钻柱工具的液压控制
阅读：568发布：2020-05-13
专利汇可以提供钻柱工具的液压控制专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且钻柱 工具具有控制机构，所述控制机构用于响应于包括钻井 流体 压差的变化的预定义触发序列的操作者执行而使所述工具在非激活状态与激活状态之间切换。所述触发序列包括以下各项的多个周期：(a)使所述预定义触发序列升高到但不超过预定义压 力 范围；以及(b)使所述预定义触发序列降低到低于所述压力范围的下限 阈值 。使所述压差升高到超过上限压力范围阈值会引起所述预定义触发序列的自动中断和重设。，下面是钻柱工具的液压控制专利的具体信息内容。
1.一种用于控制钻柱工具操作的设备，其包括：
主体，所述主体被配置用于并入在钻柱中以沿所述主体的内部传送钻井流体；
控制机构，所述控制机构连接至所述主体并且被配置用于联接至所述钻柱工具以响应于所述主体的所述内部与外部之间的流体压差的变化的预定义触发序列的发生来使所述钻柱工具从非激活状态切换到激活状态，所述预定义触发序列包括以下各项的多个周期：
使所述流体压差增大到但不超过预定义中间压力范围，以及
随后使所述预定义触发序列降低到低于所述预定义中间压力范围；
其中所述控制机构被进一步配置成在以下两种模式之间设置：
重复模式，其中在所述流体压差升高超过所述预定义中间压力范围时，在不执行所述预定义触发序列的情况下将所述钻柱工具再次切换到所述激活状态；以及重设模式，其中将所述钻柱工具再次切换到所述激活状态取决于所述预定义触发序列的执行。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述预定义中间压力范围的下限阈值在150psi与
250psi之间。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述预定义中间压力范围的上限阈值在650psi与
850psi之间。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述控制机构进一步包括：
启动组件，所述启动组件能够沿所述主体的所述内部轴向移位，所述启动组件被配置成至少部分响应于所述启动组件轴向移动到启动位置而实现所述钻柱工具切换到所述激活状态；
偏置机构，所述偏置机构可操作地联接至所述启动组件并且被配置成推动所述启动组件轴向远离其启动位置并且朝向默认位置；以及
分级液压致动机构，所述分级液压致动机构被配置成响应于所述流体压差处于所述预定义中间压力范围内而导致所述启动组件针对所述偏置机构的操作从其默认位置轴向移位到中间位置，并且使得当所述压差处于所述预定义中间压力范围内时，所述启动组件在所述中间位置保持基本固定，所述液压致动机构被进一步配置成响应于所述流体压差大于所述预定义中间压力范围而导致所述启动组件针对所述偏置机构的操作从所述中间位置轴向移位到所述启动位置。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述启动组件能够相对于所述主体角移位，所述控制机构进一步包括旋转机构，所述旋转机构被配置成响应于所述预定义触发序列的执行而使所述启动组件从其中所述启动组件与工具启动机构的触发组件角度失准的未充注状态角移位到其中所述启动组件与所述触发组件角度对准的充注状态。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述控制机构进一步包括：
托架构件，所述托架构件承载用于使所述托架构件相对于所述主体轴向和旋转移位的所述启动组件，所述托架构件被配置用于进行由所述分级液压致动机构所引起的轴向移位；
旋转偏置机构，所述旋转偏置机构被配置成向所述托架构件应用旋转偏置，以推动所述托架构件旋转地朝向初始未充注状态并且远离其中所述启动组件与工具启动机构的触发组件角度对准的充注状态；
凸轮机构，所述凸轮机构可操作地连接至所述托架构件并且被配置成
响应于所述预定义触发序列的执行而使所述托架构件的往复式轴向移位转化成所述托架构件从所述初始未充注状态到所述充注状态的分级旋转，以及
当所述流体压差低于所述预定义中间压力范围时，阻止所述托架构件在所述旋转偏置机构的所述偏置下旋转。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述凸轮机构包括：
自动重设组件，所述自动重设组件被自动配置成在所述托架构件旋转到所述充注状态之前响应于所促使的所述托架构件轴向移位经过与所述预定义中间压力范围的上限阈值相对应的轴向位置而允许所述托架构件在所述旋转偏置机构的所述偏置下旋转到所述初始未充注状态；以及
止回组件，所述止回组件用于当所述托架构件处于所述充注状态时，响应于所述流体压差升高超过所述预定义中间压力范围而阻止所述托架构件在所述旋转偏置机构的所述偏置下旋转。
8.一种钻具组合件，其包括：
大体管状主体，所述大体管状主体被配置用于并入在钻柱中以沿所述主体的内部传送钻井流体；
钻柱工具，所述钻柱工具被安装在所述主体上并且能够设置在激活状态与非激活状态之间；以及
控制机构，所述控制机构被安装在所述主体上并且联接至所述钻柱工具，所述控制机构被配置成响应于所述主体的所述内部与外部之间的流体压差变化的预定义触发序列的发生而将所述钻柱工具从所述非激活状态切换到所述激活状态，所述预定义触发序列包括以下各项的多个周期：
使所述流体压差增大到但不超过预定义中间压力范围，以及
随后使所述预定义触发序列降低到低于所述预定义中间压力范围；
其中所述控制机构被进一步配置成在以下两种模式之间设置：
重复模式，其中所述钻柱工具处于所述非激活状态并且能够通过使所述流体压差升高到超过所述预定义中间压力范围而回到所述激活状态，而无需在中间执行所述预定义触发序列；以及
重设模式，其中所述钻柱工具处于所述非激活状态并且所述钻柱工具回到所述激活状态取决于所述预定义触发序列的执行。
9.如权利要求8所述的钻具组合件，其中所述钻柱工具包括一个或多个扩孔器切削元件，所述一个或多个扩孔器切削元件被安装在所述主体上并且被配置用于在其中所述一个或多个扩孔器切削元件从所述主体径向向外突出以进行钻孔扩孔的所述激活状态与其中所述一个或多个扩孔器切削元件收缩的所述非激活状态之间移位。
10.一种钻井设施，其包括：
细长钻柱，所述细长钻柱沿钻孔纵向延伸，所述钻柱具有细长主体，所述细长主体具有中空内部以沿所述钻柱传送钻井流体；
钻柱工具，所述钻柱工具形成所述钻柱的一部分并且被配置成能够设置在激活状态与非激活状态之间；
控制机构，所述控制机构连接至所述主体并且联接至所述钻柱工具以响应于所述主体的所述内部与外部之间的流体压差变化的预定义触发序列的发生而使所述钻柱工具从所述非激活状态切换到所述激活状态，所述预定义触发序列包括以下各项的多个周期：
使所述流体压差增大到但不超过预定义中间压力范围，以及
随后使所述预定义触发序列降低到低于所述预定义中间压力范围；
其中所述控制机构被进一步配置成在以下两种模式之间选择性地设置：
重复模式，其中所述钻柱工具处于所述非激活状态并且能够通过使所述流体压差升高到超过所述预定义中间压力范围而回到所述激活状态，而无需在中间执行所述预定义触发序列；以及
重设模式，其中所述钻柱工具处于所述非激活状态并且所述钻柱工具回到所述激活状态取决于所述预定义触发序列的执行。
11.如权利要求10所述的钻井设施，其中所述预定义触发序列包括将执行的而不会在所述预定义触发序列开始后的任何时间使所述流体压差升高到超过所述预定义中间压力范围的预定义最小数量的所述周期。
12.如权利要求11所述的钻井设施，其中所述控制机构进一步包括：
托架构件，所述托架构件能够沿所述主体轴向移位并且被配置成在所述预定义触发序列执行之后至少部分响应于所促使的所述托架构件轴向移动到操作区域来将所述钻柱工具切换到所述激活状态；
轴向偏置机构，所述轴向偏置机构可操作地联接至所述托架构件以推动所述托架构件轴向远离其操作区域并且朝向默认位置；以及
分级液压致动机构，所述分级液压致动机构被配置成响应于所述流体压差处于所述预定义中间压力范围内而使所述托架构件针对所述轴向偏置机构的操作从其默认位置轴向移位到中间位置，并且使得当所述压差处于所述预定义中间压力范围时，所述托架构件在其中间位置基本保持固定，所述液压致动机构被进一步配置成响应于流体压差大于所述预定义中间压力范围的上限阈值而促使所述托架构件针对所述轴向偏置机构的操作从所述中间位置轴向移位到所述操作区域。
13.如权利要求12所述的钻井设施，其中所述托架构件能够相对于所述主体旋转，所述控制机构进一步包括：
旋转偏置机构，所述旋转偏置机构联接至所述托架构件并且被配置成向所述托架构件应用旋转偏置；以及
凸轮机构，所述凸轮机构可操作地联接至所述托架构件并且被配置成
响应于所述预定义触发序列的执行而使所述托架构件的往复式轴向移位针对所述旋转偏置机构的所述偏置转化成所述托架构件从初始未充注角取向步进式旋转到充注角取向，以及
阻止所述托架构件在所述预定义触发序列的执行期间在所述旋转偏置机构的所述偏置下反向旋转。
14.如权利要求13所述的钻井设施，其中所述凸轮机构包括：
自动重设组件，所述自动重设组件被自动配置成在所述托架构件不处于所述充注角取向时响应于所促使的所述托架构件轴向移位经过与所述预定义中间压力范围的上限阈值相对应的轴向位置而允许所述托架构件在所述旋转偏置机构的所述偏置下旋转到所述初始未充注角取向；以及
止回组件，所述止回组件用于当所述托架构件处于所述充注角取向时，响应于所述流体压差升高超过所述预定义中间压力范围而阻止所述托架构件在所述旋转偏置机构的所述偏置下旋转。
15.一种控制在钻孔内并入在钻柱中的钻柱工具的方法，所述钻柱具有主体，所述主体界定中空内部以沿所述钻柱传送钻井流体，所述方法包括：
应用所述主体的所述内部与外部之间的流体压差变化的预定义触发序列，所述预定义触发序列包括以下各项的多个周期：
使所述流体压差增大到但不超过预定义中间压力范围，以及
随后使所述预定义触发序列降低到低于所述预定义中间压力范围，
其中所述钻柱包括控制机构，所述控制机构安装在所述主体中并且被配置成响应于所述预定义触发序列触发序列的应用而将所述钻柱工具从激活状态自动切换到非激活状态；
在预定义最小数量的所述周期完成之前响应于所述压差升高到超过所述预定义中间压力范围而中断所述预定义触发序列，以使得随后需要执行至少所述最小数量的所述周期以将所述钻柱工具切换到所述激活状态；以及
执行相应的流体压力控制序列以在启动所述钻柱工具之后将所述控制机构选择性地设置在以下两者之间：
重复模式，其中所述钻柱工具处于所述非激活状态并且能够通过使所述流体压差升高到超过所述预定义中间压力范围而回到所述激活状态，而无需在中间执行所述预定义触发序列；以及
重设模式，其中所述钻柱工具处于所述非激活状态并且所述钻柱工具回到所述激活状态取决于所述预定义触发序列的执行。
16.如权利要求15所述的方法，其中应用所述预定义触发序列包括执行所述预定义最小数量的所述周期，而无在开始所述预定义触发序列后，使所述流体压差升高到超过所述预定义中间压力范围。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述钻柱工具包括扩孔器。
钻柱工具的液压控制
技术领域
[0001] 本申请大体涉及钻井操作中的钻柱工具，并且涉及操作钻柱工具的方法。某些实施方案更具体来说涉及用于控制钻柱工具操作的流体启动(activate)控制系统、设备、机构和方法。本公开还涉及通过由钻柱传送的钻井流体的压力序列所进行的井下扩孔器展开控制。
背景技术
[0002] 通常在地面钻出钻孔以从地下地层中回收烃类诸如油气。一般利用钻柱端部的钻头钻出这样的钻孔。可以通过连续地加入任何数量的管状构件(有时也称为钻杆段)来就地形成钻柱。钻柱的下端通常包括井底组合件，该井底组合件具有任何数量的钻柱工具，其中钻头附接至底端。使钻头诸如通过旋转钻柱或通过使用泥浆马达独立地旋转钻头而旋转，以使岩石地层材料剪切或碎裂，从而钻出井筒。
[0003] 钻柱中所包含的某些工具和装置要求在钻井操作期间远程启动和禁用。这样的工具和装置的示例包括扩孔器、稳定器和用于引导钻头的施力构件。然而，恶劣的井下环境通常会给为了实现所需水平的性能和可靠性的机电控制系统设计者带来挑战。
[0004] 各种方法已被设计用于使用受控流体压力来远程操作工具。钻柱中受控流体压力的使用通常允许有限数量的启动/禁用周期，此后将重设控制系统。某些扩孔器启动设备例如使用落球(ball-drop)机构，该落球机构允许单个启动周期，此后需要重设控制系统。在许多常规系统中，可以将沿着钻柱向下并且向上回到钻孔环形空间循环的钻井流体(即，“泥浆”)用作控制流体。在这样的系统中，钻井泥浆可以利用对应的钻井流体压力水平执行多个单独功能。除了对钻井泥浆加压以使其循环通过钻柱和环形空间之外，还可以例如改变钻井泥浆的压力和流量以控制泥浆马达的速度和/或转矩。由于钻井操作期间钻井泥浆压力变化的该多个不同的原因，使用钻井泥浆控制工具或装置致动机构可以导致无意中的工具启动，这种工具启动是由于将不相关的泥浆压力波动误判为致动机构控制信号而引起的。附图说明
[0005] 在附图各图中以示例而非限制的方式示出了某些实施方案，附图中：
[0006] 图1描绘了根据示例实施方案的包括提供控制安排的钻井设备的钻井设施的示意图，该控制安排用于通过预定义钻井流体压力序列来进行对工具启动的液压控制。
[0007] 图2描绘了根据示例实施方案的用于扩孔器启动的钻井流体启动控制的钻井设备的三维视图。
[0008] 图3A至3C描绘了根据示例实施方案的形成钻柱一部分的钻柱工具控制设备的一部分的局部纵向截面图，该设备包括分别在图3A至3C的各个展开阶段示出的分级活塞机构。
[0009] 图4A至4C描绘了根据示例实施方案的形成钻柱一部分的钻柱工具控制设备的纵向截面的另一部分的纵向截面图，该示例设备包括图4中示意性示出的凸轮机构和启动机构。
[0010] 图5描绘了根据示例实施方案的沿图4A中的线5-5获得的形成钻柱一部分的钻柱工具控制设备的横向截面图。
[0011] 图6描绘了根据示例实施方案的形成设备一部分的内管的径向外表面的示意性展开或铺开视图并且提供了凸轮凹座，可将托架构件上的凸轮构件接纳于该凸轮凹座中以将托架构件的纵向移位转化成托架构件的旋转移动。
具体实施方式
[0012] 以下详细描述参照附图描述了本公开的示例实施方案，附图描绘了示出可以如何实践本公开的示例的各种细节。本发明的论述参照这些附图解决了新颖方法、系统和设备的各个示例并且充分详细地描述了所示实施方案，以使得本领域技术人员能够实现所公开的主题。除了本文所述的说明性示例外，还有许多实施方案可用于实践这些技术。可以在不脱离本公开的范围的情况下进行除了本文特别论述的替代实施方案之外的结构变化和操作变化。
[0013] 在本说明书中，该描述中对“一个实施方案”或“实施方案”或对“一个示例”或“示例”的引用不一定指相同的实施方案或示例；然而，除非受益于本公开的本领域技术人员如此陈述或明白的，否则这些实施实施方案并不相互排斥。因此，可以包含本文所述的实施方案和示例的各种组合和/或整合，以及在基于本公开的所有权利要求和这样的权利要求的所有法律等效物的范围内所限定的另外的实施方案和示例。
[0014] 根据本公开的一个方面，提供具有控制机构的钻柱，该控制机构被配置成通过改变钻柱井孔与周围环形空间之间的压差(即，井孔-环形空间压差)来实现钻柱工具在不同操作模式(例如，扩孔器的展开和/或收缩)之间的远程液压切换，以执行预定义触发序列，该预定触发序列包括使压差升高到一个或多个相应压力范围内的多个周期。控制机构可以被配置成在压差升高到超过对应压力范围的预定义阈值的情况下自动重设或中断触发序列。控制机构可以进一步被配置成当工具留在井下时，允许执行重复的启动/禁用周期。
[0015] 控制机构可为被动机械系统，被配置成使得控制机构响应于压差变化的功能操作是基本专有地机械的，包括例如一个或多个液压致动机构、弹簧偏置机构和凸轮机构。在这种情况下，控制机构的提供所公开功能的至少这些部件可以在无任何基本非机械组件(例如，电组件、机电组件或电子组件)的帮助下操作。
[0016] 图1是用于通过向钻井流体(例如，钻井泥浆)应用预定义序列的流体压力变化来控制钻柱工具的启动和禁用的系统的示例实施方案的示意图。
[0017] 钻井设施100包括其中定位有钻柱108的地下钻孔104。钻柱108可以包括从固定到井口的钻井平台112悬吊下来的钻杆的接合在一起的段。位于钻柱108底端的井下组合件或井底组合件(BHA)122可以包括用于使钻柱108前端的地球地层碎裂的钻头116以导引钻孔104，和位于钻头116的井上的一个或多个扩孔器组合件118，用于通过可选择性展开的切削元件的操作来使钻孔104变宽。
[0018] 钻孔104因此为细长空腔，该细长空腔是基本圆柱形的，具有基本圆形的截面轮廓，沿钻孔104的长度或多或少保持恒定。在某些情况下，钻孔104可以是直线的，但通常可以沿其长度包括一个或多个曲线、弯曲部、转折或角度。如参照钻孔104和其中的组件所使用，钻孔104的“轴线”(以及因此钻柱108或其一部分的轴线)意指圆柱形钻孔104的纵向延伸中心线。因此，“轴向”意指沿着在讨论中的钻孔104的相关点或部分与钻孔104的纵向方向基本平行的线的方向；“径向”意指基本沿着与钻孔轴线相交并且位于垂直于钻孔轴线的平面上的线的方向；“切向”意指基本沿着与钻孔轴线不相交并且位于垂直于钻孔轴线的平面上的线的方向；并且“周向”或“旋转”意指通过围绕钻孔轴线的切向量的旋转所描述的基本弧形或圆形通路。
[0019] “旋转”及其衍生物不仅意指360°或更大的连续或重复旋转，而且包括小于360°的角移位。
[0020] 如本文所使用，移动或位置“向前”或“井下”(和相关术语)意指朝向钻头116、远离地面的轴向移动或相对轴向位置。相反，“向后”“在后面”或“井上”意指轴向沿钻孔104、远离钻头116以及朝向地球表面的移动或相对位置。请注意，在附图的图2、图3、图4和图6中，钻柱108的井下方向从左向右延伸。
[0021] 在BHA 122中可以包含测量和控制组合件120，该组合件还包括测量仪器以测量钻孔参数、钻井性能等。
[0022] 使钻井流体(例如，钻井“泥浆”或可能位于井中的其它流体)从钻井流体储层(例如，储存坑)中循环出来，该钻井流体储层位于地球表面，并且通过泵系统132联接至井口，该泵系统迫使钻井流体沿着由钻柱108的中空内部所提供的钻井井孔128向下，以使得钻井流体在相对高的压力下通过钻头116离开。在从钻柱108离开后，钻井流体沿着钻孔104向上移动回来，从而占据界定在钻柱108与钻孔104壁之间的钻孔环形空间134。虽然许多其它环形空隙可以与钻井设施100相关，但对环形空间压力、环形空间间隙等的引用指的是钻孔环形空间134的特征，除非另有说明或除非上下文另外明确指示。
[0023] 请注意，使钻井流体沿钻柱108的内径(即，井孔128)泵送，其中流到井孔128之外的流体限于钻头116。钻井流体随后沿着环形空间134向上流动，从而将钻屑从钻孔104底部携带到井口，在井口处除去这些钻屑并且可使钻井流体回到钻井流体储层132。因此，井孔128中的流体压力大于环形空间134中的流体压力。除非上下文另有指示，否则术语“压差”意指井孔128中的一般流体压力与环形空间134中的压力之间的差。
[0024] 在某些情况下，通过从平台112旋转钻柱108来使钻头116旋转。在该示例实施方案中，设置在钻柱108中并且在这种情况下形成BHA 122一部分的井下马达136(诸如像所谓的泥浆马达或涡轮马达)可以有助于钻头116的旋转。在某些实施方案中，钻柱108的旋转可由地面设备、由井下马达136或由地面设备和井下马达136二者选择性地提供动力。
[0025] 钻井设施100可以包括地面控制系统140以从井下传感器和装置遥测设备接收信号，这些传感器和遥测设备并入在钻柱108中，例如形成BHA 122的一部分。地面控制系统140可以在由操作者使用来控制钻井操作的显示器或监视器上显示钻井参数和其它信息。
某些钻井设施可以是部分或完全自动化的，以使得钻井控制操作(例如，通过钻井流体的压力序列对马达136的操作参数的控制和对钻柱工具展开的控制，如本文所述)可以是手动的、半自动化的或完全自动化的。地面控制系统140可以包括计算机系统，该计算机系统具有一个或多个数据处理器和数据存储器。地面控制系统140可以处理与钻井操作相关的数据、来自地面上的传感器和装置的数据、从井下接收的数据，并且可以控制钻柱工具和装置的一个或多个操作，这些钻柱工具和装置为井下和/或地面装置。
某些钻井设施可以是部分或完全自动化的，以使得钻井控制操作(例如，通过钻井流体的压力序列对马达136的操作参数的控制和对钻柱工具展开的控制，如本文所述)可以是手动的、半自动化的或完全自动化的。地面控制系统140可以包括计算机系统，该计算机系统具有一个或多个数据处理器和数据存储器。地面控制系统140可以处理与钻井操作相关的数据、来自地面上的传感器和装置的数据、从井下接收的数据，并且可以控制钻柱工具和装置的一个或多个操作，这些钻柱工具和装置为井下和/或地面装置。
[0026] 钻柱108可以包括一个或多个钻柱工具而不是扩孔器组合件118或除了扩孔器组合件118之外。在该示例中，钻柱108的钻柱工具因此包括至少一个扩孔器组合件118，该至少一个扩孔器组合件被定位BHA 122中以当BHA122穿透地层时扩大钻孔104的直径。在其它实施方案中，钻柱108可以包括多个扩孔器组合件118，该多个扩孔器组合件例如定位在BHA 122的相对端附近并且联接至BHA 122。
[0027] 每个扩孔器组合件118均可包括一个或多个周向间隔开的叶片或承载切削结构的其它切削元件(例如，参看图2中的切削壁208)。扩孔器组合件118包括扩孔器144，该扩孔器包括呈大体管状壳体的示例形式的主体，该壳体串联式并入在钻柱108中并且承载切削元件，这些切削元件可从扩孔器壳体的径向外表面径向延伸和收缩，以使扩孔器的有效直径选择性地扩展和收缩。
[0028] 可以通过控制钻井流体压力来实现扩孔器144的操作模式(例如，展开或收缩)的受控选择。在该示例中，被配置成专有地响应于钻井流体压力值的特定变化或序列来触发扩孔器切削元件的展开或收缩的展开控制机构由形成扩孔器组合件118一部分的控制器148提供。控制器148可以包括具有呈大体管状钻杆壳体215(参看图2)的示例形式的主体的设备，该壳体与钻柱108串联式连接。在图1的示例实施方案中，将控制器148安装在工具扩孔器144的井下，但在其它实施方案(例如，图4所示的示例实施方案)中，可以将控制器148定位在扩孔器144的井上。
[0029] 虽然工具展开(目前论述了该工具展开的示例机构)的流体压力控制提供了与例如机电展开机构相比的多个益处，但这样的流体压力控制在执行钻井操作时可能引起困难。例如，流体压力值与所需扩孔器展开之间很少存在简单直接的对应关系。虽然在该示例中，扩孔操作与井孔128中的高流体压力(也称为井孔压力或内部压力)一致，但不会在高井孔压力每一次出现时展开扩孔器144。井孔压力可以例如斜升以在钻孔104被钻出时，经由马达136驱动钻头116。很少希望在这种钻井阶段期间实现扩孔器展开。
[0030] 示例控制器148通过仅仅在井孔压力值或井孔-环形空间压差的特定预定义触发序列之后，允许扩孔器144响应于高钻井流体压力展开来改善这个困难。
[0031] 图2示出了可以形成钻柱108一部分的扩孔器组合件118的示例实施方案，其中扩孔器144形成处于延伸模式的扩孔器组合件118的一部分。在延伸或展开模式时，呈扩孔器臂208的示例形式的扩孔器切削元件径向延伸，从而从扩孔器壳体210凸出并且从扩孔器壳体210径向向外突出与钻孔壁接触，以在扩孔器壳体210随钻柱108旋转时，使钻孔104扩孔。
[0032] 在该示例中，将扩孔器臂208安装在扩孔器壳体210上，使它们呈折叠以当致动时展开的轴向对准铰链连接对的形式。相比之下，当扩孔器144在收缩模式时，扩孔器臂208收缩到管状扩孔器壳体210中。在收缩模式时，扩孔器臂208并不突出到扩孔器壳体210的径向外表面外，从而清除环形空间134并且允许扩孔器壳体210作为钻柱108的一部分轴向和旋转移位，而无钻孔壁与扩孔器臂208接合。
[0033] 图3A至3C示意性地示出了用于形成钻柱108一部分的控制器148的示例实施方案，该钻柱可操作地连接至扩孔器组合件118中的扩孔器144。控制器148包括控制机构以便于响应于井孔128与环形空间134之间的流体压差的预定义触发变化而选择性地控制扩孔器展开或启动。请注意，图3A至3C仅示出了包括控制器148的管状组件的一半，这些管状组件围绕控制器148的纵轴303大体对称(该控制器与钻柱108的纵轴同轴)。
[0034] 控制器148具有呈大体管状控制器壳体215的示例形式的主体，该控制器壳体可以包括同轴连接的钻杆段306，这些钻杆段与钻柱108的管状主体串联并且形成该管状主体的一部分。在该示例中，使钻杆段306通过在相应钻杆段306的邻近端处的互补连接形成的螺杆螺纹接合而连接在一起，以形成螺杆螺纹接头309。
[0035] 分级液压致动机构可由控制器148提供，在该示例中包括活塞组合件，该活塞组合件提供多级复合活塞312，该多级复合活塞可在控制器壳体215的中空内部同轴滑动。芯轴315可操作地连接至复合活塞312并且可相对于控制器壳体215纵向滑动以响应于复合活塞
312的分级或步进式液压致动而导致液压致动工具启动(如以下参照图4更详细描述)。
312的分级或步进式液压致动而导致液压致动工具启动(如以下参照图4更详细描述)。
[0036] 复合活塞312可以包括第一级活塞318和第二级活塞321，该第一级活塞和该第二级活塞可操作地连接至芯轴315以使芯轴315针对呈压缩弹簧324的示例形式的偏置机构而轴向移位，该压缩弹簧在芯轴315与壳体215之间作用。图3A至3C的示意图示出了轴向保持被捕获于芯轴315上的环形肋状物325与由控制器壳体215所提供并且朝向芯轴315向内径向突出的弹簧肩部236之间的压缩弹簧324。
[0037] 在该示例实施方案中，使二级活塞321轴向固定到芯轴(例如，该芯轴具有整体式管状结构)，以使得第二级活塞和芯轴315被连接在一起进行双向轴向移位。然而，第一级活塞318可相对于控制器壳体215和第二级活塞321二者轴向移位。第二级活塞321可在第一级活塞318内以套叠方式同轴滑动。
[0038] 在该示例实施方案中，控制器148包括内管329，该内管与控制器壳体215同轴对准并且其外径小于第二级活塞321的内径。因此，使内管329同轴定位在第二级活塞321内，第二级活塞321可相对于内管329轴向滑动。
[0039] 控制器148包括多个密封构件，该多个密封构件在第一级活塞318与控制器壳体215之间，在第一级活塞318与第二级活塞321之间，以及在第二级活塞321与控制器壳体215之间提供密封的可滑动接触。
[0040] 第一级活塞318与控制器壳体215密封接合，在该示例实施方案中具有外部密封件332(例如，呈弹性O型环密封件的形式)，该外部密封件被封装在第一级活塞318的径向外表面中的空腔中，以在第一级活塞318与控制器壳体215的径向圆柱形内表面之间提供密封的可滑动接触。第一级活塞318同样具有径向内部密封件335(例如，呈弹性O型环密封件的形式)，该内部密封件被封装在第一级活塞318的径向内表面中的凹座中，以在第一级活塞318与第二级活塞321之间提供密封的可滑动接触。
[0041] 第二级活塞321与控制器壳体215的密封的可滑动接合由径向最内密封件338(例如，呈弹性O型环密封件的形式)来提供，该径向最内密封件被封装在控制器壳体215中的凹座中并且支承在第二级活塞321的径向外表面上。如在图3中可以看出，最内密封件338被径向定位成最接近控制器148的纵轴303，其中内部密封件335所具有的离轴线303的径向间距大于最内密封件338的径向间距。外部密封件332具有离轴线303更大的径向间距，与轴线303径向间隔最远。
[0042] 在该示例实施方案中，控制器148因此界定了径向定位在控制器壳体215的径向内表面与第二级活塞321(和/或芯轴315)之间的多个大体环形流体压力室。使井孔压力室341界定在第一级活塞318的井上正上方，由外部密封件332和内部密封件335界定。井孔压力室341与井孔128进行流体流连通并且因此在操作中在井孔压力下用流体填充。如图3A中示意性地示出，流体通道344可以例如径向延伸穿过第二级活塞321。请注意，至少在某些位置，内管329可以是可渗透的，由此允许泥浆从井孔128通过流体通道344流到井孔压力室341。
[0043] 使环形空间压力室349界定在外部密封件332和内部密封件335的井下，在其井下端部由最内密封件338界定。使环形空间压力室349经由径向延伸穿过控制器壳体215的流体通道347暴露于环形空间压力，以使得环形空间压力室349在操作期间在环形空间压力下用钻井泥浆填充。
[0044] 第一级活塞318和第二级活塞321具有互补合作肩部352，这些互补合作肩部被安排成使得第二级活塞321固定到第一级活塞318，以便当肩部352接触时，在井下方向上与其轴向移位(即，当控制器148如图3A所示取向时，向左移动)，同时允许第二级活塞321相对于第一级活塞318独立地井下轴向移位。当第一级活塞318与第二级活塞321邻接时，将由压缩弹簧324施加在芯轴315上以及由于第二级活塞321的延伸所施加的偏置力经由肩部352转移到第一级活塞318。复合活塞312因此被压缩弹簧324轴向向上推动，同时由于井孔128中的流体压力(由井孔压力室341反映)与环形空间134中的流体压力(由环形空间压力室349反映)之间的压差所引起的施加在复合活塞312上的所产生的液压致动力往往沿井下方向推动复合分级活塞312，井孔压力通常高于环形空间压力。
[0045] 控制器壳体215提供止动肩部355以通过第一级活塞318的井下端部邻接在止动肩部355上(参看图3B)来阻止第一级活塞318在特定位置轴向井下移动。第二级活塞321可在止动肩部355上相撞之前沿井下方向轴向移位越过其与第一级活塞318的极限井下位置相对应的位置(例如，参看图3C)。
[0046] 请注意，当从截面方向查看时，施加在复合分级活塞312上或施加在第二级活塞321上的液压致动力由相应大体管形组件的从它们的径向内部外围到它们的径向外部外围的差分面积部分确定。作用于复合活塞312(由一起移动的第一级活塞318和第二级活塞321形成)的初始环形操作区域具有界定在控制器壳体215(例如，与外部密封件332相对应)的内径与芯轴315(与最内密封件338相对应)的外径之间的径向宽度，如在图3A中用尺寸w指示。
[0047] 然而，当复合活塞312在井下方向上的液压致动导致第一级活塞318邻接在止动肩部355上时，其中压差对于第二级活塞321有效的操作性差分面积被界定在第二级活塞321(与内部密封件335相对应)的外径与芯轴315(由最内密封件338界定)的外径之间，如在图3B中用尺寸w’指示。
[0048] 由于针对复合活塞312与第二级活塞321的有效差分面积的差，与使复合活塞312沿井下方向移位所需的相比，使第二级活塞321针对弹簧324的推动而沿井下方向移位需要更大的压差，以压缩弹簧324。在该示例实施方案中，压缩弹簧324的参数和控制器壳体215、芯轴315和活塞318、321的尺寸被选择成使得对于大于约250psi的压力来说，针对压缩弹簧324液压地致动复合活塞312，同时对于大于约750psi的压力来说，第二级活塞321被液压地致动以针对压缩弹簧324孤立地沿井下方向移动。
[0049] 请注意，针对中间压力范围，在该示例中为250-750psi，复合活塞是基本固定的，压差是充分大的以将第一级活塞318推动到其极限井下位置，但太小而无法独立地沿井下方向进一步推动第二级活塞321。分级活塞312因此提供与中间压力范围相对应的中间位置(如图3A所示)，其中复合活塞312被顶出去，但其中芯轴315不会进一步沿井下方向移位。
[0050] 图4A示出了参照图3A至3C所论述的定位在分级活塞312井下的控制器148的一部分的纵向截面图，其中由分级活塞312致动的芯轴315沿着大体管状控制器壳体215同轴延伸。控制器壳体215在其操作性井下端部螺杆螺纹连接到形成扩孔器组合件118一部分的扩孔器144的大体管状壳体210。如先前所述，在该示例实施方案中，扩孔器144被定位在控制器148的井下，而在其它实施方案中(例如，参看图2)，可以将扩孔器144定位在控制器148的井上。在这样的情况下，可以在位置安排时修改本文进一步描述的工具启动机构，以考虑控制器148和扩孔器144的不同的相对位置。
[0051] 控制器148进一步包括托架构件404，该托架构件包括充当筒形凸轮的大体管状套筒408。套筒408与控制器壳体215同轴，径向定位在内管329与控制器壳体215之间。在该示例实施方案中，托架构件404充当工具启动组件的托架，该工具启动组件呈致动指状物412的示例形式，从套筒408的下端纵向突出。为此，套筒408可操作地连接至芯轴315以随芯轴315轴向移位，同时可相对于内管329和控制器壳体215旋转地移位。
[0052] 扩孔器启动机构(其在该示例实施方案中承载在扩孔器144上)包括触发组件，该触发组件呈在扩孔器144的井上轴向突出的触发指状物416的示例形式。因此，在该示例实施方案中，启动机构被配置成通过致动指状物412与触发指状物416的端到端接合以及随之发生的触发指状物416在液压致动下经由致动指状物412沿井下方向轴向移位来启动扩孔器144(例如，以使扩孔器臂208延伸)。
[0053] 如上所述，将套筒408安装成相对于内管329和控制器壳体215二者进行旋转往复式运动和轴向往复式运动。如图4A所示，使致动指状物412和触发指状物416角度失准，以使得套筒408沿井下方向的轴向移动不会导致在指状物412与416之间发生端到端接触。当套筒408围绕内管329以预定角度(在该示例中，180°)旋转时，指状物412、416进入对准状态(图4B)，在这种情况下，套筒408在充分程度上的轴向移位导致触发指状物416与致动指状物412接合以启动扩孔器144。
[0054] 套筒408的旋转受到在套筒408与内管329之间作用的凸轮机构的控制，例如，包括由套筒408所承载的凸轮构件与内管329的径向外表面上的凸轮表面的接合。在该示例实施方案中，凸轮构件包括凸轮球420，该凸轮球保持被捕获于套筒408的内表面的互补凹座中，凸轮表面包括界定于内管329的外表面中的凸轮轨424。该示例实施方案包括多个狭槽428，例如，包括多个所谓的J形狭槽，如以下更详细描述。在该示例实施方案中，凸轮轨424成形以需要预定义序列的压差来使指状物412、416进入对准状态，并且允许套筒408随后充分地轴向移位以将触发指状物416推入启动位置。
[0055] 套筒408由旋转偏置机构旋转地偏置，该旋转偏置机构在该示例实施方案中包括在内管329与套筒408之间作用的扭转弹簧456，从而迫使套筒408相对于内管329在特定旋转方向上角度移位。在该示例实施方案中，当沿控制器148的轴线303在井下方向上查看控制器148时，扭转弹簧456迫使套筒408在顺时针方向上移位(查看图5)。
[0056] 套筒408在扭转弹簧456偏置下的旋转可能由于凸轮球420与凸轮狭槽428之一的接合而受到限制。因此仅在凸轮球420位于凸轮轨424的允许套筒408相对于内管329旋转的一部分中时允许套筒408旋转。
[0057] 托架构件404进一步包括防反转机构(例如，棘轮机构)，以防止当棘轮机构被接合时，套筒408在扭转弹簧456的推动下旋转，同时允许促使套筒408(例如，通过凸轮机构的操作)针对扭转弹簧456的推动而旋转移动。
[0058] 图5示出了沿图4A中的线5-5获得的控制器148的截面图。如在图5中可以看出，在该示例实施方案中，内管329具有棘轮齿轮444，该棘轮齿轮形成抗反转机构的一部分，从而界定在内管329的至少一部分周围周向延伸的一组棘轮齿448。使棘爪440承载在套筒408中并被弹簧加载以偏置成与棘轮齿轮444中的至少一者接合。
[0059] 棘轮齿轮444的齿成形以使得套筒408围绕内管329的旋转移动由于棘爪440与这些齿之一的接合而停止，同时允许套筒408围绕内管329在相反的旋转方向上旋转。
[0060] 在该示例中，致动指状物412从完全重设位置或默认位置(图3A)到充注位置(primed position)(图3B)旋转180°，并且棘轮齿448因此围绕内管329延伸至少180°。然而，在其它实施方案中，可以根据需要旋转不同次数。
[0061] 在该示例实施方案中，在图6中示意性地示出凸轮轨424的形状和配置，其中示出了内管329的径向外表面的“铺开”或”展开”视图。该示例实施方案的凸轮轨424包括以相对取向对布置的一系列轴向延伸的、周向间隔开的J形狭槽。每对狭槽428均包括低压狭槽428’和相对取向的中间狭槽428”。请注意，每对狭槽428均在轴向方向上相对取向，但相应J形狭槽428的钩状物或弯曲端在相同的旋转方向上弯曲。
[0062] 使每个J形狭槽428的直线部分轴向取向，其中相应低压狭槽428’的弯曲部分定位在直线部分的井下端部。相比之下，使每个中间狭槽428”的弯曲部分定位在对应直线狭槽部分的井上端部。每个中间狭槽428”的弯曲部分与对应低压狭槽428’的邻近其弯曲部分的直线部分结合。每个低压狭槽428’(除了末端低压狭槽428f’以外)的弯曲部分进而与连续中间狭槽428”的邻近其弯曲部分的直线部分结合。因此，该系列的狭槽428互连以形成凸轮球420可沿其移动的连续通路。
[0063] 在该示例实施方案中，每对狭槽428均用于使套筒408旋转30°，从而使套筒408总共旋转180°。如先前所述，其它实施方案可以使用不同数量和/或安排的狭槽，并且可以被配置成使套筒408旋转较小的或较大的角度。
[0064] 凸轮球420沿狭槽428的弯曲部分的轴向移位使得轴向移位转化成套筒408相对于内管329的旋转。棘爪棘轮式机构436防止套筒408方向反转，只要棘爪440与合作棘轮齿轮444的一组齿448之一接合。棘爪440和棘轮齿轮444的轴向位置可以被配置成使得当凸轮球
420处于相应J形狭槽428之间的上述接合部的区域中时，该棘爪和该棘轮齿轮轴向对准，但当压差大于中间压力范围的上限阈值(例如，大于750psi)时，该棘爪和该棘轮齿轮不对准。
420处于相应J形狭槽428之间的上述接合部的区域中时，该棘爪和该棘轮齿轮轴向对准，但当压差大于中间压力范围的上限阈值(例如，大于750psi)时，该棘爪和该棘轮齿轮不对准。
[0065] 凸轮球420的默认位置通常可以位于第一低压狭槽428a’的封闭端。当凸轮球420例如沿低压狭槽428a’轴向移向连续中间狭槽428b”时，防止凸轮球420由于棘爪棘轮式机构436的操作而进入前一个中间狭槽428a”，但相反经过与前一个中间狭槽428a”的相交点以进入连续的中间狭槽428b”。
[0066] 凸轮轨424进一步包括自动重设组件，该自动重设组件呈重设凹座452的示例形式，该重设凹座位于中间狭槽428”的井上端部。与狭槽428相同，重设凹座452允许套筒408在扭转弹簧456的推动下(当然，当凸轮球420被定位在重设凹座452中时)相对于内管329旋转，直到凸轮球420支承在重设凹座452的侧壁460上，此后与第一中间狭槽428a”周向对准。请注意，棘爪440和棘轮齿轮444的轴向位置被选择成使得当凸轮球420处于重设凹座452中时，该棘爪和该棘轮齿轮轴向不对准，以使得球420从棘轮齿轮444脱离，从而允许套筒408在扭转弹簧456的偏置下旋转回到其重设位置。
[0067] 凸轮轨424进一步包括端到端连接至末端狭槽428f的启动狭槽468，启动狭槽468轴向延伸越过中间狭槽428”的井上端部并且与重设凹座452的至少一部分轴向对准。
[0068] 套筒408被配置成使得当凸轮球420处于启动狭槽468中时，致动指状物416与触发指状物416周向对准。凸轮球420沿启动狭槽468移动到该启动狭槽的与重设凹座452相对应的末端位置导致致动指状物412与触发指状物416接合，由此选择性地启动扩孔器144。因此，当凸轮球420处于末端低压狭槽428f”中时，控制机构处于充注状态，因为压差斜升超过中间压力范围的上限阈值(例如，750psi)随后导致扩孔器144展开。这种超阈压力的过早应用导致凸轮球420移动到重设区域452。
[0069] 凸轮轨424进一步包括重设狭槽472，该重设狭槽使启动狭槽468与重设凹座452并且与末端狭槽428f结合。因此可以通过使压差降低到中间压力范围内来使凸轮球420从启动狭槽468移动到重设凹座452，从而允许凸轮球420沿启动狭槽468向井上方向轴向移动并且经由成角度返回狭槽476移动到重设狭槽472中。压差的随后斜升导致凸轮球420沿重设狭槽472移动并且移动到重设凹座452中。相比之下，压差降低到低于中间压力范围的下限阈值(例如，250psi)导致凸轮球420移动回到末端狭槽428f中，以使得控制机构再次处于充注状态，从而允许扩孔器144重复地展开和收缩，而无需在连续展开之间执行压力值的触发序列。
[0070] 在操作中，凸轮球420在与无压差相对应的位置开始，被定位在第一低压狭槽428a’的井上端部。
[0071] 当压差在操作者控制下升高时，复合活塞312由于井孔压力室341与环形空间压力室349之间的压差而在液压致动下在井下方向上轴向移位，从而导致芯轴315以及因此套筒408轴向移位，以使得凸轮球420沿第一低压狭槽428a’移向其与连续中间狭槽428b”相交处。
[0072] 如果压差在球420进入连续中间狭槽428b”之前降低，那么球420沿井上方向轴向移动回到其起始位置。
[0073] 在预定中间压力范围的下限阈值(在该示例实施方案中为250psi)处，凸轮球420进入中间狭槽428b”。当井孔环形空间压差处于中间压力范围内时，使第一级活塞318针对止动肩部355顶出(图3B)，以使得压差在其上起作用以致动套筒408的分级活塞312的操作性差分面积减小(与减小的环形空间宽度w’相对应)。在中间压力范围中，套筒408从其初始位置移位，但固定，以使得凸轮球420在中间位置(在图6中用参考数字464指示)止步。
[0074] 如果当球420处于中间狭槽428b”中时，压差升高到超过中间压力范围的上限阈值(例如，超过约750psi)，那么球420沿中间狭槽428”向井下移动并且移动到重设凹座452中。在这样一种情况下，使凸轮球420从旋转限制狭槽428中的任一者脱离，并且使棘爪440从棘轮齿轮444脱离，以使得扭转弹簧456使套筒408旋转回到其中凸轮球420支承在重设凹座
452的侧壁460上的起始位置。
452的侧壁460上的起始位置。
[0075] 使压差在球420进入重设凹座452中之后降低导致凸轮球420沿第一中间狭槽428a”向井上移动，并且如果压差落到低于250psi，则凸轮球420返回到第一低压狭槽428a’中。请注意，凸轮球420的这种井上移动是由于第二级活塞321(与中间狭槽428”相对应)或复合活塞312(与低压狭槽428’相对应)在压缩弹簧324(图3A)的推动下的轴向移位而引起的。
[0076] 然而，如果当凸轮球420处于第二中间狭槽428b”中时，压差降低到低于250psi，那么凸轮球420沿井下方向移动到第二低压狭槽428b’，从而使得套筒408相对于内管329旋转。
[0077] 包含在250psi至750psi范围内的压力的五个连续应用、与低于250psi的压差的减小交替排布的触发序列因此使凸轮球420从一个狭槽移动到另一个狭槽，并且进入末端低压狭槽428f’，在该末端低压狭槽中套筒408处于充注状态。如果压差此后斜升，那么凸轮球420沿井下方向移动到启动狭槽468中，从而使套筒408旋转以使得致动指状物412与触发指状物416周向地对准。当压差超过750psi时，使套筒在井下移位得更远，以使得致动指状物
412将触发指状物416推入启动位置，从而导致扩孔器臂208展开。
412将触发指状物416推入启动位置，从而导致扩孔器臂208展开。
[0078] 凸轮轨424的形状和安排因此界定了启动扩孔器144所需的压力序列。在该示例中，如果压差在套筒408完全旋转到充注状态之前的任何阶段升高到超过中间压力范围的上限阈值(例如，750psi)，那么凸轮球420移动到重设凹座452中并且回到其起始位置，以使得触发序列不得不在扩孔器144展开的情况下重新开始。
[0079] 扩孔器启动后压差的减小导致凸轮球420沿启动狭槽468向井下移动并且经由成角度返回狭槽476移动到重设狭槽472中。如果压差此后降低到低于250psi，那么凸轮球420移动回到末端低压狭槽428f’，此后扩孔器144可以响应于超过750psi的压差的应用而再次展开。以此方式，可以以重复模式来操作控制机构。
[0080] 然而，如果操作者希望将控制器148切换到其中需要应用触发序列以再次启动扩孔器144的重设模式，那么在该示例中可以执行重设序列(包括使压差降低到中间压力范围)，以使得凸轮球420进入重设狭槽472，并且此后在不使压差降低到低于中间压力范围的下限的情况下，使压差升高到超过中间压力范围的上限(例如，超过750psi)，从而导致凸轮球420沿重设狭槽472向井下移动并且移动到重设凹座452中。在这种情况下，套筒408在扭转弹簧456的推动下回到朝向其中凸轮球420支承在重设凹座452的侧壁460上的起始位置顺时针旋转。
[0081] 在其它实施方案中，可以提供第二棘轮机构以响应于所定义禁用压力序列的应用来实现扩孔器臂208的禁用。
[0082] 请注意，在其它实施方案中可以使用不同的扩孔器启动机构。扩孔器144的启动机构可以例如进行液压操作。在一个示例实施方案中，托架构件(例如，套筒408)可以具有呈阀开口形式的启动组件，通过套筒408的轴向移位和角移位来使得该阀开口与阀端口对准，以使液压致动展开机构暴露于井孔128中的压力，并且由此实现扩孔器臂208的展开。
[0083] 上述示例扩孔器启动机构的益处在于其允许可通过钻井流体压力的控制来远程控制的多个扩孔器启动和禁用周期。与例如落球机构相比时，这样一种机构节约了更多的时间。选择性可重复的扩孔器展开和收缩允许仅仅在需要时展开扩孔器。
[0084] 示例系统和方法的另一个益处在于它允许不太可能无意中执行的触发序列的设计，以使得无意中展开扩孔器臂208的可能性受到限制。
[0085] 所描述的示例实施方案因此尤其公开了井工具设备，该井工具设备用于控制钻柱中的钻柱工具的启动，该钻柱沿着钻孔纵向延伸以沿着内部井孔在压力下传送钻井流体，以使得在井孔中的钻井流体与界定于钻柱与钻孔壁之间的钻孔环形空间中的钻井流体之间存在压差。该设备可以包括被配置成形成钻柱的串联部件的大体管状壳体和安装在壳体中的控制机构，该控制机构被配置成专有地响应于井孔-环形空间压差变化的预定义触发序列的执行而实现钻柱工具从非激活状态到激活状态的切换。该控制机构可以被配置成使得该触发序列包括以下各项的多个周期：使井孔-环形空间压差升高到但不超过预定义中间压力范围；以及使井孔-环形空间压差降低到低于中间压力范围的下限阈值。
[0086] 该控制机构可以进一步被配置成在预定数量的触发序列周期被执行之前，响应于井孔-环形空间压差升高到超过中间压力范围的上限阈值来重设触发序列。在某些示例实施方案中，中间压力范围的下限阈值可以在150psi与250psi之间，而中间压力范围的上限阈值可以在650psi与850psi之间。
[0087] 控制机构可以进一步包括可沿主体内部轴向移位的启动组件，该启动组件被配置成至少部分响应于启动组件到启动位置的轴向移动而实现钻柱工具切换到激活状态。可以使偏置机构可操作地联接至启动组件以推动启动组件轴向远离其启动位置并且朝向默认位置。在这样一种情况下，控制机构可以进一步包括分级液压致动机构，该分级液压致动机构被配置成响应于中间压力范围内的井孔-环形空间压差针对偏置机构的操作来促使启动组件从其默认位置轴向移位到中间位置，以及当井孔-环形空间压差处于中间压力范围内时，使得启动组件在其中间位置保持基本固定，液压致动机构进一步被配置成响应于井孔-环形空间压差大于中间压力范围的上限阈值而在偏置机构的操作下促使启动组件从中间位置轴向移位到启动位置。
[0088] 启动组件可相对于主体进行角移位(参看例如呈触发指状物412的示例形式的启动组件，其可随着由管状套筒408所提供的示例托架构件旋转)，控制机构进一步包括旋转机构，该旋转机构被配置成响应于预定义触发序列的执行来使启动组件从其中启动组件与工具启动机构的触发组件角度失准的未充注状态角移位到其中启动组件与触发组件角度对准的充注状态。
[0089] 控制机构可以进一步包括托架构件，该托架构件承载启动组件，用于使托架构件相对于主体轴向和旋转移位，该托架构件可操作地连接以用于由分级液压致动机构进行轴向致动。控制机构还可包括旋转偏置机构，该旋转偏置机构被配置成向托架构件应用旋转偏置，这推动托架构件旋转地朝向初始未充注状态并且远离其中启动组件与工具启动机构的触发组件角度对准的充注状态。
[0090] 在这样一种情况下，凸轮机构可以可操作地连接至托架构件并且可以被配置成响应于触发序列的执行来使托架构件的往复式轴向移位转化成托架构件从初始未充注状态到充注状态的分级旋转。该凸轮机构可以进一步被配置成当流体压差低于中间压力范围的上限阈值时，阻止托架构件在旋转偏置机构的偏置下旋转。
[0091] 凸轮机构可以包括自动重设组件，该自动重设组件被配置成在托架构件旋转到充注状态之前，响应于所促使的托架构件轴向移位经过与中间压力范围的上限阈值相对应的轴向位置而允许托架构件在旋转偏置机构的偏置下自动旋转到初始未充注状态。凸轮机构可以进一步包括止回(nonreturn)组件，以当托架构件处于充注状态时，响应于井孔-环形空间压差升高到超过中间压力范围的上限阈值阻止托架构件在旋转偏置机构的偏置下旋转。在图6的示例实施方案中，止回组件由启动狭槽468提供，该启动狭槽使套筒408旋转地楔到内管329。
[0092] 控制机构可以被配置成可在将钻柱工具切换到激活状态之后将钻柱工具切换到非激活状态时在以下两种模式之间操作：重复模式，其中在井孔-环形空间压差升高超过中间压力范围的上限阈值时，将钻柱工具再次切换到激活状态，而无需执行触发序列；以及重设模式，其中将钻柱工具再次切换到激活状态取决于触发序列的执行。
[0093] 所描述的实施方案进一步公开了尤其是用于形成钻柱一部分的组合件并且包括控制机构、包括控制机构的钻井设施和控制联接在钻柱中的钻柱工具的方法。
[0094] 如上述示例实施方案所例示，本公开的一方面因此包括钻柱工具，该钻柱工具被配置成用于钻孔内的钻柱，其中钻柱界定内部井孔和钻孔环形空间，钻柱工具包括壳体，该壳体被配置成形成钻柱的串联式部件；和安装在壳体中的控制机构，该控制机构被配置成响应于内部井孔中的压力相对于钻孔环形空间中的压力之间的变化的预定义触发序列而使钻柱工具从非激活状态切换到激活状态，其中该触发序列包括至少以下各项的多个周期：(a)使流体压差升高到但不超过预定义中间压力范围；以及(b)使流体压差降低到低于中间压力范围的下限阈值。
[0095] 控制机构可以进一步被配置成在预定数量的触发序列周期被执行之前，响应于流体压差升高到超过中间压力范围的上限阈值来重设触发序列。
[0096] 中间压力范围的下限阈值可以在150psi与250psi之间，而中间压力范围的上限阈值可以在650psi与850psi之间。
[0097] 控制机构可以进一步包括可沿主体内部轴向移位的启动组件，该启动组件被配置成至少部分响应于启动组件到启动位置的轴向移动而实现钻柱工具切换到激活状态。在这样一种情况下，控制机构还可以包括偏置机构，该偏置机构可操作地联接至启动组件并且被配置成推动启动组件轴向远离其启动位置并且朝向默认位置。另外，钻柱工具可以包括[0098] 分级液压致动机构，该分级液压致动机构被配置成响应于中间压力范围内的流体压差而针对偏置机构的操作导致启动组件从其默认位置轴向移位到中间位置，以及当压差处于中间压力范围内时，使得启动组件在其中间位置保持基本固定，液压致动机构被进一步配置成响应于流体压差大于中间压力范围的上限阈值而针对偏置机构的操作导致启动组件从中间位置轴向移位到启动位置。
[0099] 启动组件可相对于主体角移位，该控制机构进一步包括旋转机构，该旋转机构被配置成响应于预定义触发序列的执行来使启动组件从其中启动组件与工具启动机构的触发组件角度失准的未充注状态角移位到其中启动组件与触发组件角度对准的充注状态。
[0100] 控制机构可以进一步包括托架承载启动组件的托架构件，该启动组件用于使托架构件相对于主体轴向和旋转移位，该托架构件被配置用于进行由分级液压致动机构所引起的轴向移位。可以结合托架构件提供旋转偏置机构，该旋转偏置机构被配置成向托架构件应用旋转偏置，以推动托架构件旋转地朝向初始未充注状态并且远离其中启动组件与工具启动机构的触发组件角度对准的充注状态。
[0101] 凸轮机构可以操作性地连接至托架构件并且可被配置成：(a)响应于预定义触发序列的执行而使托架构件的往复式轴向移位转化成托架构件从初始未充注状态到充注状态的分级旋转；以及(b)当流体压差低于中间压力范围的上限阈值时，阻止托架构件在旋转偏置机构的偏置下旋转。
[0102] 凸轮机构可以包括自动重设组件，该自动重设组件被配置成在托架构件旋转到充注状态之前，响应于所促使的托架构件轴向移位经过与中间压力范围的上限阈值相对应的轴向位置而允许托架构件在旋转偏置机构的偏置下旋转到初始未充注状态。凸轮机构可以进一步包括止回组件，该止回组件用于当托架构件处于充注状态时，响应于流体压差升高到超过中间压力范围的上限阈值阻止托架构件在旋转偏置机构的偏置下旋转。
[0103] 控制机构可以被配置成可在将钻柱工具切换到激活状态之后将钻柱工具切换到非激活状态时在以下两种模式之间操作：一方面，重复模式，其中在流体压差升高超过中间压力范围的上限阈值时，将钻柱工具再次切换到激活状态，而无需执行预定义触发序列；以及另一方面，重设模式，其中将钻柱工具再次切换到激活状态取决于预定义触发序列的执行。
[0104] 本公开另一方面包括扩孔器组合件，该扩孔器组合件用于在钻孔内形成钻柱的一部分，其中钻柱界定内部井孔和钻孔环形空间，该扩孔器组合件包括：大体管状壳体，该大体管状壳体被配置成形成钻柱的串联式部件；一个或多个扩孔器切削元件，该一个或多个扩孔器切削元件被安装在扩孔器壳体上并且可设置在其中一个或多个切削元件从壳体径向向外突出以使钻孔扩孔的激活状态与其中一个或多个扩孔器切削元件收缩的非激活状态之间；以及安装在壳体中的控制机构，该控制机构被配置成响应于内部井孔中的压力相对于钻孔环形空间中的压力之间的变化的预定义触发序列来将钻柱工具从非激活状态切换到激活状态，控制机构被配置成在无触发序列的情况下经由控制机构阻止钻柱工具切换到激活状态，其中触发序列包括以下各项的多个周期：使流体压差升高到在预定义中间压力范围内，以及使流体压差降低到低于中间压力范围的下限阈值。
[0105] 本公开的另一方面包括钻井设施，该钻井设施包括：
[0106] 细长钻柱，该细长钻柱沿钻孔纵向延伸，该钻柱具有界定纵向延伸的井孔和钻孔环形空间的壳体；
[0107] 钻柱工具，所述钻柱工具形成所述钻柱的一部分并且被配置成可设置在激活状态与非激活状态之间；
[0108] 控制机构，该控制机构被配置成只有在控制机构处经历了内部井孔-钻孔环形空间中的变化的预定义触发序列的情况下允许钻柱工具从激活状态切换到非激活状态，其中触发序列包括以下各项：
[0109] 使内部井孔-钻孔环形空间压差升高到超过预定中间压力范围的下限阈值，但不超过中间压力范围的上限阈值，以及
[0110] 使内部井孔-钻孔环形空间压差下降到低于中间压力范围的下限阈值。
[0111] 另一方面公开了控制联接在钻孔内的钻柱中的钻柱工具的方法，该钻柱界定内部钻孔和钻孔环形空间，该方法包括：
[0112] 应用内部井孔-钻孔环形空间压差变化的预定义触发序列以控制钻柱工具从非激活状态切换到激活状态，该触发序列包括以下各项：
[0113] 使内部井孔-钻孔环形空间压差升高到超过预定中间压力范围的下限阈值，但不超过中间压力范围的上限阈值，以及
[0114] 使内部井孔-钻孔环形空间压差下降到低于中间压力范围的下限阈值，[0115] 其中钻柱包括控制机构，该控制机构安装在壳体中并且被配置成响应于压差触发序列的应用来使钻柱工具从激活状态自动切换到非激活状态。
[0116] 在以上详细描述中，可以看出，出于使本公开流畅的目的而在单个实施方案中将各个特征组合在一起。本公开的这种方法不应被解释为反映以下意图，即所要求的实施方案需要比每个权利要求中所明确表述的特征更多的特征。而是如随附权利要求所反映的，本发明的主题内容在于少于单个公开实施方案的全部特征。因此，随附权利要求据此并入到详细描述中，同时每个权利要求本身作为单独的实施方案。
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