钻进组件和方法 |
|||||||
| 申请号 | CN200480006755.7 | 申请日 | 2004-01-21 | 公开(公告)号 | CN1759228B | 公开(公告)日 | 2011-10-05 |
| 申请人 | 斯特拉塔洛克技术产品有限责任公司; | 发明人 | B·L·泰勒; R·A·尼科尔斯; L·G·帕尔默; M·格雷戈里; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种钻进组件和方法，本发明尤其适用于穿过 地层 钻出井孔的底部钻井组件。在一实施方式中，钻进组件优选地是用一种钨 合金 制成的，该合金具有足够的塑性，从而能耐受底部钻井组件中产生弯曲、扭曲、以及压缩应 力 。钨合金制成的增重部分可在轴向上相对于外管状构件移动，且当增重部分被安装到底部钻井组件中时，能产生作用使外管状构件处于拉伸状态，从而提供了更刚性的底部钻井组件。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于钻进地层的、位于钻杆柱中的钻进组件，所述钻进组件可用来在钻进作业过程中，向钻头施加一个基本上连续的作用力，因而使所述钻头与所述地层保持接触，利用一钻机将所述钻进组件用螺纹进行连接，所述钻进组件包括： |
||||||
| 说明书全文 | 钻进组件和方法技术领域背景技术[0002] 出于很多原因的考虑，希望能钻出沿钻进路线的螺旋扭曲效应得以减轻的、更直的井孔，且希望该井孔只具有很少的冲蚀(washout)部分。举例来讲，已经发现：在钻进过程中，井筒内常常会出现扭曲或螺旋化效应，该效应与以下一些因素有关：钻头性能衰退、钻头涡动、钻杆柱拆装次数的增多、通常与MWD(随钻测量)和LWD(随钻测井)有关的振动造成其可靠性下降、在井孔内丢失设备的可能性增大、由于沿螺旋化井筒存在凹槽而增加了循环流通的问题和泥浆的问题、扶正器的磨损增大、对钻进方向的控制降低、由于井孔中的变化情况(包括冲蚀区和侵入区)而降低测井工具的响应性、由于出现一个或多个细长凹槽而降低了水泥灌浆的可靠性、砾石充填滤网的清理问题、ROP(钻进速度或钻进率)、以及其它的问题。 [0003] 在对钻井进行钻进时，非常希望能尽可能快地钻出井孔，以限制成本。据估计：对于石油行业，如果能将当前的钻进率翻倍，则每年能节省成本2亿到6亿美元。这可能只是保守估计。 [0004] 在钻井过程中，相当多的时间是由于需要拆装钻杆柱而被用掉的。将钻杆柱从井筒中撤出的原因有很多：例如更换钻头。减少钻杆柱拆装次数将能大幅降低钻机的日租赁成本，其中，尤其对于深井，撤出和更换钻杆柱会占用很多的时间。 [0005] 尽管在现有技术中，为了减轻上文讨论的诸多问题，通常将对钻头的设计作为首选的焦点课题，但人们也作了一些努力来改善底部钻井组件的其它方面。典型的底部钻井组件包括多个大重量的钻铤。普通的钢制大重量钻铤相对较为便宜，也较耐用。但是，现有技术中的重质钻铤由于其尺寸和结构的缘故而在一定程度上是不平衡的，趋于产生振动。此外，即使钻铤是精确平衡的，大重量的钻铤也具有一个屈曲点，在钻进过程中，趋于弯曲到该点。不平衡的重质钻铤、以及对整个井底钻进组件的弯曲会形成一种带有不稳定因素的飞轮效应，其易于使钻头发生涡动、振动、和/或在所希望的钻进方向上与井筒壁面失去接触。 [0006] 人们还努力制出更重的钻铤。例如，已尝试增大钢制钻铤的直径，以增大钻头附近的重量。但是，这样就会减小大直径钢制钻铤与钻井壁之间的环形空间。由于必然会有高速泥浆流经该环形空间，环形空间的减小会对井孔造成很大的冲蚀-尤其是在非致密的地层中。 [0007] 为了增大井底钻进组件重量所作的其它努力包括：使用高密度材料-例如钨或贫铀的烧结材料。但是，由于高密度的烧结钨或贫铀材料的固有脆性，这将导致钻铤的使用寿命变短，所以，安装这样的材料会遇到很多问题。在下文列出的现有技术专利中详细地讨论了一种实施方式，在该实施方式中，在脆性的重质材料自身中切削制出螺纹线。显然，这些螺纹线极易失效。在其它的实施方式中，努力来限制作用在高密度材料上的特定类型的钻进应力。在这样的设计中，采用了一个厚的钢制套筒来吸收扭转应力、弯曲应力、以及其它的应力，同时允许压缩应力作用到高密度材料上，其中，脆性的高密度材料是能承受压缩应力的。但是，由于要将脆性烧结钨的增重段压装到环绕的厚钢套筒上，不可避免地会向脆性的烧结钨施加扭转应力和弯曲应力。因而，很显然，这种设计也易于早期失效。厚的钢套筒也会极大地限制所能使用的高密度材料的体积。石油和天然气钻井行业长期以来一直寻求、并继续寻找能解决上述问题的方案。 [0008] 下文的专利详细地介绍了现有技术中为了解决上述问题而提出的各种在先方案。 [0009] 于1981年7月14日授予Rowley等人的第4278138号美国专利公开了一种用于在地层中钻出井孔的复合材料钻铤，其包括一用结构钢制成的外套筒，其下端被固定到一个下部联结器上，该联结器可与钻头相连接，外套筒的上端被固定到一上联结器上，该联结器可与其上方的相邻钻铤相连接。在套筒内设置一个用烧结钨制成的、环形的重金属芯体，并通过将上联结器和下联结器预压在芯体的两端上而将芯体保持在受压缩状态，这将使套筒处于拉伸状态，造成套筒趋于收缩而紧箍住芯体的环周面。结构钢套筒具有一厚壁，以便于承受钻进工作过程中遇到的弯曲、扭转、压缩、拉伸以及冲击载荷，从而使芯体不会受到这些载荷的作用，设置芯体的目的是为了增大复合材料钻铤总的密度和质量、显著降低所形成的偏斜井筒的趋势。 [0010] 于1931年2月17日授予E.E.Stevenson的第1792941号美国专利公开了一种泵筒，其包括：一套筒，其端部上制有内螺纹，该内螺纹的内侧端具有一个定中凹陷；一中间衬套，其位于套筒内，其外径小于套筒的内径；位于套筒端部的端部衬套，其与中间衬套相接合，且其外径小于套筒的内径；制在端部衬套上的定中凸肩，其搁在定中凹陷中，用于对衬套进行定中；以及端部套环，其旋拧到内螺纹中，用于将各个衬套结合到一起，套环的内端面与衬套的轴线垂直。 [0011] 于1938年8月9日授予J.C.Wright的第2126075号美国专利公开了一种钻铤，其用在旋转式的钻杆柱中，该钻铤包括：一个要被连接到钻杆柱上的本体，其强度足以将作用力传递给受力的钻杆；一管状部件，其环绕着本体；位于管状部件上端的联结装置，其用于与一冲洗管进行连接，由此使管状部件适于作为冲洗管的延长段；以及用于将外部管状部件与本体可拆卸地连接起来的装置。 [0012] 授予F.D.De Jarnett的、且在1957年11月26日公告的第2814462号美国专利公开了一种钻铤，其用于连接在钻杆的上部与下部之间，钻杆的上部和下部分别向上延伸向一回转工作台、向下延伸向一钻头，该钻铤的重量既提供了作用在钻头上的向下压力，也减小了从钻头传向钻杆的振动和冲击力，钻铤包括：内管装置，其具有一纵向流动通道，用于与钻杆保持流路连通；上联结装置，其被固定到内管装置的上端上，其适于与钻杆上部的下端进行连接；下联结装置，其被固定到内管装置的下端上，且适于与钻杆下部的上端进行连接；外管状装置，其上端也与上联结装置进行连接，下端与下联结装置进行连接，外管状装置环绕着内管装置的至少一个部分，并与内管装置分离开预定的距离，从而在二者之间形成一个腔室；一通道，其从外部延伸到腔室的内部，腔室内含有选定的介质，该介质包括至少一种液体，液体只是部分地充满了腔室，为腔室提供液密密封的装置包括用于密封所述通道的装置，由此，传向联结装置的振动和冲击力将至少部分地传递给介质，因此，液体在腔室内流动产生的涡流将耗散振动和冲击力的至少一部分能量。 [0013] 于1960年11月1日授予H.C.Humphrey的第2958512号美国专利公开了一种组合构造的钻铤，其包括带有螺纹的端部部分和接合到其上的内、外管构件，两管构件保持同心、且相互分离开的关系，从而在二者之间形成一环形腔室，两管构件的尺寸等于且不大于具有常规直径的标准尺寸钻管，该钻铤适于被连接到具有同样外径尺寸的钻杆柱上，带有螺纹的每个端部部分的外径尺寸都与外管构件的尺寸相同，且其轴向通道的内径尺寸与内管构件的尺寸相同，一种金属材料完全填充了环形腔室，其比重大于管构件以及端部部分的比重，其拉伸强度则与构件和端部部分的强度相当，从而与普通的整体式钻铤相比，该钻铤的重量基本上相同或较大，但外径尺寸却减小了，金属材料包括一种比重在9.4到11.3之间的铅合金。 [0014] 于1962年7月31日授予G.H.Bruce的第3047313号美国专利公开了一种用在钻杆柱上的钻铤，其包括相互分离开的内、外管状壁构件以及蜂窝状增强装置，该增强装置位于两管状壁构件之间，且在管状壁构件的整个长度范围内，增强装置粘接并固定到至少一个管状壁构件上，在空间的整个长度和宽度范围内，蜂窝状的增强装置形成了多个隔间，且蜂窝状增强装置具有通入到各个隔间中的通道，管状壁构件的内部提供了一个不受阻隔的孔，其用于使流体通过，在管状壁构件的两端上接合了用于将钻铤连接到钻杆柱上的装置，在隔间内填充了比重大于8.0的金属增重装置，由此为钻杆柱提供了一个很重的钻铤，并使其具有钟摆效应，蜂窝状增强装置是用高熔点的金属制成的，其对容纳在隔间内的、以液态形式存在的金属增重装置而言基本上是化学惰性的，不会被增重装置破坏。 [0015] 于1962年11月6日授予W.E.Schultz的第3062303号美国专利公开了一种用于在钻进工作过程中改变井孔方向的方法，其中该井孔的方向相对于垂直方向是倾斜的，该方法包括步骤：在位于钻头上方的钻杆柱中插入一偏心配重工具，并将其可转动地安装在钻杆柱中，该工具适于使一个元件在径向上膨胀开而抵压到井壁上；使元件与钻杆柱的内部实现压力连通；将钻杆柱和工具基本上降低到井孔的底部；从地面上用足够大的作用力上下往复移动钻杆柱，以震动工具，使其绕钻杆柱的轴线转动到一个理想的位置；经钻杆柱施加流体压力，以使转动安装工具的可膨胀元件在径向上膨胀开而抵紧井壁，从而迫使工具移向井孔的一侧；随后，在井孔中转动钻杆柱和钻头，重新开始执行钻进操作。 [0016] 于1965年1月26日授予H.C.Humphrey的第3167137号美国专利综合性地公开了在一种转动的组合结构的钻铤中的端部部分、以及接合到端部部分上的内外管构件，其中，内、外管构件为同心但相互分离的位置关系，从而在二者之间形成一环形腔室，钻铤适于被连接到一具有相同外径、且可转动的钻杆柱上，每个端部部分的外径尺寸都与外管构件的外径尺寸相同，并具有一与内管构件同轴连通的通道，端部部分的内径与内管构件的内径相同，一种金属材料完全填充了环形腔室，其比重高于管构件和端部部分的比重，从而，与普通的整体式钻铤相比，该钻铤的重量基本上相同或较大，但外径尺寸却减小了，金属材料是由一组材料中选出的，该材料组包括比重在9.4到11.3之间的铅和铅合金，多个弹性金属构件被沿着位于环形腔室内的其中一管构件的长度方向相互间隔并进行固定，这些金属构件从其中一个管构件等距地突伸出去而与另一管构件相接触，金属构件可被嵌埋到金属材料中而作为其锚定件。 [0017] 于1965年7月20日授予W.B.Kimbrell的第3195927号美国专利公开了一种增重管，其包括：一外构件，其在轴向拉伸方向上被施加预应力，并具有一上端和一下端；一内管，其在轴向压缩方向上受到预应力，并被设置在外构件中，该内管具有一上端和一下端，将内管的上端用过盈配合压配合到外构件的上端中，从而在两上端之间形成了一个过载释放接头，内管的下端被压装到外构件的下端中，从而在内管和外构件的上端之间形成了一个接头，使内管与外构件上端之间接头处产生相对运动所需的过载扭矩小于使两下端之间接头处产生相对运动所需的过载扭矩，由此，下端处接头抵抗扭矩的能力强于内管与外构件上端之间的压装接头，外构件上端接头处的内管上端外径大于外构件下端接头处的内管下端直径，在靠近上端的位置处，在内管与外构件之间相互配合地设置了装置，以便于在可过载释放的接头被释放时将轴向拉伸力从内管传递给外构件，但允许外构件的上端在可过载释放的接头被释放时相对于内管进行转动，在接头之间，内管与外构件分离开，从而形成了一个从两上端之间的接头延伸向两下端之间接头的环形腔室，两接头都被进行了流体密封处理，用一种密度大于1.4的流体填充腔室，两接头的结构和位置被设计成：只要可过载释放的接头未被释放，就能可保持着拉伸和压缩。 [0018] 于1966年2月1日授予M.B.Hollander的第3232638号美国专利公开了一种中空的钻铤，其总体上包括：一销体连接件，其具有一面向外侧的环形凸肩；一箱体连接件，其具有一面向内侧的环形凸肩；一外管状构件，其具有很高的拉伸强度，销体连接件和箱体连接件都被旋入该构件上；以及一内管状构件，其比外管状构件长，并具有很高的压缩强度，两管状构件都被施加了载荷，但在各自的屈服点范围内，当销体连接件和箱体连接件被牢固地旋入到外管状构件中时，内构件的长度大于凸肩之间的轴向距离，内管状构件被同心地布置在外管状构件中，并具有略微的径向间隙，从而在两管状构件之间形成了一个环形的凹陷，在对内构件施加载荷之前，该凹陷的延伸长度基本上达到内构件的轴向长度，当销体连接件和箱体连接件被旋入到外管状构件上时，两连接件的环形凸肩与内管状构件接触并对其加压，内管状构件基本上被压缩到其临界点，这就使得内管状构件纵向弯曲而与外管状构件的内壁相接触，内壁阻止内构件在接触点处进一步纵向弯曲，由此将内管状构件的应力限制在其屈服点之内，设计使得外管状构件的拉伸预应力在其屈服点之内，因而，由于钻铤受到压缩载荷，其对抗径向变形的能力得以增强。 [0019] 于1971年3月30日授予Fletcher Redwine的第3572771号美国专利公开了一种用在回转钻井作业中的钻铤结构。利用一些连接器将各个钻铤首尾连接起来，其中，连接器的抗疲劳性大于钻铤钢材的抗疲劳性。用于制造连接器的优选金属是钛或钛基合金。 [0020] 于1972年12月19日授予Carey E.Murphye Jr.的第3706348号美国专利公开了一种用于控制井孔偏斜的系统，该系统是通过使用一种钻头和一种组合钻杆柱进行工作的，其中的钻杆柱包括一重质的钻铤，其被布置在钻头的上方，并在该重质金属钻铤的上方设置了一个普通的钢制钻铤。 [0021] 于1976年5月11日授予Percy L.Farrington的第3955835号美国专利公开了一种燃气节省器，其包括一管接头，其被插入到通向用气设备的燃气管线中，管接头的凸出部分上设置有多个螺旋延伸的翼片，以使流经的煤气产生涡旋运动。 [0022] 于1988年8月2日授予Roy L.Dudman的第4760889号美国专利公开了一种钻铤，其具有一打捞颈(fishing neck)，其紧邻地位于销形端的后方，与箱体端相比，该打捞颈的尺寸是缩小的。因而，在钻杆柱中，该钻具特别适于被定向成其销形端在上的姿态。钻铤在提高了BSR(弯曲强度比)的同时，还保持着良好的“可打捞性”(fishability)和“可冲洗性”。 [0023] 于1988年9月20日授予DeCell等人的第4771811号美国专利公开了一种基本上均质的重壁钻管及其制造方法。在一多锤锻造压力机中放置一个圆柱形的坯料，以将坯料制成一钻管棒，其具有一中间保护部分和上、下连接器部分，每一连接器部分的直径都大于钻管圆柱体部分的直径。而后，将管棒变直，并机加工出上、下端连接器。在连接器上机加工制出带有螺纹的端部，并在钻管棒中钻制出一个孔腔。 [0024] 于1988年10月11日授予Nenkov等人的第4776436号美国专利公开了一种平面减震器，其带有一顶部适配器和一底部适配器，在两适配器之间安装了一个壳体，在壳体内布置了一个心轴，在由一顶盘、底盘、壳体、以及心轴所围成的腔室中布置了一些主动元件，并在底盘的下方布置了弹簧。顶部适配器被一个带有外螺纹的、两阶式的螺母(two-stepped nut)环包着，并被向上旋接到壳体上，一些键销从两阶式螺母中穿过。工作腔室被一些中间套管分隔成多个区域，在每个区域内都设置了球形头，球形头在心轴的外表面上成形。布置在工作腔室内的主动元件是一些球体。弹簧由一环形螺母限制在底端，可使用开槽型的弹簧。 [0025] 于1990年3月6日授予Beynet等人的第4905776号美国专利公开了一种振动阻尼组件，其例如是一种动平衡设备，该组件被连接到一钻头上，一井下电机或钻杆柱施加一个可变的作用力，以抵消振动引发的作用力。动平衡设备包括一支撑体，其支撑着多个可自由运动的质量，从而，这些质量可移动到某一位置，以便于对抗非平衡的作用力，其中，质量以相同的转速随钻头、井下电机以及钻杆柱一起转动。 [0026] 于2001年5月15日授予Sullivan等人的第6230822号美国专利公开了一种用在井筒钻进作业中的钻头，钻头具有：一钻头体，其包括多个牙轮钻头巴掌(bit leg)，每个巴掌支撑着一个滚锥刀具，在钻头体的上部制有一个联结构件；至少一个温度传感器，其用于在钻进过程中监控改进后钻头的至少一个温度条件；以及至少一个温度传感器腔，其制在钻头体中，且适于接纳、承载至少一个温度传感器，且适于将其相对于钻头体定位在特定的位置上，该位置是依据经验确定出的，用于优化温度传感器的识别能力。 [0027] 于2002年10月31日公开的、属于Dubinsky等人的第20020157895A1号美国专利申请公开了这样的技术：在钻铤的内壁上连接多个重质量的不规则体，以削弱经钻铤传播的波。多个重质量不规则体的间隔和尺寸被设计成能最大程度地衰减预定频率区间内的声音脉冲。不规则质量体可以是一些紧固地联结到钻铤外表面上的环圈。作为备选方案，可利用颈部构件将作为不规则质量体的环圈紧固地联结到钻铤的外表面上，其中的颈部构件从环圈的内周面向内侧延伸。不规则质量体可用钢或钨制成。在另外一优选实施方式中，不规则质量体被不对称地联结到钻铤的外壁上，以在优选的方向上实现衰减。 [0028] 在2001年8月出版的《Offshore Magazine》发表了由Chen等人撰写的文章“Wellbore design：How long bits improve wellboremicro-tortuosity in ERD operations”，该文章公开了这样的论断：在大位移钻井(extended reach well)作业中，扭曲是其中一个关键因素，扭曲具有两个分量：宏观扭曲和微观扭曲。除了其它一些负面影响之外，扭曲的后果还包括：高扭矩和高阻力、井孔整洁性差、钻杆柱纵向弯曲、以及有效钻进深度损失。采用了长规格钻头的新型钻进系统能显著减小井孔的螺旋-该螺旋是微观扭曲的一种形式，通过采用一种目的在于改善钻进作业诸多方面的钻头设计将能实现该系统。 [0029] 上文引用的现有技术并未为底部钻井组件提供一种耐用的、静/动平衡的、具有较高塑性的高密度材料，这样的材料基本上能解决上文讨论的各个问题，由此能明显地改善钻进工作。因而，仍然希望能设计一种改进的、高密度井底组件。本领域技术人员能领会解决了上述问题以及其它重要问题的本发明。 发明内容[0030] 因此，本发明的一个目的是提供一种改进的钻进组件和钻进方法。 [0031] 另一可行实施方式的目的在于实现更快的钻进ROP(钻进速度)、更长的钻头寿命、钻杆柱接头的应力减小、更准确的井孔测量、改善循环流动、改善水泥灌浆、改进的低噪声MWD和LWD、提高钢丝绳测井的精度、改善滤网组件的运行和安装、更少的钻头拆装次数、减轻或消除扭曲、减轻或消除钻杆柱的纵向弯曲、减小井孔的冲蚀、提高安全性、和/或其它方面的优点。 [0032] 本发明另一可行实施方式的目的在于提供一种装置，其用于将作用力从一个或多个部分的高密度材料通过任意数目的箱体/销体连接件经由带有螺纹的连接器传递到此下任何所需的地点，并包括这样的设计：将多个高密度增重部分的大体全部重量都放置在钻头的顶部上。 [0033] 本发明再一可行实施方式的目的在于使底部钻井组件的压缩长度远小于第一阶纵向弯曲长度，从而实质上消除了底部钻井组件的纵向弯曲、以及由组件纵向弯曲而造成的井孔扭曲。 [0034] 本发明另一实施方式的目的在于提供一种大直径、高密度、且长度较短的底部钻井组件，与普通的小直径钢制钻铤底部钻井组件相比，本发明组件所造成的地层冲蚀更小。 [0035] 本发明再一可行实施方式的目的在于提供一种高密度的钨材料组成(formulation)，这种组成的材料能具有更高的塑性，从而可避免现有技术中脆性钨质增重部分的问题。 [0036] 本发明又一可行实施方式的目的在于提供一种高密度钨合金防振部分，其可被应用在底部钻井组件或钻杆柱中的其它位置处，以吸收冲击、振动、钻头跳动、钻头涡动效应、和/或噪音。 [0037] 本发明另一可行实施方式的目的在于使底部钻井组件实现动和/或静平衡，以消除由底部钻井组件产生的飞轮振动。 [0038] 本发明再一可行实施方式的目的在于提供一种改进的底部钻井组件。 [0039] 本发明又一可行实施方式的目的在于为底部钻井组件提供一种钢制外套筒，即使在靠近钻头的位置处，该套筒也被保持在拉伸状态，而非处于压缩状态，从而消除了钻杆柱的纵向弯曲。 [0040] 本发明另一可行实施方式的目的在于提供在钻头的附近施加增大的重量，并允许钻杆柱具有更高的转速(RPM)，由此能提高在很多地层中的钻进速度(ROP)。 [0041] 本发明再一可行实施方式可包括这样的方案：将上述的一个、几个或全部目的组合起来，且具有或不具有下文描述的一个或多个其它另外的目的、特征、以及优点。 [0042] 从下文的附图、文中的详细描述及后附的权利要求能清楚地认识本发明上述内容以及其它的目的、特征及优点。但是，不难理解：上文列出本发明目的、特征及优点只是用来帮助领会本发明的各个方面，在任何意义上都不用来限制本发明，因而，不会形成一个关于本发明目的、和/或特征、定义、和/或优点的全面列单或限制列单。 [0043] 本发明提供了一种用于钻进地层的、位于钻杆柱中的钻进组件，所述钻进组件可用来在钻进作业过程中，向钻头施加一个基本上连续的作用力，因而使所述钻头与所述地层保持接触，利用一钻机将所述钻进组件用螺纹进行连接，所述钻进组件包括：一第一外管状构件；一第一带螺纹连接器，其相对于所述第一外管状构件固定；一第一带螺纹连接器传力构件，其被安装成在所述第一带螺纹连接器中作轴向运动，所述第一带螺纹连接器传力构件可用于经所述第一带螺纹连接器传递所述基本连续作用力的至少一部分；一第二外管状构件；一第二带螺纹连接器，其相对于所述第二外管状构件固定；以及一第二带螺纹连接器传力构件，其被安装成在所述第二带螺纹连接器中作轴向运动，利用所述钻机将所述第一带螺纹连接器与所述第二带螺纹连接器旋接到一起，且在利用所述钻机将所述第一带螺纹连接器与所述第二带螺纹连接器连接到一起之后，所述第二带螺纹连接器传力构件与所述第一带螺纹连接器传力构件以机械方式相互连接起来，以便于接纳所述基本连续作用力的所述至少一部分。 [0044] 本发明提供了一种利用一钻进组件和一钻头在地层中钻出井孔的方法，所述钻进组件被固定到一钻杆柱上，所述方法包括步骤：利用一钻机将多个带螺纹的连接件连接到一起，以形成所述钻进组件，其中的多个带螺纹的连接件与多个管状构件相关联；在所述多个管状构件的一个或多个构件的每一个中设置相应的可滑动的传力部分；在所述井孔钻进的过程中，通过所述多个带螺纹的连接件，将一个作用力经各个相应的传力部分传向所述钻头，以将所述作用力施加到所述钻头上；以及在所述井孔的钻进过程中，使所述多个管状构件中的一个或多个管状构件与所述钻杆柱保持在拉伸状态。 [0045] 本发明提供了一种用于钻进地层的、位于钻杆柱上的钻进组件，所述钻进组件用于：在钻进作业过程中，向钻头施加一个基本上连续的作用力，因而使所述钻头与地层保持接触，所述钻进组件包括：一第一外管状构件；一第一传力构件，其沿轴向安装在所述第一外管状构件中，并可相对于所述第一外管状构件在轴向上移动；一第一带螺纹的连接器，其相对于所述第一外管状构件固定；一第一带螺纹连接器传力构件，其被安装成在第一带螺纹连接器中轴向运动，并延伸穿过所述第一带螺纹连接器，所述第一带螺纹连接器传力构件与所述第一传力构件实现机械连接，用于将作用力经过所述第一带螺纹连接器传递，以施加到所述钻头上，使得所述作用力包括作用在所述钻头上的所述基本连续作用力的至少一部分。 [0046] 因而，在本发明一实施方式中，提供了一种用于钻进地层的、位于钻杆柱上的钻进组件。该钻进组件的作用在于：在钻进作业过程中，其向钻头施加一个基本上连续的作用力，因而可保持钻头与地层的接触。该钻进组件可包括一个或多个元件-例如：一第一外管状构件和/或一第一传力构件，第一传力构件沿轴向安装在第一外管状构件中，且可相对于第一外管状构件在轴向上移动。在一种当前优选的实施方式中，传力构件还可包括一增重部分，其利用该部分中的重量以及可能多个其它类似部分内的重量来产生钻头上大体连续的作用力。其它一些元件可包括：一带有螺纹的第一连接器，其相对于第一外管状构件和/或一个带有螺纹的第一连接器传力构件固定地安装，其中的第一连接器传力构件被安装成在带螺纹的第一连接器中轴向运动，并延伸穿过第一连接器。第一带螺纹连接器传力构件在机械上与第一传力构件连接起来，以便于经带螺纹的第一连接器传递一个作用力，以施加到钻头上，从而使得被传递的作用力构成了钻头上大体连续作用力的至少一个部分。因而，由多个增重部分产生的作用力可经带螺纹的连接器传递给钻头或钻头的附近。 [0047] 根据本发明的钻进组件的一种实施方式可被用在一种用来穿过地层以钻出井孔的底部钻井组件中。底部钻井组件包括一个位于其最下端部分的钻头，该钻头被固定到钻杆柱上。底部钻井组件在钻杆柱中位于最下端位置，并与钻头足够地靠近，以便于能将其重量施加给钻头。 [0048] 根据本发明的钻进组件的一种实施方式包括一个或多个元件-例如：一第一外管状构件；一第一顶部接头(sub)，其相对于第一外管状构件是固定的；一第一底部接头，其相对于第一外管状构件是固定的；以及一第一高密度增重部分，其被安装在第一外管状构件中。第一高密度增重部分的比重大于10.0，且优选地是由钨合金制成的。应当注意到：铁的比重是7.85、铅为11.35、钨为17.20、钼为10.20、铀为18.68、锇为22.48。在一优选实施方式中，第一高密度增重部分被可滑动地安装着，以允许第一高密度增重部分相对于第一外管状构件轴向运动。 [0049] 钻进组件还包括一力传递机构，用于通过带螺纹的连接器传递诸如重力等的作用力。一第二外管状构件可相对于第一底部接头固定起来，且一第二高密度增重部分被安装在第二外管状构件中，其被可滑动地安装着，从而可相对于第二外管状构件在轴向上运动。一重量传递元件可延伸穿过第一底部接头，并能相对于第一底部接头在轴向上滑动。在一优选实施方式中，重量传递元件被安装成用于支撑第一高密度增重部分的重量和/或将第一高密度增重部分的重量施加到第二高密度增重部分上。 [0050] 在一优选实施方式中，用在井下组件中的优选钨合金不含钴。钨合金中钨的含量大于90％。钨合金还可包括镍、铁以及钼。由于不含钴，这样形成的合金具有很高的塑性，因而更适于耐受作用到底部钻井组件上的应力。 [0051] 本发明一种具体的应用是用在定向钻进井底组件上，该组件用于穿过地层钻出一个井孔段，该组件的定向角度是可变的，且需要钻杆柱能在其穿过地层时发生弯曲。在此情况下，该定向钻进井底组件可包括：一钻头；一用于转动钻头的泥浆马达；一弯曲的接头，其相对于泥浆马达是固定的；以及一根据本发明制造的柔性增重部分，其作用在于向处于斜角井孔段内的钻头施加重力。柔性增重部分包括一外管状构件和一内管状构件，它们之间形成了一个密封的隔间。外管状构件和内管状构件能被充分地弯曲，以符合可变的定向角。在密封隔间内设置了钨粉末或钨糊状物，以便于向钻头施加很大一部分重量，同时保持外管状构件与内管状构件内的柔性。 [0052] 如果希望井下罗盘测量具有更好的效果，则内管状构件和外管状构件可包含或用非磁性材料制成，钨粉末或钨糊状物基本上是无磁性的。 [0053] 在一实施方式中，制造一钻进组件的方法例如包括如下的步骤：提供至少一个管状构件和至少一个钨质增重部分，它们具有各自的配合表面，以便于相互连接起来；对各配合表面的尺寸进行设计，以使得它们的尺寸在钨质增重部分与管状构件的温度大致相同时刚好阻止管状构件与钨质增重部分相互连接起来；在250华氏度到450华氏度的范围内，在管状构件与钨质增重部分之间形成一温度差，该温度差大于几百华氏度，由此使上述尺寸允许管状构件与钨质增重部分相互连接起来；在存在温度差的情况下，将管状构件与钨质增重部分相互连接起来；以及使管状构件与钨质增重部分大致达到相同的温度，由此使管状构件与钨质增重部分相互固定起来。 [0054] 该方法还包括步骤：将钨质增重部分插入到一个管状构件中和/或将至少一个管状构件插入到贯穿钨质增重部分的孔腔中。 附图说明[0055] 为了进一步理解本发明的特性和目的，应当结合附图参见下文的详细描述，在附图中，同类的元件由相同或类似的附图标记指代，其中： [0056] 图1中的正视剖切图表示了根据本发明一种可行实施方式的大重量钻铤，其具有一些高密度部分； [0057] 图1A中放大的正视剖切图表示了根据本发明的、图1所示的上部组件12； [0058] 图1B中放大的正视剖切图表示了根据本发明的、图1所示的下部组件14； [0059] 图2中的正视剖切图表示了根据本发明一种可行构造的、具有盘式高密度部分的大重量钻铤； [0060] 图3A中的正视剖切图表示了根据本发明的、带有多个内部高密度部分的大重量钻铤，并带有一些重量传递元件，其中，当外部钢制套筒处于拉伸状态时，所有的高密度重量都经钻具的中心进行传递，以直接向钻头的顶部施加作用； [0061] 图3B中的示意图表示了在本发明一种优选实施方式(例如图3A所示实施方式)中的拉伸力和压缩力，其中，由钨合金增重部分产生的重力经钻具的内部直接传递给钻头或钻头连接接头； [0062] 图3C是图3A所示的、根据本发明一实施方式的钻进组件的正视剖切图，其中，井底组件在钻头的两英尺范围内处于拉伸状态； [0063] 图3D是图3A所示的、根据本发明一实施方式的钻进组件的正视剖切图，其中，井底组件在钻头的十四英尺范围内处于拉伸状态； [0064] 图3E是图3A所示的、根据本发明一实施方式的钻进组件的正视剖切图，其中，井底组件在钻头的四十五英尺范围内处于拉伸状态； [0065] 图3F中的正视剖切图表示了根据本发明的、利用钻杆柱上其它部件传递重量的设计，其中，所述部件例如是扶正器或带有一体式扶正器的增重部分； [0066] 图4中的正视剖切图表示了一种根据本发明一实施方式的钨合金段，其可被组合起来使用，以构成一重量组包； [0067] 图4A中的正视剖切图表示了一种带有热膨胀凸片的钨合金段，凸片可作为在温度改变时控制图4所示增重段的对中的一种可能的装置； [0068] 图5A中的正视图表示了一种根据本发明的井底组件，如图所示，该组件可在钻头上集中超过50％的可用重量，且该井底组件的压缩长度与图5C所示的、现有技术的井底组件相比非常短； [0069] 图5B中的正视图表示了一种根据本发明的井底组件，如图所示，该组件可在钻头上具有超过300％的可用重量，且该井底组件的压缩长度与图5C所示现有技术相比极大缩短； [0070] 图5C中的正视图表示了一种现有的井底组件，其用于与图5A、5B所示的本发明实施方式进行对比； [0071] 图6中的比较图线表示了不同重量泥浆的浮力效应，其中，该对比是在现有技术的重质钢钻铤与根据本发明的高密度重质钻铤之间进行的。 [0072] 图7A中的比较图线表示了在钻头上施加相同重量的情况下井底组件压缩长度的对比情况，其中，本发明的实施方式中的压缩长度为两英尺，而普通钻铤的长度为89英尺； [0073] 图7B中的比较图线表示了在钻头上施加相同重量的情况下井底组件压缩长度与第一阶纵向弯曲之间的关系，其中，该对比是在本发明一实施方式与普通的钻铤之间进行的； [0074] 图7C中的比较图线表示了在钻头上施加相同重量的情况下井底组件压缩长度与第二阶纵向弯曲之间的关系，其中，该对比是在本发明一实施方式与普通的钻铤之间进行的； [0075] 图8中的示意性正视图表示了本发明一种可能的应用方式-作为钻管与井底组件之间的过渡构件，用以改善钻进作业；以及 [0076] 图9是一个部分剖开的正视图，表示了根据本发明的、带有螺纹的力传递连接件。 具体实施方式[0077] 尽管下文将结合当前优选的实施方式对本发明进行描述，但可以理解：这些描述并不意味着将本发明限定在这些实施方式的范围内。与此相反，所有的改型、替换和等效形式都应当被包含在本发明设计思想的范围内。 [0078] 下面参见附图，更具体是参见图1、图1A、以及图1B，这些正视图表示了一种钻进组件10上一部分的一种可能结构，该钻进组件可被应用在根据本发明的钻杆柱中。优选地是，钻进组件10可被用作底部钻井组件的一部分，但也可根据需要用在钻杆柱的其它部位处。在图1中，上部部分12与下部部分14的结构可以相同或显著不同。上部部分12与下部部分14通过接头23连接起来。图1A表示了上部重质组件12一种可能的结构，图1B表示了下部重质组件部分14一种可能的结构。在图1A和图1B所示的具体实施方式中，上部组件部分12和下部组件部分14具有不同的功能(下文将对此进行讨论)，且这两个组件部分可独立使用或相互结合起来使用。例如，如果希望利用靠近钻头的各个组件12来传递力，则可将多个上部组件部分12通过螺纹连接并堆叠在一起。作为备选情况，可将多个下部组件部分14叠置到一起，以增大井底组件的重量。 [0079] 在图1A所示组件12的正常工作中，内部部分-例如部分16可相对于外部部分-例如部分17移动，以便于在钻进过程中向钻头施加重力或作用力，同时能将外部部分17保持在拉伸状态。与图1B所示的实施方式进行比较发现，在图1B所示组件14的正常工作中，内部部分18不相对于外部部分24移动。底部钻井组件的一种优选实施方式将采用多个叠置在一起的、与组件部分12类似的组件(这些组件被旋接到一起)和/或多个叠置在一起的、与组件部分14类似的组件，其中，后一类组件被用在井底组件中，以取代标准的重质钢制钻铤。因而，两种组件12、14可相互独立地使用，且可一起或不一起使用。 [0080] 在上部组件12中，高密度部分16相对于外管17可滑动地安装着。在一优选实施方式中，高密度部分16可包括钨合金(下文将对此进行讨论)。采用其它的高密度材料-例如(也只是举例)重金属、钢铁、贫铀、铅、钼、锇、和/或其它致密材料，也能获得本发明的一些优点。如果希望的话，部分16可采用较轻的材料，以将作用力从组件12传递过去。但是，如此处所明示的那样，在一优选实施方式中，多个高密度部分16能在钻头上产生很大的作用力。 [0081] 由于与高密度部分16有关的重量或作用力优选地被传递给下方的接头，而不是传递给外管17，所以外管17和/或其它外部管必然不会受到高密度部分16重量的压紧。外管17而是更有可能根据其在井底组件中的相对位置而被置于拉伸状态，由此可增强井底组件。如下文详细讨论的那样，本发明通过使用了根据本发明的钻进组件-例如上部组件12和/或下部组件14，能使井底组件的压缩长度(即井底组件受压缩的部分)缩短很大的百分比(参见图5A-5C以及图7A-图7C所示的图线)。井底组件压缩长度的缩短导致组件的刚挺性提高，组件转动时产生的振动更小，且能消除或减轻纵向弯曲-飞轮效应。因而，刚挺性增大的钻杆柱能转动得更快，并能钻出更为整洁、准确的井孔，且提高了钻进速度(ROP)。 [0082] 如图3A-3E所示，在本发明的另一实施方式中，钻杆柱井底组件中外管构件的所有长度或实际上所有长度和/或选定的长度处于拉伸状态。通过与纵向弯曲点相比极大地缩短井底组件的压缩长度，能基本上消除井底组件的纵向弯曲。在图3A-3E的实施方式中，优选的高密度元件-例如钨合金部分的重量可通过互连接头传递给其它任意数目的下部部分，并一直传递到钻头的顶部。因而，可显著减轻或完全消除钻杆柱在转动过程中由于井底组件纵向弯曲而引发的不平衡的飞轮效应。 [0083] 本发明的钻进组件12、14中的部件比标准的31英尺长钢制重钻铤更小、更短。因而，如下文讨论的那样，可对组件部分12、14执行机加工、调节或配重，以实现动平衡和静平衡，从而进一步减弱或消除所有的飞轮效应。刚性而平衡的井底组件能平稳而笔直地执行钻进，并减少钻头的涡动。如下文讨论的那样，所制成的井底组件采用了经过平衡的、刚性的、同心的、大重量的子组件-例如钻进组件12、14，从而能更快地转动。与普通的底部钻井组件相比，如下的几方面因素降低钻杆柱的扭矩或钻杆柱转动的阻力，这些因素包括：更好的平衡、同心度、增大的振动特性、以及与井孔壁相接触的表面积可能的减小。ROP通常与钻杆柱的RPM(转速)直接相关，从而，使钻进RPM翻倍就同样能使钻进速度翻倍。 [0084] 在许多石油油田和天然气田，钻进速度(ROP)还与钻头上的重量成比例，从而，如果计入浮力效应之后钻头上的实际重量翻倍，则钻进速度也能翻倍。 [0085] 在根据本发明的井底组件的一优选实施方式中，作用在钻头上的重量或作用力集中在靠近钻头的一个位置处，从而，可显著避免钻头的横向振动运动，其中，产生该横向振动运动是由于增大的作用力所致，增大作用力是为了克服集中在钻头处的质量明显增大的惯性而需要的。因而，由于井孔更为准确、ROP更快，能显著削弱或阻止钻头的涡动。如下文讨论的那样，利用所用优选高密度材料的弹性和隔噪音效果，还能减弱其它的振动效果-例如钻头跳动等。尽管现有技术的研究大量地集中在钻头的设计上，以消除钻头的涡动、跳动、以及扭曲，但本发明人认为：通过按照文中介绍的这样的井底组件的设计，能更好地解决上述的问题。 [0086] 在图1B所示的本发明实施方式中，组件14可包括高密度部分18，其被固定连接到外管20上。因而，在组件14中，内部部分18不能相对于外管或外壁20移动。进行安装的一种优选措施是采用冷缩配合的安装方法，利用该方法，当两部件18、20的温度相同时，两配合表面的紧公差阻止进行组装，但是，对部件18、20中的之一进行加热或冷却就能允许进行组装，并能在温度稳定之后形成非常牢固的配合。例如，可将外管20加热到一个较高温度上-例如可加热到约450华氏度，因此使外管膨胀。然后，由于很大的温度差造成外管的膨胀，所以可将高密度部分18插入到外管中，其中，在均等的温度上，尺寸大致相同的高密度部分18是无法实现配合的。当外管20和高密度部分18处于相同的温度时，两部件就能相互牢固地保持在一起。如下文介绍的那样，优选地是，高密度材料包括一种钨合金，其被设计成与钢铁具有类似的拉伸强度和弹性。因而，组合形成的组件与标准的钢制重钻铤具有类似的机械特性，但其重量几乎是标准的重钻铤的两倍。在较重的泥浆中，在扣除浮力效应的影响之后，组合形成组件实际作用在钻头上的重力大于相同长度标准钢制重钻铤的两倍。(见图6) [0087] 在上述的设计中，优选地是，在高密度部分16、18的内部利用冲洗管或内管构件22和24来保护并保持着高密度部分16、18。因而，优选地是，高密度部分16、18被包含在诸如钢管的内管状构件与外管状构件之间，而不是暴露在经过孔腔26的循环流中。在一优选实施方式中，高密度部分16、18还被密封在其中，以防止与循环流发生任何接触。如果希望的话，假如存在很大的温度差，该温度差能提供足够的装配间隙，则还可通过组装将内管 22和/或24固定到高密度部分16和18中(或作为备选方案)，从而，在各部件的温度大致上相等之后，各个部件能紧固在一起。 [0088] 在定向钻进的过程中，如果能尽可能地接近钻头进行地磁测量，则将是高度有利的。通常情况下，在定向钻机所执行动作的效果能被看出来之前，需要钻进100到300英尺，原因在于需要使罗盘远离磁性的井底组件。这有时会导致偏离目标，并增加进行修正以返回目标的难度。在本发明一实施方式中，使用了非磁性的钨合金。在此情况下，内管和外管-例如22和20可包含如蒙乃尔合金(Monel)等的非磁性金属。由于与现有技术中的蒙乃尔合金管相比能显著减少蒙乃尔合金的用量，所以能显著减少蒙乃尔合金材料方面的成本，其中，采用蒙乃尔合金管通常是为了进行地磁测量。另外，通常不使用用蒙乃尔合金制成的重质钻铤，因而，在钻杆柱的重质钻铤部分附近或其中通常不能进行罗盘测量。通过允许在距钻头较近的地方执行罗盘测量，能显著提高钻进的精度。 [0089] 用于定向钻进的高密度组件的其它构造可包括这样的措施：使用钨粉末或糊状物，以形成一易于弯曲的增重部分，其可被用在定向性的钻进中，在此类钻进作业中，刚性的井底组件可能会带来卡钻(sticking)的问题，甚至无法满足钻进工程所需的单位深度弯曲必要度数的要求。根据本发明该实施方式的井底组件具有较大的柔性和更重的重量，该井底组件能将更大的重量施加到钻头上-即使使用了具有相当大角度的弯曲接头。根据本发明，能在定向钻进的过程中向钻头施加更大的重量，这一能力易于提高定向钻进作业的ROP，由此能显著降低定向钻进较高的成本。定向钻进的井底组件可包括泥浆马达、弯曲的接头等。采用柔性的增重部分以及这种类型的定向钻进组件能提供用于改进而快速的定向钻进装置。此外，在井底组件自身中采用非磁性材料带来了这样的可能性：使罗盘比现有情况更近地靠近钻头，因而能完成更为精确的钻进、更少的扭曲，并能沿优化的钻进路线、以更快的ROP更好地钻出精确地穿过钻进目标区的井。 [0090] 在一优选实施方式中，优选钨合金的拉伸强度和弹性被调节成与钢铁的指标类似。本发明一优选实施方式完全避免了在钨合金中使用钴，以使钨合金具有更大的弹性。过去，在钨合金中使用钴来增大其拉伸强度。但是，拉伸强度的增大会降低弹性，使得钨化合物变脆。根据本发明的一种实施方式，避免使用钴钨合金，原因在于这样的合金不适于广泛地用在井底组件的环境中，在该环境中，其要受到多种类型的应力-例如扭曲应力、弯曲应力、压缩应力等，这些应力井底组件都会遇到。根据本发明，一种当前优选的实施方式中钨合金包括93-95％的W(钨)、2.1％的Ni、0.9％的Fe、以及2-4％的MO。该合金的塑性大于用在井底组件中的现有钨合金的塑性，因而更适于耐受井底组件所产生的应力。优选地是，对各个部件进行调整，使其机械特性与钢制部件的性能类似，由此，认为上述的组成是最佳的，其使得组件的许多作用都与普通的钢制钻铤相同。 [0091] 钨合金具有很高的机械振动阻抗，其抗振性能约是钢材的两倍，这也能限制钻杆柱的振动，从而能减少钻杆柱中钻具接头的失效。如下文结合图8也讨论的那样，在本发明一实施方式中，在井底组件与钻杆柱之间、或在钻杆柱上的其它所需位置处利用含钨合金的过渡部分，以衰减从井底组件传向钻杆柱的振动。可按照文中所介绍的结构实施方式来设计过渡部分，且过渡部分可以设置在井底组件与钻杆柱之间。 [0092] 图2表示了根据本发明一实施方式的钻进组件30一种可能的结构，其采用了多个以相互配合关系叠置在一起的钨元件32。优选地是，对每个钨元件32的尺寸都严格地进行控制，以使钻进组件30达到平衡。同样，对外管40、上部部分44、下部部分46的尺寸也严格地进行了控制。组件30的长度约为标准钻铤长度的一半。每个元件的尺寸都足够小，从而在机加工过程中能严格控制各个尺寸。如果检测到任何静不平衡或动不平衡，则可采用一特别配重的钨元件32，并将该元件插入到所需的转动和轴向位置上，并固定在适当位置上，以修正不平衡。在一优选实施方式中，在进行组装的过程中，优选地是当存在很大温差时将钨元件32插入到外管40中。对尺寸公差进行选择，以使得配重钨元件32只有在存在很大温度差时才能插入到外管40中。当温度大致上相同时，各个部件相对的膨胀/收缩将形成一个非常紧密的牢固配合。 [0093] 钻进组件50可被用来将作用力从井底组件的上部位置传递给下部位置，其中的作用力例如是重金属、钢铁、钨、贫铀、铅、和/或其它致密材料的重力。 [0094] 图3A表示出了钻进组件50一个部分的内部构造。钻进组件50可包含许多个图3A所示的部分，这些部分被旋接到一起，与普通的钻杆柱管相同，这些部分能将作用力(例如是由重量产生的作用力)通过组件和带有螺纹的连接器传递。 [0095] 图3B示意性地表示了重量传递钻进组件50一种可能的基本工作模式。钻进组件50可包括任意数目的高密度重质环段，环段是由外管54A-54D以及支撑在其中的可动重量组包56A-56D构成的。作用在各个重量组包上、或重量组包内产生的重量或作用力可集中起来经钻具接头传递给下方的另一个重量组包上。优选地是，大重量的重量组包56A-56D可包含钨合金，但可滑动的重量组包可包含任意材料-包括低密度材料，在特定的应用场合，低密度材料适于提供所需的重量。各个高密度重量组包56通过棒体/管件/或其它装置相互连接起来，从而，在井底组件中，可将重量经多个带螺纹的连接件(它们将管件连接起来)向下传递，就如普通钻管那样进行传力，甚至可将所有的重量直接传递给钻头82。在一优选实施方式中，外管54A-54D的大部分或所有管长都被保持在拉伸状态，从而能有效地消除井底组件的钻铤发生纵向弯曲。将一个或多个高密度重量部分56A-56D的所有重量都经多个螺纹连接件直接作用到钻头82顶部上的设计具有阻止钻头跳动的效果，原因在于钻头向上运动必须要克服很大的惯性。根据本发明的钨合金的高吸振性能也能减弱钻头 82向上振动的趋势。因而，钻头82被保持在地层面上，从而能快速、平稳地钻进。 [0096] 可将钻头面保持与井筒底部相接触的能力极大地增加了钻进速度-尤其是对于现代的PDC(聚晶金刚石复合片)钻头。钻头上的PDC切削元件具有非常短的长度，在理想情况下，其必须保持与被切削表面的恒定接触，以实现最大的切削效果。因而，根据本发明的井底组件理想地适于使现代PDC钻头的钻进潜力最大。 [0097] 重量组包54A和54B可包括多个钨化合物元件32，图4表示了该元件的一种实例。在该实例中，每个钨元件32都具有一销体34、一箱体36、以及一本体38。这些钨元件被堆叠到一起。可按照非常高的公差制造出较短的钨元件32，由此来避免任何不平衡现象。优选地是，最后制成的组件是动平衡和静平衡的。如果必要的话，可利用这些钨元件完成任何精确调整的平衡，钨元件经过配重以抵消不平衡，利用凸片、沟槽等结构将钨元件在轴向进行定位，并固定在某一径向位置上。 [0098] 由于本发明的钨化合物具有柔性，所以，在本发明其中一实施方式中，钨材料的相对厚度可被制得较外管如20、40、54A等外管的厚度大。因而，与上文讨论的某些现有装置相比，本发明的单位体积内具有更高的密度。例如，在一当前优选的实施方式中，与现有技术中采用厚壁钢套筒的情况相比，希望本体38的壁厚比外管的壁厚至少大25％到50％。对于直径为10.0英寸的、可被用来钻出井孔的组件，现有技术中使用了直径为9.5英寸的钻铤，假定增重部分32中通孔的直径为3.5英寸(按照现有技术中的其它井底组件，某些场合下，该尺寸可被减小到接近2.875英寸)，与外管的壁厚为1.0英寸相比，本体的壁厚为2.25英寸。因而，在此情况下，增重部分32的壁厚比外管的壁厚大125％。 [0099] 在一优选实施方式中，销体34和箱体36具有一定的锥度-约3到4英寸/英尺。这样的结构使得各个增重部分32之间的连接非常坚固，该连接具有很高的抗弯曲能力，从而形成了更加刚性的组件。 [0100] 各个增重部分32被叠置到一起，且可利用压缩方法、以冷缩配合的方式进行安装，或者安装成可轴向运动的。在任何情况下，本发明都不考虑在增重部分上设置螺纹以将它们与外结构管连接起来的必要性，在现有技术中，利用脆性的增重材料尝试了这样的设计。 [0101] 如图3A所示，钻进组件50用于通过带螺纹的连接件来传递作用力和/或重量，钻进组件50可包括一个或多个中空的管状构件-例如管壳54A或54B。两管壳54A、54B的一端优选地固定到销形螺纹体74的销体-例如销形部分71上。每一管壳54A、54B的另一相反端可被固定到套形螺纹体86的销体-例如销形部分73上。优选地是，销体部分71、73采用了相同类型的螺纹，以便于在钻进组件50中将多个管壳结合到一起。应当指出的是：诸如管壳54A、54B等的套壳可包括多段管体，并能被制成选定的长度。在此情况下，可利用接头52将构成一管壳-例如管壳54A的每一管状构件与另一管状构件固定起来，接头52优选地包括一个双销的螺纹体，由此可形成任何长度的管壳。 [0102] 重量组包56A、56B被设置在中空的管壳54A和54B中。如上文讨论的那样，重量组包56A、56B可用任何合适的材料制成-例如重金属、钢铁、贫铀、铅、或其它的致密材料，但优选地是用钨合金制成。重量组包56A、56B可被制成固态的形式、液态形式、或粉末形式-例如钨粉末或钨糊状物。优选的是，任何的液体和粉末可被设置在密封的容器内，以防止任何可能的泄漏。可用安装不同的方式来安装重量组包56A、56B。如果如图3A所示那样：重量组包56A、56B被用作重量传递系统的一部分时，重量组包56A、56B最好能在空间70中自由地上下滑动一小段轴向距离，但利用合适的装置(其中的某些装置已在文中进行了讨论)使重量组包完全不能在径向上运动。 [0103] 在一优选实施方式中，重量组包56A、56B优选地是在管壳54A、54B中进行对中。在一种可能的实施方式中，可利用定心环92完成重量组包的对中。优选地是，定心环92被设计成能调节温度和压力的变化，使得重量组包56A、56B的直径在井下环境中能得到补偿。定心环92允许重量组包56A、56沿轴向运动。在另一实施方式中，可采用凸片、翼片、沟槽、管件等结构。 [0104] 不必一定要将定中元件设置在重量组包的外表面与外管的内表面之间。例如，在图4A所示的另一实施方式中，例如可在销体34上用螺栓连接青铜凸片。青铜的热膨胀率大于钢铁或钨的热膨胀率，因而，在加热过程中，其将膨胀，从而将重量组包对中地保持在外管中，例如，具有一个基本上与温度无关的固定的环形空间。 [0105] 但是，如果需要的话，也可通过冷缩配合的方法来限制重量组包56A、56B，或者使其在销体和箱体之间受到压缩。在此情况下，钻进组件的工作方式更像上文讨论的钻进组件14。 [0106] 优选地是，利用冲洗管例如冲洗管58(见图3A)将重量组包56A、56B密封在管壳54A与54B之间，以防止重量组包与流体接触，其中，与流体接触的原因是循环流流经贯穿钻进组件50的孔洞75。冲洗管58的下端使用了密封件60，上端使用了密封件，以将重量组包密封起来。优选地是，出于压力平衡的目的，用一种不可压缩的流体填充空间70以及包封着重量组包56A、56B的密封容积。 [0107] 在一优选实施方式中，上传力管78和下部重量传递管80被分成两个部分，且在连接部87处相互接合起来。还可采用其它的设计来连接重量传递元件或避免将重量传递元件连接起来的需要，但这需要操作人员在安装过程中增加一些部件。因而，这种结构允许工作人员基本上按照通常的方式将井底组件的各个部件相互连接起来，所述的通常方式即为将标准钢制重质井底组件连接起来的方式。 [0108] 上部重量传递管78和下部重量传递管80还使用了密封件，以防止流体泄漏向重量组包56A、56B。使用密封件62是为了将上部重量传递管78的上端封闭，使用密封件76是为了封闭上部重量传递管78的下端，其中，此处的密封是相对于重量组包56A和56B而言的。出于同样的目的，下部重量传递管80使用了密封件84、88。 [0109] 上部重量传递管78和下部重量传递管80还能随重量组包56A、56B在轴向上移动。因而，上部重量传递管78和下部重量传递管80能将上部重量组包56A的重量传递到下部重量组包56B上。上部重量传递管78包括上部平台79，其接合着上部重量组包56A，并支撑着该重量组包的重量。施加到上部平台79上的作用力被施加到下部平台81上和重量组包56B的顶部上。从而，每个高密度部分的重量都向下传递，甚至可通过一钻头接头直接施加到钻头的顶部上。利用可在轴向上相对运动的重量部分的重量，可将外管-例如外管54A、54B保持在拉伸状态，由此提供刚性的井底组件，这将有效消除纵向弯曲。由此可实现更为准确的钻进，在许多情况下，准确的钻进能免于使用扶正器的需求，从而可避免由于使用扶正器而产生的成本、摩擦以及扭转力。 [0110] 尽管在该优选实施方式中，用一个或多个重量传递管-例如上部传递管78和下部重量传递管80作为重量或作用力的传递元件，但也可采用其它的重量或作用力传递元件-例如棒体或类似装置。此外，重量或作用力传递元件可延伸穿过除中心孔腔75之外的其它孔洞，以对增重部分进行连接。因而，本发明并不限于图示的、采用分开的管状作用力/重量传递元件的方案，尽管该方案在当前是优选的。作用力或重量传递管78、80实现了一种较为简单的构造，该构造允许按照常规的方式、采用用于此目的的标准设备将多个重质部分连接起来。 [0111] 应当指出的是：重量或作用力的传递是通过标准的带螺纹销-套连接件83完成的，而此类连接件在钻杆柱中的应用是常见的。根据本发明，重量或作用力可由任何所希望的钻杆柱部件进行传递。例如，图3F表示了重量组包56A的重量通过扶正器94进行传递的情形。如果希望的话，扶正器94可与外管制成一体或加工成一体，从而免于进行连接。对于需要分开式扶正器的现有重质钻铤而言，这样的构造却是困难或不实用的。由于本发明部件的结构是这样的，所以能将所需的结构-例如扶正器94直接加工到外管上。但是，还可通过其它的装置来安装扶正器94，或将其夹到外管上/或制成一个单独的构件。 [0112] 在一优选实施方式中，贯穿普通扶正器的一个扩大或镗出的孔洞使得重量传递管能被插入到其中。销-套连接件的弯曲强度比(BSR)约在2.5的范围内，该数值通常是理想值，其使得箱体元件与销体产生相等的弯曲，从而任何一个元件都不会受到太大的弯曲应力。可改变销-套连接件的各个部分以获得所需的BSR-例如通过接头处镗出通道。往往通过简单地镗出通道就改变许多标准的钻杆柱部件，且这些部件仍然能很好地处于理想的BSR范围内，从而不需要使用专用的设备。因而，还可应用重量传递管状结构来将重量或作用力经过任何类型的钻进元件-例如扶正器、钻头连接部分等进行传递。 [0113] 贯穿管状重量传递元件78和80的笔直且不受干扰的连续壁流通路径形成了一条穿过井底组件的、更为连续的孔腔，从而可减小流体的湍流以及在销-套连接件处发生的相关磨损，现有技术中的重质钻铤部分则会发生上述的情况。按照标准的钻进作业流程，由于钻进流体要环流经过钻杆柱，所以流体的湍流和磨损会缩短现有技术中重质钻铤部分的寿命。因而，传力管状元件78、80还具有这样的优点：与现有的销-套型井底组件连接件相比，其实际上能提高销-套连接件的可靠性。 [0114] 采用多个重量传递组包，能在非常接近实际钻头或作业区的短距离范围内施加非常大的重量。图3C-图3E表示了采用钻进组件50将重量组包的重量施加在一些距离处的实例，例如在图3C中，施力点102是在钻头上方的两英尺处，在图3D中为钻头上方14英尺处的点104，在图3E中为钻头上方45英尺处的点106。图7A-7C中的图线表示了这些数值与现有重质增重部分的对比。因而，位于这些位置点上方的外管处于拉伸状态，由此获得了刚性的、同心平衡的井底组件。钻进组件(例如钻进组件14、50)中各个部件可采用许多种不同组合形式，以在所需的位置处尽可能增加井底组件的重量，进而实现有效地钻进。所作的一切都是为了增大钻头上的重量，并使重量远低于普通井下钻具的纵向弯曲点。 [0115] 采用本发明能消除或显著减少目前与增重钻进需求有关的大部分问题：例如井底组件的弯曲、井底组件的纵向弯曲、压差卡钻、螺纹连接件断裂或损坏、井孔或钻进弯曲、井孔冲蚀、钻管弯曲、井下振动、钻头涡动、钻杆柱突然移动、钻杆柱缠绕(卷绕)、钻头拍击-卡住、钻头磨损、钻头弹起以及其它的问题。由于消除或减少了这些问题，可以预计能增大钻进速度，并能显著降低总成本。 [0116] 图5A-5C表示了本发明的一种实施方式，从这些附图可看出，井底组件的压缩长度是可调节的，且与现有钻进组件相比极大地缩短。例如，在图5A中，在12lb/gal的泥浆中，压缩长度112在钻头上提供约15.8千磅的重量。从图中可容易地看出，与图5C所示的、采用标准钢制钻铤的井底组件120很长的压缩长度116相比，根据本发明的井底组件110的压缩长度112很短。标准的井底组件120只提供了10.0千磅的重量，但其压缩长度却长得多。如上文讨论的那样，井底组件120更易于出现弯曲/纵向弯曲和许多其它的问题。如图5B所示，远小于压缩长度116的压缩长度111能产生32.3千磅的钻头上重量(WOB)或三倍于图5C所示现有技术中普通构造的钻头上的重量(WOB)。因而，可以预计：图5B中的结构能比图5C所示现有技术中的构造更快、更准确地执行钻进。 [0117] 如上文讨论的那样，底部钻井组件的压缩长度缩短具有很多优点：例如能减少纵向弯曲，实现更准确的钻进。应当指出的是：上述的各个压缩长度是各个中性区122、124、126。在各个中性区122、124、126的上方，钻杆柱处于拉伸状态，因而不会发生纵向弯曲。通过采用本发明的钻进组件，可以使很大比例的井底组件处于拉伸状态，由此能使井底组件具有更大的刚性，如上文解释的那样，刚性更大的井底组件能以更高的ROP钻出更准确的定位孔。 [0118] 图6表示了一种优选的实施方式，在该实施方式中，本发明高密度组件的直径最好是比标准直径的钻铤略微加大。即使直径大于标准钻铤的直径，本发明所造成的冲蚀也能减小，该冲蚀是由流经较小环形空间的流体流速造成的，按照文中所列公式的数学计算证明了这一点。这是因为可减小重质钻铤的长度、同时还能产生相同的重量。该分析忽略了较快的ROP对减小冲蚀作用的显著效果。另外，该分析还忽略了更准确、更直的井孔对冲蚀作用的明显效果，而此效果是非常重要的。因而，对于相同重量的井底组件，长度可缩短很多-缩短约一半。由于长度缩短，所发生的冲蚀现象要比普通钢制井底组件少。在背景技术部分中讨论的现有较大直径井底组件在冲蚀方面存在重要的问题-尽管采用大直径的井底组件具有使至少部分重量靠近钻头放置的有利作用。另外，由于通过采用本发明，能使钻头上的实际重量约为几倍或更多，所以能获得更快的钻进速度，从而能进一步减轻对井孔的冲蚀。由于井底组件较短，所以还能降低环流系统总的压力降。井底组件较短的长度还会降低在井孔中卡钻(例如压差卡钻或其它类型的卡钻)的可能性，使得钻进作业不受剧烈事件的干扰，而这样的突发事件可能会造成井孔的废弃。 [0119] 图7A中的对比图表示了本发明一实施方式的两英尺压缩长度的井底组件与压缩长度为89英尺的普通钻铤在钻头上施加相同重量(WOB)时的对比。图7B中的对比图表示了井底组件压缩长度及与第一阶纵向弯曲的关系，其中，该对比是在根据本发明的一种实施方式与向钻头施加了相同重量的普通钻铤之间进行的。对于处于12lb.泥浆中的普通9.5英寸钢钻铤，第一阶纵向弯曲约为150英尺。第二阶纵向弯曲为290英尺。与此对比的是，本发明10英寸组件在12lb.泥浆中的第一阶纵向弯曲为140英尺，第二阶纵向弯曲为 275英尺。在本发明中，在第一、第二阶纵向弯曲处，钻杆柱处于拉伸状态，因此可消除或减小纵向弯曲。下面列出了这些计算公式： [0120] [0121] [0122] 其中：E＝弹性力矩； [0123] I＝惯性矩；以及 [0124] P＝Lbs-ft浮重 [0125] 在图7A所示的情形中，对于在12.0lb.泥浆中15750lbs.的钻头上重量(WOB)，根据本发明的井底组件的压缩长度对于所有实践目的都不会受纵向弯曲的影响。 [0126] 在图7B所示的情形中，对于在12.0lb.泥浆中32390lbs.的钻头上重量(WOB)，根据本发明的井底组件的压缩长度只是第一阶纵向弯曲的1/10，因而几乎不受影响。但对于普通的钻进组件，压缩长度大于第一阶纵向弯曲，因而，井底组件易于在转动过程中产生明显的摇摆或不平衡的飞轮效应。 [0127] 在图7C所示的情形中，对于在12.0lb.泥浆中51500lbs.的钻头上重量(WOB)，根据本发明的井底组件的压缩长度只是第一阶纵向弯曲的1/4。而普通钻进组件为了获得相同的WOB则需要具有290英尺的压缩长度，在此情况下，井底组件既存在第一阶纵向弯曲、也存在第二阶纵向弯曲，易于在钻进过程中产生显著的摇摆。 [0128] 总结上文的描述可看出：根据所需的作用，利用本发明能极大地增加井底组件的刚度，或能极大地增大其柔性。 [0129] 图8表示了本发明的另一种应用，其被作为过渡元件142，用于将井底组件140与钻杆柱144相互连接起来。由于钨具有很高的防振效果，所以井底组件在钻进过程中产生的振动能被显著地衰减掉。这就保护了管的连接件，并能使MWD、LWD设备对于经钻杆柱或泥浆传输的声音信号具有更好的信噪比。如上文讨论的那样，重量组包还可被用来增加重量和/或缩短井底组件140的长度。如果需要的话，该过渡元件可被应用在钻杆柱的其它位置或多个位置处。 [0130] 图9放大地表示了根据当前优选的实施方式的力传递部分200，其用于传递作用力，例如将重量通过带螺纹的销式连接件202和带螺纹的箱式连接件204传递。公知的是：可使用钻机来形成和断开诸如202和204等的连接件，以便于将连接件用在钻杆柱中。力传递部分202包括可在轴向上运动的上传力管206和下传力管208，上传力管和下传力管可被用来通过螺纹连接来传力，其中的作用力如上文详细描述的那样例如是施加到钻头上的重量。还可使用泥浆密封件210、212在上、下传力管的周围密封。如果需要的话，可设置任何合适的防转动连接件-例如图示的防转动连接件214，从而使上传力管206和下传力管 208无法相对转动。应当指出的是：上传力管206在轴向上在销式连接件202中延伸，下传力管208在轴向上在箱式连接件204中延伸，以便于通过该连接关系来传递作用力。还能明显地认识到：可使用标准的钻机设备(无需改造)，将销式连接件202和箱式连接件204连接上或分离开。在此处的语境中，所述钻机可包括钻塔和用于连接/分开管件的其它装置-例如修井设备、全套机组、海底介入设备、和/或用于在井中形成长管的盘管单元和/或其它设备。 [0131] 如上文讨论的那样，本发明的另一方面在于获得了静/动平衡的钻进组件。相对较小部件的公差非常严格，优选地是，要求诸如重量组包和其它管状构件的部件的机加工圆度在0.005英寸内，且可小于0.003英寸。这样，该旋转轴与该物体的惯性主轴一致。转动体的不平衡状况可被划分为静不平衡和动不平衡。例如，可对组件进行测试以验证其在自由转动时不会转向“重侧”。因而，重心应当位于转动轴线上。一个空转轮可处于精确的静平衡，但在其高速转动时则无法处于平衡状态。静平衡的物体实质上在两分开平面内受到扭转力时就可能出现动不平衡，其中的两个平面相对成180度。由于这些作用力处于分开的平面内，所以造成一个从一端向另一端的摇摆运动。在现有技术中，由于井底组件的纵向弯曲和弯曲，使井底组件达到平衡的努力很小，原因在于不论如何纵向弯曲和弯曲都会造成极大的不平衡。为达到动平衡，钻进组件首先要实现静平衡。如果必要的话，在转到工作转速之后，可通过按照平衡机的指示增加或减小重量来消除超出容差的动不平衡。确定不平衡幅度和转角位置是平衡机和其操作者的任务。如上文讨论的那样，由于重量组包是分段设置的，且任何一个重量组包都能根据需要被可转动地调节和轴向定位，所以能修正超出容差的任何不平衡。如果需要的话，可在重量元件32的销体34和箱体36上设置沟槽、销等结构，以使得各个重量元件能被固定在特定的转角位置上。基于井底组件的质量和预期的转速确定出可允许的不平衡容差。 [0132] 总而言之，本发明使井底组件的单位立方英寸的平均重量更高。例如，普通钢制重钻铤的单位体积重量或平均密度约为0.283磅/立方英尺，而根据本发明的钻进组件的单位体积平均重量则显著加大，约为0.461磅/立方英尺。钨的防振特性可降低钻头的振动，以实现更为平稳的钻进。更大的单位体积平均重量允许井底组件采用较短的压缩长度。重量集中在更靠近钻头的位置可减小钻头的涡动、钻头振动以及钻头跳动。在一优选实施方式中，本发明的钻进组件比现有井底组件具有更好的平衡性能，这是因为对整个钻具的同心度和直线度实施了更为严格的控制。由于钻头的磨损减小、振动减弱、钻头的涡动变小、且跳动减弱，所以可提高钻进速度。由于减小了振动，所需的拆装钻头次数得以减小，其中的原因在于钻头的寿命得到了延长，且钻具接头受到的振动应力也变小。在钻杆柱上作用了较低的扭转应力，原因在于井底组件由于表面积减小且转动更为同心而使壁面的接触减小。根据本发明的井底组件的压缩长度与第一或第二阶管体纵向弯曲(参见计算附表)相比有很大的减小，所以，根据本发明的井底组件更加平直。还应当指出的是：采用增重组件诸如钻井组件10、12、14、30、或50或它们的改型的具有更高的平衡性和减振性的井底组件更快地转动，且减轻了振动和谐振，由此可提高钻进速度。 [0133] 重量转移组件的作用在于将几个钻铤的内部重量经钻具接头从上钻铤传递到下钻铤或钻杆柱的最下位置点处，同时还将整个BHA(井底组件)保持在拉伸状态。在钻杆柱上不存在任何弯曲或纵向弯曲力矩，且所有的重量都被直接施加到钻头上。钻铤的长度可与标准钻铤的长度相同，且在进行组合和拆分方面也没有区别。钻头附近的组件可具有钨基质的重量，而钻头上方的组件则是钨/铅重量。钨基质可降低振动、跳动、以及颤动，并能在钻头上方的紧凑区域内提供更大的功率。通过将钻进所需的重量传递到非常靠近钻头的位置，中性点也能被降低到这一点。另外，将重量直接施加到钻头上方能增大恢复力(将钟摆从其垂直位置移动所需的力)，并能增大使物体追踪真正同心转动轴线的向心力。将重量布置在钻头附近能增大钻头的惯性或对地层的冲击，并能将钻头更稳定地靠着地层而保持，对于某些类型的钻头，尤其希望能有这样的效果。由于惯性增大，对拖动作用的阻力也增大，使得钻头具有更稳定的钻进速度。 [0134] 因而，上文对本发明的描述和公开只是示例性，只是为了解释本发明当前的优选实施方式及其改型，本领域技术人员能领会到：在不偏离本发明设计思想的前提下，可对设计、制造、布局、组织、工作次序、操作手段、设备结构和位置、方法、等效机械的使用、以及各元件图示构造和特征组合的详细情况作出改动。例如，本发明还可有效地应用在岩心取样和标准的钻进作业中。另外，本发明的构造可被应用在其它钻具中，及应用于冲击式钻进等其它用途中。例如，对于冲击式钻进，本发明能向钻杆柱的底部施加更大的重量，而不会损坏钻杆柱。 [0135] 一般来讲，可以理解：文中诸如“上”、“下”、“垂直”等方位词可参照附图和/或地面，装置并非在任何时候都被布置在这样的位置上，具体取决于操作、运输、安装等作业的改变。另外，附图被用来描述本发明的概念，从而，本文对本发明当前优选实施方式的描述只是对于本领域技术人员而言是明白的，并不准备达到完成生产图纸或实现最终产品的水平，附图根据需要而包括一些简化的概念性视图，以便于快速而容易地理解或解释本发明。因而，各种可被应用的改型和替换形式应当包含在本发明的设计思想中。由于在所教导的概念范围内存在很多改变的和不同的实施方式，且由于可在实施例中按照法规的说明性要求作出多种改动，所以可以理解：文中的详细描述应当被看作是对本发明当前优选实施方式的解释，而不具有限定的意义。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈