[发明专利]用于钻地应用的可扩张扩孔钻及其使用方法

说明书

优先权声明

本申请要求提交于2006年12月4日的美国临时专利申请No.60/872,745的优先权。

技术领域

本发明整体上涉及地下井眼的钻进。更具体地，本发明涉及可扩张扩孔钻具和使用这种钻具扩大地下井眼的方法。可扩张扩孔钻具可以包括构造有可伸展刮刀的管状主体，所述刮刀可以定位在第一回缩位置，随后向外、向上径向移动到第二伸展位置。

背景技术

在钻探油、气和地热井时，传统上安装套管并用水泥加固以防止井壁坍塌到地下井眼中。传统上还安装套管用来隔离不同地层，以防止地层流体横向流动以及能够在钻凿井眼时控制地层流体和压力。为了增大已钻井眼的深度，新的套管放置在先前的套管内。尽管增加额外的套管允许井眼达到更大的深度，但是也具有使井眼变窄的缺陷。井眼变窄限制了所有后续井段的直径，因为钻头和任何其它套管必须穿过已有套管。人们不希望井眼直径减少，因为它们限制了油气通过井眼的流体产量，人们通常希望扩大地下井眼以提供较大井眼直径，用于在先前安装的套管以外安装另一套管，或者能够通过井眼获得比较理想的烃类流体产量。

已经采用了各种方法扩大井眼直径。一种用于扩大地下井眼的常规方法包括使用偏心和双心钻头。例如，具有延伸或扩大切削部的偏心钻头围绕其轴线旋转，从而形成扩大的井眼直径。转让给本发明受让人的美国专利No.4,635,738中公开了偏心钻头的实例。双心钻头组件使用具有横向偏移轴的两个纵向重叠的钻头部分，所述双心钻头在旋转时形成扩大的井眼直径。同样转让给本发明受让人的美国专利No.5,957,223公开了双心钻头的实例。

另一种用于扩大地下井眼的常规方法包括使用加长的井底钻具组件，该组件具有位于其远端的定心钻头和位于上方一定距离处的扩孔钻组件。这种结构允许使用各种标准的旋转钻头类型(钻岩钻头或刮刀钻头)作为定向钻头，所述组件的加长性质在穿过井眼中的致密部位时具有更大的柔性以及有可能有效地稳定定心钻头，使得导孔和随后的扩孔钻将横向于为井眼设计的路径来回移动。加长井底钻具组件的这个方面在定向钻井的过程中尤为重要。为此，本发明的受让人设计了称作″随钻扩眼器″的扩孔结构，其大致包括管状主体，所述管状主体在其顶部具有带螺纹接头的打捞颈，在其底部具有同样带螺纹接头的吊钳牙板表面。均转让给本发明受让人的美国专利Nos.5,497,842和5,495,899公开了包括随钻扩眼器的扩孔结构。随钻扩眼器钻具的上部中间部分包括从管状主体大致径向向外伸出的一个或多个纵向延伸的刮刀，所述刮刀的外边缘承载PDC切削元件。

传统的可扩张扩孔钻可以包括枢转或铰接固定到管状主体上并且通过布置在内部的活塞进行致动的刮刀，如授权给Warren的美国专利No.5,402,856公开的那样。另外，授权给Akesson et al.的美国专利No.6,360,831公开了传统的扩孔器，所述扩孔器包括设置有至少两个开孔臂的主体，所述开孔臂具有切削装置，所述切削装置可以通过暴露给流过所述主体的钻井液的压力从主体内的静止位置移动到作用位置。这些扩孔钻中的刮刀最初缩回以允许钻柱上的钻具穿过井眼，当钻具已经超过套管端部时，刮刀伸出以增大套管下面的孔径。

传统可扩张扩孔钻的刮刀的尺寸设置成使它们本身和管状主体之间的间隙最小化，以免各种钻井泥浆和岩石碎屑堵塞在间隙中并使刮刀粘结在管状主体上。

尽管存在许多现有方法对较小直径井眼下面的较大直径井眼进行钻进和/或扩孔，但仍然存在对改进设备和方法的需要。例如，双心钻头和随钻扩眼器组件受到下列情况限制，即，贯穿直径不可调整并且受到扩孔直径的限制。此外，传统的双心和偏心钻头具有摆动和偏离井眼路径的趋势。传统的可扩张扩孔组件(尽管有时候比双心和偏心钻头更为稳定)在穿过较小直径井眼或套管段时易于损坏，可能过早致动，并且在致动之后从井眼中取出时变得困难。

发明内容

在一些实施例中，本发明包括可扩张扩孔钻具，所述可扩张扩孔钻具包括外部主体，延伸穿过所述外部主体的流体通道，和至少一个刮刀，所述刮刀构造为沿着与所述外部主体的纵向轴线成小于90度(90°)的锐角定向的方向相对于所述外部主体在回缩位置和伸展位置之间移动。可选地，可扩张扩孔钻还可以包括活动式内部套筒构件，所述活动式内部套筒构件构造为响应于在流体通道部分之间产生的预定液压压力差从第一位置移动到第二位置。在第一位置，活动式内部套筒构件可以防止流体通道内的液压压力作用在至少一个刮刀上。在第二位置，活动式内部套筒构件可以允许流体通道内的液压压力直接作用在至少一个刮刀上。