專利名稱：與鉆井工具一同使用的力平衡系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例一般涉及與鉆井工具一同使用的系統(tǒng)。具體來說，本發(fā)明的實施 例涉及從井孔內工具的操作和推進上解耦鉆柱重量的力平衡系統(tǒng)。
背景技術：
將井孔鉆入土質地層(尤其是硬巖石)的沖擊法包括循環(huán)和尖刺式沖撞力，而非 由鉆柱重量施加的穩(wěn)定壓緊力。該沖擊作用與傳統(tǒng)的重量鉆探法比較而言產生更高的穿透 速率。在沖擊鉆探應用中，鉆頭需要旋轉，并非為了輸送能量以擊碎巖石，而是為了定位 安裝在其面上的切割元件，從而在每次后續(xù)撞擊期間接觸新的巖石地層。傳統(tǒng)上，實現(xiàn)此舉 需要通過將鉆頭插入鉆柱以便將由安裝于鉆塔上的轉盤所提供的、范圍在20rpm到40rpm 的鉆柱旋轉轉移到鉆頭。通常，沖擊鉆工具為連接到鉆柱末端的氣動裝置。將高度壓縮空氣交替地導入和 導出兩個單獨腔室。其中一個腔室定位于滑動體(通常稱為活塞)上方，而另一個腔室定 位于滑動體下方，以便空氣使得該滑動體上下加速，從而在工具外殼內往復運動。在工具操 作期間，保持鉆頭與井孔底部的土壤接觸。當向下引導滑動體時，其強有力地撞擊鉆頭頂部 并且使得接觸該鉆頭的巖石崩解。在常規(guī)的重量鉆探法中，用于向地層底部沖壓鉆頭的力(通常稱為鉆壓)通常介 于20000磅到50000磅之間。在沖擊鉆探中，由于是往復運動的活塞朝向鉆頭的沖擊力擊 碎地層，所以不需要巨大的鉆壓。然而，當鉆頭穿透地層時，其往往向工具外殼外滑動。如 果不允許鉆柱足夠快速地降落到井孔中以跟上進入地層的鉆頭，則工具可能進入“開啟位 置”并且停止循環(huán)轉動。然而，相反地，如果不適當?shù)刈钃蹉@柱重量，則鉆柱可能會將過度的重量施加到鉆 頭上。此情況也是不希望發(fā)生的，原因在于，極大的鉆壓劇烈地增加旋轉鉆頭所必要的摩擦 扭矩，導致相關部件過度損壞。因此，操作人員面臨的推進鉆柱的艱巨任務在于，一方面要 足夠快，以防止工具開啟，另一方面要足夠慢，以避免將鉆頭過于猛烈地壓向地層。這特別 困難，因為操作人員必須阻擋大部分(但不是所有)鉆柱重量，還要努力允許重力僅僅施加 足以保持工具閉合的力。由鉆柱與井孔壁之間的接觸所產生的摩擦阻力使這種困境加劇。因此，需要有條理的系統(tǒng)來平衡鉆柱的重量和其進入井孔的推進運動。
發(fā)明內容
本發(fā)明一般涉及沖擊鉆探工具。在一個方面中，提供與鉆井工具一同使用的系統(tǒng)。 所述鉆井工具包括第一子系統(tǒng)，其連接到處于該子系統(tǒng)上部末端的鉆柱；第二子系統(tǒng)，其 連接到第一子系統(tǒng)的下部末端；和，圓柱形外殼，其連接到第二子系統(tǒng)，其中第一子系統(tǒng)經 調適以可滑動地嚙合第二子系統(tǒng)，并且其中將鉆柱的重量從鉆井工具上解耦。在另一方面中，提供力平衡系統(tǒng)。所述力平衡系統(tǒng)包括鉆井工具，其連接到鉆柱，所述工具包含連接到子系統(tǒng)組件的圓柱形外殼和設置于外殼內的第一腔室和第二腔室，其 中，當加壓第一腔室和第二腔室時，便從工具上解耦鉆柱重量。在另一方面中，提供平衡鉆柱和鉆井工具重量的方法。所述方法包括以下步驟將 鉆柱上的鉆井工具引入井孔中；加壓設置于鉆井工具中的第一腔室和第二腔室；以及，從 鉆井工具上解耦鉆柱重量。
為了詳細了解本發(fā)明的上述特征，可參考實施例而對上文簡要概述的本發(fā)明進行 更為具體的描述，其中某些實施例圖示于附圖中。然而，應注意的是，附圖僅圖示本發(fā)明的 典型實施例，因此不應視為對其范圍的限制，因為本發(fā)明可允許其它同等有效的實施例。圖1是處于完全開啟位置的力平衡系統(tǒng)和處于沖洗模式的鉆探工具的截面圖。圖2是處于平衡位置的力平衡系統(tǒng)和處于活塞的上升沖程開始處的鉆探工具的 截面圖。圖3是處于平衡位置的力平衡系統(tǒng)和處于活塞下降沖程開端處的鉆探工具的截 面圖。圖4是處于完全閉合位置的力平衡系統(tǒng)的截面圖。
具體實施例方式本發(fā)明一般涉及控制鉆柱重量并同時使用井孔中的鉆井工具的設備和方法。如本 文所述，本發(fā)明將被描述為涉及沖擊鉆探工具。然而，應注意的是，本發(fā)明的方面不限于與 沖擊鉆探工具一同使用，而是同等適用于與其他類型的鉆井工具一同使用。為更好理解本 發(fā)明設備和其使用方法的新穎性，下文結合附圖來描述。將簡要論述圖1-圖3以提供對沖擊鉆探工具的操作和沖擊鉆探的方法的總體概 述。當沖擊鉆探工具在井孔中由鉆柱吊離底部時，便引導壓縮空氣沿著鉆柱向下穿過和旁 路通過鉆探工具而進入井孔。這稱為“沖洗”模式，其有助于在井孔底部移除巖石碎片和其 他碎屑。當工具落于井孔底部上時，鉆頭便定位于“閉合”模式中，并且工具開始操作。在 操作期間，活塞體開始在工具外殼內往復運動并且沖撞鉆頭頂部，從而使鉆頭下方的鄰近 巖石地層變成碎片。圖1展示工具吊離底部時鉆探工具10的“沖洗”模式。切割組件25(其一實例本 文稱為鉆頭2 從固持套管100懸吊下來，并且該切割組件25和固持套管100均部分地設 置于圓柱體或外殼20內。在將鉆頭25落在井孔底部上之前，可以引導壓縮空氣沿著鉆柱 向下穿過力平衡系統(tǒng)70并進入饋送管50的饋送管腔室M中。然后，引導空氣穿過饋送管 50的一或多個開口 51而進入上部腔室56，并從其處經由通道64進入內部活塞腔室65。內 部活塞腔室65位于活塞60中。可通過形成于鉆頭25中的一或多個開口沈將空氣導出。 壓縮空氣有助于移除累積在井孔底部附近的任何碎屑。最終，在外殼20的下部末端與固持 套管100之間的間隙稱為“錘落(hammer drop) ”，而在固持套管100的下部末端與鉆頭25 之間的間隙稱為“鉆頭落(bit drop)”。在工具的沖洗模式操作期間，兩個間隙均開啟。圖2展示在鉆探工具10降下井孔并且鉆頭25接觸井底部之后鉆探工具10的“閉 合”模式。此時，“錘落”與“鉆頭落”閉合。具體來說，將鉆頭25和固持套管100推送入外殼20中，直到由鉆頭形成的肩部27接觸固持套管100的第一肩部101且固持套管100的 第二肩部102接觸外殼20的末端。在接觸之后，向上推送活塞60，以便當活塞60的上部區(qū) 段62覆蓋饋送管50的開口 51時，切斷進入上部腔室56的空氣。接著，重新引導空氣穿過 饋送管50的一或多個開口 52而經由槽66進入下部腔室57?；钊?0的下部末端63與傳 動軸90的孔嚙合并將其密封，以便當下部腔室57填充時，累聚壓力的力量將使活塞沿外殼 20加速向上。這便開始活塞60的往復運動和鉆探工具的操作。圖3展示處于行程頂部的活塞60。當使活塞60加速向上時，活塞60的下部末端 63與傳動軸90之間的密封嚙合便解除，并且來自下部腔室57的空氣通過鉆頭25中的開 口沈排出。之后，重新引導饋送管50中的壓縮空氣穿過開口 51而經由通道64進入上部 腔室56，以加壓該腔室并使活塞60減速，直到其停止，然后使其向下加速，以便活塞的下部 末端63沖撞鉆頭25的頂部。此類鉆探工具10連同置放于鉆頭上方和附近的彎曲子系統(tǒng)(未圖示)可以允許 鉆機在所要方向保持彎曲的定向，從而使井孔能夠定向地和沖擊性地鉆探。鉆探工具10可 以與1/2度到2度曲角的彎曲子系統(tǒng)協(xié)作來實現(xiàn)每100英尺5度到15度的增斜速率(或 狗腿嚴重度)。除沖擊鉆探工具10的一般操作以外，參見圖2，可以利用力平衡系統(tǒng)70來解決對 于有效引導鉆探工具10進入井孔而不必施加過度鉆壓力而言必要的平衡。力平衡系統(tǒng)70 可用于從鉆探工具10上解耦鉆柱重量，以便鉆頭25不會過分堵塞井地層的底部，而是保持 穩(wěn)定的接觸。該系統(tǒng)還可從鉆探工具10的操作上移除重力元素，以便其完全在垂直、有角 度和/或水平的鉆探軌道中操作。圖2展示處于平衡位置的力平衡系統(tǒng)70。一般而言，力平衡腔室45由在相反方向 有效推送心軸子系統(tǒng)30和外殼20的壓縮空氣填充，從而減輕鉆頭25上鉆柱的重量并使鉆 頭座落在井孔底部上，以便其保持在閉合的操作位置中。只要心軸子系統(tǒng)30未處于完全插 入位置，便可在鉆頭25上保持最佳的力。力平衡系統(tǒng)70包括力平衡外殼40、力平衡腔室45、心軸子系統(tǒng)30、閥36和一或多 個楔片38。心軸子系統(tǒng)30經調適以在其上部末端處連接到鉆柱(未圖示)，并且在其下部 末端處可移動地附接到力平衡外殼40。心軸子系統(tǒng)30的區(qū)段31與力平衡外殼40的內徑 密封嚙合。心軸子系統(tǒng)30的下部末端設置于力平衡外殼40內，并且沿楔片38與力平衡外 殼40的內徑可移動地嚙合。最終，力平衡外殼40的下部末端連接到外殼20的上部末端。楔片38定位于心軸子系統(tǒng)30與力平衡外殼40之間，以便其相對于力平衡外殼40 軸向地固定，但是沿心軸子系統(tǒng)30的下部末端在座圈35內行進。行進的距離可以為從幾 英寸到幾英尺的任何長度。楔片38促進心軸子系統(tǒng)30相對于力平衡外殼40的軸向運動， 并且防止兩個子系統(tǒng)之間的旋轉。在一個實施例中，楔片38包括設置于心軸子系統(tǒng)30與 力平衡外殼40之間的銷(未圖示)。該銷可以經操作以增加銷與子系統(tǒng)之間的接觸面積， 從而減小在部件之間相對運動時這些部件所承受的任何應力。心軸子系統(tǒng)30上的座圈35可以形成為直接通往心軸子系統(tǒng)30的末端，并且圍繞 心軸子系統(tǒng)30的下部末端而設置的卡環(huán)33可以用于限制心軸子系統(tǒng)30在一個方向上的 軸向沖程?？ōh(huán)33可以經調適以嚙合位于楔片38下方的力平衡外殼40的肩部，從而限制 心軸子系統(tǒng)30的行進并防止心軸子系統(tǒng)30在操作期間從力平衡外殼40處移除(也展示于圖1中)?？ōh(huán)33還可促進組裝力平衡系統(tǒng)70的容易性。在替代性實施例中，心軸子系 統(tǒng)30上的座圈35的末端可經調適以充當止擋件并通過與楔片38接觸而防止移除。另外， 心軸子系統(tǒng)30的肩部32可有助于防止在心軸子系統(tǒng)30緊靠于力平衡外殼40的上部末端 時完全將其收納入力平衡外殼40中(也示于圖4中)。簡要敘述設置于力平衡系統(tǒng)70下方與該力平衡系統(tǒng)70的、與其操作相互作用的 一些特征是有幫助的。饋送管50安裝在固定于外殼20內的饋送管支撐件55的一個末段 處。饋送管50的另一末段部分地設置于活塞60的內孔中，以便活塞60可以沿其外部滑動。 饋送管50包括與力平衡腔室45和上部腔室56連通的饋送管腔室M。饋送管50還含有開 口 51和52。饋送管密封件53封堵饋送管50正好處于開口 51和52下方的末端，并且與活 塞60內孔形成密封。仍然參見圖2，力平衡腔室45具有成型于力平衡外殼40內部中的有效面積Al。 在一末端，力平衡腔室45(以及就此而言的有效面積Al)密封于心軸子系統(tǒng)30的區(qū)段31 處的周圍環(huán)境。在相對末端，可將力平衡腔室45 (以及就此而言的有效面積Al)在力平衡 外殼40與饋送管支撐件55的界面處密封，或者在力平衡外殼40與外殼20的界面處密封。 在一個實施例中，不依賴鉆探工具10，可以由力平衡系統(tǒng)70的底部(未圖示)將力平衡腔 室45在其下部末端密封。舉例而言，饋送管支撐件55可以與力平衡外殼40成為一體。另一方面，上部腔室56具有成型于外殼20內部的有效面積A2，該有效面積A2在 一末端處由附接到外殼的饋送管支撐件陽的底部來密封而在另一末端處由活塞60的頂部 來密封。當壓縮空氣引入上部腔室56中并引導活塞60的往復運動時，有效面積A2中的壓 力增加和減小，其中，當活塞處于其最上沖程時(示于圖3中)，便在饋送管支撐件55的底 部上和活塞60的頂部上引導最大力。該最大力將在朝上方向上引導饋送管支撐件55和就 此而言的外殼20，并且將在朝下方向上引導活塞60。在操作期間，引導壓縮空氣沿著鉆柱向下，穿過心軸子系統(tǒng)30，從而填充力平衡腔 室45。當力平衡腔室45加壓時，壓縮空氣對心軸子系統(tǒng)30與饋送管支撐件55頂部同時產 生力，其中饋送管支撐件55附接到外殼20。實際上，該力向上推送心軸子系統(tǒng)30并向下 推送外殼20。然而，與此同時，壓縮空氣還經過饋送管50而引導至上部腔室56。當上部腔 室56加壓時，壓縮空氣也對饋送管支撐件55底部和活塞60頂部同時產生力，其中饋送管 支撐件陽附接到外殼20。實際上，該力向上推送外殼20并向下推送活塞60。因此，存在 施向饋送管支撐件55的、將外殼20向上和向下引導的兩個相反力。如果允許向上引導外殼20，則通過開啟“錘落”間隙和“鉆頭落”間隙可以迫使鉆 頭25進入開啟設置，從而將停止活塞60的操作并且因此停止鉆探。另外，如果允許向上引 導外殼20以便心軸子系統(tǒng)30完全插入并緊靠力平衡外殼40，則鉆柱的過度重量可能(經 由力平衡外殼40和外殼20)施加于鉆頭25而抵向井孔底部。因此，向下引導外殼20的力 應大于或等于向上引導外殼20的力，以防止這些潛在的情況。此外，向下引導外殼20的力可以通過將力平衡腔室45中的最大壓力乘以力平衡 腔室45的有效面積Al來計算。類似地，向上引導外殼20的力可以通過將上部腔室56中 的最大壓力乘以上部腔室56的有效面積A2來計算。上部腔室56中的最大壓力可以超過 經引導而進入力平衡系統(tǒng)70和鉆探工具10中的壓縮空氣的水平。當向上移動的活塞60 的動能轉換為勢能時，可以在上部腔室56中的壓力經歷波動時產生過度水平的壓力。圖3展示處于其行程頂部的活塞60，此時上部腔室56可能經受壓力波動。此最大壓力可能超過 力平衡腔室45中壓力的最大壓力。因此，力平衡腔室45的有效面積Al可以設置為大于上 部腔室56的有效面積A2，以便外殼20在向上的方向上不受力。一旦實現(xiàn)此狀況，并且只要 鉆機阻止心軸子系統(tǒng)30完全插入力平衡外殼40中，則是氣動力(而非重力)使鉆頭25保 持關閉位置，而不過分地向井孔的底部擠壓鉆頭25。在替代性實施例中，可以利用力平衡腔室45中產生的向下力和力平衡外殼40的 重量的組合來抵抗上部腔室56中的壓力，以免鉆探工具10轉變至開啟位置?？梢栽黾玉?接到外殼20的力平衡外殼40的重量，以在加壓上部腔室56時向施加于外殼20的向上力 提供額外阻力。通過力平衡外殼40的材料、力平衡外殼40的物理尺寸、重量的附加(諸 如，軸環(huán))、其組合和/或本領域已知的各種其他方法，可以控制力平衡外殼40重量。類似 地，通過引入至所述腔室的壓縮空氣的量和用于形成所述腔室的有效面積Al的物理尺寸， 可以控制力平衡腔室45中產生的向下力。通過調整包含力平衡外殼40和力平衡腔室45 的參數(shù)的組合，可以禁止上部腔室56中的最大壓力迫使外殼20和鉆頭25分離。力平衡外 殼40和力平衡腔室45的組合可以使鉆探工具10保持在關閉位置上并且防止過度重量施 加至鉆頭25上。參見圖4，為協(xié)助鉆機能夠避免完全地插入心軸子系統(tǒng)30，閥36可以設置于饋送 管支撐件陽上方。如上所述，在一個實施例中，饋送管支撐件55可以與力平衡外殼40成 為一體而作為力平衡系統(tǒng)70的底部，從而將閥36設置于力平衡腔室45內的力平衡系統(tǒng)70 的底部上。閥36可以包含具有圓錐形頂部的圓柱形外殼，該圓錐形頂部經調適以在心軸子 系統(tǒng)30的內孔中擬合。閥36可以包括窗口 37，壓縮空氣可以穿過窗口 37而引入至鉆探 工具10的饋送管腔室M中。在心軸子系統(tǒng)30接近完全插入位置時，心軸子系統(tǒng)30的內 孔可以開始嚙合和封閉閥36。心軸子系統(tǒng)30的內孔的壁可以環(huán)繞窗口 37并且抑制壓縮 空氣流沿著鉆柱向下穿過力平衡腔室45行進至鉆探工具10。當心軸子系統(tǒng)30開始嚙合 閥36時，可以將心軸子系統(tǒng)30的鉆柱和內孔中的壓力上升作為鉆柱應該從鉆探工具上升 高或放下鉆柱的信號傳達至鉆機。在心軸子系統(tǒng)30完全插入的情況下，閥36可以完全封 閉于心軸內并且禁止壓縮空氣流動至力平衡腔室45和鉆探工具10，從而停止工具的操作。盡管上述內容是針對本發(fā)明的實施例，但可在不脫離本發(fā)明的基本范圍的情況下 設計本發(fā)明的其它及更多實施例，且本發(fā)明的范圍是由權利要求書來確定。
權利要求
1.一種使用力平衡系統(tǒng)的方法，所述方法包含經由鉆柱將鉆井工具定位于井孔中，其中所述力平衡系統(tǒng)附接于所述鉆柱與所述鉆井 工具之間；加壓具有處于所述力平衡系統(tǒng)中的第一有效面積的第一腔室和具有處于所述鉆井工 具中的第二有效面積的第二腔室，其中所述第一有效面積大于所述第二有效面積；和從所述鉆井工具上解耦所述鉆柱的重量。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包含在所述鉆柱的所述重量施加于所述鉆井 工具時終止加壓所述第一腔室和所述第二腔室。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包含不依賴所述鉆柱的所述重量來操作所述 鉆井工具。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包含不依賴所述鉆柱的所述重量來將所述鉆 井工具推進到所述井孔中。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，當加壓所述第一腔室時，第一力在第一方向上引 導所述鉆井工具。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中，當加壓所述第二腔室時，第二力在第二方向上引 導所述鉆井工具，所述第二方向與所述第一方向相反。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述第一力大于或等于所述第二力。
8.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述第二腔室中的最大壓力超過所述第一腔室中 的最大壓力。
9.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述第一力包含外殼重量和所加壓力的組合。
10.一種與附接到鉆柱的鉆井工具一同使用的力平衡系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含具有可連接到所述鉆柱的末端的子系統(tǒng)；可連接到所述鉆井工具的外殼，其中所述子系統(tǒng)可在所述外殼內于開啟位置與閉合位 置之間移動；界定于所述外殼與所述子系統(tǒng)之間的腔室，其中加壓所述腔室使得從所述鉆井工具上 解耦所述鉆柱的重量；和設置于所述外殼中的閥構件，所述閥構件經配置以有選擇地控制所述鉆井工具的操作。
11.根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述子系統(tǒng)包括與所述腔室流體連通的孔。
12.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中，當所述子系統(tǒng)處于所述閉合位置時，所述子系 統(tǒng)的所述孔嚙合所述閥構件，從而防止加壓所述腔室。
13.根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其進一步包含設置于所述子系統(tǒng)與所述外殼之間的 楔片構件，其中所述楔片構件經配置以旋轉地將所述子系統(tǒng)固定到所述外殼。
14.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述子系統(tǒng)包括形成于側部上的座圈，其中所 述楔片經配置而在所述子系統(tǒng)于所述開啟位置與所述閉合位置之間移動時沿所述座圈行 進。
15.一種附接到鉆柱的鉆井組件，所述組件包含工具；和設置于所述工具與所述鉆柱之間的力平衡系統(tǒng)，所述力平衡系統(tǒng)包含具有可連接到所述鉆柱的末端的子系統(tǒng)；連接到所述工具的外殼，其中所述子系統(tǒng)可在所述外殼內于開啟位置與閉合位置之間 移動；界定于所述外殼與所述子系統(tǒng)之間的腔室，其中加壓所述腔室使得從所述工具上解耦 所述鉆柱的重量；和設置于所述外殼中的閥構件，所述閥構件經配置以有選擇地控制鉆井工具的操作。
16.根據(jù)權利要求15所述的組件，其中所述工具包括具有有效面積的壓力腔室。
17.根據(jù)權利要求16所述的組件，其中所述力平衡系統(tǒng)中的所述腔室的有效面積大于 所述壓力腔室中的所述有效面積。
18.根據(jù)權利要求16所述的組件，其中所述壓力腔室和所述力平衡系統(tǒng)中的所述腔室 為流體連通。
19.根據(jù)權利要求15所述的組件，其中所述工具為沖擊鉆探工具。
20.根據(jù)權利要求15所述的組件，其中，當所述子系統(tǒng)處于所述閉合位置時，所述子系 統(tǒng)的孔嚙合所述閥構件，從而防止加壓所述腔室。
21.根據(jù)權利要求15所述的組件，其進一步包含楔片構件，所述楔片構件經配置而在 所述子系統(tǒng)于所述開啟位置與所述閉合位置之間移動時沿所述子系統(tǒng)中的座圈行進。
全文摘要
本發(fā)明公開一種方法和設備，所述方法和設備用于與鉆井工具一同使用的系統(tǒng)，所述鉆井工具經調適而用以從操作上解耦鉆柱的重量，并且改為利用水壓或氣壓來將鉆探工具推進到井孔中。
文檔編號E21B17/00GK102066688SQ200980119177
公開日2011年5月18日 申請日期2009年4月29日 優(yōu)先權日2008年4月29日
發(fā)明者于伊·D·布伊, 布魯克斯·霍華德·杰文斯, 肯尼思·韋恩·阿爾霍恩 申請人:杰文斯公司