增強流體壓力和環(huán)空流速的井下工具和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開大致涉及鉆井和完井流體的循環(huán)，且更具體地涉及在循環(huán)期間賦予額外能量給這些流體的井下工具。
[0002]發(fā)明背景
[0003]可通過旋轉(zhuǎn)鉆柱來鉆烴類開采井，所述鉆柱是大致包括在下端具有鉆頭和底部鉆孔組件(“BHA”)的多個互連鉆管段的組件。在鉆井時，鉆頭產(chǎn)生巖肩和其它碎肩。在井下鉆井操作中，流體循環(huán)通常用于井筒清潔和固體物運送，諸如以移除巖肩和其它碎肩。一般來說，循環(huán)涉及沿著鉆柱向下栗送流體(使用地面的泥漿栗)并且將其向上栗送回鉆柱與井筒壁之間的環(huán)空。流體沿著環(huán)空移動的速度被稱作環(huán)空流速。因此，重要的是監(jiān)測環(huán)空流速來確保適當(dāng)?shù)木睬鍧?、固體物運送以及避免井筒壁的侵蝕。
[0004]流體環(huán)空流速以多種方式被不利地影響。例如，在循環(huán)期間，由于管道和環(huán)空內(nèi)的摩擦損失以及管道與環(huán)空之間的靜水壓差而在循環(huán)系統(tǒng)中發(fā)生壓降。最大壓力在泥漿栗歧管上產(chǎn)生(立管壓力(“SPP”))且最低壓力產(chǎn)生在流體回路上(開放回路的大氣壓力或用于管控壓力操作的所施加節(jié)流壓力)。因此，流速受限于最大SPP。因此，在一些實例中，環(huán)空流速可能未高至足以充分清潔井筒。但是，如果在循環(huán)期間流體壓力稍微增大，那么SPP可能減小。接著，這將允許最大栗速的增加，其產(chǎn)生更高環(huán)空流速。
[0005]因此，鑒于上述內(nèi)容，本領(lǐng)域存在對增大流體環(huán)空流速的方法的需求。
[0006]附圖簡述
[0007]圖1圖示根據(jù)本公開的特定示例性實施方案的用于鉆井操作的循環(huán)系統(tǒng)；
[0008]圖2A是根據(jù)本公開的特定示例性實施方案的井下工具的截面圖；
[0009]圖2B圖示根據(jù)本公開的特定示例性實施方案的沿著井下工具的旋轉(zhuǎn)套筒的內(nèi)表面定位的齒圈的剖視圖；
[0010]圖2C是根據(jù)本公開的特定示例性實施方案的包括多個偏移夾持構(gòu)件的井下工具的三維圖；
[0011]圖2D是沿著圖2A的線2D取得的井下工具的頂視截面圖；
[0012]圖3A圖示根據(jù)本公開的特定示例性實施方案的在井下工具中所使用的驅(qū)動機構(gòu)的替代實施方案；以及
[0013]圖3B圖示圖3A的井下工具的三維外觀圖。
【具體實施方式】
[0014]本公開的說明性實施方案和相關(guān)方法在下文被描述為它們可用于井下工具中，其在循環(huán)期間增強流體環(huán)空壓力，因此允許更高的流體環(huán)空流速。為簡明起見，未在本說明書中描述實際實施方案或方法的所有特征。此外，本文中描述的“示例性”實施方案指的是本公開的實例。當(dāng)然將了解在任何這種實際實施方案的開發(fā)中，必須作出許多實施特定決策來實現(xiàn)將隨實施方案而變化的開發(fā)者的特定目標，諸如與系統(tǒng)相關(guān)和業(yè)務(wù)相關(guān)限制的相符性。此外，將了解這樣一種開發(fā)行為可能是復(fù)雜且耗時的，但只是受益于本公開的本領(lǐng)域一般技術(shù)人員的常規(guī)任務(wù)。將從下文描述和附圖的考慮中變得更了解本公開的各種實施方案和相關(guān)方法的進一步方面和優(yōu)點。
[0015]如本文中描述，本公開的示例性實施方案涉及一種聯(lián)機井下工具，其由鉆柱旋轉(zhuǎn)驅(qū)動以驅(qū)動栗機構(gòu)，所述栗機構(gòu)在循環(huán)期間增強流體壓力，因此允許環(huán)空流速的增大。井下工具的一個公開實施方案包括驅(qū)動機構(gòu)，其包括驅(qū)動齒輪和驅(qū)動軸以控制通過旋轉(zhuǎn)鉆柱產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩(即，旋轉(zhuǎn)力)。如本文中使用，術(shù)語“齒輪”廣泛地指任何旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，其具有沿著周邊的表面，所述表面被構(gòu)造來與沿著另一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的周邊的表面接合。在下文討論的示例性實施方案中，所描述的齒輪可為傳統(tǒng)齒輪，其具有被構(gòu)造來與另一個旋轉(zhuǎn)件構(gòu)件(或另一個齒輪或齒圈)上的相應(yīng)多個齒嚙合的多個齒。但是，這樣一種齒輪可替代地包括例如齒輪的周邊上的表面，所述表面在不使用傳統(tǒng)齒輪齒的情況下與另一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件上的相應(yīng)表面摩擦嚙合，使得在不使用齒的情況下，一個的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致另一個的旋轉(zhuǎn)。用于摩擦接合彼此的表面可被賦予高摩擦系數(shù)，諸如通過使表面粗糙化或施敷摩擦材料，諸如橡膠化合物。響應(yīng)于鉆柱的旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)以將動力(經(jīng)由施加轉(zhuǎn)矩)傳送至耦接至栗機構(gòu)的驅(qū)動軸。驅(qū)動軸響應(yīng)于所施加轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)，以接著將動力從驅(qū)動軸傳送至栗組件，以驅(qū)動栗組件，以增強行進穿過井下工具的流體的壓力。下文將進一步詳細描述本公開的這些和其它特征。
[0016]圖1圖示根據(jù)本公開的特定示例性實施方案的用于鉆井操作的循環(huán)系統(tǒng)。鉆井系統(tǒng)100 (例如，旋轉(zhuǎn)型)包括定位在井筒的地面104上的鉆機102。鉆機102為鉆柱108提供支撐。鉆柱108使用于鉆井筒112的轉(zhuǎn)盤110穿透地下地層。在這個示例性實施方案中，鉆柱108包括方鉆桿116 (在上部分中)和位于鉆柱108的下部分上的底部鉆孔組件120。底部鉆孔組件120包括鉆鋌122、用于增強流體壓力的井下工具124和鉆頭126。此夕卜，雖然未示出，但是底部鉆孔組件120可包括任何數(shù)量的其它井下工具，諸如，例如隨鉆測量(MWD)工具、隨鉆測井(LWD)工具等。
[0017]在鉆井操作期間，鉆柱108和底部鉆孔組件120由轉(zhuǎn)盤110或頂部驅(qū)動器旋轉(zhuǎn)，除本公開的具體教示以外如本領(lǐng)域中一般了解。在其它實施方案中，諸如在定向鉆井應(yīng)用中，鉆頭可替代地由定位在井下的電動機(未示出)旋轉(zhuǎn)。鉆鋌122可用于增加重量至鉆頭126，且加固底部鉆孔組件120，因此允許底部鉆孔組件120將重量轉(zhuǎn)移至鉆頭126。因此，由鉆鋌122提供的這個重量也協(xié)助鉆頭126穿透地面104和地下地層。
[0018]在鉆井操作期間，泥漿栗132可將鉆井流體(也被稱作“鉆井泥漿”)從泥漿池134穿過軟管136栗送至鉆管(沿著鉆柱108定位)中，穿過井下工具124且向下至鉆頭126。如本文中描述，井下工具124的示例性實施方案用于管理鉆柱的旋轉(zhuǎn)以給栗機構(gòu)提供動力，所述栗機構(gòu)在流體行進穿過井下工具124時增大流體的壓力。鉆井流體可接著從鉆頭126流出且穿過鉆柱108與井筒112側(cè)之間的環(huán)空區(qū)域140返回至地面(S卩，循環(huán))。鉆井流體可接著返回至泥漿池134，其中這些流體被過濾。因此，鉆井流體可在鉆井操作期間冷卻鉆頭126以及提供鉆頭126的潤滑。此外，鉆井流體移除由鉆頭126形成的地下地層的巖肩。
[0019]參考圖2A，現(xiàn)將詳細描述井下工具124的特定示例性實施方案。圖2A是沿著鉆柱定位的井下工具124的截面圖。但是，替代地，井下工具124也可用于其它底部鉆孔組件中，其中進行流體循環(huán)，諸如，例如完井組件。井下工具124包括工具外殼141，其界定延伸穿過其中的流體流道(本文中被稱作“孔”)142，在所述流體流道中流體(例如，鉆井或完井流體)可流動。驅(qū)動機構(gòu)144沿著孔142定位。舉例來說，驅(qū)動機構(gòu)144包括兩個驅(qū)動齒輪146a和146b，其沿著工具外殼141定位且相對于驅(qū)動軸148正對彼此定位。驅(qū)動軸148經(jīng)由定位在其上端的中心齒輪150可操作地耦接至驅(qū)動齒輪146a、b。在這個示例性實施方案中，驅(qū)動齒輪146a、b與另一個齒輪(在本文中被稱作“中心齒輪”150)嚙合以將旋轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)移至驅(qū)動軸148。
[0020]栗機構(gòu)152可操作地耦接至驅(qū)動軸148以經(jīng)由由驅(qū)動軸148賦予的所施加轉(zhuǎn)矩接收動力。接著，栗機構(gòu)152使用驅(qū)動軸148的旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動栗152以由此增大行進穿過井下工具124的流體的壓力，其中流體環(huán)空流速相應(yīng)增大。在特定實施方案中，驅(qū)動軸148形成栗機構(gòu)152的一部分，而在其它實施方案中，驅(qū)動軸148可為未包括在栗機構(gòu)152內(nèi)，而是可操作地耦接至栗機構(gòu)152的另一個旋轉(zhuǎn)機構(gòu)以為栗150提供動力的單獨組件。在這個示例性實施方案中，栗機構(gòu)152是多級葉輪組件，其包括彼此串聯(lián)配置的多個葉輪板154。替代地，可使用其它栗機構(gòu)，諸如，例如渦輪、射流栗或另一種離心式栗。離心式栗特別有利，因為它會產(chǎn)生額外液壓，釋放一些立管壓力，且在聯(lián)機栗驅(qū)動器故障的情況下仍可使用。
[0021]仍參考圖2A的示例性實施方案，驅(qū)動機構(gòu)144也包括繞工具外殼141定位的套筒156。套筒156的外表面包括一個或多個夾持構(gòu)件158以接合井筒112的壁，使得套筒156在工具外殼141在循環(huán)操作期間旋轉(zhuǎn)期間保持靜止。在特定示例性實施方案中，選擇套筒156的直徑使得它在底部鉆孔組件120的部署和撤回期間沿著井筒112的壁向上/向下垂直滑動，同時也在鉆柱108被旋轉(zhuǎn)時阻止套筒156的旋轉(zhuǎn)?？衫缡褂锰坠芑蚓驳膬?nèi)徑確定適當(dāng)直徑。
[0022]機械密封件160繞工具外殼141定位在套筒156的上端和下端上以提供防流體從環(huán)空140泄漏至驅(qū)動齒輪146a、b周圍的區(qū)域中的保護。密封件可由例如金屬、塑料或陶瓷材料制成。齒圈162沿著套筒156的內(nèi)表面定位，如圖2B中所示。齒圈162包括固定至套筒152或與套筒152—體形成的一系列齒，所述齒與沿著驅(qū)動齒輪146a、b的每個的周邊定位的齒嚙合。驅(qū)動齒輪146a、b各(諸如使用銷164)繞各自軸可旋轉(zhuǎn)地耦接至工具