專利名稱：鉆柱扭轉(zhuǎn)能量控制組件和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及鉆探石油、天然氣等井眼。更具體地說，本發(fā)明涉及可操作用來將上下鉆柱部分快速連接和脫開以通過防止鉆頭振蕩來大大提高鉆探性能的組件和方法。
背景技術(shù)：
能源業(yè)專家認(rèn)為滑動粘附是現(xiàn)代石油和天然氣鉆井的一個最大問題。其它工業(yè)技術(shù)專家認(rèn)為軸向鉆頭振動和/或鉆頭跳動構(gòu)成了在石油和天然氣鉆井中的最顯著的問題。根據(jù)有本發(fā)明人對這些問題的研究，這些研究包括作為本發(fā)明一部分的對這些問題的理解，如后面所述一樣已經(jīng)以計算機(jī)模擬的方式推斷并且闡明了這兩個問題是密切相關(guān)的，并且實際上兩者都與鉆柱扭轉(zhuǎn)振動或振蕩直接等同。
無論何時鉆頭轉(zhuǎn)動以鉆入到巖層中，鉆柱都具有扭轉(zhuǎn)繞緊或扭轉(zhuǎn)勢能，就如在向扭轉(zhuǎn)彈簧施加扭矩時其所具有的勢能一樣。在鉆探時，最理想的是這個扭轉(zhuǎn)繞緊或勢能為基于鉆柱的扭轉(zhuǎn)常數(shù)的恒定數(shù)值，而不是變化的或振蕩的量。鉆管直徑和井深在確定鉆柱扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)中是重要的參數(shù)。
所出現(xiàn)的繞緊基本上存儲了彈性勢能。鉆柱扭轉(zhuǎn)能量可以隨著鉆頭重量、鉆井摩擦或切削條件變化，由此將或多或少的繞緊引入到該鉆柱中。鉆頭速度隨著扭矩增大而按比例降低。如果扭矩增大至足夠大，則鉆頭完全停止轉(zhuǎn)動。但是，由于轉(zhuǎn)動動力仍然施加在用于鉆井的鉆柱上，所以該鉆柱繼續(xù)繞緊(不斷增大彈性勢能)。在該繞緊(所存儲的彈性勢能)大得足以克服使鉆頭停止的扭矩的增大時，所存儲的勢能變?yōu)槭广@柱、BHA和鉆頭加速的動能。鉆柱、BHA和鉆頭迅速加速，并且由于所存儲的彈性勢能目前比在初始轉(zhuǎn)矩(RPM)下使鉆柱、BHA和鉆頭轉(zhuǎn)動所需的能量大得多，所以它們將比例如最大驅(qū)動輸入rpm更快地加速。
鉆頭、BHA和鉆柱速度(RPM)增大直到它比初始驅(qū)動的輸入速度(RPM)更快地轉(zhuǎn)動，從而使得鉆柱的松開超過需要。過大的松開釋放出比在初始轉(zhuǎn)矩(RPM)下驅(qū)動鉆頭所需的能量更多的存儲彈性勢能并且開始諧波運動，例如但不限于軸向運動(鉆頭跳動)和滑動粘附(粘滑)。
繞緊和松開使得整個鉆柱縮短然后伸長。速度從接近零rpm或零rpm改變至大于鉆柱驅(qū)動恒定輸入速度的速度，由此產(chǎn)生充分發(fā)展的滑動粘附(粘滑)和鉆頭跳動。過去，循環(huán)扭轉(zhuǎn)振蕩一直持續(xù)到鉆工除去WOB或者存在連接故障。
鉆柱扭轉(zhuǎn)振動在鉆井期間頻繁地出現(xiàn)。通常，在鉆柱的一個端部扭轉(zhuǎn)同時另一個端部保持固定或者沿著相反的方向扭轉(zhuǎn)時產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。長的鉆柱長度在鉆井時一般將存儲相當(dāng)大的扭轉(zhuǎn)能量。在扭轉(zhuǎn)振蕩變得劇烈時，它們能夠逐步升級至滑動粘附振蕩，由此鉆頭將短暫地停止轉(zhuǎn)動或者至少放慢速度直到在鉆頭處發(fā)展了足夠的扭矩以克服靜摩擦。在停止的鉆頭自由轉(zhuǎn)動時，它會以表面轉(zhuǎn)速兩至十倍的轉(zhuǎn)動速度轉(zhuǎn)動。例如，在以200rpm進(jìn)行鉆探時，滑動粘附變化會產(chǎn)生出在0和2000rpm之間的鉆頭轉(zhuǎn)動rpm變化。
如上所述，鉆柱的相伴而生的扭轉(zhuǎn)和解開使得鉆柱的軸向長度發(fā)生變化。因為現(xiàn)代的鉆頭的PDC切削元件具有非常短的長度并且理論上必須要與所要切削的表面保持恒定的緊密接觸以便實現(xiàn)最大的切削效果，所以即使是在鉆柱長度上的較小軸向變化也會大大妨礙鉆井進(jìn)程并且會造成鉆頭跳動。
而且，扭轉(zhuǎn)滑動粘附通常被認(rèn)為是其中一個最具破壞性的振動形式。在鉆柱中的波動扭矩在不反復(fù)停止鉆井的情況下難以控制。扭轉(zhuǎn)滑動粘附幾乎不可改變地對鉆頭或鉆柱造成損壞。甚至小幅滑動粘附也被認(rèn)作是鉆頭磨損的主要原因。
扭轉(zhuǎn)振動可以由通過所施加的扭矩變化而出現(xiàn)的扭矩波動或由因多種原因上升的鉆柱抵消。作為非限定實施例，扭矩變化可以由巖性變化、沿著鉆井的摩擦力的變化、鉆頭重量和/或附著在軟巖層中的穩(wěn)定器的變化引起。要理解的是，隨著施加用于使鉆頭轉(zhuǎn)動以切削穿過巖層所需的扭矩，大量扭轉(zhuǎn)能量將存儲在鉆柱中。扭轉(zhuǎn)振動還影響了井孔并且會產(chǎn)生出扭曲的井孔，它會變成額外力矩的來源。因此，扭轉(zhuǎn)振蕩的問題是自加強(qiáng)的。由于許多原因，理想的是鉆出更直的井眼，并且沿著所期望的鉆探路徑的螺旋形效應(yīng)減小而且沖蝕部分更少。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在鉆探期間在井眼中經(jīng)常產(chǎn)生出的扭曲度或螺旋形效應(yīng)與鉆頭性能降低、鉆頭渦動、鉆柱裝卸次數(shù)增大、由于通常與之相關(guān)的振動而引起的MWD(隨鉆測量)和LWD(隨鉆測井)的可靠性降低、在井眼中的設(shè)備損耗可能性增大、由于沿著井眼的溝槽而導(dǎo)致的循環(huán)和泥漿問題增大、穩(wěn)定器磨損增大、鉆井方向控制的降低、由于井眼變化包括沖蝕和侵蝕而導(dǎo)致測井工具響應(yīng)變差、由于存在一個或多個細(xì)長溝槽而導(dǎo)致固井可靠性降低、礫石填充篩管的間隙問題、ROP(鉆井穿透速率或速度)降低以及許多其它問題有關(guān)。
在鉆井時，最好盡可能快地鉆井以限制成本。已經(jīng)估計出將目前的鉆井速度加倍將導(dǎo)致石油業(yè)每年節(jié)約2-6億美元的成本節(jié)約。這個估計是保守的。
在鉆井期間，由于需要裝卸鉆柱所以浪費了大量時間。從井眼中取出鉆柱有各種原因，例如為了更換鉆頭。降低鉆柱裝卸次數(shù)，尤其在其中鉆柱的取出和更換需要花費相當(dāng)長時間的深井中，將大大降低鉆機(jī)日常租用成本。
雖然鉆頭的設(shè)計在現(xiàn)有技術(shù)中往往是主要關(guān)心的問題以減少上述許多問題，但是已經(jīng)針對改善底部鉆具組合的其它方面進(jìn)行了一些努力。通常的底部鉆具組合包括多個沉重的鉆鋌。典型的鋼制重型鉆鋌相對廉價并且持久耐用。但是，由于其尺寸和結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有技術(shù)的重型鉆鋌不太平衡并且容易產(chǎn)生出變化。而且，即使在它們完全平衡的情況下，這些重型鉆鋌具有一彎曲點并且容易在鉆井過程中向該點彎曲。不平衡的重型鉆鋌和整個井下組件的彎曲的結(jié)果產(chǎn)生出飛輪效應(yīng)，并且在其中的不平衡性很容易使得鉆頭渦動、振動和/或不能沿著所期望的鉆井方向與井眼表面接觸。
已經(jīng)努力制造出更重型的鉆柱。例如，已經(jīng)試圖增大鋼鉆鋌的直徑以在鉆頭附近提供更大的重量。但是，這降低了直徑更大的鋼鉆鋌和井孔的壁之間的環(huán)形空間。尤其在不密實的巖層中，環(huán)形空間的減小導(dǎo)致穿過更小的環(huán)形空間的泥漿流速度更高，從而造成井眼受到明顯沖蝕。本發(fā)明人已經(jīng)提出了具有許多好處的鉆鋌，例如美國專利申請No.60/442737，該文獻(xiàn)在這里被引用作為參考。但是，即使在如本發(fā)明人在這里所教導(dǎo)的一樣明顯增大直接位于鉆頭上方的重量的情況下，如可以由本發(fā)明人所開發(fā)出的計算機(jī)程序模擬所表明并且在這里所述的一樣，雖然滑動粘附效應(yīng)降低，但是不會完全停止。下面提出了在可能造成滑動粘附的條件下使用與標(biāo)準(zhǔn)鉆柱相比改進(jìn)的鉆柱的實施例。
由Chen等人于2001年8月在Offshore Magazine上發(fā)表的題目為“Wellbore designHow long bits improve wellbore micro-tortuosityin ERD operations”的文章披露了作為在大位移井操作中的其中一個關(guān)鍵因素的扭曲度，它具有兩個分量宏觀扭曲度和微觀扭曲度。這些效果包括高扭矩和拉力、不好的井眼凈化、鉆柱彎曲、損失可用的鉆探深度、以及其它負(fù)面情況。使用長標(biāo)準(zhǔn)尺寸的新鉆井系統(tǒng)明顯降低了井眼的螺旋形狀，即一種形式的微觀扭曲度，這是試圖采用鉆頭設(shè)計來改善了鉆井操作的許多方面。
上面所引用的現(xiàn)有技術(shù)不能提供用于防止在鉆井期間的滑動粘附的可靠裝置。因此，仍然需要一種改進(jìn)的井下組件來執(zhí)行這個功能。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解本發(fā)明解決了上面的問題和其它顯著的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種改進(jìn)的鉆井組件和方法。
本發(fā)明的一個可能實施方案的目的在于提供一種改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)控制組件和方法。
另一個可能實施方案的目的在于提供更快的鉆井ROP(鉆速)、更長的鉆頭壽命、在鉆柱接頭上的應(yīng)力更小、更準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)井孔、改進(jìn)的循環(huán)狀況、改善的固井、改善的更低噪聲MWD和LWD、改善的電纜測井精度、改善的篩管組件運行和安裝、更少的鉆頭裝卸、降低或消除扭曲度、降低或消除鉆柱彎曲、降低的井眼沖蝕、改善安全性和/或其它好處。
本發(fā)明的再一個可能實施方案的另一個目的可以包括將上面目的的一個或多個或所有結(jié)合，并且具有或沒有在下面所述的一個或多個附加目的、特征和優(yōu)點。
從附圖、在這里給出的說明書和所附權(quán)利要求中將了解本發(fā)明的這些和其它目的、特征和優(yōu)點。但是，要理解的是，上面列出的本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點只是用來幫助理解本發(fā)明的各個方面，而不是用來以任何方式限制本發(fā)明，因此不會構(gòu)成對本發(fā)明的目的和/或特征、定義和/或優(yōu)點的綜合性或限制性列舉。
因此，本發(fā)明提供了一種控制鉆頭在鉆井期間的旋轉(zhuǎn)振蕩的方法。該鉆頭安裝在包括多個相互連接的管狀部分的鉆柱上。本發(fā)明可以包括一個或多個步驟，例如將鉆柱中的旋轉(zhuǎn)控制組件安裝在鉆柱的下管狀部分和鉆柱的上管狀部分之間。下和/或上管狀部分可以為在鉆頭、泥漿馬達(dá)、鉆桿、底部鉆具組合、重型管狀件等上發(fā)現(xiàn)的任意類型的管狀連接部分。在鉆井操作期間在鉆柱的下管狀部分和鉆柱的上管狀部分之間選擇地傳遞扭矩并且選擇地允許在鉆井操作期間在鉆柱的上管狀部分和鉆柱的下管狀部分之間滑動，由此來抑制旋轉(zhuǎn)振蕩。該方法還包括促動旋轉(zhuǎn)控制組件以使滑動能夠響應(yīng)于所選的鉆頭加速量。
該方法還可以包括液壓松開旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)以產(chǎn)生出所選的旋轉(zhuǎn)滑動量。其它步驟可以包括提供用于促動旋轉(zhuǎn)控制組件的電子控制以允許旋轉(zhuǎn)滑動和/或針對可選的滑動量對電子控制進(jìn)行編程和/或控制一個或多個液壓活塞的運動。
本發(fā)明提供一種允許在包括用鉆頭進(jìn)行鉆探的鉆井操作期間在鉆柱的下管狀部分和鉆柱的上管狀部分之間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)滑動的組件，由此從鉆柱中釋放出扭轉(zhuǎn)能量。該組件可以包括一個或多個元件例如用于連接在鉆柱的下部和鉆柱的上部之間的管狀外殼和/或一個或多個位于管狀外殼內(nèi)用于控制在鉆柱的下部和鉆柱的上部之間的扭矩傳遞的可動構(gòu)件和/或用于控制一個或多個可動構(gòu)件的控制裝置。
井下還可以包括用于感測鉆頭的所選類型的運動的傳感器，其中傳感器對鉆頭的可編程的加速運動量敏感。在一個實施方案中，可以響應(yīng)于加速但是在出現(xiàn)預(yù)定轉(zhuǎn)動速度之前促動轉(zhuǎn)動滑動，由此釋放出更多的扭轉(zhuǎn)能量。例如，最好在鉆頭達(dá)到鉆井驅(qū)動轉(zhuǎn)速之前釋放出扭轉(zhuǎn)能量。一個或多個可動構(gòu)件包括一個或多個由一個或多個閥門控制的液壓活塞。
本發(fā)明還包括對啟動安裝在鉆柱中的旋轉(zhuǎn)控制裝置的效果的計算機(jī)模擬，其中該旋轉(zhuǎn)控制裝置可操作用于例如使用開-關(guān)離合器類型機(jī)構(gòu)或可變控制裝置來在鉆柱中的管狀部分之間選擇地傳遞轉(zhuǎn)矩。該計算機(jī)模擬的方法可以包括一個或多個步驟，例如提供用于輸入描述該鉆柱的鉆柱參數(shù)的參數(shù)輸入、提供用于輸入啟動轉(zhuǎn)動控制所處的條件的一個或多個轉(zhuǎn)動控制啟動參數(shù)并且提供一個或多個與鉆柱的鉆頭的扭轉(zhuǎn)振蕩相關(guān)的輸出。該方法還可以包括繪出鉆頭運動相對于時間的曲線圖，其中啟動轉(zhuǎn)動控制以允許在鉆柱中的各個管狀部分之間滑動，從而減輕扭轉(zhuǎn)振蕩。例如，可以輸入鉆柱長度、重量等。可以引入例如600ft-lb負(fù)載的扭矩變化以查看這是否造成扭轉(zhuǎn)振蕩?？梢园凑杖我饧铀俣取⑥D(zhuǎn)速或這些參數(shù)的任意組合的任意所要求的方式測試啟動轉(zhuǎn)動例如開-關(guān)離合器的特定定時。
在另一個實施方案中，提供這樣一種方法，該方法包括一個或多個步驟，例如將離合器組件安裝在鉆柱中的鉆柱的下管狀部分和鉆柱的上管狀部分之間和/或選擇地接合離合器以在鉆井操作期間在鉆柱的下管狀部分和鉆柱的上管狀部分之間傳遞扭矩和/或選擇地脫開離合器以在鉆井操作期間允許在鉆柱的上管狀部分和鉆柱的下管狀部分之間滑動，由此減輕鉆頭振蕩。
該方法還包括感測出表示容易出現(xiàn)鉆頭振蕩的鉆頭運動。該方法還包括進(jìn)行響應(yīng)于所述感測步驟選擇地脫開的步驟。
該方法還包括選擇地使離合器部分脫開或接合以允許一些滑動但是還能傳遞扭矩，但不能傳遞所有扭矩。


為了進(jìn)一步理解本發(fā)明的特征和目的，應(yīng)該必須參照以下結(jié)合附圖給出的詳細(xì)說明，在這些附圖中相同的元件被賦予相同或相似的參考標(biāo)號，并且其中圖1為根據(jù)本發(fā)明一個可能實施方案的用于控制鉆柱扭轉(zhuǎn)能量的旋轉(zhuǎn)控制組件的剖面正視圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明一個可能實施方案的設(shè)在鉆柱中的圖1的旋轉(zhuǎn)控制組件的剖面正視圖；圖3為用于根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的一部分離合器組件的放大剖面立視圖；圖4為一計算機(jī)輸出的示意圖，顯示出在根據(jù)本發(fā)明的計算機(jī)模擬中的兩種不同類型的底部鉆具組合的扭轉(zhuǎn)振蕩；圖5為一計算機(jī)輸出的示意圖，顯示出在計算機(jī)模擬中根據(jù)本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)控制裝置在使圖5的兩種不同類型的底部鉆具組合中的一個的振蕩停止方面的效果；圖6為一計算機(jī)輸出的示意圖，顯示出在計算機(jī)模擬中針對圖5的兩種不同類型底部鉆具組合而言根據(jù)本發(fā)明扭轉(zhuǎn)控制裝置使其扭轉(zhuǎn)振蕩停止的效果；圖7為計算機(jī)模擬的輸入頁面，顯示出用于同時測試兩個或多個不同鉆柱的選項；圖8為計算機(jī)模擬的輸入頁面，顯示出各種輸入因素例如底部鉆具組合細(xì)節(jié)、泥漿重量和其它因素；圖9和圖10顯示出用于鉆柱的各個管子的一些細(xì)節(jié)，它們可以針對模擬的鉆柱從許多鉆桿中輸入或選擇；圖11為一示意圖，顯示出用于根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)控制裝置的具有液壓控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)井下離合器；圖12為一剖面正視圖，顯示出用于根據(jù)本發(fā)明的快速作用離合器的在圖11中所示的那種類型的活塞/凸輪部分的放大剖面；并且圖13為用于根據(jù)本發(fā)明的快速作用離合器的凸輪的剖面正視圖。
雖然將參照當(dāng)前優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明進(jìn)行說明，但是要理解的是本發(fā)明并不打算局限于那些實施方案。相反，本發(fā)明打算覆蓋包含在本發(fā)明的精神范圍內(nèi)的所有可選方案、變型和等同方案。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照這些附圖，更具體地說參照圖1和圖2，這些圖顯示出可以用于鉆井、鉆探和/或用于其它需要鉆柱將扭矩通常傳遞給底部鉆具組合和鉆頭的井下旋轉(zhuǎn)控制組件10。雖然在這里提供了旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)10的特定實施方案，但是旋轉(zhuǎn)控制組件10還可以包括任意機(jī)構(gòu)，其可操作用來使在軸或鉆探管狀部分之間的扭矩連接和斷開以消除扭轉(zhuǎn)振蕩，并且由此控制在鉆柱中的扭轉(zhuǎn)能量。因此，該旋轉(zhuǎn)控制組件10可以包括一開-關(guān)離合器，它使得兩個旋轉(zhuǎn)軸和/或兩個鉆探管狀部分和/或一個鉆探管狀部分和鉆頭基本或者完全連接(接合)以用于扭矩傳遞，但是也可以基本或者完全斷開(脫開)以用于少量的或者沒有扭矩傳遞。在優(yōu)選實施方案中，旋轉(zhuǎn)控制組件10是基本完全接合或者完全不接合，但是本發(fā)明也考慮部分接合，這大致對應(yīng)于汽車中的流體驅(qū)動或者自動變速傳動，以下給出了至少一個實施例。
旋轉(zhuǎn)控制組件10可以用于鉆探，由此產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)能量，并在表面處施加給鉆柱，例如旋轉(zhuǎn)鉆井，或者與泥漿馬達(dá)一起使用，由此將旋轉(zhuǎn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)能量更靠近鉆頭地施加給井下。另外，盡管在圖1中顯示了旋轉(zhuǎn)控制組件10作為單機(jī)組件，但是它也包括旋轉(zhuǎn)控制組件10可以并入其它井下機(jī)構(gòu)的情況，例如用于井下泥漿馬達(dá)。
當(dāng)扭矩增加時，鉆頭速度(RPM)降低，鉆柱繞緊或者扭轉(zhuǎn)勢能增加。在一個優(yōu)選實施方案中，旋轉(zhuǎn)控制組件10可以指一個防加速子組件，因為在本優(yōu)選實施方案中，組件10響應(yīng)于鉆探的過度加速而啟動，以通過減少和消除伴隨著速度或者RPM改變的諧波循環(huán)(harmonic cycle)或振蕩來在豎直、定向和水平井中停止滑動粘附(粘滑運動)和鉆頭跳動。但是本發(fā)明不限于此實施方案，可以響應(yīng)來限制RPM和/或在到達(dá)選定的RPM之前基于加速度而啟動和/或用于任何所需類型的鉆頭移動包括鉆頭渦動或者任何其它類型的鉆頭移動。
在旋轉(zhuǎn)控制組件10的操作中，當(dāng)鉆頭例如圖2所示的鉆頭12開始加速的時候，旋轉(zhuǎn)控制組件10在上管狀部分和/或上鉆柱14和下管狀部分或者下鉆柱16，或者底部鉆具組合18，和/或鉆頭12之間釋放或者脫開，允許底部鉆具組合18和/或鉆頭12和/或泥漿馬達(dá)以與上鉆柱14不同的速度或者RPM(速率)旋轉(zhuǎn)，由此釋放可變的設(shè)定量的繞緊(存儲的彈性勢能)。旋轉(zhuǎn)控制組件10可以優(yōu)選設(shè)置在鉆柱的下部，但是可以設(shè)置在鉆柱中鉆頭12以上的希望釋放扭轉(zhuǎn)能量的任何所需的位置上。另外，如果需要，在鉆柱的一個以上的位置中可以采用另外的旋轉(zhuǎn)控制組件10。
旋轉(zhuǎn)控制組件10在鉆探的過程中操作，并且可以通常僅釋放一個短的瞬間或者例如上管狀部分14和下管狀部分16之間的選定量的相對旋轉(zhuǎn)。短的釋放時間保證不是所有用于恒定扭矩(速度)的能量都會因為鉆柱的完全松開而損失。在每次鉆頭旋轉(zhuǎn)速度或者RPM或者兩者都超過一個可變的設(shè)定量的時候可以程控釋放的發(fā)生，以將BHA和/或鉆頭返回至恒定速度，這對于高效鉆探來說是最希望的。換句話說，在一個優(yōu)選實施方案中，旋轉(zhuǎn)控制組件10響應(yīng)于鉆頭旋轉(zhuǎn)加速度。但是如果希望，可以使旋轉(zhuǎn)控制組件10響應(yīng)于鉆頭旋轉(zhuǎn)速度和/或加速度的變化。在本優(yōu)選實施方案中，可以希望在達(dá)到鉆頭驅(qū)動旋轉(zhuǎn)速度之前響應(yīng)于加速度的變化，由此在旋轉(zhuǎn)速度變得過大之前釋放更多量的扭矩。例如，如果鉆頭因為碰到不同的巖層而停止，鉆柱中的扭矩會累計，直至鉆頭上的扭矩大至足以克服阻力，由此鉆頭的RPM開始加速了。在本優(yōu)選實施方案中，在鉆頭達(dá)到平均旋轉(zhuǎn)RPM之前，就可以開始釋放。因此，旋轉(zhuǎn)控制組件10在檢測到鉆頭的過大加速度之后在幾個毫秒之內(nèi)響應(yīng)，從而在鉆頭到達(dá)平均旋轉(zhuǎn)RPM之前作用，由此釋放在鉆柱中的過大扭矩。
用于旋轉(zhuǎn)控制組件10的傳感器例如加速計優(yōu)選設(shè)在與由旋轉(zhuǎn)控制組件10所使用的相同的外殼內(nèi)，但是也可以安裝其它地方，例如安裝在鉆頭中。例如，可以響應(yīng)于信號例如從鉆頭發(fā)出的聲波或泥漿波信號或者從表面中發(fā)出的控制信號啟動旋轉(zhuǎn)控制組件10。在另一個不太優(yōu)選實施方案中，旋轉(zhuǎn)控制組件10可以自動地僅僅在預(yù)定的時刻啟動或者以設(shè)定的間隔啟動，從而不再需要任何傳感器。
在當(dāng)前優(yōu)選實施方案中，旋轉(zhuǎn)控制組件10根據(jù)檢測出表示有害旋轉(zhuǎn)振蕩開始的加速度或RPM增大的原則工作?？梢酝ㄟ^加速度計、電氣/電子傳感器、液壓流量閥、聲波傳感器、機(jī)械凸輪和/或任意其它合適的裝置來進(jìn)行用于釋放的加速度或RPM測量?？梢酝ㄟ^如在圖11中的系統(tǒng)100中所示的電路例如可編程邏輯控制器(PLC)或液壓計量裝置或機(jī)械凸輪來控制所需的釋放量或時間?？梢酝ㄟ^控制來自由機(jī)械凸輪、在圖11、12和13的系統(tǒng)100中略為詳細(xì)地顯示出的那種機(jī)械凸輪、同心、偏心或曲軸類型驅(qū)動裝置移動的徑向或軸向活塞的液壓油量來進(jìn)行在上鉆柱部分20和下鉆柱部分22之間的旋轉(zhuǎn)運動的鎖定/開鎖。上鉆柱部分20可以包括在鉆柱中的管狀部分、泥漿馬達(dá)、底部鉆具組合等。下鉆柱部分22可以包括在鉆柱中的另一個管狀部分、泥漿馬達(dá)、底部鉆具組合、鉆頭等。
在圖1中，朝向徑向的活塞24用于鎖定/開鎖凸輪軸心軸26，但是如上所述，也可以采用其它鎖定/開鎖機(jī)構(gòu)。凸輪軸心軸26可以轉(zhuǎn)動但是通過使用凸輪軸鎖緊螺母50、軸向-徑向軸承37和支承軸頸38、39和40相對于上外殼34軸向固定。凸輪軸心軸26安裝在下外殼36上或者可以作為其整體組成部分。因此，如果如后面所述一樣通過朝向徑向的活塞24將凸輪軸心軸26鎖定，則上外殼34和下外殼36必須一起轉(zhuǎn)動。如果凸輪軸心軸26被朝向徑向的活塞24開鎖，則上外殼34和下外殼36可以相對于彼此轉(zhuǎn)動，由此釋放了存儲在鉆柱中的潛在扭矩能量。
在圖3中更詳細(xì)地顯示出利用了凸輪軸心軸26和朝向徑向的活塞24的鎖定機(jī)構(gòu)的一般實施例，并且在圖11、圖12和圖13中顯示出當(dāng)前優(yōu)選的實施方案。在圖3中，油流路25從在其內(nèi)部設(shè)有朝向徑向的活塞24的缸體27開始，并且延續(xù)回到其中設(shè)有凸輪軸心軸26的液壓油腔室29?；钊?4由彈簧33徑向向內(nèi)偏壓，因此在閥門31打開時，因為活塞24可以自由運動所以它們跟隨著凸輪凸角28運動。在閥門31打開時，因為液壓油自由地流經(jīng)油流路25，所以可徑向運動的活塞24自由地運動。因此，隨著閥門31打開，彈簧33使得徑向活塞24隨著凸輪軸心軸在凸輪軸/活塞外殼42內(nèi)轉(zhuǎn)動而跟隨著凸輪凸角28向內(nèi)和向外運動。因此，在閥門31打開時，凸輪軸26相對于其中安裝有朝向徑向的活塞24的凸輪軸/活塞外殼自由地轉(zhuǎn)動。在閥門31關(guān)閉時，朝向徑向的活塞固定不動，因此與凸輪軸26鎖在一起，從而將凸輪軸/活塞外殼42和凸輪軸26有效地鎖在一起。
閥門31也是可變的以可變地控制在上鉆柱部分20和下鉆柱部分22之間傳遞的扭矩量。因此，大范圍的轉(zhuǎn)動控制操作根據(jù)本發(fā)明是可以想象的，從而可以采用更長時間的旋轉(zhuǎn)振蕩抑制，而不是僅僅采用用于短脈沖的開/關(guān)控制。
在當(dāng)前優(yōu)選的實施方案中，具有電子加速度計的基于PLC的控制裝置可以安裝在電子/液壓/電源外罩44中并且可以用來測量加速度或RPM的增大。可以通過PLC來根據(jù)旋轉(zhuǎn)位置變化和/或時間控制在上外殼34和下外殼36之間的釋放量。旋轉(zhuǎn)距離或釋放時間是響應(yīng)于來自內(nèi)置傳感器的用于速度、RPM、相對轉(zhuǎn)動位置或速度和/或速度例如加速度變化和/或響應(yīng)于鉆頭旋轉(zhuǎn)或任意其它類型的可檢測出的鉆頭或鉆柱運動的基于編程的可變量或固定量。通過允許液壓油通過徑向活塞24可以在其中徑向移動的活塞腔室27流動，可以完成釋放。徑向活塞24可以與多個偏心凸輪28在凸輪軸26上嚙合。徑向活塞24安裝在凸輪軸/活塞外殼24中，外殼24依次以螺紋固定至上外殼34，該上外殼34依次以螺紋固定至上鉆柱部分20。可以利用優(yōu)選安裝在外殼28內(nèi)的PLC控制和促動器來控制閥門31。PLC傳感器優(yōu)選測量在釋放的旋轉(zhuǎn)上鉆柱部分20和下鉆柱部分22之間的旋轉(zhuǎn)差值和/或釋放時間。
在旋轉(zhuǎn)控制組件10的操作方法的優(yōu)選實施方案中，BHA和/或鉆頭實際上可以不停止旋轉(zhuǎn)，同時在上外殼34和下外殼36之間發(fā)生釋放或者滑動。圖4-5顯示了可能的實施例。但是，控制鉆頭的旋轉(zhuǎn)速率，以防止伴隨著扭轉(zhuǎn)振蕩而發(fā)生的過大的加速度。當(dāng)電子方式測量出了預(yù)定量的釋放或者經(jīng)過了預(yù)定的時間之后，例如150毫秒的時候，通過閉合閥門31，將徑向活塞靠著偏心凸輪28鎖定在適當(dāng)位置上。利用閥門、促動器等可以實現(xiàn)徑向活塞24的所需移動。當(dāng)徑向活塞與凸輪軸26相嚙合而相對于徑向移動被鎖定的時候，在上鉆柱部分20和下鉆柱部分22之間傳遞高扭矩，這可能是驅(qū)動底部鉆具組合18和/或鉆頭12所需要的。
液壓油供應(yīng)優(yōu)選在外殼42內(nèi)具有存儲體積，以確保恒定體積的油。在優(yōu)選實施方案中，這種液壓油是獨立的，不需要馬達(dá)或者泵。如果需要，PLC可以是預(yù)先編程的或者具有從位于表面處(鉆機(jī)底面)的外部來源、來自位于鉆柱的MWD和LWD測井工具、來自鉆頭自身(因為信號從此發(fā)出)或者其它來源的實時邏輯或者程序變化。
在本優(yōu)選實施方案中，整個的旋轉(zhuǎn)控制組件10包括如圖1所示的三個或者多個管狀部分，包括上外殼34、下外殼36、以及凸輪軸/活塞外殼42。電子、液壓部分可以采用可替換的設(shè)計安裝在任何部分中。
優(yōu)選的設(shè)計允許所有的電子元件、PLC、傳感器和液壓促動器可以位于外殼44內(nèi)，如圖所示。下外殼36通過任何適當(dāng)?shù)氖侄喂潭ㄖ镣馆嗇S26，可以采用例如螺紋連接、或者其它類型的機(jī)械固定連接或者可以是其一個整體部分。下外殼36的一端利用密封區(qū)域46和48用于和包括朝向徑向的活塞24及液壓油的活塞/凸輪管狀外殼42密封。下端具有API陽螺紋，例如通過與下鉆柱部分或者管狀部分22螺紋連接，它允許該子組件用于標(biāo)準(zhǔn)的鉆桿柱中。
上外殼34優(yōu)選具有帶API螺紋的母螺紋52(threaded box)，以提供與上管狀部分20的標(biāo)準(zhǔn)連接。在母螺紋之下是一個中空區(qū)域或者凹槽，用于一個或多個凸輪軸上保持螺母50，其被用于將凸輪軸26軸向固定至上外殼34，同時允許隨其旋轉(zhuǎn)。保持螺母50將軸向-徑向推力軸承37鎖定在凸輪軸26上，并且在凸輪軸26被釋放而用于速度、旋轉(zhuǎn)位置、加速度的旋轉(zhuǎn)調(diào)整和/或RPM增加的時候不允許在上外殼34和下外殼36之間產(chǎn)生完全軸向或者徑向分離。上外殼34與母螺紋52的相對端利用陽螺紋54，它連接至凸輪軸/活塞外殼42的內(nèi)側(cè)。在螺紋端之間的區(qū)域包括密封件56，它在凸輪軸26周圍密封，以如前所述的密封液壓流體區(qū)域29。
下外殼36具有用于和凸輪軸/活塞部分42密封的密封區(qū)域48。在下部外殼36的徑向向外的另外的中空密封區(qū)域包括電子/液壓控制/功率的包封外罩44，它可以用于安裝電子元件，包括PLC，以及液壓促動器和傳感器。下外殼36的相對(上)端是凸輪軸26。如上所述，凸輪軸26具有偏心凸輪凸角28，它已經(jīng)被硬化和磨削。每個凸輪部分優(yōu)選具有兩個或者多個凸角28。同心軸承區(qū)域優(yōu)選設(shè)有支承軸頸，它可以類似于支承軸頸38、39、40，用于在每個凸輪部分之間徑向支撐。凸輪軸26的上凸輪軸端部58可以優(yōu)選具有螺紋區(qū)域，用于和保持螺母50以及軸向-徑向軸承連接。凸輪軸26的上端58也具有用于母螺紋部分密封件56的磨光表面區(qū)域。所有的內(nèi)部區(qū)域都從內(nèi)側(cè)和外側(cè)密封。
如上所述，凸輪軸/活塞外殼42包含朝向徑向的活塞24和圍繞著凸輪軸心軸26的密封液壓流體區(qū)域29。凸輪軸/活塞外殼42在一個端部上與陽螺紋54連接，并且在相對端部上具有密封件46和48。凸輪軸/活塞外殼42在凸輪軸鎖緊螺母50和軸向-徑向推力軸承37之前裝配到旋轉(zhuǎn)控制組件10上。在將上外殼34連接在凸輪軸/活塞外殼42上時，臺肩60將軸向-徑向推力軸承37固定到凸輪軸心軸上，因此將所有組成部件鎖在一起以產(chǎn)生出所完成的旋轉(zhuǎn)控制組件10。該旋轉(zhuǎn)控制組件10填充有流體并且在裝配之后對它進(jìn)行測試。
圖4、圖5和圖6提供根據(jù)可以用來模擬鉆柱的扭轉(zhuǎn)振蕩的計算機(jī)模擬實施方案的兩個模擬鉆柱的操作的幾個實施例?？梢詫@管類型、鉆探速度以及實際上任意鉆探參數(shù)的所有細(xì)節(jié)輸入到該程序中以觀看效果。整個鉆柱可以一個部件接一個部件地構(gòu)建出。同樣，可以輸入各種類型的拉力等。在圖7、圖8、圖9和圖10中可以看到用于模擬的輸入屏幕的幾個實施例。圖7顯示出同時輸入兩個或多個不同鉆柱從而可以根據(jù)鉆柱組成來比較各種效果的可能性。圖8顯示出輸入底部鉆具組合、泥漿重量和許多其它參數(shù)。圖9和圖10顯示出可以從多種鉆管中針對所模擬的鉆柱輸入或選擇單獨的鉆管，從而可以模擬任意所期望的結(jié)構(gòu)。
計算機(jī)軟件利用方程式來模擬鉆柱操作并且包括用于確定在施加變量例如滑動利用組件10時所發(fā)生的事情的軟件控制部件。模擬輸入可以包括使用可變的滑動量，并且可以使用與任意類型離合器機(jī)構(gòu)對應(yīng)的滑動持續(xù)時間。同樣，可以插入所有與扭轉(zhuǎn)能量相關(guān)的參數(shù)，例如鉆柱長度、尺寸、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動、巖層變化等。
圖4顯示出在兩個相同鉆柱中的所選扭矩變化并且底部鉆具組合不同的情況下在時刻70處開始的鉆頭速度振蕩的效果。曲線62顯示出在施加600ft磅的扭矩變化的情況下在使用具有重型鉆鋌的標(biāo)準(zhǔn)底部鉆具組合(BHA)時鉆頭的轉(zhuǎn)速(但是可以顯示出鉆鋌或鉆柱的其它部分的轉(zhuǎn)速)和在轉(zhuǎn)速上的作用，這模擬了鉆入到不同巖層中或者其它在時刻70可以加速扭矩振蕩的井下扭矩變化情況。曲線64顯示出在美國專利申請60/442737的改進(jìn)鉆鋌情況下施加600ft磅的扭矩變化在鉆頭速度上的相同作用，其中重量正好位于鉆頭上方。通過比較曲線64和62可以看出，使用改進(jìn)的鉆鋌在降低鉆頭速度振蕩方面獲得了明顯改善，但是仍然出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振蕩。鉆進(jìn)驅(qū)動速度顯示出大約為125RPM，并且在曲線圖上表示為曲線66。曲線68為根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)的鉆柱的臨界速度。在轉(zhuǎn)速超過該臨界速度時容易出現(xiàn)鉆柱損壞。
在時刻70施加了600英尺磅的扭矩變化后，則鉆頭對于這兩種鉆柱而言都慢下來。在標(biāo)準(zhǔn)鉆柱的情況中，振蕩開始并且然后實際上增加至如在72處所示一樣鉆頭實際上暫時停止的點，即充分發(fā)展的滑動粘附。在繞緊之后，如在74處所示一樣，鉆頭然后加速到超過鉆柱的臨界速度的速度。因此，對于標(biāo)準(zhǔn)鉆柱而言容易出現(xiàn)鉆柱損壞。
改進(jìn)的鉆鋌更能抵抗扭轉(zhuǎn)振蕩并且不會如標(biāo)準(zhǔn)鉆柱BHA一樣增加，但是鉆頭在該情景下仍然繼續(xù)具有扭轉(zhuǎn)振蕩。
在圖5中，顯示出改進(jìn)鉆鋌的扭轉(zhuǎn)控制的作用。扭轉(zhuǎn)控制組件10感測過大的加速度并且在由時間點76表示的通常時刻中啟動，由此允許滑動并且釋放出扭轉(zhuǎn)能量。在一個當(dāng)前優(yōu)選的實施方案中，如在66處所示一樣，最好在鉆頭速度到達(dá)驅(qū)動速度之前允許滑動，由此從鉆柱中釋放出更多的能量。一直等到鉆頭速度到達(dá)更高的速度對于減輕扭轉(zhuǎn)振蕩不會有任何效果?？梢钥闯鲈试S滑動的作用在于在幾個循環(huán)內(nèi)完全消除扭轉(zhuǎn)振蕩。扭轉(zhuǎn)控制組件10因此提供了一種快速作用離合器，它可以感測加速度然后在短時間例如十至五十毫秒內(nèi)釋放。
在圖6中，顯示出標(biāo)準(zhǔn)BHA鉆柱和具有改進(jìn)鉆鋌的鉆柱的扭轉(zhuǎn)控制的作用。因此，扭轉(zhuǎn)控制組件10感測出過大的加速度并且在時間點76的通常區(qū)域中啟動。結(jié)果扭轉(zhuǎn)控制使得任一種鉆柱在幾個循環(huán)內(nèi)將扭轉(zhuǎn)振蕩衰減至零。換句話說，通過在76所示的時刻處施加滑動，從鉆柱中釋放出扭矩，從而鉆頭不會如在滑動粘附操作期間所出現(xiàn)的一樣急劇地加速和減速。
圖11顯示出用來感測加速度并且操作用來釋放在鉆柱中的扭矩的控制系統(tǒng)100。在系統(tǒng)100中，電池組102給可編程邏輯電路(PLC)104、加速計106和螺線管108提供能量。PLC104被編程為在檢測到過大加速度時啟動螺線管108。在螺線管108操作之前，如參照圖1和圖2中的關(guān)系一樣，凸輪軸芯軸26鎖在活塞/凸輪軸管狀外殼42上(參見圖11和放大的圖12)，從而將鉆柱14鎖在鉆頭12上。在螺線管108操作之前，由于液壓流體如上所述是不可壓縮的，所以防止了徑向活塞24運動。閥芯114(spool)在螺線管108操作之前一直向左，并且阻擋了通過端口116和118的流體流。經(jīng)過活塞回路124(活塞回路A、B、C、D等)的流體流的其它流體流路由單向閥128阻擋住。因此，活塞24鎖住凸輪軸心軸26。
在一個優(yōu)選實施方案中，可以有總共具有150至200個徑向活塞的許多凸輪部分。圖12顯示出具有八個徑向活塞24的一個凸輪部分。
螺線管108操作導(dǎo)閥或控制閥110。在控制閥110打開然后液壓流體可以流動穿過管道120由此通過克服由閥芯彈簧122所產(chǎn)生出的偏壓力使閥芯114向右運動。要指出的是，一個實施方案的閥芯114成錐形以允許逐漸打開/關(guān)閉。在閥芯114向右運動時，打開了在端口116和118之間的流路，由此允許液壓流體流動穿過單向閥112、經(jīng)過滑閘122、穿過管道126并且進(jìn)入到液壓儲存器129中。流體流然后可以穿過單向閥128前進(jìn)回到徑向活塞24。因此，可以與鉆頭連接的凸輪軸心軸26相對于可以與鉆柱連接的活塞外殼42自由轉(zhuǎn)動。
在PLC確定要停止滑動時，則使螺線管108停止，由此降低了在管道120處的壓力并且使得線圈122向左運動以關(guān)閉端口116和118。凸輪軸心軸26的松開和夾緊的整個過程可以非?？焖俚剡M(jìn)行。例如，在一個實施方案中，在PLC104檢測到過大加速度之后，凸輪軸可以在五至五十毫秒內(nèi)并且通常在大約10毫秒的范圍內(nèi)被釋放。在一個實施方案中，可以采用固定時間，例如150毫秒或任意合適的時間，由此使凸輪軸心軸26相對于外殼42鎖定。如果必須消除振蕩，則該過程將在RPM振蕩的另一個隨后循環(huán)中再次啟動。但是，按照要求PLC可以編程為響應(yīng)于降低的加速度等。
可以使用扭矩限制閥130來限制在凸輪26和外殼42之間傳遞的扭矩量，從而避免在非常大扭矩的情況下可能出現(xiàn)的其組成部件損壞。根據(jù)設(shè)計準(zhǔn)則其它控制限制元件例如閥門132和134可以有或沒有。
圖12顯示出相對于在接合凸輪軸心軸26的外殼42內(nèi)的徑向活塞24的管狀部分軸線的放大剖視圖。圖13顯示出凸輪軸心軸26的放大剖視圖。
因此本發(fā)明的前面公開內(nèi)容和說明是對本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實施方案及其變型進(jìn)行舉例說明，并且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員要理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下可以在設(shè)計、制造、布置、組織、操作順序、操作方式、設(shè)備結(jié)構(gòu)和位置、方法和機(jī)械等同物的使用方面以及在所示的各個元件的結(jié)構(gòu)或特征組合的細(xì)節(jié)方面作出各種變化。例如，本發(fā)明可以用在鉆取巖芯以及標(biāo)準(zhǔn)鉆孔中。相關(guān)的部件可以在鉆柱中倒轉(zhuǎn)。而且，當(dāng)前的結(jié)構(gòu)可以用在其它工具以及其它用途中。
通常，要理解的是，術(shù)語例如“上”、“下”、“垂直”、“右”、“左”等參照這些附圖和/或地面給出，并且這些裝置可以根據(jù)操作、運輸、安裝等的變化不是一直布置在這些位置中。同樣，這些附圖用來說明本發(fā)明的構(gòu)思，從而向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員清楚地披露了本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實施方案，但是這些附圖不是制造水平的圖或者最終產(chǎn)品的實施，而是可以包括為了更方便快速地理解或說明本發(fā)明而給出的簡化概念圖。因此，在本發(fā)明的精神范圍內(nèi)可以采用各種變化和替換。因為在這里所教導(dǎo)的本發(fā)明構(gòu)思的范圍內(nèi)可以作出許多變化且不同的實施方案，并且因為可以在根據(jù)法律的說明要求所詳細(xì)描述的實施方案中作出許多變型，所以要理解的是，在這里給出的細(xì)節(jié)應(yīng)該解釋為對當(dāng)前優(yōu)選實施方案的舉例說明而不是進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1.一種在鉆井期間用于控制鉆頭旋轉(zhuǎn)振蕩的方法，所述鉆頭安裝在鉆柱上，所述鉆柱包括多個互連的管狀部分，該方法包括在所述鉆柱的下管狀部分和所述鉆柱的上管狀部分之間將旋轉(zhuǎn)控制組件安裝在所述鉆柱中；在鉆井操作期間在所述鉆柱的所述上管狀部分和所述鉆柱的下管狀部分之間選擇地傳遞扭矩；并且在所述鉆井操作期間按照使所述旋轉(zhuǎn)振蕩減弱或停止的方式選擇地允許在所述鉆柱的所述上管狀部分和所述鉆柱的下管狀部分之間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)滑動；并且隨后在所述鉆柱的所述上管狀部分和所述鉆柱的下管狀部分之間傳遞扭矩以便繼續(xù)所述鉆井操作。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括啟動所述旋轉(zhuǎn)控制組件以允許響應(yīng)于所述鉆頭的選定的加速度而進(jìn)行所述旋轉(zhuǎn)滑動。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括液壓地松開旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)預(yù)定時間，然后鎖定所述旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括提供用于啟動所述旋轉(zhuǎn)控制組件以允許進(jìn)行所述旋轉(zhuǎn)滑動的電子控制。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，還包括對可選量的所述旋轉(zhuǎn)滑動將所述電子控制編程。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括控制一個或多個液壓活塞的運動。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括在所述鉆柱的所述下管狀部分的轉(zhuǎn)動速度小于所述鉆井操作的驅(qū)動速度時啟動所述旋轉(zhuǎn)控制。
8.一種組件，用于在用鉆頭鉆井期間允許在鉆柱的下部和所述鉆柱的上管狀部分之間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)滑動，由此從所述鉆柱中釋放出扭轉(zhuǎn)能量，所述組件包括一管狀外殼，用于在所述鉆柱的所述下部和所述鉆柱的所述上部之間進(jìn)行連接；位于所述管狀外殼內(nèi)的一個或多個可動構(gòu)件，用于控制在所述鉆柱的所述下部和所述鉆柱的所述上部之間的扭矩傳遞；以及一控制裝置，用于控制所述一個或多個可動構(gòu)件。
9.如權(quán)利要求8所述的井下設(shè)備，還包括一個或多個傳感器，用于感測所述鉆頭的所選類型的運動。
10.如權(quán)利要求9所述的井下設(shè)備，其中所述一個或多個傳感器對所述鉆頭的加速運動量可進(jìn)行感測。
11.如權(quán)利要求9所述的井下設(shè)備，其中所述控制裝置可操作用于進(jìn)行這樣一個循環(huán)，即開鎖以允許在所述鉆柱的所述下部和所述鉆柱的所述上部之間進(jìn)行相對自由轉(zhuǎn)動，然后鎖定以在從大約50毫秒到小于1秒的時間內(nèi)防止在所述鉆柱的所述下部和所述鉆柱的所述上部之間進(jìn)行轉(zhuǎn)動。
12.如權(quán)利要求8所述的井下設(shè)備，其中所述一個或多個可動構(gòu)件包括一個或多個活塞。
13.如權(quán)利要求8所述的井下設(shè)備，其中所述一個或多個可動構(gòu)件包括液壓活塞和一個或多個用于控制所述液壓活塞運動的閥門。
15.一種計算機(jī)模擬啟動安裝在鉆柱中的旋轉(zhuǎn)控制裝置的作用的方法，所述旋轉(zhuǎn)控制裝置可操作用來在所述鉆柱中的管狀部分之間選擇性地傳遞扭矩，所述方法包括提供用于輸入描繪所述鉆柱的鉆柱參數(shù)的參數(shù)輸入；提供一個或多個用于輸入啟動所述旋轉(zhuǎn)控制裝置所處的條件的旋轉(zhuǎn)控制啟動參數(shù)；以及提供一個或多個與所述鉆柱的鉆頭的扭轉(zhuǎn)振蕩相關(guān)的輸出。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括繪制出鉆頭運動相對于時間的曲線，其中啟動所述旋轉(zhuǎn)控制裝置以允許在所述鉆柱中的所述管狀部分之間進(jìn)行滑動，從而減輕所述扭轉(zhuǎn)振蕩。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括改變所述參數(shù)輸入以確定出所述扭轉(zhuǎn)振蕩的變化。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述鉆柱參數(shù)涉及所述鉆柱的尺寸或長度。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括輸入與扭矩負(fù)載變化相關(guān)的參數(shù)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括監(jiān)測所述輸出以確定所述扭矩負(fù)載變化是否導(dǎo)致扭矩振蕩。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括改變所述扭矩變化以確定出在扭矩負(fù)載振蕩中得到的任何的變化。
22.一種用于在鉆井期間控制鉆頭的鉆頭振蕩的方法，所述鉆頭安裝在鉆柱上，所述鉆柱包括多個互連的管狀部分，該方法包括在所述鉆柱的下管狀部分和所述鉆柱的上管狀部分之間將離合器組件安裝在所述鉆柱中；在鉆井操作期間選擇性地接合所述離合器以在所述鉆柱的下管狀部分和所述鉆柱的上管狀部分之間傳遞扭矩；并且在所述鉆井操作期間選擇性地脫開所述離合器以允許在所述鉆柱的下管狀部分和所述鉆柱的上管狀部分之間進(jìn)行滑動，由此減輕所述鉆頭振蕩。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，還包括感測出表示所述鉆頭振蕩可能出現(xiàn)的所述鉆頭的運動。
24.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括響應(yīng)于所述感測進(jìn)行所述選擇性地脫開的步驟。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述接合或脫開的步驟還包括選擇性地部分脫開或選擇地部分接合所述離合器以允許一些滑動并且還能夠傳遞一些但不是全部扭矩。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述感測運動還包括感測加速度。
27.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述感測運動還包括感測旋轉(zhuǎn)速度。
28.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述感測運動還包括感測旋轉(zhuǎn)速度和加速度。
29.如權(quán)利要求26所述的方法，還包括感測出所選的加速度并且在到達(dá)所選的旋轉(zhuǎn)速度之前脫開。
30.一種組件，用于在用鉆頭鉆井期間允許在鉆柱的下部和所述鉆柱的上管狀部分之間進(jìn)行短期的旋轉(zhuǎn)滑動，所述組件包括一管狀外殼，用于在所述鉆柱的所述下部和所述鉆柱的所述上部之間進(jìn)行連接；位于所述管狀外殼內(nèi)的一個或多個可動構(gòu)件，用于控制在所述鉆柱的所述下部和所述鉆柱的所述上部之間的扭矩傳遞；以及一控制裝置，用于控制所述一個或多個可動構(gòu)件，其中所述控制裝置可操作用于進(jìn)行這樣一個循環(huán)，即解鎖以允許在所述鉆柱的所述下部和所述鉆柱的所述上部之間進(jìn)行轉(zhuǎn)動，然后鎖定以在從大約50毫秒到小于1秒的時間內(nèi)防止在所述鉆柱的所述下部和所述鉆柱的所述上部之間進(jìn)行轉(zhuǎn)動。
31.如權(quán)利要求30所述的井下設(shè)備，還包括一個或多個傳感器，用于感測所述鉆頭的所選類型的運動。
32.如權(quán)利要求31所述的井下設(shè)備，其中所述一個或多個傳感器可對所述鉆頭選定的加速度感測。
33.如權(quán)利要求30所述的井下設(shè)備，其中所述一個或多個可動構(gòu)件包括一個或多個活塞。
34.如權(quán)利要求30所述的井下設(shè)備，其中所述一個或多個可動構(gòu)件包括液壓活塞和一個或多個用于控制所述液壓活塞的運動的閥門。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于消除滑動粘附和/或包括軸向和/或旋轉(zhuǎn)振蕩的鉆頭振蕩的扭轉(zhuǎn)能量控制組件和方法。在一個優(yōu)選實施方案中，該組件允許在鉆柱的上部和鉆柱的下部之間進(jìn)行滑動。該旋轉(zhuǎn)控制組件可以安裝在鉆柱中的任意所期望的位置處。該旋轉(zhuǎn)控制組件可以用作其它鉆井機(jī)構(gòu)例如井下鉆井馬達(dá)的組成部件。該旋轉(zhuǎn)控制裝置允許在鉆井期間進(jìn)行滑動一段時間或預(yù)定的轉(zhuǎn)動距離或其它標(biāo)準(zhǔn)，由此釋放出鉆柱中的扭轉(zhuǎn)能量，否則該能量可能產(chǎn)生出破壞性的滑動粘附扭轉(zhuǎn)振蕩例如滑動粘附。該旋轉(zhuǎn)控制組件在一個實施方案可以包括一開－關(guān)離合器，由此通過該組件可以在短時間內(nèi)基本上完全傳遞或者基本上沒有傳遞扭矩。
文檔編號E21B44/04GK1798903SQ200480015153
公開日2006年7月5日 申請日期2004年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月30日
發(fā)明者R·A·尼科爾斯, L·G·帕爾莫, B·L·泰勒 申請人:斯特拉塔洛克技術(shù)產(chǎn)品有限責(zé)任公司