本公開涉及用于啟動井筒工具的系統(tǒng)、組件和方法。

背景技術(shù)：

與來自地球的烴類的回收有關(guān)，通常使用多種不同的方法和設(shè)備來鉆探井筒。根據(jù)一種常用方法，將牙輪鉆頭或固定切削刃鉆頭抵靠地下地層旋轉(zhuǎn)來形成井筒。旋轉(zhuǎn)鉆頭通過管狀鉆柱懸掛在井筒中。鉆井液被泵送通過鉆柱并且在鉆頭處或鉆頭附近排出。除其他事項之外，鉆井液有助于在鉆井期間保持鉆頭的冷卻和清潔。在許多系統(tǒng)中，各種井筒工具(例如，近鉆頭擴孔器和管下擴孔器)被并入在鉆柱的下端處的井底總成(bottomholeassembly)中以有助于鉆井操作。此類工具經(jīng)常需要在井筒的井下環(huán)境中進行遠程啟動。

附圖說明

圖1是鉆機的示意圖，所述鉆機包括配備有可由工具啟動器展開的井筒工具的井底總成。

圖2是包括可由工具啟動器展開的擴孔器工具的部分井底總成的透視圖。

圖3是工具啟動器的圖。

圖4a是圖2的擴孔器組件的剖視圖，其示出圖3的將擴孔器工具保持在縮回位置的工具啟動器。

圖4b是圖2的擴孔器組件的剖視圖，其示出圖3的將擴孔器工具釋放到展開位置的工具啟動器。

圖5a-圖5d是示出工具啟動器的有限旋轉(zhuǎn)的漸進圖。

圖6a-圖6d是示出工具啟動順序的漸進圖。

圖7是示出根據(jù)圖6a-圖6d的啟動順序來操作工具啟動器的協(xié)議的圖。

具體實施方式

圖1是用于鉆探井筒12的示例性鉆機10的圖。鉆機10包括由通常定位在地球表面18上的井架16所支撐的鉆柱14。鉆柱14從井架16延伸到井筒12中。在鉆柱14的下端部分處的井底總成100包括井筒工具200(例如，擴孔器工具)和鉆頭19。還可包括但是已知示出有利于鉆井操作的各種其他井筒工具。如下面參考圖2所討論，在此實例中，井筒工具200是擴孔器工具。鉆頭19可以是固定切削刃鉆頭、牙輪鉆頭或適合于鉆探井筒的任何其他類型的鉆頭。鉆頭19可通過旋轉(zhuǎn)整個鉆柱14的地面設(shè)備來旋轉(zhuǎn)并且/或者通過支撐在鉆柱中的地下馬達(通常稱為“泥漿馬達”)來旋轉(zhuǎn)。

鉆井液供應(yīng)系統(tǒng)20包括一個或多個泥漿泵22(例如，雙缸泵、三缸泵或六缸泵)，以使鉆井液(通常稱為“鉆井泥漿”)強制向下流動通過鉆柱14的內(nèi)部流動通道(例如鉆柱的中心孔)。鉆井液供應(yīng)系統(tǒng)20還可包括用于監(jiān)測、調(diào)節(jié)和儲存鉆井液的各種其他部件。控制器24通過向系統(tǒng)的各個部件發(fā)出操作控制信號來操作流體供應(yīng)系統(tǒng)20。例如，控制器24可通過發(fā)出建立泥漿泵22的速度、流速和/或壓力的操作控制信號來指示泥漿泵22的操作。

在一些實現(xiàn)方式中，控制器24是包括存儲單元的計算機系統(tǒng)，所述存儲單元保存由處理器處理的數(shù)據(jù)和指令。所述處理器從存儲單元接收程序指令和傳感反饋數(shù)據(jù)、執(zhí)行程序指令所要求的邏輯操作、并且產(chǎn)生用于操作流體供應(yīng)系統(tǒng)20的命令信號。輸入/輸出單元將命令信號發(fā)送到流體供應(yīng)系統(tǒng)的部件，并從遍布鉆機10的各個傳感器接收傳感反饋。對應(yīng)于傳感反饋的數(shù)據(jù)被儲存在存儲單元中以便由處理器檢索。在一些實例中，控制器24基于適用于來自遍布鉆機的傳感器的反饋數(shù)據(jù)的編程控制例程來自動地(或半自動地)操作流體供應(yīng)系統(tǒng)20。在一些實例中，控制器基于由用戶手動發(fā)出的命令來操作流體供應(yīng)系統(tǒng)20。

鉆井液通過鉆頭19或在鉆頭19附近從鉆柱14排出以(例如，通過潤滑和/或冷卻鉆頭)輔助鉆井操作，并且隨后通過在井筒12與鉆柱14之間形成的環(huán)26來朝向地面18返回。流動通過環(huán)26的改程的鉆井液將切屑從井筒12的底部朝向地面18運送。在地面處，可從鉆井液中去除切屑，并且鉆井液可返回到流體供應(yīng)系統(tǒng)20以便進一步使用。

在鉆機10的前述描述中，可省略設(shè)備的各種物品(諸如管道、閥門、緊固件、配件等)以簡化描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，可根據(jù)需要采用這種常規(guī)設(shè)備。本領(lǐng)域技術(shù)人員將進一步理解，所述的各種部件被列舉用于上下文說明目的并且不限制本公開的范圍。此外，雖然鉆機10被示出為有利于直的井下鉆井的布置，但是應(yīng)理解，定向鉆井布置也是可預(yù)期的并且因此在本公開的范圍內(nèi)。

圖2是位于鉆柱14的下端處的部分井底總成100的透視圖。如上所述，在此實現(xiàn)方式中，井底總成100配備有擴孔器工具200。擴孔器工具200包括聯(lián)接到鉆柱14的管狀外殼202和圍繞所述外殼周向分布的多個切割塊204的布置。外殼202限定中心縱向軸線205。在此實例中，擴孔器工具200包括以120°的周向間隔定位的三個切割塊204。當然，在不脫離本公開的范圍的情況下，任何適合布置的切割塊可用于各種其他實施方案和實現(xiàn)方式。

每個切割塊204包括切割器元件206。切割器元件206可在縮回位置到展開位置之間移動。在縮回位置(未示出)中，切割器元件206退回到外殼202中。在展開位置(如圖2所示)中，切割器元件206通過開口208從外殼202徑向向外延伸以接合井筒壁。在一些實例中，切割器元件206被(例如，通過一個或多個線性彈簧)偏置，以朝向展開位置移動(見圖4a和圖4b)。在展開位置中，當擴孔器工具200通過鉆柱14旋轉(zhuǎn)時，切割器元件206磨損并切掉地層，從而擴大鉆孔的直徑。如下所述，旋轉(zhuǎn)工具啟動器被并入外殼202中，并且用于將切割器元件206調(diào)節(jié)到展開位置。

在此實例中，切割器元件206被示出為基本上圓形的切割塊，其例如在展開位置中時抵靠井筒壁剪切。然而，合適的切割器元件可包括附加的或不同的部件和特征(例如，不同的形狀)。作為一個實例，切割器元件可包括刀片，所述刀片具有附連到所述刀片上的單獨的切割器(例如，pdc切割器鑲件、金剛石鑲件切割器、硬面金屬鑲件和/或其他)。在一些實例中，切割器元件附連到旋轉(zhuǎn)盤和/或錐形件。

圖3是可用于有助于擴孔器工具200從縮回位置到展開位置的操作的工具啟動器300的圖。為了清楚和討論起見，工具啟動器300以解構(gòu)姿態(tài)示出并且在外殼202外示出。工具啟動器300包括一對第一盤302a和第二盤302b、鍵構(gòu)件304以及啟動器銷306。盤302a和302b彼此固定(例如，彼此整體形成或通過焊接或機械緊固系統(tǒng)而結(jié)合在一起)并且通過扭力彈簧303偏置以圍繞擴孔器工具外殼202的中心縱向軸線205一起旋轉(zhuǎn)。如下面將描述的，鍵構(gòu)件304與盤302a和302b界面(接口)連接以防止旋轉(zhuǎn)移動。然而，鍵構(gòu)件304可按要求移動以釋放盤302a和302b，以便旋轉(zhuǎn)通過有限的角距離。

盤302a和302b中的每一個包括主體部分308，所述主體部分308具有用于將盤302a和302b安裝在延伸穿過井底總成100的中心鉆井液流管(未示出)上的中心開口310。盤302a和302b還具有多個徑向突出的齒312。如圖所示，齒312圍繞盤302a和302b的外圓周表面313分布。如下所述，盤302a和302b中的每一個還包括用于接收啟動器銷306的銷孔314。盤302a和302b以彼此相對于中心縱向軸線205的固定的同軸對準和平行平面對準的方式而彼此聯(lián)接。盤302a和302b也被定向成使得盤的相應(yīng)銷孔314對準。

盤302a和302b的齒312彼此周向地偏移，從而形成一個盤的齒位于另一個盤的兩個相鄰齒之間的交替模式。齒312是楔形構(gòu)件，所述楔形構(gòu)件呈現(xiàn)用于與鍵構(gòu)件304的配合部分接合的平面表面316。在此實例中，每個盤302a、302b的齒312的布置在形狀、尺寸、數(shù)量和模式上基本上等同。然而，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可使用其他合適的配置。例如，可增加或減小一個或兩個盤上的齒數(shù)，以響應(yīng)于鍵構(gòu)件的每次移動來改變盤的旋轉(zhuǎn)的角距離。

鍵構(gòu)件304包括軸部分318和頭部分320。鍵構(gòu)件304的頭部分320與盤302a和302b的齒徑向?qū)?。也就是說，鍵構(gòu)件304位于擴孔器工具外殼202中，以使得齒312和頭部分320距離中心縱向軸線205大致相同的徑向距離。鍵構(gòu)件304的頭部分320提供與齒312的平面接合表面316互補的平面表面322。在此實例中，鍵構(gòu)件可在與第一位置和第二位置之間的縱向軸線205平行的方向(即，縱向方向)上移動。在第一位置中，頭部分320僅可與第一盤302a的齒312接合。在第二位置中，頭部分320僅可與第二盤302b的齒312接合。鍵構(gòu)件304的軸部分318與線性彈簧324(例如，螺旋彈簧或盤式彈簧)界面連接。線性彈簧324將鍵構(gòu)件304推向第一位置。因此，可通過施加足以克服線性彈簧324的彈簧力的力來實現(xiàn)鍵構(gòu)件304從第一位置到第二位置的移動?？赏ㄟ^去除所施加的力來實現(xiàn)鍵構(gòu)件304返回到第一位置的移動。

啟動器銷306可從停用位置(如圖4a所示)移動到啟動位置(如圖4b所示)。在停用位置中，啟動器銷306抵靠第一盤302a的主體部分308支撐。在此實例中，啟動器銷306通過線性彈簧326被推動以接觸第一盤302a。在啟動位置中，啟動器銷306通過線性彈簧326被推動到盤302a和302b中的每一個中的銷孔314中。如圖4a和圖4b所示并且如下面詳細描述的，啟動器銷306聯(lián)接到擴孔器工具200的切割器元件206，以使得當啟動器銷306處于停用位置時，切割器元件206縮回到外殼202中。當啟動器銷306處于啟動位置時，切割器元件206從外殼202展開。

如下面詳細描述的，盤302a和302b可通過使鍵構(gòu)件304與相應(yīng)的盤302a和302b的齒312交替地接合和脫離接合而釋放的扭力彈簧303的力而反復(fù)旋轉(zhuǎn)。盤302a和302b的反復(fù)旋轉(zhuǎn)有助于啟動器銷306從停用位置移動到啟動位置。具體地，盤302a和302b被反復(fù)地旋轉(zhuǎn)直到銷孔314與啟動器銷306對準。在一些實例中，鍵構(gòu)件304響應(yīng)于外殼202中的壓力變化而在第一位置與第二位置之間移動。具體地，外殼202與周圍環(huán)26之間的正壓差可提供施加在鍵構(gòu)件304的頭部分320的表面321上的凈液壓力。外殼202中的壓力變化可通過由泥漿泵22通過控制器24的操作而產(chǎn)生的鉆井液的流速的變化而產(chǎn)生。然而，本公開不限于此。在不脫離本公開的范圍的情況下，可采用增加或減小相對壓力的任何合適的方法。例如，可使用落球法來控制相對壓力。

由增加的流速(例如，當泥漿泵22被啟動或在高流量設(shè)定下操作時)引起的相對壓力的增加構(gòu)成作用在鍵構(gòu)件304的頭部分320的表面321上的液壓力，并且克服線性彈簧324的彈簧力以將鍵構(gòu)件304從第一位置推向第二位置。相反，由減小的流速(例如，當泥漿泵22被停用或在低流量設(shè)定下操作時)引起的相對壓力的減小減弱施加到鍵構(gòu)件304的液壓力，這允許線性彈簧324將鍵構(gòu)件304朝向第一位置推回。

圖4a和圖4b是包括安裝在擴孔器工具200的外殼202中的啟動器工具300的井底總成100的剖視圖。具體地，圖4a和圖4b分別示出處于停用位置和啟動位置的啟動器工具300的啟動器銷306。在此實例中，盤302a和302b整體形成為一體結(jié)構(gòu)(與圖3所示的解構(gòu)姿態(tài)相反)。如圖4a所示，當啟動器銷306處于停用位置(通過彈簧326抵靠第一盤302a支撐)時，啟動器銷306的細長軸328突出到在切割器元件206的主體中形成的狹槽210中。在啟動器銷306被接收在狹槽210中的情況下，切割器元件206被保持在退回到擴孔器工具200的外殼202中的縮回位置。在停用位置中，啟動器銷306對抗由彈簧212提供的偏置力將切割器元件206保持在適當位置，所述彈簧212將切割器元件206朝向展開位置徑向向外推動。如圖4b所示，當啟動器銷306被移動到啟動位置時(即，在啟動器銷306通過彈簧326被推入盤302a和302b的銷孔314中的情況下)，啟動器銷306被從狹槽210中移除，并且切割器元件206被允許響應(yīng)于彈簧212的偏置力而移動到展開位置。

圖5a-圖5d是示出盤302a和302b的有限旋轉(zhuǎn)的工具啟動器300的漸進圖。在圖5a中，鍵構(gòu)件304處于第一位置中，其中頭部分320接合第一盤302a的齒312。在齒312由鍵構(gòu)件304接合的情況下，防止彈簧偏置的盤302a和302b旋轉(zhuǎn)。在圖5b中，鍵構(gòu)件304被移動到第二位置，從而使頭部分320與第一盤302a的齒312脫離接合。因為第一盤302a和第二盤302b的齒312彼此偏移，所以在此處鍵構(gòu)件304從第一位置到第二位置的移動使鍵構(gòu)件304與所述盤完全分開。因此，盤302a和302b被釋放并且被允許在扭力彈簧303的推動下在方向350上旋轉(zhuǎn)。圖5c示出鍵構(gòu)件304通過與第二盤302b的齒312接合來限制盤302a和302b的旋轉(zhuǎn)。

在圖5d中，鍵構(gòu)件304被移動回第一位置，從而使頭部分320與第二盤302b的齒312脫離接合。再次，盤302a和302b與鍵構(gòu)件304分開，并且因此被允許旋轉(zhuǎn)通過有限的角距離，直到鍵構(gòu)件304的頭部分320與第一盤302a的齒312會和。在此實例中，盤302a和302b的齒被布置成允許在鍵構(gòu)件304在第一位置與第二位置之間的每次移動的情況下旋轉(zhuǎn)通過大約三十度的角距離的模式。然而，如以上所建議，可使用具有更緊密間隔的齒的配置來降低旋轉(zhuǎn)量(例如，降至二十度、十度或更小)。相反，可使用具有間距更遠的更少的齒的配置來增加旋轉(zhuǎn)量(例如，增至四十度、五十度或更大)。

圖6a-圖6d是示出經(jīng)歷多階段工具啟動順序的工具啟動器300的漸進圖。如上所述，當啟動器銷306被推動穿過銷孔314進入啟動位置時，實現(xiàn)擴孔器工具的切割器元件206的啟動。圖6a示出處于初始階段的工具啟動器300，其中啟動器銷306處于停用位置，并且與旋轉(zhuǎn)盤302a和302b的銷孔314呈一百八十度定位。在圖6b所示的第一階段處，鍵構(gòu)件304已在第一位置與第二位置之間移動通過鍵構(gòu)件304的第一周期，以使盤302a和302b旋轉(zhuǎn)通過六十度。在圖6c所示的第二階段處，鍵構(gòu)件304構(gòu)件已移動通過鍵構(gòu)件304的第二周期，從而允許盤302a和302b旋轉(zhuǎn)通過九十度。在圖6d所示的第三階段處，鍵構(gòu)件304已移動通過第三周期，從而允許盤302a和302b旋轉(zhuǎn)通過一百八十度。在盤302a和302b旋轉(zhuǎn)一百八十度時，銷孔314就會與啟動器銷306對準。啟動器銷306通過線性彈簧326(未示出)被推動穿過銷孔314，以將啟動器銷置于啟動位置。

圖7是示出通過用于根據(jù)圖6a-圖6d示出的啟動順序操作工具啟動器300的控制器24實現(xiàn)的協(xié)議的圖400。具體地，圖400示出控制器24如何能將泥漿泵22從開(on)到關(guān)(off)并且從關(guān)(off)到開(on)來進行循環(huán)，以通過多階段啟動順序來推進工具啟動器300。在一個方面，圖400示出通過啟動泥漿泵22而產(chǎn)生的高流速如何在外殼202中產(chǎn)生大于觸發(fā)壓力的相對壓力。觸發(fā)壓力對應(yīng)于提供作用在鍵構(gòu)件304上的液壓力所需的相對壓力，所述相對壓力足以克服線性彈簧324的彈簧力，以便將鍵構(gòu)件304從第一位置驅(qū)動到第二位置。當通過停用泥漿泵22來實現(xiàn)低流速時，所述相對壓力降低到觸發(fā)壓力以下，并且線性彈簧324的彈簧力將鍵構(gòu)件304驅(qū)動返回第一位置。如上所述，鍵構(gòu)件304的這種周期引起盤302a和302b通過旋轉(zhuǎn)通過有限的角距離(例如，三十度)的離散階段來推進預(yù)定的角距離(例如，一百八十度)。這種多階段啟動順序的一個明顯優(yōu)點是可避免井筒工具的意外啟動。例如，在本文中，通過需要通過觸發(fā)壓力來實現(xiàn)啟動的至少三個壓力周期來避免通過鉆柱14中的意外的壓力尖峰而引起擴孔器工具200的過早啟動。

已經(jīng)描述了本發(fā)明的若干實施方案。盡管如此，應(yīng)理解可在不脫離以下權(quán)利要求的精神和范圍的情況下作出各種修改。例如，雖然已參考擴孔器工具示出和描述工具啟動器?？墒褂帽疚拿枋龅募夹g(shù)來啟動各種其他類型的井筒工具。此外，雖然上述實例并入用于提供對鍵構(gòu)件和啟動銷的偏置力的常規(guī)線性彈簧(例如，螺旋彈簧或盤式彈簧)，但是也可使用其他合適的偏置構(gòu)件(例如，氣體彈簧或磁性彈簧)。此外，雖然上述實例描述用于有助于展開井下工具(例如，擴孔器)的啟動工具，但是也可預(yù)期啟動工具還可被設(shè)計來有助于井下工具的縮回。此外，雖然上面討論的實例涉及用于控制井筒工具的啟動器銷，但是也可預(yù)期其他配置。例如，啟動器銷的功能可通過用于致動鉸接的一組切割臂的滑動傳輸元件來執(zhí)行。