CN111465746A

CN111465746A - 井眼铰孔系统和装置

Info

Publication number: CN111465746A
Application number: CN201880075298.9A
Authority: CN
Inventors: J·阿申布伦纳; J·J·史密斯; G·T·迈耶
Original assignee: Advanced Technology LLC
Current assignee: Advanced Technology LLC
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2038-10-10
Also published as: CN111465746B; US11408230B2; CA3078957A1; EP3695090A1; WO2019075076A1; EP3695090B1; EP3695090A4; AU2018347352A1; AU2018347352B2; US20200300044A1; US20220325585A1

Abstract

本发明提供了一种用于扩大井斜部和改善井眼的井通路的方法和装置，在一个实施例中，通过切除主要形成更靠近井斜部中心的表面的材料而实现，因此，与切入井眼所有表面的常规铰刀相比，减小了所施加的功率、施加的扭矩和产生的阻力。

Description

井眼铰孔系统和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时专利申请No.62/570163的优先权，该美国临时专利申请的申请日为2017年10月10日，标题为“WELLBORE REAMING SYSTEMS and DEVICES”。该文献整个被本文参引。

技术领域

本发明涉及用于钻井的方法和装置，更特别地，涉及一种用于扩大井斜部和改善井眼的井通路的铰刀和相应方法。

背景技术

延伸井由钻头来钻孔，该钻头由井下马达来驱动，该马达能够上下左右转向。在钻头上方布置于马达壳体中的弯头将方便转向。钻杆柱保持在相同旋转位置(例如通过锁定钻杆柱防止旋转)将使得弯头始终面向相同的方向。这称为“滑动”。滑动使得钻头沿弯头方向沿弯曲通路来钻孔，且钻杆柱也沿着该通路。

钻头在滑动过程中反复校正方向导致在井眼与钻杆柱之间的摩擦比当钻杆柱旋转时更大。这种校正形成在井通路中的、称为“狗腿”的弯曲部分。参考图1a，钻杆柱10压靠在各狗腿转弯12的内部，从而引起增加的摩擦。这些情况会限制井眼14可在生产区域内延伸的距离，还会引起使生产管柱通过井眼的问题。

对于通过从地面旋转钻杆柱来旋转的常规钻头，也可能在常规钻孔过程中产生类似的困难。钻头的不稳定性可能使得螺旋形或其它曲折通路由钻头切断。这使得钻杆柱压靠在井眼中形成的弯曲部分的内表面上，并可能干扰井眼在生产区域内的延伸并且使得生产管柱穿过井眼。

当由钻头切割狗腿、螺旋形通路或曲折通路时，跟随井眼中心的相对无阻碍通道具有比井眼自身明显更小的直径。该相对无阻碍的通道有时称为“井斜部”，且该通道的标称直径有时称为“井斜部直径”。通道的“井斜部”通常由沿井眼通路形成弯曲部分的内径的井眼表面来形成。管或工具通过井眼的相对无阻碍井斜部的通道有时称为“井斜部”。

通常，为了解决这些困难，利用常规铰孔技术通过增大整个井眼的直径16而增大井斜部。见图1a。这样的铰孔在钻孔完成后作为附加步骤来完成。这样做是必要的，以避免在钻孔过程中扭矩和阻力不可接受地增加。这种附加铰孔运行大大增加完成井的费用和时间。而且，常规的铰孔技术通常并不拉直井通路，而只是简单地扩大井眼的直径。

当在井眼内部使用旋转工具时，有可能发生称为“涡动”的动态效应。这是与工具的旋转不同的第二运动模式，但由工具的旋转来驱动。当工具开始在密偏心轨道中非常快速地绕井眼内径滚转时，将引起涡动，通常工具每旋转一圈有多个轨道。产生的较大径向力导致工具的切刀径向冲击损坏。这些工具通常沿竖直和水平方位使用，但是竖直方位最容易产生涡动。在水平应用中，工具的重量帮助将工具保持在一侧(底部)。涡动对钻头也产生有害效果。在现有的偏心铰孔工具中，两个偏心铰刀彼此相对并且间隔开，因此在涡动模式中，两个铰刀在工具滚转时相互断开径向力。

因此，需要一种铰孔装置，它能够减少涡动，同时仍然调整井眼。

发明内容

为了满足这些需要，本发明提供了一种用于扩大井斜部和改善井眼的井通路的方法和装置。在一个实施例中，这通过切除主要形成更靠近井斜部中心的表面的材料而实现。与切入井眼的所有表面中的常规铰刀相比，这样做将减少所施加的功率、施加的扭矩和产生的阻力。

本发明的一个实施例涉及一种用于扩大井眼直径的铰刀。该铰刀包括偏心铰刀刀叶，该偏心铰刀刀叶有至少一个切割刀片和辊，其中，辊包围铰刀的圆周。

优选是，刀叶定位成迫使至少一个切割刀片与最靠近井眼井斜部中心的井眼表面接合。在优选实施例中，辊用于提供与作用在刀叶上的力相对的力。优选是，铰刀定位在钻头后面至少100英尺处。铰刀优选是还包括钻杆柱，铰刀与该钻杆柱联接。

在优选实施例中，该至少一个切割刀片各自包括多个切割齿。优选是，该多个切割齿与铰刀相切地延伸。优选是，该至少一个切割刀片各自的齿与相邻切割刀片的齿偏移。优选是，各齿包括硬质合金或金刚石。在优选实施例中，齿面向旋转方向。该至少一个切割刀片各自的齿优选是与相邻切割刀片的齿纵向交叠。

优选是，该至少一个切割刀片各自在刀叶的外表面的一部分上沿螺旋通路延伸，其中，该螺旋通路相对于铰刀的纵向轴线以锐角横过。优选是，该至少一个切割刀片各自与铰刀的轴线平行或成一定角度延伸。在优选实施例中，刀叶和辊共同工作，以便在钻孔过程中限制涡动。辊优选是包括耐磨材料。优选是，辊还包括在外表面中的槽。

本发明的另一实施例涉及一种钻杆柱。该钻杆柱包括井底组件和铰刀。该铰刀包括具有至少一个切割刀片的偏心铰刀刀叶以及辊，其中，辊包围铰刀的圆周。

在优选实施例中，铰刀定位在井底组件后面至少100英尺。优选是，井底组件包括钻头。优选是，刀叶定位成迫使至少一个切割刀片与最靠近井眼的井斜部中心的井眼表面接合。辊优选地用于提供与作用在刀叶上的力相对的力。

优选是，该至少一个切割刀片各自包括多个切割齿。优选是，该多个切割齿与铰刀相切地延伸。在优选实施例中，该至少一个切割刀片各自的齿与相邻切割刀片的齿偏移。优选是，各齿包括硬质合金或金刚石。优选是，齿面向旋转方向。优选是，该至少一个切割刀片各自的齿与相邻切割刀片的齿纵向交叠。

在优选实施例中，该至少一个切割刀片各自在刀叶的外表面的一部分上沿螺旋通路延伸，其中，该螺旋通路相对于铰刀的纵向轴线以锐角横过。优选是，该至少一个切割刀片各自与铰刀的轴线平行或成一定角度延伸。优选是，刀叶和辊共同工作，以便在钻孔过程中限制涡动。优选是，辊包括耐磨材料。优选是，辊还包括在外表面中的槽。

本发明的其它实施例和优点将部分在下面的说明书中阐述，部分可以从该说明书中可知，或者可以从本发明的实践中了解。

附图说明

为了更完全地理解本发明和它的优点，下面结合附图介绍下面的详细说明，附图中：

图1是铰刀的实施例的侧视图；

图2是井眼的视图，表示了相对于钻头直径的井斜部；

图3是相对于图2所示的井眼的偏心铰刀的视图；

图4是铰刀的井下部分的放大图；

图5是表示了齿沿图1中所示的铰刀的井下部分的布局；

图6是偏心铰刀的端视图，表示了铰刀相对于井眼直径的偏心率；

图7表示了在另一铰刀实施例中的齿的组1、2、3和4的位置和布置；

图8表示了在另一铰刀实施例中的齿的组1、2、3和4的位置和布置；

图9是表示了具有四组齿的铰刀实施例的透视图；

图10是表示在铰刀实施例中的切割齿的布置的几何图；

图11A-11D表示了切割齿的刀片1、2、3和4的位置和布置；

图12是铰刀工具的侧视图，表示了切割齿，并表示了侧切区域；以及

图13A-13D是铰刀工具的侧视图，表示了切割齿，并表示了进入侧切区域的一系列刀片1、2、3和4，且铰刀工具旋转。

具体实施方式

在下面的说明中，阐述了大量具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。不过，本领域技术人员应当理解，本发明可以在没有这些具体细节的情况下来实践。在其它情况下，众所周知的元件以示意或方框图的形式来表示，以便不会在不必要的细节上模糊本发明。另外，对于大多数部件，省略了具体细节等，因为认为这些细节并不是全面理解本发明所必需的，并认为在相关领域的普通技术人员的理解范围内。

图1描绘了本发明铰刀100的实施例的侧视图。铰刀100优选是用于装配在钻杆柱102内。优选是，铰刀100包括偏心刀叶105和辊110。如图中所示，图的右侧表示在钻井时井眼101的下井部分，图的左侧表示井眼101的上井部分。优选是，偏心刀叶105位于铰刀100的下井位置，辊110位于铰刀100的上井位置。不过，两者可以相反。另外，铰刀100中可以包括两个或更多刀叶105和/或辊110。铰刀100优选是定位成在底部井组件(BHA)的后面运行。在一个实施例中，例如铰刀100可以定位在离BHA大约100至150英尺的范围内。

如图2中所示，井眼101可以有6英寸的钻孔直径D1以及钻孔中心116。井眼101可以有5-5/8英寸的井斜部D2以及井斜部中心114。井斜部中心114可以与钻孔中心116偏移几分之一英寸。井眼101的内表面112上的任何点P都可以位于离钻孔中心116特定半径R1处，也可以位于离井斜部中心114特定半径R2处。如图3中所示，其中，铰刀100表示为具有螺纹中心C，该螺纹中心C叠加在井斜部中心114上，刀叶105优选是有最外侧半径R3，该最外侧半径R3通常在它的齿108区域中，小于井眼的最外侧半径R_D1。不过，刀叶105的最外侧半径R3优选大于更近表面离井斜部中心114的距离R_D2。刀叶105的切割表面优选地包括多个硬质合金或金刚石齿108，各齿优选是有圆形切割表面，该切割表面通常在铰刀旋转和钻杆柱向井下前进时面向所述齿相对于井眼的运动通路P_M。

在图1中，刀叶105的齿开始接合并且从所示井眼101上切割更靠近井斜部中心的表面。应当理解，刀叶105的齿在旋转时切除井眼101的更近表面的部分，很少或基本不切割离井斜部中心更远的表面(通常在井的相对侧)。铰刀100优选是与BHA和任何其它铰刀间隔开，以便使得铰刀附近的管柱的中心线从井眼中心朝向井斜部中心偏移，或者与井斜部中心对齐。

图4是当铰刀前进以便开始与更靠近井斜部中心114的井眼101表面112接触时刀叶105的下井部分的放大图。当铰刀100前进和旋转时，现有孔沿更靠近井斜部中心114的表面112加宽，从而扩大所述孔的井斜部。在实施例中，钻杆柱102的本体部分107可以有5-1/4英寸的直径D_B，并可以与铰刀100的柱形部分103联接，该柱形部分103有大约4-3/4英寸的直径Dc。在实施例中，铰刀100可以有5-3/8英寸的“井斜部”D_D，并在铰孔表面之间产生直径D_R为6-1/8英寸的铰孔(由图4中的虚线表示)。应当理解，钻杆柱102和铰刀100沿通路前进通过井眼101，该通路大致沿着井斜部中心114，并从现有孔的中心116偏移。

图5表示了齿110沿图1中所示的刀叶105的下井部分的布局。四组齿108(即组108A、108B、108C和108D)绕刀叶105的外部成角度地分开。尽管表示了多组齿，但是刀叶105可以有一组齿、两组齿、三组齿、五组齿或另外数量组的齿。图5表示了各组齿108在铰刀100旋转时当它们经过图1中所示的最底部位置时的位置。当铰刀100旋转时，组108A、108B、108C和108D连续地经过最底部位置。齿108的组108A、108B、108C和108D布置在基本圆形表面118上，该圆形表面118的中心120从钻杆柱102的旋转中心偏心地偏移。

齿108的各组108A，108B，108C和108D优选是沿刀叶105表面沿螺旋通路布置，其中，当铰刀100旋转时下井齿在前(例如见图6)。在其它实施例中，各组齿可以笔直地与铰刀轴线平行或成角度地延伸。铰刀齿108的组108A和108B优选地定位成当管柱102旋转时有形成6-1/8英寸直径通路的最外侧切割表面。组108B的齿108优选地定位而旋转通过刀叶105的、在组108A的齿108的旋转通路之间的最底点。组108C的齿108优选地定位而有在旋转时形成6英寸直径的最外侧切割表面，且优选地定位而旋转通过铰刀的、在组108B的齿108的旋转通路之间的最底点。组108D的齿108定位而当旋转时有形成5-7/8英寸直径的最外侧切割表面，且优选地定位而旋转通过刀叶105的、在组108C的齿108的旋转通路之间的最底点。

图6表示了具有5-5/8英寸的井斜部D3和6-1/16英寸的钻孔直径D4的刀叶105。当在没有同心引导件或导向件的情况下绕螺纹轴线C旋转时，刀叶105可以绕它的井斜部轴线C2自由旋转，并可以用于对在井眼中的狗腿部分的靠近中心部分进行侧部铰孔。侧部铰孔作用可以改善井眼的通路，而不是只将它开口至更大直径。

图7和图8表示了在另一铰刀实施例200上的齿的组1、2、3和4的位置和布置。图7表示了第1组、第2组、第3组和第4组齿的相对角度和切割直径。如图7中所示，第1、2、3和4组齿各自布置为形成旋转通路，该旋转通路的相应直径为5-5/8英寸、6英寸、6-1/8英寸和6-1/8英寸。图8表示了各第1、2、3和4组齿的各个齿的相对位置。如图8中所示，组2的齿优选地定位得旋转通过铰刀的、在组1的齿的旋转通路之间的最底点。组3的齿优选地定位得旋转通过铰刀的、在组2的齿的旋转通路之间的最底点。组4的齿优选地定位得旋转通过铰刀的、在组3的齿的旋转通路之间的最底点。

图9表示了具有四组齿310的铰刀300的实施例，其中，各组310A、310B、310C和310D沿弯曲表面302沿螺旋方位定向，该弯曲表面302的中心C2相对于钻管的中心C偏心，铰刀安装在该钻管上。在各组齿310的附近和前面是形成于铰刀表面302中的槽306。该槽306能够在操作时允许流体(例如钻孔泥浆)和切屑流过铰刀和远离铰刀齿。各组310A、310B、310C和310D的齿310可以形成四个“刀片”中的一个，用于从井眼的较近表面切除材料。组310A可以形成第一刀片或刀片1。组310B可以形成第二刀片或刀片2。组310C可以形成第三刀片或刀片3。组310D可以形成第四刀片或刀片4。刀片和它的切割齿的构造可以在需要时重新布置，以便适合特殊应用，但是在示例实施例中可以布置如下。

下面参考图10，在铰刀100或300中的齿310的顶部绕铰刀工具的螺纹中心旋转，并可以布置在增大的半径处，该增大半径开始于在2.750”R的#1齿。齿的半径可以每五度增加0.018”，直到#17齿，在该#17齿处，半径在最大3.062”处保持恒定，这对应于铰刀工具的6-1/8”最大直径。

下面参考图11A-11D，铰刀工具可以设计成用于对弯曲的、几乎水平定向的井眼的靠近侧进行侧部铰孔，以便使弯曲变直。如图11A-1D中所示，编号为1至30的30个切割齿可以分布在形成四个刀片的切割齿的组310A、310B、310C和310D中。如图10中所示，编号为1至8的切割齿可以形成刀片1，编号为9至15的切割齿可以形成刀片2，编号16至23的切割齿可以形成刀片3，编号24至30的切割齿可以形成刀片4。因为铰刀的5-1/4”本体302优选地被拉入弯曲部分的靠近侧，因此，旋转铰刀300的切割可以被迫绕本体的螺纹中心旋转，并逐渐增大半径地只切入弯曲部分的靠近侧，而并不切割相对侧。这种切割动作可以用于拉直弯曲的孔，而并不沿着原始的孔通路。

下面参考图12，铰刀300表示为具有在铰刀300的左手侧(如图所示)的刀片1的齿310A，具有在刀片1的右后侧的、刀片2的齿310B，具有在刀片2的右后侧的、刀片3的齿310C，具有在刀片3的右后侧的、刀片4的齿310D。刀片1的齿310A也以虚线表示，表示刀片1的齿310A的位置(与在铰刀300的右手侧的刀片4的齿310D的位置相比)，并在表示由偏心铰刀300进行“侧部切割”的位置。

下面参考图13A-13D，刀片1、刀片2、刀片3和刀片4各自的延伸范围在单独的图中表示。在各图13A-13D中，铰刀300表示为旋转至不同位置，从而使得不同刀片进入“侧部切割”位置SC，因此，视图13A-13D的顺序表示了进入与井眼的靠近表面切割接触的刀片顺序。在图13A中，刀片1表示为从5-1/4”直径切割成5-1/2”直径，但是小于全尺寸切割。在图13B中，刀片2表示为从5-3/8”直径切割成6”直径，这也小于全尺寸切割。在图13C中，刀片3表示为切割“全尺寸”直径，它在实施例中可以等于6-1/8”。在图13D中，刀片4表示为切割“全尺寸”直径，它在实施例中可以等于6-1/8”。

如上所述，在铰刀实施例上的多组齿的位置和布置以及在各组内的齿可以被重新布置，以便适合特殊应用。例如，多组齿相对于钻管中心线的对齐、在齿与多组齿之间的距离、齿的旋转通路的直径、齿和多组齿的数量、保持齿的铰刀表面的形状和偏心率等可以变化。

再参考图1，当由涡动引起的力传递给辊110时，铰刀105并不挖入和驱动所述工具进行剩余旋转。而是，辊110使得工具本体旋转通过，直到刀叶105的齿重新接合。中断循环将最终优选地防止涡动，减少齿损坏，并使得齿保持更连续地接合。辊110优选是安装在球轴承、滑动轴承或其它合适机构上，以便允许自由旋转。在其它实施例中，辊110并不相对于铰刀100运动。改变在前部刀叶和辊之间的间距是一种能够控制切刀径向压力的方式，且对于各种工具尺寸和应用，能够对该间距进行优化。

辊110优选是相对于工具本体偏心，并向刀叶105提供相对力，从而向齿108提供合适的径向压力。偏心率可以在铰刀100的、与刀叶105相同的一侧，与刀叶105相对，或者在铰刀100周围的另一位置。例如，辊110优选是安装在与刀叶105的最高刀片相对的180度，但是可以利用替代的对齐来用于特定效果。辊110优选地包围铰刀100的整个圆周，从而提供环绕铰刀100的360o接触表面。在其它实施例中，辊110可以只包围铰刀100的一部分圆周。在铰刀100的、具有辊110的端部上的工具接头优选是相对于工具本体偏心，以便保持和增强对于给定尺寸工具的通过能力。辊110可以有凹口，以便允许钻井液和废料从辊110周围通过。

刀叶105优选地完成在该构造中的大部分材料的去除，但是辊110能够设计成在辊110通过时帮助调节孔。辊110优选地有耐磨涂层，该耐磨涂层具有磨蚀岩石的各种纹理或者利用径向压力来工作的切割插入件。在另一实施例中，辊110自身能够是耐磨材料，例如陶瓷。

因此，已经通过参考本发明的某些优选实施例介绍了本发明，应当注意，公开的实施例只是示例性，而不是限制性，且在前述公开中考虑了较宽范围的变化、修改、改变和替换。在一些情况下，本发明的一些特征可以在不相应使用其它特征的情况下采用。本领域技术人员根据前面对优选实施例的说明可以考虑到很多这样的变化和修改。因此，附加权利要求合适地广义解释了本发明的范围，并与本发明的范围一致。

Claims

1.一种用于增大井眼直径的铰刀，包括：

偏心铰刀刀叶，该偏心铰刀刀叶有至少一个切割刀片；以及

辊，其中，所述辊包围所述铰刀的圆周。

2.根据权利要求1所述的铰刀，其中：所述刀叶定位得迫使至少一个切割刀片与所述井眼的、最靠近所述井眼的井斜部的中心的表面接合。

3.根据权利要求2所述的铰刀，其中：所述辊用于提供与作用在所述刀叶上的力相对的力。

4.根据权利要求1所述的铰刀，其中：所述铰刀定位在钻头后面至少100英尺处。

5.根据权利要求1所述的铰刀，还包括：钻杆柱，所述铰刀与该钻杆柱联接。

6.据权利要求1所述的铰刀，其中：所述至少一个切割刀片各自包括多个切割齿。

7.根据权利要求6所述的铰刀，其中：所述多个切割齿与所述铰刀相切地延伸。

8.根据权利要求6所述的铰刀，其中：所述至少一个切割刀片各自的齿偏离相邻切割刀片的齿。

9.根据权利要求6所述的铰刀，其中：各齿包括硬质合金或金刚石。

10.根据权利要求6所述的铰刀，其中，所述齿面向旋转方向。

11.根据权利要求6所述的铰刀，其中：所述至少一个切割刀片各自的齿与相邻切割刀片的齿沿纵向交叠。

12.根据权利要求1所述的铰刀，其中：所述至少一个切割刀片各自沿螺旋通路在所述刀叶的一部分外表面上延伸，所述螺旋通路相对于所述铰刀的纵向轴线以锐角横过。

13.根据权利要求1所述的铰刀，其中：所述至少一个切割刀片中的每一个与铰刀的轴线平行或成一定角度地延伸。

14.根据权利要求1所述的铰刀，其中：所述刀叶和所述辊共同工作，以便在钻孔过程中限制涡动。

15.根据权利要求1所述的铰刀，其中：所述辊包括耐磨材料。

16.根据权利要求1所述的铰刀，其中：所述辊还包括在外表面中的槽。

17.一种钻杆柱，包括：

井底组件；以及

铰刀，该铰刀包括：

偏心铰刀刀叶，所述偏心铰刀刀叶有至少一个切割刀片；以及

辊，其中，所述辊包围所述铰刀的圆周。

18.根据权利要求17所述的装置，其中：所述铰刀定位在所述井底组件后面至少100英尺。

19.根据权利要求17所述的装置，其中：所述井底组件包括钻头。

20.根据权利要求17所述的装置，其中：所述刀叶定位得迫使至少一个切割刀片与所述井眼的、最靠近所述井眼的井斜部中心的表面接合。

21.根据权利要求20所述的装置，其中：所述辊用于提供与作用在所述刀叶上的力相对的力。

22.根据权利要求17所述的装置，其中：所述至少一个切割刀片各自包括多个切割齿。

23.根据权利要求22所述的装置，其中：所述多个切割齿与所述铰刀相切地延伸。

24.根据权利要求22所述的装置，其中：所述至少一个切割刀片各自的齿偏离相邻切割刀片的齿。

25.根据权利要求22所述的装置，其中：各齿包括硬质合金或金刚石。

26.根据权利要求22所述的装置，其中：所述齿面对旋转方向。

27.根据权利要求22所述的装置，其中：所述至少一个切割刀片各自的齿与相邻切割刀片的齿沿纵向交叠。

28.根据权利要求17所述的装置，其中：所述至少一个切割刀片中的每一个沿螺旋通路在所述刀叶的一部分外表面上延伸，其中，所述螺旋通路相对于所述铰刀的纵向轴线以锐角横过。

29.根据权利要求17所述的装置，其中：所述至少一个切割刀片中的每一个与所述铰刀的轴线平行或成一定角度地延伸。

30.根据权利要求17所述的装置，其中：所述刀叶和所述辊共同工作，以便在钻孔过程中限制涡动。

31.根据权利要求17所述的装置，其中：所述辊包括耐磨材料。

32.根据权利要求17所述的装置，其中：所述辊还包括在外表面中的槽。