专利名称：与钻井工具一同使用的力平衡系统的制作方法
技术领域：
本发明的实施例一般涉及与钻井工具一同使用的系统。具体来说，本发明的实施 例涉及从井孔内工具的操作和推进上解耦钻柱重量的力平衡系统。
背景技术：
将井孔钻入土质地层(尤其是硬岩石)的冲击法包括循环和尖刺式冲撞力，而非 由钻柱重量施加的稳定压紧力。该冲击作用与传统的重量钻探法比较而言产生更高的穿透 速率。在冲击钻探应用中，钻头需要旋转，并非为了输送能量以击碎岩石，而是为了定位 安装在其面上的切割元件，从而在每次后续撞击期间接触新的岩石地层。传统上，实现此举 需要通过将钻头插入钻柱以便将由安装于钻塔上的转盘所提供的、范围在20rpm到40rpm 的钻柱旋转转移到钻头。通常，冲击钻工具为连接到钻柱末端的气动装置。将高度压缩空气交替地导入和 导出两个单独腔室。其中一个腔室定位于滑动体(通常称为活塞)上方，而另一个腔室定 位于滑动体下方，以便空气使得该滑动体上下加速，从而在工具外壳内往复运动。在工具操 作期间，保持钻头与井孔底部的土壤接触。当向下引导滑动体时，其强有力地撞击钻头顶部 并且使得接触该钻头的岩石崩解。在常规的重量钻探法中，用于向地层底部冲压钻头的力(通常称为钻压)通常介 于20000磅到50000磅之间。在冲击钻探中，由于是往复运动的活塞朝向钻头的冲击力击 碎地层，所以不需要巨大的钻压。然而，当钻头穿透地层时，其往往向工具外壳外滑动。如 果不允许钻柱足够快速地降落到井孔中以跟上进入地层的钻头，则工具可能进入“开启位 置”并且停止循环转动。然而，相反地，如果不适当地阻挡钻柱重量，则钻柱可能会将过度的重量施加到钻 头上。此情况也是不希望发生的，原因在于，极大的钻压剧烈地增加旋转钻头所必要的摩擦 扭矩，导致相关部件过度损坏。因此，操作人员面临的推进钻柱的艰巨任务在于，一方面要 足够快，以防止工具开启，另一方面要足够慢，以避免将钻头过于猛烈地压向地层。这特别 困难，因为操作人员必须阻挡大部分(但不是所有)钻柱重量，还要努力允许重力仅仅施加 足以保持工具闭合的力。由钻柱与井孔壁之间的接触所产生的摩擦阻力使这种困境加剧。因此，需要有条理的系统来平衡钻柱的重量和其进入井孔的推进运动。
发明内容
本发明一般涉及冲击钻探工具。在一个方面中，提供与钻井工具一同使用的系统。 所述钻井工具包括第一子系统，其连接到处于该子系统上部末端的钻柱；第二子系统，其 连接到第一子系统的下部末端；和，圆柱形外壳，其连接到第二子系统，其中第一子系统经 调适以可滑动地啮合第二子系统，并且其中将钻柱的重量从钻井工具上解耦。在另一方面中，提供力平衡系统。所述力平衡系统包括钻井工具，其连接到钻柱，所述工具包含连接到子系统组件的圆柱形外壳和设置于外壳内的第一腔室和第二腔室，其 中，当加压第一腔室和第二腔室时，便从工具上解耦钻柱重量。在另一方面中，提供平衡钻柱和钻井工具重量的方法。所述方法包括以下步骤将 钻柱上的钻井工具引入井孔中；加压设置于钻井工具中的第一腔室和第二腔室；以及，从 钻井工具上解耦钻柱重量。
为了详细了解本发明的上述特征，可参考实施例而对上文简要概述的本发明进行 更为具体的描述，其中某些实施例图示于附图中。然而，应注意的是，附图仅图示本发明的 典型实施例，因此不应视为对其范围的限制，因为本发明可允许其它同等有效的实施例。图1是处于完全开启位置的力平衡系统和处于冲洗模式的钻探工具的截面图。图2是处于平衡位置的力平衡系统和处于活塞的上升冲程开始处的钻探工具的 截面图。图3是处于平衡位置的力平衡系统和处于活塞下降冲程开端处的钻探工具的截 面图。图4是处于完全闭合位置的力平衡系统的截面图。
具体实施例方式本发明一般涉及控制钻柱重量并同时使用井孔中的钻井工具的设备和方法。如本 文所述，本发明将被描述为涉及冲击钻探工具。然而，应注意的是，本发明的方面不限于与 冲击钻探工具一同使用，而是同等适用于与其他类型的钻井工具一同使用。为更好理解本 发明设备和其使用方法的新颖性，下文结合附图来描述。将简要论述图1-图3以提供对冲击钻探工具的操作和冲击钻探的方法的总体概 述。当冲击钻探工具在井孔中由钻柱吊离底部时，便引导压缩空气沿着钻柱向下穿过和旁 路通过钻探工具而进入井孔。这称为“冲洗”模式，其有助于在井孔底部移除岩石碎片和其 他碎屑。当工具落于井孔底部上时，钻头便定位于“闭合”模式中，并且工具开始操作。在 操作期间，活塞体开始在工具外壳内往复运动并且冲撞钻头顶部，从而使钻头下方的邻近 岩石地层变成碎片。图1展示工具吊离底部时钻探工具10的“冲洗”模式。切割组件25(其一实例本 文称为钻头2 从固持套管100悬吊下来，并且该切割组件25和固持套管100均部分地设 置于圆柱体或外壳20内。在将钻头25落在井孔底部上之前，可以引导压缩空气沿着钻柱 向下穿过力平衡系统70并进入馈送管50的馈送管腔室M中。然后，引导空气穿过馈送管 50的一或多个开口 51而进入上部腔室56，并从其处经由通道64进入内部活塞腔室65。内 部活塞腔室65位于活塞60中。可通过形成于钻头25中的一或多个开口沈将空气导出。 压缩空气有助于移除累积在井孔底部附近的任何碎屑。最终，在外壳20的下部末端与固持 套管100之间的间隙称为“锤落(hammer drop) ”，而在固持套管100的下部末端与钻头25 之间的间隙称为“钻头落(bit drop)”。在工具的冲洗模式操作期间，两个间隙均开启。图2展示在钻探工具10降下井孔并且钻头25接触井底部之后钻探工具10的“闭 合”模式。此时，“锤落”与“钻头落”闭合。具体来说，将钻头25和固持套管100推送入外壳20中，直到由钻头形成的肩部27接触固持套管100的第一肩部101且固持套管100的 第二肩部102接触外壳20的末端。在接触之后，向上推送活塞60，以便当活塞60的上部区 段62覆盖馈送管50的开口 51时，切断进入上部腔室56的空气。接着，重新引导空气穿过 馈送管50的一或多个开口 52而经由槽66进入下部腔室57。活塞60的下部末端63与传 动轴90的孔啮合并将其密封，以便当下部腔室57填充时，累聚压力的力量将使活塞沿外壳 20加速向上。这便开始活塞60的往复运动和钻探工具的操作。图3展示处于行程顶部的活塞60。当使活塞60加速向上时，活塞60的下部末端 63与传动轴90之间的密封啮合便解除，并且来自下部腔室57的空气通过钻头25中的开 口沈排出。之后，重新引导馈送管50中的压缩空气穿过开口 51而经由通道64进入上部 腔室56，以加压该腔室并使活塞60减速，直到其停止，然后使其向下加速，以便活塞的下部 末端63冲撞钻头25的顶部。此类钻探工具10连同置放于钻头上方和附近的弯曲子系统(未图示)可以允许 钻机在所要方向保持弯曲的定向，从而使井孔能够定向地和冲击性地钻探。钻探工具10可 以与1/2度到2度曲角的弯曲子系统协作来实现每100英尺5度到15度的增斜速率(或 狗腿严重度)。除冲击钻探工具10的一般操作以外，参见图2，可以利用力平衡系统70来解决对 于有效引导钻探工具10进入井孔而不必施加过度钻压力而言必要的平衡。力平衡系统70 可用于从钻探工具10上解耦钻柱重量，以便钻头25不会过分堵塞井地层的底部，而是保持 稳定的接触。该系统还可从钻探工具10的操作上移除重力元素，以便其完全在垂直、有角 度和/或水平的钻探轨道中操作。图2展示处于平衡位置的力平衡系统70。一般而言，力平衡腔室45由在相反方向 有效推送心轴子系统30和外壳20的压缩空气填充，从而减轻钻头25上钻柱的重量并使钻 头座落在井孔底部上，以便其保持在闭合的操作位置中。只要心轴子系统30未处于完全插 入位置，便可在钻头25上保持最佳的力。力平衡系统70包括力平衡外壳40、力平衡腔室45、心轴子系统30、阀36和一或多 个楔片38。心轴子系统30经调适以在其上部末端处连接到钻柱(未图示)，并且在其下部 末端处可移动地附接到力平衡外壳40。心轴子系统30的区段31与力平衡外壳40的内径 密封啮合。心轴子系统30的下部末端设置于力平衡外壳40内，并且沿楔片38与力平衡外 壳40的内径可移动地啮合。最终，力平衡外壳40的下部末端连接到外壳20的上部末端。楔片38定位于心轴子系统30与力平衡外壳40之间，以便其相对于力平衡外壳40 轴向地固定，但是沿心轴子系统30的下部末端在座圈35内行进。行进的距离可以为从几 英寸到几英尺的任何长度。楔片38促进心轴子系统30相对于力平衡外壳40的轴向运动， 并且防止两个子系统之间的旋转。在一个实施例中，楔片38包括设置于心轴子系统30与 力平衡外壳40之间的销(未图示)。该销可以经操作以增加销与子系统之间的接触面积， 从而减小在部件之间相对运动时这些部件所承受的任何应力。心轴子系统30上的座圈35可以形成为直接通往心轴子系统30的末端，并且围绕 心轴子系统30的下部末端而设置的卡环33可以用于限制心轴子系统30在一个方向上的 轴向冲程。卡环33可以经调适以啮合位于楔片38下方的力平衡外壳40的肩部，从而限制 心轴子系统30的行进并防止心轴子系统30在操作期间从力平衡外壳40处移除(也展示于图1中)。卡环33还可促进组装力平衡系统70的容易性。在替代性实施例中，心轴子系 统30上的座圈35的末端可经调适以充当止挡件并通过与楔片38接触而防止移除。另外， 心轴子系统30的肩部32可有助于防止在心轴子系统30紧靠于力平衡外壳40的上部末端 时完全将其收纳入力平衡外壳40中(也示于图4中)。简要叙述设置于力平衡系统70下方与该力平衡系统70的、与其操作相互作用的 一些特征是有帮助的。馈送管50安装在固定于外壳20内的馈送管支撑件55的一个末段 处。馈送管50的另一末段部分地设置于活塞60的内孔中，以便活塞60可以沿其外部滑动。 馈送管50包括与力平衡腔室45和上部腔室56连通的馈送管腔室M。馈送管50还含有开 口 51和52。馈送管密封件53封堵馈送管50正好处于开口 51和52下方的末端，并且与活 塞60内孔形成密封。仍然参见图2，力平衡腔室45具有成型于力平衡外壳40内部中的有效面积Al。 在一末端，力平衡腔室45(以及就此而言的有效面积Al)密封于心轴子系统30的区段31 处的周围环境。在相对末端，可将力平衡腔室45 (以及就此而言的有效面积Al)在力平衡 外壳40与馈送管支撑件55的界面处密封，或者在力平衡外壳40与外壳20的界面处密封。 在一个实施例中，不依赖钻探工具10，可以由力平衡系统70的底部(未图示)将力平衡腔 室45在其下部末端密封。举例而言，馈送管支撑件55可以与力平衡外壳40成为一体。另一方面，上部腔室56具有成型于外壳20内部的有效面积A2，该有效面积A2在 一末端处由附接到外壳的馈送管支撑件阳的底部来密封而在另一末端处由活塞60的顶部 来密封。当压缩空气引入上部腔室56中并引导活塞60的往复运动时，有效面积A2中的压 力增加和减小，其中，当活塞处于其最上冲程时(示于图3中)，便在馈送管支撑件55的底 部上和活塞60的顶部上引导最大力。该最大力将在朝上方向上引导馈送管支撑件55和就 此而言的外壳20，并且将在朝下方向上引导活塞60。在操作期间，引导压缩空气沿着钻柱向下，穿过心轴子系统30，从而填充力平衡腔 室45。当力平衡腔室45加压时，压缩空气对心轴子系统30与馈送管支撑件55顶部同时产 生力，其中馈送管支撑件55附接到外壳20。实际上，该力向上推送心轴子系统30并向下 推送外壳20。然而，与此同时，压缩空气还经过馈送管50而引导至上部腔室56。当上部腔 室56加压时，压缩空气也对馈送管支撑件55底部和活塞60顶部同时产生力，其中馈送管 支撑件阳附接到外壳20。实际上，该力向上推送外壳20并向下推送活塞60。因此，存在 施向馈送管支撑件55的、将外壳20向上和向下引导的两个相反力。如果允许向上引导外壳20，则通过开启“锤落”间隙和“钻头落”间隙可以迫使钻 头25进入开启设置，从而将停止活塞60的操作并且因此停止钻探。另外，如果允许向上引 导外壳20以便心轴子系统30完全插入并紧靠力平衡外壳40，则钻柱的过度重量可能(经 由力平衡外壳40和外壳20)施加于钻头25而抵向井孔底部。因此，向下引导外壳20的力 应大于或等于向上引导外壳20的力，以防止这些潜在的情况。此外，向下引导外壳20的力可以通过将力平衡腔室45中的最大压力乘以力平衡 腔室45的有效面积Al来计算。类似地，向上引导外壳20的力可以通过将上部腔室56中 的最大压力乘以上部腔室56的有效面积A2来计算。上部腔室56中的最大压力可以超过 经引导而进入力平衡系统70和钻探工具10中的压缩空气的水平。当向上移动的活塞60 的动能转换为势能时，可以在上部腔室56中的压力经历波动时产生过度水平的压力。图3展示处于其行程顶部的活塞60，此时上部腔室56可能经受压力波动。此最大压力可能超过 力平衡腔室45中压力的最大压力。因此，力平衡腔室45的有效面积Al可以设置为大于上 部腔室56的有效面积A2，以便外壳20在向上的方向上不受力。一旦实现此状况，并且只要 钻机阻止心轴子系统30完全插入力平衡外壳40中，则是气动力(而非重力)使钻头25保 持关闭位置，而不过分地向井孔的底部挤压钻头25。在替代性实施例中，可以利用力平衡腔室45中产生的向下力和力平衡外壳40的 重量的组合来抵抗上部腔室56中的压力，以免钻探工具10转变至开启位置。可以增加耦 接到外壳20的力平衡外壳40的重量，以在加压上部腔室56时向施加于外壳20的向上力 提供额外阻力。通过力平衡外壳40的材料、力平衡外壳40的物理尺寸、重量的附加(诸 如，轴环)、其组合和/或本领域已知的各种其他方法，可以控制力平衡外壳40重量。类似 地，通过引入至所述腔室的压缩空气的量和用于形成所述腔室的有效面积Al的物理尺寸， 可以控制力平衡腔室45中产生的向下力。通过调整包含力平衡外壳40和力平衡腔室45 的参数的组合，可以禁止上部腔室56中的最大压力迫使外壳20和钻头25分离。力平衡外 壳40和力平衡腔室45的组合可以使钻探工具10保持在关闭位置上并且防止过度重量施 加至钻头25上。参见图4，为协助钻机能够避免完全地插入心轴子系统30，阀36可以设置于馈送 管支撑件阳上方。如上所述，在一个实施例中，馈送管支撑件55可以与力平衡外壳40成 为一体而作为力平衡系统70的底部，从而将阀36设置于力平衡腔室45内的力平衡系统70 的底部上。阀36可以包含具有圆锥形顶部的圆柱形外壳，该圆锥形顶部经调适以在心轴子 系统30的内孔中拟合。阀36可以包括窗口 37，压缩空气可以穿过窗口 37而引入至钻探 工具10的馈送管腔室M中。在心轴子系统30接近完全插入位置时，心轴子系统30的内 孔可以开始啮合和封闭阀36。心轴子系统30的内孔的壁可以环绕窗口 37并且抑制压缩 空气流沿着钻柱向下穿过力平衡腔室45行进至钻探工具10。当心轴子系统30开始啮合 阀36时，可以将心轴子系统30的钻柱和内孔中的压力上升作为钻柱应该从钻探工具上升 高或放下钻柱的信号传达至钻机。在心轴子系统30完全插入的情况下，阀36可以完全封 闭于心轴内并且禁止压缩空气流动至力平衡腔室45和钻探工具10，从而停止工具的操作。尽管上述内容是针对本发明的实施例，但可在不脱离本发明的基本范围的情况下 设计本发明的其它及更多实施例，且本发明的范围是由权利要求书来确定。
权利要求
1.一种使用力平衡系统的方法，所述方法包含经由钻柱将钻井工具定位于井孔中，其中所述力平衡系统附接于所述钻柱与所述钻井 工具之间；加压具有处于所述力平衡系统中的第一有效面积的第一腔室和具有处于所述钻井工 具中的第二有效面积的第二腔室，其中所述第一有效面积大于所述第二有效面积；和从所述钻井工具上解耦所述钻柱的重量。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在所述钻柱的所述重量施加于所述钻井 工具时终止加压所述第一腔室和所述第二腔室。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含不依赖所述钻柱的所述重量来操作所述 钻井工具。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含不依赖所述钻柱的所述重量来将所述钻 井工具推进到所述井孔中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，当加压所述第一腔室时，第一力在第一方向上引 导所述钻井工具。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，当加压所述第二腔室时，第二力在第二方向上引 导所述钻井工具，所述第二方向与所述第一方向相反。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一力大于或等于所述第二力。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述第二腔室中的最大压力超过所述第一腔室中 的最大压力。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一力包含外壳重量和所加压力的组合。
10.一种与附接到钻柱的钻井工具一同使用的力平衡系统，所述系统包含具有可连接到所述钻柱的末端的子系统；可连接到所述钻井工具的外壳，其中所述子系统可在所述外壳内于开启位置与闭合位 置之间移动；界定于所述外壳与所述子系统之间的腔室，其中加压所述腔室使得从所述钻井工具上 解耦所述钻柱的重量；和设置于所述外壳中的阀构件，所述阀构件经配置以有选择地控制所述钻井工具的操作。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述子系统包括与所述腔室流体连通的孔。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，当所述子系统处于所述闭合位置时，所述子系 统的所述孔啮合所述阀构件，从而防止加压所述腔室。
13.根据权利要求10所述的系统，其进一步包含设置于所述子系统与所述外壳之间的 楔片构件，其中所述楔片构件经配置以旋转地将所述子系统固定到所述外壳。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述子系统包括形成于侧部上的座圈，其中所 述楔片经配置而在所述子系统于所述开启位置与所述闭合位置之间移动时沿所述座圈行 进。
15.一种附接到钻柱的钻井组件，所述组件包含工具；和设置于所述工具与所述钻柱之间的力平衡系统，所述力平衡系统包含具有可连接到所述钻柱的末端的子系统；连接到所述工具的外壳，其中所述子系统可在所述外壳内于开启位置与闭合位置之间 移动；界定于所述外壳与所述子系统之间的腔室，其中加压所述腔室使得从所述工具上解耦 所述钻柱的重量；和设置于所述外壳中的阀构件，所述阀构件经配置以有选择地控制钻井工具的操作。
16.根据权利要求15所述的组件，其中所述工具包括具有有效面积的压力腔室。
17.根据权利要求16所述的组件，其中所述力平衡系统中的所述腔室的有效面积大于 所述压力腔室中的所述有效面积。
18.根据权利要求16所述的组件，其中所述压力腔室和所述力平衡系统中的所述腔室 为流体连通。
19.根据权利要求15所述的组件，其中所述工具为冲击钻探工具。
20.根据权利要求15所述的组件，其中，当所述子系统处于所述闭合位置时，所述子系 统的孔啮合所述阀构件，从而防止加压所述腔室。
21.根据权利要求15所述的组件，其进一步包含楔片构件，所述楔片构件经配置而在 所述子系统于所述开启位置与所述闭合位置之间移动时沿所述子系统中的座圈行进。
全文摘要
本发明公开一种方法和设备，所述方法和设备用于与钻井工具一同使用的系统，所述钻井工具经调适而用以从操作上解耦钻柱的重量，并且改为利用水压或气压来将钻探工具推进到井孔中。
文档编号E21B17/00GK102066688SQ200980119177
公开日2011年5月18日 申请日期2009年4月29日 优先权日2008年4月29日
发明者于伊·D·布伊, 布鲁克斯·霍华德·杰文斯, 肯尼思·韦恩·阿尔霍恩 申请人:杰文斯公司