钻头保护器组件和方法技术

一种钻头保护器组件，其具有内部阀套筒，该内部阀套筒在钻头的钻压(WOB)超过阈值时致动，以克服由容纳在钻头保护器组件内的弹簧和内部阀套筒的区域处的钻井流体的内部流动压力提供的抵消力。内部阀套筒的致动打开通向井眼环形空间的流体通道，从而导致钻井流体流动压力的降低和钻柱的拉伸，由此在没有操作者帮助的情况下降低钻头的钻压。助的情况下降低钻头的钻压。助的情况下降低钻头的钻压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】钻头保护器组件和方法


[0001]本专利技术涉及一种钻头保护器(bit saver)组件和方法，用于在井眼钻井作业期间管理钻压(weight
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bit，WOB)并在已经达到钻压极限时通知钻井机。更具体地，本专利技术涉及用于通过改变内部流动压力来管理钻压的钻头保护器组件和方法。
[0002]专利技术背景
[0003]在钻油气井的过程中，对钻头施加力以破碎井眼底部处的岩石。这种力由钻柱(drill string)内的钻铤施加。钻铤是由实心钢棒加工而成的厚壁管。钻铤定位在钻柱上，接近钻头。钻铤与钻头、钻头接头、泥浆马达、稳定器、重型钻管、震击装置(“震击器(jar)”)和各种螺纹形式的交叉器(crossover)一起构成已知为“底部钻具组件”的组件。底部钻具组件必须将力传递给钻头以破碎岩石(钻压)，对付恶劣的机械环境，并为钻井机提供井的方向控制。重力作用在钻铤上，以施加钻头有效破碎岩石所需的向下的力。钻压或WOB是施加在钻头上的轴向力的大小。为了控制钻压，当钻头刚好离开井眼的底部时，钻井机监控测量的表面重量(悬挂钻柱的重量)。钻井机降低钻柱，直到钻头接触井眼的底部。当钻柱进一步降低时，钻头接收更多的钻压。当从表面悬挂时测量到较少的重量。对于竖直井眼，如果在钻井时表面测量显示钻柱重量减少了2000kg，则应该有2000kg的力传递到钻头。
[0004]钻井流体或泥浆通过穿过钻柱延伸到钻头的中心孔从表面泵送。钻井流体在钻井时润滑和冷却钻头，以防止磨损。钻井流体还通过环形空间(annulus)返回到表面，从而将钻屑带离钻头。
[0005]基于所使用的钻头的类型、尺寸和品牌、钻井深度、钻井泥浆的重量以及要钻穿的地质构造的特征，存在钻压值的最佳范围。如果钻压大于最佳范围的上限，则钻头可能遭受过度磨损或损坏的可能性更大。如果钻压小于最佳范围的下限，则进入地质构造的渗透率降低，导致钻机时间和成本增加。钻头制造商通常明确规定关于特定钻头的最大钻压。
[0006]专利技术概述
[0007]本专利技术涉及钻头保护器组件的一个实施例，该钻头保护器组件可以包括外部壳体，该外部壳体包括由内孔壁界定的内孔。外部壳体可以包括一个或更多个孔眼，该一个或更多个孔眼用于使钻井流体通向井眼的环形空间。该组件还可以具有外部阀套筒，该外部阀套筒包括由内孔壁界定的内孔。外部阀套筒可以容纳在外部壳体的内孔内并且可以固定到外部壳体的内孔壁。外部阀套筒可以包括一个或更多个孔眼，外部阀套筒的该一个或更多个孔眼用于使钻井流体通向外部壳体的一个或更多个孔眼。组件还可以具有内部组件，内部组件可相对于外部阀套筒选择性地轴向移动，并且部分地容纳在外部壳体的内孔内。内部组件可以包括定位在外部阀套筒的内孔内的内部阀套筒。内部阀套筒可以包括一个或更多个孔眼，内部阀套筒的该一个或更多个孔眼用于使钻井流体选择性地通向外部阀套筒的一个或更多个孔眼。内部阀套筒可以具有非致动位置和致动位置，在非致动位置，内部阀套筒的一个或更多个孔眼不与外部阀套筒的一个或更多个孔眼流体连通，在致动位置，内部阀套筒的一个或更多个孔眼与外部阀套筒的一个或更多个孔眼流体连通。内部组件可以具有弹簧，该弹簧定位在外部壳体的内孔内并且可操作地连接到内部阀套筒。弹簧可以具
有预加载力。内部组件可以可操作地连接到钻头，并且构造成基于钻头上的钻压(WOB)力小于包括弹簧的预加载力加上在接近内部阀套筒的区域处的钻井流体流动压力的抵消力，将内部阀套筒的一个或更多个孔眼置于非致动位置，并且基于WOB力大于抵消力，将内部阀套筒的一个或更多个孔眼置于致动位置。
[0008]在钻头保护器组件的另一个实施例中，内部组件可以包括弹簧心轴，弹簧心轴定位在外部壳体的内孔内。弹簧心轴可以可操作地连接到内部阀套筒和弹簧。弹簧可以围绕弹簧心轴的一部分定位。
[0009]在钻头保护器组件的又一个实施例中，内部组件可以包括花键心轴(spline mandrel)。花键心轴可以部分地定位在外部壳体的内孔内。花键心轴可以具有上部端部，上部端部可操作地接触弹簧心轴的下部端部，花键心轴可以具有可操作地连接到钻头的下部端部。
[0010]在钻头保护器组件的又一个实施例中，内部组件可以包括心轴螺母，心轴螺母在花键心轴的上部端部与外部壳体的内孔壁之间可操作地定位在外部壳体的孔内。心轴螺母可以直接连接到花键心轴的上部端部并可与花键心轴的上部端部一起移动。心轴螺母可以构造成将弹簧心轴的下部端部保持到花键心轴的上部端部上。
[0011]在钻头保护器组件的又一个实施例中，内部组件可以包括下部弹簧间隔件，下部弹簧间隔件在弹簧心轴与外部壳体的内孔壁之间可操作地定位在外部壳体的内孔内。下部弹簧间隔件的底部端部可以接触心轴螺母的上部端部并可与心轴螺母的上部端部一起移动。弹簧间隔件的上部端部可以接触弹簧的下部端部。
[0012]在钻头保护器组件的又一个实施例中，组件还可以包括上部弹簧间隔件，上部弹簧间隔件可操作地定位在外部壳体的内孔内。上部弹簧间隔件可以附连到外部壳体。上部弹簧间隔件的下部端部可以接触弹簧的上部端部。
[0013]在钻头保护器组件的又一个实施例中，内部组件可以包括弹簧螺母，弹簧螺母在弹簧心轴与外部壳体的内孔壁之间部分地可操作地定位在外部壳体的内孔内。弹簧螺母可以直接连接到弹簧心轴的上部端部。
[0014]在钻头保护器组件的又一个实施例中，该组件还可以包括压缩螺母，压缩螺母固定地附接到外部壳体的内孔壁。压缩螺母可以具有由内孔壁界定的内孔。压缩螺母的内孔可以设定尺寸成当内部阀套筒处于致动位置时接纳弹簧螺母的上部区段(section)。
[0015]在钻头保护器组件的又一个实施例中，弹簧螺母的上部区段可以直接连接到内部阀套筒的下部端部。
[0016]在钻头保护器组件的又一个实施例中，花键心轴的上部端部可以包括密封件。密封件可以提供花键心轴和心轴螺母之间的密封连接。
[0017]在钻头保护器组件的又一个实施例中，外部阀套筒的上部端部可以包含密封件且外部阀套筒的下部端部可以包含密封件。密封件可以提供外部阀套筒和外部壳体之间的密封连接。外部阀套筒的一个或更多个孔眼可以定位在外部阀套筒的上部端部的密封件和外部阀套筒的下部端部的密封件之间。
[0018]在钻头保护器组件的又一个实施例中，花键心轴的下部端部的不容纳在外部壳体的内孔内的部分包括肋。肋可以具有上部肩部，当内部阀套筒处于致动位置时，上部肩部与外部壳体的下部终止边缘邻接。
[0019]在钻头保护器组件的又一个实施例中，外部壳体可以包括上部主体、弹簧壳体和花键主体。上部主体的下部端部可以直接连接到弹簧壳体的上部端部。弹簧壳体的下部端部可以直接连接到花键主体的上部端部。
[0020]本专利技术还涉及在钻井作业期间管理钻头上的钻压(WOB)力的方法的实施例。该方法可以包括以下步骤：(a)使钻柱沿着井眼向下行进，钻柱终止于包括钻头的底部钻具组件(BHA)处。钻柱可以包括如上文所述的钻头保护器组件，钻头保护器组件可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种钻头保护器组件，包括：外部壳体，其包括由内孔壁界定的内孔，所述外部壳体包括一个或更多个孔眼，所述一个或更多个孔眼用于使钻井流体通向井眼的环形空间；外部阀套筒，其包括由内孔壁界定的内孔，所述外部阀套筒容纳在所述外部壳体的所述内孔内并固定到所述外部壳体的所述内孔壁，所述外部阀套筒包括一个或更多个孔眼，所述外部阀套筒的所述一个或更多个孔眼用于使所述钻井流体通向所述外部壳体的所述一个或更多个孔眼；内部组件，其能够相对于所述外部阀套筒选择性地轴向移动，并且部分地容纳在所述外部壳体的所述内孔内，所述内部组件包括定位在所述外部阀套筒的所述内孔内的内部阀套筒，所述内部阀套筒包括一个或更多个孔眼，所述内部阀套筒的所述一个或更多个孔眼用于使所述钻井流体选择性地通向所述外部阀套筒的所述一个或更多个孔眼，所述内部阀套筒具有非致动位置和致动位置，在所述非致动位置，所述内部阀套筒的所述一个或更多个孔眼不与所述外部阀套筒的所述一个或更多个孔眼流体连通，在所述致动位置，所述内部阀套筒的所述一个或更多个孔眼与所述外部阀套筒的所述一个或更多个孔眼流体连通；弹簧，其定位在所述外部壳体的所述内孔内并且可操作地连接到所述内部阀套筒，所述弹簧具有预加载力；并且其中，所述内部组件可操作地连接到钻头，并且构造成基于所述钻头上的钻压(WOB)力小于包括所述弹簧的所述预加载力加上在接近所述内部阀套筒的区域处的钻井流体流动压力的抵消力，将所述内部阀套筒的所述一个或更多个孔眼置于所述非致动位置，并且基于所述WOB力大于所述抵消力，将所述内部阀套筒的所述一个或更多个孔眼置于所述致动位置。2.根据权利要求1所述的钻头保护器，其中，所述内部组件包括弹簧心轴，所述弹簧心轴定位在所述外部壳体的所述内孔内，所述弹簧心轴可操作地连接到所述内部阀套筒和所述弹簧，所述弹簧围绕所述弹簧心轴的一部分定位。3.根据权利要求2所述的钻头保护器，其中，所述内部组件包括花键心轴，所述花键心轴部分地定位在所述外部壳体的所述内孔内，所述花键心轴具有上部端部，所述上部端部可操作地接触所述弹簧心轴的下部端部，所述花键心轴具有可操作地连接到所述钻头的下部端部。4.根据权利要求3所述的钻头保护器，其中，所述内部组件包括心轴螺母，所述心轴螺母在所述花键心轴的所述上部端部与所述外部壳体的所述内孔壁之间可操作地定位在所述外部壳体的所述孔内，所述心轴螺母直接连接到所述花键心轴的所述上部端部并且能够与所述花键心轴的所述上部端部一起移动，所述心轴螺母构造成将所述弹簧心轴的所述下部端部保持到所述花键心轴的所述上部端部上。5.根据权利要求4所述的钻头保护器组件，其中，所述内部组件包括下部弹簧间隔件，所述下部弹簧间隔件在所述弹簧心轴与所述外部壳体的所述内孔壁之间可操作地定位在所述外部壳体的所述内孔内，所述下部弹簧间隔件的底部端部接触所述心轴螺母的上部端部并能够与所述心轴螺母的所述上部端部一起移动，所述弹簧间隔件的上部端部接触所述弹簧的下部端部。6.根据权利要求5所述的钻头保护器组件，还包括上部弹簧间隔件，所述上部弹簧间隔
件可操作地定位在所述外部壳体的所述内孔内，所述上部弹簧间隔件附连到所述外部壳体，所述上部弹簧间隔件的下部端部接触所述弹簧的上部端部。7.根据权利要求6所述的钻头保护器组件，其中，所述内部组件包括弹簧螺母，所述弹簧螺母在所述弹簧心轴与所述外部壳体的所述内孔壁之间部分地可操作地定位在所述外部壳体的所述内孔内，所述弹簧螺母直接连接到所述弹簧心轴的上部端部。8.根据权利要求7所述的钻头保护器组件，还包括压缩螺母，所述压缩螺母固定地附接到所述外部壳体的所述内孔壁，所述压缩螺母具有由内孔壁界定的内孔，所述压缩螺母的所述内孔设定尺寸成当所述内部阀套筒处于所述致动位置时接纳所述弹簧螺母的上部区段。9.根据权利要求8所述的钻头保护器组件，其中，所述弹簧螺母的所述上部区段直接连接到所述内部阀套筒的下部端部。10.根据权利要求3所述的钻头保护器组件，其中，所述花键心轴的所述上部端部包括密封件，所述密封件提供所述花键心轴与所述心轴螺母之间的密封连接。11.根据权利要求1所述的钻头保护器组件，其中，所述外部阀套筒的上部端部包含密封件并且所述外部阀套筒的下部端部包含密封件，所述密封件提供所述外部阀套筒与所述外部壳体之间的密封连接，并且其中，所述外部阀套筒的所述一个或更多个孔眼定位在所述外部阀套筒的所述上部端部的所述密封件与所述外部阀套筒的所述下部端部的所述密封件之间。12.根据权利要求3所述的钻头保护器组件，其中，所述花键心轴的所述下部端部的不容纳在所述外部壳体的所述内孔内的部分包括肋，所述肋具有上部肩部，当...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩特尔，
申请(专利权)人：修井作业解决方案公司，
类型：发明
国别省市：