CN101946059A - 定向钻井系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定向钻井系统，所述定向钻井系统包括：主钻头(24)，所述主钻头可绕主钻头轴线(26)旋转；导向钻头(34)，所述导向钻头可绕基本上平行于主钻头轴线(26)的导向钻头轴线(36)旋转；和调节装置(28)，所述调节装置用于调节导向钻头(36)轴线相对于主钻头轴线(26)的位置。

Description

定向钻井系统
技术领域
本发明涉及一种用于在井眼的形成中使用例如用于随后在油气开采中使用的定向钻井系统。
背景技术
许多定向钻井系统使公知的。例如，公知的是提供一种具有偏置单元的钻井系统，所述偏置单元可操作以将侧向指向的力施加到所述钻井系统的钻头以朝向所述钻头偏离井眼的轴线的位置推钻头，使得钻井系统的连续操作产生正在井眼中形成的井斜。另一种形式的导向钻井系统装有弯套或接头，所述弯套或接头的方位可以调节以控制相关联的钻头被指向的方向，从而控制钻井系统的连续操作使井眼延伸的方向。
WO 03/008754说明了一种其中导向钻头位于主钻头的前面的装置，且导向钻头安装在球面轴承上以允许所述导向钻头沿期望的方向指向，并从而获得对钻井系统的导向。
发明内容
本发明的目的是提供一种相对简便形式的定向钻井系统。
根据本发明，提供了一种定向钻井系统，所述定向钻井系统包括：主钻头，所述主钻头可绕主钻头轴线旋转；导向钻头，所述导向钻头可绕基本上平行于主钻头轴线的导向钻头轴线旋转；和调节装置，所述调节装置用于调节导向钻头轴线相对于主钻头轴线的位置。
优选地，主钻头设置有多个耐磨垫，所述耐磨垫在使用中可与由导向钻头形成的导向孔的壁接合，以引导主钻头。
在使用中，当期望使沿选择的方向引导井眼时，可沿所选择的方向将导向钻头轴线保持在所述导向钻头轴线相对于主钻头轴线偏离的位置，以在所述位置中形成导向孔。耐磨垫与导向孔的随后接合将侧向力施加到主钻头，从而沿所选择的方向推所述主钻头。当期望形成大致直井区域时，连续或大致连续改变导向钻头轴线的位置，使得没有或几乎没有侧向指向的力施加到主钻头。
优选地，导向钻头轴线与主钻头轴线偏离固定距离。
所述系统有利地装有导向轴，所述导向轴与主钻头共轴延伸，且导向钻头的驱动轴被导向轴支撑用于进行旋转，导向钻头的驱动轴与导向轴偏心。
优选地，导向钻头被布置成例如通过太阳和行星型齿轮装置由主钻头的旋转来驱动，所述太阳和行星型齿轮装置的行星齿轮优选地由导向轴支承。
马达可以被设置成控制导向轴的角位置。可选地，制动装置可以被设置成控制所述导向轴的位置。
本发明还提供了一种使用如以上所限定的定向钻井系统进行钻井的方法，包括以下步骤：使用导向钻头形成导向孔；使用主钻头形成主井眼；以及调节导向钻头轴线相对于主钻头轴线的位置，以控制导向孔相对于主井眼的位置。
附图说明
以下参照附图以示例的方式说明本发明，其中：
图1是显示根据本发明的一个实施例的定向钻井系统的图解视图；
图2是显示图1的钻井系统的一部分的放大的图解视图；
图3是显示图2的实施例的齿轮箱布置的一部分的图解剖视图；和
图4是类似于图2的显示可选的实施例的视图。
具体实施方式
首先参照图1-3，示出了在井眼10的形成期间使用的钻井系统。所述系统包括钻柱12，所述钻柱由地面钻机14支撑，并且沿其长度在一定间隔处被扶正器16支撑。在钻柱12的下端处，钻柱12支承包括井下马达20和控制箱22的底部钻具组合18。井下马达20可以具有不同的形式。例如，井下马达20可以通过电力提供动力，或者可选地，井下马达20可以使用通过钻柱12在压力下供应的流体以液压的方式被驱动。井下马达20的输出被布置成驱动主钻头24用于绕主钻头轴线26旋转。
控制箱22包括可操作以控制导向轴28的倾斜或旋转位置的控制装置(未示出)，所述导向轴与主钻头24共轴延伸。在导向轴28的自由端处，导向轴28设置有承载轴承(未示出)的直径扩大区30，所述轴承支承驱动轴32用于进行旋转。止推轴承也被设置成允许将钻压载荷传递给驱动轴32。驱动轴32支撑导向钻头34或与所述导向钻头一体形成。轴承被布置成使得导向钻头轴线36(导向钻头34和驱动轴32的旋转轴线)相对于主钻头轴线26偏心或偏离所述主钻头轴线。轴线26、36的偏离在附图中被放大。将要认识的是导向轴28的角位置控制导向钻头轴线36从主钻头轴线26偏离的方向，因此导向轴28构成用于调节导向钻头轴线36的位置的调节装置。
如图所示，导向钻头34从形成在主钻头24中的开口38突出。一系列耐磨垫(wear pad)40绕开口38设置。在所述的布置中，开口38的直径小于导向钻头34，并且耐磨垫40可绕具有比导向钻头34小的直径的圆被类似定位。然而，这不是必需的，并且如果期望，耐磨垫40可绕直径大致等于导向钻头34的直径的圆布置。
导向钻头34优选地被布置成由主钻头24驱动。在所示的布置中，这通过提供行星/太阳齿轮箱装置来实现，在所述齿轮箱装置中，主钻头24的内部设置有齿圈齿轮形成件42。环形齿轮形成件42可以与主钻头24一体形成，或者可选地，可以包括分离部件，所述分离部件刚性地固定到所述环形齿轮形成件。环形齿轮形成件42的齿与一系列行星齿轮44的齿啮合，所述行星齿轮可旋转地安装在卡盘46上，所述卡盘被导向轴28支撑或形成所述导向轴的一部分。行星齿轮44还与内环形齿轮48啮合，所述内环形齿轮又与驱动轴32和导向钻头34啮合，并驱动所述驱动轴和导向钻头用于进行旋转。
在使用中，马达20驱动主钻头24用于绕主钻头轴线26旋转。主钻头24的旋转通过行星/太阳齿轮箱装置被传递给导向钻头34，从而使所述导向钻头绕导向钻头轴线36旋转。可由导向轴28控制导向钻头轴线36相对于控制箱22的位置。当期望沿所选择的方向在井眼中形成井斜时，导向轴28在导向钻头轴线36沿期望方向与主钻头轴线26偏离的角位置保持不旋转，即，所述导向轴保持对地静止。在将导向轴28保持在此位置的情况下，马达20的连续操作与施加的钻压载荷结合使得主钻头24和导向钻头34绕其各自的轴线旋转，且两个钻头用于测量、磨蚀、刮或以其它方式清除地层物质。此动作使导向钻头34形成与主钻头轴线26偏离的导向孔，并且使主钻头24延伸井眼10。当主钻头24达到耐磨垫40移动以与导向孔的壁接合的位置时，将要认识的是所述耐磨垫将侧向力施加到主钻头24，从而沿所选择的方向推主钻头24，由此沿所选择的方向对钻井系统进行导向。
当期望形成通常为直线的井眼10的区域时，允许导向轴28自由旋转。因此，随着时间的过去，由于耐磨垫40与井壁的接合，导向轴线36的位置连续变化并且没有净侧向力施加到主钻头24。在实践中，导向轴28在这些情况下将通常相对缓慢地旋转，且所述导向轴的转速由主钻头24与导向钻头34之间的扭矩来确定。
将要认识的是，当对主钻头24的导向可通过使耐磨垫40与导向孔的壁接合而不是与主井眼10的壁接合来实现时，可降低对主井眼10破坏的风险。此外，耐磨垫40可以具有增加的长度，由此具有与井壁更大的接触面积并减小施加的接触压力。
在使用中，用于保持导向轴28不旋转所需的扭矩可能相当高。例如，可以比得上与施加到主钻头24的扭矩。为了生成保持导向轴28不旋转所需的扭矩，认为可以将适当的马达50(例如，电动或液压动力形式的马达)设置在控制箱22中。
可选地，如图3中所示，通过修改行星/太阳齿轮箱装置，可以确保用于驱动导向轴28所需的扭矩与底部钻具组合18在使用中的旋转的方向在相同的方向上，从而允许与底部钻具组合18的旋转结合而产生简单的制动，以用于控制轴28的旋转，从而避免为轴28提供独立马达50的需要。
将要认识的是以上所述的装置的优点在于：所述装置可以用于形式直线或偏斜井眼区域；相对较短，例如近似两个传统钻头的长度；可以通过控制单个轴的位置而被简单地控制；并且不需要用于与旋转底部钻具组合位置同步的控制装置。
与井下钻井系统一样，通常将提供多个其它部件，并且钻井液或泥浆通道将照常提供，以允许将流体供应给钻头。然而，这些部件或特征的提供对本发明是辅助的，因此在这里不进行详细说明。
在不背离本发明的保护范围的情况下可以对上述装置进行多种修改和改变。

Claims (13)

1.一种定向钻井系统，包括：
主钻头，所述主钻头能够绕主钻头轴线旋转；
导向钻头，所述导向钻头能够绕基本上平行于所述主钻头轴线的导向钻头轴线旋转；和
调节装置，所述调节装置用于调节所述导向钻头轴线相对于所述主钻头轴线的位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述主钻头设置有多个耐磨垫，所述耐磨垫在使用中能够与由所述导向钻头形成的导向孔的壁接合，以引导所述主钻头。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述导向钻头轴线相对于所述主钻头轴线偏离固定距离。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述调节装置包括大致与所述主钻头共轴延伸的导向轴，且所述导向钻头的驱动轴被所述导向轴支撑用于进行旋转，所述导向钻头的驱动轴相对于所述导向轴偏心。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述导向钻头被布置成由所述主钻头的旋转来驱动。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述导向钻头通过太阳和行星型齿轮装置由所述主钻头驱动。
7.根据权利要求4所述的系统，其中，设置马达以控制所述导向轴的角位置。
8.根据权利要求4所述的系统，其中，设置制动装置以控制所述导向轴的位置。
9.一种使用根据前述权利要求中任一项所述的定向钻井系统进行钻井的方法，包括以下步骤：
使用所述导向钻头形成导向孔；
使用所述主钻头形成主井眼；以及
调节所述导向钻头轴线相对于所述主钻头轴线的位置，以控制所述导向孔相对于所述主井眼的位置。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述主钻头设置有多个耐磨垫，并且所述耐磨垫与所述导向孔的接合使得将大致侧向指向的力施加到所述主钻头。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，通过控制所述导向轴的方位来控制所述导向钻头轴线的位置。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，使用马达控制所述导向轴的方位。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，使用制动装置控制所述导向轴的方位。
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