CN107075929B - 多激发启动系统 - Google Patents

Abstract

一种用于可定位在井筒中的井筒工具的启动组件包括外壳、联接到所述外壳的井筒工具以及可操作地联接到所述井筒工具的工具启动器。所述工具启动器包括第一固定连接圆盘和第二固定连接圆盘，所述第一固定连接圆盘和所述第二固定连接圆盘中的每个盘包括围绕所述盘的外圆周表面设置的多个径向突出的齿。所述盘围绕所述外壳的纵向轴线可旋转地安装。所述工具启动器还包括键构件，所述键构件具有可与所述第一盘和所述第二盘的所述齿接合的头部分。所述键构件位于所述外壳内，以使得所述盘响应于所述键构件的移动而旋转通过有限的角距离。

Description

多激发启动系统

技术领域

本公开涉及用于启动井筒工具的系统、组件和方法。

背景技术

与来自地球的烃类的回收有关，通常使用多种不同的方法和设备来钻探井筒。根据一种常用方法，将牙轮钻头或固定切削刃钻头抵靠地下地层旋转来形成井筒。旋转钻头通过管状钻柱悬挂在井筒中。钻井液被泵送通过钻柱并且在钻头处或钻头附近排出。除其他事项之外，钻井液有助于在钻井期间保持钻头的冷却和清洁。在许多系统中，各种井筒工具(例如，近钻头扩孔器和管下扩孔器)被并入在钻柱的下端处的井底总成(bottomholeassembly)中以有助于钻井操作。此类工具经常需要在井筒的井下环境中进行远程启动。

附图说明

图1是钻机的示意图，所述钻机包括配备有可由工具启动器展开的井筒工具的井底总成。

图2是包括可由工具启动器展开的扩孔器工具的部分井底总成的透视图。

图3是工具启动器的图。

图4A是图2的扩孔器组件的剖视图，其示出图3的将扩孔器工具保持在缩回位置的工具启动器。

图4B是图2的扩孔器组件的剖视图，其示出图3的将扩孔器工具释放到展开位置的工具启动器。

图5A-图5D是示出工具启动器的有限旋转的渐进图。

图6A-图6D是示出工具启动顺序的渐进图。

图7是示出根据图6A-图6D的启动顺序来操作工具启动器的协议的图。

具体实施方式

图1是用于钻探井筒12的示例性钻机10的图。钻机10包括由通常定位在地球表面18上的井架16所支撑的钻柱14。钻柱14从井架16延伸到井筒12中。在钻柱14的下端部分处的井底总成100包括井筒工具200(例如，扩孔器工具)和钻头19。还可包括但是已知示出有利于钻井操作的各种其他井筒工具。如下面参考图2所讨论，在此实例中，井筒工具200是扩孔器工具。钻头19可以是固定切削刃钻头、牙轮钻头或适合于钻探井筒的任何其他类型的钻头。钻头19可通过旋转整个钻柱14的地面设备来旋转并且/或者通过支撑在钻柱中的地下马达(通常称为“泥浆马达”)来旋转。

钻井液供应系统20包括一个或多个泥浆泵22(例如，双缸泵、三缸泵或六缸泵)，以使钻井液(通常称为“钻井泥浆”)强制向下流动通过钻柱14的内部流动通道(例如钻柱的中心孔)。钻井液供应系统20还可包括用于监测、调节和储存钻井液的各种其他部件。控制器24通过向系统的各个部件发出操作控制信号来操作流体供应系统20。例如，控制器24可通过发出建立泥浆泵22的速度、流速和/或压力的操作控制信号来指示泥浆泵22的操作。

在一些实现方式中，控制器24是包括存储单元的计算机系统，所述存储单元保存由处理器处理的数据和指令。所述处理器从存储单元接收程序指令和传感反馈数据、执行程序指令所要求的逻辑操作、并且产生用于操作流体供应系统20的命令信号。输入/输出单元将命令信号发送到流体供应系统的部件，并从遍布钻机10的各个传感器接收传感反馈。对应于传感反馈的数据被储存在存储单元中以便由处理器检索。在一些实例中，控制器24基于适用于来自遍布钻机的传感器的反馈数据的编程控制例程来自动地(或半自动地)操作流体供应系统20。在一些实例中，控制器基于由用户手动发出的命令来操作流体供应系统20。

钻井液通过钻头19或在钻头19附近从钻柱14排出以(例如，通过润滑和/或冷却钻头)辅助钻井操作，并且随后通过在井筒12与钻柱14之间形成的环26来朝向地面18返回。流动通过环26的改程的钻井液将切屑从井筒12的底部朝向地面18运送。在地面处，可从钻井液中去除切屑，并且钻井液可返回到流体供应系统20以便进一步使用。

在钻机10的前述描述中，可省略设备的各种物品(诸如管道、阀门、紧固件、配件等)以简化描述。然而，本领域技术人员将认识到，可根据需要采用这种常规设备。本领域技术人员将进一步理解，所述的各种部件被列举用于上下文说明目的并且不限制本公开的范围。此外，虽然钻机10被示出为有利于直的井下钻井的布置，但是应理解，定向钻井布置也是可预期的并且因此在本公开的范围内。

图2是位于钻柱14的下端处的部分井底总成100的透视图。如上所述，在此实现方式中，井底总成100配备有扩孔器工具200。扩孔器工具200包括联接到钻柱14的管状外壳202和围绕所述外壳周向分布的多个切割块204的布置。外壳202限定中心纵向轴线205。在此实例中，扩孔器工具200包括以120°的周向间隔定位的三个切割块204。当然，在不脱离本公开的范围的情况下，任何适合布置的切割块可用于各种其他实施方案和实现方式。

每个切割块204包括切割器元件206。切割器元件206可在缩回位置到展开位置之间移动。在缩回位置(未示出)中，切割器元件206退回到外壳202中。在展开位置(如图2所示)中，切割器元件206通过开口208从外壳202径向向外延伸以接合井筒壁。在一些实例中，切割器元件206被(例如，通过一个或多个线性弹簧)偏置，以朝向展开位置移动(见图4A和图4B)。在展开位置中，当扩孔器工具200通过钻柱14旋转时，切割器元件206磨损并切掉地层，从而扩大钻孔的直径。如下所述，旋转工具启动器被并入外壳202中，并且用于将切割器元件206调节到展开位置。

在此实例中，切割器元件206被示出为基本上圆形的切割块，其例如在展开位置中时抵靠井筒壁剪切。然而，合适的切割器元件可包括附加的或不同的部件和特征(例如，不同的形状)。作为一个实例，切割器元件可包括刀片，所述刀片具有附连到所述刀片上的单独的切割器(例如，PDC切割器镶件、金刚石镶件切割器、硬面金属镶件和/或其他)。在一些实例中，切割器元件附连到旋转盘和/或锥形件。

图3是可用于有助于扩孔器工具200从缩回位置到展开位置的操作的工具启动器300的图。为了清楚和讨论起见，工具启动器300以解构姿态示出并且在外壳202外示出。工具启动器300包括一对第一盘302a和第二盘302b、键构件304以及启动器销306。盘302a和302b彼此固定(例如，彼此整体形成或通过焊接或机械紧固系统而结合在一起)并且通过扭力弹簧303偏置以围绕扩孔器工具外壳202的中心纵向轴线205一起旋转。如下面将描述的，键构件304与盘302a和302b界面(接口)连接以防止旋转移动。然而，键构件304可按要求移动以释放盘302a和302b，以便旋转通过有限的角距离。

盘302a和302b中的每一个包括主体部分308，所述主体部分308具有用于将盘302a和302b安装在延伸穿过井底总成100的中心钻井液流管(未示出)上的中心开口310。盘302a和302b还具有多个径向突出的齿312。如图所示，齿312围绕盘302a和302b的外圆周表面313分布。如下所述，盘302a和302b中的每一个还包括用于接收启动器销306的销孔314。盘302a和302b以彼此相对于中心纵向轴线205的固定的同轴对准和平行平面对准的方式而彼此联接。盘302a和302b也被定向成使得盘的相应销孔314对准。

盘302a和302b的齿312彼此周向地偏移，从而形成一个盘的齿位于另一个盘的两个相邻齿之间的交替模式。齿312是楔形构件，所述楔形构件呈现用于与键构件304的配合部分接合的平面表面316。在此实例中，每个盘302a、302b的齿312的布置在形状、尺寸、数量和模式上基本上等同。然而，在不脱离本发明的范围的情况下可使用其他合适的配置。例如，可增加或减小一个或两个盘上的齿数，以响应于键构件的每次移动来改变盘的旋转的角距离。

键构件304包括轴部分318和头部分320。键构件304的头部分320与盘302a和302b的齿径向对准。也就是说，键构件304位于扩孔器工具外壳202中，以使得齿312和头部分320距离中心纵向轴线205大致相同的径向距离。键构件304的头部分320提供与齿312的平面接合表面316互补的平面表面322。在此实例中，键构件可在与第一位置和第二位置之间的纵向轴线205平行的方向(即，纵向方向)上移动。在第一位置中，头部分320仅可与第一盘302a的齿312接合。在第二位置中，头部分320仅可与第二盘302b的齿312接合。键构件304的轴部分318与线性弹簧324(例如，螺旋弹簧或盘式弹簧)界面连接。线性弹簧324将键构件304推向第一位置。因此，可通过施加足以克服线性弹簧324的弹簧力的力来实现键构件304从第一位置到第二位置的移动。可通过去除所施加的力来实现键构件304返回到第一位置的移动。

启动器销306可从停用位置(如图4A所示)移动到启动位置(如图4B所示)。在停用位置中，启动器销306抵靠第一盘302a的主体部分308支撑。在此实例中，启动器销306通过线性弹簧326被推动以接触第一盘302a。在启动位置中，启动器销306通过线性弹簧326被推动到盘302a和302b中的每一个中的销孔314中。如图4A和图4B所示并且如下面详细描述的，启动器销306联接到扩孔器工具200的切割器元件206，以使得当启动器销306处于停用位置时，切割器元件206缩回到外壳202中。当启动器销306处于启动位置时，切割器元件206从外壳202展开。

如下面详细描述的，盘302a和302b可通过使键构件304与相应的盘302a和302b的齿312交替地接合和脱离接合而释放的扭力弹簧303的力而反复旋转。盘302a和302b的反复旋转有助于启动器销306从停用位置移动到启动位置。具体地，盘302a和302b被反复地旋转直到销孔314与启动器销306对准。在一些实例中，键构件304响应于外壳202中的压力变化而在第一位置与第二位置之间移动。具体地，外壳202与周围环26之间的正压差可提供施加在键构件304的头部分320的表面321上的净液压力。外壳202中的压力变化可通过由泥浆泵22通过控制器24的操作而产生的钻井液的流速的变化而产生。然而，本公开不限于此。在不脱离本公开的范围的情况下，可采用增加或减小相对压力的任何合适的方法。例如，可使用落球法来控制相对压力。

由增加的流速(例如，当泥浆泵22被启动或在高流量设定下操作时)引起的相对压力的增加构成作用在键构件304的头部分320的表面321上的液压力，并且克服线性弹簧324的弹簧力以将键构件304从第一位置推向第二位置。相反，由减小的流速(例如，当泥浆泵22被停用或在低流量设定下操作时)引起的相对压力的减小减弱施加到键构件304的液压力，这允许线性弹簧324将键构件304朝向第一位置推回。

图4A和图4B是包括安装在扩孔器工具200的外壳202中的启动器工具300的井底总成100的剖视图。具体地，图4A和图4B分别示出处于停用位置和启动位置的启动器工具300的启动器销306。在此实例中，盘302a和302b整体形成为一体结构(与图3所示的解构姿态相反)。如图4A所示，当启动器销306处于停用位置(通过弹簧326抵靠第一盘302a支撑)时，启动器销306的细长轴328突出到在切割器元件206的主体中形成的狭槽210中。在启动器销306被接收在狭槽210中的情况下，切割器元件206被保持在退回到扩孔器工具200的外壳202中的缩回位置。在停用位置中，启动器销306对抗由弹簧212提供的偏置力将切割器元件206保持在适当位置，所述弹簧212将切割器元件206朝向展开位置径向向外推动。如图4B所示，当启动器销306被移动到启动位置时(即，在启动器销306通过弹簧326被推入盘302a和302b的销孔314中的情况下)，启动器销306被从狭槽210中移除，并且切割器元件206被允许响应于弹簧212的偏置力而移动到展开位置。

图5A-图5D是示出盘302a和302b的有限旋转的工具启动器300的渐进图。在图5A中，键构件304处于第一位置中，其中头部分320接合第一盘302a的齿312。在齿312由键构件304接合的情况下，防止弹簧偏置的盘302a和302b旋转。在图5B中，键构件304被移动到第二位置，从而使头部分320与第一盘302a的齿312脱离接合。因为第一盘302a和第二盘302b的齿312彼此偏移，所以在此处键构件304从第一位置到第二位置的移动使键构件304与所述盘完全分开。因此，盘302a和302b被释放并且被允许在扭力弹簧303的推动下在方向350上旋转。图5C示出键构件304通过与第二盘302b的齿312接合来限制盘302a和302b的旋转。

在图5D中，键构件304被移动回第一位置，从而使头部分320与第二盘302b的齿312脱离接合。再次，盘302a和302b与键构件304分开，并且因此被允许旋转通过有限的角距离，直到键构件304的头部分320与第一盘302a的齿312会和。在此实例中，盘302a和302b的齿被布置成允许在键构件304在第一位置与第二位置之间的每次移动的情况下旋转通过大约三十度的角距离的模式。然而，如以上所建议，可使用具有更紧密间隔的齿的配置来降低旋转量(例如，降至二十度、十度或更小)。相反，可使用具有间距更远的更少的齿的配置来增加旋转量(例如，增至四十度、五十度或更大)。

图6A-图6D是示出经历多阶段工具启动顺序的工具启动器300的渐进图。如上所述，当启动器销306被推动穿过销孔314进入启动位置时，实现扩孔器工具的切割器元件206的启动。图6A示出处于初始阶段的工具启动器300，其中启动器销306处于停用位置，并且与旋转盘302a和302b的销孔314呈一百八十度定位。在图6B所示的第一阶段处，键构件304已在第一位置与第二位置之间移动通过键构件304的第一周期，以使盘302a和302b旋转通过六十度。在图6C所示的第二阶段处，键构件304构件已移动通过键构件304的第二周期，从而允许盘302a和302b旋转通过九十度。在图6D所示的第三阶段处，键构件304已移动通过第三周期，从而允许盘302a和302b旋转通过一百八十度。在盘302a和302b旋转一百八十度时，销孔314就会与启动器销306对准。启动器销306通过线性弹簧326(未示出)被推动穿过销孔314，以将启动器销置于启动位置。

图7是示出通过用于根据图6A-图6D示出的启动顺序操作工具启动器300的控制器24实现的协议的图400。具体地，图400示出控制器24如何能将泥浆泵22从开(ON)到关(OFF)并且从关(OFF)到开(ON)来进行循环，以通过多阶段启动顺序来推进工具启动器300。在一个方面，图400示出通过启动泥浆泵22而产生的高流速如何在外壳202中产生大于触发压力的相对压力。触发压力对应于提供作用在键构件304上的液压力所需的相对压力，所述相对压力足以克服线性弹簧324的弹簧力，以便将键构件304从第一位置驱动到第二位置。当通过停用泥浆泵22来实现低流速时，所述相对压力降低到触发压力以下，并且线性弹簧324的弹簧力将键构件304驱动返回第一位置。如上所述，键构件304的这种周期引起盘302a和302b通过旋转通过有限的角距离(例如，三十度)的离散阶段来推进预定的角距离(例如，一百八十度)。这种多阶段启动顺序的一个明显优点是可避免井筒工具的意外启动。例如，在本文中，通过需要通过触发压力来实现启动的至少三个压力周期来避免通过钻柱14中的意外的压力尖峰而引起扩孔器工具200的过早启动。

已经描述了本发明的若干实施方案。尽管如此，应理解可在不脱离以下权利要求的精神和范围的情况下作出各种修改。例如，虽然已参考扩孔器工具示出和描述工具启动器。可使用本文描述的技术来启动各种其他类型的井筒工具。此外，虽然上述实例并入用于提供对键构件和启动销的偏置力的常规线性弹簧(例如，螺旋弹簧或盘式弹簧)，但是也可使用其他合适的偏置构件(例如，气体弹簧或磁性弹簧)。此外，虽然上述实例描述用于有助于展开井下工具(例如，扩孔器)的启动工具，但是也可预期启动工具还可被设计来有助于井下工具的缩回。此外，虽然上面讨论的实例涉及用于控制井筒工具的启动器销，但是也可预期其他配置。例如，启动器销的功能可通过用于致动铰接的一组切割臂的滑动传输元件来执行。

Claims (20)

1.一种用于可定位在井筒中的井筒工具的启动组件，所述组件包括：

外壳，所述外壳包括内部流动通道；

井筒工具，所述井筒工具联接到所述外壳；以及

工具启动器，所述工具启动器可操作地联接到所述井筒工具并且位于所述外壳的所述内部流动通道内，所述工具启动器包括：

第一固定连接圆盘和第二固定连接圆盘，每个盘包括围绕所述盘的外圆周表面设置的多个径向突出的齿，所述盘围绕所述外壳的纵向轴线可旋转地安装；以及

键构件，所述键构件包括头部分，所述键构件位于所述内部流动通道内，以使得所述盘响应于所述键构件在第一位置与第二位置之间的移动而旋转通过有限的角距离，在所述第一位置处所述键构件的所述头部分能与所述第一固定连接圆盘的所述齿接合，在所述第二位置处所述键构件的所述头部分能与所述第二固定连接圆盘的所述齿接合。

2.如权利要求1所述的组件，其中所述第一固定连接圆盘的所述齿与所述第二固定连接圆盘的所述齿沿着所述纵向轴线间隔开，并且其中所述键构件在所述第一位置与所述第二位置之间的移动包括纵向移动。

3.如权利要求1所述的组件，其中所述键构件的所述头部分包括与所述盘的所述齿中的每个齿的平面表面互补的平面表面。

4.如权利要求1所述的组件，其中所述第一固定连接圆盘的所述齿与所述第二固定连接圆盘的所述齿周向偏移。

5.如权利要求1所述的组件，其中所述盘整体形成为一体结构。

6.如权利要求1所述的组件，其还包括利用弹簧力推动所述盘旋转的扭力弹簧。

7.如权利要求1所述的组件，其还包括利用线性力将所述键构件推向所述第一位置的偏置构件。

8.如权利要求1所述的组件，其中所述有限的角距离包括大约30度。

9.如权利要求1所述的组件，其中所述外壳的所述内部流动通道被流体地联接到泵，所述泵当在低流量设定与高流量设定之间循环以引起所述内部流动通道内的压力变化时在所述泵中提供钻井液的流动，并且其中所述压力变化推动所述键构件在所述第一位置与所述第二位置之间移动。

10.如权利要求1所述的组件，其中所述工具启动器还包括将所述井筒工具联接到所述盘的启动器销，所述启动器销能响应于所述盘旋转通过预定的角距离而从停用位置移动到启动位置，在所述停用位置处所述井筒工具缩回到所述外壳内，在所述启动位置处所述井筒工具从所述外壳径向向外展开。

11.如权利要求10所述的组件，其中所述预定的角距离包括大约180度。

12.如权利要求10所述的组件，其中所述启动器销在所述停用位置中抵靠在所述第一固定连接圆盘上。

13.如权利要求10所述的组件，其中至少所述第一固定连接圆盘包括在所述启动位置中接收所述启动器销的销孔。

14.如权利要求1所述的组件，其中联接到所述外壳的所述井筒工具包括位于所述外壳中的可伸展扩孔器。

15.一种用于启动井筒工具的方法，所述方法包括：

使钻井液流动通过联接到井筒中的钻柱的井底总成，所述井底总成包括启动组件，所述启动组件包括：

第一固定连接圆盘和第二固定连接圆盘，每个盘包括围绕所述盘的外圆周表面设置的多个径向突出的齿，所述盘围绕外壳的纵向轴线可旋转地安装；以及

可移动键构件，所述可移动键构件包括头部分；

在所述键构件的第一位置处将所述键构件的所述头部分与所述第一固定连接圆盘的齿接合以防止所述盘旋转；以及

将所述键构件从所述第一位置移动到第二位置以使所述盘旋转通过有限的角距离；以及

在所述键构件的所述第二位置处将所述键构件的所述头部分与所述第二固定连接圆盘的齿接合以防止所述盘旋转。

16.如权利要求15所述的方法，其中移动所述键构件包括使所述键构件在所述第一位置与所述第二位置之间循环，以使所述盘旋转通过预定的角距离来启动所述井筒工具。

17.如权利要求15所述的方法，其中将所述键构件从所述第一位置移动到所述第二位置包括将所述键构件平行于所述纵向轴线移动。

18.如权利要求15所述的方法，其中移动所述键构件包括增加所述钻井液的流速以通过液压力来将所述键构件推向所述第二位置。

19.如权利要求15所述的方法，其中所述启动组件还包括启动器销，所述启动器销将所述井筒工具联接到所述盘，并且其中所述方法还包括通过所述键构件在所述第一位置与所述第二位置之间的交替移动来使所述盘反复地旋转通过预定的角距离，以将启动器销从停用位置调整到启动位置，在所述停用位置中所述井筒工具缩回到所述井筒工具的外壳内，在所述启动位置中所述井筒工具从所述外壳径向向外展开。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述井筒工具包括扩孔器工具，并且其中将所述启动器销调节到所述启动位置引起所述井筒工具的切割器元件接合井筒壁。