CN103328755B - 定向钻井 - Google Patents

Abstract

一种控制钻井方向的方法，所述方法包括：提供钻头，所述钻头包括形成钻头端面的机械切削装置、多个喷嘴和中间空间，所述喷嘴相对于钻头端面布置在不同方位角处且用于喷射钻井流体，所述中间空间处于钻头的进口端口与多个喷嘴之间；当使包含固体的钻井流体流过钻柱和多个喷嘴时，使钻头旋转从而加深井孔；以及当使钻头旋转时，改变流过多个喷嘴的钻井流体部分的固体含量，以使得在相应喷嘴在井孔底部的选定的第一角形扇区中时流过每个喷嘴的钻井流体部分的固体含量与在第二角形扇区中的固体含量相比相对增加。

Description

定向钻井

技术领域

本发明涉及一种用于控制在地下地层中钻出井孔的钻井方向的方法，以及涉及一种用于定向钻出井孔的系统。

背景技术

在形成井孔的过程中，常常期望控制钻井方向，以便提供沿着预定轨迹的井孔。定向机械钻井的共同技术使用了像弯曲的特形接头(sub)、泥浆马达和旋转密封的设备，以仅仅将钻柱的下部部分以及钻头设置为在特定方向上钻井。机械钻井使用了具有机械切削器（诸如牙轮或者多晶金刚石）的钻头，所述机械切削器通过在井孔底部处和在侧面处进行压碎和/或刮擦而产生碎屑。

最近以来，旋转导向系统（RSS）已经被开发出，其可在整个钻柱旋转的情况下操作。已知的RSS方法使用复杂的弯曲机构而将机械钻头指引到期望的方向上，或者使用可膨胀的推压垫将钻头推压到特定侧面。用于定向钻井的机械钻头的侧面切削能力于是允许井孔在期望的方向上偏斜。例如，聚晶金刚石复合片（PDC）钻头不仅在前端部上具有切削器，而且在侧面上具有切削器。

一些定向钻井的系统和方法使用了钻头，其中喷嘴特别适于获得定向钻井效果。

在US4211292中公开了一种牙轮钻头，该牙轮钻头在通常由传统清洗喷嘴所占据的位置处具有带有流体射流喷出喷嘴的喷嘴延伸部。该延伸的射流喷嘴将压力流体喷射到正在钻的井孔的测量角部（gagecorner）上。在一个钻头旋转的预定部分间隔期间将压力流体选择性地引导到射流喷出喷嘴，以增加对井孔的特定方位角扇区中的测量角部的切削，从而使井孔朝着该扇区偏斜。

GB2284837公开了另一种牙轮钻头，其中，三个喷嘴中的一个被改变，以将流引导到工作面的角部，以使得钻井流体的流动相对于钻头不对称。钻井流体的流动被脉冲化，以使得该流动在某一方位角位置中高，而对于旋转的剩余部分低，从而优先地在选定方向上钻井。

US4637479公开了另一种牙轮钻头，该牙轮钻头被修改以使得其与流体引导装置密封地协作，该流体引导装置用于将流体流通过喷嘴仅仅持续地排出到井孔的选定扇区中。在钻柱随着钻头一起旋转期间，井孔的选定扇区外面通过一个或两个喷嘴的流体连通总是被阻塞，并且由此钻头的改向得以实现。

US2006/0266554公开了一种用于在特定方向上调整固体的方法和系统。该系统包括喷射装置，所述喷射装置用于产生包含流体和一些量的磨料颗粒的混合物的磨料射流。磨料射流的侵蚀能力可通过调整磨料的动能而被调整。这可通过下述方式来实现：通过调整磨料颗粒的质量流量，例如通过调整磨料射流中的磨料颗粒的数量；或者通过调整磨料颗粒的速度，例如通过调整流体在喷射装置中的加速压降；或者通过它们的组合。

已知的方法需要对于传统钻头进行相当大的修改，诸如对喷头修改或者实施旋转密封。这些修改是不期望的，因为其减小司钻对钻头的选择机会，并且对于井轨迹的直线部分也需要使用这种钻头。对于传统钻头中喷嘴的修改由于会阻塞喷嘴还降低了整体钻井性能。旋转密封是易损件，由此在钻孔设备中不是一种期望的选择。

现在需要一种耐用的定向钻井方法和系统。

发明内容

根据本发明，提供了一种控制在地下地层中钻出井孔的钻井方向的方法，所述方法包括：

－提供管状钻柱；

－提供钻头，所述钻头连接到钻柱的下端部，所述钻头包括形成钻头端面的机械切削装置，包括用于喷射钻井流体的多个喷嘴，所述多个喷嘴布置在相对于钻头端面的不同方位角位置处，以及包括处于钻头的进口端口与多个喷嘴之间的中间空间，每个所述喷嘴具有用于与中间空间流体连通的喷嘴进口，在钻头旋转期间喷嘴进口之一相继地从所述中间空间延伸；

－当使包含固体的钻井流体经由钻柱流过多个喷嘴时，使钻头旋转从而加深井孔；以及

－当使钻头旋转时，改变流过多个喷嘴的钻井流体部分的固体含量，以使得在相应喷嘴在井孔底部的选定的第一角形扇区中时流过每个喷嘴的钻井流体部分的固体含量与当所述喷嘴处于井孔底部的选定的第二角形扇区中时流过相应喷嘴的钻井流体部分的固体含量相比相对增加。

本发明是基于由申请人所获得的下述见解的：流过每个喷嘴的流体流中的固体含量影响钻井性能，并且从多个钻头喷嘴喷射出的流体的均匀固体分配的变形使得实现了定向钻井效果。固体通过侵蚀而对钻井进度作出贡献，所以不平衡将导致对于井孔底部的不同扇区中的钻井进度作出不同的侵蚀贡献。

由于通过不同喷嘴喷射出的均匀固体含量的较小变形，可足以获得具有有用幅度的定向钻井效果。因此，适当地，在旋转期间保持钻井流体同时流过第一喷嘴和第二喷嘴。在这种情况下，可在整个旋转过程中保持流过特定喷嘴的流动，并且根据旋转频率来进行改变（诸如，流动调整）是足够的。这消除了对于用于选择性地阻塞流过喷嘴的流体流的旋转密封的需要。同样允许使用传统钻头而无需修改喷嘴结构，也就是说，喷嘴可仍旧被最优（诸如对称）地布置，正如对于特定钻头结构所期望的那样。

在本发明的上下文中对固体进行调整的目的是使得磨损更强，并且与钻进速度（ROP）变化相关地产生瞬时取向，进而形成有差异的钻井。

在一个实施例中，钻头包括位于钻头的进口端口与多个喷嘴之间的中间空间，第一喷嘴和第二喷嘴中的每一个均具有用于与中间空间流体连通的喷嘴进口，并且其中，改变固体含量的步骤包括：将钻井流体引导到中间空间的第一区域中，在钻头旋转期间，第一喷嘴进口和第二喷嘴进口之一相继地从第一区域延伸。这允许通过使用惯性作用来变更或者改变固体含量。在中间空间中，钻井流体在各个喷嘴进口上进行分配。钻井流体中的具有高密度且因而具有高惯性的固体对它们被释放到中间空间中的流动方向具有较长时间的记忆，因此，在该方向上且在第一区域中的含量在重新分配钻井流体期间与中间空间的其他区域相比较是相对增加的。

因此，在随着时间推移的特定的第一时刻时，说的是，与使其进口处于中间空间的另一区域中的第二喷嘴相比，当第一喷嘴使得其进口处于中间空间的第一区域中时，将流体朝着该第一区域的引导将使得将具有较高固体含量的钻井流体传送到该第一喷嘴。在随着时间推移的第二随后时刻，当钻头已经被旋转时，第二喷嘴的进口将处于第一区域中，流体优先被朝着该第二喷嘴的进口引导，并且与随着时间推移的第二时刻时的第一喷嘴以及在随着时间推移的第一时刻时的第二喷嘴相比，第二喷嘴的进口现在接收更高的固体含量。应清楚的是，即使钻头旋转，中间空间在此被认为是对地静止的。

在一个实施例中，具有出口构件的流动引导装置设置用于引导钻井流体，并且该方法还包括在钻头的至少一个旋转期间将出口构件保持在对地静止位置中。这是一种用于实现在旋转期间朝着相继的喷嘴进口增加固体含量的特别简单的方式。

为了保持对地静止的位置，可设置马达，该马达被控制以如所期望的那样定向该流动引导装置。在另一个实施例中，流动引导装置可旋转地布置在钻柱中，并且被设定形状以便当使钻井流体向下穿过钻柱时在相对于钻柱相反的方向上旋转。例如，设定形状包括设置叶片、翼或者类似物。此外，在由钻井流体以这种方式所导致的旋转太快的情况下，可设置用于减缓流动引导装置的旋转的制动装置，将流动引导装置保持在对地静止的位置于是包括操作制动装置，从而减缓流动引导装置的旋转，以补偿钻柱的相反旋转。流动引导装置还可包括发电机，该发电机用于将钻井流体的液压能或者流动引导装置的旋转能转化为电能，该电能例如可向用于定向钻井的井下测量装置和/或控制单元提供动力。

在一个实施例中，固体集中装置设置用于增加钻井流体部分中固体的含量。当钻井流体中的固体的至少一部分在磁场中可偏转时，其中固体集中装置可布置为向钻井流体施加旋转磁场。这例如可以是旋转磁体结构，例如永久磁体或者电磁体。这种旋转磁体结构可例如与旋转的流动改向器相结合，以增强固体集中效果。旋转磁场还可通过下述方式而被设置为没有移动部分：将电磁结构布置在钻井流体的流动路径中和/或周围，包括横过钻井流体流动路线的平面或环中的多个电磁极并且驱动电磁结构，以使得有效作用力施加到颗粒上，矢量的特征化如所期望地旋转的作用力。

可替代地或者另外地，固体集中装置可包括弯曲的流动路径，以便由于离心力而实现集中。

在一些实施例中，流动引导装置、固体集中装置和/或流动导向件（当存在时或者期望时）可被设定形状，以使得它们可在钻出井孔的过程中从地面向下穿过和/或收回到地面。这允许仅在期望时选择性地管理定向钻井，而不需要收回钻柱来更换钻头或者更换井孔底部钻具组合的部件。

在一个实施例中，流动导向件设置在中间空间中，该流动导向件可随着钻头一起旋转，该流动导向件包括第一通道和第二通道，根据出口构件和钻头的相对旋转位置，第一通道和第二通道中的每一个分别在旋转的时期期间在上游端部处与出口构件协作，而在下游端部处与第一喷嘴进口和第二喷嘴进口协作。该实施例允许出口构件将流体引导成与流动导向件的上游端部相接，该导向件的上游端部可在钻头的进口端口附近，这与和喷嘴进口的进入到钻头中一段距离的中间空间中的区域直接相接相比可能更加方便。

此外，本发明还提供了一种用于定向钻出井孔的系统，该系统包括：

－钻柱元件，所述钻柱元件用于使包含固体的钻井流体流过；

－钻头，所述连接到所述钻柱元件，所述钻头包括钻头本体、形成了钻头端面的机械切削装置、用于从钻柱元件接收钻井流体的进口端口、用于喷射钻井流体的多个喷嘴、以及处于进口端口与多个喷嘴之间的中间空间，所述多个喷嘴相对于钻头端面布置在不同方位角位置处，每个所述喷嘴均具有用于与中间空间流体连通的喷嘴进口；以及

－改向器，所述改向器用于将所述固体的至少一部分引导到中间空间的第一区域，在钻头相对于改向器相对旋转期间，与中间空间的第二区域相比，喷嘴的进口之一相继地从所述第一区域延伸。

通过将具有较高固体含量的流体引导朝着中间空间的第一区域，更多的固体穿过在旋转期间从该第一区域相继地延伸的喷嘴被喷射出。这导致了在第一区域的侧面与相对侧面之间在钻井进度方面存在小差异。控制改向器，以使得固体含量相对增加的区域保持对地静止，以便中间空间的第一区域形成了中间空间的方位角扇区，将导致定向钻井行为。

在一个实施例中，改向器包括：

－流动引导装置，该流动引导装置的至少一部分设置在钻柱元件中，流动引导装置包括相对于钻头可旋转地布置的出口构件，该出口构件布置为将钻井流体引导到中间空间的第一区域中，在出口构件相对于钻头的相对旋转期间第一喷嘴进口和第二喷嘴进口从中间空间的第一区域相继地延伸；

－用于控制出口构件相对于钻头的相对旋转的装置。

在一个实施例中，出口构件可以特别地是流动改向器。

在特定实施例中，出口构件诸如经由钻头的进口端口延伸到中间空间中。这允许与中间空间的第一区域直接相互作用。可能的是，使出口构件适于进口端口和/或中间空间的几何形状是有利的。

在一个实施例中，该系统包括以相对于钻头的可旋转锁定构造设置在中间空间中的流动导向件，该流动导向件包括第一通道和第二通道，根据出口构件和钻头的相对旋转位置，第一通道和第二通道中的每一个分别在上游端部处与出口构件协作，而在下游端部处与第一喷嘴进口和第二喷嘴进口协作。在该实施例中，固体改向器可具有标准化接口，该标准化接口与流动导向件的上游端部协作，并且与钻头的几何形状相适合可通过可呈适配器或插入件形式的流动导向件来实现。

在一个实施例中，钻井流体中的固体的至少一部分是磁性的，并且改向器包括用于将固体的所述至少一部分朝着中间空间的第一区域偏转的磁体。磁体可以是可旋转的永久磁体，或者是具有能够产生旋转磁场的驱动单元的电磁体。

在一个实施例中，改向器可包括弯曲的流动路径。

在一个实施例中，改向器和/或流动引导装置和/或流动导向件的至少一部分可通过钻柱元件收回。这使得可能仅仅在钻井作业的某些时期期间管理定向钻井。由于可收回，各元件也可被插入或者可被重新插入。

适当地，该系统还包括用于控制出口构件相对于钻头的相对旋转的控制器装置。在一个实施例中，控制器装置可包括用于减缓出口装置相对于钻柱的相对旋转的制动装置。

附图说明

下面将参照所附的附图通过举例来更详细地描述本发明，附图中：

图1示意性示出了根据本发明的用于在地层中定向钻出井孔的系统的一个实施例；

图2示意性示出了电磁制动器结构；

图3a和3b示意性示出了对于随着时间推移的两个时刻沿着图1中井孔向下看的视图；

图4示意性示出了根据本发明的用于在地层中定向钻出井孔的另一实施例；

图5示意性示出了图4中的流动导向件的横截面视图；

图6示出了与有差异的钻井（DHM）作用相关的钻井半径的模型计算的结果；

图7a和7b以透视图和俯视图示意性示出了替代图1和4中出口构件45的偏转装置的一个实施例；以及

图8a和8b示意性示出了用于固体改向的可替代的方法和装置。

在这些附图中，相似的附图标记表示相同或相似的元件或目标。

具体实施方式

现在参照图1，其示出了根据本发明的在地层5中定向钻出井孔3的方法和系统1的一个实施例。该系统1包括钻头10，该钻头连接到特形接头14，该特形接头是延伸到地面的钻柱16的一部分。钻杆套圈17被显示为作为钻柱16的另一部分连接到特形接头14的上端部。钻柱16和钻头10的纵向轴线被标示为18。钻头10上方的一段钻柱被称为钻柱元件，并且其可以是整个钻柱。

在该实施例中所示出的钻头10是聚晶金刚石切削器（PDC）钻头，但是也可以使用其他类型的钻头，例如牙轮钻头。在此所示的PDC钻头包括钻头本体20，该钻头本体设置有呈PDC切削器24形式的机械切削装置。切削器形成了钻头端面26，该钻头端面在正常操作期间靠近井孔底部28。钻头10还设有进口端口30，该进口端口用于从钻柱元件接收钻井流体，在该实施例中从特形接头14接收钻井流体。该端口30是通到中间空间32的进口，多个进口通道从该中间空间延伸到用于喷射钻井流体的喷嘴。在该实例中，设置了具有第一进口通道36的第一喷嘴35和具有第二进口通道39的第二喷嘴38。第一喷嘴和第二喷嘴布置在相对于钻头端面不同的方位角位置处，在该实例中，以180度间隔开，正如相对于钻柱16沿着其纵向轴线旋转所期待的那样。

在特形接头14中布置有固体改向器。该实施例中的固体改向器是流动引导装置42，该流动引导装置包括出口构件45，该出口构件经由支撑构件46和轴48连接到示意性显示为50并且通过控制单元52控制的旋转装置，该控制单元用于控制出口构件相对于钻头10的相对旋转。该支撑构件46被布置成使得其允许钻井流体朝着进口端口30向下穿过钻柱的内部。该实施例中的出口构件45是流动改向器，其从侧面看去显示为平板，但是其可具有其他形状，诸如弯曲唇部或者通道。该实施例中的出口构件45经由进口端口30延伸到中间空间32中，并且以这种方式在朝着中间空间32的第一区域55的方向上传送钻井流体。如图1中所示，第一喷嘴35的第一进口通道36从第一区域55延伸，而第二喷嘴38的第二进口通道39从第二区域56延伸，该第二区域在引导钻井流体所朝着的区域的外面。当钻柱16旋转180度并且出口构件45保持对地静止时，则第二喷嘴38的第二进口通道39从第一区域55延伸。区域55和56被认为是对地静止的。

控制单元52适于，诸如从所连接或者结合的外部测量装置（例如MWD装置）获得取向数据，和/或经由与例如地面处的外部数据源进行通信。根据对于出口构件来说实际期望的取向数据，确定出口构件相对于钻柱所需要的那种相对旋转。

当钻柱16向右旋转时，为了使出口构件保持对地静止，要求相对于钻柱向左的旋转。旋转装置50可例如是有源驱动马达。

另一种选择是设定流动引导装置42一部分（例如支撑构件46或者出口构件45）的形状，以使得其通过使钻井流体流动到相对于钻柱相反的旋转中而被驱动。在后一情况中，对流动改向器的方向的控制可借助于受控的制动器来实现，该制动器将向左旋转降低到一定程度以使得钻柱的向右旋转被补偿，并且流动改向器指向到相对于大地的固定方向中。

在图2中，示出了在沿着图1中所示的井孔3向下看去的用于旋转装置的示意性电磁制动器结构。在特形接头14内布置有定子60，该定子可旋转地锁定到特形接头14。该定子还可与特形接头一体形成。转子64相对于定子60/特形接头14可旋转地布置。转子64包括当流体向前流动并且被偏转时施加扭矩的装置，例如叶片、翼或肋，从而当钻井流体沿着特形接头14向下流动时使转子相对于定子60旋转。对于这种装置的一种选择项通过唇部45a示意性示出，该唇部从出口构件45竖立起来。转子64的这种相对旋转通过箭头66表示。在钻井操作期间，井孔3中的特形接头14与定子60一起的旋转通过箭头68表示。定子60和转子64一起形成了电磁发电机，特别地，转子和定子中的一个包括永久磁体结构，而另一个包括电磁线圈结构。例如，定子可包括永久磁体结构，而转子包括电磁线圈结构，该电磁线圈结构在相对旋转期间与永久磁体结构相互作用，从而在电磁线圈结构的电极上产生电压，进而产生电能。该能量可在负载中被消耗。该负载可以例如是电阻器。取代将能量消耗为热量的是，其还可以至少部分地直接或通过为电池加载而给其他电设备提供动力。通过改变负载，例如连接到电极的电阻器，可控制旋转的阻力，从而电磁制动器可被调整成使得旋转64和68彼此补偿，以使得与图1实施例的出口构件45连接的转子64保持对地静止。该出口构件导致固体沿方向70上改向。

该实施例中的流动引导装置42可穿过钻柱16的内部而向上收回到地面。同样，流动引导装置42可穿过钻柱从地面引入，例如以在将其的收回之后更换流动引导装置。

在系统1的定向钻井操作期间，包含固体的钻井流体沿着钻柱16的内部被向下泵送。

包含固体的钻井流体适当地包括至少0.01wt%（重量百分比）的固体，尤其是至少0.05wt%的固体。适当地，钻井流体包括10wt%或更少的固体，尤其是5wt%或更少的固体，诸如2wt%或更少的固体。固体的适当浓度是在从0.02wt%到5wt%的范围内，尤其是在从0.05wt%到2wt%的范围内。

固体可以是已知用于钻井泥浆中的固体，例如重晶石、赤铁矿和/或刚玉。可替代地或者另外地，固体可包括可在磁场中偏转的固体，例如铁磁性、顺磁性或介电的固体。一个实例是钢。

固体优选地呈现为颗粒，该颗粒的尺寸不会阻塞钻柱和/或钻头中的通道或者喷嘴，但是提供了足够的惯性作用。适当地，至少90%的颗粒，优选基本上全部颗粒，更优选全部颗粒，穿过1mm的筛子，特别地穿过500μm的筛子，更特别地穿过212μm的筛子，甚至更特别地穿过150μm的筛子。包括在钻井泥浆中的用作磨损作用的颗粒适当地具有最小颗粒尺寸。适当地，这些颗粒的至少90%，优选这些颗粒的基本上全部，更优选这些颗粒的全部，不会穿过20μm的筛子，特别地不会穿过32μm的筛子，更特别地不会穿过450μm的筛子。颗粒尺寸的适当范围是介于45μm到150μm筛目之间的筛分部分，诸如介于75μm与125μm筛目之间的筛分部分。在此使用的筛子在ASTME11中有规定，并且适当的筛分方法在ASTMB214中有描述。

固体的比重比钻井流体的液相比重高。适当地，该比重是2000kg/m³或者更多，特别是3000kg/m³或更多，以及典型地小于20000kg/m³。

流动改向器、出口构件45通过控制单元52和旋转装置50的操作而保持对地静止，从而钻井流体被朝着中间空间32的第一区域55引导。在该中间空间中，钻井流体在第一喷嘴进口和第二喷嘴进口上进行分配。钻井流体中的固体具有较高的密度因而具有较高的惯性，并且对它们释放到中间空间中所沿的流动方向具有较长时间的记忆，因此，在重新分配期间，与相应的其他喷嘴相比，通过使其进口处于第一区域的相应喷嘴喷射出的流体中的固体含量相对增加。

在图3a和3b中，示出了对于随着时间推移的两个不同时刻，沿着图1中所示的井孔3向下看去的示意性视图。这些附图示出了井孔底部28的四个扇区，包括通过第三扇区83和第四扇区84间隔开的第一扇区81和第二扇区82。在随着时间推移的第一时刻，参见图3a，具有第一进口通道36的第一喷嘴35位于靠近地层5的点A的井孔底部的第一角形扇区81中。为了清楚起见，代替流动改向器45或者代替用于固体改向的任何其他装置的是，显示出固体改向的方向70。在该实施例中，朝向第一区域55的固体含量是通过惯性来增加的，并且第一进口通道36在随着时间推移的该时刻从该第一区域延伸。第二喷嘴38位于井孔底部的与扇区81相反的第二角形扇区82中，并且从中间空间的第二区域56接收流体，其在该第二区域中接收比第一区域55相对低的固体含量。图3b示出了随着时间推移的随后时刻，此时，钻头已经旋转成使得具有进口通道39的第二喷嘴38处于靠近点A的第一扇区81中并且从中间空间32的区域55接收具有高固体含量的钻井流体，该中间空间被认为是对地静止的。第一喷嘴35现在处于第二扇区82，并且从第二区域56接收流体。

调整提供给喷嘴的固体含量以使得第一扇区81中的固体含量与第二扇区82相比相对增加，这导致了第一扇区与第二扇区相比磨损作用更强。如果可以不考虑其他因素，则其提供了朝着点A侧面的定向钻井分量。

角形区域81、82、83、84在图中显示为井孔底部28的象限，第一扇区和第二扇区形成了相对的象限。应理解的是，第一扇区和第二扇区可有不同的选择；它们例如可以是相对的半圆，或者可以是两个共同形成了一个整圆的具有不同尺寸（角度）的互不包含的扇区。

对于具有圆形截面的中间空间，第一区域和第二区域可相对于代替井孔底部的这种圆形截面而被类似地限定。

现在参照图4，其示出了根据本发明的用于在地层5中定向钻出井孔3的方法和系统101的另一实施例。与图1的实施例基本上相同或类似的元件给出了相同的附图标记，并且参照上文中对它们的描述。对于与图1的差异，钻头110是牙轮钻头，该牙轮钻头具有三个牙轮，仅仅显示出这些牙轮中的用附图标记111、112表示的两个牙轮。牙轮112及其支撑腿以虚线显示，以表示该牙轮是在纸平面后面。第三牙轮（未示出）将通常在牙轮112的前面。喷嘴与各牙轮相关联，第一喷嘴35与第一牙轮111相关联，第二喷嘴38与第二牙轮112相关联，以及第三喷嘴与第三牙轮（未示出）相关联。喷嘴经由进口通道与钻头110的中间空间32连通。如与图1的实施例的另一差异，在中间空间32中布置有流动导向件133。该实施例中的流动导向件133是适于并且可布置在传统牙轮钻头中的插入件。该流动导向件133被布置成使得其可旋转地锁定到钻头，也就是说，其随着钻头110一起旋转。流动导向件133包括第一通道134和第二通道137，该第一通道在下游端部135处与通到第一进口通道36的进口协作，该第二通道在其下游端部138处与第二进口通道39协作。在图5中示出流动导向件133的横截面视图，表示出第三通道141与第三喷嘴连通。

该实施例中的流动导向件133可穿过钻柱16的内部而向上收回到地面。

该实施例的流动引导装置42包括出口构件145，该出口构件不同于图1中的出口构件45，其并不延伸到钻头110的中间空间32中。而是，其布置为将流体依次朝着流动通道134、137或141中的一个流动通道的上部端部（例如142、143）传送，这取决于钻头110和出口构件145的相对旋转位置。

通常的定向钻井操作实质上如图1的实施例中那样。

参照图7a和7b，以透视图和俯视图示意性示出了可替代的呈偏转装置101形式的流动引导装置。代替在上文中所讨论的实施例中的具有唇部45a的出口构件45的是，原则上可布置该偏转装置。如上文中所论述的那样，由于具有较高密度的固体的较高惯性，偏转装置用作固体改向器。偏转装置101具有用于接收沿着钻柱元件流动的流体的上游端部103、形成了用于流体的非轴向出口106的下游端部105、以及在上游端部与下游端部之间的流体流动路径108。流体流动方向通过箭头109表示。偏转装置绕着钻柱元件的轴线旋转，偏转装置可在正常操作期间布置在该钻柱元件中，该钻柱元件并未示出但是例如类似于上面所讨论的特形接头14。钻柱元件18的轴线与偏转装置101的轴线110一致。该实施例中的偏转装置101包括偏转构件112，该偏转构件形成了用于流体的至少部分螺旋的与流动108路径相一致的流动通道113。流动路径被布置成使得从上游端部流到下游端部的流体绕着轴线110施加扭矩。该扭矩通过力矢量115表示，该矢量并不横穿轴线110。

参照图8a和8b，以通过钻柱3的横截面示意性示出了可替代的用于固体改向的方法和装置。这些方法可在固体中的至少一部分在磁场中被偏转时而应用。于是，对地静止的磁场可用来将固体朝着第一区域55引导。对于这一点的一个示意性实施例在图8a中示出，并且是基于图2的电磁制动器的。然而，代替具有出口构件45的流动改向器的是，可布置磁体72。制动器的操作原则上如参照图2所讨论的那样，但是现在磁体将固体改向为沿方向70。磁体72是适当的永久磁体，以便不需要动力。

在图8b中，示意性示出了固体改向器的另一实施例。该实施例的固体改向器80包括多个连接到动力源控制单元的电磁线圈82，该动力源控制单元根据时间来激励各个线圈，以便获得有效的磁场，该磁场与特形接头14的旋转68相反地相对旋转，从而也在方向70上提供了对地静止的固体改向。该实施例的一个优点是其并不包括机械旋转部分，但是其需要电力源。

参照图6，示出了与井孔底部处两个相反侧面之间的有差异的钻井（DHM）作用相关的钻井半径的模型计算的结果。DHM可被限定为在相对侧面（直径上相对的点）处钻进速度（ratesofpenetration）之间的差异（用百分比表示）。对于15.2cm（6英寸）的钻头进行计算。图6示出了，非常小的有差异的钻井作用足以实现实际上有用的定向钻井效果。例如，仅仅0.1%的有差异的钻井足以获得仅仅150m的半径。该模型计算并不将钻柱的底部部分/井孔底部钻具组合（BHA）的刚度考虑在内。在本发明的实践中，该刚度可确定出可被钻出的最小半径；如果钻头具有半径较小的趋势，则它可将钻井系统设置到用于钻出通过BHA所确定的最小半径的模式。

实例

可在实验室钻井试验中进行实验。15.2cm的PDC型钻头可用于钻到石灰石中。

以每分钟60转（RPM）并且在10MPa的井下压力下进行钻井，其中钻头上的压降是7MPa，钻井流体的流速是700l/min。水被用作钻井流体，并且以不同的固体含量（基于总钻井流体的体积百分比）将100μm且颗粒密度为4kg/l的的刚玉颗粒添加到水中。在表格1中示出了浓度。钻压（WOB）值也得以改变。ROP是在钻井流体中存在固体（固体的ROP）的情况下测量的。为了进行对比，也在对固体进行测量之前和之后、在没有固体的情况下测量ROP，并且这些测量结果的平均值作为“没有固体的ROP”也在表1中给出。

表1

实验表明：钻进速度随着钻井流体中的固体增加而显著增加。在相同的WOB下，“有固体的ROP”相比于“没有固体的ROP”的相对增加随着固体含量增加而增大，（相比于实验1中的8%，在实验2中增加18%）。在非常低的WOB下，此时钻头的正常钻井进度很小的，相对增加更加显著。

通常，钻进速度与所施加的钻压相关。这种相关性对于大范围的WOB而言典型地是基本上线性的，并且通过本发明的方法，其优选地在该线性范围内操作。

实验证明：相比于第二扇区中的喷嘴，向井孔底部第一扇区中的喷嘴提供更高固体含量提供了有差别的ROP，并且导致了定向钻井作用。

例如参照图1和4进行说明那样，当固体含量借助于流动引导装置而增加时，流过特定喷嘴的流体流动的参数通常与固体含量一起被调整。例如，同时增加钻井流体穿过接收较高固体含量的喷嘴的流速。已经发现，对于PDC钻头，所增加的流速也增加了钻进速度，所以这两种作用都对在相同方向上进行定向钻井作用作出贡献。对于牙轮钻头，也发现，流过喷嘴的流速增加导致了瞬时ROP降低（即在一次旋转或者更少的时间范围下的ROP），从而导致了在相反方向上的定向钻井作用。当固体被添加到钻井流体时，在获得与PDC钻头相同方向上的定向钻井作用之前，在借助于流动改向来使固体改向的情况下可能需要某一最小含量。显然，如果固体含量被调整而不影响流速，则这些考虑事项并不适用。

如果没有期望进行定向钻井，则可通过将固体改向器从对地静止位置取出或者不操作，从而钻出直孔。例如，这是一种与钻头一起旋转的旋转固体改向器(例如旋转流动改向器)或者旋转永久磁体情况。

本发明并不限于如上面所描述的实施例，其中在所附权利要求的范围内可想到各种变型。例如，实施例的特征可相组合。

Claims (14)

1.一种控制在地下地层(5)中钻出井孔(1)的钻井方向的方法，该方法包括：

-提供管状钻柱(16)；

-提供钻头(10)，所述钻头连接到钻柱(16)的下端部，所述钻头包括形成钻头端面(26)的机械切削装置(24)，包括用于喷射钻井流体的多个喷嘴(35、38)，所述多个喷嘴布置在相对于钻头端面(26)的不同方位角位置处，以及包括处于钻头的进口端口(30)与多个喷嘴(35、38)之间的中间空间(32)，每个所述喷嘴具有用于与中间空间(32)流体连通的喷嘴进口(36、39)，在钻头(10)旋转期间，所述喷嘴进口(36、39)从所述中间空间(32)延伸；

-当使包含固体的钻井流体经由钻柱(16)流过所述多个喷嘴(35、38)时，使钻头(10)旋转从而加深井孔；以及

-当使钻头旋转时改变流过所述多个喷嘴(35、38)的钻井流体部分的固体含量，改变固体含量的步骤通过下述方式实现：通过使用惯性作用将钻井流体引导到所述中间空间(32)的第一区域(55)中，以增加所述第一区域(55)相对于中间空间(32)的第二区域(56)的固体含量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，当使钻头旋转时改变流过所述多个喷嘴(35、38)的钻井流体部分的固体含量的步骤适于使得对于流过每个所述喷嘴(35、38)的钻井流体部分来说在相应喷嘴在井孔底部的选定的第一角形扇区中时的固体含量与当所述相应喷嘴处于井孔底部的选定的第二角形扇区中时流过所述相应喷嘴的钻井流体部分的固体含量相比相对增加。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在旋转期间保持钻井流体同时流过所述多个喷嘴。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，设置具有出口构件(45)的流动引导装置(42)，以用于引导所述钻井流体，所述方法还包括在钻头(10)的至少一个旋转期间将出口构件(45)保持在对地静止的位置中。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：

将流动导向件(133)设置在中间空间(32)中，以及

使流动导向件(133)随着钻头(10)一起旋转，所述流动导向件包括第一通道(134)和第二通道(137)，每个通道在旋转时间周期期间根据出口构件(45)和钻头(10)的相对旋转位置分别在上游端部处与出口构件(45)协作，而在下游端部处与第一喷嘴进口(36)和第二喷嘴进口(39)协作。

6.根据权利要求1所述的方法，

其中，钻井流体中的固体的至少一部分是磁性的，以及

其中，改变固体含量的步骤包括：施加旋转磁场，以将固体的所述至少一部分改向成朝着中间空间(32)的第一区域(55)。

7.一种定向钻出井孔(1)的系统，所述系统包括：

－钻柱元件，所述钻柱元件用于使包含固体的钻井流体流过；

－钻头(10)，所述钻头连接到所述钻柱元件，所述钻头包括钻头本体(20)、形成钻头端面(26)的机械切削装置(24)、用于从钻柱元件接收钻井流体的进口端口(30)、用于喷射钻井流体的多个喷嘴(35、38)、以及处于进口端口与所述多个喷嘴之间的中间空间(32)，所述多个喷嘴相对于钻头端面(26)布置在不同方位角位置处，每个所述喷嘴具有用于与中间空间(32)流体连通的喷嘴进口(36、39)；以及

－改向器，所述改向器用于将所述固体的至少一部分引导到中间空间(32)的第一区域(55)，在钻头(10)相对于改向器相对旋转期间，与中间空间的第二区域(56)相比，喷嘴进口(36、39)之一相继地从所述第一区域延伸，其中，改向器适于通过下述方式改变固体含量：通过使用惯性作用将钻井流体引导到所述中间空间的第一区域中，以增加所述第一区域(55)相对于中间空间的第二区域(56)的固体含量。

8.根据权利要求7的系统，其中，所述改向器包括：

－流动引导装置(42)，所述流动引导装置的至少一部分设置在钻柱元件中，所述流动引导装置包括出口构件(45)，所述出口构件相对于钻头(10)能旋转地布置，所述出口构件布置为将钻井流体引导到中间空间(32)的第一区域(55)中；以及

-用于控制出口构件(45)相对于钻头(10)的相对旋转的控制装置。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述出口构件(45)延伸到中间空间(32)中。

10.根据权利要求8所述的系统，还包括流动导向件(133)，所述流动导向件以相对于钻头(10)能旋转锁定的构造设置在中间空间(32)中，所述流动导向件(133)包括第一通道(134)和第二通道(137)，每个通道适于根据出口构件(45)与钻头(10)的相对旋转位置分别在上游端部处与出口构件协作，而在下游端部(135、138)处与喷嘴进口(36、39)协作。

11.根据权利要求7所述的系统，

其中，钻井流体中的所述固体的至少一部分是磁性的；以及

其中，所述改向器包括用于将固体的所述至少一部分改向成朝着中间空间(32)的第一区域(55)的磁体(72)。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述磁体(72)是相对于钻头(10)能旋转的永久磁体，或者是带有能够产生旋转磁场的驱动器单元的电磁体。

13.根据权利要求7所述的系统，其中，所述改向器包括弯曲的流动路径。

14.根据权利要求7所述的系统，其中，所述改向器的至少一部分通过钻柱元件能收回或者能更换。