專利名稱：用于鉆井眼的鉆頭和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在物體內鉆井眼的鉆頭，所述鉆頭包括延伸在中心縱軸周圍的鉆頭體，該鉆頭可通過繞所述中心縱軸旋轉來操作。
背景技術：
在專利公開號為GB2365888A中披露了一種可展開的鉆頭。該已知的鉆頭包括設有刀具的兩個可樞轉的臂。在收縮位置，所述臂鉆削出與鉆頭體相當的井眼，在展開位置，所述臂鉆削出較大的井眼。在該展開位置，導引部鉆削出井眼的中心，所述臂鉆削出標準尺寸。
發明內容
本發明的目的是對鉆頭進行改進。特別地，本發明的目的是提供一種鉆頭，其可更加可靠地在收縮位置和展開位置之間切換。
依照本發明，提供一種用于在物體內鉆井眼的鉆頭，所述鉆頭具有中心縱軸并包括設有中心柄部的鉆頭體，所述中心柄部用來將鉆頭連接到鉆井系統上，所述鉆頭還包括至少一個鉆削臂，各個鉆削臂設有用來鉆削物體的一組刀具，并經由樞轉裝置聯結到鉆頭體上，其中，所述樞轉裝置容許鉆削臂在徑向收縮位置和徑向展開位置之間樞轉，所述鉆頭設有支撐裝置，以用于在其徑向展開位置支撐該鉆削臂，其中，所述支撐裝置用來將鉆井過程中產生的至少一部分旋轉扭矩從鉆削臂傳遞到鉆頭體，以便降低或防止所述旋轉扭矩經由樞轉裝置傳遞。
借助于支撐裝置，減輕了樞轉裝置所承受的全部扭矩負載。由此可以得到，在不喪失將鉆頭從收縮位置切換到展開位置以及相反的過程的可靠性的情況下，所述樞轉裝置不會由于傳遞較大的負載而易于受到損壞。
在另一個方面，本發明提供一種液壓系統，其用于驅使可樞轉的鉆具臂在徑向收縮位置和徑向展開位置之間作樞轉運動，液壓系統包括液壓缸和活塞裝置，所述活塞裝置滑動地安裝在液壓缸內，在活塞裝置的一側形成驅動室，在活塞裝置的另一側形成返回室，活塞裝置在液壓缸內具有前進和后退位置，由此，活塞裝置由于作用于其上的驅動力超出了作用于其上的返回力而可被驅動至后退位置，其中，所述驅動力由于主動室內的壓力而產生，所述返回力由于返回室內的壓力而產生，所述活塞裝置聯結到可樞轉的鉆具臂上，以在活塞被驅動至后退位置時，將該鉆具臂從收縮位置驅動到展開位置，由此，活塞裝置被聯結到門裝置(gate means)上，這樣設置該門裝置，即，在活塞裝置處于其前進位置或者在前進位置附近時，作用于活塞上的返回力就超出了作用于活塞上的驅動力，而相反的是在活塞裝置處于除前進位置或者前進位置附近以外的位置時的情況，其中，所述返回力由于返回室內的壓力而產生，所述驅動力由于主動室內的壓力而產生。
在鉆具臂處于收縮位置時，活塞裝置可置于前進位置處或者其附近，門裝置在該位置處被切換，以便將活塞裝置偏壓到前進位置。在活塞裝置被機械地移出其前進位置時，門裝置由于其聯結到活塞裝置上而被切換，這就導致作用于活塞上的驅動力超出了作用于活塞上的返回力，其中，所述驅動力由于主動室內的壓力而產生，所述返回力由于返回室內的壓力而產生。結果，鉆具臂樞轉到其展開位置，并由活塞裝置保持在該位置處。通過機械地迫使活塞裝置進入其前進位置，或者通過設置附加的門裝置，可以恢復開始時的狀態，由此，在該狀態下活塞裝置可被再次偏壓到其前進位置，其中，所述門裝置用于調節主動室和返回室內部的壓力，以便根據指令向前移動活塞裝置。
將在下文參考附圖以示例方式更詳細地敘述本發明，其中圖1示意性地示出本發明的鉆頭在徑向收縮位置時的一個實施例的縱視圖，其局部剖開；圖2示意性地示出圖1中的鉆頭處于徑向展開位置時的縱視圖，其局部剖開；圖3示意性地示出圖2中的3-3截面。
具體實施例方式
在附圖中，相同的附圖標記指示相同的元件。
參考圖1-3，示出用來在地質巖層內鉆井眼的鉆頭1，所述鉆頭具有導引部1a，該導引部1a設有流體噴嘴1b和與通常鉆頭的鉆削結構類似的鉆削結構1c。導引部1a的直徑為D1，其稍小于井眼入口部分的通過直徑，例如由井眼上部的套管(未示出)限定形成。此外，鉆頭具有柄部2，該柄部2設有螺紋3，以將鉆頭聯結到鉆柱(未示出)上。導引部1a固定地連接到管6上，所述管6被軸向可滑動地容納在柄部2內，所述管6配備有活塞7。因此，導引部1a、管6和活塞7可相對于柄部2作軸向滑動。柄部2設有兩個相對的唇緣8，各個唇緣8具有平的內表面(圖3)，在導引部1a相對于柄部2處于最上方位置時(圖2)，所述內表面靠著導引部1a的相應的平的外表面8b延伸。
鉆頭1還設有鉆削臂，其形式為下擴眼臂9(under-reaming arm)，經由鉸鏈10形式的樞轉裝置連接到柄部2上，其中，所述鉸鏈10由唇緣8支撐。各個下擴眼臂9可繞相應的鉸鏈10在徑向收縮位置和徑向展開位置之間旋轉，其中，所述下擴眼臂9在徑向收縮位置基本上與導引部1a平齊，所述下擴眼臂9在徑向展開位置延伸至比導引部1a的直徑還要大的直徑。柄部2在其下端設有環形鎖環12，在各個下擴眼臂9處于徑向展開位置時，該環形鎖環12滑動配合到設在各個所述下擴眼臂9內的相應的環形凹槽14內。此外，鎖環12和凹槽14設有齒廓(未示出)，以便容許將鉆頭1的操作過程中產生的鉆削扭矩經由所述齒廓從下擴眼臂9傳遞到柄部2。除了齒廓，任何適當形式的輪廓都可設置在鎖環12和凹槽14內，以在下擴眼臂9和柄部2之間傳遞負載和扭矩，例如，可以采用階梯形輪廓。
活塞7在柄部2內限定兩個環形室，由此，活塞下方的室16經由開口18連接到管6的孔部。在活塞7處于其最下方位置時，所述開口18可被柄部2閉合。活塞7上方的室19經由開口20被連接到形成在鉆頭1和井眼之間的井眼環(未示出)內。在鉆探流體通過鉆頭1循環時，通過流體噴嘴1b的壓降導致在管6上產生一個純向上的力，這是因為環形活塞區域大于管6的區域。
在兩個下擴眼臂9對稱的情況下，鉆頭1對于下擴眼臂9的各個位置來說都具有力平衡的鉆削結構。柄部2的唇緣8的外表面可設有抗磨層，以提供給鉆頭附加的橫向穩定性。
在利用套管在地質巖層內鉆出一個超標準尺寸的井眼時，運轉過程如下在導引部1自柄部2軸向延伸，并且下擴眼臂9在其相應的收縮位置處(如圖1所示)的情況下，鉆頭1穿過套管。借助于設在柄部2內的安全銷22將導引部1a保持在軸向延伸位置，其中，所述安全銷22用來防止柄部2內的管6向上移動。鉆頭1還運行到套管下方的開孔，以使得鉆井組件能夠被鎖定在套管下部。然后，套管和鉆井組件運行到孔底。在這個操作過程中，在沒有開動下擴眼臂9的情況下可以進行泥漿循環，這是因為管6內的開口18在活塞處于最下位置時被柄部2關閉。一旦導引部觸到孔底，管6就相對于柄部向上移動，由此破壞了安全銷22，之后開口9打開。通過鉆頭噴嘴的壓降將趨于將鉆頭關閉。通過閉合鉆頭，下擴眼臂9將向外移動，并終止在其展開位置，如圖2所示。
仍參考圖2，在下擴眼臂9處于完全展開位置時，柄部2的唇緣8卡在導引部1a的平的外表面8b周圍。同時，柄部2下端的鎖環12卡在下擴眼臂9的凹槽14內。配合的鎖環12和下擴眼臂9的凹槽14防止了下擴眼臂9相對于柄部2沿著鉆頭的旋轉方向進行旋轉。
一旦導引鉆頭處于其最上位置，就會導致下擴眼臂9處于其完全展開位置，導引鉆頭的鉆井扭矩經由唇緣8被傳遞到柄部2，并隨后經由螺紋連接部3傳遞到鉆井組件。導引部1a的重量經由下擴眼臂9和鎖環12傳遞到柄部2，并隨后經由螺紋連接部3傳遞到鉆井組件。下擴眼臂9的重量經由鎖環12傳遞到柄部2，并且，下擴眼臂9的扭矩經由鎖環12的鋸齒部被傳遞到柄部。
因此，一旦下擴眼臂9處于展開位置，展開機構就不受鉆井負載，這就使得鉆頭非常堅固。實際上，物體可受到展開鉆頭如一塊實心鉆頭體的作用。
鉆頭也可用于鉆出設有鐘形物的前述的套管靴，或者鉆出作為傳統的套管鉆井操作一部分的前述套管靴。
在這種情況下，步驟如下。在鉆井組件被鎖定在套管內時，套管運行到套管孔內，直到水泥的頂端被連接。然后，通過導引部1a相對于柄部2向上移動而打開開口18。鉆井流體如泥漿循環時，應用軸向收縮力，鉆頭趨向于閉合，由此向外推動下擴眼臂9。在鉆頭旋轉過程中，下擴眼臂9將打開所述孔，直到下擴眼臂9上的鉆削元件接觸到已安裝的前述套管的鋼。這些鉆削元件應該被設計為不能切削鋼。例如，這可通過采用負前角較大的鉆削元件來獲得，所述負前角與雙中心鉆頭的負前角類似。
在從套管靴鉆出水泥時，下擴眼臂9從已安裝的套管內壁或者已安裝的套管的鐘形區域刮擦水泥。
一旦下擴眼臂9延伸到前述套管之下的開口，鉆削結構將能夠進一步打開所述開口，以能夠使下擴眼臂9到達其完全展開位置，如圖2和3所示。
用于鉆出套管靴所需的設計特征是，對于活塞7的任何位置來說，導引部1a可相對于鉆頭的柄部2被鎖定在鉆頭旋轉方向上。通過將唇緣8的長度和導引部1a標準尺寸的平的部分8b的尺寸延伸以使其一直接合，從而獲得這一點。可替換地，管6的頂部可配備有花鍵，其可在柄部2的頂部滑動，以防止導引部1a相對于柄部2旋轉。
在鉆出套管靴的過程中，下擴眼臂9的鉆井扭矩經由鉸鏈10被傳遞到柄部2。可替換地，下擴眼臂和導引部之間的界面可配備有徑向狹槽，其將扭矩從下擴眼臂傳遞到柄部。
概括地說，本發明提供一種可展開的鉆頭，其可在多個位置處鉆井。在展開位置，下擴眼臂被液壓力鎖在適當的位置處。一旦下擴眼臂被鎖定，鉆井力直接從鉆削元件被傳遞到鉆頭的柄部，由此，去掉了下擴眼臂的鉸鏈的負載，其中，所述鉆井力包括作用于鉆頭上的扭矩和/或作用于鉆頭上的重量。這樣，就其構成來說，鉆頭可視為規則鉆頭，并且具有與普通鉆頭類似的潛在鉆井能力。與下擴眼臂9上的適當鉆削結構結合的這種特征應該使鉆頭適用于包括較硬的巖石在內的更寬的地巖層范圍。
鉆頭可具有的其他特征為-夾緊裝置，一旦下擴眼臂經由活塞和管通過液壓作用已到達完全展開位置，所述夾緊裝置用來將管鎖定。這樣，鉆頭就被鎖定在展開位置。在鉆頭運行末端，鉆頭可以通過將鉆井組件再次拉入套管內而收縮(collapsed)。這種拉力應使得保持夾緊裝置的安全銷失效，這樣，管就被再次釋放，鉆頭打開，下擴眼臂可移動到收縮位置。
-噴嘴可以這種方式設置在鉆頭的導引部內，即，這些噴嘴所噴出的流指向下擴眼臂，從而提供有效的清潔和冷卻。
-可展開的鉆頭也可用于傳統超標準尺寸鉆井中，該傳統超標準尺寸鉆井采用鉆管而不是套管。在這種情況下，鉆頭的柄部優選設有水道，以在下擴眼臂處于收縮位置時，使泥漿能夠循環。
-在上述的液壓鎖定機構中可以采用多組下擴眼臂。
上述的液壓鎖定機構可用在更加一般的意義上，以用于獲得其他可膨脹的井底元件的具體功能性，如用于超標準尺寸鉆井中的可展開穩定器。
權利要求
1.一種用于在物體內鉆井眼的鉆頭，該鉆頭具有中心縱軸，并包括設有中心柄部的鉆頭體，所述柄部用于將鉆頭連接到鉆井系統，所述鉆頭還包括至少一個鉆削臂，各個鉆削臂設有用于鉆削物體的一組刀具，并由樞轉裝置連接到鉆頭體上，所述樞轉裝置容許鉆削臂在徑向收縮位置和徑向展開位置之間樞轉，鉆頭設有支撐裝置，以在其徑向展開位置支撐該鉆削臂，其特征在于，所述支撐裝置用來將鉆井過程中產生的至少一部分旋轉扭矩從鉆削臂傳遞到鉆頭體，從而降低或防止所述旋轉扭矩由樞轉裝置的傳遞。
2.如權利要求1所述的鉆頭，其特征在于，所述支撐裝置還用來將軸向壓縮負載從鉆削臂傳遞到鉆頭體。
3.如權利要求1或2所述的鉆頭，其特征在于，所述支撐裝置還用來支撐從鉆削臂到鉆頭體的徑向壓縮負載。
4.如前述任一權利要求所述的鉆頭，其特征在于，所述支撐裝置用來將大部分旋轉扭矩，優選基本為全部的旋轉扭矩從鉆削臂傳遞到鉆頭體。
5.如前述任一權利要求所述的鉆頭，其特征在于，所述鉆削臂還可樞轉到一個中間位置，在這個中間位置，第二組刀具相對于所述物體設置在第二鉆削位置處用于鉆出井眼，其標準尺寸比展開位置處的小。
6.如前述任一權利要求所述的鉆頭，還包括設有導引刀具的一導引部，所述導引刀具用來在鉆削臂之前預鉆出導引井眼。
7.如權利要求6所述的鉆頭，其特征在于，所述導引部可相對于柄部軸向移動，由此，鉆削臂連接到導引部上，以控制鉆削臂的樞轉。
8.如權利要求7所述的鉆頭，其特征在于，所述導引部連接到用于控制所述軸向可動性的液壓系統上。
9.如權利要求1-8中任一權利要求所述的鉆頭，其特征在于，所述鉆頭是用于在地質巖層中鉆井眼的鉆頭。
10.一種參考附圖如上文所述的鉆頭。
全文摘要
一種用于在物體內鉆井眼的鉆頭，所述鉆頭具有中心縱軸，并包括設有中心柄部(2)的鉆頭體，所述中心柄部(2)用來將鉆頭連接到鉆井系統。鉆頭還包括至少一個鉆削臂(9)，各個鉆削臂還包括用于鉆削物體的至少一組刀具，并經由樞轉裝置(10)連接到鉆頭體上，其中，所述樞轉裝置(10)容許鉆削臂在徑向收縮位置和徑向展開位置之間樞轉。鉆頭設有支撐裝置(12)，以用于在其徑向展開位置支撐該鉆削臂，其中，所述支撐裝置用來將鉆井過程中所產生的至少一部分旋轉扭矩從鉆削臂傳遞到鉆頭體，以便降低或防止所述旋轉扭矩經由樞轉裝置傳遞。
文檔編號E21B10/32GK1791733SQ200480013967
公開日2006年6月21日 申請日期2004年5月19日 優先權日2003年5月21日
發明者D·H·齊伊斯林 申請人:國際殼牌研究有限公司