CN1175990A - 井下工具 - Google Patents
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Abstract
一种用于向形成于某一地层中的一钻孔内延伸的一细长体(5)提供一推力的井下工具(1)。该装置(1)包括至少一个带有许多滚轮(23)的可转动体(15),各滚轮能以一选定的滚轮与井壁间的接触压力向着井壁展开。滚轮(23)向井壁展开过程中被定位以使其沿井壁上的一条螺旋路径滚动,该装置还包括一个用于转动各可转动体的马达(7)。该装置(1)还包括用于测量该装置所提供推力的测量装置(6)和一个根据所测推力通过调节可转体的转动扭矩来控制装置(1)所提供推力的控制系统(37)。
Description
本发明涉及一种井下工具用于向形成于某一地层中的一井筒内延伸的一细长体提供一推力。该细长体可是，如一种用于钻井的钻井组件。在通常的钻井作业中，由地面施加的一压力负荷通过钻柱传给钻头，以在刀片上形成足够的压力载荷，该压力载荷通称为钻压。如果钻孔组件包括一直径相对较小的油管，该管在地面上卷成，并在钻进过程中下到井内，这种管也被称为挠性油管，那么这种小直径油管可以传递的压力是很有限的，因为可能会出现螺旋皱褶及随后发生钻柱锁止。
再有，如果井筒包括一段水平部分，在地面上施加于钻柱的压力载荷将主要导致钻柱在此水平部分侧向挤压井壁。因此，如不采取一些措施解决这些问题，用挠性油管钻孔井时最大可用钻压是很有限的，这难以令人接受，而且只能钻出很短一截水平井段。
国际专利申请WO 93/24728公开了一种井下工具用于向形成于某一地层中的一井筒内延伸的一细长体提供一推力，该工具包括至少一个装有很多滚轮的可转动体，各滚轮能以一选定的滚轮与井壁间的接触压力向井壁展开，滚轮向井壁展开过程中被定位以使其沿井壁上的一条螺旋路径滚动，该工具还包括一个用于转动各可转动体的马达。
公知滚轮向井壁展开且马达又转动可转动体时，由于滚轮走的是螺旋路径，因此该装置有一种使细长体沿井筒向前运动的趋势。由于这种向前运动的趋势使该装置向细长体施加一推力，该推力与细长体遇到的阻力相对应。当该推力由于细长体遇到的阻力较高而相对比较大时，滚轮将沿井壁周边方向滑动。可以理解，如果滚轮持续滑动将会使井壁逐渐被磨损，进而使井筒直径增加。由于滚轮的径向展开量是有限的，因此滚轮的持续滑动将导致滚轮与井壁间的接触压力消失，进而使推力也消失。
再有，该公知装置的转动体与细长体上的钻头直接相连。因此，在工作中，来自转动体的反作用扭矩会提高来自钻头的反作用扭矩。
本发明的一个目的是提供一种用于向形成于某一地层中的一井筒内延伸的一细长体提供一推力的井下工具，该工具可以克服现有技术中所存在的问题。
本发明的另一个目的是提供一种用于向形成于某一地层中的一井筒内延伸的一细长体提供一推力的井下工具，该工具减弱了来自位于钻井组件下端的钻头的反作用扭矩。
根据本发明的一方面，提供了一种用于向形成于某一地层中的一井筒内延伸的一细长体提供一推力的井下工具，该工具包括至少一个装有很多滚轮的可转动体，各滚轮能以一选定的滚轮与井壁间的接触压力向着井壁展开，滚轮向井壁展开过程中被定位以使其沿井壁上的一条螺旋路径滚动，该工具还包括一个用于转动各可转动体的马达，还包括一些用于测量该工具所提供推力的测量装置，及一种根据所测推力通过调节可转动体的旋转扭矩来控制该工具所提供推力的控制装置。
根据所测推力通过调节旋转扭矩，就可以控制滚轮的滑移量，因为该滑移量由可转动体的旋转扭矩决定。当，如细长体包括一钻柱而且由于钻头遇到一硬质岩层而使钻进受阻时，钻头受到的阻力会增加，因此，该工具提供的推力也趋于增加。此时，控制系统将减小旋转扭矩以使滑移量减小从而有效地防止井筒被磨损。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于向形成于某一地层中的一井筒内延伸的一细长体提供一推力的井下工具，该工具包括至少一个装有很多滚轮的可转动体，各滚轮能以一选定的滚轮与井壁间的接触压力向着井壁展开，滚轮向井壁展开过程中被定位以使其沿井壁上的一条螺旋路径滚动，该工具还包括一个用于转动各可转动体的马达，其中可转动体的转动方向与位于钻孔组件下端的钻头的转动方向相反。
通过使钻头与可转动体具有不同的转动方向，可使来自钻头的反作用扭矩部分或全部由来自可转动体的反作用扭矩予以补偿，因此可采用直径相对较小的钻柱，如采用挠性油管。
本发明井下工具可以有各种各样的应用，如，用于沿井筒推进各装置，或用于钻井。该工具尤其对于钻长度很大的孔(extended reachdrilling)极具吸引力，在此工作中要钻出很长的井筒，例如近海油/气田开发的所要钻的井。
下面将结合附图通过具体实施例的形式更详细地描述本发明。
图1示意性地示出了本发明井下工具的一个实施例。
参考图1，本发明井下工具1包括一个上连接装置2用于将该工具1与一钻井组件(图中未示)的上部相连，及一个下连接装置3用于将该工具1与钻井组件的下部相连。这些连接装置2、3又通过一个中心轴5相互连接在一起，从而可将扭矩由下连接装置3经轴5传给上连接装置2，或反之亦然。下连接装置3内设置有一推力测量仪6，该测量仪6在工作中可提供一代表井下工具1提供给钻井组件下部的推力的电信号。在示意图1中，轴5被绘成一单一元件，事实上，轴5可由一定数量的相互连接的轴段组成。该工具1装有一个Moineau马达7，该马达有一与上连接装置固定连接的定子9及一转子11，该转子11有一纵向孔13，中心轴5穿入此孔13。Moineau马达7的转子11经一离合装置17驱动一个第一可转动体15，该离合装置17由一个液力活塞/气缸装置19操纵。第一可转动体15与Moineau马达7的定子9之间设置有一轴承21以便允许可转动体15相对马达7的定子9转动。第一可转动体15装有一组滚轮23，为了清楚起见图中只示出其中的一个。各滚轮23都有一转轴25，该转轴相对于可转动体15的纵轴倾斜，因此，当该工具1被置于地层中形成的一井筒内且滚轮23与井壁接触后，随着第一可转动体15的转动，这些滚轮23会沿着井壁上的一螺旋路径滚动。
该工具1还包括一个第二可转动体25，该可转动体上也设置有一组滚轮27，为了清楚起见，图中只示出其中的一只。同第一可转动体15的滚轮23一样，各滚轮27都有一转轴29，该转轴相对于可转动体25的纵轴倾斜，因此，当该工具1被置于地层中形成的一钻孔内且滚轮27与井壁接触后，随着第二可转动体25的转动，这些滚轮27会沿着井壁上的一条螺旋路径滚动。该第二可转动体25由第一可转动体15通过一齿轮31可转动地驱动，图中只是示意性地示出了该齿轮组件31。该齿轮组件31有三个挡位，在第一挡位第二可转动体25的转速与第一可转动体15的转速相同，在第二挡位第二可转动体25的转速比第一可转动体15的转速高，及在第三挡位第二可转动体25的转速与在第二挡位时的转速相同，只是方向相反。齿轮组件31经一个导体(图中未示)由电控制，可在三个挡位间相互转换，该导体沿钻井组件伸出地面与一个合适的控制装置相连。第二可转动体25与下连接装置3间设置有一个轴承32以将可转体25相对连接装置3可转动地支撑。
各滚轮23、27都可沿径向向外扩张，并可被一液力活塞/气缸装置33、35压向井壁，该液力装置可以沿可转动体15、25的径向移动滚轮23、27的转轴25、29。第一可转动体15的滚轮23对应的液力活塞/气缸装置33可相对第二可转动体25的滚轮27对应的液力活塞/气缸装置35独立操作。
该装置1内布置有一电控系统37，该电控系统37带有一设定装置用于设定该装置1在工作中提供的推力，地面上一操作员可以通过一控制系统(图中未示)变更该设定，该控制系统经一沿钻井组件延伸的导体(图中未示)与控制系统37电连接。该控制系统37可经一导线38接收来自推力测量仪6的一个输入信号，此输入信号代表该装置1提供给该装置所在钻井组件的推力。控制系统37经一导线40与一液动力源42相连。与滚轮23、27对应的活塞/气缸组件33、35经控制线路44、46以液力方式连接在动力源42上，与离合器组件17对应的活塞/气缸组件19则通过控制线路48以液力方式连接在动力源42上。该装置1内还设置有一阀系统(图中未示)，用于有选择地连通或切断动力源42与各活塞/气缸组件19、33、35的液力连接，该阀系统经一沿钻井组件延伸的导体(图中未示)由地面进行电控制。因此通过控制该阀系统，活塞/气缸组件19、33、35就可相互独立地工作。控制系统37按一定程序工作，以引导动力源42按照一种所提供推力与设定推力间偏离最小的方式操纵活塞/气缸组件19、33、35。
在通常工作中，井下工具1装在一钻井组件的下部，该组件在某一地层中钻出的井筒内延伸。上连接装置2与钻井组件的上部分相连，下连接装置3则与钻井组件的下部相连。钻井组件的所述上部明显比其下部长，因为该下部只包括一个用于驱动一钻头的井下钻井马达和一个或多个稳定器。钻井组件的该下部分也可以包括一个或多个很重的钻管部分。为保持钻压(WOB)而选定的推力比较令人满意时，控制系统中的程序决定所需的设定推力，并且操纵阀系统使第一可转动体的活塞/气缸组件33与动力源42液力连通。
马达7处于工作状态时，离合器组件19接合以使马达7驱动第一可转动体15。控制37接收到一来自仪器6代表实际推力的输入信号，并将此信号与设定的推力相比较，进而引导动力源42操纵活塞/气缸组件33使滚轮23向井壁。由于展开量与各滚轮23与钻孔间的接触压力相对应，因此需要尽可能减小实际推力与设定推力间的差别。滚轮23压向井壁过程中，由于第一可转动体15的转动使滚轮23沿井壁上的一条螺旋路径滚动，从而对该装置1产生一轴向推力，该推力作用在钻井组件下端的钻头的方向上。
当实际推力小于设定推力时，控制系统37会引导动力源42操纵活塞/气缸组件33使滚轮23具以向井壁方向展开的接触压力增加。
相反，当实际推力比设定推力大时，控制系统37会引导动力源42操纵活塞/气缸组件33使滚轮23具以向井壁方向展开的接触压力减小。
控制系统37可以不或除了引导动力源42操纵活塞/气缸组件33，而或另外还引导动力源42操纵离合装置17的活塞/气缸组件19以在实际推力减小时允许离合装置17滑动。
当设定推力大于可转动体15所能达到的推力时，地面上的操纵人员将齿轮装置31转换到第一挡位，在该位置，第一可转动体15与第二可转动体25以同一转速转动。再有，阀系统被置于使活塞/气缸组件35与动力源42液力连通的位置。而后，控制系统37引导动力源42操纵活塞/气缸组件35使第二可转动体25的滚轮27向井壁展开。由于第二可转动体25提供了附加推力，因此实际推力提高了。
在井下工具1的一替换工作模式中，阀系统被作了调整，以便使滚轮23的活塞/气缸组件33不工作，而使滚轮27的活塞/气缸组件35工作以将滚轮27压向井壁。齿轮装置31被置于其第二挡位，在该位置，第二可转动体25的转速比第一可转动体15的转速高。此模式下的该装置用于向下释放时沿井筒移动钻井组件。
在井下工具1的另一替换工作模式中，阀系统被作了调整，以便使滚轮23的活塞/气缸组件33不工作，而使滚轮27的活塞/气缸组件35工作以将滚轮27压向井壁。齿轮装置31置于其第三挡位，在该位置，第二可转动体25以一相对较高的转速反向转动。此模式下的该装置用于向上释放时沿井筒移动钻井组件。
控制系统37可以不或除了通过控制滚轮23、27与井壁的接触压力来控制该装置1提供的实际推力，而或另外还可按另一程序工作，即通过控制离合装置19的滑移量来制实际推力，以尽可能减小实际推力与设定推力间的差别。如果只通过控制离合装置19的滑移量来控制实际推力，那么滚轮23、27与井壁间的接触压力保持恒定。
再有，该工具可以不用上述离合装置或除了用上述离合装置，而是或还可选择性地装一个能量供应调节器，该调节器可以调节供给马达的能量额进而控制马达的扭矩。由控制系统控制的该能量调节器可以是一个用于上述Moineau马达的可控液力分流器。如果用一个电动马达取代Moineau马达，该能量调节器可以是一个由该装置的控制系统控制的电流调节器。
在上述实施例中，Moineau马达有一个用作转子的内部纵向轴，和一个用作定子的外部圆柱形外壳，而且，转子有一纵向孔，将上、下连接装置连接在一起的中心轴穿入此孔。在一替换布置中，可以采用一反Moineau马达，该反Moineau马达有一用作定子的内部纵向轴，和一个用作转子的外部圆柱形外壳。此时，内轴成为连接上、下连接装置的中心轴的一部分，而圆柱形壳则通过离合装置驱动各圆柱体。再有，可以不用如图1所示的齿轮装置，该装置有三个挡位，在其第二挡位第二可转动体的转速比第一可转动体的转速高，取而代之的是采用另一种齿轮装置，该装置没有挡位，但能以该较高的转速持续地驱动第二可转动体。通过有选择地使第一可转动体的滚轮或第二可转动体的滚轮向井壁展开，可使沿钻孔移动该装置的速度在低速与高速间转换。
可以理解，上述井下工具可与任何合适的钻井组件配合使用，如与一种包括一个或多个如下部件的组件：一个用于受控井筒的操纵该装置，一个测量装置，钻孔装置，及一个挠性油管。
Claims (16)
1.一种用于向形成于某一地层中的一井筒内延伸的一细长体提供一推力的井下工具，该工具包括至少一个装有很多滚轮的可转动体，各滚轮能以一选定的滚轮与井壁间的接触力向井壁展开，滚轮向井壁展开过程中被定位以使其沿井壁上的一条螺旋路径滚动；及一个用于转动各可转动体的马达，其特征在于：该装置还包括用于测量所述装置所提供推力的测量装置，及一个根据所测推力通过调节所述可转动体的转动扭矩来控制所述装置提供推力的控制系统。
2.如权利要求1所述的井下工具，其特征在于：所述控制系统通过调节各滚轮与所述井壁间的所述选定接触压力来控制所述扭矩。
3.如权利要求2所述的井下工具，其特征在于：所述各滚轮的转轴可径向扩张，以将所述滚轮压向所述井壁，因此所述接触压力是通过调节所述滚轮转轴的径向扩张量而被调节的。
4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的井下工具，其特征在于：所述控制系统通过调节所述马达提供给所述可转动体的扭矩来调节转动所述可转动体所需的扭矩。
5.如权利要求4所述的井下工具，还包括一个用于将扭矩从所述马达传递给所述可转动体的离合装置，其特征在于：所述控制系统通过调节所述离合装置的滑动量来调节转动所述可转动体所需的扭矩。
6.如权利要求4或5所述的井下工具，还包括一个能量供给调节器用于调节供给所述马达的能量额，其特征在于：所述控制系统通过所述能量调节器对供给所述马达能量额的调节来调节转动所述可转动体所需的扭矩。
7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的井下工具，还包括用于在所述装置的一第一工作模式与所述装置的一第二工作模式间转换的转换装置，其特征在于：在所述第一工作模式下所述装置沿所述钻孔移动的速度比在所述第二工作模式下移动的速度低。
8.如权利要求7所述的井下工具，其特征在于：所述转换装置包括一个变速箱，用于在所述可转动体的第一转速与所述可转动体的第二转速之间转换，所述第一转速比所述第二转速低。
9.如权利要求7所述的井下工具，其特征在于：所述装置包括一第一和一第二所述可转动体，所述转换装置包括一变速箱用于在所述第一可转动体的转动与所述第二可转动体的转动之间转换，所述第一可转动体的转速比所述第二可转动体的转速低。
10.如权利要求1至9中任一权利要求所述的井下工具，其特征在于：所述马达是下组马达中的一种，这组马达包括：一种Moineau马达有一由其外壳形成一定子和一内转子；一种反Moineau马达带有一内定子和一由该马达外壳形成的转子；一种叶片马达；一种涡轮机；及一种电动马达。
11.如权利要求1至10中任一权利要求所述的井下工具，其特征在于：所述细长体包括一个从地表伸入井筒的钻井组件，该钻井组件带有一布置在其下端的钻头。
12.如权利要求11所述的井下工具，其特征在于：所述可转动体的转动方向与所述钻头的转动方向相反。
13.如权利要求1至12中任一权利要求所述的井下工具，其特征在于：所述细长体包括一由地表伸入井筒内的挠性油管，所述井下工具与该挠性油管的下端相连。
14.一种用于向形成于某一地层中的一钻孔内延伸的一细长体提供一推力的井下工具，该装置包括至少一个装有很多滚轮的可转动体，各滚轮能以一选定的滚轮与井壁间的接触力向井壁展开，滚轮向井壁展开过程中被定位以使其沿井壁上的一条螺旋路径滚动；及一个用于转动各可转动体的马达，其特征在于：所述可转动体的转动方向与处于所述钻孔组件下端的所述钻头的转动方向相反。
15.如权利要求14述的井下工具，其特征在于：所述钻井组件包括一由地表伸入井筒内的挠性油管，所述井下工具与该挠性油管的下端相连。
16.基本如此前参照附图所描述的井下工具。
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