CN104968884A

CN104968884A - Bha浪涌减压系统

Info

Publication number: CN104968884A
Application number: CN201280077947.1A
Authority: CN
Inventors: A·K·昂特
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2015-10-07
Also published as: BR112015015320A2; RU2015124925A; WO2014105056A1; CA2891331A1; AU2012397857B2; EP2938809A1; US20150308205A1; AU2012397857A1; EP2938809A4; MX2015008170A

Abstract

所公开的实施方案包括用于海上钻柱上的底部钻孔组件(BHA)和钻头的浪涌减压系统。一个实施方案包括流动通道和外部端口，所述流动通道和外部端口被布置成管理在由波浪引起的BHA和钻头的突然移动期间井眼流体的流动。在第一流动通道中的第一减压阀被布置成在预定的压力下激活以允许流经所述第一减压阀。可以沿着所述BHA/钻头系统的长度对附加流动通道和减压阀连续地定位以进一步辅助加压流体经过浪涌减压系统的受管控泄出。所述连续的减压阀可以具有连续增加或减小的激活压力。

Description

BHA浪涌减压系统

技术领域

本公开涉及一种用于适应在来自海上平台的起下钻程序中在钻柱的底部钻孔组件(BHA)处所经历的浪涌和抽汲的装置和方法。更具体地，本公开提供了一种浪涌减压系统，该浪涌减压系统由与钻头相邻的钻柱支撑以最小化对作为在起下钻程序期间平台的移动的结果而可能经历的对地层的损害。

背景技术

海上油气钻井通过两大类型的钻井平台中的一种来完成，所述两大类型的钻井平台即：由海床支撑的平台，诸如固定式钻机和顶举式钻机；或浮在水面附近或浮在水面上的平台，诸如钻船、立柱式平台、半潜式钻井平台等。虽然根据这些类型的钻井平台所进行的钻井操作是类似的，但是存在至少一项主要差别：浮式平台随着海的波浪和风而移动，而固定式或顶举式钻机保持固定至海床。

在利用这些类型的平台的钻井中，由波浪和风引起的钻井平台的移动呈现出独特的问题。在这些问题当中，最常见的是在钻井期间钻柱上的升沉，即，在钻井操作期间钻柱随波浪的上下移动。具体地，随着浮式钻机上下移动，在钻机下方延伸的钻柱也将上下移动，相应地，处于钻柱端部的钻头在它接触地层时将移动。为了让钻头尽可能有效地执行，钻头上所需的或最佳重量(“WOB”)，即，施加到钻头的向下力必须尽可能保持恒定。然而，在船或钻机骑到波浪的波峰时，升沉从钻头移除重量，并且在船或钻机向下骑到波浪之间的波谷中时，升沉将重量放回到钻头上。这种施加在钻头上的力的波动严重妨害操作员的钻探井眼的能力。

为了补偿与升沉相关联的该问题，浮动钻井平台装备有升沉补偿系统。升沉补偿系统通常为有源升沉绞车系统或作为钻井架的不可分割的部分或直接安装在游动滑车的延伸部上的系统的形式。这样的系统旨在钻井操作期间提供保护免受升沉效应以确保维持适当的WOB。

到目前为止，一直很少(如果有的话)关注在将钻柱下放到井眼中以及从井眼起出时钻柱上的升沉效应。钻柱，具体地，底部钻孔组件和钻头在被移动下钻和起出时将经历向上和向下运动。这将导致钻头和BHA充当井眼中流体上的活塞，驱使井眼流体在周围的地层上产生浪涌和抽汲效应。随着波浪运动将钻柱向下驱动到井眼中，通过将井眼流体压迫到地层中而替代地对地层施加超压，这些效应会严重地损害地层，在这种情况下，在向上拉拔钻柱时，由于减小的井眼压力，钻柱在井眼中被向上拉，井眼流体浪涌到地层中并且将地层流体强制地从地层吸出到井眼中。在井眼操作中，抽汲大致被认为是有害的，因为它会导致反冲和井眼稳定性问题。

因此，所需的是最小化在将钻柱下放到井眼中以及从井眼中起出时由钻柱上的升沉引起的抽汲和浪涌效应的系统。

附图说明

图1示出钻柱将受到来自升沉的浪涌和抽汲效应的浮式平台。

图2示出钻柱中的浪涌减压系统。

图3示出具有泥浆马达的钻柱中的浪涌减压系统。

具体实施方式

前述公开内容可以在各示例中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简单和清晰目的并且在本质上不决定所讨论的各实施方案和/或构造之间的关系。此外，为了描述的方便，在本文中可以使用空间相对术语，诸如“在下方”、“下方”、“下”“上方”“上”、“井上”、“井下”等来描述如图中所示的一个元件或结构与另一个(多个)元件或结构的关系。除图中描述的定向之外，空间相对术语旨在包括在使用或操作中装置的不同定向。例如，如果图中的装置被倒置，则被描述为在其它元件或结构“下方”或“下面”的元件因此将被定向为在另一元件或结构的“上方”。因此，示例性术语“下方”可以包括上方和下方的定向两者。装置可以另外被定向(旋转90度或在其它定向上)，因此，可以以同样的方式解释在本文中所使用的空间相对叙述语。

参照图1，示出大致浮在水体14的水面12处的浮式钻井平台10。井眼16从海床20延伸到地层18中并且包括被布置在其中的井眼流体22。钻柱24从平台10向下延伸并且到井眼16中。钻柱24大致包括底部钻孔组件(“BHA”)26和钻头28。在图1的图示中，本领域的普通技术人员应当理解，因为钻头28未与地层18接合，所以钻柱24被示出为处于将钻柱24下放到井眼16中或从井眼起出期间。

参考图2，BHA 26和钻头28设置有浪涌减压系统30。浪涌减压系统30大致包括多个流通道32和减压阀34，这些减压阀34被布置在BHA 26中以便管理随着平台10在水面12上方移动因钻柱24的升沉而产生的井眼流体22浪涌和抽汲效应。更具体地，BHA 26包括细长管形构件36，该细长管形构件36具有第一端38和第二端40，且内环体42在该第一端38与第二端40之间延伸。第一端38以熟知的方式附接到管柱44，使得管柱44的环体46与BHA26的环体42流体连通。BHA 26包括外表面48，该外表面48大致暴露于开放的井眼16和井眼流体22。

钻头28具有近端48和远端50。钻头28还设置有环体52，该环体52至少部分地延伸通过钻头28。应领会，环体52可以以各种已知构造中的任一种(诸如经布置在钻头28的主体中的喷口(未示出)或诸如开口54的其它开口)通向井眼16从而将钻井泥浆供给至井眼16。本文所描述的实施方案并不限制于特定类型的BHA组件或钻头或这两者的构造；相反，阀34和通道32可以相应地被布置在许多不同类型的BHA和钻头(其被布置在钻柱上)中。

在任何情况下，浪涌减压系统30包括在钻头28中限定的第一流动通道32a。第一流动通道32a在钻头28的远端50处具有第一端口54。在某些优选实施方案中，当将钻头28定位在井眼16中时，第一端口54被轴向地布置成通向井眼16的底部。在某些优选实施方案中，第一端口54是环体52的开口。

第一流动通道32a也具有第二端口56。第二端口56优选定位在钻头28的远端50与BHA 36的第二端40之间，但是应理解，第一流动通道32a可以具有任意位置或定向，只要它允许来自经过钻头28中的第一端口54的流的减压即可。在某些优选实施方案中，第二端口56被布置在钻头28的近端48处，而在其它实施方案中，第二端口56可以是沿着钻头28的长度。在其它实施方案中，第一流动通道32a可以延伸到BHA 26中，在这种情况下，第二端口56可以定位在管36的外部48上。

第一减压阀34a被布置在第一通道32a中，相应地在第一与第二端口54、56之间。在某些优选实施方案中，阀34a与第二端口56相邻。

虽然浪涌减压系统30可以简单地利用其中布置有的减压阀的单个通道，浪涌减压系统30可以进一步包括第二流动通道32b。虽然它可以被限定在钻头28中，在某些实施方案中，优选地，第二流动通道32b被布置在第一端38与第二端40之间的管36中。第二流动通道32b具有第三端口58。相应地，第三端口58优选定位在管36的第一端38与第二端40之间。在优选实施方案中，第三端口58是从第二端口56仰孔并且被限定在管36的外表面48上。优选地，第二流动通道32b与第一流动通道32a流体连通，使得从第一端口54连续地通过通道32的系统的流遇到第二端口56然后遇到第三端口58以便将流体排放到井眼16中，如将所描述的。

第二减压阀34b被布置在第二通道32b中。在某些优选实施方案中，阀34b与第三端口58相邻。

最终，浪涌减压系统30包括阀60，该阀60用以阻塞沿着钻柱24的环体的逆流。在某些优选实施方案中，阀60是由经过钻柱24的回流致动的止回阀，诸如浮阀、球阀、瓣阀等。在某些优选实施方案中，阀60定位在管形构件36的环体42中，优选地与通道32b和减压阀34b的第一端38仰孔相邻。

继续参照图2，浪涌减压系统30还可以包括第三流动通道32c。虽然该第三流动通道32c可以被限定在钻头28中，但是在某些实施方案中，优选地，第三流动通道32c被布置在第二流动通道32b的第一端38和第二端40与仰孔之间的管36中。第三流动通道32c具有第四端口62。相应地，第四端口62优选定位在管36的第一端38与第二端40之间。在优选实施方案中，第四端口62是从第三端口58仰孔并且被限定在管36的外表面48上。优选地，第三流动通道32d与第一流动通道32a和第二流动通道32b流体连通，使得从第一端口54连续地流经通道32的系统遇到第二端口56，然后遇到第三端口58，然后遇到第四端口62，以便将流体排放到井眼16中，如将描述的。就这点而言，如图2的实施方案中所图示的，相应地，第一通道32a、第二通道32b和第三通道32c与内环42、52流体连通。在某些优选实施方案中，环体的部分形成相应的第一通道32a、第二通道32b和第三通道32c的部分。同样地、如图3所示，通道32a、32b、32c中的一个或多个可以形成整体通道34的一部分。

第三减压阀34c被布置在第三通道32c中。在某些优选实施方案中，阀34c与第四端口62相邻。

而且，通道32a、32b和32c可以与钻柱24的轴线倾斜以控制经过这些通道的井眼流体的流动。例如，如由通道34a所图示，通道可以是倾斜的仰孔，使得钻柱的仰孔移动将驱动井眼流体通过端口56到通道中，通过第一端口54下落然后流出。同样地，如图3所示，通道32c被轴向向上地定向，使得钻柱的仰孔移动将驱动井眼流体通过端口62到通道中，通过第一端口54下落然后流出。

如图3中所示，浪涌减压系统30还可以包括与第一通道32a、第二通道32b和第三通道32c隔离的第四通道32d。第四通道32d优选是被布置在钻头28中并且包括第五端口64和第六端口66。在某些优选实施方案中，当将钻头28定位在井眼16中时，第五端口64被轴向地布置成通向井眼16的底部。第四通道32d可以包括第四减压阀34d，该第四减压阀34d沿着在第五端口64与第六端口66之间的第四通道32d被布置。

继续参照图3，示出类似于图2的浪涌减压系统的浪涌减压系统30，但是一个或多个通道34以流体连通的方式与环体42隔开。这可以是环体42为诸如泥浆马达68的另一个系统的部分，如图3所示。

在某些优选实施方案中，浪涌减压阀34a、34b和34c可以具有可调节的激活压力或可以以其它方式被选择以在某一压力阈值时激活。优选地，所有阀34的激活压力将高于在钻井期间利用的泥循环压力。而且，阀34a、34b、34c的激活压力可以被设置成连续较高的激活压力。例如，阀34a的激活压力可能低于阀34b的激活压力，其可能同样低于阀34c的激活压力。因此，随着由升沉引起的流从第一端口54沿着通道34系统轴向地进展，阀34的激活压力逐渐变得更高，从而允许流受到管控。就这点而言，可以将一个或多个变送器70布置在通道34中，并且利用局部定位的或在表面处的控制系统72可以激活这些阀。附加流通道中的附加阀34同样可以基于预定的流体压力被激活。最终，浪涌减压阀34可以是单向或双向的。如下所述，在本公开的某些实施方案中，利用沿一个方向流经阀来最小化地层上的浪涌效应，而利用沿相反的方向流经阀来最小化系统上的抽汲效应。

因此，为了在从海上浮式平台钻井眼期间利用浪涌减压系统30，将具有BHA 26和带浪涌减压系统30的钻头28的钻柱24定位在井眼16中。在钻井(即，将钻头与地层接合)已经被暂停期间，利用系统。就这点而言，在将钻柱下放到井眼中或从井眼中起出期间系统是最有用的。在这样的过程期间，起因于波浪作用的在钻柱上的向下升沉将迫使钻头向下进入到井眼流体中。井眼流体将被迫通过第一端口并且被驱使到第一通道中。在第一通道中该流体的压力到达预定阈值时，第一减压阀被致动，允许流体经过第二端口并且返回到井眼中。同样地，随着井眼流体被驱使到第二通道，然后到第二通道中，则第二减压阀并且因此第三减压阀将致动，允许流体经过相应的端口返回到井眼中。

达到该流进入下环体中的程度时，背压阀可以被触发以防止流体向上返回钻柱。

同样地，随着钻柱上的向上升沉向上拉动钻头和BHA，井眼流体可以经过第二、第三和第四端口到浪涌减压系统中，在此处，流体可能被迫从钻头中的第一端口出来，从而凭借钻柱的突然上升运动最小化井眼中低压的产生。

虽然在本文中已经图示了各种流动通道和端口的数量、位置和定向，但是本公开的某些实施方案并不限于所图示的数量、位置和定向，只要整个浪涌减压系统30被布置成使井眼流体流经过一个或多个通道和端口的系统以最小化井眼中的浪涌和抽汲效应即可。因此，流动通道可以采取通过BHA和钻头的各种形状或路线。同样地，流动通道的端口可以定位在沿着整个BHA/钻头组件的多个位置处，而不限于本公开。

虽然前述公开内容涉及本公开的特定实施方案，但是对于本领域的技术人员而言，各种修改将是明显的。意图是，前述公开内容包括所附权利要求的范围和精神内的所有变型。

Claims

1.一种用于钻柱的浪涌减压系统，所述浪涌减压系统包括：

细长管形构件，所述细长管形构件具有第一端、第二端和外表面，并且进一步具有在所述第一端与第二端之间延伸的内环体；

钻头，所述钻头具有近端和远端以及外表面，其中所述钻头的近端附接到所述细长管形构件的第二端；

在所述钻头中限定的第一通道，所述第一通道在所述钻头的远端处具有第一端口并且在所述钻头的远端与所述管形构件的第一端之间的所述管形构件或钻头中的一个的外表面中具有第二端口；

第一减压阀，所述减压阀被布置在所述第一端口与第二端口之间的第一通道中；和

止回阀，所述止回阀被布置在所述细长构件的内环体中。

2.根据权利要求1所述的浪涌减压系统，其进一步包括：

第二通道，所述第二通道沿着在所述管形构件的第一端与所述钻头的近端之间的管的长度被限定，所述第二通道与所述第一通道流体连通并且具有在所述管形构件的外表面中限定的第三端口；

第二减压阀，所述第二减压阀被布置在所述第一端口与第三端口之间的第二通道中。

3.根据权利要求2所述的浪涌减压系统，其进一步包括：

第三通道，所述第三通道沿着在所述管形构件的第一端与所述第二端口之间的管的长度被限定，所述第三通道与所述第一和第二通道流体连通并且具有在所述管形构件的外表面中限定的第四端口；和

第三减压阀，所述第三减压阀被布置在所述第一端口与第四端口之间的第二通道中。

4.根据权利要求2所述的浪涌减压系统，其中所述第一减压阀与所述第一通道的第二端口相邻，且所述第二减压阀与所述第二通道的第三端口相邻。

5.根据权利要求3所述的浪涌减压系统，其中所述第一减压阀与所述第一通道的第二端口相邻；所述第二减压阀与所述第二通道的第三端口相邻；并且所述第三减压阀与所述第三通道的第四端口相邻。

6.根据权利要求2所述的浪涌减压系统，其中所述第一和第二通道与所述环体流体连通。

7.根据权利要求3所述的浪涌减压系统，其中所述第一、第二和第三通道与所述环体流体连通。

8.根据权利要求3所述的浪涌减压系统，其进一步包括在所述钻头中限定的并且与所述第一通道隔离的第四通道，所述第四通道在所述钻头的远端处具有第五端口并且在所述远端与所述管形构件的第二端之间具有第六端口；和

第四减压阀，所述第四减压阀被布置在所述第五端口与第六端口之间的第四通道中。

9.根据权利要求2所述的浪涌减压系统，其中所述第一和第二通道与所述环体隔离。

10.根据权利要求9所述的浪涌减压系统，其中所述环体与所述钻头的远端流体连通。

11.根据权利要求9所述的浪涌减压系统，其中所述细长管形构件是泥浆马达副件。

12.一种用于钻柱的浪涌减压系统，所述浪涌减压系统包括：

钻头，所述钻头具有近端和远端，其中所述钻头的近端附接到所述细长管形构件的第二端；

在所述钻头中限定的第一通道，所述第一通道在所述钻头的远端处具有第一端口并且在所述远端与所述管形构件的第二端之间具有第二端口；

第一减压阀，所述第一减压阀被布置在所述第一端口与第二端口之间的第一通道中；

第二减压阀，所述第二减压阀被布置在所述第一端口与第三端口之间的第二通道中；

第三通道，所述第三通道沿着在所述管形构件的第一端与所述第二端口之间的管的长度被限定，所述第三通道与所述第一和第二通道流体连通并且具有在所述管形构件的外表面中限定的第四端口；

第三减压阀，所述第三减压阀被布置在所述第一端口与第四端口之间的第二通道中；和

止回阀，所述止回阀被布置在所述细长构件的内环体中。

13.根据权利要求12所述的浪涌减压系统，其中所述第一减压阀与所述第一通道的第二端口相邻；所述第二减压阀与所述第二通道的第三端口相邻；并且所述第三减压阀与所述第三通道的第四端口相邻。

14.根据权利要求13所述的浪涌减压系统，其中所述第一、第二和第三通道与所述环体流体连通。

15.根据权利要求14所述的浪涌减压系统，其进一步包括在所述钻头中限定的并且与所述第一通道隔离的第四通道，所述第四通道在所述钻头的远端处具有第五端口并且在所述远端与所述管形构件的第二端之间具有第六端口；和

16.根据权利要求14所述的浪涌减压系统，其中所述第一、第二和第三通道与所述环体隔离。

17.根据权利要求16所述的浪涌减压系统，其中所述环体与所述钻头的远端流体连通。

18.一种被布置在井眼中的钻井系统，所述钻井系统包括：

由多个细长管形构件构成的钻柱，所述钻柱具有外表面并且进一步具有内环体；

附接到所述钻柱的底部钻孔组件，所述底部钻孔组件包括细长管形构件，所述细长管形构件具有第一端、第二端和外表面，并且进一步具有在所述第一端与所述第二端之间延伸的内环体，所述底部钻孔组件的内环体与所述钻柱的内环体流体连通；

钻头，所述钻头具有近端和远端，其中所述钻头的近端附接到所述底部钻孔组件的所述细长管形构件的第二端；

第一减压阀，所述减压阀被布置在所述第一端口与第二端口之间的第一通道中；

止回阀，所述止回阀被布置在所述底部钻孔组件或所述钻柱的内环体中。

19.根据权利要求18所述的钻井系统，其中所述第一减压阀与所述第一通道的第二端口相邻；所述第二减压阀与所述第二通道的第三端口相邻；并且所述第三减压阀与所述第三通道的第四端口相邻；所述浪涌减压系统进一步包括在所述钻头中限定的并且与所述第一通道隔离的第四通道，所述第四通道在所述钻头的远端处具有第五端口和在所述远端与所述管形构件的第二端之间的第六端口；和

20.根据权利要求19所述的钻井系统，其中所述细长管形构件是泥浆马达副件，并且其中所述第一、第二和第三通道与所述环体隔离。

21.一种从海上浮式平台钻井眼的方法，所述方法包括下列步骤：

当暂停所述钻头的操作时，移动井眼中的钻柱，所述钻柱包括底部钻孔组件，所述底部钻孔组件具有细长管形构件并且进一步具有在所述第一端与所述第二端之间延伸的内环体，所述细长管形构件具有第一端、第二端和外表面；钻头，所述钻头具有近端和远端，其中所述钻头的近端附接到所述底部钻孔组件的所述细长管形构件的第二端；在所述钻头中限定的第一通道，所述第一通道在所述钻头的远端处具有第一端口并且在所述远端与所述管形构件的第二端之间具有第二端口；第一减压阀，所述第一减压阀被布置在所述第一端口与第二端口之间的第一通道中；第二通道，所述第二通道沿着在所述管形构件的第一端与所述钻头的近端之间的管的长度被限定，所述第二通道与所述第一通道流体连通并且具有在所述管形构件的外表面中限定的第三端口；第二减压阀，所述第二减压阀被布置在所述第一端口与第三端口之间的第二通道中；和止回阀，所述止回阀被布置在所述钻柱的内环体中；

当将所述钻柱下放到所述井眼中时，致动所述止回阀以密封所述环体；

当所述井眼流体经历由所述钻柱在所述井眼中的不受控制的垂直运动引起的第一压差时，致动所述第一减压阀以允许井眼流体流经所述第一差压阀；并且

当所述井眼流体经历高于由于所述钻柱在所述井眼中的不受控制的垂直运动而引起的第一压差的第二压差时，致动所述第二减压阀以允许井眼流体流经所述第二减压阀。

22.根据权利要求21所述的方法，其中当所述钻柱的垂直运动向下时，流经致动减压阀和相关联的通道是沿第一方向，而当所述钻柱的垂直运动向上时，流经致动安全阀和相关联的通道是沿第二方向。