CN104854298B - 机械操作的底部钻孔组件工具的液压致动 - Google Patents

Abstract

一种液压致动底部钻孔组件中的机械操作的井筒工具的方法，所述方法包括：使用剪切销将所述井筒工具的可移动元件保持在非致动位置；将一个或多个落球插入钻井流体中；以及使所述钻井流体和所述落球流动到位于所述井筒工具中或在其下方的流孔。用所述落球至少部分堵塞所述流孔，以便限制流体流动并且对应地增加所述钻井流体的液压。所述液压被增加到超过所述剪切销等级的点，进而使所述剪切销剪切并且允许所述工具的所述可移动元件移动到致动位置。

Description

机械操作的底部钻孔组件工具的液压致动

技术领域

本说明书大体上涉及用于液压致动可定位在钻探井筒所使用的底部钻孔组件中的机械操作的工具的系统和方法。

背景技术

在钻井操作期间，钻柱被下放到井筒中。在一些钻探操作(例如，常规的竖直钻探操作)中，使钻柱旋转。钻柱的旋转使耦接到底部钻孔组件(“BHA”)的远端的钻头旋转，所述底部钻孔组件被耦接到钻柱的远端。底部钻孔组件可包括稳定器、钻孔器、随钻测量(“MWD”)工具、随钻测井(“LWD”)工具和本领域已知的其他井下设备。在一些钻探操作中(例如，如果井筒偏离竖直方向)，那么可将井下泥浆马达设置在底部钻孔组件中、钻头上方，以便使所述钻头旋转而不是通过旋转钻柱来使钻头旋转。

在一些钻探操作中，为了通过已经处于井筒中适当位置的上部套管柱的内径，通常钻头将具有钻探比井筒中后续操作可能所需的孔更小的定位孔的此类尺寸。可能需要具有更大直径的井筒以允许进一步下放套管柱并且允许此类后面的套管柱与井筒壁之间有充足的环形空间以用于形成良好的水泥护套。钻孔开启器(“钻孔器”)可被包括在钻柱中以增加(“开放”)钻孔的直径。

附图说明

图1是示例性底部钻孔组件的视图，其特征在于近钻头钻孔器。

图2A是底部钻孔组件的下端的侧视图，其示出被耦接到钻头的近钻头钻孔器。

图2B是图2A的近钻头钻孔器的一部分的横截面侧视图。

图3A-3C是装配有护栅致动组件的钻头的横截面透视图、顶视图和侧视图。

图4A-4C是用于使用可变形落球致动近钻头钻孔器的技术的顺序图。

图5是示出致动近钻头钻孔器的方法的流程图，所述方法涉及创建近钻头钻孔器的临时流动限制部上游。

图6是示出致动近钻头钻孔器的方法的流程图，所述方法涉及将高粘性丸剂流体引入到底部钻孔组件。

图7是第一示例性过滤器致动组件的横截面透视图。

图7A-7B是示出第一示例性过滤器致动组件的操作的顺序图。

图8A是示出过滤器致动组件的第二实例的分解图。

图8B和图8C是呈组装形式的第二示例性过滤器致动组件的透视图和横截面侧视图。

图8D-8F是示出第二示例性过滤器致动组件的操作的顺序图。

图9是过滤器致动组件的第三实例的横截面透视图。

图10A是以致动衬套为特征的底部钻孔组件的下段的横截面侧视图。

图10B是图10A的致动衬套的横截面透视图。

图10C和图10D是示出图10A和图10B的致动衬套的操作的顺序图。

附图中的一些特征被放大以更好地示出特征、过程步骤和结果。

具体实施方式

本公开包括用于液压致动机械操作的底部钻孔组件工具的方法和装置。在一些实施方式中，也称为近钻头钻孔器(“NBR”)的近钻头钻孔开启器/扩张工具被设置在工具管柱的接近钻头的远端(或“下端”)上。例如，本公开涉及装置，所述装置可用于通过调整底部钻孔组件内的钻井流体的液压来致动钻孔开启工具的切割块。

图1是示例性底部钻孔组件10的视图。底部钻孔组件10是从钻机(未示出)悬垂的钻柱12的下部组件。在一些实施方式中，底部钻孔组件10的上端包括常规的下扩孔工具14(例如，哈里伯顿型号XR钻孔器或UR型常规的下扩孔工具)。随钻测量(“MWD”)和/或随钻测井(“LWD”)工具管柱段16定位在常规的下扩孔工具14下方。MWD/LWD工具管柱段16定位在常规的下扩孔工具14下方，以便扩大的钻孔不会降低MWD/LWD工具或相关联稳定器元件18的性能。旋转导向系统(“RSS”)工具管柱20(例如，哈里伯顿Geo Pilot系统)处于MWD/LWD工具管柱段16下方，所述旋转导向系统工具管柱20被设计来促进定向钻探。类似于MWD/LWD工具管柱段16，RSS工具管柱20定位在常规的下扩孔工具14下方以便确保其正常运行。底部钻孔组件10的下端的特征在于刚好安装在钻头22上方并且在RSS工具管柱20下方的NBR 100。

在底部钻孔组件10的前面描述中，可省略设备的各种物品以简化描述，所述物品如管道、阀门、紧固件、配件、铰接的或挠性接头等。将理解的是，所述的一些部件被列举用于上下文说明目的并且不限制本公开的范围。

图2A是底部钻孔组件10的下端的侧视图，其示出NBR 100和钻头22。在这个实例中，NBR 100和钻头22在底部钻孔组件10上直接相邻。然而，NBR和钻头由一个或多个部件分隔开的其它布置也在本公开的范围内。如所示，NBR 100包括复数个切割块202以接合到周围井筒的壁。切割块202周向定位在NBR 100的细长主体204的周围。在这个实例中，NBR 100包括以120°周向间隔定位的三个切割块202。当然，在不脱离本公开的范围的情况下，任何适合布置的切割块可用于各种其它实施方案和实施方式。

切割块202中的每一个包括被设置在径向柱塞208上的切割器元件206，所述径向柱塞208被设置在细长主体204内部。切割器元件最初处于径向缩回位置。当NBR 100被启动时，切割器元件206相对于中心纵轴212径向向外移动以接触井筒壁。当NBR 100旋转时，切割器元件206磨损并且切除岩层，进而扩大钻孔的直径。

图2B是NBR 100的横截面侧视图。如所示，径向柱塞208中的每一个包括锚板216。径向柱塞208由剪切销218保持在适当位置中，以使得切割器元件206处于径向缩回位置。切割器元件206通过液压来部署。也就是说，当主体204中的液压达到预先确定阈值时，压力作用于锚板216以用足够的力径向向外推进径向柱塞208，以便破坏剪切销218。在没有剪切销218将径向柱塞208保持在适当位置的情况下，径向柱塞通过钻井流体的液压向外朝向井筒壁移动，从而部署切割器元件206。剪切销218的剪切强度等级确定致动NBR 100所需的液压。在一些实例中，剪切销218具有120bar的剪切强度等级，其对应于NBR 100的液压致动压力。

NBR 100还包括偏置构件220(例如，盘簧或螺旋弹簧)，所述偏置构件220被安装在径向柱塞208的锚板216与被固定到主体204的外凸缘222之间。当液压降低到抵制锚板216的压力由偏置构件220克服的点时(例如，当钻井流体的流动充分减少或完全停止时)，径向柱塞208被拉回，以使得切割器元件206返回到缩回位置。

如上所述，通过增加钻井流体的液压使其超过由剪切销218的剪切强度等级所确定的预先确定阈值来致动NBR 100。例如，在一些实施方式中，NBR可通过以下步骤致动：将一个或多个落球插入钻井流体流中；沿钻柱向下泵送钻井流体中的落球并且泵送到底部钻孔组件中；以第一液压使钻井流体和落球流动通过NBR；堵塞一个或多个流孔(例如，钻头喷嘴入口或过滤孔)，进而限制限流部上游钻井流体的流动并且使限流部的NBR上游中的钻井流体的液压增加到预定的第二液压。作用于NBR表面上的增加的液压在剪切销上产生剪切力，所述剪切力在其达到预先确定的剪切力时剪切并且允许用流动通过NBR的钻井流体的预定的第二液压致动NBR。

图3A-3C是装配有护栅致动组件300的钻头22的横截面透视图、顶视图和侧视图，所述护栅致动组件300被设计来促进用于增加液压以致动NBR100的落球技术。在这个实例中，钻头22是具有用于喷射钻井流体的多个(在这种情况下，七个)喷嘴入口302的固定切割器定向钻头。然而，本公开所论述的NBR致动技术也可适用于其它适合的钻头。如所示，护栅致动组件300被定位在由钻头22的柄部306限定的中心流体通道304中。护栅致动组件300邻接中心流体通道304的基底以覆盖喷嘴入口302。

护栅致动组件300包括大体圆柱形主体308，其具有倾斜顶面310、包括一系列导向槽312。倾斜表面310和导向槽312被设计来朝向接近中心流体通道304的壁的开口314引导一个或多个落球(未示出)。如所示，开口314提供到钻头22的喷嘴入口302的通路。导向槽312被形成具有小于落球直径的宽度。这种配置允许钻井流体通过导向槽312到达喷嘴入口302，同时防止落球通过。定向表面316引导落球通过开口314并且通向喷嘴入口302。因此，在这个实例中，定向表面316以与倾斜顶面310相反的方向倾斜。还可考虑用于引导落球通向钻头喷嘴入口的其它适合的配置和布置。

当一个或多个落球碰到喷嘴入口302时，喷嘴入口被堵塞–防止喷射钻井流体。因此，堵塞喷嘴入口302限制了钻井流体流动通过底部钻孔组件10。所述流动限制引起限流部上游钻井流体的液压增加。在这个实例中，护栅致动组件300还包括栅结构318，所述栅结构318划分中心流体通道304处于喷嘴入口302附近的区域，从而形成保护区320。栅结构318防止落球进入保护区320并且碰到内部的喷嘴入口302。总之，护栅致动组件300被设计来帮助堵塞钻头的第一未受保护区域中的喷嘴302的至少一些，而不堵塞第二保护区320中的喷嘴入口302。作用于组件的增加的液压在剪切销上产生剪切力，所述剪切力在其达到预先确定的剪切力时剪切并且允许用流动通过NBR的钻井流体的预定的第二液压致动NBR。

这种配置允许底部钻孔组件10内的液压增加足够量，从而在不用完全防止钻井流体从钻头喷射的情况下致动NBR 100。液压量级的增加与由落球堵塞的喷嘴入口302的数目成比例。因此，护栅致动组件300可被设计来通过栅结构318的定位允许一个或多个落球接近特定数目的喷嘴入口302，以便实现特定液压增加。

图4A-4C是用于使用可变形落球400致动NBR 100的技术的顺序图。可变形落球由柔性材料(例如，包括橡胶、泡沫材料和/或塑料的材料)形成。在这个实例中，一个或多个可变形落球400被泵送通过底部钻孔组件10、朝向钻头22的喷嘴入口。可变形落球400碰到并堵塞喷嘴入口，以便使底部钻孔组件10内的液压增加到足以致动NBR 100的水平。当底部钻孔组件10内的液压继续增加时，最终迫使可变形落球400通过喷嘴开口。例如，可变形落球400可被设计来在液压下撕碎，并且以更小的碎片通过喷嘴开口。作为另一个实例，可变形落球400可被设计来在液压下变形并压缩(“挤压”)通过喷嘴开口。总之，可变形落球400被设计来在大于致动NBR 100所需的液压的钻井流体液压下通过钻头的喷嘴开口。

可通过改变各种过程参数(例如，可变形落球的数目、可变形落球的尺寸、可变形落球的材料性质等)来实现对底部钻孔组件10内的液压增加的控制。在一个实例中，可变形落球400是哈里伯顿的泡沫弹性球，其由具有开孔设计的天然橡胶制成。在这个实例中，可变形落球用于堵塞钻头的喷嘴入口，但是还可考虑其它配置和布置。例如，可变形落球可用于堵塞NBR 100下游的任何孔口。

涉及可变形落球的上述技术是用于临时增加底部钻孔组件中的液压以致动NBR的示范性技术。然而，还可考虑用于临时增加底部钻孔组件液压的其它适合的技术。例如，图5是示出方法500的流程图，所述方法500涉及临时产生上游限流以产生足以致动NBR 100的正液压脉冲。在步骤502处，在NBR 100上游产生限流。可例如使用用于操作不同的井筒组件工具的致动技术产生限流。在一个实施方式中，使用产生临时上游限流部的落球技术来致动常规的下扩孔工具14。在一些其它实例中，至少部分关闭电子致动的阀门以产生临时上游限流。在步骤504处，液压脉冲致动NBR 100。在步骤506处，解除上游限流以重建钻井流体的流动。

图6是示出又一方法600的流程图，所述方法600用于产生足以致动NBR100的临时增压。方法600涉及高粘性丸剂流体。在步骤602处，通用钻井流体被泵送通过底部钻孔组件10。在步骤604处，代替通用钻井流体，高粘性丸剂流体被泵送通过底部钻孔组件10。泵送高粘性丸剂流体在底部钻孔组件10内产生足以致动NBR 100的液压增加。在步骤606处，停止高粘性丸剂流体的泵送并且在底部钻孔组件10中重建通用钻井流体，从而恢复初始液压。在一些实例中，丸剂流体是高粘性流体(例如，泥粘性物质，如哈里伯顿的Geltone)，如用于洗井操作。在一些实例中，丸剂流体是泥浆型流体包括液体和小固体添加剂(例如，哈里伯顿的精细Lubra-Beads或堵漏材料)。

在一些实施方式中，被定位在钻头喷嘴上游和NBR下游的过滤器致动组件与落球结合使用以产生用于致动NBR 100的足够的液压增加。过滤器致动组件可包括由一个或多个剪切销支撑的滤头。滤头包括由落球堵塞的被设计具有小直径的流孔阵列。堵塞滤头上的流孔产生了引起液压增加的限流。当液压随后达到某一水平(其大于NBR致动液压)时，滤头上承受的压力使剪切销破坏。在没有支撑的剪切销的情况下，滤头移动到底部钻孔组件中的新位置并且打开新的流动路径以用于钻井流体通过，从而解除液压增强。

图7是第一示例性过滤器致动组件700的横截面透视图。过滤器致动组件700包括滤头702、一组轴向定向的支柱704和底板706。滤头702被安装在一个或多个第二径向剪切销(参见图7A-7B)上。如所示，滤头702限定与底板706的图案化流动开口710对齐的轴向流动通道708阵列。轴向流动通道708的直径小于落球的直径，以便碰到滤头702的落球有效地堵塞流动通道。

当过滤器致动组件不含任何落球时，轴向流动通道708和流动开口710允许钻井流体通过过滤器致动组件700。在流动通道708由落球712堵塞的情况下，如图7A中所示，钻井流体的流动局限于滤头702和底板706的径向边缘处的辅助流动通道714(参见图7)。液压增强最终使剪切销716破坏，从而允许滤头702向下滑动抵靠底板706。当滤头702朝向底板706平移时，支柱704穿过轴向流动通道708突出以取代落球712(参见图7B)。

图8A是示出过滤器致动组件800的第二实例的分解图。图8B和图8C是呈组装形式的过滤器致动组件800的透视图和横截面侧视图。如所示，过滤器致动组件800包括限定轴向流动通道804的盘状滤头802。滤头802被支撑在中空圆柱机架806中。机架806包括用于接收滤头802的环形座808、支撑座的三个轴向延伸支脚810和环形底座812。

圆柱形套筒814同心地安装在机架806周围。套筒814包括内护套816和外护套818。内护套816限定环形唇缘820，所述环形唇缘820抵靠滤头802密封以防止钻井流体从两个过滤器组件部件之间泄漏。内护套816的圆柱形侧壁限定多个轴向槽822。如图8B和图8C中所示，通过穿过机架的支脚810中的径向开口826和外护套818中的径向开口828的第二剪切销824将套筒814抵靠机架806保持在适当位置。

图8D-8F是示出过滤器致动组件800的操作的顺序图。如图8D中所示，当滤头802的流动通道804(参见图8A至图8C)没有任何落球时，钻井流体向下游流动毫无阻碍地穿过滤头和机架806。在图8E中，当落球830碰到滤头802时，流动通道804(参见图8A至图8C)被堵塞，从而限制钻井流体穿过底部钻孔组件10的流动，以便累积用于致动NBR 100的足够液压。当液压继续累积时，作用于滤头802和机架806的压力产生为力，直到剪切销824在达到预先确定的剪切力后被切断。在图8F中，当剪切销824破坏时，滤头802和机架806相对于固定套筒814向下滑动。当滤头802和机架806处于降低位置时，内护套816的侧壁中的轴向槽822被暴露，从而为钻井流体提供通过底部钻孔组件10的新流动路径。

图9是第三示例性过滤器致动组件900的横截面透视图。在这个实例中，过滤器致动组件900包括安装到底部钻孔组件10的内壁的支撑构件902、耦接到支撑构件的滤头904和轴向流孔906。滤头904包括沿截头圆锥形侧壁910分布的径向流动开口908阵列。在引入落球之前，钻井流体自由地流过滤头904，从而通过径向流动开口908和轴向流孔906。当落球碰到并堵塞径向流动开口908时，如果不能完全防止穿过滤头904的流动，那么其被严重抑制。因此，钻井流体流动被局限于由滤头904与支撑构件902之间的间隙912所形成的辅助流动路径。通过堵塞滤头904实现的对流体流动的限制引起足以致动NBR 100的液压增加。

图10A是以致动衬套1000为特征的底部钻孔组件10的下段的横截面侧视图。图10B是致动衬套1000的横截面透视图。在这个实例中，致动衬套被安装在钻头22的柄部1002与NBR 100的中心孔之间的接口处。然而，要理解，致动衬套1000可被定位在底部钻孔组件10内、NBR 100下游的任何位置处。致动衬套1000包括抵靠钻头22中的中心流体通道1006的壁安装并密封的带凸缘的圆柱形基底1004。开槽入口结构1008与延伸穿过致动衬套1000的基底1004的主流动通道1010对齐。多个辅助流动通道1012在圆柱形基底1004周围周向隔开。如所示，开槽入口结构1008具备倾斜的锥形尖端，所述倾斜的锥形尖端防止落球堵塞主流动通道1010。另一方面，辅助流动通道1012被轴向定向并设计来通过落球堵塞。

图10C和图10D是示出致动衬套1000的操作的顺序图。如图10C中所示，当辅助流动通道1012没有任何落球时，钻井流体毫无阻碍地流动通过辅助流动通道和主流动通道1010。在图10D中，当辅助流动通道1012已经被落球1014堵塞时，钻井流体的流动继续流至主流动通道1010。通过堵塞辅助流动通道1012的至少一些所实现的流通面积减小引起钻井流体的足以致动NBR 100的液压增加。

在整个说明书和权利要求书中使用的术语如“在……上方”和“在……下方”是用于描述系统的各种部件和本文所述的其它元件的相对位置。类似地，用于描述元件的任何水平或垂直术语是用于描述系统的各种部件和本文所述的其它元件的相对取向。除非明确地另外规定，否则此类术语的使用并不意味着系统或任何其它部件相对于地球重力方向或地球地面的特定位置或取向、或系统其它元件在操作、制造和运输期间可放置的其它特定位置或取向。

已经描述了本发明的若干实施方案。然而，应理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims (17)

1.一种液压致动底部钻孔组件中的机械操作的井筒工具的方法，所述方法包括：

提供装配有护栅致动组件的钻头，所述护栅致动组件包括具有一系列导向槽的倾斜表面和开口，所述开口提供到所述钻头的喷嘴入口的通路，以及所述开口接近所述钻头的中心流体通道的壁定位，

将所述底部钻孔组件下降到井筒中；

使用至少一个剪切销将所述井筒工具的可移动元件保持在非致动位置；

将一个或多个落球插入钻井流体中；

使所述钻井流体和所述落球流动到位于所述井筒工具中或在其下方的流孔；

用所述落球至少部分堵塞所述流孔，以便限制流体流动并且对应地增加所述钻井流体的液压；

响应于所述液压，在所述至少一个剪切销上产生力；以及

增加所述钻井流体的所述液压以剪切所述至少一个剪切销，进而允许所述井筒工具的所述可移动元件移动到致动位置，

其中使所述钻井流体和所述落球流动到流孔包括使所述钻井流体和所述落球流动到一个或多个钻头喷嘴入口，

其中使所述钻井流体和所述落球流动到一个或多个钻头喷嘴入口包括：

使所述钻井流体和所述落球流动到所述钻头喷嘴入口的护栅致动组件上游；以及用所述护栅致动组件朝向所述钻头喷嘴入口引导所述落球。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述井筒工具包括近钻头钻孔器，所述近钻头钻孔器具有最初保持在径向缩回位置的多个切割器元件，并且其中允许所述井筒工具的所述可移动元件移动到致动位置包括将所述切割器元件移动到径向向外位置。

3.如权利要求1所述的方法，其中朝向所述钻头喷嘴入口引导所述落球包括：

准许所述落球接触位于所述钻头的第一区域中的钻头喷嘴入口；以及

用栅结构防止所述落球接触位于所述钻头的第二区域中的钻头喷嘴入口。

4.如权利要求1所述的方法，其还包括：

将所述落球保持在过滤器致动组件上并且限制所述钻井流体穿过所述过滤器致动组件的流动并且对应地增加所述钻井流体的液压。

5.如权利要求4所述的方法，其还包括：

响应于所述钻井流体的液压增加，在支撑所述过滤器致动组件的滤头的一个或多个第二剪切销上产生力以剪切所述一个或多个第二剪切销；以及

在剪切所述第二剪切销之后，移动所述滤头以增加钻井流体通过所述过滤器致动组件的所述流动。

6.如权利要求1所述的方法，其中使所述钻井流体和所述落球流动到流孔包括使所述钻井流体，包括所述落球流动到致动衬套。

7.如权利要求6所述的方法，其中至少部分堵塞所述流孔包括用所述落球堵塞所述致动衬套的一个或多个辅助流动通道，而使所述致动衬套的主流动通道不堵塞。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个落球可变形并且包括柔性材料。

9.一种液压致动的机械井筒工具，其可定位在井筒中可置换的底部钻孔组件中的钻头上方，所述井筒工具包括：

至少一个剪切销，其将所述井筒工具的可移动元件保持在非致动位置；以及

限流器，其位于所述底部钻孔组件中的所述钻头的上游，所述限流器包括至少一个开口，所述开口接近所述钻头的中心流体通道的壁定位，且被配置来接收流动通过所述井筒工具的钻井流体中运载的至少一个落球，并且被配置来促进足以增加所述限流上游的液压并在所述至少一个剪切销上产生剪切力的限流，

其中所述限流器包括护栅致动组件，所述护栅致动组件包括：倾斜顶面，其通向所述开口；以及定向表面，其被配置来引导所述落球的一个或多个通过所述开口并且朝向一个或多个钻头喷嘴入口，所述钻头喷嘴入口被设定尺寸来由所述落球的至少一个堵塞，从而提供所述限流。

10.如权利要求9所述的机械井筒工具，其中所述井筒工具包括近钻头钻孔器，所述近钻头钻孔器具有最初保持在未致动位置的多个切割器元件，其中所述切割器元件是径向缩回的并且所述井筒工具的所述可移动元件被配置来在所述井筒工具被致动时将所述切割器元件移动到径向向外位置。

11.如权利要求9所述的机械井筒工具，其中所述护栅致动组件还包括栅结构，其被配置来准许所述落球的一个或多个接触第一区域中的钻头喷嘴入口并且防止所述落球接触第二区域中的钻头喷嘴入口。

12.如权利要求9或10所述的机械井筒工具，其中所述限流器包括过滤器致动组件，所述过滤器致动组件包括具有所述至少一个开口的滤头，所述开口被设定尺寸来接收所述落球的至少一个并且提供所述限流。

13.如权利要求12所述的机械井筒工具，其中所述滤头通过第二剪切销支撑在第一位置并且在所述第二剪切销由于增加的液压而破坏时可移动到第二位置。

14.如权利要求13所述的机械井筒工具，其中所述第二剪切销被配置来以大于所述井筒工具的液压致动压力的液压剪切。

15.如权利要求9或10所述的机械井筒工具，其中所述限流器包括限定所述开口的致动衬套，所述开口包括主流动通道和一个或多个辅助流动通道，所述辅助流动通道被设定尺寸来由所述落球的至少一个堵塞，从而提供所述限流。

16.如权利要求15所述的机械井筒工具，其中所述致动衬套被定位在所述钻头的柄部与所述井筒工具的中心孔之间的接口处。

17.如权利要求9所述的机械井筒工具，其中所述至少一个落球可变形并且包括柔性材料。