CN105672886A - 铰孔工具和在井孔中使用铰孔工具的方法 - Google Patents

Abstract

一种铰孔工具，包括具有纵向轴线和与下端相对的上端的工具本体，以及从工具本体的外表面向外延伸的至少一个刀片。刀片包括限定铰孔工具的尺寸的滚动元件，以及布置成比滚动元件尺寸小并包括切削表面的刀片表面。此外，还涉及一种在井孔中操作的方法，包括向钻柱提供井底钻具组件以及将处于所述钻柱内的至少一个部位处的铰孔工具提供到井底钻具组件内或上方。

Description

铰孔工具和在井孔中使用铰孔工具的方法

相关申请的交互参照

根据35USC119(e)，本申请要求了对2014年3月10日提交的美国临时专利申请第61/950,684号的优先权，本文以参见方式引入其全部内容。

技术领域

本发明涉及油气勘探和开采领域，具体来说，涉及铰孔工具和在井孔的运行方法中对这种铰孔工具的使用。

背景技术

在油气工业中，使用垂直和定向的钻探技术来形成井。钻探过程包括使用钻柱最先钻探出先导的钻孔，该钻柱具有井底钻具组件(BHA)，该井底钻具组件在其前端处具有钻头。先导的钻孔随后必须使用一个或多个铰孔工具进行铰孔，以容纳套管、生产管等，并改进钻孔尺寸、形状和状况。如此形成的井然后“完工”，即，通过安装套管(如果使用的话)、生产管和相关工具以及打孔和激励井底孔，以此准备好进行生产。

一般地，钻头向下挺进，直到钻头达到目标深度为止。然后拉出钻柱，将铰孔BHA附连到钻柱的前端上。该铰孔BHA然后在井下推进，在井完工之前，进行铰孔和完善钻孔，其后将其拉出，同时在拉出的路上铰孔该钻孔。如上所讨论的，在先导孔已经形成之后和井完工之前，该类型的铰孔需要特定的铰孔行程，这是不方便和低效率的。必须将钻探BHA拉出钻孔外以便用铰孔BHA替换它，这导致耗费昂贵的非生产时间。

目前可供使用的某些铰孔工具只适用于在软土地层内改进钻孔尺寸，不太适用于铰孔硬地层。在大多数井孔中，地层一般地从软地层变化到硬地层，以及反之亦然。因此，需要一种工具和方法，来对软地层和硬地层提供高的钻孔质量。还需要降低在转动钻柱时造成的过度扭矩，同时铰孔表面一直接触到地层。此外，还需要这样的铰孔工具，其在经受磨损之后，可从井孔中的使用容易地更换或进行修理。

发明内容

根据第一方面，本发明涉及铰孔工具，该铰孔工具包括工具本体，该工具本体具有纵向轴线以及与下端相对的上端，以及包括从工具本体的外表面突出的至少一个刀片。所述刀片包括限定铰孔工具的尺寸(gauge，规格)的滚动元件，以及布置成比滚动元件尺寸小(undergauge，在滚动元件的尺寸之内)并包括切削表面的刀片表面。

较佳地，铰孔工具的尺寸和刀片表面的尺寸之间的偏移量在1mm和20mm之间。

较佳地，刀片表面包括第一部分和第二部分，第一部分包括滚动元件，而第二部分从第一部分的端部朝向工具本体逐渐地减小。

较佳地，刀片还包括与第二部分相对的第三部分，该第三部分包括第二切削表面，第三部分从第一部分的与所述第一端相对的第二端朝向工具本体逐渐地减小。

较佳地，刀片表面的第一部分以相对于工具的中心轴线的一定距离沿刀片延伸，该距离在刀片表面的第一点与刀片表面的第二点两点之间：第一点是处于相对于中心轴线为较大距离处的刀片表面的第一点，以及刀片表面的第二点位于第一点和刀片表面的所述尺寸相对于工具本体的外表面的高度的至少50％之间。换句话说，刀片表面的第一部分的一部分沿刀片延伸在以下两点之间：刀片表面的第一点，该第一点在滚动元件的第一侧上、相对于中心轴线为较大距离处，以及刀片表面的第二点，第二点位于滚动元件的同一侧上、在第一点和刀片表面的尺寸相对于工具本体的外表面的高度的至少50％之间。

较佳地，刀片表面的第一部分基本上平行于中心轴线。

较佳地，刀片表面的第二部分包括切削表面，该切削表面设置有位于其至少一部分上的一个或多个切削元件，切削元件构造在所述切削表面上、在距离工具本体的所述纵向中心轴线的一定径向距离处，该径向距离小于或等于刀片表面的第一部分和工具本体的纵向中心轴线之间的最大径向距离。

较佳地，切削表面包括切削元件的结构，切削元件从工具本体的外表面附近延伸到刀片表面的第一部分附近。

较佳地，一个或多个切削元件构造在所述切削表面上，以使所述切削元件的延伸的纵向轴线定位在相对于与所述工具本体的纵向轴线垂直的平面的角度下，该角度在0°和85°之间。

较佳地，切削元件定位在负的后倾角。

较佳地，滚动元件包括铰孔元件。

较佳地，刀片表面的第一部分包括铰孔元件，铰孔元件相对于铰孔工具尺寸为尺寸较小。

较佳地，滚动元件具有转动轴线，该转动轴线被包括在平行于工具本体的纵向轴线的平面内。

较佳地，刀片包括凹腔，包括所述滚动元件的盒固定在其中。

较佳地，所述盒包括支承轴的第一块体和第二块体，所述滚动元件围绕所述轴布置。

较佳地，第一块体和/或第二块体设置有铰孔元件或硬材料涂层。

较佳地，铰孔元件是带有平顶的铰孔嵌入物。

附图说明

图1示出根据本发明实施例的铰孔工具的侧视图。

图2是根据本发明另一实施例的铰孔工具的简化图，其中，包括铰孔元件和切削元件的细节未予示出。

具体实施方式

图1示出根据本发明一实施例的铰孔工具。该铰孔工具包括工具本体1，该工具本体具有纵向轴线2、与下端4相对的上端3，以及该铰孔工具包括从工具本体1的外表面向外延伸的至少一个刀片5。较佳地，工具本体1基本上是圆柱形。图1示出铰孔工具的优选实施例，铰孔工具包括三个刀片，它们较佳地被凹槽12等距离地隔开。替代地，刀片也可不是等距离地隔开。铰孔工具可具有任何数量的刀片。每个刀片5包括滚动元件9和形成刀片最外表面的刀片表面。滚动元件9限定铰孔工具的尺寸。刀片表面包括远离滚动元件9的切削表面。该切削表面具有比滚动元件9小的外直径。较佳地，铰孔工具的尺寸偏离刀片表面的尺寸一定距离，该距离在1mm和20mm之间，较佳地在1mm和10mm之间，且更加较佳地在2mm和8mm之间。

刀片表面包括第一部分6，第一部分包括滚动元件9，刀片表面还包括第二和第三部分7、8，它们的直径从第一部分6的各端部朝向工具本体1逐渐减小。如图2所示，刀片表面的第一部分6以相对于工具的中心轴线2为距离(D)地沿刀片延伸。该距离(D)可在以下两距离之间变化：(1)从中心轴线到最大直径处刀片表面的第一点的距离，以及(2)从中心轴线到刀片表面的第二点的距离，其中，第二点位于第一点和刀片表面的尺寸相对于工具本体1的外表面的高度(H)的至少50％之间，或较佳地，位于第一点和刀片表面尺寸相对于工具本体1的外表面的高度(H)的至少75％之间，或更加较佳地，位于第一点和刀片表面尺寸相对于工具本体1的外表面的高度(H)的至少90％之间。图1示出基本上平行于铰孔工具中心轴线2的刀片表面的第一部分6的实施例，因此，第二点基本上处于与刀片表面上第一点相同的高度处。

滚动元件9减小铰孔工具的刀片5和钻孔壁之间的摩擦力，由此，在井中转动钻柱时减小扭矩。滚动元件9具有大致的圆柱形形状，以在井孔中转动时稳定钻柱。较佳地，滚动元件9包括铰孔元件，于是，铰孔元件切削凹进(indent)地层，并通过压碎地层来碎裂地层。更加较佳地，铰孔元件是碳化钨嵌入物。替代地，滚动元件包括铣过的齿作为铰孔元件。铣过的齿式滚动元件较佳地由钢材制成，并借助于诸如渗碳工艺那样的热处理，或借助于表面硬化处理或通过两种处理的组合来进行硬化。在两种类型的滚动元件中，在压碎地层时作用在铰孔元件上的力主分量是径向的而不是切向的。替代地，滚动元件9可以没有任何铰孔元件。在一个实施例中，滚动元件在其两个末端14上具有较小的直径，以接合地层。

较佳地，切削表面7、8包括设置在其至少一部分上的一个或多个切削元件15。较佳地，该切削元件15是多晶金刚石刀具(PDC)。更加较佳地，切削元件15构造在切削表面7、8上，在距离工具本体1的纵向中心轴线2的一定径向距离处，该径向距离小于或等于刀片表面的第一部分6和工具本体的纵向中心轴线2之间的径向距离。预备孔位于每个切削元件15的后面，且通常用接合销21塞住。如果切削元件15损坏，则移去就在损坏的切削元件后面的接合销21，并将新的切削元件安装在预备孔内。这样，切削元件15一次性地在现场进行了调整。一旦大部分保留的切削元件损坏了，则工具送到维护保养作大修。

在一个实施例中，切削元件15可沿铰孔工具转动方向设置在刀片边缘附近处。例如，如果铰孔工具包括朝向钻探方向定向的切削表面，则切削元件定位在首先与地层接触的刀片边缘的附近处。如果铰孔工具还包括朝向拉出孔外的方向定向的切削表面，则切削元件定位在首先与地层接触的刀片边缘的附近处。较佳地，铰孔工具包括朝向钻探方向定向的第一切削表面7和朝向工具拉出孔外的方向定向的第二切削表面。对于钻探操作和拉出孔外的操作，铰孔工具较佳地循着相同的径向方向转动，因此，切削元件布置在位于刀片的同一侧上的刀片边缘附近处。

较佳地，切削元件15布置在切削表面上，使得第一切削元件设置在工具本体的外表面附近，而第二切削元件设置在刀片表面的第一部分附近。较佳地，切削表面包括多个切削元件的结构，它们沿着切削表面从工具本体的外表面附近延伸到刀片表面的第一部分附近。在钻孔壁与刀片表面的第一部分和滚动元件接触之前，多个切削元件的该结构允许切削任何残留的突脊或井径缩小点(tightspots)。多个切削元件的该结构还防止切削表面的磨损。有利地，嵌入物11的另一种结构、诸如碳化钨嵌入物或金刚石浸渍的嵌入物或PDC嵌入物，设置在切削表面7、8上，并循着铰孔工具的转动方向设置在切削元件15的后面，以加强切削表面7、8并防止切削表面的过早磨损。

较佳地，切削元件具有纵向轴线，并定向成与垂直于铰孔工具轴线的平面形成一定角度，该角度在0°和85°之间，较佳地在10°和45°之间，更佳地在15°和30°之间。

更佳地，切削元件定位成负的后倾角，较佳地包括在5°和30°之间，后倾角是刀具表面和垂直于正在钻探的地层的直线之间的角度。当切削单元的前导边缘在垂直线之前时，该角度定义为负的。当割刀元件具有正的后倾角时，其切削面和正在钻探的地层表面之间的角度大于90°。当切削元件具有负的后倾角时，其切削面和正在钻探的地层表面之间的角度小于90°。

较佳地，刀片包括用于朝向钻探方向切削的第一切削表面和用于朝向拉出孔外方向切削的第二切削表面，第一切削表面和第二切削表面分别位于刀片的相对的第一端和第二端处，位于刀片表面的第一部分的两侧上。

较佳地，刀片表面的第一部分还包括静止的铰孔元件，较佳地是碳化钨嵌入物或铣过的齿，它们相对于滚动元件的最外面暴露的铰孔元件尺寸略小。较佳地，滚动元件的铰孔元件的顶部被包含在恒定直径的圆柱形包络内。较佳地，滚动元件的最外铰孔元件限定铰孔工具的尺寸(规格)，并与固定的铰孔元件顶部径向偏移开，该径向偏移量在1mm和20mm之间，较佳地在1mm和10mm之间，更加较佳地在2mm和8mm之间。

较佳地，滚动元件具有转动轴线，该转动轴线被包含在平行于工具本体纵向轴线的平面内。

较佳地，刀片包括凹腔，包括所述滚动元件的盒固定在其中。

较佳地，所述盒包括支承轴的第一块体和第二块体，所述滚动元件围绕所述轴布置。

较佳地，第一块体和/或第二块体设置有诸如碳化钨嵌入物的铰孔嵌入物或铣过的齿。替代地，盒的第一和/或第二块体涂敷有诸如碳化钨之类的硬材料。

较佳地，铰孔嵌入物具有平顶，例如，截头穹顶形的碳化钨嵌入物。

根据第二方面，本发明涉及一种在井孔中操作的方法，该方法包括如下步骤：向钻柱提供井底钻具组件，该井底钻具组件较佳地包括钻头，以及将如上所述的处于钻柱内至少一个部位处的铰孔工具向上提供到钻头。

较佳地，该方法中使用的铰孔工具包括位于铰孔部分两侧上的两个切削表面。第一切削表面朝向钻探方向定向，以在钻头通过之后以及在钻柱转动时用铰孔部分来铰孔钻孔之前，切削残留的突脊或井径缩小点或坍塌的地层。第二切削表面朝向拉出孔外的方向定向，一旦钻头已经到达某个部位并且钻柱从孔中拉出，且铰孔部分在钻柱转动时第二次铰孔钻孔之前，切削残留的突脊或井径缩小点或坍塌的地层。

有利地，这里披露的铰孔工具消耗比目前可供的铰孔工具少的扭矩，同时，仍然提供切削任何的突脊或井径缩小点或坍塌的地层的能力。本发明的另一优点是，铰孔结构现在可在现场进行调整。一旦滚动元件磨损，可旋下盒子，安装上新的盒子。本发明提供的另一优点是，工具的寿命较长，因为井孔的铰孔主要是带有切削表面的切削元件完成的。任何大的突脊将首先被切削元件切掉。

所述主题并不局限于这里所描述的特殊实施例的范围之内。的确，本技术领域内技术人员从上述的描述中，将会明白到本发明的各种修改可添加到这里所描述的实施例。如此的修改都欲落入到附后权利要求书的范围之内。

Claims (18)

1.一种铰孔工具，所述铰孔工具包括：

工具本体，所述工具本体具有纵向轴线和与下端相对的上端；以及

从所述工具本体的外表面向外延伸的至少一个刀片，所述至少一个刀片包括：

限定铰孔工具的尺寸的滚动元件，以及

刀片表面，所述刀片表面布置成在所述滚动元件的尺寸之内并包括切削表面。

2.如权利要求1所述的铰孔工具，其特征在于，铰孔工具的尺寸和刀片表面的尺寸之间的偏移量在1mm和20mm之间。

3.如权利要求1所述的铰孔工具，其特征在于，刀片表面还包括：

第一部分，第一部分包括滚动元件，以及

第二部分，第二部分从第一部分的第一端朝向工具本体逐渐地减小，第二部分包括第一切削表面。

4.如权利要求3所述的铰孔工具，其特征在于，刀片还包括与第二部分相对的第三部分，该第三部分包括第二切削表面，第三部分从第一部分的与所述第一端相对的第二端朝向工具本体逐渐地减小。

5.如权利要求3所述的铰孔工具，其特征在于，刀片表面的第一部分相对于工具的中心轴线为一距离(D)地沿所述刀片延伸，所述距离在以下两点之间：

刀片表面的第一点，所述第一点处于相对于中心轴线的较大距离处；以及

刀片表面的第二点，所述第二点位于第一点和刀片表面的尺寸相对于工具本体的外表面的高度(H)的至少50％之间。

6.如权利要求3所述的铰孔工具，其特征在于，刀片表面的第一部分基本上平行于中心轴线。

7.如权利要求1所述的铰孔工具，其特征在于，所述切削表面设置有位于其至少一部分上的一个或多个切削元件，所述切削元件布置在所述切削表面上，这样，切削元件的末端处于距离工具本体的所述纵向中心轴线一径向距离处，所述径向距离小于或等于铰孔工具的尺寸。

8.如权利要求7所述的铰孔工具，其特征在于，所述切削表面包括切削元件的结构，切削元件从工具本体的外表面附近延伸到刀片表面的第一部分附近。

9.如权利要求7所述的铰孔工具，其特征在于，一个或多个切削元件构造在所述切削表面上，以使所述切削元件的延伸的纵向轴线定位在相对于与所述工具本体的纵向轴线垂直的平面的一角度下，所述角度在0°和85°之间。

10.如权利要求7所述的铰孔工具，其特征在于，切削元件定位在负的后倾角。

11.如权利要求1所述的铰孔工具，其特征在于，滚动元件包括铰孔元件。

12.如权利要求3所述的铰孔工具，其特征在于，刀片表面的第一部分包括铰孔元件，铰孔元件比铰孔工具的尺寸小。

13.如权利要求1所述的铰孔工具，其特征在于，滚动元件具有转动轴线，所述转动轴线被包括在平行于工具本体的纵向轴线的平面内。

14.如权利要求1所述的铰孔工具，其特征在于，刀片包括凹腔，包括所述滚动元件的盒固定在所述凹腔中。

15.如权利要求14所述的铰孔工具，其特征在于，所述盒包括支承轴的第一块体和第二块体，所述滚动元件围绕所述轴布置。

16.如权利要求15所述的铰孔工具，其特征在于，第一块体和第二块体之一设置有铰孔元件或硬材料涂层。

17.如权利要求12所述的铰孔工具，其特征在于，铰孔元件是带有平顶的铰孔嵌入物。

18.一种在井孔中操作的方法，所述方法包括如下步骤：

向钻柱提供井底钻具组件；

将处于所述钻柱内的至少一个部位处的铰孔工具提供到井底钻具组件内或上方，所述铰孔工具包括：

具有纵向轴线和与下端相对的上端的工具本体；以及

从工具本体的外表面向外延伸的至少一个刀片，所述至少一个刀片包括：

限定铰孔工具的尺寸的滚动元件，以及

刀片表面，所述刀片表面布置成在所述滚动元件的尺寸之内并包括切削表面。