CN104169514A - 用于钻取井筒以及地下压裂的钻头 - Google Patents

Abstract

一种钻头40，用于钻取井筒22并且能够用于压裂井筒22周围的地下地层24。在钻头主体54上包括有封隔器82，封隔器82用于在压裂期间密封井筒壁。钻头40中的腔室64容纳阀组件62，阀组件用于选择性地使流体在用于钻井和用于压裂之间转向。流体经由附接到钻头40的上端上的钻柱26输送。通过选择性地调节在钻柱26中流动的流体的量和/或压力，阀组件62能够在钻井构造和压裂构造之间来回运动。

Description

用于钻取井筒以及地下压裂的钻头

发明人：Shaohua Zhou(S·周)

受让人：Saudi Arabian Oil Company(沙特阿拉伯石油公司)

技术领域

本发明涉及用于形成井筒的钻地钻头。更具体地，本发明涉及具有封隔器的钻头，在地层中钻取井筒的同时能够选择性地部署封隔器而压裂地下地层。

背景技术

生产烃的井筒在地面下延伸并且与圈闭有烃的地下地层交叉。井筒通常是通过位于钻柱末端的钻头来产生的，通常，位于井筒开口上方的驱动系统使钻柱和钻头旋转。通常在钻头上设置有切削元件，随着钻头旋转，切削元件刮除井筒的底部且从地层中挖掘材料，从而将井筒加深。钻井流体通常沿钻柱向下泵送并且从钻头引入井筒，然后钻井流体在钻柱与井筒壁之间的环隙中沿井筒向上回流。钻井流体冷却钻头，维持井中的期望压力，当沿井筒向上流动时携载了在挖掘时产生的钻屑。

为了改善烃从地层到井筒的流动，有时从井筒壁到地层中形成裂缝。通常是通过将高压流体注入井筒中并且密封井筒的一部分来进行压裂的。压裂一般在井筒中的压力超过地层中的岩石强度时开始。通常通过注入诸如砂或树脂涂层颗粒等支撑剂(proppant)支撑裂缝；支撑剂通常还用于阻断从地层向井筒产出砂或其它颗粒物质。

发明内容

本文描述了钻地钻头，其用于钻取井筒并且能够用于压裂井筒周围的地下地层。在实例中，钻地钻头包括主体、用于将钻头选择性地附接到钻柱的连接件。腔室位于主体中且与钻柱的内部选择性地流体连通。钻头还包括出口喷嘴，所述出口喷嘴在所述主体的外表面上具有排放口；所述出口喷嘴与所述腔室选择性地连通。压裂口位于钻头上，压裂口在所述主体的外表面上具有排放口并且与所述腔室选择性地连通。钻头中还包括位于腔室中的阀组件，阀组件能够选择性地从将所述压裂口与腔室之间的流体连通阻断的钻井位置移动到将所述出口喷嘴与腔室之间的流体连通阻断的压裂位置。在实施例中，阀组件包括套管、安装在套管中的细长柱塞以及套管中的孔。在该实例中，当所述阀组件处于所述钻井位置时，所述套管的实心部分设置为与所述腔室与所述压裂口之间的接口邻近，从而阻断所述腔室与压裂口之间的流体连通。二者择一地，当所述阀组件处于所述压裂位置时，所述孔与所述压裂口对准并且所述柱塞的端部密封所述出口喷嘴与所述腔室之间的接口。在一个实例中，通过使指定量的流体流经钻柱而进入钻头，阀组件能够从钻井位置移动到压裂位置。钻头还可包括在腔室中位于套管的端部处的弹簧，弹簧用于将阀组件从压裂位置移动到钻井位置。任选地，柱塞是大致柱形的并且借助腹板部件与套管同轴地连接，腹板部件在柱塞和套管之间沿径向延伸。在一个替代的实施例中，钻头还包括能够选择性扩张的封隔器，所述封隔器设置在所述主体上，使得当所述封隔器与所述钻柱中的增压流体连通时，所述封隔器沿径向向外扩张而与井筒的内表面密封接触。钻头可包括刮板，刮板固定到主体的外表面上，具有与主体的轴线大致平行设置以在相邻刮板之间限定通道的细长侧部。在该实例中，还包括滑动刮板，滑动刮板位于所述主体的外表面上，并且能够选择性地移入移出所述通道。在一个实施例中，滑动刮板借助连杆机构连接到套管，连杆机构延伸贯穿主体中的槽。

本文还公开了钻地钻头的实例，其由如下部分构成：主体，其具有与钻柱选择性附接的连接件；腔室，其位于所述主体中且与所述钻柱中的环隙连通；排放喷嘴，其位于所述主体上且与所述腔室选择性地连通；以及密封元件，其位于所述主体上，当所述钻头设置在井筒中时，所述密封元件选择性地沿径向向外扩张而与井筒壁的内表面密封接合。密封元件可以包括封隔器，封隔器被来自钻柱的环隙的流体填充以沿径向向外扩张。钻头还可以具有阀组件，所述阀组件设置在所述腔室中且用于提供所述腔室与所述排放喷嘴之间的连通。在该实例中，排放喷嘴是压裂口，并且阀组件包括套管，所述套管具有沿径向形成的孔并且能够从阻断位置移动到连通位置，在所述阻断位置，所述套管的实心部分与所述压裂口和腔室之间的接口邻近以阻断所述腔室与压裂口之间的连通，在所述连通位置，所述孔与所述接口对准以使所述压裂口通过所述孔与所述腔室连通。排放喷嘴可以是钻井流体喷嘴，在该实例中，所述阀组件包括大致柱形的柱塞，所述柱塞能够移动而与所述钻井流体喷嘴和腔室之间的接口邻近从而阻断所述腔室与钻井流体喷嘴之间的连通。在可选的实施例中，所述排放喷嘴是钻井流体喷嘴，所述钻头还包括压裂口，并且当所述钻头被操作而钻取井筒时，所述阀组件阻断所述压裂口与所述腔室之间的连通并且打开所述钻井流体喷嘴与所述腔室之间的连通，并且当所述钻头被操作而压裂所述井筒时，所述阀组件打开所述压裂口与所述腔室之间的连通并且阻断所述钻井流体喷嘴与所述腔室之间的连通。可选地，所述排放喷嘴包括钻井流体喷嘴，在该实例中，钻头还包括设置在所述钻井流体喷嘴与所述主体上的所述连接件之间的压裂口。

附图说明

为了实现以及能够具体理解本发明的上述特征、方案和优点以及变得显然的其他特征、方案和优点，下面参考在附图中图示说明的本发明的实施例对上文简要概述的本发明做更具体的描述，附图构成本说明书的一部分。然而，值得注意的是，附图仅图示了本发明的优选实施例，因此，不应视为是对本发明范围的限制，因为本发明可容许有其他同等有效的实施例。

图1是使用具有根据本发明的钻头的钻井系统来形成井筒的示例性实施例的侧面局部剖视图。

图2是根据本发明的图1的钻头的实例的侧视图。

图3是根据本发明的图2的钻头的实例的轴向剖视图。

图4是根据本发明的处于密封构造的图2的钻头的实例的侧试图。

图5是根据本发明的在压裂步骤期间的图2的钻头的实例的侧面局部剖视图。

图6是根据本发明的在压裂步骤期间的图1的钻井系统和钻头的实例的侧面局部剖视图。

图7是根据本发明的井筒中多个区域具有裂缝的图6的钻井系统和钻头的实例的侧面局部剖视图。

具体实施方式

在图1的侧面局部剖视图中提供了钻井系统20的示例性实施例。在图1的实例中，钻井系统20显示为贯穿地层24形成井筒22。图示的钻井系统20包括细长的钻柱26，钻柱接收来自驱动系统28的旋转力，驱动系统28示意性地显示为在地面上且在井筒22的开口上方。驱动系统28的实例包括顶部驱动器以及旋转台。多段钻管30通过螺纹连接在一起而形成钻柱26的上部。可选的钻柱旋转头(swivel master)32示意性地图示在钻管30的下端。众所周知的是，钻柱旋转头32的应用允许钻柱26的在钻柱旋转头32上方的部分旋转而不向钻柱旋转头32下方的钻柱26施加任何旋转或转矩。钻柱旋转头32的下端显示为连接到定向钻井组件34的上端，定向钻井组件34能够装备有用于使钻柱26的下端转向的陀螺仪或其他方向型装置。还任选地提供了与定向钻井组件34的下端相连的增强器36。在一个实例中，压力增强器36接收增压流体并且在更大压力下排出流体。

钻头组件38的实例显示为安装到增强器36的下端上，并且包括显示为刮板钻头或固定钻头的钻头40，但是还可以包括延伸式计量器旋转锥型钻头(extended gauge rotary cone type bit)。切削刮板42顺着钻头40的外表面沿轴向延伸并且显示为具有切削器44，切削器44可以是柱形形状的部件，或者还可以任选地由多晶金刚石材料形成。在图1的钻头40上还设置有喷嘴46，喷嘴46显示为散布在切削器44之间并用于在钻井操作期间从钻头40排出钻井流体。众所周知的是，从喷嘴46流出的流体不仅对由于岩石切削动作而产生热量的切削器44提供冷却而且在钻屑产生时水力地冲走钻屑，钻井流体还沿井筒22向上再循环且携载走在挖掘井筒22时形成的岩层钻屑。钻井流体可以从显示为位于地面上的存储罐48提供，存储罐48经由线路50将流体引入钻柱26中。

图2图示了图1的钻头40的实例的放大侧面剖视图。图2的钻头40是按钻井模式描绘的，其中诸如来自存储罐48(图1)的流体通过钻柱26被引入钻头40，并且从喷嘴46排出。压裂喷嘴52显示为形成在钻头40的主体54中。除了设有固定的刚性刮板42之外，在钻头40上还设有安装到主体54上且位于压裂喷嘴52上方的滑动刮板56。滑动刮板56显示为具有与钻头40的轴线A_X大致平行的细长侧部的部件，滑动刮板可以任选地向下滑动而进入也设置在压裂喷嘴52上方的槽58中。套环60安装到钻头40的上端上，套环包括用于密封井筒22的装置，下面将对套环进行更详细的说明。

阀组件62显示为设置在设于钻头主体54内的腔室64内。阀组件62由环形套管66构成，环形套管在腔室64内同轴地设定并且能够在腔室中沿轴向滑动。口68显示为横向地贯通套管66的侧壁而形成，当处于图2中的钻井构造时，口68与主体54的实心侧壁部邻近。阀组件62还包括有细长柱塞70，并且显示的细长柱塞70设定为与钻头40的轴线A_X大致对准。在一个实例中，柱塞70具有大致柱形的构造。环形壁72形成在腔室64的下端上，显示为与柱塞70大致同轴。在图2的实例中，壁72具有从腔室64的外表面沿径向向内设定的外周，从而在壁72与腔室64的壁之间限定环形空间。任选地，弹簧74显示为设定在壁72与腔室64的周边之间的环形空间内。如下所述，弹簧74可以提供向上推挤套管66的推挤力。显示的一系列通道76从腔室64的下端延伸贯穿钻头主体54。通道76转变成出口喷嘴46，用于从钻头40中排出钻井流体。在图2中示意性地图示出连杆机构78，显示的连杆机构78将套管66的外表面与滑动刮板56连接。如下面更详细说明的，套管66的轴向移动因此还能够引起刮板56的对应移动。

图3是沿着图2的线3-3截取的，提供了钻头40和阀组件62的一部分的轴向剖视实例。在该实例中，腹板80沿径向从柱塞70的外表面向外延伸，跨过柱塞70与套管66之间的环隙，并且与套管66的内表面连接。腹板80在结构上将柱塞70与套管66相连并且将环隙再划分成弯曲部分。

现在参考图4，图示了开始压裂地层24的步骤的钻井系统20的实例。在图4的实例中，显示的钻头40处于井筒22中的与指定区域Z邻近的深度，在该指定区域试图进行压裂。在该压裂实例中，喷嘴46闭合，从而限制流体通过喷嘴46离开钻头40。对比而言，并且如上文所述，显示的压裂喷嘴52设定到打开位置，而使流体可以通过压裂喷嘴52从钻头40排出。在图4的实例中，套环60任选地显示在钻柱26上并且与钻头40的上端邻近。在套环60的外周上设置有封隔器82，显示的封隔器82是膨胀的且从套环60沿径向向外扩张并且密封接合在井筒22的内表面之内。封隔器82在膨胀且密封井筒22时限定了环形空间84的上末端。空间84的内径和外径分别终止于钻头40和井筒22，并且空间84的下端终止于井筒22的底部。因此，空间84相对于井筒22的位于套环60之上的部分是密封的。在实例中，在形成密封空间84之后，流体从压裂喷嘴52排入空间84中，从而对空间84增压并且对地层24施加的应力超过岩石地层24中的抗张应力。

钻头40能够从图2的钻井构造选择性地转换成压裂构造；在图5的侧面剖视图中更详细地示出了压裂构造。在压裂构造中，阀组件62已经沿轴向向下移动而使柱塞70的下端插入壁72的内表面内。因此，柱塞70阻断流入通道76的流动，从而终止了来自于出口喷嘴46的流动。弹簧74处于压缩构造并且由于套管66的向下移动而轴向变形。在图5的实例中进一步图示了随着套管66的移动，口68向下沿轴向移动且与压裂喷嘴52对准。因此，从钻柱26进入腔室64的流体随后能够从压裂口52向外流出并且进入钻头40与井筒22的侧壁之间所限定的空间中。

通过迫使来自钻头40的流体进入密封空间84，可在地层24内开始压裂步骤。任选地，可以启动增强器36，用于将在钻柱26内流动的流体的压力增大，从而确保空间84中的压力克服地层24的抗张强度。参考图6的实例，显示出响应于密封空间84的增压，裂缝86在井筒壁处开始形成之后延伸进入地层24。在图6的实例中，图示的流体88位于空间84中并且通往裂缝86。在一个实例操作中，流体88可以是钻井流体，但是还可以是专用压裂流体。在一个实例中，流体88是固态无酸盐水或其他非损害类的流体。在一个实例中，在压裂地层24的步骤中，大约100桶(barrel)至大约150桶的流体从压裂喷嘴40中排出。另外任选地，可以在压裂流体中包含支撑剂，用于保持裂缝86处于打开位置来增强渗透性，且用于圈闭可能会从地层24流入井筒22的砂。虽然显示裂缝86处于大致水平的位置，可存在其他实施例：裂缝定向为沿着最小水平主应力的平面延伸，使得能够形成进一步延伸进入岩层而远离井筒壁的多个横向裂缝。此外，可在压裂期间启动主转体32，使得钻柱26的位于主转体32之上的部分可以继续旋转，而不使主转体32之下的部分旋转。使主转体32之上的钻柱26旋转能够避免钻柱26贴到井筒22的壁。

任选地，如图7所示，钻井系统20(还可以称为钻井与压裂系统)可以在形成第一裂缝86之后继续钻井，并且反复执行形成裂缝的过程。如此，在图7的实例中，显示形成了在井筒22内的沿轴向间隔开的位置处的一系列裂缝86_1-n。进一步在图7的实例中示出了封隔器82(图6)已经缩回并且安放在套环60附近，从而允许钻头40自由地旋转并且使井筒22进一步加深。

因此，本文所描述的本发明非常适合于实现上述目标以及实现所提及的目的、优点以及本发明所具有的其他目标。虽然出于公开的目的给出了本发明的当前优选的实施例，但为了实现期望结果，步骤细节上可以存在多方面改变。例如，可以包括将隔离装置锁定在适当位置处的锁定机构。而且，可以任选地包括剪切销以允许隔离装置在受到拉动时松开。这些以及其他相似的变型对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且应被包含在本文披露的本发明的主旨和随附权利要求书的范围之内。

Claims (17)

1.一种钻地钻头40，包括：

主体54；

连接件，其能够选择性地附接到钻柱26；

腔室64，其位于主体54中且与所述钻柱26的内部选择性地流体连通；

出口喷嘴46，其在所述主体54的外表面上具有排放口并且与所述腔室64选择性地连通；

压裂口52，其在所述主体54的外表面上具有排放口并且与所述腔室64选择性地连通；以及

其特征在于，

所述腔室64中的阀组件62能够选择性地从将所述压裂口52与腔室64之间的流体连通阻断的钻井位置移动到将所述出口喷嘴46与腔室64之间的流体连通阻断的压裂位置。

2.如权利要求1所述的钻头40，其特征在于，所述阀组件62包括套管66、安装在所述套管66中的细长柱塞70以及所述套管66中的孔68。

3.如权利要求2所述的钻头40，其特征在于，当所述阀组件62处于所述钻井位置时，所述套管66的实心部分设置为与所述腔室64与所述压裂口52之间的接口邻近，从而阻断所述腔室64与压裂口之间的流体连通。

4.如权利要求2或3所述的钻头40，其特征在于，当所述阀组件62处于所述压裂位置时，所述孔68与所述压裂口52对准并且所述柱塞70的端部密封所述出口喷嘴46与所述腔室64之间的接口。

5.如权利要求2-4中任一项所述的钻头40，其特征在于，通过使指定量的流体流经所述钻柱26且进入所述钻头40，所述阀组件62能够从所述钻井位置移动到所述压裂位置。

6.如权利要求2-5中任一项所述的钻头40，其特征还在于，在所述腔室64中位于所述套管66的端部处的弹簧74用于使所述阀组件62从所述压裂位置移动到所述钻井位置。

7.如权利要求2-6中任一项所述的钻头40，其特征在于，所述柱塞是大致柱形的并且借助腹板部件80与所述套管66同轴地连接，所述腹板部件80在所述柱塞与所述套管66之间沿径向延伸。

8.如权利要求1-7中任一项所述的钻头40，其特征还在于，能够选择性扩张的封隔器82，所述封隔器82设置在所述主体54上，使得当所述封隔器82与所述钻柱26中的增压流体连通时，所述封隔器82沿径向向外扩张而与井筒22的内表面密封接触。

9.如权利要求1-8中任一项所述的钻头40，其特征还在于：刮板42和滑动刮板56，刮板42固定到所述主体54的外表面上，具有与所述主体54的轴线大致平行地设置以在相邻刮板42之间限定通道58的细长侧部；滑动刮板56位于所述主体54的外表面上，并且能够选择性地移入移出所述通道58。

10.如权利要求9所述的钻头40，其特征在于，所述滑动刮板56借助连杆机构78连接到所述套管66，所述连杆机构78延伸贯穿所述主体54中的槽。

11.一种钻地钻头40，包括：

主体54，其具有与钻柱26选择性附接的连接件；

腔室64，其位于所述主体54中且与所述钻柱26中的环隙连通；

排放喷嘴，其位于所述主体54上且与所述腔室64选择性地连通；以及

其特征在于，

密封元件，其位于所述主体54上，当所述钻头40设置在井筒中时，所述密封元件选择性地沿径向向外扩张而与所述井筒22的壁的内表面密封接合。

12.如权利要求11所述的钻头40，其特征在于，所述密封元件包括封隔器82，所述封隔器被来自所述钻柱26的所述环隙的流体填充而沿径向向外扩张。

13.如权利要求11或12所述的钻头40，其特征还在于，阀组件62，所述阀组件62设置在所述腔室64中且用于提供所述腔室64与所述排放喷嘴之间的连通。

14.如权利要求13所述的钻头40，其特征在于，所述排放喷嘴包括压裂口52，并且所述阀组件62包括套管66，所述套管具有沿径向形成的孔68并且能够从阻断位置移动到连通位置，在所述阻断位置，所述套管66的实心部分与所述压裂口52和腔室64之间的接口邻近以阻断所述腔室64与压裂口52之间的连通，在所述连通位置，所述孔68与所述接口对准以使所述压裂口52通过所述孔68而与所述腔室64连通。

15.如权利要求13或14所述的钻头40，其特征在于，所述排放喷嘴包括钻井流体喷嘴46，并且所述阀组件62包括大致柱形的柱塞70，所述柱塞70能够移动至与所述钻井流体喷嘴46和腔室64之间的接口邻近从而阻断所述腔室64与钻井流体喷嘴46之间的连通。

16.如权利要求13-15中任一项所述的钻头40，其特征在于，所述排放喷嘴包括钻井流体喷嘴46，所述钻头40还包括压裂口52，当所述钻头40被操作而钻取井筒时，所述阀组件62阻断所述压裂口52与所述腔室64之间的连通并且打开所述钻井流体喷嘴与所述腔室64之间的连通，当所述钻头40被操作而压裂所述井筒22时，所述阀组件62打开所述压裂口52与所述腔室64之间的连通并且阻断所述钻井流体喷嘴与所述腔室64之间的连通。

17.如权利要求11所述的钻头40，其特征在于，所述排放喷嘴包括钻井流体喷嘴46，所述钻头40特征还在于，设置在所述钻井流体喷嘴与所述主体54上的所述连接件之间的压裂口52。