井下工具的远程液压控制制造技术

一种完井工具设备，其包括控制装置，所述控制装置被配置来通过改变钻孔-环空压差来控制井下工具的响应。所述控制装置包括可在大致管状控制器外壳中纵向滑动的阀活塞，所述活塞阀与所述井眼基本上同轴操作，以使阀口对位于所述钻柱内部与所述工具之间的流体流动连接部打开或关闭。闩锁机构被配置来锁定所述阀活塞以防止在一个轴向方向上的移动，从而保持所述阀活塞处于打开或闭合状态。所述阀活塞的解锁需要其在另一个轴向方向上移位到模式改变位置。支撑构件可在响应于高于触发阈值的钻孔-环空压差的液压致动下自动移位，以阻止所述锁定的阀活塞在液压致动下移动到所述模式改变位置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】井下工具的远程液压控制
本申请总体涉及钻探操作中的井下工具，并且涉及操作井下工具的方法。一些实施方案更具体地涉及用于井下工具的流体启动控制系统、机构和方法。本公开还涉及通过流体压力程控进行的井下扩眼器展开控制。
技术介绍
用于碳氢化合物(油和天然气)开采以及用于其它目的的钻孔通常是利用钻柱进行钻探的，所述钻柱包括具有钻探组件的管状构件(也被称为钻探管)，所述钻探组件包括附接到其底部末端的钻头。钻头旋转以剪切岩石地层的材料或使其破裂来钻探井眼。钻柱通常包括在钻探操作期间需要远程启动和停止的工具或其它装置。这类工具和装置尤其包括扩眼器、稳定器或用于使钻头转向的施力构件。机电控制系统在这类钻探环境中通常是不可靠的。通过控制钻柱中的流体压力实现的对井下工具启动的远程控制通常仅允许单个启动/停止循环，在此之后控制系统需重置，同时在一些系统中导致有效钻柱直径的减少。钻探流体的使用导致在正常钻探操作期间工具意外启动的风险。附图说明一些实施方案在附图的各图中以示例性而非限制性方式示出，在附图中：图1示出根据示例性实施方案的钻探设备的示意图，所述钻探设备包括提供用于对工具启动的远程流体启动控制的控制装置的钻探设备。图2A-图2B示出根据示例性实施方案的用于对工具启动的远程流体启动控制的钻探设备的局部剖面三维视图，示例性工具为在图2A中展开并且在图2B中回缩的扩眼器的形式。图3A-图3B示出根据示例性实施方案的图2的钻探设备的纵剖面。图4A-图4B示出图2的钻探设备的一部分的放大的纵剖面，其分别示出处于打开状态和处于闭合状态的钻探设备的阀活塞。图5A和图5B示出根据示例性实施方案的用于形成图2的钻探设备的一部分的筒形凸轮的三维视图。图6示出根据示例性实施方案的图2的钻探设备的一部分的放大的纵剖面三维视图，其示出形成钻探设备的一部分的锁销和筒形凸轮的细节。图7示出根据示例性实施方案的图2的钻探设备的一部分的放大的三维纵剖面，其示出钻探设备的支撑活塞(staypiston)的细节。图8A-图8G各自示出根据示例性实施方案的图2的钻探设备在钻探设备的受控操作期间的不同阶段的三维纵剖面，以及对应于相关纵剖面的状态的压力曲线图和锁销行进图。具体实施方式以下详述参照附图来描述本公开的示例性实施方案，所述示例性实施方案示出示出可以如何实践本公开的实施例的各种细节。本文的讨论参照这些附图提出新颖方法、系统和装置的各种实施例，并且进行足够详细地描述，以使得本领域的技术人员能够实践本公开的主题。除本文所讨论的说明性实施例之外的许多实施方案可以用于实践这些技术。在不脱离本公开的范围的情况下，除本文明确讨论的替代方案之外可以做出结构上和操作上的改变。在本说明书中，对本说明书中“一个实施方案”或“实施方案”或“一个实施例”或“实施例”的参考并不旨在一定是指同一个实施方案或实施例；然而，这类实施例并非相互排斥的，除非这样说明或如受益于本公开的本领域的普通技术人员将显而易见的。因此，本专利技术可包括本文所述的实施方案和实施例的多种组合和/或综合，以及如限定在基于本公开的所有权利要求和此类权利要求的所有法律等效物的范围内的其它实施方案和实施例。图1是用于利用流体压力控制井下工具操作的系统的示例性实施方案的示意图。钻探设备100包括钻柱108位于其中的地下钻孔104。钻柱108可包括从固定在井口的钻探平台112悬置的钻杆的连接部分。位于钻柱108的底端的井下组件或井底组件(BHA)122可包括：钻头116，用于使位于钻柱108的前端处的地层破裂以导引钻孔104；以及一个或多个扩眼器组件118，在钻头116的沿井孔上行，用于通过选择性地可扩展的切削元件的操作而使钻孔104加宽。因此，钻孔104是细长的空腔，其为大致圆柱形，具有沿钻孔104的长度保持或多或少恒定的大致圆形横截面轮廓。钻孔104在一些情况下可以是直线形的，但通常可包括沿其长度的一个或多个弯曲部、弯折、转折或角度。如参考钻孔104和其中的部件所使用的，钻孔104的“轴线”(以及因此钻柱108或其一部分的“轴线”)是指圆柱形钻孔104的中心线。因此，“轴向”是指沿在所讨论的钻孔104的相关点或部分处与钻孔104的纵向方向大致平行的线的方向；“径向”是指大致沿与钻孔轴线相交且位于垂直于钻孔轴线的平面中的线的方向；“切向”是指大致沿不与钻孔轴线相交且不位于垂直于钻孔轴线的平面中的线的方向；并且“周向”是指由切向矢量围绕钻孔轴线的旋转所示出的大致弧形或圆形路径。如本文所使用，移动或位置“向前”或“沿井孔下行”(以及相关术语)是指朝向钻头116、远离地表的轴向移动或相对轴向位置。相反地，“向后”、“向后方”或“沿井孔上行”是指轴向地沿钻孔104、远离钻头116并且朝向地表的移动或相对位置。测量和控制组件120可被包括在BHA122中，所述BHA122还包括用于测量钻孔参数、钻探性能等的测量仪器。钻探流体(例如，钻探“泥浆”或可存在于井中的其它流体)从处在地表处且连接至井口(通常指示在130处)的钻探流体贮存器132(例如存储坑)，通过泵(未示出)来循环(此泵强制钻探流体沿由钻柱108的中空内部形成的钻探孔128向下)，以使得钻探流体在高压下通过钻头116离开。在从钻柱108离开之后，钻探流体占据限定在钻柱108与钻孔104的壁之间的钻孔环空134。虽然许多其它环形空间可与系统102相关联，但对环空压力、环空间隙等的参考是指钻孔环空134的特征，除非另有规定。应注意，钻探流体是沿钻柱108的内径(即，孔128)泵送的，其中从孔128流出的流体被限制在钻头116处。钻探流体随后沿环空134向上流动，从而将切屑从钻孔104的底部运送到井口130，在所述井口130处切屑被移除并且钻探流体可返回至钻探流体贮存器132。因此，孔128中的流体压力大于环空134中的流体压力。除非上下文另有说明，否则术语“压差”是指孔128的总流体压力与环空134中的压力之间的差。在一些情况下，钻头116是通过钻柱108从平台112上的旋转而旋转的。在这个示例性实施方案中，井下马达136(例如像所谓的泥浆马达或涡轮马达)被设置在钻柱108中，并且(在这个实例中形成BHA122的一部分)可以使钻头116旋转。在一些实施方案中，钻柱108的旋转可以选择性地由地表设备和井下马达中的一者或两者来提供动力。系统102可包括用于从整合在钻柱108中(通常形成BHA122的一部分)的传感器和装置接收信号的地表控制系统140。地表控制系统140可以在由操作员用来控制钻探操作的显示器或监视器上显示钻探参数和其它信息。一些钻探设备可以是部分或完全自动的，以使得钻探控制操作(例如，通过对钻探流体的压力程控而实现的对马达136的操作参数的控制和对井下工具的控制，如本文所述)可以是手动的、半自动的或完全自动的。地表控制系统140可包括具有一个或多个数据处理器和数据存储器的计算机系统。地表控制系统140可以处理与钻探参数相关的数据、来自地表处的传感器和装置的数据、从井下接收的数据，并且可以控制井下工具和装置的一个或多个操作，所述装置是井下装置和/或地表装置。代替先前提及的扩眼器组件118或除了先前提及的扩眼器组件118之外额外地，钻柱108可包括一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制会沿钻孔纵向延伸的钻柱中的井下工具的完井工具设备，所述完井工具设备包括：大致管状外壳，所述大致管状外壳被配置来形成所述钻柱的管线部分，所述外壳限定用于在压力下运送钻探流体的纵向延伸孔，钻孔‑环空压差被限定为所述钻孔中的钻探流体压力与环空中的钻探流体压力之间差值，所述环空将所述外壳与限定所述钻孔的壁径向间隔开；以及控制装置，所述控制装置被安装在所述外壳中，所述控制装置被配置来响应于所述钻孔‑环空压差的变化来控制所述井下工具的响应，所述控制装置限定能够连接到所述井下工具的液压启动机构的阀口，所述控制装置还包括：阀活塞，所述阀活塞能够在所述外壳中纵向移位以使得阀口设置成在打开状态与闭合状态之间，所述打开状态允许所述钻孔与所述井下工具的所述启动机构之间的流体压力连通，所述闭合状态使得所述启动机构与所述钻孔基本上隔离；闩锁机构，所述闩锁机构被配置来将所述阀活塞能够释放地锁定至所述外壳以便约束所述阀活塞沿一纵向方向的相对纵向移动，其中所述锁定的阀活塞能够通过其沿相反的第二纵向方向移动至模式改变位置而释放，其中所述控制装置的操作模式在以下模式之间改变：活动模式，在所述活动模式中，在施加等于或高于工具启动水平的孔压时所述阀口处于打开状态以允许液压工具启动；以及休眠模式，在所述休眠模式中，在施加等于或高于工具启动水平的孔压时所述阀口处于闭合状态以防止液压工具启动；以及支撑构件，所述支撑构件能够在响应于提供高于触发阈值的所述钻孔‑环空压差的液压致动下自动移位，以阻止所述锁定的阀活塞在液压致动下移动到所述模式改变位置。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于控制会沿钻孔纵向延伸的钻柱中的井下工具的完井工具设备，所述完井工具设备包括：大致管状的外壳，所述外壳被配置来形成所述钻柱的管线部分，所述外壳限定用于在压力下运送钻探流体的纵向延伸的孔，孔-环空压差被限定为所述孔中的钻探流体压力与环空中的钻探流体压力之间差值，所述环空将所述外壳与限定所述钻孔的钻孔壁径向间隔开；以及控制装置，所述控制装置被安装在所述外壳中，所述控制装置被配置来响应于所述孔-环空压差的变化来控制所述井下工具的响应，所述控制装置限定能够连接到所述井下工具的液压启动机构的阀口，所述控制装置还包括：阀活塞，所述阀活塞能够在所述外壳中纵向移位以使得阀口设置成在打开状态与闭合状态之间，所述打开状态允许所述钻孔与所述井下工具的所述液压启动机构之间的流体压力连通，所述闭合状态使得所述液压启动机构与所述钻孔基本上隔离；闩锁机构，所述闩锁机构被配置来将所述阀活塞能够释放地锁定至所述外壳以便约束所述阀活塞沿第一纵向方向的相对纵向移动，其中锁定的所述阀活塞能够通过其沿相反的第二纵向方向移动至模式改变位置而释放，其中所述控制装置的操作模式在以下模式之间改变：活动模式，在所述活动模式中，在施加等于或高于工具启动水平的孔压时所述阀口处于打开状态以允许液压工具启动；以及休眠模式，在所述休眠模式中，在施加等于或高于工具启动水平的孔压时所述阀口处于闭合状态以防止液压工具启动；以及支撑构件，所述支撑构件能够在响应于提供高于触发阈值的所述孔-环空压差的液压致动下自动移位，以阻止锁定的所述阀活塞在液压致动下移动到所述模式改变位置。2.如权利要求1所述的完井工具设备，其中所述支撑构件是支撑活塞，所述支撑活塞与所述阀活塞纵向对准，并能够在液压致动下沿所述第一纵向方向纵向移位以朝向与所述阀活塞接合，所述控制装置还包括：闭合偏置装置，所述闭合偏置装置被配置来沿所述第一纵向方向推动所述阀活塞以朝向所述阀口的闭合并抵制所述阀活塞的液压致动移动；支撑偏置装置，所述支撑偏置装置被配置来沿所述第二纵向方向推动所述支撑构件以远离所述阀活塞并抵制所述阀活塞的液压致动移动，所述支撑偏置装置大于闭合偏置装置，并且经选择以使得存在孔-环空压差值范围，在所述孔-环空压差值范围下，所述支撑活塞的液压致动移动被所述支撑偏置装置所防止，同时实现所述阀活塞抵制所述闭合偏置装置的液压致动移动。3.如权利要求2所述的完井工具设备，其还包括延缓装置，所述延缓装置用于使得所述阀活塞沿所述第二纵向方向的液压致动移动延缓，从而有利于在所述阀活塞在锁定时到达所述模式改变位置之前来阻止所述支撑活塞与所述阀活塞接合，所述延缓装置包括：多个配合的流量控制室，所述配合的流量控制室操作式地连接到所述阀活塞以使得所述阀活塞的纵向移动依赖于所述配合的流量控制室之间的对应流体传递；流体通路，所述流体通路连接所述多个配合的流量控制室中的至少两个；以及所述流体通路中的限流器，所述限流器被配置来响应于所述流量控制室之间的压差将所述流量控制室之间的流体流动限制到预定的流体流率，从而将所述阀活塞的液压致动的纵向移动限制到预定的速度。4.如权利要求1所述的完井工具设备，其中所述井下工具包括扩眼器组件，所述扩眼器组件包括：管状的扩眼器体部，所述扩眼器体部与所述外壳纵向对准并连接到所述外壳以使得所述扩眼器组件的所述液压启动机构与所述阀口流体压力连通；以及一个或多个切削元件，所述切削元件被安装在所述扩眼器体部上并且被配置来对所述钻孔壁进行扩孔，所述切削元件操作式地响应于孔压条件而设置在以下状态之间，展开状态，在所述展开状态下，所述一个或多个切削元件从所述扩眼器体部径向向外突出以接合所述钻孔壁，以及回缩状态，在所述回缩状态下，所述一个或多个切削元件回缩以允许所述扩眼器体部旋转而使得所述一个或多个切削元件与所述钻孔壁脱离接合。5.如权利要求1所述的完井工具设备，其中所述闩锁机构被配置来使得所述阀活塞在锁定时沿所述第二纵向方向从锁定静止位置到所述模式改变位置的响应于基本上恒定的孔-环空压差的液压致动移动能够仅通过提供处于低于所述触发阈值的水平的孔-环空压差并保持至少触发阈值时间间隔来实现。6.如权利要求5所述的完井工具设备，其中所述触发阈值时间间隔大于5分钟。7.如权利要求1所述的完井工具设备，其中闩锁机构包括：筒形凸轮，所述筒形凸轮被同轴地安装在所述阀活塞上，所述筒形凸轮能够围绕所述阀活塞旋转并被锚定至所述阀活塞以随其纵向移动，所述筒形凸轮在其径向外表面中限定细长的轨道凹槽，所述轨道凹槽围绕所述筒形凸轮在可变的纵向位置周向延伸；以及闩锁构件，所述闩锁构件被安装在所述外壳上以从其中径向向内突出，所述闩锁构件接纳在所述轨道凹槽中以与所述轨道凹槽进行凸轮从动接合，所述轨道凹槽被成形为使得所述筒形凸轮相对于所述闩锁构件的纵向移动引起所述筒形凸轮的旋转。8.如权利要求2所述的完井工具设备，其中闩锁机构包括：筒形凸轮，所述筒形凸轮被同轴地安装在所述阀活塞上，所述筒形凸轮能够围绕所述阀活塞旋转并被锚定至所述阀活塞以随其纵向移动，所述筒形凸轮在其径向外表面中限定细长的轨道凹槽，所述轨道凹槽围绕所述筒形凸轮在可变的纵向位置周向延伸；以及闩锁构件，所述闩锁构件被安装在所述外壳上以从其中径向向内突出，所述闩锁构件接纳在所述轨道凹槽中以与所述轨道凹槽进行凸轮从动接合，其中所述轨道凹槽包括：闩锁槽，所述闩锁槽被成形为使得当所述闩锁构件在所述闩锁槽中时，通过所述闩锁构件与所述闩锁槽的接合来防止所述阀口通过所述阀活塞在所述闭合偏置装置推动下纵向移动而被闭合；以及解闩锁槽，所述解闩锁槽被成形为允许所述闩锁构件沿其移动到其中所述阀口闭合的位置。9.一种钻探设备，其包括：细长钻柱，所述钻柱沿钻孔纵向延伸，所述钻柱限定纵向延伸的孔，所述纵向延伸的孔用于响应于限定在所述孔中的钻探流体压力与环空中的钻探流体压力之间的孔-环空压差而在压力下运送钻探流体，所述环空将所述钻探设备的外壳与钻孔壁径向间隔开；井下工具，所述井下工具形成所述钻柱的一部分，所述井下工具具有用于启动所述井下工具的液压启动机构；以及控制装置，所述控制装置形成所述钻柱的一部分，所述控制装置用于控制所述井下工具对所述孔-环空压差变化的响应，所述控制装置限定连接到所述井下工具的所述液压启动机构的阀口，所述控制装置还包括：阀活塞，所述阀活塞能够在所述钻柱中纵向移位并且被配置来将所述阀口设置在打开状态与闭合状态之间，所述打开状态允许所述钻孔与所述井下工具的所述液压启动机构之间的流体压力连通，所述闭合状态使得所述液压启动机构与所述钻孔基本上隔离；闩锁机构，所述闩锁机构被配置来将所述阀活塞能够释放地锁定以便约束所述阀活塞相对于所述钻柱沿第一纵向方向的纵向移动，所述阀活塞在锁定时能够通过其沿相反的第二纵向方向移动至模式改变位置而释放，所述阀活塞的锁定和释放使所述控制装置的操作模式在以下模式之间改变：活动模式，在所述活动模式中，在施加等于或高于工具启动水平的孔压时所述阀口处于其打开状态以允许通过所述钻孔的液...

【专利技术属性】
技术研发人员：小约翰·R·哈丁，丹尼尔·M·温斯洛，简皮埃尔·洛索伊，尼古拉斯·莫拉利特，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国;US