用于钻柱的井下振动工具制造技术

一种井下工具，用于在钻井液中循环产生周期性压力波，周期性压力波的强度足以振动钻柱或连续油管以减小钻柱或连续油管和无套筒或有套筒的井孔的壁之间的摩擦。钻井液流经工具的通道受到限制，以在钻井液继续流经工具时增加钻井液压力。旋转阀周期性地打开收缩部周围的支路，以增加钻井液通过工具的流动面积，同时，由一对旋转凸轮移动的轴向移动阀打开，以允许钻井液排放到由钻柱或连续油管与井孔壁形成的环空。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于钻柱的井下振动工具优先权要求本申请要求2018年8月17日提交的美国申请第No.15/999,267的权益，其全部内容结合于此作为参考。
本专利技术大体涉及使钻柱和油管振动以减少在油气钻探和修井操作期间的摩擦的井下工具。
技术介绍
在高度偏斜或复杂的使用定向钻井技术形成的井(例如水平井、扩展井和多边井)中，降低到裸眼(无套筒井孔)或套筒井中的钻柱或连续油管之间的摩擦是一个常见问题。所产生的阻力会阻止进出管的孔的运动，以及在钻柱的情况下阻碍钻柱的旋转，尤其是一旦钻柱或连续油管停止移动以及发生静摩擦。在钻探井孔时，摩擦力还会影响钻头的钻进速度(ROP)。当发生拖曳时，钻井操作员试图施加在钻头上的全部重量(“钻头上的重量”)不会转移到钻头上。“钻柱”通常是指连接钻杆，钻头和其他工具的组合，钻柱从地表旋转以钻穿地下岩层，以建立用于从岩石中回收石油和天然气沉积物的井孔。但是，可以使用连续油管代替连接钻杆来组成钻柱。无论哪种情况，钻井液或“泥浆”都在高压下通过钻柱泵送，然后在离开钻头的面后，通过形成在钻柱与井孔侧面之间的环空循环回地面。钻井液充当排出岩屑的媒介。当正排量或“泥浆”马达放置在钻柱内时，钻井液的流动也为泥浆马达提供动力。连续油管是一种连续的管道，可存储在卷轴上，可以快速移入和移出井孔，也可以用于不同的应用，例如捕鱼作业、清理作业、操作井下设备(例如可移动套筒)和其他类型完成和重做操作。连续油管的两种使用都可能遭受与上述摩擦相关的问题。因此，对“钻柱”的引用旨在包括使用用于钻探的连接管或连续油管进行钻井的钻柱，以及在其他涉及高度偏斜或复杂井孔的应用中使用连续油管的钻柱。为了减少摩擦的影响，将专用的井下工具插入钻柱中以使其振动。这种工具的一个众所周知的实例是NOV出售的AgitatorTM。另一个实例是来自CTEnergy的“TheToeTapperTM”。尽管其中一些类型的工具会产生横向和扭转振动，但大多数会在钻柱中产生轴向振动。钻柱中的振动通过在钻井液中产生周期性压力波来帮助减少摩擦的影响。在美国专利第6,237,701、6,431,294、8,162,078和9,222,312号，以及美国公开的专利申请第2017/0191325号公开了这些类型的井下工具的实例。
技术实现思路
所要求保护的主题涉及对井下工具的改进，该井下工具用于在诸如钻井液的流体中产生压力波，所述钻井液在高压下泵送通过下降到裸眼井或套筒井孔中的钻柱。压力波传播通过流体并且具有足以使钻柱振动的振幅，以减小当井孔偏离时钻柱与井孔侧面之间的摩擦。井下工具可以与冲击工具或锤子组件一起使用。在基于
技术实现思路
不只在限制所附权利要求的范围的理解下，在本节中简要总结了不同类型和设计的振动工具的代表性实例，每种都体现一种或多种改进。在这样的井下工具的一个实施例中，工具限制通过工具的流体的流动区域以增加压力，然后加宽该流动区域，并且同时或接近同时打开外部排放口以允许工具中的流体逸出进入钻柱与井孔(流体在其中运行)侧面之间的环空，从而造成压力突然下降。循环增加压力，然后通过增加流动面积以及同时或几乎同时向外部排放钻井液来降低压力，来增加压力波的幅度，同时保持钻柱压力(通过地面处的一个或多个泵观测到的钻柱中的流体的压力)，该压力是指压力波的最高压力和最低压力之间的平均值。与仅排放或仅改变工具的限制以产生压力波相比，工具能够在给定的钻柱压力下产生更高振幅的压力波，同时保持通过钻柱的流体流量恒定。在某些应用中，保持恒定的流速很重要。用来泵送钻井液的泵所能达到的压力是有限制的。振幅更大的钻井液中的压力波趋向于进一步向上传播至钻柱，从而引起更强的振动并进一步向上延伸至钻柱，这将导致较小的摩擦。在该实施例的一个实例中，使钻井液流过工具的通道被压缩以增加压力，同时仍然允许钻井液流过工具。通过在收缩部周围打开具有一个或多个附加通道的支路来扩大钻井液通过工具的流动面积，从而允许钻井液流过狭窄通道和支路通道。在另一个实例中，阀与单独的阀同步地打开限制支路，该单独的阀打开到处于较低压力的钻柱和井孔壁(有壳的或无壳的)之间的环空的钻井液排放口。这种井下工具的另一个实施例包括用于将钻井液释放到由阀控制的环空中的外部排放口，该阀沿在大体上平行于工具轴线的方向以线性方式平移以打开和关闭钻井液流动的排放口。这种阀的一个非限制性实例是套筒，该套筒轴向移动以关闭和打开(至少部分地)孔，该开孔包括用于使钻井液通过排放口的外部排放口。使套筒移动的机构的实例是放置在套筒的相对端上的一对旋转凸轮，该对旋转凸轮配合以使套筒在两个位置之间轴向滑动。凸轮通过例如井下泥浆马达来旋转，但是可以使用其他旋转源。在下面示出和描述的实例中，凸轮安装在旋转的中空杆上，当由变速套筒打开时，钻井液通过该中空杆流过工具并流到外部排放口。也可以使用内联限制器以在打开排放之前增加工具内的压力。凸轮的优点在于，通过调节排放口打开、部分打开/关闭以及关闭的时间段，可以使由工具产生的压力波成方波。使压力相对正弦波更像方波会增加波中的能量，这将倾向于增加钻柱振动的强度或振幅。在另一个代表性的实施例中，井下工具通过操作旋转阀以周期性地限制钻井液通过工具的横截面流动面积，并配合循环往复线性阀控制排出口的打开以用于将钻井液的部分分流至环空，来产生周期性压力波。可以调节线性阀和旋转阀的打开时间，使得释放同时发生，或者使得释放在不同的时间发生，这取决于应用所需的压力波的强度和频率。参考附图中示出的非限制性的代表性实例的下面的描述是采用各种改进中的一个或多个及其各自优点的井下工具的这些和其他实施例。附图说明图1示意性地示出了用于在用于使钻柱振动的钻井液中产生足够量级的压力波的井下工具的实施例的操作原理。图2A和2B是用于根据图1所示的原理在钻井液中产生压力波的分别处于关闭和打开状态下的井下工具的实施例的示意性横截面。图3是井下振动工具的实施例的透视图，该井下振动工具能够产生足以使钻柱振动的压力波。图4A、4B、4C和4D是当工具处于关闭状态、半打开状态、打开状态和半关闭状态时沿工具中心线所截取的图3所示的工具的横截面。图5A、5B、5C和5D是图3所示的工具的横截面，当工具如在图4A、4B、4C和4D所示出的分别处于关闭状态、半打开状态、打开状态和半关闭状态时分别沿其中心线所截取。图6A、6B、6C和6D示出了图3的没有壳体的分别处于关闭状态、半打开状态、打开状态和半关闭状态的工具。图7是没有其壳体的井下振动工具的另一实施例的侧视图，该井下振动工具能够产生足以使钻柱振动的压力波。图8A和8B是图7中的井下工具的横截面，沿着图7是中心线所截取并且从与图7所示相同的角度观察，工具分别处于完全关闭、高压状态和完全打开、低压状态。图9A和9B是分别在完全打开、低压状态和完全关闭、高压状态下的能够产生足够量级的周期性压力波以振动钻柱的井下振动工具的又另一示例性实施例的横截面。具体实施方式在下面的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于使降低到井孔中的钻柱或连续油管振动的井下工具，高压流体被泵送至所述井孔，所述工具包括：/n管状壳体，用于与所述钻柱或连续油管连接，所述管状壳体具有中心轴线；/n位于所述管状壳体内的至少一个流体通道，用于在所述管状壳体的端部之间连通高压流体；/n位于所述壳体内的阀，用于通过位于所述管状的壳体侧壁中的排放口将高压流体从所述通道循环地排放到所述管状壳体的外部；以及当排放高压流体以降低所述工具内的所述高压流体的压力时，增加所述高压流体流经所述壳体的有效横截面流动面积；以及然后当不排放时，在不停止高压流体流过工具的情况下，减小所述有效横截面流动面积，所述工具内的所述高压流体的压力。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180817 US 15/999,2671.一种用于使降低到井孔中的钻柱或连续油管振动的井下工具，高压流体被泵送至所述井孔，所述工具包括：
管状壳体，用于与所述钻柱或连续油管连接，所述管状壳体具有中心轴线；
位于所述管状壳体内的至少一个流体通道，用于在所述管状壳体的端部之间连通高压流体；
位于所述壳体内的阀，用于通过位于所述管状的壳体侧壁中的排放口将高压流体从所述通道循环地排放到所述管状壳体的外部；以及当排放高压流体以降低所述工具内的所述高压流体的压力时，增加所述高压流体流经所述壳体的有效横截面流动面积；以及然后当不排放时，在不停止高压流体流过工具的情况下，减小所述有效横截面流动面积，所述工具内的所述高压流体的压力。


2.根据权利要求1所述的井下工具，其中，所述阀包括安装在所述管状壳体内的用于在第一位置和第二位置之间沿所述中心轴线往复线性运动的阀，在所述第一位置限制高压流体通过所述排放口的连通，而在所述第二位置增加高压流体通过所述排放口的连通。


3.根据权利要求2所述的井下工具，其中，所述第一阀包括非旋转套筒，所述非旋转套筒在所述管状壳体内在轴向方向上滑动以阻塞所述排放口。


4.根据权利要求3所述的井下工具，还包括用于使所述套筒移动的装置。


5.根据权利要求3或4所述的井下工具，其中，通过旋转位于所述套筒的相对端上的凸轮而使所述套筒以线性往复运动的方式移动。


6.根据权利要求3至5中任一项所述的井下工具，其中，通过交替套筒的压力差来使所述套筒往复运动。


7.根据权利要求1所述的井下工具，其中，所述阀包括旋转阀。


8.根据权利要求1所述的井下工具，其中，所述阀包括第一阀和第二阀，所述第一阀用于通过所述管状壳体的侧壁中的排放口将高压流体从所述通道循环地排放到所述管状壳体的外部，所述第二阀用于当所述第一阀打开以排放高压流体以降低所述工具内的所述高压流体的压力时增大流经所述壳体的所述高压流体的有效横截面流动面积，以及然后当所述第一阀关闭时，在不停止高压流体流过所述工具的情况下，减小有所述效横截面流动面积，所述工具内的高压流体的压力。


9.根据权利要求8所述的井下工具，其中，所述第一阀包括轴向往复阀，以及所述第二阀包括旋转阀。


10.根据权利要求7所述的井下工具，还包括具有中空中心的杆，所述杆包括所述通道的至少部分，其中，所述旋转阀通过所述杆而被旋转。


11.根据权利要求10所述的井下工具，其中，所述阀还包括由轴向往复运动的套筒组成的轴向阀，用于控制高压流体经由在旋转杆上滑动的所述排放口的排放。


12.根据权利要求1-11中任一项所述的井下工具，还包括：
具有中空中心的心轴，所述心轴包括所述至少一个流体通道，所述通道中空中心具有限制部以缩小有效横截面流动面积；以及
至少一个端口，通过在所述壳体内轴向地使所述心轴往复运动以将所述至少一个端口与对应的端口对准来打开和关闭所述至少一个端口从而连通高压流体，以用于建立与至少一个流体通道和排放口和第二流体通道的流体连通，其中，当所述第二流体通道打开时第二流体通道扩大高压流体通过所述工具的有效横截面流动面积。


13.一种井下工具，包括：
具有中心轴线的管状壳体，用于与钻柱或连续油管连接，所述管状壳体具...

【专利技术属性】
技术研发人员：马修·B·罗斯曼，克里斯托弗·M·卡萨德，托马斯·A·达米安，贾森·C·莫，
申请(专利权)人：阿特拉钻孔技术有限合伙公司，
类型：发明
国别省市：美国;US