CN101268246A - 导向钻井系统 - Google Patents

Abstract

一种导向钻井系统，包括：具有钻头体(16)的钻头和控制装置，该钻头体具有至少一个可动构件(22)，在使用时，该控制装置能够调整被可动构件(22)占据的位置。便利地，可动构件(22)的位置可与钻头的旋转同步地调整。

Description

导向钻井系统

技术领域

本发明涉及一种用于形成钻孔的钻井系统，例如用于油或天然气的后续抽提。本发明尤其涉及一种能够被导向、以便能够在形成钻孔的过程中控制随后的路线。

背景技术

许多导向钻井系统是已知的。一种这样的系统包括连接到钻头的偏置单元。该偏置单元包括多个可动衬垫，在使用时每一个衬垫都可在缩回位置与伸展位置之间移动。每一个衬垫，当处于其伸展位置时，抵靠在钻孔壁上，施加侧向作用力到偏置单元的一部分上和由其携带的钻头上。

衬垫通常布置成通过相关联的活塞移动，处在压力下的流体，通常为钻井液或泥浆，穿过控制阀装置供应到活塞。

使用时，偏置单元和钻头例如通过井底动力钻具或通过相关钻杆柱的旋转而旋转。为了在选定方向上将侧向作用力施加到钻头上，从而改变钻进方向，衬垫从它们的缩回位置移动到它们的伸展位置继而与偏置单元的旋转同步，且这通过控制阀的适当控制而实现。

另一些系统通过使钻头指向想要的钻进方向、而不是推动钻头以形成在想要的方向上取向的弯曲来操作。这些系统都是采用了位于钻头后面的设备，这些设备一般相对比较复杂和昂贵。

还有的系统利用施加到钻头上的钻压来实现转向程度。在这种布置中，稳定器位于靠近钻头。所施加的钻压的变化导致钻头关于稳定器倾斜，造成其倾度度的变化。尽管该技术能够用来控制钻头倾斜度，由此控制井底钻具组合的构造或下降趋势，但不能实现对于方位角的控制。

发明内容

根据本发明，提供一种导向钻井系统，该系统包括具有钻头体的钻头和控制装置，该钻头体具有至少一个第一可动构件，在使用时，所述控制装置能够调整被第一可动构件占据的位置以控制钻头的钻进方向。

控制装置优选地布置成以与钻头相对于地层的旋转之间的定相关系调整第一可动构件。

钻头体还可包括至少一个第二可动构件，该第二可动构件可独立于该或每一个第一可动构件移动。

所述第一和第二可动构件可包括钻头的可动规径衬垫(movable gaugepad)，其中所述钻头可在径向的缩回和伸展位置之间移动。可选地，第一和第二可动构件可包括钻头的可动切削刀片。在任一种情况下，被可动构件占据的位置可用来施加侧向作用载荷至钻头体上并由此调整钻进方向。

可选地，钻头可以这样设计使得：第一可动构件的位置调整引起钻头处的不平衡力发生改变，这种改变是由于切削结构随着可动构件移动而变化所产生的。通过以与钻头的旋转之间的定相关系改变不平衡力，能够改变钻进方向。还可以提供一个或多个可动构件。

可使用其他技术，通过以与钻头的旋转之间的定相关系控制地层的去除来实现转向。

另一种可能性是控制第一可动构件的位置来控制钻头的行进角度(walk angle)，以及控制所施加的钻压来控制钻头的倾斜度。这种安排的优点在于：不需要以与钻头的旋转之间的定相关系修改钻头切削结构，从而使得能够使用一种简单得多的控制装置。

根据本发明的另一方面，提供一种用于在地层中在想要的方向上钻孔的导向钻井系统，该系统包括：具有钻头体的钻头，该钻头体包括至少一个可循环移动的构件，所述构件布置成在使用时直接或间接地与地层相互作用；测量系统，该测量系统可操作用来确定孔前进的实际方向；以及控制系统，该控制系统可操作用来调整可动构件的循环移动的相位，以使得孔前进的实际方向与想要的方向一致。

本发明还涉及一种在地层中在想要的方向上钻孔的方法，该方法使用具有钻头体的钻头，该钻头体包括至少一个可循环移动的构件，所述构件布置成直接或间接地与地层相互作用，该方法包括感测孔前进的实际方向，并调整可动构件的循环移动的相位、以使得孔前进的实际方向与想要的方向一致。

附图说明

本发明还可参考附图通过举例的方式说明，其中：

图1表示使用中的根据本发明一个实施例的导向钻井系统的一部分的图解示意图；

图2示意性地表示图1所示实施例的钻头；

图3和4表示钻头的可选设计；

图5至7表示可选实施例；

图8表示另一实施例；

图9a和9b表示另一实施例；

图10a，10b和10c表示另外的实施例；

图11a和11b表示另一实施例；以及

图12表示还一实施例。

具体实施方式

在图1中部分地表示出的导向钻井系统包括钻头10，其形成了井底钻具组合的一部分，所述井底钻具组合布置成由钻机的顶部驱动或转盘驱动旋转。组合12由钻杆柱14支撑，该钻杆柱合并了多个其他的井底部件，例如井底稳定器、传感器等。如图2所示，钻头10包括钻头体16，多个直立刀片18从该钻头体延伸。每一个刀片18设置有一系列切削元件20，这些切削元件这样布置：在使用时，一旦钻头旋转同时轴向载荷施加到其上，则切刀20用来从地层凿、磨、或者刮掉材料，在该地层中形成了钻孔。钻井液供应到钻头10并通过喷嘴(未示出)排出，喷嘴布置成引导钻井液以便流过并围绕切削元件20，用于冷却和清洁切削元件20。钻井液在压力作用下供应到钻头10，且在用来清洁和冷却切刀20以后，流体返回到地表或者其他地点，随着它携带被除去的地层材料。

如图2所示，钻头体10设有至少一个具有可动刀片22的形式的可径向移动构件，可动刀片22可在如图2中的实线所示的径向缩回位置和如图2中的虚线所示的径向伸展位置之间移动。该可动刀片22可通过活塞24在这些位置之间移动，活塞24可在气缸26以内移动。在使用时，处在压力下的钻井液通过供应管线28和控制阀30供应到气缸26，控制阀30控制这种供应的时机。设置受限的流动通道(未示出)以使得流体从气缸26逸出，从而使得刀片22返回到其缩回位置。

在使用时，当想要实现钻孔所在的方向上的改变时，控制阀30重复地操作，以便将处在压力下的钻井液供应到气缸26中并由此促使刀片22到达其径向伸展位置，并使得流体逸出以允许刀片22返回到其缩回位置，与钻头10的旋转同步，从而当钻头10处在相对于周围地层的相同角度位置时，刀片22始终占据它的伸展位置，并在其他时候始终占据它的缩回位置。可以理解，刀片22以与钻头的旋转之间的定相关系重复地循环运动到其伸展位置，导致横向或侧向作用载荷在基本上一致的方向上施加到钻头体16上，结果促使钻头10在所形成的钻孔中形成弯曲。

刀片22可以在其外径向部分处没有切刀，或者可选地切刀可以设置在其外径向部分。如果刀片22的外径向部分设有切刀，那么所形成的钻孔将部分地在刀片22转移的方向上前进。如果刀片22的外径向部分没有设置切刀并实质上是钝的，那么刀片22的运动将用来在相反的方向上推进钻头的剩余部分，以及钻孔的前进方向。在任一种情况下，刀片22与钻孔壁之间的接触将致使钻头倾向于围绕接触点滚动，导致钻头在垂直于钻头的轴线和钻头与地层之间的接触线的方向上被推进。显然，因此这些以及其他效果的结合导致钻头的运动、以及钻孔的前进方向将复杂得难以确定。

便利地，传感器34与钻头相关联，或者位于别处，它们感测钻孔前进的方向。控制单元36可使用传感器34的输出，该控制单元用来控制控制阀装置30的操作。例如，通过将感测的钻孔前进方向(利用传感器34感测得到的)与想要的前进方向进行比较，控制单元36能够改变相位，控制阀装置30在该相位处致使刀片22运动以使钻头转向，于是将前进方向转至想要的方向。这不需要有关钻头的上述复杂运动的先验知识就可以实现。

控制阀装置30可采用广泛的形式。例如，它可包括回转阀，其控制轴连接到合适的滚压稳定平台或部件、或者连接到合适的控制马达的输出端。另一个可能性是使用合适的双稳致动器/阀装置。例如，低功率电动致动器能够用来控制合适的排泥阀，继而该排泥阀控制处在压力下的流体供应到气缸26和相关联的活塞24。致动器和/或阀可以设计成双稳的形式。不过，许多其他的装置也是可以的。

尽管图2仅示出了单个可动刀片22的构造，但可以理解的是：可以设置多个这种刀片，每一个可动刀片可在例如控制阀30的控制下在其缩回和伸展位置之间独立移动。

可以采用可选的技术来使可动刀片移动，包括双稳装置，例如上述内容所述，其设计成一旦刀片移动到其伸展位置它将保持在该位置，而不需要连续施加能量到其上，直到想要它缩回它的刀片。其他的可能性包括使用形状记忆合金、压电装置和磁限制或流变材料来致使刀片移动和/或在其伸展和缩回位置都保持刀片不移动。用来使可动构件移动的这些技术在操作时可以是双稳的，但并不总是需要如此。

此外，尽管可动刀片22表示成可在其伸展和缩回位置之间径向转移，但它可以设计成可绕枢轴转动或者就是移动。刀片也可以在其他方向上移动。例如，它们可以从一侧至另一侧地移动。图11a和11b表示这样的装置，其中可动刀片22绕枢轴安装在钻头体10上，刀片22可绕轴线22a枢轴转动，以驱使刀片在缩回位置(在图11a由实线所示)和伸展位置(在图11a中由虚线表示)。在该实施例中，轴线22a基本上平行于钻头体10的轴线。如图2所示的实施例，在使用时，利用可在气缸26内滑动的活塞24移动刀片22，处在压力下的流体通过合适的阀装置供应到气缸26，使得钻头的操作以类似于前述的方式被控制。图12表示另一种相似的可能性，其中刀片22以绕枢轴的方式安装到钻头体10上，在这种安排中，枢轴22a基本上垂直于钻头体10的轴线。

图3表示可选的实施例，其中不是提供给钻头10以一个或多个刀片22，钻头10设有一个或多个具有可动规径衬垫32形式的可动构件，这些衬垫可在径向缩回和径向伸展位置之间以类似于刀片22的运动被引发的方式移动。可利用这种钻头实现的对导向方向的控制以非常类似于前述方式并参考图1和2的方式完成。将会理解，前述的任何技术都可以应用来驱动可动规径衬垫。

当使用没有运动部分的钻头时，切刀通常以非对称方式布置在钻头上，从而钻头不平衡。这样的结果是，当直着向前钻进时，钻头的整体运动是直着向前但伴随着小幅螺旋运动重叠在直着向前的运动上。如果在使用时钻头的对称能以与钻头的旋转之间的定相关系而被改变，那么不平衡的力将用来促使钻头处在恒定的选定方向，从而获得其导向。

图4表示设计成以这种方式操作并包括钻头体42的钻头，该钻头体具有设计在其上的多个刀片44。每一个刀片44带有一系列切削元件46。刀片44中的一个或多个包括具有可动部件48的形式的可动构件，在这些可动部件之上安装了一些切削元件46。可动部件48可通过活塞装置运动，处在压力下的钻井液能通过合适的控制阀装置供应到该活塞装置，但可选地可以利用前述的任何其他技术来驱动。

钻头设计成这样，当可动部件48占据其伸展位置，并且从而安装在其上的切刀与在其中形成钻孔的地层接合时，不平衡力不同于当可动部件48占据其缩回位置时的情况。例如，当可动部件48占据其伸展位置时，钻头可以基本上是平衡的，当可动部件缩回时是不平衡的。当不平衡时，侧向作用力施加到使用中的钻头上。可以理解的是，通过驱动可动部件48在其伸展位置和缩回位置之间与钻头的旋转同步地运动，根据这种运动的发生而在每一次旋转过程中至少改变一次的不平衡力能够用来促使钻头趋向想要的方向，从而实现钻头的转向。

当然，钻头的设计可以是这样，部件48的缩回导致钻头变得更多而不是更少地平衡。

尽管图4仅表示设置了一个可动部件，但也可以设置更多的这种部件。位置不需要如图所示，且可以选择为适合于钻头设计。部件被驱动的方式也不必如图所示，可使用不同于液压传动系统的其他系统。可动部件上的切刀的数量可以变化，甚至全部刀片或刀片组都可以移动，如果想要的话。如果两个或多个刀片可动，那么其运动可以独立地控制，以便能够对不平衡力进行非常良好的控制。

图5至7表示根据本发明另一实施例的钻头。在该实施例中钻头设置为包括多个固定刀片50，在刀片上安装有切刀52。钻头还包括在刀片50上的一系列规径衬垫区54。至少一个可动构件设置成在如图6所示的缩回位置与图7所示的伸展位置之间径向运动的可动规径衬垫区54a的形式。在缩回位置，邻近规径衬垫区54a设置在刀片50上的切刀52暴露于要被钻孔的地层，一旦规径衬垫54a移动到其伸展位置这些切刀52就变得不可见。可以理解的是：如前所述，规径衬垫区54a能够与钻头的旋转同步地运动，以使得不平衡力与钻头的旋转同步地改变，从而能够对钻进方向进行控制。

前面列出的任何技术都可用来驱动规径衬垫区54a。

与使用可动规径衬垫区54a来控制一个或多个切刀52的位向不同，或除此之外，可改变为抵靠在正被钻孔的地层、从而施加侧向作用载荷到钻头上，规径衬垫区54a又与钻头的旋转同步地被驱动。

与设置可动规径衬垫区54a不同，或者除此以外，一个或多个刀片50(或其部分)可以移动以控制至少一些切刀52的位向，从而控制不平衡力并因此控制钻进方向。

可动规径衬垫或刀片(或其部分)不需要在所示的位置或方位上，例如位于钻头表面处的一部分刀片可以是可动的。

可动规径衬垫或刀片可以设计成是可更换和/或可以丢弃的，同时钻头的其他部分是可重复使用的。它们可以利用超硬材料，比如PDC、TSP、碳化钨，或设有金刚石涂层。

另一种可能性如图8所示。在该布置中，钻头设有凹处60，在使用时，该凹处被供以钻井液或泥浆。所供应的钻井液或泥浆所处的压力可以通过控制例如泵的操作来控制，泵用来输送流体，或者使用例如适当地设置和受控的阀。凹处60周围的钻头壁厚是不均匀的，钻头包括具有相对大的壁厚的区域62和具有相对低的壁厚的至少一个区域64。壁厚这样来选择，使得当凹处60以内的压力改变时，区域62扭曲或变形非常小，这种压力变化导致在区域64中产生相对大的偏转。在图8中，实线表示当凹处60处在低压时的钻头，虚线表示当凹处60处在增大的压力下时的钻头。为了清晰起见，图8中的偏转被夸大了。

如图8所示，钻头带有切刀66。可以理解的是，一旦区域64偏转则一些切刀66移动，改变钻头上的不平衡力、由此能够控制转向，或者以变化的深度切入地层中以实现钻头的转向，所控制的偏转与钻头的旋转同步发生。

尽管在图8所示的布置中利用区域64的偏转来驱动一些切刀66，但可选地可以用来驱动规径衬垫区以改变附近切刀的位向。

图9a和9b表示改变切刀的位向(exposure)的可选方式，包括提供给钻头以可膨胀的切刀罩68。图9a表示罩68处在缩小的状态下，在该状态中邻近的切刀70露出，图9b表示罩68处在膨胀的状态下，在该状态中导致邻近的切刀70停止、从而避免了通过这些切刀来切削。此外，可以理解的是，通过以与钻头的旋转之间的定时关系控制切刀罩68膨胀/缩小，能够获得对钻进方向的控制。

图10a，10b和10c表示其中单独的切刀72可在伸展与缩回位置之间移动的布置，切刀72安装在形成在刚性钻头体中的孔或窝74中。钻井液施加到每一个切刀72的内端，促使切刀朝向其伸展位置。图10b表示弹簧76的使用，促使切刀72朝向它们的缩回位置，当流体压力超过预定水平时切刀72移动到它们的伸展位置。当伸展时，切刀更深地切入地层中，并且通过与钻头的旋转同时地驱动切刀，能够实现对所形成的孔的导向控制。图10c表示这样的布置，其中当压力下降到预定阈值以下时，切刀72缩回到这样的位置：在这样的位置它们不露出来。

在这些布置中，倘若流速不足以导致过度磨损，则漏过切刀的流体是可以容许的。

通过施加高频压力调制到钻井液，可以理解的是，前述的许多实施例的切刀将会振动，且这可用来在特定方向上削弱地层，从而获得导向和/或提高切削效率。

可以理解的是，许多其他导向技术可与具有以与钻头的旋转运动之间的定相关系移动的部件的钻头一起使用。例如，在使用时，切削结构可以被控制以便产生具有孔前进方向的相控非对称性的钻头。实现这个的一种方法是提供具有一个或多个具有减震器形式的可动部件，可以移动以限制钻头的切削深度。另一种方法是驱动切刀而不是可动减震器或者与可动减震器关联地移动。可动部件是以与钻头的旋转之间的定相关系可动的，和其他实施例一样，以便以与钻头的旋转之间的定相关系改变跨越钻头表面的切削的深度，其中由于切除岩石的不稳定性和不平衡力导致钻头受到侧向扰动。控制系统布置成确定孔的前进方向相对于切刀/减震器变化的相位的关系，以及由此调整相位以实现想要的导向目标。结果，能够实现优选的偏轴钻进方向。通过被钻头切除的岩石或地层的方位的相位控制来控制孔的前进方向的其他技术在本发明的范围内也是可能的。

另一种可能性是使用具有固定切削结构的钻头并将其布置成以相控方式相对于地层动态地指向支点周围，该支点设定在钻头以内。实际上支点是2个自由度的万向节，该万向节允许钻头轴线关于本地的钻杆柱中心轴线倾斜(通常小于10度)，并能够将钻进载荷和扭矩传递到钻头。这与惯常的指明钻头方向的钻井系统的不同之处在于：当钻头的钻进轴线倾斜时钻头的中心点具有偏离钻杆柱中心轴线的负侧向偏移。

可以理解的是，前文所述的布置中的大部分需要对钻头或切削结构以与钻头的旋转之间的定相关系进行调整，并且这需要使用相对复杂的控制系统，以利用表示钻头的至少角度位置、当前钻进方向和想要的钻进方向的数据来控制例如控制阀的操作。

使用这种类型的复杂系统的可选方式是以这样的方式来控制钻头，例如图3和4所示的一般类型的钻头，即横跨钻头的流体压降上的改变导致至少部分的钻头切削结构的调整运动，使得钻头轮廓改变，结果改变了钻头的行进角度(walk angle)。钻头连接到这样布置的井下稳定器(downholestabiliser)，该布置使得施加到稳定器上的钻压的改变导致井底钻具组合或至少井底钻具组合的一部分绕稳定器旋转或倾斜，并由此改变钻头的倾度。可以理解的是，在这种布置中，流体供应速度的改变以及由此压降的改变能够用来控制钻头的行进角度，从而使得能够控制方位，且所施加的钻压的改变能够用来控制钻头的倾度。这些作用能够相结合地用来以简单和便利的方式实现对钻进方向的控制。

在该布置中，仅当需要新的行进角度时才改变钻头或切削结构，而不是以与钻头的旋转之间的定相关系而改变，这样能与简单得多得系统一起使用。

尽管前文的内容说明了实现所述钻头的可动部件的运动的一种方式，但可以理解的是，可以使用许多其他技术来致使可动部件运动而不会脱离本发明的范围。此外，尽管在前文所述的布置中钻头例如利用来自钻机的顶部驱动器或转盘的动力而旋转，但可选地可以连接到井底动力钻具，例如流体驱动马达、涡轮、电动马达等的输出。

Claims (28)

1. 一种导向钻井系统，包括：具有钻头体的钻头和控制装置，该钻头体具有至少一个可动构件，在使用时，所述控制装置能够调整被可动构件占据的位置，以控制钻头的钻进方向。

2. 根据权利要求1的系统，其中控制装置布置成以与钻头相对于地层的旋转成定相关系调整可动构件的位置。

3. 根据权利要求2的系统，还包括至少一个传感器，所述传感器感测钻进方向，控制装置比较所感测的钻进方向和想要的钻进方向，并利用比较结果调整可动构件的位置的调整相位。

4. 根据权利要求1至3中任何一项的系统，其中可动构件包括钻头的可动规径衬垫，所述可动规径衬垫可在径向缩回与径向伸展位置之间移动。

5. 根据权利要求1至3中任何一项的系统，其中可动构件包括钻头的可动切削刀片。

6. 根据权利要求4的系统，其中可动切削刀片包括在使用时与地层相接触的规径衬垫。

7. 根据权利要求1至3中任何一项的系统，其中可动构件包括可动切削元件。

8. 根据权利要求1至3中任何一项的系统，其中可动构件包括钻头体的壁厚减小的可偏转部分。

9. 根据权利要求1至3中任何一项的系统，其中可动构件包括可膨胀罩。

10. 根据前面任何一项权利要求的系统，其中可动构件的位置的调整改变施加到钻头体上的侧向作用载荷的大小。

11. 根据权利要求1至9中任何一项的系统，其中可动构件的位置的调整导致钻头的不平衡力的改变。

12. 根据权利要求1至9中任何一项的系统，其中可动构件的位置的调整导致至少一个规径切刀的位向改变。

13. 根据权利要求1至9中任何一项的系统，其中可动构件的位置的调整导致钻头的切削深度的改变。

14. 根据权利要求1至9中任何一项的系统，其中可动构件的位置的调整改变孔的前进方向的对称性。

15. 根据权利要求14的系统，其中可动构件包括减震器，所述减震器可操作来使得横跨钻头表面的切削深度不均匀。

16. 根据权利要求14或15的系统，其中可动构件包括切刀，所述切刀可移动以使得横跨钻头表面的切削深度不均匀。

17. 根据前面任何一项权利要求的系统，其中处在压力下的流体用来驱动可动构件。

18. 根据权利要求17的系统，其中处在压力下的流体向钻头的供应通过回转阀来控制。

19. 根据权利要求17的系统，其中处在压力下的流体的供应利用双稳阀或螺线管来控制。

20. 根据权利要求17至19中任何一项的系统，其中流体包括油、泥浆、磁流变流体、气体等。

21. 一种用于在地层中在想要的方向上钻孔的导向钻井系统，该系统包括：具有钻头体的钻头，该钻头体包括至少一个可循环移动的构件，所述构件布置成在使用时直接或间接地与地层相互作用；测量系统，该测量系统可操作来确定孔前进的实际方向；以及控制系统，该控制系统可操作来调整可动构件的循环移动的相位、以使得孔前进的实际方向与想要的方向一致。

22. 一种用来在地层中在想要的方向上钻孔的钻井系统，该系统包括：具有固定切削结构的钻头，和用于以这样的方式支撑钻头的支撑装置：即在使用时钻头的角度位置能够以与钻头的旋转成定相关系被改变。

23. 根据权利要求22的系统，其中支撑装置适合于绕位于钻头体内部的支点转动钻头。

24. 一种在地层中在想要的方向上钻孔的方法，该方法使用具有固定切削结构的钻头，该固定切削结构通过支撑装置支撑，所述支撑装置适于调整钻头的角度位置，该方法包括：使钻头旋转，并以与钻头的旋转成定相关系来调整钻头的角度位置。

25. 一种在地层中在想要的方向上钻孔的方法，该方法使用具有钻头体的钻头，该钻头体包括至少一个可循环移动的构件，所述构件布置成直接或间接地与地层相互作用，该方法包括：感测孔前进的实际方向，并调整可动构件的循环移动的相位，以使得孔前进的实际方向与想要的方向一致。

26. 根据权利要求25的方法，还包括使得可动构件振动，从而在给定方向上削弱地层。

27. 根据权利要求25或26的方法，其中可循环移动的构件可移动来改变孔的前进方向的对称性。

28. 一种导向钻井系统，基本上参考附图如前所述。

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