CN102272405A - 球形活塞导向装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了球形活塞导向装置和球形活塞导向装置的使用方法。本发明的一个方面提供了一种球形活塞导向装置，包括：与流体源流体连通的筒体和被接收在筒体内的球。球可在筒体内在缩回位置与伸出位置之间移动。
Description
技术领域
本发明涉及球形活塞导向装置和球形活塞导向装置的使用方法。
背景技术
受控的导向或定向钻井技术通常用于石油、水和天然气工业中，以达到不是位于井口正下方的资源。定向钻井的优点是众所周知的，包括能够达到难以或不可能垂直接近的储层的能力(例如，油田位于城市、水体或难以钻探的地层下方时)和在单个平台上能够集合多个井口的能力(例如，对于海上钻井来说)。
随着石油、水和天然气的需求的增加，需要改进的和更高效的用于从地下获取自然资源的装置和方法。
发明内容
本发明提供了球形活塞导向装置和球形活塞导向装置的使用方法。
本发明的一个方面提供了一种球形活塞导向装置，包括：与流体源流体连通的筒体和被接收在筒体内的球。球可在筒体内在缩回位置与伸出位置之间移动。
该方面可具有多个实施例。所述球可在伸出位置时使导向装置从井眼偏斜。所述球形活塞导向装置还可包括邻近筒体的偏压垫。球向伸出位置的移动可使得偏压垫升起，并使导向装置从井眼偏斜。偏压垫可绕着销枢转。筒体可包括用于从流体源排放流体的一个或多个凹槽。所述流体源可以是泵。所述球可以是金属球。
本发明的另一个方面提供了一种可被导向的旋转工具，包括旋转的圆柱体、和位于圆柱体的外部上的一个或多个球形活塞导向装置。每个球形活塞导向装置包括与流体源流体连通的筒体和被接收在筒体内的球。球可在筒体内在缩回位置与伸出位置之间移动。
该方面可具有多个实施例。所述一个或多个球形活塞导向装置还可包括：邻近筒体的偏压垫。球向伸出位置的移动可使得偏压垫升起。偏压垫可绕着销枢转。筒体可包括用于从流体源排放流体的一个或多个凹槽。所述流体源可以是泵。所述流体源可以是来自钻柱的泥浆。所述球可以是金属球。
本发明的又一个方面提供了一种在井眼内钻弯曲井的方法。所述方法包括：提供可被导向的旋转工具，所述可被导向的旋转工具包括旋转的圆柱体、切削表面以及位于圆柱体的外部上的一个或多个球形活塞导向装置；在井眼内转动可被导向的旋转工具；以及选择性地致动所述一个或多个球形活塞导向装置中的至少一个球形活塞导向装置，以使可被导向的旋转工具从井眼偏斜，从而在井眼内钻出弯曲井。球形活塞导向装置可包括：与流体源流体连通的筒体和被接收在筒体内的球。球可在筒体内在缩回位置与伸出位置之间移动。
该方面可具有多个实施例。可被导向的旋转工具可包括邻近筒体的偏压垫。球向伸出位置的移动可使得偏压垫升起。偏压垫可绕着销枢转。筒体可包括用于从流体源排放流体的一个或多个凹槽。所述流体源可以是泵。所述流体源可以是来自钻柱的泥浆。所述球可以是金属球。
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，在所有的附图中，相同的附图标记均表示相应的部件，附图包括：
图1示出了可应用本发明的井场系统。
图2A示出了根据本发明的一个实施例的处于非工作位置的球形活塞导向装置的横截面。
图2B示出了根据本发明的一个实施例的处于伸出位置的球形活塞导向装置的横截面。
图2C示出了根据本发明的一个实施例的包括可使流体从筒体逸出的凹槽的球形活塞导向装置的横截面。
图2D示出了根据本发明的一个实施例的处于非工作位置的具有偏压垫的球形活塞导向装置的横截面。
图2E示出了根据本发明的一个实施例的处于展开位置的具有偏压垫的球形活塞导向装置的横截面。
图3示出了根据本发明的一个实施例的结合有球形活塞导向装置的井底组件构件。
图4示出了根据本发明的一个实施例的导向装置的动作。
具体实施方式
本发明提供了球形活塞导向装置和使用球形活塞导向装置的方法。本发明的一些实施例可用于井场系统中。
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所示地向下流经钻柱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)和马达以及钻头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(也称作“泥浆马达”)，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“指向式钻头”系统或“推靠式钻头”系统。
在指向式钻头系统中，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。与钻头和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的条件。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。指向式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。
在推靠式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。推靠式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；和5,971,085中。
球形活塞导向装置
图2A示出了根据本发明的一个实施例的球形活塞导向装置200a的横截面。球202设在筒体204内。筒体包括用于与流体源连通的孔眼206。流体208进入孔眼206，以将球202推到图2B所示的伸出位置。唇部210将球保持在筒体内。
当球202处于伸出位置时，球接触井眼并产生通常推动离开井眼的反作用力，从而，产生可用于导向井底组件的导向力。
参看图2C，提供了球形导向装置200b，其中，筒体204包括凹槽212，以便可使流体从筒体204逸出。凹槽212可有利地为球和导向装置植入的井底组件提供润滑。另外，凹槽212可有助于提供能够将球202和筒体204接合区域中的岩屑移除的流体通道。
参看图2D，球形活塞导向装置200c可包括偏压垫214，所述偏压垫214通过销216连接到筒体204。参看图2E，当球202伸出时，球202挤压偏压垫214，以向外推动偏压垫214。在一些实施例中，弹簧、例如扭转弹簧或拉伸弹簧可用于使偏压垫214返回到未张开的位置。本领域的技术人员将很容易地意识到，筒体204可结合到图1的定向钻井工具或旋转定向系统150中。
在一些实施例中，球202和/或偏压垫214可覆盖有耐磨损材料、例如金属、树脂或聚合物或由这种材料构成。例如，球202和/或偏压垫214可由钢、“高速钢”、碳钢、黄铜、红铜、铁、聚晶金刚石复合片(PDC)、硬面材料、陶瓷、碳化物、陶瓷碳化物、金属陶瓷等构成。合适的覆盖层例如描述于美国专利公开No.2007/0202350中，该专利公开通过引用包括在本说明书中。
参看图3，一个或多个导向装置302a、302b、302c可结合到钻柱中的井底组件构件300中。例如，三个导向装置可近似间隔开120度设置。
井底组件构件300还可包括用于选择性地致动导向装置302a、302b和302c的控制单元(未示出)。控制单元使井底组件构件300相对于地下地层保持正确的角度位置。在一些实施例中，所述控制单元安装在轴承上，所述轴承可使控制单元绕着井底组件构件300的轴线自由地转动。根据一些实施例，控制单元包括感测装置，例如三轴线式加速计和/或磁力计传感器，以探测井底组件的倾度和方位角。控制单元还可与设置在井底组件的元件内的传感器通信，使得所述传感器可向控制单元提供地层特性或钻探动态数据。地层特性可包括从超声成像装置或核成像装置、例如美国专利公开No.2007/0154341中公开的那些装置收集的相邻地层的信息，该专利公开的内容通过引用包括在本说明书中。所述钻探动态数据可包括井底组件的振动、加速度、速度和温度的测量结果。
在一些实施例中，控制单元在地上被编程，以便遵循期望的倾度和方向。井底组件300的运行进程可使用MWD系统测量，且经由钻井流体中的脉冲序列、声或无线传输方法或电线连接方式传输到地上。如果期望路径被改变，可根据需要传输新的指令。泥浆通信系统公开于美国专利公开No.2006/0131030中，该专利公开通过引用包括在本说明书中。合适的系统可从美国的德克萨斯州的舒格兰的斯伦贝谢(Schlumberger)技术公司的商标为POWERPULSETM的产品获得。
为了沿期望方向驱动井底组件构件300和整个井底组件，导向装置302a(以及可能情况下的导向装置302b和302c)根据导向装置302a的转动位置被选择性地致动。为了进行说明，图4示出了地下的地层内的井眼11。井底组件300的横截面被提供用于说明导向装置302a的布置。在该示例中，操作人员希望将井底组件300(顺时针转动)向着点402移动，该点相对于钻头本体300的当前位置完全位于x方向上。尽管当导向装置302a处于井眼11的与点402相反的一侧(即在点404和406之间)时，如果导向装置302a在任何点处被致动，导向装置302a均会产生具有正x分量的力矢量，但如果在点408处被致动，则导向装置302a将沿x方向产生最大的力。因此，在一些实施例中，导向装置302a的致动是近似周期性的或正弦曲线性的，其中，当导向装置302a经过点404时，该导向装置302a开始展开，在点408处达到最大展开量，并在点406处缩回。
在一些实施例中，回转阀(也称作蜘蛛阀)可用于选择性地致动导向装置302a(以及302b和302c)。合适的回转阀描述于美国专利No.4,630,244；5,553,678；7,188,685；和美国专利公开No.2007/0242565中。
通过引用加入
所有专利、公开的专利申请以及其他在此公开的参考文献整体上通过引用包括在本说明书中。
等同替换
本领域的技术人员将认识到或能够在仅利用常规实验的情况下获得此处描述的本发明的特定的实施例的许多等同替换。这种等同替换意欲由权利要求涵盖。
Claims (21)
1.一种球形活塞导向装置，包括：
与流体源流体连通的筒体；以及
被接收在筒体内的球；
其中，球可在筒体内在缩回位置与伸出位置之间移动。
2.如权利要求1所述的球形活塞导向装置，其特征在于，球在伸出位置时使导向装置从井眼偏斜。
3.如权利要求1所述的球形活塞导向装置，其特征在于，所述球形活塞导向装置还包括：
邻近筒体的偏压垫；
其中，球向伸出位置的移动使得偏压垫升起并使导向装置从井眼偏斜。
4.如权利要求3所述的球形活塞导向装置，其特征在于，偏压垫绕着销枢转。
5.如权利要求1所述的球形活塞导向装置，其特征在于，筒体包括用于从流体源排放流体的一个或多个凹槽。
6.如权利要求1所述的球形活塞导向装置，其特征在于，所述流体源是泵。
7.如权利要求1所述的球形活塞导向装置，其特征在于，所述球是金属球。
8.一种可被导向的旋转工具，包括：
旋转的圆柱体；以及
位于圆柱体的外部上的一个或多个球形活塞导向装置，每个球形活塞导向装置包括：
与流体源流体连通的筒体；以及
被接收在筒体内的球；
其中，球可在筒体内在缩回位置与伸出位置之间移动。
9.如权利要求8所述的可被导向的旋转工具，其特征在于，所述一个或多个球形活塞导向装置还包括：
邻近筒体的偏压垫；
其中，球向伸出位置的移动使得偏压垫升起。
10.如权利要求9所述的可被导向的旋转工具，其特征在于，偏压垫绕着销枢转。
11.如权利要求8所述的可被导向的旋转工具，其特征在于，筒体包括用于从流体源排放流体的一个或多个凹槽。
12.如权利要求8所述的可被导向的旋转工具，其特征在于，所述流体源是泵。
13.如权利要求8所述的可被导向的旋转工具，其特征在于，所述流体源是来自钻柱的泥浆。
14.如权利要求8所述的可被导向的旋转工具，其特征在于，所述球是金属球。
15.一种在井眼内钻弯曲井的方法，包括：
提供可被导向的旋转工具，所述可被导向的旋转工具包括：
旋转的圆柱体；
切削表面；以及
位于圆柱体的外部上的一个或多个球形活塞导向装置，每个球形
活塞导向装置包括：
与流体源流体连通的筒体；以及
被接收在筒体内的球；
其中，球可在筒体内在缩回位置与伸出位置之间移动；
在井眼内转动可被导向的旋转工具；以及
选择性地致动所述一个或多个球形活塞导向装置中的至少一个球形活塞导向装置，以使可被导向的旋转工具从井眼偏斜，从而在井眼内钻出弯曲井。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，可被导向的旋转工具包括：
邻近筒体的偏压垫；
其中，球向伸出位置的移动使得偏压垫升起。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，偏压垫绕着销枢转。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，筒体包括用于从流体源排放流体的一个或多个凹槽。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述流体源是泵。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述流体源是来自钻柱的泥浆。
21.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述球是金属球。
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