CN105971525A - 用于钻柱的叶片稳定器工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于钻柱的叶片稳定器工具。钻柱稳定器工具(200)包括圆柱形主体(20)和安装在圆柱形主体的外表面上的多个稳定器叶片(100)。稳定器叶片具有长形形状和带有上部稳定部分和下部安装部分的整体性结构。在每两个相邻的叶片(100)之间，可以可选择地有在钻井和下钻期间用于提高液体和钻屑流动的流体动力学槽(21)。
Description
发明领域
本发明涉及用于当钻探油井、天然气井或地热井时稳定钻柱的操作的叶片稳定器工具。
现有技术的情况
在定向钻井中，保持操作的完全控制是非常重要的。为了保持钻柱的控制，已知使用了一定数量(通常为2或3)的放置在底部钻具组合(bottomhole assembly)中的所谓的钻井稳定器。具有使用两个稳定器的底部钻具组合配置的钻柱的示例在图1中示出。在钻柱中的稳定器的主要功能是支撑并稳定在穿过地表的井中的底部钻具组合。稳定器叶片的设计应该是这样的，在钻井操作的全部阶段期间，稳定器叶片减少在井中的摩擦力和阻力，因此防止众所周知的问题，例如对于井的损伤、泥包(balling up)和井壁失稳。此外，稳定器不应该阻碍钻屑通过钻井液被带出钻井。稳定器叶片的接触面积应该足够大以充分支撑在井中的钻柱，同时将对井壁的渗透减到最小或消除。当重量被施加或由通过钻柱传输的振动或冲击负载导致的抖振发生时，稳定器还应当提供稳定性。钻柱稳定器工具包括圆柱形稳定器主体以及定位在所述圆柱形主体的外表面上由高强度钢制成的多个稳定器叶片组件。叶片可以是具有耐磨性的硬表面的直线的或螺旋形的。叶片可以被机加工为圆柱形主体的整体性的部分，或被机加工到螺纹连接至主体的套筒上，因此使得套筒可替换。叶片可以直接地焊接至圆柱形主体(焊接的叶片稳定器)。
图2中所示，EP1650400描述了具有稳定器叶片1的稳定器叶片组件，该稳定器叶片具有上部稳定部分2和下部安装部分3。稳定部分2具有带有前端4和后端5、上部表面6和大体上直立的侧壁7的长形形状。稳定部分2的后半部的平均宽度朝着后端5锥化，并且因此后半部的平均宽度大体上小于前半部的平均宽度。稳定器叶片的上部表面和底部表面靠近并且朝着前端4倾斜。稳定器叶片1的形状及其定位是这样的，其可以有效地转移围绕叶片的钻井液和钻屑，并大大减小泥包和钻屑对稳定器的封堵(packing off)。当以定向模式滑动时，叶片的锥形形状减小摩擦并且增强稳定器的性能。叶片的横截面锥度的功能是为了当以旋转模式钻井时减小旋转扭矩并且使底切作用(undercutting)最小化。稳定器叶片组件包括锥形安装块，该锥形安装块具有用于使用螺栓将该块安装在稳定器主体上的孔。稳定器叶片包括向下突出的安装部分3，该安装部分3具有锥形的前壁9和后壁10。稳定器主体的中心部分的圆柱形表面设置有轴向对齐的安装沟槽，该安装沟槽具有和稳定器叶片1的安装部分3一样的相同宽度和高度。稳定器叶片被安装在稳定器的主体中铣出的凹部中，并且由两个安装在凹部中的一个在叶片前且一个在叶片后的锥形安装块固定至该主体。这些块的锥形部分与稳定器叶片的安装部分3的锥形的壁9和10配合。锥形安装块中的每一个由螺栓固定至稳定器主体。螺栓插入锥形安装块中的凹部，使得螺栓的头部不暴露于钻井孔的壁。当两个锥形安装块被紧固至适当位置时，在锥形安装块和凹部中的稳定器叶片的锥形安装部分3之间施加的压力将整个组件锁定在适当的地方。插入锥形安装块的螺栓的头部大于锥形安装块的顶部的孔，螺栓通过该孔拧紧。
虽然这种结构已经示出在正常情况下以令人满意的方式工作，但是当存在的力达到某一阈值时，这种结构导致严重的故障。万一冲击力高于某一阈值，叶片中的一些可能被迫离开其凹部并且将叶片固定至主体的块可能遭受严重的损坏。这使得有必要对于叶片的安装提供一些改进以克服描述的问题并且易于替换磨损或损坏的部件。
发明概述
本发明的目的是提供用于钻柱的稳定器工具，该稳定器工具克服了上述的问题并且具有对于冲击的更高的抵抗性、在操作中更好的流体动力学性能以及具有更简单且更便宜的维护成本。
这些目的通过根据权利要求1的钻柱稳定器工具实现，该钻柱稳定器工具包括圆柱形主体和多个稳定器叶片，圆柱形主体界定纵向轴线并且具有在其表面上的多个纵向槽，多个纵向槽中的每个具有相应的销，该相应的销从槽内部的底部表面径向地延伸并且是圆柱型主体的整体性的部分，该多个稳定器叶片具有平行于所述纵向轴线延伸的长形形状并且包括径向远侧部分和径向近侧部分，其中，所述径向远侧部分的纵向延伸部短于所述径向近侧部分的纵向延伸部，其中，所述径向近侧部分包括矩形第一部分和锥形第二部分，锥形第二部分与所述第一部分轴向相反地定位并且设置有螺杆孔，螺杆孔用作将螺栓固定在所述第一部分和所述第二部分上的通道，所述径向近侧部分具有纵向槽中的一个的互补形状并且具有用来接合具有互补形状的所述销中的一个的纵向沟槽。
由于这些特征，稳定器工具具有改进的性质，特别是关于摩擦、流体动力学性能、使用、维护和/或成本的性质。增强的形状和可互换的叶片显著提高钻井导向和稳定性，降低扭矩、阻力和钻井孔损坏的情况。由于稳定器叶片是可替换的，其可以在钻井现场方便且快速的更换，因此该工具对于在离岸地点工作是理想的。这种特征使稳定器工具能够在钻井现场被维修，使磨损或损坏的稳定器叶片能够被快速地更换，消除了为了维修将磨损或损坏的稳定器工具运输至专门的车间的必要性。不同尺寸例如不同厚度T、宽度或长度的稳定器叶片可以安装至圆柱形主体，消除了在钻井现场具有额外的非标尺寸的稳定器工具的必要性。在现场替换损坏或磨损的稳定器叶片并给圆柱形主体装上不同尺寸的叶片的能力将大大地减少在现场所需的稳定器的库存。在每日租金费用、运输花费上的花费节约以及在存储空间上的减少增加了可替换的叶片稳定器构思的技术优势。
通过销的引入，可能达到载荷的更均匀分布。此外，叶片可以完全嵌入到稳定器主体中得到更好的流体动力学性能。其它的优势是更大的表面接触面积以及更宽的覆盖区域导致改进的稳定性。
有利地是，叶片进一步分离地放置在稳定器主体的表面上，这导致在叶片之间的流动面积的增加。有利地是，流体动力学槽的实现将提高自清洁和喷射效应，加速在主体加厚区域之上的钻屑输送。自清洁作用最小化污泥堆积和泥包，增加均匀的钻井液流动。新的设计减少了泥包或封堵的可能性，也减轻井漏或井控风险的起因。
有利地是，在底部安装部分的前部的矩形外围区域和在后方(后面)部分的三角形外围区域将分别容纳三个孔和一个孔，以用于安装螺栓，螺栓与中央销一起大大地改善了系统的稳定性。稳定器叶片因此可拆卸地连接至圆柱形主体。
有利地是，叶片具有圆顶形接触区域。在本说明书中，我们通常将稳定器叶片的三角形部分称作稳定器叶片的后方(后面)部分仅仅是为了便于描述，而不对关于使用稳定器工具的方式的这些形容词给予任何限制性意义。
本发明的圆柱形主体加厚具有当钻入孔中时和离开孔时使潜在的拖延和钻孔损坏的风险最小化的优势。为了增强稳定器叶片的这种优势，提供了浅前导(shallow lead)以及优选地为20°的尾部加厚角。有利地是，稳定器叶片是整体式的。本发明的稳定器工具可以承受更多的横向/轴向载荷，以及比现有技术情况的解决方案更多的侧载荷，并且，此外，稳定器工具减少泥包或封堵的可能性，同时减轻井漏或井控风险的起因。
有利地是，由稳定器工具的稳定器叶片的径向远侧表面界定的圆形包络面的外径可以被调整或修改至所需的任何大小。这通过插入垫片的方式和/或结合不同径向高度的稳定器叶片的方式获得。
由于叶片是可更换的，因此其可以在钻井现场方便且快速地更换。这种特征使稳定器工具能够在钻井现场被补救或维修，使磨损或损坏的稳定器叶片能够被快速地更换，并且消除了为了维修将磨损或损坏的稳定器运输至专门的车间的必要性。不同尺寸的稳定器叶片可以安装至圆柱形主体，消除了在钻井现场具有额外的非标准尺寸的稳定器工具的必要性。在现场更换损坏或磨损的稳定器叶片的能力以及在稳定器工具上安装不同尺寸的稳定器叶片的能力大大地减少在钻井地点所需的稳定器的库存。在每日租金费用、运输花费上的资金节省以及在存储空间上的减少增加了本发明的技术优势。
附图简述
借助于附图，依据通过非限制性示例示出的钻柱稳定器的优选但不排他的实施方案的详细描述，本发明的进一步的特征和优点将变得更明显，其中：
图1是钻井钻具组合(底部钻具组合)的示意图；
图2是根据现有技术的情况的稳定器叶片的透视图；
图3是根据本发明的稳定器工具的部件的透视图；
图4是从另一个方向的图3的部件的透视图；
图5是沿着本发明的稳定器工具的部件的纵向平面的剖面；
图6是在安装稳定器叶片之前的稳定器工具的透视图；
图7是安装有稳定器叶片的稳定器工具的透视图；
图8是横向于图7的稳定器工具的轴线的平面的局部剖视图；
图9是根据本发明的稳定器工具的另一个部件的透视图；
在附图中的相同的参考标号标识相同元件或部件。
优选实施方案的详细描述
图1中示出根据本发明的稳定器工具200沿着钻柱300安装在两个位置。具体参考图3至图9，本发明的稳定器工具200包括由低碳钢制成的六个稳定器叶片100。稳定器叶片优选地全部是同样的形状，且我们只描述一个稳定器叶片。
稳定器叶片100是整体式的并且具有界定纵向轴线的长形形状。稳定器叶片包括上部稳定部分2和下部安装部分3，当安装时上部稳定部分2从稳定器工具200的纵向轴线X径向地向远侧放置，当安装时下部安装部分3从稳定器工具的纵向轴线径向地向近侧放置。上部稳定部分2具有翼形状并且包括前段4、后段5和中央段11。中央段11具有宽度和垂直壁7，该宽度垂直于纵向轴线，量级相等于下部安装部分3的宽度，该垂直壁7作为下部安装部分3的垂直壁的延续。前段4从中央段朝着大体上半圆形前端锥化，同时后段5具有大体上半圆形的形状。稳定器叶片100具有界定接触面积的上部表面6。所述表面具有大约圆顶的形状。稳定器叶片100的上部表面6靠近并且朝向前段4的末端向下倾斜，并且也靠近并朝向后段5的末端向下倾斜。优选地，在侧垂直壁7和上部表面之间的所有边缘是倒圆的，并且同样，也进行了对具有与上部表面6的边界的所有其它壁的边缘的倒圆。
稳定器叶片100连同流体动力学槽的形状及其定位是这样的，其能够有效地转移围绕叶片的钻井液和钻屑，并大大减少泥包和钻屑对稳定器的封堵。当以定向模式滑动时，叶片的锥形形状减小摩擦并且增强稳定器工具的性能。稳定器叶片的横截面锥度的功能是为了当以旋转模式钻井时减小旋转扭矩并且使底切作用最小化。
图4示出从底部(即从安装在当考虑径向参考系统时的圆柱形主体20的轴线X的近侧位置的侧面)看到稳定器叶片100的透视图。下部安装部分3具有凹陷的纵向沟槽12以接合相应的销13，相应的销13从通常由铣削操作形成的凹陷的凹盒或者也简称为槽14的底部表面突出到圆柱形主体20的表面，见图6。槽14具有矩形前导外围和三角形后部外围，并且为了容纳中央销结构，中央销结构具有互补于下部安装部分3的相应部分的形状。稳定器叶片100由螺栓18固定在槽14中。在下部安装部分3的前部的矩形外围区域15和在下部安装部分3的后部的三角形外围区域16将分别容纳三个孔17以及一个孔17，以用于安装螺栓。三个孔也形成在槽14的前部(或前导)矩形外围中，并且一个孔形成在后部(或后面)的三角形外围中。以这种方式，稳定器叶片完全嵌入圆柱形主体20中，并且作用在稳定器叶片上的载荷通过与中央销13存在的接触和与槽14的壁存在的接触的方式均匀地分布至圆柱形主体20的结构。
图5示出稳定器工具的部分的纵向剖面图，其中稳定器叶片100通过销13接合稳定器叶片100的凹陷的沟槽12而在圆柱形主体20的表面插入槽14中。对于每个稳定器叶片，在该图中还示出四个固定螺栓18，但是多于或少于四个螺栓也是可能的，取决于稳定器工具的尺寸以及作用在稳定器叶片上的力。
由稳定器工具200的稳定器叶片100的径向远侧表面界定的圆形包络面的外径D1可以调整或修改为所需的任何大小，通常达到1英寸的程度，但是不排他并且也可以得到其它尺寸。稳定器工具的直径D1的这种增加是通过垫片25或薄金属调平板的方式以例如1/8英寸的增量实现的。垫片25的使用可以与具有不同厚度T的多组稳定器叶片结合。因此，根据用户的需求，可以实现任何直径尺寸D1。
图7示出具有六个安装的稳定器叶片的稳定器工具200的透视图。图8中示出从稳定器工具200的一端的前视图。圆柱形主体20被划分出中央部分19’，中央部分19’具有的直径稍微大于圆柱形主体的端部19”，端部19”可以连接至具有相同直径的钻柱。上至十个稳定器叶片100可以被安装在圆柱形主体20的中央部分19’的圆柱形表面上，其中稳定器叶片100的轴线对齐且平行，使得稳定器叶片100也与圆柱形主体20的轴线X轴向对齐且平行。
第一组三个稳定器叶片100或者取决于实施方案可选地多于三个稳定器叶片面朝向下流动方向沿着圆柱形主体20的表面上的第一假想圆布置并且均等分布。面朝向上流动方向的第二组三个稳定器叶片100或者取决于实施方案可选地多于三个稳定器叶片沿着从第一假想圆间隔开的第二假想圆布置并且均等分布。在两个假想圆上的前端4以相反的方向远离两个假想圆延伸，使得无论钻柱300被移动的方向如何，向前移动的稳定器工具200的前部区域均被提供有较宽的稳定器叶片100前端4。两组稳定器叶片100是以这样的方式布置的，两组稳定器叶片的后端5布置在彼此之间，其中，后端5在轴向方向上大约朝向相邻的稳定器叶片100的后端5的中央部分延伸。由于稳定器叶片100的这种布局，在每对相邻的稳定器叶片100的后端5之间形成斜通道，用于在井中操作期间允许液体的流动。
在特别有利的实施方案中，在每个稳定器叶片100之间具有铣削至圆柱形主体20中的流体动力学槽21，流体动力学槽21旨在产生自清洁和喷射效应，加速在圆柱形主体加厚区域上的钻屑输送。自清洁作用即喷射效应已经显示出最小化的污泥形成、均匀的钻井液流动以及最小化的泥包。
这些流体动力学槽21沿着从彼此轴向分隔开的两个同轴的假想圆定位在圆柱形主体20的表面上并且与圆柱形主体20的轴线X对齐且平行于彼此。流体动力学槽21有利地成形为具有在前端的鼻部或锥形以及在尾端的两个分叉路径的火箭形的通道，以提高流体动力学效应。定位在每个圆上的流体动力学槽21的数量可以是三个或多个，同样取决于稳定器工具的直径和安装在稳定器工具上的稳定器叶片的数量。
鉴于本发明通过优选的实施方案的方式描述，本领域的技术人员将理解，许多修改可以在如由权利要求所限定的本发明的范围内做出。
Claims (14)
1.一种用于钻柱的稳定器工具(200)，包括：
圆柱形主体(20)，其界定纵向轴线X并且具有在其表面上的多个纵向槽(14)，所述多个纵向槽(14)中的每个具有相应的销(13)，所述相应的销(13)从所述槽(14)内部的底部表面径向延伸并且是所述圆柱形主体(20)的整体性的部分，以及
多个稳定器叶片(100)，其具有平行于所述纵向轴线延伸的长形形状并且包括径向远侧部分(11)和径向近侧部分，其中，所述径向远侧部分(4)的纵向延伸部短于所述径向近侧部分的纵向延伸部，其中，所述径向近侧部分包括矩形的第一部分和锥形的第二部分，所述锥形的第二部分与所述第一部分轴向相反地定位，并且所述径向近侧部分设置有螺杆孔(17)，所述螺杆孔(17)用作将螺栓固定在所述第一部分和所述第二部分上的通道，所述径向近侧部分具有纵向槽(14)中的一个的互补形状并且具有用来接合所述销(13)中具有互补形状的销的纵向沟槽(12)。
2.根据权利要求1所述的稳定器工具，其中，多个流体动力学槽(21)设置在所述圆柱形主体(20)的表面上，并且每个流体动力学槽(21)定位在两个相邻的纵向槽(14)之间。
3.根据权利要求1或2所述的稳定器工具，其中，所述多个稳定器叶片(100)是整体式的。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的稳定器工具，其中，所述稳定器叶片(100)借助于螺栓(18)可拆卸地连接至所述圆柱形主体(20)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的稳定器工具，其中，由所述稳定器工具(200)围绕其纵向轴线的旋转界定的圆柱形包络面的外径D1的尺寸能够借助于插入每个槽(14)及其相应的稳定器叶片(100)中的垫片(25)或调平薄板被改变和/或借助于具有不同径向厚度T的稳定器叶片(100)被改变。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的稳定器工具，其中，所述多个稳定器叶片(100)的所述第二部分的平均宽度大体上小于所述多个稳定器叶片(100)的所述第一部分的平均宽度。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的稳定器工具，其中，所述稳定器叶片(100)与所述圆柱形主体(200)的所述轴线轴向地对齐。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的稳定器工具，其中，所述稳定器叶片(100)沿着所述圆柱形主体(200)的所述表面上的至少两个间隔开的同轴的假想圆定位。
9.根据权利要求8所述的稳定器工具，其中，所述多个稳定器叶片(100)包括三个以上的稳定器叶片(100)，并且沿着每个假想圆定位有至少三个稳定器叶片(100)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的稳定器工具，其中，在上部表面(6)和围绕其的侧壁(7)之间的边缘是倒圆的。
11.根据权利要求2到10中的任一项所述的稳定器工具，其中，所述多个流体动力学槽(21)与所述圆柱形主体(200)的所述轴线轴向地对齐。
12.根据权利要求11所述的稳定器工具，其中，所述多个流体动力学槽(21)的中心沿着所述圆柱形主体(200)的所述表面上的至少两个间隔开的同轴的假想圆定位。
13.根据权利要求2或12所述的稳定器工具，其中，三个或更多个流体动力学槽(21)定位在每个圆上。
14.根据权利要求2到13中的任一项所述的稳定器工具，其中，所述多个流体动力学槽(21)在所述圆柱形主体(200)中铣出。
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