井下流體流轉向的製作方法

2023-09-23 16:41:10

本發明涉及用於使井下鑽探環境中的流體流選擇性轉向的系統、組件和方法。

發明背景

對於地下的烴的發現，通常使用各種不同的方法和設備來鑽探井孔。根據一種常見方法，用牙輪鑽頭或固定切削刃對著地面下地層旋轉以形成井孔。旋轉鑽尖通過管狀鑽柱來懸掛在井孔中。鑽井液通過鑽柱來泵運並且在鑽尖處或其附近排放以輔助鑽孔操作。在一些系統中，流過鑽柱的鑽井液流通過使主流的一部分轉向並從所述鑽柱排放轉向部分來改變。

附圖簡述

圖1是包括配備有流動轉向器組件的井底鑽具組件的鑽機的示意圖。

圖2A是特徵為第一流動轉向器組件處於關閉位置的井底鑽具組件的截面側視圖。

圖2B是特徵為第一流動轉向器組件處於打開位置的井底鑽具組件的截面側視圖。

圖2C是圖2A中標記為2C-2C的區域的放大圖。

圖2D是圖2B中標記為2D-2D的區域的放大圖。

圖3A是第一流動轉向器組件的桶形凸輪的側視圖。

圖3B是示出用於操作第一流動轉向器組件的方案的圖。

圖4A是特徵為第二流動轉向器組件處於關閉位置的井底鑽具組件的截面側視圖。

圖4B是特徵為第二流動轉向器組件處於打開位置的井底鑽具組件的截面側視圖。

圖5A是第二流動轉向器組件的桶形凸輪的側視圖。

圖5B是示出用於操作第二流動轉向器組件的方案的圖。

具體實施方式

圖1是用於鑽探井孔12的示例鑽機10的圖。鑽機10包括由通常定位在地表面18上的井架16支撐的鑽柱14。鑽柱14從井架16延伸到井孔12中。位於鑽柱14的下端部分處的井底鑽具組件100包括鑽頭19和所述鑽頭井上方處用於促進鑽探操作的各種其他工具(未示出)。鑽頭19可以是固定切削刃、牙柱鑽頭或適合於鑽探井孔的任何其他類型的鑽尖。鑽頭19可以通過使整個鑽柱14旋轉的地面設備和/或通過支撐在鑽柱中的地下電機(經常被稱為「泥漿電機」)來旋轉。

鑽井液供應系統20包括一個或多個泥泵22(例如，雙向泵、三向泵或六向泵)，所述一個或多個泥泵22用於強制使鑽井液(經常被稱為「鑽井泥漿」)向下流過鑽柱14的流動通道(例如，鑽柱的中心孔)。鑽井液供應系統20還可以包括用於監測、調節和存儲鑽井液的各種其他部件。控制器24通過向系統的各種部件發出操作控制信號來操作流體供應系統20。例如，控制器24可以通過發出確立泥泵22的速度、流速和/或壓力的操作控制信號來指示泥泵22的操作。

控制器24是計算機系統，所述計算機系統包括保存數據和用於由處理器處理的指令的存儲器單元。處理器從存儲器單元接收程序指令和感測反饋數據、執行由程序指令調用的邏輯操作並且產生命令信號以用於操作流體供應系統20。輸入/輸出單元向流體供應系統的部件傳輸命令信號並且從分布在整個鑽機10中的各種傳感器接收感測反饋。對應於感測反饋的數據存儲在存儲器單元中以供處理器檢索。在一些實例中，控制器24基於針對來自整個鑽機中的傳感器的反饋數據應用的程序控制例程來自動(或半自動)操作流體供應系統20。在一些實例中，控制器基於由用戶手動發出的命令來操作流體供應系統20。

鑽井液從鑽柱14排放穿過鑽頭19或在其附近排放以(例如，通過潤滑和/或冷卻鑽頭)輔助鑽探操作，並且之後通過形成在井孔12與鑽柱14之間的環空26來往回朝向地面18輸送。從井孔12的底部穿過環空26朝向地面18流動的再次輸送的鑽井液攜帶切屑。在地面處，可以將切屑從鑽井液中去除，並且鑽井液可以返回至流體供應系統20以供後續使用。

在前文對鑽機10的描述中，為了簡化描述，可能已經省略了各項設備，諸如管道、閥門、緊固件、裝配件等。然而，本領域技術人員將認識到可以根據需要採用這類常規設備。本領域技術人員將進一步了解到，所描述的各種部件出於上下文目的被敘述為是說明性的，並且不限制本公開的範圍。另外，雖然以有助於直線井下鑽探的布置示出了鑽機10，但是將了解到，還涵蓋方向性鑽探布置並且因此所述方向性鑽探布置處在本公開的範圍內。

圖2A和圖2B是可以例如結合在圖1中所描畫的鑽機10中的第一示例井底鑽具組件100的截面側視圖。如圖所示，井底鑽具組件100包括細長殼體102，所述細長殼體102支撐第一流動轉向器組件104在其中心通道或中心孔106中的各種部件。流動轉向器組件104的特徵為閥門活塞108和桶形凸輪110沿殼體102的縱向軸線112同軸布置。如下文將進一步描述，閥門活塞108耦接至閥門主體130，並且致動閥門主體130以隨著閥門活塞108軸向移動穿過孔106而選擇性地排放流體。桶形凸輪110是耦接至閥門活塞108的可旋轉構件。桶形凸輪110具有周向布置的軌跡路徑，所述周向布置的軌跡路徑與凸輪從動件接合以控制閥門活塞108的運動。閥門活塞108和桶形凸輪110各自具有中心流動通道，以便於允許流體1流過殼體的孔106，從而基本上不受阻礙地穿過流動轉向器組件104。流動轉向器組件104的各種部件的這種非限制性設計還允許投球和其他物體基本上不受阻礙地穿過流動轉向器組件。

閥門活塞108可沿縱向軸線112在上部位置(圖2A所示)與下部位置(圖2B所示)之間軸向移動。這種運動將參考圖2C和圖2D來進一步詳細說明和描述。偏置構件114在軸向上位於閥門活塞108的徑向肩部116與安裝至殼體102的固定凸緣118之間。因此，偏置構件114以預定彈簧力將閥門活塞108推向殼體102中的上部位置。雖然在這個實例中被描畫為相對於殼體102同軸布置的螺旋彈簧，但是本公開並不限於此。在不脫離本公開的範圍的情況下，其他合適類型的彈簧(例如，盤形彈簧)和彈性構件都可以用作偏置構件。

閥門活塞108響應於殼體的孔106中的壓力變化而移動。具體而言，殼體的孔106與環空26之間的壓力差提供向下作用在閥門活塞108的徑向肩部116上的淨液壓壓力。因此，閥門活塞108包括一系列徑向開口117，所述徑向開口117用於使肩部116的上側暴露於鑽井液(參見圖2C和圖2D)。徑向肩部116的遠端邊緣密封地接合殼體102的周壁以防止鑽井液進入肩部116下側支撐偏置構件114的空間。殼體102的孔106中的壓力變化可能是由鑽井液的流速和壓力的變化引起的(流速和壓力的變化可以由控制器24操作泥泵22來實現)。然而，本公開並不限於此。在不脫離本公開的範圍的情況下，可以採用任何合適的增大或減小孔-壓的方法。例如，投球法可以用於控制孔-壓。

由增大的流速(例如，在啟動泥泵22時)引起的壓力的增加產生液壓力，所述液壓力克服偏置構件114的向上的彈簧力並且在向下方向上推動閥門活塞108。相反，由減小的流速(例如，在停用泥泵22時)引起的壓力的下降使液壓力減弱，這允許偏置構件114往回朝向上部位置推動閥門活塞108。

下文結合圖3A進一步論述的桶形凸輪110在殼體102中位於閥門活塞108下方。相對的推力軸承120支持桶形凸輪110沿殼體的縱向軸線112旋轉。桶形凸輪110通過在兩個部件之間延伸的細長耦接器122連接至閥門活塞108。閥門活塞108與桶形凸輪110之間的連接允許閥門活塞108響應於流體的壓力變化而軸向驅動桶形凸輪110。桶形凸輪110相對於角運動保持與閥門活塞108分離。也就是說，桶形凸輪110被安裝成相對於閥門活塞108軸向移動，而獨立於閥門活塞108來有角度地移動(即，旋轉)。如下文參考圖3A和圖3B所論述，桶形凸輪110以凸輪-從動件相互作用的方式接合固定銷128，所述固定銷128從殼體102的內壁徑向向內突出以沿軌跡路徑在某些點處限制閥門活塞108的軸向運動。

閥門活塞108致動閥門主體130使其可隨著閥門活塞108的移動而在打開狀態與關閉狀態之間調節。具體而言，閥門主體130被設計成在閥門活塞108處於下部位置(參見圖2B)時採取打開狀態，並且在閥門活塞108處於上部位置(參見圖2A)時採取關閉狀態。下文詳細描述了閥門主體130的示例結構。在閥門主體130處於打開狀態的情況下，流體流1中流過殼體102的孔106的一部分通過打開的閥門主體130轉向並且通過排放口131從殼體102離開，所述排放口131將殼體的孔106連接至殼體102外部的流動路徑(例如，井孔12的環空26)。在閥門主體130處於關閉位置的情況下，流體排放被阻止，並且所述孔中的流體流1保持完整，同時流過孔106。

參考圖2C和圖2D，在這個實例中，閥門主體130包括密封構件132，所述密封構件132與同閥門活塞108一體成型的位於徑向肩部116上方的閥塞134一起合作。如圖所示，密封構件132是安裝在殼體的孔106的上部附近的固定位置中的圓柱形結構。密封構件132的中心孔被設定尺寸來接收閥塞134，以使得閥塞134在閥門活塞108在上部位置與下部位置之間移動時平移穿過密封構件132的所述孔。密封構件132包括密封特徵結構136，所述密封特徵結構136被設計成與閥塞134一起合作。如圖2C所示，在閥門活塞108處於圖2A的上部位置時，閥塞134接合密封特徵結構136以防止流體流過環形排出口138。如圖2D所示，在閥門活塞108處於圖2B的下部位置時，閥塞134與密封特徵結構136脫離，從而允許流體通過環形排出口138朝向排放口131逃逸。

圖3A是桶形凸輪110的部分側視圖。參考圖3A和圖2A，桶形凸輪110是可旋轉構件，所述可旋轉構件具有由凸輪從動件諸如固定銷128追隨的周向布置的軌跡路徑。在這個實例中，桶形凸輪110的外表面137包括用於接收固定銷128的狹槽139。狹槽139產生由固定銷128在閥門活塞108軸向驅動桶形凸輪110時穿越的軌跡路徑。如圖所示，狹槽139的軌跡路徑是循環(重複)圖案。以下描述提出了在銷128穿越軌跡路徑時由固定銷128佔據的四個具體位置(P1-P4)。然而，本公開並不限於本文論述的實例。也就是說，所述系統可以根據對於本領域技術人員而言將會顯而易見的各種其他順序來操作。

在固定銷128處於位置P1的情況下，閥門主體130處於打開狀態，因為閥門活塞108處於下部位置。為了到達位置P1，閥門活塞108連同桶形凸輪110因在高流量設定下操作泥泵22引起的殼體的孔106中的高壓而通過液壓力向下移動到下部位置中。此時，停用泥泵22(或僅將所述泥泵22調節至適當的低流量設定)，這會引起殼體102的孔中的壓力下降。液壓壓力的減小允許偏置構件114朝向上部位置「拉動」閥門活塞108，這會使桶形凸輪110相對於固定銷128向上移動。桶形凸輪110的這種向上運動會使固定銷128沿從位置P1至位置P2的軌跡路徑移動至下部位置。桶形凸輪110從位置P1至位置P2的軸向向上運動表示閥門活塞108從下部位置至上部位置的運動-閥門活塞108的全衝程。因此，在位置P2，即閥門活塞108的上部位置處，閥門主體130處於關閉狀態。

在重新啟動泥泵22來恢復高流量狀態時，閥門活塞108被下推。由於閥門活塞108支承在桶形凸輪110上，固定銷128在狹槽139中穿越從位置P2至P3的向上成角度的路徑。銷128與成角度的狹槽路徑之間的相互作用引起桶形凸輪110的輕微旋轉，並且提供死端來防止桶形凸輪110以及因此閥門活塞108的進一步向下運動。因此，將防止閥門活塞108穿越從上部位置至下部位置的整個軸向衝程。在這種情況下，閥門活塞108的向下移動並不足以打開閥門主體130；因此閥門主體130保持處於關閉狀態。當再次停用泥泵22時，將相對於固定銷128向上拉動桶形凸輪110(如上所述歸因於偏置構件114對閥門活塞108和桶形凸輪110的拉動)，直到銷128到達位置P4為止。由於閥門活塞108移回到上部位置，閥門主體130保持處於關閉狀態。當再一次重新啟動泥泵22時，桶形凸輪110被下推，直到所述銷到達位置P1為止。從P4至P1的軸向運動允許閥門活塞執行從上部位置至下部位置的全衝程，從而將閥門主體130調節至打開狀態。可以從位置P1重複所述循環。

圖3B是示出由控制器24實現來如上文參考圖3A所述操作流動轉向器組件104的命令方案的圖140。具體而言，圖140示出控制器24如何能夠使泥泵22從打開循環至關閉或從關閉循環至打開來改變閥門主體130的狀態。一方面，圖140示出通過啟動泥泵22產生的高流速如何在殼體102的孔106中產生大於克服偏置構件114的彈簧力所需的最小壓力的壓力。在閥門主體130打開時，由高流速引起的壓力小於閥門主體130關閉時的高流速壓力。在一些實例中，控制器24監測這個壓降信號來確定閥門主體130是處於打開狀態還是處於關閉狀態。

圖4A和圖4B是可以例如結合在圖1中所描畫的鑽機10中的第二示例井底鑽具組件200的截面側視圖。第二示例井底鑽具組件200與前述實例相似，包括細長殼體202，所述細長殼體202支撐第一流動轉向器組件204在其孔206中的各種部件。流動轉向器組件204的特徵為閥門活塞208和桶形凸輪210沿殼體202的縱向軸線212同軸布置。閥門活塞208和桶形凸輪210合作來如上所述在打開狀態與關閉狀態之間調節閥門主體230。

在這個實例中，採用限流器250來阻滯閥門活塞208和桶形凸輪210的向下運動。如圖所示，限流器250位於由殼體202的內表面與流動轉向器組件204的各種部件的外表面(例如，閥門活塞208和桶形凸輪210的外表面)之間的環空限定的控制流體腔室252中。具體而言，限流器250結合在支撐閥門活塞208的偏置構件214的凸緣218中。控制流體腔室252通過閥門活塞的徑向肩部216之間的密封接合而與上端處的鑽井液流密封隔離。限流器250將控制流體腔室252分為多個鄰近隔室，並且因閥門活塞208移動產生阻尼效應而將控制流體(例如，油)流限制在隔室之間。如下所述，閥門活塞208和桶形凸輪210的阻滯運動允許啟動鎖定系統260，從而防止進一步向下運動並且因此將閥門主體230「鎖定」在其當前的打開/關閉狀態。

在這個實例中，鎖定系統260的特徵為鎖定活塞262與閥門活塞208相反地定向。因此，鎖定活塞262被偏置構件264下推，並且被由鑽井液1流產生的液壓壓力上推。如圖4B所示，在啟動泥泵22來產生液壓壓力的情況下，鎖定活塞262向上移動以與細長耦接器222的遠端匯合，從而接合所述耦接器以便於防止閥門活塞208和桶形凸輪210的進一步向下運動。鎖定活塞262的偏置構件264提供相較於閥門活塞208的偏置構件114明顯增大的有待由液壓壓力克服的彈簧力。換言之，閥門活塞208能夠以泥泵流速朝向下部位置移動，所述泥泵流速不足以使鎖定活塞262對著偏置構件264移動。

圖5A是示出由狹槽239產生的連續軌跡路徑的桶形凸輪210的側視圖。以下描述提出了在銷228穿越軌跡路徑時由固定銷228佔據的六個具體位置(P1-P6)。然而，本公開並不限於本文論述的實例。也就是說，所述系統可以根據對於本領域技術人員而言將會顯而易見的各種其他順序來操作。

位置P1與P2之間的運動基本上與前述實例相同，例外的是這個實例涉及獨立於閥門活塞208引起桶形凸輪210的輕微旋轉的成角度的路徑。如上所述，在固定銷228處於位置P1的情況下，閥門主體230處於打開狀態，因為閥門活塞208處於下部位置。為了到達位置P1，閥門活塞208連同桶形凸輪210因在高流量設定下操作泥泵22引起的殼體的孔206中的高壓而通過液壓力向下移動到下部位置中。此時，停用泥泵22(或僅將所述泥泵22調節至適當的低流量設定)，這會引起殼體202的孔中的壓力下降，從而允許偏置構件214在整個全衝程內將閥門活塞208拉至上部位置，進而使桶形凸輪210相對於固定銷228對應地向上移動。桶形凸輪210的這種向上運動會使固定銷228沿從位置P1至位置P2的軌跡路徑移動至下部位置。因此，在位置P2，即閥門活塞208的上部位置處，閥門主體230處於關閉狀態。

在重新啟動泥泵22來恢復高流量狀態時，閥門活塞208被下推。由於閥門活塞208支承在桶形凸輪210上，固定銷228在狹槽239中穿越從位置P2至P3的向上成角度的路徑。限流器250阻滯閥門活塞208和桶形凸輪210的向下運動，這允許鎖定活塞262向上移動來接合耦接器222以在固定銷228處於位置P3的情況下將桶形凸輪210和閥門活塞208懸掛在適當的位置上。由於桶形凸輪210在位置P3上被懸掛，閥門活塞208被防止穿越全衝程到達下部位置。在這種情況下，閥門活塞208的向下移動並不足以打開閥門主體230；因此閥門主體230保持處於關閉狀態。在啟動鎖定活塞262的情況下，在高流速下開關循環泥泵22會使桶形凸輪210和閥門活塞208在位置P2與P3之間循環(如圖240所示)。

為了前進經過位置P3，必須停用泥泵22，從而使鎖定活塞262與耦接器222脫離，並且之後以預定指數流速重新啟動。指數流速產生足夠的液壓壓力來克服閥門活塞的偏置構件214而不是鎖定活塞的偏置構件264的彈簧力。這種狀態允許閥門活塞208和桶形凸輪210在不會遭遇鎖定活塞262的情況下在整個全衝程內向下移動至位置P4，以使閥門主體230處於打開狀態。

當再次停用泥泵22時，桶形凸輪210相對於固定銷228被上拉，直到所述銷228到達位置P5為止。應注意到，從位置P4至P5的路徑達不到閥門活塞208的全衝程，從而使閥門主體230處於打開位置。當在高流量設定下再一次重新啟動泥泵22時，桶形凸輪210被閥門活塞208下推，直到固定銷228到達進一步向下運動被鎖定活塞262阻止的位置P6為止。因此，閥門主體230現鎖定在打開位置。在啟動鎖定活塞262的情況下，在高流速下開關循環泥泵22會使桶形凸輪210和閥門活塞208在位置P5與P6之間循環(如圖240所示)。

為了前進經過位置P6，必須停用泥泵22，從而使鎖定活塞262與耦接器222脫離，並且之後以預定指數流速重新啟動。這種狀態允許閥門活塞208和桶形凸輪210在不會遭遇鎖定活塞262的情況下向下移回至下部位置。閥門主體230在從P6至P1的整個運動過程中保持處於打開位置。然而，在位置P1處，閥門主體230被解鎖並且可以自由地移動至位置P2處的關閉狀態。

圖5B是示出由控制器24實現來如上文參考圖5A所述操作流動轉向器組件204的命令方案的圖240。具體而言，圖240示出控制器24如何能夠在不改變閥門主體230的狀態的情況下使用高流速(即，產生大於啟動鎖定活塞所需的「鎖定壓力」的液壓壓力的流速)來使泥泵22從打開循環至關閉或從關閉循環至打開。這在需要周期性更換井底鑽具組件的其他部件的情況下可能是有利的，因為可以在各種起動和停止的過程中保留所述系統的流動轉向特徵。圖240還示出控制器24如何能夠使用預定指數流速來使泥泵22從打開循環至關閉並且從關閉循環至打開以改變閥門主體230的狀態。

術語諸如「上部」、「下部」、「上方」和「下方」在整個說明書和權利要求書中的使用是用於描述所述系統的各種部件和本文描述的其他元件的相對位置。除非另外明確說明，否則這類術語的使用並不暗示所述系統或任何其他部件相對於地球重力方向、或地球地面、或系統的其他元件在操作、製造和運輸過程中可以放置的其他特定位置或取向的特定位置或取向。

已經描述了本發明的多個實施方案。然而，將理解，在不脫離以下權利要求的精神和範圍的情況下可以進行各種修改。