專利名稱：借助液壓用撓性軸鉆井的方法和設備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及井眼周圍的地層探測領(lǐng)域，利用撓性軸鉆孔穿過井壁進入地層中。更確切地說，本發(fā)明涉及通過不借助撓性軸的其它方法給鉆頭施加力，以延長撓性軸的壽命。
鉆井中使用撓性軸已經(jīng)有很多年了。人們提出的許多鉆井系統(tǒng)都使用撓性軸驅(qū)動鉆頭。用于油氣生產(chǎn)工藝的一種這樣的系統(tǒng)見于美國專利96458916(Bond)。該專利使用撓性軸，先在直井中作業(yè)，接著可以沿水平方向鉆進至距離井眼很大一段距離，以擴大可探測區(qū)域。
通常，使用撓性軸的目的是克服鉆井設備的空間限制。撓性軸使得井眼鉆進能夠到達比所鉆井眼上部凈空更深的地層。例如，在采煤工藝中，打在煤層頂板的錨桿孔的深度可達到煤層厚度的3倍。在油氣井中，帶需要垂直井壁鉆孔到達比井眼內(nèi)徑更深的距離。這同樣應用于下套管井中。在這種情況下，鉆井系統(tǒng)要在井眼彎曲處提供一種撓性軸，以便鉆進繼續(xù)進行。重要的是，在下套管井里的可用空間遠小于前述撓性軸應用中所需的空間。即使煤層厚三英尺，套管井的內(nèi)徑也只有五英寸或更小。因此，鉆井設備以及撓性軸的尺寸必須足夠小。
在套管井的應用中，撓性軸兩端帶有接頭，安裝于有固定曲線形狀的管子中。接頭使得撓性軸易于與其設備聯(lián)接，例如驅(qū)動馬達軸和鉆頭。為了實現(xiàn)鉆進，鉆頭不僅需要使鉆頭繞中心軸旋轉(zhuǎn)(以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)計或RPM)的扭矩，而且需要給所鉆材料施加沖擊力。這種沖擊力叫做鉆壓或簡稱“WOB”。在撓性軸鉆井系統(tǒng)中，這兩種力通過柔性軸施加給鉆頭。撓性軸運動的分析表明，使柔性軸產(chǎn)生變形的扭矩、彎矩及軸向力的合力平衡。
在鋼套管的鉆進中，人們發(fā)現(xiàn)，撓性軸承受很大的軸向壓力。這些力將使揉性軸產(chǎn)生扭曲從而縮短撓性軸的有效長度。而且，由于承受高的應力，降低了撓性軸的使用壽命。不僅鉆井系統(tǒng)的可靠性需要撓性軸有較長的壽命，而且在取出鉆井設備替換磨損的撓性軸之前，增加可鉆孔的容許數(shù)目也需要撓性軸有較長的壽命。因此，降低或消除軸中的應力單元是非常重要的。
該系統(tǒng)的另外一個問題是鉆頭的鈍化問題。當鉆穿鋼套管后，鉆頭要切入水泥幾英寸，撓性軸必須繼續(xù)施加扭矩與沖擊力，盡管其值較低。而且，在許多情況下，需要繼續(xù)鉆進巖石，典型的如頁巖、石巖或砂巖。這些巖層的一個共同組分是石英，它是一種晶體物質(zhì)，比鉆頭的切削齒還要硬(金剛石鉆頭除外，它不能用來鉆鋼材料)。這些石英材料使鉆頭鈍化，以致于在繼續(xù)的鉆進中需要較高的扭矩和鉆壓。
盡管這種扭矩和鉆壓的增加在水泥和巖石地層不會產(chǎn)生問題(初始扭矩和沖擊力較低)，但它們會在下面的鉆鋼套管中產(chǎn)生問題。正如前面所提到的，鉆鋼套管所需的高沖擊力會大大降低撓性軸的使用壽命。一旦鉆頭鈍化，所需要的沖擊力進一步增加。人們發(fā)現(xiàn)，鉆穿幾英寸砂巖以后，鉆頭發(fā)生鈍化，雖然由撓性軸驅(qū)動，但是無法完成下一次鉆孔。如果一個人試圖施加所需的沖擊力，撓性軸通常要被破壞掉。
如果在撓性軸進入所鉆孔之前，鉆頭需要的沖擊力施加給撓性軸，而不是通常情況下的施力于撓性軸的尾端，這個問題可以大大減輕。人們已經(jīng)發(fā)開出許多沖擊和扭矩系統(tǒng)，見于有關(guān)文獻(G.K.德比，和J.E.比文，“煤層頂?shù)装彘_發(fā)計劃”，美國內(nèi)務部礦務局，1978年，美國內(nèi)務部圖書館)。然而，這些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，往往存在著可靠性問題。
而且人們發(fā)現(xiàn)，在撓性軸的特別應用中，如果系統(tǒng)只在鉆進鋼套管水泥和巖層時施加沖擊力，則該系統(tǒng)的撓性軸的壽命將大大提高。即使鉆頭鈍化，鉆進水泥和巖石時增加扭矩和沖擊力也不會降低撓性軸的使用壽命。
因此，需要一種系統(tǒng)，能夠在鉆進時給鉆頭施加較高的力而又不破壞撓性軸。
本發(fā)明的目的是提高撓性鉆井軸的使用壽命。
本發(fā)明的另一個目的是降低鉆井時撓性軸中的應力。
本發(fā)明的第三個目的是利用一種設備給鉆頭施力而不是給撓性軸的尾端施力。
本發(fā)明通過在鉆頭與井壁或套管接觸點處施加沖擊力(鉆壓)給地層中的鉆頭，來延長撓性軸的使用壽命。沖擊力是通過液壓活塞系統(tǒng)提供的。鉆頭及與其相接的撓性軸通過軸承相連，軸承位于軸承套或類似的裝置內(nèi)。軸承套與活塞相連接。在鉆井時，活塞向井壁移動，因而產(chǎn)生沖擊力，通過軸承套傳遞給軸承和鉆頭。來自活塞的力施加于鉆頭，使鉆頭鉆入鋼套管。該技術(shù)方案直接施力于鉆頭，而不是向已有技術(shù)那樣，通過撓性軸施力給鉆頭。注意到該技術(shù)方案仍然借助撓性軸施加扭矩。
本發(fā)明通過降低峰值應力來提高撓性軸的使用壽命。峰值應力發(fā)生于鉆進鋼套管時。這通過為活塞系統(tǒng)提供一個活塞沖程，使得僅當鉆頭鉆進鋼套管時，活塞作用力才作用到鉆頭上。鉆穿鋼套管后，活塞(及軸承套和軸承)返回，通過撓性軸給鉆頭施力完成余下的鉆井作業(yè)。
本發(fā)明的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，堅固，可以裝于小直徑工具包內(nèi)下入到套管內(nèi)。從扭矩和沖擊力施加于撓性軸尾端這一點上看該系統(tǒng)極大改善了撓性軸的鉆井效率。同時，該系統(tǒng)也克服了沖擊系統(tǒng)及扭矩系統(tǒng)應用上的困難。


圖1是用于下套管井內(nèi)的地層探測設備簡圖。
圖2是本發(fā)明縱向截面只有單活塞的實施例簡圖。
圖3是本發(fā)明單活塞實施例的詳細視圖。
圖4是本發(fā)明軸承部分的詳細視圖。
圖5是本發(fā)明方法的流程圖。
圖6是本發(fā)明雙活塞系統(tǒng)的實施例的視圖。
圖1表示本發(fā)明在井下地層探測器中的聯(lián)接關(guān)系，該地層探測器用于在下套管井中鉆孔、取樣和封堵套管。該下套管井眼探測器見于與本發(fā)明同時提出而且涉及美國專利5195588的專利申請202634。本發(fā)明的核心是下套管井的鉆孔。本發(fā)明在下套管井的鉆孔中得到描述。在圖2中，鉆頭1與撓性軸2相連。鉆頭長度大于所鉆套管的壁厚，直徑大于撓性軸2的直徑。沖擊軸承3安裝于支承架4內(nèi)。沖擊軸承可以通過擠壓鉆頭與撓性軸之間的鉆頭臺肩1a給鉆頭施力。沖擊軸承使活塞給轉(zhuǎn)動的鉆頭施力，而不會產(chǎn)生過度的摩擦損失。支承架4由活塞5驅(qū)動可以沿一條平行于撓性軸的軸上下移動，活塞腔的長度6a必須稍大于套管壁厚，使得在鉆進整個套管的全過程中，力可以傳遞到鉆頭。撓性軸沿具有幾何形狀7的導槽移動。導槽的幾何形狀可以是一對帶鉤的盤，通過鉤聯(lián)接在一起。導槽的幾何形狀使撓性軸從垂直于井眼軸線方向變?yōu)槠叫杏诰圯S線方向。導槽7位于內(nèi)腔8內(nèi)，具有另外一些特點。通過撓性軸驅(qū)動鉆頭，能使鉆孔的深度大于鉆井設備內(nèi)徑。一種傳遞和驅(qū)動系統(tǒng)可以給圖1中的撓性軸施加扭矩和沖擊力。
如圖3所示，活塞端面5a位于活塞腔6內(nèi)，而活塞桿5b通過螺栓9與支承架4相連。支承架4與活塞腔滑動聯(lián)接，因此，支承架可以隨活塞的運動而運動。支承3位于支承架4內(nèi)。支承還與鉆頭1接觸。在鉆井時，液壓流體充滿活塞腔6a。當液壓流體充滿活塞腔后，液壓流體迫使活塞向鉆頭和井壁移動?；钊苿訒r，力作用于支承架，使支承架沿活塞移動方向移動。當活塞移動時，活塞作用力通過支承架傳遞給軸承3。軸承3與鉆頭1接觸，施加同樣的力給鉆頭，使鉆頭鉆穿套管。鉆穿套管后，活塞作用力終止，活塞返回工具腔內(nèi)。為完成鉆井作業(yè)，撓性軸提供所需的扭矩和沖擊力。
圖3中軸承3的詳細情況見圖4。軸承3有一個內(nèi)端面10，外端面11和球體12。內(nèi)端面10與鉆頭接觸。鉆頭直徑大于撓性軸2直徑。內(nèi)端面10在鉆頭與撓性軸之間直徑差的間隙處與鉆頭接觸。外端面11與支承架4接觸。活塞5作用力通過外端面11和球體12傳遞到內(nèi)端面10和鉆頭1。
一種標準的鉆孔順序為，先鉆穿套管，然后是水泥環(huán)，最后是地層巖石。該順序如圖5所示。傳遞驅(qū)動系統(tǒng)通過撓性軸，使鉆頭以正常轉(zhuǎn)速鉆進(圖中40)。接著，鉆頭與套管接觸，同時向上移動傳遞驅(qū)動系統(tǒng)，如圖2所示；活塞向外向右移動，如圖2所示(圖中41)。當鉆頭與套管接觸后，正常切削所需的沖擊力由活塞42作用到鉆頭背面(圖中42)。通過這種方式給鉆頭施力，就不需要通過撓性軸施力了。但是，為使得傳遞系統(tǒng)與活塞的運動速度一致，調(diào)整系統(tǒng)的運動是非常必要的。這樣，在鉆進套管時，撓性軸既不受拉，也不受壓，處于中性狀態(tài)。該順序的下一步43是鉆進水泥環(huán)和地層巖石。在這些步驟中，通過傳遞驅(qū)動系統(tǒng)施加旋轉(zhuǎn)和沖擊力。此時通過驅(qū)動系統(tǒng)施加沖擊力是可行的，因為所鉆材料強度較低，因此撓性軸只承受較低的扭壓載荷。
本發(fā)明的另一個實施例如圖6所示，鉆進時使用雙活塞給鉆頭施加沖擊力。這個實施例比較適合于在前述實施例中導槽幾何形狀受限制的場合。活塞臂15和16位于鉆頭相對一面?；钊酆突钊嗣?可以在活塞腔21內(nèi)移動?；钊粌?nèi)是是活塞室18和18a。當前一實施例一樣，鉆頭當當撓性軸連接軸承的內(nèi)端面10，外端面11和球體12，通過支承套17把活塞作用力傳遞給鉆頭。如前所述，軸承內(nèi)端面10與鉆頭接觸。注意到接觸點的鉆頭直徑小于鉆頭其它部分的鉆頭直徑。這種外徑的減少使鉆頭與內(nèi)端面10有一個接觸面。外端面11直接與支承套17接觸。支承套17也與活塞臂15和16接觸。而且，支承套與支承腔室19滑動接觸。
通過液壓力伸出和縮回活塞，控制活塞的運動。在鉆進時，液壓流體通過22進入活塞室18，液壓缸伸出。流體使活塞5向鉆頭移動。沖擊力作用到活塞上，活塞向鉆頭移動，迫使支承套17向鉆頭移動。鉆井時支承套的移動給鉆頭施加以沖擊力。給鉆頭施加以沖擊力后，流體流入液壓缸縮回孔23。從而使活塞返回活塞室18a內(nèi)。該技術(shù)方案迫使活塞遠離鉆頭，使缸18內(nèi)的液壓流體流回液壓缸伸出孔22。活塞密封裝置內(nèi)有“O”形密封圈，防止流體在腔18和18a之間流動。
通過改變所需活塞沖程或活塞腔的長度，本發(fā)明也可以在地層中延長了的深度上給鉆頭施以沖擊力。本方法和設備與已有技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)點。本發(fā)明已經(jīng)在最佳實施例中得到描述。然而，本發(fā)明不限于此。任何對本發(fā)明基本設計的改變、變化和修改都不離開本發(fā)明的構(gòu)思。而且，對于那些從前述技術(shù)中獲益的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說這些改變、變化和修改是顯而易見的，所有這些改變、變化和修改都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種撓性軸鉆井系統(tǒng)，位于地層橫截面內(nèi)，鉆進井眼材料，包括a)一個鉆頭，與所說的井眼材料接觸；b)一個撓性軸，與所說的鉆頭相連；c)一個激勵裝置，與所說的撓性軸相連，鉆進時轉(zhuǎn)動所說的撓性軸和鉆頭；以及d)一個沖擊裝置，直接施力于鉆頭，提高鉆頭鉆進所說的所鉆材料的效率，增加所說撓性軸的可靠性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的撓性軸鉆井系統(tǒng)，所說的鉆井系統(tǒng)安裝到纜繩上下入到井內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的撓性軸鉆井系統(tǒng)，所說的沖擊裝置包括--一個活塞，用于給所說的鉆頭施加沖擊力；--一個支承套，與所說的活塞相連，把所說的沖擊力傳遞給鉆頭；以及-軸承裝置，位于所說的鉆頭與所說的支承套之間并與之接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所說的撓性軸鉆井系統(tǒng)，所說的活塞包括一個基體和一個活塞桿，所說的活塞桿與所說的支承套相連，所說的基體位于一個腔室內(nèi)，所說的活塞基體與所說的活塞腔室滑動接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所說的撓性軸鉆井系統(tǒng)，所說的撓性軸系統(tǒng)還包括液壓流體給所說的活塞基體施加力。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所說的撓性軸鉆井系統(tǒng)，所說的活塞腔室有一個開口，通過開口流體可以流入和排出。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所說的撓性軸鉆井系統(tǒng)，所說的腔室內(nèi)部被所說的活塞基體分隔形成兩個活塞室。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所說的撓性軸鉆井系統(tǒng)，每一個活塞室至少有一個開口，通過開口，流體可以流入和流出所說的活塞室。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所說的撓性軸鉆井系統(tǒng)，所說的流體是液壓的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所說的撓性軸鉆井系統(tǒng)，所說的施加沖擊的設備包括-至少兩個活塞，給所說的鉆頭提供沖擊力；-一個支承套，與所說的活塞相連，傳遞所說的沖擊力給鉆頭；-軸承，位于所說的鉆頭和所說的支承套之間并與之接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所說的撓性軸鉆井系統(tǒng)，每一個活塞包括基體和活塞桿，所說的活塞桿與所說的支承套相連，所說的基體位于活塞腔室內(nèi)，所說的基體與活塞腔室壁滑動接觸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所說的撓性軸鉆井系統(tǒng)，活塞腔室被活塞內(nèi)部的活塞基體分隔形成兩個活塞室。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所說的撓性軸鉆井系統(tǒng)，每個活塞室至少有一個開口，通過開口，流體可以流入和流出所說的活塞室。
14.一種鉆穿材料的方法，使用的鉆井系統(tǒng)包括一個鉆頭，撓性鉆井軸和直接給鉆頭施力的裝置，所說的方法包括以下步驟a)通過撓性軸利用旋轉(zhuǎn)設備使鉆頭旋轉(zhuǎn)；b)使鉆頭與所鉆材料接觸；c)直接給鉆頭施加所需的力，開始切削材料；以及d)通過力直接作用到鉆頭上鉆穿所說的材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所說的鉆穿材料的方法，所說的力通過活塞系統(tǒng)作用到所說的鉆頭上。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所說的鉆穿材料的方法，包括使用液壓流體使活塞產(chǎn)生作用力作用到所說的鉆頭上。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所說的鉆穿材料的方法，所說的鉆井系統(tǒng)適合于先鉆進強度大的材料再鉆進強度小的材料，在鉆進所說的強度大的材料時，力直接作用到鉆頭上，在鉆進所說的強度小的材料時，力通過撓性軸作用到鉆頭上。
18.一種鉆井系統(tǒng)，在所說的井眼橫截面上鉆穿所說的井眼材料，它包括a)一種鉆穿所說材料的鉆進設備；b)一種轉(zhuǎn)動所說鉆進設備的激勵裝置；c)一種撓性連接裝置，有兩個端頭，一端與所說的激勵設備相連，另一端與所說的鉆進設備相連，用于把激勵設備的所說的旋轉(zhuǎn)傳遞給所說的鉆進設備；以及d)一種直接給鉆進設備施加力的設備，以提高撓性連接裝置的鉆進效率和撓性連接裝置的可靠性。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所說的鉆井系統(tǒng)，所說的沖擊裝置包括-一個活塞，用于給所說的鉆進設備施加沖擊力；-一個支承套，與所說的活塞相連，傳遞所說的沖擊力給所說的鉆進設備；以及-軸承，位于所說的鉆進設備和所說的支承套之間并與之接觸。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所說的鉆井系統(tǒng)，所說的活塞包括一個基體和一個活塞桿，所說的活塞桿與所說的支承套相連，所說的基體位于活塞腔室內(nèi)，所說的活塞基體與所說的活塞腔室壁滑動接觸。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所說的鉆井系統(tǒng)，所說的鉆井系統(tǒng)還包括給所說的活塞基體施加力的液壓流體。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所說的鉆井系統(tǒng)，所說的施加沖擊力的裝置包括-至少兩個活塞，給所說的鉆頭提供沖擊力；-一個支承套，與所說的活塞相連，傳遞所說的沖擊力給鉆頭；-軸承，位于所說的鉆頭和所說的支承套之間并與之接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用撓性軸在下套管井中鉆孔時給鉆頭施加沖擊力(鉆頭鉆壓)的一種設備和方法。沖擊力直接作用到鉆頭上，而不是通過撓性鉆井軸作用到鉆頭上。一個支承套與活塞接觸，并與工具腔室滑動接觸?；钊囊徊糠治挥诨钊坏囊粋€室內(nèi)，并與室壁滑動接觸。當液壓流體流入活塞相對一側(cè)的室內(nèi)時，活塞向鉆頭方向移動。當活塞向鉆頭移動時，力作用到支承套上，使支承套向鉆頭移動，鉆進時這個力傳遞給鉆頭，提供給鉆頭有效鉆進需鉆材料所需的力(鉆壓)。
文檔編號E21B7/04GK1162686SQ97104890
公開日1997年10月22日 申請日期1997年2月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月20日
發(fā)明者A·索沃薩, K·哈夫林尼克, T·麥道蓋爾, D·拉杜, W·泰勒, M·杰羅斯克, M·弗勞爾斯, M·特絲丘巴, M·興頓, T·斯沃博達 申請人:施盧默格海外有限公司