CN102124180B

CN102124180B - 双bha钻井系统

Info

Publication number: CN102124180B
Application number: CN200780100416.9A
Authority: CN
Inventors: 贾奎斯·渥尔班; 萨米·伊斯康德尔
Original assignee: Prad Research and Development Ltd
Current assignee: Prad Research and Development Ltd
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2027-08-30
Also published as: CN102124180A; EP2195506A4; EP2195506B1; US8708066B2; JP2010538187A; CA2697912C; WO2009028979A1; CA2697912A1; WO2009028979A8; EP2195506A1; US20110088951A1

Abstract

本发明公开了一种用于将侧向井眼钻进到包围主井眼的地层内的设备和方法。提出的技术可以用于钻侧向井，而不需要用于部署小BHA的这种显著中断，并且基于钻井设备的使用，所述钻井设备包括：钻铤，所述钻铤形成主钻具组合的一部分，并且钻铤在其侧部具有向外开口的沟槽；和副钻具组合，所述副钻具组合包括：管状钻柱，所述管状钻柱在一端连接到钻铤；钻进马达，所述钻进马达安装在钻柱内；钻头，所述钻头安装在钻柱的另一端，并且连接到钻进马达，其中，副钻具组合安装在钻铤内以可在第一位置与第二位置之间移动，在所述第一位置，钻头位于沟槽内，在所述第二位置，钻头从钻铤侧部内的沟槽侧向突起。

Description

双BHA钻井系统

技术领域

本发明涉及用于将侧向井眼钻进到包围主井眼的地层内的设备和方法。

背景技术

近年来，已经在多个位置钻多侧向井(从主井眼延伸的多口较小的井眼)。这样做的主要动机是提供与储层的接触，同时最小化总的钻井成本。还由于海上平台中的底座的有效性被限制而使用多侧向井。在大多数情况下，钻多侧向井通过多次起下钻而需要复杂的操作，从而浪费大量钻井时间。侧向井的固井也是一个复杂的操作：与母井(parent well)的连接是限定侧向井的质量和控制开采的方法的关键因素。

近年来已经研发了利用来自钻机的较少支撑更加快速钻小侧向井的多种技术。多个方法已经提出了通过从由钢丝电缆操作的系统钻侧向井。根据这种方法，在没有钻柱或挠性管作为与地面的连接件的情况下可以钻侧向井。在EP1559864、WO2004072437和WO2004011766中可以找到这种技术的示例。丛式钻井工具还被公知为用于钻延伸的孔眼(通常比几厘米的直径长1米)。

现有技术系统的一个示例是来自Corpro Systems有限公司的由主底部钻具组合(BHA)操作的SCORE100工具。主BHA包括改良的钻铤，所述钻铤包括一体式造斜器。当专用钻铤在主井眼中位于需要的深度处时，专用小直径BHA可以下放在钢丝电缆上的主钻柱内。这种小BHA包括取心筒、用于旋转取心筒的小钻进马达、锚件、用于产生向前运动(穿透深度(ROP)和钻压(WOB))的推进系统、和用于使流动转向到小马达内的膨胀式封隔器。这种系统则可以自身固定到钻铤内，并且通过产生WOB的升降系统向前推动自身。地面泵产生起动小马达并且清洁小侧向井的泥浆流。在开始轴向移动时，在主BHA外通过一体式造斜器推动小BHA的末端，然后所述末端进入裸眼井，然后进入地层。侧向井的轴线通常相对于主井的轴线倾斜3-6度。这种系统可以钻进达到100英尺的小井眼。通常，这种系统用于取心。钢丝电缆和工具具体地为ROP和WOB提供井下过程控制。所述钢丝电缆和工具还控制系统在钻铤内的固定以确保爬行运动。当完成侧向井和取心过程时，利用钢丝电缆打捞小BHA。钻铤窗孔通常被通过小BHA钻出的铝球塞住。EP1247936说明了这种技术的其它细节。

本发明的目的是提供一种可以有效地用于钻侧向井并且不需要用于部署小BHA的这种显著的中断的技术。

发明内容

本发明提供了一种钻井设备，所述钻井设备包括：

钻铤，所述钻铤形成主钻具组合的一部分，并且钻铤在其侧部具有向外开口的沟槽；和

副钻具组合，所述副钻具组合包括：

管状钻柱，所述管状钻柱在一端连接到钻铤；

钻进马达，所述钻进马达安装在钻柱内；

钻头，所述钻头安装在钻柱的另一端，并且连接到钻进马达，

其中，副钻具组合安装在钻铤内以可在第一位置与第二位置之间移动，在所述第一位置，钻头位于沟槽内，在所述第二位置，钻头从钻铤侧部内的沟槽侧向突起。

在本发明的一个具体的优选实施例中，副钻具组合包括活塞，所述活塞可滑动地安装在钻铤内，管状钻柱在一端连接到活塞，并且在钻铤内延伸，使得在第一位置与第二位置之间的移动期间，活塞在钻铤内被推进。

优选地，沟槽具有倾斜下端，所述倾斜下端倾斜到钻铤的外表面。沟槽能够以连接到钻铤的钻具的工具面为参考，使得将工具面定向在具体方向用于以相对应的方式定向沟槽。钻铤可以具有滑阀，所述滑阀能够在第一位置与第二位置之间移动，在所述第一位置，沟槽被遮盖，在所述第二位置，沟槽打开。

所述设备还可以包括缩进系统，所述缩进系统用于将副钻具组合从第二位置移动到第一位置。

传动轴优选地被设置成延伸通过钻柱以将钻头连接到钻进马达。钻头可以包括支承外壳(可以是弯外壳)，所述支承外壳包括钻头与传动轴之间的连接件。支承外壳还可以包括诸如类似于LWD或MWD传感器的测量装置。

活塞通常还包括减压阀，所述减压阀用于在不需要移动活塞的情况下允许流体沿着钻铤通过。

钻进马达可以包括调节器，所述调节器根据马达转速控制旁路的打开。尤其优选的是钻进马达可以包括报警器(siren)，所述报警器包括连接到活塞的定子和临近定子安装并且连接到钻头的转子。在这种情况下，转子可以通过扭簧连接到钻头。还优选的是提供相对于定子将转子推进到打开位置的装置(例如，磁体)。

压力检测器可以被设置成用于检测由于报警器的操作而产生的压力脉冲并且生成信号，并且控制系统被设置成用于使用信号以控制副钻具组合的操作。

活塞优选地包括在不需要移动活塞的情况下允许流体沿着钻铤通过的旁路。

在一个实施例中，设置用于当副钻具组合朝向第二位置移动时调节转子和定子的角位置的装置。所述装置可以包括在钻铤内的限定凸轮面的沟槽，当副钻具组合移动时，转子定位键沿着所述凸轮面滑动。

钻铤可以包括可操作夹紧装置，所述可操作夹紧装置可以作用在副钻具组合上，使得：可操作夹紧装置将副钻具组合夹紧到钻铤的操作允许钻铤移动以移动副钻具组合，且可操作夹紧装置松开副钻具组合的操作允许主钻具组合和副钻具组合独立移动。在一个实施例中，夹紧装置包括一对枢转的偏心体，所述偏心体作用在副钻具组合上。

优选的是设置用于限制由副钻具组合的操作产生的扭矩的装置。这些装置可以包括：在钻柱上的细长键，所述细长键接合在钻铤内相对应的沟槽内；钻柱的在钻进马达上方的延伸部，所述延伸部包括在钻柱上的细长键，所述细长键接合在钻铤内相对应的沟槽内；或具有非圆形部分的钻柱，所述非圆形部分滑动通过相应成形的密封件。

连接点可以设置在副钻具组合上，用于连接收回线以将副钻具组合从第二位置移动到第一位置。

还可以设置第二活塞旁路和阀装置，以将钻铤内的流体流引导到活塞的下侧，从而将副钻具组合从第二位置移动到第一位置。

根据另一个实施例的钻具组合还包括控制机构，所述控制机构可操作以迫使副钻具组合从沟槽出来。在这种情况下，副钻具组合可以通过铰链连接到钻铤并且钻柱是柔性的。

在可选的实施例中，副钻具组合包括位于钻铤内的管内爬行器装置，管状钻柱在一端连接到管内爬行器装置，并且在钻铤内延伸；其中，在第一位置与第二位置之间的移动期间，管内爬行器装置在钻铤内被推进。

在上述钻具组合中，其中主钻具组合被构造成在套管内钻窗孔，副钻具组合可以通过窗孔被推进。

一种使用上述钻井设备钻井眼的方法，所述方法包括以下步骤：

钻主井眼；

将钻井设备定位在主井眼内的预定位置处；

操作副钻具组合以远离第一位置推进钻头并且侧向钻进到包围主井眼的地层内并形成侧向井眼；以及

将副钻具组合收回到第二位置。

主钻具组合可以用于钻主井眼。

所述方法还包括以下步骤：在副钻具组合钻入地层的同时，推进钻铤。在这种情况下，这可以包括在副钻具组合钻入地层的同时，在主井眼内将钻铤交替地推进和缩进一短距离。

在主井已经下有套管的情况下，所述方法优选地包括以下步骤：在操作副钻具组合之前使用主钻具组合在套管内开窗孔，以通过窗孔钻入到地层内。

本发明基于安装在主BHA(主钻具组合)内的小BHA(副钻具组合)的组合。主BHA允许以大致传统的方式钻井。主BHA可以包括诸如旋转导向系统或马达、MWD和/或LWD装置等的装置。主BHA包括专用钻铤，所述专用钻铤包括小BHA。具体地，专用钻铤包括窗孔或沟槽，从而允许小BHA从主BHA的内部孔移动到外侧。改良的造斜器可以集成在开窗钻铤内。

在钻侧向井期间，主BHA类似静止。小BHA包括马达(优选地为导向马达)，可以将所述小BHA向前推并且使所述小BHA进入地层。通过适当的导向，则可以远离主井钻小侧向井。通常以滑动模式执行钻进。当完成侧向井钻进时，小BHA缩进到主BHA内。然后，主BHA在主井内重新开始正常操作(例如，钻得更深)。

在优选的方案中，实施是基于机械系统的。

还可以在套管井中操作双BHA系统。在这种情况下，第一钻头被磨铣钻头替换以在套管内开窗。则可以在不需要起下钻的情况下，小BHA可以钻侧向井。

基本原理的具体修改包括：

-小BHA可以装有仪器，使得远离主井可以执行测井。

-由于此双BHA，因此可以改进并且开发多储层应用。

-可以实施特殊汇接点(junction)以在开采的流体进入侧向井并且流入到主井的同时确保从主井到侧向井的循环。这种技术对于稠油应用和在地层内开采的流体的特殊处理尤其有用。

附图说明

图1和图2显示使用本发明钻进的侧向井；

图3和图4显示根据本发明的设备的第一实施例；

图5和图6显示图3和图4的实施例的部分的细节；

图7显示根据本发明的设备的第二实施例；

图8显示图7的报警器的俯视图；

图9显示对于图7的报警器来说打开百分比与旋转的图；

图10显示对于图7所示的报警器来说平均时间打开百分比与马达RPM的图；

图11显示对于图7所示的报警器的平均时间压差(压差)与马达RPM的图；

图12显示对于不同的马达曲线RPM与WOB的图；

图13显示对于根据本发明的设备的第三实施例中的报警器来说调制信号与时间的图；

图14显示了根据本发明的设备的第三实施例的一部分；

图15显示根据本发明的设备的第四实施例；

图16显示根据优选的方法的本发明的实施例的操作；

图17显示根据本发明的设备的第五实施例；以及

图18和图19显示利用根据本发明的设备所钻的井眼轨迹。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种不需要在(侧向井和/或主井的)连续钻井操作之间进行起下钻的情况下从主井12钻多口小侧向井10的系统(参见图1和图2)。

侧向井10的长度通常在15-100英尺的范围内，而直径从1.5英寸变化到3.5英寸，并且垂直间隔14可以小于1米。侧向井的轨迹的半径通常恒定，以达到几乎垂直于主井的方向：在这种情况下，侧向井的曲率半径通常从10到50英尺，这使得远离主井的钻进深度16达到20m(参见图1)。对于其它应用，侧向井轨迹可以是直线(参见图2)，且轴线与主井12在2-7度的度数18之间。

主BHA基于要实现的目标主要由传统的部件构造而成。从底部开始，BHA显而易见包括钻头。所述钻头可以包括旋转导向系统或导向马达、稳定器和柔性接头。对于钻井目标来说如果需要的话，还可以增加MWD和LWD测井仪。小BHA系统包括在如图3中所示的专用钻铤中。

双BHA包括主BHA 20和小BHA 22。主BHA 20钻主井24，而小BHA 22钻侧向井。双BHA的一些部件直接包括在主BHA 20中。具体地，具有侧窗28的专用钻铤26允许小BHA 22从主BHA 20移动出来和进入主井24的侧面的裸眼井24和地层30内。这种开窗钻铤26具有外沟槽32，所述外沟槽在其下端终止于倾斜滑块(或造斜器)34。窗孔28的工具面通常以主BHA 20的MWD工具面为参考，以允许在侧钻开始之前将它定向在正确的方向上。

小BHA 22是在主BHA 20内滑动的连续系统。所述小BHA的下末端在开窗钻铤26的外沟槽32内。所述小BHA通过开窗钻铤26的外沟槽32的顶部处的轴向滑动密封件34从主BHA 20的内部穿到外部。小BHA 22从下往上包括：

钻头36；

钻进马达38，所述钻进马达可以通过延伸的传动轴39以旋转地方式驱动钻头36；

钻柱40；

可以将小BHA 22推出钻铤26的系统：在此实施例中，所述系统是具有流动旁路43的液压活塞42，但是还可以是以下所述的机械系统：

-控制单元44，所述控制单元44允许控制小BHA 22的操作(此控制单元可以是机械或电机械的)；

-当需要时允许小BHA 22缩进到主钻铤26内的系统：在这种情况下，设置钢丝钻杆吊钩46以允许钢丝通过打捞工具抓所述钢丝钻杆吊钩并且向后拉所述钢丝钻杆吊钩(如下所述其它方法也是可以的)；和

-锁住系统(未示出)，所述锁住系统允许当将要停止小BHA 22时将小BHA 22锁定在主BHA 20中。

在使用中(参见图4)，当沿着主BHA 20泵送钻井液时，由于此活塞上的流体压力产生用于小BHA 22的WOB，因此通过滑动活塞42向前推动小BHA 22。小BAH22的钻头36通过倾斜表面(或造斜器)34初始被侧向推动。在一些位移之后，小BAH22的前端位于地层30内并且以滑动模式用作导向马达。然后，所述小BAH22的前端确立角度并且侧向轨迹远离主井24移动。

小BHA 22包括被改良的导向马达。钻头(直径通常为1.5-3.5英寸)连接到钻头盒/支承外壳48(类似于传统的小导向马达的钻头盒/支承外壳)。在支承外壳48上方，还安装了弯外壳，使得马达在所需的方向上对侧向井50进行导向。在弯外壳48位于包括主井24的平面内的情况下，侧向井50的平面还包括主井24。在这种弯外壳定位的情况下，钻头仅仅需要考虑当将在井中定位钻铤时开窗钻铤26的方位角：系统然后将在相同的平面内钻侧向井50。

在弯曲外壳48上方，安装钻柱40以将马达部分38连接到支承外壳48内的轴。这可以达到30米长(或更长)。利用这种延长部，马达动力部分38保持在主BHA 20内并且没有沿着侧向井50的锐曲线弯曲。通过这种设计，马达38没有受到井眼弯曲率的影响。

延伸的传动轴39可(侧向)弯曲以跟随井眼弯曲率。此外，所述延伸的传动轴替换转子与钻头驱动轴之间传统的万向接头。这种轴可以由钛制成以支撑弯曲(在旋转时具有相关联的疲劳)以及来自钻进扭矩的应力水平。马达38(由于马达38两端的流体压力差)还产生向下力。这种力还施加到延伸的传动轴39，并且往往在轴内产生弯折，因此，所述轴还必须在其长度上被径向轴承(未示出)支撑。还可以需要扭曲衰减系统52(参见图5)对延伸轴39内的扭曲共振进行衰减。

为了允许较大的(紧密的)井曲率，支承外壳48相对较短。然而，如果需要的话，所述支承外壳还可以包括小外壳56以支撑一些测量装置。

通过这种马达系统，将以滑动模式钻侧向井50。所述侧向井将具有几乎相同的造斜率。在一些情况下，适当的是钻几乎平行于主井24(仅具有几度偏角)的侧向井50。在本申请中，可以使用直管式发动机(在外壳48中没有弯曲)。通过一体式造斜器34的斜率实现偏斜。

延伸的马达包括在支承外壳48与马达动力部分38之间的钻柱40。钻柱40通常具有1.2-2.5英寸的直径。此钻柱不旋转，所述钻柱仅为钻头36传递WOB。扭矩通过在内部延伸的传动轴39传递。钻柱40可弯曲以在最小化与地层30的接触的同时以弯曲的方式通过。在一些应用中，这种管可以是钛或用于高柔性的复合材料(纤维和环氧树脂)。可以考虑椭圆形部分以传递适当的WOB，并且确保在曲率平面内的更侧向的柔性。

显而易见，马达38和钻柱40必须足够小以在主钻铤26内滑动。如果主BHA 20的直径为6.75英寸，则钻柱40可以为2又3/8英寸或2又7/8英寸。其它尺寸可以是适当的。

如图6中所示，专用钻铤26允许小BHA 22从主BHA 20移动出来。这种钻铤具有外沟槽32，所述外沟槽在其底部终止于倾斜表面(一体式造斜器)34。沟槽的顶部具有小轴向孔和密封件34以允许小BHA 22滑动通过。钻头36、马达支承外壳和弯外壳48当没有钻进到地层30时通常保持在沟槽32内，而钻柱40在开窗钻铤26的滑动密封区34内滑动。此密封件34可以以其最简单的形式形成紧密配合孔。这确保在钻铤26内流动的泥浆58被迫朝向主钻头(未示出)向下。任选的可捞取塞60可以设置在密封部分34内。

支承部分(或弯外壳)48的具体接触表面在倾斜表面34上滑动，以将外壳48推到钻铤26的外部(并且迫使钻头36进入地层内)。这种过程提供最小化导向(滑动)表面的磨损的优点。因为钻头齿由于与金属导向表面的接触而不会破坏，因此这种导向方法还可与岩石钻头一起使用。

当小BHA 22完全缩进时，钻头36则接合在钻铤26内的沟槽32中，使得所述钻头不能径向移动。钻头36位于并保持在主钻铤26的直径内。这避免了当主BHA 20在主井24内移动或旋转时钻头36与地层壁接触。外钻铤沟槽32延伸几米。当钻柱40在侧向井50内接合时，主BHA 20可以在主井24内轴向移动几米，而对钻柱40来说却没有切断的风险。

在这种原理中，用于小BHA的钻压通过施加到滑动活塞42的压力生成。这种活塞在钻铤26的孔内滑动并且连接到小BHA 22的顶部。活塞42还具有流动旁路43以确保在将压力保持在活塞42上的同时流体仍然可以沿着主BHA 20流动。基于所述设计，作用在活塞上的流体压力可以作用在10-15平方英寸的表面上。因此，在滑动活塞42两端可以出现达到500PSI。这种组合然后可以生成达到5000-7500磅的较大的向下力。因为与所考虑的钻头尺寸(直径为25-35英寸)相比这非常大，因此在大多数情况下需要低压力。

通过上述设计，可以预料的是通常30％的总流动将通过马达38(当钻侧向井50时)。如果马达38停止，小BHA 22两端的压降增加并且通过滑动活塞42的流动旁路端口43的流动将会增加：这表示压力增加，然后WOB因此也增加。这使得当在停止时难以潜在地控制小BHA 22，WOB甚至稍微增加，从而进一步阻碍钻头，并且保持停止状态。为了避免这种情况，可以将流量控制阀安装在滑动活塞内以确保当马达RPM下降(或发生停止)时WOB减小。

图7显示在本发明中使用的马达部分的具体优选形式的一部分。马达38包括用于钻井应用的典型的Moineau型马达。这种马达的转子(未示出)驱动旋转阀62，所述旋转阀包括类似于通常用于MWD遥测技术的报警系统的转子64和定子66。此旋转阀62位于旁路70内，所述旁路连接到活塞42，并且定子66固定到所述旁路。所述旋转阀通过控制流动通过旁路70的流体量来控制活塞42两端的压降。施加到滑动活塞42的表面的压力产生用于小BHA 22的WOB。报警器62的转子64通过扭簧68连接到马达38。此外，报警器62的转子64和定子66具有磁体72、74(参见图8)，所述磁体往往通过推动转子64的叶片以与定子66的叶片对齐而不是位于定子66的开口内而保持报警器打开。当马达38以恒定速度旋转时，报警器转子64因为位于打开位置而具有不稳定旋转(参见图9)。具体地，当马达38没有旋转时，报警器62(由于连接弹簧68的扭曲)打开。

因为这种特性，报警器62的时间平均打开(time-averaged opening)从当没有旋转时的100％变化到高速下的近似50％(参见图10)。流动转换(flowswitching)通常可以从10赫兹变化到75赫兹。然而，由于小BHA的惯性，流动转换的最高频率优选的是允许更容易的WOB的时间平均。

如图11中所示，报警器62两端的“时间平均”压降随马达RPM变化。所述压降可以通过报警器62的机械设计(弹簧68的刚度、转子64的质量、磁体的力等)来调节。图10显示低时间平均打开(即，更高的马达和转子RPM)产生更高的WOB(图11)。

高WOB的作用是降低马达38的RPM。如果RPM足够低，则报警器62将自动减小WOB(图10和图11)，使得得到平衡以允许马达停留在适当的RPM下。如果马达接近失速状态，则RPM非常低并且报警器重新打开，以及WOB急剧下降。总之，马达将会具有取决于传统的马达曲线(RPM与流量)的操作点。RPM响应还取决于钻头特征以及岩石特性。

在图12中对两种情况示出了马达曲线和控制函数的组合。如图所示，控制曲线显示当RPM为零时(在马达的失速点处)WOB仍然存在。这是由于流体压力仍然施加在钻铤窗内的滑动密封件的部分上，从而向前推BHA。控制函数曲线应该尽可能地水平：与滑动密封区相比，报警器的控制表面应该更大。此外，与小BHA(小马达和小钻头)22两端的压降相比，由报警器62产生的压力脉冲应该更高。例如，小BHA 22的压降大约为500PSI；报警器的压力脉冲为1000PSI。控制表面与密封区的比可以为2，从而为操作提供四倍力比。

如果在没有与控制系统解开的情况下马达在失速位置处被阻塞，则如下所述需要使小BHA 22离开井底以允许马达38重新启动。

进行控制的另一种方法是使用离心调节器。马达38可以被布置成从所述马达的上端驱动离心调节器，所述上端连接到流动旁路端口。在高RPM下，调整器闭合流动旁路端口，这增加了滑动活塞两端的压降，从而增加具有降低RPM作用的WOB。当马达RPM降低时产生反作用：离心调节器使阀的开度更大，从而降低活塞两端的压降，由此减小WOB。这种WOB减小允许马达增加RPM以得到所述马达适当的操作点。

提出的调节系统都是自动调节的。所述调节系统不需要人的干预。

还可以在主BHA 20中使用夹紧装置以可操作地夹紧小BHA 22来控制WOB。在这种结构中，主BHA 20将小BHA 22向前推动通常1米或2米的距离。这通过仅向下作用的夹紧系统来实现：当主BHA 20向下移动时，所述主BHA夹住小BHA 22；并且两个BHA 20、22一起移动。(通常)在1米或2米的行程之后，大BHA 20向上移动1米或2米：夹紧系统在此移动期间松开小BHA 22。由于马达两端的流体压力，小BHA 22(通常与底部上的钻头一起)保持在其深度。当主BHA 20已经上升适当的距离(1米或2米)时，所述主BHA然后再次向下移动，使得所述主BHA再次夹紧小BHA 22。通过这种设计，主BHA 20必需上下移动较短的行程(通常为1米或2米)。当所述主BHA每次向下移动时，小BHA22也向下移动。

必须通过控制单元使夹紧系统无效以在钻井操作结束时允许小BHA22缩进到主BHA 20内。

夹紧系统可以由两个偏心器(例如，套管井牵引车的接触通路)组成。这些偏心器优选地与钻柱具有均匀的接触面积以避免局部变形。

当以滑动模式钻进时，重要的是确保马达38在其正确的RPM下运行。为了解决此问题，可以使用通过报警器对钻井液中的声信号进行调制。调制信号的频率与马达RPM直接成比例。在地面处，检测此信号并且所述信号的频率是马达RPM的测量值。如果此信号表示马达正在错误地运行时，钻头可以采取适当的校正动作。

用于WOB调节的报警器可以起到到地面的信号发生器的作用，或者专用报警器可以安装在到达系统的总流中，或安装在分流(例如，马达两端的流动)中。

同样重要的是在钻侧向井期间确定是否实现穿透深度。基于所使用的控制系统，可以获得此信息。例如，如果在侧向井钻进期间钢丝连接到小BHA 22的顶部，通过钢丝的移动检测侧向井穿透深度。另一种方法是将WOB控制系统的报警器定子的角位置改变与180度信号调制(这对应于两个相邻叶片之间的角距离的一半)相对应的角度。这种改变将在信号vs时间曲线图(图13)中表现为急剧的信号变化X。这种角位移可以通过改变主钻铤26内的沟槽76的路径而获得，定子的反向扭矩键78在所述沟槽内滑动，且沟槽76限定凸轮面。键槽76由例如0.5英尺的直线段形成，所述直线段由将沟槽偏移适当距离80以给出定子的角位移以及由此给出信号的倾斜部分连接(图14)。因此，对于小BHA 22的每一个0.5英尺的穿透深度都会出现峰值X。可能需要的是使机械相位可选地移动到右侧和左侧以避免系统大的机械旋转。

另外的方法需要检测小BHA是否在其位移行程的端部。一种简单的方法是提供活塞与所述活塞在其内滑动的孔之间的间隙，使得当活塞到达间隙时活塞两端的压降急剧下降：这可以在地面处观察到。通过将主BHA下放小位移(例如1英尺)来重新接合活塞，以重新在孔中接合活塞并重新确立压降。通过连续移动，钻机可以完全确认行程检测结束。

基于设计，滑动活塞的冲程可以小于一个钻铤长度(例如10m)或者达到30m或30m以上。

滑动活塞42可以由在主钻铤26的孔内直接滑动的实心活塞组成。所述滑动活塞可以通过诸如衬垫或O形环的橡胶元件进行密封，或者所述滑动活塞可以插入在孔内，且留有小间隙：(当间隙内有压降时)这种小间隙则用作流动节流器。为了更灵活，活塞可以具有在钻铤孔内滑动的橡胶皮碗。这种橡胶皮碗可以适应钻铤之间较窄的销直径。因为橡胶皮碗不在钻铤销部分内时可以适应大直径，因此这种系统提供更好地密封和可能更大的WOB。

马达38产生用于小BHA 22的钻进扭矩。显而易见具有必须传递给主钻铤26而同时允许小BHA 22在主BHA 20内的轴向移动的反扭矩。对此三个系统被认为是尤其优选的：

-钻柱40(在其长度上)具有长键，所述长键在主钻铤26的导向系统的槽内滑动。

-小管在马达38的上方连接。这种管具有等于钻柱40(或小BHA 22的最大可钻进长度)的长度。这种管与在主钻铤26的孔内的小BHA 22一起轴向移动。这种管在其整个长度上具有键槽。(当它缩进在主钻铤26时)键在马达38的正上方的位置处连接到主钻铤26。

-椭圆形形状钻柱40。这种椭圆形形状形成与主钻铤26的导向系统相同的形状。这种形状允许扭矩从小BHA 22传递到主钻铤26。当椭圆限定好时可以进行密封。

当小BHA 22完全缩进时，必须停止驱动马达38的液体流。这通过小BHA 22的顶部处的密封系统来实现：当完全缩进时，密封块位于连接到小BHA 22的流动通道的顶部处，使得可以没有流动。

需要的是小BHA 22可以缩进在主BHA 20内。多个系统可以用于这种操作。

一种系统基于与打捞工具一起使用的钢丝。钢丝被下放在钻柱内：打捞工具抓取滑动活塞42(参见图3)的顶部上的专用钩子46。然后，向上拉钢丝：这确保在主BHA 20内的缩进。在完全缩进之后，松开打捞工具，然后从钻柱移除钢丝。在整个小侧向井的钻进期间，可以将钢丝连接到小BHA22。

另一种方法是使用系统内的压差以生成用于使小BHA 22缩进的向上力。图15中示出了这种系统。利用这种系统，可以根据流动瓣(flow flap)82的位置使WOB活塞42的喷嘴中的流动反向。当流动瓣82打开时，泥浆的一部分流动通过马达通道84(并且驱动钻头36旋转)。主流通过主旁路端口86和副旁路端口88进入到主BHA 20。这种流动在被向下推动的WOB活塞42两端产生压差(并且向下推动钻头36)。流动瓣82可以通过控制单元44打开和闭合。当片82闭合时，小流动将经由旁路连接件90向上移动。此流动然后向上通过副旁路88，并且最后向下沿着马达通道84流动到马达38和钻头36；然而，这种流动是可忽略的。主流在主BHA 20两端产生压差。这种压力此刻产生到滑动活塞42上的向上力，使得小BHA 22在主BHA 20内被向后拉。

当使用双流动瓣系统时反向效应甚至可以更强：流动瓣的第二部分(未示出)允许通过主旁路86的流动被切断。两个瓣总是在相反的位置(一个打开，另一个闭合)。

在本发明中可以应用多种控制单元技术。一种方法是使用钢丝以控制锁定件和流动瓣阀82。在开始工作时，在适当的次序之后可以拉钢丝以解开小BHA并且切换流动瓣阀82。在工作结束时，可以使用同一钢丝以使小BHA 22缩进并且再次切换流动瓣阀82，以及重新将小BHA 22锁在主BHA20中。

可选地，控制单元44可以基于液压和机械指令。可以采取不同的方法：

-具有J形槽机构的滑动工作筒，所述滑动工作筒在旋转的情况下以交错的方式上下移动。

-可以压缩或者不取决于是否已经首先建立了泥浆流的滑动工作筒。

-用于通过伸缩片确保套筒的制动(drag)的旋转。如果泥浆流以适当的次序被起动，则只可以实现旋转。

-通过流量变化设定的液压钻头。这种系统通常在流动周期开始时操作。然后，通过从没有流动到高流动到中间流动(或不同的次序)，预定定时允许系统开始钻侧向井或停止钻井。

利用这种系统，容易判定是否小BHA 22应该在缩进和锁定模式或用于钻进的释放模式。液压机械控制单元的主要优点是简单的设计、维护和操作。

电气控制系统也是可以的。电气控制系统可以基于用于进行设定和控制的双向遥测技术。电气控制系统可以通过电钢丝电缆进行控制。这提供了充分的灵活度和高数据率：如果在钻侧向井的同时执行测量，这是有用的。

钻侧向井花费一些时间(从几分钟到1小时)。在此期间，主BHA 20可以在左侧处于静态模式。这十分危险，因为卡钻的风险是不可忽略的。为了最小化这种风险，系统被设计成允许主BHA 20在主井24内连续移动。主BHA 20可以向上20A和向下20B移动短距离(通常在几米的范围内)。由于钻铤26内的外沟槽32，这种移动是允许的。在小BHA 22不需要来自倾斜板34的侧推(钻头36完全接合在地层30内)时，由于钻头36此刻在侧向井50内进行自动导向，因此主BHA 20可以缓慢向下移动。显而易见的是主BHA 20的向下移动受限于钻铤沟槽32的上端。还应该注意的是如果钻铤沟槽32的侧壁被除去，主BHA 20还可以稍微左右(通常为45度)振荡。钻井液流动通过主BHA钻头(未示出)，使得在主井24的整个长度上可以确保良好的循环。这还起到了限制卡钻的风险的作用。这种循环还起到了将在侧向井内生成的钻屑提升到地面的作用。

在小侧向井中，将钻井液循环速度保持在适当的速度下以在侧向井的整个长度上将钻屑提升到主井。小BHA还可以上下移动用于在侧向井内清洁钻屑并且限制卡钻的风险。

如果小BHA卡在侧向井内，则可以向上拉主BHA以在主井与侧向井之间的交叉点处切断小BHA。这允许使主BHA自由，从而限制损失。

小BHA可以支持各种类型的测量(例如，方向和倾角、局部电阻率、井间电阻率、井间声速等)。

通过一些设计修改，小BHA可以通过主钻柱利用钢丝进行打捞。小BHA底部周围的可打捞塞60(图6)允许从钻头到流动瓣阀和控制单元的所有部分被打捞出。打捞小BHA的能力允许替换坏掉的小BHA或用于将其它工具安装在侧向井内的窗孔打开。这些其它工具可以是机械或电的。所述工具可以通过钢丝或钢丝电缆被下放。这些工具中的一些允许在侧向井中进行技术介入(例如，简单完井的充填)或(通过微电缆测井仪)在小侧向井中进行测井。

图17显示本发明的具有简单设计的又一个实施例。小BHA 90包括在钻铤94的外沟槽92内，并且通过铰链96连接。小BHA 90还是柔性的。当要钻侧向井时，机械控制机构98将小BHA 90的前端推到外侧。同时，钻井液流开始通过小马达100。当小BHA 90开始进入地层内时，主BHA 102缓慢向前移动，从而确保小BHA 90移动进入到地层内。如果小BHA 90具有弯外壳，则将远离主井对侧向井进行导向。

本发明的又一个实施例是在主BHA内使用管内爬行器或牵引机以推进小BHA。可以从主钻柱内的钢丝电缆操作这种系统。控制单元将钻井液流朝向小BHA引导。因为这种系统可以移动长距离，因此这种系统是柔性的。作为电控制单元的替代物，所述电控制单元还可以基于MWD和旋转导向系统技术。当使用钢丝电缆时，在侧向钻井之前下放电缆(并且任选地，控制单元)，并且在操作结束时收回所述电缆。

可以在下套管井中使用上述双BHA系统的变形。在本申请中，主BHA钻头然后由开窗铣磨钻头(和造斜器)替换。

另一个实施例包括两个小BHA，且一个具有磨铣钻头，另一个具有钻进钻头。控制单元的设置会稍微更加复杂，以避免两个小BHA的设置之间的混淆。事实上，这种系统具有三个可能的钻头要部署：

a)两个缩进的小BHA，主BHA上的钻进/磨铣钻头；

b)顶部为以钻进模式的小BHA，底部缩进；和

c)顶部为缩进的小BHA，底部为磨铣模式的小BHA。

侧向井可以具有比图1和图2更加复杂的形状。在一个实施例中，这例如通过引导反扭矩延伸部的键的沟槽的特殊形状机械实现。

对于一些现场应用来说，侧向井104可能需要具有图18中所示的S形状。这确保侧向井的端部近似平行于主井106。为了提供这种轨迹，小BHA的工具面在位移的中间处旋转180度。运动反应通过上“反”扭矩延伸部传递给钻铤，并且键槽在钻铤中盘旋180度。当来自“反”扭矩延伸部的键到达此位置时，小BHA被迫自行半转。螺旋的螺距优选地延伸几米的距离以避免小BHA的另一末端处的弯外壳的高度扭曲。

对于其它应用来说，有益的是如图19中所示在主井106周围钻螺旋状侧向井108。为了实现此图案，连续调节弯外壳方位角以远离马达当前的平面操纵所述马达。为了实现这种工具面设定，引导“反”扭矩延伸部的反扭矩键的键槽设置有适当的螺旋。例如，可以在具有5米半径15米螺距的“圆柱面”上钻侧向井。这表示该井相对于主井倾斜45度。每一次旋转需要大约21米的位移，并且侧向井可以转两圈。

Claims

1.一种钻井设备，包括：

钻铤，所述钻铤形成主钻具组合的一部分，并且所述钻铤在其侧部具有向外开口的沟槽；和

副钻具组合，所述副钻具组合包括：

管状钻柱，所述管状钻柱在一端连接到所述钻铤；

钻进马达，所述钻进马达安装在所述钻柱内；

钻头，所述钻头安装在所述钻柱的另一端，并且连接到所述钻进马达，

其中，所述副钻具组合安装在所述钻铤内以能够在第一位置与第二位置之间移动，在所述第一位置，所述钻头位于所述沟槽内，在所述第二位置，所述钻头从所述钻铤侧部内的所述沟槽侧向突起，

其中：所述沟槽具有倾斜下端，所述倾斜下端倾斜到所述钻铤的外表面；以及所述沟槽的顶部设置滑动密封件，当所述副钻具组合移动到其第二位置时，所述钻柱通过所述滑动密封件突出。

2.根据权利要求1所述的钻井设备，其中，所述副钻具组合包括活塞，所述活塞可滑动地安装在所述钻铤内，所述管状钻柱在一端连接到所述活塞，并且在所述钻铤内延伸；

其中，在所述第一位置与所述第二位置之间的移动期间，所述活塞在所述钻铤内被推进。

3.根据权利要求1所述的钻井设备，其中，所述沟槽以连接到所述钻铤的钻具的工具面为参考，使得将所述工具面定向在具体方向用于以相对应的方式定向所述沟槽。

4.根据权利要求1所述的钻井设备，其中，所述钻铤具有滑阀，所述滑阀能够在第一位置与第二位置之间移动，在所述第一位置，所述沟槽被遮盖，在所述第二位置，所述沟槽打开。

5.根据权利要求1所述的钻井设备，还包括缩进系统，所述缩进系统用于将所述副钻具组合从所述第二位置移动到所述第一位置。

6.根据权利要求1所述的钻井设备，还包括传动轴，所述传动轴延伸通过所述钻柱以将所述钻头连接到所述钻进马达。

7.根据权利要求6所述的钻井设备，其中，所述钻头包括支承外壳，所述支承外壳包括所述钻头与所述传动轴之间的连接件。

8.根据权利要求7所述的钻井设备，其中，所述支承外壳还包括弯外壳。

9.根据权利要求7或8所述的钻井设备，其中，所述支承外壳包括测量装置。

10.根据权利要求2所述的钻井设备，其中，所述活塞还包括减压阀，所述减压阀用于在不需要移动所述活塞的情况下允许流体沿着所述钻铤通过。

11.根据权利要求10所述的钻井设备，其中，所述钻进马达包括调节器，所述调节器根据马达转速控制旁路的打开。

12.根据权利要求2所述的钻井设备，其中，所述钻进马达包括报警器，所述报警器包括连接到所述活塞的定子和临近所述定子安装并且连接到所述钻头的转子。

13.根据权利要求12所述的钻井设备，其中，所述转子通过扭簧连接到所述钻头。

14.根据权利要求12或13所述的钻井设备，还包括相对于所述定子将所述转子推进到打开位置的装置。

15.根据权利要求14所述的钻井设备，其中，所述相对于所述定子将所述转子推进到打开位置的装置包括所述转子和所述定子上的磁体。

16.根据权利要求12所述的钻井设备，还包括压力检测器和控制系统，所述压力检测器用于检测由于所述报警器的操作而产生的压力脉冲并且生成信号，所述控制系统用于使用所述信号以控制所述副钻具组合的操作。

17.根据权利要求2所述的钻井设备，其中，所述活塞包括在不需要移动所述活塞的情况下允许流体沿着所述钻铤通过的旁路。

18.根据权利要求12所述的钻井设备，包括用于当所述副钻具组合朝向所述第二位置移动时调节所述转子和定子的角位置的装置。

19.根据权利要求18所述的钻井设备，其中，所述调节所述转子和定子的角位置的装置包括在所述钻铤内的限定凸轮面的沟槽，当所述副钻具组合移动时，转子定位键沿着所述凸轮面滑动。

20.根据权利要求1所述的钻井设备，其中，所述钻铤包括可操作夹紧装置，所述可操作夹紧装置能够作用在所述副钻具组合上，使得：所述可操作夹紧装置将所述副钻具组合夹紧到所述钻铤的操作允许所述钻铤移动以移动所述副钻具组合，且所述可操作夹紧装置松开所述副钻具组合的操作允许所述主钻具组合和所述副钻具组合独立移动。

21.根据权利要求20所述的钻井设备，其中，所述可操作夹紧装置包括一对枢转的偏心体，所述偏心体作用在所述副钻具组合上。

22.根据权利要求1所述的钻井设备，还包括用于限制由所述副钻具组合的操作产生的扭矩的装置。

23.根据权利要求22所述的钻井设备，其中，所述用于限制由所述副钻具组合的操作产生的扭矩的装置包括在所述钻柱上的细长键，所述细长键接合在所述钻铤内相对应的沟槽内。

24.根据权利要求23所述的钻井设备，其中，所述用于限制由所述副钻具组合的操作产生的扭矩的装置包括所述钻柱的在所述钻进马达上方的延伸部，所述延伸部包括在所述钻柱上的细长键，所述细长键接合在所述钻铤内相对应的沟槽内。

25.根据权利要求22所述的钻井设备，其中，所述用于限制由所述副钻具组合的操作产生的扭矩的装置包括具有非圆形部分的钻柱，所述非圆形部分滑动通过相应成形的密封件。

26.根据权利要求1所述的钻井设备，还包括在所述副钻具组合上的连接点，所述连接点用于连接收回线以将所述副钻具组合从所述第二位置移动到所述第一位置。

27.根据权利要求2所述的钻井设备，还包括第二活塞旁路和阀装置，所述第二活塞旁路和阀装置能够操作以将所述钻铤内的流体流引导到所述活塞的下侧从而将所述副钻具组合从所述第二位置移动到所述第一位置。

28.根据权利要求1所述的钻井设备，还包括控制机构，所述控制机构能够操作以迫使所述副钻具组合从所述沟槽出来。

29.根据权利要求28所述的钻井设备，其中，所述副钻具组合通过铰链连接到所述钻铤。

30.根据权利要求28或29所述的钻井设备，其中，所述钻柱是柔性的。

31.根据权利要求1所述的钻井设备，其中，所述副钻具组合包括位于所述钻铤内的管内爬行器装置，所述管状钻柱在一端连接到所述管内爬行器装置，并且在所述钻铤内延伸；

其中，在所述第一位置与所述第二位置之间的移动期间，所述管内爬行器装置在所述钻铤内被推进。

32.根据权利要求1所述的钻井设备，其中，所述主钻具组合被构造成在套管内钻窗孔，所述副钻具组合能够通过所述窗孔被推进。

33.一种使用根据前述权利要求中任一项所述的钻井设备钻井眼的方法，包括以下步骤：

钻主井眼；

将所述钻井设备定位在所述主井眼内的预定位置处；

操作所述副钻具组合以推进所述钻头远离所述第一位置并且侧向钻进到包围所述主井眼的地层内并形成侧向井眼；以及

将所述副钻具组合收回到第二位置。

34.根据权利要求33所述的方法，包括使用所述主钻具组合钻所述主井眼的步骤。

35.根据权利要求33或34所述的方法，还包括以下步骤：

在所述副钻具组合钻入所述地层的同时，推进所述钻铤。

36.根据权利要求35所述的方法，还包括以下步骤：

在所述副钻具组合钻入所述地层的同时，在所述主井眼内将所述钻铤交替地推进和缩进一短距离。

37.根据权利要求33所述的方法，其中，所述主井眼已经下有套管，所述方法包括以下步骤：

在操作所述副钻具组合之前使用所述主钻具组合在所述套管内开窗孔，以通过所述窗孔钻入到所述地层内。

38.根据权利要求33所述的方法，包括以下步骤：

使用所述副钻具组合钻具有S形状的侧向井眼。

39.根据权利要求33所述的方法，包括以下步骤：

使用所述副钻具组合钻具有螺旋形轨迹的侧向井眼。