CN102686821B - 钻孔方法和射流钻孔系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在物体中钻孔的方法，所述方法包括：将钻柱（1）设置在所述物体中的井眼（2）中，所述井眼在其底部处具有井眼轴线（48），所述钻柱在其下端包括井眼定中心的射流钻头（16），所述射流钻头具有钻孔轴线（20），并且包括射流喷嘴（18）；提供用于钻柱的稳定器装置，所述稳定器装置决定所述井眼轴线和所述钻孔轴线之间的倾斜角；和在所述射流喷嘴处产生流体射流（19），以通过一定的冲蚀力喷射在所述井眼的冲击区域上，由此加深所述井眼，其中，所述钻柱在加深所述井眼的同时旋转。

Description

钻孔方法和射流钻孔系统

技术领域

本发明涉及在物体中钻孔的方法，更特别地，涉及通过射流钻孔在物体中钻孔的方法，还涉及射流钻孔系统。所述物体特别地可以是地下地层。

背景技术

在形成井眼过程中，通常期望控制钻孔方向，以提供沿预定轨迹的井眼。在传统的机械钻孔中，常用的技术是使用类似弯接头、泥浆马达和旋转密封件等装置，以仅在钻柱下部设置钻头来沿特定方向钻孔。传统的机械钻孔使用具有例如牙轮或多晶金刚石等机械切割器的钻头，其通过在井眼底部处和侧部处刮削来产生切屑。更近来，已经开发了一种可旋转导向系统(RSS)，其可通过整个钻柱旋转来操作。已知的RSS方法将机械钻头使用复杂的弯曲机构指向到期望方向，或使用可膨胀推力垫将钻头推到特定侧。于是用于定向钻孔的机械钻头的侧部切割能力使得井眼能够沿期望方向偏斜。例如，PDC钻头不仅在前端上具有切割器，而且在侧部具有切割器。已知的机械定向钻孔系统在例如US5168941，US5520255，US5857531，US5875859，US6092610和US2007/0163810中有所描述。

另一种类型的钻孔方法是用流体射流代替钻头与物体之间的机械相互作用。但是，从机械钻孔所知的定向钻孔方法通常不能与射流钻孔系统一起使用。例如，类似弯接头、泥浆马达和旋转密封件等装置不能在射流钻孔中所应用的高流体压力下使用，所述压力可以是100巴或更高，特别地，250巴或更高，更特别地，350巴或更高。而且，所知的射流钻孔钻头不具有已知的机械定向钻孔工作所需的侧部切割部。而且，磨蚀射流钻孔仅需要最小的钻压或甚至不需要钻压，这使得这样的钻孔系统以与传统的机械定向钻孔方法和装置相比完全不同的方式作用。

WO-A-2005/005767中公开了一种在物体中形成孔的射流钻孔系统和方法。这种已知的系统包括挖掘工具，这里也称为磨蚀射流钻头，其安装在从表面插入地下地层中的孔内的钻柱的下端。钻柱设置有纵向通道，用于将包含磨蚀颗粒的钻井液混合物输送到钻头。钻头包括射流装置，其布置用于沿喷射方向产生磨蚀射流而在冲击区域中冲击地层。磨蚀射流包含磁性磨蚀颗粒(钢砂)。提供再循环系统，其在冲蚀冲击之后，利用磁体从通到表面的返回流捕获磨蚀颗粒，并且在混合位置处，将磨蚀颗粒与通过钻柱接收的混合物再混合。磁体布置为可旋转输送带，吸引要回收的颗粒，并且将其朝向与来自表面的新鲜流体混合的混合位置输送。在已知的系统中，定向钻孔操作通过用于输送机的可控驱动装置形式的调制装置实现，其布置用于调制再循环速率，并且以该方式，调制喷射装置处的磨蚀射流中的颗粒量。当磨蚀射流沿孔中的轨迹运动时，特别是以旋转运动方式进行运动时，可选择地改变沿所述轨迹的每一个冲击区域中的冲蚀量，并且实现定向控制。关于这点还参照了WO2005/05766。

通过再循环系统的定向作用的控制相对复杂，实际上需要在流体射流以及再循环系统中存在磨蚀颗粒。

需要一种新的用于流体射流钻孔的定向钻孔方法，其可使用而与用于流体射流中的磨蚀颗粒的再循环系统的存在和/或操作无关。

发明内容

根据本发明，提供一种在物体中钻孔的方法，所述方法包括：

将钻柱设置在所述物体中的井眼中，所述井眼在其底部处具有井眼轴线，所述钻柱在其下端包括井眼定中心的射流钻头，所述射流钻头具有钻孔轴线，并且还包括射流喷嘴；

提供用于钻柱的稳定器装置，所述稳定器装置决定所述井眼轴线和所述钻孔轴线之间的倾斜角；和

在所述射流喷嘴处产生流体射流，以通过冲蚀力喷射在所述井眼的冲击区域上，由此加深所述井眼，并且其中，所述钻柱在加深所述井眼的同时旋转。

本发明基于以下认识：没有侧部切割作用的低钻压(WOB)射流钻孔系统中的方向倾向主要由钻孔轴线和井眼轴线之间的角度来决定。考虑到低的或几乎为零的钻压，通过适当的稳定器装置将该角度设置为非零值相对容易。布置在射流钻头上方的钻柱上的稳定器可使所述钻柱略微或充分偏斜来与所述井眼形成倾斜角，以使流体射流建立弯曲井眼。钻头倾斜角的增大速率取决于所述角度。钻柱定中心越好，该倾向越小。术语“稳定器装置”用于指代相对于邻接的钻柱部分径向突出以在钻孔过程中提供与井眼壁的至少一个接触点的结构或装置。所述接触点与所述射流钻头的井眼定中心的性能一起主要限定进行钻孔的方向。进行钻孔的物体可特别地为地下地层，其包含岩石层，例如一层砂岩、石灰岩、花岗岩、玄武岩或这样的层的组合。在这样的地层中，例如从BE1001450A3所知的钻孔系统不可用，因为其设计用于在土壤中提供洞穴，其中土壤在进行过程中被压实。这在岩石地层中是不可能的。已知的钻孔系统也不能胜任，因为其不旋转，并且因为没有用于射流钻头的定中心装置。

在一个优选的实施例中，所述流体射流为磨蚀流体射流，并且所述射流钻头为磨蚀射流钻头。磨蚀流体射流为在水性液体例如水中包含一定浓度的磨蚀颗粒例如钢砂的流体混合物的射流。

井眼定中心的射流钻头可具有定中心装置，例如适当地位于钻头处或围绕钻头并且在任何情况下从所述稳定器装置更向井下的环形扶正器。在一个优选实施例中，射流钻头为自定中心射流钻头，由于其设计，所述钻头在操作过程中在井眼内保持定中心，并且不需要例如环形扶正器等附加的定中心装置。所述射流钻头可自定中心，并且适用于射流磨蚀颗粒。

在一个优选实施例中，稳定器装置在加深所述井眼的同时，即在钻柱在进行加深所述井眼的操作过程中旋转时，相对于钻柱固定，所述稳定器装置与钻柱一起旋转，不需要抵靠井眼壁固定和在钻柱行进过程中松开。

在一个特定实施例中，稳定器装置为偏心稳定器装置，优选地，偏心稳定器装置在加深井眼的同时随钻柱一起旋转，更优选地，偏心稳定器装置的外部尺寸基本上与井眼相符合。

偏心稳定器装置围绕钻柱具有非均匀的径向伸长。当钻柱随偏心稳定器装置一起旋转并且偏心度固定时，井眼轴线和钻孔轴线之间的倾斜角周期性改变。当偏心稳定器与井眼壁相符和时，倾斜角环绕井眼轴线循环。根据射流喷嘴和偏心度的相对方向，这样，当与定中心钻柱相比较时，可钻出增大的直井眼(大于标准尺寸的井眼)或实际上较小的直径。

在一些实施例中，稳定器装置的直径小于井眼直径，优选地，稳定器装置的最大直径小于井眼直径。当井眼有些偏斜并且没有提供稳定器时，磨蚀射流钻柱具有建立倾斜角的自然倾向，因为钻柱在重力的影响下，由于低钻压将被拉动到井眼的较低侧。具有比井眼小的尺寸的稳定器利用了该作用，但是更好地限定接触点，并且因此更好地限定倾斜角。

在一些实施例中，稳定器装置的至少一个径向尺寸在钻孔操作过程中进行调节，以沿预定轨迹加深所述井眼。径向尺寸为垂直于钻柱的钻井轴线的尺寸或方向。通过改变径向尺寸，可影响倾斜角。当稳定器装置例如与钻柱同中心并且小于井眼时，通过设定布置在定中心射流钻头上方某个距离处的稳定器装置的直径来设置倾斜角。当稳定器装置为偏心稳定器时，偏心度可改变，例如改变正在钻出的井眼直径。

在一些实施例中，稳定器装置具有可在使钻柱旋转时进行调节的横截面，优选地，其中，所述稳定器横截面可进行调节来使钻孔轴线在至少一次旋转过程中保持相对于地球固定，更特别地，其中，所述相对于地球固定的钻柱轴线具有相对于竖直方向比所述井眼轴线更小的角度。这样的稳定器装置可例如为被主动控制的装置，其保持在旋转过程中相对于地球不变的偏心度。于是倾斜角可固定，并且特别地，可提供负倾斜角，即其中相对于地球不变的钻柱轴线相对于竖直方向具有比井眼轴线更小的角度的布置。

本发明还提供一种用于在物体中钻井眼的射流钻孔系统，包括在其下端具有射流钻头的钻柱，所述钻头设置有射流喷嘴；在所述射流钻头上方的某个位置处用于钻柱的稳定器装置，所述稳定器装置相对于邻接的钻柱部分径向突出，以提供与所述井眼壁的接触点；和用于使所述钻柱旋转的旋转装置。

所述射流钻孔系统可还包括用于射流钻头的定中心装置，其位于所述稳定器装置的向井下位置。

所述射流钻头可具有用于与所述井眼底部接合的前端，和轴线，其中，所述前端具有至少位于轴向区域中的凹部。在这样的射流钻头的操作过程中，在轴向区域中的凹部内存在未钻出的材料，所述凹部例如为基本上圆锥形状，并且所述未钻出的材料使所述射流钻头在旋转过程中定中心。因此，这样的射流钻头是自定中心的。接合井眼底部的前端可以是基本上沿圆周的前端。在所述凹部中，可布置射流喷嘴，优选地，相对于钻孔轴线倾斜导向，例如以在旋转过程中在所述凹部内形成圆锥。

稳定器装置可沿至少一个径向尺寸调节，并且为此目的，优选地还包括用于控制至少一个径向尺寸的致动器。这样的稳定器装置可包括多个衬垫，其径向伸长可通过致动器设置，例如以液压方式或通过例如步进马达等电机进行设置。可调节的稳定器可例如从US4572305获知。

可调节射流钻孔系统优选地还包括用于控制至少一个径向稳定器尺寸的控制装置，特别地，为井下控制装置。优选地，所述控制装置包括控制信号接收器，例如钻压传感器、流体压力传感器、旋转速度传感器。

在一个优选实施例中，射流钻头为磨蚀射流钻头。

因此，根据本发明，提供了一种用于在物体中钻孔的方法，所述方法包括以下步骤：

将钻柱设置在所述物体中的井眼中，所述井眼在其底部处具有井眼轴线，所述钻柱在其下端包括井眼定中心的射流钻头，所述射流钻头具有钻孔轴线，并且包括射流喷嘴；

提供用于所述钻柱的稳定器装置，所述稳定器装置决定所述井眼轴线和所述钻孔轴线之间的倾斜角；

在所述射流喷嘴处产生流体射流，从而以冲蚀力喷射在所述井眼的冲击区域上，由此加深所述井眼；

使所述钻柱在加深所述井眼时旋转，

其中，所述稳定器装置在加深所述井眼时相对于所述钻柱固定，

其中，所述稳定器装置为偏心稳定器装置，

其中，所述偏心稳定器装置在加深所述井眼时随所述钻柱旋转，且

其中，所述偏心稳定器装置的外部尺寸基本上与井眼相符合。

可选地，所述流体射流为磨蚀流体射流，并且所述射流钻头为磨蚀射流钻头。

可选地，所述射流钻头为自定中心射流钻头。

可选地，所述稳定器装置的直径小于所述井眼的直径，优选地，其中，所述稳定器装置的最大直径小于所述井眼的直径。

可选地，所述稳定器装置的至少一个径向尺寸在钻孔操作过程中受到调节，以沿预定轨迹加深所述井眼。

可选地，所述稳定器装置具有能在所述钻柱旋转时进行调节的横截面，优选地，其中，对所述稳定器的横截面进行调节以在至少一次旋转过程中保持所述钻孔轴线相对于地球位置不变，更特别地，其中，相对于地球位置不变的所述钻孔轴线与竖直方向具有比所述井眼轴线小的角度。

根据本发明，还提供了一种用于在物体中钻井眼的射流钻孔系统，包括：

在其下端具有射流钻头的钻柱，所述钻头设置有射流喷嘴；

在所述射流钻头上方的位置处的用于钻柱的稳定器装置，所述稳定器装置相对于邻接的钻柱部分径向突出，以提供与井眼壁的接触点；和

用于使所述钻柱旋转的旋转装置，

其中，所述稳定器装置相对于所述钻柱固定，

其中，所述稳定器装置为偏心稳定器装置，

其中，所述偏心稳定器装置适于在加深井眼时随所述钻柱旋转，且

其中，所述偏心稳定器装置的外部尺寸基本上与井眼相符合。

可选地，所述射流钻孔系统还包括用于射流钻头的定中心装置，其位于所述稳定器装置的向井下位置。

可选地，所述射流钻头具有用于与井眼底部接合的前端，和轴线，其中，所述前端具有至少位于轴向区域中的凹部。

可选地，所述稳定器装置能沿至少一个径向尺寸调节。

可选地，所述射流钻孔系统还包括用于控制所述至少一个径向尺寸的致动器。

可选地，所述射流钻孔系统还包括控制装置，用于控制至少一个径向尺寸。

可选地，所述控制装置包括控制信号接收器。

可选地，其中所述控制信号接收器包括钻压传感器、流体压力传感器和旋转速度传感器。

可选地，所述射流钻头为磨蚀射流钻头。

附图说明

下面将更详细地，并且参照附图通过示例描述本发明，附图中：

图1示意性地显示了本发明的第一实施例；

图2-5示意性地显示了本发明的几个其他实施例。

附图中，同样的附图标记用于指代相同或相似的物体。

具体实施方式

在一方面，本发明涉及射流钻孔方法和系统，特别地，涉及磨蚀射流钻孔系统，包括可旋转钻柱；连接到所述钻柱下端的可旋转磨蚀射流钻头，所述钻头设置有至少一个射流喷嘴，用于排出钻井液和磨蚀颗粒混合物；驱动装置，用于旋转所述钻头和钻柱；和泵装置，用于产生包含钻井液体和磨蚀颗粒的所述混合物流。磨蚀射流钻孔系统可例如从WO00/66872，WO2002/034653，WO2005/005766，WO2008/119821,WO2008/113843，WO2008/113844获知。

通过包含硬颗粒的高压混合物射流和钻柱与钻头的旋转运动的混合作用，由于对岩石材料的逐渐冲蚀而在岩石地层中形成井眼。由于跨过射流喷嘴的例如250巴或更高优选350巴或更高的高压降，该冲蚀仅通过磨蚀射流获得，而无需任何切割器或钻头的机械切割作用。钻井液中的磨蚀颗粒浓度可在2-10％的体积百分比范围内，例如3％的体积百分比或更高。但是，在使用井下磨蚀颗粒再循环装置的情况下，从表面传送通过钻柱的磨蚀颗粒浓度可较低，例如1.5％的体积百分比或更低，同时仍提供良好的穿入速率。

本发明的一个目的是提供一种磨蚀射流钻孔系统，其中使用用于获得定向控制的更简单的装置和方法步骤。该目的可通过在高于钻头的位置处的至少一个稳定器来实现，所述稳定器相对于邻接的钻柱部件径向突出。这样的稳定器对钻孔过程的方向的影响依赖钻头轴线和井眼轴线之间的角度。稳定器可与钻柱一起旋转，在该情况下，稳定器可围绕钻柱延伸。对于固定的方向倾向，可使用具有特定固定径向尺寸的稳定器。当需要较强的倾向时，应使用具有缩小径向尺寸或直径的稳定器。作为示例，可使用固定的螺旋瓜状钻铤稳定器。这样的稳定器可直接设置在磨蚀射流钻头后面，其中井下磨蚀颗粒再循环装置可位于钻头之间或一体结合在钻头中。

或者，稳定器可具有可调节的径向尺寸。在该情况下，钻孔系统的方向倾向可通过改变稳定器的径向尺寸来影响。这样的可调节稳定器可以多种方式实现。例如，在稳定器包括沿圆周方向彼此邻接布置的节段的情况下，这些节段可沿径向方向调节。优选地，所述节段可彼此独立调节，例如通过操纵装置如步进马达或液压活塞/气缸装置来调节。

在后一个实施例中，在将节段中的一个调节到较大的径向尺寸而相对的节段调节到较小的径向尺寸的情况下，钻头的轴线相对于井眼轴线具有非零角度。该调节可例如在地表进行，并且在接着发生的钻孔循环过程保持。但是替代地，可设置井下控制装置用于控制稳定器尺寸。在后一种情况下，井眼的方向可在钻孔过程中改变，由此获得非常灵活的钻孔轨迹控制。

钻孔轨迹的方向可从地表控制。在该情况下，钻孔系统可包括具有至少一个传感器的井下控制装置，所述传感器例如为钻压传感器、流体压力传感器、旋转速度传感器等，以及用于根据由所述传感器检测到的数据控制所述操纵装置的控制装置。优选地，井下控制装置包括存储器和控制装置，所述存储器容纳存储的轨迹数据，所述控制装置容纳用于根据所述轨迹控制稳定器径向尺寸的预编程控制数据。

在一方面，本发明涉及用于操作如前面所述的磨蚀射流钻孔系统的方法，包括以下步骤：

使钻柱和磨蚀射流钻头旋转；

作为编码应用特定数据序列例如钻压序列，

由所述传感器检测所述编码，

根据所述检测的编码，控制所述稳定器的径向尺寸。

替代地，所述方法可包括以下步骤：

使钻柱和磨蚀射流钻头旋转，

作为编码应用特定数据序列例如钻压序列，

由所述传感器检测所述编码，

根据所述检测的编码控制所述稳定器的方向作用。

根据另一种可能方案，所述方法可包括以下步骤：

使所述钻柱和磨蚀射流钻头旋转，

作为编码应用特定数据序列例如钻压序列，

由所述传感器检测所述编码，

根据所述检测的编码控制所述稳定器的偏心度。

稳定器的径向尺寸可在进行钻孔操作时修改。根据另一种可能方案，稳定器设置可以根据预编程钻孔轨迹结合井下随钻测量数据来控制。该方法可因而包括以下步骤：

使钻柱和磨蚀射流钻头旋转，

由传感器检测井下情况，

根据存储的轨迹数据和检测的井下情况调节稳定器尺寸。

现在将通过示例，参照附图中所示的实施例描述本发明。

如图1中所示，根据本发明的包括磨蚀射流钻孔组件的磨蚀射流钻孔系统包括在物体中的井眼2内的钻柱1。该物体这里为地下地层5，特别用于提供井眼以制造用来生产矿物烃类的井。钻柱1在其上端表面8处连接到旋转驱动装置(未示出，但是由箭头10标示)，在另一下端连接到具有射流喷嘴18的磨蚀射流钻头16。钻柱1具有用于流体的通道20，其经由通过稳定器装置的通道和磨蚀射流钻头16的通道24与射流喷嘴流体连通。而且，泵装置(未示出)设置在表面处，用于通过钻柱2从表面到钻头16循环钻井液。

射流喷嘴18在轴向区域的凹部17中倾斜取向，以使冲击区域相对于钻孔轴线或旋转轴线21偏心设置，并且在该情况下，在孔中旋转磨蚀射流导致射流19和冲击区域沿孔中的偏心圆轨迹运动。优选地，偏心圆冲击区域与旋转中心重叠，以使井眼的中间也受到磨蚀射流的冲蚀力。

射流喷嘴18布置在可任选的脚部分29上方，并且喷嘴相对于所述系统的纵轴线(钻孔轴线20)以相对于所述钻孔轴线15-30°的喷嘴角倾斜，但是可使用其他角度。优选地，喷嘴角为约21°，这对于通过轴向旋转钻孔内部的完井工具来磨蚀地冲蚀井眼底部是最佳的。

在该实施例中，磨蚀射流钻头还包括用于磨蚀颗粒的再循环系统，其总体以30标示，具有与磨蚀射流钻头16和井眼2之间的环形空间33流体连通的入口32，和通到布置在通道24的混合位置37处的混合室36的出口34。

可任选的脚部分29形成钻头的前端，并且与井眼底部接合而保证与井眼底部相隔一定距离，并且适当地包括凹槽以用于钻井液和切屑通过环形空间33向上流动。磨蚀射流钻头18可例如为如WO2008/113843，WO2008/113844中所述的钻头。

操作中，系统工作如下。通过适当的泵(未示出)将包含例如钢砂等磨蚀颗粒的钻井液流从物体表面(例如地表面)泵送通过钻柱2的纵向通道20。将部分或全部钻井液导向到射流喷嘴18，在所述射流喷嘴18处产生磨蚀射流19。磨蚀射流喷射以冲击地层。由于冲击地层5的磨蚀射流19，地层在冲击区域中被冲蚀，由此加深井眼2。射流喷嘴在轴向区域中的定位和倾斜定向使得形成井眼底部的基本上圆锥形状的中心区域，其使射流钻头16定中心，即所述钻头自定中心。

同时，磨蚀射流围绕旋转轴线20旋转。因而，冲击区域沿孔中的圆形轨迹移动，以使地层可在井眼底部全方位被冲蚀。通过保持磨蚀射流的冲蚀力恒定，在孔的所有各侧上均匀地冲蚀地层，并且因此笔直地挖掘所述孔。然而，挖掘工具旋转中的扭歪或孔区域中岩石地层性能的变化或其他原因可导致孔中不均匀的冲蚀。可能需要通过调制冲蚀力以补偿意外的不均匀冲蚀，来进行定向校正。

如图1中所示，井眼2的轨迹是弯曲的。该曲线通过稳定器装置40的作用获得，所述稳定器装置40紧接着在钻头2上方或在钻头2上方很小距离处连接到钻柱1或围绕钻柱1设置。在重力的影响下，所述稳定器40在42处与井眼2的壁接触。接触点42和钻头定中心的点(在该示例中在脚部分29的前端处)之间的距离可在0.1m和50m之间，例如在0.5m和10m之间。

该实施例的稳定器40与钻柱1同轴，在最宽径向尺寸处限定圆形横截面。其固定地围绕钻柱1布置，以使其与钻柱1一起旋转，并且其具有小于井眼直径的直径。所述直径与离定中心钻头的距离一起决定钻孔轴线20和井眼轴线48之间的倾斜角度45。射流组件越好地在钻头上方与井眼的第一接触点处定中心，方向倾向越小。因而，如果第一接触点在稳定器处，则该稳定器的外径决定构建倾向。如果靠近钻头的稳定器外径可在钻孔时改变，则在钻孔时可控制构建倾向。

对于定向钻孔操作，倾斜角通常非零，并且可例如在0.01和20度之间，例如在0.1和5度之间。图中的倾斜角是正的，即钻孔向上偏离。但是本发明也可提供负倾斜角(朝向竖直方向偏离)，和侧向倾斜，以可提供到任何期望空间方向的定向钻孔。

应清楚的是，示意图示出各个部件，但是不需要正确展示其相对尺寸。对于较大的倾斜角，钻管或钻铤的直径可能是限制性的，从而钻头16和稳定器40之间的钻管或钻铤3和/或稳定器40上方的钻柱或管对于期望的倾斜角必须足够细，以确保钻头上方的稳定器接触井眼壁。

上部、上方、上游、井口、下部、下方、下游、井下等在本文中参照井眼中具有射流钻头的钻柱使用，其中，上部或上面比下部或下面更靠近表面；上游和下游针对钻井液大体上向下流动通过钻柱并且向上通过与井眼壁的环形空间流动到表面而言。

作用在基于磨蚀射流的钻孔系统上的机械力比基于机械去除岩石的系统的情况的机械力小得多。这具有以下优点：传感器可设置得非常靠近挖掘工具，使得可以与调制控制装置进行尽早的并且准确的信号通讯。传感器可例如设置在与调制控制装置相同的室中。控制装置可包括用于存储轨迹数据的存储器。

替代地，磨蚀射流穿过地层的位置和/或行进方向可根据表面8上可得的参数来确定，所述参数包括作用在钻柱2上的扭矩和钻柱2的方位位置以及钻柱2的轴向位置和速度。

改变或校正钻孔方向的决定也可由在表面的定向系统操作员作出。在信号产生于井下的随钻测量传感器时，可采用泥浆脉冲遥测系统或任何其他适当的数据传输系统来将数据传输到表面。通过类似的数据传输装置，控制信号可发送到井下控制装置，触发一系列期望方向钻孔校正所需的控制动作。

推进器(未示出)有利地设置用于在孔2的底部39上加压磨蚀射流系统。为避免磨蚀射流钻头6上不必要的磨损、系统弯曲和定向控制损失，当加压力没有比将磨蚀射流钻头16保持在底部处所需要的力高太多时，获得最佳结果。因而，加压力优选仅足够抵消磨蚀射流的轴向反冲力和推进器中以及磨蚀射流系统和孔壁之间的摩擦力。通常，加压力适当地低于10kN。

适当的磨蚀射流包括包含例如钻井液等流体以及一定受控浓度的磨蚀颗粒的混合物。射流的冲蚀力与携带在混合物中的磨蚀颗粒中既得的总动力相关。这取决于磨蚀颗粒的质量流动速率和磨蚀颗粒的速度的平方。

仍参照图1，磨蚀颗粒将被携带在通过挖掘孔的钻井液的返回流中，其例如穿过孔1和钻孔系统(2,16,40)之间的环形空间33。

为了降低待全程运送回到表面的磨蚀颗粒的浓度，钻孔系统，特别是磨蚀射流钻头16可设置有再循环装置30，其布置用于将磨蚀颗粒的至少一部分从位于冲击地层处下游的返回流再次再循环回到磨蚀射流10中。可将再循环的磨蚀颗粒与包含一定供给浓度的磨蚀颗粒的新钻井液流混合，例如在混合室中，新的钻井液流和再循环磨蚀颗粒都被接纳入所述混合室，以获得包含射流浓度的磨蚀颗粒的射流流体混合物。本文提到的磨蚀颗粒优选包括可磁化材料或由可磁化材料构成，即顺磁性或铁磁性材料，例如钢砂或钢粒。这在本文中也称为磁性材料，但是其不需要具有永磁性。再循环系统可包括磁体，用于从在环形空间33中向上流动的钻井液吸引磁性颗粒，并且将所述颗粒经由出口34输送到混合室36。通常，适当的再循环系统例如在WO2002/034653，WO2005/005766，WO2008/119821，WO2008/113844中有所描述。但是再循环系统是可任选的，并且并非本发明发挥作用所需要的。

在一个示例性示例中，钻柱的旋转可通常需要1秒。在使用井下再循环装置的情况下，就水性流体例如水中的钢砂而论，泵送通过钻柱的颗粒的供给浓度通常在体积百分比为0.1％到4％范围内，例如在体积百分比为0.4％到2％范围内。当使用再循环系统时，磨蚀射流中的钻井液可包含高达10％的体积百分比通常高达5％的体积百分比的磁性磨蚀颗粒的射流浓度，并且平均高于供给浓度。当没有再循环系统时，除了可能有延时变化，经由钻柱的供给浓度通常与射流浓度相同，并且可例如在0.5％到10％的体积百分比范围内，例如2-5％的体积百分比，例如3％的体积百分比。再循环频率优选超过钻柱的旋转频率。再循环频率可例如在10和40Hz之间。钻柱或至少磨蚀射流钻头挖掘工具的旋转通常在0.3和3Hz之间。

参照图2，显示了在其下端具有射流钻头的钻柱1,3，和与钻柱同中心、与钻柱固定在一起并且在圆周处与井眼壁接合的稳定器40。稳定器用作扶正器，钻孔轴线20与井眼轴线48共线，即没有倾斜角。如果稳定器为其直径可改变的类型，则通过减小直径，可获得根据本发明的类似于图1的结构。

图3显示了本发明的类似于图1的实施例，但是其中在稳定器上方的钻柱具有比钻柱部分3窄的直径，以使稳定器40提供第一接触点42。上部钻柱部分也可以是柔性管。钻柱部分3可更粗，或也为细钻管，或可以是容纳例如控制装置和/或传感器装置和/或通讯装置的钻铤。

图4显示了具有偏心稳定器50的实施例。其围绕钻柱具有非均匀的径向伸长。沿径向尺寸52的伸长小于沿径向尺寸54的伸长。稳定器与井眼壁相符合，以使接触点42围绕圆周。这里其与钻柱一起旋转，长径向尺寸和短径向尺寸也转动，因此钻孔轴线48成倾斜角围绕井眼轴线转动。当喷嘴类似于图1中设置成在凹部17的轴向区域中倾斜并且具有如图所示的偏心度时，喷嘴和井眼轴线之间的角度以倾斜角增大，并且形成直的但是较宽的井眼。如果喷嘴转动180度来对着井眼底部的相对侧射流，则形成较窄的直井眼。如果偏心稳定器不与井眼相符和，则将钻出较宽或较窄的弯曲井眼。

对于较大的大于标准的孔尺寸，应修改底部外形和定距支座(脚部分29)的内部圆锥形外形，以容许钻孔组件和井眼轴线48之间的角度。

图5类似于图4，但是偏心稳定器60具有的横截面在使钻柱旋转时受到调节，以在旋转过程中保持钻孔轴线20与地球位置相对不变。钻孔轴线20相对于井眼轴线48具有负倾斜角。稳定器装置可被主动控制。可调节的偏心稳定器可制造如下：如果稳定器具有可沿径向彼此独立移动的四个衬垫，其中一个衬垫向外移动，一个衬垫向里移动，则连接的钻孔组件的轴线与井眼轴线不再平行。可调节的偏心稳定器的衬垫可通过例如受控步进马达液压操作活塞在井下调节，以使径向尺寸62和64如图所示在旋转过程中保持恒定，其中所述受控步进马达或液压操作活塞由例如在钻铤3中的井下控制装置控制。与钻孔组件的旋转同步地改变衬垫位置提供沿全部钻孔方向的定向控制，即方位角和倾斜角控制。

为了建立当前的穿过地层的钻孔方向，所述系统可设置有导航传感器，例如随钻测量传感器，以提供指示在地层中进行钻孔的方向的信号。

这样的导航传感器可按以下形式之一或其组合提供：提供指示相对于参考矢量的装置方向的信号的方向传感器；提供指示相对于参考点的一个或多个位置坐标的信号的位置传感器；提供指示关于到附近地层类型或地层状况改变的距离的信息的地层密度传感器；或任何其他适当的传感器。

在比旋转周期更长的时间尺度上，井下控制装置可进一步根据预编程轨迹和井下随钻测量来调节所述可调节稳定器设置。而且，指令可例如通过数据序列，例如钻压序列、旋转速度(RPM)序列或液压压力序列，而从表面发送到控制装置，以例如调节方向或倾斜角的大小。根据这样的数据传输，可设置稳定器的外径和偏心度或定向钻孔模式这些项目中的一个或多个。

将这样的选择与射流钻孔结合是有吸引力的，因为与机械钻孔相比较，所述钻孔组件具有最小的机械载荷。作用在基于流体射流的钻孔系统上的机械力比基于机械去除岩石的系统的情况的机械力小得多。这具有以下优点：传感器可设置得非常靠近射流钻头，使得可以与调制控制装置进行尽早的并且准确的信号通讯。传感器可例如设置在与调制控制装置相同的室中。

Claims (18)

1.一种用于在物体中钻孔的方法，所述方法包括以下步骤：

将钻柱设置在所述物体中的井眼中，所述井眼在其底部处具有井眼轴线，所述钻柱在其下端包括井眼定中心的射流钻头，所述射流钻头具有钻孔轴线，并且包括射流喷嘴；

提供用于所述钻柱的稳定器装置，所述稳定器装置决定所述井眼轴线和所述钻孔轴线之间的倾斜角；

在所述射流喷嘴处产生流体射流，从而以冲蚀力喷射在所述井眼的冲击区域上，由此加深所述井眼；

使所述钻柱在加深所述井眼时旋转，

其中，所述稳定器装置在加深所述井眼时相对于所述钻柱固定，

其中，所述稳定器装置为偏心稳定器装置，

其中，所述偏心稳定器装置在加深所述井眼时随所述钻柱旋转，且

其中，所述偏心稳定器装置的外部尺寸基本上与井眼相符合。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流体射流为磨蚀流体射流，并且所述射流钻头为磨蚀射流钻头。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述射流钻头为自定中心射流钻头。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述稳定器装置的直径小于所述井眼的直径。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述稳定器装置的最大直径小于所述井眼的直径。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述稳定器装置的至少一个径向尺寸在钻孔操作过程中受到调节，以沿预定轨迹加深所述井眼。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述稳定器装置具有能在所述钻柱旋转时进行调节的横截面。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，对所述稳定器装置的横截面进行调节以在至少一次旋转过程中保持所述钻孔轴线相对于地球位置不变。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，相对于地球位置不变的所述钻孔轴线与竖直方向具有比所述井眼轴线小的角度。

10.一种用于在物体中钻井眼的射流钻孔系统，包括：

在其下端具有射流钻头的钻柱，所述钻头设置有射流喷嘴；

在所述射流钻头上方的位置处的用于钻柱的稳定器装置，所述稳定器装置相对于邻接的钻柱部分径向突出，以提供与井眼壁的接触点；和

用于使所述钻柱旋转的旋转装置，

其中，所述稳定器装置相对于所述钻柱固定，

其中，所述稳定器装置为偏心稳定器装置，

其中，所述偏心稳定器装置适于在加深井眼时随所述钻柱旋转，且

其中，所述偏心稳定器装置的外部尺寸基本上与井眼相符合。

11.根据权利要求10所述的射流钻孔系统，还包括用于射流钻头的定中心装置，其位于所述稳定器装置的向井下位置。

12.根据权利要求10所述的射流钻孔系统，其中，所述射流钻头具有用于与井眼底部接合的前端，和轴线，其中，所述前端具有至少位于轴向区域中的凹部。

13.根据权利要求10所述的射流钻孔系统，其中，所述稳定器装置能沿至少一个径向尺寸调节。

14.根据权利要求13所述的射流钻孔系统，还包括用于控制所述至少一个径向尺寸的致动器。

15.根据权利要求13所述的射流钻孔系统，还包括控制装置，用于控制所述至少一个径向尺寸。

16.根据权利要求15所述的射流钻孔系统，其中，所述控制装置包括控制信号接收器。

17.根据权利要求16所述的射流钻孔系统，其中所述控制信号接收器包括钻压传感器、流体压力传感器和旋转速度传感器。

18.根据权利要求10所述的射流钻孔系统，其中，所述射流钻头为磨蚀射流钻头。