用于鉆柱的葉片穩定器工具的制作方法

用于鉆柱的葉片穩定器工具的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于鉆柱的葉片穩定器工具。鉆柱穩定器工具(200)包括圓柱形主體(20)和安裝在圓柱形主體的外表面上的多個穩定器葉片(100)。穩定器葉片具有長形形狀和帶有上部穩定部分和下部安裝部分的整體性結構。在每兩個相鄰的葉片(100)之間，可以可選擇地有在鉆井和下鉆期間用于提高液體和鉆屑流動的流體動力學槽(21)。
【專利說明】用于鉆柱的葉片穩定器工具發明領域
[0001]本發明涉及用于當鉆探油井、天然氣井或地熱井時穩定鉆柱的操作的葉片穩定器工具。
[0002]現有技術的情況
[0003]在定向鉆井中，保持操作的完全控制是非常重要的。為了保持鉆柱的控制，已知使用了一定數量(通常為2或3)的放置在底部鉆具組合(bottom hole assembly)中的所謂的鉆井穩定器。具有使用兩個穩定器的底部鉆具組合配置的鉆柱的示例在圖1中示出。在鉆柱中的穩定器的主要功能是支撐并穩定在穿過地表的井中的底部鉆具組合。穩定器葉片的設計應該是這樣的，在鉆井操作的全部階段期間，穩定器葉片減少在井中的摩擦力和阻力，因此防止眾所周知的問題，例如對于井的損傷、泥包(balling up)和井壁失穩。此外，穩定器不應該阻礙鉆肩通過鉆井液被帶出鉆井。穩定器葉片的接觸面積應該足夠大以充分支撐在井中的鉆柱，同時將對井壁的滲透減到最小或消除。當重量被施加或由通過鉆柱傳輸的振動或沖擊負載導致的抖振發生時，穩定器還應當提供穩定性。鉆柱穩定器工具包括圓柱形穩定器主體以及定位在所述圓柱形主體的外表面上由高強度鋼制成的多個穩定器葉片組件。葉片可以是具有耐磨性的硬表面的直線的或螺旋形的。葉片可以被機加工為圓柱形主體的整體性的部分，或被機加工到螺紋連接至主體的套筒上，因此使得套筒可替換。葉片可以直接地焊接至圓柱形主體(焊接的葉片穩定器)。
[0004]圖2中所示，EP1650400描述了具有穩定器葉片I的穩定器葉片組件，該穩定器葉片具有上部穩定部分2和下部安裝部分3。穩定部分2具有帶有前端4和后端5、上部表面6和大體上直立的側壁7的長形形狀。穩定部分2的后半部的平均寬度朝著后端5錐化，并且因此后半部的平均寬度大體上小于前半部的平均寬度。穩定器葉片的上部表面和底部表面靠近并且朝著前端4傾斜。穩定器葉片I的形狀及其定位是這樣的，其可以有效地轉移圍繞葉片的鉆井液和鉆肩，并大大減小泥包和鉆肩對穩定器的封堵(packing off)。當以定向模式滑動時，葉片的錐形形狀減小摩擦并且增強穩定器的性能。葉片的橫截面錐度的功能是為了當以旋轉模式鉆井時減小旋轉扭矩并且使底切作用(undercutting)最小化。穩定器葉片組件包括錐形安裝塊，該錐形安裝塊具有用于使用螺栓將該塊安裝在穩定器主體上的孔。穩定器葉片包括向下突出的安裝部分3，該安裝部分3具有錐形的前壁9和后壁10。穩定器主體的中心部分的圓柱形表面設置有軸向對齊的安裝溝槽，該安裝溝槽具有和穩定器葉片I的安裝部分3—樣的相同寬度和高度。穩定器葉片被安裝在穩定器的主體中銑出的凹部中，并且由兩個安裝在凹部中的一個在葉片前且一個在葉片后的錐形安裝塊固定至該主體。這些塊的錐形部分與穩定器葉片的安裝部分3的錐形的壁9和10配合。錐形安裝塊中的每一個由螺栓固定至穩定器主體。螺栓插入錐形安裝塊中的凹部，使得螺栓的頭部不暴露于鉆井孔的壁。當兩個錐形安裝塊被緊固至適當位置時，在錐形安裝塊和凹部中的穩定器葉片的錐形安裝部分3之間施加的壓力將整個組件鎖定在適當的地方。插入錐形安裝塊的螺栓的頭部大于錐形安裝塊的頂部的孔，螺栓通過該孔擰緊。
[0005]雖然這種結構已經示出在正常情況下以令人滿意的方式工作，但是當存在的力達到某一閾值時，這種結構導致嚴重的故障。萬一沖擊力高于某一閾值，葉片中的一些可能被迫離開其凹部并且將葉片固定至主體的塊可能遭受嚴重的損壞。這使得有必要對于葉片的安裝提供一些改進以克服描述的問題并且易于替換磨損或損壞的部件。
[0006]發明概述
[0007]本發明的目的是提供用于鉆柱的穩定器工具，該穩定器工具克服了上述的問題并且具有對于沖擊的更高的抵抗性、在操作中更好的流體動力學性能以及具有更簡單且更便宜的維護成本。
[0008]這些目的通過根據權利要求1的鉆柱穩定器工具實現，該鉆柱穩定器工具包括圓柱形主體和多個穩定器葉片，圓柱形主體界定縱向軸線并且具有在其表面上的多個縱向槽，多個縱向槽中的每個具有相應的銷，該相應的銷從槽內部的底部表面徑向地延伸并且是圓柱型主體的整體性的部分，該多個穩定器葉片具有平行于所述縱向軸線延伸的長形形狀并且包括徑向遠側部分和徑向近側部分，其中，所述徑向遠側部分的縱向延伸部短于所述徑向近側部分的縱向延伸部，其中，所述徑向近側部分包括矩形第一部分和錐形第二部分，錐形第二部分與所述第一部分軸向相反地定位并且設置有螺桿孔，螺桿孔用作將螺栓固定在所述第一部分和所述第二部分上的通道，所述徑向近側部分具有縱向槽中的一個的互補形狀并且具有用來接合具有互補形狀的所述銷中的一個的縱向溝槽。
[0009]由于這些特征，穩定器工具具有改進的性質，特別是關于摩擦、流體動力學性能、使用、維護和/或成本的性質。增強的形狀和可互換的葉片顯著提高鉆井導向和穩定性，降低扭矩、阻力和鉆井孔損壞的情況。由于穩定器葉片是可替換的，其可以在鉆井現場方便且快速的更換，因此該工具對于在離岸地點工作是理想的。這種特征使穩定器工具能夠在鉆井現場被維修，使磨損或損壞的穩定器葉片能夠被快速地更換，消除了為了維修將磨損或損壞的穩定器工具運輸至專門的車間的必要性。不同尺寸例如不同厚度T、寬度或長度的穩定器葉片可以安裝至圓柱形主體，消除了在鉆井現場具有額外的非標尺寸的穩定器工具的必要性。在現場替換損壞或磨損的穩定器葉片并給圓柱形主體裝上不同尺寸的葉片的能力將大大地減少在現場所需的穩定器的庫存。在每日租金費用、運輸花費上的花費節約以及在存儲空間上的減少增加了可替換的葉片穩定器構思的技術優勢。
[0010]通過銷的引入，可能達到載荷的更均勻分布。此外，葉片可以完全嵌入到穩定器主體中得到更好的流體動力學性能。其它的優勢是更大的表面接觸面積以及更寬的覆蓋區域導致改進的穩定性。
[0011 ]有利地是，葉片進一步分離地放置在穩定器主體的表面上，這導致在葉片之間的流動面積的增加。有利地是，流體動力學槽的實現將提高自清潔和噴射效應，加速在主體加厚區域之上的鉆肩輸送。自清潔作用最小化污泥堆積和泥包，增加均勻的鉆井液流動。新的設計減少了泥包或封堵的可能性，也減輕井漏或井控風險的起因。
[0012]有利地是，在底部安裝部分的前部的矩形外圍區域和在后方(后面)部分的三角形外圍區域將分別容納三個孔和一個孔，以用于安裝螺栓，螺栓與中央銷一起大大地改善了系統的穩定性。穩定器葉片因此可拆卸地連接至圓柱形主體。
[0013]有利地是，葉片具有圓頂形接觸區域。在本說明書中，我們通常將穩定器葉片的三角形部分稱作穩定器葉片的后方(后面)部分僅僅是為了便于描述，而不對關于使用穩定器工具的方式的這些形容詞給予任何限制性意義。
[0014]本發明的圓柱形主體加厚具有當鉆入孔中時和離開孔時使潛在的拖延和鉆孔損壞的風險最小化的優勢。為了增強穩定器葉片的這種優勢，提供了淺前導(shallow lead)以及優選地為20°的尾部加厚角。有利地是，穩定器葉片是整體式的。本發明的穩定器工具可以承受更多的橫向/軸向載荷，以及比現有技術情況的解決方案更多的側載荷，并且，此夕卜，穩定器工具減少泥包或封堵的可能性，同時減輕井漏或井控風險的起因。
[0015]有利地是，由穩定器工具的穩定器葉片的徑向遠側表面界定的圓形包絡面的外徑可以被調整或修改至所需的任何大小。這通過插入墊片的方式和/或結合不同徑向高度的穩定器葉片的方式獲得。
[0016]由于葉片是可更換的，因此其可以在鉆井現場方便且快速地更換。這種特征使穩定器工具能夠在鉆井現場被補救或維修，使磨損或損壞的穩定器葉片能夠被快速地更換，并且消除了為了維修將磨損或損壞的穩定器運輸至專門的車間的必要性。不同尺寸的穩定器葉片可以安裝至圓柱形主體，消除了在鉆井現場具有額外的非標準尺寸的穩定器工具的必要性。在現場更換損壞或磨損的穩定器葉片的能力以及在穩定器工具上安裝不同尺寸的穩定器葉片的能力大大地減少在鉆井地點所需的穩定器的庫存。在每日租金費用、運輸花費上的資金節省以及在存儲空間上的減少增加了本發明的技術優勢。
[0017]附圖簡述
[0018]借助于附圖，依據通過非限制性示例示出的鉆柱穩定器的優選但不排他的實施方案的詳細描述，本發明的進一步的特征和優點將變得更明顯，其中:
[0019]圖1是鉆井鉆具組合(底部鉆具組合)的示意圖；
[0020]圖2是根據現有技術的情況的穩定器葉片的透視圖；
[0021 ]圖3是根據本發明的穩定器工具的部件的透視圖；
[0022]圖4是從另一個方向的圖3的部件的透視圖；
[0023]圖5是沿著本發明的穩定器工具的部件的縱向平面的剖面；
[0024]圖6是在安裝穩定器葉片之前的穩定器工具的透視圖；
[0025]圖7是安裝有穩定器葉片的穩定器工具的透視圖；
[0026]圖8是橫向于圖7的穩定器工具的軸線的平面的局部剖視圖；
[0027]圖9是根據本發明的穩定器工具的另一個部件的透視圖；
[0028]在附圖中的相同的參考標號標識相同元件或部件。
[0029]優選實施方案的詳細描述
[0030]圖1中示出根據本發明的穩定器工具200沿著鉆柱300安裝在兩個位置。具體參考圖3至圖9，本發明的穩定器工具200包括由低碳鋼制成的六個穩定器葉片100。穩定器葉片優選地全部是同樣的形狀，且我們只描述一個穩定器葉片。
[0031]穩定器葉片100是整體式的并且具有界定縱向軸線的長形形狀。穩定器葉片包括上部穩定部分2和下部安裝部分3，當安裝時上部穩定部分2從穩定器工具200的縱向軸線X徑向地向遠側放置，當安裝時下部安裝部分3從穩定器工具的縱向軸線徑向地向近側放置。上部穩定部分2具有翼形狀并且包括前段4、后段5和中央段11。中央段11具有寬度和垂直壁7，該寬度垂直于縱向軸線，量級相等于下部安裝部分3的寬度，該垂直壁7作為下部安裝部分3的垂直壁的延續。前段4從中央段朝著大體上半圓形前端錐化，同時后段5具有大體上半圓形的形狀。穩定器葉片100具有界定接觸面積的上部表面6。所述表面具有大約圓頂的形狀。穩定器葉片100的上部表面6靠近并且朝向前段4的末端向下傾斜，并且也靠近并朝向后段5的末端向下傾斜。優選地，在側垂直壁7和上部表面之間的所有邊緣是倒圓的，并且同樣，也進行了對具有與上部表面6的邊界的所有其它壁的邊緣的倒圓。
[0032]穩定器葉片100連同流體動力學槽的形狀及其定位是這樣的，其能夠有效地轉移圍繞葉片的鉆井液和鉆肩，并大大減少泥包和鉆肩對穩定器的封堵。當以定向模式滑動時，葉片的錐形形狀減小摩擦并且增強穩定器工具的性能。穩定器葉片的橫截面錐度的功能是為了當以旋轉模式鉆井時減小旋轉扭矩并且使底切作用最小化。
[0033]圖4示出從底部(即從安裝在當考慮徑向參考系統時的圓柱形主體20的軸線X的近側位置的側面)看到穩定器葉片100的透視圖。下部安裝部分3具有凹陷的縱向溝槽12以接合相應的銷13，相應的銷13從通常由銑削操作形成的凹陷的凹盒或者也簡稱為槽14的底部表面突出到圓柱形主體20的表面，見圖6。槽14具有矩形前導外圍和三角形后部外圍，并且為了容納中央銷結構，中央銷結構具有互補于下部安裝部分3的相應部分的形狀。穩定器葉片100由螺栓18固定在槽14中。在下部安裝部分3的前部的矩形外圍區域15和在下部安裝部分3的后部的三角形外圍區域16將分別容納三個孔17以及一個孔17，以用于安裝螺栓。三個孔也形成在槽14的前部(或前導)矩形外圍中，并且一個孔形成在后部(或后面)的三角形外圍中。以這種方式，穩定器葉片完全嵌入圓柱形主體20中，并且作用在穩定器葉片上的載荷通過與中央銷13存在的接觸和與槽14的壁存在的接觸的方式均勻地分布至圓柱形主體20的結構。
[0034]圖5示出穩定器工具的部分的縱向剖面圖，其中穩定器葉片100通過銷13接合穩定器葉片100的凹陷的溝槽12而在圓柱形主體20的表面插入槽14中。對于每個穩定器葉片，在該圖中還示出四個固定螺栓18，但是多于或少于四個螺栓也是可能的，取決于穩定器工具的尺寸以及作用在穩定器葉片上的力。
[0035]由穩定器工具200的穩定器葉片100的徑向遠側表面界定的圓形包絡面的外徑Dl可以調整或修改為所需的任何大小，通常達到I英寸的程度，但是不排他并且也可以得到其它尺寸。穩定器工具的直徑Dl的這種增加是通過墊片25或薄金屬調平板的方式以例如1/8英寸的增量實現的。墊片25的使用可以與具有不同厚度T的多組穩定器葉片結合。因此，根據用戶的需求，可以實現任何直徑尺寸DI。
[0036]圖7示出具有六個安裝的穩定器葉片的穩定器工具200的透視圖。圖8中示出從穩定器工具200的一端的前視圖。圓柱形主體20被劃分出中央部分19’，中央部分19’具有的直徑稍微大于圓柱形主體的端部19”，端部19”可以連接至具有相同直徑的鉆柱。上至十個穩定器葉片100可以被安裝在圓柱形主體20的中央部分19’的圓柱形表面上，其中穩定器葉片100的軸線對齊且平行，使得穩定器葉片100也與圓柱形主體20的軸線X軸向對齊且平行。
[0037]第一組三個穩定器葉片100或者取決于實施方案可選地多于三個穩定器葉片面朝向下流動方向沿著圓柱形主體20的表面上的第一假想圓布置并且均等分布。面朝向上流動方向的第二組三個穩定器葉片100或者取決于實施方案可選地多于三個穩定器葉片沿著從第一假想圓間隔開的第二假想圓布置并且均等分布。在兩個假想圓上的前端4以相反的方向遠離兩個假想圓延伸，使得無論鉆柱300被移動的方向如何，向前移動的穩定器工具200的前部區域均被提供有較寬的穩定器葉片100前端4。兩組穩定器葉片100是以這樣的方式布置的，兩組穩定器葉片的后端5布置在彼此之間，其中，后端5在軸向方向上大約朝向相鄰的穩定器葉片100的后端5的中央部分延伸。由于穩定器葉片100的這種布局，在每對相鄰的穩定器葉片100的后端5之間形成斜通道，用于在井中操作期間允許液體的流動。
[0038]在特別有利的實施方案中，在每個穩定器葉片100之間具有銑削至圓柱形主體20中的流體動力學槽21，流體動力學槽21旨在產生自清潔和噴射效應，加速在圓柱形主體加厚區域上的鉆肩輸送。自清潔作用即噴射效應已經顯示出最小化的污泥形成、均勻的鉆井液流動以及最小化的泥包。
[0039]這些流體動力學槽21沿著從彼此軸向分隔開的兩個同軸的假想圓定位在圓柱形主體20的表面上并且與圓柱形主體20的軸線X對齊且平行于彼此。流體動力學槽21有利地成形為具有在前端的鼻部或錐形以及在尾端的兩個分叉路徑的火箭形的通道，以提高流體動力學效應。定位在每個圓上的流體動力學槽21的數量可以是三個或多個，同樣取決于穩定器工具的直徑和安裝在穩定器工具上的穩定器葉片的數量。
[0040]鑒于本發明通過優選的實施方案的方式描述，本領域的技術人員將理解，許多修改可以在如由權利要求所限定的本發明的范圍內做出。
【主權項】
1.一種用于鉆柱的穩定器工具(200)，包括: 圓柱形主體(20)，其界定縱向軸線X并且具有在其表面上的多個縱向槽(14)，所述多個縱向槽(14)中的每個具有相應的銷(13)，所述相應的銷(13)從所述槽(14)內部的底部表面徑向延伸并且是所述圓柱形主體(20)的整體性的部分，以及 多個穩定器葉片(100)，其具有平行于所述縱向軸線延伸的長形形狀并且包括徑向遠側部分(11)和徑向近側部分，其中，所述徑向遠側部分(4)的縱向延伸部短于所述徑向近側部分的縱向延伸部，其中，所述徑向近側部分包括矩形的第一部分和錐形的第二部分，所述錐形的第二部分與所述第一部分軸向相反地定位，并且所述徑向近側部分設置有螺桿孔(17)，所述螺桿孔(17)用作將螺栓固定在所述第一部分和所述第二部分上的通道，所述徑向近側部分具有縱向槽(14)中的一個的互補形狀并且具有用來接合所述銷(13)中具有互補形狀的銷的縱向溝槽(12)。2.根據權利要求1所述的穩定器工具，其中，多個流體動力學槽(21)設置在所述圓柱形主體(20)的表面上，并且每個流體動力學槽(21)定位在兩個相鄰的縱向槽(14)之間。3.根據權利要求1或2所述的穩定器工具，其中，所述多個穩定器葉片(100)是整體式的。4.根據前述權利要求中的任一項所述的穩定器工具，其中，所述穩定器葉片(100)借助于螺栓(18)可拆卸地連接至所述圓柱形主體(20)。5.根據前述權利要求中的任一項所述的穩定器工具，其中，由所述穩定器工具(200)圍繞其縱向軸線的旋轉界定的圓柱形包絡面的外徑Dl的尺寸能夠借助于插入每個槽(14)及其相應的穩定器葉片(100)中的墊片(25)或調平薄板被改變和/或借助于具有不同徑向厚度T的穩定器葉片(100)被改變。6.根據前述權利要求中的任一項所述的穩定器工具，其中，所述多個穩定器葉片(100)的所述第二部分的平均寬度大體上小于所述多個穩定器葉片(100)的所述第一部分的平均寬度。7.根據前述權利要求中的任一項所述的穩定器工具，其中，所述穩定器葉片(100)與所述圓柱形主體(200)的所述軸線軸向地對齊。8.根據前述權利要求中的任一項所述的穩定器工具，其中，所述穩定器葉片(100)沿著所述圓柱形主體(200)的所述表面上的至少兩個間隔開的同軸的假想圓定位。9.根據權利要求8所述的穩定器工具，其中，所述多個穩定器葉片(100)包括三個以上的穩定器葉片(100)，并且沿著每個假想圓定位有至少三個穩定器葉片(100)。10.根據前述權利要求中的任一項所述的穩定器工具，其中，在上部表面(6)和圍繞其的側壁(7)之間的邊緣是倒圓的。11.根據權利要求2到10中的任一項所述的穩定器工具，其中，所述多個流體動力學槽(21)與所述圓柱形主體(200)的所述軸線軸向地對齊。12.根據權利要求11所述的穩定器工具，其中，所述多個流體動力學槽(21)的中心沿著所述圓柱形主體(200)的所述表面上的至少兩個間隔開的同軸的假想圓定位。13.根據權利要求2或12所述的穩定器工具，其中，三個或更多個流體動力學槽(21)定位在每個圓上。14.根據權利要求2到13中的任一項所述的穩定器工具，其中，所述多個流體動力學槽 (21)在所述圓柱形主體(200)中銑出。
【文檔編號】E21B17/10GK105971525SQ201610136192
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月10日
【發明人】邁克爾·托馬斯·紐曼, 里卡多·科克
【申請人】歐洲鉆探工程公司