CN104838083B - 利用旋转外壳和选择性可偏移驱动轴的定向钻井 - Google Patents

Abstract

在本文中描述的示例系统可以包括外壳201和可偏移驱动轴202，所述可偏移驱动轴耦接到钻头203并且至少部分地设置在外壳201内。可偏移驱动轴202的偏移角度可以确定钻头正面的角度。马达204可以耦接到外壳201，当激活时，使外壳201独立地旋转。通过使外壳201在钻井操作期间相对于钻柱独立地反向旋转，可偏移驱动轴202和钻头203的角度位置可以相对于地下地层保持对地静止，而不需要外壳201接合井筒壁。

Description

利用旋转外壳和选择性可偏移驱动轴的定向钻井

背景技术

本公开大体涉及钻井操作，并且更具体涉及利用旋转外壳和选择性可偏移驱动轴的定向钻井。

由于钻井操作变得更复杂并且碳氢化合物储层相应地变得更难以到达，对将钻井组件垂直且水平地精确定位在地层中的需要增加。这种操作的一部分需要使钻井组件转向，以避免特殊地层或横穿感兴趣地层。使钻井组件转向包括改变钻井组件/钻头指向的方向。通常，这利用接触井筒壁以迫使钻井组件在井筒内偏离中心或使钻井组件的一部分维持在静止位置的接合机构来实现。不幸地，这些接合机构可能造成问题，特别是当它们必须穿过对于钻井操作期间的安全至关重要的重要机构、诸如防喷装置时。

附图说明

本公开的一些具体示例性实施例可以通过部分地参考以下描述和附图来理解。

图1是图示根据本公开的方面的示例钻井系统的示意图。

图2是图示根据本公开的方面的示例钻井系统的示意图。

图3是图示根据本公开的方面的示例钻井系统的示意图。

图4是图示根据本公开的方面的示例钻井方法的流程图

虽然本公开的实施例已经进行描绘和描述并参考本公开的示例性实施例进行限定，但是这种参考不意指对本公开进行限制，并且不推断这种限制。所公开的主题容许本领域技术人员想到且具有本公开的益处的在形式和功能上的相当多的更改、改变和等同物。本公开的描绘和描述的实施例仅仅是示例，并未穷举本公开的范围。

具体实施方式

本公开大体涉及钻井操作，并且更具体涉及利用旋转外壳和选择性可偏移驱动轴的定向钻井。

在本文中详细地描述了本公开的图示性实施例。为了清晰，不是实际实施方式的所有特征都会在此说明书中进行描述。当然，应理解，在任何这种实际实施方式的开发中，必须作出多种特定实施方式的决定，以实现特定实施方式的目标，所述实施方式将会从一种实施方式改变为另一种实施方式。此外，应意识到，这样的开发努力将会是复杂且耗时的，但仍将是本领域技术人员从事的具有本公开的益处的日常工作。

为了便于本公开的更好理解，给出了某些实施例的以下示例。以下示例绝不应当理解为限制或限定本公开的范围。本公开的实施例可以应用于水平的、垂直的、偏离的、多侧的、U形管连接、交叉、旁通(中深卡紧接合板钻进并回到下面的井中)或要不然任何类型中的地下地层中的非线性井筒。实施例可以应用于注入井和生产井，包括自然资源生产井、诸如硫化氢井、碳氢化合物井或地热井；以及用于过江隧道的井筒结构、及用于近地表结构目的的其它这种隧道井筒、或用于输送流体、诸如碳氢化合物的井筒U形管管道。在下面关于一种方式描述的实施例不意欲进行限制。

根据本公开的方面，在本文中描述了用于控制钻井组件在井筒内的方向的系统和方法。一种示例系统包含外壳和可偏移驱动轴，所述可偏移驱动轴耦接到钻头并且至少部分地设置在外壳内。如在本文中描述的，如果驱动轴的纵向轴线配置为偏离转向组件的纵向轴线，那么驱动轴可以是可偏移的。可偏移驱动轴的偏移角度可以对应于钻井组件的钻井角度。所述系统还可以包括马达，所述马达耦接到外壳，当激活时，使外壳相对于钻柱独立地旋转。如将会在下面描述的，通过使外壳在钻井操作期间相对于钻柱独立地反向旋转，可偏移驱动轴和钻头的角度位置可以保持对地静止，而不需要外壳接合井筒壁。

图1是图示根据本公开的方面的示例钻井系统100的示意图。钻井系统100包括钻架102，所述钻架102安装在地表101处并且定位在地下地层103内的井筒104上方。在示出的实施例中，钻井组件105可以定位在井筒104内，并且可以耦接到钻架102。钻井组件105可以包含钻柱106和底孔组件(BHA)107。钻柱106可以包含螺纹连接的多个区域。BHA107可以包含钻头109、测量同时钻井(MWD)装置108和转向组件114。转向组件114可以控制井筒104正在钻进的方向。鉴于本公开，本领域技术人员应意识到，井筒104将会沿垂直于钻头109的刀面110的方向钻进，所述方向对应于钻头的纵向轴线116。相应地，控制井筒104钻进的方向可以包括，控制钻头109的纵向轴线116相对于转向组件107的纵向轴线115的角度，以及控制钻头109相对于转向组件107的角定向。

根据本公开的将会在下面描述的方面，转向组件114可以包括可偏移驱动轴(未示出)，所述可偏移驱动轴引起钻头109的纵向轴线116偏离转向组件114的纵向轴线115。同样，转向组件114可以包括反向旋转外壳(例如，参见图2，元件201)，所述反向旋转外壳维持钻头109相对于转向组件114的角定向。转向组件114可以从地表处的控制单元113接收控制信号，以确定钻井方向。控制单元113可以包含具有处理装置和存储装置的信息处理系统，并且可以经由遥感勘测系统与转向组件114通信。在某些实施例中，如将会在下面描述的，控制单元113可以向转向组件传输控制信号，以改变钻头109的纵向轴线115，以及控制转向组件114的某些部分的反向旋转，从而将刀面维持在对地静止位置。此外，其它BHA107部件，包括MWD装置108，可以与控制单元113通信，并从控制单元113接收指令。

在某些实施例中，钻柱106可以旋转以对井筒104钻进。钻柱106的旋转转而可以使BHA107和钻头109以与钻柱106相同的旋转方向和速度旋转。该旋转可以引起转向组件114围绕其纵向轴线115旋转，并且引起钻头109围绕其纵向轴线116和转向组件114的纵向轴线115旋转。钻头109围绕其纵向轴线116的旋转是期望的，以引起钻头109切入地层，但是在某些情况下，钻头109围绕转向组件114的纵向轴线115的旋转不是期望的，因为它改变了钻头109相对于转向组件114的角定向。例如，当钻头109的纵向轴线116偏离转向组件114的纵向轴线115时，如其在图1中，钻头109可以围绕转向组件114的纵向轴线115旋转，防止钻井组件以特定角度和方向钻进。

图2是图示根据本公开的方面的示例转向组件200的示意图，所述转向组件200可以部分地用来在钻井操作期间维持钻头轴线相对于转向组件的纵向轴线200的角定向。如将会在下面描述的，转向组件200可以包括外壳201，所述外壳201可以反向旋转，以将钻头轴线维持在相对于转向组件200的纵向轴线的特定(对地静止)角定向。转向组件200可以包含可偏移驱动轴202，所述可偏移驱动轴202至少部分地设置在外壳201内并耦接到钻头203。如果驱动轴的纵向轴线配置为偏离转向组件的纵向轴线，驱动轴可以是可偏移的。此外，即使在给定时刻驱动轴可以与转向组件的纵向轴线对齐并且因此不偏移，驱动轴也可以是可偏移的。马达204可以耦接到外壳201，并且当激活时，使外壳201相对于工具套圈205独立地旋转。工具套圈205可以直接或间接地耦接到钻柱，使得当钻柱沿第一方向以第一速度旋转时，工具套圈205与钻柱一起、即沿第一方向以第一速度旋转。

可偏移驱动轴202可以直接或间接耦接到工具套圈205。外壳201可以紧邻工具套圈205的端部定位，并且可旋转地独立于工具套圈205。在某些实施例中，马达204可以包含电动或液压马达，所述马达204可以至少部分地设置在工具套圈205内。液压马达可以包括泥浆马达，所述液压马达使用通过转向组件的向下的流体流、诸如钻井泥浆产生扭矩。如在图2中可以看出的，马达204可以具有输出轴206，所述输出轴206耦接到外壳201并使外壳201旋转。在某些实施例中，马达204可以从设置在工具套圈205内的电源、诸如电池或井下泥浆流发电机(未示出)或从耦接到工具套圈205的BHA元件接收电能。在某些其它实施例中，马达204可以由钻井泥浆直接驱动。如将会在下面描述的，马达204可以设置在工具套圈205内或在工具套圈外部、诸如在外壳201内。

如可以看出，可偏移驱动轴202可以至少部分地设置在外壳201内。可偏移驱动轴202可以经由焦点207固定在外壳201内，焦点207可以包含轴承/密封件，并且可以维持可偏移驱动轴202的某一区域在外壳201内沿着转向组件200的纵向轴线208居中。在焦点207之间的可以是偏移机构209，所述偏移机构209在外壳201内围绕可偏移驱动轴202设置。偏移机构209可以使可偏移驱动轴202的一部分偏离转向组件200的纵向轴线208，这结合可偏移驱动轴202在焦点207处的居中部分可以在可偏移驱动轴202中产生偏移角度210。

在某些实施例中，偏移机构209可以可旋转地固定在外壳201内，并且维持可偏移驱动轴202的偏移角度210和预定的角度。在这样的实施例中，偏移机构209可以包含盘状件，所述盘状件可旋转地固定在外壳201内，具有偏心孔，所述偏心孔从转向组件200的纵向轴线208偏移预定的距离。偏移距离可以表示为可偏移驱动轴202在偏移机构209内的部分从转向组件200的纵向轴线208移位的径向距离。偏移距离结合偏移机构209相距焦点207中的至少一个的距离可以限定偏移角度210。在其它实施例中，偏移机构209可以包含可变偏移机构，允许偏移角度210在外壳201内是可改变的。例如，在某些实施例中，偏移距离可以在井下改变，以改变可偏移驱动轴202的偏移角度210。偏移距离可以利用例如额外的井下马达或致动器(未示出)而在井下改变，所述井下马达或致动器可以响应于来自地表的控制信号而改变偏移距离。鉴于本公开，本领域技术人员应意识到，可偏移驱动轴202的偏移角度210可以引起钻头203的纵向轴线212相对于转向组件200的纵向轴线208的偏移。相应地，通过改变偏移角度210，钻头203的纵向轴线212将会变化，正如利用转向组件200钻进的井筒的偏移角度也会变化。

在钻井操作期间，直接或间接耦接到工具套圈205的钻柱可以沿第一方向211以第一速度旋转，由此引起可偏移驱动轴202和钻头203也沿第一方向211以第一速度旋转。具体地，钻头203可以围绕其纵向轴线212和转向组件200的纵向轴线208旋转。为了维持钻头203轴线相对于转向组件200的纵向轴线208的角定向，外壳201可以相对于工具套圈205沿与第一方向211相反的第二方向213以与第一速度相同的第二速度旋转。通过使外壳201相对于工具套圈205反向旋转，外壳201、可变偏移机构209和钻头203可以以相对于转向组件200的纵向轴线208的某一角定向保持对地静止、即相对于井筒大体上静止。相应地，可以维持钻头203的纵向轴线212相对于转向组件200的纵向轴线208的角定向，允许钻井组件沿钻头203的纵向轴线212的方向、而非转向组件的纵向轴线208的方向钻进。

图3是图示根据本公开的方面的另一示例转向组件300的示意图。如同图2的转向组件200，转向组件300可以包含可旋转地独立的外壳301和可偏移驱动轴302，所述可偏移驱动轴302耦接到钻头303并且至少部分地设置在外壳301内。此外，马达304可以耦接到外壳301，包括通过来自马达304的输出轴306的使用。转向组件300可以进一步包含工具套圈305，所述工具套圈305耦接到可偏移驱动轴302并且紧邻外壳301的端部定位。与可偏移驱动轴202直接耦接到工具套圈205的转向组件200不同，可偏移驱动轴302可以通过CV轴310间接耦接到工具套圈305。鉴于本公开，本领域技术人员应意识到，工具套圈305可以耦接到可偏移驱动轴302，使得当工具套圈305沿第一方向以第一速度旋转时，可偏移驱动轴302沿第一方向以第一速度旋转。

如还可以看出，转向组件300可以具有偏移机构309和焦点307，所述偏移机构309和焦点307两者在外壳301内围绕可偏移驱动轴302设置。鉴于本公开，本领域技术人员应意识到，可偏移驱动轴302的偏移角度的特点仍然可以在于，相对于偏移机构309相距焦点307的距离的可偏移驱动轴302相距转向组件300的纵向轴线308的偏移距离。

根据本公开的方面，在本文中描述了一种用于控制钻井组件在井筒内的方向的方法，所述方法可以使用与在上面关于图2和3描述的那些类似的转向组件。图4是图示一种示例方法的流程图。步骤401可以包括将可偏移驱动轴定位在井筒内。可偏移驱动轴可以耦接到钻头，并且至少部分地设置在外壳内。在某些实施例中，可偏移驱动轴可以耦接到工具套圈，并且外壳可以紧邻工具套圈的端部定位。步骤402可以包括使可偏移驱动轴和钻头沿第一方向以第一速度旋转。可偏移驱动轴和钻头可以通过钻柱来旋转。步骤403可以包括使外壳沿与第一方向相反的第二方向以第二速度旋转。在某些实施例中，第二速度可以与第一速度相同，以便钻头相对于外壳的纵向轴线的角定向。在某些实施例中，外壳可以通过耦接到所述外壳马达来旋转。马达可以设置在工具套圈内，并且包括使外壳相对于工具套圈旋转的输出轴。马达可以包含电动马达和液压马达中的一者。

在某些实施例中，所述方法可以进一步包含，通过使外壳沿第一方向以第一速度旋转来改变钻头的角定向。并非使外壳沿第二方向以第二速度旋转，而是外壳可以沿第一方向以第一速度旋转，直至钻头相对于转向组件的纵向轴线达到预定的角定向。外壳也可以沿第二方向或第一方向以第一速度之外的任何速度旋转，以便改变角定向。一旦达到预定的角定向，外壳就可以沿第二方向以第二速度旋转，以将钻头维持在预定的角定向。

在某些实施例中，可偏移驱动轴的偏移角度可以在外壳内是固定的。这可以使用在上面描述的偏移机构或本领域技术人员鉴于本公开而意识到的另一机构来实现。在某些其它实施例中，所述方法可以包括改变可偏移驱动轴在外壳内的偏移角度。这也可以利用与在上面描述的可变偏移机构类似的可变偏移机构来实现。

鉴于本公开，本领域技术人员应意识到，在本文中描述的转向组件和方法能够提供一种具有与钻柱的直径大致相同的直径的可转向钻井组件。通过避免任何外部扩展、诸如致动器等，在本文中描述的转向组件可以能够穿过重要的井下设备、诸如防喷装置而不损坏它们。因此，本公开也适合于获得提到的目的和优点以及在其中固有的那些。在上面公开的具体实施例仅仅是图示性的，因为本公开可以更改并以不同但对于本领域技术人员来说显而易见、具有本文中的教导的益处的等同方式实施。此外，除下面在权利要求中描述的结构或设计的细节之外，不意欲对在本文中示出的结构或设计的细节进行限制。因此，显而易见的是，在上面公开的具体图示性实施例可以改变或更改，并且所有这样的变体都认为在本公开的范围和精神之内。而且，权利要求中的术语具有其平常的、普通的意义，除非专利权所有人另外明确且清楚地限定。在权利要求中使用的不定冠词“一”或“一个”在本文中限定为意味着其介绍的一个或不只一个元件。此外，在详细描述或权利要求中使用的术语“耦接”或任何常用变体不意欲对直接耦接进行限制。两个元件反而可以间接耦接，并且仍然认为在详细描述或权利要求的范围之内耦接。

Claims (20)

1.一种用于控制钻井组件在井筒内的方向的系统，包括：

工具套圈，所述工具套圈耦接到钻柱，其中，所述工具套圈沿着钻柱旋转方向旋转；

外壳，所述外壳紧邻所述工具套圈的端部定位且至少部分地定位在所述工具套圈的外侧；

可偏移驱动轴，所述可偏移驱动轴耦接到钻头，并且至少部分地设置在所述外壳内；以及

马达，所述马达耦接到所述外壳，其中，当所述马达激活时，所述马达使所述外壳相对于所述工具套圈沿着与钻柱旋转方向相反的方向独立地旋转。

2.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述可偏移驱动轴耦接到所述工具套圈。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述马达设置在所述工具套圈和所述外壳中的一者内。

4.根据权利要求1、2或3所述的系统，其中所述马达包括电动马达和液压马达中的一者。

5.根据权利要求2所述的系统，其中所述工具套圈耦接到钻柱，使得当所述钻柱沿第一方向以第一速度旋转时，所述工具套圈和所述可偏移驱动轴沿所述第一方向以所述第一速度旋转。

6.根据权利要求5所述的系统，其中当所述马达激活时，所述马达通过至少使所述外壳沿与所述第一方向相反的第二方向以与所述第一速度相同的第二速度旋转而使所述外壳独立地旋转。

7.根据权利要求2所述的系统，其中在所述外壳内维持所述可偏移驱动轴的偏移角度。

8.根据权利要求2所述的系统，其中在所述外壳内可改变所述可偏移驱动轴的偏移角度。

9.一种用于控制钻井组件在井筒内的方向的方法，包括：

将可偏移驱动轴定位在所述井筒内，其中所述可偏移驱动轴耦接到钻头，并且至少部分地设置在外壳内，所述外壳紧邻工具套圈的端部定位且至少部分地定位在所述工具套圈的外侧，所述可偏移驱动轴耦接到所述工具套圈，所述工具套圈耦接到钻柱；

使所述可偏移驱动轴、所述工具套圈和钻头沿第一方向以第一速度旋转；

使所述外壳相对于所述工具套圈沿与所述第一方向相反的第二方向以第二速度独立地旋转。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二速度与所述第一速度相同，并且其中旋转的外壳维持所述钻头相对于所述钻井组件的纵向轴线的角定向。

11.根据权利要求9所述的方法，其中：

所述可偏移驱动轴和钻头通过钻柱来旋转；以及

所述外壳通过耦接到所述外壳的马达来旋转。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述马达设置在所述工具套圈和所述外壳中的一者内。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述马达包括电动马达和液压马达中的一者。

14.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括，通过使所述外壳沿所述第一方向或所述第二方向以不同于所述第一速度的速度旋转，改变所述钻头相对于所述钻井组件的角定向。

15.根据权利要求9所述的方法，其中所述可偏移驱动轴的偏移角度在所述外壳内是固定的。

16.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括，在所述外壳内改变所述可偏移驱动轴的偏移角度。

17.一种用于控制钻井组件在井筒内的方向的系统，包括：

工具套圈，所述工具套圈耦接到钻柱，其中，所述工具套圈沿着钻柱旋转方向旋转；

可旋转地独立的外壳，所述可旋转地独立的外壳紧邻所述工具套圈的端部定位且至少部分地定位在所述工具套圈的外侧；

可偏移驱动轴，可偏移驱动轴耦接到所述工具套圈，并且至少部分地设置在所述外壳内；

偏移机构，所述偏移机构在所述外壳内围绕所述可偏移驱动轴部分地设置，其中所述偏移机构控制所述可偏移驱动轴的偏移角度；以及

马达，所述马达设置在所述工具套圈内，其中当所述马达激活时，所述马达使所述外壳相对于所述工具套圈沿着与钻柱旋转方向相反的方向独立地旋转。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述马达包括电动马达和液压马达中的一者。

19.根据权利要求17所述的系统，其中所述工具套圈耦接到所述钻柱，使得当所述钻柱沿第一方向以第一速度旋转时，所述工具套圈和所述可偏移驱动轴沿所述第一方向以所述第一速度旋转。

20.根据权利要求19所述的系统，其中当所述马达激活时，所述马达至少使所述可旋转地独立的外壳沿与所述第一方向相反的第二方向以与所述第一速度相同的第二速度旋转。