CN105658907A - 井下钻井工具的取向 - Google Patents

Abstract

一种定向钻井工具的方法可以包括在定向装置上设置向下的重量，从而将先前在所述装置中自由地周向移位的接合构件固定就位，并且在所述固定之后，将所述接合构件与定向轮廓接合。定向钻井工具的另一种方法可以包括在工具管柱的部分之间压缩所述定向装置，从而将先前在所述装置中自由地周向移位的接合构件固定就位，所述固定步骤包括使所述定向装置的结构变形，以及在所述固定之后，将所述接合构件与定向轮廓接合。

Description

井下钻井工具的取向

技术领域

本公开大体上涉及结合地下井所利用的设备和所执行的操作，并且在下文所描述的一个实例中更具体地提供了井下钻井工具的取向。

背景技术

能够在井中旋转地或在方位上定向钻井工具有时是有益的。例如，可能希望在特定的方向上发射射孔枪的射孔弹，或者可能希望在特定的方向上钻出分支井筒或使完井组件偏斜等。

因此，将理解的是，在井下定向钻井工具的领域中不断地需要改进。这种改进对于射孔、钻孔、完井或者在井中所执行的其他操作可能是有用的。

附图说明

图1是可以体现本公开的原理的井系统和相关联方法的代表性截面视图。

图2是井系统和方法的代表性部分截面视图，其中已将工具管柱引入井筒中。

图3是井系统和方法的代表性部分截面视图，其中已相对于井筒旋转地或者在方位上定向工具管柱中的钻井工具。

图4是定向装置的放大比例的代表性部分截面视图，所述定向装置可以用在井系统和方法中，并且所述定向装置可以体现本公开的原理。

图5是被定位在定向装置的结构之间的接合构件的另一放大比例的代表性部分截面视图。

图6是被固定在结构之间的接合构件的代表性部分截面视图。

图7是与接合构件接合的定向装置的定向轮廓的代表性部分截面视图。

图8是相对于接合构件移位从而引起定向装置的部件旋转的定向轮廓的代表性部分截面视图。

具体实施方式

图1中代表性地示出的是用于井的系统10以及相关联的方法，所述系统和方法可以体现本公开的原理。然而，应当明确理解的是，系统10和方法实际上仅仅是本公开的原理的应用的一个实例，并且很多种其他实例是可能的。因此，本公开的范围完全不限于本文所描述的和/或附图中所描绘的系统10和方法的细节。

在图1的实例中，井筒12已被钻入到地球中。图1中描绘的井筒12的部分内衬有套管14和水泥16。然而，在其他实例中，所述方法可以在井筒12的无套管部分或开孔部分中执行。

图1中示出的井筒12部分从垂直线偏斜或倾斜，由此井筒具有上侧和下侧。在其他实例中，井筒12部分可以是大体上水平的。优选地，在其中执行所述方法的井筒12部分不是完全垂直的，尽管井筒可以包括其他大体上垂直的部分。

在这种实例中，希望钻出从井筒12的上侧向外延伸的分支或横向井筒18。在其他实例中，可能希望从井筒12的下侧或者在相对于井筒12的其他方向上钻出横向井筒18。因此，本公开的范围不限于在相对于井筒的任何特定方向上进行定向。

此外，本公开的范围不限于用于横向井筒钻井操作。相反，本文描述的设备和技术可以用于除了钻井之外的操作，诸如射孔、完井、压裂或者其他增产等。

现在另外参考图2，在已将工具管柱20引入井筒12之后代表性地示出了井系统10和方法。在这种实例中，工具管柱20包括封隔器22、定向装置24以及偏转器26。

封隔器22包括用于与套管14的内部密封接合的环形密封件28。封隔器22还可以包括用于抓握套管的内部的抓握装置，诸如卡瓦(slip)。封隔器22被配置用于将工具管柱20密封和固定在井筒12中。

在其他实例中，可以不使用环形密封件28。作为另一个替代方案，如果需要，闩锁装置可以用来将工具管柱20固定在井筒12中。因此，本公开的范围不限于工具管柱20中的任何特定元件或者任何特定配置、位置、布置、数量或类型的元件。

在这种实例中，定向装置24被定位在封隔器22与偏转器26之间。在设置封隔器22之后，从而将工具管柱20纵向固定在井筒12中，定向装置24用来相对于井筒旋转地或者在方位上定向偏转器26，以使得横向井筒18(见图1)在相对于与井筒12的垂直线的所希望的方向上被钻出。

偏转器26包括倾斜的偏转面30。在这种实例中，希望朝向钻出横向井筒18(见图1)的意图方向来定向面30。

还希望在不需要使用复杂测井工具的情况下、在不需要将设备另外地伸入到井筒12中的情况下、并且在不需要井下设备与地面仪器或人员之间的通信和/或合作的情况下以相对低的成本实现这种定向。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，可以获取或可以不获取这些优点中的部分或全部。

现在另外参考图3，在已定向偏转器26之后代表性地示出了井系统10和方法，以使得偏转面30被引导朝向用于钻出横向井筒18(见图1)的意图方向。注意，定向装置24的长度已随着偏转器26旋转到所希望的取向而减少。

为了实现偏转器26的定向，封隔器22被设置(例如，通过操纵工具管柱20和/或通过将压力应用至工具管柱等)，从而相对于井筒12固定工具管柱的下部部分20b。随后(例如，通过在用来将工具管柱输送到井筒12中的工作管柱32上释放)来将重量向下设置在工具管柱20的上部部分20a上，以使得工具管柱受压。

工具管柱20的这种压缩被用来将偏转器26旋转至其所希望的取向。有利地，相对于垂直线的所希望的取向以及偏转器26到所希望的取向的旋转都是利用施加至工具管柱20的压缩来实现的。

更具体地说，在这种实例中，定向装置24在位于所述定向装置的相对侧上的工具管柱20的部分20a、20b之间被纵向地压缩。在图3的实例中，在定向装置24的部件之间的环状空间62当定向装置被压缩来定向偏转器26时被纵向地减小。

现在另外参考图4，除了井系统10的其余部分之外，代表性地示出了在压缩工具管柱20之前定向装置24的部分的放大比例的部分截面视图。当然，定向装置24可以用在其他井系统和方法中，与本公开的原理一致。

在图4的实例中，定向装置24包括被布置在伸缩配置中的若干个大体上管状的部件。第一部件包括大体上管状的外壳34。第二部件包括被可往复地容纳在外壳34的上端中的大体上管状的套筒36。第三部件包括被可往复地容纳在外壳34和套筒36中的大体上管状的心轴38。在这种实例中，心轴38延伸穿过套筒36并进入外壳34中，其中心轴38借助于环形密封件40来密封。

可释放保持器42相对于外壳34可释放地固定套筒36，并且类似的可释放保持器44相对于套筒36可释放地固定心轴38。在图4的实例中，保持器42、44呈一个或多个剪刀销的形式，但是在其他实例中，所述保持器可以具有其他形式(诸如，一个或多个扣环、剪切环、夹头、闩锁、卡爪等)。因此，本公开的范围不限于附图中所描绘的或者本文所描述的定向装置24的任何特定配置、部件或元件。

一个或多个纵向延伸的键或花键46可以用来防止套筒36与外壳34之间的相对旋转，同时允许套筒与外壳之间的相对纵向移位。注意，套筒36相对于外壳34的纵向移位仅在保持器42释放之后被允许，并且心轴38相对于套筒36的纵向移位仅在保持器44释放之后被允许。

如果工具管柱20中的压缩被用在设置封隔器22，那么保持器42可以被配置成在大于用于设置封隔器的施加压缩力的压缩力下来释放，以使得封隔器在保持器释放之前被设置。保持器44可以被配置成在大于引起保持器42释放的施加压缩力的压缩力下释放，以使得套筒36在心轴38相对于套筒纵向移位之前相对于外壳34纵向移位。

接合构件48被接收在环状空间50中，所述环状空间50在外壳34与心轴38之间径向形成，并且在分别位于套筒36和外壳34上的可变形结构52、54之间纵向形成。如图4中所描绘的(在压缩定向装置24之前)，接合构件48在环状空间50中自由地周向移位，以使得接合构件由于重力作用而试图并且通常保持在所述环状空间的垂直最低的部分中。

现在另外参考图5，代表性地示出了定向装置24的部分的放大比例的部分截面视图。在这个视图中，可以更清晰地看出接合构件48相对于外壳34、套筒36、心轴38、环状空间50以及结构52、54定位的方式。

在这种实例中，接合构件48呈球或球体的形式，并且能够在环状空间50中到处周向地滚动。在其他实例中，接合构件48可以具有其他形状(诸如，圆柱体形状等)。因此，本公开的范围不限于定向装置24的任何部件的任何特定形状。

注意，接合构件48比套筒36或外壳34更加径向向内突起(至少在定向装置24的这个部分中是这样)。以这种方式，如下文更充分地描述的，接合构件48可以接合心轴38上的定向轮廓(在图5中不可见，见图7和图8)。

现在另外参考图6，在已施加足够的压缩力来释放保持器42(见图4)之后，在已设置封隔器22(见图2和图3)之后，代表性地示出了图5中描绘的定向装置24的部分。保持器42的释放允许套筒36相对于外壳34(其被固定以防止通过封隔器22的纵向移位)纵向向下移位。

注意，由于套筒36相对于外壳34的向下移位，环状空间50纵向减小。接合构件48因此在位于套筒36和外壳34上的结构52、54之间被纵向压缩。

在图6的实例中，结构52、54二者都变形并且因此适形于接合构件48的形状。在其他实例中，仅仅结构52、54中的一个可以变形，或者所述结构中没有一个可以变形。然而，结构52、54的变形可以用来在已释放保持器42之后在环状空间50中将接合构件48固定在其垂直最低的位置中。

不论结构52、54是否变形，套筒36与外壳34之间的接合构件48的纵向压缩可以用来保持接合构件，以使得其具有已知的垂直位置。由于接合构件具有已知的垂直位置，接合构件48随后可以用来相对于垂直线定向钻井工具(诸如偏转器26)。

在示出的实例中，结构52、54呈在套筒36和外壳34上形成的能够容易地纵向变形的锥形肩领的形式。在其他实例中，结构52、54可以与套筒36和/或外壳34分离，所述结构可以不是锥形的或者以其他方式变薄的，所述结构可以由可容易变形的材料等制成。因此，本公开的范围不限于结构52、54的任何特定配置或构造。

现在另外参考图7，在已释放保持器44之后代表性地示出了定向装置24的部分。接合构件48在套筒36与外壳34之间的空间50中保持固定在其最低的位置中。

锁定装置58防止套筒36从外壳34随后抽出。在这种实例中，锁定装置58包括一系列周向分布的弹性锁定指状物，但是其他类型的锁定装置(诸如，扣环、夹头、锁定卡爪或者闩锁、卡瓦等)可以用在其他实例中。

此外，心轴38已部分向下纵向(如在图7中所观察到的朝向右边)移位，以使得形成在心轴上的定向轮廓56接触接合构件48。当心轴38向下移位时，接合构件48(其被固定就位)与定向轮廓56之间的接触引起心轴38相对于外壳34和套筒36旋转。

在图7的实例中，定向轮廓56呈在外部形成在心轴38上的两个反向的螺旋状肩领的形式。对于本领域的技术人员而言，这种类型的定向轮廓通常被称为“斜口管鞋”轮廓。然而，如果需要，可以使用其他类型的定向轮廓。

在定向轮廓56的上端(如在图7中所观察到的朝向左边)处，在此处两个螺旋状肩领的上端相遇，纵向延伸的凹槽60形成在心轴38上。凹槽60具有相对于在定向装置24上方连接的偏转器26(或者其他钻井工具)的已知的、固定旋转的或者方位的取向。

例如，定向装置24可以连接到偏转器26以使得凹槽60旋转地与偏转器的偏转面30相对(相对于偏转器的偏转面30呈180度)。当心轴38(由于接合构件48与定向轮廓56之间的接触)向下移位和旋转时，偏转器26也将旋转，以使得偏转面30最终朝向所希望的方向(在这个实例中是垂直向上)被定向。

现在另外参考图8，在接合构件48已接合纵向凹槽60之后代表性地示出了定向装置24。偏转器26(或者其他钻井工具)现在被旋转地定向在所希望的方向中(例如，如图3中所描绘的)。心轴38相对于外壳34和套筒36的进一步向下移位受到阻止。可以提供锁定装置(未示出)来阻止心轴38相对于外壳34和套筒36的随后向上移位。

尽管上述描述已使用偏转器26的取向作为一个实例来提供对于本公开的原理的实际应用，应当明确理解的是那些原理可以用在各种其他应用中。例如，射孔枪、流体取样器、相机、喷射工具或者任何其他类型的钻井工具可以使用本公开的原理被旋转地或在方位上定向。

尽管在上文描述的实例中，钻井工具的所希望取向是垂直向上的，应当明确理解的是钻井工具可以使用本公开的原理在任何希望的方向上定向。例如，纵向凹槽60可以相对于钻井工具的特征来定向，以使得凹槽与所述特征相对(相对于所述特征呈180度)或者与所述特征对准(相对于所述特征呈0度)，或者处于相对于所述特征的任何其他取向上(例如，+/-90度、+/-10度、+/-50度等)。

现在可以完全理解的是，上述公开为井下定向钻井工具的领域提供了显著的进步。上文描述的定向装置24实例可以常规地仅仅通过正在使用的工具管柱20的压缩来旋转定向钻井工具。不需要复杂或昂贵的电子器件、或者装置24与地面之间的通信方式、或者到井内的单独的行程(尽管如果需要的话可以包括这些)。

在一个方面中，上文中描述了在地下井筒12中定向钻井工具(诸如，偏转器26)的方法。在一个实例中，所述方法包括：在定向装置24上设置向下的重量，从而将先前在装置24中自由地周向移位的接合构件48固定就位；以及在固定之后，将接合构件48与定向轮廓56接合。

设置向下的重量的步骤可以包括在工具管柱20的部分20a、20b之间压缩定向装置24。

固定就位的步骤可以包括使定向装置24的结构52、54变形。变形步骤可以包括使结构52、54适形于接合构件48的形状。

所述方法可以包括在固定步骤之后，在工具管柱20的部分20a、20b之间压缩定向装置24，从而相对于井筒12定向钻井工具(诸如，偏转器26)。定向步骤可以包括定向轮廓56利用工具管柱20的部分中的一个20a相对于接合构件48移位。

固定步骤可以包括使在设置向下的重量的步骤期间移位的套筒36变形。

用于地下井中的定向装置24也在上文中进行了描述。在一个实例中，定向装置24可以包括第一可释放保持器42和第二可释放保持器44，所述第一可释放保持器42和第二可释放保持器44允许定向装置24的部分响应于被施加到定向装置24的相应的第一压缩力和第二压缩力的施加来相对于彼此移位；接合构件48，所述接合构件48在定向装置24中自由地周向移位；以及第一部件和第二部件(诸如，外壳34和套筒36)。第一部件与第二部件之间的空间50响应于到定向装置24的第一压缩力的施加而减小。响应于第一部件与第二部件之间的空间50的减小接合构件48被阻止周向移位。

锁定装置58可以阻止第一部件与第二部件之间的空间50增大。

响应于第一部件与第二部件之间的空间50的减小，定向装置24的长度可以减小。

定向装置24还可以包括第三部件(诸如，心轴38)。第二部件与第三部件之间的空间62(见图3)可以响应于第二压缩力的施加而减小。

定向轮廓56可以响应于第二部件与第三部件之间的空间62的减小来相对于接合构件48移位。响应于第二部件与第三部件之间的空间62的减小，定向装置24的长度可以减小。

在地下井筒12中定向钻井工具的另一种方法在上文中进行了描述。在一个实例中，所述方法可以包括：在工具管柱20的部分20a、20b之间压缩定向装置24，从而将先前在装置24中自由地周向移位的接合构件48固定就位，所述固定步骤包括使定向装置24的结构52、54变形；以及在固定之后，将接合构件48与定向轮廓56接合。

压缩步骤可以包括在定向装置24上设置向下的重量。压缩步骤可以包括减小定向装置24的长度。减小定向装置24的长度可以在固定步骤之后(完全地或者部分地)执行，从而相对于井筒12定向钻井工具。

定向步骤可以包括定向轮廓56利用工具管柱20的部分20a、20b中的一个相对于接合构件48移位。结构52可以位于在压缩步骤期间移位的套筒36上。

尽管上文已经描述了各种实例，其中每个实例具有某些特征，但是应当理解的是，一个实例的特定特征没有必要与那个实例一起排他性地进行使用。相反，上文所描述的和/或附图中所描绘的任何特征可以与任何实例相结合，除了或代替那些实例的任何其他特征。一个实例的特征与另一个实例的特征不是互相排斥的。相反，本公开的范围涵盖任何特征的任何组合。

尽管上文描述的每个实例包括特征的某种组合，但是应当理解的是，没有必要使用一个实例的所有特征。相反，在没有同样使用任何其他特定特征或多个特征的情况下，可以使用上文描述的任何特征。

应当理解的是，在不偏离本公开的原理的情况下，可将本文描述的各种实施方案利用在各种取向上(例如倾斜、倒置、水平、垂直等)和各种配置中。描述所述实施方案仅仅作为本公开的原理的有用应用的实例，其并不限于这些实施方案的任何特定细节。

在代表性实例的以上描述中，使用方向术语(例如，“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等)以便于参考附图。然而，应清楚地理解，本公开的范围并不限于本文描述的任何特定方向。

术语“包括(including/include/comprising/comprise)”和类似术语在本说明书中以非限制性意义来使用。举例来说，如果将系统、方法、设备、装置等描述为“包括”某一特征或元件，那么系统、方法、设备、装置等可以包括所述特征或元件，且还可以包括其他特征或元件。类似地，术语“包括”被认为意味着“包括，但不限于”。

当然，所属领域的技术人员在仔细考虑本公开的代表性实施方案的以上描述后将容易了解，可以对特定实施方案进行许多修改、添加、替代、删除和其他改变，且此类改变是本公开的原理所涵盖的。例如，公开为单独成形的结构在其他实例中可以被整体成形并且反之亦然。因此，先前具体描述被清楚地理解为仅借助于说明和实例来给出，本发明的精神和范围仅由随附权利要求书及其等效物限制。

Claims (20)

1.一种在地下井筒中定向钻井工具的方法，所述方法包括：

在定向装置上设置向下的重量，从而将先前在所述装置中自由地周向移位的接合构件固定就位；以及

在所述固定之后，将所述接合构件与定向轮廓接合。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述设置向下的重量包括在工具管柱的多个部分之间压缩所述定向装置。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述固定就位还包括使所述定向装置的结构变形。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述变形还包括使所述结构适形于所述接合构件的形状。

5.如权利要求1所述的方法，其还包括，在所述固定之后，在所述工具管柱的多个部分之间压缩所述定向装置，从而相对于所述井筒定向所述钻井工具。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述定向还包括所述定向轮廓利用所述工具管柱的所述多个部分中的一个部分相对于所述接合构件移位。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述固定还包括使在所述设置向下的重量期间移位的套筒变形。

8.一种用于地下井中的定向装置，所述定向装置包括：

第一可释放保持器和第二可释放保持器，所述第一可释放保持器和第二可释放保持器允许所述定向装置的多个部分响应于被施加到所述定向装置的相应的第一压缩力和第二压缩力的施加来相对于彼此移位；

接合构件，所述接合构件在所述定向装置中自由地周向移位；以及

第一部件和第二部件，其中在所述第一部件与第二部件之间的空间响应于所述第一压缩力施加到所述定向装置而减小，并且其中响应于在所述第一部件与第二部件之间的空间的减小所述接合构件被阻止周向移位。

9.如权利要求8所述的定向装置，其中锁定装置阻止所述第一部件与第二部件之间的空间增大。

10.如权利要求8所述的定向装置，其中所述定向装置的长度响应于所述第一部件与第二部件之间的空间的减小而减小。

11.如权利要求8所述的定向装置，其还包括第三部件，其中所述第二部件与第三部件之间的空间响应于所述第二压缩力的施加而减小。

12.如权利要求11所述的定向装置，其中定向轮廓响应于所述第二部件与第三部件之间的空间的减小而相对于所述接合构件移位。

13.如权利要求11所述的定向装置，其中所述定向装置的长度响应于所述第二部件与第三部件之间的空间的减小而减小。

14.一种在地下井筒中定向钻井工具的方法，所述方法包括：

在工具管柱的多个部分之间压缩定向装置，从而将先前在所述装置中自由地周向移位的接合构件固定就位，所述固定包括使所述定向装置的结构变形；以及

在所述固定之后，将所述接合构件与定向轮廓接合。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述压缩包括在所述定向装置上设置向下的重量。

16.如权利要求14所述的方法，其中所述变形还包括使所述结构适形于所述接合构件的形状。

17.如权利要求14所述的方法，其还包括，在所述固定之后，减小所述定向装置的长度，从而相对于所述井筒定向所述钻井工具。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述定向还包括所述定向轮廓利用所述工具管柱的多个部分中的一个部分相对于所述接合构件移位。

19.如权利要求14所述的方法，其中所述结构位于在所述压缩期间移位的套筒上。

20.如权利要求14所述的方法，其中所述压缩还包括减小所述定向装置的长度。