钻柱管状组件

申请号 CN201280053348.6 申请日 2012-09-07 公开(公告)号 CN103906887B 公开(公告)日 2017-04-05
申请人 OILSCO科技有限公司; 发明人 K·马霍茨基;
摘要 用于在油井或气井中使用的 钻柱 管状组件,其为管的形式,具有中心钻孔和用于使得 钻屑 流通的机构,所述机构包括至少一个径向 叶轮 (30),其配置对通过其的钻屑施加径向推 力 ,径向叶轮位于第一和第二轴向叶轮(10,20)之间,轴向叶轮配置成在相反的方向上将轴向推力施加到 流体 。所述第一和第二轴向叶轮的螺旋形部分通常在相应的相反方向上通常朝向径向叶轮延伸。因此,流体转向成径向远离管状组件的外表面,并由此进入环形空间的更 湍流 区域内,从而减少钻屑从悬浮液沉淀出来的倾向。
权利要求

1.管状形式的钻柱管状组件,其具有沿管轴线延伸的中心钻孔,以及两个端部,管状组件在每一端部处具有端部连接器,用于将钻柱管状组件连接到用于在地层中钻出井眼的钻柱内,所述管状组件具有用于使得油井或气井中的钻屑流通的一种机构,其中所述机构包括:
-从管状组件延伸的径向突起形式的至少一个径向叶轮,所述径向突起配置成将径向推施加到在通过管和孔之间的环形空间的钻井液中的钻屑流上,以使通过径向突起的钻屑被迫在径向方向上远离所述管状组件的外表面;以及
-从所述管状组件沿径向延伸的径向突起形式的第一和第二轴向叶轮,所述第一和第二轴向叶轮在所述管状组件上设置于相对于所述径向叶轮沿轴向间隔开的位置处,以使径向叶轮在轴向上位于轴向叶轮之间,轴向叶轮配置成将轴向推力施加到通过管和孔之间环形空间的流体上,以及其中由所述第一轴向叶轮施加到流体上的轴向推力的方向与由第二轴向叶轮施加到流体上的轴向推力的方向相反;
-第一轴向叶轮,其设置在管状组件的下向孔端部并且在其下向孔端部具有至少一个围绕管状组件螺旋形延伸的螺旋形部分以及在其上向孔端部具有至少一个限定了大致平行于管状组件的纵向轴线的通道的大致直线部分;以及
-第二轴向叶轮,其设置在管状组件的上向孔端部并且在其上向孔端部具有至少一个围绕管状组件螺旋形延伸的螺旋部分以及在其下向孔端部具有至少一个限定了大致平行于管状组件纵向轴线的通道的大致直线部分。
2.根据权利要求1所述的钻柱管状组件,其中每一轴向叶轮迫使流体朝向径向叶轮流动,以便在径向方向上转向远离管状组件轴线。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的钻柱管状组件,其中轴向叶轮包括围绕管状组件螺旋形地延伸的至少一个螺旋形部分。
4.根据权利要求3所述的钻柱管状组件,其中每一轴向叶轮具有针对每一叶轮的多于一个的螺旋形部分,并且其中在每一轴向叶轮上的螺旋形部分围绕所述管状组件的轴线沿周向间隔开,并且在沿着管状组件轴线的相同轴向位置处彼此对准。
5.根据权利要求3所述的钻柱管状组件,其中第一轴向叶轮上的螺旋形组件相对于第二轴向叶轮上的螺旋形组件在相反方向上延伸。
6.根据权利要求3所述的钻柱管状组件,其中每个轴向和径向叶轮包括多于一个的径向突起,并且其中所述径向突起围绕所述管状组件的轴线沿周向间隔开,并且其中径向突起在沿着管状组件轴线的相同轴向位置处彼此对准。
7.根据权利要求3所述的钻柱管状组件,其中径向叶轮具有斜坡,以便使得沿着在钻柱和井眼之间的环形区域轴向向上流动的流体转向成径向远离管状组件的外表面。
8.根据权利要求3所述的钻柱管状组件,其中径向叶轮具有至少一个叶片,所述叶片从沿径向靠近所述管状组件的外表面的根部径向延伸到沿径向与管状组件的轴线间隔开的平坦外边缘。
9.根据权利要求8所述的钻柱管状组件,其中所述径向叶轮具有多于一个的叶片,并且其中所述叶片在周向相邻的叶片之间限定流体流动通道,其中所述流体流动通道适于引导在管组件和井眼之间的环形空间内的流体流动。
10.根据权利要求9所述的钻柱管状组件,其中径向叶轮的叶片与管轴线对准,并且是直的,并且其中叶片之间的通道也与所述管状组件的轴线和叶片对准,并且也是直的。
11.根据权利要求9或10所述的钻柱管状组件,其中在通道的底部和叶片的径向延伸壁之间的过渡区域包括弧形表面,弧形表面在叶片的侧面和通道的底部之间延伸,从而形成沿周向相对的斜坡,所述斜坡相对于叶片的侧壁垂直地逐渐变细。
12.根据权利要求11所述的钻柱管状组件,其中通道侧面上的斜坡面对管的旋转方向,其中流经叶片之间通道的流体通过径向叶轮的旋转连同管附接到其上的钻柱的旋转而被迫在径向方向上沿着斜坡向上流动,并因此从管组件的轴线径向向外转向。
13.根据权利要求8所述的钻柱管状组件,其中径向叶轮具有在其上向孔和下向孔轴向面上的带有斜坡的表面,并且其中所述下向孔端部具有小于上向孔端部的直径,足以使得流过或通过斜坡的流体从管的轴线径向向外转向到环形区域内,所述环形区域比在径向上紧邻管组件外表面的环形区域具有更大的湍流
14.根据权利要求13所述的钻柱管状组件,其中斜坡的直径在斜坡的轴向端部之间逐渐增大。
15.根据权利要求13所述的钻柱管状组件,具有在其下端部处由小半径逐渐变到大半径的下向孔轴向斜坡,以及在其上向孔端部处布置的从大半径逐渐变到小半径的上向孔轴向斜坡。
16.根据权利要求15所述的钻柱管状组件,其中上向孔斜坡具有相对于所述管状组件的轴线比所述下向孔斜坡更陡的度。
17.根据权利要求1所述的钻柱管状组件,结合了承靠表面,其包括硬化材料以便承靠井眼的内表面,并将位于所述叶轮或每一叶轮上的径向突起与井眼的内表面间隔开。
18.根据权利要求17所述的钻柱管状组件,其中承靠表面设置于位于管状组件相对端部上的第一和第二套环的外表面上,邻近相应第一和第二轴向叶轮。
19.根据权利要求18所述的钻柱管状组件,其中所述套环结合了引导流体轴向通过套环的螺旋形通道,并且其中位于每个套环上的通道在第一套环上在第一方向上延伸,而在第二套环上在相反的方向上延伸。
20.使得油井或气井中的钻屑流通的一种方法,所述方法包括将钻柱管状组件结合到钻柱内,并将钻柱在钻孔中展开,所述钻柱管状组件具有用于使得井眼中的钻屑流通的一种机构,其中所述机构包括:
-从钻柱管状组件延伸的径向突起形式的至少一个径向叶轮,所述径向突起配置成将径向推力施加到在通过管状组件和钻孔之间的环形空间的钻井液中的钻屑流上,以使通过径向突起的钻屑被迫在径向方向上远离所述管状组件的外表面;
-从所述管状组件沿径向延伸的径向突起形式的第一和第二轴向叶轮,所述第一和第二轴向叶轮在所述管状组件上设置于相对于所述径向叶轮沿轴向间隔开的位置处,以使径向叶轮在轴向上位于轴向叶轮之间;
-第一轴向叶轮,其设置在管状组件的下向孔端部并且在其下向孔端部具有至少一个围绕管状组件螺旋形延伸的螺旋形部分以及在其上向孔端部具有至少一个限定了大致平行于管状组件的纵向轴线的通道的大致直线部分;以及
-第二轴向叶轮,其设置在管状组件的上向孔端部并且在其上向孔端部具有至少一个围绕管状组件螺旋形延伸的螺旋部分以及在其下向孔端部具有至少一个限定了大致平行于管状组件纵向轴线的通道的大致直线部分;
其中所述方法包括:
-使得流体流经径向叶轮并将流过径向叶轮的流体转向成沿径向向外远离所述管状组件的外表面;以及
-通过轴向叶轮将轴向推力施加到通过管状组件和钻孔之间的环形空间的流体上,其中由所述第一轴向叶轮施加到流体上的轴向推力的方向与由第二轴向叶轮施加到流体上的轴向推力的方向相反。
21.根据权利要求20所述的方法,其中所述方法包括旋转所述管状组件以便引导来自每个轴向叶轮的轴向推力朝向径向叶轮,并轴向移动在钻孔内的所述管状组件,以便沿轴向拖动位于钻孔内的钻屑,由此作为来自轴向叶轮的相对推力的结果迫使钻屑保持在两个轴向叶轮之间的区域内。
22.根据权利要求21所述的方法,包括使得钻屑团从钻孔的第一区段以第一相对低的流体流率移动到所述钻孔的不同的第二区段,第二区段具有高于钻孔第一区段的流体流率,并在钻孔的第二区段内使得钻屑悬浮于流体中,以便在表面处作为悬浮液回收。

说明书全文

钻柱管状组件

技术领域

[0001] 本发明涉及使井眼中的钻屑流通的设备和方法。

背景技术

[0002] 在井眼钻探中,钻头安装在钻柱的端部上,钻柱包括以端部到端部的方式结合的一定长度的管。钻柱通常作为一个整体从地面钻机旋转以便为钻头提供旋转从而切入到地层内。在钻探过程中,随着钻头切入到地层内而产生岩石和泥土(钻屑)的碎片。这些钻屑需要从钻头与地层之间的界面移除,并且被运输回到地面。这通常由下述来实现,即通过将钻井液向下送通过钻柱的内部中空钻孔,通过所述钻头流出并沿着钻柱和孔之间的环形空间向上流回,使得钻屑悬浮于流体流内,并携载它们远离钻头并回到地面,并且在钻头切入地层内的同时润滑和冷却钻头。在环形空间内向上运输钻屑的过程中钻屑从悬浮液中沉淀出来通常是成问题的,因为这会妨碍钻柱的运动并因此减慢或停止钻探过程。在斜井和定向钻孔作业中这尤其是成问题的,在上述作业中井眼平延伸而不是垂直延伸,以及数千英尺长的较长水平段是常见的,其会遭受钻屑趋于沉淀并积聚在井眼下侧上的钻屑床中。
[0003] 保持钻屑处于悬浮状态的现有措施包括附接到所述钻柱外表面的各种设计的叶轮,其随同所述钻柱旋转,并保持钻屑处于悬浮状态。

发明内容

[0004] 根据本发明,提供了管状形式的钻柱管状组件,其具有沿管状组件轴线延伸的中心钻孔,以及两个端部,管状组件在每一端部处具有端部连接器,用于将钻柱管状组件连接到用于在地层中钻出井眼的钻柱内,所述管状组件具有用于使得油井或气井中的钻屑流通的一种机构,其中所述机构包括:
[0005] -从管状组件延伸的径向突起形式的至少一个径向叶轮,所述径向突起配置成将径向推施加到在通过管和孔(hole)之间的环形空间的钻井液中的钻屑流上,以使经过径向突起的钻屑被迫在径向方向上远离所述管状组件的外表面;以及
[0006] -从所述管状组件径向延伸的径向突起形式的第一和第二轴向叶轮,所述第一和第二轴向叶轮相对于所述径向叶轮设置在所述管状组件上沿轴向间隔开的位置处,以使径向叶轮在轴向上位于轴向叶轮之间,轴向叶轮配置成将轴向推力施加到通过管和孔之间的环形空间的流体上,以及其中由所述第一轴向叶轮施加到流体上的轴向推力的方向与由第二轴向叶轮施加到流体上的轴向推力的方向相反。
[0007] 通常情况下径向叶轮可包括多于一个的径向突起。在具有多于一个径向突起的某些实施例中,径向突起可围绕所述管状组件的轴线沿周向间隔开。
[0008] 任选地,每个轴向叶轮可包括多于一个的径向突起,例如每个轴向叶轮上可设置2,3,4或更多的径向突起。在具有多于一个径向突起的某些轴向叶轮中,所述径向突起可围绕所述管状组件的轴线沿周向间隔开,通常在沿着管状组件轴线的相同轴向位置处彼此对准。
[0009] 每个轴向叶轮可通常包括围绕管状组件螺旋形地延伸的至少一个螺旋形部分,通常每个叶轮具有多于一个的螺旋形部分,以及任选地,螺旋形部分通常可围绕所述管状组件的轴线沿周向间隔开,通常在沿着管状组件轴线的相同轴向位置处彼此对准。
[0010] 通常情况下在第一和第二轴向叶轮中的轴向叶轮的螺旋形组件在相应的相反方向上延伸,例如,第一轴向叶轮上的螺旋形组件可在顺时针方向上延伸,和第二轴向叶轮上的那些可在逆时针方向上延伸,或反之亦然。
[0011] 本发明还提供在钻探作业中使得油井或气井中的钻屑流通的一种方法,所述方法包括将钻柱管状组件结合到钻柱内,所述钻柱管状组件具有用于使得油井或气井中的钻屑流通的一种机构,其中所述机构包括:
[0012] -从钻柱管状组件延伸的径向突起形式的至少一个径向叶轮,所述径向突起配置成将径向推力施加到在通过管状组件和孔之间的环形空间的钻井液中的钻屑流上,以使经过径向突起的钻屑被迫在径向方向上远离所述管状组件的外表面;
[0013] -从所述管状组件沿径向延伸的径向突起形式的第一和第二轴向叶轮,所述第一和第二轴向叶轮相对于径向叶轮设置在所述管状组件上沿轴向间隔开的位置处,以使径向叶轮在轴向上位于轴向叶轮之间;
[0014] 其中所述方法包括:
[0015] -使得流体流经径向叶轮并将流过径向叶轮的流体转向成沿径向向外远离所述管状组件的外表面;以及
[0016] -通过轴向叶轮将轴向推力施加到通过管状组件和孔之间的环形空间的流体上,其中由所述第一轴向叶轮施加到流体上的轴向推力的方向与由第二轴向叶轮施加到流体上的轴向推力的方向相反。
[0017] 径向叶轮可任选地具有斜坡。
[0018] 沿钻柱与井眼之间的环形区域向上沿轴向流动的流体通常会遇到斜坡且由斜坡转向成径向远离管状组件的外表面。将流体从管状组件的外表面沿径向向外转向通常使得流体移动进入具有更大湍流和/或更快流动地环形区域内。因此存在于通过斜坡的流体中的钻屑也转向进入到湍流区域内,因此减少钻屑从悬浮液沉淀出来的趋向。
[0019] 通常情况下,轴向叶轮迫使流体朝向径向叶轮以便在远离所述管状组件轴线的径向方向上转向。
[0020] 径向叶轮通常具有至少一个叶片,所述叶片从沿径向靠近所述管状组件外表面的根部径向延伸到沿径向与管轴线间隔开的大致平坦的外边缘。平坦的外边缘通常具有比根部更大的直径。任选地可设置多于一个的叶片。所述叶片通常限定流体流动通道,所述通道通常在相邻的叶片之间,适于引导在管和井眼之间的环形空间中的流体流动。
[0021] 径向叶轮的叶片通常与管轴线对准,并且通常是直的。通道通常地也与所述管轴线和叶片对准,并且也是直的。通道的底部(floor)通常合并到叶片的径向延伸的壁内。
[0022] 叶片的侧壁可任选地由靠近外表面的平坦表面构成,通常大致垂直于管的轴线延伸。在每个叶片根部处的叶片侧面和在叶片与通道底部之间的过渡区域可任选地包括弧形表面,弧形表面在叶片的大致垂直的侧面和通道的底部之间延伸,从而形成沿周向相对(facing)的斜坡,通常相对于所述叶片大致垂直地延伸。通道每一侧上的斜坡通常彼此相对,以及任选地面对旋转方向。通常情况下流经叶片之间通道的流体通过径向叶轮以及钻柱(管附接到其上)的旋转而被迫在径向方向上沿着斜坡向上流动,并因此从管轴线径向向外转向。
[0023] 通常情况下,叶片可在其侧面上具有带有斜坡的表面。任选地,除了周向延伸的侧面斜坡之外或代替周向延伸的侧面斜坡,叶片可在其上向孔(uphole)和下向孔(downhole)轴向面上具有斜坡表面。
[0024] 斜坡通常具有锥形轮廓,其中第一端部在该点处具有接近管状组件的标称外径的小半径区域,使得在所述第一端部处,斜坡不会径向偏转在环形空间中的流体,而是允许所有沿着环形空间向上流动并流动到斜坡上的流体的基本上不受阻碍地向上轴向流体流动。斜坡的第二端部通常具有大于所述第一端部的直径,其足以使得流过或通过斜坡(通常平行于管的轴线)的流体从管的轴线径向向外转向到环形区域内,该环形区域比在径向上紧邻管外表面的环形区域具有更大的湍流。取决于所述管状组件和所述井眼之间的可用环形间隙,所述第二端部可具有不同的径向尺寸,本领域的技术人员将理解到其在各种情况下将是不同的,但是通常情况下斜坡具有足够的径向尺寸以便能够有效地将基本上所有流过斜坡的流体偏转到管和井眼之间的外侧环形间隙内。
[0025] 在斜坡的第一和第二端部之间,斜坡的直径通常逐渐增加。斜坡端部之间的直径增加可以是线性的或阶梯形的,但是如果斜坡的表面是平滑的曲线而不是一系列的阶梯或直线,则是特别有利的,因为沿着斜坡向上流动的流体然后通过最高可用的能量径向向外加速,因此大部分从靠近管表面的小半径区域转向出来,并进入到环形空间的高流速和高湍流的大半径区域内,其中小半径区域通常经历更多的层流。斜坡表面可以是直的或弯曲的。
[0026] 斜坡表面可具有不同的度。斜坡可在其第一端部处具有浅角(shallow angle),并且在其第二端部处具有较陡角度(steeper angle),以便舀出大部分流体并在增加施加到更靠近斜坡第二端部的流体上的径向推力之前开始迫使它们沿径向流动。在斜坡下向孔下端部处的斜坡的浅导入角和在上向孔端部处的较陡角度之间的过渡可以是一条平滑的曲线,或也可以是在斜坡上的特定轴向点处发生角度上的急剧变化,或在小轴向间隙上发生。在下向孔端部处的浅导入角可为0-5度,任选10-30度。在上向孔端部处的斜坡表面的较陡角度可为18-60度。
[0027] 叶片的径向最外表面通常具有下向孔端部斜坡的上向孔升高(plateau)区域,其可具有不同的角度,例如平行于管标称外表面的平坦平面部分。任选地,升高区域可以不平行于管T的轴线,并且可任选地从在其下向孔端部处的较小直径逐渐变到在其上向孔端部处的稍大直径。通常情况下,升高区域具有例如1-5度的锥角。
[0028] 任选地,径向叶轮可具有多于一个的斜坡。径向叶轮通常可具有在其下端部处由小半径逐渐变到大半径的下向孔轴向斜坡,以及在其上向孔端部处布置的通常从大半径逐渐变到小半径的上向孔轴向斜坡,任选地回到管的标称径向直径。任选地,上向孔斜坡和下向孔斜坡可以间隔开,通常由升高区域间隔开。
[0029] 上向孔斜坡任选可具有与下向孔斜坡相同或不同的角度或配置。上向孔斜坡通常具有比下向孔斜坡更陡的角度。
[0030] 径向叶轮任选地基本与所述第一和第二轴向叶轮等距离。
[0031] 位于径向叶轮两侧上的第一和第二轴向叶轮可任选地包括斜坡(通常在相邻突起的相对侧上),以便将径向推力施加到沿着环形空间向上流动的流体上。
[0032] 所述第一和第二轴向叶轮的螺旋形部分通常包括径向延伸的表面,通常大致垂直于所述管的轴线以及管的标称外表面,以便将轴向推力施加到经过它们的流体上,并迫使流体在朝向径向叶轮的方向上流动。通常情况下,第一和第二轴向叶轮的螺旋形部分位于所述第一和第二轴向叶轮的外端部上。通常情况下,第一和第二轴向叶轮具有轴向部分,其通常设置于突起的内侧相对侧上并从螺旋形部分径直延伸。通常情况下位于第一和第二轴向叶轮上的相应径向突起限定在周向上相邻的径向突起之间的通道。任选地,第一和第二轴向叶轮的通道在螺旋形部分和轴向部分之间延伸,从而使得通道通常在其外端部处也部分地为螺旋形,通常在其内侧相对端部处部分地为轴向。因此,每个通道都具有设置于更靠近径向叶轮的所述第一和第二轴向叶轮内端部上的螺旋形外部部分和轴向内部部分,从而使得通过通道的流体由外部螺旋形部分转向,并在朝向径向叶轮的大致直线上迫使通过轴向内部部分。
[0033] 因此所述第一和第二轴向叶轮都迫使流体朝向位于所述第一和第二轴向叶轮之间的径向叶轮沿轴向流动,其推动流体径向向外进入到环形空间的高流量、高湍流区域内,从而保持钻屑悬浮于流体内。
[0034] 任选地,螺旋形部分沿直线延伸。任选地,螺旋形部分(或它们的部分)可沿弧形延伸。通常情况下,位于相应第一和第二轴向叶轮上的螺旋形部分迫使流体在相反的轴向方向上通常朝向具有斜坡的突起流动。
[0035] 通常情况下,径向和轴向叶轮设置于连接到管外表面的相应套环(collar)上。相应的套环可针对第一和第二轴向叶轮以及针对径向叶轮设置。叶轮(例如套环)可沿管的长度彼此轴向间隔开,也可沿轴向彼此相邻。
[0036] 任选地,每一叶轮上(例如,每个套环上)设置多于一个的径向突起。通常情况下,每一叶轮上设置2,3,4,5或更多的径向突起。通常情况下,位于每一叶轮上的径向突起设置于沿着管轴线的相同位置处(例如,在同一套环上),并且围绕管的轴线沿周向间隔开(例如,围绕套环沿周向间隔开)。
[0037] 通常情况下,第一和第二轴向叶轮大致沿周向彼此对准,其中轴向部分通常设置于相同的周向取向处。
[0038] 通常情况下,第一和第二轴向叶轮可沿着管的长度与径向叶轮轴向间隔开。备选地,所述第一和第二轴向叶轮可沿轴向邻近径向叶轮,其中在径向叶轮的任一侧上基本没有沿着管的轴向间隙。
[0039] 通常情况下,径向叶轮沿周向相对于所述第一和第二轴向叶轮交错地轴向对准,以使在径向叶轮内的通道通常与第一和第二轴向叶轮上的径向突起对准。
[0040] 通常情况下,管状组件结合到钻柱内,以及连接件通常是适于传递在通常钻柱中所遇到扭矩的通常常规的接口(box)和销(pin)布置。通常情况下,管配置成抵抗和传递在通常钻柱中所遇到的扭矩。
[0041] 通常情况下,管结合到底部钻具组合件(BHA)内,而且可包括重量级钻管的区段,用于在钻探过程中靠近钻头的组装,但实施例可备选地或另外地结合到BHA上的钻管柱或其它管柱内。
[0042] 所述管状组件可作为附属物结合到钻柱内,在一个位置处或在多个位置处,其可沿着钻柱的长度随机或等同地间隔开。轴向叶轮、径向叶轮和轴向叶轮的模式可为每个管重复一次或多于一次,以使在适于制成钻柱的单束管内,模式可任选地重复,每次立管任选地重复任选两次或重复两次以上。
[0043] 通常情况下,管具有承靠表面,其可任选地包括硬化材料以便承靠井眼的内表面,并将径向突起从井眼的内表面间隔开,以使它们可用于随同柱旋转而不太倾向于受到钩缠到位于井眼内表面上的向内延伸的突起上而限制旋转。通常情况下,承靠表面位于套环上,所述套环在轴向间隔开的位置处设置于管上,并且通常可位于承靠轴向叶轮的套环的相对外端部处。通常情况下,套环具有比轴向和径向叶轮大的径向尺寸,并且将径向突起径向远离井眼的内壁间隔开。
[0044] 任选地,套环可具有螺旋形沟槽,其可用作搅拌器以便将进一步的推力施加到流体上,通常在轴向方向上。这些沟槽可在任一螺旋方向上取向,并且在每个套环上的沟槽可任选地相对于彼此在相反的方向上取向。
[0045] 在另一方面,本发明提供了管状形式的钻柱管状组件,其具有沿管轴线延伸的中心钻孔,以及两个端部,管状组件在每一端部处具有端部连接器,用于将钻柱管状组件连接到用于在地层中钻出井眼的钻柱内,所述管状组件具有用于使得油井或气井中的钻屑流通的一种机构,其中所述机构包括从钻柱管状组件延伸的径向突起形式的至少一个径向叶轮,所述径向突起配置成将径向推力施加到在通过管和孔之间的环形空间的钻井液中的钻屑流上,以使通过径向突起的钻屑被迫在径向方向上远离所述管状组件的外表面。
[0046] 在另一方面,本发明还提供在钻探作业中使得油井或气井中的钻屑流通的一种方法,所述方法包括将钻柱管状组件结合到钻柱内,所述钻柱管状组件具有用于使得油井或气井中的钻屑流通的一种机构,其中所述机构包括从钻柱管状组件延伸的径向突起形式的至少一个径向叶轮,所述径向突起配置成将径向推力施加到在通过管和孔之间的环形空间的钻井液中的钻屑流上,以使通过径向突起的钻屑被迫在径向方向上远离所述管状组件的外表面,所述方法包括使得流体流经径向叶轮,并将流过径向叶轮的流体转向成沿径向向外远离所述管状组件的外表面。
[0047] 本发明的实施例允许管外表面上的轮廓将钻屑搅动并使其加速进入到高的环形流动区域内。保持在靠近下向孔突起上方的管主体的低流速环形层流区域内的钻屑的任何比例将朝向具有斜坡的突起被轴向加速,上述进一步使得钻屑加速进入到径向上在其外部的高流量。通过具有斜坡的突起但仍保持在环形区域的较低流量内层中的任何钻屑通过上向孔突起的轮廓将朝向具有斜坡突起的上表面向下沿着孔轴向被加速返回,上向孔突起的轮廓在取向上与下向孔轮廓相反。这种相反的取向将形成更有效的湍流区域,其抵抗围绕工具的任何其它碎片沉淀并将更多的钻屑升高进入到高的环形区域内,从而保持它们处于悬浮状态。沿径向朝向管回落并趋向于重新形成钻屑床的任何钻屑会在远离管的径向向外方向上朝向高流量区域再次被加速。
[0048] 本发明的实施例允许以更有利的方式清扫和搅动钻屑床,从而允许获得更清洁的孔。
[0049] 设置于径向叶轮相对端部处的第一和第二轴向叶轮在彼此相反的轴向方向上驱动钻屑,以使当在常规旋转钻探作业中管在其正常顺时针方向上旋转(从上方观察)时,来自每一轴向叶轮的轴向方向的推力迫使流体和钻屑向内朝向径向叶轮流动。这趋向于将钻屑定在两个轴向叶轮之间的环形区域内,并且由于轴向叶轮在彼此相反的方向上施加轴向推力,截留在叶轮之间的钻屑团可通过继续旋转并拖出钻柱而将其从孔拖带出去。该技术在井的水平段内特别好地工作,并且还具有下述益处,即更快下沉并且更难以保持在悬浮液中的更大颗粒可在团块中更好地物理拖带出去,而不必将它们保持在悬浮液中,不是在它们悬浮于流体中时将它们从环形区域清洗出来。最起码,该锁定和拖带特征可用于将较大颗粒的团块移动到钻孔的不同区段,其可具有更高的流速,例如更垂直的井段,在那里可更容易地使得更大的颗粒返回到悬浮液内以便按常规作为悬浮液回收。
[0050] 本发明的各个方面可以单独实践或与其它方面的一个或多个方面组合实践,如由相关技术领域中的那些技术人员可以理解的那样。本发明的各个方面可任选地以与本发明其它方面的任选特征的一个或多个组合的方式来提供。此外,相对于一个实施例所述的任选特征通常可单独地组合或与本发明不同实施例中的其它特征一起组合。
[0051] 现在将参照附图对本发明的各个实施例和方面进行详细描述。从对包括附图的发明进行的整个描述将容易明了本发明的其它方面、特征和优势,附图中示出了一些示例性实施例、方面和实施方式。本发明还能够具有其它和不同的实施例和方面,且其若干细节可在各个方面进行修改,所有这些都不脱离本发明的精神和范围。因此,附图和描述在本质上应被视为是说明性的,而非限制性的。此外,本文所用的术语和用语仅用于描述目的,而不应被解释为在范围上的限制。术语诸如“包含(including)”、“包括(comprising)”、“具有(having)”、“含有(containing)”或“包(involving)”及其变体意旨是宽泛的,并且涵盖列在其后的主题、等同方案和未列举的附加主题,并且并不意旨排除其它添加、组分、整体或步骤。同样,术语“包括(comprising)”被视为等同于用于法律目的的术语“包含(including)”或“含有(containing)”。
[0052] 文件的任何论述、成效、材料、装置、物品等被包括在说明书中,仅仅为了提供本发明上下文的目的。并没有建议或代表任何或所有这些事项形成现有技术基础的一部分或者是有关本发明领域内的公知常识。
[0053] 在本公开中,每当一种组合物、元件或一组元件前面带有过渡短语“包括(comprising)”时,应当理解的是,我们还预期用在组合物、元件或一组元件的叙述之前的过渡短语“基本上由……组成”、”由……组成”、“选自于由……构成的组”、“包含”或“是”表示同一组合物、元件或一组元件,或反之亦然。
[0054] 在本公开中的所有数值都理解为由“约”修饰。本文描述的元件或任何其它组件的所有单数形式应理解为包括其复数形式或反之亦然。

附图说明

[0055] 图1是根据本发明的钻柱管状组件的侧视图;
[0056] 图2是图1的放大侧视图;
[0057] 图3a至图3h为分别通过图2的线C-C、D-D、E-E、F-F、G-G、H-H、J-J以及K-K所取的截面视图;
[0058] 图4是类似于图1的侧视图,但是为钻柱管状组件旋转过60度的侧视图;
[0059] 图5、图6、和图7是图1所述管状组件的轴向和径向叶轮套环的透视图;
[0060] 图8是图1所述管状组件在钻柱中使用以便使得井眼中的钻屑移动的侧面透视图;
[0061] 图9是图8布置的端视图;
[0062] 图10是从图8布置的另一侧示出流体流动的透视图;以及
[0063] 图11是图10布置的AB部分的近视图。

具体实施方式

[0064] 现在参照附图,钻柱管状构件包括具有下向孔端部和上向孔端部的中心管T(参见图1),并在那些端部处,通常具有用于连接到钻柱内的相应接口(box)和销(pin)连接器。通常情况下,管设置于邻近钻头的底部钻具组合件(BHA)内,并且管T可任选是已知用于这些用途的重量级钻环或重量级钻管。在管T端部处的接口和销连接器通常具有大于管T在两个端部之间内的标称外径的外径。在所示的实例中,管T中央区段的标称外径通常为5-7/8″。管T通常包括5-7/8″的重量级钻管。
[0065] 在管T的外表面上,通常存在包括径向突起的三个套环。在下向孔端部处,所述至少一个第一轴向叶轮设置于第一套环10上。在上向孔(up-hole)端部处,第二轴向叶轮设置于第二套环20上。在第一和第二套环10、20之间内,由第三套环30提供至少一个径向叶轮。套环10、20、30例如可任选分别由固体坯料通过机械加工形成之后安装到管T上,或任选地套环也可通过从单个组件加工管和套环而作为管T的一体部分形成。在所述的实施例中,套环10、20和30与管T一体地形成。
[0066] 现在参照在管T的下向孔端部处由第一套环10提供的第一轴向叶轮,套环10通常具有三个沿周向间隔开的径向突起11。也可任选地提供多于或少于三个的突起。径向突起在大致垂直的方向上远离所述管T的外表面径向延伸。径向突起11具有轴向部分11a,其平行于管轴线X延伸(参见图1),以及螺旋形部分11h,其从轴向部分的下向孔端部螺旋形地延伸,螺旋形部分11h连接到轴向部分的下向孔端部。当从工具的上向孔端部观察时,螺旋形部分11h在顺时针方向上延伸,其在本领域内通常指代为以“右手”螺旋形地延伸。
[0067] 套环10通常是截头圆锥形状的,并在其上向孔端部处具有相对小的外径,所述外径朝向其较大直径的下向孔端部逐渐增大。径向突起11从其上向孔端部朝向其下向孔端部分别具有通常凸形的径向最外侧表面,最外侧表面根据套环10的截头圆锥形状以大致直的轴线逐渐变细,最外侧表面具有大于其上向孔端部的直径。套环10的上向孔端部逐渐变细到与管T大致相似的外径,如径向突起11的平坦外表面所表现的那样。
[0068] 径向突起11围绕套环10沿周向间隔开,如在剖面视图3f和3g中最佳示出的那样。突起11的侧壁在突起的径向最外边缘处通常大致垂直于所述管的轴线,并通常随着它们的半径减小而在角度上发生变化。
[0069] 周向上相邻的径向突起11在它们之间限定通道12。通道12具有轴向部分12a和螺旋形部分12h,所述轴向部分12a在径向突起的相邻轴向部分11a之间限定,所述螺旋形部分12h在径向突起的螺旋形部分之间限定。因此,通道12的路径通常沿着套环10内的径向突起
11的路径。
[0070] 通道12具有在突起11的侧面之间延伸的大致凸形底部,如在剖面视图3f和3g中最佳示出的那样;底部通常遵循管T的凸形外圆周,但在本发明的其它实施例中,通道的底部可为不同的形状,例如凸形或平坦的。在轴向方向上,通道的底部可任选地大致平行于管T的轴线。然而,在替代性的实施例中,通道的底部并不需要平行于管T的轴线,而是可以采用其它结构,例如通道的底部可任选地以与突起11外表面类似的方式在轴向方向上从上向孔端部到下向孔端部逐渐变窄。
[0071] 通道的底部和径向突起11的大致垂直侧壁之间的周向过渡部分通常为斜坡的形式,当周向过渡部分接触到径向突起11的大致垂直侧壁时,该周向过渡部分可任选地是在周向方向上从底部水平处的大致水平构造过渡到大致垂直构造的弧形斜坡过渡部分。在突起11的侧壁和通道12的底部之间,斜坡通常可遵循平滑的曲线,但在本发明的某些构造中,斜坡可以是渐变系列的直线或阶梯。在当前的实施例中,在大致水平的凸形底部和大致垂直的侧壁之间的通道的过渡部分为平滑凹入曲线的形式。在通道12的外(下向孔)端部处,突起11的侧壁和通道12的底部之间的过渡部分通常与通道12的端壁一起合并以形成在通道12端部内的凹洼(bowl)。通道的端壁通常沿周向在大致垂直于管T轴线的直线上延伸。凹洼的底部和侧壁与端壁之间的过渡部分通常遵循平滑曲线,但是在某些构造中可以采用渐变系列的直线或阶梯。
[0072] 在套环10的下向孔端部处,超过在通道12的端部处的凹洼,套环10的外径在防磨条14处以逐步的方式增加。防磨条14通常具有通道14c,所述通道14c在右手侧上以缠绕通过防磨条14的方式螺旋形地延伸,大致平行于通道12和套环10上的径向突起11。防磨条14通常可覆有耐磨的化合物(诸如多晶材料或化钨等),以便在管T的旋转过程中抵抗磨损。防磨条14通常具有大于套环10其它组件的外径(在该实例中为7-1/2″),并且用作隔开(stand off)装置,在使用过程中该隔开装置将套环10的较小直径组件与井眼壁中的内表面径向间隔开。
[0073] 由在管T的上向孔端部处的第二套环20提供的第二轴向叶轮在结构上通常与第一套环10类似,但其通常布置在相反方向上,通常与所述第一套环10成镜像关系。第二套环20也具有三个周向间隔开的径向突起21。在某些实施例中对于第二套环20而言可以具有与第一套环相同的构造,但在该实施例中,它们是不同的。径向突起21在大致垂直的方向上沿径向从管T的外表面延伸。径向突起21具有大致平行于管轴线X延伸(参见图1)的轴向部分21a以及从轴向部分的上向孔端部螺旋形地延伸的螺旋形部分21h,螺旋形部分21h连接到轴向部分的上向孔端部。当从工具的上向孔端部观察时,螺旋形部分21h在逆时针方向上延伸,或“左手”螺旋,例如与第一套环10的螺旋形部分11h相反。第二套环20通常也是截头圆锥形状的,并在其下向孔端部处具有相对小的外径,所述外径朝向其较大直径的上向孔端部逐渐增大。径向突起21从其下向孔端部朝向其上向孔端部分别具有相同的径向最外侧表面,最外侧表面根据套环20的截头圆锥形状逐渐变细,但在与所述第一套环10相比的不同方向上,最外侧表面具有大于下向孔端部的直径。套环20的下向孔端部逐渐变细到与管T大致相似的外径,如径向突起21的凸形外表面所表现的那样。
[0074] 径向突出21通常沿周向围绕套环20间隔开,如在剖面视图3b和3c中最佳示出的那样。突起21的侧壁在突起的径向最外边缘处通常大致垂直于所述管的轴线,并通常随着它们的半径减小而在角度上发生变化。
[0075] 周向上相邻的径向突起21在它们之间限定通道22。通道22具有轴向部分22a和螺旋形部分22h,所述轴向部分22a在径向突起的相邻轴向部分21a之间限定,所述螺旋形部分22h在径向突起的螺旋形部分之间限定。因此,通道22的路径通常沿着套环20中的径向突起
21的路径,并且与第一套环10中的通道12形成镜像。
[0076] 通道22具有大致凸形的底部,如在剖面视图3b和3c中最佳示出的那样,其通常遵循管T的凸形外圆周。在轴向方向上,通道的底部可任选地大致平行于管T的轴线。然而,在当前的实施例中,通道22的底部通常并不绝对平行于管T的轴线,而是以与套环20外表面类似的方式在轴向方向上从下向孔端部到上向孔端部逐渐变细,并且与第一套环10成相对关系。
[0077] 通道的底部和径向突起21的大致垂直侧壁之间的过渡部分通常为斜坡的形式,当过渡部分接触到径向突起21的大致垂直侧壁时,该过渡部分任选可为从在底部水平处的大致水平构造到大致垂直构造过渡的弧形斜坡。在突起21的侧壁和通道22的底部之间,斜坡通常是沿周向延伸的平滑曲线,但在本发明的某些构造中,斜坡可以是渐变系列的直线或阶梯。在当前的实施例中,在平坦底部和垂直侧壁之间的通道的过渡部分为平滑曲线的形式。
[0078] 在套环20的上向孔端部处,外径通常在防磨条24处以逐步的方式增加。防磨条24通常具有通道24c,所述通道24c在左手侧上以螺旋通过防磨条24的方式螺旋形地延伸,大致平行于通道22和套环20上的径向突起21。防磨条24通常可覆有耐磨的化合物(诸如多晶材料或碳化钨等),以便在管T的旋转过程中抵抗对套环的磨损。防磨条24通常具有大于套环20其它组件的外径,并且用作隔开装置,在使用过程中隔开装置将套环20的较小直径组件与井眼壁中的内表面径向间隔开。
[0079] 第三套环30通常位于所述第一套环10和第二套环20之间,并且通常以等距的方式位于两者之间。但应注意的是,由第一和第二套环提供的轴向叶轮在本发明的某些实施例中可以省略,或备选地,可设置单个轴向叶轮,并通常低于设置在第三套环30上的径向叶轮。第三套环30通常可由单个单元以类似于第一套环的方式形成,并随后附接。第三套环30可如第一套环10和第二套环20那样通常可铣或可铸,或任选地可由管T的一体部分形成。在该实例中,所述第三套环30通过铣的加工以类似于第一套环10和第二套环20的方式形成为管T外表面的一体部分。
[0080] 任选地,多于一个的第三套环30可设置于第一套环10和第二套环20的下向孔和上向孔之间。任选在设置多于一个第三套环的情况下,两个第三套环可相对于彼此在相同的取向或相反的取向上布置。
[0081] 在当前实例中,第三套环30在其最宽点处通常具有7.25″的外径。第三套环30具有三个周向间隔开的径向突起31。径向突起31分别由下向孔斜坡31d、上向孔斜坡31u、和位于下向孔和上向孔斜坡之间的升高区域31p构成。任选地,升高区域不平行于管T的轴线,并且从在其下向孔端部处的较小直径逐渐变到在其上向孔端部处的稍大直径。升高区域通常相对于管T的轴线以1或2度的锥角在其下向孔端部和上向孔端部之间渐变。突起31通常具有约2″的周向宽度,其中轴向长度约为7.6″。
[0082] 通常情况下,所述下向孔斜坡31具有锥形轮廓,其初始直径在接近管T外径的其下向孔端部处,其通常以直线方式逐渐增加到升高区段31p。以类似的方式,上向孔斜坡31u通常在其与升高区段31p的过渡部分处从其最大外径通常以直线方式减小到斜坡31u的较小直径的上向孔端部,并且通常减小到基本类似于管T外径的较小直径。径向突起31以大致等距离的方式围绕套环30的圆周在周向上彼此间隔开,如图3e中最佳示出的那样,并且与管T的轴线X通常对准。在周向上相邻的一对径向突起31之间形成通道32。通道32通常平行于管的轴线X和径向突起31沿轴向延伸。通道32的底部通常是大致凸形的,类似于管T的凸形外表面,而在轴向方向上,通道32的底部通常不平行于管的轴线X。取而代之的是,通道32的底部通常以斜坡的形式从在其下向孔端部处的小外径渐变(通常通道32底部的下向孔外径接近管T的标称外径)。因此通道32底部的上向孔端部通常具有大于其下向孔端部的外径,并且通道的底部通常以大致直的轴线在下向孔端部和上向孔端部之间延伸,以使由通道32的底部形成具有相对于管T的轴线成至少1度的倾斜角的凸形斜坡(或截头圆锥形部分)。
[0083] 在第三套环30上的径向突起31的周向相对的侧面通常大致彼此平行,并大致垂直于管T的轴线X。类似于在第一突起套环10中的通道12的侧面和底部之间的过渡部分,通道32的底部和径向突起31的侧壁之间的过渡部分通常为凸形曲线的形式,如在图3e中最佳看到的那样。
[0084] 因此,在周向方向上,通道32的底部通常从其大致凸形的中央底部部分过渡到具有合并到径向突起31的大致垂直侧壁内的平滑曲线(或如前所述的一系列平板或阶梯)的凹入过渡部分。
[0085] 在当前实施例中,凹入过渡部分可基本延伸径向突起31侧壁的整个径向深度,并且基本上只有侧壁的径向最外端头可垂直于轴线X。
[0086] 如图中所示,第一套环10和第二套环20结构大体相似,并且在该实施例中任选地以彼此相对的关系设置,以使突起11、21和通道12、22的螺旋形部分以相反的取向相对于彼此设置。在使用中,现在参照图8-11,管T通常在已知为钻屑C在床中积聚的区域中结合到靠近底部钻具组合件的钻柱内。图8示出插入到大致斜井B内的管T的示意图,其中由位于井眼B中管C下方的钻头产生的钻屑C在井眼B的下侧上在钻屑C的床中积聚。因此钻屑C在井眼B内不能自由地流通,并妨碍钻柱向下进入到地层中的进程。当从孔的顶部观察时,钻柱在顺时针方向、在图8中所示的箭头方向上旋转。应当注意的是图10和图11示出管T的相反侧,因此图11中箭头的方向是不同的。钻柱和管T在图8和图11中所示的顺时针方向上的旋转使得所有套环10,20,30随同管T旋转。在下向孔的端部处,在第一套环10上的径向突起11的螺旋形部分11h遇到在井眼B下侧上的床中的钻屑C并通常通过螺旋形通道12h迫使它们在轴向方向上进入并通过通道12h并且借助于螺旋形部分11h的舀起作用进入到通道12a的轴向部分。因此,迫使钻屑在大致平行于管T轴线X的方向上并朝向第三套环30在井眼B内在轴向方向上向上流动。
[0087] 钻屑C通过在第三套环30上的径向突起31之间的通道32,以及作为套环30随同管T旋转的结果,通过通道32的钻屑遇到侧壁上的斜坡,并通过径向突起31迫使其从套环30径向向外。施加给钻屑的径向推力使得钻屑远离管的外表面移动并进入到在图9、图10和图11中所示的高流量高湍流区域F内。通道底部与侧面之间的凹入过渡斜坡在钻屑改变方向时保持钻屑的大部分动量,并确保它们通过可用的最大径向推力量从管径向向外转向。从所述第三套环30径向向外转向的钻屑进入到快速流动的高湍流区域F内,因而沿着井眼B远离底部钻具组合件快速地向上输送。钻屑以这种方式转向到高流量区域F内具有以悬浮状态保持于钻井液内的较高可能性,以及从悬浮液中沉淀出来并在井眼B的上向孔区域中形成另外钻屑床的较低可能性。
[0088] 第三套环30的从其下向孔端部的小直径到在其上向孔端部处的更大直径的轴向锥度也使得钻屑朝向快速流动的流体相F转向,并将额外的径向推力施加到通过第三套环30的钻屑上,这增强了径向推力作用。此外,第三套环上的下向孔31d和上向孔31u也增强第三套环的径向推力作用,确保在钻柱的旋转过程中遇到斜坡的更多钻屑被迫使径向远离管的轴线进入到更快流动的流体内。
[0089] 以基本没有径向转向的方式轴向通过通道32的任何钻屑通常遇到第三套环30上方的上向孔第二套环20。遇到第二套环20的钻屑沿着径向突起21a之间的轴向通道22a向上流动,但是当它们遇到在径向突起的螺旋形部分21h之间的通道螺旋形部分22h时,作为第二套环上的螺旋形部分21h相对于第一套环10上的螺旋形部分1h相对取向的结果,它们通常逆着主要向上的流动被迫使在井眼B内向下流动。当由第二套环20迫使钻屑逆着主要流动方向流动时,在第三套环30与第二套环20之间的区域中形成过度量的湍流,其趋向于使得在该区域内的任何钻屑流动并如图10和图11所示迫使它们沿径向进入到高流量区域F内。作为由第二套环20上的径向部分21h提供的轴向推力的结果,被迫沿着井眼B朝向第三套环30沿轴向向下的任何钻屑由于进一步的径向推力朝向第三套环30向回转向,这也具有确保大部分的钻屑C保持于悬浮液中并被径向推入到快速流动的流体相F内的效果。在第三套环30的上向孔导入端部上的陡峭角度具有对流体的更积极推力作用,加速从第二和第三套环之间的湍流区域循环的朝向孔下侧回落的钻屑,并确保更多的钻屑达到快速流动区域F并被保持在悬浮液中。第三套环上的下向孔导入端部具有更浅的角度以帮助朝向上向孔加速来自下部第一套环10的钻屑。
[0090] 在不脱离本发明精神和范围的情况下可结合修改和改进。
QQ群二维码
意见反馈