CN106062302A - 柔性工具外壳 - Google Patents

Abstract

一种柔性铰刀外壳包括管状中央部分，所述管状中央部分包括具有孔的工具区以便允许在所述工具区内的铰刀刀具臂通过所述孔径向向外移动，以及朝向所述中央部分的相对端部布置的管状第一辅助部分和管状第二辅助部分。所述第一辅助部分和所述第二辅助部分各自包括小于所述中央部分的第二刚度的第一刚度。

Description

柔性工具外壳

背景技术

本公开涉及用于在形成地下井孔中使用的方法和设备，并且更具体地，涉及在此类井孔中弯曲或折曲的工具。定向和可转向的钻井工具可以用来钻探井孔，所述钻井工具通过将一个或多个(通常多个)半径施加到井孔路径中，使钻头路径从现有路径到地下地层中偏转某个角度。在一些情况下，这些半径对于所述工具管柱中或另一个工具管柱中的其他工具而言将是难以横越的。

将工具管柱部署在非线性井孔中的钻井系统需要所述管柱的能够对井孔的非线性部分进行导航的区段。这样，可以要求这些工具管柱区段弯曲或另外符合井孔的半径或弯曲部分。在一些情况下，工具管柱区段被配置来弯曲以便对井孔的弯曲部分进行导航。为实现最大偏转，此类弯曲工具管柱区段通常被配置来横跨其整个长度弯曲，这通常可以将最大应力置于所述区段的最中央区处。

附图说明

图1示意性地描绘示例性定向钻井系统。

图2示意性地描绘根据本公开的示例性柔性铰刀外壳。

图3示意性地描绘根据本公开的另一个示例性柔性工具外壳。

图4A和图4B示意性地描绘根据本公开的另一个示例性钻井工具外壳。

图5示意性地描绘根据本公开的另一个示例性柔性工具外壳。

具体实施方式

根据本公开的实例针对管状工具外壳，其被配置来在负载下在井孔的非线性(即倒圆的)部分内弯曲以便横越倒圆部分。外壳被配置来通过使外壳构造沿纵向轴线变化来折曲，以使得外壳的不同部分具有不同的刚度。例如，外壳可以包括具有第一刚度的第一部分，所述第一刚度不同于外壳的第二部分的第二刚度。可变刚度外壳可以被配置来保持一些轴向区中的强度，同时允许外壳在对偏斜井孔的非线性部分进行导航时弯曲。

工具外壳在特定轴向位置处的刚度可以是外壳在所述位置处的至少材料成分和截面几何形状的函数。例如，管状外壳的刚度可通过改变材料刚度和/或改变外壳在不同轴向位置处的直径和/或壁厚度而沿纵向轴线变化。外壳刚度也可以通过改变布置，例如通过改变用于构造外壳的不同材料(具有不同的材料刚度值)的径向布置而沿纵向轴线变化。

工具外壳的“刚度”在一些实例中可以指外壳对沿外壳轴线纵向轴线的特定位置处施加的弯曲力矩的抵抗，形成对比的是例如指材料的固有特性的材料的“材料刚度”。如此，在一些实例中，柔性工具外壳包括不同的轴向布置部分，从而在沿外壳纵向轴线的不同位置处施加的弯曲力矩下展示不同的弯曲刚度值。用于实现外壳的可变弯曲刚度的方式在一些实例中包括改变材料并从而改变沿外壳纵向轴线的材料刚度。

如以上所指出的，定向钻井系统被用来钻探从当前井孔路径偏斜到地下地层中的井孔。呈此类安装的工具或工具管柱区段有时被要求弯曲或折曲以便对井孔的弯曲、非线性部分进行导航。在定向钻井系统中的钻井接头的一个设计目标是实现目标偏转角度，其参数通常被称为折线(dogleg)能力。

一些工具包括位于工具外壳长度的相对中央部分处的结构或机构，其需要近似此类中央部分的增加的硬度。此类工具的实例包括铰刀，所述铰刀包括可选择性地从径向折叠状态展开为径向扩展状态的一个或多个臂。在此类铰刀中，工具外壳可以包括一个或多个周向布置的孔，扩展和收缩臂和/或臂控制机构在被启动和停用时穿过所述孔。当铰刀臂是径向扩展的时，工具外壳的支撑结构可能需要被配置来在铰孔操作期间提供充分的硬度以便支撑扩展的臂，以及用于控制臂的致动机构。

根据本公开的实例针对柔性钻井工具外壳，其由具有沿外壳纵向轴线变化的材料刚度值和/或截面几何形状的材料构造，以使得外壳对在操作期间遇到的负载的抵抗沿外壳纵向轴线变化。例如，柔性铰刀外壳可以包括管状中央部分、以及朝向中央部分的相对端部布置的管状第一辅助部分和管状第二辅助部分，所述第一辅助部分和所述第二辅助部分各自具有小于中央部分的第二刚度的第一刚度。以此方式，示例性铰刀外壳可以被配置来维持外壳中央部分的目标刚度，以便保护位于此外壳部分中的工具机构，同时维持用于对非线性井孔进行导航的充分折线能力。

图1示意性地描绘定向钻井系统100，所述定向钻井系统100被配置来在各种可能的轨迹(包括从垂直偏斜的轨迹)处形成井孔。定向钻井系统100可以包括钻柱104附接到的地面钻机102、以及井孔108中的相关联的井底组件106(下称BHA)。本公开内容并不限于地面钻机。根据本公开的实例也可以在与离岸平台、半潜水、钻井船、以及对于形成延伸通过一个或多个井下结构的井孔令人满意的任何其他钻井系统相关联的钻井系统中采用。

钻机102和相关联的表面控制和处理系统118可以被定位邻近井口110。钻机102也可以包括旋转台、旋转驱动电机、以及与钻柱104在钻孔108内的旋转相关联的其他设备。环带112将在钻柱104的外部与限定井孔108的地层表面之间形成。

钻机102将包括一个或多个泵，其用于将钻井液114(和/或其他井服务流体)从储液器116泵送到钻柱104在井口110处的上端部。导管122可以用于将钻井泥从储存器116供应到钻柱104。在大部分操作中，环带112将用于使钻井液、地层切屑、和/或井下碎片从井孔108的底部返回到储液器116。在一些情况下，另一个导管(未示出)可以用于使钻井液、地层切屑、和/或井下碎片从井孔108的底部返回到储液器116。各种类型的管道、管件和/或其他导管可以用于形成导管122。

钻柱104的井下端部包括BHA 106，其包括被设置与井孔端部相邻的旋转钻头120。旋转钻头120将包括在其中设置相应喷嘴的一个或多个流体流动通路。不同类型的钻井液可以从储存器116泵送到从井口110延伸的钻柱104的端部。钻井液将流动通过钻柱104的纵向孔(未明确示出)，并且从旋转钻头120中形成的喷嘴离开。

在井孔108的端部处，钻井液可以与地层切屑和邻近钻头120的其他井下碎片混合。钻井液随后将通过环带112向上流动以便使地层切屑和其他井下碎片返回到井口110。导管也可以被采用以便使钻井液返回到储存器116。各种类型的筛板、过滤器和/或离心机(未明确示出)可以被设置，以便在使钻井液返回储存器116之前移除地层切屑和其他井下碎片。

BHA 106可以包括与将来自井孔108的底部的记录数据和其他信息提供到表面设备118的随钻测量(MWD)系统或随钻测井(LWD)相关联的各种部件。记录数据和其他信息可以使用MWD/LWD技术(包括例如泥浆脉冲遥测术)从BHA 106通过钻柱104来传达，并且在井口110和/或表面设备118处被转换成电信号。电导管或导线可以将电信号传达到表面设备118。与钻井操作相关的记录和其他数据可以被提供到表面设备118用于存储、处理和/或输出。表面设备118可以包括多种硬件、软件和其组合，包括例如一个或多个可编程处理器，所述可编程处理器被配置来在存储器上执行指令、以及从存储器检索数据、并且将数据存储在存储器上，以便进行在本公开中归因于表面设备118的一个或多个功能。被采用来执行数据处理系统140的功能的处理器可以各自包括一个或多个处理器，诸如一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、应用专用集成电路(ASIC)、现场可编程序门阵列(FPGA)、可编程逻辑电路等，单独或以任何合适的组合。各种输入和输出装置(例如，显示器、键盘、鼠标等)可以被设置作为表面设备108的一部分。

钻柱104包括多个区段，其包括示例性铰刀124。尽管参考用于铰刀的柔性外壳描述以下实例，根据本公开的实例同样适用于其他类型的工具。如图1所示，铰刀124被配置来折曲以便对偏斜井孔108中的弯曲126进行导航。在一个实例中，铰刀124包括柔性管状外壳，所述柔性管状外壳包括具有不同刚度的不同部分。例如，铰刀124的柔性外壳可以由多种材料制造，所述多种材料沿外壳纵向轴线具有不同的、相应的刚度和/或可变截面几何形状。铰刀124可以包括大体布置在包括一个或多个工具区的工具外壳中部中的径向扩展和收缩工具机构，所述工具区包括相应孔，其允许工具机构向外扩展与井孔108进行接合以及向内折叠在外壳内。铰刀124的外壳的不同刚度在外壳的两个端部和中央部分中分布，以使得端部是比中央部分更柔性的，并且以使得更柔性的端部被配置来围绕较刚性的中央部分弯曲。作为举例，铰刀124可以包括稳定器或铰刀工具。参考图2-6更详细地示出和描述可以被采用用于铰刀124或其他工具的柔性工具外壳的不同实例。

图2示意性地描绘根据本公开的示例性柔性铰刀外壳200。如图2所示，外壳200包括管状套管202，所述管状套管202包括中央部分、以及被布置朝向中央部分的相对端部的第一辅助部分和第二辅助部分，其在图2中分别被标记为中部以及第一端部和第二端部。在管状套筒202的端部与中部之间的分界是仅为说明目的示出的一个实例。根据本公开的柔性外壳的此类部分的相对尺寸可以不同于与图2所描绘的实例。在一个实例中，管状套筒202是包括中心孔204的大体圆柱形套筒。然而，在其他实例中，根据本公开的柔性外壳的管状套筒可以具有不同的截面形状，例如方形或矩形。

管状套筒202的中部包括至少一个工具区206，所述工具区206具有被设置尺寸以便允许径向扩展和收缩的工具从套管202的外直径向外径向移动的孔208。如以上所描述的，套筒202可以与除铰刀之外的工具一起被采用。在一些实例中，管状套筒202的中部可以包括例如围绕套筒202的外直径周向布置的(例如，以120度间隔)多个工具区。

管状套筒202由多种材料制造。附加地，套筒202的截面几何形状沿纵向轴线变化，包括在中部邻近工具区206的部分中的较大直径。管状套筒202包括两个同中心布置的材料层210和212。在所描绘的实例中，层210和212可以是同中心布置的不同材料层。层210和212由不同材料制造。层210由第一材料制造，层212由第二材料制造，所述第一材料具有比第二磁疗更高的刚度。可能以多种方式测量或实现刚度。在一个实例中，层210由第一材料制造，层212由第二材料制造，所述第一材料具有比所述第二材料的杨氏模量更高的杨氏模量(有时被称为弹性模量)。

层212是从层210和中央孔204径向向外布置的，几乎持续套筒202的整个长度。层210和212两者都大体横跨管状套筒202的两个端部和中部延伸。层210横跨管状套筒202的包括两个端部和中部的整个长度延伸。层210是从层212径向向内布置的，除朝向两个端部的包括较厚截面210a的层210以及没有层212的终端部分之外。层210也包括径向向外延伸的截面210b，其在工具区206的周边排成一行。层212延伸横跨几乎管状套筒202的整个长度，除了在两个端部的包括较厚截面210a的层210的终端部分处之外。附加地，层212在管状套筒邻近工具区206的中部包括较厚截面212a。

管状套筒202的层210和212的相对尺寸、布置和刚度的功能效应，以及套筒202的纵向变化的截面几何形状使得套筒202的端部比中部更柔性，以使得更柔性的端部被配置来围绕较刚性的中部弯曲。在这种配置下，管状套筒202可以被配置来提供满意的折线能力以便对偏斜井孔进行导航，而同时在中部保持足够的强度和刚度以便保护由工具区206容纳的工具。

可以取决于管状套筒202的预期应用，选择层210和212的特定材料和相关联特性、以及截面轮廓偏差。例如，较刚性的层210可以由钢或各种钢合金制造，而较低刚性的层212可以由铝、铜、钛、青铜、黄铜和其组合制造。附加地，套筒202的中部部分的直径可以增加以便增加刚度，并且套筒202的端部部分的直径可以减小以便降低刚度。

图3至图5示意性地描绘根据本公开的多个附加示例性柔性工具外壳。这些实例的管状套筒的不同材料的布置、尺寸、数目、形状等变化并且在以下描述。然而，变化的刚度、变化的几何形状、可能的材料、以及此类变化对图2的示例性外壳200的功能的影响的以上描述也适用于图3至图5的示例性外壳。

图3示意性地描绘根据本公开的另一个示例性柔性工具外壳300。如图3所示，外壳300包括管状套管302，所述管状套管302包括中央部分、以及被布置朝向中央部分的相对端部的第一辅助部分和第二辅助部分(在此实例中未确切地分界)，其以下分别被称为套筒302的中部和端部。在一个实例中，管状套筒302是包括中心孔304的大体圆柱形套筒。

管状套筒302的中部包括至少一个工具区306，所述工具区306具有被设置尺寸以便允许径向扩展和收缩的工具在套管302的外直径外侧径向移动的孔308。在一些实例中，管状套筒302的中部可以包括例如围绕套筒302的外直径周向布置的多个工具区。

管状套筒302由多种材料制造。附加地，套筒302的截面几何形状沿纵向轴线变化，包括在中部邻近工具区306的部分中的较大直径。管状套筒302包括两个径向布置的层310和312。在一个实例中，层310和312可以是同中心布置的不同材料层。层310和312由不同材料制造。层310由第一材料制造，层312由第二材料制造，所述第一材料具有比第二磁疗更高的刚度。

层310是从层312和中央孔304径向向外布置的，持续套筒302的长度的一部分。层312横跨管状套筒302的包括两个端部和中部的整个长度延伸。层310从另一方面来说仅横跨套筒302的中部邻近工具区306的至少一部分延伸。在此配置中，套筒302的端部和中部部分仅包括较低刚性的层312，并且中部邻近工具区306的部分包括层312和较刚性的层310两者。在图3的实例中，较刚性的层312可以基本上围绕套筒302的中部的整个外直径周向延伸。

图4A和图4B示意性地描绘根据本公开的另一个示例性柔性工具外壳400。外壳400包括具有两个端部和中部的管状套筒402(在此实例中未确定地分界)。在一个实例中，管状套筒402是包括中心孔404的大体圆柱形套筒。

管状套筒402的中部包括至少一个工具区406，所述工具区406具有被设置尺寸以便允许径向扩展和收缩的工具在套管402的外直径外侧径向移动的孔408。在一些实例中，管状套筒402的中部可以包括例如围绕套筒402的外直径周向布置的多个工具区。

示例性套筒402与图3的套筒302基本上相同，具有两个径向布置的层410和412，其中较刚性的材料层410被布置从较低刚性的材料层412径向向外，并且层410仅横跨套筒402邻近工具区406的中部部分轴向延伸。然而在套筒402的实例中，较刚性的层410仅围绕套筒402邻近工具区406的外直径的一部分周向延伸。在包括多个工具区的实例中，套筒402可以包括较刚性的层410的与多个工具区对齐的多个周向分布截面。附加层410的这些截面可以因此形成具有增加的总材料厚度/工具外直径的多个离散截面，其从内层412径向向外突出。

图5示意性地描绘根据本公开的另一个示例性柔性工具外壳500。如图5所示，外壳500包括管状套筒502，所述管状套筒502包括两个端部和一个中部。在一个实例中，管状套筒502是包括中心孔504的大体圆柱形套筒。

管状套筒502的中部包括至少一个工具区506，所述工具区506具有被设置尺寸以便允许径向扩展和收缩的工具在套管502的外直径外侧径向移动的孔508。在一些实例中，管状套筒502的中部可以包括例如围绕套筒502的外直径周向布置的多个工具区。

管状套筒502由多种材料制造。具体地，管状套筒502包括第一端部材料部分510和第二端部材料部分512、以及在其间的中部材料部分514。中部材料部分514由比由其制造端部材料部分510和512的一种或多种材料更刚性的材料制造。附加地，在图5的实例中，中部材料部分514的一部分包括比端部材料部分510和512更大的外直径。

尽管未确切地示出，所有上述示例性柔性工具外壳可以包括腔、电部件、机械部件和/或液压部件、或被适配用于径向扩展和收缩的工具机构的机构的其他特征，所述工具机构被适配来通过外壳的所描述的工具区移动进和出。例如，根据此公开的示例性柔性工具外壳可以被适配来封装连杆机构和相关联的致动系统，用于从外壳内径向向外移动铰刀臂与工具外壳悬挂在其中的井孔的一部分进行接合。

根据本公开的示例性柔性工具外壳可以用于形成非线性井孔，包括例如具有垂直截面以及从垂直偏斜的截面的井孔。在一个实例中，包括布置在工具管柱的井下端部处的钻头的地下钻井工具管柱被采用以便钻探非线性的地下井孔。工具管柱包括至少一个柔性工具外壳，其被配置来对井筒的从基本上直的、线性路径偏斜的部分进行导航。柔性工具外壳包括管状中央部分，其包括具有孔的工具区以便允许在工具区内的铰刀刀具臂通过孔径向向外移动。外壳也包括朝向中央部分的相对端部布置的管状第一辅助部分和管状第二辅助部分。所述第一辅助部分和所述第二辅助部分各自包括小于所述中央部分的第二刚度的第一刚度。此类示例性工具外壳因此可以被配置来维持工具外壳的中央部分的目标刚度，以便保护位于此外壳部分中的工具机构，同时维持用于钻探偏斜井孔的充分折线能力。

本文已描述了多个不同的实例。这些实例以及其它实例均包含在所附权利要求书的范围内。

Claims (31)

1.一种柔性铰刀外壳，其包括：

管状中央部分，其包括具有孔的工具区以便允许在所述工具区内的铰刀刀具臂通过所述孔径向向外移动；以及

管状第一辅助部分和管状第二辅助部分，其朝向所述中央部分的相对端部布置，所述第一辅助部分和所述第二辅助部分各自包括小于所述中央部分的第二刚度的第一刚度。

2.如权利要求1所述的柔性铰刀外壳，其中所述中央部分以及所述第一辅助部分和所述第二辅助部分一起限定管状套筒，在施加的弯曲力矩下所述管状套筒沿所述第一辅助部分和所述第二辅助部分比沿所述中央部分具有更低的弯曲刚度。

3.如权利要求1所述的铰刀外壳，其中所述中央部分以及所述第一辅助部分和所述第二辅助部分包括多种材料，所述多种材料至少包括具有第一材料刚度的第一材料和具有第二材料刚度的第二材料，所述第二材料刚度小于所述第一材料刚度。

4.如权利要求3所述的铰刀外壳，其中所述第一辅助部分和所述第二辅助部分包括所述第二材料，并且所述中央部分包括所述第一材料。

5.如权利要求4所述的铰刀外壳，其中所述中央部分包括第一外直径，并且所述第一辅助部分和所述第二辅助部分包括第二外直径，所述第二外直径小于所述第一外直径。

6.如权利要求3所述的铰刀外壳，其中所述中央部分包括第一外直径，并且所述第一辅助部分和所述第二辅助部分包括第二外直径，所述第二外直径小于所述第一外直径。

7.如权利要求6所述的铰刀外壳，其包括：

多个同中心布置的材料层，各自包括所述多种材料中的一种。

8.如权利要求7所述的铰刀外壳，其中所述多个同中心布置的层包括：

第一材料层，其包括具有所述第一材料刚度的所述第一材料；以及

第二材料层，其包括具有所述第二材料刚度的所述第二材料，所述第二材料刚度小于所述第一材料刚度。

9.如权利要求8所述的铰刀外壳，其中所述第一材料层是从所述第二材料层径向向外布置的。

10.如权利要求9所述的铰刀外壳，其中所述第一材料层横跨所述中央部分轴向延伸，并且所述第二材料层横跨所述中央部分以及所述第一辅助部分和所述第二辅助部分轴向延伸。

11.如权利要求10所述的铰刀外壳，其中所述第一材料层横跨所述中央部分的整个圆周周向延伸。

12.如权利要求7所述的铰刀外壳，其中所述第一材料层是从所述第二材料层径向向内布置的。

13.如权利要求1所述的铰刀外壳，其中所述第一辅助部分和所述第二辅助部分是与所述中央部分一体的以便形成单个管状套筒。

14.如权利要求1所述的铰刀外壳，其中所述第一辅助部分和所述第二辅助部分是与所述中央部分分开的并且连接到所述中央部分。

15.如权利要求1所述的铰刀外壳，其中所述中央部分包括多个工具区，所述多个工具区包括多个相应的孔，所述多个工具区围绕所述外壳的外直径周向分布。

16.一种系统，其包括：

工具管柱，其被配置来设置在井孔中并且在地表处耦接到钻机，其中所述工具管柱包括至少一个柔性工具外壳，所述柔性工具外壳包括：

管状中央部分，其包括具有孔的工具区以便允许在所述工具区内的铰刀刀具臂通过所述孔径向向外移动；以及

管状第一辅助部分和管状第二辅助部分，其朝向所述中央部分的相对端部布置，所述第一辅助部分和所述第二辅助部分各自包括小于所述中央部分的第二刚度的第一刚度。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述中央部分以及所述第一辅助部分和所述第二辅助部分一起限定管状套筒，在施加的弯曲力矩下所述管状套筒沿所述第一辅助部分和所述第二辅助部分比沿所述中央部分具有更低的弯曲刚度。

18.如权利要求16所述的系统，其中所述中央部分以及所述第一辅助部分和所述第二辅助部分包括多种材料，所述多种材料至少包括具有第一材料刚度的第一材料和具有第二材料刚度的第二材料，所述第二材料刚度小于所述第一材料刚度。

19.如权利要求18所述的系统，其中所述第一辅助部分和所述第二辅助部分包括所述第二材料，并且所述中央部分包括所述第一材料。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述中央部分包括第一外直径，并且所述第一辅助部分和所述第二辅助部分包括第二外直径，所述第二外直径小于所述第一外直径。

21.如权利要求18所述的系统，其中所述中央部分包括第一外直径，并且所述第一辅助部分和所述第二辅助部分包括第二外直径，所述第二外直径小于所述第一外直径。

22.如权利要求21所述的系统，其中所述多种材料设置在多个同中心布置的材料层中，每个材料层基本上由所述多种材料中的相应一种组成。

23.如权利要求22所述的系统，其中所述多个同中心布置的材料层包括：

第一材料层，其包括具有所述第一材料刚度的所述第一材料；以及

第二材料层，其包括具有所述第二材料刚度的所述第二材料，所述第二材料刚度小于所述第一材料刚度。

24.如权利要求23所述的系统，其中所述第一材料层是从所述第二材料层径向向外布置的。

25.如权利要求24所述的系统，其中所述第一材料层横跨所述中央部分轴向延伸，并且所述第二材料层横跨所述中央部分以及所述第一辅助部分和所述第二辅助部分轴向延伸。

26.如权利要求25所述的系统，其中所述第一材料层横跨所述中央部分的整个圆周周向延伸。

27.如权利要求22所述的系统，其中所述第一材料层是从所述第二层径向向内布置的。

28.如权利要求16所述的系统，其中所述第一辅助部分和所述第二辅助部分是与所述中央部分一体的以便形成单个管状套筒。

29.如权利要求16所述的系统，其中所述第一辅助部分和所述第二辅助部分是与所述中央部分分开的并且连接到所述中央部分。

30.如权利要求16所述的系统，其中所述中央部分包括多个工具区，所述多个工具区包括多个相应的孔，所述多个工具区围绕所述外壳的外直径周向分布。

31.一种柔性铰刀外壳，其包括：

管状中央部分，其包括具有孔的工具区以便允许在所述工具区内的铰刀刀具臂通过所述孔径向向外移动；以及

管状第一辅助部分和管状第二辅助部分，其朝向所述中央部分的相对端部布置，所述中央部分以及所述第一辅助部分和所述第二辅助部分一起限定管状套筒，在施加的弯曲力矩下所述管状套筒沿所述第一辅助部分和所述第二辅助部分比沿所述中央部分具有更低的弯曲刚度。