井下工具

本发明涉及一种井下工具用于向形成于某一地层中的一井筒内延伸 的一细长体提供一推力。该细长体可是，如一种用于钻孔的钻井组件。

如果钻井组件包括一直径相对较小的管，该管在地面上卷成，并在 钻进中下到井筒内，这种管也被称为挠性油管，那么这种小直径的管可 以传递的压力是很有限的，因为可能会出现螺旋皱褶及随后发生钻柱锁 止。

再有，如果井筒包括一段水平部分，在地面上施加于钻柱的压力载 荷将主要导致钻柱在此水平部分侧向挤压井壁。因此，如不采取一些措 施解决这些问题，用挠性油管钻孔时最大可用钻压是很有限，这难以令 人接受，而且只能钻出很短一截水平钻孔部分。

国际专利申请WO 93/24728公开了一种井下工具用于向形成于某一 地层中的一井筒内延伸的一细长体提供一推力，该工具包括至少一个装 有很多滚轮的可转动体，各滚轮能以一选定的滚轮与井壁间的接触压力 向井壁展开，滚轮向井壁展开过程中被定位以使其沿井壁上的一条螺旋 路径滚动，该工具还包括一个用于转动各可转动体的马达。

公知滚轮向井壁展开且马达又转动可转动体时，由于滚轮走的是螺 旋路径，因此该装置有一种使细长体沿钻孔向前运动的趋势。由于这种 向前运动的趋势使该装置向细长体施加一推力，该推力与细长体遇到的 阻力相对应。当该推力由于细长体遇到的阻力较高而相对比较大时，滚 轮将沿井壁周边方向滑动。可以理解，如果滚轮持续滑动将会使井壁逐 渐被磨损，进而使钻孔直径增加。由于滚轮的径向展开量是有限的，因 此滚轮的持续滑动将导致滚轮与井壁间的接触压力消失，进而使推力也 消失。

再有，该公知装置的转动体与细长体上的钻头直接相连。因此，在 工作中，来自转动体的反作用扭矩会提高来自钻头的反作用扭矩。

本发明的一个目的是提供一种用于向形成于某一地层中的一井筒 内延伸的一细长体提供一推力的井下工具，该工具可以克服现有技 术中所存在的问题。

本发明的另一个目的是提供一种用于向形成于某一地层中的一井 筒内延伸的一细长体提供一推力的井下工具，该工具减弱了来自位 于钻井组件下端的钻头的反作用扭矩。

根据本发明的一方面，提供了一种用于向形成于某一地层中的一 井筒内延伸的一细长体提供一推力的井下工具，该工具包括至少一 个装有很多滚轮和转动每一个滚轮的马达的第一可转动体，各滚轮 能以滚轮与井壁间的接触力向井壁展开，滚轮在向井壁展开后沿井 壁上的一条螺旋路径滚动；及一个用于转动各可转动体的马达，其 特征在于：该井下工具还包括用于测量所述井下工具所提供推力的 测量装置，及一个根据所测推力通过调节所述第一可转动体的转动 扭矩来控制所述井下工具提供推力的控制系统。

根据所测推力通过调节旋转扭矩，就可以控制滚轮的滑移量，因 为该滑移量由可转动体的旋转扭矩决定。当，如细长体包括一钻柱 而且由于钻头遇到一硬质岩层而使钻进受阻时，钻头受到的阻力会 增加，因此，该工具提供的推力也趋于增加。此时，控制系统将减 小旋转扭矩以使滑移量减小从而有效地防止井筒被磨损。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于向形成于某一地层中的 一井筒内延伸的一细长体提供一推力的井下工具，该工具包括至少 一个装有很多滚轮的可转动体，各滚轮能以一选定的滚轮与井壁间 的接触压力向着井壁展开，滚轮向井壁展开过程中被定位以使其沿 井壁上的一条螺旋路径滚动，该工具还包括一个用于转动各可转动 体的马达，其中可转动体的转动方向与位于钻孔组件下端的钻头的 转动方向相反。

通过使钻头与可转动体具有不同的转动方向，可使来自钻头的反 作用扭矩部分或全部由来自可转动体的反作用扭矩予以补偿，因此 可采用直径相对较小的钻柱，如采用挠性油管。

本发明井下工具可以有各种各样的应用，如，用于沿井筒推进各 装置，或用于钻井。该工具尤其对于钻长度很大的孔(extended reach drilling)极具吸引力，在此工作中要钻出很长的井筒，例如近海油/ 气田开发的所要钻的井。

下面将结合附图通过具体实施例的形式更详细地描述本发明。

图1示意性地示出了本发明井下工具的一个实施例。

参考图1，本发明井下工具1包括一个上连接装置2用于将该工具1与 一钻井组件(图中未示)的上部相连，及一个下连接装置3用于将该工 具1与钻井组件的下部相连。这些连接装置2、3又通过一个中心轴5相互 连接在一起，从而可将扭矩由下连接装置3经轴5传给上连接装置2，或 反之亦然。下连接装置3内设置有一推力测量仪6，该测量仪6在工作中 可提供一代表井下工具1提供给钻井组件下部的推力的电信号。在示意 图1中，轴5被绘成一单一元件，事实上，轴5可由一定数量的相互连接 的轴段组成。该工具1装有一个Moineau马达7，该马达有一与上连接装 置固定连接的定子9及一转子11，该转子11有一纵向孔13，中心轴5穿 入此孔13。Moineau马达7的转子11经一离合装置17驱动一个第二可转 动体15，该离合装置17由一个液力活塞/气缸装置19操纵。第二可转动 体15与Moineau马达7的定子9之间设置有一轴承21以便允许可转动体 15相对马达7的定子9转动。第二可转动体15装有一组滚轮23，为了清 楚起见图中只示出其中的一个。各滚轮23都有一转轴25，该转轴相对于 可转动体15的纵轴倾斜，因此，当该工具1被置于地层中形成的一井筒 内且滚轮23与井壁接触后，随着第二可转动体15的转动，这些滚轮23会 沿着井壁上的一螺旋路径滚动。

该工具1还包括一个第一可转动体25，该可转动体上也设置有一组滚 轮27，为了清楚起见，图中只示出其中的一只。同第二可转动体15的滚 轮23一样，各滚轮27都有一转轴29，该转轴相对于可转动体25的纵轴 倾斜，因此，当该工具1被置于地层中形成的一钻孔内且滚轮27与井壁 接触后，随着第一可转动体25的转动，这些滚轮27会沿着井壁上的一条 螺旋路径滚动。该第一可转动体25由第一可转动体15通过一齿轮31可转 动地驱动，图中只是示意性地示出了该齿轮组件31。该齿轮组件31有三 个挡位，在第一挡位第一可转动体25的转速与第二可转动体15的转速相 同，在第二挡位第一可转动体25的转速比第二可转动体15的转速高，及 在第三挡位第一可转动体25的转速与在第二挡位时的转速相同，只是方 向相反。齿轮组件31经一个导体(图中未示)由电控制，可在三个挡位 间相互转换，该导体沿钻井组件伸出地面与一个合适的控制装置相连。 第一可转动体25与下连接装置3间设置有一个轴承32以将可转体25相对 连接装置3可转动地支撑。

各滚轮23、27都可沿径向向外扩张，并可被一液力活塞/气缸装置 33、35压向井壁，该液力装置可以沿可转动体15、25的径向移动滚轮 23、27的转轴25、29。第二可转动体15的滚轮23对应的液力活塞/气缸 装置33可相对第一可转动体25的滚轮27对应的液力活塞/气缸装置35独 立操作。

该装置1内布置有一电控系统37，该电控系统37带有一设定装置用 于设定该装置1在工作中提供的推力，地面上一操作员可以通过一控制 系统(图中未示)变更该设定，该控制系统经一沿钻井组件延伸的导体 (图中未示)与控制系统37电连接。该控制系统37可经一导线38接收来 自推力测量仪6的一个输入信号，此输入信号代表该装置1提供给该装置 所在钻井组件的推力。控制系统37经一导线40与一液动力源42相连。与 滚轮23、27对应的活塞/气缸组件33、35经控制线路44、46以液力方式 连接在动力源42上，与离合器组件17对应的活塞/气缸组件19则通过控 制线路48以液力方式连接在动力源42上。该装置1内还设置有一阀系统 (图中未示)，用于有选择地连通或切断动力源42与各活塞/气缸组件 19、33、35的液力连接，该阀系统经一沿钻井组件延伸的导体(图中未 示)由地面进行电控制。因此通过控制该阀系统，活塞/气缸组件19、 33、35就可相互独立地工作。控制系统37按一定程序工作，以引导动力 源42按照一种所提供推力与设定推力间偏离最小的方式操纵活塞/气缸 组件19、33、35。

在通常工作中，井下工具1装在一钻井组件的下部，该组件在某一地 层中钻出的井筒内延伸。上连接装置2与钻井组件的上部分相连，下连 接装置3则与钻井组件的下部相连。钻井组件的所述上部明显比其下部 长，因为该下部只包括一个用于驱动一钻头的井下钻井马达和一个或多 个稳定器。钻井组件的该下部分也可以包括一个或多个很重的钻管部 分。为保持钻压(WOB)而选定的推力比较令人满意时，控制系统中的 程序决定所需的设定推力，并且操纵阀系统使第一可转动体的活塞/气 缸组件33与动力源42液力连通。

马达7处于工作状态时，离合器组件19接合以使马达7驱动第二可转 动体15。控制37接收到一来自仪器6代表实际推力的输入信号，并将此 信号与设定的推力相比较，进而引导动力源42操纵活塞/气缸组件33使 滚轮23向井壁。由于展开量与各滚轮23与钻孔间的接触压力相对应，因 此需要尽可能减小实际推力与设定推力间的差别。滚轮23压向井壁过程 中，由于第二可转动体15的转动使滚轮23沿井壁上的一条螺旋路径滚 动，从而对该装置1产生一轴向推力，该推力作用在钻井组件下端的钻 头的方向上。

当实际推力小于设定推力时，控制系统37会引导动力源42操纵活塞 /气缸组件33使滚轮23具以向井壁方向展开的接触压力增加。

相反，当实际推力比设定推力大时，控制系统37会引导动力源42操 纵活塞/气缸组件33使滚轮23具以向井壁方向展开的接触压力减小。

控制系统37可以不或除了引导动力源42操纵活塞/气缸组件33，而 或另外还引导动力源42操纵离合装置17的活塞/气缸组件19以在实际推 力减小时允许离合装置17滑动。

当设定推力大于可转动体15所能达到的推力时，地面上的操纵人员 将齿轮装置31转换到第一挡位，在该位置，第二可转动体15与第一可转 动体25以同一转速转动。再有，阀系统被置于使活塞/气缸组件35与动 力源42液力连通的位置。而后，控制系统37引导动力源42操纵活塞/气 缸组件35使第一可转动体25的滚轮27向井壁展开。由于第一可转动体 25提供了附加推力，因此实际推力提高了。

在井下工具1的一替换工作模式中，阀系统被作了调整，以便使滚轮 23的活塞/气缸组件33不工作，而使滚轮27的活塞/气缸组件35工作以 将滚轮27压向井壁。齿轮装置31被置于其第二挡位，在该位置，第一可 转动体25的转速比第二可转动体15的转速高。此模式下的该装置用于向 下释放时沿井筒移动钻井组件。

在井下工具1的另一替换工作模式中，阀系统被作了调整，以便使滚 轮23的活塞/气缸组件33不工作，而使滚轮27的活塞/气缸组件35工作 以将滚轮27压向井壁。齿轮装置31置于其第三挡位，在该位置，第一可 转动体25以一相对较高的转速反向转动。此模式下的该装置用于向上释 放时沿井筒移动钻井组件。

控制系统37可以不或除了通过控制滚轮23、27与井壁的接触压力来 控制该装置1提供的实际推力，而或另外还可按另一程序工作，即通过 控制离合装置19的滑移量来制实际推力，以尽可能减小实际推力与设定 推力间的差别。如果只通过控制离合装置19的滑移量来控制实际推力， 那么滚轮23、27与井壁间的接触压力保持恒定。

再有，该工具可以不用上述离合装置或除了用上述离合装置，而是 或还可选择性地装一个能量供应调节器，该调节器可以调节供给马达的 能量额进而控制马达的扭矩。由控制系统控制的该能量调节器可以是一 个用于上述Moineau马达的可控液力分流器。如果用一个电动马达取代 Moineau马达，该能量调节器可以是一个由该装置的控制系统控制的电 流调节器。

在上述实施例中，Moineau马达有一个用作转子的内部纵向轴，和 一个用作定子的外部圆柱形外壳，而且，转子有一纵向孔，将上、下连 接装置连接在一起的中心轴穿入此孔。在一替换布置中，可以采用一反 Moineau马达，该反Moineau马达有一用作定子的内部纵向轴，和一个 用作转子的外部圆柱形外壳。此时，内轴成为连接上、下连接装置的中 心轴的一部分，而圆柱形壳则通过离合装置驱动各圆柱体。再有，可以 不用如图1所示的齿轮装置，该装置有三个挡位，在其第二挡位第一可 转动体的转速比第二可转动体的转速高，取而代之的是采用另一种齿轮 装置，该装置没有挡位，但能以该较高的转速持续地驱动第一可转动 体。通过有选择地使第二可转动体的滚轮或第一可转动体的滚轮向井壁 展开，可使沿钻孔移动该装置的速度在低速与高速间转换。

可以理解，上述井下工具可与任何合适的钻井组件配合使用，如与 一种包括一个或多个如下部件的组件：一个用于受控井筒的操纵该装 置，一个测量装置，钻孔装置，及一个挠性油管。