CN105239924A - 用于钻柱的导向系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种便于井眼的定向钻探的技术。一种导向系统具有可滑动地安装在机械结构中的多个致动器活塞。该机械结构包括具有用于将一部分钻井泥浆传送到所述多个致动器活塞的端口的径向内部部分。该机械结构还具有径向外部部分，其设置成在机械结构的径向内部部分和径向外部部分之间限定出纵向延伸通过导向系统的主流通道。

Description

用于钻柱的导向系统

本文件基于并且要求享有2014年7月7号提交的美国临时专利申请系列No.62/021,470，以及2015年5月11日提交的美国非临时专利申请系列No.14/709,421的优先权，它们通过引用整体被结合于此。

背景技术

在许多油气井应用中，通过将位于钻柱上的钻井组件送到井下而实现对井眼的钻探。采用旋转导向钻井系统通过控制钻井泥浆到达设置在导向钻井系统上的多个致动器活塞的输送而对倾斜或定向井眼进行钻探。致动器活塞设置在旋转导向钻井系统的外直径上并且沿着该外直径被致动，并且钻井泥浆到达钻头的主流被引导穿过中心孔。

发明内容

总体来说，一种系统和方法提供了一种结构上更加合理的可用于定向钻探井眼的导向系统。在某些实施例中，成旋转导向系统的形式的导向系统具有多个可滑动地安装在机械结构中的致动器活塞。该机械结构包括具有将一部分钻井泥浆送到所述多个致动器活塞的端口的径向内部部分。该机械结构还具有径向外部部分，其设置成在该机械结构的径向内部部分和径向外部部分之间限定出纵向地延伸通过旋转导向系统的主流通道。通过引导钻井泥浆的主流沿着径向外围路径而可形成具有较小的径向尺度的较大流动面积，并且该机械结构的径向外部部分可以制作成更坚固并且更能抗扭矩。

然而，可以进行多种修改而不会实质性地脱离本公开的教导范围。因此，这些修改被看作是包括在权利要求所限定的本公开的范围之内。

附图说明

在后面将参照附图对本公开的某些实施例进行描述，其中，相同的参考标记指代相同的元件。然而，可以理解的是，附图示出了这里描述的各种实施方式，但并不是用于限定这里描述的各种技术的范围，附图包括：

图1为根据本公开的实施例的具有设置在井眼中的钻柱的井系统的一个例子的示意图；

图2为根据本公开的一个实施例的用于定向钻探井眼的旋转导向系统的一个例子的横截面视图；以及

图3为根据本公开的一个实施例的图1所示的但是沿着沿旋转导向系统的轴线延伸的平面所作的一个例子的横截面视图。

具体实施方式

在后面所作的描述中，给出了许多具体细节，以帮助理解本公开的某些实施例。然而，本领域技术人员可以理解的是，本公开的系统和/或方法在实施时也可以不具有这些细节并且描述的实施例可以具有多种变型或改进。

本公开总体涉及一种提供改进的导向系统的系统和方法，所述导向系统例如是可以用于定向钻井的改进的旋转导向系统。旋转导向系统采用多个可滑动地安装在机械结构中的致动器活塞。在某些应用中，所述多个致动器活塞可以被用于选择性地移动用于控制钻井方向的导向垫。例如，导向垫可以选择性地被致动，以控制沿着期望的轨迹钻探倾斜井眼。

该机械结构包括可包含端口和相关的阀系统以传送一部分钻井泥浆到所述多个致动器活塞的径向内部部分。该机械结构还具有径向外部部分和提供活塞通道的中间部分，致动器活塞在所述活塞通道中往复运动。该机械结构被形成为限定纵向延伸穿过位于径向内部部分和径向外部部分之间的旋转导向系统的主流通道。通过引导钻井泥浆的主流沿着径向外围路径流动，可以形成具有较小的径向尺度的较大流动面积并且该机械结构的径向外部部分可以制作得更强硬并且更抗扭矩。

旋转导向系统的外半径从抗扭矩的观点看是一个结构上显著大的面积。这里描述的实施例利用在该较大半径上形成机械结构的材料的结构特性。这里描述的结构还允许体积相对大的部件被串在旋转导向系统的中心线上而不会产生有害作用。例如，流动分配阀系统和致动器活塞可以被设置在一起，位于旋转导向工具的中心线附近。

根据本公开的一个实施例，阀定子壳体及其流动分配通道在旋转导向工具的中心线上或附近与机械结构组合或整合到一起。在该例子中，流动分配通道使得从阀到致动器活塞的流动进而驱动旋转导向系统导向垫，例如，钻头推垫。该系统对活塞通道进行定位和定向以使它们在工具的中心线上或附近延伸进入机械结构。这种方法与传统的将致动器活塞和活塞通道设置在旋转导向系统的外半径处的操作具有差别。

通过形成这样的机械结构以及将部件设置在工具的中心线上或附近，可以保留外半径上的材料以提高抗扭刚度。此外，该机械结构将钻井泥浆流转移到径向外部通道从而形成具有较小/较短的流动通道径向尺寸的较大的流动面积。较大的流动面积可有益于减小侵蚀。此外，该机械结构使得阀和致动器活塞之间具有非常短的连接通道/端口结构，从而可实现对入口流量和排放流量进行更好的控制。

总体上参照图1，示出了可采用这里描述的实施例的井场系统的一个例子。该井场可以是陆上或海上井场。在井场系统中，通过钻井在地下地层中形成井眼20。形成井眼20的钻井方法可以包括但不限于旋转和定向钻井。钻柱22悬置在井眼20中并且具有底部钻具组合(BHA)24，在底部钻具组合的下端具有钻头26。

地面系统的一个实施例包括设置在井眼20上方的平台和井架组件28。组件28的一个实例包括旋转台30、方钻杆32、钩34以及转环36。钻柱22被旋转台30所转动，所述旋转台30通过在钻柱22的上端与方钻杆32接合的适配系统(未示出)驱动。钻柱22通过方钻杆32和转环36悬挂在钩34上，所述钩附接到游车(未示出)上，所述转环允许钻柱22相对于钩34旋转。顶部驱动系统可以用在其它实施例中。

地面系统的一个实施例还包括钻井流体38，例如泥浆，其储存于形成在井场的坑40中。泵42通过转环36中的一个或多个端口将钻井流体38传送到钻柱22的内部，使得钻井流体如方向箭头44所示的那样向下流动穿过钻柱22。钻井流体通过钻头26中的一个或多个端口离开钻柱22，并且接着如方向箭头46所示，向上循环通过钻柱22的外部和井眼的壁之间的环形区域。按照这种方式，钻井流体对钻头26进行润滑并且随着其返回坑40用于再循环而将地层切屑和微粒物质传送到地面。

在图示的实施例中，底部钻具组合24包括一个或多个随钻测井(LWD)模块48/50、一个或多个随钻测量(MWD)模块52、一个或多个旋转导向系统和马达(未示出)以及钻头26。还可以理解，在多个实施例中，例如可以在48和50的位置上采用多于一个的LWD模块和/或多于一个的MWD模块。

LWD模块48/50被容置在一种类型的钻铤中，且包括用于测量、处理以及存储信息，还有与地面设备通信的能力。LWD模块48/50还可包括压力测量装置和一个或多个测井工具。

MWD模块52也被容置在一种类型的钻铤中，且包括一个或多个用于测量钻柱22和钻头26的特性的装置。MWD模块52还可包括一个或多个用于为井下系统发电的装置。在一个实施例中，发电装置包括由钻井流体的流动提供动力的泥浆涡轮发电机(也被称作“泥浆马达”)。在其它实施例中，也可以采用其它供电和/或电池系统来产生电能。

MWD模块52还可包括一个或多个下面类型的测量装置：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、方向测量装置以及倾角测量装置。

在一个运行实例中，图1的井场系统与受控的导向或“定向钻井”结合使用。定向钻井是使井眼从其自然行进的路径故意发生偏移。换句话说，定向钻井为对钻柱22进行导向以使其沿着期望的方向移动。定向钻井例如在海上钻井中是非常有用的，因为它能够使得从一个平台钻多个井。定向钻井还能够实现穿过储层的水平钻井。水平钻井使井眼具有更长的长度横越储层，这提高了井的生产率。

定向钻井系统还可以用在垂直钻井操作中。通常钻头会从计划的钻井轨迹转向，这是由于正被穿入的地层的不可预知的性质或者钻头经历的变化的力所造成的。当这样的偏移发生时，可以使用定向钻井系统使钻头返回其规定的路线上。

定向钻井可以使用旋转导向系统(“RSS”)。在采用图1所示的用于定向钻井的井场系统的一个实施例中，设置导向工具或者子系统54。导向工具54可包括RSS。在RSS中，钻柱可以从地面和/或井下位置被旋转，并且井下装置使得钻头沿着期望的方向钻井。旋转钻柱可以大大减少在钻井过程中钻柱被挂起或卡住情况的发生。用于钻在地层中倾斜的井眼的旋转导向钻井系统可通常被归类为“指向式钻头(point-the-bit)”系统或者“推靠式钻头(push-the-bit)”系统。

在“指向式钻头”旋转导向系统的一个例子中，钻头的旋转轴线沿着新孔的大致方向而与底部钻具组合的局部轴线相偏离。该孔按照由上方和下方稳定器触点和钻头所限定的通常的三点式几何结构行进。钻头轴线的偏斜角度与钻头和下方稳定器之间的有限距离相结合产生了用于生成的曲线的非共线条件。这可以通过多种不同的方式来实现，包括在下方稳定器附近的底部钻具组合的一个点上的固定弯曲或者在上方和下方稳定器之间分布的钻头驱动轴的挠曲。在其理想的形式中，钻头不必向侧面切削，因为钻头轴线沿着弯曲孔的方向连续地旋转。在美国专利No.6,394,193；6,364,034；6,244,361；6,158,529；6,092,610；和5,113,953；以及美国专利公开No.2002/0011359和2001/0052428中描述有“指向式钻头”类型的旋转导向系统及它们的操作的实例。

在“推靠式钻头”旋转导向系统的实例中，不需要有具体指定的机构来驱动钻头轴线从局部底部钻具组合轴线发生偏移。相反的是，通过使上方或下方稳定器或者两者同时沿着相对于孔延伸方向进行定向的方向施加偏心力或位移来实现。这可以采用多种不同的方式实现，包括非旋转(相对于孔)偏心稳定器(基于位移的方法)以及沿着期望的导向方向向钻头施加力的偏心致动器。通过在钻头和至少两个其它触点之间创建非共线性来实现导向。在其理想的形式中，钻头不必侧向切削以生成弯曲孔。在美国专利No.6,089,332；5,971,085；5,803,185；5,778,992；5,706,905；5,695,015；5,685,379；5,673,763；5,603,385；5,582,259；5,553,679；5,553,678；5,520,255；和5,265,682中描述有“推靠式钻头”类型的旋转导向系统及它们的操作的实例。

总体参照图2，示出了导向系统54的一个实例。在该实施例中，导向系统54为具有多个致动器活塞56，例如三个致动器活塞56的旋转导向系统。致动器活塞56可滑动地安装在形成在机械结构60中的对应的活塞通道58，例如对应的缸孔中。机械结构60包括径向内部部分62、径向外部部分64以及在径向内部部分62和径向外部部分64之间径向延伸的中间或活塞腔部分66。活塞腔部分66包含活塞通道58，致动器活塞56在致动流体38、例如钻井泥浆的影响下在活塞通道58中径向往复运动。

机械结构60的径向内部部分62构造成将各个部件定位在旋转导向系统54的轴线或中心线68上或附近。例如，径向内部部分62可以包含用于将流经旋转导向系统54的钻井泥浆的一部分传送到适合的致动器活塞56的端口70。如下面参照图3进行的更加详细的描述，径向内部部分62还可以与阀系统协作工作。在内部部分62的径向外侧，机械结构60限定出在径向上位于径向内部部分62和径向外部部分64之间的位置上纵向延伸穿过旋转导向系统54的主流通道72。主流通道72引导致动流体38，例如钻井泥浆，流动通过旋转导向系统54并且向下例如到达钻头26。由于主流通道72设置在内部部分62的径向外侧，因此与传统系统中沿着中心线68对致动泥浆进行引导相比，可以通过主流通道72提供一个具有较小的径向尺度，即通道72具有较小的径向高度的较大流动区域。

图2中的图示为沿着穿过致动器活塞56的平面垂直于中心线68所作的横截面视图。到达或流出致动器活塞56的流动可以通过在图示的横截面之前和/或之后的平面内设置的阀元件进行控制。每个致动器活塞56的底部接近于中心线68以及下死点，以便提供更长的活塞长度来提高负载稳定性。在某些应用中，例如，每个致动器活塞56的底部或至少一部分73可以径向向内移动到相对于主流通道72径向靠内的位置。致动器活塞56还可以构造成具有更长的长度，以便提供更多的用于有效密封每个活塞56的空间。

凸轮从动件结构74可以设置在每个致动器活塞56的顶部处，以在每个致动器活塞56驱动对应的致动器导向垫或板76时进一步减小或移除侧向负载。凸轮从动件结构74例如可以包括用于在活塞56抵靠导向垫76作用时减小作用在对应的致动器活塞56上的侧向负载的滚珠或滚柱元件。作为举例，如图所示，每个导向垫76可以与机械结构60的径向外部部分64枢转地连接。

总体参照图3，示出了旋转导向系统54的横截面视图，其中，横截面沿着中心线68延伸。在该实例中，旋转导向系统54为构造成旋转用于钻期望井孔、例如井眼的钻头26的钻柱22的一部分。如图所示，旋转导向系统54包括沿着机械结构60的径向内部部分62设置或者位于径向内部部分62内的阀系统78。阀系统78供应或者从每个活塞通道58的底部移除致动流体38、例如钻井泥浆，以便能够致动选定的致动器活塞56。每个活塞通道58，例如每个活塞缸孔的下部，可以构造成有效地冲洗掉已经通过上游过滤器的颗粒。

阀系统可以进一步被构造和设置成提供通过端口70的单向流，即通过对应的入口70进入活塞通道58中并且通过对应的出口70离开活塞通道58。单向流有助于通过将颗粒移动经过致动器活塞56而进行的颗粒冲洗过程。如图3进一步所示，阀系统78可以采用具有入口转子82和排放转子84的转子系统80。入口转子82被旋转用于控制流体通过对应的入口70进入每个致动器活塞56的活塞通道58的流动。排放转子84设置在转子系统80上，以控制流体通过对应的出口70流出活塞通道58，如图3中的箭头86所示。在某些实施例中，转子系统80与收集器腔88一起操作。

致动器活塞56可以是圆柱体，即，横截面是圆形的，并且每个导向垫76可以与单个致动器活塞56或者与多个致动器活塞56关联。例如，多个圆柱体致动器活塞56可以设置在相继的轴向平面上用于对单个对应的导向垫76进行作用。每组活塞56作用于同一对应的导向垫/致动器板76，以改善、例如提高由系统产生的力。

在另一个实施例中，致动器活塞56为非圆形活塞。作为举例，非圆形致动器活塞56可以具有各种横截面形状，包括椭圆形、以直边结束的圆形、矩形或近矩形形状或者具有选择用于提高移动稳定性、强度和/或其它性能参数的几何特性的其他横截面形状。

根据应用，旋转导向系统54可包括多种其它结构特征和布置方式。例如，阀系统78被示出设置在致动器活塞56的下方或径向内侧，但是阀系统也可以轴向地移位到所述多个致动器活塞56的任一侧。此外，过滤器结构可以与阀系统78和/或机械结构60形成为一体。过滤器结构可以设置在用于致动活塞56的致动泥浆的流路中，以移除潜在的有危害性的颗粒。然而，也可以在其它位置进行过滤，以便可向致动器活塞56提供干净的致动流体/泥浆。此外，以机械结构60的形式示出的偏置单元可以构造成单一的尺寸。然而，该结构的规径可以变化，以适应不同的钻头大小，例如通过在导向垫的外表面上另外设置耐磨规径板(gaugeplate)。

因此，系统54可以具有包括其它和/或附加部件的多种配置方式。例如，可以采用各种类型的致动器活塞和对应的导向垫。此外，根据指定结构或应用的参数，在指定的旋转导向系统54中可使用很多种类型的阀系统凸轮组件、端口布置以及流动通道。根据应用，导向垫可以构造成直接作用于周围的井眼壁或旋转导向系统的另一个套筒或可移动部件。

尽管上面已经详细地描述了本公开的一些实施例，但是本领域技术人员可以容易地意识到，可以进行多种修改而不会实质性地脱离本公开的教导。因此，这些修改都被认为是包括在权利要求所限定的本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种用于形成定向井眼的系统，包括：

具有可滑动地安装在机械结构中的多个致动器活塞的旋转导向系统，该机械结构包括：

包含用于将致动泥浆传送到所述多个致动器活塞的端口的径向内部部分；

径向外部部分；以及

在径向内部部分和径向外部部分之间径向延伸的活塞腔部分，机械结构在径向内部部分和径向外部部分之间限定出纵向延伸通过旋转导向系统的用于将致动泥浆流引导到钻头的主流通道。

2.权利要求1所述的系统，进一步包括：设置在主流通道的径向内侧的阀系统。

3.权利要求1所述的系统，其中，致动器活塞作用于对应的导向垫。

4.权利要求1所述的系统，其中，致动器活塞具有圆形横截面。

5.权利要求1所述的系统，其中，致动器活塞具有非圆形横截面。

6.权利要求1所述的系统，其中，旋转导向系统被连接到钻柱中。

7.权利要求1所述的系统，其中，所述多个致动器活塞包括三个致动器活塞。

8.权利要求1所述的系统，其中，每个致动器活塞的至少一部分能往复运动到主流通道的径向内侧的位置。

9.权利要求3所述的系统，其中，旋转导向系统进一步包括位于致动器活塞和对应的导向垫之间的凸轮从动件。

10.一种方法，包括：

将旋转导向系统设置在钻柱中；

引导钻井泥浆通过钻柱；

使用钻井泥浆通过设置在旋转导向系统内的径向内部位置处的阀控制端口来操作旋转导向系统的致动器活塞；以及

通过位于阀控制端口的径向外侧的主流通道来将其余的钻井泥浆引导经过旋转导向系统。

11.权利要求10所述的方法，进一步包括将阀控制端口和对应的阀系统设置在机械结构的径向内部部分中。

12.权利要求11所述的方法，进一步包括将致动器活塞安装到径向定向于机械结构中的对应的活塞通道中。

13.权利要求12所述的方法，进一步包括致动所述致动器活塞，以选择性地移动多个对应的导向垫。

14.权利要求13所述的方法，进一步包括使用位于致动器活塞和对应的导向垫之间的凸轮从动件。

15.权利要求13所述的方法，进一步包括将每个对应的导向垫枢转地连接到旋转导向系统的机械结构。

16.权利要求10所述的方法，其中，所述使用包括使致动器活塞往复运动，以使得每个致动器活塞的一部分能够移动到主流通道的径向内侧的位置。

17.一种用于在钻井中进行导向的系统，包括：

具有旋转导向系统的钻柱，该钻柱被构造成能使钻井泥浆从钻柱中流过，该旋转导向系统包括：

由钻井泥浆流操作的多个致动器活塞；

设置在旋转导向系统内的径向内部位置处的多个端口，所述多个端口中的端口设置成能将钻井泥浆流引导到所述多个致动器活塞中的对应的致动器活塞；以及

具有设置在所述多个端口的径向外侧的主流通道的机械结构，该主流通道将其余的钻井泥浆引导经过旋转导向系统。

18.权利要求17所述的系统，其中，旋转导向系统进一步包括用于控制钻井泥浆向所述多个端口中的选定端口的流动的对应的阀系统，所述多个端口和对应的阀系统设置在机械结构的径向内部部分中。

19.权利要求18所述的系统，其中，致动器活塞在径向定向于机械结构中的对应的活塞通道内移动。

20.权利要求19所述的系统，其中，旋转导向系统进一步包括多个对应的导向垫，致动器活塞被致动以移动选定的、对应的导向垫。