專利名稱：鉆進組件和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及為石油、天然氣等資源鉆出井筒的技術(shù)。更具體來講，本發(fā)明涉及用于提高鉆頭及鉆桿柱性能的組件和方法背景技術(shù)出于很多原因的考慮，希望能鉆出沿鉆進路線的螺旋扭曲效應(yīng)得以減輕的、更直的井孔，且希望該井孔只具有很少的沖蝕(washout)部分。舉例來講，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在鉆進過程中，井筒內(nèi)常常會出現(xiàn)扭曲或螺旋化效應(yīng)，該效應(yīng)與以下一些因素有關(guān)鉆頭性能衰退、鉆頭渦動、鉆桿柱拆裝次數(shù)的增多、通常與MWD(隨鉆測量)和LWD(隨鉆測井)有關(guān)的振動造成其可靠性下降、在井孔內(nèi)丟失設(shè)備的可能性增大、由于沿螺旋化井筒存在凹槽而增加了循環(huán)流通的問題和泥漿的問題、扶正器的磨損增大、對鉆進方向的控制降低、由于井孔中的變化情況(包括沖蝕區(qū)和侵入?yún)^(qū))而降低測井工具的響應(yīng)性、由于出現(xiàn)一個或多個細(xì)長凹槽而降低了水泥灌漿的可靠性、礫石充填濾網(wǎng)的清理問題、ROP(鉆進速度或鉆進率)、以及其它的問題。
在對鉆井進行鉆進時，非常希望能盡可能快地鉆出井孔，以限制成本。據(jù)估計對于石油行業(yè)，如果能將當(dāng)前的鉆進率翻倍，則每年能節(jié)省成本2億到6億美元。這可能只是保守估計。
在鉆井過程中，相當(dāng)多的時間是由于需要拆裝鉆桿柱而被用掉的。將鉆桿柱從井筒中撤出的原因有很多例如更換鉆頭。減少鉆桿柱拆裝次數(shù)將能大幅降低鉆機的日租賃成本，其中，尤其對于深井，撤出和更換鉆桿柱會占用很多的時間。
盡管在現(xiàn)有技術(shù)中，為了減輕上文討論的諸多問題，通常將對鉆頭的設(shè)計作為首選的焦點課題，但人們也作了一些努力來改善底部鉆井組件的其它方面。典型的底部鉆井組件包括多個大重量的鉆鋌。普通的鋼制大重量鉆鋌相對較為便宜，也較耐用。但是，現(xiàn)有技術(shù)中的重質(zhì)鉆鋌由于其尺寸和結(jié)構(gòu)的緣故而在一定程度上是不平衡的，趨于產(chǎn)生振動。此外，即使鉆鋌是精確平衡的，大重量的鉆鋌也具有一個屈曲點，在鉆進過程中，趨于彎曲到該點。不平衡的重質(zhì)鉆鋌、以及對整個井底鉆進組件的彎曲會形成一種帶有不穩(wěn)定因素的飛輪效應(yīng)，其易于使鉆頭發(fā)生渦動、振動、和/或在所希望的鉆進方向上與井筒壁面失去接觸。
人們還努力制出更重的鉆鋌。例如，已嘗試增大鋼制鉆鋌的直徑，以增大鉆頭附近的重量。但是，這樣就會減小大直徑鋼制鉆鋌與鉆井壁之間的環(huán)形空間。由于必然會有高速泥漿流經(jīng)該環(huán)形空間，環(huán)形空間的減小會對井孔造成很大的沖蝕—尤其是在非致密的地層中。
為了增大井底鉆進組件重量所作的其它努力包括使用高密度材料—例如鎢或貧鈾的燒結(jié)材料。但是，由于高密度的燒結(jié)鎢或貧鈾材料的固有脆性，這將導(dǎo)致鉆鋌的使用壽命變短，所以，安裝這樣的材料會遇到很多問題。在下文列出的現(xiàn)有技術(shù)專利中詳細(xì)地討論了一種實施方式，在該實施方式中，在脆性的重質(zhì)材料自身中切削制出螺紋線。顯然，這些螺紋線極易失效。在其它的實施方式中，努力來限制作用在高密度材料上的特定類型的鉆進應(yīng)力。在這樣的設(shè)計中，采用了一個厚的鋼制套筒來吸收扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、以及其它的應(yīng)力，同時允許壓縮應(yīng)力作用到高密度材料上，其中，脆性的高密度材料是能承受壓縮應(yīng)力的。但是，由于要將脆性燒結(jié)鎢的增重段壓裝到環(huán)繞的厚鋼套筒上，不可避免地會向脆性的燒結(jié)鎢施加扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。因而，很顯然，這種設(shè)計也易于早期失效。厚的鋼套筒也會極大地限制所能使用的高密度材料的體積。石油和天然氣鉆井行業(yè)長期以來一直尋求、并繼續(xù)尋找能解決上述問題的方案。
下文的專利詳細(xì)地介紹了現(xiàn)有技術(shù)中為了解決上述問題而提出的各種在先方案。
于1981年7月14日授予Rowley等人的第4278138號美國專利公開了一種用于在地層中鉆出井孔的復(fù)合材料鉆鋌，其包括一用結(jié)構(gòu)鋼制成的外套筒，其下端被固定到一個下部聯(lián)結(jié)器上，該聯(lián)結(jié)器可與鉆頭相連接，外套筒的上端被固定到一上聯(lián)結(jié)器上，該聯(lián)結(jié)器可與其上方的相鄰鉆鋌相連接。在套筒內(nèi)設(shè)置一個用燒結(jié)鎢制成的、環(huán)形的重金屬芯體，并通過將上聯(lián)結(jié)器和下聯(lián)結(jié)器預(yù)壓在芯體的兩端上而將芯體保持在受壓縮狀態(tài)，這將使套筒處于拉伸狀態(tài)，造成套筒趨于收縮而緊箍住芯體的環(huán)周面。結(jié)構(gòu)鋼套筒具有一厚壁，以便于承受鉆進工作過程中遇到的彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓縮、拉伸以及沖擊載荷，從而使芯體不會受到這些載荷的作用，設(shè)置芯體的目的是為了增大復(fù)合材料鉆鋌總的密度和質(zhì)量、顯著降低所形成的偏斜井筒的趨勢。
于1931年2月17日授予E.E.Stevenson的第1792941號美國專利公開了一種泵筒，其包括一套筒，其端部上制有內(nèi)螺紋，該內(nèi)螺紋的內(nèi)側(cè)端具有一個定中凹陷；一中間襯套，其位于套筒內(nèi)，其外徑小于套筒的內(nèi)徑；位于套筒端部的端部襯套，其與中間襯套相接合，且其外徑小于套筒的內(nèi)徑；制在端部襯套上的定中凸肩，其擱在定中凹陷中，用于對襯套進行定中；以及端部套環(huán)，其旋擰到內(nèi)螺紋中，用于將各個襯套結(jié)合到一起，套環(huán)的內(nèi)端面與襯套的軸線垂直。
于1938年8月9日授予J.C.Wright的第2126075號美國專利公開了一種鉆鋌，其用在旋轉(zhuǎn)式的鉆桿柱中，該鉆鋌包括一個要被連接到鉆桿柱上的本體，其強度足以將作用力傳遞給受力的鉆桿；一管狀部件，其環(huán)繞著本體；位于管狀部件上端的聯(lián)結(jié)裝置，其用于與一沖洗管進行連接，由此使管狀部件適于作為沖洗管的延長段；以及用于將外部管狀部件與本體可拆卸地連接起來的裝置。
授予F.D.De Jarnett的、且在1957年11月26日公告的第2814462號美國專利公開了一種鉆鋌，其用于連接在鉆桿的上部與下部之間，鉆桿的上部和下部分別向上延伸向一回轉(zhuǎn)工作臺、向下延伸向一鉆頭，該鉆鋌的重量既提供了作用在鉆頭上的向下壓力，也減小了從鉆頭傳向鉆桿的振動和沖擊力，鉆鋌包括內(nèi)管裝置，其具有一縱向流動通道，用于與鉆桿保持流路連通；上聯(lián)結(jié)裝置，其被固定到內(nèi)管裝置的上端上，其適于與鉆桿上部的下端進行連接；下聯(lián)結(jié)裝置，其被固定到內(nèi)管裝置的下端上，且適于與鉆桿下部的上端進行連接；外管狀裝置，其上端也與上聯(lián)結(jié)裝置進行連接，下端與下聯(lián)結(jié)裝置進行連接，外管狀裝置環(huán)繞著內(nèi)管裝置的至少一個部分，并與內(nèi)管裝置分離開預(yù)定的距離，從而在二者之間形成一個腔室；一通道，其從外部延伸到腔室的內(nèi)部，腔室內(nèi)含有選定的介質(zhì)，該介質(zhì)包括至少一種液體，液體只是部分地充滿了腔室，為腔室提供液密密封的裝置包括用于密封所述通道的裝置，由此，傳向聯(lián)結(jié)裝置的振動和沖擊力將至少部分地傳遞給介質(zhì)，因此，液體在腔室內(nèi)流動產(chǎn)生的渦流將耗散振動和沖擊力的至少一部分能量。
于1960年11月1日授予H.C.Humphrey的第2958512號美國專利公開了一種組合構(gòu)造的鉆鋌，其包括帶有螺紋的端部部分和接合到其上的內(nèi)、外管構(gòu)件，兩管構(gòu)件保持同心、且相互分離開的關(guān)系，從而在二者之間形成一環(huán)形腔室，兩管構(gòu)件的尺寸等于且不大于具有常規(guī)直徑的標(biāo)準(zhǔn)尺寸鉆管，該鉆鋌適于被連接到具有同樣外徑尺寸的鉆桿柱上，帶有螺紋的每個端部部分的外徑尺寸都與外管構(gòu)件的尺寸相同，且其軸向通道的內(nèi)徑尺寸與內(nèi)管構(gòu)件的尺寸相同，一種金屬材料完全填充了環(huán)形腔室，其比重大于管構(gòu)件以及端部部分的比重，其拉伸強度則與構(gòu)件和端部部分的強度相當(dāng)，從而與普通的整體式鉆鋌相比，該鉆鋌的重量基本上相同或較大，但外徑尺寸卻減小了，金屬材料包括一種比重在9.4到11.3之間的鉛合金。
于1962年7月31日授予G.H.Bruce的第3047313號美國專利公開了一種用在鉆桿柱上的鉆鋌，其包括相互分離開的內(nèi)、外管狀壁構(gòu)件以及蜂窩狀增強裝置，該增強裝置位于兩管狀壁構(gòu)件之間，且在管狀壁構(gòu)件的整個長度范圍內(nèi)，增強裝置粘接并固定到至少一個管狀壁構(gòu)件上，在空間的整個長度和寬度范圍內(nèi)，蜂窩狀的增強裝置形成了多個隔間，且蜂窩狀增強裝置具有通入到各個隔間中的通道，管狀壁構(gòu)件的內(nèi)部提供了一個不受阻隔的孔，其用于使流體通過，在管狀壁構(gòu)件的兩端上接合了用于將鉆鋌連接到鉆桿柱上的裝置，在隔間內(nèi)填充了比重大于8.0的金屬增重裝置，由此為鉆桿柱提供了一個很重的鉆鋌，并使其具有鐘擺效應(yīng)，蜂窩狀增強裝置是用高熔點的金屬制成的，其對容納在隔間內(nèi)的、以液態(tài)形式存在的金屬增重裝置而言基本上是化學(xué)惰性的，不會被增重裝置破壞。
于1962年11月6日授予W.E.Schultz的第3062303號美國專利公開了一種用于在鉆進工作過程中改變井孔方向的方法，其中該井孔的方向相對于垂直方向是傾斜的，該方法包括步驟在位于鉆頭上方的鉆桿柱中插入一偏心配重工具，并將其可轉(zhuǎn)動地安裝在鉆桿柱中，該工具適于使一個元件在徑向上膨脹開而抵壓到井壁上；使元件與鉆桿柱的內(nèi)部實現(xiàn)壓力連通；將鉆桿柱和工具基本上降低到井孔的底部；從地面上用足夠大的作用力上下往復(fù)移動鉆桿柱，以震動工具，使其繞鉆桿柱的軸線轉(zhuǎn)動到一個理想的位置；經(jīng)鉆桿柱施加流體壓力，以使轉(zhuǎn)動安裝工具的可膨脹元件在徑向上膨脹開而抵緊井壁，從而迫使工具移向井孔的一側(cè)；隨后，在井孔中轉(zhuǎn)動鉆桿柱和鉆頭，重新開始執(zhí)行鉆進操作。
于1965年1月26日授予H.C.Humphrey的第3167137號美國專利綜合性地公開了在一種轉(zhuǎn)動的組合結(jié)構(gòu)的鉆鋌中的端部部分、以及接合到端部部分上的內(nèi)外管構(gòu)件，其中，內(nèi)、外管構(gòu)件為同心但相互分離的位置關(guān)系，從而在二者之間形成一環(huán)形腔室，鉆鋌適于被連接到一具有相同外徑、且可轉(zhuǎn)動的鉆桿柱上，每個端部部分的外徑尺寸都與外管構(gòu)件的外徑尺寸相同，并具有一與內(nèi)管構(gòu)件同軸連通的通道，端部部分的內(nèi)徑與內(nèi)管構(gòu)件的內(nèi)徑相同，一種金屬材料完全填充了環(huán)形腔室，其比重高于管構(gòu)件和端部部分的比重，從而，與普通的整體式鉆鋌相比，該鉆鋌的重量基本上相同或較大，但外徑尺寸卻減小了，金屬材料是由一組材料中選出的，該材料組包括比重在9.4到11.3之間的鉛和鉛合金，多個彈性金屬構(gòu)件被沿著位于環(huán)形腔室內(nèi)的其中一管構(gòu)件的長度方向相互間隔并進行固定，這些金屬構(gòu)件從其中一個管構(gòu)件等距地突伸出去而與另一管構(gòu)件相接觸，金屬構(gòu)件可被嵌埋到金屬材料中而作為其錨定件。
于1965年7月20日授予W.B.Kimbrell的第3195927號美國專利公開了一種增重管，其包括一外構(gòu)件，其在軸向拉伸方向上被施加預(yù)應(yīng)力，并具有一上端和一下端；一內(nèi)管，其在軸向壓縮方向上受到預(yù)應(yīng)力，并被設(shè)置在外構(gòu)件中，該內(nèi)管具有一上端和一下端，將內(nèi)管的上端用過盈配合壓配合到外構(gòu)件的上端中，從而在兩上端之間形成了一個過載釋放接頭，內(nèi)管的下端被壓裝到外構(gòu)件的下端中，從而在內(nèi)管和外構(gòu)件的上端之間形成了一個接頭，使內(nèi)管與外構(gòu)件上端之間接頭處產(chǎn)生相對運動所需的過載扭矩小于使兩下端之間接頭處產(chǎn)生相對運動所需的過載扭矩，由此，下端處接頭抵抗扭矩的能力強于內(nèi)管與外構(gòu)件上端之間的壓裝接頭，外構(gòu)件上端接頭處的內(nèi)管上端外徑大于外構(gòu)件下端接頭處的內(nèi)管下端直徑，在靠近上端的位置處，在內(nèi)管與外構(gòu)件之間相互配合地設(shè)置了裝置，以便于在可過載釋放的接頭被釋放時將軸向拉伸力從內(nèi)管傳遞給外構(gòu)件，但允許外構(gòu)件的上端在可過載釋放的接頭被釋放時相對于內(nèi)管進行轉(zhuǎn)動，在接頭之間，內(nèi)管與外構(gòu)件分離開，從而形成了一個從兩上端之間的接頭延伸向兩下端之間接頭的環(huán)形腔室，兩接頭都被進行了流體密封處理，用一種密度大于1.4的流體填充腔室，兩接頭的結(jié)構(gòu)和位置被設(shè)計成只要可過載釋放的接頭未被釋放，就能可保持著拉伸和壓縮。
于1966年2月1日授予M.B.Hollander的第3232638號美國專利公開了一種中空的鉆鋌，其總體上包括一銷體連接件，其具有一面向外側(cè)的環(huán)形凸肩；一箱體連接件，其具有一面向內(nèi)側(cè)的環(huán)形凸肩；一外管狀構(gòu)件，其具有很高的拉伸強度，銷體連接件和箱體連接件都被旋入該構(gòu)件上；以及一內(nèi)管狀構(gòu)件，其比外管狀構(gòu)件長，并具有很高的壓縮強度，兩管狀構(gòu)件都被施加了載荷，但在各自的屈服點范圍內(nèi)，當(dāng)銷體連接件和箱體連接件被牢固地旋入到外管狀構(gòu)件中時，內(nèi)構(gòu)件的長度大于凸肩之間的軸向距離，內(nèi)管狀構(gòu)件被同心地布置在外管狀構(gòu)件中，并具有略微的徑向間隙，從而在兩管狀構(gòu)件之間形成了一個環(huán)形的凹陷，在對內(nèi)構(gòu)件施加載荷之前，該凹陷的延伸長度基本上達(dá)到內(nèi)構(gòu)件的軸向長度，當(dāng)銷體連接件和箱體連接件被旋入到外管狀構(gòu)件上時，兩連接件的環(huán)形凸肩與內(nèi)管狀構(gòu)件接觸并對其加壓，內(nèi)管狀構(gòu)件基本上被壓縮到其臨界點，這就使得內(nèi)管狀構(gòu)件縱向彎曲而與外管狀構(gòu)件的內(nèi)壁相接觸，內(nèi)壁阻止內(nèi)構(gòu)件在接觸點處進一步縱向彎曲，由此將內(nèi)管狀構(gòu)件的應(yīng)力限制在其屈服點之內(nèi)，設(shè)計使得外管狀構(gòu)件的拉伸預(yù)應(yīng)力在其屈服點之內(nèi)，因而，由于鉆鋌受到壓縮載荷，其對抗徑向變形的能力得以增強。
于1971年3月30日授予Fletcher Redwine的第3572771號美國專利公開了一種用在回轉(zhuǎn)鉆井作業(yè)中的鉆鋌結(jié)構(gòu)。利用一些連接器將各個鉆鋌首尾連接起來，其中，連接器的抗疲勞性大于鉆鋌鋼材的抗疲勞性。用于制造連接器的優(yōu)選金屬是鈦或鈦基合金。
于1972年12月19日授予Carey E.Murphye Jr.的第3706348號美國專利公開了一種用于控制井孔偏斜的系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過使用一種鉆頭和一種組合鉆桿柱進行工作的，其中的鉆桿柱包括一重質(zhì)的鉆鋌，其被布置在鉆頭的上方，并在該重質(zhì)金屬鉆鋌的上方設(shè)置了一個普通的鋼制鉆鋌。
于1976年5月11日授予Percy L.Farrington的第3955835號美國專利公開了一種燃?xì)夤?jié)省器，其包括一管接頭，其被插入到通向用氣設(shè)備的燃?xì)夤芫€中，管接頭的凸出部分上設(shè)置有多個螺旋延伸的翼片，以使流經(jīng)的煤氣產(chǎn)生渦旋運動。
于1988年8月2日授予Roy L.Dudman的第4760889號美國專利公開了一種鉆鋌，其具有一打撈頸(fishing neck)，其緊鄰地位于銷形端的后方，與箱體端相比，該打撈頸的尺寸是縮小的。因而，在鉆桿柱中，該鉆具特別適于被定向成其銷形端在上的姿態(tài)。鉆鋌在提高了BSR(彎曲強度比)的同時，還保持著良好的“可打撈性”(fishability)和“可沖洗性”。
于1988年9月20日授予DeCell等人的第4771811號美國專利公開了一種基本上均質(zhì)的重壁鉆管及其制造方法。在一多錘鍛造壓力機中放置一個圓柱形的坯料，以將坯料制成一鉆管棒，其具有一中間保護部分和上、下連接器部分，每一連接器部分的直徑都大于鉆管圓柱體部分的直徑。而后，將管棒變直，并機加工出上、下端連接器。在連接器上機加工制出帶有螺紋的端部，并在鉆管棒中鉆制出一個孔腔。
于1988年10月11日授予Nenkov等人的第4776436號美國專利公開了一種平面減震器，其帶有一頂部適配器和一底部適配器，在兩適配器之間安裝了一個殼體，在殼體內(nèi)布置了一個心軸，在由一頂盤、底盤、殼體、以及心軸所圍成的腔室中布置了一些主動元件，并在底盤的下方布置了彈簧。頂部適配器被一個帶有外螺紋的、兩階式的螺母(two-stepped nut)環(huán)包著，并被向上旋接到殼體上，一些鍵銷從兩階式螺母中穿過。工作腔室被一些中間套管分隔成多個區(qū)域，在每個區(qū)域內(nèi)都設(shè)置了球形頭，球形頭在心軸的外表面上成形。布置在工作腔室內(nèi)的主動元件是一些球體。彈簧由一環(huán)形螺母限制在底端，可使用開槽型的彈簧。
于1990年3月6日授予Beynet等人的第4905776號美國專利公開了一種振動阻尼組件，其例如是一種動平衡設(shè)備，該組件被連接到一鉆頭上，一井下電機或鉆桿柱施加一個可變的作用力，以抵消振動引發(fā)的作用力。動平衡設(shè)備包括一支撐體，其支撐著多個可自由運動的質(zhì)量，從而，這些質(zhì)量可移動到某一位置，以便于對抗非平衡的作用力，其中，質(zhì)量以相同的轉(zhuǎn)速隨鉆頭、井下電機以及鉆桿柱一起轉(zhuǎn)動。
于2001年5月15日授予Sullivan等人的第6230822號美國專利公開了一種用在井筒鉆進作業(yè)中的鉆頭，鉆頭具有一鉆頭體，其包括多個牙輪鉆頭巴掌(bit leg)，每個巴掌支撐著一個滾錐刀具，在鉆頭體的上部制有一個聯(lián)結(jié)構(gòu)件；至少一個溫度傳感器，其用于在鉆進過程中監(jiān)控改進后鉆頭的至少一個溫度條件；以及至少一個溫度傳感器腔，其制在鉆頭體中，且適于接納、承載至少一個溫度傳感器，且適于將其相對于鉆頭體定位在特定的位置上，該位置是依據(jù)經(jīng)驗確定出的，用于優(yōu)化溫度傳感器的識別能力。
于2002年10月31日公開的、屬于Dubinsky等人的第20020157895A1號美國專利申請公開了這樣的技術(shù)在鉆鋌的內(nèi)壁上連接多個重質(zhì)量的不規(guī)則體，以削弱經(jīng)鉆鋌傳播的波。多個重質(zhì)量不規(guī)則體的間隔和尺寸被設(shè)計成能最大程度地衰減預(yù)定頻率區(qū)間內(nèi)的聲音脈沖。不規(guī)則質(zhì)量體可以是一些緊固地聯(lián)結(jié)到鉆鋌外表面上的環(huán)圈。作為備選方案，可利用頸部構(gòu)件將作為不規(guī)則質(zhì)量體的環(huán)圈緊固地聯(lián)結(jié)到鉆鋌的外表面上，其中的頸部構(gòu)件從環(huán)圈的內(nèi)周面向內(nèi)側(cè)延伸。不規(guī)則質(zhì)量體可用鋼或鎢制成。在另外一優(yōu)選實施方式中，不規(guī)則質(zhì)量體被不對稱地聯(lián)結(jié)到鉆鋌的外壁上，以在優(yōu)選的方向上實現(xiàn)衰減。
在2001年8月出版的《Offshore Magazine》發(fā)表了由Chen等人撰寫的文章“Wellbore designHow long bits improve wellboremicro-tortuosity in ERD operations”，該文章公開了這樣的論斷在大位移鉆井(extended reach well)作業(yè)中，扭曲是其中一個關(guān)鍵因素，扭曲具有兩個分量宏觀扭曲和微觀扭曲。除了其它一些負(fù)面影響之外，扭曲的后果還包括高扭矩和高阻力、井孔整潔性差、鉆桿柱縱向彎曲、以及有效鉆進深度損失。采用了長規(guī)格鉆頭的新型鉆進系統(tǒng)能顯著減小井孔的螺旋一該螺旋是微觀扭曲的一種形式，通過采用一種目的在于改善鉆進作業(yè)諸多方面的鉆頭設(shè)計將能實現(xiàn)該系統(tǒng)。
上文引用的現(xiàn)有技術(shù)并未為底部鉆井組件提供一種耐用的、靜/動平衡的、具有較高塑性的高密度材料，這樣的材料基本上能解決上文討論的各個問題，由此能明顯地改善鉆進工作。因而，仍然希望能設(shè)計一種改進的、高密度井底組件。本領(lǐng)域技術(shù)人員能領(lǐng)會解決了上述問題以及其它重要問題的本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的鉆進組件和鉆進方法。
另一可行實施方式的目的在于實現(xiàn)更快的鉆進ROP(鉆進速度)、更長的鉆頭壽命、鉆桿柱接頭的應(yīng)力減小、更準(zhǔn)確的井孔測量、改善循環(huán)流動、改善水泥灌漿、改進的低噪聲MWD和LWD、提高鋼絲繩測井的精度、改善濾網(wǎng)組件的運行和安裝、更少的鉆頭拆裝次數(shù)、減輕或消除扭曲、減輕或消除鉆桿柱的縱向彎曲、減小井孔的沖蝕、提高安全性、和/或其它方面的優(yōu)點。
本發(fā)明另一可行實施方式的目的在于提供一種裝置，其用于將作用力從一個或多個部分的高密度材料通過任意數(shù)目的箱體/銷體連接件經(jīng)由帶有螺紋的連接器傳遞到此下任何所需的地點，并包括這樣的設(shè)計將多個高密度增重部分的大體全部重量都放置在鉆頭的頂部上。
本發(fā)明再一可行實施方式的目的在于使底部鉆井組件的壓縮長度遠(yuǎn)小于第一階縱向彎曲長度，從而實質(zhì)上消除了底部鉆井組件的縱向彎曲、以及由組件縱向彎曲而造成的井孔扭曲。
本發(fā)明另一實施方式的目的在于提供一種大直徑、高密度、且長度較短的底部鉆井組件，與普通的小直徑鋼制鉆鋌底部鉆井組件相比，本發(fā)明組件所造成的地層沖蝕更小。
本發(fā)明再一可行實施方式的目的在于提供一種高密度的鎢材料組成(formulation)，這種組成的材料能具有更高的塑性，從而可避免現(xiàn)有技術(shù)中脆性鎢質(zhì)增重部分的問題。
本發(fā)明又一可行實施方式的目的在于提供一種高密度鎢合金防振部分，其可被應(yīng)用在底部鉆井組件或鉆桿柱中的其它位置處，以吸收沖擊、振動、鉆頭跳動、鉆頭渦動效應(yīng)、和/或噪音。
本發(fā)明另一可行實施方式的目的在于使底部鉆井組件實現(xiàn)動和/或靜平衡，以消除由底部鉆井組件產(chǎn)生的飛輪振動。
本發(fā)明再一可行實施方式的目的在于提供一種改進的底部鉆井組件。
本發(fā)明又一可行實施方式的目的在于為底部鉆井組件提供一種鋼制外套筒，即使在靠近鉆頭的位置處，該套筒也被保持在拉伸狀態(tài)，而非處于壓縮狀態(tài)，從而消除了鉆桿柱的縱向彎曲。
本發(fā)明另一可行實施方式的目的在于提供在鉆頭的附近施加增大的重量，并允許鉆桿柱具有更高的轉(zhuǎn)速(RPM)，由此能提高在很多地層中的鉆進速度(ROP)。
本發(fā)明再一可行實施方式可包括這樣的方案將上述的一個、幾個或全部目的組合起來，且具有或不具有下文描述的一個或多個其它另外的目的、特征、以及優(yōu)點。
從下文的附圖、文中的詳細(xì)描述及后附的權(quán)利要求能清楚地認(rèn)識本發(fā)明上述內(nèi)容以及其它的目的、特征及優(yōu)點。但是，不難理解上文列出本發(fā)明目的、特征及優(yōu)點只是用來幫助領(lǐng)會本發(fā)明的各個方面，在任何意義上都不用來限制本發(fā)明，因而，不會形成一個關(guān)于本發(fā)明目的、和/或特征、定義、和/或優(yōu)點的全面列單或限制列單。
因而，在本發(fā)明一實施方式中，提供了一種用于鉆進地層的、位于鉆桿柱上的鉆進組件。該鉆進組件的作用在于在鉆進作業(yè)過程中，其向鉆頭施加一個基本上連續(xù)的作用力，因而可保持鉆頭與地層的接觸。該鉆進組件可包括一個或多個元件-例如一第一外管狀構(gòu)件和/或一第一傳力構(gòu)件，第一傳力構(gòu)件沿軸向安裝在第一外管狀構(gòu)件中，且可相對于第一外管狀構(gòu)件在軸向上移動。在一種當(dāng)前優(yōu)選的實施方式中，傳力構(gòu)件還可包括一增重部分，其利用該部分中的重量以及可能多個其它類似部分內(nèi)的重量來產(chǎn)生鉆頭上大體連續(xù)的作用力。其它一些元件可包括一帶有螺紋的第一連接器，其相對于第一外管狀構(gòu)件和/或一個帶有螺紋的第一連接器傳力構(gòu)件固定地安裝，其中的第一連接器傳力構(gòu)件被安裝成在帶螺紋的第一連接器中軸向運動，并延伸穿過第一連接器。第一帶螺紋連接器傳力構(gòu)件在機械上與第一傳力構(gòu)件連接起來，以便于經(jīng)帶螺紋的第一連接器傳遞一個作用力，以施加到鉆頭上，從而使得被傳遞的作用力構(gòu)成了鉆頭上大體連續(xù)作用力的至少一個部分。因而，由多個增重部分產(chǎn)生的作用力可經(jīng)帶螺紋的連接器傳遞給鉆頭或鉆頭的附近。
根據(jù)本發(fā)明的鉆進組件的一種實施方式可被用在一種用來穿過地層以鉆出井孔的底部鉆井組件中。底部鉆井組件包括一個位于其最下端部分的鉆頭，該鉆頭被固定到鉆桿柱上。底部鉆井組件在鉆桿柱中位于最下端位置，并與鉆頭足夠地靠近，以便于能將其重量施加給鉆頭。
根據(jù)本發(fā)明的鉆進組件的一種實施方式包括一個或多個元件—例如一第一外管狀構(gòu)件；一第一頂部接頭(sub)，其相對于第一外管狀構(gòu)件是固定的；一第一底部接頭，其相對于第一外管狀構(gòu)件是固定的；以及一第一高密度增重部分，其被安裝在第一外管狀構(gòu)件中。第一高密度增重部分的比重大于10.0，且優(yōu)選地是由鎢合金制成的。應(yīng)當(dāng)注意到鐵的比重是7.85、鉛為11.35、鎢為17.20、鉬為10.20、鈾為18.68、鋨為22.48。在一優(yōu)選實施方式中，第一高密度增重部分被可滑動地安裝著，以允許第一高密度增重部分相對于第一外管狀構(gòu)件軸向運動。
鉆進組件還包括一力傳遞機構(gòu)，用于通過帶螺紋的連接器傳遞諸如重力等的作用力。一第二外管狀構(gòu)件可相對于第一底部接頭固定起來，且一第二高密度增重部分被安裝在第二外管狀構(gòu)件中，其被可滑動地安裝著，從而可相對于第二外管狀構(gòu)件在軸向上運動。一重量傳遞元件可延伸穿過第一底部接頭，并能相對于第一底部接頭在軸向上滑動。在一優(yōu)選實施方式中，重量傳遞元件被安裝成用于支撐第一高密度增重部分的重量和/或?qū)⒌谝桓呙芏仍鲋夭糠值闹亓渴┘拥降诙呙芏仍鲋夭糠稚稀?br> 在一優(yōu)選實施方式中，用在井下組件中的優(yōu)選鎢合金不含鈷。鎢合金中鎢的含量大于90％。鎢合金還可包括鎳、鐵以及鉬。由于不合鈷，這樣形成的合金具有很高的塑性，因而更適于耐受作用到底部鉆井組件上的應(yīng)力。
本發(fā)明一種具體的應(yīng)用是用在定向鉆進井底組件上，該組件用于穿過地層鉆出一個井孔段，該組件的定向角度是可變的，且需要鉆桿柱能在其穿過地層時發(fā)生彎曲。在此情況下，該定向鉆進井底組件可包括一鉆頭；一用于轉(zhuǎn)動鉆頭的泥漿馬達(dá)；一彎曲的接頭，其相對于泥漿馬達(dá)是固定的；以及一根據(jù)本發(fā)明制造的柔性增重部分，其作用在于向處于斜角井孔段內(nèi)的鉆頭施加重力。柔性增重部分包括一外管狀構(gòu)件和一內(nèi)管狀構(gòu)件，它們之間形成了一個密封的隔間。外管狀構(gòu)件和內(nèi)管狀構(gòu)件能被充分地彎曲，以符合可變的定向角。在密封隔間內(nèi)設(shè)置了鎢粉末或鎢糊狀物，以便于向鉆頭施加很大一部分重量，同時保持外管狀構(gòu)件與內(nèi)管狀構(gòu)件內(nèi)的柔性。
如果希望井下羅盤測量具有更好的效果，則內(nèi)管狀構(gòu)件和外管狀構(gòu)件可包含或用非磁性材料制成，鎢粉末或鎢糊狀物基本上是無磁性的。
在一實施方式中，制造一鉆進組件的方法例如包括如下的步驟提供至少一個管狀構(gòu)件和至少一個鎢質(zhì)增重部分，它們具有各自的配合表面，以便于相互連接起來；對各配合表面的尺寸進行設(shè)計，以使得它們的尺寸在鎢質(zhì)增重部分與管狀構(gòu)件的溫度大致相同時剛好阻止管狀構(gòu)件與鎢質(zhì)增重部分相互連接起來；在250華氏度到450華氏度的范圍內(nèi)，在管狀構(gòu)件與鎢質(zhì)增重部分之間形成一溫度差，該溫度差大于幾百華氏度，由此使上述尺寸允許管狀構(gòu)件與鎢質(zhì)增重部分相互連接起來；在存在溫度差的情況下，將管狀構(gòu)件與鎢質(zhì)增重部分相互連接起來；以及使管狀構(gòu)件與鎢質(zhì)增重部分大致達(dá)到相同的溫度，由此使管狀構(gòu)件與鎢質(zhì)增重部分相互固定起來。
該方法還包括步驟將鎢質(zhì)增重部分插入到一個管狀構(gòu)件中和/或?qū)⒅辽僖粋€管狀構(gòu)件插入到貫穿鎢質(zhì)增重部分的孔腔中。


為了進一步理解本發(fā)明的特性和目的，應(yīng)當(dāng)結(jié)合附圖參見下文的詳細(xì)描述，在附圖中，同類的元件由相同或類似的附圖標(biāo)記指代，其中圖1中的正視剖切圖表示了根據(jù)本發(fā)明一種可行實施方式的大重量鉆鋌，其具有一些高密度部分；圖1A中放大的正視剖切圖表示了根據(jù)本發(fā)明的、圖1所示的上部組件12；圖1B中放大的正視剖切圖表示了根據(jù)本發(fā)明的、圖1所示的下部組件14；圖2中的正視剖切圖表示了根據(jù)本發(fā)明一種可行構(gòu)造的、具有盤式高密度部分的大重量鉆鋌；圖3A中的正視剖切圖表示了根據(jù)本發(fā)明的、帶有多個內(nèi)部高密度部分的大重量鉆鋌，并帶有一些重量傳遞元件，其中，當(dāng)外部鋼制套筒處于拉伸狀態(tài)時，所有的高密度重量都經(jīng)鉆具的中心進行傳遞，以直接向鉆頭的頂部施加作用；
圖3B中的示意圖表示了在本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式(例如圖3A所示實施方式)中的拉伸力和壓縮力，其中，由鎢合金增重部分產(chǎn)生的重力經(jīng)鉆具的內(nèi)部直接傳遞給鉆頭或鉆頭連接接頭；圖3C是圖3A所示的、根據(jù)本發(fā)明一實施方式的鉆進組件的正視剖切圖，其中，井底組件在鉆頭的兩英尺范圍內(nèi)處于拉伸狀態(tài)；圖3D是圖3A所示的、根據(jù)本發(fā)明一實施方式的鉆進組件的正視剖切圖，其中，井底組件在鉆頭的十四英尺范圍內(nèi)處于拉伸狀態(tài)；圖3E是圖3A所示的、根據(jù)本發(fā)明一實施方式的鉆進組件的正視剖切圖，其中，井底組件在鉆頭的四十五英尺范圍內(nèi)處于拉伸狀態(tài)；圖3F中的正視剖切圖表示了根據(jù)本發(fā)明的、利用鉆桿柱上其它部件傳遞重量的設(shè)計，其中，所述部件例如是扶正器或帶有一體式扶正器的增重部分；圖4中的正視剖切圖表示了一種根據(jù)本發(fā)明一實施方式的鎢合金段，其可被組合起來使用，以構(gòu)成一重量組包；圖4A中的正視剖切圖表示了一種帶有熱膨脹凸片的鎢合金段，凸片可作為在溫度改變時控制圖4所示增重段的對中的一種可能的裝置；圖5A中的正視圖表示了一種根據(jù)本發(fā)明的井底組件，如圖所示，該組件可在鉆頭上集中超過50％的可用重量，且該井底組件的壓縮長度與圖5C所示的、現(xiàn)有技術(shù)的井底組件相比非常短；圖5B中的正視圖表示了一種根據(jù)本發(fā)明的井底組件，如圖所示，該組件可在鉆頭上具有超過300％的可用重量，且該井底組件的壓縮長度與圖5C所示現(xiàn)有技術(shù)相比極大縮短；圖5C中的正視圖表示了一種現(xiàn)有的井底組件，其用于與圖5A、5B所示的本發(fā)明實施方式進行對比；圖6中的比較圖線表示了不同重量泥漿的浮力效應(yīng)，其中，該對比是在現(xiàn)有技術(shù)的重質(zhì)鋼鉆鋌與根據(jù)本發(fā)明的高密度重質(zhì)鉆鋌之間進行的。
圖7A中的比較圖線表示了在鉆頭上施加相同重量的情況下井底組件壓縮長度的對比情況，其中，本發(fā)明的實施方式中的壓縮長度為兩英尺，而普通鉆鋌的長度為89英尺；圖7B中的比較圖線表示了在鉆頭上施加相同重量的情況下井底組件壓縮長度與第一階縱向彎曲之間的關(guān)系，其中，該對比是在本發(fā)明一實施方式與普通的鉆鋌之間進行的；圖7C中的比較圖線表示了在鉆頭上施加相同重量的情況下井底組件壓縮長度與第二階縱向彎曲之間的關(guān)系，其中，該對比是在本發(fā)明一實施方式與普通的鉆鋌之間進行的；圖8中的示意性正視圖表示了本發(fā)明一種可能的應(yīng)用方式—作為鉆管與井底組件之間的過渡構(gòu)件，用以改善鉆進作業(yè)；以及圖9是一個部分剖開的正視圖，表示了根據(jù)本發(fā)明的、帶有螺紋的力傳遞連接件。
具體實施例方式
盡管下文將結(jié)合當(dāng)前優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明進行描述，但可以理解這些描述并不意味著將本發(fā)明限定在這些實施方式的范圍內(nèi)。與此相反，所有的改型、替換和等效形式都應(yīng)當(dāng)被包含在本發(fā)明設(shè)計思想的范圍內(nèi)。
下面參見附圖，更具體是參見圖1、圖1A、以及圖1B，這些正視圖表示了一種鉆進組件10上一部分的一種可能結(jié)構(gòu)，該鉆進組件可被應(yīng)用在根據(jù)本發(fā)明的鉆桿柱中。優(yōu)選地是，鉆進組件10可被用作底部鉆井組件的一部分，但也可根據(jù)需要用在鉆桿柱的其它部位處。在圖1中，上部部分12與下部部分14的結(jié)構(gòu)可以相同或顯著不同。上部部分12與下部部分14通過接頭23連接起來。圖1A表示了上部重質(zhì)組件12一種可能的結(jié)構(gòu)，圖1B表示了下部重質(zhì)組件部分14一種可能的結(jié)構(gòu)。在圖1A和圖1B所示的具體實施方式
中，上部組件部分12和下部組件部分14具有不同的功能(下文將對此進行討論)，且這兩個組件部分可獨立使用或相互結(jié)合起來使用。例如，如果希望利用靠近鉆頭的各個組件12來傳遞力，則可將多個上部組件部分12通過螺紋連接并堆疊在一起。作為備選情況，可將多個下部組件部分14疊置到一起，以增大井底組件的重量。
在圖1A所示組件12的正常工作中，內(nèi)部部分—例如部分16可相對于外部部分—例如部分17移動，以便于在鉆進過程中向鉆頭施加重力或作用力，同時能將外部部分17保持在拉伸狀態(tài)。與圖1B所示的實施方式進行比較發(fā)現(xiàn)，在圖1B所示組件14的正常工作中，內(nèi)部部分18不相對于外部部分24移動。底部鉆井組件的一種優(yōu)選實施方式將采用多個疊置在一起的、與組件部分12類似的組件(這些組件被旋接到一起)和/或多個疊置在一起的、與組件部分14類似的組件，其中，后一類組件被用在井底組件中，以取代標(biāo)準(zhǔn)的重質(zhì)鋼制鉆鋌。因而，兩種組件12、14可相互獨立地使用，且可一起或不一起使用。
在上部組件12中，高密度部分16相對于外管17可滑動地安裝著。在一優(yōu)選實施方式中，高密度部分16可包括鎢合金(下文將對此進行討論)。采用其它的高密度材料-例如(也只是舉例)重金屬、鋼鐵、貧鈾、鉛、鉬、鋨、和/或其它致密材料，也能獲得本發(fā)明的一些優(yōu)點。如果希望的話，部分16可采用較輕的材料，以將作用力從組件12傳遞過去。但是，如此處所明示的那樣，在一優(yōu)選實施方式中，多個高密度部分16能在鉆頭上產(chǎn)生很大的作用力。
由于與高密度部分16有關(guān)的重量或作用力優(yōu)選地被傳遞給下方的接頭，而不是傳遞給外管17，所以外管17和/或其它外部管必然不會受到高密度部分16重量的壓緊。外管17而是更有可能根據(jù)其在井底組件中的相對位置而被置于拉伸狀態(tài)，由此可增強井底組件。如下文詳細(xì)討論的那樣，本發(fā)明通過使用了根據(jù)本發(fā)明的鉆進組件—例如上部組件12和/或下部組件14，能使井底組件的壓縮長度(即井底組件受壓縮的部分)縮短很大的百分比(參見圖5A-5C以及圖7A-圖7C所示的圖線)。井底組件壓縮長度的縮短導(dǎo)致組件的剛挺性提高，組件轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的振動更小，且能消除或減輕縱向彎曲-飛輪效應(yīng)。因而，剛挺性增大的鉆桿柱能轉(zhuǎn)動得更快，并能鉆出更為整潔、準(zhǔn)確的井孔，且提高了鉆進速度(ROP)。
如圖3A-3E所示，在本發(fā)明的另一實施方式中，鉆桿柱井底組件中外管構(gòu)件的所有長度或?qū)嶋H上所有長度和/或選定的長度處于拉伸狀態(tài)。通過與縱向彎曲點相比極大地縮短井底組件的壓縮長度，能基本上消除井底組件的縱向彎曲。在圖3A-3E的實施方式中，優(yōu)選的高密度元件—例如鎢合金部分的重量可通過互連接頭傳遞給其它任意數(shù)目的下部部分，并一直傳遞到鉆頭的頂部。因而，可顯著減輕或完全消除鉆桿柱在轉(zhuǎn)動過程中由于井底組件縱向彎曲而引發(fā)的不平衡的飛輪效應(yīng)。
本發(fā)明的鉆進組件12、14中的部件比標(biāo)準(zhǔn)的31英尺長鋼制重鉆鋌更小、更短。因而，如下文討論的那樣，可對組件部分12、14執(zhí)行機加工、調(diào)節(jié)或配重，以實現(xiàn)動平衡和靜平衡，從而進一步減弱或消除所有的飛輪效應(yīng)。剛性而平衡的井底組件能平穩(wěn)而筆直地執(zhí)行鉆進，并減少鉆頭的渦動。如下文討論的那樣，所制成的井底組件采用了經(jīng)過平衡的、剛性的、同心的、大重量的子組件—例如鉆進組件12、14，從而能更快地轉(zhuǎn)動。與普通的底部鉆井組件相比，如下的幾方面因素降低鉆桿柱的扭矩或鉆桿柱轉(zhuǎn)動的阻力，這些因素包括更好的平衡、同心度、增大的振動特性、以及與井孔壁相接觸的表面積可能的減小。ROP通常與鉆桿柱的RPM(轉(zhuǎn)速)直接相關(guān)，從而，使鉆進RPM翻倍就同樣能使鉆進速度翻倍。
在許多石油油田和天然氣田，鉆進速度(ROP)還與鉆頭上的重量成比例，從而，如果計入浮力效應(yīng)之后鉆頭上的實際重量翻倍，則鉆進速度也能翻倍。
在根據(jù)本發(fā)明的井底組件的一優(yōu)選實施方式中，作用在鉆頭上的重量或作用力集中在靠近鉆頭的一個位置處，從而，可顯著避免鉆頭的橫向振動運動，其中，產(chǎn)生該橫向振動運動是由于增大的作用力所致，增大作用力是為了克服集中在鉆頭處的質(zhì)量明顯增大的慣性而需要的。因而，由于井孔更為準(zhǔn)確、ROP更快，能顯著削弱或阻止鉆頭的渦動。如下文討論的那樣，利用所用優(yōu)選高密度材料的彈性和隔噪音效果，還能減弱其它的振動效果—例如鉆頭跳動等。盡管現(xiàn)有技術(shù)的研究大量地集中在鉆頭的設(shè)計上，以消除鉆頭的渦動、跳動、以及扭曲，但本發(fā)明人認(rèn)為通過按照文中介紹的這樣的井底組件的設(shè)計，能更好地解決上述的問題。
在圖1B所示的本發(fā)明實施方式中，組件14可包括高密度部分18，其被固定連接到外管20上。因而，在組件14中，內(nèi)部部分18不能相對于外管或外壁20移動。進行安裝的一種優(yōu)選措施是采用冷縮配合的安裝方法，利用該方法，當(dāng)兩部件18、20的溫度相同時，兩配合表面的緊公差阻止進行組裝，但是，對部件18、20中的之一進行加熱或冷卻就能允許進行組裝，并能在溫度穩(wěn)定之后形成非常牢固的配合。例如，可將外管20加熱到一個較高溫度上—例如可加熱到約450華氏度，因此使外管膨脹。然后，由于很大的溫度差造成外管的膨脹，所以可將高密度部分18插入到外管中，其中，在均等的溫度上，尺寸大致相同的高密度部分18是無法實現(xiàn)配合的。當(dāng)外管20和高密度部分18處于相同的溫度時，兩部件就能相互牢固地保持在一起。如下文介紹的那樣，優(yōu)選地是，高密度材料包括一種鎢合金，其被設(shè)計成與鋼鐵具有類似的拉伸強度和彈性。因而，組合形成的組件與標(biāo)準(zhǔn)的鋼制重鉆鋌具有類似的機械特性，但其重量幾乎是標(biāo)準(zhǔn)的重鉆鋌的兩倍。在較重的泥漿中，在扣除浮力效應(yīng)的影響之后，組合形成組件實際作用在鉆頭上的重力大于相同長度標(biāo)準(zhǔn)鋼制重鉆鋌的兩倍。(見圖6)在上述的設(shè)計中，優(yōu)選地是，在高密度部分16、18的內(nèi)部利用沖洗管或內(nèi)管構(gòu)件22和24來保護并保持著高密度部分16、18。因而，優(yōu)選地是，高密度部分16、18被包含在諸如鋼管的內(nèi)管狀構(gòu)件與外管狀構(gòu)件之間，而不是暴露在經(jīng)過孔腔26的循環(huán)流中。在一優(yōu)選實施方式中，高密度部分16、18還被密封在其中，以防止與循環(huán)流發(fā)生任何接觸。如果希望的話，假如存在很大的溫度差，該溫度差能提供足夠的裝配間隙，則還可通過組裝將內(nèi)管22和/或24固定到高密度部分16和18中(或作為備選方案)，從而，在各部件的溫度大致上相等之后，各個部件能緊固在一起。
在定向鉆進的過程中，如果能盡可能地接近鉆頭進行地磁測量，則將是高度有利的。通常情況下，在定向鉆機所執(zhí)行動作的效果能被看出來之前，需要鉆進100到300英尺，原因在于需要使羅盤遠(yuǎn)離磁性的井底組件。這有時會導(dǎo)致偏離目標(biāo)，并增加進行修正以返回目標(biāo)的難度。在本發(fā)明一實施方式中，使用了非磁性的鎢合金。在此情況下，內(nèi)管和外管-例如22和20可包含如蒙乃爾合金(Monel)等的非磁性金屬。由于與現(xiàn)有技術(shù)中的蒙乃爾合金管相比能顯著減少蒙乃爾合金的用量，所以能顯著減少蒙乃爾合金材料方面的成本，其中，采用蒙乃爾合金管通常是為了進行地磁測量。另外，通常不使用用蒙乃爾合金制成的重質(zhì)鉆鋌，因而，在鉆桿柱的重質(zhì)鉆鋌部分附近或其中通常不能進行羅盤測量。通過允許在距鉆頭較近的地方執(zhí)行羅盤測量，能顯著提高鉆進的精度。
用于定向鉆進的高密度組件的其它構(gòu)造可包括這樣的措施使用鎢粉末或糊狀物，以形成一易于彎曲的增重部分，其可被用在定向性的鉆進中，在此類鉆進作業(yè)中，剛性的井底組件可能會帶來卡鉆(sticking)的問題，甚至無法滿足鉆進工程所需的單位深度彎曲必要度數(shù)的要求。根據(jù)本發(fā)明該實施方式的井底組件具有較大的柔性和更重的重量，該井底組件能將更大的重量施加到鉆頭上—即使使用了具有相當(dāng)大角度的彎曲接頭。根據(jù)本發(fā)明，能在定向鉆進的過程中向鉆頭施加更大的重量，這一能力易于提高定向鉆進作業(yè)的ROP，由此能顯著降低定向鉆進較高的成本。定向鉆進的井底組件可包括泥漿馬達(dá)、彎曲的接頭等。采用柔性的增重部分以及這種類型的定向鉆進組件能提供用于改進而快速的定向鉆進裝置。此外，在井底組件自身中采用非磁性材料帶來了這樣的可能性使羅盤比現(xiàn)有情況更近地靠近鉆頭，因而能完成更為精確的鉆進、更少的扭曲，并能沿優(yōu)化的鉆進路線、以更快的ROP更好地鉆出精確地穿過鉆進目標(biāo)區(qū)的井。
在一優(yōu)選實施方式中，優(yōu)選鎢合金的拉伸強度和彈性被調(diào)節(jié)成與鋼鐵的指標(biāo)類似。本發(fā)明一優(yōu)選實施方式完全避免了在鎢合金中使用鈷，以使鎢合金具有更大的彈性。過去，在鎢合金中使用鈷來增大其拉伸強度。但是，拉伸強度的增大會降低彈性，使得鎢化合物變脆。根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，避免使用鈷鎢合金，原因在于這樣的合金不適于廣泛地用在井底組件的環(huán)境中，在該環(huán)境中，其要受到多種類型的應(yīng)力—例如扭曲應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、壓縮應(yīng)力等，這些應(yīng)力井底組件都會遇到。根據(jù)本發(fā)明，一種當(dāng)前優(yōu)選的實施方式中鎢合金包括93-95％的W(鎢)、2.1％的Ni、0.9％的Fe、以及2-4％的MO。該合金的塑性大于用在井底組件中的現(xiàn)有鎢合金的塑性，因而更適于耐受井底組件所產(chǎn)生的應(yīng)力。優(yōu)選地是，對各個部件進行調(diào)整，使其機械特性與鋼制部件的性能類似，由此，認(rèn)為上述的組成是最佳的，其使得組件的許多作用都與普通的鋼制鉆鋌相同。
鎢合金具有很高的機械振動阻抗，其抗振性能約是鋼材的兩倍，這也能限制鉆桿柱的振動，從而能減少鉆桿柱中鉆具接頭的失效。如下文結(jié)合圖8也討論的那樣，在本發(fā)明一實施方式中，在井底組件與鉆桿柱之間、或在鉆桿柱上的其它所需位置處利用含鎢合金的過渡部分，以衰減從井底組件傳向鉆桿柱的振動?？砂凑瘴闹兴榻B的結(jié)構(gòu)實施方式來設(shè)計過渡部分，且過渡部分可以設(shè)置在井底組件與鉆桿柱之間。
圖2表示了根據(jù)本發(fā)明一實施方式的鉆進組件30一種可能的結(jié)構(gòu)，其采用了多個以相互配合關(guān)系疊置在一起的鎢元件32。優(yōu)選地是，對每個鎢元件32的尺寸都嚴(yán)格地進行控制，以使鉆進組件30達(dá)到平衡。同樣，對外管40、上部部分44、下部部分46的尺寸也嚴(yán)格地進行了控制。組件30的長度約為標(biāo)準(zhǔn)鉆鋌長度的一半。每個元件的尺寸都足夠小，從而在機加工過程中能嚴(yán)格控制各個尺寸。如果檢測到任何靜不平衡或動不平衡，則可采用一特別配重的鎢元件32，并將該元件插入到所需的轉(zhuǎn)動和軸向位置上，并固定在適當(dāng)位置上，以修正不平衡。在一優(yōu)選實施方式中，在進行組裝的過程中，優(yōu)選地是當(dāng)存在很大溫差時將鎢元件32插入到外管40中。對尺寸公差進行選擇，以使得配重鎢元件32只有在存在很大溫度差時才能插入到外管40中。當(dāng)溫度大致上相同時，各個部件相對的膨脹/收縮將形成一個非常緊密的牢固配合。
鉆進組件50可被用來將作用力從井底組件的上部位置傳遞給下部位置，其中的作用力例如是重金屬、鋼鐵、鎢、貧鈾、鉛、和/或其它致密材料的重力。
圖3A表示出了鉆進組件50一個部分的內(nèi)部構(gòu)造。鉆進組件50可包含許多個圖3A所示的部分，這些部分被旋接到一起，與普通的鉆桿柱管相同，這些部分能將作用力(例如是由重量產(chǎn)生的作用力)通過組件和帶有螺紋的連接器傳遞。
圖3B示意性地表示了重量傳遞鉆進組件50一種可能的基本工作模式。鉆進組件50可包括任意數(shù)目的高密度重質(zhì)環(huán)段，環(huán)段是由外管54A-54D以及支撐在其中的可動重量組包56A-56D構(gòu)成的。作用在各個重量組包上、或重量組包內(nèi)產(chǎn)生的重量或作用力可集中起來經(jīng)鉆具接頭傳遞給下方的另一個重量組包上。優(yōu)選地是，大重量的重量組包56A-56D可包含鎢合金，但可滑動的重量組包可包含任意材料—包括低密度材料，在特定的應(yīng)用場合，低密度材料適于提供所需的重量。各個高密度重量組包56通過棒體/管件/或其它裝置相互連接起來，從而，在井底組件中，可將重量經(jīng)多個帶螺紋的連接件(它們將管件連接起來)向下傳遞，就如普通鉆管那樣進行傳力，甚至可將所有的重量直接傳遞給鉆頭82。在一優(yōu)選實施方式中，外管54A-54D的大部分或所有管長都被保持在拉伸狀態(tài)，從而能有效地消除井底組件的鉆鋌發(fā)生縱向彎曲。將一個或多個高密度重量部分56A-56D的所有重量都經(jīng)多個螺紋連接件直接作用到鉆頭82頂部上的設(shè)計具有阻止鉆頭跳動的效果，原因在于鉆頭向上運動必須要克服很大的慣性。根據(jù)本發(fā)明的鎢合金的高吸振性能也能減弱鉆頭82向上振動的趨勢。因而，鉆頭82被保持在地層面上，從而能快速、平穩(wěn)地鉆進。
可將鉆頭面保持與井筒底部相接觸的能力極大地增加了鉆進速度—尤其是對于現(xiàn)代的PDC(聚晶金剛石復(fù)合片)鉆頭。鉆頭上的PDC切削元件具有非常短的長度，在理想情況下，其必須保持與被切削表面的恒定接觸，以實現(xiàn)最大的切削效果。因而，根據(jù)本發(fā)明的井底組件理想地適于使現(xiàn)代PDC鉆頭的鉆進潛力最大。
重量組包54A和54B可包括多個鎢化合物元件32，圖4表示了該元件的一種實例。在該實例中，每個鎢元件32都具有一銷體34、一箱體36、以及一本體38。這些鎢元件被堆疊到一起?？砂凑辗浅８叩墓钪圃斐鲚^短的鎢元件32，由此來避免任何不平衡現(xiàn)象。優(yōu)選地是，最后制成的組件是動平衡和靜平衡的。如果必要的話，可利用這些鎢元件完成任何精確調(diào)整的平衡，鎢元件經(jīng)過配重以抵消不平衡，利用凸片、溝槽等結(jié)構(gòu)將鎢元件在軸向進行定位，并固定在某一徑向位置上。
由于本發(fā)明的鎢化合物具有柔性，所以，在本發(fā)明其中一實施方式中，鎢材料的相對厚度可被制得較外管如20、40、54A等外管的厚度大。因而，與上文討論的某些現(xiàn)有裝置相比，本發(fā)明的單位體積內(nèi)具有更高的密度。例如，在一當(dāng)前優(yōu)選的實施方式中，與現(xiàn)有技術(shù)中采用厚壁鋼套筒的情況相比，希望本體38的壁厚比外管的壁厚至少大25％到50％。對于直徑為10.0英寸的、可被用來鉆出井孔的組件，現(xiàn)有技術(shù)中使用了直徑為9.5英寸的鉆鋌，假定增重部分32中通孔的直徑為3.5英寸(按照現(xiàn)有技術(shù)中的其它井底組件，某些場合下，該尺寸可被減小到接近2.875英寸)，與外管的壁厚為1.0英寸相比，本體的壁厚為2.25英寸。因而，在此情況下，增重部分32的壁厚比外管的壁厚大125％。
在一優(yōu)選實施方式中，銷體34和箱體36具有一定的錐度—約3到4英寸/英尺。這樣的結(jié)構(gòu)使得各個增重部分32之間的連接非常堅固，該連接具有很高的抗彎曲能力，從而形成了更加剛性的組件。
各個增重部分32被疊置到一起，且可利用壓縮方法、以冷縮配合的方式進行安裝，或者安裝成可軸向運動的。在任何情況下，本發(fā)明都不考慮在增重部分上設(shè)置螺紋以將它們與外結(jié)構(gòu)管連接起來的必要性，在現(xiàn)有技術(shù)中，利用脆性的增重材料嘗試了這樣的設(shè)計。
如圖3A所示，鉆進組件50用于通過帶螺紋的連接件來傳遞作用力和/或重量，鉆進組件50可包括一個或多個中空的管狀構(gòu)件—例如管殼54A或54B。兩管殼54A、54B的一端優(yōu)選地固定到銷形螺紋體74的銷體—例如銷形部分71上。每一管殼54A、54B的另一相反端可被固定到套形螺紋體86的銷體—例如銷形部分73上。優(yōu)選地是，銷體部分71、73采用了相同類型的螺紋，以便于在鉆進組件50中將多個管殼結(jié)合到一起。應(yīng)當(dāng)指出的是諸如管殼54A、54B等的套殼可包括多段管體，并能被制成選定的長度。在此情況下，可利用接頭52將構(gòu)成一管殼—例如管殼54A的每一管狀構(gòu)件與另一管狀構(gòu)件固定起來，接頭52優(yōu)選地包括一個雙銷的螺紋體，由此可形成任何長度的管殼。
重量組包56A、56B被設(shè)置在中空的管殼54A和54B中。如上文討論的那樣，重量組包56A、56B可用任何合適的材料制成—例如重金屬、鋼鐵、貧鈾、鉛、或其它的致密材料，但優(yōu)選地是用鎢合金制成。重量組包56A、56B可被制成固態(tài)的形式、液態(tài)形式、或粉末形式—例如鎢粉末或鎢糊狀物。優(yōu)選的是，任何的液體和粉末可被設(shè)置在密封的容器內(nèi)，以防止任何可能的泄漏。可用安裝不同的方式來安裝重量組包56A、56B。如果如圖3A所示那樣重量組包56A、56B被用作重量傳遞系統(tǒng)的一部分時，重量組包56A、56B最好能在空間70中自由地上下滑動一小段軸向距離，但利用合適的裝置(其中的某些裝置已在文中進行了討論)使重量組包完全不能在徑向上運動。
在一優(yōu)選實施方式中，重量組包56A、56B優(yōu)選地是在管殼54A、54B中進行對中。在一種可能的實施方式中，可利用定心環(huán)92完成重量組包的對中。優(yōu)選地是，定心環(huán)92被設(shè)計成能調(diào)節(jié)溫度和壓力的變化，使得重量組包56A、56B的直徑在井下環(huán)境中能得到補償。定心環(huán)92允許重量組包56A、56沿軸向運動。在另一實施方式中，可采用凸片、翼片、溝槽、管件等結(jié)構(gòu)。
不必一定要將定中元件設(shè)置在重量組包的外表面與外管的內(nèi)表面之間。例如，在圖4A所示的另一實施方式中，例如可在銷體34上用螺栓連接青銅凸片。青銅的熱膨脹率大于鋼鐵或鎢的熱膨脹率，因而，在加熱過程中，其將膨脹，從而將重量組包對中地保持在外管中，例如，具有一個基本上與溫度無關(guān)的固定的環(huán)形空間。
但是，如果需要的話，也可通過冷縮配合的方法來限制重量組包56A、56B，或者使其在銷體和箱體之間受到壓縮。在此情況下，鉆進組件的工作方式更像上文討論的鉆進組件14。
優(yōu)選地是，利用沖洗管例如沖洗管58(見圖3A)將重量組包56A、56B密封在管殼54A與54B之間，以防止重量組包與流體接觸，其中，與流體接觸的原因是循環(huán)流流經(jīng)貫穿鉆進組件50的孔洞75。沖洗管58的下端使用了密封件60，上端使用了密封件，以將重量組包密封起來。優(yōu)選地是，出于壓力平衡的目的，用一種不可壓縮的流體填充空間70以及包封著重量組包56A、56B的密封容積。
在一優(yōu)選實施方式中，上傳力管78和下部重量傳遞管80被分成兩個部分，且在連接部87處相互接合起來。還可采用其它的設(shè)計來連接重量傳遞元件或避免將重量傳遞元件連接起來的需要，但這需要操作人員在安裝過程中增加一些部件。因而，這種結(jié)構(gòu)允許工作人員基本上按照通常的方式將井底組件的各個部件相互連接起來，所述的通常方式即為將標(biāo)準(zhǔn)鋼制重質(zhì)井底組件連接起來的方式。
上部重量傳遞管78和下部重量傳遞管80還使用了密封件，以防止流體泄漏向重量組包56A、56B。使用密封件62是為了將上部重量傳遞管78的上端封閉，使用密封件76是為了封閉上部重量傳遞管78的下端，其中，此處的密封是相對于重量組包56A和56B而言的。出于同樣的目的，下部重量傳遞管80使用了密封件84、88。
上部重量傳遞管78和下部重量傳遞管80還能隨重量組包56A、56B在軸向上移動。因而，上部重量傳遞管78和下部重量傳遞管80能將上部重量組包56A的重量傳遞到下部重量組包56B上。上部重量傳遞管78包括上部平臺79，其接合著上部重量組包56A，并支撐著該重量組包的重量。施加到上部平臺79上的作用力被施加到下部平臺81上和重量組包56B的頂部上。從而，每個高密度部分的重量都向下傳遞，甚至可通過一鉆頭接頭直接施加到鉆頭的頂部上。利用可在軸向上相對運動的重量部分的重量，可將外管—例如外管54A、54B保持在拉伸狀態(tài)，由此提供剛性的井底組件，這將有效消除縱向彎曲。由此可實現(xiàn)更為準(zhǔn)確的鉆進，在許多情況下，準(zhǔn)確的鉆進能免于使用扶正器的需求，從而可避免由于使用扶正器而產(chǎn)生的成本、摩擦以及扭轉(zhuǎn)力。
盡管在該優(yōu)選實施方式中，用一個或多個重量傳遞管—例如上部傳遞管78和下部重量傳遞管80作為重量或作用力的傳遞元件，但也可采用其它的重量或作用力傳遞元件—例如棒體或類似裝置。此外，重量或作用力傳遞元件可延伸穿過除中心孔腔75之外的其它孔洞，以對增重部分進行連接。因而，本發(fā)明并不限于圖示的、采用分開的管狀作用力/重量傳遞元件的方案，盡管該方案在當(dāng)前是優(yōu)選的。作用力或重量傳遞管78、80實現(xiàn)了一種較為簡單的構(gòu)造，該構(gòu)造允許按照常規(guī)的方式、采用用于此目的的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備將多個重質(zhì)部分連接起來。
應(yīng)當(dāng)指出的是重量或作用力的傳遞是通過標(biāo)準(zhǔn)的帶螺紋銷-套連接件83完成的，而此類連接件在鉆桿柱中的應(yīng)用是常見的。根據(jù)本發(fā)明，重量或作用力可由任何所希望的鉆桿柱部件進行傳遞。例如，圖3F表示了重量組包56A的重量通過扶正器94進行傳遞的情形。如果希望的話，扶正器94可與外管制成一體或加工成一體，從而免于進行連接。對于需要分開式扶正器的現(xiàn)有重質(zhì)鉆鋌而言，這樣的構(gòu)造卻是困難或不實用的。由于本發(fā)明部件的結(jié)構(gòu)是這樣的，所以能將所需的結(jié)構(gòu)—例如扶正器94直接加工到外管上。但是，還可通過其它的裝置來安裝扶正器94，或?qū)⑵鋳A到外管上/或制成一個單獨的構(gòu)件。
在一優(yōu)選實施方式中，貫穿普通扶正器的一個擴大或鏜出的孔洞使得重量傳遞管能被插入到其中。銷-套連接件的彎曲強度比(BSR)約在2.5的范圍內(nèi)，該數(shù)值通常是理想值，其使得箱體元件與銷體產(chǎn)生相等的彎曲，從而任何一個元件都不會受到太大的彎曲應(yīng)力。可改變銷-套連接件的各個部分以獲得所需的BSR-例如通過接頭處鏜出通道。往往通過簡單地鏜出通道就改變許多標(biāo)準(zhǔn)的鉆桿柱部件，且這些部件仍然能很好地處于理想的BSR范圍內(nèi)，從而不需要使用專用的設(shè)備。因而，還可應(yīng)用重量傳遞管狀結(jié)構(gòu)來將重量或作用力經(jīng)過任何類型的鉆進元件—例如扶正器、鉆頭連接部分等進行傳遞。
貫穿管狀重量傳遞元件78和80的筆直且不受干擾的連續(xù)壁流通路徑形成了一條穿過井底組件的、更為連續(xù)的孔腔，從而可減小流體的湍流以及在銷-套連接件處發(fā)生的相關(guān)磨損，現(xiàn)有技術(shù)中的重質(zhì)鉆鋌部分則會發(fā)生上述的情況。按照標(biāo)準(zhǔn)的鉆進作業(yè)流程，由于鉆進流體要環(huán)流經(jīng)過鉆桿柱，所以流體的湍流和磨損會縮短現(xiàn)有技術(shù)中重質(zhì)鉆鋌部分的壽命。因而，傳力管狀元件78、80還具有這樣的優(yōu)點與現(xiàn)有的銷-套型井底組件連接件相比，其實際上能提高銷-套連接件的可靠性。
采用多個重量傳遞組包，能在非常接近實際鉆頭或作業(yè)區(qū)的短距離范圍內(nèi)施加非常大的重量。圖3C-圖3E表示了采用鉆進組件50將重量組包的重量施加在一些距離處的實例，例如在圖3C中，施力點102是在鉆頭上方的兩英尺處，在圖3D中為鉆頭上方14英尺處的點104，在圖3E中為鉆頭上方45英尺處的點106。圖7A-7C中的圖線表示了這些數(shù)值與現(xiàn)有重質(zhì)增重部分的對比。因而，位于這些位置點上方的外管處于拉伸狀態(tài)，由此獲得了剛性的、同心平衡的井底組件。鉆進組件(例如鉆進組件14、50)中各個部件可采用許多種不同組合形式，以在所需的位置處盡可能增加井底組件的重量，進而實現(xiàn)有效地鉆進。所作的一切都是為了增大鉆頭上的重量，并使重量遠(yuǎn)低于普通井下鉆具的縱向彎曲點。
采用本發(fā)明能消除或顯著減少目前與增重鉆進需求有關(guān)的大部分問題例如井底組件的彎曲、井底組件的縱向彎曲、壓差卡鉆、螺紋連接件斷裂或損壞、井孔或鉆進彎曲、井孔沖蝕、鉆管彎曲、井下振動、鉆頭渦動、鉆桿柱突然移動、鉆桿柱纏繞(卷繞)、鉆頭拍擊-卡住、鉆頭磨損、鉆頭彈起以及其它的問題。由于消除或減少了這些問題，可以預(yù)計能增大鉆進速度，并能顯著降低總成本。
圖5A-5C表示了本發(fā)明的一種實施方式，從這些附圖可看出，井底組件的壓縮長度是可調(diào)節(jié)的，且與現(xiàn)有鉆進組件相比極大地縮短。例如，在圖5A中，在12lb/gal的泥漿中，壓縮長度112在鉆頭上提供約15.8千磅的重量。從圖中可容易地看出，與圖5C所示的、采用標(biāo)準(zhǔn)鋼制鉆鋌的井底組件120很長的壓縮長度116相比，根據(jù)本發(fā)明的井底組件110的壓縮長度112很短。標(biāo)準(zhǔn)的井底組件120只提供了10.0千磅的重量，但其壓縮長度卻長得多。如上文討論的那樣，井底組件120更易于出現(xiàn)彎曲/縱向彎曲和許多其它的問題。如圖5B所示，遠(yuǎn)小于壓縮長度116的壓縮長度111能產(chǎn)生32.3千磅的鉆頭上重量(WOB)或三倍于圖5C所示現(xiàn)有技術(shù)中普通構(gòu)造的鉆頭上的重量(WOB)。因而，可以預(yù)計圖5B中的結(jié)構(gòu)能比圖5C所示現(xiàn)有技術(shù)中的構(gòu)造更快、更準(zhǔn)確地執(zhí)行鉆進。
如上文討論的那樣，底部鉆井組件的壓縮長度縮短具有很多優(yōu)點例如能減少縱向彎曲，實現(xiàn)更準(zhǔn)確的鉆進。應(yīng)當(dāng)指出的是上述的各個壓縮長度是各個中性區(qū)122、124、126。在各個中性區(qū)122、124、126的上方，鉆桿柱處于拉伸狀態(tài)，因而不會發(fā)生縱向彎曲。通過采用本發(fā)明的鉆進組件，可以使很大比例的井底組件處于拉伸狀態(tài)，由此能使井底組件具有更大的剛性，如上文解釋的那樣，剛性更大的井底組件能以更高的ROP鉆出更準(zhǔn)確的定位孔。
圖6表示了一種優(yōu)選的實施方式，在該實施方式中，本發(fā)明高密度組件的直徑最好是比標(biāo)準(zhǔn)直徑的鉆鋌略微加大。即使直徑大于標(biāo)準(zhǔn)鉆鋌的直徑，本發(fā)明所造成的沖蝕也能減小，該沖蝕是由流經(jīng)較小環(huán)形空間的流體流速造成的，按照文中所列公式的數(shù)學(xué)計算證明了這一點。這是因為可減小重質(zhì)鉆鋌的長度、同時還能產(chǎn)生相同的重量。該分析忽略了較快的ROP對減小沖蝕作用的顯著效果。另外，該分析還忽略了更準(zhǔn)確、更直的井孔對沖蝕作用的明顯效果，而此效果是非常重要的。因而，對于相同重量的井底組件，長度可縮短很多—縮短約一半。由于長度縮短，所發(fā)生的沖蝕現(xiàn)象要比普通鋼制井底組件少。在背景技術(shù)部分中討論的現(xiàn)有較大直徑井底組件在沖蝕方面存在重要的問題—盡管采用大直徑的井底組件具有使至少部分重量靠近鉆頭放置的有利作用。另外，由于通過采用本發(fā)明，能使鉆頭上的實際重量約為幾倍或更多，所以能獲得更快的鉆進速度，從而能進一步減輕對井孔的沖蝕。由于井底組件較短，所以還能降低環(huán)流系統(tǒng)總的壓力降。井底組件較短的長度還會降低在井孔中卡鉆(例如壓差卡鉆或其它類型的卡鉆)的可能性，使得鉆進作業(yè)不受劇烈事件的干擾，而這樣的突發(fā)事件可能會造成井孔的廢棄。
圖7A中的對比圖表示了本發(fā)明一實施方式的兩英尺壓縮長度的井底組件與壓縮長度為89英尺的普通鉆鋌在鉆頭上施加相同重量(WOB)時的對比。圖7B中的對比圖表示了井底組件壓縮長度及與第一階縱向彎曲的關(guān)系，其中，該對比是在根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式與向鉆頭施加了相同重量的普通鉆鋌之間進行的。對于處于12lb.泥漿中的普通9.5英寸鋼鉆鋌，第一階縱向彎曲約為150英尺。第二階縱向彎曲為290英尺。與此對比的是，本發(fā)明10英寸組件在12lb.泥漿中的第一階縱向彎曲為140英尺，第二階縱向彎曲為275英尺。在本發(fā)明中，在第一、第二階縱向彎曲處，鉆桿柱處于拉伸狀態(tài)，因此可消除或減小縱向彎曲。下面列出了這些計算公式 其中E＝彈性力矩；I＝慣性矩；以及P＝Lbs-ft浮重在圖7A所示的情形中，對于在12.0lb.泥漿中15750lbs.的鉆頭上重量(WOB)，根據(jù)本發(fā)明的井底組件的壓縮長度對于所有實踐目的都不會受縱向彎曲的影響。
在圖7B所示的情形中，對于在12.0lb.泥漿中32390lbs.的鉆頭上重量(WOB)，根據(jù)本發(fā)明的井底組件的壓縮長度只是第一階縱向彎曲的1/10，因而幾乎不受影響。但對于普通的鉆進組件，壓縮長度大于第一階縱向彎曲，因而，井底組件易于在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生明顯的搖擺或不平衡的飛輪效應(yīng)。
在圖7C所示的情形中，對于在12.0lb.泥漿中51500lbs.的鉆頭上重量(WOB)，根據(jù)本發(fā)明的井底組件的壓縮長度只是第一階縱向彎曲的1/4。而普通鉆進組件為了獲得相同的WOB則需要具有290英尺的壓縮長度，在此情況下，井底組件既存在第一階縱向彎曲、也存在第二階縱向彎曲，易于在鉆進過程中產(chǎn)生顯著的搖擺。
總結(jié)上文的描述可看出根據(jù)所需的作用，利用本發(fā)明能極大地增加井底組件的剛度，或能極大地增大其柔性。
圖8表示了本發(fā)明的另一種應(yīng)用，其被作為過渡元件142，用于將井底組件140與鉆桿柱144相互連接起來。由于鎢具有很高的防振效果，所以井底組件在鉆進過程中產(chǎn)生的振動能被顯著地衰減掉。這就保護了管的連接件，并能使MWD、LWD設(shè)備對于經(jīng)鉆桿柱或泥漿傳輸?shù)穆曇粜盘柧哂懈玫男旁氡?。如上文討論的那樣，重量組包還可被用來增加重量和/或縮短井底組件140的長度。如果需要的話，該過渡元件可被應(yīng)用在鉆桿柱的其它位置或多個位置處。
圖9放大地表示了根據(jù)當(dāng)前優(yōu)選的實施方式的力傳遞部分200，其用于傳遞作用力，例如將重量通過帶螺紋的銷式連接件202和帶螺紋的箱式連接件204傳遞。公知的是可使用鉆機來形成和斷開諸如202和204等的連接件，以便于將連接件用在鉆桿柱中。力傳遞部分202包括可在軸向上運動的上傳力管206和下傳力管208，上傳力管和下傳力管可被用來通過螺紋連接來傳力，其中的作用力如上文詳細(xì)描述的那樣例如是施加到鉆頭上的重量。還可使用泥漿密封件210、212在上、下傳力管的周圍密封。如果需要的話，可設(shè)置任何合適的防轉(zhuǎn)動連接件—例如圖示的防轉(zhuǎn)動連接件214，從而使上傳力管206和下傳力管208無法相對轉(zhuǎn)動。應(yīng)當(dāng)指出的是上傳力管206在軸向上在銷式連接件202中延伸，下傳力管208在軸向上在箱式連接件204中延伸，以便于通過該連接關(guān)系來傳遞作用力。還能明顯地認(rèn)識到可使用標(biāo)準(zhǔn)的鉆機設(shè)備(無需改造)，將銷式連接件202和箱式連接件204連接上或分離開。在此處的語境中，所述鉆機可包括鉆塔和用于連接/分開管件的其它裝置—例如修井設(shè)備、全套機組、海底介入設(shè)備、和/或用于在井中形成長管的盤管單元和/或其它設(shè)備。
如上文討論的那樣，本發(fā)明的另一方面在于獲得了靜/動平衡的鉆進組件。相對較小部件的公差非常嚴(yán)格，優(yōu)選地是，要求諸如重量組包和其它管狀構(gòu)件的部件的機加工圓度在0.005英寸內(nèi)，且可小于0.003英寸。這樣，該旋轉(zhuǎn)軸與該物體的慣性主軸一致。轉(zhuǎn)動體的不平衡狀況可被劃分為靜不平衡和動不平衡。例如，可對組件進行測試以驗證其在自由轉(zhuǎn)動時不會轉(zhuǎn)向“重側(cè)”。因而，重心應(yīng)當(dāng)位于轉(zhuǎn)動軸線上。一個空轉(zhuǎn)輪可處于精確的靜平衡，但在其高速轉(zhuǎn)動時則無法處于平衡狀態(tài)。靜平衡的物體實質(zhì)上在兩分開平面內(nèi)受到扭轉(zhuǎn)力時就可能出現(xiàn)動不平衡，其中的兩個平面相對成180度。由于這些作用力處于分開的平面內(nèi)，所以造成一個從一端向另一端的搖擺運動。在現(xiàn)有技術(shù)中，由于井底組件的縱向彎曲和彎曲，使井底組件達(dá)到平衡的努力很小，原因在于不論如何縱向彎曲和彎曲都會造成極大的不平衡。為達(dá)到動平衡，鉆進組件首先要實現(xiàn)靜平衡。如果必要的話，在轉(zhuǎn)到工作轉(zhuǎn)速之后，可通過按照平衡機的指示增加或減小重量來消除超出容差的動不平衡。確定不平衡幅度和轉(zhuǎn)角位置是平衡機和其操作者的任務(wù)。如上文討論的那樣，由于重量組包是分段設(shè)置的，且任何一個重量組包都能根據(jù)需要被可轉(zhuǎn)動地調(diào)節(jié)和軸向定位，所以能修正超出容差的任何不平衡。如果需要的話，可在重量元件32的銷體34和箱體36上設(shè)置溝槽、銷等結(jié)構(gòu)，以使得各個重量元件能被固定在特定的轉(zhuǎn)角位置上。基于井底組件的質(zhì)量和預(yù)期的轉(zhuǎn)速確定出可允許的不平衡容差。
總而言之，本發(fā)明使井底組件的單位立方英寸的平均重量更高。例如，普通鋼制重鉆鋌的單位體積重量或平均密度約為0.283磅/立方英尺，而根據(jù)本發(fā)明的鉆進組件的單位體積平均重量則顯著加大，約為0.461磅/立方英尺。鎢的防振特性可降低鉆頭的振動，以實現(xiàn)更為平穩(wěn)的鉆進。更大的單位體積平均重量允許井底組件采用較短的壓縮長度。重量集中在更靠近鉆頭的位置可減小鉆頭的渦動、鉆頭振動以及鉆頭跳動。在一優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明的鉆進組件比現(xiàn)有井底組件具有更好的平衡性能，這是因為對整個鉆具的同心度和直線度實施了更為嚴(yán)格的控制。由于鉆頭的磨損減小、振動減弱、鉆頭的渦動變小、且跳動減弱，所以可提高鉆進速度。由于減小了振動，所需的拆裝鉆頭次數(shù)得以減小，其中的原因在于鉆頭的壽命得到了延長，且鉆具接頭受到的振動應(yīng)力也變小。在鉆桿柱上作用了較低的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，原因在于井底組件由于表面積減小且轉(zhuǎn)動更為同心而使壁面的接觸減小。根據(jù)本發(fā)明的井底組件的壓縮長度與第一或第二階管體縱向彎曲(參見計算附表)相比有很大的減小，所以，根據(jù)本發(fā)明的井底組件更加平直。還應(yīng)當(dāng)指出的是采用增重組件諸如鉆井組件10、12、14、30、或50或它們的改型的具有更高的平衡性和減振性的井底組件更快地轉(zhuǎn)動，且減輕了振動和諧振，由此可提高鉆進速度。
重量轉(zhuǎn)移組件的作用在于將幾個鉆鋌的內(nèi)部重量經(jīng)鉆具接頭從上鉆鋌傳遞到下鉆鋌或鉆桿柱的最下位置點處，同時還將整個BHA(井底組件)保持在拉伸狀態(tài)。在鉆桿柱上不存在任何彎曲或縱向彎曲力矩，且所有的重量都被直接施加到鉆頭上。鉆鋌的長度可與標(biāo)準(zhǔn)鉆鋌的長度相同，且在進行組合和拆分方面也沒有區(qū)別。鉆頭附近的組件可具有鎢基質(zhì)的重量，而鉆頭上方的組件則是鎢/鉛重量。鎢基質(zhì)可降低振動、跳動、以及顫動，并能在鉆頭上方的緊湊區(qū)域內(nèi)提供更大的功率。通過將鉆進所需的重量傳遞到非?？拷@頭的位置，中性點也能被降低到這一點。另外，將重量直接施加到鉆頭上方能增大恢復(fù)力(將鐘擺從其垂直位置移動所需的力)，并能增大使物體追蹤真正同心轉(zhuǎn)動軸線的向心力。將重量布置在鉆頭附近能增大鉆頭的慣性或?qū)Φ貙拥臎_擊，并能將鉆頭更穩(wěn)定地靠著地層而保持，對于某些類型的鉆頭，尤其希望能有這樣的效果。由于慣性增大，對拖動作用的阻力也增大，使得鉆頭具有更穩(wěn)定的鉆進速度。
因而，上文對本發(fā)明的描述和公開只是示例性，只是為了解釋本發(fā)明當(dāng)前的優(yōu)選實施方式及其改型，本領(lǐng)域技術(shù)人員能領(lǐng)會到在不偏離本發(fā)明設(shè)計思想的前提下，可對設(shè)計、制造、布局、組織、工作次序、操作手段、設(shè)備結(jié)構(gòu)和位置、方法、等效機械的使用、以及各元件圖示構(gòu)造和特征組合的詳細(xì)情況作出改動。例如，本發(fā)明還可有效地應(yīng)用在巖心取樣和標(biāo)準(zhǔn)的鉆進作業(yè)中。另外，本發(fā)明的構(gòu)造可被應(yīng)用在其它鉆具中，及應(yīng)用于沖擊式鉆進等其它用途中。例如，對于沖擊式鉆進，本發(fā)明能向鉆桿柱的底部施加更大的重量，而不會損壞鉆桿柱。
一般來講，可以理解文中諸如“上”、“下”、“垂直”等方位詞可參照附圖和/或地面，裝置并非在任何時候都被布置在這樣的位置上，具體取決于操作、運輸、安裝等作業(yè)的改變。另外，附圖被用來描述本發(fā)明的概念，從而，本文對本發(fā)明當(dāng)前優(yōu)選實施方式的描述只是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是明白的，并不準(zhǔn)備達(dá)到完成生產(chǎn)圖紙或?qū)崿F(xiàn)最終產(chǎn)品的水平，附圖根據(jù)需要而包括一些簡化的概念性視圖，以便于快速而容易地理解或解釋本發(fā)明。因而，各種可被應(yīng)用的改型和替換形式應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的設(shè)計思想中。由于在所教導(dǎo)的概念范圍內(nèi)存在很多改變的和不同的實施方式，且由于可在實施例中按照法規(guī)的說明性要求作出多種改動，所以可以理解文中的詳細(xì)描述應(yīng)當(dāng)被看作是對本發(fā)明當(dāng)前優(yōu)選實施方式的解釋，而不具有限定的意義。
權(quán)利要求
1.一種用于鉆進地層的、位于鉆桿柱上的鉆進組件，所述鉆進組件可用來在鉆進作業(yè)過程中，向鉆頭施加一個基本上連續(xù)的作用力，因而使所述鉆頭與所述地層保持接觸，利用一鉆機將所述鉆進組件用螺紋進行連接，所述鉆進組件包括一第一外管狀構(gòu)件；一第一帶螺紋的連接器，其相對于所述第一外管狀構(gòu)件是固定的；一第一帶螺紋的連接器傳力構(gòu)件，其被安裝在第一帶螺紋的連接器中作軸向運動，所述第一帶螺紋連接器傳力構(gòu)件可用于經(jīng)所述第一帶螺紋連接器傳遞所述基本連續(xù)作用力的至少一部分；一第二外管狀構(gòu)件；一第二帶螺紋的連接器，其相對于所述第二外管狀構(gòu)件是固定的；以及一第二帶螺紋的連接器傳力構(gòu)件，其被安裝在所述第二帶螺紋的連接器中作軸向運動，利用所述鉆機將所述第一帶螺紋的連接器與所述第二帶螺紋的連接器旋接到一起，且在利用所述鉆機將所述第一帶螺紋連接器與所述第二帶螺紋連接器連接到一起之后，所述第二傳力構(gòu)件與所述第一傳力構(gòu)件在機械上相互連接起來，以便于接納所述基本連續(xù)作用力的所述至少一部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆進組件，其特征在于在所述鉆進作業(yè)過程中，當(dāng)所述基本連續(xù)的作用力被施加到所述鉆頭上時，所述第一外管狀構(gòu)件處于拉伸狀態(tài)，而非壓縮狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆進組件，其還包括一第一傳力構(gòu)件，其沿軸向安裝在所述第一外管狀構(gòu)件中，并可相對于所述第一外管狀構(gòu)件在軸向上移動；以及一第二傳力構(gòu)件，其沿軸向安裝在所述第二外管狀構(gòu)件中，并可相對于所述第一外管狀構(gòu)件在軸向上移動；在所述第一帶螺紋連接器和所述第二帶螺紋連接器被旋接起來之后，所述第一傳力構(gòu)件、所述第一帶螺紋連接器傳力構(gòu)件、所述第二帶螺紋連接器傳力構(gòu)件、以及所述第二傳力構(gòu)件相互連接起來，以傳遞所述基本連續(xù)作用力的所述至少一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鉆進組件，其特征在于所述第一傳力構(gòu)件包括一環(huán)形的增重部分，其比重大于10.0，所述環(huán)形增重部分產(chǎn)生了所述作用力的至少一部分，通過所述第一帶螺紋連接器傳力構(gòu)件，所述作用力的至少一部分經(jīng)所述帶螺紋連接器進行傳遞。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆進組件，其還包括一第一傳力組件，其沿軸向安裝在所述第一外管狀構(gòu)件中，并可相對于所述第一外管狀構(gòu)件在軸向上移動，所述第一傳力組件的至少一部分對溫度是敏感的，以便于控制所述第一傳力組件在所述第一外管狀構(gòu)件中的運動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆進組件，其還包括一第一傳力構(gòu)件，其沿軸向安裝在所述第一外管狀構(gòu)件中，并可相對于所述第一外管狀構(gòu)件在軸向上移動，該構(gòu)件的至少一部分對溫度是敏感的；并包括一溫度補償定中器，其用于使所述第一傳力構(gòu)件在所述第一外管狀構(gòu)件內(nèi)對中。
7.一種利用一鉆桿柱在地層中鉆出井孔的方法，所述鉆桿柱包括一鉆進組件和一鉆頭，所述方法包括步驟利用一鉆機將多個帶螺紋的連接件連接到一起，以形成所述鉆進組件，其中的多個帶螺紋的連接件與多個管狀構(gòu)件相關(guān)；在所述多個管狀構(gòu)件的一個或多個構(gòu)件中設(shè)置相應(yīng)的可滑動的傳力部分；在所述井孔鉆進的過程中，通過所述的多個帶螺紋連接件，將一個作用力經(jīng)各個相應(yīng)的傳力部分傳向所述鉆頭，以將所述作用力施加到所述鉆頭上；以及在所述井孔的鉆井過程中，使所述多個管狀構(gòu)件中的一個或多個管狀構(gòu)件與所述鉆桿柱保持在拉伸狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其包括設(shè)置以下步驟所述各個可滑動傳力部分比重大于10.0的高密度材料，施加到所述鉆頭上的所述作用力包括所述各個可滑動傳力部分的累積重量。
9.一種用在底部鉆井組件中的鉆進組件，其用于利用一鉆頭穿過地層鉆出井孔，所述鉆進組件被固定到一鉆桿柱上，所述鉆進組件可用于向所述鉆頭施加鉆進重量，所述鉆進組件包括一第一外管狀構(gòu)件；一第一頂部接頭，其相對于所述第一管狀構(gòu)件固定；一第一底部接頭，其相對于所述第一外管狀構(gòu)件固定；以及一第一高密度增重部分，其被安裝在所述第一外管狀構(gòu)件中，用于向所述鉆頭提供所述鉆進重量的至少一部分，所述第一高密度增重部分包括比重大于10.0的材料，且所述第一高密度增重部分相對于所述第一外管狀構(gòu)件可滑動地安裝著，以允許所述第一高密度增重部分可相對于所述第一外管狀構(gòu)件、所述第一頂部接頭、以及所述第一底部接頭軸向運動。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鉆進組件，其特征在于所述第一高密度增重部分包括一種不含鈷的鎢化合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鉆進組件，其特征在于所述第一高密度增重部分被安裝在靠近所述第一外管狀構(gòu)件處，從而在二者之間形成一個環(huán)形空間。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的鉆進組件，其還包括一定中器，其被布置在所述環(huán)形空間內(nèi)，以防止所述第一高密度增重部分在徑向上移動。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鉆進組件，其還包括一第二外管狀構(gòu)件，所述第二外管狀構(gòu)件可相對于所述第一底部接頭固定；一包括比重大于10.0的材料的第二高密度增重部分，所述第二高密度增重部分被可滑動地安裝，以允許相對于所述第二外管狀構(gòu)件軸向移動；以及一重量傳遞元件，其延伸穿過所述第一底部接頭，且可相對于所述第一底部接頭滑動從而進行軸向移動，安裝所述重量傳遞元件用于支撐所述第一高密度增重部分的一第一重量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的鉆進組件，其特征在于所述重量傳遞元件被安裝成將所述第一高密度增重部分的所述第一重量施加給所述第二高密度增重部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鉆進組件，其特征在于所述鉆進組件是靜平衡的。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的鉆進組件，其還包括多個重量元件，其中，各個重量元件被安裝在可選擇的轉(zhuǎn)動位置上。
17.一種用于穿過地層鉆出井孔的鉆進組件，所述鉆進組件包括一鉆頭，所述鉆進組件被固定到一鉆桿柱上，所述鉆進組件可用于向所述鉆頭施加鉆進重量，所述鉆進組件包括一第一外管狀構(gòu)件，所述第一外管狀構(gòu)件具有一第一外管壁厚；一第一頂部接頭，其相對于所述第一外管狀構(gòu)件固定；一第一底部接頭，其相對于所述第一外管狀構(gòu)件固定；以及第一多個環(huán)形的高密度增重部分，它們被安裝在所述第一外管狀構(gòu)件中，用于提供所述鉆進重量的至少一部分，所述多個環(huán)形增重部分被相互疊置起來，以形成一增重部分管壁厚，其比所述外管壁厚至少大25％，所述第一多個環(huán)形高密度增重部分中每一增重部分的比重都大于10.0。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的鉆進組件，其特征在于所述增重部分管壁厚比所述外壁厚至少大50％。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的鉆進組件，其特征在于所述第一多個環(huán)形高密度增重部分中每一增重部分都包括一種不含鈷的鎢化合物。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的鉆進組件，其還包括一定中器，其被布置在所述第一多個環(huán)形高密度增重部分與所述第一外管狀構(gòu)件之間，以防止所述第一多個環(huán)形高密度增重部分相對于所述第一外管狀構(gòu)件在徑向上運動。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的鉆進組件，其還包括一第一內(nèi)管狀構(gòu)件，其限定了一條貫穿其中的流體通路。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的鉆進組件，其還包括一密封件，其用于在所述第一內(nèi)管狀構(gòu)件與所述第一多個環(huán)形高密度增重部分之間實現(xiàn)流體嚴(yán)密密封。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的鉆進組件，其特征在于所述第一環(huán)形高密度增重部分被可滑動地安裝，以允許所述第一高密度增重部分相對于所述第一外管狀構(gòu)件作軸向運動。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的鉆進組件，其還包括一第二外管狀構(gòu)件，所述第二外管狀構(gòu)件可相對于所述第一底部接頭固定；第二多個環(huán)形的高密度增重部分，它們可滑動地安裝在所述第二外管狀構(gòu)件中，以允許相對于所述第二外管狀構(gòu)件作軸向運動；以及一重量傳遞元件，其延伸穿過所述第一底部接頭，且可相對于所述第一底部接頭滑動而實現(xiàn)軸向移動，安裝所述重量傳遞元件是為了將所述第一多個環(huán)形高密度增重部分的重量傳遞給所述第二多個環(huán)形高密度增重部分。
25.一種用于鉆出井孔的鉆進組件，所述鉆進組件包括一外管狀構(gòu)件；一上部接頭；一下部接頭；一種鎢合金高密度部分，其被安裝在所述外管狀構(gòu)件、所述上部接頭、以及所述下部接頭中，所述鎢合金中不含鈷。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的鉆進組件，其特征在于所述鎢合金中的鎢含量大于90％。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的鉆進組件，其特征在于所述鎢合金還包括鎳、鐵、以及鉬。
28.一種定向底部鉆井組件，其用于穿過地層鉆出一井孔部分，所述井孔部分具有變化的定向角度，所述定向底部鉆井組件包括一鉆頭；一泥漿馬達(dá)，其用于轉(zhuǎn)動所述鉆頭；一彎曲接頭，其相對于所述泥漿馬達(dá)固定；一柔性的增重部分，其用于向所述鉆頭施加一個重量，所述柔性增重部分包括一外管狀構(gòu)件；一內(nèi)管狀構(gòu)件，所述外管狀構(gòu)件和內(nèi)管狀構(gòu)件之間形成了一個隔間，所述外管狀構(gòu)件和所述內(nèi)管狀構(gòu)件是可彎曲的，以符合可變的定向角；以及一可彎曲的鎢增重部分，其位于所述內(nèi)、外管狀構(gòu)件中，用于向所述鉆頭施加所述重量的基本部分。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的定向底部鉆井組件，其特征在于所述可彎曲鎢增重部分還包括一種粉末或鎢糊狀物。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的定向底部鉆井組件，其特征在于所述內(nèi)管狀構(gòu)件和所述外管狀構(gòu)件是由非磁性材料制成的。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的定向底部鉆井組件，其特征在于所述可彎曲鎢增重部分基本上是非磁性的或完全非磁性的。
32.一種用于制造鉆進組件的方法，該鉆進組件用于在地層中鉆出井孔，所述鉆進組件包括至少一個管狀構(gòu)件和至少一個鎢增重部分，所述方法包括步驟提供所述的至少一個管狀構(gòu)件和所述至少一個鎢增重部分，管狀構(gòu)件和鎢增重部分帶有相應(yīng)的環(huán)形接合表面；對所述相應(yīng)的環(huán)形接合表面的尺寸進行設(shè)計，以使得它們的尺寸在所述至少一個鎢增重部分與所述至少一個管狀構(gòu)件的溫度大致相同時剛好阻止所述至少一個管狀構(gòu)件與所述至少一個鎢增重部分相互連接；在所述至少一個管狀構(gòu)件與所述至少一個鎢重量之間提供一溫度差，該溫度差大于幾百華氏度，由此使所述尺寸允許所述至少一個管狀構(gòu)件與所述至少一個鎢增重部分相互連接起來；在存在所述溫度差的情況下，將所述至少一個管狀構(gòu)件與所述至少一個鎢增重部分相互連接起來；以及使所述至少一個管狀構(gòu)件與所述至少一個鎢增重部分大致達(dá)到相同的溫度，由此使所述至少一個管狀構(gòu)件與所述至少一鎢增重部分相互固定。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于所述互相連接的步驟還包括將所述至少一個鎢增重部分插入到所述至少一個管狀構(gòu)件中的操作。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于所述互相連接的步驟還包括將所述至少一個管狀構(gòu)件插入到一個貫穿所述至少一個鎢增重部分的孔腔中的操作。
35.一種用于穿過地層鉆出井孔的鉆進組件，所述鉆進組件包括一外管狀構(gòu)件，所述外管狀構(gòu)件具有一外管狀圓筒壁；一扶正器部分，其與所述外管狀構(gòu)件制成一體，且相對于所述外管狀圓筒壁在徑向上向外延伸；一頂部接頭，其相對于所述外管狀構(gòu)件固定；一底部接頭，其相對于所述外管狀構(gòu)件固定；以及一環(huán)形高密度增重部分，其被安裝在所述外管狀構(gòu)件中，所述環(huán)形高密度增重部分中包含比重大于10.0的材料。
36.一種用于穿過地層鉆出井孔的鉆進組件，一鉆頭相對于所述鉆進組件固定，所述鉆進組件相對于一鉆桿柱固定，所述鉆進組件用于向所述鉆頭施加鉆進重量，所述鉆進組件包括一第一組件，其包括一第一外管狀構(gòu)件；一第一頂部接頭，其相對于所述外管狀構(gòu)件固定；一第一底部接頭，其相對于所述外管狀構(gòu)件固定；一第一環(huán)形高密度增重部分，其可滑動地安裝在所述第一外管狀構(gòu)件中，所述第一環(huán)形高密度增重部分包括比重大于10.0的材料；一第二組件，其包括一第二外管狀構(gòu)件；一第二項部接頭，其相對于所述第二外管狀構(gòu)件固定；一第二底部接頭，其相對于所述第二外管狀構(gòu)件固定；以及一第二環(huán)形高密度增重部分，其可滑動地安裝在所述第二外管狀構(gòu)件中，所述第二環(huán)形高密度增重部分包括比重大于10.0的材料；以及一帶螺紋的連接件，其位于所述第一組件與所述第二組件之間。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的鉆進組件，其還包括一重量傳遞組件，其可滑動地安裝在所述帶螺紋連接件中，用于將所述第一環(huán)形高密度增重部分的重量施加到所述第二環(huán)形高密度增重部分上。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的鉆進組件，其特征在于所述重量傳遞組件包括一個或多個管狀構(gòu)件。
39.一種鉆進組件，其用于與一鉆頭在一個穿過地層的井孔中進行連接，所述鉆進組件包括一鉆桿柱；一底部鉆井組件，其包括多個增重部分，這些增重部分被固定到一鉆頭上，其中，所述多個增重部分用于在鉆進過程中向所述鉆頭提供重量；以及一過渡元件，其位于所述鉆桿柱與所述底部鉆井組件之間，所述過渡元件包括一外管狀構(gòu)件；一內(nèi)管狀構(gòu)件；以及一環(huán)形高密度增重部分，其包括被相對于所述外管狀構(gòu)件固定的鎢，由此可吸收在所述井底組件中產(chǎn)生的振動。
40.一種用于鉆進地層的、位于鉆桿柱上的鉆進組件，所述鉆進組件用于在鉆進作業(yè)過程中，向鉆頭施加一個基本上連續(xù)的作用力，因而使所述鉆頭與地層保持接觸，所述鉆進組件包括一第一外管狀構(gòu)件；一第一傳力構(gòu)件，其沿軸向安裝在所述第一外管狀構(gòu)件中，并可相對于所述第一外管狀構(gòu)件在軸向上移動；一第一帶螺紋的連接器，其相對于所述第一外管狀構(gòu)件固定；一第一帶螺紋連接器傳力構(gòu)件，其被安裝成在第一帶螺紋連接器中軸向運動，并延伸穿過所述第一帶螺紋連接器，所述第一帶螺紋連接器傳力構(gòu)件與所述第一傳力構(gòu)件實現(xiàn)機械連接，用于將作用力經(jīng)過所述第一帶螺紋連接器傳遞，以施加到所述鉆頭上，使得所述作用力包括作用在所述鉆頭上的所述基本連續(xù)作用力的至少一部分。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的鉆進組件，其特征在于所述第一傳力構(gòu)件包括一比重大于10.0的環(huán)形增重部分，所述環(huán)形增重部分產(chǎn)生了所述作用力的至少一部分，所述作用力的至少一部分由所述第一帶螺紋連接器傳力構(gòu)件經(jīng)過所述帶螺紋連接器傳遞。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的鉆進組件，其還包括一第二外管狀構(gòu)件，其相對于所述第一帶螺紋連接器固定，以便于在所述鉆進組件內(nèi)更靠近所述鉆頭定位；以及一第二傳力構(gòu)件，其沿軸向安裝在所述第二外管狀構(gòu)件中，并可相對于所述第二外管狀構(gòu)件在軸向上移動，所述第二傳力構(gòu)件與所述第一傳力構(gòu)件和所述第一帶螺紋連接器傳力構(gòu)件機械連接，以接收所述作用力。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的鉆進組件，其還包括一第二帶螺紋連接器，其相對于所述第二外管狀構(gòu)件固定；以及一第二帶螺紋連接器傳力構(gòu)件，其被安裝在所述第二帶螺紋連接器中以進行軸向運動，并延伸穿過所述第二帶螺紋連接器，所述第二帶螺紋連接器傳力構(gòu)件與所述第二傳力構(gòu)件機械連接，用于將所述作用力經(jīng)過所述第二帶螺紋連接器傳遞。
44.根據(jù)權(quán)利要求40所述的鉆進組件，其特征在于所述第一外管狀構(gòu)件可與所述鉆桿柱連接起來，從而處于懸掛拉伸狀態(tài)，同時，使所述傳力構(gòu)件的所述作用力向下朝向所述鉆頭。
45.根據(jù)權(quán)利要求40所述的鉆進組件，其特征在于所述第一傳力構(gòu)件包括一管狀結(jié)構(gòu)，且還包括一溫度補償定中器，用于使所述第一傳力構(gòu)件在所述第一外管狀構(gòu)件內(nèi)對中。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鉆進組件和方法，本發(fā)明尤其適用于穿過地層鉆出井孔的底部鉆井組件。在一實施方式中，鉆進組件優(yōu)選地是用一種鎢合金制成的，該合金具有足夠的塑性，從而能耐受底部鉆井組件中產(chǎn)生彎曲、扭曲、以及壓縮應(yīng)力。鎢合金制成的增重部分可在軸向上相對于外管狀構(gòu)件移動，且當(dāng)增重部分被安裝到底部鉆井組件中時，能產(chǎn)生作用使外管狀構(gòu)件處于拉伸狀態(tài)，從而提供了更剛性的底部鉆井組件。
文檔編號E21B17/00GK1759228SQ200480006755
公開日2006年4月12日 申請日期2004年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月27日
發(fā)明者B·L·泰勒, R·A·尼科爾斯, L·G·帕爾默, M·格雷戈里 申請人:斯特拉塔洛克技術(shù)產(chǎn)品有限責(zé)任公司