CN105556056B - 井工具、钻井设备及控制钻柱工具的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于钻柱工具的控制机构被构造成通过使转换元件液压致动运动至启动位置来启动所述钻柱工具，其中钻井泥浆作为致动介质。所述转换元件至所述启动位置的运动被自动调节，以便工具启动的条件是应用超阈值井下钻井流体状况达至少预定的切换持续时间。对所述转换元件至所述启动位置的运动进行调节的开关调节器可被构造成调节所述转换元件的运动速率，以便在超阈值井下钻井流体状况期间使切换持续时间保持基本恒定，而无论致动压力差的大小如何波动。

Description

井工具、钻井设备及控制钻柱工具的方法

技术领域

本发明一般涉及钻井操作中的钻井工具以及操作钻井工具的方法。更具体地，一些实施方案涉及钻井流体启动钻柱工具控制和/或部署系统、设备和机构，并涉及用于控制井下钻柱工具的操作的方法。本公开还涉及通过控制由钻柱传送的钻井流体(例如，钻井泥浆)的井下压力状况进行的井下扩眼器部署控制。

发明背景

钻井眼是为了进行勘探并生产诸如油和气的碳氢化合物。通常利用设置在钻柱下端的钻头钻井眼。通常利用设置在钻柱下端的钻头钻井眼。钻柱通常包括多个被称为“钻杆”的管状段，其端对端地连接在一起。钻头可包括具有其它机械和机电工具以促进钻井过程的底部钻具总成(BHA)。使钻头紧抵地层旋转会剪切或压碎岩层物质从而钻出井筒。

钻柱常常包括在钻井操作期间可定位在井下(例如，定位在BHA内或沿钻柱的其它地方)的工具或其它装置。因此，可预期远程启动和停用钻柱工具和/或装置。这种工具和装置包括例如扩眼器、稳定器、用于使钻头转向的转向工具和地层测试装置。

已设计了通过控制钻井流体的压力水平远程控制井下工具启动的各种方法。钻井流体通常为“泥浆”，其在钻柱内部循环下降并向上循环回井眼环空。例如一些液压操作的扩眼器启动设备使用允许单个启动循环的落球机构，之后需要复位控制系统。

附图简述

附图通过实例而非限制性地图示了一些实施方案。

图1是根据实例实施方案的包括钻井工具总成(包括钻柱工具和关联的井工具，井工具具有用于停用液压致动工具的钻井流体操作的控制机构)的钻井设备的立面示意图。

图2是根据实例实施方案的包括扩眼器和被构造成选择性地部署液压致动工具的控制器的扩眼器总成的三维视图。

图3A和图3B是是分别描绘根据实例实施方案的用于钻柱工具的控制器总成、形成图3A中所示的处于关闭状态(在该状态下钻柱工具停用)的控制器总成的一部分的部署机构的局部纵切面的示意图，其中图3B中所示的控制机构处于打开状态，在该状态下对钻柱工具进行了部署。

图4A和图4B是根据实例实施方案的形成如图3A和图3B中图示的控制器总成的一部分的旋转阀的轴向端视图，其中旋转阀示为处于图4A中的关闭状态和图4B中的打开状态。

具体实施方式

以下具体实施方式参考附图描述了本公开的实例实施方案，附图描绘了示出可如何应用本公开的实例的各种细节。本讨论参考这些附图阐述了新颖方法、系统和设备的各种实例，并充分描述了所描绘的实施方案以使得本领域的技术人员能够应用本发明。除本文讨论的说明性实例之外的许多实施方案可用于实践这些技术。在不脱离本公开的范围的情况下，除本文特别讨论的替代方案之外，可做出结构性和操作性改变。

在本说明中提到的“一个实施方案”或“实施方案”或“一个实例”或“实例”并不一定是指相同的实施方案或实例；然而这些实施方案并不相互排斥，除非如此说明，或对受益于本公开的本领域的普通技术人员而言将显而易见。因此，可包括本文描述的实施方案和实例的各种组合和/或综合，以及限定在基于本公开的所有权利要求以及这种权利要求的所有合法等同物的范围内的进一步的实施方案和实例。

本公开的一个方面描述了钻柱工具控制机构，其被构造成通过利用钻井流体将开关顶杆液压致动至启动位置来启动井下钻柱工具，对开关顶杆移动至启动位置的速率进行了调节，以便启动工具的条件是应用超阈值钻井流体状况达至少预定的切换持续时间。

控制机构可以是被动式机械系统，其被构造成使得控制机构响应于压力差变化的功能性操作基本上仅是机械操作，且包括例如一个或多个液压致动机构、弹簧偏压机构和凸轮机构。在这种情况下，至少控制机构的提供公开的功能的那些部件可在无任何基本非机械的组件(例如，电气组件、机电组件或电子组件)的帮助下操作。

图1是通过操作者控制钻井流体(例如，钻井泥浆)的压力状况控制液压致动启动和液压致动停用的系统的实例实施方案的示意图。

钻井设备100包括地下井眼104，钻柱108位于井眼104内。钻柱108可包括悬挂于固定在井口处的钻井平台112的钻杆的接合部分。钻柱108底端的井下总成或底部钻具总成(BHA)151可包括压碎地层从而引导井眼104的钻头116，且可进一步包括一个或多个扩眼器总成118的实例形式的工具总成，其相对于钻头116位于井上，通过操作可选择性地部署的切削元件来加宽井眼104。BHA151可包括测量和控制总成120，其还包括测量井眼参数、钻井性能等的测量仪器。

因此，井眼104是基本为圆柱形的细长腔，其剖面轮廓基本为圆形，该轮廓沿井眼104的长度基本保持恒定。在某些情况下井眼104可以是直线型的，但沿其长度常常可包括一个或多个曲线、弯曲、弯折或拐角。如文中参考井眼104和组件所使用，井眼104的“轴线”(因此为钻柱108或其一部分的轴线)是指圆柱形井眼104的纵向延伸的中心线(与例如图3中的纵向轴线367对应)。

因此，“轴向”和“纵向”是指沿在所讨论的井眼104的相关点或部分处与井眼104的纵长方向基本平行的线的方向；“径向”是指基本沿与井眼轴线相交并位于与井眼轴线垂直的平面内的线的方向；“切向”是指基本沿不与井眼轴线相交且位于与井眼轴线垂直的平面内的线的方向；且“周向”或“旋转”是指切向量绕井眼轴线旋转所形成的基本为弧形或圆形的路径。“旋转”及其派生词不仅指连续或重复旋转360°或更多，而且还包括小于360°的角位移或周向位移。

如文中所用，移动或位置“向前”或“井下”(以及相关术语)是指远离表面朝向钻头116的轴向运动或相对轴向位置。反之，“向后”、“向后面”或“井上”是指沿井眼104远离钻头116并朝向地面的轴向移动或相对位置。应注意，在图2、图3和图4中，钻柱108的井下方向从左向右延伸。

钻井流体(例如，钻井“泥浆”或井中可存在的其它流体)通过迫使钻井流体通过钻柱108的中空内部提供的内孔128向下运动的泵系统132从地面钻井流体储存库例如储存坑(且耦接至井口)循环，以便钻井流体通过钻头116在相对较高的压力下离开。在离开钻柱108之后，钻井流体沿井眼104向上移动返回，占据了钻柱108与井眼104的壁之间限定的井眼环空134。尽管许多其它环形空间可与系统关联，然而除非另有说明或除非在上下文中明确指出，否则提到的环空压力、环形间隙等是指井眼环空134的特征。

应注意，沿钻柱108的内径(即，孔128)泵送钻井流体，其中流体流至限制在钻头116处的孔128外部。然后，钻井流体沿环空134向上流动，将切屑从井眼104的底部携带至井口，在此处切屑被除去，且钻井流体可返回钻井流体储存库132。因此，孔128内的流体压力大于环空134内的流体压力。因此，通过控制钻井流体的状况进行的工具启动可包括控制孔128与环空134之间的压力差，然而在其它实施方案中，井下钻井流体状况可参考孔128内的隔离压力值。除非上下文中指出，否则术语“压力差”是指孔128内的总流体压力与环空134内的压力的差值。

在某些情况下，钻头116通过钻柱108从平台112的旋转而旋转。在本实例实施方案中，设置在钻柱108内并形成BHA151的一部分(在这种情况下)的井下电机136(例如，所谓的泥浆马达或涡轮马达)可有助于钻头116旋转。在一些实施方案中，钻柱108的旋转可选择性地由地面设备、井下电机136或地面设备和井下电机136二者提供动力。

系统可包括地面控制系统140以从井下传感器和遥测设备接收信号，传感器和遥测设备结合在钻柱108内，例如形成测量和控制总成120的一部分。地面控制系统140可在显示器或操作者用于控制钻井操作的监控器上显示钻井参数和其它信息。一些钻井设备可部分或完全自动化，以便钻井控制操作(例如，通过控制井下钻井流体的压力状况控制马达136的操作参数并控制钻柱工具部署，如本文所述)可以是手动、半自动或完全自动化的。地面控制系统140可包括具有一个或多个数据处理器和数据存储器的计算机系统。地面控制系统140可处理与钻井操作相关的数据、来自地面传感器和装置的数据和从井下接收的数据，且可控制钻柱工具和/或地面装置的一个或多个操作。

代替或除了扩眼器总成118，钻柱108可包括一个或多个钻柱工具。因此在本实例中，钻柱108的钻柱工具包括至少一个位于BHA151内的扩眼器总成118以在BHA151穿透地层时扩大井眼104的直径。在其它实施方案中，钻柱108可包括多个扩眼器总成118，例如位于邻近BHA151的相对端处并耦接至BHA151。

每一个扩眼器总成118可包括一个或多个周向隔开的刀片或其它承载切削结构的切削元件(参见，例如图2中的扩眼器臂251)。扩眼器总成118包括扩眼器144的实例形式的钻柱工具，扩眼器144包括大体为管状的扩眼器外壳234，其在钻柱108内连接成线并承载扩眼器臂251。扩眼器臂251从扩眼器外壳234的径向外表面径向伸长和缩回以选择性地使扩眼器的有效直径扩大和收缩。

控制扩眼器144的部署和缩回(例如，以使扩眼器144在扩眼器臂251径向向外伸出以切削入井眼壁的部署状态与扩眼器臂251缩回的休眠状态之间切换)可通过控制钻井流体的压力状况来进行控制。此外，扩眼器臂251的部署可依靠钻井流体的液压致动。

在本实例中，扩眼器总成118包括井工具，其耦接至扩眼器144并被构造成控制扩眼器144的操作。控制井工具(其因此为扩眼器总成118的子总成)为提供部署控制机构的控制器148的实例形式，部署控制机构被构造成响应于控制器148处的高于预定阈值水平的钻井流体压力而延迟对扩眼器144进行液压致动部署。控制器148可包括具有钻杆主体或在钻柱108内连接成线的外壳217(参见图2)的设备。在图1的实例实施方案中，控制器148安装在扩眼器144的井下方，但在其它实施方案中，控制器148和扩眼器144的位置布置可不同，例如控制器148安装在扩眼器144的井上方。

虽然与例如机电部署机构相比，对工具部署(现在将讨论其实例机构)的流体压力控制提供了许多益处，但是这种流体压力控制可在钻井操作中造成困难。流体压力值与所需的扩眼器部署之间很少有例如简单的直接对应。尽管在本实例中扩眼操作与孔128内的高流体压力(也称为孔压力或内部压力)一致，但每当孔压力高时部署扩眼器144很少是理想的，这是因为这可导致不慎部署扩眼器。实例控制器148提供了自动延时机构或延迟开关布置，其仅当钻井泥浆压力保持超阈值水平至少受控的基本一致的切换持续时间时，允许部署扩眼器144。

图2示出了可形成钻柱108的一部分的扩眼器总成118的实例实施方案，其中形成扩眼器总成118的一部分的扩眼器144处于部署状态。在该部署(或启动)状态下，扩眼器臂251的实例形式的扩眼器切削元件径向延伸，突出于扩眼器外壳234并从扩眼器外壳234径向向外伸出至与井眼壁接触，以当扩眼器外壳234随钻柱108旋转时使井眼104扩大。在本实例中，扩眼器臂251以轴向对齐的铰接连接形式成对安装在扩眼器外壳234上，当被启动时，其折叠以进行部署。与此相反，当扩眼器144处于停用状态时，扩眼器臂251缩回管状扩眼器外壳234内。在缩回模式下，扩眼器臂251不会伸出超过扩眼器外壳234的径向外表面，从而清洁环空134并允许作为钻柱108的一部分的扩眼器外壳234进行轴向和旋转位移，而无需扩眼器臂251与井眼壁接合。在其它实施方案中，可使用不同的启动机构来启动扩眼器总成118。例如应注意，在图3的实例实施方案中，扩眼器臂251示为直接连接至控制器148，而图2中的实例实施方案所包括的扩眼器臂251通过扩眼器外壳234内部的连杆机构(未示出)连接至控制器148。

图3A和图3B示意性地图示了控制器148的实例实施方案的可操作地连接至扩眼器总成118内的扩眼器144的内部组件。控制器148具有大体为管状的外壳217，外壳217可包括同轴连接的钻杆部分，钻杆部分与钻柱108的管状主体连接成线并形成管状主体的一部分。钻杆部分可通过各个钻杆部分的相邻端部的互补连接结构的螺钉-螺纹接合连接在一起以形成螺钉螺纹连结。因此，外壳217结合在钻柱内，以将扭矩和旋转从外壳217的一端传递至另一端。控制器148的内部组件进一步被构造成形成孔128的一部分，以沿流体流动方向(如图3A和图3B中的箭头301示意性地指示)将钻井流体从一端传送至另一端。

控制器148包括液压工具部署机构，在本实例中，液压工具部署机构包括扩眼器活塞331，扩眼器活塞331安装在外壳217内用于进行液压致动往复纵向运动以部署扩眼器144并使扩眼器144缩回。眼器活塞331被保持在径向上以外壳217和同轴安装在外壳217内的大体为管状的阀定子310为边界的环形空间内，阀定子310可沿环形空间纵向滑动。

扩眼器活塞331密封地将该环形空间分成两个在其相对的纵向侧的液压室。扩眼器活塞331的井下侧设有致动室333的实例形式的启动容积(在本实例中)。在扩眼器活塞331正井上方的环形空间基本处于环空压力，外壳217提供一个或多个从环空134进入扩眼器活塞331井上方的外壳的喷嘴或通道(未示出)。当致动室333中的液压介质(在本实例中为钻井泥浆)的压力相对于环空压力升高(例如，为孔压力)时，扩眼器活塞331上的沿井上方向的压力差导致向井上液压致动扩眼器活塞331。在本实例中，扩眼器臂251直接耦接至扩眼器活塞331，因此扩眼器活塞331受液压致动向井上的位移通过使扩眼器臂251相对于其上至少安装一个扩眼器臂251的扩眼器活塞331枢转而使扩眼器臂251得以部署。在其它实施方案中，扩眼器活塞331可通过机械连杆机构、液压连接等连接至扩眼器臂251。控制器148提供的工具部署机构进一步包括扩眼器弹簧337，其被构造成对扩眼器活塞331施加收缩偏压，抵抗扩眼器活塞331的液压致动，并在本实例中向井下朝休眠位置推动扩眼器活塞331(图3A)。

控制器148进一步包括阀布置以选择性地控制流体在孔128与致动室333之间的流动，从而选择扩眼器活塞331的液压致动移动(以及通过延伸选择弹簧偏压返回)。在本实例实施方案中，阀布置包括旋转阀304，其具有大体为管状的阀定子310的实例形式的阀体。阀定子310同轴安装在外壳217内，阀定子310的内径限定控制器148的部分长度的孔128。阀定子310具有四个阀口313的实例形成的阀口布置(仍参见图4)，四个阀口313一连串地布置成有规则地间隔开并周向延伸，每一个阀口313径向延伸穿过阀定子310的管状壁，提供孔128与致动室333之间的流体流动连接。

旋转阀304进一步包括阀转子307的实例形式的可移动阀构件或阀关闭元件，阀转子307大体为管状并同轴安装在阀定子310内，从而可相对于阀定子310绕与外壳217和阀定子310的公共纵向轴线367同轴的阀轴线成角度地移动(在文中也描述为旋转)。阀转子307提供了一连串沿周向延伸且径向延伸穿过阀转子307的管状主体的间隔开的阀开口316(在本实例中，为四个有规则地间隔开的开口)。阀开口316在尺寸和周向设置上与阀口313一致，因此阀转子可在阀开口316分别与相应的阀口313对齐以使致动室333与孔128流体连通的打开状态(图3B和图4B)与阀开口316不与相应的阀口313对齐从而关闭阀口313并使致动室与孔128流体流动隔离的关闭状态之间移动。

控制器148进一步包括筒形凸轮319的实例形式的开关构件或液压开关顶杆，筒形凸轮319耦接至旋转阀304并被构造成响应于超阈值孔压力状况而使阀转子307从其关闭状态切换至其打开状态。在本实例中，筒形凸轮319安装在外壳217内以在工具部署/停用循环期间进行往复纵向运动和往复旋转运动。

筒形凸轮319包括液压驱动机构以响应于超过阈值的孔压力而使外壳217内的筒形凸轮319进行液压致动的纵向运动。在图3的实例实施方案中，筒形凸轮319提供的用于开关顶杆的液压驱动机构包括孔128内的收缩部，收缩部由驱动喷嘴328提供，驱动喷嘴328固定地同轴安装在筒形凸轮319上，并在孔128内提供直径减小的喷嘴孔口。因此，在操作中，加压钻井泥浆在井下的流动将导致驱动喷嘴328上的压力下降，从而在启动方向上(在本实例中为纵向向下，即从图3A中的左侧至右侧)驱动驱动喷嘴328的液压致动(因此，驱动筒形凸轮319的液压致动)。

控制器148进一步包括旋转机构以响应于筒形凸轮319沿外壳217的纵向运动而使筒形凸轮319绕纵向轴线367旋转。在本实例实施方案中，旋转机构包括凸轮机构，凸轮机构包括安装在外壳217上并从外壳径向向内突出的凸轮销322。凸轮销322容置在筒形凸轮319的径向外表面上限定的互补凸轮凹槽325内。凸轮凹槽325部分为螺旋形，相对于纵向轴线367倾斜。由于筒形凸轮319可在外壳217内旋转，而凸轮销322键锁以防止相对于外壳旋转，因此凸轮凹槽325在筒形凸轮319纵向运动期间跟随凸轮销322，使筒形凸轮319绕纵向轴线367旋转。

筒形凸轮319耦接至阀转子307以将角位移/旋转传递至阀转子307，从而打开或关闭旋转阀304。在本实例实施方案中，阀转子307纵向锚固至外壳217，在旋转地键锁至筒形凸轮319的同时具有固定纵向位置。在本实例中，筒形凸轮319与阀转子307之间的旋转传递耦接包括花键接头358，其具有分别位于阀转子307的径向外表面上的互补配合纵向延伸花键和位于筒形凸轮319的径向内表面上的互补承座结构。

然而，筒形凸轮319在启动方向(即，在本实例中为井下)上的液压驱动移动被液压开关调节器限制或延迟，因此完成筒形凸轮319的启动行程的任何特定实例可不会快于预定的保持一致的最小切换间隔，无论可施加的且循环或装置之间可不同的特定超阈值孔压力的大小如何。在本实例中，开关调节器包括调节器容积340，其充满基本不可压缩的液压介质并被构造成响应于筒形凸轮319在启动方向上的纵向运动而自动减小容积(即，压缩容积)，液压介质(例如，油)从调节器容积340被引导穿过液压收缩部而得以排放，在液压收缩部处可控制或调节液压介质从调节器容积340流动的速率。在图3A所图示的实例实施方案中，调节器容积340限定在径向上以外壳217和同轴安装在外壳217内的内管361为边界的环形空间内。储存室343的实例形式的排放容积位于调节器容积340的井下侧，通过由从内管361径向向外突出的周向延伸的环形肋提供的室壁与调节器容积340分开。一对流体流动通道纵向延伸穿过室壁，被构造成通过在其内提供各个单向阀(以下将更详细地对其进行描述)允许流体在相对的各个纵向方向上单向流动。

流动通道之一提供了排放通道，排放通道仅允许流体从调节器容积340流动至储存室343，同时阻止流体沿相反方向从其流过。这通过在排放通道内设置流量控制装置370的实例形式的流量调节器来实现。实例流量控制装置370包括止回阀，止回阀允许流体仅在启动方向上(即，在本实例实施方案中为井下方向)流动，并通过对流速设定上限来限制液体流动穿过。因此，流量控制装置370允许油以高于预定流速限制的速率流动通过其，而无论其上的超阈值压力差的大小如何。在本实例实施方案中，流量控制装置370包括被定级成将流量限制为0.1gpm的Lee FlosertTM装置，但应注意，可根据特定实施例的要求修改对流量控制装置370的定级。流量控制装置370可被构造成用作止回阀，以例如阻止流体流动穿过其，即便是在启动方向上且低于预定破裂压力(其可基本与控制器148的孔-环空压力差对应)时也如此，并针对超阈值压力差将在启动方向上通过其的流速限制至指定的流速限制，而无论压力差有多高。

由于其内安装有流量控制装置370的排放通道用于排放液压介质(例如，油)，其中调节器容积340内充满液压介质，因此筒形凸轮319向井下的移动便取决于流动通过流量控制装置370的油，且筒形凸轮319向井下移动的速度被延迟或限制至与流量控制装置370的流速限制对应的启动速度限制。

控制器148进一步包括偏压机构以朝与阀转子307的关闭状态对应的纵向位置偏压筒形凸轮319(图3A)。在本实例实施方案中，偏压机构包括复位弹簧334，复位弹簧334包括压缩弹簧，压缩弹簧同轴安装在调节器容积340内的内管361上并在调节器室的环形壁与筒形凸轮319之间纵向地起作用。

除了排放通道之外，回流通道延伸穿过调节器容积340与储存室343之间的室壁，回流通道内安装有单向回流阀373以仅允许流体在回流方向上(即，在本实例实施方案中为井上方向)流动穿过其。

所描述的实例实施方案采用油作为液压介质以使筒形凸轮319朝部署有扩眼器144的位置处的移动延迟或变缓。为了将油与钻井泥浆分离，在利用孔-环空压力差来液压致动各种控制器组件的同时，浮动壁349限定储存室343的井下端。浮动壁349包括与外壳217的内径和内管361的外径密封接合的环形构件，其可纵向滑动以以隔膜的方式使储存室343内的流体压力与位于浮动壁349的井下正下方的压力平衡容积352内的流体压力之间实现均衡。通过在外壳217内设置一个或多个环空喷嘴355，压力平衡容积352便在环空压力下暴露于钻井流体。通过压力平衡容积352和浮动壁349的操作，储存室343内的油压力可保持或多或少地等于环空压力的压力值。然而，作用于浮动壁349将其向井上推动的平衡弹簧346的操作可使储存室343内的流体压力略微变大。

可在筒形凸轮319与扩眼器活塞331之间设置类似的分离环364，其分别抵靠外壳217和阀定子310密封以使驱动室333内的钻井泥浆与限定在分离环364与筒形凸轮319之间的容积内的液压油分离。在一些实施方案中，分离环364可轴向保持在一对隔开的止挡(例如，安装在外壳217的内径上的互补凹槽内的环形夹子)之间。由于筒形凸轮319的纵向运动，分离环364的纵向可移动性进一步地用于自动补偿相邻封闭容积的容积变化。

图4A和图4B分别示出了沿图3A和图3B中的线4-4截取的处于隔离状态的旋转阀304的轴向剖面图，并示出了阀转子307旋转与筒形凸轮319的整个启动行程对应的角度(在本实例中，旋转或角位移为45度)时阀开口316与阀口313的周向对准和不对准。

操作时，通过对钻井泥浆加压而通电或提供动力的液压致动来部署扩眼器144，但仅当孔-环空压力差保持高于预定工具启动阈值的水平的时间长于由流动通过流量控制装置370的经调节流量控制的经调节切换持续时间时才会如此。

首先，使扩眼器144缩回，其中旋转阀304处于关闭状态(图3A)，而筒形凸轮319处于最高井上位置。当操作者想要部署扩眼器144时，孔压力值上升至超过阈值的值。

响应于在控制器148所得的超阈值钻井流体状态，驱动喷嘴328在启动方向(即，在本实例中为井下方向)上施加于筒形凸轮319的液压致动力超过复位弹簧334在相对的回流方向(即，在本实例中为井上方向)上的峰值偏压力，因此筒形凸轮319在液压致动下开始向井下移动。

筒形凸轮319在液压致动下向井下移动时，其通过凸轮销322随后是凸轮凹槽325的操作逐渐绕纵向轴线367旋转。在这种向井下运动期间，筒形凸轮319纵向滑动远离阀转子307，同时将其接收的旋转通过花键接头358传递至阀转子307。因此，阀转子307从其关闭状态朝其打开位置旋转，从而使阀开口316逐渐接近与阀口313周向对准。筒形凸轮319和阀转子307被构造成使得旋转阀304仅当筒形凸轮319已进行了整个启动行程(基本上一直移动至井下最低位置(图3B))时打开。

然而，流量控制装置370的操作将筒形凸轮319向井下的运动限制于最大调节速度。筒形凸轮319的液压驱动的活塞式纵向滑动会自动减小调节器容积340的大小，从而对调节器容积340内的液压油体加压。由于储存室343基本为环空压力(通过压力平衡容积352和浮动壁349的操作)，因此流量控制装置370位于其内的整个排放通道形成了压力差。

由于超阈值压力状况，因此石油会在启动方向上流动通过流量控制装置370，但流速不大于流量控制装置370的指定流速限制。流量控制装置370可被构造成可有效地在阻止流体流动穿过其的低于阈值的状态与油穿过其的流速被调节成基本恒定的超阈值状态之间操作。作为液体，液压油不可压缩，因此筒形凸轮319向井下移动的速度不会快于从储存室343排放液压油所允许的速度。因此，流量控制装置370有效地调节了筒形凸轮319在其启动行程期间沿外壳轴向运动的速度。

为了部署扩眼器144，必须使超阈值压力状况保持至少预定的切换持续时间，从而使筒形凸轮319有足够的机会移动至井上最高位置，在该位置处阀转子307已充分旋转以使阀口313与阀开口316对准，以便旋转阀304处于其打开状态(图3B)。然后，钻井泥浆从孔128径向流动通过阀口313并进入驱动室333。然后，对扩眼器活塞331施加孔-环空压力差，克服扩眼器弹簧337提供的偏压向井上推动扩眼器活塞331以进行部署。

控制器148的所描述的组件可选择且可被构造成使得调节的切换持续时间在例如3分钟至10分钟之间。在本实例实施方案中，调节的切换持续时间为5分钟，以便可仅通过使钻井泥浆压力保持超阈值水平达5分钟的预定切换持续时间或更长来部署扩眼器144。特定阈值可因不同实施方案而异，或相同钻井设备的特定阈值可改变以用于不同工具或用于相同工具的不同应用。再次参考图3A，应注意，本实例中的驱动喷嘴328可拆卸并可替换地安装在筒形凸轮319上。这允许当驱动喷嘴328因长期使用而被磨损或腐蚀时更换其，而且还允许代替其装配不同尺寸的驱动喷嘴以将控制器148配置成以不同流速启动工具。因此，喷嘴尺寸的变化会使达到阈值压力的流速发生相应变化。替代地或此外，可利用不同等级的复位弹簧334来改变阈值。然而应考虑到，调节的切换持续时间在所有这种不同构造中将基本保持恒定，这是因为工具切换持续时间的决定因素并非作用于筒形凸轮319的液压致动力的大小，而是油流动通过流量控制装置370的速率(其在所有构造中均保持恒定)。

因此，孔-环空压力差的阈值可在例如200psi至500psi的范围内。在本文描述的实例实施方案中，压力差可以是大约400psi。对于这种延长的间隔，不太可能会不慎提供超阈值压力状况(在本实例中，该压力状况与执行扩眼的压力水平对应)。因此，在施加超阈值钻井流体压力与部署扩眼器之间的有意且一致的延时用于限制不慎部署工具的风险。

当钻井流体压力在经调节切换持续时间结束之前或在部署扩眼器之后减小至低于阈值水平时，扩眼器臂251通过扩眼器弹簧337的操作缩回，从而向井下推动扩眼器活塞331以使扩眼器臂251缩回。同步地，复位弹簧334在回流方向(即，在本实例中为井上方向)上推动筒形凸轮319。现在，筒形凸轮319的返回运动导致调节器容积340内的压力下降，从而通过回流阀373从储存室343抽吸液压流体。应注意，在本实例中，回流阀373不会限制液压介质流动通过其的速率，因此(与扩眼器部署不同)扩眼器的缩回不会延迟或受到限制。筒形凸轮319的返回运动使其通过其凸轮布置的操作反方向旋转，从而通过花键接头358使阀转子307旋转回阀开口316不与阀口313对准的关闭状态(图3A和图4A)。

后续的扩眼器144部署和/或缩回包括重复进行上述部署缩回循环。应注意，对控制器148提供的液压致动机构和控制机构可进行的部署/缩回循环的数量并无限制，这是因为控制器148的组件的构造和布置在部署-缩回循环完成时与循环开始时是相同的。

描述的实例总成和方法的益处是允许多个工具启动/停用顺序。进一步的益处是，这种多循环部署通过钻柱108内的钻井流体通电和受控，从而使得操作者能够通过控制钻井流体状况来控制工具部署模式。由于描述的控制机构基本上为非电动的(全部操作基本上均不使用电气或电子设备)，因此控制器148可结合在现有系统中，而无需任何附加专用控制遥测设备。

虽然由钻井流体控制操作，但控制器148的控制机构通过提供描述的工具启动延迟限制了与不慎部署工具关联的风险。更进一步地，无需显著损失有效孔径便实现了上述功能。

根据本公开的一个方面，因此上述实例实施方案公开了一种井工具，其包括外壳，外壳被构造成结合在钻柱内以沿由外壳限定的内孔传送钻井流体；外壳内的阀体，阀体限定与内孔和启动容积流体连通的阀口，启动容积被构造成与钻柱工具的液压部署机构合作；阀关闭元件，其被构造成在内孔与启动容积通过阀口流体连通的打开状态与关闭元件基本上阻止流体流动通过阀口的关闭状态之间切换；开关顶杆，其耦接至阀关闭元件并被构造成响应于预定超阈值井下钻井流体状况在启动方向上进行液压驱动运动，以使阀关闭元件从打开状态切换至关闭状态；和开关调节器，其耦接至开关顶杆并被构造成通过对开关顶杆在启动方向上的运动施加经调节液压阻力来调节阀关闭元件从关闭状态至打开状态的切换。

开关顶杆可以是任何液压驱动切换构件，且可被构造成用于任何合适的运动模式。在一个实例实施方案中，开关顶杆被构造成用于纵向平移，但在其它实施方案中，开关顶杆可被构造成用于旋转，例如绕钻柱的纵向轴线旋转，在这种情况下，启动方向为旋转方向。

启动容积可以是形成钻柱工具的液压部署机构的一部分的液压致动室。在其它实施方案中，启动容积可以是由阀体或外壳限定的导管或通道，导管或通道被构造成当井工具结合在钻柱中时，使内孔与工具部署机构通过阀口流体连接。

开关调节器可包括开关定时机构，其被构造成响应于曝光于超阈值钻井流体状况而调节阀关闭元件从关闭状态液压致动运动至打开状态的切换持续时间，以便切换持续时间基本上与各个工具部署实例之间的超阈值钻井流体状况的变化无关。开关调节器可包括液压收缩部，液压介质可响应于开关顶杆在启动方向上的运动而流动通过液压收缩部，开关机构被构造成使得启动速度(例如，开关顶杆在启动方向上的运动速度)受液压介质流动通过液压收缩部的速率限制。开关调节器可进一步包括流量调节器(例如，恒流单向止回阀)，其安装在液压收缩部内，并被构造成调节流动通过液压收缩部的液压介质的流量。

在一些实施方案中，流量调节器可包括流速控制装置，其被构造成将液压介质流动通过液压收缩部的速率限制至预定流速限制，该预定流速限制基本一致且与整个液压收缩部在超阈值钻井流体状况期间的压力差波动无关。

在一些实施方案中，开关调节器可包括调节器容积，其充满液压介质并被构造成响应于开关顶杆在启动方向上的运动而自动加压；和排放通道，其在调节器容积与累积容积之间提供流体流动连接，开关顶杆在启动方向上运动的条件是液压介质流动通过排放通道(在这种实例中，排放通道提供了对流速进行调节的液压收缩部)，流量调节器安装在排放通道内。

工具总成可包括旋转阀，其中阀关闭元件可相对于外壳绕阀轴线旋转，阀关闭元件被构造成通过绕阀轴线进行角位移在打开状态与关闭状态之间切换。在这种情况下，阀关闭元件可大体为管状且同轴位于外壳内，以便阀轴线与外壳的纵向轴线对准，阀关闭元件被构造成限定工具总成的内孔的一部分。

在阀关闭元件可旋转以部署工具的实施方案中，工具总成可包括旋转机构以响应于外壳内的开关顶杆的纵向运动而使开关顶杆绕纵向轴线进行角位移。例如，开关顶杆可旋转地键锁至阀关闭元件并可被构造成相对于外壳进行往复纵向运动，以当应用超阈值钻井流体状况时响应于开关顶杆在启动方向上的液压致动纵向运动而使阀关闭元件旋转至打开状态，并当超阈值钻井流体状况随后停止时响应于开关顶杆在相反的返回方向上的纵向运动而使阀关闭元件旋转至关闭状态。开关顶杆可相对于阀关闭元件纵向滑动，而阀关闭元件相对于外壳具有固定的纵向位置。

工具总成可进一步包括偏压机构(例如，可弹性压缩的弹簧)，其耦接至开关顶杆并被构造成在与启动方向相反的纵向返回方向上对开关顶杆施加偏压，偏压机构被构造成使得偏压匹配或超过在低于阈值的钻井流体状况下作用于开关顶杆的液压致动力，但小于在超阈值钻井流体状况下作用于开关顶杆的液压致动力。

本公开的一些其它方面包括钻井工具，其包括钻井工具总成、结合有钻井工具总成的钻柱、具有包括钻井工具总成的钻柱的钻井设备；且包括通过使用控制总成控制井下钻柱工具部署的方法。

因此，本公开的一个方面包括控制耦接在井眼内的钻柱中的钻柱工具的方法，钻柱限定在压力下传送钻井流体的内孔，该方法包括将用于钻柱工具的控制机构结合在钻柱内，控制机构包括：外壳内的阀体，阀体限定在内孔与钻柱工具的液压部署机构之间提供流体连通的阀口；阀关闭元件，其被构造成在内孔与启动容积通过阀口流体连通的打开状态与关闭元件基本上阻止流体流动通过阀口的关闭状态之间切换；开关顶杆，其耦接至阀关闭元件并被构造成响应于预定超阈值井下钻井流体状况在启动方向上进行液压驱动运动，以使阀关闭元件从打开状态切换至关闭状态；和开关调节器，其耦接至开关顶杆并被构造成通过对开关顶杆在启动方向上的运动施加经调节液压阻力来调节阀关闭元件从关闭状态至打开状态的切换。方法可进一步包括从地面控制系统控制井下钻井流体状况，以产生预定的超阈值井下钻井流体状况，从而使阀关闭元件切换至打开状态并对钻柱工具进行部署。

方法可进一步包括调节为使阀关闭元件从关闭状态液压致动运动至打开状态，预定超阈值钻井流体状况将要持续的切换持续时间，以便切换持续时间基本上与各个工具部署实例之间的超阈值钻井流体状况的变化无关。

在上述具体实施方式中会发现，为了使本公开更流畅，将各种特征组合在了单个实施方案中。该公开方法不应解释为反映所要求保护的实施方案需要比每项权利要求中明确表述的特征更多的特征这一意图。而是，如所附权利要求所反映，本发明的主题在于少于所公开的单个实施方案的所有特征。因此，所附权利要求被并入具体实施方式中，其中每一项权利要求本身作为单独的实施方案存在。

Claims (21)

1.一种井工具，所述井工具用于结合钻柱的一部分传送钻井流体，所述井工具包括：

外壳，所述外壳包括形成在所述外壳内的内孔；

所述外壳内的阀体，所述阀体包括与所述内孔和启动容积流体连通的阀口，所述启动容积被构造成与钻柱工具的液压部署机构合作；

所述外壳内的阀关闭元件，其被构造成在所述内孔与所述启动容积通过所述阀口流体连通的打开状态与所述关闭元件基本上阻止流体流动通过所述阀口的关闭状态之间切换；

所述外壳内的开关顶杆，其耦接至所述阀关闭元件并被构造成响应于预定超阈值井下钻井流体状况而在启动方向上进行液压驱动运动，以使所述阀关闭元件从所述打开状态切换至所述关闭状态；和

所述外壳内的开关调节器，其包括流动通道并被构造成通过对所述开关顶杆在启动方向上的运动施加经调节液压阻力来调节所述阀关闭元件从所述关闭状态至所述打开状态的切换，以便在超阈值井下钻井流体状况期间使切换持续时间保持基本恒定，而无论压力如何变化。

2.根据权利要求1所述的井工具，其中所述流动通道包括液压收缩部，液压介质可响应于所述开关顶杆在所述启动方向上的运动而流动通过所述液压收缩部，所述流动通道被构造成使得所述开关顶杆在所述启动方向上的运动速度受所述液压介质流动通过所述液压收缩部的速率限制。

3.根据权利要求2所述的井工具，其中所述开关调节器进一步包括安装在所述液压收缩部内并被构造成调节所述液压介质流动通过所述液压收缩部的流量的流量调节器。

4.根据权利要求3所述的井工具，其中所述流量调节器包括流速控制装置，其被构造成将所述液压介质流动通过所述液压收缩部的速率限制至预定流速限制，所述预定流速限制基本一致且与整个所述液压收缩部在超阈值钻井流体状况期间的压力差波动无关。

5.根据权利要求3所述的井工具，其中所述开关调节器包括：

调节器容积，其充满所述液压介质并被构造成响应于所述开关顶杆在所述启动方向上的运动而自动加压；和

其中，所述流动通道包括排放通道，其在所述调节器容积与排放容积之间提供流体流动连接，所述开关顶杆在所述启动方向上运动的条件是所述液压介质流动通过所述排放通道，以便所述排放通道提供所述液压收缩部，所述流量调节器安装在所述排放通道内。

6.根据权利要求1所述的井工具，其中所述阀关闭元件可相对于所述外壳绕阀轴线旋转，以在所述打开状态与所述关闭状态之间切换。

7.根据权利要求6所述的井工具，其中所述阀关闭元件大体为管状且同轴位于所述外壳内，所述阀轴线与所述外壳的纵向轴线对准，所述阀关闭元件被构造成限定所述井工具的内孔的一部分。

8.根据权利要求6所述的井工具，其进一步包括

旋转机构，以响应于所述外壳内的所述开关顶杆的纵向运动而使所述开关顶杆绕所述纵向轴线进行角位移，

其中所述开关顶杆旋转地键锁至所述阀关闭元件并被构造成相对于所述外壳进行往复纵向运动，

响应于所述开关顶杆响应于超阈值钻井流体状况而在所述启动方向上进行液压致动纵向运动而使所述阀关闭元件总是旋转至所述打开状态，以及

响应于所述开关顶杆响应于所述超阈值钻井流体状况的随后停止而在相反的返回方向上进行纵向运动而使所述阀关闭元件总是旋转至所述关闭状态。

9.根据权利要求8所述的井工具，其中所述开关顶杆可相对于所述阀关闭元件纵向滑动，所述阀关闭元件相对于所述外壳具有固定的纵向位置。

10.根据权利要求1所述的井工具，其进一步包括偏压机构，所述偏压机构被构造成在与所述启动方向相反的纵向返回方向上对所述开关顶杆施加偏压，所述偏压机构被构造成使得偏压匹配或超过在低于阈值的钻井流体状况下作用于所述开关顶杆的液压致动力，但小于在超阈值钻井流体状况下作用于所述开关顶杆的液压致动力。

11.一种钻井设备，其包括：

伸长的钻柱，其沿井眼纵向延伸，所述钻柱包括限定纵向延伸的内孔的外壳，所述内孔被构造成在压力下传送钻井流体；

钻柱工具，其形成所述钻柱的一部分并被构造成可在启动状态与停用状态之间任意使用；

控制机构，其耦接至所述钻柱工具并被构造成通过控制钻井流体压力状况允许操作者控制所述钻柱工具的切换，所述控制机构包括：

所述外壳内的阀体，所述阀体限定与所述内孔和所述钻柱工具的液压部署机构流体连通的阀口；

所述外壳内的阀关闭元件，其被构造成在所述内孔与所述启动容积通过所述阀口流体连通的打开状态与所述关闭元件基本上阻止流体流动通过所述阀口的关闭状态之间切换；

所述外壳内的开关顶杆，其耦接至所述阀关闭元件并被构造成响应于预定超阈值井下钻井流体状况而在启动方向上进行液压驱动运动，以使所述阀关闭元件从所述打开状态切换至所述关闭状态；和

所述外壳内的开关调节器，其包括流动通道并被构造成通过对所述开关顶杆在启动方向上的运动施加经调节液压阻力来调节所述阀关闭元件从所述关闭状态至所述打开状态的切换，以便在超阈值井下钻井流体状况期间使切换持续时间保持基本恒定，而无论压力如何变化。

12.根据权利要求11所述的钻井设备，其中所述流动通道包括液压收缩部，液压介质可响应于所述开关顶杆在所述启动方向上的运动而流动通过所述液压收缩部，所述流动通道被构造成使得所述开关顶杆在所述启动方向上的运动速度受所述液压介质流动通过所述液压收缩部的速率限制。

13.根据权利要求12所述的钻井设备，其中所述开关调节器进一步包括安装在所述液压收缩部内并被构造成调节所述液压介质流动通过所述液压收缩部的流量的流量调节器。

14.根据权利要求13所述的钻井设备，其中所述流量调节器包括流速控制装置，其被构造成将所述液压介质流动通过所述液压收缩部的速率限制至预定流速限制，所述预定流速限制基本一致且与整个所述液压收缩部在超阈值钻井流体状况期间的压力差波动无关。

15.根据权利要求13所述的钻井设备，其中所述开关调节器包括：

调节器容积，其充满所述液压介质并被构造成响应于所述开关顶杆在所述启动方向上的运动而自动加压；和

其中，所述流动通道包括排放通道，其在所述调节器容积与排放容积之间提供流体流动连接，所述开关顶杆在所述启动方向上运动的条件是所述液压介质流动通过所述排放通道，以便所述排放通道提供所述液压收缩部，所述流量调节器安装在所述排放通道内。

16.根据权利要求11所述的钻井设备，其中所述阀关闭元件可相对于所述外壳绕阀轴线旋转，以在所述打开状态与所述关闭状态之间切换。

17.根据权利要求16所述的钻井设备，其中所述阀关闭元件大体为管状且同轴位于所述外壳内，所述阀轴线与所述外壳的纵向轴线对准，所述阀关闭元件被构造成限定所述钻柱的内孔的一部分。

18.根据权利要求16所述的钻井设备，其进一步包括

旋转机构，以响应于所述外壳内的所述开关顶杆的纵向运动而使所述开关顶杆绕所述纵向轴线进行角位移，

其中所述开关顶杆旋转地键锁至所述阀关闭元件并被构造成相对于所述外壳进行往复纵向运动，

响应于所述开关顶杆响应于超阈值钻井流体状况而在所述启动方向上进行液压致动纵向运动而使所述阀关闭元件总是旋转至所述打开状态，以及

响应于所述开关顶杆响应于所述超阈值钻井流体状况的随后停止而在相反的返回方向上进行纵向运动而使所述阀关闭元件总是旋转至所述关闭状态。

19.根据权利要求18所述的钻井设备，其中所述开关顶杆可相对于所述阀关闭元件纵向滑动，所述阀关闭元件相对于所述外壳具有固定的纵向位置。

20.根据权利要求11所述的钻井设备，其进一步包括偏压机构，所述偏压机构被构造成在与所述启动方向相反的纵向返回方向上对所述开关顶杆施加偏压，所述偏压机构被构造成使得偏压匹配或超过在低于阈值的钻井流体状况下作用于所述开关顶杆的液压致动力，但小于在超阈值钻井流体状况下作用于所述开关顶杆的液压致动力。

21.一种控制耦接在井眼内的钻柱中的钻柱工具的方法，所述钻柱限定在压力下传送钻井流体的内孔，所述方法包括：

在所述钻柱的外壳内结合用于所述钻柱工具的控制机构，所述控制机构包括

所述外壳内的阀体，所述阀体包括在所述内孔与所述钻柱工具的液压部署机构之间提供流体连通的阀口；

所述外壳内的阀关闭元件，其被构造成在所述内孔与启动容积通过所述阀口流体连通的打开状态与所述关闭元件基本上阻止流体流动通过所述阀口的关闭状态之间切换；

所述外壳内的开关顶杆，其耦接至所述阀关闭元件并被构造成响应于预定超阈值井下钻井流体状况而在启动方向上进行液压驱动运动，以使所述阀关闭元件从所述打开状态切换至所述关闭状态；和

所述外壳内的开关调节器，其包括流动通道并被构造成通过对所述开关顶杆在所述启动方向上的运动施加经调节液压阻力来调节所述阀关闭元件从所述关闭状态至所述打开状态的切换，以便在超阈值井下钻井流体状况期间使切换持续时间保持基本恒定，而无论压力如何变化；以及

从地面控制系统控制井下钻井流体状况，以产生预定的超阈值井下钻井流体状况保持至少所述切换持续时间，从而使所述阀关闭元件切换至所述打开状态并对所述钻柱工具进行部署。

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