井下工具的远程液压控制.pdf

一种完井工具设备，其包括控制装置，所述控制装置被配置来通过改变钻孔-环空压差来控制井下工具的响应。所述控制装置包括可在大致管状控制器外壳中纵向滑动的阀活塞，所述活塞阀与所述井眼基本上同轴操作，以使阀口对位于所述钻柱内部与所述工具之间的流体流动连接部打开或关闭。闩锁机构被配置来锁定所述阀活塞以防止在一个轴向方向上的移动，从而保持所述阀活塞处于打开或闭合状态。所述阀活塞的解锁需要其在另一个轴向方向上移位到模式改变位置。支撑构件可在响应于高于触发阈值的钻孔-环空压差的液压致动下自动移位，以阻止所述锁定的阀活塞在液压致动下移动到所述模式改变位置。

1.  一种用于控制会沿钻孔纵向延伸的钻柱中的井下工具的完井工具设备，所述完井工具设备包括：
大致管状外壳，所述大致管状外壳被配置来形成所述钻柱的管线部分，所述外壳限定用于在压力下运送钻探流体的纵向延伸孔，钻孔-环空压差被限定为所述钻孔中的钻探流体压力与环空中的钻探流体压力之间差值，所述环空将所述外壳与限定所述钻孔的壁径向间隔开；以及
控制装置，所述控制装置被安装在所述外壳中，所述控制装置被配置来响应于所述钻孔-环空压差的变化来控制所述井下工具的响应，所述控制装置限定能够连接到所述井下工具的液压启动机构的阀口，所述控制装置还包括：
阀活塞，所述阀活塞能够在所述外壳中纵向移位以使得阀口设置成在打开状态与闭合状态之间，所述打开状态允许所述钻孔与所述井下工具的所述启动机构之间的流体压力连通，所述闭合状态使得所述启动机构与所述钻孔基本上隔离；
闩锁机构，所述闩锁机构被配置来将所述阀活塞能够释放地锁定至所述外壳以便约束所述阀活塞沿一纵向方向的相对纵向移动，其中所述锁定的阀活塞能够通过其沿相反的第二纵向方向移动至模式改变位置而释放，其中所述控制装置的操作模式在以下模式之间改变：
活动模式，在所述活动模式中，在施加等于或高于工具启动水平的孔压时所述阀口处于打开状态以允许液压工具启动；以及
休眠模式，在所述休眠模式中，在施加等于或高于工具启动水平的孔压时所述阀口处于闭合状态以防止液压工具启动；以及
支撑构件，所述支撑构件能够在响应于提供高于触发阈值的所述钻孔-环空压差的液压致动下自动移位，以阻止所述锁定的阀活塞在液压致动下移动到所述模式改变位置。

2.  如权利要求1所述的完井工具设备，其中所述支撑构件是支撑活塞，所述支撑活塞与所述阀活塞纵向对准，并能够在液压致动下沿所述第一纵向方向纵向移位以朝向与所述阀活塞接合，所述控制装置还包括：
闭合偏置装置，所述闭合偏置装置被配置来沿所述第一纵向方向推动所述阀活塞以朝向所述阀口的闭合并抵制所述阀活塞的液压致动移动；
支撑偏置装置，所述支撑偏置装置被配置来沿所述第二纵向方向推动所述支撑构件以远离所述阀活塞并抵制所述阀活塞的液压致动移动，所述支撑偏置装置大于闭合偏置装置，并且经选择以使得存在钻孔-环空压差值范围，在所述钻孔-环空压差值范围下，所述支撑活塞的液压致动移动基本上被所述支撑偏置装置所防止，同时实现所述阀活塞抵制所述闭合偏置装置的液压致动移动。

3.  如权利要求2所述的完井工具设备，其还包括延缓装置，所述延缓装置用于使得所述阀活塞沿所述第二纵向方向的液压致动移动延缓，从而有利于在所述阀活塞在锁定时到达所述模式改变位置之前来阻止所述支撑活塞与所述阀活塞接合，所述延缓装置包括：
多个配合流量控制室，所述配合流量控制室操作式地连接到所述阀活塞以使得所述阀活塞的纵向移动依赖于所述配合流量控制室之间的对应流体传递；
流体通路，所述流体通路连接所述多个配合流量控制室中的至少两个；以及
所述流体通路中的限流器，所述限流器被配置来响应于所述流量控制室之间的压差将所述流量控制室之间的流体流动限制到预定的流体流率，从而将所述阀活塞的液压致动的纵向移动限制到预定的速度。

4.  如权利要求1所述的完井工具设备，其中所述井下工具包括扩眼器组件，所述扩眼器组件包括：
管状扩眼器体部，所述管状扩眼器体部与所述外壳纵向对准并连接到所述外壳以使得所述扩眼器组件的所述启动机构与所述阀口流体压力连通；以及
一个或多个切削元件，所述切削元件被安装在所述扩眼器体部上并且被配置来对所述钻孔壁进行扩孔，所述切削元件操作式地响应于孔压条件而设置在以下状态之间，
展开状态，在所述展开状态下，所述一个或多个切削元件从所述扩眼器体部径向向外突出以接合所述钻孔壁，以及
回缩状态，在所述回缩状态下，所述一个或多个切削元件回缩以允许所述扩眼器体部旋转而使得所述一个或多个切削元件与所述钻孔壁脱离接合。

5.  如权利要求1所述的完井工具设备，其中所述闩锁机构被配置来使得所述阀活塞在锁定时沿所述第二纵向方向从锁定静止位置到所述模式改变位置的响应于基本上恒定的钻孔-环空压差的液压致动移动能够仅通过提供处于低于所述触发阈值的水平的钻孔-环空压差并保持至少触发阈值时间间隔来实现。

6.  如权利要求5所述的完井工具设备，其中所述触发阈值时间间隔大于5分钟。

7.  如权利要求1所述的完井工具设备，其中闩锁机构包括：
筒形凸轮，所述筒形凸轮被同轴地安装在所述阀活塞上，所述筒形凸轮能够围绕所述阀活塞旋转并被锚定至所述阀活塞以随其纵向移动，所述筒形凸轮在其径向外表面中限定细长的轨道凹槽，所述轨道凹槽围绕所述筒形凸轮在可变的纵向位置周向延伸；以及
闩锁构件，所述闩锁构件被安装在所述外壳上以从其中径向向内突出，所述闩锁构件接纳在所述轨道凹槽中以与所述轨道凹槽进行凸轮从动接合，
所述轨道凹槽被成形为使得所述筒形凸轮相对于所述闩锁构件的纵向移动引起所述筒形凸轮的旋转。

8.  如权利要求2所述的完井工具设备，其中所述轨道凹槽包括：
闩锁槽，所述闩锁槽被成形为使得当所述闩锁构件在所述闩锁槽中时，通过所述闩锁构件与所述闩锁槽的接合来防止所述阀口通过所述阀活塞在所述闭合偏置装置推动下纵向移动而被闭合；以及
解闩锁槽，所述解闩锁槽被成形为允许所述闩锁构件沿其移动到其中所述阀口闭合的位置。

9.  一种钻探设备，其包括：
细长钻柱，所述钻柱沿钻孔纵向延伸，所述钻柱限定纵向延伸孔，所述纵向延伸孔用于响应于限定在所述钻孔中的钻探流体压力与环空中的钻探流体压力之间的钻孔-环空压差而在压力下运送钻探流体，所述环空将所述外壳与钻孔壁径向间隔开；
井下工具，所述井下工具形成所述钻柱的一部分，所述井下工具具有用 于启动所述井下工具的液压启动机构；以及
控制装置，所述控制装置形成所述钻柱的一部分，所述控制装置用于控制所述井下工具对所述钻孔-环空压差变化的响应，所述控制装置限定连接到所述井下工具的所述启动机构的阀口，所述控制装置还包括：
阀活塞，所述阀活塞能够在所述钻柱中纵向移位并且被配置来将所述阀口设置在打开状态与闭合状态之间，所述打开状态允许所述钻孔与所述井下工具的所述启动机构之间的流体压力连通，所述闭合状态使得所述启动机构与所述钻孔基本上隔离；
闩锁机构，所述闩锁机构被配置来将所述阀活塞能够释放地锁定以便约束所述阀活塞相对于所述钻柱沿第一纵向方向的纵向移动，所述阀活塞在锁定时能够通过其沿相反的第二纵向方向移动至模式改变位置而释放，所述阀活塞的锁定和释放使所述控制装置的操作模式在以下模式之间改变：
活动模式，在所述活动模式中，在施加等于或高于工具启动水平的孔压时所述阀口处于其打开状态以允许通过所述钻孔的液压工具启动，以及
休眠模式，在所述休眠模式中，在施加等于或高于工具启动水平的孔压时所述阀口处于其闭合状态以防止液压工具启动；以及
支撑构件，所述支撑构件能够在液压致动下自动移位到阻止所述锁定的阀活塞到所述模式改变位置的移动的位置。

10.  如权利要求9所述的钻探设备，其中所述支撑构件是支撑活塞，所述支撑活塞与所述阀活塞纵向对准，所述支撑活塞能够在液压致动下沿所述第一纵向方向纵向移位以朝向与所述阀活塞接合，所述控制装置还包括：
闭合偏置装置，所述闭合偏置装置沿所述第一纵向方向推动所述阀活塞以朝向所述阀口的闭合并抵制所述阀活塞的液压致动移动；
支撑偏置装置，所述支撑偏置装置沿所述第二纵向方向推动所述支撑构件以远离所述阀活塞并抵制所述阀活塞的液压致动移动：
所述支撑偏置装置大于所述闭合偏置装置，并且经选择以使得存在钻孔-环空压差值范围，在所述钻孔-环空压差值范围下，所述支撑活塞的液压致动移动基本上被所述支撑偏置装置所防止，同时实现所述阀活塞抵制所述闭 合偏置装置的液压致动移动。

11.  如权利要求10所述的钻探设备，其还包括延缓装置，所述延缓装置用于使得所述阀活塞沿所述第二纵向方向的液压致动移动延缓，从而有利于在所述阀活塞在锁定时到达所述模式改变位置之前来阻止所述支撑活塞与所述阀活塞接合，所述延缓装置包括：
两个或更多个配合流量控制室，所述配合流量控制室操作式地连接到所述阀活塞以使得所述阀活塞的纵向移动依赖于所述两个或更多个配合流量控制室之间的对应流体传递；
流体通路，所述流体通路连接所述两个或更多个配合流量控制室；以及
所述流体通路中的限流器，所述限流器用于响应于所述流量控制室之间的压差将所述流量控制室之间的流体流动限制到预定的流体流率，从而将所述阀活塞的液压致动的纵向移动限制到预定的速度。

12.  如权利要求9所述的钻探设备，其中所述井下工具包括扩眼器组件，所述扩眼器组件包括用于对所述钻孔壁进行扩孔的一个或多个切削元件，所述切削元件能够响应于孔压条件而设置在以下状态之间：
展开状态，在所述展开状态下，所述一个或多个切削元件从所述钻柱径向向外突出以接合所述钻孔壁；以及
回缩状态，在所述回缩状态下，所述一个或多个切削元件回缩以允许所述钻柱旋转而使得所述一个或多个切削元件与所述钻孔壁脱离接合。

13.  如权利要求9所述的钻探设备，其中所述闩锁机构被配置来使得所述阀活塞在锁定时沿所述第二纵向方向从锁定静止位置到模式改变位置的响应于基本上恒定的钻孔-环空压差的液压致动移动能够仅通过提供处于低于所述触发阈值的水平的钻孔-环空压差并保持至少触发阈值时间间隔来实现。

14.  如权利要求9所述的钻探设备，其中闩锁机构包括：
筒形凸轮，所述筒形凸轮被同轴地安装在所述阀活塞上，所述筒形凸轮可围绕所述阀活塞旋转并被锚定至所述阀活塞以随其纵向移动，所述筒形凸轮在其径向外表面中限定细长的轨道凹槽，所述轨道凹槽围绕所述筒形凸轮在可变的纵向位置周向延伸；以及
闩锁构件，所述闩锁构件被安装在钻柱体上以从其中径向向内突出，所 述闩锁构件接纳在所述轨道凹槽中以与所述轨道凹槽进行凸轮从动接合，所述轨道凹槽被成形为使得所述筒形凸轮相对于所述闩锁构件的纵向移动转变成所述筒形凸轮的旋转。

15.  一种控制联接在沿钻孔纵向延伸的钻柱中的井下工具的方法，所述方法包括：
通过被安装在外壳中的控制装置来控制所述钻柱中的所述井下工具对所述钻孔-环空压差变化的响应，所述控制装置限定可连接到所述井下工具的液压启动机构的阀口，所述控制装置还包括：
阀活塞，所述阀活塞可在所述外壳中纵向移位以将所述阀口设置在打开状态与闭合状态之间，所述打开状态允许所述钻柱孔与所述井下工具的所述启动机构之间的流体压力连通，所述闭合状态使得所述启动机构与所述钻柱孔基本上隔离；以及
闩锁机构，所述闩锁机构被配置来将所述阀活塞可释放地锁定至所述外壳以便约束所述阀活塞沿第一纵向方向的相对纵向移动，所述阀活塞在锁定时可通过其沿相反的第二纵向方向移动至模式改变位置而释放，其中所述阀活塞的锁定和释放使所述控制装置的操作模式在以下模式之间改变：
活动模式，在所述活动模式中，在施加等于或高于工具启动水平的孔压时所述阀口处于其打开状态以允许液压工具启动，以及
休眠模式，在所述休眠模式中，在施加等于或高于工具启动水平的孔压时所述阀口处于其闭合状态以防止液压工具启动；以及
支撑构件，所述支撑构件可在响应于高于触发阈值的压差的液压致动下自动移位，以阻止所述锁定的阀活塞朝向所述模式改变位置的移动。

16.  如权利要求15所述的方法，其中所述支撑构件是支撑活塞，所述支撑活塞与所述阀活塞纵向对准，并可在液压致动下沿所述第一纵向方向纵向移位以朝向与所述阀活塞接合，所述控制装置还包括：
闭合偏置装置，所述闭合偏置装置沿所述第一纵向方向推动所述阀活塞以朝向所述阀口的闭合并抵制所述阀活塞的液压致动移动；
支撑偏置装置，所述支撑偏置装置沿所述第二纵向方向推动所述支撑构 件以远离所述阀活塞并抵制所述阀活塞的液压致动移动，所述支撑偏置装置大于闭合偏置装置，并且经选择以使得存在钻孔-环空压差值范围，在所述钻孔-环空压差值范围下，所述支撑活塞的液压致动移动基本上被所述支撑偏置装置所防止，同时实现所述阀活塞抵制所述闭合偏置装置的液压致动移动。

17.  如权利要求16所述的方法，其还可包括延缓装置，所述延缓装置用于使得所述阀活塞沿所述第二纵向方向的液压致动移动延缓，从而有利于在所述阀活塞在锁定时到达所述模式改变位置之前来阻止所述支撑活塞与所述阀活塞接合，所述延缓装置包括：
两个或更多个配合流量控制室，所述配合流量控制室操作式地连接到所述阀活塞以使得所述阀活塞的纵向移动依赖于所述配合流量控制室之间的对应流体传递；
流体通路，所述流体通路连接所述两个或更多个配合流量控制室；以及
所述流体通路中的限流器，所述限流器用于响应于所述流量控制室之间的压差将所述流量控制室之间的流体流动限制到预定的流体流率，从而将所述阀活塞的液压致动的纵向移动限制到预定的速度。

18.  如权利要求15所述的方法，其中所述闩锁机构被配置来使得所述阀活塞在锁定时沿所述第二纵向方向从锁定静止位置到模式改变位置的响应于基本上恒定的钻孔-环空压差的液压致动移动可仅通过提供处于低于所述触发阈值的水平的钻孔-环空压差并保持至少触发阈值时间间隔来实现。

19.  如权利要求15所述的方法，其中闩锁机构包括：
筒形凸轮，所述筒形凸轮被同轴地安装在所述阀活塞上，所述筒形凸轮可围绕所述阀活塞旋转并被锚定至所述阀活塞以随其纵向移动，所述筒形凸轮在其径向外表面中限定细长的轨道凹槽，所述轨道凹槽围绕所述筒形凸轮在可变的纵向位置周向延伸；以及
闩锁构件，所述闩锁构件被安装在所述外壳上以从其中径向向内突出，所述闩锁构件接纳在所述轨道凹槽中以与所述轨道凹槽进行凸轮从动接合，所述轨道凹槽被成形为使得所述筒形凸轮相对于所述闩锁构件的纵向移动引起所述筒形凸轮的旋转。

井下工具的远程液压控制
技术领域
本申请总体涉及钻探操作中的井下工具，并且涉及操作井下工具的方法。一些实施方案更具体地涉及用于井下工具的流体启动控制系统、机构和方法。本公开还涉及通过流体压力程控进行的井下扩眼器展开控制。
背景技术
用于碳氢化合物(油和天然气)开采以及用于其它目的的钻孔通常是利用钻柱进行钻探的，所述钻柱包括具有钻探组件的管状构件(也被称为钻探管)，所述钻探组件包括附接到其底部末端的钻头。钻头旋转以剪切岩石地层的材料或使其破裂来钻探井眼。钻柱通常包括在钻探操作期间需要远程启动和停止的工具或其它装置。这类工具和装置尤其包括扩眼器、稳定器或用于使钻头转向的施力构件。
机电控制系统在这类钻探环境中通常是不可靠的。通过控制钻柱中的流体压力实现的对井下工具启动的远程控制通常仅允许单个启动/停止循环，在此之后控制系统需重置，同时在一些系统中导致有效钻柱直径的减少。钻探流体的使用导致在正常钻探操作期间工具意外启动的风险。
附图说明
一些实施方案在附图的各图中以示例性而非限制性方式示出，在附图中：
图1示出根据示例性实施方案的钻探设备的示意图，所述钻探设备包括提供用于对工具启动的远程流体启动控制的控制装置的钻探设备。
图2A-图2B示出根据示例性实施方案的用于对工具启动的远程流体启动控制的钻探设备的局部剖面三维视图，示例性工具为在图2A中展开并且在图2B中回缩的扩眼器的形式。
图3A-图3B示出根据示例性实施方案的图2的钻探设备的纵剖面。
图4A-图4B示出图2的钻探设备的一部分的放大的纵剖面，其分别示出处于打开状态和处于闭合状态的钻探设备的阀活塞。
图5A和图5B示出根据示例性实施方案的用于形成图2的钻探设备的一部分的筒形凸轮的三维视图。
图6示出根据示例性实施方案的图2的钻探设备的一部分的放大的纵剖面三维视图，其示出形成钻探设备的一部分的锁销和筒形凸轮的细节。
图7示出根据示例性实施方案的图2的钻探设备的一部分的放大的三维纵剖面，其示出钻探设备的支撑活塞(stay piston)的细节。
图8A-图8G各自示出根据示例性实施方案的图2的钻探设备在钻探设备的受控操作期间的不同阶段的三维纵剖面，以及对应于相关纵剖面的状态的压力曲线图和锁销行进图。
具体实施方式
以下详述参照附图来描述本公开的示例性实施方案，所述示例性实施方案示出示出可以如何实践本公开的实施例的各种细节。本文的讨论参照这些附图提出新颖方法、系统和装置的各种实施例，并且进行足够详细地描述，以使得本领域的技术人员能够实践本公开的主题。除本文所讨论的说明性实施例之外的许多实施方案可以用于实践这些技术。在不脱离本公开的范围的情况下，除本文明确讨论的替代方案之外可以做出结构上和操作上的改变。
在本说明书中，对本说明书中“一个实施方案”或“实施方案”或“一个实施例”或“实施例”的参考并不旨在一定是指同一个实施方案或实施例；然而，这类实施例并非相互排斥的，除非这样说明或如受益于本公开的本领域的普通技术人员将显而易见的。因此，本发明可包括本文所述的实施方案和实施例的多种组合和/或综合，以及如限定在基于本公开的所有权利要求和此类权利要求的所有法律等效物的范围内的其它实施方案和实施例。
图1是用于利用流体压力控制井下工具操作的系统的示例性实施方案的示意图。钻探设备100包括钻柱108位于其中的地下钻孔104。钻柱108可包括从固定在井口的钻探平台112悬置的钻杆的连接部分。位于钻柱108的底端的井下组件或井底组件(BHA)122可包括：钻头116，用于使位于钻柱108的前端处的地层破裂以导引钻孔104；以及一个或多个扩眼器组件 118，在钻头116的沿井孔上行，用于通过选择性地可扩展的切削元件的操作而使钻孔104加宽。
因此，钻孔104是细长的空腔，其为大致圆柱形，具有沿钻孔104的长度保持或多或少恒定的大致圆形横截面轮廓。钻孔104在一些情况下可以是直线形的，但通常可包括沿其长度的一个或多个弯曲部、弯折、转折或角度。如参考钻孔104和其中的部件所使用的，钻孔104的“轴线”(以及因此钻柱108或其一部分的“轴线”)是指圆柱形钻孔104的中心线。因此，“轴向”是指沿在所讨论的钻孔104的相关点或部分处与钻孔104的纵向方向大致平行的线的方向；“径向”是指大致沿与钻孔轴线相交且位于垂直于钻孔轴线的平面中的线的方向；“切向”是指大致沿不与钻孔轴线相交且不位于垂直于钻孔轴线的平面中的线的方向；并且“周向”是指由切向矢量围绕钻孔轴线的旋转所示出的大致弧形或圆形路径。
如本文所使用，移动或位置“向前”或“沿井孔下行”(以及相关术语)是指朝向钻头116、远离地表的轴向移动或相对轴向位置。相反地，“向后”、“向后方”或“沿井孔上行”是指轴向地沿钻孔104、远离钻头116并且朝向地表的移动或相对位置。
测量和控制组件120可被包括在BHA 122中，所述BHA 122还包括用于测量钻孔参数、钻探性能等的测量仪器。
钻探流体(例如，钻探“泥浆”或可存在于井中的其它流体)从处在地表处且连接至井口(通常指示在130处)的钻探流体贮存器132(例如存储坑)，通过泵(未示出)来循环(此泵强制钻探流体沿由钻柱108的中空内部形成的钻探孔128向下)，以使得钻探流体在高压下通过钻头116离开。在从钻柱108离开之后，钻探流体占据限定在钻柱108与钻孔104的壁之间的钻孔环空134。虽然许多其它环形空间可与系统102相关联，但对环空压力、环空间隙等的参考是指钻孔环空134的特征，除非另有规定。
应注意，钻探流体是沿钻柱108的内径(即，孔128)泵送的，其中从孔128流出的流体被限制在钻头116处。
钻探流体随后沿环空134向上流动，从而将切屑从钻孔104的底部运送到井口130，在所述井口130处切屑被移除并且钻探流体可返回至钻探流体贮存器132。因此，孔128中的流体压力大于环空134中的流体压力。除非 上下文另有说明，否则术语“压差”是指孔128的总流体压力与环空134中的压力之间的差。
在一些情况下，钻头116是通过钻柱108从平台112上的旋转而旋转的。在这个示例性实施方案中，井下马达136(例如像所谓的泥浆马达或涡轮马达)被设置在钻柱108中，并且(在这个实例中形成BHA 122的一部分)可以使钻头116旋转。在一些实施方案中，钻柱108的旋转可以选择性地由地表设备和井下马达中的一者或两者来提供动力。
系统102可包括用于从整合在钻柱108中(通常形成BHA 122的一部分)的传感器和装置接收信号的地表控制系统140。地表控制系统140可以在由操作员用来控制钻探操作的显示器或监视器上显示钻探参数和其它信息。一些钻探设备可以是部分或完全自动的，以使得钻探控制操作(例如，通过对钻探流体的压力程控而实现的对马达136的操作参数的控制和对井下工具的控制，如本文所述)可以是手动的、半自动的或完全自动的。地表控制系统140可包括具有一个或多个数据处理器和数据存储器的计算机系统。地表控制系统140可以处理与钻探参数相关的数据、来自地表处的传感器和装置的数据、从井下接收的数据，并且可以控制井下工具和装置的一个或多个操作，所述装置是井下装置和/或地表装置。
代替先前提及的扩眼器组件118或除了先前提及的扩眼器组件118之外额外地，钻柱108可包括一个或多个井下工具。因此，在这个实施例中，钻柱108的井下工具包括位于BHA 122中的至少一个扩眼器组件118，其用于在BHA 122穿透地层时使钻孔104的直径扩大。在其它实施方案中，扩眼器组件118可定位在BHA 122的沿井孔上行并且连接至所述BHA 122。每个扩眼器组件118可包括一个或多个周向间隔开的刀片或携带切削结构的其它切削元件。扩眼器组件118容纳扩眼器144，所述扩眼器144选择性地从扩眼器组件118的外壳径向扩展和回缩，以选择性地增大和减小直径。
在这个实施方案中，扩眼器144是通过使用加压钻探流体而被液压致动的。加压钻探流体还用于选择扩眼器144的展开模式。在这个实施例中，用于实现对扩眼器144的流体压力控制的展开控制机构是由控制器148提供的，所述控制器148包括具有在钻柱108中成直线连接的钻杆本体或外壳215(参见图2)的组件。在这个实施方案中，控制器148被安装在相关联的扩 眼器组件118的沿井孔下行。
流体压力的考虑
应注意，尽管对工具展开的流体压力控制具有益处(目前将要对此进行讨论)，但这种流体压力控制可能引入执行钻探操作方面的困难。例如，流体压力值与所期望的扩眼器展开之间很少存在简单的直接对应。虽然在这个实施例中扩孔操作与孔128中的高流体压力(也被称为孔压或内部压力)一致，但扩眼器144不会每次都在出现高孔压的情况下展开。
孔压可以例如上升，以便在正钻探钻孔104时，通过马达136来驱动钻头116。在这种钻探阶段期间的扩眼器展开通常是要避免的。
在这个实施方案中，控制器148的功能在于选择性地调整扩眼器144响应某些流体压力条件的方式。扩眼器组件118可以是双模态的，即选择性地设置在休眠模式或活动模式中。在休眠模式中，尽管高孔压(例如，用于井下机器如马达136的操作水平下的压力)，扩眼器144仍回缩并且保持回缩状态。在活动模式中，扩眼器144动态地响应于孔压，以使得高孔压通过扩眼器144的切削元件的径向扩展而自动且不变地导致扩眼器144的展开。控制扩眼器组件118以选择性地将其暴露于一种模式或另一种模式可以通过产生孔压值的预定程序来完成。在一个实施例中，模式切换包括施加低压(相对于工具操作压力)持续长于预定义的触发时间。以下的大部分描述讨论了用于实施对扩眼器组件118的这种压力程序模式控制的机构。
控制器操作概述
图2A示出在休眠模式中的扩眼器组件118。如由示意性压力量具204指示，钻柱108具有高孔压，在这个实施例中所述高孔压对应于扩眼器组件118的操作压力。“操作压力”此处是指等于或大于孔压，在扩眼器组件118在扩孔期间为孔压的情况下，相关工具将要在所述钻孔压下执行其主要功能。
尽管这类操作压力水平，图2A中的扩眼器144是处于回缩状态，其中呈扩眼器臂208的示例性形式的扩眼器切削元件回缩到管状扩眼器体部210中。扩眼器臂208并未突出到扩眼器体部210的轴向外表面之外，并且因此不与钻孔104的壁接合。
然而，在图2B中，孔压再次处于操作水平，但现在扩眼器144处于展 开状态，在所述展开状态中扩眼器臂208径向延伸，从扩眼器体部210凸出，并且从扩眼器体部210径向向外突出以便与钻孔壁接触，用于在扩眼器体部210随钻柱108旋转时对钻孔104进行扩孔。在这个实施例中，扩眼器臂208以在致动时折叠成展开的轴向对准的铰链连接对的形式，被安装在扩眼器体部210上。
扩眼器组件118和控制器148在图2A的休眠模式与图2B的活动模式之间的功能差别是由于呈控制器外壳215内的阀活塞212的示例性形式的阀闭合构件的相应轴向位置，所述控制器外壳215具有大致管状壁423(图4)。控制器148提供阀口218，用于使孔128与扩眼器组件118流体流动连通。扩眼器组件118通过阀口218暴露于操作孔压允许对扩眼器臂208朝向它们的展开位置的液压致动。在休眠模式(图2A)中，阀活塞212轴向定位以使得它关闭阀口218，从而将扩眼器组件118与孔压隔离开并且使得所述扩眼器组件118对高孔压值无响应。在活动模式中，阀活塞212相对于其在休眠模式中的位置进一步轴向定位在控制器外壳215的沿井孔下行，以使得阀活塞212远离阀口218，从而将扩眼器组件118暴露于孔压波动并且允许响应于孔128中的操作流体压力的自动扩眼器展开。
阀活塞212从其休眠模式位置到其活动模式位置以及从其活动模式位置到其休眠模式位置的轴向移位是通过应用触发压力条件、包括应用低于预定义触发阈值(在这个实施例中为约20巴)的压差持续至少触发阈值时间间隔(在这个实施例中为约15分钟)来实现。较高的阈值时间间隔可降低无意启动风险，但一些操作员可能偏好更短的阈值时间间隔，并且因此这些时间间隔可根据钻探条件和/或使用者偏好而变化。在一些实施方案中，触发阈值时间间隔可以为约一分钟。
现将描述控制器148的各种液压机械方面和特征，但应注意，在这个示例性实施方案中，阀活塞212的轴向位置确定由扩眼器组件118和控制器148提供的扩眼器系统的操作模式。下文描述的机构和部件配合来促进阀活塞212的轴向定位，如来自地表控制系统140的远程压力程序控制所期望的。
现将在高级概述中简要提及控制器148的有利于这种压力控制的扩眼器展开的一些部件和机构，之后将在这个示例性实施方案的上下文中更详细地描述这些特征。此后，讨论示例性控制器部件的功能相互作用。
高级功能概述
在图3中可以看出，直接和/或间接作用于阀活塞212的众多部件用于将其设置在其休眠模式位置或其活动模式位置。呈闭合弹簧305的示例性形式的阀闭合偏置装置推动阀活塞212朝向其休眠模式位置，所述闭合弹簧305在控制器外壳215与阀活塞212之间起作用来推动阀活塞212轴向地沿井孔上行，即朝向图3中的左侧。在作用于阀活塞212的液压力不存在的情况下，闭合弹簧305将使阀活塞212沿井孔上行移动到以下位置：在所述位置中充当阀闭合构件(参见例如图4中的阀闭合套筒409)的阀活塞212的一部分将阀口218关闭。为使图示清晰，阀活塞212在附图中被示出为一件式构造，但它可以由两个或更多个大致管状构件组成，所述两个或更多个大致管状构件端对端地用螺丝拧在一起以便于组装。
在休眠模式中，由于不存在流体压力，阀活塞212在闭合弹簧305的推动下移动到其闭合位置中没有障碍。然而，在活动模式中，阀活塞212朝向控制器外壳215的沿井孔上行端的轴向移动(以接近阀口218)受包括筒形凸轮310(其轴向锚定到阀活塞212但围绕所述阀活塞212自由旋转)的闩锁装置和呈安装在控制器外壳215上的锁销312的形式的配合凸轮从动件的限制。如将更详细地描述的，筒形凸轮310具有其后是锁销312的连续凹进轨道315。轨道315包括闩锁槽512(图5)，在所述闩锁槽512中阀活塞212的沿井孔上行轴向移动(为了闭合阀口218)由于锁销312抵靠轨道315的闩锁槽512的停止端邻接而在未达到其阀闭合位置处停止。
因此，在这个实施例中切换到活动模式包括锁销312进入筒形凸轮310的轨道315的闩锁槽512中，而切换到休眠模式包括锁销312从闩锁槽512的脱离。
当孔128中的流体压力处于操作水平(“高压/流量”)或处于亚操作水平(“低压/流量”)时，阀活塞212可以抵制闭合弹簧305的偏置、在控制器外壳215内沿井孔下行轴向移动。阀活塞212的沿井孔下行轴向移动的速度受包括限流器318的回程速度控制机构或延缓装置的限制，所述限流器318限制穿过流量控制通道324、从控制流体贮存器321到抽吸室327的液压流动的速率。在这个实施例中，限流器318是Lee Flosert，在其上存在压差时，其控制油可以穿过流量控制通道324、从控制流体贮存器321到抽吸室327 的移动速率。因此，穿过限流器318的有效流速针对一定的压差范围可以是基本上恒定的。因此，限流器318控制阀活塞212的移动速度，从而允许准确计算触发阈值时间间隔，阀活塞212将要在液压致动下移动持续所述触发阈值时间间隔以便切换控制器148的操作模式。限流器318可允许在相反方向上的基本上不受限制的流体移动。阀活塞212沿井孔下行的轴向移动还被支撑活塞330防止，所述支撑活塞330被安装在阀活塞212的沿井孔下行并且被支撑弹簧333沿井孔下行轴向推动到静止位置，在所述静止位置中其远离阀活塞212的干扰。支撑活塞330和其支撑弹簧333被选择和布置成使得：在高的操作泥浆压力和/或流量下，支撑活塞330抵制支撑弹簧333的偏置(在与阀活塞212在液压钻探流体致动下的移动相反的轴向方向上)沿井孔上行轴向移动到抵靠阀活塞212端对端地邻接，从而使阀活塞212沿井孔下行的轴向移动停止。
部分由于限流器318的操作，支撑活塞330沿井孔上行移动的比阀活塞212沿井孔下行移动的更快，从而在锁销312可以脱离或进入筒形凸轮310的闩锁槽512(视情况而定)之前与阀活塞212会合并且使其停止。因此，在休眠模式中，支撑活塞330的操作压力下的移动防止阀活塞212沿井孔下行前进到远得足以远离阀口218的位置，或允许锁销312进入筒形凸轮310的闩锁槽512。在活动模式中，支撑活塞330的流体压力致动的沿井孔上行移动防止阀活塞212沿井孔下行前进到远得足以离开筒形凸轮310的闩锁槽的位置，从而保持阀活塞212锁定在阀口218打开的轴向范围内。
然而，这些活塞和弹簧被确定尺寸和配置来使得：在低于阈值水平(在本文中也被称为触发压力)的亚操作压力下，阀活塞212被致动以沿井孔下行轴向移动，从而克服闭合弹簧305的弹性阻力，但支撑活塞330上的所得液压力不足以克服支撑弹簧333。因此，应用这种压操作压力或亚阈值压力持续长于触发时间间隔的时间段引起阀活塞212沿井孔下行轴向移动(在不受现在基本上固定的支撑活塞330的阻止的情况下)远得足以允许锁销312进入闩锁槽512中(从而从休眠模式切换到活动模式)或允许锁销312脱离闩锁槽(从而从活动模式切换到休眠模式)，视情况而定。
现将更详细地单独描述以上简要提及的控制器部件，然后讨论示例性控制器148的部件的配合行为。
阀活塞特征
图4A和图4B分别示出处于休眠模式和活动模式中的示例性控制器148的视图，其中示例性阀活塞212的一些另外的特征是可见的。
在这个实施例中，阀口插入件404被同轴地安装在控制器外壳215中，从而限定孔开口406，由阀活塞212的沿井孔上行端部提供的同轴阀闭合套筒409密封地接纳在所述钻孔开口406中。阀口插入件404被锚定到控制器外壳215，其中阀闭合套筒409可轴向地滑动穿过孔开口406。
阀口插入件404限定呈流体流动通道的示例性形式的阀口218，所述端口218使由阀口插入件404限定的钻柱的孔128的一部分与基本上管状扩眼器致动室412连通。在其休眠模式位置(图4A)，阀闭合套筒409将阀口218关闭，从而将扩眼器致动室412与孔128隔离。当沿井孔下行轴向放置到其活动模式位置(图4B)时，阀活塞212的沿井孔上行端远离阀口218，以使得扩眼器致动室412通过阀口218与孔128流体流动连通，从而将扩眼器致动室412以及因此扩眼器组件118暴露于孔压。外壳215包括用于将切屑从外壳215冲洗掉的一个或多个喷嘴418。从喷嘴418的流体喷射还可以作为针对地表处的操作员的工具启动已发生的地表压力指示器。安全阀(未示出)提供在室412与孔128之间，充当阀活塞212和相关联的喷嘴堵塞的情况下的防故障测量，从而防止压力低于驱动活塞。在这种情况下，可通过抵制约束使劲拉动来下压扩眼器臂，从而限制安全阀。替代地或另外，安全阀可以提供在室412与环空134之间。
在孔开口406的沿井孔下行侧，阀活塞212具有径向突出的、周向延伸的环形沿井孔上行钻铤或台肩421，所述钻铤或台肩421具有与控制器外壳215的管状壁423的内圆柱形表面密封地、滑动地接合的径向外端边缘。因此，阀活塞212可在控制器外壳215内同轴地滑动。
阀活塞212的管状中心部分424与控制器外壳215的管状壁423之间的环形空间将控制流体贮存器321提供至沿井孔上行台肩421的沿井孔下行侧。
阀活塞212具有定位在台肩421的沿井孔上行的一系列周向延伸的泥浆流动开口427，从而允许孔128与环形空间之间的、在沿井孔上行台肩421的沿井孔上行的流体传递，所述环形空间在阀活塞212的周向外表面与控制 器外壳215的管状壁423之间径向延伸。因为控制流体贮存器321中的流体压力基本上匹配环空压力(通过将简短地进行讨论的压力平衡机构的操作)，沿井孔上行台肩421的压差基本上等于钻孔-环空压差。通常，这些压力在沿井孔上行台肩421的沿井孔上行侧上(即，孔压)较高，以使得液压力在沿井孔下行方向上施加在阀活塞212上。
控制器外壳215提供环形室壁430，所述环形室壁430从控制器外壳(215)的管状壁423在与孔开口406沿井孔下行间隔开的位置处径向向内突出，轴向突出到沿井孔上行台肩421之外。室壁430限定圆柱形孔口433，阀活塞212滑动地接纳在所述钻孔口433中，阀活塞212的径向圆柱形外表面与室壁430的互补地匹配的径向内边缘表面密封地接合。
因此，室壁430在其沿井孔上行端处密封地结合控制流体贮存器321。室壁430被锚定以抵制相对于控制器外壳215的轴向移动。因此，阀活塞212在控制器外壳215中的轴向移位改变控制流体贮存器321的容积。
闭合弹簧305位于控制流体贮存器321中，围绕阀活塞212的中心部分424同轴地定位，并且在沿井孔上行台肩421与室壁430之间起作用。
阀活塞212具有邻近其沿井孔下行端441的、类似于沿井孔上行台肩421的台肩437，所述台肩437为环形并且径向突出以密封地接合由控制器外壳215提供的径向圆柱形内表面。沿井孔下行台肩437将抽吸室327在其沿井孔下行端密封。因此，抽吸室327是径向限定在阀活塞212与壁423上的内衬之间、且轴向地限定在室壁430与沿井孔下行台肩437之间的基本上环形空间。如所提及，抽吸室327通过具有限流器318的流量控制通道324与控制流体贮存器321流体流动连通。
应注意，抽吸室327的容积可响应于阀活塞212的轴向移位而变化，其容积根据阀活塞212的沿井孔下行移动而增大(同时控制流体贮存器321的容积减小)，并且反之亦然。
当与在沿井孔上行台肩421处相比较时，由控制器外壳215提供的径向内表面在沿井孔下行台肩437处减小，以使得沿井孔下行台肩437的在使用中暴露于孔128中的钻探流体压力的轴向端面438的面积小于沿井孔上行台肩421的暴露于基本上相同孔压的轴线端面422的面积。这种差别促进阀活塞212响应于孔压与环空压力之间的差别的沿井孔下行移动。
阀活塞212的沿井孔下行端限定短柱，所述短柱轴向地突出到沿井孔下行台肩437之外并且具有一系列周向延伸的小孔445。这些小孔445用于允许进出阀活塞212内部的径向流体流动，即使是在阀活塞212与支撑活塞330端对端邻接的情况下。
筒形凸轮特征
如所提及，根据这个示例性实施方案的控制器148包括被同轴地安装在阀活塞212中的筒形凸轮310。在图4所示的实施方案中，筒形凸轮310被锚定到阀活塞212以便随其轴向移动，其方式是通过被夹在安装用于随阀活塞212轴向移动的两个轴向间隔开的球轴承449(图4)之间。通过轴承449的操作，筒形凸轮310相对于阀活塞212围绕纵向轴线自由旋转。
现转向图5和图6，可以看出，示例性筒形凸轮310的径向圆柱形外表面限定与凸轮/从动件装置中的锁销312配合的轨道315。轨道315包括环形引导凹槽518，所述环形引导凹槽518具有基本上均匀的深度，围绕筒形凸轮310周向地延伸，但在可由锁销312占据的轴向位置中发生变化。轨道315还包括锁定通道524，所述锁定通道524与引导凹槽518的路径完全相同的路径，但具有更小的宽度和更大的深度。换言之，锁定通道524是引导凹槽518的层面中的细长的狭槽状空腔。
在这个实施例中，锁销312包括从动销609，所述从动销609被安装在控制器外壳215的管状壁423中以径向向内突出到引导凹槽518中，其中具有支承抵靠引导凹槽518的侧壁的滑动间隙，以便将阀活塞212的轴向移动转变成筒形凸轮310的旋转移动。
锁销312还包括同轴地容纳在从动销609中的盲孔插口中的卡齿销618。卡齿销618可相对于从动销609伸缩地滑动，从而从从动销609的径向内端径向向内突出。卡齿销618是弹簧加载的，由闩锁弹簧627推动而远离从动销609以支承抵靠锁定通道524的层面。
不同于引导凹槽518，锁定通道524的深度沿其长度发生变化。这类深度变化包括在多个闩锁台阶530处的突然深度改变、以及逐渐的深度改变，在逐渐的深度改变的情况下锁定通道524的层面趋向于形成充当凸轮表面的斜坡536，所述凸轮表面在从动销609沿轨道315移动时引起卡齿销618的径向上升或下降。
在图5A中，轨道315的一部分通常由点划线512指示，锁销312可以保持俘获在所述部分内以便将控制器148锁定在活动状态(在本文被称为闩锁槽)中。轨道315的对应于休眠模式(在本文中被称为解闩锁槽)的那些部分在图5中由虚线506指示。
应注意，解闩锁槽506的极限井孔下行点(点A)被定位成使得当锁销312在点A时阀活塞212关闭阀口218。当锁销312在点A时，它由于卡齿销618缠结(foul)在其上的台阶530而不能够沿解闩锁槽506移动到点E。替代地，阀活塞212的沿井孔下行移动引起筒形凸轮310的移动，以使得锁销312沿解闩锁槽506从点A移动到点B。解闩锁槽506的部分AB限定斜坡536，所述斜坡536径向向外推动卡齿销618。
如果锁销312经过点B，那么它进入闩锁槽512并且由于点B处的台阶530而不能够返回至支腿(leg)AB。闩锁槽512具有显著远离点A的极限井孔下行位置(点D)，所述极限井孔下行位置对应于阀活塞212位置，阀口218在所述阀活塞212位置中是打开的。在这个实施例中，闩锁槽512包括由点D处的台阶530分开的两个部分(支腿C-D和支腿D-E)。锁定通道524的层面倾斜以提供从点C到点D以及从点D到点E的斜坡536。在点E处的另一个台阶530防止：一旦锁销312已通过到达点E而脱离闩锁槽512、随后已进入解闩锁槽506并且可沿解闩锁槽506从点E到点A轴向移动之后，锁销312便再次进入闩锁槽512中。
应注意，轨道315的一个循环(例如，从点A到点A)仅包括筒形凸轮310的圆周的三分之一。因此，在这个实施例中，所描述的循环重复三次，并且筒形凸轮310与处于120度时间间隔的三个锁销312配合。在这点上，参见例如图8A-图8G，其中壁423有角度地被剖面以显示锁销312中的两个。支撑活塞特征
在图7中，根据示例性实施方案的支撑活塞是由参考数字330指示。示例性支撑活塞330是被同轴地安装在控制器外壳215中的中空圆柱形构件。支撑活塞330可滑动地延伸穿过孔128中的收缩部707，密封地滑动配合在收缩部707中。类似于阀活塞212，由内部或支撑活塞330限定的圆柱形通路728与钻柱108的孔128成直线，以使得通路728针对其与支撑活塞330重合的部分限定孔128。
支撑活塞330以与其同轴的方式容纳在套筒714中。套筒714的管状壁与支撑活塞330和控制器外壳壁423的内部径向圆柱形内表面两者径向间隔开，从而在支撑活塞330与套筒714之间限定环状圆柱形空腔756，并且在套筒714与控制器外壳壁423之间限定包括暴露室721和均衡室742的环状圆柱形空腔，所述暴露室721和均衡室742由压力平衡活塞735而彼此密封地隔离。
压力平衡活塞735抵靠套筒714的圆柱形外表面并且抵靠管状外壳壁423的圆柱形内表面密封，可轴向地在套筒714上滑动以使暴露室721和均衡室742的容积彼此一致地发生变化。均衡室742通过套筒714中的小孔与外壳空腔756连通，所述小孔邻近套筒714的沿井孔上行端、在收缩部707处。支撑弹簧333被同轴地安装在外壳空腔756中，从而推动支撑活塞330轴向地远离收缩部707。
在这个实施例中，相互连通的均衡室742和外壳空腔756(有效地形成单个容积)被填充有呈油的示例性形式的控制流体。
控制器外壳215的管状壁423限定提供环空开口749的径向延伸通路。环空开口749是暴露室721与环空134流体流动连通，以使得暴露室721在实践中、在基本上等于环空压力的流体压力值下填充有钻探流体(例如，钻探泥浆)。
因为压力平衡活塞735响应于在其上起作用的液压力而沿套筒714基本上自由地轴向移动，所以压力平衡活塞735动态地调整其轴向位置以使暴露室721与均衡室742之间的流体压力相等。因此，均衡室742中(以及因此还有外壳空腔756中)的油压保持基本上等于环空压力。
均衡室742通过外壳壁423中的油通路与控制流体贮存器321(参见图4)油流动连通，油通路770具有分别用于控制流体贮存器321和均衡室742(图7)的开口。油通路770用于将控制流体贮存器321基本上维持在环空压力下。
应注意，控制流体贮存器321、抽吸室327、均衡室742和外壳空腔756是保持控制流体(例如，油)的互连容积，所述控制流体通过平衡活塞735的操作而自动地基本上保持在环空压力下，所述平衡活塞735暴露于暴露室721中的处于环空压力下的钻探流体。操作中的控制器148内部的剩余容积 通常将钻探流体基本上保持在孔压下。
支撑活塞330具有在其沿井孔下行端处的轴向端面763。在高流体压力水平下，由于孔128与外壳空腔756之间的压差，支撑活塞330沿井孔上行推动(即在图7中向左)以抵制支撑弹簧333的偏置。
示例性控制器操作
参考图8A-图8G示出控制器148和扩眼器组件118的操作的示例性程序。在图8A中，控制器148最初被示出为处于休眠状态。压力图807示意性地示出随时间的钻孔-环空压差值。起初，孔128内的钻探流体未被加压，以使得钻孔-环空压差基本上为零。
在不存在实际非零钻孔-环空压差的情况下，阀活塞212并未经历液压致动并由闭合弹簧305推动成沿井孔上行(即在图8A中向左)。在休眠状态下，锁销312定位在解闩锁槽506中。由于闭合弹簧305的操作，锁销312位于点A，阀活塞212由此处于极限沿井孔上行位置，在这个位置中，阀闭合套筒409闭合阀口218。
图8A-图8G中的图820示意性地指示锁销312沿轨道315的行进。在图820中的点A至E对应于参考图5描述的轨道315的点A至E。销位置指示器803示意性地指示锁销312位置在解闩锁槽506中的点A处。
图8B示出提供用于将控制器148从休眠状态改变为活动状态的流体压力条件。在这个实例中，用于切换成活动状态的钻探流体控制包括在约15分钟的至少触发阈值时间间隔内维持钻孔-环空压差低于约20巴的触发阈值。
控制器148的各种部件(例如，阀活塞212和支撑活塞330的液压特征、以及闭合弹簧305和支撑弹簧333的参数)被选择为使得在低于20巴(其为触发阈值)的钻孔-环空压差下，支撑活塞330上的净液压力并不足以使支撑活塞330沿井孔上行(即在图8B中向左)移动，而由于钻孔-环空压差而施加在上面的净液压力大于可由闭合弹簧305施加在其上的最大阻力，以使得阀活塞212被液压致动成沿井孔下行地(即在图8B中向右)纵向移动。
阀活塞212的沿井孔下行移动因限流器318的操作而延缓，限流器318限制流体从控制流体贮存器321穿过室壁430传递到抽吸室327的速率。锁销312由此从点A移动到点C，在点B处进入闩锁槽512。应当注意，当锁 销312到达点B、进入闩锁槽512时，控制器148提供的控制装置的闩锁机构从休眠模式改变为活动模式。因此，这个情况中的点B包括锁销312的模式改变位置，其中阀活塞212的对应纵向位置包括阀活塞212的模式改变位置。
应进一步注意，钻孔-环空压差在锁销312到达轨道315中的点B前停止将会导致因在闭合弹簧305的推动下阀活塞212的沿井孔上行移动而使锁销312返回点A。
在提供图8B中示出的模式切换压力条件后，可在至少预定的时间间隔内停止将钻探流体泵送穿过孔128。再次注意，在不存在钻孔-环空压差的情况下，由闭合弹簧305将阀活塞212朝向其闭合位置推动。
在所述实例中，提供基本上为零的钻孔-环空压差并保持约1分钟的压力停止时间间隔(参见图8C中的压力图807)足以长到将阀活塞212移动到阀活塞212在锁定状态下可实现的极限沿井孔上行位置。这种极限沿井孔上行锁定位置对应于在点D处锁销312的位置(参见图8C中示出的控制器148的状态)。当锁销312到达轨道315中的点D时，其在那个点处经过台阶530并且邻接抵靠轨道315的壁，从而抵抗在闭合弹簧305偏置下阀活塞212的进一步沿井孔上行移动。由于还在点D邻接抵靠台阶530，锁销312从点D的唯一可行移动是沿闩锁槽512的支腿DE进行。
应当注意，当锁销312位于轨道315中的点D时，阀闭合套筒409脱离阀口218，从而使得扩眼器组件118暴露于孔压下。锁销312脱离闩锁槽512以允许阀口218闭合的唯一路径是沿支腿DE到达点E(包括模式改变位置)，此后使得阀活塞212能够充分地沿井孔上行移动(例如，以使锁销312再次接近点A)。然而，如当前将看到，如果阀活塞212的移动因大于触发阈值的钻孔-环空压差在液压致动下进行，那么阀活塞212的沿井孔下行移动被支撑活塞330阻止或停止。
图8D示出其中钻孔-环空压差上升超过本实例的介于20巴与25巴之间的触发阈值的示例性情况。如沿图8D中的轨道图中的轨道315的支腿DE示意性地示出，支撑活塞330在液压致动下、比阀活塞212沿井孔下行移动(在图8D中向右)更快地沿井孔上行移动，从而在锁销312到达点E的模式改变位置前与阀活塞212以端对端邻接方式会合。图8D的控制器148被示 出为在支撑活塞330停止阀活塞212前不久所处状态。当支撑活塞330和阀活塞212进入到端对端邻接状态时，阀活塞212通过支撑活塞330分流成沿井孔上行，由此使得锁销312保持在闩锁槽512中并且将锁销312移动回点D。
支撑活塞330由此用于防止锁销312响应于其中钻孔-环空压差超过触发阈值的压力条件脱离闩锁槽512。因此，所描述的闩锁机构以及支撑活塞330用于将控制器148设置成处于活动状态，因为不管操作孔压施加情况如何(其中钻孔-环空压差超过触发阈值)，阀口218都会保持打开，锁销312被陷于闩锁槽512中。这就导致扩眼器组件118响应于操作孔压的施加进行自动展开。
应当注意，虽然支撑活塞330被液压致动以抵制大于阀活塞212所经历的(由闭合弹簧305提供的)弹簧阻力的(由支撑弹簧333提供的)弹簧阻力，但支撑弹簧(330)的液压致动沿井孔上行移动的优异快速性能够通过操作限流器318以延缓阀活塞212的移动来实现，如前所述。
锁销312脱离闩锁槽512可仅通过提供预定的模式改变流体压力条件实现。在这个实例中，用于从活动模式改变成休眠模式的模式改变流体压力条件类似用于从休眠模式改变成活动模式的那些条件。图8E示出在表面控制器系统140处、通过操作员或自动系统来控制的压力条件。
在这个实例中，孔压选择性地被改变成提供低于触发阈值(此处例如约20-25巴)的钻孔-环空压差并保持至少触发阈值时间间隔(同样为约15分钟)。如前所述，支撑活塞330在其静止位置保持固定，其中所述支撑活塞330使阀活塞212的路径畅通以允许阀活塞212移动到对应于通过使得锁销312通过点E处的台阶530来使锁销312脱离闩锁槽512的模式改变位置。正如点A-D中的每个那样，点E实际上是锁销312因卡齿销618在对应台阶530上的缠结而无法沿闩锁槽512返回的点。因此，当锁销312到达点E时，其陷入解闩锁槽506中，而可仅沿轨道315的支腿E-A从点E向点A移动。应当注意，当锁销312在点E处进入解闩锁槽506时，控制器148从活动状态改变成休眠状态。
一旦锁销312处于解闩锁槽506中，阀活塞212在闭合弹簧305的推动下(在不存在钻孔-环空压差的情况下)或通过由支撑活塞330分流成沿井孔 上行(在高钻孔-环空压差值的情况下)自由地沿井孔上行地纵向移动，以使得锁销312从点E移动回到开始位置(点A)，如图8F示意性地示出。在这个实例中，操作员在15分钟模式切换低压时间间隔后提供了零巴或接近零巴的钻孔-环空压差(参见图8E)，从而导致阀活塞212沿井孔上行地自动弹簧致动移动到其处于解锁状态下的极限沿井孔上行位置(点A)，以便闭合阀口218。
图8G示出支撑活塞330用于响应于施加高于触发阈值的钻孔-环空压差将锁销312保持在解闩锁槽506中的操作。当施加这样的高操作压力(在本文中称为操作工具压力)(在这个压力下，相应井下工具被展开)时，支撑活塞330在液压致动下、比阀活塞212沿井孔下行(在本文中也称第二纵向方向)移动更快地沿井孔上行(在本文中也称第一纵向方向)移动，以便在其到达点B所限定的模式改变位置之前端对端地邻接抵靠阀活塞212。在这个实例中，阀活塞212在阀口218打开前停止。因此，控制器148处于休眠模式，扩眼器组件118不响应于操作孔压。
通过上述的方法和系统，排他性地通过控制孔压实现对井下工具的控制。有益的是，一旦控制器148处于活动模式，可仅通过使得孔压上升来将扩眼器组件118(或可替代连接到控制器148的任何井下工具)重复地展开和回缩。在休眠模式下，钻探流体压力可按需要提供，而不考虑相关工具(例如，扩眼器组件118)意外展开，因为所述模式切换孔条件的意外施加(例如，持续低流量/压力15分钟或更长时间)是不太可能的。
因此，描述了通过远程流体压力控制来控制井下工具启动的方法和系统。一些实施方案提供一种钻探设备，所述钻探设备包括大致管状外壳，用以形成细长钻柱沿钻孔纵向延伸的管线部分，所述外壳限定用于在压力下运送钻探流体的纵向延伸孔，钻孔-环空压差被限定为钻孔中的钻探流体压力与将外壳与钻孔壁径向间隔开的环空中的钻探流体压力之间差值。控制装置可被安装在外壳中以控制钻柱中的井下工具对钻孔-环空压差的变化的响应，所述控制装置限定可连接到井下工具(例如，扩眼器118)的液压启动机构的阀口，所述控制装置还包括阀活塞，所述阀活塞可在外壳中纵向移位以使得阀口设置成在打开状态与闭合状态之间，所述打开状态允许孔与井下工具的启动机构之间的流体压力连通，所述闭合状态使得制动机构与孔基本上隔 离。示例性装置还包括了闩锁机构(包括例如筒形凸轮310和锁销312)，用于将阀活塞可释放地锁至外壳以便约束阀活塞在第一纵向方向(例如，在沿井孔上行方向上，朝向使得阀口的闭合)上的相对纵向移动，在锁定时，阀活塞是通过其在相反第二纵向方向(例如，在井孔下行方向上)上移动至模式改变位置而可释放(例如，通过使得锁销312到达筒形凸轮310上的模式改变点E，点B为在阀活塞212解锁时的模式改变位置)。在这个实施方案中，阀活塞的锁定或释放使控制装置的操作模式在活动模式与休眠模式之间改变，在活动模式中，在施加等于或高于工具启动水平的孔压时阀口处于其打开状态以允许液压工具启动，在休眠模式中，在施加等于或高于工具启动水平的孔压时阀口处于其闭合状态以防止液压工具启动。示例性钻探设备还包括了支撑构件(例如，支撑活塞330)，所述支撑构件可在响应于提供高于触发阈值的钻孔-环空压差的液压致动下自动移位，以阻止阀活塞在锁定时、在液压致动下移动到模式改变位置。
虽然本发明已参考具体示例性实施方案进行描述，但将表明，在不背离方法和/或系统的更广泛的精神和范围的情况下，可对这些实施方案做出各种的修改和更改。因此，本说明书和附图将视为说明性的，而非限制性的。
例如，在一些实施方案中，不同于支撑活塞330的支撑机构可被用来阻止阀活塞212移动。还应注意，虽然所描述的控制装置结合扩眼器组件而呈现出尤其地有益的应用，这些技术可有利地结合各种其它井下工具使用，包括例如可调计稳定器、震击器(jar)、泄放阀、阀、封隔器、流量控制装置、或其中其状态将需要从表面随意控制的任何液压致动机构。
因此，所描述的示例性实施方案尤其公开一种用于控制会沿钻孔纵向延伸的钻柱中的井下工具的完井工具设备，所述完井工具设备包括：大致管状外壳，所述大致管状外壳被配置来形成钻柱的管线部分，所述外壳限定用于在压力下运送钻探流体的纵向延伸孔，钻孔-环空压差被限定为钻孔中的钻探流体压力与将外壳与限定钻孔的壁径向间隔开的环空中的钻探流体压力之间差值；以及控制装置，所述控制装置被安装在外壳中，所述控制装置被配置来响应于钻孔-环空压差的变化来控制井下工具的响应，所述控制装置限定可连接到井下工具的液压启动机构的阀口。
控制装置包括：阀活塞，所述阀活塞可在外壳中纵向移位以使得阀口设 置成在打开状态与闭合状态之间，所述打开状态允许孔与井下工具的启动机构之间的流体压力连通，所述闭合状态使得制动机构与孔基本上隔离；以及闩锁机构，所述闩锁机构被配置来将阀活塞可释放地锁至外壳以便约束阀活塞在沿一纵向方向的相对纵向移动，其中锁定的阀活塞是通过其沿相反第二纵向方向移动至模式改变位置而可释放，其中控制装置的操作模式在一方面的活动模式与另一方面的休眠模式之间改变，在活动模式中，在施加等于或高于工具启动水平的孔压时阀口处于打开状态以允许液压工具启动，在休眠模式中，在施加等于或高于工具启动水平的孔压时阀口处于闭合状态以防止液压工具启动。
控制装置还包括了支撑构件，所述支撑构件可在响应于提供高于触发阈值的钻孔-环空压差的液压致动下自动移位，以阻止锁定的阀活塞在液压致动下移动到模式改变位置。
支撑构件可为支撑活塞，所述支撑活塞与阀活塞纵向对准，并可在液压致动下在沿一纵向方向纵向移位成与阀活塞接合。在这种情况下，控制装置还可包括闭合偏置装置，所述闭合偏置装置被配置来沿第一纵向方向推动阀活塞以朝向阀口的闭合并抵制阀活塞的液压致动移动；以及支撑偏置装置，所述支撑偏置装置被配置来沿第二纵向方向推动支撑构件以远离所述阀活塞并抵制阀活塞的液压致动移动，所述支撑偏置装置大于闭合偏置装置，并且经选择以使得存在钻孔-环空压差值范围，在所述钻孔-环空压差值范围下，支撑活塞的液压致动移动基本上被支撑偏置装置所防止，同时实现阀活塞抵制闭合偏置装置的液压致动移动。
完井工具设备还可包括延缓装置，用于使得阀活塞在第二纵向方向上的液压致动移动延缓，以有利于在阀活塞在锁定时到达模式改变位置前来阻止支撑活塞与阀活塞接合。延缓装置可包括：多个配合流量控制室，所述配合流量控制室操作式地连接到阀活塞以使得阀活塞的纵向移动依赖于配合流量控制室之间的对应流体传送；流体通路，所述流体通路连接多个配合流量控制室中的至少两个；以及流体通路中的限流器，所述限流器被配置来响应于流量控制室之间的压差将流量控制室之间的流体流动限制到预定的流体流率，从而将阀活塞的液压致动的纵向移动限制到预定的速度。
井下工具可以是扩眼器组件，所述扩眼器组件包括：管状扩眼器体部， 所述管状扩眼器体部与外壳纵向对准并连接到所述外壳以使得扩眼器组件的启动机构与阀口流体压力连通；以及一个或多个切削元件，所述切削元件被安装在扩眼器体部上且被配置来对钻孔壁进行扩孔，所述切削元件可响应于展开状态与回缩状态之间的孔压条件来设置，在所述展开状态下，一个或多个切削元件从扩眼器体部径向向外突出以接合钻孔壁，在所述回缩状态中，一个或多个切削元件回缩以允许扩眼器体部旋转而使得一个或多个切削元件与钻孔壁脱离接合。
闩锁机构可配置来使得阀活塞在锁定时沿第二纵向方向从锁定静止位置到模式改变位置的响应于基本上恒定的钻孔-环空压差的液压致动移动可仅通过提供处于低于触发阈值的水平的钻孔-环空压差并保持至少触发阈值时间间隔来实现。
闩锁机构可包括被同轴地安装在阀活塞上的筒形凸轮，所述筒形凸轮可围绕阀活塞旋转并锚定至阀活塞以随其纵向移动，所述筒形凸轮在其径向外表面中限定细长轨道凹槽，所述轨道凹槽围绕筒形凸轮在可变的纵向位置周向延伸，所述闩锁机构还包括闩锁构件，所述闩锁构件被安装在外壳上以从其中径向向内突出，所述闩锁构件接纳在轨道凹槽中，以与轨道凹槽进行凸轮从动接合，所述轨道凹槽被成形为使得筒形凸轮相对于闩锁构件的纵向移动引起筒形凸轮的旋转。
轨道凹槽可包括：闩锁槽，所述闩锁槽被成形为使得当闩锁构件在闩锁槽中时，通过闩锁构件与闩锁槽的接合防止阀口通过阀活塞在闭合偏置装置推动下纵向移动而被闭合；以及被成形为允许闩锁构件沿其移动到其中阀口闭合的位置的解闩锁槽。
所描述的实施方案进一步公开了一种包括完井工具设备的钻探设备以及一种包括使用完井工具设备的方法。
在上文详细描述中，可以看出，出于合理化本公开目的，各种特征共同组合在各种实施方案中。本公开的这种方法不应解释为反映了以下意图：所要求的实施方案要求比每项权利要求中明确叙述的特征更多的特征。相反，如所附权利要求书所反映的，发明主题在于比单个公开实施方案的所有特征更少的特征中。因此，所附权利要求书均在此并入详述，其中每项权利要求自身可作为单独的实施方案。