專利名稱：井管柱組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于從地面向下延伸的井中的井管柱組件。具體地說，本發(fā)明涉及一種鉆井鉆頭組件，所述鉆井鉆頭組件適合于在鉆井鉆頭“貫通式鉆頭(through-bit)作業(yè)”前方的井中進(jìn)行作業(yè)。
背景技術(shù)：
井管柱(well string)一詞用來指用于在井眼中作業(yè)，如鉆井、測井、流體運(yùn)輸?shù)娜魏喂苤蚓?。井管柱在它的整個長度上不一定必需是管狀。井管柱尤其可以是一種鉆柱，并可以包括一種鉆井鉆頭。
國際專利申請出版物No.WO 00/17488公開了一種用于在地層中形成的井眼中進(jìn)行鉆井和測井的系統(tǒng)，其中測井工具可以從鉆柱內(nèi)部穿過鉆柱下端處的鉆井鉆頭下放在井眼中。
已知系統(tǒng)包括一個鉆井鉆頭，所述鉆井鉆頭包括一個鉆頭體和一個通道的封閉元件，上述鉆頭體設(shè)置一個用于測井工具的通道，而上述通道的封閉元件，在鉆頭端面處呈一個插入分段的形式。在鉆頭體的鉆柱側(cè)，鉆頭體可安裝到一個管狀鉆柱上，而通道從鉆柱側(cè)的一個開口延伸到鉆頭體外部的井中。封閉元件包括一個鉆頭連接機(jī)構(gòu)，所述鉆頭連接機(jī)構(gòu)呈一種一次卡鎖裝置的形式，上述鉆頭連接機(jī)構(gòu)用于選擇性地將封閉元件連接到鉆頭體上，以便選擇性地封閉通道。
已知系統(tǒng)還包括一個用于操縱封閉元件的輔助工具，上述輔助工具形成測井工具管柱的下游部分。
在說明書和權(quán)利要求書中，術(shù)語上游、上面和下游、下面的使用與將一個鉆具下放到一個井眼中有關(guān)，因此上游、上面比下游、下面更接近地面。
已知系統(tǒng)的測井工具管柱的安裝，使其可以沿著通道從連接的鉆柱，穿過在鉆柱側(cè)處鉆頭體的開口，以便當(dāng)封閉元件連接到鉆頭體上時，它可以到達(dá)封閉元件。輔助工具包括一個工具連接機(jī)構(gòu)，所述工具連接機(jī)構(gòu)呈二次卡鎖裝置的形式，該二次卡鎖裝置用于選擇性地將輔助工具連接到封閉元件上。二次卡鎖裝置還設(shè)置成，在將輔助工具卡鎖到封閉元件上的同時，主卡鎖機(jī)構(gòu)被操作，以使封閉元件保持連接到輔助工具上的同時，與鉆頭體分開。
當(dāng)封閉元件連接到鉆頭體上時，已知系統(tǒng)的鉆井鉆頭可以用于鉆井作業(yè)。當(dāng)希望對地層測井時，停止鉆井作業(yè)，并將其下端處帶有輔助工具的測井工具管柱通過鉆柱下放到通道中。工具連接機(jī)構(gòu)(二次卡鎖機(jī)構(gòu))連接到封閉元件上，同時，操作鉆頭連接機(jī)構(gòu)(主卡鎖機(jī)構(gòu))，以便釋放鉆頭體中的封閉元件。然后，可以把測井工具從能進(jìn)行測井的地方下放到鉆井鉆頭前面的井眼中。在測井完成之后，可以將測井工具管柱往后拉入鉆柱中，以便將封閉元件再連接到鉆頭體上，而同時使輔助工具與封閉元件分開。
已知的系統(tǒng)具有堅固性有限的缺點(diǎn)。底部井眼設(shè)備的失效一安全操作在鉆井作業(yè)中一般很重要。已知系統(tǒng)例如有在輔助工具不完全連接到封閉元件上的情況下，封閉元件不充分連接到鉆頭上的危險。在移開封閉元件期間，以及當(dāng)完成測井之后試圖重新插入封閉元件時，這種情況可能發(fā)生。因此，封閉元件可能丟失在井眼中。在國際專利申請出版物No.WO 03/004825中所公開的卡鎖機(jī)構(gòu)具有相同的缺點(diǎn)，上述國際專利申請在本發(fā)明的優(yōu)先權(quán)日未發(fā)表。
美國專利出版物No.3 554 304公開了一種帶切割器元件的鉆井鉆頭，上述切割器元件在有浮緯花紋(overshot)的普通鋼絲繩上穿過鉆管下放，并通過一個卡鎖機(jī)構(gòu)鎖緊在鉆管的下端。鋼絲繩可以拉回到地面上，并再次放下以便重新連接到切割器元件上。為了將切割器元件移到地面上，通過簡單地拉動鋼絲繩將卡鎖機(jī)構(gòu)松開。
本發(fā)明的目的是提供一種井管柱組件，所述組件能通過卡鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)入井管柱的外部的井中，并且能夠堅固而失效一安全地作業(yè)。具體的目的是提供一種鉆井鉆頭組件，所述鉆井鉆頭組件適合于貫通式鉆頭作業(yè)，它能堅固而失效一安全地操作封閉元件和鉆頭體之間以及封閉元件和輔助工具之間的連接。

發(fā)明內(nèi)容
為此，按照本發(fā)明，提供了一種井管柱組件，所述井管柱組件包括一個井管柱元件，該井管柱元件包括—一個管狀第一井管柱部分，所述第一井管柱部分具有上端和下端，在上述上端和下端之間設(shè)置了一個通道；—第二井管柱部分，所述第二井管柱部分與第一井管柱部分的下端相配合；及—一個可松開的井管柱互連機(jī)構(gòu)，所述井管柱互連機(jī)構(gòu)用于選擇性地使第一和第二井管柱部分互連；井管柱組件還包括一個用于操縱第二井管柱部分的輔助工具，上述輔助工具設(shè)置成，當(dāng)?shù)谝缓偷诙苤糠只ミB時，輔助工具可以沿著第一井管柱部分中的通道移動到第二井管柱部分，其中輔助工具包括一個工具連接機(jī)構(gòu)和一個操作機(jī)構(gòu)，上述工具連接機(jī)構(gòu)用于選擇性地將輔助工具連接到第二井管柱部分上，而上述操作機(jī)構(gòu)用于操作井管柱互連機(jī)構(gòu)，其中輔助工具包括一個第一構(gòu)件和一個第二構(gòu)件，上述第一構(gòu)件包括工具連接機(jī)構(gòu)，而上述第二構(gòu)件包括操作機(jī)構(gòu)，第二構(gòu)件設(shè)置成可移動，以便它可以相對于第一構(gòu)件處于一個第一和一個第二位置；在第一位置，工具連接機(jī)構(gòu)至少是在第一和第二井管柱部分互連時，可在不操作井管柱互連機(jī)構(gòu)的情況下連接到第二井管柱部分上；及在輔助工具連接到第二井管柱部分上之后，可通過移動第二構(gòu)件操作井管柱互連機(jī)構(gòu)，上述第二構(gòu)件包括在第一和第二位置之間的操作機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明從輔助工具必需實(shí)施兩種功能這一觀點(diǎn)出發(fā)。一方面，輔助工具必需連接到第二(下面)井管柱部分上。另一方面，井管柱互連機(jī)構(gòu)(比如一種將封閉元件連接到鉆頭體上的連接機(jī)構(gòu))需要如此操作，以便使兩井管柱部分相互分開。還應(yīng)該認(rèn)識到，如果輔助工具的兩種功能可以以一特殊方式相互斷開聯(lián)系，則利用輔助工具操縱第二井管柱部分(比如封閉元件)的堅固性可以增加，因此井管柱互連機(jī)構(gòu)只有在輔助工具連接到第二井管柱部分上時才能操作。這樣防止了第二井管柱部分在井眼中的可能丟失，因為如果它完全連接到輔助工具上，則它只能與上面第一井管柱部分分開。當(dāng)與打開井管相反操作時，則在敞開的井眼中完成了操作之后，輔助工具只有在兩個井管柱部分再次適當(dāng)?shù)鼗ミB時才能移開。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)使各功能斷開聯(lián)系，在于輔助工具包括第一和第二構(gòu)件，上述第一和第二構(gòu)件每個都主要與其中一個功能有關(guān)，并且它們可彼此相對移動。在第一和第二構(gòu)件之間的第一相對位置中，輔助工具可以連接到第二井管柱部分上，并且通過將第一和第二構(gòu)件移動到它們的第二相對位置中，操作井管柱互連機(jī)構(gòu)。
在一個具體實(shí)施例中，本發(fā)明的井管柱組件是一種適合用于貫通式鉆頭操作的鉆井鉆頭組件，其中井管柱元件是一種鉆井鉆頭，第一井管柱部分是一種可在其上端處固定到管狀鉆柱上的鉆頭體，以及該通道在該上端處的一個開口與鉆頭體外部之間延伸；其中第二井管柱部分是用于通道的封閉元件；以及其中井管柱互連機(jī)構(gòu)是一種鉆頭連接機(jī)構(gòu)，所述鉆頭連接機(jī)構(gòu)用于松脫地將封閉元件連接到鉆頭體上，以便選擇性地封閉通道。
在另一個具體實(shí)施例中，第一井管柱部分包括一個管狀井管柱，所述管狀井管柱具有上端和下端，及第二井管柱部分包括一個井管柱，所述井管柱具有上端和下端，上述第二井管柱部分的上端設(shè)置成與輔助工具及與第一井管柱部分的下端相配合，而其下端可固定到鉆井鉆頭上。在這個實(shí)施例中，第一和第二井管柱部分形成一個井管柱，所述井管柱可在鉆井鉆頭上方伸縮地打開和封閉。
在輔助工具的一個有利的實(shí)施例中，工具連接機(jī)構(gòu)設(shè)置在第一構(gòu)件的下游端附近，操作機(jī)構(gòu)安裝在第二構(gòu)件的下游端附近，及第二構(gòu)件設(shè)置成沿著通道在縱向上相對于第一構(gòu)件滑動。因而合適的是，在第一相對位置，第二構(gòu)件相對于第一構(gòu)件處于上游位置，并且當(dāng)?shù)诙?gòu)件朝第二相對位置方向移動時，第二構(gòu)件朝下游方向移動。
這個實(shí)施例是有利的，因為它能只通過縱向運(yùn)動來簡單地操作井管柱互連機(jī)構(gòu)。通過在第一相對位置降低帶第二構(gòu)件的輔助工具，輔助工具可以連接到第二井管柱部分上。在第二構(gòu)件相對于第一構(gòu)件進(jìn)一步縱向運(yùn)動的情況下，可以操作井管柱互連機(jī)構(gòu)。這種縱向運(yùn)動可以很容易產(chǎn)生。
合適的是，第二井管柱部分上游的通道和/或輔助工具裝有一個定向裝置用于給輔助工具角向定向，因此通過使輔助工具和第二井管柱部分在連接時(命令打開通道時)，彼此相對處于預(yù)定的角度定向，并且還處于預(yù)定的角度位置以再次封閉通道，可以進(jìn)一步保證失效—安全操作。術(shù)語角度定向用來指繞井管柱縱向軸線旋轉(zhuǎn)，并且角處于橫向平面中。合適的是，為此，輔助工具在它的外壁處設(shè)置一個向外伸出的鍵，而通道的內(nèi)壁設(shè)置兩個導(dǎo)向凸緣，所述兩個導(dǎo)向凸緣形成一個中心導(dǎo)槽，鍵可以穿過上述中心導(dǎo)槽，導(dǎo)槽具有上游端和下游端，還設(shè)置一個上游凸輪凸緣和一個下游凸輪凸緣，上述上游凸輪凸緣從導(dǎo)槽上游的一個位置完全繞內(nèi)壁延伸到導(dǎo)槽的上游端，而上述下游凸輪凸緣從導(dǎo)槽下游的一個位置完全繞內(nèi)壁延伸到導(dǎo)槽的下游端，其中凸輪凸緣和導(dǎo)向凸緣充分伸入通道中，以便當(dāng)輔助工具穿過通道移動時，與鍵接合并將所述鍵導(dǎo)入導(dǎo)槽中，因而給輔助工具角度定向。可供選擇地，凸輪凸緣和導(dǎo)槽也可以設(shè)置在輔助工具的圓周上，而鍵設(shè)置在通道的內(nèi)表面上。
輔助工具的工具連接機(jī)構(gòu)和封閉元件的配合部分進(jìn)一步適當(dāng)?shù)爻尚?，以便只有處于它們之間預(yù)定的正確的相對角向位置時，正如由定向裝置所決定的，才將輔助工具連接到第二井管柱部分上或與所述第二井管柱部分分開，并且進(jìn)一步操作井管柱互連機(jī)構(gòu)才是可行的。


現(xiàn)在將更詳細(xì)并參照附圖論述本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，其中圖1示意性地示出按照本發(fā)明井管柱元件的第一實(shí)施例；圖2示意性地示出按照本發(fā)明輔助工具的上游部分；圖3示意性地示出按照本發(fā)明一種輔助工具的下游部分；圖4示意性地示出在圖3中IV-IV處所作的剖視圖；
圖5示意性地示出輔助工具與鉆井鉆頭之間的相互作用的第一種狀態(tài)；圖6示意性地示出輔助工具與鉆井鉆頭之間的相互作用的第二種狀態(tài)；圖7示意性地示出輔助工具與鉆井鉆頭之間的相互作用的第三種狀態(tài)；圖8示意性地示出按照本發(fā)明一種井管柱元件的第二實(shí)施例，其中第一和第二井管柱部分相互連接在一起；圖9示出在井管柱部分已相互分開之后的圖8的實(shí)施例；圖10示意性地示出第二實(shí)施例的互連機(jī)構(gòu)；圖11-13示意性地示出在第二實(shí)施例中井管柱部分與輔助工具之間相互作用的幾種狀態(tài)；圖14示意性地示出供本發(fā)明用的一種定向裝置的實(shí)施例；圖15示出通過沿著圖14上線段II-II切開管狀構(gòu)件并展開而得到的圖14定向裝置展開的內(nèi)壁平面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的第一實(shí)施例將參照圖1-7進(jìn)行描述。在這個實(shí)施例中，井管柱組件是一種適合于貫通式鉆頭操作的鉆井鉆頭組件，井管柱元件是一種鉆井鉆頭，第一井管柱部分是具有一個通道的鉆頭體，第二井管柱部分是一種用于通道的封閉元件；井管柱互連機(jī)構(gòu)是一種鉆頭連接機(jī)構(gòu)，所述鉆頭連接機(jī)構(gòu)松脫地將封閉元件連接到鉆頭體上，以便選擇性地封閉通道。
參見圖1，圖1示出一種用于貫通式鉆頭作業(yè)的鉆井鉆頭1的縱向剖視圖，上述鉆頭適合于與本發(fā)明一起用。鉆井鉆頭1表示在井眼2中，并安裝到鉆柱3的下端上。鉆井鉆頭1包括一個鉆頭體6，所述鉆頭體6包括一個鉆頭柄7，上述鉆頭體6和鉆頭柄7一起，在鉆柱3的內(nèi)部3a和鉆井鉆頭1外部的井孔2之間形成一個用于鉆具的中間縱向通道8，如下面將更詳細(xì)指出的。一些鉆頭管口安裝在鉆頭體6中。為了清楚起見，只示出了一個管口9。管口9經(jīng)由鉆管溝道9a連接到通道8上。
鉆井鉆頭1還設(shè)置一個可拆卸的封閉元件10，在圖1中所述封閉元件10處于對通道8的封閉位置。這個例子的封閉元件10包括一個中心插入分段12和一個卡鎖分段14。插入分段12在它的前端處設(shè)置若干切割元件16，上述切割元件16如此安裝，以便在封閉位置與在鉆頭體6前端處的切割器18一起形成接合的鉆頭端面。切割元件16和18可以是聚晶金剛石切割器。插入分段也設(shè)置管口19。另外，插入分段和鉆頭體6的配合面適當(dāng)?shù)丶庸こ梢欢ㄐ螤?，以便能把鉆孔轉(zhuǎn)矩從鉆柱3傳送到插入分段12。
卡鎖分段14固定地安裝到插入分段12的后端上，上述卡鎖分段14具有基本上是圓筒形狀，并以狹小的間隙伸入到鉆頭體6內(nèi)的中心縱向孔20中?？v向孔20形成通道8的一部分，它還提供與插入分段12中的管口19成流體連通。
通過卡鎖分段14，封閉元件10可拆卸地安裝到鉆頭體6上。封閉元件10的卡鎖分段14包括一個基本上是圓筒形的外套筒23，所述外套筒23以狹窄的間隙沿縱向孔20延伸。一個密封圈24安裝在外套筒23周邊的一個槽中，以便防止沿著卡鎖分段14的外表面流體連通。連接到套筒23下端上的是插入分段12?？ㄦi分段14還包括一個內(nèi)套筒25，所述內(nèi)套筒25滑動地裝配到外套筒23中。內(nèi)套筒25具有一個環(huán)形凸緣26，所述環(huán)形凸緣26在上游方向偏置在外套筒23的內(nèi)凸肩28上。偏置力由一個部分壓縮的螺旋形彈簧30施加，上述螺旋形彈簧30推動內(nèi)套筒25離開插入分段12。在內(nèi)套筒25的下端處，設(shè)置一個環(huán)形凹槽32，所述環(huán)形凹槽32安裝成接納彈簧30的上部。
外套筒23設(shè)置若干凹槽34，在所述凹槽34中安裝卡鎖球35?？ㄦi球35具有一個比套筒23的壁厚大的直徑，并且每個凹槽34都安裝成寬松地放入相應(yīng)的球35，以便它可以在套筒23之內(nèi)和之外沿徑向移動一有限的距離。在圖中示出了兩個卡鎖球35，然而，很顯然，可以安裝更多的卡鎖球。作為替代卡鎖球的一種方案，可以使用卡鎖爪。
在如圖1所示的封閉位置中，卡鎖球35被內(nèi)套筒25從徑向上向外推，并存放在環(huán)形凹槽36中，該環(huán)形凹槽36設(shè)置在孔20周圍的鉆頭體6中。這樣把封閉元件10鎖緊到鉆井鉆頭1上，并且卡鎖球35與槽36一起形成鉆頭連接機(jī)構(gòu)的一部分，所述鉆頭連接機(jī)構(gòu)用于將封閉元件10連接到鉆頭體6上。
內(nèi)套筒25另外設(shè)置一個環(huán)形槽37，所述環(huán)形槽37在封閉位置，縱向上相對于凹槽36朝鉆柱3的方向，亦即朝上游方向位移。也可以設(shè)置若干內(nèi)槽38。正如下面將要更詳細(xì)說明的，鉆頭連接機(jī)構(gòu)可以通過產(chǎn)生內(nèi)套筒25相對于外套筒23的縱向運(yùn)動進(jìn)行作業(yè)，因為這樣卡鎖球35可以鎖入到槽36中或者從槽36中釋放出來。
外套筒23的上游端23a是漏斗形，以便將輔助工具導(dǎo)入卡鎖分段14中，上述輔助工具用來連接到封閉元件上并使鉆頭連接機(jī)構(gòu)動作?？ㄦi槽39設(shè)置在外套筒23中，并與輔助工具的工具連接機(jī)構(gòu)配合。
卡鎖分段14還包括一個雙向定向裝置40和一個彈簧偏置的動作鈕45，上述雙向定向裝置40和彈簧偏置的動作鈕45二者安裝成與輔助工具相配合，上述輔助工具可以穿過鉆柱的內(nèi)部開展工作以操縱封閉元件10。定向裝置40包括一個導(dǎo)槽41，所述導(dǎo)槽41由向內(nèi)延伸的凸緣42a、42b形成，所述凸緣42a、42b緊緊地圍繞通道8的圓周在上游和下游方向延伸，以便形成一個上游凸輪凸緣43和下游凸輪凸緣44。為了清楚起見，定向裝置40表示成如圖1所示，然而其合適的定向是將導(dǎo)槽41安裝成與鈕45相對。
現(xiàn)在將描述輔助工具的一個實(shí)施例。
參見圖2-4。圖2示意性地示出一種輔助工具的上游部分，而圖3以縱向剖視圖形式示出按照本發(fā)明所述一種輔助工具的下游部分。圖4示出在圖3中IV-IV處所作的剖視圖。
用于操縱封閉元件10的輔助工具50如此安裝，以便當(dāng)封閉元件10如圖1所示連接到鉆頭體6上時，它可以沿著通向封閉元件10的通道，從表面穿過鉆柱3的內(nèi)部。為此，輔助工具是細(xì)長的，并且基本上是圓筒形，所述圓筒的最大外徑小于鉆柱3的內(nèi)徑。必須穿入到鉆井鉆頭里并且可能穿過鉆井鉆頭的輔助工具最下游部分具有的最大外徑小于通道的最小直徑。當(dāng)鉆井鉆頭1的直徑小到15cm(6英寸)，或21cm(8.5英寸)，或31cm(12.25英寸)時，通道的典型最小直徑為6cm(2.5英寸)。
輔助工具包括一個第一外部構(gòu)件55和一個呈內(nèi)部活塞56形式的第二構(gòu)件。這個例子中的外部構(gòu)件55具有一個外殼，所述外殼由一些部分57、58、59形成，部分57、58、59通過螺釘60、61組裝。外部構(gòu)件55包括在其最下游端處的工具連接機(jī)構(gòu)。工具連接機(jī)構(gòu)包括4個卡瓣63，所述4個卡瓣安裝成與封閉元件10的卡鎖分段14中的卡鎖槽39配合，以便選擇性地和松脫地將輔助工具連接到封閉元件上。
內(nèi)部活塞56在其下游端處設(shè)置一個操作機(jī)構(gòu)，所述操作機(jī)構(gòu)呈一種柱塞64形式。柱塞64在其最下游端處具有一十字形橫截面，如在圖4中最佳可看出的，并且柱塞64用來在縱向上使內(nèi)套筒25相對于卡鎖分段的外套筒23移動。為此，內(nèi)部活塞56在縱向上可相對于外部構(gòu)件55活動。在標(biāo)號66處，柱塞64表示成處于第一收縮位置。這個位置同時表征第一外部構(gòu)件56與內(nèi)部活塞(第二構(gòu)件)56之間的相對位置。這也可從圖2中輔助工具50的上游部分中看到，其中連接到內(nèi)部活塞56上部的軸67從外部構(gòu)件55的上部完全收縮。軸67具有一個凸肩68，并通過一個旋轉(zhuǎn)接頭69連接到另外的設(shè)備(未示出)如管子或一個測井工具上。
該旋轉(zhuǎn)接頭能使這種另外的設(shè)備相對于輔助工具旋轉(zhuǎn)。
在柱塞處于這種收縮位置情況下，外部構(gòu)件55的卡瓣63具有朝向輔助工具的軸線70的橫向撓性，因此它們可以進(jìn)入卡鎖分段14并連接到卡鎖槽39中。內(nèi)部活塞56也可以在縱向上移動，以便處于相對于外部構(gòu)件55的其它位置。一個這樣的位置用點(diǎn)劃線表示在標(biāo)號71處，并且在這個位置，卡瓣63不能朝軸線方向彎曲。
柱塞64布置成使其能夠推入到內(nèi)套筒的上端，因此形成如前所述的工具連接機(jī)構(gòu)的操作機(jī)構(gòu)。
這將對圖5-7更詳細(xì)地描述。
輔助工具另外設(shè)置若干部分，所述部分進(jìn)一步地支持失效—安全操作把構(gòu)成第一保持裝置的上游觸發(fā)器72和構(gòu)成第二保持裝置的下游觸發(fā)器73安裝在外部構(gòu)件55上，以便與內(nèi)部活塞56上的凹槽25以及與鉆頭體6的鈕45配合，下面將要更詳細(xì)說明。觸發(fā)器72和73設(shè)置缺口77、78，并樞軸式繞軸82、83安裝，上述缺口77、78延伸穿過外殼58中的一個開口80，其中缺口的相對端通過彈簧86、87在朝內(nèi)部活塞56的方向偏置。
外殼還設(shè)置一個鍵90，所述鍵90從外部構(gòu)件55下游部分的基本上是圓筒形外表面上伸出，與鉆頭體6的雙向定向裝置40配合。鍵90是細(xì)長的，平行于軸線70的方向，并具有錐形邊緣，同時使它具有象船一樣的形狀。該鍵由彈簧92支承。也可以安裝兩個縱向上間隔開的分開的鍵代替船形的細(xì)長鍵。鍵90的下游并稍微在角度方向錯開的，有一個防撞鈕，所述防撞鈕呈沿徑向上向外延伸的尖頭95的形式，上述尖頭95由一個彈簧97支承。
內(nèi)部活塞56還可以設(shè)置若干指狀件(為清楚起見未示出)，所述指狀件延伸在柱塞64更下游處，上述指狀件可以與封閉元件10中的槽38配合。這樣，內(nèi)部活塞也可以按預(yù)定的位置連接到插入分段上，這樣萬一由于拉動或泵送而在插入分段12上產(chǎn)生很強(qiáng)的縱向上向外的力，也可以有助于失效一安全操作。
各部分保證失效—安全操作的功能從圖5-7的描述將變得顯而易見。
參見圖5-7，圖5-7示出輔助工具和鉆井鉆頭與互連機(jī)構(gòu)18之間相互作用的幾個步驟。標(biāo)號與圖1-4中已經(jīng)使用的那些標(biāo)號相對應(yīng)。
如圖1所示處于封閉位置的帶有封閉元件10的鉆井鉆頭1可以用來掘進(jìn)井眼2。
如圖1所示處于封閉位置的帶有封閉元件10的鉆井鉆頭1具有常規(guī)PDC鉆井鉆頭的形狀和全部功能，并可以用該技術(shù)中眾所周知的相同方法，比如通過使鉆柱3旋轉(zhuǎn)并把重量加在鉆頭上，用于正常的鉆井作業(yè)。
當(dāng)希望通過從封閉元件10的封閉位置中移開封閉元件10來打開通道10時，首先把鉆井鉆頭定位在井眼底部的上方一個距離。然后，可以將封閉元件10從鉆井鉆頭1中的封閉位置向外移開。
為此，將輔助工具50從地表或者從鉆柱3內(nèi)部一個位置降下，沿著通道8穿過鉆頭體鉆柱側(cè)的開口從鉆柱進(jìn)入鉆頭體6。
當(dāng)降下輔助工具50時，內(nèi)部活塞56處于它的收縮位置66，所述收縮位置在說明書中和在權(quán)利要求書中也稱之為相對于外部構(gòu)件56的第一位置。當(dāng)輔助工具的下面部分進(jìn)入鉆頭體6中時，鍵90接合上游的凸輪凸緣43(為清楚起見圖5-7中未示出)，并且輔助工具繞旋轉(zhuǎn)接頭69轉(zhuǎn)動，以便剛好在輔助工具接觸卡鎖分段14的點(diǎn)之前，在工具連接機(jī)構(gòu)和卡鎖分段14之間達(dá)到一預(yù)定的角向位置。
在外部構(gòu)件56的下游端上形成工具連接機(jī)構(gòu)的卡瓣63被外部套筒23的漏斗形上游端23a接納并導(dǎo)向到卡鎖分段14中。卡瓣63的支腿向內(nèi)變形，直至卡瓣63與凹槽39對齊，以便它們可以向外卡扣。這個位置在圖5中示出，其中鉆具50連接到封閉元件10上。
另外從該圖中顯然可看出，鈕45已接合到上游觸發(fā)器72(它形成第一保持裝置)的缺口77上，從而使觸發(fā)器72的上游端升起離開凹槽75。因此，當(dāng)卡瓣63已連接到凹槽39中時，第一保持裝置72被操作(松開)，以便這時它不阻擋內(nèi)部活塞56的下游運(yùn)動。
進(jìn)一步推動輔助工具50的上游端，將引起內(nèi)部活塞56在縱向上相對于外部構(gòu)件55滑動。柱塞64接合內(nèi)套筒25的上游端，所述內(nèi)套筒25具有的內(nèi)徑比柱塞64的直徑小。內(nèi)部活塞的進(jìn)一步下游運(yùn)動引起內(nèi)套筒受推克服彈簧30的力，直至卡鎖球35與凹槽37對齊。這種狀態(tài)在圖6中示出。因此卡鎖球能向內(nèi)移動，因而使封閉元件與環(huán)形槽36，亦即與鉆頭體分開。這樣柱塞64形成一種用于鉆頭連接機(jī)構(gòu)的操作機(jī)構(gòu)。其中各卡鎖球完全從環(huán)形槽36中釋放的內(nèi)部活塞56與外部構(gòu)件55之間的相對位置在說明書中和在權(quán)利要求書中稱之為第二相對位置。
在圖6所示的位置中，內(nèi)部活塞56防止卡瓣63向內(nèi)彎曲，以便將輔助工具50牢固地鎖緊到封閉元件10上。另外，在這個位置，內(nèi)部活塞上的凹槽75已經(jīng)移動，以致它與下游觸發(fā)器73(第二保持裝置)對齊。下游觸發(fā)器73的下游端通過彈簧87的作用被迫進(jìn)入凹槽75，并且當(dāng)封閉元件10未卡閉時，阻止內(nèi)部活塞56相對于外部構(gòu)件55的縱向上游運(yùn)動。
通過進(jìn)一步朝下游方向推動輔助工具50，將封閉元件10從鉆頭體6向外移開。這在圖7中示出。合適的是輔助工具可以掛在底部孔組件中，以便它可以很容易收回。輔助工具可以例如安裝在測井工具的下端上，以便測井工具進(jìn)入在鉆頭體6前方的敞開的井眼，在此處可以進(jìn)行測井測量。如果采用一種流體注入工具而不是測井工具，則可以在井眼中進(jìn)行流體注入作業(yè)，比如，水泥灌漿，注入損耗的循環(huán)材料，或者噴射清洗井眼壁或鉆頭切割器。
鉆井鉆頭1和輔助工具50這樣設(shè)計，以便如果希望的話，可以將封閉元件10再接合到鉆頭體6上。
當(dāng)從圖7所示的狀態(tài)開始時，當(dāng)輔助工具朝下游方向推時，與凹槽75相互作用的下游觸發(fā)器73使內(nèi)部活塞保持在所示的與外部構(gòu)件55相對的位置。
鍵90與下游的凸輪凸緣44(為了清楚起見它只在圖1中示出)相互作用，以便使帶有輔助工具50的封閉元件10進(jìn)入一預(yù)定的相對于鉆頭體的角度方位。當(dāng)輔助工具50接合或連接到封閉元件10上時，這種預(yù)定的角度方位必需設(shè)置在不同的、比以前更低的輔助工具的位置處。為此，鍵90是細(xì)長的，或者是以合適的縱向間隔安裝兩個鍵。這樣，方位出現(xiàn)在不同的縱向位置處。原則上這也可以通過使導(dǎo)槽41更長來達(dá)到目的。細(xì)長的鍵機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是定向裝置40作為鉆井鉆頭的一部分需要較小的空間。鍵機(jī)構(gòu)的延長部分可以選擇成比導(dǎo)槽的長度更長。
當(dāng)?shù)竭_(dá)圖6中所示的位置時，卡鎖球35將被迫回到環(huán)形槽36中。在這個位置處，鈕45啟動下游觸發(fā)器73，以使它與凹槽75分開，并包括在其下游端的柱塞64的內(nèi)部活塞56可以朝上游方向移動。包括凹槽37的內(nèi)套筒25向上移動，并且卡鎖球再次鎖緊到環(huán)形槽36中。在這個階段鉆頭體和封閉元件再次互連。
在互連之后，輔助工具可以再次與封閉元件分開。為此，將內(nèi)部活塞移動到如圖5所示的與外部構(gòu)件相對的位置，并且不再阻擋卡瓣63的向內(nèi)彎曲運(yùn)動。因此，通過進(jìn)一步將輔助工具比如從地表向上拔，卡瓣63與凹槽39分開，為此，上游邊緣稍微傾斜，如圖中所示。在稍微再拉動之后，鈕45與上游觸發(fā)器72分開，上述上游觸發(fā)器72然后將防止內(nèi)部活塞再次朝下游方向移動。
正如從上述描述中顯而易見的，本發(fā)明通過簡單地使/推動輔助工具往下經(jīng)過鉆柱(比如用延伸到地表面的管子或通過泵送)，能失效—安全地移開鉆井鉆頭中的封閉元件。本發(fā)明尤其是防止在井眼中可能丟失封閉元件。另外，通過簡單地再次向上使輔助工具經(jīng)過拉動輔助工具(比如通過管子或鋼絲繩)能失效—安全地再次連接。
現(xiàn)在描述本發(fā)明一個可供選擇的實(shí)施例。這個實(shí)施例涉及一種井管柱組件，所述井管柱組件適合于對井眼中井管柱外部的井眼和/或地層進(jìn)行作業(yè)(比如鉆井)。在上述作業(yè)過程中，希望有到井管柱外部井眼的入口。與參照圖1-7所述的實(shí)施例不同，本實(shí)施例不需要特殊的鉆井鉆頭，因為通往井眼的入口可以通過打開鉆井鉆頭上方的井管柱提供。在井管柱外部敞開的井眼中的作業(yè)可以通過井管柱組件上部的下端處的開口進(jìn)行。
參見圖8，圖8示意性地表示出按照本發(fā)明所述的井管柱組件101安裝在穿過地下地層103的井眼102中時的情況。在圖8中，示出井管柱元件104的第一和第二井管柱部分相互連接。第一井管柱部分以后也稱之為上面井管柱部分108，而第二井管柱部分稱之為下面井管柱部分105。下面井管柱部分105具有一個上端110和一個下端111，并且在下端處，在這種情況下安裝一種常規(guī)的鉆頭112。下面井管柱部分105還包括底孔組件的另一些元件，如鉆鏈、轉(zhuǎn)向裝置、泥漿電機(jī)、鉆井時測量系統(tǒng)(未示出)。下面的井管柱部分不需要有大直徑的縱向通道。
上面井管柱部分108具有一個下端115，并延伸到地表，因此它的上端在圖中未示出。上面鉆井部分108為管狀，因此在它的上端和下端之間形成一個縱向通道116。
上面和下面打井鉆具部分二者通過一個井管柱互連機(jī)構(gòu)118松脫地互連，上述互連機(jī)構(gòu)118由在下面井管柱部分105的上端110和上面井管柱部分108的下端115處配合部分的卡鎖機(jī)構(gòu)形成?？ㄦi機(jī)構(gòu)在圖8中僅僅示意性地表示卡鎖球24，卡鎖球24在下面井管柱部分上并與管狀上面井管柱部分內(nèi)部的一個或多個鎖緊槽126相配合。合適的互連機(jī)構(gòu)可以是類似于參照圖1-7所說明的相配合的卡鎖分段14和鉆頭體6。
井管狀組件101還包括一個輔助工具130，所述輔助工具130可以沿著上面井管狀部分108的通道116通過，其中輔助工具130包括一個操作機(jī)構(gòu)133，所述操作機(jī)構(gòu)133用于操縱井管柱互連機(jī)構(gòu)118，以便使下面井管柱部分105與上面井管柱部分108分開。合適的輔助工具可以是類似于參照圖2-4所述的鉆具。
上面和/或下面井管柱部分設(shè)置機(jī)構(gòu)135，所述機(jī)構(gòu)135用于當(dāng)上面和下面井管柱部分互連時旋轉(zhuǎn)式將它們彼此相對鎖緊。為了能通過旋轉(zhuǎn)上面井管柱部分把轉(zhuǎn)矩傳送到下面井管柱部分，這樣做是必需的。鎖緊機(jī)構(gòu)可以具有與另一個井管柱部分上合適的凹槽相配合的一個或多個鎖緊指狀件或鍵的形式。
參見圖9，圖9示意性地示出圖8的井管柱組件101在通過輔助工具130，通過降低輔助工具操作井管柱互連機(jī)構(gòu)118之后的狀態(tài)。降下操作可以通過釣環(huán)(fishing neck)137，用鋼絲或螺旋管或者用一種專用工具如泵送工具進(jìn)行。
輔助工具130還包括一個工具連接機(jī)構(gòu)138，所述工具連接機(jī)構(gòu)138這樣設(shè)置，以便在通過操作機(jī)構(gòu)133使井管柱互連機(jī)構(gòu)118分開之前，它將輔助工具130連接到下面井管柱部分105上。工具連接機(jī)構(gòu)合適的是操作完全類似于參照圖1-7所述的操作。
圖9示出在一種狀態(tài)下的井管柱組件101，其中輔助工具130已通過上面井管柱部分108下端處的開口140，到達(dá)如圖所示的工作位置，輔助工具伸入井管狀外部井眼102的一個區(qū)域141，此處輔助工具的一部分在徑向上不被任何井管柱部分包圍。
為了將輔助工具固定在工作位置中，輔助工具設(shè)置一個放下裝置，所述放下裝置呈在上端處一個著落環(huán)142的形式，所述著落環(huán)142與上面鉆井部分108中的著落凸肩144協(xié)同操作。
輔助工具130還包括一個測井工具146，當(dāng)井管柱打開并且輔助工具處于所示的工作位置時，所述測井工具146處在不被井管柱101包圍的部分上。很顯然，也可以安裝另一種機(jī)構(gòu)代替測井工具，來對包圍輔助工具的井眼或地層進(jìn)行作業(yè)?？晒┻x擇地，用標(biāo)號146所表示的部分僅提供一個開口或窗口(未示出)，另一個專用工具可以通過上述開口或窗口操作，上述另一個專用工具可以下放到輔助工具中。
圖10用縱向剖視圖更詳細(xì)示出井管柱互連機(jī)構(gòu)118的一個例子，當(dāng)上面和下面井管柱部分如圖8所示互連時的情況?；ミB機(jī)構(gòu)118由下面井管柱部分105上端110處的一個卡鎖裝置150形成，上述卡鎖裝置150與上面井管柱部分108下端155處的一個分段155相配合。
作為供本實(shí)施例用的輔助工具130的實(shí)施例，將涉及上面詳細(xì)論述的輔助工具30。還引用了圖2-4所引入的其它標(biāo)號。
圖11-13示出當(dāng)互連機(jī)構(gòu)118操作以使上面和下面井管柱部分分開時輔助工具30與互連機(jī)構(gòu)118之間相互作用的幾個階段。
圖8-13所示實(shí)施例的上面和下面井管柱部分、互連機(jī)構(gòu)118及輔助工具30的操作和相互作用，與參照圖1-7所述的鉆頭體、封閉元件、鉆頭連接機(jī)構(gòu)和輔助工具的操作類似。這將很容易理解，因為在圖10-13中選用200以上的標(biāo)號，以使它們所指的部分與圖1-7中低于100的相應(yīng)標(biāo)號具有相同或類似功能。在圖10-16中100和200之間的標(biāo)號與圖8-9中所用的那些標(biāo)號一致。
井管柱組件101的操作完全類似于參照圖1-7所述的鉆井鉆頭的操作，其中上面井管柱部分和下面井管柱部分分別起一種類似于鉆頭體和封閉元件的作用。
當(dāng)希望在敞開的井眼102中進(jìn)行操作時，首先將鉆頭112定位在井眼底部上方的一個距離。然后，在內(nèi)部活塞56處于如圖11中所示的收縮位置的情況下，將輔助工具30放下穿過上面井管柱部分108。定向機(jī)構(gòu)240和鍵相互作用用于正確的角度定向，而工具連接機(jī)構(gòu)(卡瓣63)接合并連接到下面井管柱部分105的配合部分上。然后通過將內(nèi)部活塞移動到如圖12所示的第二延伸的位置，來操作井管柱互連機(jī)構(gòu)。圖13示出其中上面和下面井管柱部分已分開，但輔助工具30連接并支持下面井管柱部分105的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，一部分輔助工具到達(dá)敞開的井眼并且在徑向上不被井管柱包圍，因此操作可以如參照圖9所述進(jìn)行。通過再次收縮輔助工具30，首先將鉆具重新定向以適當(dāng)?shù)刂匦逻B接，然后操作井管柱互連機(jī)構(gòu)，以便使上面和下面井管柱部分重新連接，及最后可以再次將輔助工具與下面井管柱部分分開。
按照本實(shí)施例所述的井管柱，不需要在下面井管柱部分的下端處設(shè)置鉆頭。例如可以安裝一個擴(kuò)孔器，或者一個注水泥工具。在一個具體應(yīng)用中，下面井管柱部分的下端由一噴射頭形成，并且在這種情況下井管柱的下面部分還包括一種關(guān)節(jié)連接。噴射頭和關(guān)節(jié)連接在重新進(jìn)入(ve-entry)系統(tǒng)中使用，以便將一個井管柱引向多邊井的一個特定的支路。
現(xiàn)在參見圖14-15，參照這些圖將討論一種定向裝置，當(dāng)細(xì)長的鉆具如輔助工具穿過定向裝置移動時，該定向裝置用于將其在角度上定向。在圖1-13中，這種定向裝置用標(biāo)號40、240表示。
當(dāng)輔助工具下放到井眼中及另外當(dāng)其再次收縮時，對于卡鎖機(jī)構(gòu)的失效—安全操作而言，最好在輔助工具和第二井管柱部分之間有某種角度定向。這樣能正確地重新定位井管柱互連機(jī)構(gòu)以重新連接。
在鉆井技術(shù)中，已知采用所謂的斜口管鞋(mule-shoe)裝置，所述斜口管鞋裝置用來保證下放到鉆柱中的那個設(shè)備在一預(yù)定的縱向位置和角度方向處著落。在斜口管鞋裝置中，著落位置由一個鍵和一個圓周方向上的凸輪凸緣的配合動作決定，上述凸輪凸緣的設(shè)置，以便當(dāng)設(shè)備下放到鉆柱中時將鍵導(dǎo)入一個槽中。當(dāng)鍵處于槽中時，達(dá)到了預(yù)定的縱向位置和角度定向。
鍵可以設(shè)置成從鉆柱的內(nèi)壁向內(nèi)伸出，或設(shè)置成從設(shè)備的外表面向外伸出，并且凸輪凸緣和槽分別設(shè)置在設(shè)備的外表面上或鉆柱的內(nèi)壁上。
本發(fā)明還提供一種定向裝置，所述定向裝置用于當(dāng)在管狀井管柱內(nèi)部縱向移動而不管縱向運(yùn)動方向時，給一種細(xì)長鉆具例如此前所述的輔助工具以角度定向。
為此，提供了一種定向裝置，所述定向裝置用于當(dāng)一個細(xì)長鉆具穿過定向裝置中的一個通道在縱向上移動時給該細(xì)長的鉆具以角度定向，其中細(xì)長的鉆具在其外壁處設(shè)置一個向外伸出的鍵，其中通道的內(nèi)壁設(shè)置兩個導(dǎo)向凸緣，上述兩個導(dǎo)向凸緣形成一個中心導(dǎo)槽，鍵可以穿過所述中心導(dǎo)槽，導(dǎo)槽具有一個上游端和一個下游端，另外設(shè)有一個上游凸輪凸緣從導(dǎo)槽上游的一個位置完全圍繞內(nèi)壁延伸到導(dǎo)槽的上游端，以及一個下游凸輪凸緣從導(dǎo)槽下游的一個位置完全圍繞內(nèi)壁延伸到導(dǎo)槽的下游端，其中凸輪凸緣和導(dǎo)向凸緣充分地伸入通道，以便當(dāng)細(xì)長的鉆具穿過管狀構(gòu)件移動時，與鍵接合并將鍵導(dǎo)入導(dǎo)槽中，因此給細(xì)長的鉆具以角度定向。
按照本發(fā)明所述的定向裝置的上游和下游凸輪凸緣能給細(xì)長的鉆具定向，而不管縱向運(yùn)動的方向如何。鍵可以穿過的中心導(dǎo)槽決定著細(xì)長鉆具的角度定向，并能使細(xì)長的鉆具在兩個方向上以一預(yù)定的方位穿過和超出定向裝置之外。
優(yōu)選的是，導(dǎo)槽基本上是平行于中心縱向軸線安裝，以便細(xì)長鉆具在通過定向裝置之后的角度定向相同，而不管縱向運(yùn)動的方向如何。
按照本發(fā)明，定向裝置的通道形成第一井管柱部分通道的一部分。
還提供了一種自動定向細(xì)長鉆具，所述自動定向細(xì)長鉆具用于當(dāng)其縱向上穿過細(xì)長鉆具用的通道移動時，以進(jìn)行預(yù)定的角度定向，其中通道的內(nèi)壁設(shè)置一個徑向上向內(nèi)伸出的鍵，其中細(xì)長鉆具的外壁設(shè)置兩個導(dǎo)向凸緣，所述兩個導(dǎo)向凸緣形成一個鍵可以穿過的導(dǎo)槽，導(dǎo)槽具有上游端和下游端，另外設(shè)置一上游凸輪凸緣和下游凸輪凸緣，上游凸輪凸緣從導(dǎo)槽上游的一個位置完全圍繞外壁延伸到導(dǎo)槽的下游端，下游凸輪凸緣從導(dǎo)槽下游的一個位置完全圍繞外壁延伸到導(dǎo)槽的下游端。其中凸輪凸緣和導(dǎo)向凸緣從外壁充分地向外伸出，以便當(dāng)細(xì)長的鉆具穿過通道移動時，與鍵接合并在鍵上方給導(dǎo)槽導(dǎo)向，因而給細(xì)長的鉆具以角度定向。
在圖14和15的示意性的實(shí)施例中，定向裝置301表示為一種基本上是圓筒形的管狀件302，所述管狀件302具有一個通道303，該通道303具有一個中心縱向軸線304。管狀件適當(dāng)?shù)匦纬傻谝痪苤糠?6、108)的一部分。當(dāng)基本上是圓筒形的細(xì)長鉆具305在縱向上移動穿過定向裝置301的通道303時，如箭頭306所示，定向裝置301用來給上述基本上是圓筒形的細(xì)長鉆具以角度定向。細(xì)長的鉆具305在它的外壁308處設(shè)置一個徑向上向外伸的鍵310，所述鍵310，相當(dāng)于如上所述示出的鍵90。細(xì)長的鉆具305的直徑與鍵310的徑向厚度二者之和小于圓筒形管狀件305的內(nèi)徑。
鍵310在如圖所示的縱向方向上適當(dāng)?shù)匮娱L，同時錐形上游端和下游端產(chǎn)生一種象船一樣的形狀。鍵也可以由兩個部分形成，所述兩個部分在縱向方向上間隔開一合適的距離。該距離不僅可以小于，而且也可以大于導(dǎo)槽315的長度。
合適的是，鍵以這種方式安裝在細(xì)長的鉆具上，以便使它例如通過用一個或多個彈簧支承件而具有某種徑向撓性。然而，徑向撓性應(yīng)是這樣，亦即甚至在鍵完全收縮時，它在徑向上延伸足夠遠(yuǎn)，以致它不能在一凸輪凸緣上施加壓力，因此它必需偏轉(zhuǎn)。
可選地，將一個或兩個防撞鈕設(shè)置在鍵的上游和/或下游，并在角度上稍稍離開一段距離，用標(biāo)號316表示成尖頭狀。上述尖頭也由一彈簧支承。
管狀件的內(nèi)壁312具有一個中心導(dǎo)槽315，上述導(dǎo)槽315由兩個從內(nèi)壁312伸出的凸緣317，318形成。凸緣317和318之間的間隙稍大于鍵310的寬度，因此使鍵能通過導(dǎo)槽315。這個實(shí)施例的凸緣317、318基本上平行于中心軸線304設(shè)置。還安裝了一個上游凸輪凸緣，所述上游凸輪凸緣由凸緣322a、322b形成。其中每個凸緣322a、322b都從導(dǎo)槽315的上游端319形成凸緣317、318其中之一的延伸部分，并在圍繞內(nèi)壁312的半段成螺旋狀繞到導(dǎo)槽315上游的一點(diǎn)325，在此處凸緣322a、322b接合?；旧吓c上游凸輪凸緣對稱地設(shè)置一個下游凸輪凸緣，所述下游凸輪凸緣由凸緣328a、328b形成。每個凸緣328a、328b都從導(dǎo)槽315下游端329處的凸緣317，318的其中之一延伸，并且圍繞內(nèi)壁312的半段成螺旋狀繞導(dǎo)槽315下游的一點(diǎn)330，在此處凸緣328a、328b接合。
通道303的自由直徑，由通過凸緣317、318、322a、322b、328a、328b所限定，稍大于細(xì)長鉆具的直徑(不考慮鍵10的厚度)。鍵和凸緣的徑向厚度這樣選定，以便鍵可以凸緣可靠地導(dǎo)向，例如在大約1-10mm數(shù)量級或更大的范圍內(nèi)，但在精心設(shè)計情況下，也可以用更小的凸緣。對內(nèi)徑為6cm(2.5英寸)的管狀件，從點(diǎn)325到點(diǎn)330的合適總長度是25-40cm。這使定向裝置能設(shè)置成15cm(6英寸)或21cm(8.5英寸)直徑的鉆井鉆頭的鉆柄的一部分。
在這個實(shí)施例的定向裝置正常操作期間，將細(xì)長的鉆具305如上述輔助工具30放下，穿過定向裝置構(gòu)成其一部分的井管柱，直至細(xì)長的鉆具滑入管狀件302并且鍵310與上游凸緣322a、322b接合，如果發(fā)生鍵正好接近點(diǎn)325，則稍微角向移開一段距離的防撞鈕316首先接合凸輪凸緣，并使鉆具向一側(cè)稍微偏轉(zhuǎn)，以使鍵不碰著點(diǎn)325。與鍵310相反，防撞鈕這樣由它的彈簧支承，例如在防撞按鈕碰著點(diǎn)325的情況下。所述彈簧可以充分收縮，以使它可以移過凸輪凸緣。
在進(jìn)一步放下時，凸緣在鍵310上施加一個轉(zhuǎn)矩，是在左面還是在右面施加轉(zhuǎn)矩取決于鍵310接合凸緣322a和322b中的哪一個。細(xì)長的鉆具因而角向偏轉(zhuǎn)，直至鍵滑入導(dǎo)槽315中時為止。在鍵310處于導(dǎo)槽315中的情況下，細(xì)長的鉆具305相對于定向裝置301和連接的鉆柱角度定向。
細(xì)長的鉆具可以進(jìn)一步放下，以使鍵在下游凸緣一側(cè)處離開導(dǎo)槽315。當(dāng)細(xì)長的鉆具移動完全穿過通道303時，如果沒有轉(zhuǎn)矩加在細(xì)長的鉆具本身上，鍵將通常不接合凸緣328a，328b。
然后細(xì)長的鉆具305例如可以通過一個鉆井鉆頭操作。所述鉆井鉆頭適合于貫通式鉆頭操作。上述鉆井鉆頭安裝在定向裝置的下游側(cè)處。
當(dāng)再次收縮細(xì)長的鉆具時，它一般可以處于任意角度定向。在收縮期間，鍵310然后將接合下游凸緣328a、328b，而細(xì)長的鉆具305將角向偏轉(zhuǎn)至它滑入導(dǎo)槽315中時為止。因為導(dǎo)槽315設(shè)置成與管狀構(gòu)件302的軸線304平行，所以導(dǎo)槽315保證角度定向與下放期間的方向相同。在輔助工具30作為細(xì)長的鉆具305的情況下，預(yù)定的角度定向保證卡鎖/解鎖機(jī)構(gòu)的正確操作。
很顯然，當(dāng)細(xì)長的鉆具朝上游方向收縮時，這種定向提供在一個已知的比將所述細(xì)長的鉆具朝下游方向插入時更下游的位置處。鍵310和導(dǎo)槽的長度決定這些位置之間的間距。利用一種細(xì)長的鍵甚至可用于一短的導(dǎo)槽的基本間距。為了和本發(fā)明一起用，將協(xié)同操作的導(dǎo)槽和鍵這樣安裝，以便只有當(dāng)鍵被導(dǎo)槽適當(dāng)?shù)囟ㄏ驎r，輔助工具才能連接到第二并管柱部分上。當(dāng)收縮時，預(yù)定的角向位置能使各井管柱部分失效一安全地互連。
通過互換通道和細(xì)長鉆具的作用，以一種補(bǔ)充的方式，也能達(dá)到同樣目的。為此，將導(dǎo)向凸緣/導(dǎo)槽以及上游和下游凸輪凸緣安裝在細(xì)長鉆具的外表面上，而把鍵安裝在通道的內(nèi)表面上。細(xì)長的鉆具可以通過上述通道，例如一個象鉆柱的定向接頭這樣的管狀構(gòu)件。凸緣和導(dǎo)槽的配置與圖15所述的配置類似。尤其是，細(xì)長的鉆具優(yōu)選的是可以具有一基本上是圓筒形狀，同時凸緣從圓筒形壁伸出，并且細(xì)長鉆具展開的外表面的平面圖可以與圖15所示的相同。這種細(xì)長的鉆具當(dāng)其在縱向上移動穿過在內(nèi)壁上設(shè)有鍵的通道時是自動定向。細(xì)長的鉆具可以設(shè)置與其它設(shè)備連接的機(jī)構(gòu)，因此細(xì)長的鉆具可以用作上述其它設(shè)備的定向機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明的定向裝置合適的是具有一種定向附件的形狀，上述定向附件安裝在上面井管柱部分的下面部分中。它可以是鉆頭體的一個整體部分，如圖1中所示，因此不需要單獨(dú)的定向附件。
輔助工具可以是細(xì)長的鉆具本身，它可以連接到細(xì)長的鉆具上，或者它可以與細(xì)長的鉆具分開。
權(quán)利要求
1.一種井管柱組件，包括一個井管柱元件，上述井管柱元件包括—一個管狀第一井管柱部分，所述第一井管柱部分具有上端和下端，一個通道設(shè)置在上述上端和下端之間；—一個第二井管柱部分，所述第二井管柱部分與第一井管柱部分的下端相配合；—一個可松開的井管柱互連機(jī)構(gòu)，所述井管柱互連機(jī)構(gòu)用于選擇性地使第一和第二井管柱互連；井管柱組件還包括一個用于操縱第二井管柱部分的輔助工具，上述輔助工具設(shè)置成，當(dāng)?shù)谝缓偷诙苤糠只ミB時，輔助工具可以沿著第一井管柱部分中的通道移動到第二井管柱部分上，其中輔助工具包括一個工具連接機(jī)構(gòu)和一個操作機(jī)構(gòu)，上述工具連接機(jī)構(gòu)用于選擇性地將輔助工具連接到第二井管柱部分上，而上述操作機(jī)構(gòu)用于操縱井管柱互連機(jī)構(gòu)，其中輔助工具包括一個第一構(gòu)件和一個第二構(gòu)件，上述第一構(gòu)件包括工具連接機(jī)構(gòu)，而上述第二構(gòu)件包括操作機(jī)構(gòu)，第二構(gòu)件設(shè)置成可移動，以便使它相對于第一構(gòu)件處于一個第一位置和一個第二位置，在上述第一位置，工具連接機(jī)構(gòu)至少是在第一和第二井管柱部分互連時，可連接到第二井管柱部分上而不操縱井管柱互連機(jī)構(gòu)，及在輔助工具連接到第二井管柱部分之后，可通過移動第二構(gòu)件操作井管柱互連機(jī)構(gòu)，所述第二構(gòu)件包括在第一和第二位置之間的操作機(jī)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求1所述的井管柱組件，其中工具連接機(jī)構(gòu)設(shè)置在第一構(gòu)件的下游端附近；操作機(jī)構(gòu)設(shè)置在第二構(gòu)件的下游端附近；以及第二構(gòu)件設(shè)置成沿著通道相對于第一構(gòu)件在縱向上滑動，因此第一相對位置是第二構(gòu)件的一個上游位置；及當(dāng)?shù)诙?gòu)件朝第二相對位置移動時，它朝下游方向相對于第一構(gòu)件移動。
3.按照權(quán)利要求2所述的井管柱組件，其中輔助工具的第一構(gòu)件包括一個基本上的管狀體，第二構(gòu)件同軸可滑動地安裝在上述管狀體中；封閉元件包括在它的上游端處的一個外套筒和一個同軸的內(nèi)套筒；外套筒的上游端設(shè)置成與工具連接機(jī)構(gòu)相配合，以便將輔助工具鎖緊到外套筒上；內(nèi)套筒的上游端設(shè)置成與輔助工具的操作機(jī)構(gòu)相配合，以使井管柱互連機(jī)構(gòu)通過使內(nèi)套筒在縱向上相對于外套筒滑動進(jìn)行操作。
4.按照上述權(quán)利要求其中之一所述的井管柱組件，其中第一井管柱部分還包括一個可操作的第一保持裝置，所述第一保持裝置用于當(dāng)輔助工具不連接到第二井管柱部分上時將輔助工具的第二構(gòu)件固定在第一相對位置中。
5.按照權(quán)利要求4所述的井管柱組件，其中鉆頭體設(shè)置有一個鈕，所述鈕伸入通道，并與第一保持裝置相配合，以便在鈕與第一保持裝置之間的一個預(yù)定相對位置處操縱第一保持裝置。
6.按照上述權(quán)利要求其中之一所述的井管柱組件，還包括一個可選擇性操作的第二保持裝置，所述第二保持裝置用于當(dāng)輔助工具連接到封閉元件上而封閉元件不連接到鉆頭體上時，將輔助工具的第二構(gòu)件固定在第二相對位置中。
7.按照權(quán)利要求6所述的井管柱組件，其中鉆頭體設(shè)置有一個鈕，所述鈕伸入通道內(nèi)，并與第二保持裝置相配合，以便在鈕與第二保持裝置之間的一個預(yù)定相對位置處操縱第二保持裝置。
8.按照權(quán)利要求1-7其中之一所述的井管柱組件，其中井管柱組件是鉆井鉆頭組件，所述鉆井鉆頭組件適合用于貫通式鉆頭操作；井管柱元件是一種鉆井鉆頭；第一井管柱部分是在其上端處可連接到一個管狀鉆柱上的鉆頭體；以及通道在上端處的一個開口和鉆頭體的外部之間延伸；第二井管柱部分是通道用的封閉元件；以及井管柱互連機(jī)構(gòu)是一種用于把封閉元件可松脫地連接到鉆頭體上的鉆頭連接機(jī)構(gòu)，以便選擇性地封閉通道。
9.按照權(quán)利要求1-7其中之一所述的井管柱組件，其中第二井管柱部分包括一個井管柱，所述井管柱具有上端和下端，上述上端安裝成與輔助工具相配合，而上述下端可安裝到鉆井鉆頭上。
10.按照權(quán)利要求1-9其中之一所述的井管柱組件，其中通道和輔助工具提供有相配合的角度定向裝置。
11.按照權(quán)利要求10所述的井管柱組件，其中第一井管柱部分和輔助工具提供有相配合的雙向定向機(jī)構(gòu)，所述雙向定向機(jī)構(gòu)用于當(dāng)輔助工具沿著通道向下移動時在第一相對位置處給輔助工具角度定向，而當(dāng)輔助工具沿著通道再次向上移動時在更低的第二相對位置處給輔助工具角度定向。
12.按照權(quán)利要求11所述的井管柱組件，其中輔助工具在它的外壁處提供一個向外延伸的鍵機(jī)構(gòu)；在第一井管柱部分中通道的內(nèi)壁提供有兩個導(dǎo)向凸緣，所述兩個導(dǎo)向凸緣形成一個中心導(dǎo)槽，鍵可以通過上述導(dǎo)槽；導(dǎo)槽具有上游端和下游端，還提供有一個上游凸輪凸緣和一個下游凸輪凸緣，上述上游凸輪凸緣從導(dǎo)槽上游的一個位置完全圍繞內(nèi)壁延伸到導(dǎo)槽上游端的一個位置，而上述下游凸輪凸緣從導(dǎo)槽下游的一個位置完全圍繞內(nèi)壁延伸到導(dǎo)槽下游端的一個位置；各凸輪凸緣和導(dǎo)向凸緣充分伸入通道，以便當(dāng)輔助工具穿過第一井管柱部分移動時與鍵機(jī)構(gòu)接合并將上述鍵機(jī)構(gòu)導(dǎo)入導(dǎo)槽中，因此給輔助工具角度定向。
全文摘要
一種井管柱組件，包括一個管狀第一井管柱部分，所述第一井管柱部分具有一個通道；一個第二井管柱部分，所述第二井管柱部分與第一井管柱部分相配合；及一個可松開的井管柱互連機(jī)構(gòu)，所述井管柱互連機(jī)構(gòu)用于選擇性地將第一和第二井管柱部分互連；一個輔助工具，所述輔助工具用于操作第二井管柱部分，上述輔助工具可以沿著第一井管柱部分中的通道移動到第二井管柱部分，輔助工具包括一個工具連接機(jī)構(gòu)和一個操作機(jī)構(gòu)，上述連接機(jī)構(gòu)用于選擇性地將輔助工具連接到第二井管柱部分上，而上述操作機(jī)構(gòu)用于操作井管柱互連機(jī)構(gòu)。
文檔編號E21B7/06GK1738961SQ200480002234
公開日2006年2月22日 申請日期2004年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月15日
發(fā)明者I·A·米勒, D·J.·魯尼亞, P·N·伍德 申請人:國際殼牌研究有限公司