專利名稱：用于鉆井眼的鉆頭和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在物體內(nèi)鉆井眼的鉆頭，所述鉆頭包括延伸在中心縱軸周圍的鉆頭體，該鉆頭可通過(guò)繞所述中心縱軸旋轉(zhuǎn)來(lái)操作。
背景技術(shù)：
在專利公開(kāi)號(hào)為GB2365888A中披露了一種可展開(kāi)的鉆頭。該已知的鉆頭包括設(shè)有刀具的兩個(gè)可樞轉(zhuǎn)的臂。在收縮位置，所述臂鉆削出與鉆頭體相當(dāng)?shù)木郏谡归_(kāi)位置，所述臂鉆削出較大的井眼。在該展開(kāi)位置，導(dǎo)引部鉆削出井眼的中心，所述臂鉆削出標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是對(duì)鉆頭進(jìn)行改進(jìn)。特別地，本發(fā)明的目的是提供一種鉆頭，其可更加可靠地在收縮位置和展開(kāi)位置之間切換。
依照本發(fā)明，提供一種用于在物體內(nèi)鉆井眼的鉆頭，所述鉆頭具有中心縱軸并包括設(shè)有中心柄部的鉆頭體，所述中心柄部用來(lái)將鉆頭連接到鉆井系統(tǒng)上，所述鉆頭還包括至少一個(gè)鉆削臂，各個(gè)鉆削臂設(shè)有用來(lái)鉆削物體的一組刀具，并經(jīng)由樞轉(zhuǎn)裝置聯(lián)結(jié)到鉆頭體上，其中，所述樞轉(zhuǎn)裝置容許鉆削臂在徑向收縮位置和徑向展開(kāi)位置之間樞轉(zhuǎn)，所述鉆頭設(shè)有支撐裝置，以用于在其徑向展開(kāi)位置支撐該鉆削臂，其中，所述支撐裝置用來(lái)將鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的至少一部分旋轉(zhuǎn)扭矩從鉆削臂傳遞到鉆頭體，以便降低或防止所述旋轉(zhuǎn)扭矩經(jīng)由樞轉(zhuǎn)裝置傳遞。
借助于支撐裝置，減輕了樞轉(zhuǎn)裝置所承受的全部扭矩負(fù)載。由此可以得到，在不喪失將鉆頭從收縮位置切換到展開(kāi)位置以及相反的過(guò)程的可靠性的情況下，所述樞轉(zhuǎn)裝置不會(huì)由于傳遞較大的負(fù)載而易于受到損壞。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種液壓系統(tǒng)，其用于驅(qū)使可樞轉(zhuǎn)的鉆具臂在徑向收縮位置和徑向展開(kāi)位置之間作樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，液壓系統(tǒng)包括液壓缸和活塞裝置，所述活塞裝置滑動(dòng)地安裝在液壓缸內(nèi)，在活塞裝置的一側(cè)形成驅(qū)動(dòng)室，在活塞裝置的另一側(cè)形成返回室，活塞裝置在液壓缸內(nèi)具有前進(jìn)和后退位置，由此，活塞裝置由于作用于其上的驅(qū)動(dòng)力超出了作用于其上的返回力而可被驅(qū)動(dòng)至后退位置，其中，所述驅(qū)動(dòng)力由于主動(dòng)室內(nèi)的壓力而產(chǎn)生，所述返回力由于返回室內(nèi)的壓力而產(chǎn)生，所述活塞裝置聯(lián)結(jié)到可樞轉(zhuǎn)的鉆具臂上，以在活塞被驅(qū)動(dòng)至后退位置時(shí)，將該鉆具臂從收縮位置驅(qū)動(dòng)到展開(kāi)位置，由此，活塞裝置被聯(lián)結(jié)到門裝置(gate means)上，這樣設(shè)置該門裝置，即，在活塞裝置處于其前進(jìn)位置或者在前進(jìn)位置附近時(shí)，作用于活塞上的返回力就超出了作用于活塞上的驅(qū)動(dòng)力，而相反的是在活塞裝置處于除前進(jìn)位置或者前進(jìn)位置附近以外的位置時(shí)的情況，其中，所述返回力由于返回室內(nèi)的壓力而產(chǎn)生，所述驅(qū)動(dòng)力由于主動(dòng)室內(nèi)的壓力而產(chǎn)生。
在鉆具臂處于收縮位置時(shí)，活塞裝置可置于前進(jìn)位置處或者其附近，門裝置在該位置處被切換，以便將活塞裝置偏壓到前進(jìn)位置。在活塞裝置被機(jī)械地移出其前進(jìn)位置時(shí)，門裝置由于其聯(lián)結(jié)到活塞裝置上而被切換，這就導(dǎo)致作用于活塞上的驅(qū)動(dòng)力超出了作用于活塞上的返回力，其中，所述驅(qū)動(dòng)力由于主動(dòng)室內(nèi)的壓力而產(chǎn)生，所述返回力由于返回室內(nèi)的壓力而產(chǎn)生。結(jié)果，鉆具臂樞轉(zhuǎn)到其展開(kāi)位置，并由活塞裝置保持在該位置處。通過(guò)機(jī)械地迫使活塞裝置進(jìn)入其前進(jìn)位置，或者通過(guò)設(shè)置附加的門裝置，可以恢復(fù)開(kāi)始時(shí)的狀態(tài)，由此，在該狀態(tài)下活塞裝置可被再次偏壓到其前進(jìn)位置，其中，所述門裝置用于調(diào)節(jié)主動(dòng)室和返回室內(nèi)部的壓力，以便根據(jù)指令向前移動(dòng)活塞裝置。


將在下文參考附圖以示例方式更詳細(xì)地?cái)⑹霰景l(fā)明，其中圖1示意性地示出本發(fā)明的鉆頭在徑向收縮位置時(shí)的一個(gè)實(shí)施例的縱視圖，其局部剖開(kāi)；圖2示意性地示出圖1中的鉆頭處于徑向展開(kāi)位置時(shí)的縱視圖，其局部剖開(kāi)；圖3示意性地示出圖2中的3-3截面。
具體實(shí)施例方式
在附圖中，相同的附圖標(biāo)記指示相同的元件。
參考圖1-3，示出用來(lái)在地質(zhì)巖層內(nèi)鉆井眼的鉆頭1，所述鉆頭具有導(dǎo)引部1a，該導(dǎo)引部1a設(shè)有流體噴嘴1b和與通常鉆頭的鉆削結(jié)構(gòu)類似的鉆削結(jié)構(gòu)1c。導(dǎo)引部1a的直徑為D1，其稍小于井眼入口部分的通過(guò)直徑，例如由井眼上部的套管(未示出)限定形成。此外，鉆頭具有柄部2，該柄部2設(shè)有螺紋3，以將鉆頭聯(lián)結(jié)到鉆柱(未示出)上。導(dǎo)引部1a固定地連接到管6上，所述管6被軸向可滑動(dòng)地容納在柄部2內(nèi)，所述管6配備有活塞7。因此，導(dǎo)引部1a、管6和活塞7可相對(duì)于柄部2作軸向滑動(dòng)。柄部2設(shè)有兩個(gè)相對(duì)的唇緣8，各個(gè)唇緣8具有平的內(nèi)表面(圖3)，在導(dǎo)引部1a相對(duì)于柄部2處于最上方位置時(shí)(圖2)，所述內(nèi)表面靠著導(dǎo)引部1a的相應(yīng)的平的外表面8b延伸。
鉆頭1還設(shè)有鉆削臂，其形式為下擴(kuò)眼臂9(under-reaming arm)，經(jīng)由鉸鏈10形式的樞轉(zhuǎn)裝置連接到柄部2上，其中，所述鉸鏈10由唇緣8支撐。各個(gè)下擴(kuò)眼臂9可繞相應(yīng)的鉸鏈10在徑向收縮位置和徑向展開(kāi)位置之間旋轉(zhuǎn)，其中，所述下擴(kuò)眼臂9在徑向收縮位置基本上與導(dǎo)引部1a平齊，所述下擴(kuò)眼臂9在徑向展開(kāi)位置延伸至比導(dǎo)引部1a的直徑還要大的直徑。柄部2在其下端設(shè)有環(huán)形鎖環(huán)12，在各個(gè)下擴(kuò)眼臂9處于徑向展開(kāi)位置時(shí)，該環(huán)形鎖環(huán)12滑動(dòng)配合到設(shè)在各個(gè)所述下擴(kuò)眼臂9內(nèi)的相應(yīng)的環(huán)形凹槽14內(nèi)。此外，鎖環(huán)12和凹槽14設(shè)有齒廓(未示出)，以便容許將鉆頭1的操作過(guò)程中產(chǎn)生的鉆削扭矩經(jīng)由所述齒廓從下擴(kuò)眼臂9傳遞到柄部2。除了齒廓，任何適當(dāng)形式的輪廓都可設(shè)置在鎖環(huán)12和凹槽14內(nèi)，以在下擴(kuò)眼臂9和柄部2之間傳遞負(fù)載和扭矩，例如，可以采用階梯形輪廓。
活塞7在柄部2內(nèi)限定兩個(gè)環(huán)形室，由此，活塞下方的室16經(jīng)由開(kāi)口18連接到管6的孔部。在活塞7處于其最下方位置時(shí)，所述開(kāi)口18可被柄部2閉合。活塞7上方的室19經(jīng)由開(kāi)口20被連接到形成在鉆頭1和井眼之間的井眼環(huán)(未示出)內(nèi)。在鉆探流體通過(guò)鉆頭1循環(huán)時(shí)，通過(guò)流體噴嘴1b的壓降導(dǎo)致在管6上產(chǎn)生一個(gè)純向上的力，這是因?yàn)榄h(huán)形活塞區(qū)域大于管6的區(qū)域。
在兩個(gè)下擴(kuò)眼臂9對(duì)稱的情況下，鉆頭1對(duì)于下擴(kuò)眼臂9的各個(gè)位置來(lái)說(shuō)都具有力平衡的鉆削結(jié)構(gòu)。柄部2的唇緣8的外表面可設(shè)有抗磨層，以提供給鉆頭附加的橫向穩(wěn)定性。
在利用套管在地質(zhì)巖層內(nèi)鉆出一個(gè)超標(biāo)準(zhǔn)尺寸的井眼時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程如下在導(dǎo)引部1自柄部2軸向延伸，并且下擴(kuò)眼臂9在其相應(yīng)的收縮位置處(如圖1所示)的情況下，鉆頭1穿過(guò)套管。借助于設(shè)在柄部2內(nèi)的安全銷22將導(dǎo)引部1a保持在軸向延伸位置，其中，所述安全銷22用來(lái)防止柄部2內(nèi)的管6向上移動(dòng)。鉆頭1還運(yùn)行到套管下方的開(kāi)孔，以使得鉆井組件能夠被鎖定在套管下部。然后，套管和鉆井組件運(yùn)行到孔底。在這個(gè)操作過(guò)程中，在沒(méi)有開(kāi)動(dòng)下擴(kuò)眼臂9的情況下可以進(jìn)行泥漿循環(huán)，這是因?yàn)楣?內(nèi)的開(kāi)口18在活塞處于最下位置時(shí)被柄部2關(guān)閉。一旦導(dǎo)引部觸到孔底，管6就相對(duì)于柄部向上移動(dòng)，由此破壞了安全銷22，之后開(kāi)口9打開(kāi)。通過(guò)鉆頭噴嘴的壓降將趨于將鉆頭關(guān)閉。通過(guò)閉合鉆頭，下擴(kuò)眼臂9將向外移動(dòng)，并終止在其展開(kāi)位置，如圖2所示。
仍參考圖2，在下擴(kuò)眼臂9處于完全展開(kāi)位置時(shí)，柄部2的唇緣8卡在導(dǎo)引部1a的平的外表面8b周圍。同時(shí)，柄部2下端的鎖環(huán)12卡在下擴(kuò)眼臂9的凹槽14內(nèi)。配合的鎖環(huán)12和下擴(kuò)眼臂9的凹槽14防止了下擴(kuò)眼臂9相對(duì)于柄部2沿著鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
一旦導(dǎo)引鉆頭處于其最上位置，就會(huì)導(dǎo)致下擴(kuò)眼臂9處于其完全展開(kāi)位置，導(dǎo)引鉆頭的鉆井扭矩經(jīng)由唇緣8被傳遞到柄部2，并隨后經(jīng)由螺紋連接部3傳遞到鉆井組件。導(dǎo)引部1a的重量經(jīng)由下擴(kuò)眼臂9和鎖環(huán)12傳遞到柄部2，并隨后經(jīng)由螺紋連接部3傳遞到鉆井組件。下擴(kuò)眼臂9的重量經(jīng)由鎖環(huán)12傳遞到柄部2，并且，下擴(kuò)眼臂9的扭矩經(jīng)由鎖環(huán)12的鋸齒部被傳遞到柄部。
因此，一旦下擴(kuò)眼臂9處于展開(kāi)位置，展開(kāi)機(jī)構(gòu)就不受鉆井負(fù)載，這就使得鉆頭非常堅(jiān)固。實(shí)際上，物體可受到展開(kāi)鉆頭如一塊實(shí)心鉆頭體的作用。
鉆頭也可用于鉆出設(shè)有鐘形物的前述的套管靴，或者鉆出作為傳統(tǒng)的套管鉆井操作一部分的前述套管靴。
在這種情況下，步驟如下。在鉆井組件被鎖定在套管內(nèi)時(shí)，套管運(yùn)行到套管孔內(nèi)，直到水泥的頂端被連接。然后，通過(guò)導(dǎo)引部1a相對(duì)于柄部2向上移動(dòng)而打開(kāi)開(kāi)口18。鉆井流體如泥漿循環(huán)時(shí)，應(yīng)用軸向收縮力，鉆頭趨向于閉合，由此向外推動(dòng)下擴(kuò)眼臂9。在鉆頭旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，下擴(kuò)眼臂9將打開(kāi)所述孔，直到下擴(kuò)眼臂9上的鉆削元件接觸到已安裝的前述套管的鋼。這些鉆削元件應(yīng)該被設(shè)計(jì)為不能切削鋼。例如，這可通過(guò)采用負(fù)前角較大的鉆削元件來(lái)獲得，所述負(fù)前角與雙中心鉆頭的負(fù)前角類似。
在從套管靴鉆出水泥時(shí)，下擴(kuò)眼臂9從已安裝的套管內(nèi)壁或者已安裝的套管的鐘形區(qū)域刮擦水泥。
一旦下擴(kuò)眼臂9延伸到前述套管之下的開(kāi)口，鉆削結(jié)構(gòu)將能夠進(jìn)一步打開(kāi)所述開(kāi)口，以能夠使下擴(kuò)眼臂9到達(dá)其完全展開(kāi)位置，如圖2和3所示。
用于鉆出套管靴所需的設(shè)計(jì)特征是，對(duì)于活塞7的任何位置來(lái)說(shuō)，導(dǎo)引部1a可相對(duì)于鉆頭的柄部2被鎖定在鉆頭旋轉(zhuǎn)方向上。通過(guò)將唇緣8的長(zhǎng)度和導(dǎo)引部1a標(biāo)準(zhǔn)尺寸的平的部分8b的尺寸延伸以使其一直接合，從而獲得這一點(diǎn)。可替換地，管6的頂部可配備有花鍵，其可在柄部2的頂部滑動(dòng)，以防止導(dǎo)引部1a相對(duì)于柄部2旋轉(zhuǎn)。
在鉆出套管靴的過(guò)程中，下擴(kuò)眼臂9的鉆井扭矩經(jīng)由鉸鏈10被傳遞到柄部2?？商鎿Q地，下擴(kuò)眼臂和導(dǎo)引部之間的界面可配備有徑向狹槽，其將扭矩從下擴(kuò)眼臂傳遞到柄部。
概括地說(shuō)，本發(fā)明提供一種可展開(kāi)的鉆頭，其可在多個(gè)位置處鉆井。在展開(kāi)位置，下擴(kuò)眼臂被液壓力鎖在適當(dāng)?shù)奈恢锰?。一旦下擴(kuò)眼臂被鎖定，鉆井力直接從鉆削元件被傳遞到鉆頭的柄部，由此，去掉了下擴(kuò)眼臂的鉸鏈的負(fù)載，其中，所述鉆井力包括作用于鉆頭上的扭矩和/或作用于鉆頭上的重量。這樣，就其構(gòu)成來(lái)說(shuō)，鉆頭可視為規(guī)則鉆頭，并且具有與普通鉆頭類似的潛在鉆井能力。與下擴(kuò)眼臂9上的適當(dāng)鉆削結(jié)構(gòu)結(jié)合的這種特征應(yīng)該使鉆頭適用于包括較硬的巖石在內(nèi)的更寬的地巖層范圍。
鉆頭可具有的其他特征為-夾緊裝置，一旦下擴(kuò)眼臂經(jīng)由活塞和管通過(guò)液壓作用已到達(dá)完全展開(kāi)位置，所述夾緊裝置用來(lái)將管鎖定。這樣，鉆頭就被鎖定在展開(kāi)位置。在鉆頭運(yùn)行末端，鉆頭可以通過(guò)將鉆井組件再次拉入套管內(nèi)而收縮(collapsed)。這種拉力應(yīng)使得保持夾緊裝置的安全銷失效，這樣，管就被再次釋放，鉆頭打開(kāi)，下擴(kuò)眼臂可移動(dòng)到收縮位置。
-噴嘴可以這種方式設(shè)置在鉆頭的導(dǎo)引部?jī)?nèi)，即，這些噴嘴所噴出的流指向下擴(kuò)眼臂，從而提供有效的清潔和冷卻。
-可展開(kāi)的鉆頭也可用于傳統(tǒng)超標(biāo)準(zhǔn)尺寸鉆井中，該傳統(tǒng)超標(biāo)準(zhǔn)尺寸鉆井采用鉆管而不是套管。在這種情況下，鉆頭的柄部?jī)?yōu)選設(shè)有水道，以在下擴(kuò)眼臂處于收縮位置時(shí)，使泥漿能夠循環(huán)。
-在上述的液壓鎖定機(jī)構(gòu)中可以采用多組下擴(kuò)眼臂。
上述的液壓鎖定機(jī)構(gòu)可用在更加一般的意義上，以用于獲得其他可膨脹的井底元件的具體功能性，如用于超標(biāo)準(zhǔn)尺寸鉆井中的可展開(kāi)穩(wěn)定器。
權(quán)利要求
1.一種用于在物體內(nèi)鉆井眼的鉆頭，該鉆頭具有中心縱軸，并包括設(shè)有中心柄部的鉆頭體，所述柄部用于將鉆頭連接到鉆井系統(tǒng)，所述鉆頭還包括至少一個(gè)鉆削臂，各個(gè)鉆削臂設(shè)有用于鉆削物體的一組刀具，并由樞轉(zhuǎn)裝置連接到鉆頭體上，所述樞轉(zhuǎn)裝置容許鉆削臂在徑向收縮位置和徑向展開(kāi)位置之間樞轉(zhuǎn)，鉆頭設(shè)有支撐裝置，以在其徑向展開(kāi)位置支撐該鉆削臂，其特征在于，所述支撐裝置用來(lái)將鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的至少一部分旋轉(zhuǎn)扭矩從鉆削臂傳遞到鉆頭體，從而降低或防止所述旋轉(zhuǎn)扭矩由樞轉(zhuǎn)裝置的傳遞。
2.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于，所述支撐裝置還用來(lái)將軸向壓縮負(fù)載從鉆削臂傳遞到鉆頭體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鉆頭，其特征在于，所述支撐裝置還用來(lái)支撐從鉆削臂到鉆頭體的徑向壓縮負(fù)載。
4.如前述任一權(quán)利要求所述的鉆頭，其特征在于，所述支撐裝置用來(lái)將大部分旋轉(zhuǎn)扭矩，優(yōu)選基本為全部的旋轉(zhuǎn)扭矩從鉆削臂傳遞到鉆頭體。
5.如前述任一權(quán)利要求所述的鉆頭，其特征在于，所述鉆削臂還可樞轉(zhuǎn)到一個(gè)中間位置，在這個(gè)中間位置，第二組刀具相對(duì)于所述物體設(shè)置在第二鉆削位置處用于鉆出井眼，其標(biāo)準(zhǔn)尺寸比展開(kāi)位置處的小。
6.如前述任一權(quán)利要求所述的鉆頭，還包括設(shè)有導(dǎo)引刀具的一導(dǎo)引部，所述導(dǎo)引刀具用來(lái)在鉆削臂之前預(yù)鉆出導(dǎo)引井眼。
7.如權(quán)利要求6所述的鉆頭，其特征在于，所述導(dǎo)引部可相對(duì)于柄部軸向移動(dòng)，由此，鉆削臂連接到導(dǎo)引部上，以控制鉆削臂的樞轉(zhuǎn)。
8.如權(quán)利要求7所述的鉆頭，其特征在于，所述導(dǎo)引部連接到用于控制所述軸向可動(dòng)性的液壓系統(tǒng)上。
9.如權(quán)利要求1-8中任一權(quán)利要求所述的鉆頭，其特征在于，所述鉆頭是用于在地質(zhì)巖層中鉆井眼的鉆頭。
10.一種參考附圖如上文所述的鉆頭。
全文摘要
一種用于在物體內(nèi)鉆井眼的鉆頭，所述鉆頭具有中心縱軸，并包括設(shè)有中心柄部(2)的鉆頭體，所述中心柄部(2)用來(lái)將鉆頭連接到鉆井系統(tǒng)。鉆頭還包括至少一個(gè)鉆削臂(9)，各個(gè)鉆削臂還包括用于鉆削物體的至少一組刀具，并經(jīng)由樞轉(zhuǎn)裝置(10)連接到鉆頭體上，其中，所述樞轉(zhuǎn)裝置(10)容許鉆削臂在徑向收縮位置和徑向展開(kāi)位置之間樞轉(zhuǎn)。鉆頭設(shè)有支撐裝置(12)，以用于在其徑向展開(kāi)位置支撐該鉆削臂，其中，所述支撐裝置用來(lái)將鉆井過(guò)程中所產(chǎn)生的至少一部分旋轉(zhuǎn)扭矩從鉆削臂傳遞到鉆頭體，以便降低或防止所述旋轉(zhuǎn)扭矩經(jīng)由樞轉(zhuǎn)裝置傳遞。
文檔編號(hào)E21B10/32GK1791733SQ200480013967
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2004年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月21日
發(fā)明者D·H·齊伊斯林 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司