CN104395548B - 配备有仪器的钻井系统 - Google Patents

Abstract

一种在多种应用中帮助钻井眼或其他类型的孔的技术。设计了一种导向系统，其具有通过万向接头耦接于钻头轴的主轴以提供转向功能。传感器系统被安装于所述导向系统上，并且包括至少一个定位成在钻井过程中测量诸如钻压和/或钻头扭矩参数的期望参数的传感器。

Description

配备有仪器的钻井系统

背景技术

通过钻一个穿透含油地层的井，而从地下地质地层(被称为储层)中获取诸如油及天然气的烃流体。受控转向或定向钻井技术被用于油、水及天然气行业中，以到达并非位于井口正下方的源头。在制备一个或一系列具有狗腿弯折或其他类型的斜井区段的井眼时，已经采用多种导向系统来提供对钻井方向的控制。

发明内容

一般地，本发明提供了一种在多种应用中用于钻井眼或其他类型的孔的系统及方法。设计了一种导向系统，其具有通过万向接头耦接于钻头轴的主轴。传感器系统被安装于所述导向系统上，且包括至少一个定位成在钻井过程中测量诸如钻压和/或钻头扭矩参数的期望参数的传感器。

然而，在实质上不脱离本发明教导的前提下，可能有多种修改。相应地，权利要求所限定的本发明的范围意图包含这样的修改。

附图说明

此后将参照附图描述某些实施例，其中相同的参考标记表示相同的元件。然而应该理解，附图示出了本文描述的多种实施方式，并且不意图限制本文描述的多种技术的范围，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的可以采用导向系统的实施例的井场系统；

图2是根据本发明的一个实施例的用于定向钻井的装备有仪器的导向系统的一个例子的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的用于连接所述导向系统的构件的万向接头内的交叉件的一个示例的视图；

图4是根据本发明的一个实施例的图3中示出的交叉件的另一个图示，其表示有力在另一个方向作用于所述交叉件上；

图5是根据本发明的一个实施例的具有仪器的交叉件的截面图；

图6是根据本发明的一个实施例的具有不同仪器布置的交叉件的另一截面图；

图7是根据本发明的一个实施例的由于作用于所述导向系统的万向接头上的应变所引起的应变测量的汇总表；

图8是根据本发明的一个实施例的通过结合有仪器的万向接头而耦接至输出轴的主轴的示意图；

图9是根据本发明的一个实施例的基本上沿图8中的线9-9所作的截面图；

图10是根据本发明的一个实施例的通过结合有另一类型布置的仪器的万向接头而耦接至输出轴的主轴的示意图；

图11是根据本发明的一个实施例的通过结合有另一类型布置的仪器的万向接头而耦接至输出轴的主轴的示意图；

图12是根据本发明的一个实施例的示出了与所述导向系统的挠性管结合的仪器的示意图。

图13是根据本发明的一个实施例的用于连接所述导向系统的构件的万向接头内的交叉件的另一个示例的示图；

图14是根据本发明的一个实施例的用于连接所述导向系统的构件的万向接头内的交叉件的另一个示例的示图；以及

图15是根据本发明的一个实施例的图14中示出的交叉件的另一个图示，其示出了有力在侧向上作用于所述交叉件上。

具体实施方式

在以下的描述中，陈述了多个细节以提供对本发明的一些实施例的理解。然而，本领域技术人员应该理解，可以在没有这些细节的情况下实施所述系统和/或方法，并且基于所述实施例的多个变型或修改是可能的。

本文的公开总体上涉及关于导向系统的系统及方法，其可以被用于能够定向钻出井孔(便如，井眼)。所述系统和方法将仪器与所述导向系统结合，以提供关于钻井操作的信息。举例来说，所述导向系统可以包括通过万向接头耦接于输出轴(例如钻头轴)的主轴；并且可以将仪器与所述万向接头和/或导向系统的其他构件相结合，以提供期望参数的数据。在一些应用中，所述仪器可以被用于帮助评估诸如钻压及钻头扭矩的参数。所述仪器还可以被设置为检测作用于诸如所述万向接头上的侧向力。可以通过安装于所述主轴、输出轴和/或连接所述主轴及所述输出轴的万向接头上的传感器执行这些多种测量。为了便于选择合适的传感器，所述传感器可以被置于相应的构件上并被封装于油中，以避免任何来自环境(例如钻井泥浆)的污染。

在一些钻井应用中，可以实时测量所述钻压及钻头扭矩参数。根据井眼条件，所述仪器系统可以随井下参数(例如压力及温度)的影响自补偿或被校正。对于定向钻井应用，可以实时测量所述导向系统的倾角以获得工具面。例如，所述仪器系统可以被用于旋转导向系统工具上，以便当钻倾斜井眼时连续监测所述旋转导向系统工具的倾角。

在此所述的导向系统在无论是井还是非井的环境及应用中的多种钻井应用中是有用的。例如，配备有仪器的导向系统可以帮助钻出穿过地球地层及一些其他地球材料的井孔，以形成多种类型的通路。在与井相关的应用中，配备有仪器的导向钻井系统可以被用于帮助定向钻井，以形成多种倾斜井眼。图1中示出了包含所述配备有仪器的导向钻井系统的井系统的一个例子。

参考图1，示出了一个井场系统，其中，可以采用本文所述的导向系统的实施例。所述井场可以是在岸上或离岸的。在此系统中，通过旋转钻井，井眼11被形成于地下地层中，并且所述导向系统的实施例可以被用于多种类型的定向钻井应用中。

在所示出的例子中，钻柱12悬置于所述井眼11中，且具有井下钻具组合(BHA)100，所述井下钻具组合100包括在其底端处的钻头105。地面系统包括设于井眼11之上的平台和井塔组件10，所述组件10包括转盘16、方钻杆17、挂钩18和转环19。所述钻柱12由转盘16驱动旋转，转盘通过未示出的方式驱动，转盘将方钻杆17接合至钻柱的顶端。所述钻柱12通过方钻杆17和转环19悬置于挂钩18，该转环19允许钻柱相对于挂钩旋转，挂钩18系于游动滑车(未示出)上。可以替代性地使用顶部驱动系统。

在本实施例的例子中，所述地面系统进一步包括存储于形成于井场处的池27中的钻井流体或泥浆26。泵29将所述钻井流体26通过转环19中的端口传送至钻柱12的内部，使钻井流体如方向箭头8所示向下流穿钻所述钻柱12。所述钻井流体通过钻头105中的端口离开所述钻柱12，然后通过钻柱外部与井眼的壁间的环形区域向上循环，如方向箭头9所示。在此方式中，所述钻井流体润滑所述钻头105，在其回到池27用于再循环的同时，将地层切屑向上带至地面。

所示出实施例的井下钻具组合100包括随钻测井(LWD)模块120以及随钻测量(MWD)模块130。所述井下钻具组合100还可以包括导向系统150以及钻头105。在一些应用中，所述井下钻具组合100进一步包括马达，其可以被用于转动所述钻头105或以其他方式被用于辅助所述钻井操作。此外，所述导向系统150可以包括旋转导向系统以提供定向钻井。

所述LWD模块120被容纳于一种特殊类型的钻铤中，并且可以含有一个或多个已知类型的测井工具。还应该理解，可采用一个以上的LWD和/或MWD模块，如120A所示。(在全文中，对120位置处的模块的引述同样可替换地表示120A位置处的模块。)所述LWD模块可以具有用于测量、处理和储存信息以及与地面设备通信的能力。在本实施例中，所述LWD模块包括压力测量装置。

所述MWD模块130也可以被容纳于一种特殊类型的钻铤中，且可以含有一个或多个用于测量钻柱及钻头的特性的装置。所述MWD工具还可包括用于向井底系统产生电能的装置(未示出)。这可以包括由钻井流体流驱动的泥浆涡轮发电机(也被称为“泥浆马达”)，应该理解，也可采用其他电能和/或电池系统。在本实施例中，所述MWD模块可以包括多种测量装置：例如，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/或倾斜测量装置。如下文更详细地描述，所述导向系统150还可以包括用于测量期望参数(例如钻压及钻头扭矩参数)的仪器。

所述导向系统150可以用于直线或定向钻井，以便例如改进向各种地下含油气储层的接近。定向钻井是指井眼从其本来的路径上有意偏离。换句话说，定向钻井是钻柱的转向，以便其在期望的方向上行进。定向钻井不必然要有弯曲的井眼。通过补偿作用于所述钻柱上的其他力，定向钻井可以被用来保持直线井眼。

定向钻井在离岸钻井中是有用的，例如，因为其能使多个井从单个平台钻出。定向钻井还能使水平钻井穿过储层。水平钻井能使所述井眼以更长的长度横穿所述储层，这提高了所述井的生产率。定向钻井系统还可以被用于垂直钻井操作中。通常，由于所述被穿透的地层的不可预测性或者所述钻头承受的变力，钻头会偏离预定钻井轨迹。当发生此偏离时，定向钻井系统可以被用于将所述钻头拉回正确线路上。

在一些定向钻井应用中，导向系统150包括使用旋转导向系统(“RSS”)。在RSS中，从地面旋转所述钻柱，井下装置使所述钻头沿期望方向钻井。旋转所述钻柱极大地减少了在钻井过程中钻柱被挂住或卡住的发生。用于向地下钻出井孔的定向钻井系统可以总体上分为“指向钻头式”系统或“推靠钻头式”系统。

在指向钻头式系统中，钻头的旋转轴线从所述井下钻具组合的局部轴线偏离至新井眼的大致方向。实际上，钻头“指向”期望方向。所述井眼依据由上、下扶正器触点以及钻头限定的通常的三点几何特性延伸。所述钻头轴线的偏离角度连同所述钻头与下扶正器之间的有限距离，会导致弯道的生成。有很多方法可以实现此目的，包括在所述井下钻具组合中靠近所述下扶正器的一个点处的固定或可调弯曲部，或分布于上、下扶正器之间的钻头驱动轴的弯曲。在其理想化形式中，所述钻头并不进行实质的侧向切割，因为所述钻头轴线对准所述弯曲井眼的方向。指向钻头类型的旋转导向系统的例子以及它们如何运行，被描述于美国专利申请公开第2002/0011359号、2011/0052428号以及美国专利第6,394,193、6,364,034、6,244,361、6,158,529、6,092,610以及5,113,953号中。

在所述推靠钻头式旋转导向系统中，并没有特殊明确的机构来使所述钻头轴线偏离井下钻具组合的局部轴线；相反，必要的非共线条件是通过在相对于所述井眼的蔓延方向优先定向的方向上施加偏心力或偏移来实现的。实际上，“推靠”所述钻头至期望方向。再次，有很多方法可以实现此目的，包括非旋转(相对于井眼)的偏心扶正器(基于偏移的方法)以及向所述钻头在期望转向的方向施加力的致动器。再次，转向是通过在钻头与至少两个其他触点之间产生非共线来实现的。在其理想化形式中，所述钻头切向侧面以便产生弯曲井眼。推靠钻头类型的旋转导向系统的例子以及它们如何运行被描述于美国专利第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以及5,971,085号中。

总体上参考图2，井下钻具组合100的一部分被示为包括与钻头105耦接的导向系统150。在此实施例中，所述导向系统150包括通过诸如万向接头的接头204耦接至输出轴202的主轴200。在钻井应用中，所述输出轴202可以包括在钻井操作中旋转钻头105的钻头轴。所述输出轴202，例如钻头轴，可相对于主轴200绕万向接头204枢转，以便允许受控的、定向钻井。在所述钻头105的旋转期间，可以使用致动系统206来保持输出轴202与主轴200之间的期望角度来控制钻井方向。

在所示出的例子中，致动系统206包括多个可以被独立控制的致动器208，以便保持输出轴202与主轴200之间绕着所述万向接头204的期望枢转角。如图所示，所述致动器208可以在主轴200与诸如管道的周围外壳结构210之间耦接。所述外壳结构210被耦接于输出轴202，以便所述致动器208的径向膨胀及收缩引起输出轴202相对于主轴200枢转。然而，致动器208可以被定位于万向接头204之上和/或之下。此外，根据所述导向系统150一般地是指向钻头式系统的形式、推靠钻头式系统的形式、还是结合了指向钻头式特点与推靠钻头式特点的混合系统的形式，所述致动器208可以被设计为相对于适当的外壳结构210或相对于周围井眼壁起作用。在定向钻井系统中可以使用任意这些系统来控制输出轴绕着接头204相对于主轴的枢转运动。

进一步地，所述致动器208可包括多个可控致动器，其被相应的诸如那些在上述的指向钻头及推靠钻头专利中所述的控制系统的控制系统选择性地致动。根据期望控制系统，所述致动器208可以包括液压致动器、机电致动器或工具球致动器，例如美国公开专利申请第20100139980号所示的。

在图2所示的实施例中，所述导向系统150与成传感器系统212的形式的仪器结合。所述传感器系统212包括安装于导向系统150的构件上的至少一个且通常是多个的传感器214。在很多钻井应用中，所述传感器214被安装为相对贴近所述钻头105。例如，传感器214可以被安装于万向接头204上，或主轴200上，和/或输出轴202上，以便测量期望参数。这些参数的例子包括纵向指向的力及扭矩相关力。在钻井系统中，例如，所述传感器214可以被设计及设置为测量及监测钻压及钻头扭矩力。在一些应用中，这些参数的至少一部分数据被实时地中继传送到适当的控制系统216，该控制系统216可以包括地面控制系统、井下控制系统或结合了地面构件与井下构件的控制系统。在其他系统中，这些参数的至少一部分数据可以被记录于井下并被稍后复查。在其他系统中，一部分所述数据可以通过可接受的遥测系统(例如，仅是举例来说，泥浆脉冲遥测或有线钻杆或无线遥测或可接受的遥测系统的任意组合)传输，并且一部分所述数据可以被记录用于稍后复查。诸如钻压及钻头扭矩的参数可以用成应变仪或其他适当的测力传感器形式的传感器214测量。

在钻井操作期间，钻压及钻头扭矩力作用于接头204。如果接头204是万向接头的形式，则所述接头可以利用图3及4中所示的交叉件218。举例来说，交叉件218可以包括一个中央结构220，从其延伸有多个铰接销222，例如4个铰接销222。所述铰接销222是枢转地接合所述主轴200及所述输出轴202的特征。典型地，两个所述铰接销222接合主轴200，两个销接销222接合输出轴202。所述中央结构220还可以包括具有内径226的贯穿通道224。所述贯穿通道224可以被用于例如允许钻井泥浆向下流穿导向系统150到达钻头105。在图3中，由钻压产生且作用于接头204上的所述纵向指向的力被以箭头228示出。类似地，由钻头扭矩产生且作用于接头204上的扭矩力在图4中被以箭头230示出。所述钻压力228及所述钻头扭矩力230是从所述钻头105传输至工具管柱12的两个物理载荷，并且反之亦然，通过所述交叉件218传输。

总体上参考图5及6，传感器系统212及传感器214的例子被示为与所述交叉件218结合，所述交叉件以截面图示出。这些例子中的任一个都提供了配备有仪器的交叉件218，其能够提供对所述钻压及钻头扭矩的直接测量。在这些实施例中，孔232已经被形成于至少一个铰接销222中，例如两个所述铰接销222中。举例来说，所述孔232可以在轴向方向上被钻削或以其他方式形成于相应铰接销222内或穿过铰接销222。在一些实施例中，所述孔232被形成为穿过相应的铰接销222直至达到通道224的局部增大的内径，以提供测量的增大灵敏度。

如图5中所示，传感器214(例如应变仪)可以位于孔232内靠着孔232的内表面。所述传感器214可以定向成探测及测量期望参数，例如钻压和/或钻头扭矩。举例来说，所述传感器系统212可以包括两个相对于轴向负载的方向垂直放置的剪切应变仪214，以探测钻压。在此例子中，可以在两个孔232中的每一个中分别放置一个传感器214，且使其在距所述铰接销222的外端的期望距离处，例如10到20mm处。所述传感器系统212还可以包括两个径向上且垂直于轴向负载的方向放置的轴向应变仪。所述传感器214可以再次被定位成在两个孔232中的每一个中分别具有一个传感器214，并且每个传感器214位于距所述铰接销222的端部的期望距离处。一般地参考图6，适当的应变仪214(例如剪切应变仪)还可以沿形成内部通道224的表面放置，以测量钻压。

可以以类似的方式测量钻头扭矩。例如，可以通过钻头扭矩传感器测量钻头扭矩，其中，所述传感器成两个在相对于载荷方向成45°的平面内垂直放置的剪切应变仪214的形式，以探测钻头扭矩。在此例子中，可以在两个孔232中的每一个中分别放置一个传感器214，且使其在距所述铰接销222的外端的期望距离处，例如10到20mm处。所述传感器系统212还可以通过将两个轴向应变仪214径向地且垂直于所述扭矩载荷的方向定向来探测钻头扭矩。在此例子中，在两个孔232中的每一个中也分别放置一个传感器214，并且每个传感器214位于距所述铰接销222的端部的期望距离处。一般地再次参考图6，适当的应变仪214(例如轴向应变仪)还可以被径向上放置于铰接销222之间，例如沿形成内部通道224的表面放置。

所述传感器214可以被定位于不同位置及不同方向，以提供期望仪器操作及参数探测。例如，应变仪的不同位置或定位可以决定其敏感性，以及对专门设计的仪器系统上的载荷的交叉读数或影响。所述传感器的应变测量结果以及对所述交叉件上的传感器因综合效应产生的交叉读数的估计的汇总已经被呈现于图7的表格中。如表所示，可以实现高的测量灵敏度。通过结合不同的应变仪布置，可以获得高灵敏度的应变测量结果，同时在所述测量中具有非常有限的交叉读数。

一般地参考图8及9，提供了附加仪器操作的图示。举例来说，传感器系统212还可以包括角位移传感器234。所述角位移传感器234可以被安装于铰接销222附近，例如以便探测所述铰接销222相对于主轴200和/或输出轴202的凸耳236的相对移动，例如旋转。主轴200与输出轴202的啮合端具有成对的凸耳236，它们具有被设计为枢接地接合对应的铰接销222的开口238。在图8及9中示出的例子中，所述角位移传感器234被安装于这些凸耳236的一个中，以便探测相对于对应的铰接销222的相对移动。

所述角位移传感器234可以被用于确定及监测所述输出轴202(例如钻头轴)相对于所述主轴200的倾角。然而，所述传感器234还可以被用于修正由214监测的钻压和/或钻头扭矩的测量结果。在一些应用中，由串列安装于例如主轴200上的角位移传感器234执行所述角位移测量。所述串列传感器234位于一个位置处，用于监测被置于所述交叉件218之上的一个目标240的距离。当所述交叉件218相对于主轴20旋转时，传感器234与目标240间的相对位移成为旋转角的正弦函数。如在图10的实施例中示出的，所述角位移传感器234还可以位于其他位置。在后面的例子中，传感器234被置于主轴200上以监测被置于输出轴202上的目标240。

一般地参考图11，钻压及钻头扭矩传感器214可以位于沿导向系统150(如旋转导向系统)的其他位置。例如，钻压传感器214可以包括安装于两个以上凸耳236上的轴向应变仪。在图11中，钻压传感器214是相对于其他传感器中心定位的传感器。在此例子中，钻头扭矩传感器214包括可以被置于钻压传感器214的两侧的剪切应变仪，如图11中所示。在另一个实施例中，钻头扭矩传感器214可以被置于所述钻压传感器的一侧，并相对于所述钻压传感器214成一角度定向。应该注意，所述钻压传感器214及所述钻头扭矩传感器214可以要么被置于所述主轴200上要么被置于所述输出轴202上。

在图12中，示出了传感器系统212的另一实施例。在此实施例中，井下钻具组合100包括装备有传感器系统212的挠性管242。所述挠性管242被设计为随所述导向系统150受控而弯曲，以便改变钻井方向。通过将传感器214置于柔性管242上，可以测量柔性管242的偏转量。此偏转测量可以被用于得到实时弯角。所述弯角及主轴200的方向可以被用于确定所述钻头105相对于主轴200或总体工具管柱12的位置。

举例来说，图12中示出的实施例可利用被设置为成两个全桥形式的传感器214，它们被放置为相互间成90°。所述桥可以包括被胶粘或以其他方式连接至例如所述挠性管242的外径上的轴向应变仪。假设在轴200上施加了足够的预张力，当施加钻压时，挠性管242中的应力水平下降。如果针对压力及温度适当地校准所述应变测量结果，则可以通过残留于所述挠性管242中的应力水平推断出钻压的测量结果。通过将呈180°角的轴向应变仪测量平均，可以确定所述轴向应变测量结果。

对于各种钻井及仪器操作应用，可以桥的形式设置所述传感器214，例如彼此成90°放置的两个全桥。参考图13-15，示出了传感器214及传感器系统212的其他实施例。所述传感器的定位及布置已经被选择为，例如，对于特定载荷情况，最小化各测量间的串扰。例如，可以最小化轴向载荷对钻头扭矩测量结果的影响，反之亦然。

在图13中示出的实施例中，例如，多个传感器214被成对设置，每对传感器被配置为相对于下一相继传感器对成约90°。在此实施例中，所述传感器被设置于凹槽244中，例如沿交叉件218的中央结构220的内部通道224配置的圆周凹槽中。

图14和15中示出了另一个实施例，其中，多个传感器214(例如应变传感器)被设置为彼此间隔90°。此外，至少一些传感器214被定向成相对于铰接销222的轴线成45°，如角246所示。传感器214的设置使其能对上述的钻压及钻头扭矩进行探测及监测。然而，所述设置还使其能对作用于所述交叉件218上的侧向力进行探测及监测，如图15中箭头248所示。这些实施例提供了在多种钻井应用中可以被用于探测多种力载荷的传感器设置的一些例子。

根据钻井应用，所述井下钻具组合及总钻井系统可以包括多个构件及构件设置。此外，根据要被监测的具体参数，所述仪器系统可以包括许多不同类型的传感器及传感器设置。所述仪器系统可以与多个控制系统216、例如能够评估所述传感器数据及输出信息和/或控制信号的基于处理器的控制系统藕接。在一些实施例中，所述控制系统可以被编程以基于程序指令自动调整钻井方向。此外，多种旋转导向系统及其他导向系统可以被用于帮助所述定向钻井。而且，万向接头及其他类型的接头可以被用来在所述主轴及输出轴之间提供弯曲点。

尽管上文已经详细描述了所述系统及方法的一些实施例，但是本领域技术人员易于理解，在实质不脱离本发明的教导的前提下，多种修改是可能的。相应地，权利要求所限定的本发明的范围意图包含这样的修改。

Claims (9)

1.一种钻井系统，包括：

旋转导向系统，其具有第一轴，所述第一轴通过万向接头被耦接于第二轴，其中，旋转导向系统进一步包括致动系统，以使钻头相对于所述第一轴绕着万向接头枢转；

传感器系统，其安装在旋转导向系统上，所述传感器系统具有多个传感器，所述多个传感器被定位成在钻井过程中测量钻压和钻头扭矩，所述多个传感器中的至少一个传感器被安装在所述万向接头内，以提供对作用于万向接头上的力的直接测量；以及

其中，所述至少一个传感器包括：被安装于所述万向接头的交叉件上的至少一个传感器；被安装在形成于所述万向接头的铰接销内的孔中的至少两个传感器，所述至少两个传感器被定向成垂直于所述万向接头上的轴向载荷的方向；或被安装在耦接于所述万向接头的至少一个凸耳上的传感器。

2.如权利要求1所述的钻井系统，其中，所述多个传感器包括被安装于所述旋转导向系统的挠性管上的传感器。

3.如权利要求1所述的钻井系统，其中，所述多个传感器包括多个应变传感器。

4.如权利要求1所述的钻井系统，其中，所述至少一个传感器被安装于所述万向接头的铰接销上。

5.如权利要求1所述的钻井系统，其中，所述至少一个传感器被安装于所述万向接头的内径部位上。

6.如权利要求1所述的钻井系统，其中，所述至少一个传感器包括多个测量钻压的传感器以及多个测量钻头扭矩的传感器。

7.一种用于钻井的方法，包括：

提供权利要求1-6中任一所述的钻井系统；以及

通过所述至少一个传感器感测至少一个参数。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：补偿井下压力和温度的影响。

9.如权利要求7所述的方法，进一步包括：实时感测钻井系统的倾角。