CN104364459B - 用于定向钻井的方法和系统以及联接短接 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于沿着预定轨迹在地层中定向钻出井眼的系统和方法。这种方法包括以下步骤：提供定向钻井系统，该定向钻井系统包括：可旋转的钻柱，所述钻柱包括第一钻柱段和第二钻柱段；钻头，所述钻头连接到钻柱的井下端部；和联接短接，所述联接短接包括连接到第一钻柱段的第一端部和连接到第二钻柱段的第二端部；铰接构件，所述铰接构件位于第一端部和第二端部之间，从而允许第二端部相对于第一端部枢转；和锁定装置，所述锁定装置能够在铰接模式和锁定模式之间操作，所述锁定模式用于锁定铰接构件，以防止第二端部相对于第一端部枢转；在锁定装置处于锁定模式中的情况下，操作定向钻井系统以钻出轨迹的大体直线段；以及在锁定装置处于铰接模式中的情况下，操作定向钻井系统以钻出轨迹的曲线段。

Description

用于定向钻井的方法和系统以及联接短接
技术领域
本发明涉及用于定向钻井的方法和系统，以及涉及适于这种系统的联接短接。钻井系统可以是磨料射流钻井系统。可以应用这种方法和系统以钻出用于生产烃的井眼。
背景技术
磨料射流钻井系统可以包括可旋转的钻柱和连接到钻柱的井下端部的钻头。所述钻头可以包括至少一个射流喷嘴，用于产生一股或者多股由钻井流体和磨料颗粒构成的混合物的射流。钻柱设置有流体通道，用于将钻井流体从地面处的井口端传送到钻头。
例如在WO 2005/005767中讨论了这种钻井系统。WO-2005/005767的射流钻井系统可被引入到井眼中，以便使用从喷嘴排放的一股或多股磨料射流侵蚀井眼的底部。磨料颗粒可以在钻井系统中循环，并且可以混合在钻井流体中被引入在钻柱中。可替代地，可以使用井下再循环装置使磨料颗粒再循环。在此，较少的颗粒必须来回行进到地面，从而削减成本并且提高效率。
磨料射流钻井系统既能够产生直线井眼又能够产生曲线井眼。然而，传统的导向技术通常不适于射流钻井系统。例如，对于磨料射流，磨料射流钻井要求较高的钻井流体压力。另外，磨料射流钻井可以排除对如在传统钻井系统中那样对钻头施加钻压(WOB)或者转矩的要求。
不需要钻压允许钻柱或者钻井组件的柔性应用，从而使得能够钻出具有相对小半径的曲线段。然而，当钻井眼的直线段时，钻柱和钻井组件优选地相对刚性。刚性的钻井组件更加适于保持直线钻井方向，这是因为刚性的钻井组件具有很小或者没有偏离直线的运动自由度。相比而言，柔性的钻井组件则更适于沿着任何期望方向钻井，并且因此对于井眼的曲线段而言是优选的。
发明内容
本发明旨在提供一种改进的磨料射流钻井系统，其适于钻出直线段且适于定向钻井。
因此，本发明提供了一种联接短接，所述联接短接用于在定向钻井系统中将第一钻柱段连接到第二钻柱段，所述联接短接包括：
-第一端部，所述第一端部能够连接到第一钻柱段；
-第二端部，所述第二端部能够连接到第二钻柱段；
-铰接构件，所述铰接构件位于第一端部和第二端部之间，从而允许第二端部相对于第一端部枢转；和
-锁定装置，所述锁定装置能够在铰接模式和锁定模式之间操作，所述锁定模式用于锁定铰接构件，以防止第二端部相对于第一端部枢转。
联接短接适于被包括在一钻柱中，所述钻柱包括至少两个邻接的钻柱段。联接短接使得所述钻柱段彼此连接，并且允许钻柱段根据旋转轴线相对于彼此旋转，所述旋转轴线相对于钻柱的纵向方向横向定向。锁定装置具有：锁定模式，所述锁定模式用于将钻柱段锁定在对准位置中；和自由模式，所述自由模式用于允许钻头部分相对于彼此旋转。在此，铰接构件在铰接模式和锁定模式中均将转矩从第一钻柱段传递到第二钻柱段。在锁定模式中，钻柱段轴向对准。在铰接模式中，铰接构件允许第二钻柱段的轴线相对于第一钻柱段的轴线成一角度。联接短接例如用作万向接头，所述万向接头能够锁定在对准布置中。在一个实施例中，第一钻柱段和第二钻柱段之间的所述角度可以处于大约2-20度的范围内，例如大约5-10度的范围内。
根据本发明的联接短接可以一体结合在钻柱中或者一体结合在钻井组件中，从而允许钻柱或者钻井组件在两种模式之间转换。当钻直线井眼段时，钻柱段被锁定成相对于彼此成对准关系。当钻井眼的曲线段时，不锁定钻柱段，从而允许铰接构件枢转。这增加了钻柱的灵活性，从而允许钻柱遵循曲线轨迹。在铰接模式中，钻柱能够沿着井壁的方向或者抵靠井壁弯曲。在此，钻头的轴线和井眼的轴线之间的角度将改变。所述角度与第一钻柱段和第二钻柱段之间的角度基本成比例地变化。结果，井眼的底部将被不均匀地侵蚀，从而产生了相对于井眼轴线的角度。钻井系统使得钻头能够遵循这个角度并且改变钻井方向。
在实施例中，本发明的联短接包括在钻柱中。
能够以不同方式获得钻柱的灵活性。根据第一可行方案，联接装置包括弹簧装置，诸如具有相反卷绕方向的同轴螺旋弹簧。根据另一个可行方案，联接装置包括万向接头。
在所有这些实施例中，钻柱部分均具有贯穿通道部分，所述贯穿通道部分通过延伸贯穿联接装置的软管道导彼此连接。通过所述软管道，流体流连同包含在其中的磨料颗粒能够被可靠地传递通过钻柱的柔性部分。
还能够以各种方式实施锁定装置。根据一个优选实施例，锁定装置包括锁定套筒，所述锁定套筒由钻柱部分中的一个钻柱部分承载，以使得所述锁定套筒能够根据所述钻柱部分的纵向方向平移，所述锁定套筒和其它钻柱部分包括面对的锁定表面，从而在锁定套筒的缩回位置中，所述锁定表面彼此相距一段距离，并且钻柱部分能够相对于彼此旋转，而在延伸位置中，所述面对的表面相互接合，以防止钻柱部分相互旋转。优选地实施匹配的锁定表面，以使得在钻柱部分之间获得牢固的连接。因此，优选地，匹配的表面成圆锥状。
而且，承载锁定套筒的钻柱部分可以包括致动器，所述致动器用于使得所述锁定套筒移动。优选地，承载锁定套筒的钻柱部分的圆周和锁定套筒的圆周相对于彼此密封。这种密封防止钻屑等进入到钻柱中。而且，为此，承载锁定套筒的钻柱部分可以设置有：固定的阻挡环，所述阻挡环包围锁定套筒；密封件，所述密封件设置在所述阻挡环和另一钻柱部分之间。
优选地，联接短接设置成包括钻柱段、铰链装置和锁定装置，所述联接短接连接到钻柱和钻头并且定位在钻柱和钻头之间。一个或多个联接短接能够被包括在钻柱中、在沿着钻柱的任何期望需位置中。在实践的实施例中，至少一个联接短接被包括在钻柱中、相对靠近钻头，即，至少一个联接短接被包括在钻柱的井下端处，或者可替代地，被包括在底部钻具组合(BHA)中。
BHA是钻柱的井下部分，其包括(在竖井中自上而下)钻头、钻头短接、泥浆马达(仅仅在某些情况中)和稳定器。底部钻具组合为钻工提供了对井的定向控制。BHA可以包括定向钻井和测量设备、随钻测量工具、随钻测井工具和其它指定装置。
在一个实施例中，能够从地面控制联接短接以在铰接模式和锁定模式之间变化。联接短接可以设置有：井下控制单元，其用于控制锁定装置；和发信号装置，其用于向控制单元提供信号，其中，控制装置适于响应由发信号装置提供的信号而使得锁定装置从铰链位置转移到锁定位置，或者反之亦然。
为了选择定向模式或者直线模式，存在若干可行方案来用于触发锁定套筒的运动。例如，发信号装置可以包括：用于感测压力脉冲模式的压力传感器；用于感测钻柱旋转模式的旋转传感器；或者用于感测钻压模式的应变计。根据这些可行方案之一，在地面处产生能够由联接短接的传感器检测的压力脉冲模式。可替代地，可能在地面处产生由发信号装置检测的钻柱旋转模式。在这种情况中，使用旋转信号。如果发信号装置包括负荷传感器(诸如，应变计)，则可以产生钻压模式。
优选地，发信号装置包括用于比较单元，所述比较单元将定向数据和/或地层评价测量结果与预先编程的期望定向数据或者地层特征进行比较。
根据另一个方面，本发明提供了一种定向钻井系统，所述定向钻井系统包括如上所述的联接短接。
根据又一个方面，本发明提供了一种用于沿着预定轨迹在地层中定向钻出井眼的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供定向钻井系统，所述定向钻井系统包括：可旋转的钻柱，所述钻柱包括第一钻柱段和第二钻柱段；钻头，所述钻头连接到钻柱的井下端部；和联接短接，所述联接短接包括：第一端部，所述第一端部连接到第一钻柱段；第二端部，所述第二端部连接到第二钻柱段；铰接构件，所述铰接构件位于第一端部和第二端部之间，从而允许第二端部相对于第一端部枢转；和锁定装置，所述锁定装置能够在铰接模式和锁定模式之间操作，所述锁定模式用于锁定铰接构件，以防止第二端部相对于第一端部枢转；
-在锁定装置位于锁定模式中的情况下，操作定向钻井系统以钻出轨迹的大致直线段；和
-在锁定装置位于铰接模式中的情况下，操作定向钻井系统以钻出轨迹的曲线段。
附图说明
在下文将参照附图描述本发明的示例性实施例，其中：
图1示出了根据本发明的定向钻井系统的横截面；
图2A示出了根据本发明的联接短接的实施例处于锁定模式中的横截面；
图2B示出了图2A的实施例处于铰接模式中的横截面；
图3A示出了根据本发明的联接短接的另一个实施例处于锁定模式中的横截面；
图3B示出了图3A的实施例的处于铰接模式中的横截面；
图4A示出了根据本发明的联接短接的又一个实施例的处于锁定模式中的横截面；和
图4B示出了图4A的实施例处于铰接模式中的横截面。
具体实施方式
图1示出了定向钻井系统50，所述定向钻井系统包括钻柱1和磨料射流钻头2。钻柱1连接到用于使得钻柱旋转的驱动装置3。图1中示出的驱动装置包括位于地面处的顶部驱动器。泵4和管路5可以联接到驱动装置3，用于引导钻井流体以及可选地引导磨料颗粒通过钻柱1的内部流体通道而流向钻头2。钻头2可以设置有一个或多个射流喷嘴6，用于使钻井流体和磨料颗粒的射流朝向井眼的底部7排放。
在钻井时，将由钻井流体和磨料颗粒构成的混合物顺着钻柱1向下泵送并且从喷嘴6排放出。排放出的钻井流体顺着井眼8向上朝向地面返回。钻井流体可以相继返回到泵4。磨料颗粒也可以返回。可替代地，例如使用磁性再循环系统(未示出)使得磨料颗粒可以在井下再循环。
联接短接9可以容纳在钻柱1中。联接短接9能够从刚性模式转换成柔性模式，并且反之亦然。在刚性模式中，整个钻柱1、接头9和钻头2对准，从而形成用于钻出直线井眼的刚性纵向体。在柔性模式中，联接短接允许其第一端部相对于相对端部枢转。因此，钻头2能够相对于钻柱1的上部部分枢转。柔性模式最适于钻出井眼的曲线段。
图2示出了第一钻柱段10和第二钻柱段11。钻柱段中的每一个设置有流体通道12、13，所述流体通道12、13被包括在钻柱1的内部流体通道中。流体通道12、13由软管道14连接。钻柱段10、11由外螺旋弹簧15和内螺旋弹簧16连接。螺旋弹簧15、16在第一钻柱段10相对于第二钻柱段11弯曲期间提供了柔性。同时，由于螺旋弹簧15、16的相反的卷绕方向，螺旋弹簧将转矩从第一钻柱段传递到第二钻柱段。换言之，弹簧15、16允许第一钻柱段相对于第二钻柱段轴向枢转，但传递旋转运动。
第一钻柱段10设置有锁定套筒17，所述锁定套筒17连接到致动器18。致动器能够使得锁定套筒17沿着轴向方向运动。致动器包括例如一个或多个设置有对应活塞19的液压缸。活塞可以连接到可延伸的杆20。杆20在致动器18和锁定套筒17之间延伸。杆20可以延伸通过设置在第一钻柱段10的端部中的孔21。锁定套筒的面向第二钻柱段11的端部可以呈倒置圆锥体22的形式。第二钻柱段11的端部部分23可以具有对应于倒置圆锥状22的圆锥形状。
图2A示出了锁定装置处于锁定模式中。在此，活塞19延伸，从而推动套筒17向前，其中内表面22接合对应的外表面23。锁定套筒17可以压靠在第二钻柱段11的锁定面23上。在此，圆锥体22、23被推压成抵靠彼此，从而防止钻柱段10、11枢转。
图2B示出了锁定套筒17处于铰接模式中。在此，活塞19缩回，并且套筒17以距离L1运动离开第二钻柱段11。缩回的套筒使得在套筒17的内表面22和第二钻柱段11的外表面之间留下了空隙。由于这个空隙，钻柱段10、11能够在例如由螺旋弹簧15、16所实施的约束范围内相对于彼此轴向枢转。
由处于铰接模式(图2B)中的联接短接允许的灵活性水平能够被最大化至预定水平。例如，距离L1能够被限制成使得套筒表面22将以预定的铰接角度接合锁定面23。最大角度可以例如为大约5-20度。距离L1可以例如为大约1-5英寸(2.5-12.5cm)。
柔性密封件24可以布置在锁定套筒17的端部和第二钻柱部分11之间和/或布置在锁定套筒17的相对端部和第一钻柱段10之间。密封件24可以防止不想要的材料(诸如钻屑、钻井流体等)进入到锁定套筒17和钻柱段10、11之间。
在图3的实施例中，锁定套筒17具有较小的外径。较小的直径使得能够应用阻挡环25。阻挡环25具有对应于第二钻柱段11的表面23的圆锥状表面26。阻挡环防止不想要的材料(诸如，钻屑或者磨料颗粒)进入。柔性密封件24可以应用在阻挡环25的下端部和第二钻柱段11之间。
图3的实施例类似于图2的实施例地实施功能。在锁定模式中(图3A)，致动器18将套筒17朝向第二钻柱段推动。在此，套筒17的内表面22和第二钻柱段11的外表面23相互接合。在铰接模式(图3B)中，致动器使得套筒运动离开第二钻柱段11一预定距离，从而在所述锁定表面22、23之间产生空隙。
在图4的实施例中，使用万向接头27连接第一钻柱段10和第二钻柱段11。在此，万向接头或者万向联接件还可以称作卡登接头。万向接头是处于刚性管中的联接件，其使得允许刚性管在能够传递旋转运动的同时沿着任何方向弯曲。万向接头可以包括一对的相互靠近的铰链，所述铰链相对于彼此以90度定向。铰链可以通过横轴杆连接。
图4中的实施例类似于图2的实施例地实施功能。致动器18朝向第二钻柱段11推动套筒17。在锁定模式中(图4A)，套筒17的内表面22和第二钻柱段11的外表面23相互接合。在铰接模式中(图4B)，致动器使得套筒运动离开第二钻柱段11一预定距离，从而在所述锁定表面22、23之间留下空隙。
本发明并不局限于本发明的上述实施例，其中，能够在所附的权利要求的范围内设想多种变型。例如，可以组合相应实施例的特征。

Claims (15)

1.一种联接短接，所述联接短接用于在定向钻井系统中将第一钻柱段联接到第二钻柱段，所述联接短接(9)包括：
-第一端部，所述第一端部能够连接到第一钻柱段(10)；
-第二端部，所述第二端部能够连接到第二钻柱段(11)；
-铰接构件，所述铰接构件位于所述第一端部和所述第二端部之间，以允许所述第二端部相对于所述第一端部枢转；和
-锁定装置，所述锁定装置能够在铰接模式和锁定模式之间操作，所述铰接模式允许所述第一端部相对于所述第二端部枢转，所述锁定模式用于锁定所述铰接构件，以防止所述第二端部相对于所述第一端部枢转；
其中，所述锁定装置包括：
-锁定套筒(17)，所述锁定套筒相对于所述第一钻柱段沿着轴向方向在所述锁定模式和所述铰接模式之间能够运动，并且所述锁定套筒设置有至少一个套筒锁定表面(22)；和
-设置在所述第二钻柱段(11)的端部部分上的至少一个锁定面(23)，并且所述至少一个锁定面与所述套筒锁定表面(22)互补，
其中，在所述锁定套筒(17)的铰接模式中，所述套筒锁定表面(22)定位成与所述锁定面(23)相距一段距离(L1)，从而使得所述第一钻柱段(10)能够相对于所述第二钻柱段(11)枢转，并且，在所述锁定套筒的锁定模式中，所述套筒锁定表面(22)接合所述锁定面(23)，以防止所述第一钻柱段相对于所述第二钻柱段枢转。
2.根据权利要求1所述的联接短接，其中，所述铰接构件包括弹簧装置(15，16)。
3.根据权利要求2所述的联接短接，其中，所述弹簧装置包括一对具有相反卷绕方向的同轴螺旋弹簧(15，16)。
4.根据权利要求1所述的联接短接，其中，所述铰接构件包括万向接头(27)。
5.根据权利要求1-4中的任意一项所述的联接短接，其中，所述第一端部和所述第二端部均设置有流体通道(12，13)，所述流体通道由软管道(14)连接，所述软管道延伸通过所述铰接构件(15，16，27)。
6.根据权利要求1所述的联接短接，其中，所述套筒锁定表面(22)和所述锁定面(23)是圆锥状的。
7.根据权利要求1所述的联接短接，其中，所述第一端部设置有致动器(18)，所述致动器用于使得所述锁定套筒(17)在所述锁定模式和所述铰接模式之间移动。
8.根据权利要求1所述的联接短接，包括密封件(24)，所述密封件用于将所述锁定装置相对于所述第一钻柱段(10)和/或所述第二钻柱段(11)密封。
9.根据权利要求1所述的联接短接，其中，所述第一钻柱段(10)设置有固定的阻挡环(25)，所述阻挡环包围所述锁定套筒(17)，并且，一密封件(24)设置在所述阻挡环(25)和所述第二钻柱段(11)之间。
10.根据权利要求1-4和6-9中的任意一项所述的联接短接，包括：
-井下控制单元，所述井下控制单元用于控制所述锁定装置；和
-发信号装置，所述发信号装置用于向所述井下控制单元提供信号，
其中，所述井下控制单元适于响应由所述发信号装置提供的信号而将所述锁定装置从所述铰接模式转换成所述锁定模式。
11.根据权利要求10所述的联接短接，其中，所述发信号装置选自包括下述器件的组：用于感测压力脉冲模式的压力传感器；用于感测钻柱旋转模式的旋转传感器；和用于感测钻压模式的负荷传感器。
12.根据权利要求10所述的联接短接，其中，所述井下控制单元适于将定向数据和/或地层评估测量结果与预先编程的期望的定向数据或地层特征进行比较。
13.一种定向钻井系统，包括：
-可旋转的钻柱(1)，所述钻柱包括第一钻柱段(10)和第二钻柱段(11)；
-钻头(2)，所述钻头连接到所述钻柱的井下端部；和
-联接短接(9)，所述联接短接包括：
-第一端部，所述第一端部连接到所述第一钻柱段(10)；
-第二端部，所述第二端部连接到所述第二钻柱段(11)；
-铰接构件，所述铰接构件布置在所述第一端部和所述第二端部之间，从而允许所述第二端部相对于所述第一端部枢转；和
-锁定装置，所述锁定装置能够在铰接模式和锁定模式之间操作，所述锁定模式用于锁定所述铰接构件，以防止所述第二端部相对于所述第一端部枢转；
其中，所述锁定装置包括：
-锁定套筒(17)，所述锁定套筒相对于所述第一钻柱段沿着轴向方向在所述锁定模式和所述铰接模式之间能够运动，并且所述锁定套筒设置有至少一个套筒锁定表面(22)；和
-设置在所述第二钻柱段(11)的端部部分上的至少一个锁定面(23)，并且所述至少一个锁定面与所述套筒锁定表面(22)互补，
其中，在所述锁定套筒(17)的铰接模式中，所述套筒锁定表面(22)定位成与所述锁定面(23)相距一段距离(L1)，从而使得所述第一钻柱段(10)能够相对于所述第二钻柱段(11)枢转，并且，在所述锁定套筒的锁定模式中，所述套筒锁定表面(22)接合所述锁定面(23)，以防止所述第一钻柱段相对于所述第二钻柱段枢转。
14.根据权利要求13所述的定向钻井系统，其中，所述定向钻井系统包括磨料射流钻井系统。
15.一种用于沿着预定轨迹在地层中定向钻出井眼的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供定向钻井系统，所述定向钻井系统包括：可旋转的钻柱(1)，所述钻柱包括第一钻柱段(10)和第二钻柱段(11)；钻头(2)，所述钻头连接到所述钻柱的井下端部；和联接短接(9)，所述联接短接包括：连接到所述第一钻柱段(10)的第一端部和连接到所述第二钻柱段(11)的第二端部；铰接构件，所述铰接构件位于所述第一端部和所述第二端部之间，从而允许所述第二端部相对于所述第一端部枢转；和锁定装置，所述锁定装置能够在铰接模式和锁定模式之间操作，所述锁定模式用于锁定所述铰接构件，以防止所述第二端部相对于所述第一端部枢转；其中，所述锁定装置包括：锁定套筒(17)，所述锁定套筒相对于所述第一钻柱段沿着轴向方向在所述锁定模式和所述铰接模式之间能够运动，并且所述锁定套筒设置有至少一个套筒锁定表面(22)；和设置在所述第二钻柱段(11)的端部部分上的至少一个锁定面(23)，并且所述至少一个锁定面与所述套筒锁定表面(22)互补，其中，在所述锁定套筒(17)的铰接模式中，所述套筒锁定表面(22)定位成与所述锁定面(23)相距一段距离(L1)，从而使得所述第一钻柱段(10)能够相对于所述第二钻柱段(11)枢转，并且，在所述锁定套筒的锁定模式中，所述套筒锁定表面(22)接合所述锁定面(23)，以防止所述第一钻柱段相对于所述第二钻柱段枢转；
-在所述锁定装置处于所述锁定模式中的情况下，操作所述定向钻井系统，以钻出所述轨迹的大体直线段；和
-在所述锁定装置处于所述铰接模式中的情况下，操作所述定向钻井系统，以钻出所述轨迹的曲线段。
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