CN105683486A - 用于井筒工具的密封组合件 - Google Patents
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Abstract
一种用于可定位在井筒中的扩眼工具的密封组合件，其包括：环形密封件，其安置在所述扩眼工具的工具外壳的纵向孔中；环形刮泥器，其安置在所述纵向孔中的所述环形密封件的上游；和管状套管，其耦接至被安置在所述工具外壳的所述纵向孔中的驱动机构并且可随之一起移动。管状所述套管安置在所述驱动机构与所述工具外壳的所述纵向孔的表面之间的径向间隙中。所述套管包括穿过所述套管的侧壁的径向开口，且当所述驱动机构移动穿过所述工具外壳的所述纵向孔时，所述管状套管可与所述环形密封件和所述环形刮泥器可滑动地接合。
Description
技术领域
本说明书大致涉及一种用于密封井筒工具的组合件和方法。
背景技术
在钻井操作期间，将钻柱下放至井筒中。在一些钻井操作中，旋转钻柱。钻柱的旋转为附着至钻柱的远端的钻头提供旋转。在其它钻井操作中，安置在钻柱中的井下泥浆马达、旋转可导向系统或其组合可用于操作钻头。
为了穿过在井筒中已经就位的套管的上部钻柱的内径或其它形式的限制，钻头通常将为钻比井筒中的后续操作所可能期望的小的保径孔的这样一个大小。可能期望具有较大直径井筒以实现套管的其它钻柱的下钻以及允许这种后续套管柱的外径与钻孔壁之间的充足环空空间以用于良好的水泥护层或简单允许管穿过迂回或高度偏斜井路径。采用这种方法来通过改进的井筒清洁和液体水力工况改善操作环境。井筒开孔器(扩眼器)可被包括在MWD/LWD工具和/或旋转可导向工具上方的钻柱中。注意，如本文中所使用，术语“井筒扩眼器”、“开孔器”和“管下扩眼器”是可互换的。一些井筒扩眼器通过内部活塞系统启动，所述内部活塞系统包括驱动杆，所述驱动杆在井筒扩眼工具的主体内纵向移动以打开多个外部铣刀。这些现有技术井筒扩眼器可具有密封系统，其在活塞系统纵向移动时允许来自井筒环空并且由钻井流体携带的碎屑捕集在穿过井筒扩眼工具的流体的流径中的环空空间中。捕集的钻井流体中的井筒碎屑和颗粒物质可能损坏井筒扩眼工具中的表面并且可能楔入环空空间中，导致工具内的零件之间增大的摩擦，损坏工具和/或导致工具卡住并且故障。
附图说明
图1是包括用于钻井筒的钻井平台的示例性钻井系统的图。
图2A是用于图1的钻井系统中的井底组合件的一部分的侧横截面图，其中井底组合件包括铣刀处于闭合位置的井筒扩眼工具。
图2B是描绘井筒扩眼工具的一部分的图2A的放大部分。
图2C是描绘井筒扩眼工具的密封组合件的图2B的放大部分。
图3A是井底组合件的一部分的侧横截面图，其包括铣刀处于打开位置的井筒扩眼工具。
图3B是描绘井筒扩眼工具的密封组合件的图3A的放大部分。
图4A至图4C是图示用于井筒扩眼工具的密封组合件的操作的连续侧横截面图。
具体实施方式
图1是包括用于钻出井筒12的钻井平台10的示例性钻井系统的图。钻井平台10包括钻柱14，所述钻柱14由大致定位在地球表面18上的井架16支撑。钻柱14从井架16延伸至井筒12中。钻柱14的下端部处的井底组合件100包括井筒工具200(例如，扩眼工具)和钻头19。用以促进钻井操作的各种其它井筒工具也可被包括而已知示出。如下文参考图2讨论，在本实例中，井筒工具200是扩眼工具。钻头19可为固定铣刀钻头、牙轮钻头或适于钻井筒的任何其它类型的钻头。钻头19可由地面设备旋转和/或由支撑在钻柱中的地下马达(通常被称作“泥浆马达”)旋转，所述地面设备旋转整个钻柱14。
钻井流体供应系统20包括一个或更多个泥浆泵22(例如，双缸泵、三缸泵或六缸泵)，用以迫使钻井流体(通常称作“钻井泥浆”)向下流动穿过钻柱14的内部流道(例如，钻柱的中心孔)。钻井流体供应系统20也可包括用于监控、调节和存储钻井流体的各种其它组件。控制器24通过发布操作控制命令至系统的各种组件来操作流体供应系统20。例如，控制器24可通过发布创建泥浆泵22的速度、流速和/或压力的操作控制信号来指示泥浆泵22的操作。
在一些实施中，控制器24是包括保存用于由处理器处理的数据和指令的存储器单元的计算机系统。处理器从存储器单元接收程序指令和传感反馈数据，执行通过程序指令调用的逻辑操作并且产生用于操作流体供应系统20的命令信号。输入/输出单元将命令信号传输至流体供应系统的组件并且接收来自遍布钻井平台10的各种传感器的传感反馈。对应于传感反馈的数据存储在存储器单元中供处理器检索。在一些实例中，控制器24自动(或半自动)基于应用至来自遍布钻井平台的传感器的反馈数据的所编程控制例程操作流体供应系统20。在一些实例中，控制器基于由用户手动发布的命令操作流体供应系统20。
钻井流体穿过钻头19或在钻头19附近从钻柱14排出以协助钻井操作(例如，通过润滑和/或冷却钻头)，且随后穿过井筒12与钻柱14之间形成的环空26朝向地面18导回。流动穿过环空26的重新导回钻井流体将碎屑从井筒12的底部朝向地面18携带。在地面上，可将碎屑从钻井流体移除，且钻井流体可返回至流体供应系统20以供进一步使用。
在钻井平台10的上文描述中，设备的各种项目(诸如管、阀、紧固件、配件等)可能已被省略来简化描述。但是，本领域技术人员将了解可根据期望采用这些传统设备。本领域技术人员将进一步了解所描述的各种组件被引述用于说明上下文的目的并且不限制本公开的范围。此外，虽然在促进笔直井下钻井的配置中示出钻井平台10，但是将了解导向钻井配置也被设想并且因此在本公开的范围内。又进一步，虽然钻井平台10被描绘为陆上钻井平台，但是在本公开的范围内设想各种其它类型的钻井平台(例如，设计用于海上和内陆水域操作的钻井平台)。
图2A至图3B是可例如被并入图1中描绘的钻井平台10中的井底组合件100的一部分的侧横截面图。如上所述，在本实施中，井底组合件100配备井筒扩眼工具200。扩眼工具200包括安装在井底组合件100的上部外壳102与下部外壳104之间的工具外壳202。上部外壳102和下部外壳104可耦接至位于扩眼工具200上方和下方的井底组合件100的其它组件(例如，一个或更多个钻铤、稳定器、减震器、随钻测量子组合件和/或钻头子组合件)。上部外壳102、下部外壳104和工具外壳202中的每个是长形管状构件，其提供用于循环钻井流体1的连续中心腔(例如，中心孔)。例如，钻井流体1可流动穿过井底组合件的孔，流出钻头，并且向上朝向地面18处的钻井流体供应系统20流动穿过井筒环空26。
井筒扩眼工具200包括工具外壳202、铣刀204的配置、驱动机构206和密封组合件208。铣刀204绕工具外壳202圆周分布。在一些实例中，扩眼工具200包括绕工具外壳202的中心轴按120°的圆周间隔定位的三个铣刀204。当然，在各种其它实施方案和实施中可使用铣刀的任何适当配置，而不脱离本公开的范围。在本实例中，这些铣刀204中的每个包括一对切削臂210a和210b，其形成可在缩回位置(见图2A)与展开位置(见图3A)之间移动的角度铰接。在缩回位置，切削臂210a和210b被保持成抵靠工具外壳202。在展开位置，切削臂210a和210b从工具外壳202径向向外延伸以接合井筒12的壁。切削臂210a和210b可包括切削头(例如，PDC铣刀齿、金刚石镶齿铣刀、硬面金属齿)，其在扩眼工具200随井下组合件100一起旋转时沿着井筒12的壁研磨和切削地层，由此扩大井筒12的直径。也可使用铣刀臂的其它适当构造(例如，单块和/或活塞构造)而不脱离本公开的范围。
驱动机构206包括多个传动臂212、上部驱动杆214、下部驱动杆216、伸长杆218和偏置构件220。这些传动臂212中的每个耦接在各自切削臂210b与上部驱动杆214之间。在本实例中，传动臂212被安装成沿着工具外壳202的外表面纵向滑动。此外，多个传动臂中的每个包括叉状构件224，其穿过长形径向槽226突出至工具外壳202的孔225中以接合上部驱动杆214的环形槽227(见图2C和图3B)。因此，上部驱动杆214在向上(例如，“向井口”)方向上的纵向移动导致传动臂212在向上方向的相仿纵向移动以实现各自切削臂210a和210b的展开或缩回。尤其，当上部驱动杆214被向上驱动时(相对于工具外壳202)，传动臂212的所产生的向上平移导致铰接切削臂210a和210b向外挠曲至展开位置。且当上部驱动杆214被向下驱动时(相对于工具外壳202)，传动臂212的所产生的向下平移导致铰接切削臂210a和210b向内折叠至缩回位置。
上部驱动杆214耦接至下部驱动杆216；下部驱动杆216耦接至伸长杆218；且偏置构件220安装在工具外壳202和下部外壳104中以施加普遍向下偏置力228在伸长杆218上。由偏置构件220提供的向下偏置力228可由向上净液压力230对抗。在钻井操作期间，向上净液压力230可克服向下偏置力228并且导致伸长杆218、下部驱动杆216和上部驱动杆214的向上移动。如上所述，上部驱动杆214的这种向上移动可导致切削臂210a和210b经由传动臂212展开。如下文描述，通过在下部驱动杆216的径向凸缘组件232的任一侧上创建相对低压流体腔和相对高压流体腔而形成净液压力230(见图2C和图3B)。
参考图2A、图2B和图3A，上部驱动杆214是被安装来纵向平移穿过工具外壳202的孔225的管状构件。上部驱动杆214的中空孔与工具外壳202的孔225流体连通以接收钻井流体1的循环流。如在放大横截面2C和3B中图示以及如在下文中所描述的那样，横穿上部驱动杆214的圆柱形侧壁的径向孔234允许来自井筒环空26的流体经由工具外壳202中的径向槽226向内流动至上部驱动杆214的内孔中。形成在上部驱动杆214的侧壁中的纵向通道235与径向孔234对准以促进这种向内流体流。
管状插塞构件236固定地安装在上部驱动杆214的孔内，使得上部流体腔(未示出)形成在插塞构件236的外表面与上部驱动杆214的内表面之间。上部流体腔定位在下部驱动杆216的径向凸缘组件232上方。这种上部流体腔容纳来自井筒环空26的相对低压流体。上部流体腔与穿过插塞构件236的内孔的钻井流体1的循环流隔离。横穿下部驱动杆216的圆柱形侧壁的径向孔239允许钻井流体1循环穿过工具外壳202以进入下部流体腔238。下部流体腔238定位在下部驱动杆216的径向凸缘组件232下方。因此，当容纳在下部流体腔238中的钻井流体1的压力大于容纳在上部流体腔中的低压流体时，形成向上净液压力230。向上净压力230作用在下部驱动杆216的径向凸缘组件232上以对抗由偏置构件220施加在伸长杆218上的向下偏置力228。
如在放大横截面2C和3B中图示的，密封组合件208包括多个组件，这些组件协作，以在下部驱动杆216的径向凸缘组件232上有效地将上部流体腔与下部流体腔238隔离。在本实例中，密封组合件208包括管状套管240、密封元件242、上部刮泥器244、下部刮泥器246和负载环248。如所示，管状套管240由上部驱动杆214和下部驱动杆216携载并且被安置在外表面驱动杆与工具外壳202的纵向孔225的表面之间的径向间隙中。在本实例中，管状套管240从环形槽227正下方沿着上部驱动杆214的下部分延伸以抵靠下部驱动杆216的径向凸缘组件232座落。管状套管240的圆柱形侧壁包括流体耦接至工具外壳202的长形径向槽226的径向开口250。在钻井操作期间，来自井筒环空26的流体进入工具外壳202，从环空向内流动穿过长形径向槽226，穿过管状套管240的径向开口250且横穿纵向通道235以到达上部驱动杆214的径向孔234。如上所述，穿过径向孔234的流体进入上部流体腔(未示出)。O形圈式密封件252抑制从管状套管240进入径向开口250的流体的泄漏。
密封元件242、上部刮泥器244、下部刮泥器246和负载环248位于形成在工具外壳202的孔225中的径向密封槽中。因此，当上部驱动杆214和下部驱动杆216纵向移动穿过工具外壳202的孔225时，密封组合件208的这些组件保持固定。将密封元件242安装在固定位置，在钻井操作期间维持上部流体腔(未示出)和下部流体腔238的体积。维持流体腔的恒定体积可减小流体泄漏和/或污染物进入的风险。此外，这些组件放置在工具外壳202的密封槽内可允许在插入驱动机构206之前安装密封组合件208，其避免将使用传统的密封箱的多步骤复杂密封组合件工艺(例如，V形或人字形密封件)。
在本实例中，以杆式密封件的形式提供密封元件242，所述杆式密封件具有密封唇部，所述密封唇部接合管状套管240的外表面以至少抑制(若未阻止)上部流体腔(未示出)与下部流体腔238之间的流体泄漏。上部刮泥器244和下部刮泥器246被安置在密封元件242的任一侧上。刮泥器244和246与管状套管240的外表面协作以抑制(若未阻止)污染物(例如，污垢和碎屑)触碰密封元件242。在本实例中，上部刮泥器244位于工具外壳的长形径向槽226的边缘附近以减小污垢和碎屑被捕集在管状套管240与工具外壳202之间的任何风险，其可能导致扩眼工具200的卡住。在一些实施中，至少暴露于来自井筒环空26的流体的上部刮泥器244可被特别设计用于在充满井筒碎屑和颗粒物质的环境中操作。作为一个实例，上部刮泥器244可由高强度和耐磨材料形成。
负载环248邻近工具外壳202的孔225内的密封元件242。负载环248是承载构件，其在密封组合件208的区域中给井底组合件100提供刚性。在一些实例中，当井底组合件100在钻井操作期间遭受大的弯曲力矩时，负载环248保护密封元件242不被损坏。例如，负载环248可确保上部驱动杆214相对于安装在工具外壳202的孔255中的密封元件242居中。相对于密封元件242将上部驱动杆214支撑在大体上固定的径向位置，能够抑制可能导致流体泄漏和/或碎屑进入的动态偏心率。因此，负载环122能够增大扩眼工具200可有效操作的钻井条件。
图4A至图4C是图示扩眼工具200的驱动机构206和密封组合件208的操作的连续侧横截面图。如上所述，驱动机构206导致铰接切削臂210a和210b的展开和缩回。尤其，上部驱动杆214在向上纵向方向上的移动导致切削臂210a和210b经由传动臂212展开。当上部流体腔(未示出)与下部流体腔238之间的压力差形成大于由偏置构件220施加的向下偏置力228的向上净液压力230时，实现上部驱动杆214的移动。上部流体腔容纳来自井筒环空26的流体2；且下部流体腔238容纳循环钻井流体1。
在一些实例中，可通过钻井流体1的流速的变化(这可通过经由控制器24操作泥浆泵22来产生)形成下部流体腔238中的压力变动。但是，本公开不限于此。可采用增大或减小下部流体腔238中的液压的任何适当方法而不脱离本公开的范围。例如，落球法可用于控制下部流体腔压力。
下部流体腔238的液压增大(例如，当泥浆泵22在高钻井流体流速下启动或操作时)会建立向上净液压力230，其作用在下部驱动杆216的径向凸缘组件232上。当净液压力230克服向下偏置力228时，上部驱动杆214执行向上行程254以展开切削臂210a和210b(见从图4A至图4B的转变)。相反地，下部流体腔238的液压的减小(例如，当泥浆泵22在低流量环境下停用或操作时)弱化净液压力230，其允许向下偏置力228导致上部驱动杆214执行使切削臂210和210b缩回的向下行程256(见从图4B至图4C的转变)。密封组合件208操作以在上部驱动杆214和下部驱动杆216在向上行程254和向下行程256期间纵向移动穿过工具外壳202的孔225时维持上部流体腔(未示出)和下部流体腔238的完整性。
已描述本发明的若干实施方案。但是，应了解可进行各种修改而不脱离下文权利要求的精神和范围。例如，在一个或更多个替代实施中，管状套管可与上部驱动杆一体形成。此外，虽然上文实例并入用于提供向下偏置力的传统线性弹簧(例如，螺旋弹簧或碟形弹簧)，但是其它适当偏置构件也可用于这个目的(例如，气体弹簧或磁铁弹簧)。
Claims (17)
1.一种用于能够定位在井筒中的扩眼工具的密封组合件，所述密封组合件包括：
环形密封件，其安置在所述扩眼工具的工具外壳的纵向孔中；
环形刮泥器，其安置在所述纵向孔中的所述环形密封件的上游；和
管状套管，其耦接至被安置在所述工具外壳的所述纵向孔中的驱动机构并且能够随之一起移动，所述套管安置在所述驱动机构与所述工具外壳的所述纵向孔的表面之间的径向间隙中，所述套管包括穿过所述套管的侧壁的径向开口，且当所述驱动机构移动穿过所述工具外壳的所述纵向孔时，所述管状套管能够与所述环形密封件和所述环形刮泥器可滑动地接合。
2.根据权利要求1所述的密封组合件，其中穿过所述管状套管的所述径向开口适于将所述驱动机构的上部腔流体连接至所述井筒的侧壁与所述工具外壳的外表面之间的环空。
3.根据权利要求1所述的密封组合件，其中所述环形密封件包括安装在所述工具外壳的所述孔的径向密封槽中的杆式密封件。
4.根据权利要求1所述的密封组合件，其中所述环形刮泥器安装在所述环形密封件上方，且邻近形成在所述工具外壳的侧壁中的长形径向槽的边缘。
5.根据权利要求1所述的密封组合件，其还包括邻近于所述环形密封件安置在所述工具外壳的所述孔中的负载环。
6.根据权利要求1所述的密封组合件，其还包括安置在所述孔中的所述环形密封件下游的第二环形刮泥器，使得所述环形密封件位于所述第一环形刮泥器与所述第二环形刮泥器之间。
7.根据权利要求6所述的密封组合件，其中安置在所述孔中的所述环形密封件上游的所述第一环形刮泥器由高强度和耐磨材料形成。
8.一种井下井筒工具，其包括：
工具外壳，其具有中空内孔；
驱动机构，其包括位于所述工具外壳的所述孔内的上部驱动杆；和
密封组合件
环形密封件，其安置在所述工具外壳的所述孔中；
环形刮泥器，其安置在所述孔中的所述环形密封件的上游；和
管状套管，其耦接至所述孔内的所述上部驱动杆并且能够随之一起移动，所述套管安置在所述上部驱动杆与所述工具外壳的所述孔的表面之间的径向间隙中，所述套管包括径向开口，所述径向开口穿过所述套管的侧壁而将所述上部驱动杆的上部流体腔流体连接至井筒的环空，且当所述上部驱动杆纵向移动穿过所述孔时，所述套管与所述环形密封件和所述环形刮泥器可滑动地接合。
9.根据权利要求8所述的井筒工具，其中所述环形密封件定位在所述孔内以抑制流体从所述上部流体腔泄漏。
10.根据权利要求8所述的井筒工具，其还包括下部流体腔，所述下部流体腔容纳高压钻井流体以提供推动所述上部驱动杆以向上纵向移动穿过所述孔的向上净液压力。
11.根据权利要求8所述的井筒工具，其还包括偏置构件，所述偏置构件施加推动所述上部驱动杆以向下纵向移动穿过所述孔的向下偏置力。
12.根据权利要求8所述的井筒工具，其还包括铣刀，所述偏置构件耦接至能够随所述上部驱动杆一起移动的传动臂，所述铣刀能够响应于所述传动臂随所述上部驱动杆纵向移动而从缩回位置移动至展开位置。
13.根据权利要求12所述的井筒工具，其中所述铣刀包括一对铰接切削臂，所述切削臂中的至少一个包括多个切削头以沿着井筒的井研磨和切削地层。
14.一种将安置在井筒工具的工具外壳中的驱动机构环形密封的方法，所述方法包括：
使流体从井筒环空流动穿过携载在所述驱动机构的上部驱动杆的外表面上的管状套管的径向开口；
通过在所述上部驱动杆纵向移动穿过所述工具外壳的孔时使环形密封件与所述管状套管接合，来将上部流体腔从下部流体腔环形密封；和
通过使安置在所述孔中的所述环形密封件上游的环形刮泥器与所述管状套管接合，来抑制流体中的井筒碎屑和颗粒物质进入所述上部驱动杆与所述工具外壳的所述孔的表面之间的径向间隙中。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述环形密封件包括安装在所述工具外壳的所述孔的径向密封槽中的杆式环形密封件。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述环形刮泥器安装在所述环形密封件上方，且邻近形成在所述工具外壳的侧壁中的长形径向槽的边缘。
17.根据权利要求14所述的方法，其中抑制井筒碎屑和颗粒物质的进入还包括使安置在所述孔中的所述环形密封件下游的第二环形刮泥器与所述管状套管接合。
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