流体静力可致动系统及相关方法

本申请要求2019年12月16日提交的美国临时专利申请No.62/948,688的优先权，该申请通过引用整体并入本文。

本发明总体上涉及钻井系统，并且更具体地，涉及井下钻井工具。

1.技术领域

本发明总体上涉及钻井系统，并且更具体地，涉及井下钻井工具。

2.背景技术

井通常被钻入地面或海底中，以开采石油和天然气的天然沉积物，以及被困在地壳的地质构造中的其他所需材料。可以使用附接到钻柱下端的钻头来钻井。钻井泥浆可以通过钻柱向下泵送到钻头。钻井泥浆润滑和冷却钻头，并将钻柱与井壁之间的环形空间的钻屑带回地面。

对于成功的石油和天然气勘探来说，控制钻探方向和收集关于被钻孔穿透的地下地层的信息是有益的。例如，为了控制钻井方向，旋转导向系统(RSS)经常用于钻井应用中，以允许沿着预定路径精确放置井筒。收集的关于地下地层的信息能够包括地层压力和地层渗透性的测量结果。这些测量结果可用于预测地下地层的生产能力和生产寿命。

已经开发了使用位于钻井系统中钻头附近的工具和装置来测量地层特性的技术。因此，在钻井过程中进行地层测量，本领域中通常使用的术语是“MWD”(随钻测量，measurement-while-drilling)和“LWD”(随钻测井，logging-while-drilling)。MWD指的是测量钻头轨迹以及钻孔温度和压力，而LWD指的是测量地层参数或属性，例如电阻率、孔隙度、渗透率和声速等。诸如地层压力的实时数据允许钻井实体在钻井过程中做出关于钻井泥浆重量和成分的决定，以及关于钻井速度和钻压的决定。

与RSS、MWD和LWD相关的工具和装置能够包括机械和/或电子部件，以进行测量、提供动力和控制井筒形成过程。内部部件通常包含在圆柱形管中，该圆柱形管能够被压力密封，以保护它们免受井筒内存在的高流体静力压(hydrostatic pressures)的影响。此外，内部部件需要被约束在钻铤(collars)内，以使得由于井筒形成过程中的冲击和振动而造成损坏的风险被最小化。

传统上，内部部件通过钻杆和/或钻铤中的贯穿螺栓安装到钻铤上。然而，这种技术通过产生应力集中而在钻杆和/或钻铤中引入弱点，由此能够在弯曲或扭转载荷下产生疲劳裂纹。

这个问题的另一个传统解决方案是使用锁紧螺母，该锁紧螺母在内部部件上施加轴向压力，以将它们靠着固定肩部锁紧在钻铤内。这种配置的缺点是，它能够限制钻铤与内部部件之间的由例如材料特性的差异引起的热膨胀差异。此外，这种构造使得内部组件的长度发生变化，例如增加额外的部件，因为钻铤锁定特征与整个内部组件的特定长度相匹配，因此更具挑战性。

另一种传统的解决方案是将内部部件滑入钻铤中，并通过连接到内部部件上的多个间隔安装件来支撑这些部件，其中间隔安装件使钻铤内的部件居中，并使组件的横向移动最小化。这种系统的示例在WO 2013/082376中公开，标题为“Pressure ActuatedCentralizer”。在这种配置中，内部部件包括将部件的一端固定到钻铤中的相应螺纹的轴向螺纹。为了允许部件的组装和拆卸，并考虑到公差累积，在安装件与钻铤之间需要小的径向间隙或径向顺应性(radial compliance)。这种解决方案的缺点是，如果来自钻井过程的横向冲击从钻铤传递到质量小于钻铤的内部组件，则径向间隙或者能够导致冲击放大。冲击放大能够导致内部部件的加速失效。

因此，需要解决这种冲击放大并延长内部部件的寿命。

发明内容

本系统的一些实施例包括中心体；至少一个流体静力可致动组件，其配置成从中心体径向向外延伸，该流体静力可致动组件具有暴露于流体静力压下的至少一个活塞体；多个被动结构，每个被动结构配置成从中心体径向向外延伸；并且与至少一个流体静力可致动组件和多个被动结构中的另一个在周向上间隔开。

在本系统的一些实施例中，至少一个流体静力可致动组件包括壳体，该壳体具有配置成容纳至少一个活塞体的凹部，并且其中，所述至少一个活塞体配置成设置在壳体的凹部内，使得所述至少一个活塞体和壳体协作以在它们之间限定密封室。

本系统的一些实施例包括外部体，中心体、至少一个流体静力可致动组件和多个被动结构被设置在该外部体内，并且其中，当至少一个活塞体暴露于阈值流体静力压时，至少一个流体静力可致动组件配置成移动以接触外部体的内表面，从而相对于外部体固定中心体。

在本系统的一些实施例中，至少一个活塞体具有与室中的流体连通的第一活塞表面和与中心体外的流体连通的第二活塞表面。

在本系统的一些实施例中，第二活塞表面在外部体与中心体之间限定的环形空间中的流体连通。

在本系统的一些实施例中，第二活塞表面的表面积大于第一活塞表面的表面积。

在本系统的一些实施例中，被动结构中的每个沿中心体的圆周彼此等距离间隔开，并且与至少一个流体静力可致动组件等距离间隔开。

在本系统的一些实施例中，中心体包括纵向轴线，并且每个被动结构和流体静力可致动组件沿中心体的纵向轴线设置在基本相同的位置处。

本系统的一些实施例包括相同数量的流体静力可致动组件和被动结构。

本系统的一些实施例包括配置为耦接到至少一个活塞体的接口垫，其中，响应于至少一个活塞体在凹部内的移动，接口垫能在缩回位置与伸出位置之间相对于壳体移动。

在本系统的一些实施例中，室包括大气压下的流体。在本系统的一些实施例中，室包括环境空气。

在本系统的一些实施例中，被动结构中的至少一个包括具有弹性材料的主体。

本发明的流体静力可致动的锚定安装架的一些实施例包括：壳体，其配置成从具有中心通道的中心体延伸，该壳体具有配置成容纳活塞体的凹部；活塞体，其配置成设置在壳体的凹部内，使得活塞体和壳体协作以在它们之间限定密封室，活塞体具有：第一活塞表面，其与室中的流体连通；第二活塞表面，其与室和中心体的中心通道密封隔离。

在本发明的流体静力可致动的锚定安装架的一些实施例中，第二活塞表面的表面积大于第一活塞表面的表面积。

本系统的一些实施例包括接口垫，该接口垫配置为耦接到活塞体，其中响应于活塞体在凹部内的移动，接口能在缩回位置与伸出位置之间相对于壳体移动。

在本发明的流体静力可致动的锚定安装架的一些实施例中，室包括大气压下的流体。在本发明的流体静力可致动的锚定安装架的一些实施例中，室包括环境空气。

在本发明的流体静力可致动的锚定安装架的一些实施例中，壳体包括配置成容纳第二活塞体的第二凹部，并且还包括配置成设置在壳体的第二凹部内的第二活塞体，使得第二活塞体和壳体协作以在它们之间限定第二密封室，第二活塞体具有：第一活塞表面，其与第二室中的流体连通；第二活塞表面，其与第二室和中心体的中心通道密封隔离。

本方法的一些实施例包括：将至少一个流体静力可致动组件耦接到中心体，该流体静力可致动组件具有被配置成暴露于流体静力压的活塞体；将多个被动结构耦接到中心体，其中，多个被动结构中的每一个在周向上彼此间隔开，并且与至少一个流体静力可致动组件间隔开；将至少一个流体静力可致动组件、多个被动结构和中心体定位在外部体内；将活塞体暴露于流体静力压力下，使得活塞体使至少一个流体静力可致动组件接触外部体的内表面，以相对于外部体固定中心体。

本方法的一些实施例包括将流体静力可致动的锚定安装架安装到中心体。本方法的一些实施例包括将系统定位到地层的钻孔中。

如本领域普通技术人员所理解的，术语“耦接”被定义为连接，尽管不一定是直接连接，也不一定是机械连接；“耦接”的两个项目可以是彼此一体的。除非本公开另有明确要求，否则术语“一”和“一个”被定义为一个或更多个。术语“基本上”被定义为很大程度上但不一定完全是所指定的(并且包括所指定的；例如，基本上90度包括90度，并且基本上平行包括平行)。在任何公开的实施例中，术语“基本上”、“大概”和“大约”可以被替换为在指定的范围的“[百分比]内”，其中百分比包括0.1、1、5和10％。

短语“和/或”表示和或者或。举例来说，A、B和/或C包括：单独的A、单独的B、单独的C、A和B的组合、A和C的组合、B和C的组合、或者A、B和C的组合。

术语“包括”(以及任何形式的包括，例如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”)、“具有”(以及任何形式的具有，例如“具有(has)”和“具有(having)”)、“包含”(以及任何形式的包含，例如“包含(includes)”和“包含(including)”)、“含有”(以及任何形式的含有，例如“含有(contains)”和“含有(containing)”)是开放式连接动词。因此，“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或更多个元素的设备拥有那些一个或更多个元素，但不限于仅拥有那些元素。同样，“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或更多个步骤的方法拥有那些一个或更多个步骤，但不限于仅拥有那些一个或更多个步骤。

任何设备、系统和方法的任何实施例能够由或基本上由任何所描述的步骤、元件和/或特征组成——而不是包括/包含/含有/具有任何所描述的步骤、元件和/或特征。因此，在任何权利要求中，术语“由……组成”或“基本上由……组成”能够代替上面列举的任何开放式连接动词，以便改变给定权利要求的范围，而不是使用开放式连接动词。

除非本公开或实施例的性质明确禁止，否则即使没有描述或示出，一个实施例的一个或更多个特征也可以应用于其他实施例。

此外，以某种方式配置的装置或系统至少以那种方式配置，但是也可以以除了具体描述的方式之外的其他方式配置。

下文描述了与上述实施例和其他实施例相关的一些细节。

附图说明

图1描绘了沿着图2的线1-1截取的本系统的一个实施例的横截面侧视图。

图2描绘了图1的系统的横截面端视图。

图3描绘了适用于图1的系统的本申请流体静力可致动组件的一个实施例的立体图。

图4描绘了沿着图3的线4-4截取的图3的组件的横截面侧视图。

图5描绘了图3的组件的立体分解图。

图6描绘了本系统的第二实施例的横截面端视图。

图7描绘了本系统的第三实施例的横截面端视图。

具体实施方式

以下附图通过示例而非限制的方式进行说明。为了简洁和清楚起见，给定结构的每个特征并不总是在出现该结构的每个图中标出。相同的附图标记不一定表示相同的结构。相反，相同的附图标记可以用来表示相似的特征或具有相似功能的特征，不同的附图标记也可以。附图是按比例绘制的(除非另有说明)，这意指至少对于附图中所示的实施例，所示元件的尺寸相对于彼此是精确的。

现在参照附图，更具体地，参照图1和图2，附图中示出并由附图标记10表示的是本系统的实施例，例如底部钻井工具组合。如图所示，系统10包括外部体14和设置在外部体内的中心体18。

在该实施例中，外部体14包括钻铤(collar)，该钻铤能够在相对端处耦接到管22的一段或更多段，例如钻杆和/或钻头，并在钻井操作期间在井下下钻。如图1所示，外部体14包括由外部体的侧壁30限定的导管26。中心体18设置在导管26内，并在中心体的第一端34处固定到外部体14。在该实施例中，中心体18包括位于第一端34处的分流器38，分流器38耦接到中心体壳体42和外部体14。中心体18能够以任何合适的方式连接到外部体14(例如，在第一端34处)，例如通过螺纹连接或通过一个或更多个紧固件。如图所示，中心体18包括没有固定到外部体14上的第二自由端46。

中心体壳体42能够配置成在其中(例如，在室44中)容纳一个或更多个测量装置，例如随钻测量(“MWD”)装置、随钻测井(“LWD”)装置等，以在钻井过程中记录和/或传输地层测量结果。

在一些实施例中，系统(例如，10)能够包括耦接到管(例如，22)的可旋转导向系统(RSS)，以控制钻井方向并允许沿着预定路径精确放置井筒。在一些这样的实施例中，RSS内的中心体(例如，18)能够包括室(例如，44)，该室中包括一个或更多个电气和/或机械部件，以防止如本文所公开的横向冲击和振动。

系统10包括一个或更多个流体静力可致动(hydrostatically-actuatable)组件50和多个被动结构54，被动结构54被配置成设置在外部体14的导管26内，更具体地，设置在中心体18与外部体之间的环形空间60内。如本文所述，一个或更多个流体静力可致动组件50和被动结构54协作以将中心体18固定到外部体14，从而在井筒形成过程中保护中心体壳体42内的测量装置免受施加在中心体上的横向冲击和振动(例如，外部体14和/或管22与井筒之间的冲击、钻头与井筒之间的冲击和/或类似情况)。否则，这种横向冲击和振动会损害中心体壳体42内的测量装置的有效性和/或完整性。

为了减少这种横向冲击和振动，每个流体静力可致动组件50和被动结构54被配置成接触外部体14的侧壁30的内表面64，以便限制如本文所述的中心体18的第二端46相对于外部体的横向运动。为了实现所需的横向冲击和振动的减小，每个组件50和被动结构54能够在沿着中心体长度的任何合适的位置，例如在中心体的第二端46处或附近，连接到中心体18。

每个流体静力可致动组件50配置成从中心体18径向向外延伸。如图3-5所示，一个或更多个流体静力可致动组件50能够包括组件壳体68，该组件壳体68配置成(例如通过一个或更多个紧固件72)耦接到中心体壳体42。当耦接到中心体壳体42时，组件壳体68被配置成从中心体18径向向外延伸。

每个组件50包括一个或更多个活塞体76，每个活塞体被配置成容纳在组件壳体68的相应凹部80中。为了说明，活塞体76被配置成设置在组件壳体68的凹部80内，使得活塞体和组件壳体协作以在它们之间限定可压缩流体的室84。组装室84被配置成通过多个密封件90(例如，一个或更多个弹性O形环)与环形空间60内的流体密封隔离(seal off)。例如，活塞体76包括与室84中的可压缩流体连通的第一活塞表面94和与室密封的第二活塞表面98。组装室84能够包括大气压下的任何合适的可压缩流体。例如，组件50能够在地面组装，使得活塞体76和组件壳体68耦接以捕获组件室84内的环境空气。如图所示，例如，在图4和图5中，第一活塞表面94的表面积(即，活塞体76的表面积，当暴露于流体时，导致活塞体在第一方向102上施加力)大于第二活塞表面98的表面积(即，活塞体的表面积，当暴露于流体时，导致活塞体在与第一方向相反的第二方向106上施加力)。

尽管每个组件50都耦接到中心体18，但是每个组件(例如，其整体)都能够与流体中心体室44密封隔离。因此，每个组件50仅暴露于环形空间60内的流体。

每个流体静力可致动组件50被配置成响应于环形空间60内的流体力，将中心体18(例如，在第二端46处或在第二端46附近)固定到外部体14。例如，当钻井泥浆在钻井过程中循环时，钻井泥浆可在其第一端110处进入管22，并朝向中心体18和外部体14行进(即，朝向地层表面行进)。钻井泥浆可进入外部体14的第一端114，并流入中心体18的一个或更多个通道118中，以引导泥浆围绕中心体。钻井泥浆随后能够从外部体14的第二端122流向地面。由于在钻井过程中组件50位于环形空间60内，因此环形空间内的钻井液柱对组件施加流体静力。在这种情况下，流体静力压力是井筒中的流体由于重力而施加的压力。由于从上方施加向下力的流体重量的增加，流体静力压力与从地面测量的井筒深度成比例增加。

如图4所示，活塞体76的第二活塞表面98被配置成当组件50耦接到中心体18并且系统10被下入井筒中时与环形空间60中的流体连通。当活塞体76的第二活塞表面98暴露于环形空间60内的临界压力时，活塞体径向向外移动(即，远离中心体18)并压缩室84内的流体。反过来，活塞体76使组件50与外部体14的内表面64接触，以将中心体固定到外部体。如图所示，组件50能够包括一个或更多个接口垫126，接口垫126配置成(例如通过一个或更多个紧固件130)耦接到活塞体76。由于被耦接到活塞体76，接口垫126配置为能在缩回位置与伸出位置之间相对于组件壳体68移动，响应于活塞体暴露于环形空间60内的流体压力并在凹部80内移动，接口垫在伸出位置从组件壳体伸出比在缩回位置远。

每个组件50的部件(例如，68、72、76、126、130)能够由多种材料制成，包括金属(例如，任何合适等级的不锈钢，无论是磁性的还是非磁性的，工具钢，具有合适抗腐蚀保护的合金钢，铝、钛、铜基合金和/或类似物)，硬弹性体(例如，塑料)，和/或类似物。用于组件50的部件的材料能够基于特定的井下应用、外部体14的导管内的间距、流体相容性、中心体18的质量、冲击和/或振动的预期大小、流体静力压力的大小和/或类似因素来选择。接口垫126能够包括摩擦增强材料(例如弹性体)和/或表面处理(例如喷丸处理)，以减少在负载下，中心体18与外部体14之间的相对运动。

如图2所示，每个被动结构54能够配置成通过一个或更多个紧固件连接到中心体18，使得被动结构从中心体径向向外延伸。在一些实施例中，一个或更多个被动结构(例如54)与中心体(例如18)是一体的。被动结构54能够包括任何合适的弹簧和/或阻尼材料，例如弹性材料。

如图2所示，被动结构54和组件50能够彼此周向隔开，例如，沿着中心体18的周边等距隔开。在其他实施例中，沿着以中心体(例如，18)的纵向轴线(例如，120)为中心的圆测量，任何两个被动结构(例如，54)和/或任何两个组件(例如，50)之间的周向间距能够是大约以下任何一个：30度、45度、60度、75度、90度、105度、120度、135度和150度。被动结构54和组件50能够围绕中心体18的纵向轴线120周向布置，使得响应于在井筒形成过程中施加在中心体上的横向冲击和振动(例如，外部体14和/或管22与井筒之间的冲击、钻头与井筒之间的冲击等)，至少一个被动结构与至少一个组件配合以吸收如本文所公开的这种横向冲击和/或振动。例如，如图2所示，至少一个组件50和被动结构54能够彼此相对地定位在中心体18上。又例如，如图6所示，在一些实施例中，系统(例如，10a)能够包括两个组件(例如，50)和一个被动结构(例如，54)，每个组件与围绕中心体(例如，18)的相邻组件或结构等距隔开(即，如围绕中心体周向测量的，大约相隔120度)。又例如，如图7所示，在一些实施例中，系统(例如，10b)能够包括一个组件(例如，50)和两个被动结构(例如，54)，每个被动结构与围绕中心体(例如，18)的相邻组件或结构等距离间隔开(即，如围绕中心体周向测量的，大约相隔120度)。

系统10能够具有任何合适数量的被动结构54和组件50，以实现本文所述的横向冲击和/或振动的期望降低。例如，系统10能够包括一个、两个、三个、四个或更多个组件50和一个、两个、三个、四个或更多个被动结构54以及组件和被动结构的任何合适的组合，包括相等数量的被动结构和组件50。每个被动结构54和组件50能够在沿着中心体长度的任何合适的位置处耦接到中心体18。一个或更多个被动结构54和一个或更多个组件50能够沿着纵向轴线对齐(例如，如图1所示)，或者它们能够沿着纵向轴线交错。

当系统10被下入井筒中(例如，在钻井操作期间)并且流体(例如钻井泥浆)填充环形空间60时，如本文所述，组件50上方的流体柱增加并导致力(对应于组件50处的流体静力压)作用在组件上。当这种力达到或超过临界时，流体力导致活塞体76沿第一方向102移动(即，远离中心体18)。接下来，接口垫126朝向伸出位置移动，并接触外部体14的内表面64。在组件50与外部体14的内表面64接触后，活塞体76不再继续压缩组件室84内的流体。相反，液柱的流体静力压力使组件50对外部体14施加与第一活塞表面94和第二活塞表面98的表面积之差成比例的力(“锁定力”或“F

重要的是，每个流体静力可致动组件50的合力必须被一个或更多个被动结构54的合力抵消，以避免抵消组件对横向冲击和/或振动的锁定力。为了说明，每个组件(例如，50)能够类比为弹簧组件。尽管组件(例如50)能够对外部体(例如14)施加很强的锁定力，但是由组件表现出的并且由组件室(例如84)中的流体限定的“刚度”相对低。例如，由于活塞体(例如76)的行程非常有限，因此，在组件(例如50)接触外部体(例如14)之前，室(例如84)内的流体需要非常小的压缩。相反，活塞密封件(例如90)与壳体(例如68)之间的摩擦阻力将是阻止活塞体(例如76)运动的主要来源力。

当具有相似或相同的活塞表面积(例如94、98)的活塞体(例如76)的两个组件(例如50)在中心体(例如18)上彼此相对定位时，可能会出现潜在问题。换句话说，组件(例如，50)将作为平行的弹簧。在这种情况下，两个组件(例如50)的锁定力将会平衡。然而，由于每个组件(例如50)表现出相对低的“刚度”，中心体(例如18)将能够在组件的阻力很小的情况下，响应横向冲击和/或振动而前后移动。也就是说，不考虑相对高的锁定力，将中心体(例如18)移动一小段距离将只需要相对小的力。因此，在这种情况下，即使很小的横向冲击和/或振动也会被放大。为了避免这种现象，由组件50施加在外部体14上的力被由多个被动结构54施加在外部体上的力抵消。至少以这种方式，组件50的锁定力不会被系统10的另一个部件抵消，并且横向冲击和/或振动确实通过相对的被动结构54和组件50的配合而被抑制。

为了组装系统10，中心体壳体42能够耦接到分流器38。一个或更多个组件50和多个被动结构54能够耦接到中心体18。然后，中心体18能够耦接到外部体14。外部体14能够耦接到管22，例如耦接到转向接头。当中心体18耦接到外部体14时，组件50和被动结构54相互配合，以允许中心体与外部体之间有足够的径向间隙，从而易于组装。然后，系统10能够被降低到井筒中，其中井筒中的流体产生的流体静力压力使得组件50远离中心体18径向向外延伸，如本文所公开的，并且相对于外部体14固定中心体18。至少以这种方式，组件50和被动结构54协作以减少横向冲击放大，否则当冲击从外部体14(具有高质量)传递到内部体(具有低质量)时会发生横向冲击放大。此外，至少以这种方式，组件50和被动结构54协作以增加组件和被动结构与外部体14之间的摩擦，以便减小在钻井过程中产生的扭转振动和粘滑的影响，该影响能够从管22传递到中心体18。

本方法的一些实施例包括将至少一个流体静力可致动组件(例如50)耦接到中心体(例如18)，该流体静力可致动组件具有被配置成暴露于流体静力压的活塞体(例如76)；将多个被动结构(例如，54)耦接到中心体，其中多个被动结构中的每一个在周向上彼此隔开并且与至少一个流体静力可致动组件隔开；将至少一个流体静力可致动组件、多个被动结构和中心体定位在外部体(例如，14)内；将活塞体暴露于流体静力压力下，使得活塞体使至少一个流体静力可致动组件接触外部体的内表面(例如64)，以相对于外部体固定中心体。

一些实施例包括将本申请的流体静力可致动的锚定组件(例如50)安装到中心体(例如18)上。

一些实施例包括将本系统(例如，10)定位到地层的钻孔中。

以上说明和示例提供了对说明性实施例的结构和使用的完整描述。尽管上文已经以一定程度的特殊性或者参照一个或更多个单独的实施例描述了某些实施例，但是本领域技术人员可以再不脱离本发明的范围的情况下对所公开的实施例进行多种改变。因此，方法和系统的各种说明性实施例不旨在限于所公开的特定形式。相反，它们包括落入权利要求范围内的所有修改和替换，并且除了所示出的实施例之外的实施例可以包括所示实施例的一些或所有特征。例如，元件可以被省略或组合成单一结构，和/或连接可以被替代。此外，在适当的情况下，上述任何示例的方面可以与所描述的任何其他示例的方面相结合，以形成具有可比或不同的属性和/或功能并解决相同或不同问题的其他示例。类似地，将会理解，上述益处和优点可以涉及一个实施例，或者可以涉及几个实施例。例如，本方法和系统的实施例可以使用不同的结构配置、材料、离子导电介质、监测方法和/或控制方法来实践和/或实施。

权利要求不意在包括也不应被解释为包括装置加功能或步骤加功能的限制，除非这种限制在给定的权利要求中分别使用短语“装置”或“步骤”来明确陈述。