用于鉆柱的整體葉片穩定器工具的制作方法

發明領域

本發明涉及用于當鉆油井、氣井或地熱井時穩定鉆柱操作的整體葉片穩定器工具(monolithicbladestabilisertool)。

現有技術

在定向鉆探中，保持對操作的完全控制是非常重要的。為了保持對鉆柱的控制，已知的是，使用放置在底部鉆具組件(bottomholeassembly)中的一定數量(通常兩個或三個)的所謂的鉆探穩定器工具。鉆柱中的穩定器的主要功能是支撐和穩定穿過地表面的鉆孔中的底部鉆具組件。當重量被施加或因經由鉆柱傳遞的振動和沖擊載荷而發生抖動時，穩定器還應提供穩定性。具有兩個穩定器工具200的鉆柱底部鉆具組件構型100的一個示例在圖1中示出。穩定器工具200包括圓柱形穩定器主體和位于所述圓柱形穩定器主體的外表面上的由高強度鋼制成的多個穩定器葉片1。葉片可以是直的或螺旋形的，具有耐磨的硬表面。穩定器葉片的設計應該是這樣的，使得在鉆探操作的所有階段期間，它們減少了鉆孔中的摩擦和阻力，從而防止眾所周知的問題，諸如損壞鉆孔、泥包(ballingup)和鉆孔失穩。另外，穩定器工具不應該抑制鉆探的巖屑通過鉆探液從孔中攜帶出來。葉片的接觸面積應該足夠大以充分支撐鉆孔中的鉆柱，同時最小化或消除穿透鉆孔壁。

葉片可以螺紋連接到主體，從而使葉片可替換。ep1650400描述了具有可替換的穩定器葉片的鉆柱穩定器工具。穩定器葉片組件包括具有孔的安裝塊，該孔用于通過螺栓將塊安裝在穩定器主體上。穩定器葉片1在圖2中被示出安裝到圓柱形穩定器主體11上。穩定器主體的圓柱形表面設置有軸向對齊的安裝槽15。穩定器葉片包括上部穩定部分2和下部向下突出的安裝部分3。向下突出的安裝部分3具有錐形的前壁9和后壁10以與安裝塊13的匹配的錐形部分相配合，該安裝塊13通過螺栓固定到穩定器主體。

當兩個錐形安裝塊13擰緊到適當位置時，施加在錐形安裝塊和凹部中的穩定器葉片的錐形向下突出的安裝部分3之間的壓力將整個組件鎖定在適當位置。

盡管該構型已經示出以令人滿意的方式工作，但是當發揮作用的力達到一定的閾值時，其導致了嚴重的失效。在鉆探期間可能實現的不需要的振動，諸如軸向的、橫向的(回旋)以及扭轉的(粘著滑動)的振動，可損壞工具。在沖擊力高于一定閾值的情況下，葉片中的一些可被迫離開其凹部，并且將葉片固定到主體的塊可遭受嚴重損壞。這些問題的一個解決方案是對葉片的安裝提供一些改進。圖3和圖4描述了用于具有可替換葉片的穩定器工具的另一個設計。

穩定器工具(圖3)包括圓柱形主體20和多個相同的穩定器葉片，圓柱形主體20界定縱向軸線x并且在其表面上具有多個縱向凹槽14，每個縱向凹槽14具有相應的銷13，該銷13作為圓柱形主體20的一體的部分從凹槽14內的底部表面徑向延伸。

圖4中描述的穩定器葉片1’具有一體的安裝部分，即，對于穩定器工具的組件，沒有分開的安裝塊。葉片1’具有界定縱向軸線的長形形狀。葉片包括安裝時從所述圓柱形主體20的縱向軸線x徑向向遠側放置的上部穩定部分2和從所述縱向軸線x徑向向近側放置的下部安裝部分3。下部安裝部分3具有凹進的縱向槽以接合從凹槽14的底部表面突出的對應的銷13，凹進的縱向槽一般通過銑削操作形成到圓柱形主體20的表面中。穩定器葉片1’借助于螺栓固定在凹槽14中。在下部安裝部分3的前部部分處的矩形周邊區域15和在下部安裝部分3的后部部分處的三角形周邊區域16將分別容納用于安裝螺栓的三個孔17和一個孔17。三個孔還形成于凹槽14的前部(或前置的)矩形周邊中，并且一個孔形成于后面(或后部)三角形周邊中。以這種方式，穩定器葉片完全嵌入在圓柱形主體20中，產生較好的水動力性能，此外，作用在穩定器葉片上的載荷借助于存在的與中心銷13且與凹槽14的壁的接觸而均勻地分布到圓柱形主體20的結構。通過引入銷，實現載荷的更好的均勻分布并且主要避免螺栓的過載是可能的。其它的優點是更大的表面接觸面積和較寬的占據區域(footprint)，該較寬的占據區域導致改進的穩定性。

在某些情況下，明智的是避免使用可替換的葉片并且相反采用整體類型的葉片穩定器工具以用于鉆柱，其中主要好處是，沒有例如工具縮小時所面對的挑戰造成的螺栓或葉片丟失的風險。

在全球有大約5000個鉆探設備(陸地和海上)，其活動水平與油價和市場需求有緊密的聯系。因此，需要數個穩定器工具設計類型以覆蓋鉆探應用、巖層以及環境的整個范圍。這樣，整體葉片類型和可替換葉片類型的穩定器工具設計應該是可行的。

用于鉆探的特定類型的葉片穩定器工具的選擇取決于巖層的硬度，硬度可以劃分為：軟至中軟的地層(頁巖、粘土、石灰巖、沙)；中硬至硬的地層(硬石灰巖、砂巖、白云巖)；以及硬和研磨性地層(花崗巖、玄武巖、石英巖和燧石)。當鉆探諸如燧石地層的硬和研磨性地層時，非常容易損壞葉片，因此，在鉆探設備現場替換葉片的能力是優選的方案，然而，對于軟至中軟的地層，諸如粘土地層，很少需要替換葉片，因而可以使用整體穩定器工具。

選擇用于鉆探的某一穩定器工具類型的決定還可能是應用(陸地、海上鉆探)或地理上相關的。例如，在陸地鉆探中，將不推薦使用具有可替換葉片的工具，這是因為與陸地鉆探相關的較低的成本。地熱井的鉆探仍然需要較低的成本。在諸如在鉆豎直孔的應用中(其中穩定器的外徑要求是已知的)以及在結合旋轉導向系統或導向馬達組件鉆切向和水平孔段的應用中(其中工具的外徑要求也是已知的)，整體穩定器工具的使用也是推薦的并且合理的。另外，在鉆探成本低的一些地區中，如非洲和俄羅斯，使用具有可替換葉片的工具也是不合理的。

因此，為了滿足市場需求并且為了能夠應付所有類型的不同的應用、巖層和環境，還需要設計一種用于鉆柱的整體穩定器工具，這種整體穩定器工具制造更經濟有效，而同時具有與有可替換葉片的穩定器工具至少相同的性能。

發明概述

本發明的目的是提供一種用于鉆柱的整體穩定器工具，其克服了上面提到的問題并且在操作中具有較高的抗沖擊性、更好的水動力性能并且是經濟有效的。

這些目的通過用于鉆柱的整體穩定器工具來實現，根據權利要求1，其包括半徑為“r”且長度為l的圓柱形主體部分并且包括多個穩定器葉片，該圓柱形主體部分界定縱向軸線x，其中所述穩定器葉片和所述圓柱形主體部分作為一體的部件加工以便以這種方式形成整體葉片穩定器工具，所述穩定器葉片從所述圓柱形主體部分的表面徑向向外延伸，并且與其最向外延伸的表面一起界定假想的圓柱體，該假想的圓柱體與所述圓柱形主體部分同軸并且具有半徑r>r；所述穩定器葉片中的每一個具有平行于所述縱向軸線x延伸并且具有長度l<l的長形形狀；所述穩定器葉片中的每一個包括前部區段、后部區段和中部區段、具有圓頂形狀的界定接觸區域的上表面、以及側壁，其中所述后部區段從所述中部區段朝向大體上半圓形的后端部逐漸成錐形，而前部區段具有大體上半圓形的形狀，并且其中穩定器葉片的所述上表面向下靠近且朝向前部區段的端部傾斜并且還靠近且朝向后部區段的端部傾斜，直到上表面與所述圓柱形主體部分的表面匯合。

由于這些特征，整體穩定器工具具有特別地關于摩擦、水動力性和使用的改進的性能，以及較低的維護和制造成本。該工具對于在特定的地層環境和諸如地熱井、陸地上鉆探的應用中，以及在一些特定的地理和地質地區中鉆探是理想的。

有利地，穩定器葉片(三個或更多個下部穩定器葉片和三個或更多個上部穩定器葉片)的位置被適當地定位以優化工具的水動力效率。所述定位還有助于流線型化穩定器葉片周圍的泥石流，最小化對從孔攜帶出的巖屑的限制，并且增強孔清潔，同時保持底部鉆具組件在鉆孔中處處集中。

有利地，穩定器葉片具有大的表面接觸面積。穩定器葉片的前束角(toeangle)和橫傾角(heelangle)優選以大約20°加工。

有利地，穩定器葉片之間的自由流動面積可以盡可能保持恒定。

有利地，葉片具有圓頂形狀的接觸區域。

有利地，葉片具有耐磨的硬表面。

此外，所需的流動通路通過銑削圓柱形主體形成，同時使穩定器葉片成形。以這種方式，流過面積(flow-by-area)比具有可替換葉片的穩定器工具的流過面積更恒定。

本發明的整體穩定器工具可以承受比現有技術的方案更多的橫向/軸向載荷以及更多的側向載荷，并且另外，整體穩定器工具降低了泥包或卡封(packoff)的可能性，而且緩解了井漏或井控制風險的產生。

附圖簡述

依據借助于附圖通過非限制性示例示出的鉆柱穩定器的優選的但不排他的實施方案的詳細描述，本發明的另外的特征和優點將變得更明顯，在附圖中：

圖1是鉆井組件(底部鉆具組件)的示意圖；

圖2是根據現有技術的穩定器葉片的透視圖；

圖3是穩定器工具的透視圖，示出了用于安裝整體類型的穩定器葉片的凹槽；

圖4是待安裝在圖3的穩定器工具上的整體葉片的透視圖；

圖5是根據本發明的整體穩定器工具的透視圖；

圖6是根據本發明的整體穩定器工具的平面圖。

圖7示出了關于根據本發明的整體穩定器工具和圖3中所表示的具有可替換葉片的穩定器工具之間的表面接觸區域的對比。

圖8示出了用于根據本發明的整體穩定器工具和用于圖3中所表示的具有可替換葉片的穩定器工具的接觸線的細節。

圖9示出了與具有可替換葉片的穩定器工具(如圖3中所描繪的穩定器工具)相比，在整體穩定器工具中的流過面積的百分比。

附圖中的相同的參考標號表示相同的元件或部件。

優選實施方案的詳細描述

根據本發明的穩定器工具在圖5和圖6中示出。所述穩定器工具30包括半徑為r且長度為l的圓柱形主體部分，該圓柱形主體部分界定縱向軸線x。整體穩定器工具30包括三個或更多個上部穩定器葉片1”和三個或更多個下部穩定器葉片。葉片1”和圓柱形主體部分作為一體的部件加工以便以這種方式形成整體葉片穩定器工具。葉片1從圓柱形主體部分的表面徑向向外延伸，以與其最向外延伸的表面一起界定假想的圓柱體，該假想的圓柱體與所述圓柱形主體部分同軸并且具有半徑r>r。穩定器葉片1”優選全部具有相同的形狀，并且我們僅描述了一個穩定器葉片。在該描述中，我們通常把穩定器葉片的三角形形狀的部分稱為穩定器葉片的后部(或后面)區段，僅為了便于描述，而不對這些形容詞給出任何限制性意義。

根據本發明的穩定器葉片1”具有長形形狀，該長形形狀具有短于l的長度l，該長形形狀界定平行于整體穩定器工具的軸線的縱向軸線，具有前部區段4、后部區段5、中部區段以及豎直側壁7。葉片的具有圓頂形狀的上表面6界定接觸區域。后部區段5從中部區段朝向大體上半圓形的后端部逐漸成錐形，而前部區段4具有大體上半圓形的形狀。穩定器葉片1”的上表面6向下靠近且朝向前部區段4的端部傾斜并且還向下靠近且朝向后部區段5的端部傾斜，直到其與整體穩定器工具的圓柱形主體部分的表面匯合。穩定器葉片具有翼的整體形狀。優選地，在側部豎直壁和上表面之間的所有邊緣是倒圓的，并且類似地與上表面具有邊界的所有其它壁的邊緣也進行倒圓。在圖5和圖6中所描述的實施方案中，六個穩定器葉片以軸向對齊的方式被加工在圓柱形主體部分的圓柱形表面上。第一組的三個穩定器葉片使其中心布置在所述圓柱形表面上的第一圓上并且均勻分布在所述圓柱形表面上的第一圓上，并且第二組的三個穩定器葉片使其中心布置在第二圓上并且均勻分布在第二圓上，該第二圓與第一圓間隔開。兩個圓上的前端部4遠離兩個圓在相反的方向上延伸，使得不論鉆柱移動的方向如何，向前移動的穩定器工具的前部區域設置有穩定器葉片1”的較寬的前端部4。兩個組的穩定器葉片1”的后部區段布置在彼此中間，其中后端部5在近似朝向鄰近穩定器葉片1”的中心的軸向方向上伸展。從而，傾斜通道在每對鄰近的穩定器葉片1”的后半部之間形成，以在葉片之間界定自由流動面積。

穩定器葉片—三個或更多個上部的和三個或更多個下部的—被適當地定位以優化工具的水動力效率。該布置有助于流線型化穩定器葉片周圍的泥石流，最小化從孔攜帶出巖屑的限制并且增強孔清潔，同時保持底部鉆具組件在鉆孔中處處集中。

穩定器葉片的形狀是這樣的，其有效移位穩定器葉片周圍的鉆井液和鉆探的巖屑，并且大大降低了由鉆探的巖屑造成的穩定器工具的泥包和卡封。

當以定向的模式滑動時，穩定器葉片的錐形形狀減少了摩擦，并且增強了穩定器的性能。

當以旋轉模式鉆探時，葉片的橫截面錐形化的功能是為了降低旋轉扭矩并且最小化底切。

穩定器葉片的前束角和橫傾角優選以大約20度加工，以最小化吊掛并且減少在鉆孔中上下拖拉。

流動通路可以銑削到圓柱形主體中，以形成自清潔和射流效應，以便加速巖屑在圓柱形主體加厚區域(upsetarea)上的運輸。自清潔作用，即射流效應已經示出最小化的泥聚集，均勻的鉆探液流動，以及最小化的泥包。

整體穩定器葉片具有比具有可替換葉片的現有技術的穩定器工具的表面接觸面積大的表面接觸面積，從而形成改進的穩定性。圖7示出了具有相同直徑的兩個穩定器工具，在左側的一個表示根據本發明的整體穩定器，而在右側的穩定器工具表示具有可替換葉片的穩定器(如圖3中的穩定器)。表面接觸面積以陰影線示出。從圖中可以看出，整體穩定器工具的葉片的表面接觸面積大于可替換葉片的表面接觸面積。

圖8示出了附圖的左側中描繪的整體穩定器工具和右側中描繪的圖3的可替換葉片穩定器工具之間的更詳細的比較。本發明(整體設計)中的接觸線比圖3的具有可替換葉片的穩定器工具的接觸線長。該特征預期將改進穩定性。同時，用于泥/巖屑流動的可用開口在本發明中是較大的，從而與可替換葉片穩定器工具相比，進一步改進了水動力性。

在沒有足夠孔清潔性的井中，可發生另外的巖屑累積。這在定向井或水平井中是常見的。鉆探時循環壓力增加，或起鉆時阻力增加是問題的預示。在本發明中，整體構造允許更靈活地選擇自由流動面積(也稱為流過面積)的值，該流過面積是重要的設計參數。該靈活性特征在具體的應用中可以是有利的，諸如在幾乎水平的鉆探中，其中只要旁通面積大于巖屑床面積，那么起鉆而無需循環是可能的，以也允許小半徑的鉆柱穩定器。

對于10”5/8(英寸)以及10”5/8(英寸)以上的孔尺寸，流過面積應該≥孔面積的35％，并且對于低于10”5/8(英寸)的孔尺寸，流過面積應該≥孔面積的25％。

一旦我們決定了流過面積(例如，55％)和接觸面積(例如，45％)之間的關系，那么目的在于盡可能保持流過面積恒定。

在圖9中，圖表示出了可替換葉片穩定器工具(圖3中所描繪的那個)的流過面積和本發明的整體葉片穩定器工具的流過面積之間的關系。在整體穩定器工具中去除安裝部件允許在流過面積的恒定性方面具有更好的結果。從圖表中，其產生了在平均值的10％范圍內恒定的流過面積。

盡管本發明通過優選的實施方案的方式被描述，但是本領域的技術人員應理解，在由權利要求限定的本發明的范圍內可以做出修改。