CN102022081B - 一种在复杂地层条件下的钻井方法和装置 - Google Patents

一种在复杂地层条件下的钻井方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在复杂地层条件下的钻井方法，是：a、采用地层倾角测量单元测量钻头所在地层的倾角α，同时通过切线方向测量单元测量钻头的切线方向与水平面的夹角ε，所测量的倾角α值和夹角ε值信号传输给中央控制单元；b、中央控制单元根据倾角α值和夹角ε值向钻头前进方向控制单元输出控制信号，通过该钻头前进方向控制单元调整钻头的切线方向。本发明还公开了一种在复杂地层条件下的钻井装置。本发明通过地层倾角测量单元和切线方向测量单元在线测量钻头所在地层的倾角和钻头切线方向与水平面的夹角，再利用中央控制单元根据测量信号向钻头前进方向控制单元输出控制信号，从而使得井壁的坍塌的可能性大大降低。

Description

一种在复杂地层条件下的钻井方法和装置
技术领域
本发明涉及一种在复杂地层条件下的钻井方法和装置。
背景技术
所谓复杂地层是指容易给钻井作业造成困难的地层。地层是由砂石与粘土由不同比例组成的岩石类地层，通常地层主要砂成份较多，属于一般性地层。但复杂地层则是粘土成份较多，遇水(即钻井中使用的钻井液)即膨胀、坍塌，造成井眼堵塞。在复杂地层进行钻井作业时，很容易引起井壁坍塌。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种在复杂地层条件下的钻井方法和装置，能够有效防止地层中井眼的井壁坍塌。
本发明的一种在复杂地层条件下的钻井方法是：
a、采用地层倾角测量单元测量钻头所在地层的倾角α，同时通过切线方向测量单元测量钻头的切线方向与水平面的夹角ε，所测量的倾角α值和夹角ε值信号传输给中央控制单元；
b、中央控制单元根据倾角α值和夹角ε值向钻头前进方向控制单元输出控制信号，通过该钻头前进方向控制单元调整钻头的切线方向，使钻头的切线方向与地层的法线方向的夹角β小于38.5°。
优选地，所述夹角β为90°。
另外，本发明的一种在复杂地层条件下的钻井装置包括：
地层倾角测量单元，用于测量钻头所在位置的地层的倾角α；
切线方向测量单元，用于测量钻头的切线方向与水平面的夹角ε；
中央控制单元，用于接收所述地层倾角测量单元和切线方向测量单元测量的信号并进行处理，然后向钻头前进方向控制单元输出控制信号；
钻头前进方向控制单元，用于根据所述中央控制单元的控制信号及时调整钻头的前进方向使钻头的切线方向与地层的法线方向的夹角β小于38.5°。
优选地，所述夹角β为0°。
优选地，还包括信号传输单元，该信号传输单元将所述地层倾角测量单元和切线方向测量单元测量的信号传输给所述中央控制单元，并将所述中央控制单元的控制信号传输给所述钻头前进方向控制单元。
本发明通过地层倾角测量单元和切线方向测量单元在线测量钻头所在地层的倾角和钻头切线方向与水平面的夹角，再利用中央控制单元根据测量信号向钻头前进方向控制单元输出控制信号，能够确保钻头的切线方向与地层的夹角小于38.5°，从而使得井壁的坍塌的可能性大大降低。
附图说明
图1为本发明结构示意框图；
图2为本发明使用状态示意图；
图3为钻头前进方向控制单元的结构示意图。
具体实施方式
如图1～2所示，本发明包括：地层倾角测量单元4、切线方向测量单元5、中央控制单元6和信号传输单元3，地层倾角测量单元4用于测量钻头1所在位置的地层7的倾角α。各单元具体如下：
切线方向测量单元5用于测量钻头1的切线方向(如图2所示的箭头B的方向)与水平面8的夹角ε；中央控制单元6用于接收地层倾角测量单元4和切线方向测量单元5测量的信号并进行处理，然后向钻头前进方向控制单元2输出控制信号；钻头前进方向控制单元2用于根据中央控制单元6的控制信号及时调整钻头1的前进方向，使钻头1的切线方向与地层7的法线方向(如图2所示的箭头A的方向)的夹角β尽可能地为0°，即钻头1的切线方向尽可能垂直于地层7的表面，这样就能够最大限度地降低井壁坍塌的可能性。当然小于38.5°就能够使得井壁坍塌的可能性达到大大降低。信号传输单元3将地层倾角测量单元4和切线方向测量单元5测量的信号传输给中央控制单元6，并将中央控制单元6的控制信号传输给钻头前进方向控制单元2，在本发明实施例中，中央控制单元6采用远程计算机系统，从而实现了远程的精确在线控制。
在本发明中，地层倾角测量单元4采用地层倾角测量仪，切线方向测量单元5采用钻头钻进方向测量仪，钻头前进方向控制单元2采用钻头颈部偏心支撑环机构。钻头颈部偏心支撑环机构如图3所示，包括内圆环11与外圆环10；外圆环11与井眼壁9相接触，钻头1的后部与支撑环的内圆环11相接触，而支撑环的内圆与外圆呈偏心状态。当需要钻头1偏向某一方向钻进时，只要使用转动伺服机构驱动内圆环10相对外圆环11转动，就可以调整内圆的偏心方向，从而使钻头1向某一方向偏转，以达到进行偏移钻进的目的。

Claims (5)

1.一种在复杂地层条件下的钻井方法，包括：
a、采用地层倾角测量单元测量钻头所在地层的倾角α，同时通过切线方向测量单元测量钻头的切线方向与水平面的夹角ε，所测量的倾角α值和夹角ε值信号传输给中央控制单元；
b、中央控制单元根据倾角α值和夹角ε值向钻头前进方向控制单元输出控制信号，通过该钻头前进方向控制单元调整钻头的切线方向，使钻头的切线方向与地层的法线方向的夹角β小于38.5°；所述钻头前进方向控制单元采用钻头颈部偏心支撑环机构，钻头颈部偏心支撑环机构包括内圆环与外圆环，外圆环与井眼壁相接触，钻头的后部与内圆环相接触，所述内圆环与外圆环呈偏心状态，通过转动伺服机构驱动内圆环相对外圆环转动，可调整内圆环的偏心方向，使钻头向某一方向偏转。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述夹角β为0°。
3.一种在复杂地层条件下的钻井装置，其特征在于，包括：
地层倾角测量单元，用于测量钻头所在位置的地层的倾角α；
切线方向测量单元，用于测量钻头的切线方向与水平面的夹角ε；
中央控制单元，用于接收所述地层倾角测量单元和切线方向测量单元测量的信号并进行处理，然后向钻头前进方向控制单元输出控制信号；
钻头前进方向控制单元，用于根据所述中央控制单元的控制信号及时调整钻头的前进方向使钻头的切线方向与地层的法线方向的夹角β小于38.5°；所述钻头前进方向控制单元采用钻头颈部偏心支撑环机构，钻头颈部偏心支撑环机构包括内圆环与外圆环，外圆环与井眼壁相接触，钻头的后部与内圆环相接触，所述内圆环与外圆环呈偏心状态，通过转动伺服机构驱动内圆环相对外圆环转动，可调整内圆环的偏心方向，使钻头向某一方向偏转。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述夹角β为0°。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括信号传输单元，该信号传输单元将所述地层倾角测量单元和切线方向测量单元测量的信号传输给所述中央控制单元，并将所述中央控制单元的控制信号传输给所述钻头前进方向控制单元。
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