本申請要求2014年10月17日遞交的美國臨時專利申請第62/065,532號的權益和優(yōu)先權，其通過引用并入本文。

發(fā)明背景

本發(fā)明涉及井下工具(downhole tool)。更具體地但不是作為限制的，本發(fā)明涉及井下沖擊工具(downhole percussion tool)。

在油氣井的鉆井中，使用鉆頭裝置(bit means)鉆出井筒。為了提高鉆探各種類型的地層的鉆進速率(rate of penetration)，采用了井下沖擊工具，有時稱作錘、推進器或沖擊器。在某些類型的井筒(例如斜井和水平井)中，鉆機可以使用井下泥漿馬達。井底組件的復雜性和敏感性影響了鉆機使用某些工具(如井下錘)的能力。

發(fā)明概述

在一個實施方案中，公開了在井筒內連接到工作串組(workstring)的井下設備。該工作串組連接到鉆頭構件。該設備包括：可操作地連接到馬達裝置的動力心軸；可操作地形成在鉆頭構件上的砧座構件，砧座構件可操作地連接到動力心軸；可操作地連接到工作串組的徑向軸承殼體單元，其中徑向軸承殼體單元圍繞動力心軸布置；可操作地附接到徑向軸承殼體單元的彈簧鞍座；圍繞彈簧鞍座布置的彈簧襯墊；具有第一端和第二端的彈簧，其中第一端毗連彈簧鞍座；可滑動地附接到彈簧鞍座的錘構件，并且其中錘構件毗連彈簧的第二端。在一個優(yōu)選實施方案中，錘和砧座在徑向軸承殼體單元的下方。工作串組可以是管狀的鉆柱、或連續(xù)管(coiled tubing)或不壓井管(snubbing pipe)。砧座構件包含具有傾斜部分和直立部分的徑向凸輪表面。錘構件包括具有傾斜部分和直立部分的徑向凸輪表面。

在另一個實施方案中，井下設備在井筒內連接到工作串組，其中井下設備連接到鉆頭構件。該設備包括：心軸，其可操作地連接到馬達裝置；砧座，其可操作地形成在鉆頭構件上，其中砧座可操作地連接到心軸；徑向軸承殼體單元，其可操作地連接到工作串組，其中徑向軸承殼體單元圍繞心軸布置；和錘，其可滑動地附接到徑向軸承殼體單元。在一個實施方案中，錘和砧座在徑向軸承殼體單元下方。砧座包含具有傾斜部分和直立部分的凸輪表面，并且錘包含具有傾斜部分和直立部分的凸輪表面。該設備還可以可選地包括：彈簧鞍座，其可操作地附接到徑向軸承殼體單元；和彈簧襯墊，其圍繞彈簧鞍座布置，其中彈簧具有第一端和第二端，其中第一端毗連彈簧襯墊。在一個實施方案中，錘使用花鍵裝置可滑動地附接到徑向軸承殼體單元，花鍵裝置可操作地定位在彈簧鞍座上。

在一個實施方案中還公開了一種使用工作串組鉆出井筒的方法。該方法包括提供在井筒內連接到工作串組的井下設備，該設備連接到鉆頭構件，該井下設備包括：動力心軸，其可操作地連接到馬達裝置，從而通過動力心軸將來自馬達的扭矩和旋轉提供到鉆頭；砧座構件，其可操作地形成在鉆頭構件上，該砧座構件可操作地連接到動力心軸；徑向軸承殼體單元，其可操作地連接到工作串組，其中徑向軸承殼體單元圍繞動力心軸布置；彈簧鞍座，其可操作地附接到徑向軸承殼體單元；彈簧襯墊，其圍繞彈簧鞍座布置；彈簧，其具有第一端和第二端，其中第一端毗連彈簧襯墊；錘構件，其可滑動地附接到彈簧鞍座，并且其中錘構件毗連彈簧的第二端。該方法還包括將工作串組下降到井筒中；將鉆頭構件與地下界面(例如儲集巖)接觸；將動力心軸的遠端與鉆頭構件的內表面接合；可滑動地移動砧座構件；以及，將砧座構件的徑向凸輪表面與錘構件的互補的徑向凸輪表面接合，使得錘構件在砧座構件上施加錘擊力(有時稱作振蕩力)。

在一個公開的實施方案中，當啟動馬達(泵送流體)時，動力心軸、驅動軸和鉆頭盒子部件(bit box sub)使鉆頭旋轉。如果錘質量體凸輪表面和砧座凸輪表面接合，則錘擊(即沖擊)被啟動并對鉆頭盒子部件施加振蕩力。因此，鉆頭將承載來自鉆柱的靜態(tài)鉆壓(weight on bit)以及沖擊錘質量體的所施加的振蕩力。如果錘質量體凸輪表面和砧座凸輪表面脫離，則鉆頭盒子部件僅旋轉。

本公開的特征在于彈簧裝置是可選的。關于彈簧實施方案，所使用的彈簧的類型可以是螺旋彈簧或貝氏彈簧(Belleville spring)。彈簧實施方案的一方面包括，如果錘質量體凸輪表面和砧座凸輪表面接合并且錘質量體相對于砧座構件軸向地滑動，則彈簧裝置將被周期地壓縮和釋放，從而使錘質量體朝向砧座構件周期地加速，這反過來產生另外的沖擊力。彈簧實施方案的特征是，彈簧被調節(jié)阻力而不使心軸相對于殼體移動。一個實施方案的另一個特征是，通過支撐軸向軸承和徑向軸承界定心軸。一個實施方案的另一個特征是，錘機構可以位于鉆頭和馬達之間或位于軸承部分和馬達的下方。

根據(jù)本公開的教導，還有的另一個特征包括，當鉆井液通過馬達被泵送并且兩個凸輪表面接合時，馬達裝置轉動和錘擊(即振蕩力)。另一個特征是，當鉆井液通過馬達被泵送并且兩個凸輪表面脫離時，馬達僅轉動。當沒有鉆井液被泵送時，馬達不轉動也不錘擊。

附圖簡述

圖1是井下設備的第一實施方案的局部剖視圖。

圖2是處于接合模式的第一實施方案的井下設備的下殼體的局部剖視圖。

圖3是處于脫離模式的第一實施方案的井下設備的下殼體的局部剖視圖。

圖4是作為井底組件的一部分的第一實施方案的井下設備的局部剖視圖。

圖5是處于接合模式的第二實施方案的井下設備的下殼體的局部剖視圖。

圖6是處于脫離模式的第二實施方案的井下設備的下殼體的局部剖視圖。

圖7A是砧座徑向凸輪構件的一個實施方案的透視圖。

圖7B是圖7A中所見的砧座徑向凸輪構件的俯視圖。

圖8是錘徑向凸輪構件的一個實施方案的透視圖。

圖9是本發(fā)明的井下設備在井筒中的示意圖。

圖10A是在鉆井操作期間靜態(tài)鉆壓(WOB)對時間的曲線圖。

圖10B是使用沖擊單元的動態(tài)WOB的曲線圖。

圖10C是使用沖擊單元的動態(tài)鉆壓的曲線圖，其中沖擊力相對于靜態(tài)載荷疊加。

圖11是井下設備的下殼體的可選的實施方案的局部剖視圖。

圖12是井下設備的下殼體的另一個可選的實施方案的局部剖視圖。

圖13是井下設備的下殼體的另外的可選的實施方案的局部剖視圖。

圖14是圖13中所示的錘質量體和砧座的示意圖。

優(yōu)選實施方案的詳細描述

現(xiàn)在參考圖1，現(xiàn)在將討論第一實施方案的井下設備2的局部剖視圖。第一實施方案的設備2包括大致在4處所見的動力心軸，該動力心軸可操作地附接到井下泥漿馬達(未示出)的輸出。設備2還包括大致在6處所見的徑向軸承殼體單元。徑向軸承殼體單元6將可操作地附接到工作串組(workstring)，例如鉆桿或連續(xù)管，如稍后將在本公開中描述的。更具體地，圖1示出了動力心軸4(如本領域普通技術人員很好理解的，該動力心軸4連接到馬達部分的輸出)。心軸4可以被稱為動力心軸或柔性軸。圖1中還示出了上軸承殼體10a，其包括上徑向軸承12a、下徑向軸承14a、球16a和止推座圈18a。下殼體大致在圖1中的20a處所見，并將被進一步詳細地描述。

如圖1中所見，示出了第一實施方案的井下設備2的下殼體20a的局部剖視圖。圖1示出了錘質量體22a(有時稱作錘構件或錘)，其(例如，通過花鍵裝置經由彈簧鞍座40a)附接到徑向軸承殼體單元6。錘質量體22a將具有徑向凸輪表面24a。錘質量體22a將與砧座26a接合，其中砧座26a具有包含徑向凸輪表面28a的第一端，其中在優(yōu)選的實施方案中，徑向凸輪表面28a和徑向凸輪表面24a互補且配合，如下文更全面陳述的。圖1還示出了動力心軸4，其通過螺紋連接件或類似的裝置固定地連接到驅動軸30a。鍵32a(也稱作花鍵)允許動力心軸4和驅動軸30a與鉆頭盒子部件34a旋轉地接合，同時還允許鉆頭盒子部件34相對于驅動軸30a的橫向移動。砧座26a固定地連接到鉆頭盒子部件34a。

圖1還示出了用于偏壓錘質量體22a的彈簧裝置36。彈簧裝置36用于瞬時作用。更具體地，圖1示出了彈簧鞍座40a，該彈簧鞍座40a是軸承殼體6的延伸部，即彈簧鞍座40a(例如通過螺紋)附接到軸承殼體6。彈簧鞍座40a圍繞驅動軸30a布置。圍繞彈簧鞍座40a布置的是襯墊子部件42a，其中襯墊子部件42a可以根據(jù)裝載彈簧裝置36所需的力的量以可變的長度制成。如所示的，彈簧裝置36是螺旋彈簧構件。彈簧裝置36還可以是貝氏墊片彈簧(Belleville washer spring)。彈簧裝置36的一端毗連錘質量體22a并緊靠錘質量體22a作用，繼而促使錘質量體22a與砧座26a接合。

在圖2中，示出了處于接合模式的第一實施方案的井下設備2的下殼體20a的局部剖視圖。應注意，在各個附圖中出現(xiàn)的相同的數(shù)字指代相同的部件。凸輪表面24a與凸輪表面28a毗連并且是面對面的。注意，驅動軸30a的端部37a與鉆頭盒子部件34a的成角度的內表面38a的接合位置確保了WOB從鉆柱到鉆頭盒子部件34a和鉆頭(此處未示出)的軸向傳遞。在圖3中，現(xiàn)在將描述處于脫離模式的第一實施方案的井下設備2的下殼體20a的局部剖視圖。在該模式下，如本領域普通技術人員很好理解的，設備2可以例如下鉆(run into the hole)或起鉆(pull out of the hole)。因此，錘22a的徑向凸輪表面24a不再接合砧座26a的徑向凸輪表面28a。注意驅動軸30a的端部37a相對于鉆頭盒子部件34a的成角度的內表面38a的位置。如前所述，鉆頭構件(在該視圖中未示出)通過普通的裝置(例如通過螺紋裝置)連接到鉆頭盒子部件34a。

現(xiàn)在參考圖4，現(xiàn)在將討論作為井底組件的一部分的第一實施方案的井下設備2的示意圖。第一實施方案的設備2包括大致在4處所見的動力心軸，該動力心軸可操作地附接到井下泥漿馬達“MM”的輸出。設備2還包括大致在6處所見的徑向軸承殼體單元。徑向軸承殼體單元6將可操作地附接到工作串組100，例如鉆桿或連續(xù)管。圖4中還示出了上軸承殼體10a，該上軸承殼體10a包括上徑向軸承12a、下徑向軸承14a、球16a和止推座圈18a。下殼體大致在20a處可見。如在圖4中所示，鉆頭102附接到設備2，其中鉆頭102將鉆出井筒，如本領域普通技術人員所容易理解的。

圖5和圖6示出了沒有彈簧裝置的設備2的實施方案?，F(xiàn)在參考圖5，示出了處于接合模式的第二實施方案的井下設備2的下殼體20b的局部剖視圖。圖5示出了錘質量體22b(有時稱作錘構件或錘)，其(例如，通過花鍵裝置)附接到彈簧鞍座和徑向軸承殼體單元(此處未示出)。錘質量體22b將具有徑向凸輪表面24b。錘質量體22b將與砧座26b接合，其中砧座26b具有包含徑向凸輪表面28b的第一端，其中在優(yōu)選的實施方案中，徑向凸輪表面28b和錘質量體22b的徑向凸輪表面24b互補且配合，如下文更全面陳述的。圖5還示出了驅動軸30b(其中驅動軸30b連接到動力心軸，此處未示出)。鍵32b(也稱作花鍵)允許驅動軸30b與鉆頭盒子部件34b的旋轉接合，同時還允許鉆頭盒子部件34b相對于驅動軸30b的橫向移動。砧座26b固定地連接到鉆頭盒子部件34b。

在圖6中，現(xiàn)在將描述處于脫離模式的第二實施方案的井下設備2的下殼體20b的局部剖視圖。在該模式下，如本領域普通技術人員很好理解的，設備2可以例如下鉆或起鉆。因此，錘質量體22b的徑向凸輪表面24b不再接合砧座26b的徑向凸輪表面28b。注意驅動軸30b的端部37b相對于鉆頭盒子部件34b的成角度的內表面38b的位置。如前面所提到的，鉆頭構件(例如通過螺紋裝置)連接到鉆頭盒子部件34b。

現(xiàn)在參考圖7A，其是砧座徑向凸輪構件的一個實施方案的透視圖。更具體地，圖7A示出了具有徑向凸輪表面28a的砧座26a，其中徑向凸輪表面28a包括傾斜部分50、水平(平坦)部分51和直立部分52。傾斜部分50可以稱作斜坡，其通往圖7A中所見的垂直直立部分52。圖7B是圖7A中所見的砧座徑向凸輪構件的俯視圖。在一個實施方案中，可以在徑向凸輪表面26a上設置多個斜坡(例如延伸至直立部分52的傾斜部分50、水平部分51)。

在圖8中，示出了錘徑向凸輪構件的一個實施方案的透視圖。更具體地，圖8示出了具有徑向凸輪表面24a的錘質量體22a。如前所述，徑向凸輪表面24a也具有傾斜部分54、水平(平坦)部分55和直立部分56，該傾斜部分54、水平(平坦)部分55和直立部分56與砧座徑向凸輪表面28a的傾斜部分和直立部分互補并配合。注意，圖7A、圖7B和圖8中所示的凸輪裝置與圖5和圖6中所圖示的設備2的第二實施方案的凸輪裝置將是相同的。

在圖9中示出了井筒自其延伸的鉆機104的示意圖。井下設備2大致上示出為附接到工作串組100，該工作串組100可以是鉆柱、連續(xù)管、不壓井管或其他的管狀物。鉆頭構件102已經鉆取了井筒106，如本領域普通技術人員很好理解的。根據(jù)本公開的教導，井下設備2可以用于通過使用錘22a/22b對砧座26a/26b的沖擊力的沖擊效應來，提高鉆井的鉆進速率，如前所述。在一個實施方案中，通過鉆頭構件102與儲層界面(例如在地下井筒中發(fā)現(xiàn)的儲集巖108)或其他界面(例如橋塞(bridge plugs))進行接觸，啟動井下錘。在一個實施方案中，鉆機可以同時鉆井和錘擊。根據(jù)本發(fā)明的教導，在彈簧(第一)實施方案中，當錘質量體撞擊砧座構件時，錘質量體將通過壓縮的彈簧的彈簧力加速，從而產生沖擊力。

現(xiàn)在參考圖10A、圖10B和圖10C，現(xiàn)在將討論在鉆井操作期間鉆壓(WOB)對時間的曲線圖。更具體地，根據(jù)本公開的教導，圖10A是靜態(tài)鉆壓對時間；圖10B是使用錘和砧座構件(即沖擊單元)的動態(tài)鉆壓對時間；和圖10C表示總鉆壓，其中沖擊力相對于靜態(tài)負載在圖像上疊加(即，求和)。如前所述，沖擊單元由砧座、錘、凸輪軸布置和彈簧組成。在圖10B和圖10C中所示的波形W表示沖擊單元在使用期間的振蕩的沖擊力。注意，在圖10C中，W1表示當錘質量體沖擊砧座時的力，并且W2表示當錘質量體不沖擊砧座時的力。必須注意，波形的大小和形狀可以根據(jù)彈簧、砧座、錘質量體和襯墊子部件的材料和設計而有所不同。

本公開的一個方面是，鉆柱的靜態(tài)重壓傳遞到鉆頭，該靜態(tài)重壓不同于由錘構件和砧座構件產生的沖擊力(動態(tài)鉆壓)。靜態(tài)鉆壓不通過包括凸輪表面(即凸輪軸布置)在內的錘構件和砧座構件傳遞。沖擊力通過錘和砧座但不通過凸輪軸布置傳遞到鉆頭。如果凸輪軸布置獨立于鉆壓的量接合，則沖擊單元將產生沖擊力。本公開的一個實施方案的另一個方面是，馬達的動力部分同時旋轉地驅動鉆頭并且軸向地驅動錘構件。在設備的殼體和內部驅動機構(包括動力心軸和驅動軸)之間不發(fā)生相對軸向移動，該內部驅動機構驅動鉆頭和沖擊單元。

一個實施方案的另一個方面是，砧座盡可能地靠近鉆頭定位；鉆頭盒和/或鉆頭可以用作砧座。一個實施方案的還有的另一個方面是，當鉆頭沒有遇到阻力時，兩個凸輪之間不經歷相互作用，且因此沒有沖擊運動。

圖11圖示了下殼體20c的可選的實施方案，其中彈簧鞍座40c圍繞驅動軸30c布置。彈簧裝置36c圍繞彈簧鞍座40c布置。彈簧裝置36c的一端毗連錘質量體22c并緊靠錘質量體22c作用，而彈簧裝置36c的另一端毗連襯墊子部件42c并緊靠襯墊子部件42c作用。砧座子部件150也圍繞驅動軸30c布置。砧座子部件150固定地連接到鉆頭盒子部件34c。鍵151可以旋轉地將鉆頭盒子部件34c鎖定到驅動軸30c，同時允許鉆頭盒子部件34c和砧座子部件150相對于驅動軸30c的軸向移動。滾動元件152可以布置在砧座子部件150的內部的局部空腔154中。該設備可以包括任意數(shù)量的滾動元件152。但是，滾動元件的數(shù)量不應超過徑向凸輪表面24c上的高點或斜坡部分的數(shù)量。在一個實施方案中，滾動元件152的數(shù)量可以等于徑向凸輪表面24c(下文更詳細地描述)上的高點的數(shù)量或斜坡部分的數(shù)量。滾動元件152可以沿著砧座子部件150和徑向凸輪表面24c的圓周均等地間隔開。在另一個實施方案中，局部空腔154可以在砧座子部件150的內壁中。砧座子部件150可以包括三個局部空腔154，其每個定尺寸成保持滾動元件152。砧座子部件150可以包括任意數(shù)量的局部空腔154用于容納滾動元件152。局部空腔154容納滾動元件152，同時允許滾動元件152在空腔內旋轉。滾動元件152可以是球形構件、細長的球形構件、圓柱形構件、其他凸構件或凹構件。在一個實施方案中，球形元件是不銹鋼球軸承或陶瓷球。耐磨環(huán)156可以鄰近局部空腔154和滾動元件152布置在砧座子部件150內。當砧座子部件150隨著驅動軸30c的旋轉而旋轉時，滾動元件152沿著錘質量體22c的徑向凸輪表面24c滾動，從而產生錘質量體22c相對于砧座子部件150的軸向位移，直到滾動元件152滾動到徑向凸輪表面24的直立部分，由于彈簧36c將錘質量體22c朝向砧座子部件150推壓而產生軸向沖擊。

圖12圖示了下殼體20c的另一個可選的實施方案，下殼體20c包括砧座子部件160。砧座子部件160可以固定地連接到鉆頭盒子部件34c，該鉆頭盒子部件34c旋轉地鎖定到驅動軸30c。滾動元件152可以布置在砧座子部件160的內壁中的局部空腔162中。砧座子部件160可以包括任意數(shù)量的局部空腔162用于容納滾動元件152。例如，砧座子部件160可以包括三個局部空腔162。砧座子部件160可以包括止推座圈164，該止推座圈164鄰近局部空腔162和滾動元件152。多個推力軸承166布置在止推座圈164和砧座子部件160的徑向肩部168之間。徑向肩部168可以包括凹槽，該凹槽配置為保持推力軸承166，例如球軸承。當滾動元件152沿著徑向凸輪表面24c的圓周滾動時，推力軸承166和止推座圈164相對于砧座子部件160旋轉。推力軸承166和止推座圈164有助于確保滾動元件152在錘質量體22c的徑向凸輪表面24c上滾動(而不是滑動)。

圖13圖示了下殼體20c的另外的實施方案，下殼體20c包括砧座子部件170。砧座子部件170可以固定地連接到鉆頭盒子部件34c，該鉆頭盒子部件34c旋轉地鎖定到驅動軸30c。砧座子部件170可以在其內壁中包括一個或更多個局部空腔172。內部殼體176布置在砧座子部件170內。內部殼體176可以包括橫向凹槽，該橫向凹槽定尺寸為與砧座子部件170的局部空腔172一起保持滾動元件152。以這種方式，砧座子部件170和內部殼體176可以牢固地保持滾動元件152。連接元件200將砧座子部件170鎖定到內部殼體176。連接元件200可以包括固定螺釘、銷、花鍵或鍵?？蛇x地，代替砧座子部件170中的局部空腔172和內部殼體176，可以單獨的罩構件放置在砧座子部件170內以保持滾動元件152。砧座子部件170還可以包括止推座圈178和布置在止推座圈178和砧座子部件170的徑向肩部之間的多個推力軸承180。圖13示出了錘質量體22c上的錘表面182和砧座子部件170上的砧座表面184。錘質量體22c也可以包括花鍵186，該花鍵186與彈簧鞍座40c上的花鍵配合以允許錘質量體22c軸向地移動同時防止錘質量體22c相對于彈簧鞍座40c旋轉。當砧座子部件150隨著驅動軸30c的旋轉而旋轉時，滾動元件152沿著錘質量體22c的徑向凸輪表面24c滾動，從而產生錘質量體22c相對于砧座子部件150的軸向位移，直到滾動元件152滾動到徑向凸輪表面24的直立部分，以通過錘表面182沖擊砧座表面184產生軸向沖擊。這種布置通過減少與滾動元件152和徑向凸輪表面24c上的沖擊力相關聯(lián)的磨損來增加設備的壽命。該設備可以包括用于使錘質量體22c對砧座子部件170的沖擊無效的機構，例如通過將彈簧36c從錘質量體22c脫離、通過將錘質量體22c的花鍵186脫離、或通過將錘質量體22c鎖定到砧座子部件170。

圖14是在圖13中所示的錘質量體22c和砧座子部件170的各個部件之間的相互作用的示意圖。錘質量體22c的徑向凸輪表面24c可以包括從低點189通向高點190的斜坡部分188，高點190鄰近直立部分192。這種輪廓圖案可以沿著徑向凸輪表面24c的圓周重復。當砧座子部件170隨著驅動軸30c的旋轉而旋轉時，滾動元件152以方向210沿著錘質量體的徑向凸輪表面24c滾動。具體地，滾動元件152可以沿著鞋面188滾動到高點190。該相互作用使錘質量體22c的錘表面182遠離砧座子部件170的砧座表面184軸向地移位。當滾動元件152滾動通過高點190時，滾動元件152可以與徑向凸輪表面24c脫離，并且由于彈簧36c的力，錘質量體22c可以被迫使軸向地壓向砧座子部件170。錘表面182沖擊砧座表面184，以為鉆井鉆頭提供沖擊力。圖14示出了在錘表面182和砧座表面184之間沖擊時的這些部件的構造。在沖擊時，由于在滾動元件152的直徑D2和(在止推座圈178和徑向凸輪表面24c的低點189之間的)距離D3之間的軸向間隙D1，滾動元件152可以不與徑向凸輪表面24c接觸。軸向間隙D1還可以減少滾動元件152和徑向凸輪表面24c上的磨損。圖14還示出了總的行程長度，即，錘質量體22c在連續(xù)的沖擊之間的軸向位移的長度。在可選的實施方案中，滾動元件容納在錘質量體內，并且砧座子部件包括徑向凸輪表面。

對于本領域技術人員將明顯的是，可以對所圖示的實施方案進行修改而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。就以上描述和附圖公開了不在以下權利要求的范圍內的任何主題而論，這些發(fā)明不意在奉獻給公眾，并且保留提交一個或多個申請以要求保護這種另外的發(fā)明的權利。