CN102232138B - 抗涡动的钻头、井场系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗涡动的钻头、井场系统及其使用方法。本发明的一个实施例提供了一种钻头，所述钻头包括：与钻柱流体连通的内腔；以及位于钻头的外部上的第一保径垫。第一保径垫具有与所述内腔流体连通的第一孔眼。所述钻头被构造成使流体连续地从第一孔眼流动。

Description

抗涡动的钻头、井场系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种用于防止钻头和/或井底组件在井眼内钻探时产生涡动和其他偏斜的系统和方法。

背景技术

钻头涡动和偏斜在钻探工业中存在巨大问题。石油、天然气、水和其他自然资源通常位于地下4000-10000英尺处。这样，即使井产生了一度偏差，也可使得钻探距离、时间和成本明显增加。

在一些应用中，钻机寻求垂直井眼。光滑的垂直孔眼便于使较大的套管以最小的间隙行进，且在随后的阶段中、在建井操作过程中提供了使用额外的套管柱的可能性。偏斜并回到垂直状态的井眼会丧失这种选择。附加地，如果从单个平台钻探多个井眼，则偏斜可引起钻柱冲突。

即使在受控导向或定向钻探应用场合中，可能也非常希望保持期望的轨迹，例如，当钻探到陡倾斜岩层或活动构造区中的破裂岩石下方的目标时。

另外，钻头涡动，一种钻头的转动中心偏离其几何中心的情况，会导致多种问题。这些问题包括会产生非圆柱形的孔、井眼偏斜和过大的钻头磨损。

传统的抗涡动钻头试图通过刀具-岩石的相互作用产生不平衡侧力来降低涡动。该不平衡力只有在切割动作平稳和连续且刀具未被用坏和损坏的情况下才具有可预测的幅度和方向。这些条件中没有任何一个条件会规律地发生，这是因为切割动作通常是不连续的过程，而不是连续过程(当刀具产生碎片而不是连续的岩屑时)。当岩石通过铲凿动作去除时，幅度和方向不恒定，也不可预测。

因此，一直迫切需要用于防止涡动和偏斜的装置和方法。

发明内容

本发明的目的就是要克服上述现有技术中的至少一种缺陷。

根据本发明的一方面，提供一种钻头，包括：

与钻柱流体连通的内腔；以及

布置在多个保径垫中的至少第一保径垫上的多个刀具；

所述多个保径垫位于所述钻头的外部上，所述多个保径垫具有与所述内腔流体连通的多个孔眼，所述多个孔眼绕着所述钻头的圆周成相互间隔相等距离设置，所述多个孔眼中的每个孔眼被定向成使得流体从每个孔眼流动且接触井眼的壁，所述多个孔眼中包括具有比其它孔眼更大横截面积的一个孔眼；

其中，所述钻头被构造成当流体连续地从所述多个孔眼流动时产生与所述孔眼和所述保径垫的规准区段的方位垂直的侧力以降低钻头涡动，具有比其它孔眼更大横截面积的所述一个孔眼定位成产生不平衡侧力。

优选地，所述多个孔眼包括位于所述多个保径垫中的每个保径垫上的至少一个孔眼。

优选地，所述多个孔眼包括三个孔眼。

根据本发明的一方面，提供一种井场系统，包括：

钻柱；

接合到钻柱的方钻杆；以及

钻头，所述钻头包括：

与钻柱流体连通的内腔；以及

布置在多个保径垫中的至少第一保径垫上的多个刀具；

所述多个保径垫位于所述钻头的外部上，所述多个保径垫具有与所述内腔流体连通的多个孔眼，所述多个孔眼绕着所述钻头的圆周成相互间隔相等距离设置，所述多个孔眼中的每个孔眼被定向成使得流体从每个孔眼流动且接触井眼的壁，所述多个孔眼中包括具有比其它孔眼更大横截面积的一个孔眼；

其中，所述钻头被构造成当流体连续地从所述多个孔眼流动时产生与所述孔眼和所述保径垫的规准区段的方位垂直的侧力以降低钻头涡动，具有比其它孔眼更大横截面积的所述一个孔眼定位成产生不平衡侧力。

根据本发明的又一方面，提供一种在地下地层中钻出弯曲井眼的方法，所述方法包括：

将钻头安装在钻柱上，所述钻头包括：

与钻柱流体连通的内腔；以及

布置在多个保径垫中的至少第一保径垫上的多个刀具；

所述多个保径垫位于所述钻头的外部上，所述多个保径垫具有与所述内腔流体连通的多个孔眼，所述多个孔眼绕着所述钻头的圆周成相互间隔相等距离设置，所述多个孔眼中的每个孔眼被定向成使得流体从每个孔眼流动且接触井眼的壁，所述多个孔眼中包括具有比其它孔眼更大横截面积的一个孔眼；

使流体连续地流过所述多个孔眼；以及

在泵送足够流体通过所述钻柱、到达所述钻头、通过所述多个孔眼流出、并且向着周围的井眼壁而转动所述钻柱时，同时自稳定所述钻头并且降低钻头涡动。

附图说明

为了更全面地理解本发明的特征和期望目标，请参看下面结合附图所作的详细描述，其中，在所有附图中，相同的附图标记均表示相同或相应的部件。附图包括：

图1示出了可应用本发明的井场系统；

图2A示出了位于井眼内的根据本发明的钻头；

图2B示出了根据本发明的钻头；

图3A示出了居中地位于井眼内的钻头的横截面；以及

图3B示出了在井眼内偏心设置的钻头的横截面。

具体实施方式

本发明提供了用于防止钻头和/或井底组件在井眼内钻探时产生涡动和其他偏斜的装置和方法。

在此提供的本发明适用于钻探操作例如石油钻探、天然气钻探和水钻探的范围。同样地，钻头体被设计成应用于井场系统中，所述井场系统通常用于石油、天然气和水工业中。图1中示出了示例性井场系统。

图1示出了可应用本发明的井场系统。井场可以是陆地上的或海底上的。在该示例性系统中，井眼11以众所周知的方式通过旋转钻井形成在地下的地层中。本发明的多个实施例也可使用定向钻探，这将在下面进行描述。

钻柱12悬置在井眼11内，且具有井底组件100，所述井底组件100在其下端包括钻头105。地面系统包括定位在井眼11上方的平台和钻塔组件10，所述组件10包括转台16、方钻杆(kelly)17、钩18和旋转接头19。钻柱12通过转台16转动，所述转台由未示出的装置驱动，且在钻柱的上端处接合方钻杆17。钻柱12通过方钻杆17和旋转接头19悬置于加装到游动滑车(也未示出)的钩18，所述旋转接头19允许钻柱相对于钩转动。众所周知，可替代性地使用顶驱系统。

在该实施方式的示例中，地面系统还包括储存在形成于井场处的坑27中的钻井流体或泥浆26。泵29经由旋转接头19中的端口将钻井流体26给送到钻柱12的内部，从而，使得钻井流体如方向箭头8所示向下流经钻柱12。钻井流体经由钻头105中的端口排出钻柱12，然后通过钻柱的外侧与井壁之间的环形区域向上循环，如方向箭头9所示。以该众所周知的方式，钻井流体润滑钻头105，并在它返回到坑27以再循环时将岩屑上送到地面。

示出的实施例的井底组件100包括随钻测井(LWD)模块120、随钻测量(MWD)模块130、旋转导向系统(roto-steerable system)和电机以及钻头105。

LWD模块120如现有技术中所公知的那样容纳在一种特殊类型的钻铤中，且可包含一种或多种现有类型的测井工具。还可以理解，可采用一个以上的LWD和/或MWD模块，例如如图中的附图标记120A所示(在整个申请中，对附图标记120的位置处的一个模块的描述同样适用于附图标记120A的位置处的一个模块)。LWD模块具有用于测量、处理和储存信息以及用于与地面仪器通信的能力。在本实施例中，LWD模块包括压力测量装置。

MWD模块130也如现有技术中所公知的那样容纳在一种特殊类型的钻铤中，且可包含一个或多个用于测量钻柱和钻头的特性的装置。MWD工具还包括用于向井底系统产生电能的装置(未示出)。这通常可包括由钻井流体流驱动的泥浆涡轮发电机，可以理解，也可采用其他电能和/或电池系统。在本实施例中，MWD模块包括以下类型的测量装置中的一种或多种：钻压测量装置、扭矩测量装置、振动测量装置、冲击测量装置、粘滑测量装置、方向测量装置和倾斜测量装置。

该系统的特别有利的应用是与受控导向或“定向钻探”相结合。在该实施例中，设有旋转导向子系统150(图1)。定向钻探有意地使井眼偏离自然所取的路径。换言之，定向钻探对钻柱进行导向，使得钻柱沿期望的方向行进。

定向钻探例如在海底钻探中是有利的，这是因为它能够使许多井从单个平台钻探。定向钻探还使得能够进行通过储层的水平钻探。水平钻探能够使更长的井眼穿过储层，这增大了井的产率。

定向钻探系统还可用于垂直钻探操作中。通常，钻头会由于穿过的地层的不可预测的特性或钻头经受的力的变化而偏离计划的钻探轨迹。当出现这种偏离时，定向钻探系统可用于将钻头带回到计划轨迹上。

现有的定向钻探方法包括使用旋转导向系统(“RSS”)。在RSS中，钻柱从地面转动，且井底装置使得钻头沿期望方向钻探。转动钻柱大大地降低了钻柱在钻探过程中搁浅或卡住的发生。用于在地中钻探偏斜井眼的旋转导向钻探系统通常可分为“摆动钻头”系统或“推进钻头”系统。

在摆动钻头系统中，钻头的转动轴线偏离新井孔的走向上的井底组件的局部轴线。井孔根据由上、下稳定器接触点和钻头限定的常规三点几何关系延伸。与钻头与下稳定器之间的有限距离关联的钻头轴线的偏斜角度导致要产生的曲线所需的非共线条件。具有许多种可实现此点的方式，包括在井底组件中的与下稳定器接近的点处的固定弯曲部或分布在上、下稳定器之间的钻头驱动轴的挠曲。在其理想化的形式下，钻头不需要向侧旁切割，这是因为钻头轴线在弯曲井孔的方向上连续地转动。摆动钻头型旋转导向系统的多种示例以及它们如何操作描述于美国专利申请公开No.2002/0011359；2001/0052428和美国专利No.6,394,193；6,364,034；6,244,361；6,158,529；6,092,610；以及5,113,953中，它们均通过引用包含在此。

在推进钻头旋转导向系统中，通常不具有特别确定的机构来使钻头轴线偏离局部井底组件轴线；相反，必需的非线性条件通过使上、下稳定器中的任一个或两者沿一个方向施加偏心力或移位实现，所述方向优选相对于孔的延伸方向定向。此外，具有许多种可实现此点的方式，包括：不转动的(相对于井眼)偏心稳定器(基于位移的方法)和沿期望的导向方向向钻头施加力的偏心致动器。而且，导向通过在钻头与至少两个其他的接触点之间产生非共线性实现。在其理想化的形式下，钻头需要向旁侧切割，以产生弯曲的井孔。推进钻头型旋转导向系统的多个示例和它们如何操作描述于美国专利No.5,265,682；5,553,678；5,803,185；6,089,332；5,695,015；5,685,379；5,706,905；5,553,679；5,673,763；5,520,255；5,603,385；5,582,259；5,778,992；5,971,085中，它们均通过引用包含在此。

在此所述的本发明的特殊的实施例提供了用于降低涡动和/或偏斜的钻头105和井底组件100。

抗涡动钻头

图2B示出了钻头105。钻头105包括后端202和切割部分204。后端202适于直接或间接地与钻柱12连接。切割部分204包括一个或多个肋206A、206B、206C和206D。肋206包括规准区段208，所述规准区段208与已通过刀具210钻出的井眼的壁接触。尽管仅在肋206B上示出了刀具210，但刀具210也可构造在多个或所有肋206上，因为这对特殊的钻探情形是有利的。

在本发明的实施例中，一个或多个孔眼212位于钻头105的外部。孔眼212可位于规准区段208上或肋206之间的凹部214中。孔眼212使得流体26可从钻柱12的内部排出钻头，以获得稳定和降低涡动。附加孔眼可位于钻头105上，例如位于前端216上，以像现有技术中所公知的那样进行润滑和去除岩屑。

在一些实施例中，钻头105包含单个孔眼212。钻井流体26从该孔眼212流动，且接触井眼11的壁，从而产生与孔眼212和规准区段208的方位大致垂直的侧力。该力产生抗涡动作用。

在一些实施例中，孔眼212与大部分的刀具210大致相反地定位。例如，如果刀具210沿着钻头105纵向地设置，则孔眼212可相对于刀具210成大约180°定位。在这种实施例中，从孔眼212释放的钻井流体产生了侧力，该侧力朝刀具210的方向推动钻头。该实施例：(1)使得在刀具210与井眼11的壁之间产生增大的接触，和/或(2)平衡由刀具210与井壁之间的接触产生的侧力。

在其他实施例中，孔眼212定位在大部分的刀具210之后的近似90°处。作为该原理的图示，请考虑图2A所示的情形。钻头105在井眼11中逆时针转动。刀具210将要碰撞到从井壁220突出的凸出部218。如果凸出部218是特别坚固的材料，凸出部将至少在与刀具210首次接触时会一时保持完好。作用于钻头105上的转动力将使钻头105沿负Y方向移动，直到保径垫(gauge pad)206A接触井壁220。然而，如果孔眼212位于保径垫206A上，则钻井流体26将产生沿正Y方向的力，从而，抵抗钻头105偏心移动的趋势。然而，正Y方向上的力移动整个钻头105，从而给刀具210提供了附加力，且有助于井眼的前行形成。

其他刀具210和孔眼212的结构形式也位于这些发明的范围内。例如，由钻头105的转动产生且与多个刀具210接触的总的力矢量可使用已知的公式和技术计算。孔眼212可被构造成抵消最可能的力矢量。

通过利用来自孔眼212的钻井流体26的液压作用力，钻头105产生更可预测的和恒定的不平衡力，以降低和/或防止钻头涡动。如果给定了端口的位置，则就会知道不平衡力的方向。不平衡力的幅度是孔眼212与井壁220之间的距离、井眼中的钻井流体26与钻柱12中的钻井流体26之间的压差和孔眼212的几何特征(例如，形状和尺寸)的函数。而且，对刀具210的磨损和损坏不应影响侧力的幅度和方向。

在一些实施例中，孔眼212的外部由凸出的环部或其他几何结构特征围绕着，以便在钻井流体26从孔眼212排出时产生更大的液压压力。这种结构特征和/或整个规准部分206可被覆盖有耐磨损材料或硬面材料、例如多晶金刚石(PCD)或完全由这种材料制成。

自稳定钻头和井底组件

本发明的另一个实施例利用一个或多个孔眼212稳定井眼内的钻头105和/或井底组件(BHA)。

图3A示出了钻头105的横截面，其具有通常绕着钻头105的圆周间隔开(例如相对于中心间隔开120°)布置的三个保径垫206A、206B、206C，每个保径垫分别具有相应的孔眼212A、212B、212C。钻井流体26(通过粗线表示)从钻头105内流过孔眼212A、212B、212C。

图3A中示出的钻头105总体上居中地位于井眼11内。因此，由钻井流体产生的任何液压作用力将彼此抵消。然而，如果钻头105如图3B所示地偏离中心，则由来自孔眼212A的钻井流体26产生的力矢量的幅度将会随着孔眼212A与井壁220之间的空间的减小而增大。因此，由孔眼212B和212C产生的任何力矢量将减小，这会产生将钻头远离壁220推动的净力矢量(通过箭头222表示)。

在一些实施例中，向一个或多个孔眼的流动流动通过一个或多个阀(阻塞阀)限制。可以通过管件或其他装置将每个孔眼连接到单个阀。更优选地，每个孔眼通过单独的阀独立地调节。独立地调节确保，流到特殊的孔眼212的钻井流体26的体积不会增大到超过期望的阈值而剥夺其他孔眼212或其他端口(例如位于钻头105的前边缘216上的端口)的需求。

尽管图3A和3B中的实施例示出了具有三个孔眼212的钻头105，但在此描述的本发明可通过任何数目的孔眼212利用流体，以稳定钻头105和井底组件。例如，具有单个孔眼的钻头105将产生与具有三个孔眼的钻头105类似的作用。当钻头105转动时，由单个孔眼产生的力的幅度在将孔眼传送通过钻头105较接近井壁220的区域时会增大。该增大的力将会促使钻头105返回中心。而且，具有两个、三个、四个、五个或六个等多个孔眼的钻头和井底组件处于本发明的范围内。

在此描述的原理可应用于沿着井底组件100的外部和钻柱12的其他部分设置的稳定垫。稳定垫与保径垫类似地作用，以最小化井底组件和钻柱的移动。在这种实施例中，一个或多个孔眼添加给一个或多个稳定垫，以便可使钻井流体26可如此所述地作用。

抗涡动和自稳定组合钻头

在此描述的抗涡动和自稳定钻头的原理可组合产生这样的钻头105，所述钻头105产生净非平衡侧力来降低涡动，同时还提供一个或多个孔眼来修正相对于井眼11的中心的漂移。在这种实施例中，多个孔眼212中的一个孔眼的横截面积较大，以产生不平衡侧力。

前面的说明书以及构成说明书的一部分的附图仅是示例性的，且说明了本发明的某些优选实施例。然而，应当认识到和理解，该描述并不认为是限制本发明，这是因为对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的基本范围、精神或意图的情况下可以进行多种改变、修改和变化。

Claims (5)

1.一种钻头，包括：

与钻柱流体连通的内腔；以及

布置在多个保径垫中的至少第一保径垫上的多个刀具；

所述多个保径垫位于所述钻头的外部上，所述多个保径垫具有与所述内腔流体连通的多个孔眼，所述多个孔眼绕着所述钻头的圆周成相互间隔相等距离设置，所述多个孔眼中的每个孔眼被定向成使得流体从每个孔眼流动且接触井眼的壁，所述多个孔眼中包括具有比其它孔眼更大横截面积的一个孔眼；

其中，所述钻头被构造成当流体连续地从所述多个孔眼流动时产生与所述孔眼和所述保径垫的规准区段的方位垂直的侧力以降低钻头涡动，具有比其它孔眼更大横截面积的所述一个孔眼定位成产生不平衡侧力。

2.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述多个孔眼包括位于所述多个保径垫中的每个保径垫上的至少一个孔眼。

3.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述多个孔眼包括三个孔眼。

4.一种井场系统，包括：

钻柱；

接合到钻柱的方钻杆；以及

钻头，所述钻头包括：

与钻柱流体连通的内腔；以及

布置在多个保径垫中的至少第一保径垫上的多个刀具；

所述多个保径垫位于所述钻头的外部上，所述多个保径垫具有与所述内腔流体连通的多个孔眼，所述多个孔眼绕着所述钻头的圆周成相互间隔相等距离设置，所述多个孔眼中的每个孔眼被定向成使得流体从每个孔眼流动且接触井眼的壁，所述多个孔眼中包括具有比其它孔眼更大横截面积的一个孔眼；

其中，所述钻头被构造成当流体连续地从所述多个孔眼流动时产生与所述孔眼和所述保径垫的规准区段的方位垂直的侧力以降低钻头涡动，具有比其它孔眼更大横截面积的所述一个孔眼定位成产生不平衡侧力。

5.一种在地下地层中钻出弯曲井眼的方法，所述方法包括：

将钻头安装在钻柱上，所述钻头包括：

与钻柱流体连通的内腔；以及

布置在多个保径垫中的至少第一保径垫上的多个刀具；

所述多个保径垫位于所述钻头的外部上，所述多个保径垫具有与所述内腔流体连通的多个孔眼，所述多个孔眼绕着所述钻头的圆周成相互间隔相等距离设置，所述多个孔眼中的每个孔眼被定向成使得流体从每个孔眼流动且接触井眼的壁，所述多个孔眼中包括具有比其它孔眼更大横截面积的一个孔眼；

使流体连续地流过所述多个孔眼；以及

在泵送足够流体通过所述钻柱、到达所述钻头、通过所述多个孔眼流出、并且向着周围的井眼壁而转动所述钻柱时，同时自稳定所述钻头并且降低钻头涡动。