CN112055773A - 通过智能扶正器支撑井筒内的管柱 - Google Patents

Abstract

可伸缩辊形牙轮扩孔器定位在管柱上。可伸缩辊形牙轮扩孔器被构造成将管柱支撑在井筒内并使管柱在井筒内居中。伸缩机构被构造成使辊形牙轮扩孔器伸出和缩回。液压动力单元被构造成控制伸缩机构。传感器定位在辊形牙轮扩孔器上或辊形牙轮扩孔器内。传感器被配置成检测井‑管柱扶正系统的参数。控制器以能够操作的方式联接到液压动力单元和多个传感器。控制器被配置成定位在井筒中。控制器被配置成从传感器接收信号。所述信号表示由传感器检测到的参数。控制器被配置成识别由信号表示的参数。控制器被配置成响应于接收到的信号调节井‑管柱扶正操作。

Description

通过智能扶正器支撑井筒内的管柱

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年3月21日提交的美国专利申请15/927,683的优先权，该美国专利申请的全部内容由此通过引用并入本文中。

技术领域

本公开涉及井筒操作。

背景技术

当形成井筒时，在钻头的沿井身向上端的钻柱可以包括扩眼器。在钻井过程期间，扩眼器扩宽井筒，而钻头形成导孔。在一些情况下，可以使用较大的钻头执行单独的起下钻以扩宽井筒。扩眼器可以是实心件或可致动装置。可致动装置包括可以从管柱向外伸出并伸入到井筒壁中的构件。实心装置和可致动装置都可以包括被构造成破碎井筒内的岩石的牙轮、被构造成刮擦井筒内的岩石层的聚晶金刚石复合片切割器、或所述牙轮和切割器的组合。

发明内容

本公开描述了与通过智能扩眼器对井筒进行扩孔有关的技术。

在本公开内描述的本主题的示例性实施方式是具有以下特征的井-管柱扶正系统。可伸缩辊形牙轮扩孔器定位在管柱上。可伸缩辊形牙轮扩孔器被构造成将管柱支撑在井筒内并使管柱在井筒内居中。伸缩机构被构造成使辊形牙轮扩孔器伸出和缩回。液压动力单元被构造成控制伸缩机构。传感器定位在辊形牙轮扩孔器上或辊形牙轮扩孔器内。传感器被构造成检测井-管柱扶正系统的参数。控制器以能够操作的方式联接到液压动力单元和多个传感器。控制器被配置成定位在井筒中。控制器被配置成从传感器接收信号。所述信号表示由传感器检测到的参数。控制器被配置成识别由信号表示的参数。控制器被配置成响应于接收到的信号调节井-管柱扶正操作。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。调节井-管柱扶正操作的参数包括：调节可伸缩辊形牙轮扩孔器。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。液压动力单元包括被构造成保持液压流体的液压贮存器。膨胀构件被构造成在被加压的液压流体被接收到所述膨胀构件中时膨胀。膨胀构件被构造成使伸缩机构膨胀。液压泵被构造成使液压流体从液压贮存器移动到膨胀构件。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。伸缩机构包括联接到膨胀构件的楔形心轴。楔形心轴被构造成沿纵向方向移动。楔形构件附接到辊形牙轮扩孔器的辊形牙轮。楔形构件被构造成与楔形心轴相互作用。楔形构件被构造成响应于心轴的移动而从钻柱横向向外移动。回缩弹簧被构造成使楔形构件缩回。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。可伸缩辊形牙轮扩孔器被构造成使井筒的内表面光滑。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。电源被配置成向控制器和液压动力单元提供电力。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。钻头定位在可伸缩辊形牙轮扩孔器的沿井身向下端。钻头被构造成在可伸缩辊形牙轮扩孔器的沿井身向下端形成井筒。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。可伸缩辊形牙轮扩孔器包括三个辊形牙轮。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。液压动力单元是第一液压动力单元。该系统包括第二液压动力单元和第三液压动力单元。每个液压动力单元都以能够操作的方式联接到三个辊形牙轮。每个液压动力单元都被配置成使三个辊形牙轮中的至少一个缩回或伸出。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。任何一个液压动力单元都可以控制三个辊形牙轮中的任一个。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。控制器附接到辊形牙轮扩孔器并且定位在辊形牙轮扩孔器的沿井身向上端。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。该控制器包括一个或更多个处理器、和计算机可读介质，该计算机可读介质存储可由所述一个或更多个处理器运行以执行操作的指令。该操作包括从井筒外部的地面设施接收用于在井筒内执行操作的指令。该操作包括将所述指令的至少一部分发送到控制器。可伸缩辊形牙轮扩孔器响应于指令使井筒的壁光滑。该操作包括从传感器中的至少一个接收表示可伸缩辊形牙轮式扩孔器的状态的状态信号。该操作包括将状态信号发送到地面设施。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。状态信号包括井筒型扩眼系统的状态。该状态包括接合状态或脱离状态。接合状态包括辊形牙轮扩孔器处于伸出位置。伸出位置包括从井-管柱扶正系统的圆柱形主体伸出到井筒的壁。脱离状态包括辊形牙轮没有从圆柱形主体伸出到井筒的壁。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。状态信号包括辊形牙轮扩孔器所经受的扭矩、辊形牙轮扩孔器的旋转速度或井筒的半径。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。一个或更多个发送器位于地面设施处。一个或更多个发送器被配置成将所述指令发送到一个或更多个处理器。一个或更多个接收器位于地面设施处。一个或更多个接收器被配置成从一个或更多个处理器接收状态信号。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。一个或更多个发送器和一个或更多个接收器被配置成与一个或更多个处理器无线地通信。

可以单独地或组合地与示例性实施方式结合的示例性实施方式的方面包括以下内容。液压动力单元包括以流体连通的方式连接到系统的液压泵。液压泵被构造成以足以使辊形牙轮扩孔器伸出或缩回的压力来供应液压流体。

在本公开内描述的本主题的示例性实施方式是具有以下特征的方法。由部署在井筒内的控制器从位于井筒外部的地面设施接收用于在井筒内执行扩眼操作的指令。由控制器将所述指令的至少一部分发送到液压动力单元。由液压动力单元启动可伸缩辊形牙轮扩孔器以使井筒的壁光滑。由传感器检测液压动力单元和可伸缩锥形牙轮式扩孔器的一组参数。响应于从多个传感器接收信号，确定可伸缩锥形牙轮式扩孔器的状态。响应于确定所述状态来调节锥形牙轮式扩孔器。

可以单独地或组合地与示例性方法结合的示例性方法的方面包括以下内容。启动可伸缩辊形牙轮扩孔器包括：将液压流体从液压贮存器泵送到膨胀构件中。构件膨胀通过所泵送的液压流体被膨胀。响应于使膨胀构件膨胀而使楔形心轴纵向移位。楔形构件被横向移位以使辊形牙轮扩孔器的辊形牙轮朝向井筒的壁伸出。

可以单独地或组合地与示例性方法结合的示例性方法的方面包括以下内容。由控制器将包括所确定的状态的状态信号从控制器发送到地面设施。

可以单独地或组合地与示例性方法结合的示例性方法的方面包括以下内容。液压动力单元包括液压泵。由液压动力单元启动可伸缩辊形牙轮扩孔器以使井筒的壁光滑包括：由液压泵泵送液压流体以机械地启动辊形牙轮扩孔器。启动辊形牙轮扩孔器包括使辊形牙轮扩孔器从中心主体径向向外伸出。

在本公开内描述的本主题的示例性实施方式是具有以下特征的井管柱扶正器。可伸缩辊形牙轮扩孔器被构造成将管柱支撑在井筒内。伸缩致动器被构造成使辊形牙轮扩孔器伸出和缩回。液压动力单元被构造成控制伸缩致动器。传感器被配置成检测辊形牙轮扩孔器的参数。控制器以能够操作的方式联接液压动力单元和传感器。控制器被配置成控制液压动力单元。控制器被配置成定位在井筒中。控制器被配置成从传感器接收信号。所述信号表示由传感器检测到的参数。控制器被配置成识别由信号表示的参数。控制器被配置成响应于接收到的信号来调节扶正器。电源被配置成向控制器和液压动力单元提供电力。电源被配置成定位在井下。

可以单独地或部分地与示例性井管柱扶正器结合的示例性井管柱扶正器的方面包括以下内容。液压动力单元包括被构造成保持液压流体的液压贮存器。膨胀构件被构造成在被加压的液压流体被接收在所述膨胀构件中时膨胀。膨胀构件被构造成使伸缩机构膨胀。液压泵被构造成使液压流体从液压贮存器移动到膨胀构件。

可以单独地或部分地与示例性井管柱扶正器结合的示例性井管柱扶正器的方面包括以下内容。伸缩机构包括联接到膨胀构件的楔形心轴。楔形心轴被构造成沿纵向方向移动。楔形构件附接到辊形牙轮扩孔器的辊形牙轮。楔形构件被构造成与楔形心轴相互作用。楔形构件被构造成响应于心轴的移动而从管柱横向向外移动。回缩弹簧被构造成使楔形构件缩回。

可以单独地或部分地与示例性井管柱扶正器结合的示例性井管柱扶正器的方面包括以下内容。电源包括锂离子电池。

可以单独地或部分地与示例性井管柱扶正器结合的示例性井管柱扶正器的方面包括以下内容。传感器包括：井径传感器，该井径传感器被配置成确定井筒的半径；扭矩传感器，该扭矩传感器被配置成测量由钻柱施加在可伸缩三锥形牙轮式扩孔器上的扭矩；或RPM传感器，该RPM传感器被配置成确定可伸缩三锥形牙轮式扩孔器的旋转速度。

可以单独地或部分地与示例性井管柱扶正器结合的示例性井管柱扶正器的方面包括以下内容。控制器被配置成将来自多个传感器的模拟信号发送到地面设施。

在附图和说明书中阐述了本公开中描述的本主题的一种或多种实施方式的细节。根据说明书、附图和权利要求书，本主题的其它特征、方面和优点将变得显而易见。

附图说明

图1A至图1C是示例性井筒系统的侧视横截面图；

图2A是示例性扩眼器的侧视图；

图2B是示例性辊形牙轮扩孔器的侧视图；

图3示出了示例性控制系统的框图；

图4A至图4B示出了示例性(接合和脱离的)致动器的侧视横截面图；

图5是可以与本公开的方面一起使用的示例性方法的流程图；以及

图6是可以与本公开的方面一起使用的示例性方法的流程图。

在各个附图中，相同的附图标记和标识指示相同的元件。

具体实施方式

当对井筒进行扩眼(增加井筒的半径)时，扩眼器通常具有固定的半径。在某些情况下，只需要扩宽井筒的一段，或者必须将多个段扩宽不同的量，或者这两种情况都存在。在这种情况下，具有能够致动的扩眼器可能是有益的。在钻柱上具有这样的扩眼器将允许在钻井的同时进行扩眼操作，从而节省了时间和金钱。其它优点包括，由于使用单次起下钻来扩宽/扩大井眼，因此井眼质量更好。如果使用额外的起下钻，则额外的起下钻所花费的时间可能对地层是不利的。例如，在该时间处可能会经历井塌、井径缩小或冲蚀现象，所有这些都会降低造井的质量。例如，当将套管固结到地层时，这种复杂情况可能会导致固井质量较差。

本公开涉及一种具有可伸缩锥形牙轮的牙轮扩眼器。该扩眼器系统包括多个传感器、控制器和用于通信并确定扩眼器的状态的通信电子器件。扩眼器包括三个独立的液压动力单元；每个液压动力单元控制可伸缩锥形牙轮中的一个或更多个。可以独立地控制每个锥形牙轮。扩眼器能够实时监测多个参数(包括井眼尺寸、锥形牙轮密封状态、扭矩、RPM、钻压)以及其它有用信息。一旦扩眼器返回到地面设施，就可以将实时信息实时地或通过下载将该信息传送到地面设施。在将信息实时地传送到地面设施的情况下，该信息是相对较新的，例如，存在几微秒的延迟。

随着钻柱长度的增加，抵抗旋转的摩擦力增加，尤其是在水平井或偏斜井中。当钻柱在井筒内不再居中并且钻柱刮擦井筒壁时，会发生此类问题。此外，在形成井筒之后，井筒的壁可能具有不均匀性。

本公开涉及一种管柱扶正器，该管柱扶正器包括具有可缩回辊形牙轮的辊形牙轮扩孔器。辊形牙轮扩孔器可以提供支撑钻柱、使钻柱居中和稳定钻柱、以及使井筒壁平滑以减少任何不均匀段的功能。管柱扶正系统包括多个传感器、控制器和用于通信并确定扶正器的状态的通信电子器件。扶正器包括三个独立的液压动力单元；每个液压动力单元控制可伸缩牙轮中的一个或更多个。可以独立地控制每个牙轮。该扶正器能够实时监测多个参数(包括井眼尺寸、扭矩、RPM)和其它有用信息。一旦扶正器返回到地面设施，就可以将实时信息实时地或通过下载该信息传送到地面设施。

图1A示出了井筒型扩眼系统100的示例性横截面图。如图1A所示，包括可以支撑在地质地层104中已经形成或正在形成的井筒106内的钻柱108的井架118。底部钻具组合102定位在钻柱108的井下端部处，并且可以包括控制器101、扩眼器103和钻头105。控制器101可以安装在底部钻具组合102上并且由底部钻具组合102承载，并且可以监测扩眼系统100。虽然控制器101示出为位于扩眼器103的沿井身向上端，但控制器101可以定位在底部钻具组合102内的任何位置处。底部钻具组合102还可以包括定位在扩眼器103的沿井身向下端的钻头105。稍后将在本公开中更详细地解释扩眼器103。

在地面设施116处，发送器113和接收器112可以被定位成与控制器101通信。系统100还可以包括一个或更多个中继器114，所述一个或更多个中继器114可以定位在地面设施116与井筒106内的底部钻具组合102之间。一个或更多个中继器114可以增强控制器101与地面设施116之间的无线电信号的强度。

井筒106可以具有多个段。例如，如图所示，井筒包括第一段106a和第二段106b。第一段106a由钻头105形成并且具有第一半径。钻头105可以包括三锥形牙轮钻头、聚晶金刚石复合片(PDC)钻头或任何其它类型的钻头。第二段106b已经被扩眼器103扩宽并且具有比第一段的半径大的第二半径。尽管井筒106被示出为垂直井筒，但是本公开的方面也可以应用于水平井筒、偏斜井筒或其组合。

在操作中，控制器101向地面设施116发送和接收信号。信号可以包括系统100的状态、可由系统100运行的命令、或其它信号。当接收到命令信号时，控制器101启动、打开扩眼器103或使所述扩眼器103扩张。扩眼器103可以扩宽井筒106以形成扩张段106b。在操作期间，控制器101可以通过扩眼器103内的各种传感器来检测参数。控制器101可以基于接收到的参数来执行功能，或者将参数发送到地面设施116。稍后在本公开内更详细地解释关于各种系统100部件的其它细节。

在图1B中，系统100包括一个或更多个扶正器107，每个扶正器都具有自己的控制器101。扶正器107可以用于稳定钻柱108、使钻柱108居中、减小钻柱108的旋转摩擦或任何组合。在某些情况下，扶正器107可以用于使井筒106的壁光滑。在图1C中，扶正器可以被容纳在与扩眼器103相同的钻柱上。在这样的实施方式中，扶正器107可以定位在扩眼器103的沿井身向上端或沿井身向下端。稍后将在本公开中更详细地解释扶正器107。

图2A是可以用作扩眼器103的可伸缩锥形牙轮式扩孔器200的示意图。如图所示，可伸缩锥形牙轮式扩孔器200定位在钻柱108上，并且包括三个锥形牙轮202，所述三个锥形牙轮202被构造成增大井筒106的与锥形牙轮位于相同的径向平面上的一段的半径。尽管示出了具有三个锥形牙轮202的可伸出的锥形牙轮式扩孔器200，但在不背离本公开的情况下，可以使用任何数量的锥形牙轮202，例如四个锥形牙轮202。锥形牙轮202在不使用时能够被收回到工具中，或者在使用时能够伸出。在操作期间可以调节规格(伸出量)。在图4A至图4B中更详细地描述了致动器的细节。可以单独地致动三个锥形牙轮202中的每一个。也就是说，每个单独的锥形牙轮202可以从中心主体204伸出或缩回到中心主体204内。扩孔器200可以在井上端部208a与井下端部208b两者处通过螺纹连接206连接到钻柱108。

可伸出锥形牙轮式扩孔器200包括定位在锥形牙轮式扩孔器200上或内的一个或更多个传感器210。传感器210被配置成检测井筒式扩眼系统100的参数。例如，在一些实施方式中，锥形牙轮式扩孔器200可以包括被配置成确定井筒的半径的井径传感器210a。通过测量三个锥形牙轮202中每一个的伸出长度来完成此任务。可以由控制器101来控制每个锥形牙轮202的伸出。即，控制器可以调节液压动力单元(稍后描述)的液压压力以保持指定的井径。在一些实施方式中，可以通过确定稍后描述的液压动力单元内的液压压力来确定每个锥形牙轮202的伸出长度。可以包括磨损传感器210b，该磨损传感器210b被配置成测量锥形牙轮202的磨损率。当对井眼进行扩眼时，在锥形牙轮202和测量井径仪上将存在摩擦磨损。磨损传感器210b测量磨损量。控制器101被配置成在磨损达到最大指定极限时发出警告。可以包括扭矩传感器210c，该扭矩传感器210c被配置成测量由钻柱108施加在可伸缩三锥形牙轮式扩孔器200上的扭矩。在一些实施方式中，扭矩传感器210c可以包括应变仪。可以包括钻压传感器210d，该钻压传感器210d被配置成测量由钻柱108施加在三锥形牙轮式扩孔器200上的轴向载荷。在一些实施方式中，钻压传感器210d可以包括应变仪或测力传感器。依赖于锥形牙轮202与钻头105之间的距离，锥形牙轮202的钻压可以类似于钻头105的钻压。可以包括RPM传感器210e，该RPM传感器210e被配置成确定可伸缩三锥形牙轮式扩孔器的旋转速度。在一些实施方式中，RPM传感器210e可以包括测力计或光学传感器。在地面设施116处的顶驱与底部钻具组合102之间使用泥浆马达的情况下(图1A至图1C)，RPM传感器210e可能是有用的。

来自传感器210的模拟信号或数字信号被馈送到控制器101中。控制器101从传感器接收信号。每个信号表示三锥形牙轮式扩孔器200的参数。控制器101被配置成响应于接收到的信号来调节三锥形牙轮式扩孔器200。如果观测到高扭矩，则控制器101能够改变钻井参数。例如，如果需要，控制器101可以发送信号以使扩眼器103伸出或缩回。控制器还可以根据钻井程序保持固定井眼尺寸。如图所示，控制器位于三锥形牙轮式扩孔器200的沿井身向上端，但是控制器可以位于三锥形牙轮式扩孔器200附近的任何位置处，例如，位于同一钻柱108内。在图3中更详细地描述了控制器101。

三锥形牙轮式扩孔器200包括电源212，电源212被配置成向控制器101和三锥形牙轮式扩孔器200提供电力。在一些实施方式中，电源212包括锂离子电池。在一些实施方式中，电源可以包括井下发电机、超级电容器、另一种类型的电池、整流/调节电路或任何组合。

图2B是可以用作扶正器107的可伸缩辊形牙轮(roller)扩孔器250的示意图。如图所示，可伸缩辊形牙轮扩孔器250定位在钻柱108上，并且包括三个辊形牙轮252，所述三个辊形牙轮252被构造成压靠在井筒106的与辊形牙轮位于相同的径向平面上的一段上。尽管示出了具有三个辊形牙轮252的可伸缩辊形牙轮扩孔器250，但在不背离本公开的情况下，可以使用任何数量的辊形牙轮252，例如四个辊形牙轮252。辊形牙轮252在不使用时能够缩回到工具中，或者在使用时能够伸出。在操作期间，可以设置或调节指定井径。在图4A至图4B中更详细地描述了致动器的细节。辊形牙轮扩孔器和三锥形牙轮式扩孔器都可以使用类似的致动器。可以单独地致动三个辊形牙轮252中的每一个。也就是说，每个单独的辊形牙轮252可以从中心主体254伸出或缩回到中心主体254内。扩孔器250可以在井上端部258a与井下端部258b两者处通过螺纹连接256连接到钻柱108。

可伸出辊形牙轮式扩孔器250包括定位在辊形牙轮式扩孔器250上或内的一个或更多个传感器210。传感器210被配置成检测井筒型扩眼系统100的参数。例如，在一些实施方式中，辊形牙轮式扩孔器250可以包括被配置成确定井筒的半径的井径传感器210a。通过测量三个辊形牙轮252中每一个的伸出长度来完成此任务。可以由控制器101来控制每个辊形牙轮252的伸出。即，控制器可以调节液压动力单元(稍后描述)的液压压力以保持指定的井径。在一些实施方式中，可以通过确定稍后描述的液压动力单元内的液压压力来确定每个辊形牙轮252的伸出长度。可以包括扭矩传感器210c，该扭矩传感器210c被配置成测量由钻柱108施加在可伸缩三辊形牙轮式扩孔器250上的扭矩。在一些实施方式中，扭矩传感器可以包括应变仪。可以包括RPM传感器210e，该RPM传感器210e被配置成确定可伸缩三辊形牙轮式扩孔器250的旋转速度。在一些实施方式中，RPM传感器210e可以包括测力计或光学传感器。在地面设施116处的顶驱与底部钻具组合102之间使用泥浆马达的情况下(图1A至图1C)，RPM传感器210e可能是有用的。在一些实施方式中，辊形牙轮式扩孔器250可以包括有诸如在三锥形牙轮式扩孔器200内所描述的那些额外传感器的额外传感器。

来自传感器210的模拟信号或数字信号被馈送到控制器101中。控制器101从传感器接收信号。每个信号表示三辊形牙轮式扩孔器250的参数。控制器101被配置成响应于接收到的信号来调节三辊形牙轮式扩孔器250。如果观测到高扭矩，则控制器101能够改变钻井参数。例如，如果需要，控制器101可以发送信号以使扶正器107伸出或缩回。控制器还可以根据钻井程序保持固定井眼尺寸。如图所示，控制器位于三辊形牙轮式扩孔器250的沿井身向上端，但是控制器可以位于三辊形牙轮式扩孔器250上的垂直载荷的测量装置附件的任何位置处，例如，在同一钻柱108内。在图3中更详细地描述了控制器101。每个扩眼器103和每个扶正器107可以具有单独的控制器101。

三辊形牙轮式扩孔器250包括电源212，电源212被配置成向控制器101和三辊形牙轮式扩孔器250提供电力。在一些实施方式中，电源212包括锂离子电池。在一些实施方式中，电源可以包括井下发电机、超级电容器、另一种类型的电池、整流/调节电路或任何组合。

图3示出了控制器101的框图。控制器101可以保持在适于井下环境的坚固的壳体中。这样的壳体可以提供控制器101与井下环境的隔离，从而确保控制器101不被暴露于恶劣环境。控制器101也可以安装在壳体内以减少对电子器件的冲击载荷。控制器101可以包括一个或更多个处理器302和计算机可读介质304，该计算机可读介质304存储可由所述一个或更多个处理器302运行以执行操作的指令。一个或更多个处理器302也联接到传感器210。一个或更多个处理器302可以基于从传感器210接收到的信号来确定一组参数。在一些实施方式中，控制器101可以基于这样的参数自动地使工具伸出或缩回。控制器101还可以包括发送器306和接收器308，该发送器306和接收器308可以用于从地面设施116接收用于在井筒内执行扩眼操作的指令，和向扩眼器103发送所述指令的至少一部分。发送器306和接收器308还可以用于从地面设施116接收用于在井筒内执行稳定操作的指令，并向扶正器107发送所述指令的至少一部分。在操作中，发送器306和接收器308以能够操作的方式联接到位于地面设施116处的发送器113和接收器112(图1A至图1C)。

发送器306还可以向地面设施116发送状态信号。可以实时地发送状态信号，也就是说，在地面设施116(图1A至图1C)处的操作员在操作系统100时可以以微秒级的最小延迟查看井筒内的参数。可以在控制器101中配置各种采样率，以满足用户期望的偏好。信号可以以数字或模拟的形式被发送、接收和处理。可以在控制器101中配置模拟和数字控制回路，以满足终端用户的需求。状态信号可以包括扩眼器103的状态(例如“开”状态或“关”状态)、扩眼器103的液压压力或任何其它状态。在一些实施方式中，所述状态可以包括扩眼器103的状态，例如接合状态或脱离状态。在这样的实施方式中，接合状态包括锥形牙轮式扩孔器200或辊形牙轮扩孔器250处于伸出位置，即，锥形牙轮202或辊形牙轮252从中心主体(204或254)伸出到井筒106的壁(图1A至图2B)。在这种情况下，脱离状态包括锥形牙轮202或辊形牙轮252没有从中心主体(204或254)伸出。在一些情况下，状态信号包括锥形牙轮式扩孔器200的磨损状态、锥形牙轮式扩孔器200或辊形牙轮扩孔器250所经受的扭矩、锥形牙轮式扩孔器200或辊形牙轮扩孔器250的旋转速度、扩孔器200所经受的钻压、或井筒106的半径。在一些实施方式中，控制器101被配置成将来自传感器210的模拟信号发送到地面设施116。在一些实施方式中，辊形牙轮扩孔器250可以包括类似于三锥形牙轮扩孔器200的磨损传感器。

控制器101联接到可以定位在井筒106内的电源212。电源212可以以能够操作的方式联接到一个或更多个处理器302，并且可以向一个或更多个处理器302提供操作电力。在一些实施方式中，电源可以是定位在井筒106内的独立电源，例如锂离子电池(或其它可再充电式电源)。在一些实施方式中，电源212可以包括井下发电机、超级电容器或其它类型的电池，例如铅酸电池。在使用发电机的情况下，发电机包括整流和调节电路以向一个或更多个处理器302提供洁净电力。

系统100可以包括以能够操作的方式联接到一个或更多个处理器302的一个或更多个液压动力单元，例如第一液压动力单元310、第二液压动力单元312或第三液压动力单元314。任何液压动力单元都可以从一个或更多个处理器302接收一组指令的至少一部分。液压动力单元可以接收用于改变液压泵的状态(“开”命令或“关”命令)的指令、用于设置液压泵的目标压力的指令、或可以由液压动力单元运行的任何其它命令。在一些实施方式中，不同的液压动力单元可以互相连接以允许每个液压动力单元之间的流体连通。互相连接可以在液压动力单元发生故障的情况下允许液压动力单元控制多个锥形牙轮202或辊形牙轮252。在一些实施方式中，每个液压动力单元可以包括其自身的一个或更多个传感器，例如压力传感器或其它传感器。每个液压动力单元可以接收由其一个或更多个传感器感测到的测量值(或其它信息)，并将所述测量值发送给控制器101。虽然所示的实施方式示出了三个液压动力单元，且每个锥形牙轮202或辊形牙轮252一个液压动力单元，但是在不背离本公开的情况下可以使用不同数量的液压动力单元。例如，单个液压动力单元可以用于多个锥形牙轮202或多个辊形牙轮252。

图4A至图4B分别示出了未伸出的致动器400和伸出的致动器400的侧视横截面图。致动器400可以用于扩眼器103、扶正器107或两者。致动器400包括以能够操作的方式联接到控制器101的液压动力单元401。一旦液压动力单元401已接收到用于启动扩眼器103的信号，液压泵404就使液压流体从满的液压贮存器402a移动到未膨胀的膨胀构件406a。在一些实施方式中，未膨胀的膨胀构件406a可以包括活塞或弹性体囊。当未膨胀的膨胀构件406a填充有液压流体时，该未膨胀的膨胀构件406a开始膨胀并变成已膨胀的膨胀构件406b。类似地，在扩眼器103或扶正器107的启动期间，满的液压贮存器402a变为耗尽的液压贮存器402b。也就是说，启动锥形牙轮202或辊形牙轮252中的至少一个包括通过液压泵404泵送液压流体以机械地启动相应的锥形牙轮202或辊形牙轮252。已膨胀的膨胀构件406b使楔形心轴408a朝向楔形构件408b移动。楔形心轴408a使附接到锥形牙轮202或辊形牙轮252的第二楔形构件408b移位。该移位导致锥形牙轮202或辊形牙轮252从扩眼器103径向向外并朝向井筒106的壁伸出。在一些实施方式中，楔形心轴408a可以包括连接到多个液压动力单元和多个锥形牙轮202或辊形牙轮252的多个部分。在这样的实施方式中，每个锥形牙轮202可以被单独地致动。一旦完成扩眼操作，控制器101就可以向液压泵404发送信号，以将液压流体从已膨胀的膨胀构件406b泵送回到耗尽的液压贮存器402b中。在一些实施方式中，单独的溢流阀可以将液压流体从已膨胀的膨胀构件406b引导回到耗尽的液压贮存器402b中。扩眼器103、扶正器107或两者都可以包括缩回装置412(例如弹簧)，从而一旦在液压流体已经从被已膨胀的膨胀构件406b移除时，使楔形心轴408a和锥形牙轮202或辊形牙轮252返回到缩回位置。在一些实施方式中，液压动力单元401可以以流体连通的方式连接到扩眼器103或扶正器107的另一部分中的单独的液压动力单元。在液压动力单元中的一个(例如液压动力单元401)发生故障的情况下，这种连接允许单个液压动力单元控制扩眼器103或扶正器107内的多个部件。

液压动力单元401可以用作前述液压动力单元中的一个，例如第一液压动力单元310。液压动力单元401可以从控制器101接收密封指令的至少一部分。密封或扶正指令的多个部分可以包括改变液压泵的状态、改变液压泵的输出压力、改变锥形牙轮202或辊形牙轮252的位置、或者可以由液压动力单元执行的任何其它命令。锥形牙轮202或辊形牙轮252可以以能够操作的方式联接到液压动力单元401，即，液压动力单元401可以响应于被控制器101启动而机械地启动扩眼器103以在井筒106内开始扩眼操作。例如，液压动力单元401本身可以包括以流体连通的方式连接到锥形牙轮202或辊形牙轮252的液压泵404。液压泵404可以以足以启动扩眼器103或扶正器107的压力供应液压流体，例如存储在满的液压贮存器402a中的液压流体。为了启动扩眼器103或扶正器107，液压动力单元401可以使锥形牙轮202或辊形牙轮252从扩眼器103或扶正器107径向向外并朝向井筒106的壁伸出。在扩眼器103的情况下，伸出的锥形牙轮202咬入到井筒中并且可以增加井筒106的半径。在扶正器107的情况下，辊形牙轮252压靠在井筒106的壁上。当钻柱108旋转时，辊形牙轮252使井筒106的壁光滑。辊形牙轮252还支撑钻柱108并减少钻柱108所经受的旋转摩擦。扩眼器103和扶正器107还可以包括用于将信息(诸如液压压力或锥形牙轮202位置)转发回给控制器101的更多的传感器410。

图5是可以与本公开的方面一起使用的示例性方法500的流程图。在502处，由部署在井筒内的控制器从位于井筒外部的地面设施接收用于在井筒内执行扩眼操作的指令。在504处，由控制器将指令的至少一部分发送到液压动力单元。在506处，由液压动力单元启动可伸缩锥形牙轮式扩孔器，以增加井筒的半径。在508处，由传感器检测液压动力单元以及可伸缩锥形牙轮式扩孔器的一组参数。在510处，响应于从传感器接收信号，确定可伸缩锥形牙轮式扩孔器的状态。在512处，响应于确定所述状态来调节锥形牙轮式扩孔器。由控制器将具有所确定的状态的状态信号从控制器发送到地面设施。

在一些实施方式中，液压动力单元包括液压泵。由液压动力单元启动可伸缩锥形牙轮式扩孔器以增加井筒的内半径包括：由液压泵泵送液压流体以机械地启动锥形牙轮式扩孔器。启动锥形牙轮式扩孔器包括使锥形牙轮式扩孔器从中心主体径向向外伸出。

图6是可以与本公开的方面一起使用的示例性方法600的流程图。在602处，由部署在井筒内的控制器从位于井筒外部的地面设施接收用于在井筒内执行扶正操作的指令。在604处，由控制器将指令的至少一部分发送到液压动力单元。在606处，由液压动力单元启动可伸缩辊形牙轮扩孔器，以使钻柱在井筒内稳定。在608处，由传感器检测液压动力单元和可伸缩辊形牙轮扩孔器的一组参数。在610处，响应于从传感器接收信号，确定可伸缩辊形牙轮扩孔器的状态。在612处，响应于确定所述状态来调节辊形牙轮扩孔器。由控制器将具有所确定的状态的状态信号从控制器发送到地面设施。

在一些实施方式中，液压动力单元包括液压泵。由液压动力单元启动可伸缩辊形牙轮扩孔器以使钻柱在井筒内稳定包括：由液压泵泵送液压流体以机械地启动辊形牙轮扩孔器。启动辊形牙轮扩孔器包括使辊形牙轮扩孔器从中心主体径向向外伸出。

尽管本公开包含许多具体实施方式的细节，但是这些细节不应被解释为是对可能要求保护的对象的范围的限制，而仅是对特定实施方式的特征的描述。在本公开中在单独实施方式的背景下描述的某些特征也可以在单个实施方式以组合的方式被实施。相反，在单个实施方式的背景下描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施方式中实施。而且，尽管特征先前可以被描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此要求保护，但在一些情况下，所要求保护的组合中的一个或更多个特征可以从所述组合中去除，并且所要求保护的组合可以指子组合或子组合的变型。

类似地，尽管在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应理解为要求以所示的特定顺序或以连续顺序执行这些操作，或者要求执行所有示出的操作以实现期望的结果。此外，先前描述的实施方式中的各种系统部件的分离不应被理解为在所有实施方式中都要求这种分离，并且应当理解，所描述的程序部件和系统通常可以一起被集成到单个产品中或打包到多个产品中。

因此，已经描述了本主题的特定实施方式。其它实施方式落在所附权利要求的范围内。在一些情况下，可以以不同的顺序执行权利要求中记载的动作，并且仍实现期望的结果。另外，附图中描绘的过程不一定需要所示的特定顺序或连续顺序来实现期望的结果。

Claims (27)

1.一种井-管柱扶正系统，包括：

定位在管柱上的可伸缩辊形牙轮扩孔器，所述可伸缩辊形牙轮扩孔器被构造成将所述管柱支撑在井筒内并使所述管柱在所述井筒内居中；

伸缩机构，所述伸缩机构被构造成使所述辊形牙轮扩孔器伸出和缩回；

液压动力单元，所述液压动力单元被构造成控制所述伸缩机构；

多个传感器，所述多个传感器定位在所述辊形牙轮扩孔器上或所述辊形牙轮扩孔器内，所述多个传感器被构造成检测所述井-管柱扶正系统的参数；和

控制器，所述控制器以能够操作的方式联接到所述液压动力单元和所述多个传感器，所述控制器被配置成定位在井筒中，所述控制器被配置成：

从所述多个传感器接收多个信号，所述多个信号表示由所述多个传感器检测到的参数；

识别由所述多个信号表示的所述参数；以及

响应于接收到的所述多个信号调节井-管柱扶正操作。

2.根据权利要求1所述的井-管柱扶正系统，其中，调节井-管柱扶正操作的参数包括：

调节所述可伸缩辊形牙轮扩孔器。

3.根据权利要求1所述的井-管柱扶正系统，其中，所述液压动力单元包括：

液压贮存器，所述液压贮存器被构造成保持液压流体；

膨胀构件，所述膨胀构件被构造成在被加压的液压流体被接收到所述膨胀构件中时膨胀，所述膨胀构件被构造成使所述伸缩机构膨胀；和

液压泵，所述液压泵被构造成使液压流体从所述液压贮存器移动到所述膨胀构件。

4.根据权利要求3所述的井-管柱扶正系统，其中，所述伸缩机构包括：

楔形心轴，所述楔形心轴联接到所述膨胀构件，所述楔形心轴被构造成沿纵向方向移动；

楔形构件，所述楔形构件附接到所述辊形牙轮扩孔器的辊形牙轮，所述楔形构件被构造成与所述楔形心轴相互作用，所述楔形构件被构造成响应于所述心轴的移动而从钻柱横向向外移动；和

回缩弹簧，所述回缩弹簧被构造成使所述楔形构件缩回。

5.根据权利要求1所述的井-管柱扶正系统，其中，所述可伸缩辊形牙轮扩孔器被构造成使所述井筒的内表面光滑。

6.根据权利要求1所述的井-管柱扶正系统，还包括电源，所述电源被配置成向所述控制器和所述液压动力单元提供电力。

7.根据权利要求1所述的井-管柱扶正系统，还包括定位在所述可伸缩辊形牙轮扩孔器的沿井身向下端的钻头，所述钻头被构造成在所述可伸缩辊形牙轮扩孔器的沿井身向下端形成井筒。

8.根据权利要求1所述的井-管柱扶正系统，其中，所述可伸缩辊形牙轮扩孔器包括三个辊形牙轮。

9.根据权利要求8所述的井-管柱扶正系统，其中，所述液压动力单元是第一液压动力单元，其中所述系统包括第二液压动力单元和第三液压动力单元，其中每个液压动力单元都以能够操作的方式联接到所述三个辊形牙轮，每个液压动力单元都被配置成使所述三个辊形牙轮中的至少一个缩回或伸出。

10.根据权利要求8所述的井-管柱扶正系统，其中，任何一个液压动力单元都能够控制所述三个辊形牙轮中的任一个。

11.根据权利要求1所述的井-管柱扶正系统，其中，所述控制器附接到所述辊形牙轮扩孔器，并且定位在所述辊形牙轮扩孔器的沿井身向上端。

12.根据权利要求1所述的井-管柱扶正系统，其中，所述控制器包括：

一个或更多个处理器；和

计算机可读介质，所述计算机可读介质存储能够由所述一个或更多个处理器运行以执行操作的指令，所述操作包括：

从所述井筒外部的地面设施接收用于在所述井筒内执行操作的指令；

将指令的至少一部分发送到所述控制器，所述可伸缩辊形牙轮扩孔器响应于所述指令使所述井筒的壁光滑；

从所述多个传感器中的至少一个接收表示所述可伸缩辊形牙轮式扩孔器的状态的状态信号；以及

将所述状态信号发送到所述地面设施。

13.根据权利要求12所述的井-管柱扶正系统，其中，所述状态信号包括所述井-管柱扶正系统的状态，所述状态包括接合状态或脱离状态，其中接合状态包括所述辊形牙轮扩孔器处于伸出位置，伸出位置包括从所述井-管柱扶正系统的圆柱形主体伸出到所述井筒的壁，并且其中脱离状态包括所述辊形牙轮扩孔器没有从所述圆柱形主体伸出到所述井筒的壁。

14.根据权利要求12所述的井-管柱扶正系统，其中，所述状态信号包括所述辊形牙轮扩孔器所经受的扭矩、所述辊形牙轮扩孔器的旋转速度或井筒的半径。

15.根据权利要求12所述的井-管柱扶正系统，还包括：

位于所述地面设施处的一个或更多个发送器，所述一个或更多个发送器被配置成将所述指令发送给所述一个或更多个处理器；和

位于所述地面设施处的一个或更多个接收器，所述一个或更多个接收器被配置成从所述一个或更多个处理器接收状态信号。

16.根据权利要求15所述的井-管柱扶正系统，其中，所述一个或更多个发送器和所述一个或更多个接收器被配置成与所述一个或更多个处理器无线地通信。

17.根据权利要求1所述的井-管柱扶正系统，其中，所述液压动力单元包括以流体连通的方式连接到所述系统的液压泵，所述液压泵被构造成以足以使所述辊形牙轮扩孔器伸出和缩回的压力来供应液压流体。

18.一种方法，包括：

由部署在井筒内的控制器从位于所述井筒外部的地面设施接收用于在所述井筒内执行扩眼操作的指令；

由所述控制器将所述指令的至少一部分发送到液压动力单元；

由所述液压动力单元启动可伸缩辊形牙轮扩孔器，以使井筒的壁光滑；

由多个传感器检测所述液压动力单元和所述可伸缩锥形牙轮式扩孔器的一组参数；

响应于从所述多个传感器接收信号，确定所述可伸缩锥形牙轮式扩孔器的状态；

响应于确定所述状态，调节所述锥形牙轮式扩孔器。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，启动所述可伸缩辊形牙轮扩孔器包括：

将液压流体从液压贮存器泵送到膨胀构件中；

利用所泵送的液压流体使所述膨胀构件膨胀；

响应于使所述膨胀构件膨胀而使楔形心轴纵向移位；以及

使楔形构件横向移位以使所述辊形牙轮扩孔器的辊形牙轮朝向所述井筒的壁伸出。

20.根据权利要求18所述的方法，还包括：

由所述控制器将包括所确定的状态的状态信号从所述控制器发送到所述地面设施。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述液压动力单元包括液压泵，其中由所述液压动力单元启动所述可伸缩辊形牙轮扩孔器以使所述井筒的壁光滑包括：

由所述液压泵泵送液压流体以机械地启动所述辊形牙轮扩孔器，其中启动所述辊形牙轮扩孔器包括：

使所述辊形牙轮扩孔器从中心主体径向向外伸出。

22.一种井管柱扶正器，包括：

可伸缩辊形牙轮扩孔器，所述可伸缩辊形牙轮扩孔器被构造成将管柱支撑在井筒内；

伸缩致动器，所述伸缩致动器被构造成使所述辊形牙轮扩孔器伸出和缩回；

液压动力单元，所述液压动力单元被构造成控制所述伸缩致动器；

多个传感器，所述多个传感器被配置成检测所述辊形牙轮扩孔器的参数；

控制器，所述控制器以能够操作的方式联接所述液压动力单元和所述多个传感器，所述控制器被配置成控制所述液压动力单元，所述控制器被配置成定位在井筒中，所述控制器被配置成：

从所述多个传感器接收多个信号，所述多个信号表示由所述多个传感器检测到的参数，

识别由所述多个信号表示的所述参数，以及

响应于接收到的所述多个信号来调节所述扶正器；以及

电源，所述电源被配置成向所述控制器和所述液压动力单元提供电力，所述电源被配置成定位在井下。

23.根据权利要求22所述的井管柱扶正器，其中，所述液压动力单元包括：

液压贮存器，所述液压贮存器被构造成保持液压流体；

膨胀构件，所述膨胀构件被构造成在被加压的液压流体被接收到所述膨胀构件中时膨胀，所述膨胀构件被构造成使所述伸缩机构膨胀；以及

液压泵，所述液压泵被构造成使液压流体从所述液压贮存器移动到所述膨胀构件。

24.根据权利要求23所述的井管柱扶正器，其中，所述伸缩机构包括：

楔形心轴，所述楔形心轴联接到所述膨胀构件，所述楔形心轴被构造成沿纵向方向移动；

楔形构件，所述楔形构件附接到所述辊形牙轮扩孔器的辊形牙轮，所述楔形构件被构造成与所述楔形心轴相互作用，所述楔形构件被构造成响应于所述心轴的移动而从管柱横向向外移动；以及

回缩弹簧，所述回缩弹簧被构造成使所述楔形构件缩回。

25.根据权利要求22所述的井管柱扶正器，其中，所述电源包括锂离子电池。

26.根据权利要求22所述的井管柱扶正器，其中，所述多个传感器包括：

井径传感器，所述井径传感器被配置成确定所述井筒的半径；

扭矩传感器，所述扭矩传感器被配置成测量由钻柱施加在所述可伸缩三锥形牙轮式扩孔器上的扭矩；或

RPM传感器，所述RPM传感器被配置成确定所述可伸缩三锥形牙轮式扩孔器的旋转速度。

27.根据权利要求22所述的井管柱扶正器，其中，所述控制器被配置成将来自所述多个传感器的模拟信号发送到地面设施。

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