柔性钻柱 |
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| 申请号 | CN200810087071.4 | 申请日 | 2008-04-11 | 公开(公告)号 | CN101333912A | 公开(公告)日 | 2008-12-31 |
| 申请人 | 普拉德研究及开发股份有限公司; | 发明人 | 究斯·德克塞拉; 多米尼克·塞比纳; | ||||
| 摘要 | 一种用于钻进侧向钻孔的柔性 钻柱 ，包括：螺旋外部金属丝 螺旋 弹簧 ；和至少一个内部螺旋金属丝 螺旋弹簧 ，同心地驻留在外部螺旋弹簧内，相邻弹簧的圈具有相反的斜 角 ；其中：形成每个螺旋弹簧的金属丝具有横截面，以便：当钻柱直线对准时，在弹簧的相邻圈之间存在平面 接触 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于钻进侧向钻孔的柔性钻柱，包括： |
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| 说明书全文 | 技术领域背景技术[0002]在油和气井中，通常期望从主垂直钻井侧向钻出孔，以增加与主 钻井和排水区域周围的地层的连通。这些侧向孔通常认为泄流井眼。它 们提供了穿过周围地层的通道，并能够增加烃进入主钻井的井套管的流 速，并提高提取烃的量。 [0005]US 4,658,916公开了由具有矩形横截面的金属丝形成的至少两个 螺旋卷绕螺旋弹簧形成的柔性钻柱。这个文档描述了用于形成螺旋弹簧 的金属丝具有矩形横截面。然而，如果螺旋弹簧由矩形横截面金属丝形 成，在卷绕过程期间，由于改变形成弹簧的金属丝的最终横截面形状的 压力，金属丝会被扭曲，而不再是矩形，如图1所示。 [0006]具有柔性柱的一种困难在于：虽然柔性允许它弯曲以采用离开主 钻孔的角度指向钻头，以钻进钻孔，并且因此有助于钻进装置转过钻孔 中的弯曲，以便：它能够以从主钻孔离开的角度钻进通路。当它需要沿 直线通路钻进时，该轴的柔性会减小轴的稳定性，并会减小被提供给钻 头的扭矩。 [0007]因此，本发明的目标在于提供在弹簧的螺旋之间具有平面接触的 柔性柱，用于沿直引导通路或沿弯曲引导通路稳定传送扭矩和轴向负载 到钻头。 发明内容[0008]本发明的一个方面包括用于钻进侧向钻孔的柔性钻柱，包括：螺 旋状外部金属丝螺旋弹簧；和至少一个内部螺旋状金属丝螺旋弹簧，同 心地驻留在外部螺旋弹簧内，相邻弹簧圈具有相反的斜；其中：形成每 个螺旋状螺旋弹簧的金属丝具有横截面，以便：当钻柱直线对准时，在 弹簧的相邻圈的金属丝之间存在平面接触。在沿直通路钻进期间，当旋 转力和轴向负载被应用于钻柱时，在相邻圈之间存在平面接触。在形成 每个螺旋弹簧的圈之间具有平面接触有助于防止钻柱的压曲。金属丝的 横截面以便：即使当钻柱沿直方向钻进时，也保持相邻圈之间的平面接 触。 [0009]优选地，金属丝的横截面是棱柱的。更优选地，柔性钻柱的金属 丝的横截面是方形、矩形或菱形。这些横截面形状实现了螺旋弹簧的相 邻圈之间的平面接触。 [0010]螺旋弹簧的圈可以在圈的接触表面上具有脊，和/或在圈的接触表 面上具有槽。具有脊和/或槽增加了每个螺旋弹簧的圈之间的摩擦率。 [0011]该螺旋弹簧能够由平行螺旋绕的至少两条金属丝形成。使两条或 多条金属丝平行螺旋允许更多的扭矩传送，并减小螺旋角度。 [0012]柔性钻柱能够由具有预负载的螺旋弹簧形成。在螺旋体之间具有 预负载给弹簧纵向刚度，有助于在沿直轨迹钻进期间为柱提供稳定性。 [0013]该柔性钻柱还能够包括扭矩峰值过滤器。这保护轴防止由扭矩峰 值引起的损坏。该过滤器能够沿轴放置在任何地方。 [0014]该柔性钻柱可进一步包括在轴的下端处的钻头。 [0015]本发明的另一个方面包括制造如上所述的柔性钻柱的方法，包 括：卷绕金属丝以形成螺旋状螺旋弹簧；当它被卷绕时，对金属丝施加 机械变形；并使用螺旋状螺旋弹簧以形成柔性钻柱；其中：施加的机械 变形导致在卷绕后具有横截面的金属丝，以便：当轴向负载应用于钻柱 时，在弹簧的相邻圈之间存在平面接触。 [0016]优选地，该方法包括当它正卷绕时向金属丝施加预负载。 [0018]图1显示了在卷绕后的金属丝的变形的示意图；图2显示了在卷绕过程前和后的金属丝的示意图； 图3显示了用于制造本发明的螺旋弹簧的一个金属丝横截面的示意 图； 图4显示了能够用于本发明的一个螺旋弹簧的示意图；和 图5显示了在螺旋弹簧上发生的力。 具体实施方式[0019]该柔性柱由螺旋卷绕外部螺旋弹簧和同心地留在其中的一个或多 个螺旋卷绕并且更小的内螺旋弹簧形成。每个接连更小的内部螺旋弹簧 具有大致与邻接的更大螺旋弹簧的内径相同的外径。每个螺旋弹簧沿与 邻近螺旋弹簧相反方向卷绕，外部螺旋弹簧设置卷绕基准方向，并且沿 与钻头将旋转的方向相同方向卷绕。该弹簧相对于在钻柱上和下端处的 每个其它螺旋弹簧保持刚性。该弹簧紧密卷绕，同时每个螺旋弹簧的轴 向相邻螺旋彼此接触。在装配期间，尺寸或热膨胀能够用于去除邻近螺 旋弹簧之间的任何间隙，以便：螺旋弹簧紧密地被组装在一起。 [0020]每个弹簧由卷绕金属丝或线材或者金属丝状物形成，具有几何横 截面。然而，当它螺旋以形成弹簧时，该卷绕过程会导致金属丝的最初 横截面变形。因此，一旦形成弹簧，形成弹簧的金属丝具有与它螺旋卷 绕前最初开始的不同的最终横截面。 [0021]例如，如图1所示，由于当它形成螺旋弹簧时，置于金属丝上的 压缩力，具有最初方形横截面的金属丝(线材或者金属丝状物)被变形 成具有梯形横截面的金属丝。如图1所示，由沿其长度具有梯形横截面 的金属丝形成的螺旋弹簧在弹簧的相邻螺旋之间不具有平面接触。 [0022]为了形成相邻螺旋之间平面接触的螺旋弹簧，金属丝在卷绕前的 最初横截面必须得到校正，以考虑在卷绕过程期间出现的变形。参照图 2，金属丝具有当用于形成螺旋弹簧时最初梯形横截面，由于在卷绕过程期 间置于金属丝的压缩力，一旦形成弹簧，金属丝的横截面的最后形状是 方形。该角度β是金属丝的横截面得到校正的角度，以补偿金属丝将在 卷绕过程以形成弹簧期间受到变形。该最终方形横截面允许相邻螺旋之 间的平面连接。利用弹簧的螺旋之间的平面接触，当钻柱采用弯曲和直 形式时，柔性钻柱能够具有扭矩和轴向负载改进传送到诸如钻头的输出 设备。 [0023]通过或者在卷绕过程期间，将相反机械变形应用于金属丝，或通 过在将导致实现螺旋之间平面连接的最终横截面的卷绕过程期间，以由 于施加的压缩力改变时的横截面直接金属丝拉拔，能够进行对用于形成 弹簧的最初金属丝的角度校正。 [0024]在螺旋之间具有平面接触提高了沿直通路钻井时，柔性钻柱的性 能。相邻螺旋之间的平面接触给柱更好的防压曲效应，并当置于轴向负 载时，诸如在钻井期间，确保柱的刚性。 [0025]螺旋的表面之间的平面接触增加了摩擦，这减小了在扭矩下，弹 簧的直径的收缩。通过具有菱形横截面的弹簧，还能够帮助在扭矩下减 小弹簧直径的收缩。当金属丝具有如图3中所示的菱形横截面时，相邻 线圈之间将存在平面连接。具有菱形横截面以用于形成螺旋弹簧的金属 丝具有角度α，其中：角度α等于校正角度β，以考虑由于卷绕过程出 现的变形，和附加角度，以便：金属丝在卷绕过程后保持菱形横截面。 [0026]当形成柔性钻柱的弹簧螺旋受到扭矩时，这能够或者导致具有对 应的长度增加的直径减小，或者具有长度的对应减小的直径增加。如果 形成柱的弹簧交替卷绕，当弹簧处于扭矩下时，一个弹簧直径扩大，并 且其相邻弹簧直径减小，从而产生强、稳定和柔性柱。 [0027]用于形成柔性柱的弹簧能够是被预先加载的弹簧。在弹簧的卷绕 过程期间施加预先加载。这给钻柱纵向刚度，当沿直方向钻进时，使柱 具有稳定性。 [0028]参照图4，为增加相邻圈1之间接触的摩擦比率，脊2和/或槽 3被增加到形成螺旋的金属丝。用于在金属丝上形成脊和槽的过程能够 包括形成的金属丝的机械变形，或直接金属丝拉拔，然而可以使用其它 方法。增加相邻螺旋之间的摩擦率将减小在相邻表面之间会出现的滑 动，并且因此改进钻柱的稳定性。 [0029]在操作中，钻井装置包括根据本发明的柔性钻柱，钻头附于柱的 下端，该钻进装置被下降进入矿井中。为钻进钻孔，该柔性柱被引导以 旋转，并指向钻头以侧向进入主矿井的侧面中。该柱的柔性使轴能够以 短的半径扭转。旋转电机实现了柱和钻头的旋转。由电机给予旋转，并 且轴向负载被传送到柔性钻柱，引发钻头旋转，并进行钻进。通过柔性 钻柱，旋转扭矩和轴向力被应用于钻头。 [0030]参照图5，对于在弹簧的相邻螺旋之间具有平面接触的柔性钻 柱，在钻进过程中，施加的扭矩和轴向力更有效。这提高了传送到钻头 的扭矩。该可传送扭矩是旋转扭矩4和离合效果的总和，离合效果由于 沿轴的长度轴向力5和相邻圈的接触表面之间的摩擦率的组合。 [0031]在不背离本发明的情况下，可进行进一步的变化。 |
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