灵敏式有线扩孔器 有关联邦资助研究或开发的声明
不适用
背景技术
在油气田钻井作业中，常常必须或要求对先前已用钻头或其它切割工具所形成的井孔进行“扩铰”以铰除突起边沿、清除破碎部分和沟道、将井孔整直、使钻杆稳定、并将井孔扩大。由于这些原因，会在钻井组件上钻头或其它切割结构后设置扩孔器。有时较佳的是，在将钻头从井孔抽回时实施扩铰步骤，该工艺步骤称为“回退扩铰”。而且，有时还必须使扩孔器再走一个行程来将井孔整直或搞干净。在敷加套管的钻井作业场合，必须在套管柱之前先用扩孔器来钻铰初始井孔。
在采用可操纵的旋转工具来进行油气田钻井作业时，要求尽可能靠近钻头来对井孔进行扩铰以使钻头孔与扩孔器孔间的距离最小化。因为可操纵旋转工具通常必须与随钻测量(MWD)系统通讯，所以重要的是，位于可操纵旋转工具与MND遥测系统之间的所有工具都能将电力和通讯传输通过该工具。
有三种主要类型的扩孔器。固定刀片扩孔器，包括近钻头扩孔器，它们具有不活动或不扩张的固定刀片。由于固定刀片扩孔器的外径大于引导钻头的外径，因此它的切孔较大。固定刀片扩孔器可用将井孔扩大一个相对较小的量。由于扩孔器刀片固定不动，因此其井孔开口位于地面处或在较大的开孔段附近。固定刀片扩孔器可用来铰除突出边沿、将井孔整直、清除沟道并清除破碎部分。辊子扩孔器具有可安装于主体的辊子切割刀而可用来将中孔扩大、铰除突出边沿、将井孔整直、清除沟道和破碎部分，以及能使钻杆稳定并能减小钻杆的总扭矩。可伸展刀片或可扩张扩孔器，包括下部扩孔器，它们具有可在地面或下井伸展至预定直径以切割较大井孔的臂。可伸展刀片扩孔器可用来将井孔扩大一个相当大的量、铰除突出边沿、将开孔整直、以及清除沟道和破碎部分。
传统的下部扩孔器通常与设置在下部扩孔器下面或下游的引导钻头结合起来使用。下部扩孔器可用来钻出并扩大在套管截面下方的井孔，或者，在敷加套管的钻井作业场合，它可用来钻出从地面或在较大的套管截面下方的井孔。在敷加套管的钻井作业场合，采用包括至少一个钻头和扩孔器的钻井组件来钻出在套管柱下方的井孔。采用套管柱来替代钻井管而将流体和扭矩向下传送至钻井组件。在井孔钻好后，将下部扩孔器臂收进，并将钻井组件回收至地面。
下部扩孔器通常具有其上固连有辊锥和PDC切割器的铰接臂。这些臂由作用在其上的机械或液压作用力来致动，以使它们在与臂的切割端相反向的一端处枢转从而伸展或收进。可用活塞或驱动臂来迫使这些臂伸出而压靠地层结构。在传统作业中，下部扩孔器的这些臂可收进以使工具可通过较小的孔截面或套管孔截面。一旦工具通过了较小的孔截面或套管孔截面后，下部扩孔器的臂就伸展。该引导钻头钻出井孔，而同时，下部扩孔器将该钻头所形成的井孔扩大。这些类型的下部扩孔器的典型例子可在美国专利3,224,507、3,425,500和4,055,226中找到。
在敷加套管的钻井作业场合，下部扩孔器在地面上打开，并在扩孔器后连接有套管柱。该套管柱用来替代传统的钻井管。下部扩孔器必须能收回到可将钻井组件从开孔中撤离的尺寸大小。如果钻井组件部分故障、或如果井孔钻好后，就会要将钻井组件撤除。
传统的扩孔器具有若干缺点。如果扩孔器的切割结构遭受磨损，就不会将孔的几何尺寸开成所要求的尺寸大小。而且，扩孔器的切割结构也不会正确地选择成可使钻井组件正常稳定。此外，传统的下部扩孔器会不能完全展开或完全收进。传统的下部扩孔器通常具有形成在本体中的旋转割刀存放凹槽，用以在工具呈闭合状态时存放收进的臂和辊锥割刀。存放凹槽往往会堵满由钻井作业产生的碎屑，这些碎屑会阻碍这些臂的收缩。如果这些臂不完全收缩，则在试图将钻柱从井孔撤离时该钻柱就容易扣挂在井孔中。在敷加套管的钻井作业场合，如果扩孔器臂不收缩，则下部扩孔器就会扣挂在套管上。
下部扩孔器臂的致动和停止方法也会引起钻井作业限制。某些下部扩孔器采用一个球珠来帮助扩孔器臂的致动和停止。尽管可采用球珠跌落来锁定扩孔器臂位置，但下部扩孔器不能用在无通孔可供球珠通过的那些工具的下方。此外，对于扩孔器臂的致动和停止的循环次数也有限制。另外，某些下部扩孔器设计成在将钻井流体泵入而通过钻柱时自动扩张。单单对流动作出反应而致动的下部扩孔器对流动十分敏感。因此，每当泵接通或关闭时，这些下部扩孔器就会打开和关闭。基本的作业限制会是在所要求的、钻井所需的流量下保持扩孔器臂完全展开的能力。许多下部扩孔器在地面处提供极有限或根本没有给出该下部扩孔器处于完全扩张或收缩状态地指示。因此，在某些场合，就会要求控制下部扩孔器何时扩张或收缩、而和流动无关，并依赖于对钻井流体作出反应而自动扩张。还会要求根据井孔位置来改变已钻开的下井的尺寸大小。
在先前已敷加套管的井孔截面下方进行扩孔的另一种方法包括采用在传统的钻头后的带翼的扩孔器。在这种组件上中，传统的引导钻头设置在钻井组件的最下端处，且带有设置在钻头后一定距离处的带翼的扩孔器。该带翼的扩孔器通常包括管状主体，并带有一个或多个纵向延伸的“翼”或从管状主体径向向外突出的刀片。一旦带翼的扩孔器通常了井孔的任何敷加套管的部分后，该引导钻头就绕钻探轴的中心线旋转，以在所要求的井道轨迹中心钻出下井孔，而同心的带翼扩孔器随从该引导钻头并与地层结构啮合而将引导开孔扩大到所要求的直径。
在先前已敷加套管的开孔截面下方进行扩孔的又一种方法包括采用双中心钻头，该钻头是个可形成为下部扩孔器和引导钻头组合体的整体式钻井结构。该引导钻头设置在钻井组件的最下端上，而该同心下部扩孔器钻头设置在引导钻头的稍稍上方。一旦该双中心钻头通过了任何敷加套管的井孔部分后，该引导钻头就绕钻探轴的中心旋转，在井道轨迹的中心钻出引导井孔，而同心下部扩孔器钻头随从该引导钻头并与地层结构啮合而将引导井孔扩大至所要求的直径。引导钻头的直径做成稳定性好但同时仍能通过带有套管的井孔的、尽可能地大。双中心钻头的例子可从美国专利6,039,131和6,269,893中找到。
如上所述，带翼扩孔器和双中心钻头包括同心的下部扩孔器部分。许多缺点都与该设计有关。由于方向性趋势问题，同心的下部扩孔器部分难以可靠地将井孔下铰到所要求的直径。井孔的几何形状具有大量的螺旋形线，这就增加了井孔的扭矩和轴向摩擦力。对于双中心钻头，同心的下部扩孔器往往会引起引导钻头的晃动而不合要求地偏离中心，因而将引导钻头推离最佳的钻井井道轨迹。对于带翼扩孔器也有类似的问题，只有在钻井过程中引导钻头保持定中心于井孔中才能将井孔下铰到所要求的直径。
在油气田钻井业中，要求检测并控制作用在工具上的操作力以确定工具是否在持续地受损、以限制工具可能会有的损坏、和/或以确保正确地实施特定的作业。可采用检测振动、轴向力、扭转力和弯曲力的传感器以及将数据实时地传送至地面的传感器，来识别钻井工具何时经受有超过作业参数的作用力。然后就可修改钻井作业以防止或限制工具损坏、和/或以改正正在进行的作业。
为了优化钻井作业和/或井孔设置，要求提供有关钻柱的作业参数、以及周围钻井地层结构的环境条件的信息。例如，通常必须经常调整钻井时的井孔方向，以适应于平面方向变化或者以补偿意外和不想要的井孔偏斜。此外，还要求给操作人员实时提供有关工具工作情况、钻井环境条件以及地层结构类型或特性方面的信息。钻井时获取实时数据测量的能力可使钻井作业更为经济、更为高效。因此，重要的是，在MWD或LWD传感器与MND遥测系统之间的任何工具都能将电力和/或通讯传输通过该工具。
为了获取钻井时的实时数据，在钻柱的下井端处设有通常称为下井组件(BHA)的一套钻井工具和测量装置。通常，该BHA包括钻头、任何方向或地层结构评估工具、偏位钻井机构、泥浆电动机以及钻井作业用称重轴环。随钻测量(MWD)或随钻测井(LWD)轴环常常就设置在钻头的紧接上方，以测量在钻井时的井孔方向或井孔地层结构特性。可采用本技术领域工作人员所知晓的各种方法来将由MWD和LWD系统所记录的测量值实时地传送至地面。一旦收到了这些测量值后，这些测量值就能使地面处的工作人员对钻井作业作出决定。由于信息传输的限制，通常在将工具回到到地面上后将更详细的信息或工具可靠性信息作下载存储。
因此，已研发了允许下井传感器实时测量钻井参数并将最终信息或数据基本与测量同时地传送至地面的各种系统。例如，泥浆脉冲遥测系统将信号从相关的下井传感器经过钻柱中的钻井泥浆传送到地面。作为另一个例子，带有内置遥测装置的钻井管或硬导线管将信号从下井传感器经过包含在钻井管壁内的电路传送到地面。这些遥测系统和相关的传感器可设置在离钻头相当远的距离处。由该系统测得的环境信息并不一定用钻头周围的实际情况来修正。而且，该系统相应于离钻头隔开相当远的距离的情况。例如，传统的遥测系统可有高达或大于60英尺的深度迟后。由于这种信息迟后，就可能在探测到该出口之前就钻出油气田地层结构，造成需要钻掘几英尺井孔来回到油气生产层中。针对这种不合要求的信息迟后或深度迟后，已研发出多种靠近钻头的传感器系统或组件，它们设计成放置在钻头的附近或近旁。不过，这种靠近钻头的传感器还是设置在离钻头组件一定间距处，仍然会有确定信息变化的迟后。
为了采用靠近钻头传感器系统并可实时监测和调整作业参数，必须提供一种系统或方法来将所测得的数据或所传感的信息从下井传感器直接传送到地面或传送给另一个遥测系统而随后再传送到地面。类似地，需要提供一种系统或方法来将所要的电力从地面或另外一个电源传送给下井传感器系统。结果，在方向性BHA中的所有工具都必须能将电力和通讯传输经过其本体，或者这些工具必须设置在遥测系统上方。现有的传统扩孔器没有这种可将电力和通讯传输经过其本体的能力，而其结果，下部扩孔器的设置离钻头有相当远的距离。在敷加套管的钻井作业场合，这就意味着在套管柱下方的方向性BHA很长且容易发生诸如形成碎屑和发生振动之类的作业问题。
已研发出多种系统来将信息与地面直接连通或将信息传送到地面，例如通过电气线路、电线或电缆传送到地面。这些硬线连接件提供了从钻头附近至地面的连接；但是，电线或电缆必须安装在钻柱中或者固连或连接至钻柱。该电线或电缆在使用中会经受磨损或撕损，并因而在正常钻井作业过程中也容易损坏或者甚至于毁坏。钻井组件可能并不特别适于接纳这些电线，其结果使这些有线传感器不能设置在接近于钻头附近。这些电线和电线连接件因其本质而会在钻井管中形成阻塞，因此就不能用某些类型的扩孔器致动机构。
还研发出一些系统来将声响或地层震动信号或声波传送经过钻柱或周围的地层结构。这些声响和地层震动信号由下井声响或地层震动发生器来形成。但是，通常要求在下井处设有相对较强的电力来形成足够强的信号，以在地面处可检测到该信号，在下井处必须设有相对较强的电源或者必须沿钻柱间隔地采用中继器以在这些信号沿钻柱传播时将这些信号放大。
此外，还研发出要求将电磁信号传输经过周围地层结构的系统。传感信息的电磁传输通常包括采用设置在钻头附近的螺线来形成穿过地层结构的电磁波。与声响和地层震动信号传输同样，穿过地层结构的电磁信号传输通常要求有相对较强的电力，尤其是必须在地面处可检测到该电磁信号的情况下。另外，电磁信号在经过地层结构传播时的衰减还随该电磁信号要传输的距离的增加而增加。
还研发出可将大量的数据从下井传送到地面的硬导线钻井管。这些系统要求硬导线延伸钻柱的长度并与钻井BHA通讯连通。穿过连接件的通讯连通会成问题，并且，如果在典型的钻柱中有大量的连接件，则这些系统就会容易引起可靠性和维修保养方面的问题。
【附图说明】
参照附图来详细描述本发明的较佳实施例，在这些附图中：
图1是根据本发明的有线扩孔器的代表性结构示意图，该有线扩孔器具有经过扩孔器流通孔的电力和/或通讯线路；
图2示出图1的有线扩孔器，其具有经过扩孔器本体的电力和/或通讯线路；
图3是根据本发明的有线可调节刀片扩孔器的代表性结构示意图，该有线的可调节刀片扩孔器具有经过扩孔器流通孔的电力和/或通讯线路；
图4示出图3的有线扩孔器，其具有通过扩孔器本体的电力和/或通讯线路；
图5示出了图1的有线扩孔器，其具有通向扩孔器流通孔的电力和/或通讯线路；
图6示出了图2的有线扩孔器，其具有通向扩孔器流本体的电力和/或通讯线路；
图7示出了图1的有线扩孔器，其具有包含在扩孔器流通孔内的电力和/或通讯线路；
图8示出了图2的有线扩孔器，其具有包含扩孔器本体内的电力和/或通讯线路；
图9示出了图1的有线扩孔器，其具有传感器；
图10示出了图2的有线扩孔器，其具有传感器；
图11示出了图3的有线扩孔器，其具有传感器；
图12示出了图4的有线扩孔器，其具有传感器；
图13示出了图1的有线扩孔器，其具有无线传感器；
图14示出了图2的有线扩孔器，其具有无线传感器；
图15示出了图9的具有传感器的的有线扩孔器，其具有通向处理器的接口；
图16示出了图5的具有传感器的有线扩孔器，其具有通向处理器的接口；
图17示出了图7的有线扩孔器，其具有传感器和处理器；
图18示出了图1的有线扩孔器，其具有控制器和致动器；
图19示出了图2的有线扩孔器，其具有控制器和致动器；
图20示出了图15的灵敏式扩孔器，其具有控制器和致动器；
图21示出了图16的灵敏式扩孔器，其具有控制器和致动器；
图22示出了图20的灵敏式扩孔器，其具有控制器和致动器；以及
图23示出了图21的灵敏式扩孔器，其具有控制器和致动器。
【具体实施方式】
以下，针对本发明的各种实施例来进行讨论。尽管本发明的一个或多个实施例是较佳的，但不应将所揭示的这些实施例解释为或者用作为对本发明和权利要求范围的限制。此外，本技术领域中的工作人员会理解以下的描述具有宽泛的应用，对任何实施例的说明仅意味着是该实施例的示例，而并不暗指本发明和权利要求的范围就限于该实施例。
在以下的整个描述和权利要求书采用一些术语来阐述特定的特征件或部件。如本技术领域中的工作人员所知晓的，不同的人会对相同的特征件或部件采用不同的名称。本文件并不想在名称不同而作功能不同的部件或特征件之间来加以区分。附图并不一定成比例。某些特征件和部件在此可以放大比例或以某种程度简化的形式来示出，而为了简单明了起见对某些惯用元件的详细情况就不再示出了。
在以下描述和在权利要求书中，术语“包括”和“包含”用作宽泛的含义，因此而应解释为“包括但并不限于…”此外，术语“连接”意指直接或间接连接。因此，如果第一装置连接到第二装置，则该连接可通过直接连接或者通过其它装置和连接件来间接连接。
有线扩孔器可使电力和/或通讯经过扩孔器传送到其它下井工具、地面上的设备或者扩孔器本身。使电力和/或通讯经过扩孔器的能力可克服与将扩孔器放置在钻井BHA中相关的某些限制。此外，在扩孔器上设置传感器可得到与工具作业、井孔几何尺寸形状、钻井环境以及钻井周围的地层结构评估相关的数据组。可将这些数据通过经过工具的通讯传送到地面或传送给遥测工具，并可用来优化钻井作业或者储存在工具内以供今后下载。而且，还可将传感器所测得的数据传输给位于地面处、另一个下井工具上或扩孔器本身上的处理器。在这些结构中，该扩孔器的“灵敏式”就是指它可与处理器通讯以对传感器所收集的数据进行译码。
此外，在扩孔器上设置控制器和致动器就可在钻井作业过程中通过直接命令或从作为传感器所测得的数据的函数的算法反馈来控制扩孔器。可采用经过工具的通讯来将直接命令或反馈传输给控制器，指令控制器来致动致动器，根据需要来优化钻井作业。例如，在扩孔器上的控制器可伸展或收进扩孔器臂或者将扩孔器重新配置来限制扩孔器所受到的作用力。
监测扩孔器的性能会有助于确定何时扩孔器发生机械故障，例如切割结构过度磨损、滚柱轴承损坏、扩孔器臂断裂，或者确定何时扩孔器臂并未完全伸展或收进。监测钻井参数的情况会有助于决定扩孔器臂上的承重是否过高或过低、扩孔器的振动是否已在不可接受的范围内或者扩孔器臂上的扭矩是否已在不可接受的范围内。
有线扩孔器可设置在随钻测量(MWD)遥测系统与所配备的可操纵的旋转钻头或随钻测井(LWD)传感器之间。在可操纵的旋转钻井下井组件(BHA)中，有线扩孔器允许将扩孔器设置在较靠近钻头，可缩小所形成的穿通孔。在敷加套管的钻井作业场合，有线扩孔器可允许有较短的杆子伸出于直型或方向性BHA之外。
在某些有线扩孔器实施例中，将电力和/或通讯经过扩孔器孔或扩孔器本体供给到位于扩孔器下井处的工具或扩孔器本身上。通讯通路可以经过扩孔器孔或埋入扩孔器本体中。此外，短行程电力和/或通讯通路可以是一根导线、导电杆、光纤线路、声音或声响通路、振动通路、电磁(EM)信号或者无线传输。在导线或导电杆的情况下，该导体要与扩孔器壳体绝缘。
图1是允许电力和/或通讯经过扩孔器的代表性实施例的示意图。有线扩孔器100包括其上有流通孔穿过的本体105、以及沿本体105的外表面的切割结构113。馈通组件115延伸经过流通孔110。馈通组件115还包括环绕在电力和/或通讯线路125的至少一部分的受保护通道120。线路125允许电力和/或通讯传送到和/或传送自位于扩孔器100的上井或下井处的其它工具。
在该代表性实施例中，用于电力和/或通讯线路125的通道延伸穿过有线扩孔器100的流通孔110。在其它实施例中，用于线路125的通道120可延伸经过扩孔器本体105，而并非流通孔110。图2示出图1所说明的有线扩孔器110，该有线扩孔器110具有用于电力和/或通讯线路125的、延伸经过扩孔器102的本体105的通道120。因为通道120位于本体105内，所以就不需要有馈通组件来罩盖和保护线路125，如图1所示。
此外，图1所示的代表性实施例是个固定刀片扩孔器。在其它实施例中，扩孔器100也可为其它类型的扩孔器，包括可调节刀片扩孔器。图3是有线可调节刀片扩孔器的代表性实施例的示意图。由此，扩孔器100还包括可以伸展和收缩的臂130。如图所示，臂130从右边(相应于扩孔器100的下井端)打开。或者，臂130也可从左边打开，或从扩孔器100的上井端打开，或从扩孔器100的中心向外弯曲。臂130还包括切割结构113。尽管图3示出的切割结构113是设置在臂130上，但它也可替代地或附加地设置在臂130的上井或下井处的扩孔器本体105上。
如上所述，用于线路125的通道120可延伸经过扩孔器本体105，而并非经过流通孔110。图4示出图3所示的具有用于电力和/或通讯线路125、延伸经过扩孔器100的本体105的通道120。因为通道120设置在本体105内，所以就无需有馈通组件来罩盖和保护线路125，如图3所示。
电力和/或通讯不一定要如图1至4所示连续经过扩孔器。而是可将电力和/或通讯设置成经过扩孔器。此外，电力和/或通讯也不一定贯穿扩孔器，而可仅将其设置至扩孔器。图5示出图1所示的有线扩孔器100，其中用于电力和/或通讯线路125的通道120延伸至但并不贯穿扩孔器100的流通孔110。类似地，图6示出图2所示的有线扩孔器100，其中用于电力和/或通讯线路125的通道120延伸至但并不贯穿扩孔器100的本体105。此外，电力和/或通讯也不一定要贯穿或通至扩孔器，而可整体地包含在扩孔器内。图7示出图1所示的有线扩孔器100，其中用于电力和/或通讯线路125的通道120包含在扩孔器100的流通孔110内。类似地，图8示出图2所示的有线扩孔器100，其中用于电力和/或通讯线路125的通道120包含在扩孔器100的本体105内。
为了优化钻井作业和/或地层结构评估，要求提供有关扩孔器的作业参数、以及来自周围的钻井地层结构的地层结构数据的信息。因此，在某些实施例中，所配备的有线扩孔器安装有用来收集这些信息的传感器。这些实施例可适用于所有的这三种扩孔器：固定刀片、可调节和可扩张扩孔器。传感器工作用电力可由与扩孔器相连接的、诸如下井发电机或电池组之类的电源来提供，或从地面经由线路或硬导线管来提供。或者，该电源也可设置在有线扩孔器本身上。
传感器可设置在扩孔器内及其包括臂在内的外表面上。例如，某些测量地层结构数据的传感器通过与井孔壁相接触来优化，而其它的传感器则最佳地定中心于井孔中。一些传感器可在扩孔器臂的下方或上方和/或扩孔器臂上设置在扩孔器的外表面上。其它传感器可用来监测钻井或环境数据。例如，为了监测井孔的尺寸和可能有的炮顺度，可将传感器、特别是井径仪设置在臂的上方、臂中或臂的下方。井径仪传感器可以是个诸如弹簧传感器之类的简单的机械式传感器，或者是个较复杂的、基于脉冲回声、间距速测或其它数据获取技术的声响测径器。在测量中，机械式传感器最好位于臂中，而声响式传感器最好设置于扩孔器的本体中。传感器可定位在扩孔器上用以监测并报告其它信息，诸如位置(例如扩孔器臂的打开、关闭和部分打开)和作用在工具上的力(例如振动、扩孔器臂上的承重、扩孔器臂上的扭矩)、工具每分钟转数、温度、压力和/或贯穿工具的应力/应变。
某些类型的地层结构评估传感器可更佳地适于放置在扩孔器的本体上而不是扩孔器臂上。例如，某些阻力传感器更佳地适于放置在扩孔器的臂上而不是扩孔器的本体上，而其它类型的阻力传感器最好定中心于井孔中，并因此而在扩孔器本体上。但并不是说，这些传感器只能工作在这些位置中。可设置在扩孔器中的其它地层结构评估传感器包括核孔隙率、声音、磁成像和地层结构测试类型的传感器。
可将从传感器收集到的信息储存在位于扩孔器中的存储芯片中。可在扩孔器从下井移离至地面时采用地面处的外接口或无线通讯来回收信息。可附加地或替代地，将收集到的信息传送给或者位于另一个下井上或者位于地面上的其它储存装置。可通过硬导线电气连接或藉助于诸如短行程EM或声响传输之类的其它通讯技术来进行工具间的通讯。可采用诸如泥浆脉冲遥测、声响遥测、电磁感应、电线线路、光纤或硬导线管之类的各种通讯技术来将信息实时地传送到地面。
图9示出图1的有线扩孔器100，其具有用来收集数据的传感器。有线扩孔器100还包括沿扩孔器100设置的传感器140。如图所示，传感器140在切割结构113的上井处、切割结构113的下井处以及切割结构113上设置在扩孔器100的外表面上。有线扩孔器100还包括跨接结构145，该跨接结构145可将传感器140所收集的数据通讯连通到电力和/或通讯线路125，在该实施例中，该线路125延伸经过插入穿过扩孔器流通孔110的馈通组件115。
类似地，图10示出图2的有线扩孔器100，其具有用于收集数据的传感器。在该实施例中，用于电力和/或通讯线路125的通道120通过扩孔器本体105。因为线路125通过扩孔器本体105而非扩孔器流通孔110，所以在传感器140和线路125之间的跨接结构就不需要了。
图9和图10示出固定刀片扩孔器。如上所述，该扩孔器也可为另一种类型的扩孔器，包括可调节刀片扩孔器。而且，也可将诸如图3和图4所示的那些有线的可调节刀片扩孔器构成为具有用于收集数据的传感器。图11和图12示出图3和图4的有线的可调节刀片扩孔器100，其分别具有设置在扩孔器100上的传感器140和在图11情况下与传感器140和线路125相连接的跨接结构145。
图9和图11所例示的实施例包括硬导线连接件、即在传感器140和电力和/或通讯线路125之间的跨接结构145。在其它实施例中，该连接用无线来代替硬导线。例如，图13示出图9所示的、具有传感器140的有线扩孔器100，它具有无线连接150来代替传感器140与线路125之间的跨接结构145。无线连接150还包括信号源155和接收器160，它们分别用于进行将传感器140所收集到的数据从传感器140至线路125的发送和接收工作。
类似地，可用无线连接来代替位于切割结构113上的传感器140与延伸经过图10和图12所例示的实施例的扩孔器本体105的电力和/或通讯线路125之间的硬导线连接件。例如，图14示出图10所示的、具有传感器140的有线扩孔器100，它用无线连接150来代替位于切割结构113上的传感器140与线路125之间的硬导线连接。如前所述，无线连接150还包括信号源155和接收器160，它们分别用于进行将传感器140所收集到的数据从传感器140至线路125和发送和接收工作。
电力和/或通讯不一定要如图9-14所示连续经过扩孔器。而可将电力和/或通讯设置成经过扩孔器。此外，电力和/或通讯也不一定要贯穿扩孔器，而可仅将其设置至扩孔器，如图5和图6所示。此外，电力和/或通讯也不一定要贯穿扩孔器或通至扩孔器，而可整体地包含在扩孔器内，如图7和图8所示。
可采用处理器来收集、处理、分析和储存下井传感器所测得的信息。因此，在某些实施例中，具有传感器的有线扩孔器设有藉由经过工具通讯通达处理器的接口。在这些实施例中，将该扩孔器称为“灵敏式的”。处理器可设置在地面上、位于另一个下井工具上、或在该灵敏式扩孔器本身中。
由位于灵敏式扩孔器上的传感器收集到的数据藉助于经过工具通讯传送给处理器。还将由位于另一个下井工具上的传感器收集到的数据藉助于扩孔器的经过工具通讯传送给处理器。或者，可将从传感器包括位于扩孔器上的和其它下井工具上的传感器收集来的信息储存在位于扩孔器中的存储芯片中，可采用外部接口或在地面处的无线通讯，或者在将扩孔器从下井移离到地面上时，从该存储芯片中回收这些信息。可附加地或替代地，采用经过工具通讯来将所收集到的信息传送给位于地面上或另一下井工具上的另一个储存装置。可通过硬导线电气连接或藉助于诸如短行程GM或声响传输之类的其它通讯技术来进行工具间的通讯。可采用诸如泥浆脉冲遥测、声响遥测、电磁感应、电线线路、光纤或硬导线管之类的各种通讯技术来将信息实时地传送到地面。不过，可从传感器回收数据，最终将这些数据传送给处理器来作处理和分析。
图15示出图9的具有传感器的有线扩孔器，其具有藉助于扩孔器的经过工具通讯而通向处理器的接口。如前所述，有线扩孔器100包括穿过其的流通孔110、沿本体105的外表面的切割结构113、以及也沿扩孔器100设置的传感器140。馈通组件115延伸穿过流通孔110。馈通组件115还包括环绕电力和/或通讯线路125的至少一部分的通道120。线路125允许电力和/或通讯通至和/或来自位于扩孔器100的上井或下井处的其它工具，包括处理器165在内。处理器165可位于地面处或位于另一个下井工具上。在扩孔器100上的传感器140以及位于其它下井工具上与扩孔器100的电力和/或通讯线路125相连的传感器所收集到的数据藉助于电力和/或通讯线路125传送给处理器165。
图16示出图7的有线扩孔器，其具有传感器和藉助于扩孔器的经过工具通讯通向处理器的接口。在图15和图16之间的仅有的差别在于扩孔器100的电力和/或通讯线路125。在图15中，线路125延伸贯穿扩孔器100，而在图16中，线路125延伸至但并不贯穿扩孔器100。与图15和图16不同，图17示出图5的有线扩孔器，其具有传感器和处理器。图17所例示的实施例包括在扩孔器100内的电力和/或通讯线路125，而并非延伸贯穿或延伸至扩孔器100。因此，在由图17例示的这些实施例中，处理器165一定位于扩孔器100内。
如同前述的一些实施例那样，电力和/或通讯不一定要如图15所示连续经过灵敏式扩孔器。而可将电力和/或通讯设置成经过灵敏式扩孔器。此外，电力和/或通讯也不一定要贯穿该灵敏式扩孔器，而可仅设置到该扩孔器，如图16所示。此外，电力和/或通讯也不一定要贯穿或通到该灵敏式扩孔器，而可整体地包含在扩孔器内，如图17所示。此外，如同前述的一些实施例那样，该灵敏式扩孔器可以是固定刀片扩孔器(如图15-17所示)、可调节刀片扩孔器或另一种类型的扩孔器。在具有经过或通向其的通讯的灵敏式扩孔器的实施例中，处理器或位于地面处、在另一个下井工具上或在该扩孔器本身上。在具有包含在其内的通讯的灵敏式扩孔器的实施例中，处理器必定位于扩孔器本身上。
为了优化钻井作业和/或井孔设置，要求控制扩孔器的运作。因此，在某些有些扩孔器的实施例中，在扩孔器中设置控制器和致动器。这些控制器和致动器可以是电动的、液压的、机械的或本行业中已知的其它合适的类型。可将信号传送给控制器，导致该控制器致动致动器，从而控制扩孔器的动作。例如，可将信号传送给控制器导致该控制器致动致动器以使扩孔器臂伸展、收进和/或锁定。
在某些实施例中，信号可以是个源自地面操作人员的直接指示。可通过诸如泥浆脉冲、声响或硬导线管之类的任何多种通讯技术类将该直接命令传送给位于扩孔器上的控制器。一旦控制器接收到了该直接命令，它就会致动也位于扩孔器上的致动器，导致致动器作出呈所要求的样式的反应，例如使扩孔器臂收进。
用于致动致动器的各种装置包括但不限于电动机、内部隔绝的液压致动器、井孔流体驱动致动器、压力致动装置或钻柱驱动装置。例如，可采用压靠于内部活塞上的液压流或压力来致动扩孔器臂，随后又可将扩孔器臂推出。此外，可采用球珠跌落装置来帮助打开、关闭和或锁定扩孔器臂的位置。作为另一个例子，可采用电动致动器来限制扩孔器臂的运动，并将扩孔器锁定在打开、关闭或部分打开的状态。电动致动器可以是个螺线管、开关或电路。作为又一个例子，可采用电动机来致动扩孔器臂。可采用传感器来确定扩孔器臂的位置用以确认工具的正常动作。作为另一种替代方式，可采用电动阀来改变扩孔器的活塞面积，从而改变与扩孔器臂配合所需的致动流或压力。作为又一种替代方式，可采用斜盘泵来致动扩孔器臂。电动阀可控制泵的致动或将压靠在扩孔器臂上或与扩孔器臂相连的活塞上的压力释放。最后，可通过暂时将电动机驱动杆连接至扩孔器臂来致动扩孔器臂。
图18示出图1的有线扩孔器100，其具有用于改变扩孔器的切割结构的位置的控制器和致动器。有线扩孔器100还包括设于扩孔器本体105和切割结构113之间的控制器致动器组件170。每个控制器致动器组件170还包括控制器和致动器，而该控制器一旦通过电力和/或通讯线路125接收到信号后就致动致动器来修正切割结构113的位置，例如，将切割结构113收进以减小井孔直径，或者使切割结构113扩张以增大井孔直径。
类似地，图19示出图2的有线扩孔器100，其具有用于改变扩孔器的切割结构的位置的控制器和致动器。在该实施例中，用于电力和/或通讯线路125的通道120通过扩孔器本体105。因为线路125通过扩孔器本体105，而不是通过扩孔器流通孔110，所以在控制器致动器组件170和线路125之间的跨接结构就不需要了。
如同先前所述的实施例那样，电力和/或通讯不一定要如图18和图19所示连续经过扩孔器。而可将电力和/或通讯设置成通过扩孔器。此外，电力和/或通讯也不一定要如图18和图19所示贯穿扩孔器，而可仅将其设置至扩孔器或整体地包含在扩孔器内。此外，如同先前所述的实施例那样，该有线扩孔器可以是如图18和图19所示的固定刀片扩孔器，也可以是可调节刀片扩孔器，或者是另一种类型的扩孔器。
在具有控制器和致动器的有线扩孔器的另一些实施例中，控制器一旦接收到源自处理器的信号后，就会致动致动器。如上所述，具有传感器和藉助于经过工具通讯通向处理器的接口的有线扩孔器是“灵敏式扩孔器”。在灵敏式扩孔器的一些实施例中，控制器和致动器可设置在扩孔器上，且控制器可由源自处理器的直接命令来致动。
直接命令可由灵敏式扩孔器的操作人员来发出。或者，该直接命令也可以是个由作为测量数据之函数且储存在处理器上的算法所产生的信号或反馈。位于其它下井工具上的传感器会测量数据，尤其是有关扩孔器的作业参数以及周围的钻井地层结构的地层结构特性的数据。可将测得的数据传送给处理器以用作算法的输入。处理器在接收到了测量数据后就根据所测得的数量进行算法运算以形成反馈。可藉助于经过工具通讯来将该反馈以一种信号方式传送给灵敏式扩孔器。该信号可给灵敏式扩孔器上的控制器下指令以致动致动器，使该灵敏式扩孔器改进至所要求的样式。
图20示出图15的灵敏式扩孔器100，其具有用于改变扩孔器切割结构的位置的控制器和致动器。灵敏式扩孔器100还包括设置在扩孔器本体105和切割结构113之间的控制器致动器组件170。每个控制器致动器组件170还包括控制器和致动器，而该控制器一旦通过电力和/或通讯线路125接收到信号后就致动致动器来修正切割结构113的位置，例如，将切割结构113收进以减小井孔直径，或者使切割结构113扩张以增大井孔直径。
类似地，图21示出图16的有线扩孔器100，其具有用于改变扩孔器的切割结构的位置的控制器和致动器。在该实施例中，用于电力和/或通讯线路125的通道120通过扩孔器本体105。因为线路125通过扩孔器本体105，而不是通过扩孔器流通孔110，所以在控制器致动器组件170和线路之间的跨接结构就不需要了。
如同先前所述的实施例那样，电力和/或通讯不一定要如图20和图21所示连续经过扩孔器。而可将电力和/或通讯设置成通过扩孔器。此外，电力和/或通讯也不一定要如图20和图21所示贯穿扩孔器，而可仅将其设置至扩孔器或整体地包含在扩孔器内。此外，如同先前所述的实施例那样，该有线扩孔器可以是如图20和图21所示的固定刀片扩孔器，也可以是可调节刀片扩孔器，或者是另一种类型的扩孔器。在具有通过或通至扩孔器的通讯的灵敏式扩孔器的实施例中，处理器可位于地面处、在另一个下井工具上或在扩孔器本身上。在具有包含在扩孔器内的通讯的灵敏式扩孔器的实施例中，处理器必定位于扩孔器本身上。
作为又一种替代方式，直接命令可以是个由作为位于灵敏式扩孔器上的传感器所测得的数据的函数的算法所形成的信号或反馈。在这些实施例中，以闭环方式对传感器数据作出反应来致动对灵敏式扩孔器部件的控制。这些部件可以是如下的器件：例如一些可调节稳定垫(位于扩孔器刀片前面和后面)，用于控制过度的施加于扩孔器切割刀片上的扭矩和轴向力、或控制工具的每分钟转数的一些附件。传感器监测扩孔器的状态，例如振动、钻头上的扭矩、钻头上的承重、地层结构特性和每分钟转数，而控制器和致动器可致动相应的稳定垫或附件来控制(限制或调整)工具上的作用力。例如，控制器和致动器可使稳定垫伸展或收进以使工具的振动减到最小。作为另一个例子，控制器和致动器可有一个离合器来使钻柱旋转，或者有一个弹簧附件来在扩孔器经受高扭矩或高转速时暂时地吸收高扭矩。作为又一个例子，控制器和致动器可使附件伸展或收进而修正扩孔器切割刀片上的承重。作为还有的一个例子，对于来自扩孔器臂上的成像装置的、表明扩孔器切割刀片并未切割到地层结构壁的数据作出反应，控制器和致动器可使扩孔器臂在切割刀片处对周围地层结构施加更大的压力。
图22示出图20的灵敏式扩孔器100，其中传感器140所测得的数据用作为由处理器165所储存和执行的算法的输入，以形成反馈或信号。随后再将该信号传送给灵敏式扩孔器100的控制器致动器组件170，给控制器致动器170下指令来修正切割结构113的位置。这样，以闭环方式来控制、甚至优化切割结构113的位置。
类似地，图23示出图21的灵敏式扩孔器100，其也以闭环方式工作来控制切割结构113的位置。在该实施例中，用于电力和/或通讯的线路125的通道120通过扩孔器本体105。因为线路125通过扩孔器本体105，而不是通过扩孔器流通孔110，所以在控制器致动器组件170和线路125之间的跨接结构就不需要了。
如同先前所述的实施例那样，电力和/或通讯不一定要如图22和图23所示连续经过扩孔器。而可将电力和/或通讯设置成通过扩孔器。此外，电力和/或通讯也不一定要如图22和图23所示贯穿扩孔器，而仅设置成通至扩孔器或整体地包含在扩孔器内。此外，如同先前所述的实施例那样，该有线扩孔器可以是如图22和图23所示的固定刀片扩孔器，也可以是可调节刀片扩孔器，或者是另一种类型的扩孔器。在具有通过或通至扩孔器的通讯的灵敏式扩孔器的实施例中，处理器可位于地面处、在另一个下井工具上或是扩孔器本身上。在具有包含在扩孔器内的通讯的灵敏式扩孔器的实施例，处理器必定位于扩孔器本身上。
尽管已示出并描述了较佳的实施例，但对于本技术领域内的工作人员来说还可对其作出修改而不脱离本发明的范围和内容。这里所描述的实施例仅为示例性而非限制性的。可以对系统和装置作出多种变型和改型，而这些变型和改型都在本发明的范围之内。例如，各种部件的相对尺度、制造它们所用的材料以及其它参数都可改变。因此，本发明所要求保护的范围并不只限于这里所描述的实施例，而仅由下述的权利要求书来限定，本发明的范围应该包括与权利要求书的主题事项相等同的所有的相应内容。