CN105723044B - 用于旋转/可滑动钻探系统和方法的智能扩孔器 - Google Patents

Abstract

一种井下智能扩孔器控制器检测旋转钻探与滑动钻探之间的差异，适当地且快速地对可能在每一钻杆立根出现几次的旋转钻探与滑动钻探之间的多次改变作出响应。额外控制件防止扩孔器部件在不适当的时间的部署，例如当钻穿水泥、测试和在井眼内外运行时。在一个实施例中，公开一种单独模块化控制短管，所述模块化控制短管可用于和/或可移除地紧固到可扩张扩孔器和/或其它类型的井下工具。

Description

用于旋转/可滑动钻探系统和方法的智能扩孔器

技术领域

本发明大体上涉及用以扩大所钻探井孔的尺寸的井孔扩孔器，且在一些非限制性实施例中更特定地涉及一种井下智能扩孔器控制器，所述井下智能扩孔器控制器可检测旋转钻探与滑动钻探之间的差异，适当地且快速地对可能在每一钻杆立根出现几次的旋转钻探与滑动钻探之间的多次改变作出响应，其中额外控制件用以防止扩孔器部件在不适当的时间的部署，例如当钻穿水泥、测试和在井眼内外运行时。

背景技术

可扩张扩孔器或井下扩孔器在油田钻探工业中是众所周知的。术语扩孔器与井下扩孔器在本文中可被互换地使用，但扩孔器常常被认为是尺寸可与钻头尺寸相同或近似相同的固定刀片装置。

常常需要出于各种原因而增加井眼中的环形空间。典型的原因可以是：提供用于固井的额外环形空间；提供增加的生产流程区；允许增加的套管尺寸；清洁发生膨胀的洞孔；增加环形空间以避免在运行衬管时的波动压力、当量循环密度(ECD)问题、膨胀性页岩、脱落/塌陷、套管开窗及类似者。

可扩张扩孔器可通常具有两个基本操作状态。在一个状态中，一个或多个扩孔器部件关闭或处于折叠状态，在所述折叠状态中，扩孔器工具的直径较小，例如足够小以允许所述工具穿过现有的开放或下套管井孔。在第二状态中，提供开放或部分扩张状态，其中在其末端(切割器块)上具有切割器的一个或多个扩孔器部件从工具的主体延伸。在扩张状态中，随着工具在井孔中旋转以及降低和/或升高，扩孔器扩大井孔直径。扩孔器或井下扩孔器通常在钻柱的旋转期间操作且通常通过钻探流体流动而致动。

在一些类型的钻探操作(例如特定类型的定向钻探操作)中，当用于钻头的驱动机构是正位移泥浆马达(泥浆马达)或井下涡轮(涡轮)时利用旋转钻探和滑动钻探两者。泥浆马达和涡轮具有类似组件，所述组件为动力段、传输弯外壳段和轴承稳定器段。动力段包括转子和定子，由此转子通过泥浆马达中的空腔或涡轮中的涡轮级中的任一者上的压降而转动，进而转动钻头。传输弯外壳段含有耦合件，在所述耦合件内部消除所有偏心转子运动且适应弯外壳的未对准，同时将扭矩和向下推力传输到驱动轴。轴承稳定器段含有轴承组合件，其包括多个推力轴承盒、径向轴承、流量限制器和驱动轴。轴承组合件的外壳可具有螺纹外径(O.D.)以适应稳定器套筒上的螺纹。如果不需要稳定化，那么可使用无螺纹版本的光滑外壳。驱动轴具有标准钻探螺纹连接件以将马达连接到钻头。为了简单起见，用于本文中所使用的驱动机构的术语是泥浆马达。

当钻柱大体上未旋转且弯管经定向在所需方向上以将井孔的轨迹导向朝向目标位置时，在滑动钻探期间利用泥浆马达。

作为用泥浆马达的旋转/滑动定向转向过程的部分，常常在旋转钻探与滑动钻探之间频繁地改变钻柱。滑动钻探产生初始偏差弧，然后接着进行旋转钻探以提供定向控制。例如，可在钻探每一钻杆立根的同时在若干不同时间交替地使用滑动钻探和旋转钻探两者，其中钻杆立根可包括两个或两个以上连接在一起的钻杆。由于钻探类型的频繁交替改变，现有技术的可扩张扩孔器在用于旋转/滑动定向转向操作时具有显著的缺点，从而使得所述扩孔器对于此目的是不合适的、打开和关闭缓慢和/或能力不足。

许多可扩张扩孔器响应于以特定速率或压力抽吸钻探流体而扩张。然而，由于需要在滑动定向钻探期间抽吸钻探流体，故如果扩孔器仅由于钻探流体流动而扩张，那么这可能是非常有问题的。在大多数情况下，可扩张扩孔器经设计以保持关闭直到球、飞镖、RFID标签或其它对象掉落或被抽吸到钻柱的内径(ID)下为止，从而最初地扩张所述工具。为了简单起见，本文中用于所掉落对象的术语是球。球到达扩孔器所需的时间导致显著的损失钻机时间，使得此类型的可扩张扩孔器不适合于用泥浆马达的旋转/滑动钻探操作。即使此类型的装置可被重复地关闭以用于滑动钻探(通常不是这种情况)，此类型的激活也并不良好地适于在滑动钻探与旋转钻探之间快速地切换。使球掉落来关闭扩孔器以用于滑动钻探由于大量的损失钻机时间而并非实际上实用的。

可以利用对钻探流体流动或压力的变化作出响应(由此临时缩减标称流动速率)的机械和/或液压系统来多次扩张或关闭所述工具，这是可行的，而不需要使球掉落。然而，当在旋转钻探与滑动钻探之间频繁地切换时，扩张或缩回扩孔器部件所需的流体流动或压力的变化在操作方面是耗时的。缩减流动速率还可不利地影响驱动系统的性能。另外，重复的流动缩减将由于切换而显著地增加时间损失，且可随着频繁的切换而易于产生人员操作误差与机械操作误差两者。

利用电子系统的最近技术可需要频繁的下行链路命令。可将下行链路命令描述为按特定序列对钻机泵和/或旋转速度设置进行手动变更。还可使用受控阀来传输下行链路命令，所述受控阀将前往立管的钻探流体的一部分分流回到活动泥浆罐。当在旋转钻探与滑动钻探之间频繁地切换时，下行链路传输将经编码指令传输到井下电子器件以打开或关闭井下扩孔器。然而，重复的下行链路传输在扩张或缩回之间切换扩孔器部件时导致显著的时间损失。

可扩张扩孔器的一般领域中的背景专利与公告的实例包含：

美国公告号2013/0306,373公开包括工具主体、切割器块和传感器的电子激活工具，所述电子激活工具具有用于附接到钻探支撑和旋转以便允许井眼(尤其是在石油和天然气钻探中)的直径的同时井下扩孔和测量的构件，所述电子激活工具的特征在于使用通过泥浆脉冲、光纤、无线传输而发送的电子信号的激活构件，或还可在钻探期间传达命令以及从井下扩孔器接收数据的其它构件、并入适合于测量切割器块与工具的相对位置的定位传感器的至少一个径向可延伸切割器块、用以测量井眼直径的至少一个井径仪构件，所有构件都通过使用接收器、传感器和微处理器的通信构件而相互链接。

美国公告号20100282511公开用于井下钻柱上的有线扩孔器。在一些实施例中，扩孔器包含扩孔器主体，所述扩孔器主体包括穿过其的路径和定位在所述路径内以用于传输电力或通信中的至少一者的布线。在其它实施例中，扩孔器包含扩孔器主体，所述扩孔器主体包括封闭在扩孔器主体内的路径、定位在所述路径内以用于传输电力或通信中的至少一者的布线、位于扩孔器主体内的传感器和处理器。传感器与布线连接以用于通过布线来传输传感器所测量的数据，且处理器与布线连接以用于从传感器接收数据。

美国专利号8,235,144公开一种扩张和感测工具，所述工具包括工具主体、切割器块和传感器，以上装置允许石油和天然气钻机所钻探的井眼的直径的同时井下扩孔和测量。并入所述块上或所述主体内含有的定位传感器的径向可延伸切割器块测量所述切割器块相对于工具的位置，且振动传感器实时测量振动和井下扩孔井眼尺寸。接收器、传感器和微处理器传递所需的井眼深度，既同时地比较测定振动数据和井下扩孔参数又使其相关。所述工具可任选地被配置有井径仪或稳定器。

美国公告号20110284233公开经配置以用于重复和选择性液压致动和撤销激活的井下工具组合件。活塞组合件经配置以在井下工具主体中轴向地往复移动。活塞组合件在第一轴向位置和与所述第一位置轴向地相对的第二和第三轴向位置之间往复移动。井下工具在活塞组合件处于第三轴向位置时被致动，且在活塞组合件处于第一或第二轴向位置中的任一者时被撤销激活。当工具主体中的钻探流体压力推进活塞组合件朝向第二和第三轴向位置时，弹簧部件使活塞组合件偏向第一轴向位置。可从地面控制井下工具致动和撤销激活，例如经由循环钻探流体流动速率。

美国专利号5,060,736公开一种井底组合件，其具有由井下马达和位于钻柱上的马达上方的稳定器驱动的钻头。还提供子组合件以用于控制在钻机现场按需操作的钻头轨迹。子组合件包括直接位于钻头上方的井下扩孔器。井下扩孔器被液压致动以使切割器缩回和延伸。

美国专利7,506,703和7,597,158公开部署在钻柱的远端上的可扩张钻探设备，且包含切割头和邻近于所述切割头的大体上管状主体，从而提供经配置以收纳臂组合件的多个轴向凹座，所述臂组合件经配置以在缩回位置与延伸位置之间平移。当钻探流体压力超过激活值时，流量开关致动臂组合件，且所述钻探设备包含用以在钻探流体压力降到低于重置值时重置所述臂组合件的偏置部件。

美国专利5,746,278公开用于在钻孔或扩孔操作期间控制地下钻孔机器的设备和方法。钻孔工具在以选定旋转速率旋转的同时沿着地下路径位移。响应于影响钻孔工具沿着地下路径前进的地下条件的变化，控制系统在以选定旋转速率旋转钻孔工具的同时还并行地修改钻孔工具沿着地下路径的位移速率。控制器监视液体被抽吸通过井孔的速率且自动地调整位移速率和/或液体流动速率，使得足够的液体流过井孔以移除钻孔工具所产生的切屑和碎片。提供传感器来感测旋转、位移和液体分配泵中的压力水平，且电子控制器不断地监视传感器所检测的水平。当控制器检测到旋转泵压力上升到高于不能接受的水平时，控制器通过缩减钻孔工具沿着地下路径的位移速率来松开钻孔工具，同时以预选定速率维持钻孔工具的旋转。此类松开会缩减旋转泵上的负荷且允许压力恢复到可接受的水平。控制器在检测到旋转泵压力已降到低于设置水平之后重新接合钻孔工具。

美国专利7,823,663公开一种井下设备，其包括主体、安装在所述主体上且可在缩回配置与延伸配置之间移动的可延伸部件，以及用于将所述可延伸部件维持在缩回配置中的可远程操作的保持布置。可延伸部件可为切割器，使得所述设备可为切割设备，例如扩孔器。操作者可控制所述设备以将切割部件保持在缩回配置中，或防止切割部件的延伸。

美国专利8,215,418公开用于对井孔扩孔的可扩张扩孔器设备和方法，其中可将管状主体所携带的可横向移动刀片选择性地定位在向内位置和扩张位置处。由刀片偏置元件向内保持的可横向移动刀片可由被选择性地允许与其连通的钻探流体借助于安置在管状主体内的致动套筒而被迫向外。或者，分离元件可将来自钻探流体的力或压力传输到可移动刀片。此外，与可移动刀片连通的腔室可借助于井下涡轮或泵而被加压。脊状密封刮水器、补偿器、可移动轴承衬垫、在可移动刀片前方的固定轴承衬垫或用以变更扩张刀片位置的可调整垫片元件可包含在可扩张扩孔器内。另外，可产生指示可扩张扩孔器的操作特性的钻探流体压力响应。

美国专利6,470,977公开用于钻探井孔的弯段和直段两者的可转向井底组合件，其中所述井底组合件包含在井下马达下方的扩孔器。井底组合件包含具有界定钻头直径的钻头面的钻头，以及计量段，所述计量段具有近似钻头直径的大体上均匀直径圆柱表面且具有钻头直径的至少75％的轴向长度。所述马达优选在没有稳定器的情况下流畅地运行以用于接合井孔的壁。

美国专利6,732,817公开一种井下工具，其用作井下扩孔器或者用作被井下扩孔的井孔中的稳定器。所述工具包含安置在主体内的一个或多个移动臂，所述主体具有穿过其而与井眼环带进行流体连通的流量孔。所述工具响应于流量孔与井眼环带之间的差别流体压力而在折叠位置与扩张位置之间交替。在一个实施例中，所述工具响应于压力差而自动地移动。在第二实施例中，所述工具必须在可移动之前被选择性地致动。当工具扩张时，所述臂优选轴向地向上平移，而同时从主体径向地向外延伸。扩张工具直径在地面处是可调整的，而无需改变组件。所述臂可包含井孔接合衬垫，所述衬垫取决于工具的功能而包括切割结构或磨损结构或两者。

美国公告20040188142公开用以驱动连接到钻柱的可导向扩孔器组合件的操作的水平定向钻探系统。可导向扩孔器组合件优选具有有中心纵轴的切割部件和也具有中心纵轴的支撑部件。切割部件和支撑部件的纵轴在扩孔器组合件处于非转向位置时是共线的，且在扩孔器组合件处于转向位置时横向地位移。

美国专利4,848,490公开用于钻柱中的定向井下稳定器。所述稳定器具有有效直径，所述直径取决于钻柱上的负荷而在最小直径与最大直径之间选择性地可变。有效直径是由可径向移动垫片确定，所述垫片被致使在心轴的相对移动时径向地移动，所述心轴在稳定器套管内伸缩且具有接合径向垫片的凸轮表面。心轴在套管内的伸缩移动是经由机械检测布置予以控制，所述机械检测布置是由稳定器上的压缩力致动。

美国专利7,757,787公开一种可扩张钻探设备，其包含：主体，所述主体包括中心孔和经配置以收纳可在缩回位置与延伸位置之间操作的臂组合件的至少一个轴向凹座；偏置部件，其用以将臂组合件推进到缩回位置；驱动位置，其经配置以在与中心孔中的钻探流体连通时将臂组合件推到延伸位置中；选择器活塞，其可在打开位置与关闭位置之间平移，其中当钻探流体的压力超过激活值时选择器活塞被推到打开位置中，其中当选择器活塞处于打开位置时钻探流体与驱动活塞连通；以及选择器弹簧，其经配置以当钻探流体的压力降到低于重置值时将选择器活塞推到关闭位置中。

美国公告20060113113公开一种井底组合件，其包含钻头、位于钻头后方的稳定化井下扩孔器组合件，以及钻探组合件。用以钻探岩层的方法包含：将稳定化井下扩孔器组合件定位在钻头后方；将钻探组合件定位在稳定化井下扩孔器组合件后方；以及使所述钻头和稳定化井下扩孔器组合件与钻探组合件一起旋转。位于定向钻探组合件与钻头之间的稳定化井下扩孔器包含从稳定化井下扩孔器组合件延伸的至少一个臂组合件，其中所述臂组合件包含稳定器部分和井下扩孔器切割结构。

美国公告号20070163810公开用以定向地钻探地下岩层的井底组合件，其包含：钻头、紧接于钻头且在钻头后方的稳定器组合件、包括驱动机构和定向机构的钻探组合件，以及弯曲部件。任选地，弯曲部件可位于钻探组合件与稳定器组合件之间，或与钻探组合件的外壳成一体式。用以钻探岩层的方法包含：将稳定器组合件定位在钻头后方；以及将弯曲部件定位在钻探组合件的输出轴与稳定器组合件之间。所述方法优选包含：使钻头、稳定器组合件和弯曲部件与钻探组合件一起旋转；以及用钻探组合件的定向机构引导钻头和稳定器组合件的轨迹。

美国公告号20100139981公开耦合到钻柱的井底组合件(BHA)，其包含一个或多个控制器，以及选择性地扩大由钻头形成的井眼的直径的洞孔扩大装置。洞孔扩大装置包含可使洞孔扩大装置的可延伸切割元件在径向延伸位置与径向缩回位置之间移动的致动单元。致动单元可响应于从井下和/或地面位置传输的信号。洞孔扩大装置还可包含一个或多个位置传感器，所述传感器传输指示切割元件的径向位置的位置信号。在说明性操作模式中，洞孔扩大装置的一个或多个操作参数可基于一个或多个测定参数予以调整。此调整可按闭环或自动化方式和/或由工作人员进行。

以上公告和专利在此以引用的方式并入本文中。

因此，需要一种解决上述问题的智能井下控制器。因此，本领域的技术人员将了解解决了上述和其它问题的本发明。

发明内容

本发明的目的是提供改进的扩孔器。

本发明的另一可能目的是提供改进的扩孔器，当驱动机构是泥浆马达时，所述改进的扩孔器在滑动钻探与旋转钻探之间频繁地改变时尤其有用。

另一可能目的是提供智能扩孔器，所述智能扩孔器可区分旋转钻探与滑动钻探且快速地响应而不会在不适当的时间打开。

本发明的另一可能目的是提供智能扩孔器，所述智能扩孔器不仅区分旋转钻探与滑动钻探而且区分可能出现滑动操作的偶然旋转，例如钻柱扭曲(反扭矩)、泥浆马达停转、滑动粘附或钻头回旋。

本发明的另一可能目的是提供具有内建保护装置的智能扩孔器，所述内建保护装置防止不合要求的扩孔器部署，例如钻穿套管中水泥、浮动设备和套管鞋、压力测试(泄漏测试)，或当不需要扩孔时的其它情况。

本发明的另一可能目的是提供智能自动化扩孔器，所述智能自动化扩孔器显著地且较可靠地改进用于需要扩孔的旋转/滑动钻探操作的钻探速度，同时还改进井孔质量，例如尺寸一致性、角度改变平滑性和岩架与急拐弯的平滑化。

本发明的这些和其它目的、特征和优点将根据下文中所给定的附图和描述而变得清楚。应理解，上述目的并非全部包含性的，而是非限制性的，且仅意图帮助理解本发明，并不以任何方式限制本发明的界限。

因此，在一个可能非限制性实施例中，本发明包括智能扩孔器，所述智能扩孔器可包括扩孔器主体段、扩孔器部件，例如但不限于安装到所述扩孔器主体段以用于从扩孔器主体段在径向向内位置与径向延伸位置之间进行选择性移动的切割器块。打开和关闭机构以操作方式连接到所述扩孔器部件以在径向向内位置与径向延伸位置之间移动所述扩孔器部件，例如由电子控制单元激活的致动器。所述致动器(其可为液压、机械和/或电的或其组合)可安装在扩孔器主体或单独控制短管(模块化控制短管)中，用于控制扩孔器部件。致动器可操作地连接到电子控制单元，所述电子控制单元调节智能扩孔器的操作。

电子控制单元的其它可能元件可包括但不限于处理器、电源、温度传感器、存储器板和数字信号处理器(DSP)。电子控制单元可操作地连接到旋转传感器和流体操作传感器。在一个可能实施例中，旋转传感器包括加速度计、磁力计或指示所述工具是否正旋转的其它传感器读数中的至少一者。在另一可能实施例中，流体流动或流体操作传感器可包括内部管压力传感器。在另一实施例中，流体操作传感器包括压力传感器、流量开关或流体流动传感器中的至少一者。环空压力传感器可连接到电子控制单元以监视环空压力。

在一个非限制性实例中，电子控制单元可操作以用于将智能扩孔器置于睡眠模式和操作模式中。

在睡眠模式中，在一个可能实施例中，电子控制单元将总是使扩孔器部件保持在径向向内位置中。在活动模式中，电子控制单元可操作以仅当流体操作传感器指示至少选定钻探流体流动量且旋转传感器指示至少选定所需顺时针旋转量和/或测试时才将扩孔器部件移动到径向延伸位置。在一个实施例中，选定旋转量包括选定旋转速度持续选定时段，例如在顺时针方向上至少10RPM和/或在顺时针方向上相对恒定的旋转速度持续至少5秒。

在一个可能实施例中，电子控制单元通过地面泥浆泵的循环(下行链路传输)来响应于流体操作传感器以用于从睡眠模式置于活动模式中，由此地面泥浆泵或其控制件有效地包括用于井下工具的地面控制件。电子控制单元可经设计以响应于由流体操作传感器检测的一个或多个选定钻探流体流动样式，和/或由旋转传感器、运动传感器(下行链路)或类似者检测的旋转序列或其它移动样式，以用于将所述工具置于睡眠模式或活动模式中。

在一个实施例中，智能扩孔器可包括可安装在电子控制外壳中、直接安装到扩孔器主体段、安装在经修改扩孔器外壳中或类似者的电子控制单元、传感器和致动器，其中共同外壳用于所述电子控制外壳和扩孔器。在第二实施例中，电子控制单元、传感器和致动器中的一些或全部可安装在单独模块化控制短管中，所述单独模块化控制短管通过标准钻探螺纹连接件而选择性地附接到扩孔器主体段。

所述模块化控制短管还可用于操作除扩孔器之外的其它工具，例如一系列井下工具。作为非限制性实例，模块化控制短管可选择性地安装到多直径套管切割器、可延伸稳定器、钻探循环短管和侧壁取心工具中的至少一者且可操作以用于控制所述至少一者。

在非限制性实施例中，在睡眠模式中，电子控制单元总是使扩孔器部件保持在径向向内位置中。在一个可能实施例中，在活动模式中，电子控制单元可操作以在径向向内位置与径向延伸位置之间移动扩孔器部件。例如，处于活动模式的电子控制单元可在旋转钻探期间将扩孔器部件移动到选定径向向外位置且可在滑动钻探期间将扩孔器部件移动到关闭位置。

用于制造步骤的其它方法可包括：提供一个或多个旋转传感器；提供流体操作传感器；以及将电子控制单元可操作地连接到旋转传感器和流体操作传感器，如下文中所论述。

用于制造步骤的其它方法可包括将电子控制单元置于睡眠模式或第二模式以及活动模式或第一模式中，如下文中所论述。在本文中可将模式称为第一和第二模式或类似者；然而，可将电子控制单元编程为多个模式。

作为一个非限制性实例，所述方法可提供：在第二模式(睡眠模式)中，电子控制单元总是使扩孔器部件保持在径向向内位置中。用于制造和/或操作步骤的其它非限制性方法实例可包括提供：在第一模式(活动模式)中，电子控制单元可操作以仅当流体操作传感器指示至少选定流体操作量且旋转传感器指示至少最小顺时针方向旋转阈值时才将扩孔器部件移动到径向延伸位置。

用于制造和/或操作的方法可进一步包括提供：电子控制单元响应于流体操作传感器以用于置于活动模式中。例如，所述方法可进一步包括提供：电子控制单元响应于由流体操作传感器检测的一个或多个选定流体操作样式，以及由旋转传感器(下行链路传输)检测的一个或多个选定旋转序列，以用于将电子控制单元置于睡眠模式和第一模式(活动模式)中。

用于制造步骤的方法可进一步包括：流体操作传感器包括内部钻杆压力传感器。所述方法可进一步包括提供：所述流体操作传感器包括压力传感器或流动传感器中的至少一者。方法步骤可进一步包括提供：选定旋转量包括选定旋转速度持续选定时段。

在另一可能非限制性实施例中，用于制造电子扩孔器的方法可包括：提供扩孔器主体段；将扩孔器部件安装到扩孔器主体段以用于从扩孔器主体段在径向向内位置与径向延伸位置之间进行选择性移动；以及提供打开和关闭机构，其以操作方式连接到扩孔器部件以在径向向内位置与径向延伸位置之间移动扩孔器部件。

本发明的另一可能目的是提供模块化控制短管，所述模块化控制短管可不仅控制单独安装的扩孔器主体而且可用以控制其它类型的设备，从而缩减建立用于不同类型的工具的控制段的需要且缩减建立其它类型的设备的成本。

方法步骤可进一步包括：提供模块化控制短管；将电子控制单元安装在单独模块化控制短管中；以及提供使得模块化控制短管可选择性安装到扩孔器主体段。

在一个可能非限制性实例中，用于制造和/或操作的方法可进一步包括提供：所述模块化控制短管还可选择性安装到单独外壳，以用于控制多直径套管切割器、可延伸稳定器、钻探循环短管(以将堵漏材料分流到环带)和侧壁取心工具中的至少一者。

旋转传感器可以可操作地连接到电子控制单元或为其部分，由此电子控制单元可操作以在旋转测试检测到低旋转或未旋转(例如非限制性测试)时将扩孔器部件移动到缩回位置，如果旋转小于经编程的阈值旋转速度持续选定时段，那么电子控制单元中的处理器将采取滑动钻探且缩回扩孔器部件。

在一个可能实施例中，电子控制单元响应于流体操作样式以用于将电子控制单元置于第一模式(活动模式)中，和/或响应于流体操作样式和/或旋转样式和/或组合以用于将电子控制单元置于第二模式(睡眠模式)中，例如一系列压力对时间或旋转速度改变对时间。

在非限制性实例中，电子控制单元、旋转传感器、流体操作传感器可选择性地直接安装到扩孔器主体。可将电池供电的电子控制单元安装在扩孔器主体段的环形侧中。致动器(其可为液压、机械和/或电或其组合)安装在扩孔器主体中且用于控制扩孔器部件。

在另一非限制性实例中，用于井孔中的电子控制外壳可包括连接到旋转传感器、流体操作传感器和致动器的电池和/或电容器供电的电子控制单元。电子控制外壳可安装在单独控制短管或扩孔器主体中，或可为包括扩孔器部件的外壳。电池供电的电子控制外壳可操作以用于用致动器来控制扩孔器部件在扩张位置与缩回位置之间的移动。

在另一非限制性实例中，电子控制单元、旋转传感器、流体操作传感器可选择性地安装到在此之前被识别为模块化控制短管的单独管状主体。模块化控制短管通过标准钻探螺纹连接件而可选择性地安装到扩孔器主体。扩孔器主体段限定穿过其到环形空间的流体流动路径。可将电池供电的电子控制单元安装在模块化控制短管的环形侧中。可将用于控制扩孔器部件的致动器安装在扩孔器主体段或模块化控制短管中。

在一个实施例中，可将模块化控制短管安装到多个其它工具且用以控制所述工具，所述工具是例如多直径套管切割器、可延伸稳定器、钻探循环短管(以将堵漏材料分流到环带)和侧壁取心工具。

在此实施例中，扩孔器可包括可从关闭位置移动到打开位置的扩孔器部件。在打开位置中，扩孔器可操作以用于对钻柱扩孔以将井眼扩大到大于钻头外径的直径。电子控制单元可操作以操作扩孔器以用于在打开位置与关闭位置之间移动扩孔器部件。

操作方法步骤可包括将电子控制单元置于睡眠模式中，由此扩孔器部件保持在关闭位置中。操作方法步骤可进一步包括在第二模式(睡眠模式)中将电子扩孔器运行到井眼中，直到已钻穿浮箍/套管鞋、已执行压力(泄漏)测试和已钻探足够的裸孔为止，从而允许扩孔器部件在裸孔中延伸。当扩孔器在裸孔中时，可将电子扩孔器控制件置于第一模式(活动模式)中，从而利用地面定位的流体操作和/或旋转控制件(下行链路传输)。当电子扩孔器处于第一模式(活动模式)且电子控制单元在适当情况下检测到滑动钻探时，电子控制单元操作扩孔器以将扩孔器部件移动到关闭位置。当电子控制单元检测到旋转钻探时，电子控制单元操作扩孔器以将扩孔器部件移动到打开位置以扩大井眼。

在一个实施例中，电子控制单元利用模式控制件通过分析来自至少两个不同类型的传感器的输入而区分旋转钻探与滑动钻探。电子控制单元中的处理电路、逻辑电路和/或类似者可用以处理传感器信息以用于区分滑动钻探与旋转钻探，且采取适当的动作。

所述方法可进一步包括将电子控制单元置于睡眠模式中，从而利用地面定位的流体操作和/或旋转控制件(下行链路传输)，由此扩孔器部件保持在关闭位置中。

在另一非限制性实施例中，制造用于对井眼扩孔的扩孔器控制件的方法可包括：提供电子控制单元，其可操作以用于在用于扩大井眼的打开位置与关闭位置之间移动扩孔器部件；向电子控制单元提供多个不同类型的传感器，由此电子控制单元可操作以用于区分旋转钻探与滑动钻探，且进一步可操作以用于在旋转钻探期间将扩孔器部件移动到打开位置且用于在滑动钻探期间将扩孔器部件移动到关闭位置。

所述方法可进一步包括向电子控制单元提供第二模式(睡眠模式)，例如用第二模式(睡眠模式)对电子控制单元编程，由此扩孔器控制件将扩孔器部件维持在关闭位置中而不管旋转钻探或滑动钻探，此可用以避免无意的扩孔器动作，例如下钻和起钻。

所述方法可进一步包括向电子控制单元提供第一模式(活动模式)，由此电子控制单元可操作以用于区分旋转钻探与滑动钻探，且进一步可操作以用于在旋转钻探期间将扩孔器部件移动到打开位置且用于在滑动钻探期间将扩孔器部件移动到关闭位置。在活动模式中，扩孔器部件的打开和关闭移动是自动的(无限次)，而无来自地面下行链路的任何进一步介入。

所述方法可进一步包括提供：电子控制单元可经选择性地控制以使用可包括地面定位的流体控制件和/或地面定位的钻柱运动控制件和/或地面定位的遥测系统的下行链路来在第二模式(睡眠模式)与第一模式(活动模式)之间重复改变(无限次)。

附图说明

当本发明通过参考结合附图来考虑的以下详细描述而变得较好理解时，将容易了解本发明的更完整理解和本发明的许多随附优点，其中：

图1是根据本发明的一个可能非限制性实施例的具有泥浆马达的井底组合件的示意性主视图，所述泥浆马达用于滑动/旋转钻探操作中。

图2是根据本发明的一个可能非限制性实施例的用于定向在所需方向上的定向钻探组合件的示意性俯视图。

图3是根据本发明的一个可能非限制性实施例的相关钻机组件的示意性俯视图，例如可用于定向钻探的用于旋转钻柱的转盘。

图4是根据本发明的一个可能非限制性实施例的安放在模块化控制短管中的电子控制单元、传感器和致动器的一个可能实施例的示意性主视图，所述控制短管通过标准钻探螺纹连接件而附接到单独但可控制的扩孔器主体。

图5是根据本发明的一个可能非限制性实施例的压力或流量控制的一个可能非限制性序列的示意图，所述控制用于切换(下行链路传输)到位于图4的模块化控制短管中的处于活动模式与睡眠模式之间的电子控制单元。

图6是根据本发明的一个可能非限制性实施例的展示用于处理控制电路的可编程逻辑的一个可能实例的逻辑流程图。

图6A是根据本发明的一个可能非限制性实施例的用于测试可编程逻辑中的旋转的逻辑流程图。

图7是根据本发明的一个可能非限制性实施例的模块化控制短管的主视简图。

图8是根据本发明的一个可能非限制性实施例的模块化控制短管的主视简图。

图9A是根据本发明的一个可能非限制性实施例的井底组合件的简图，当仅利用具有收缩的可扩张扩孔器的滑动钻探时，一个或多个扩孔器部件在钻探井孔的同时相对于扩孔器主体段缩回。

图9B是根据本发明的一个可能非限制性实施例的井底组合件的简图，当利用具有可扩张扩孔器的向下定向旋转钻探时，一个或多个扩孔器部件从扩孔器主体段扩张。

图9C是根据本发明的一个可能非限制性实施例的井底组合件的简图，所述井底组合件利用具有可扩张智能扩孔器的向下和向上(倒划井眼)定向旋转钻探。

图9D是根据本发明的一个可能非限制性实施例的井眼的简图，所述井眼已被扩大和平滑化以移除岩架，从而缩减急拐弯和不连续面的严重性。

图10A是根据本发明的一个可能非限制性实施例的可延伸/可收缩多外径套管切割器的图解主视图，所述切割器可连接到可根据图4、图7和/或图8的可单独附接的模块化控制短管的可编程电子控制单元。

图10B展示根据本发明的一个可能非限制性实施例的在对较大井孔扩孔之后使用的可延伸/可缩回稳定器工具的一个实施例的图解主视图，所述稳定器工具可连接到可根据图4、图7和/或图8的可单独附接的模块化控制短管的可编程电子控制单元。

图10C展示根据本发明的一个可能非限制性实施例的在对较大井孔扩孔之后使用的可延伸/可缩回稳定器工具的另一实施例的图解主视图，所述稳定器工具可连接到可根据图4、图7和/或图8的可单独附接的模块化控制短管的可编程电子控制单元。

图10D是根据本发明的一个可能非限制性实施例的钻探循环短管的图解主视图，所述钻探循环短管可用于可根据图4、图7和/或图8的可单独附接的模块化控制短管的可编程电子控制单元。

图10E是根据本发明的一个可能非限制性实施例的侧壁取心工具的图解主视图，所述侧壁取心工具可用于可根据图4、图7和/或图8的可单独附接的模块化控制短管的可编程和/或电子控制单元。

以上大概描述和以下详细描述仅仅说明一般发明，且容易在不脱离本发明的精神和范围的情况下将本发明的额外模式、优点和特定之处建议给本领域的技术人员。

具体实施方式

现在转到附图，且更具体地说转到图1，描绘根据本发明的一个可能非限制性实施例的井下井底组合件的示意性主视图。

在附图的总体概述中，将理解，例如“向上”、“向下”、“垂直”及类似者的术语是参考附图和/或大地，且取决于操作、运输、安装及类似者的变化而不可将所述装置一直布置在此类位置中。同样，所述附图意图描述本发明的概念，使得将本发明的目前优选实施例清晰公开给本领域的技术人员，而不是意图成为最终产品的制造水平附图或再现，且根据需要为了较容易和较快地理解或解释本发明，可包含高度简化概念视图以及放大的角度、尺寸及类似者。本领域的技术人员在审阅本说明书后就将理解，组件的相对尺寸、定向、角度连接和形状可与所展示的非常不同，从而根据本文中所教示的新颖原理来提供启发性指导。同样，各种外壳及类似者之间的连接器、组件形状及类似者可被不同地定向或成形，或可根据需要而属于不同类型。

包含但不限于稳定器、扩孔器及类似者的组件的布置、连接次序和配置可与附图中所展示的那些有所改变。在图1的实施例中，将重型管12紧固到根据本发明的智能控制单元的电子控制可扩张可缩回扩孔器10，如下文中所论述。可属于许多类型(一些类型在本文中被论述)的致动器11可操作以响应于来自智能控制单元的控制信号而在延伸位置之间移动扩孔器。

在旋转钻探期间，旋转包含重型管12的整个钻柱。必要时，可将额外重型管定位在电子扩孔器段10下方。MWD系统(未图示)通常定位在泥浆马达组合件21和稳定器段14上方。泥浆马达可连接到MWD系统且位于其下方。动力段16通常可包括转子18和定子20。可利用泥浆马达21来旋转钻头30而不旋转钻柱。然而，本发明不限于任何类型的泥浆马达、涡轮、位移马达或类似者。

电子扩孔器10可被定位成较接近于钻头，例如在必要时紧靠泥浆马达上方或甚至直接在钻头上方。在此实施例中，传输弯外壳段23附接在动力段16下方。可在驱动轴的钻头盒26上方利用轴承稳定器段22，所述轴承稳定器段22被展示有任选稳定器24安装到其上。钻头盒26具有标准钻探螺纹连接件以将马达连接到钻头30。在一个实施例中，例如钻头30、下部稳定器24和上部稳定器14的组件可包括三点接触；所述三点接触结合弯外壳中的弯管的设置来确定泥浆马达的造斜率。在旋转钻探期间，钻头30通过旋转地面上的钻杆和通过泥浆马达的操作两者而转动。在滑动钻探期间，钻头30仅通过泥浆马达的操作而转动。在此实施例中，电子扩孔器10可包括用于扩孔器主体、扩孔器部件、电子控制单元、传感器和致动器的单个外壳。在下文中所论述的其它实施例中，安放电子控制单元、传感器和致动器的单独模块化控制短管用于具有扩孔器部件的单独扩孔器主体。因此，可将电子控制单元安装在与扩孔器相同的外壳中或安装在单独外壳中，如本文中更详细地所论述。

图2展示被定向的定向滑动工具的俯视图。由于钻柱32的灵活性和泥浆马达的反扭矩，可需要在地面处将钻杆旋转几次，以便将泥浆马达恰当地定向在所需方向34上。在旋转钻探之后，可需要将钻杆重新定向以将泥浆马达的弯外壳中的弯管指向井眼的轨迹的计划方向上，以便沿着所需路径到预定目标。

图3展示用于旋转钻机的钻台38上的钻杆的转盘36的俯视图。还可利用顶部驱动(未图示)来旋转钻柱32。可利用泥浆泵40以用于抽吸流体通过钻柱。如下文中所论述，还可利用泥浆泵40作为模式控制器中的一者，利用所述模式控制器来根据本发明的一个实施例在睡眠模式与活动模式之间改变电子扩孔器控制件(下行链路)中的处理器中的模式。

图4展示根据本发明的一个可能实施例的单独模块化控制短管100的一个可能非限制性实施例，将所述单独模块化控制短管100紧固到可扩张扩孔器外壳150以形成智能可扩张/可缩回扩孔器10。关于图7和图8论述单独模块化控制短管的其它非限制性实施例。

可利用单独模块化控制短管100来连接到将被控制的其它类型的机械工具，如下文中所论述。当模块化控制短管100与现有商业扩孔器150组合时，可利用所述模块化控制短管100来缩减本发明的智能可扩张扩孔器10的成本。模块化控制短管100与可扩张扩孔器外壳150之间的机械连接件140可根据需要通过标准油田连接件而螺纹连接、用螺栓固定和/或类似者。同样，应注意，可根据需要将模块化控制短管100定位在扩孔器外壳150上方或下方。

通常穿过模块化控制短管100和扩孔器150两者的中心的流体流动路径102允许钻探流体104流过其中。必要时，可包含泥浆信号传输器106以经由泥浆脉冲传输器将数据传输到地面，所述泥浆脉冲传输器可或可不延伸到流动路径102中和/或可位于接入流动路径的单独腔室中。

然而，泥浆脉冲传输器106和/或任何其它类型的泥浆脉冲传输器对于模块化控制短管100的操作是不需要的且可不被利用。模块化控制短管100可经编程以在活动模式中独立地操作，而不需要到地面和来自地面或到其它井下设备(例如MWD和LWD工具或其它井下工具)的数据信号传输。此外，不必具有延伸穿过模块化控制短管100的布线。在一个实施例中，所有电子器件和布线含在模块化控制短管100内，而不需要布线从外壳的一个末端延伸到另一末端。可利用致动器来变换电子信号，而不需要布线离开电子外壳100或延伸穿过模块化控制短管，但在必要时可进行此动作。由于不需要布线连接到其它外壳或井下工具，故可避免与任何所需的通过式布线到其它井下外壳和/或到地面的信息传输相关联的可靠性问题，从而缩减复杂性且改进可靠性。然而，本发明并不意图限于任何特定配置。

在此实施例中，也可被称作电子控制外壳或主体或部件或类似者的模块化控制短管100包括控制短管108的壁厚度，在所述壁厚度中可将电子控制单元112或类似者定位在机械加工侧袋内。在一个可能实施例中，可通过模块化控制短管100的外壁侧中的密封板110来提供对电路的接入。电子控制单元112可包括处理器、逻辑电路或类似者以独立地作出关于部署还是缩回扩孔器部件152的决策。在一个可能非限制性实例中，电子控制单元112可包括具有多个程序的处理器，和/或是可重新编程的以操作除扩孔器之外的任何数目个不同工具。因此，模块化控制短管100不限于扩孔器150的操作。

将理解，用于可扩张扩孔器中的扩孔器部件152可属于许多类型，例如枢转延伸臂、刀片、切割器、径向滑动部件。扩孔器可具有多个刀片、切割器或其它扩孔器部件或仅一个部件。此外，将理解，如本文中所使用，虽然在本文中方便地使用复数用于扩孔器部件，但如本文中所使用，复数个扩孔器部件也可指示仅一个扩孔器或任何数目个扩孔器部件，且可包含集中式扩孔器、偏移扩孔器、双中心扩孔器及类似者。本发明并不意图被扩孔器部件的数目或类型限制。在打开或关闭操作期间，扩孔器部件或其部分可旋转、在一个或多个方向上平移、折叠、以上动作的组合，和/或由任何所需机构以其它方式径向地延伸和缩回。扩孔器部件152的径向打开量可以是可调整或固定的，使得被扩孔的洞孔的直径可固定或改变。打开量取决于井孔直径将被打开多少的要求。此打开量可在地面上通过改变扩孔器组件加以调整，或可由具有扩孔器外壳的对应特征的模块化控制短管进行井下调整和/或控制。

电子控制单元112可由锂电池组114或类似者进行电池供电，和/或可由井下发电机供电或再充电。电子控制单元112可包括处理器或类似者以利用传感器输入来确定何时打开和关闭扩孔器或操作其它设备，如下文中所论述。可利用各种传感器以允许电子控制单元112作出所需决策。可利用可包括加速度计、位置传感器、磁力计、电阻率传感器的旋转传感器116，和/或可用以确定模块化控制短管100在一个、两个或三个维度及类似者中的位置、速度、移动方向、旋转、RPM的其它类型的传感器。其它传感器可包括用以测量内部管压力的压力内部管传感器118、环空压力传感器119，和/或用以检测穿过模块化控制短管100的流体流量/速度的各种类型(不管是电子还是机械)的流量传感器。可使用环空压力传感器119来测量信息且将所述信息记录在存储器中。如本文中所使用，流体传感器可包括压力传感器、流量计，或可用以确定流体是否流过钻柱的其它传感器，例如，所述传感器通过测量流体压力而可确定泥浆泵正在操作且循环流体正流过钻柱。电子控制单元112可包括电子输出122以操作致动器、马达、阀及类似者。例如，在一个实施例中，电子控制单元112可包括布线以操作一个或多个螺线管、阀、换向阀、多位阀、电动马达、液压马达、钻探流体马达、活塞、任何类型的致动器、激活器、其组合及类似者。为了简单起见，本文中所使用的用于上述打开和/或关闭机构、装置类型或类似者的术语是致动器。作为致动器的一个非限制性实例，螺线管120可打开和关闭端口124或阀以在压力下控制钻探流体的流量，在一个可能非限制性实施例中可利用所述压力以引导钻探流体126液压操作弹簧加载活塞，从而通过使钻探流体104分流到环形空间128来扩张扩孔器部件152并冷却和清洁扩孔器部件上的切割器块。

在此实施例中，扩孔器部件152响应于来自模块化控制短管100中的电子控制单元的信号而从扩孔器主体160内部的关闭或缩回位置154移动到打开或扩张位置156，以用于对井孔扩孔或打开井孔。如果需要扩张，那么液压流量可操作活塞、连接到激活部件的弹簧加载活塞和/或类似者以将扩孔器部件152相对于扩孔器主体160向外移动到打开位置156和/或相对于扩孔器主体160向内移动到关闭位置154。可将钻探流体流量引导到扩孔器环形主体160外部(如128处所指示)，一旦扩孔器刀片打开就冷却和清洁扩孔器刀片，且还在地面上提供所述扩孔器打开的指示，如地面上可检测到的压降所指示。

扩孔器部件152的致动可如弹簧158示意性地所指示而被弹簧偏置，从而保持关闭直到致动为止且在从钻探流体移除液压压力后就自动地关闭。可在模块化控制短管100中利用两个或两个以上螺线管，其中一个螺线管操作阀以液压打开扩孔器部件152且另一螺线管操作阀或端口以液压关闭扩孔器。因此，用于扩孔器的打开和关闭机构的致动器的许多激活可能性根据本发明是可能的。在下文中根据模块化控制短管100的其它实施例论述模块化控制短管100中使用的用于扩孔器150和/或致动器的额外可能的打开和关闭机构，例如图7和图8中所展示的那些非限制性实例。

将理解，模块化控制短管100和扩孔器外壳150可在同一外壳中。然而，本发明的一个可能非限制性实施例的另一新颖特征是模块化控制短管100与扩孔器外壳150的分离，所述特征由于减小了扩孔器外壳150的复杂性而提供制造优点。在现有技术中，先前在使用之后可即使有很少磨损也被丢弃的组件可被重复使用。因此，可显著地缩减不仅与制造相关联而且与使用单独提供的扩孔器外壳150的操作相关联的成本。

图6公开用于扩孔器的操作的模块化控制短管中的电子控制单元中的处理器的逻辑操作的一个可能非限制性实例。电子控制单元中的处理器和其它电路可经不同地编程以用于其它工具的操作，在下文中论述其一些非限制性实例。如本文中所使用，术语编程可为软件编程、硬接线逻辑，或其它电子手段，从而实施电子控制单元。

在一个实施例中，电子控制单元的智力可包括睡眠模式600和活动模式602。在睡眠模式600中，扩孔器150保持收缩或关闭而不管传感器所检测的任何活动性。此防止扩孔器部件(切割器块)150的无意打开。通过将工具置于睡眠模式中，电子控制单元不能在不适当的时间打开工具，在不适当的时间打开工具将会花费钻机操作者大量的时间和金钱。

当钻探操作将要开始时(例如滑动/旋转定向钻探作业)，扩孔器被编程为睡眠模式600且经制成到井底组合件(BHA)中并在洞孔中运行。一旦扩孔器处于裸孔中，就可通过下行链路命令使模块化控制短管100中的电子控制单元112循环到活动模式602中。本发明并不限于滑动/旋转定向钻探作业，且可用于其它钻探作业，例如常规旋转钻探、连续油管钻探、旋转可转向系统及类似者。在此实例中，一旦处于活动模式中，电子外壳100就能够独立地区分滑动钻探与旋转钻探，而不关注原本可能迷惑现有技术工具或其人员操作者的操作。

因此，在一个非限制性实施例中，一旦电子控制单元112已通过下行链路激活，电子控制单元112就自动地关闭扩孔器部件以用于滑动钻探且自动地打开扩孔器部件以用于旋转钻探，而不另外需要来自地面的额外下行链路。所述工具因此更快地响应于滑动钻探和旋转钻探的改变，而没有与重复的下行链路传输相关联的延迟。与现有技术装置不同，智能控制器高度地适合于旋转/滑动钻探的频繁改变。

为了将模块化控制短管100从睡眠模式置于活动模式中，可利用的不同技术是下行链路传输，图5中展示一个非限制性实例。对于此实例，可利用如图4中所展示的内部钻杆压力传感器118结合电子控制单元112来检测循环压力对时间的编程序列，所述编程序列可通过泥浆泵的循环或地面处的其它动作(下行链路)而产生。在此实例中(图5)，循环压力502超过最小压力阈值504持续指定的持续时间506，且压力返回到零持续指定的持续时间508。循环压力再次从零增加510到510(持续指定的持续时间512)，且接着返回到零持续指定的持续时间514，电子控制单元112中的处理器将此确认为下行链路命令，且将从可被称作第二模式(睡眠模式)的模式切换到可被称作第一模式(激活模式)的模式。为了将工具再次置于第二模式(睡眠模式)中，可利用另一压力对时间样式(下行链路)，如图5中指示。将了解，可利用睡眠模式与活动模式之间的任何数目个改变。

可在其它实施例中利用用于将模式从睡眠模式改变到活动模式和/或返回的其它非限制性手段。例如，可利用在指定时帧内的在指定的旋转速度范围内的钻柱的一系列旋转样式。或者可利用以上或以下技术中的任一者的组合以及其它技术。例如，可从地面发送下行链路以将工具置于活动模式或睡眠模式中。在另一实施例中，可利用计时器。可利用以上技术或其它技术的组合来控制活动模式和睡眠模式。如所指出，本文中所描述的技术仅仅作为实例，且可利用其它技术。因此，可利用许多不同的方法来在睡眠模式与活动模式之间转移。在另一实施例中，在必要时，可利用第三模式切换来将扩孔器保持在延伸位置中而不管传感器，直到通过以上或其它方法中的任一者切换出所述模式为止。

如上文所指出，在置于活动模式中之后，在一个可能非限制性实例中可使用模块化控制短管100中的电子控制单元112以在滑动钻探与旋转钻探之间快速地且自动地切换，而不需要按照现有技术的额外地面信号、掉落的球、遥测或类似者。

在已将电子控制单元112置于活动模式602(图6)中之后，利用可能的一系列逻辑测试604和608来确定钻探是旋转钻探还是滑动钻探。尽管首先展示旋转测试604，但可首先测试流体操作传感器608且其次测试旋转604，或者可与工具的电子器件同时或几乎同时测试传感器。

例如，可由电子控制单元112中的处理器测试旋转传感器116的旋转钻探，如604处所指示。在一个可能非限制性实施例中，如果处理器将传感器读数解释为不指示旋转(如关于图6A进一步所论述)，从而提供如606处所指示的逻辑假回答，那么模块化控制短管100中的电子控制单元112将扩孔器臂保持在关闭位置中。换句话说，电子控制单元区分滑动钻探与旋转钻探或至少区分旋转钻探的不存在。在扩孔器部件先前延伸或打开的情况下，扩孔器部件将自动地缩回到关闭位置。如果旋转测试是真，那么在一个可能非限制性实施例中，在电子控制单元112指示旋转钻探之前可需要满足额外逻辑测试。在此实例中，可利用流体操作测试608。流体操作可涉及钻探泥浆流体流量、井眼循环、由电子控制单元112检测的流体压力(例如内部管压力)或类似者。在此实例中，如果逻辑测试608指示不足的流体操作(例如流量、压力、时段和/或这些的组合)，或未检测到如智能扩孔器10中的电子控制单元112中的处理器所解释的类似者，那么扩孔器将扩孔器部件保持在缩回位置中，或者如果扩孔器部件已经在打开位置中，那么扩孔器部件移动到缩回位置，如610处所指示。

在此非限制性实例中，只有当用于电子控制单元112的电子处理器解释传感器读数以将旋转和流体操作两者指示为真(如612处所指示)时，那么扩孔器部件才延伸。因此，本发明避免了与扩孔器的无意打开相关联的现有技术问题。

换句话说，在活动模式602中，电子控制单元112经编程以用于评估来自至少一个运动传感器(例如旋转传感器)的信号，以区分旋转钻探与滑动钻探。还可在一个可能优选实施例中利用例如流体操作传感器的额外传感器，以区分旋转钻探与滑动钻探，电子控制单元112进一步可操作以在旋转钻探期间实现扩孔器部件到扩张位置的移动且在滑动钻探期间将扩孔器部件移动到缩回位置。

将了解，可利用此逻辑的许多不同变化。例如，操作可基于指示所述工具正用于滑动钻探(钻柱的很少或没有旋转)还是旋转钻探(整个钻柱正在旋转)的加速度计、磁力计或其它传感器读数。

图6A展示用于相比于用于滑动钻探的定向期间的临时旋转、滑动钻探期间的滑动粘附、钻柱绕紧、来自泥浆马达的反扭矩或类似者来确定是否发生旋转的一个可能测试620。在此非限制性实例中，针对旋转速度大于10RPM的钻柱的全部旋转来测试旋转是否持续至少5秒。可利用其它RPM和/或时间。其它测试可包括测试相对恒定的旋转速度、较高旋转速度或类似者。如果所述测试指示钻柱的旋转，那么接着满足逻辑要求的方面(如622处所指示)且部署切割器块。否则，结果是如624处所指示的未旋转且切割器块保持缩回。将了解，在没有旋转的情况下，在一个可能非限制性实例中，扩孔器部件152总是关闭，或在滑动钻探期间自动地从打开位置移动到关闭位置。因此，可由电子控制单元进行许多测试，从而以保守、安全且仍相对快速的方式来验证和区分旋转钻探与滑动钻探。

可针对流体操作传感器利用各种类型的类似测试，例如压力的选定值或压力值/流动速率的范围，其保持在高于流体静压的最小压力以上和或最小流动速率持续选定时段(例如，持续五秒)。然而，本发明的一个实施例的智能扩孔器控制并不限于使用任何特定流量测试或多个流量测试。因此，在一个可能非限制性实施例中，可由如上文所描述的适当旋转检测器进行操作。

提供图7和图8以展示模块化控制短管100可按许多不同方式予以实施。图7展示非限制性的不同实施例，其中原始设计模块化控制短管100被修改，模块化控制短管700可利用弹簧加载和/或液压操作活塞来激活扩孔器部件152，而非如先前结合模块化控制短管100所论述而将流体流量引导到扩孔器外壳150。活塞702如箭头710所指示而向上和向下移动。在此实施例中，可利用电子控制单元112所控制的一个或多个阀704、螺线管或类似者来激活活塞702或棒或其它组件，以与下文中所论述的扩孔器外壳150或其它类型的外壳中的激活构件连接。图7仅展示为活塞操作机构的实例，且并不意图是制造水平设计或以任何细节展示其它工作组件。例如，当需要打开扩孔器时，阀704打开端口而向下移动活塞702且关闭端口以将活塞702锁定在延伸位置中，如所展示。活塞702接合扩孔器外壳150中的往复打开和关闭机构以打开扩孔器。当需要缩回扩孔器时，阀704或另一阀打开以从所述活塞释放压力，使得弹簧708缩回活塞702且还缩回扩孔器。因此，图5和图6的逻辑可用模块化控制短管的不同实施例予以实施。

图8展示另一变化实施例，其中原始设计模块化控制短管100经修改为模块化控制短管800，所述模块化控制短管800包括可用以撬开扩孔器部件804的液压驱动楔形元件802。用于扩孔器部件804的打开和关闭机构可经弹簧加载以返回到位置。在此实例中，电子控制单元112和传感器808可结合上述的操作逻辑而用于控制目的。当需要延伸扩孔器804时，阀810引导流体穿过流体路径812以用于扩孔器部件804通过使用楔形元件802楔入扩孔器部件804与楔形元件802之间的表面814而实现楔形激活。

在模块化控制短管的其它实施例中，可利用定位在模块化控制短管和/或扩孔器中的流体驱动旋转马达以用于激活和/或可利用电动马达。因此，可根据本发明由模块化控制短管100操作许多不同类型的激活系统，从而操作用于扩孔器的许多类型的打开和关闭机构。

图9A、图9B、图9C和图9D展示根据本发明的滑动钻探和扩孔的各种效应的非限制性实施例。为了方便起见，将推测到在此系列图中概念性地展示合适的井下配置，例如图1所展示的配置。图9A表示当智能扩孔器置于睡眠模式中且扩孔器部件保持收缩或关闭时的旋转钻探，由此井眼902与钻头30的直径近似相同。图9A还可表示当电子控制单元112处于活动模式且钻柱32未旋转时在用泥浆马达的滑动钻探期间产生的井眼902。当滑动钻探时，在活动模式中，扩孔器部件152由于没有旋转而缩回(如先前所论述)，且井眼902与钻头30的直径近似相同。然而，在旋转/滑动钻探操作的情况下，旋转和滑动之间的改变及类似者可能引起井眼形状中的岩架、急拐弯和不连续面，以上各项例如对于运行下套管和下钻和起钻是不合要求的。使用智能扩孔器10的组合会提供用最少浪费时间和努力来移除此类不连续面的新颖方式。

图9B可表示当钻柱32旋转且接着在向上或向下旋转的同时进行扩孔以扩大所述孔时(如904处所指示)扩大所述井眼的效应。本发明容易如先前所论述而响应于智能扩孔器10中的逻辑和控制机构来延伸扩孔器刀片152。智能井下扩孔器10下方的井眼902与钻头30的直径近似相同，且被扩孔的井眼904被扩大。图9B可能还表示在向上倒划井眼且接着将钻柱32移动到井眼底部时的旋转钻探。

图9C展示旋转钻探且向上和/或向下移动钻探流而因此在井眼中方便地产生扩大的袋904(如可能对于充满砾石的生产区所需要的)的效应。较小钻头尺寸的孔902显现在扩大的袋904上方和下方。

图9D展示根据本发明的另一新颖特征的扩大的扩孔井眼904的效应，其中所述井眼以所需的直径平滑化，从而移除可能在钻探期间产生的岩架、急拐弯和不连续面及类似者。

虽然可利用模块化控制短管100来操作扩孔器，但装置还可连接到许多其它工具且用于所述工具。如上文所论述，模块化控制短管100可为可附接到各种工具的单独外壳。以下是可连接到模块化控制短管100以执行其它服务的一系列工具的非限制性实例。

在图10A中，展示多OD套管切割器工具1002，可利用所述工具1002来切穿具有不同直径的多个不同套管柱而不需要更换工具。在此实例中，展示可由控制短管依序操作的三个不同切割刀片1004、1006和1008。可利用各种类型的致动器，且可利用模块化控制短管100来选择所需的切割刀片。例如，可利用三个螺线管或三位螺线管以激活三个不同机构。或者，具有多个出口的换向阀可与单个螺线管一起操作。在另一实施例中，单个刀片或刀片群组可用活塞操作以枢转地打开到所需的深度且不断地根据需要而进一步打开。

图10B展示可延伸/可缩回稳定器。所述稳定器可用于在一旦所述孔井已被扩大时就以钻柱为中心。稳定器可包括可以平移或向外铰接移动的可扩张部件。在扩大井孔之前，稳定器可如1022处所指示而缩回。在扩孔之后，稳定器可以如1024处所指示而向外轴向径向地延伸。因此，可利用各种类型的可延伸部件，所述部件在必要时还可以是可缩回的。所述部件可响应于模块化控制短管100中的致动器而被弹簧加载、为液压、包括机械联动、被电动操作和/或其任何组合。

图10C展示另一类型的可扩张稳定器1030，其中臂1032处于扩张位置且臂1034处于缩回位置。在此实施例中，所述臂通过枢轴机构而向外移动且可被弹簧加载。

图10D展示钻探循环短管工具1040，可利用所述工具1040以从内部流动路径分配堵漏材料穿过钻柱而到井孔或钻柱外部的环带。在许多情况下，使用堵漏材料以使井眼的井壁泥饼愈合或密封，以防止钻探流体进一步丢失在岩层中，例如，可将橡胶海棉材料、花生壳、纤维材料及类似者循环到所述环带以补救井漏。因此，钻探循环短管工具可包括阀或闭合部件1042，所述部件1042对井眼打开以将材料分配到井眼中。一旦闭合部件打开，那么堵漏材料就经引导到工具外部而到达所述环带，如1046处所指示。同样，所述工具可包括闭合部件1044或阀以防止材料向下流动到泥浆马达和钻头中。可通过来自电子控制短管的液压管线或类似者来操作或致动钻探循环短管工具，如上文中所论述。闭合部件1042和1044可被单独地或同时地操作。

图10E展示可用以从井孔检索岩心的侧壁取心工具1050。例如，钻探流体可经引导以操作高速液压马达或电钻1054，通过利用活塞1052将所述高速液压马达或电钻1054挤压到岩层中且接着通过反转活塞上的力而液压撤回。可利用活塞以将工具按压抵靠岩层。必要时，可利用可密封盖以保护岩心免于在撤回时被损坏。现有技术的旋转侧壁取心工具(例如通过测井电缆运行的那些工具)常常受限于旋转切割功率。然而，可在高压力和高功率下抽吸和引导钻探流体到液压供电的高速旋转马达。可利用模块化控制短管100以选择性地操作每一取心机构，例如用换向阀以将液压流体连续地移位到每一旋转马达，或使用单个马达和单独存储容器来以相比于标准取心极大地缩减的成本和时间获得质量岩心，或获得未利用取心的岩心。

虽然本发明可包含用于扩孔器或其它工具的单独模块化控制短管，但将理解，可利用电子电路以操作目前被纯粹机械操作且可能难以从地面控制的各种工具。

因此，本发明提供具有电路和致动器的模块化控制短管，可利用所述模块化控制短管以操作扩孔器或其它工具。

在一种操作方法中，本发明可用于通过利用滑动钻探和旋转钻探的组合来钻探井眼。所述方法可包括将钻头放置在钻柱上，其中钻头包括钻头外径。用智能可扩张扩孔器控制件而将泥浆马达用于钻柱上。扩孔器可从关闭位置移动到打开位置，其中在所述打开位置，所述扩孔器可操作以用于对所述钻柱扩孔以将所述井眼扩大到大于所述钻头外径的直径。智能扩孔器可操作以区分泥浆流动与可在无需打开扩孔器的情况下发生的钻头旋转。所述方法可包括交替地滑动钻探和旋转钻探，由此智能扩孔器控制件检测到滑动钻探，因此所述扩孔器控制件操作所述扩孔器以将所述扩孔器部件移动到所述关闭位置，且由此所述扩孔器控制件检测到旋转钻探，由此所述扩孔器控制件操作所述扩孔器以将所述扩孔器部件移动到所述打开位置以扩大所述井眼。

本领域的技术人员可在本发明的原理和范围内进行系统和方法的细节、组件、步骤和组织(在本文中经描述和展示以解释本发明的性质)的许多额外改变。因此应理解，在随附权利要求书的范围内，可按与具体描述的方式不同的方式来实践本发明。

Claims (15)

1.一种可连接到用于井下使用的井下钻探组合件的电子扩孔器，所述电子扩孔器包括：

扩孔器主体段；

一个或多个扩孔器部件，其安装到所述扩孔器主体段以用于从所述扩孔器主体段在径向向内位置与径向延伸位置之间进行选择性移动；

打开和关闭机构，其以操作方式连接到所述一个或多个扩孔器部件以在所述径向向内位置与所述径向延伸位置之间移动所述一个或多个扩孔器部件；

旋转传感器；以及

电子控制单元，其可操作地连接到所述旋转传感器且连接到所述打开和关闭机构，所述电子控制单元可操作以用于置于第一模式和第二模式中，由此在所述第一模式中所述电子控制单元经编程以在所述电子控制单元利用所述旋转传感器检测到旋转钻探时将所述一个或多个扩孔器部件移动到所述径向延伸位置且在所述电子控制单元检测到滑动钻探时将所述一个或多个扩孔器部件移动到所述径向向内位置，以及由此在所述第二模式中所述电子控制单元经编程以将所述一个或多个扩孔器部件维持在所述径向向内位置中而不管所述旋转钻探或所述滑动钻探。

2.如权利要求1所述的电子扩孔器，进一步包括流体传感器，其中所述电子控制单元响应于所述流体传感器或所述旋转传感器或两者的组合，以用于将所述电子控制单元置于所述第一模式或所述第二模式中，所述电子控制单元经编程以可操作地用于多次选择性地往复地置于所述第一模式和所述第二模式之间。

3.如权利要求2所述的电子扩孔器，其中所述电子控制单元响应于由所述流体传感器或所述旋转传感器或两者的组合检测的一个或多个选定流体操作或旋转样式，以用于将所述电子控制单元选择性地置于所述第一模式或所述第二模式中。

4.如权利要求1所述的电子扩孔器，其中在所述第一模式中所述电子控制单元经编程以在将所述一个或多个扩孔器部件移动到所述径向延伸位置之前至少需要最小选定顺时针旋转速度持续最小选定时段，且其中所述电子控制单元经编程以当归因于反扭矩在所述滑动钻探期间间歇地发生旋转时区分所述滑动钻探和所述旋转钻探。

5.一种制造或使用用于对井眼扩孔的电子扩孔器的方法，所述电子扩孔器可连接到用于井下使用的井下钻探组合件，所述方法包括：

提供电子控制单元，所述电子控制单元可操作以用于在扩张位置与缩回位置之间移动一个或多个扩孔器部件；以及

将所述电子控制单元提供为可操作地连接到检测旋转的至少一个传感器，由此所述电子控制单元经编程以用于评估来自所述至少一个传感器的信号以区分旋转钻探与滑动钻探，且将所述电子控制单元提供为进一步经编程以多次在所述旋转钻探期间将所述一个或多个扩孔器部件移动到所述扩张位置且在所述滑动钻探期间将所述一个或多个扩孔器部件移动到所述缩回位置。

6.如权利要求5所述的方法，进一步包括提供：所述电子控制单元能够用地面控制件选择性地控制以在第一模式与第二模式之间改变，由此在所述第一模式中所述电子控制单元可操作以用于利用来自所述至少一个传感器的所述信号来区分所述旋转钻探与所述滑动钻探而不使用所述地面控制件，以及由此在所述第二模式中所述电子控制单元经编程以将所述一个或多个扩孔器部件维持在所述缩回位置中而不管所述旋转钻探或所述滑动钻探。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括提供：所述电子控制单元响应于预定内部管压力序列或旋转序列或两者的组合以响应于所述地面控制件多次选择性地置于所述第一模式与所述第二模式之间。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括提供：所述电子控制单元利用所述至少一个传感器以检测旋转或流体流动或两者的组合以用于选择性地置于所述第一模式和所述第二模式之间。

9.如权利要求6所述的方法，进一步包括提供：所述电子控制单元经编程以即使当归因于反扭矩由于在所述第一模式中所述电子控制单元将所述一个或多个扩孔器部件移动到所述扩张位置之前需要最小选定顺时针旋转速度持续最小选定时段而在所述滑动钻探期间间歇地发生旋转时也区分所述滑动钻探与所述旋转钻探。

10.一种可连接到用于井下使用的井下钻探组合件的电子扩孔器，所述电子扩孔器包括：

电子控制外壳；

至少一个传感器，其安装在所述电子控制外壳中以检测旋转；

电子控制单元，其安装在所述电子控制外壳内且以操作方式连接到所述至少一个传感器，所述电子控制单元经编程以利用所述至少一个传感器来区分旋转钻探与滑动钻探；

一个或多个扩孔器部件，其经安装以用于在延伸位置与缩回位置之间进行选择性移动；并且

所述电子控制单元以操作方式连接到打开和关闭机构，所述打开和关闭机构以操作方式连接到所述一个或多个扩孔器部件，所述电子控制单元经编程以用于控制响应于检测到所述旋转钻探的所述延伸位置与响应于检测到所述滑动钻探的所述缩回位置之间的移动。

11.如权利要求10所述的电子扩孔器，其中所述电子控制单元经编程以当归因于反扭矩由于所述电子控制单元将所述一个或多个扩孔器部件移动到所述延伸位置之前需要最小选定顺时针旋转速度持续最小选定时段而在所述滑动钻探期间出现间歇旋转时区分所述滑动钻探与所述旋转钻探。

12.如权利要求10所述的电子扩孔器，其中所述电子控制单元经编程以进行如下操作：用于置于第一模式中，以用于在所述旋转钻探期间将所述一个或多个扩孔器部件移动到所述延伸位置且用于在所述滑动钻探期间将所述一个或多个扩孔器部件移动到所述缩回位置，而不使用来自地面控制件的信号；以及用于置于第二模式中，其中所述电子控制单元经编程以将所述一个或多个扩孔器部件维持在关闭位置中而不管旋转钻探或滑动钻探，所述电子控制单元经编程以可操作地用于响应于所述地面控制件选择性地置于所述第一模式和所述第二模式之间。

13.如权利要求12所述的电子扩孔器，进一步包括：所述电子控制单元响应于所述地面控制件以多次在所述第一模式与所述第二模式之间改变。

14.如权利要求13所述的电子扩孔器，进一步包括：所述电子控制单元经编程以利用所述至少一个传感器以检测旋转或流体流动或两者的组合以用于选择性地置于所述第一模式和所述第二模式之间。

15.如权利要求10所述的电子扩孔器，其中所述一个或多个扩孔器部件安装在所述电子控制外壳或单独扩孔器主体中。