，以及其中，沿所述本体的纵向轴线在两个相邻排中的任意两个最近刀片之间和在两个相对外排中的任意两个最近刀片之间的最短距离是完全一样的并具有预定值Y。

较佳地，同一排中的两个相邻刀片间隔开预定距离L且沿所述本体的纵向轴线在同一排中的两个相邻刀片之间的最短距离可确定为X＝Lcosα，其中距离Y＝X/N且α是所述本体的纵向轴线和所述扩孔表面的纵向轴线之间的角度。

较佳地，最靠近扩孔表面的纵向边缘的各排与纵向边缘偏离预定距离E，其中比值R/E具有预定值。

较佳地，扩孔刀片具有从所述扩孔表面突出的最外部，且所述最外部位于与所述本体的所述纵向轴线相距一径向距离处以允许平衡钻进和减振。

较佳地，所述扩孔表面是所述刀身的最外表面，且所述刀身还包括相对于所述扩孔表面倾斜设置的切削表面，所述切削表面设有刀具。

较佳地，所述刀具沿所述切削表面布置成与所述本体的所述纵向轴线相距第一径向距离和第二径向距离之间，以允许平衡钻进和减振。

更佳地，所述刀具沿所述切削表面布置在与所述本体的所述纵向轴线相距一径向距离处，该径向距离小于所述扩孔刀片和所述本体的所述纵向轴线之间的所述径向距离。

较佳地，每个刀具包括纵向轴线，且刀具定向成使得每个刀具的纵向轴线沿预定方向延伸并定位成与垂直于所述本体的所述纵向轴线的平面成预定角度，该预定角度可调整到所需值。

较佳地，扩孔工具的本体包括与底端相对的上端，所述第一端包括用于上钻柱的连接装置，而所述底端包括用于下钻柱或钻铤或钻头的连接装置。

根据第三方面，本发明涉及井下组件，包括：

用于钻井的底部钻具组件(BHA)，BHA包括：

具有纵向轴线的壳体，

前端和尾端，

安装在该前端处的钻具；

以及

如在上文中根据本发明第二方面所述的扩孔工具。

较佳地，该钻具包括纵向轴线和标面(gauge)，标面是法向于所述钻具的所述纵向轴线的平面上的最大横截面尺寸，其中根据本发明第二方面的扩孔工具的扩径部分的直径基本对应于钻具的标面的直径。

较佳地，井下组件的扩孔工具包括与底端相对的上端，所述第一端包括用于上钻柱的连接装置，而所述底端包括用于下钻柱或钻铤或钻具的连接装置。

根据第四方面，本发明涉及一种扩孔的方法，该方法包括以下步骤：

(i)提供根据本发明第三方面的井下组件；

(ii)将井下组件附连到钻柱的前端；

(iii)钻先导井孔直到扩孔钻具组件到达地面下的目标深度；以及

(iv)从井孔撤回钻柱，同时旋转井下组件的扩孔工具，由此扩大井孔并充分消除井孔不规则部分以致使井孔准备实施完井过程且防止钻具组件的BHA在从井孔撤回时卡住。

本发明的任一方面的所有基本的、较佳的或可选特征可酌情与本发明的任何其它方面的特征结合提供，反之亦然。

根据本发明的方法使用井下组件以及调整井孔并防止BHA卡在出去的路上消除了在钻先导井孔之后以及在实施完井过程之前对特定向前扩孔运行的需求。

附图说明

现将参照附图仅以示例的方式描述本发明，附图中：

图1是在具有配套地面套管的地层中的定向井孔的示意正视图，示出了长水平段井孔的垂直纵向横截面；

图2是具有剖切以示出在地层中的斜井横截面的其一部分的地层段的示意立体图，具有位于井孔中的所示本发明的钻具组件；

图3是图2所示的地层的横截面部分的放大视图；

图4A是具有附连到前端的钻头的图2和3所示的钻具组件的前端段的示意图；

图4B是包括第一扩孔工具的图2和3所示的钻具组件的中间段的示意图；

图4C是包括第二扩孔工具的图2和3所示的BHA的尾端段的示意图；

图5A和5B分别是与本发明的钻具组件一起使用的扩孔工具的立体图和侧视图；

图6是设置在根据本发明的扩孔工具的刀身的外表面上的截头圆顶刀片的示意正视图；

图7是根据本发明的扩孔工具的刀身的外表面的平面图，外表面具有布置在其上的刀片阵列且为了说明目的，外表面示出从螺旋结构展开成平面；以及

图8是根据本发明的扩孔工具的刀身的锥形部分的示意立体图，具有布置在其上的多个刀具；

图9是根据本发明实施例的扩孔工具的切削表面的示意立体图。

图10是根据本发明实施例的扩孔工具沿其纵向轴线的视图。

发明描述

根据本发明的第一方面，扩孔刀片65在图6中示出。扩孔刀片65包括具有截头圆顶形状的部分65a。所述部分65a可以是整个扩孔刀片或是该扩孔刀片的一部分。扩孔刀片65包括具有平坦顶部65b的大致截头圆顶状部分65a。已发现，这种刀片具有更大暴露接触表面面积，且因此以比与用于扩孔工具的传统全圆顶状刀片一样的具有更小暴露接触面积的刀片更慢的速度形成磨损。由于本发明的扩孔刀片较少经受磨损，因此其形状在扩孔工具的使用过程中比传统圆顶状刀片的形状变化更小，这允许扩孔工具的大小相对于具有圆顶状刀片的传统刀具在更长时间内保持基本不变。

本发明的扩孔刀片可以是碳化钨刀片(TCI)或多晶金刚石复合片(PDC)刀片。有利地，该截头圆顶状扩孔刀片是碳化钨刀片。

根据本发明第二发明，图5A、5B示出了根据本发明的扩孔工具60的第一实施例的实例。扩孔工具包括具有纵向轴线64的本体61和沿本体61且绕本体61延伸并提供刀片65的扩径部分68。扩孔工具的标面(gauge)是在垂直于所述扩孔工具60或所述本体61的纵向轴线64的平面上的最大横截面尺寸。

在本发明的第一实施例中，所述扩孔工具60的所述扩径部分68包括扩孔刀片65，该扩孔刀片65具有截头圆顶形状或包括诸如图6所示的刀片实施例的具有截头圆顶的部分65a。

在较佳实施例中，扩孔工具60的本体61包括与底端69b相对的上端69a，所述第一端69a包括用于上钻柱70a的连接装置(为清楚，未在附图中示出)，而所述底端69b包括用于下钻柱的或用于连接到钻头15的钻铤70b的或直接用于钻头15的连接装置(未示出)。

扩孔工具60包括至少一个刀身63，较佳地包括至少两个刀身63，更佳地包括布置成具有平衡扩孔工具60的至少两个刀身63。该至少一个刀身63形成扩孔工具60a的扩径部分50，且具有扩孔表面51，该扩孔表面51是从扩孔刀具60的本体61基本径向向外面对的、刀身63的外表面。扩孔表面51设有扩孔刀片65阵列。较佳地，扩孔表面51沿整个刀身外表面延伸或沿至少50％的刀身外表面延伸。

较佳地，一个或多个刀身63布置在本体61上，使得在沿扩孔工具60的纵向轴线64观察扩孔工具60时，如图10所示，刀身63完全绕360°环绕本体61，即没有间隙。

更佳地，在沿扩孔工具60的纵向轴线64观察扩孔工具60时，如图10所示，一个或多个扩孔表面51的所述扩孔刀片65阵列完全绕360°环绕本体61。

在较佳实施例中，各个扩孔刀片65相对于本体61的纵向轴线64沿纵向方向和沿周向方向在所述刀身63上等距间隔开以沿这些方向施加相等载荷。在较佳实施例中，扩孔刀片65沿刀身的直线长度方向设置在刀身65上。

在较佳实施例中，本体包括形成所述扩径部分50的M个刀身63。M个刀身63按照关于本体61的所述纵向轴线64的M重旋转对称的方式而设置在所述本体61上。在本发明的较佳实施例中，工具包括用以提供平衡切削的至少两个刀身63。

刀身63在本体61上的布置可采取各种形状。在本发明的较佳实施例中，刀身螺旋地布置在本体上，每个刀身的螺旋轴与本体同轴并具有在切向于螺旋结构的切线和包括螺旋结构所在本体的圆柱的母线之间的预定螺旋角α(圆柱的母线是平行于纵向轴线的圆柱外表面上的线，其中在母线保持平行于自身同时，母线绕纵向轴线的旋转导致圆柱的外表面形成)。

在本发明的较佳实施例中，如图7所示，各个扩孔刀片以基本平行于所述扩孔表面的纵向轴线(即，在跟随刀身的路径缠绕本体的外表面中部上的轴线)延伸的N个基本平行排的方式布置在扩孔表面上，各排彼此横向间隔开预定距离R，且其中，在两个相邻排中的任意两个最近刀片(即，沿纵向轴线或母线彼此最接近)之间和在两个相对外排中的任意两个最近刀片之间(即，一外排中的第一刀片和沿母线的相对外排中最靠近第一刀片的第二刀片)沿所述本体61的所述纵向轴线64(或者，如果刀身是螺旋结构，则沿包括该螺旋结构所在的本体61的圆柱80的母线)的最短距离是完全一样的并具有预定值Y。

在本发明的较佳实施例中，同一排中的两个相邻刀片间隔开预定距离L。较佳地，每个刀片具有直径D。在较佳实施例中，预定距离L是直径D的倍数，该倍数等于、小于或大于1。较佳地，预定距离L是直径D的两倍。沿所述本体的纵向轴线方向在同一排中的两个相邻刀片之间的最短距离可确定为X＝Lcosα，其中距离Y＝X/N且α是所述本体的纵向轴线和所述扩孔表面的纵向轴线之间的角度。

在本发明的较佳实施例中，最靠近扩孔表面的纵向边缘的各排与该纵向边缘偏离预定距离E(即，该排与纵向边缘之间的最短距离)，其中比值R/E具有预定值。在较佳实施例中，R/E比值包含在1.25和1.5之间。

较佳地，刀身63或每个刀身63具有一对纵向间隔开的相对端部69a、69b，且最短距离，即沿圆柱母线或沿本体61的纵向轴线64在最靠近各端部的刀片与该刀身或各刀身的该端部之间的距离，在各端处是相同的。

刀片的这种布置提供了刀片在纵向方向上的均匀分布，且因此确保当扩孔刀具60在使用中时，载荷沿周向方向均匀分布。刀片的这种布置提供了刀片在周向方向上的均匀分布，且因此确保当扩孔刀具60在使用中时，载荷沿纵向方向均匀分布。因此，刀片65均匀磨损。

在本发明的较佳实施例中，扩孔刀片65具有从所述扩孔表面51突出的最外部65b，且在刀身63的数量是至少两个且刀身63布置成允许工具60平衡(例如关于本体61的纵向轴线64对称布置)的情况下，各个所述最外部65b位于与所述本体61的所述纵向轴线64相距径向距离52处，以允许平衡钻进和减振。例如，所有扩孔刀片65的最外部65b位于与本体61的纵向轴线64的相距相同的径向距离52处。对于本领域技术人员来说同样可能的是，在工具60的M重旋转对称有利于避免工具60不平衡的情况下，以这样的方式来布置某些刀片65，即，它们的最外部65b位于与本体的纵向轴线相距不同径向距离处。

扩孔表面51有利地是刀身63的最外层表面。

在较佳实施例中，刀身63包括相对于所述扩孔表面51倾斜设置的切削表面62，所述切削表面62设有刀具67。

切削表面62提高了具有较小扭矩的扩孔工具60的钻井穿透能力。具体地说，切削表面62使扩孔工具60能在钻柱的向前前进过程中在钻具15后面且/或在起钻过程中在钻具前面“钻井”。较佳地，切削表面62由PDC刀具67提供以有助于在严峻的膨胀和/或井孔不稳定性的情况下扩开井孔100。

切削表面62可以是锥形或倾斜的。较佳地，切削表面62是锥形的。切削表面62可在刀具的位置的水平附近斜切。

在本发明的较佳实施例中，如图9和图10所示，刀具67沿所述切削表面布置成与所述本体的所述纵向轴线64相距第一径向距离53和第二径向距离54之间，以允许平衡钻进和减振。例如，每个刀具67沿切削表面62的轴线56等距间隔开。

在本发明的较佳实施例中，刀具67沿所述切削表面62布置在与所述本体61的所述纵向轴线64相距径向距离53、54处，该径向距离53、54小于或等于所述扩孔刀片65的最外部65b和所述本体61的所述纵向轴线64之间的所述径向距离52。当各刀具如此布置时，它们用作扩孔工具的被动部分，由此，在使用中，除非井孔产生工具的扩径部分68不能完全消除的缩径，否则刀具67保持不与井孔100的壁接触。因此，扩孔工具60在不规则部分相对较小时，通过扩孔表面51去除不规则部分，或者在不规则部分相对较大使得切削表面62与其接触时，通过切削表面62去除这些不规则部分。较佳地，切削表面62设置在刀身63的两端69a、69b上，以允许在扩孔工具沿井孔100的任一方向的移动过程中去除相对较大的不规则部分。

在本发明的较佳实施例中，如图9所示，刀具67包括纵向轴线67a并定向成使得每个刀具67的纵向轴线沿预定方向延伸并定位成与垂直于所述本体61的纵向轴线64的平面55成预定角度θ，预定角度θ可调整到所需值。较佳地，这个值包含在5°和85°之间，更佳地在15°和25°之间，且较佳地是大约20°。该预定角度θ可以例如在刀具67的安装过程中调整到由刀具60工作所处的钻井环境决定的所需值。刀具67的这种布置提高了当工具60沿井孔前进时工具60的切削效率。

较佳地，刀具过盈配合到工具的本体。或者，刀具铜焊到工具的本体。

在本发明的另一实施例中，扩孔工具60是钻具的一部分，该钻具包括具有扩径部分的本体并设有具有截头圆顶形状的扩孔刀片。本领域技术人员可提供具有一个或多个上述适当特征的这种钻具。

在本发明的另一实施例中，扩孔工具60包括：

本体61，具有纵向轴线64、与前端69b相对的尾端69a，所述尾端69a包括用于上钻柱70a的连接装置(未示出)，而所述前端69b包括用于下钻柱或钻铤70b或钻头15的连接装置(未示出)；

位于所述本体61上的刀身63，所述刀身63包括：

扩孔表面51，该扩孔表面51是所述刀身63的最外层表面并设有扩孔刀片65，以及；

切削表面62，该切削表面62相对于所述扩孔表面51倾斜设置，所述切削表面设有刀具67，以及；

扩孔刀片65具有从所述扩孔表面突出的最外部65b，所述最外部65b位于与所述本体61的所述纵向轴线64相距径向距离52处，以允许平衡钻进和减振，且其中，所述刀具67沿所述切削表面62布置在与所述本体61的所述纵向轴线64相距径向距离52、53处，该径向距离52、53小于在扩孔刀片65的所述最外部65b和所述本体61的所述纵向轴线64之间的所述径向距离52。

在本发明的另一实施例中，扩孔工具包括：

本体61，具有纵向轴线64、与前端69b相对的尾端69a，所述尾端69a包括用于上钻柱70a的连接装置，而所述前端69b包括用于下钻柱或钻铤70b或钻头15的连接装置；

位于所述本体61上的刀身63，所述刀身63包括：

扩孔表面51，该扩孔表面51是所述刀身63的最外表面并设有扩孔刀片65，以及；

切削表面62，该切削表面62相对于所述扩孔表面51倾斜设置，所述切削表面62设有刀具67，以及；

所述刀具67包括纵向轴线67a并定向成使得每个刀具67的纵向轴线67a沿预定方向延伸并定位成与垂直于所述本体61的纵向轴线64的平面55成预定角度θ，该预定角度θ可调整到所需值。

在另一实施例中，扩孔工具可装配有管嘴，以用于清洗和冷却切削元件并用于解决可能有问题的情形，在所述情形中，由钻头产生的钻井液由于地层中的过多腔洞而丢失，且因此其中，钻井液不沿环面流动并流过扩孔工具，因此具有清洗和冷却不足的情况。

根据本发明的第三方面，井下组件的实施例在图2、图3、图4a、图4b和图4c中示出。

井下组件包括用于钻井孔100的底部钻具组件(BHA)1。较佳地，BHA1包括：

具有纵向轴线的壳体10，

前端11和尾端12，

安装在前端11处的钻头15，以及；

诸如上述的扩孔工具60。

本发明的井下组件最适于垂直或斜盲井钻井(一个示例斜井100在图1中示出)，但本发明不必限于仅用于形成这些类型的井孔。在本发明的较佳实施例中，包含在BHA1中的扩孔工具60包括与前端69b相对的尾端69a，所述第一端69a包括用于扩孔工具60与上钻柱70a连接的连接装置(未示出)，而所述底端69b包括用于扩孔工具60与下钻柱或钻铤70b连接或用于钻头15的连接装置(未示出)。

较佳地，扩孔工具60的大小和形状相对于钻具15设置，以在BHA1在井孔100中的向后运动的过程中扩大井孔100，扩孔工具60的大小和形状足以充分扩大井孔100以致使井孔100准备实施完井。

较佳地，扩孔工具60的大小和形状相对于钻头15设置，以在BHA1在井孔100中的向后运动的过程中扩大井孔100，扩孔工具60的大小和形状足以充分扩大井孔100以消除井孔不规则部分，从而允许在使用中与BHA1联接的钻柱70a沿形成的井孔100前进。这种布置允许扩孔工具60消除井孔不规则部分以防止钻柱在BHA1的向前运动过程中卡住并在BHA1的向后运动过程中扩大井孔100以消除由于过度地层膨胀而可能发生的任何井孔缩径，并致使井孔准备完井过程。

在使用中，该井下组件附连到钻柱的前端。

为了本说明书的目的，除非另有说明，否则术语“前”和“向前”相对于BHA及其部件意思是背离在地面处的井孔入口或沿远离在地面处的井孔入口的方向运动，而术语“尾”和“向后”意思是面向在地面处的井孔入口或沿朝向井孔入口的方向运动。除非另有说明，术语“轴向”、“纵向”等等相对于BHA壳体的纵向轴线(在使用中，其对应于钻柱的纵向轴线)使用。

在一个实施例中，该扩孔工具安装在壳体的尾端。原则上，该扩孔工具可沿BHA定位在任何地方并可以从壳体的前端向尾端进行偏移。

在使用中，BHA1附连到钻柱的前端且钻头15前进穿过地层直到钻头15到达目标深度。然后拉出钻柱，扩孔工具60在前并且钻头15在后，同时扩孔工具60通过顶部驱动而旋转，从而在实施完井过程之前扩大和调整井孔100并防止BHA1在井下卡住。由于扩孔沿向后方向完成，因此BHA1自动跟随正被拉出的钻柱其余部分的路径。

在井下组件的较佳实施例中，所述钻头15具有纵向轴线(未示出)和标面16，钻头的标面16是在法向于所述钻头15的纵向轴线的平面上的最大横截面尺寸，钻头15的标面16的直径与扩孔工具60的扩径部分68的直径基本上一样。该实施例允许扩孔工具60在BHA1的向前运动过程中扩大井孔100，且在BHA的向后运动过程中扩大井孔100。钻头15和扩孔工具60之间的标面差可以存在，也可以不存在。

在较佳实施例中，扩孔工具60与驱动装置(未示出)联接并可通过驱动装置旋转，该驱动装置可位于地面，诸如例如顶部驱动。驱动装置较佳地用于在BHA1从井孔100拉出时旋转扩孔工具60，但其还可用于在钻柱的向前运动过程中旋转扩孔工具60。钻头15可布置成借助在地面的驱动装置或井下电动机旋转，后者通常封装在BHA1的壳体10内。在本发明的较佳实施例中，BHA1包括一个以上且较佳地两个或两个以上的这种扩孔工具60，各个扩孔工具60在壳体10的尾端12处以轴向间隔开的关系安装在BHA1上。

本发明的钻具组件消除了在已形成先导井孔100之后以及在完井过程之前对调整井孔100的特定扩孔运行的需求。因此，大大减小了如在此之前提到的情形下的非生产时间，该非生产时间由需要将BHA1拉出井孔100以更换具有在BHA1的前端11的向前扩孔器的钻头15而引起。本发明的钻具组件消除了由于过度地层膨胀可发生的任何井孔缩径并通过去除岩架和微狗腿弯改善了井孔形状、直度和质量。此外，调整油井的扩孔器60用作在BHA1在井孔中的运动过程中的BHA1中的最上扩径装置，BHA1在井孔中的运动是在钻进过程中向前或者在起钻(POOH)时向后(倒扩孔)，且因此通过扩大井孔直径防止BHA1卡住，使得BHA1的其余部分可沿井孔100自由运动。

较佳地，BHA是用于钻斜井的定向钻井钻具组件。

在一个布置中，BHA包括靠近或邻近钻具安装的且较佳地安装到壳体中的随钻测量(MWD)工具。MWD工具用作读取和测量钻井参数。可替代地或此外，BHA可包括随钻测井(LWD)工具。较佳地，MWD或LWD工具包括联接件，该联接件设计成内置在钻头和另一BHA部件之间或内置在BHA部件和钻柱的管之间，并包括容纳测量设备的至少一个腔室；以及其中，腔室通向该联接件的轴向通道。这种联接件在US2011/0266057中详细描述。

在本发明的实施例中，扩孔工具在BHA中定位成在轴向向后方向上与MWD或LWD相邻并与MWD或LWD间隔开。较佳地，在该实施例中，扩孔工具由非磁性材料制成以免干扰MWD或LWD功能。较佳地，扩孔工具邻近MWD或LWD安装在非磁性钻铤上。在提供一对扩孔工具的情况下，较佳地，非磁性钻铤在扩孔工具之间延伸。

原则上，扩孔工具可由例如非磁性钢或合金等非磁性材料制成，而不考虑其在BHA内的位置。在另一变型中，如果扩孔工具与MWD或LWD充分间隔开以免引起干扰，那扩孔工具可由磁性材料制成。非磁性和磁性扩孔工具的组合可根据扩孔工具相对于BHA的其它元件的位置使用，如对本领域技术人员来说显而易见的。

在另一实施例中，*扩孔工具可接电线，其中，电气连接件可通过其内孔以将两个工具一前一后地连接。

钻具组件1防止在钻进过程中以及在起钻过程中卡住，且无论何时预期或期望以下卡钻问题时是有利的，如：

·活动地层

·破裂和断裂地层

·活性地层

·过压地层

·洗井问题

·疏松地层

·键槽

·岩架和微狗腿弯

·膨胀页岩和盐渍地层

·大量倒扩孔

·井径缩小点

钻具组件1还可用于解决：

·由于不良井孔质量导致的完井部署问题

·由于不良井孔质量导致的BHA不良动态性能

本发明的钻具组件1的其它特征和优点包括：

·平衡和优化切削和扩孔结构

·优化泥浆流穿过螺旋泥浆路径

·稳定切削结构以提高扩孔性能并减振

·与现有固定刀身稳定器相比，减小的扭矩

·改善井孔标面和形状

·减小在扩大高度不规则井孔时损失的扭矩和阻力

·通过去除岩架和不规则部分而改善井孔形状

·开键槽和微狗腿弯

在不脱离如所附权利要求书限定的本发明的精神的情况下，可以设想各种改型和改进。

根据本发明的第四方面，提供了一种扩孔的方法。该方法包括下列步骤：

a)提供诸如上文披露的井下组件；

b)将钻具组件附连到钻柱的前端；

c)钻先导井孔直到井下组件到达地面下的目标深度；以及

d)从井孔撤回钻柱，同时旋转井下组件的扩孔工具，由此扩大井孔并充分消除井孔不规则部分以致使井孔准备实施完井过程且防止钻具组件的BHA在从井孔撤回时卡住。

Claims (12)

1.一种扩孔工具(60)，包括:

本体(61)，所述本体具有纵向轴线(64)和相对的上端和下端；以及

位于所述本体上的多个刀身(63)，每一刀身(63)包括：

扩孔表面(51)，所述扩孔表面(51)具有扩孔刀片(65)，所述扩孔刀片(65)设置在所述扩孔表面的至少一部分上，使得基本相等的载荷沿纵向方向和沿周向方向施加在所述扩孔表面上，

其中，所述扩孔刀片包括具有基本平坦顶部的截头圆顶状部分(65a)，所述截头圆顶状部分具有暴露接触表面面积，

其中，所述扩孔刀片(65)以基本平行于所述扩孔表面(51)的纵向轴线(89)延伸的N个排(88)的方式布置在所述扩孔表面(51)的至少一部分上，

其中N等于或大于2，所述排(88)彼此横向间隔开预定距离R，

其中，沿所述本体(61)的所述纵向轴线(64)在两个相邻排(88a、88b)中的任意两个最近刀片(65c、65d)之间的最短距离是预定值Y，在同一排中的任意两个相邻刀片(65d、65e)之间的最短距离是距离X，距离X的值是NY。

2.如权利要求1所述的扩孔工具，其特征在于，还包括切削表面(62)，所述切削表面(62)具有设置在其至少一部分上的刀具(67)，所有所述刀具(67)的最外部(65b)与所述本体(61)的所述纵向轴线(64)之间的径向距离(53、54)小于或等于所述扩孔刀片(65)的最外部(65b)和所述本体(61)的所述纵向轴线(64)之间的径向距离(52)。

3.如权利要求1所述的扩孔工具，其特征在于，所述本体(61)包括M个刀身(63)，各所述刀身(63)形成扩径部分(68)并按照关于所述本体(61)的所述纵向轴线(64)以M重旋转对称的方式设置在所述本体(61)上。

4.如权利要求1所述的扩孔工具，

其中，同一排(88c)中的两个相邻刀片(65e、65f)间隔开预定距离L，L被确定为L＝X/cosα，且α是所述本体(61)的所述纵向轴线(64)和所述扩孔表面(51)的所述纵向轴线(89)之间的角度。

5.如权利要求1所述的扩孔工具，

其中，最靠近所述扩孔表面的纵向边缘(90)的各排(88a、88c)与纵向边缘偏离预定距离E，其中比值R/E在1.25与1.5之间。

6.如权利要求1所述的扩孔工具，其特征在于，还包括切削表面(62)，所述切削表面(62)具有设置在其至少一部分上的刀具(67)，所有所述刀具(67)的最外部与所述本体(61)的所述纵向轴线(64)之间的径向距离(53、54)小于或等于所述扩孔刀片(65)的最外部(65b)和所述本体(61)的所述纵向轴线(64)之间的径向距离(52)，以及

其中，每个所述刀具(67)构造成使得所述刀具的延伸的纵向轴线定位成与垂直于所述本体(61)的所述纵向轴线(64)的平面(55)成在5°与85°之间的角度θ。

7.如权利要求6所述的扩孔工具，其特征在于，所述角度θ在15°与25°之间。

8.一种包括用于钻井孔(100)的底部钻具组件(1)的井下组件，所述底部钻具组件(1)包括：

-包括钻具(15)的壳体(10)，所述钻具(15)设置在末端；以及

扩孔工具(60)，所述扩孔工具包括：

本体(61)，所述本体具有纵向轴线(64)和相对的上端和下端；以及

位于所述本体上的多个刀身(63)，每一刀身(63)包括：

扩孔表面(51)，所述扩孔表面(51)具有扩孔刀片(65)，所述扩孔刀片(65)设置在所述扩孔表面的至少一部分上，使得基本相等的载荷沿纵向方向和沿周向方向施加在所述扩孔表面上，

其中，所述扩孔刀片包括具有基本平坦顶部的截头圆顶状部分(65a)，所述截头圆顶状部分具有暴露接触表面面积，

其中，所述扩孔刀片(65)以基本平行于所述扩孔表面(51)的纵向轴线(89)延伸的N个排(88)的方式布置在所述扩孔表面(51)的至少一部分上，

其中N等于或大于2，所述排(88)彼此横向间隔开预定距离R，

其中，沿所述本体(61)的所述纵向轴线(64)在两个相邻排(88a、88b)中的任意两个最近刀片(65c、65d)之间的最短距离是预定值Y，在同一排中的任意两个相邻刀片(65d、65e)之间的最短距离是距离X，距离X的值是NY。

9.如权利要求8所述的井下组件，其中，还包括两个或更多的扩孔工具，所述扩孔工具在所述底部钻具组件(1)中轴向间隔开。

10.如权利要求8所述的井下组件，其特征在于，所述扩孔工具还包括切削表面(62)，所述切削表面(62)具有设置在其至少一部分上的刀具(67)，所有所述刀具(67)的最外部与所述本体(61)的所述纵向轴线(64)之间的径向距离(53、54)小于或等于所述扩孔刀片(65)的最外部(65b)和所述本体(61)的所述纵向轴线(64)之间的径向距离(52)，以及

其中，每个所述刀具(67)构造成使得所述刀具的延伸的纵向轴线定位成与垂直于所述本体(61)的所述纵向轴线(64)的平面(55)成在5°与85°之间的角度θ。

11.一种扩井孔的方法，包括以下步骤：

提供附连到钻柱的井下组件，其中，所述井下组件包括：

包括钻具(15)的壳体(10)，所述钻具(15)设置在末端；以及

扩孔工具(60)，所述扩孔工具包括：

本体(61)，所述本体具有纵向轴线(64)和相对的上端和下端；以及

位于所述本体上的多个刀身(63)，每一刀身(63)包括：

扩孔表面(51)，所述扩孔表面(51)具有扩孔刀片(65)，所述扩孔刀片(65)设置在所述扩孔表面的至少一部分上，使得基本相等的载荷沿纵向方向和沿周向方向施加在所述扩孔表面上，

其中，所述扩孔刀片包括具有基本平坦顶部的截头圆顶状部分(65a)，所述截头圆顶状部分具有暴露接触表面面积，

其中，所述扩孔刀片(65)以基本平行于所述扩孔表面(51)的纵向轴线(89)延伸的N个排(88)的方式布置在所述扩孔表面(51)的至少一部分上，

其中N等于或大于2，所述排(88)彼此横向间隔开预定距离R，

其中，沿所述本体(61)的所述纵向轴线(64)在两个相邻排(88a、88b)中的任意两个最近刀片(65c、65d)之间的最短距离是预定值Y，在同一排中的任意两个相邻刀片(65d、65e)之间的最短距离是距离X，距离X的值是NY；

钻先导井孔直到所述井下组件到达地面下的目标深度；以及

在旋转所述井下组件的所述扩孔工具的同时在所述井孔内移动所述钻柱。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述扩孔工具还包括切削表面(62)，所述切削表面(62)具有设置在其至少一部分上的刀具(67)，所有所述刀具(67)的最外部与所述本体(61)的所述纵向轴线(64)之间的径向距离(53、54)小于或等于所述扩孔刀片(65)的最外部(65b)和所述本体(61)的所述纵向轴线(64)之间的径向距离(52)，以及

其中，每个所述刀具(67)构造成使得所述刀具的延伸的纵向轴线定位成与垂直于所述本体(61)的所述纵向轴线(64)的平面(55)成在5°与85°之间的角度θ。