CN105637170B - 定向钻探方法及定向钻探系统 - Google Patents
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Abstract
一种定向随钻套管系统包括旋转可导向系统，所述旋转可导向系统设置在随钻套管操作期间用作钻柱的套管柱内。一些实施方案的所述套管柱可包括由转环联接的上部区段和下部区段，所述转环可使所述套管柱的所述上部区段旋转而使所述下部区段基本上不旋转。所述旋转可导向系统可至少部分地设置在所述套管柱的所述下部区段内，并且联接到钻头和/或扩孔器。所述旋转可导向系统可例如通过致动在所述旋转可导向系统中的一个或多个部件来使所述钻头和/或扩孔器能够径向转向。
Description
技术领域
本公开一般涉及地下钻探操作，并且更具体地说涉及定向钻探操作及其工具。
背景技术
碳氢化合物，诸如油和气体，通常从可以位于陆上或者海上的地下地层获得。涉及将碳氢化合物从地下地层移除的地下操作和过程的发展是复杂的。通常，地下操作涉及许多不同步骤，例如像在所希望的井场处钻探井眼，处理所述井眼以便优化碳氢化合物的生产，以及执行必要步骤以便生产并处理来自地下地层的碳氢化合物。
可使用附接到自相连的井表面延伸的大体中空的、管形钻柱的端部的钻头钻探井眼。钻头的旋转使用设置在钻头的外部部分上的切割元件和切割结构来逐渐地切去井下地层的邻近部分。在钻探井眼之后，可执行后续的的套管操作以沿井眼的选择部分安装金属套管并且将所述套管粘牢在适当位置。换言之，所谓的套管钻探替代地可以被采用，其中套管柱本身在钻探期间被用作钻柱。这可例如通过将旋转施加给套管而完成，所述套管可操作地联接到钻头以便也将旋转施加给钻头。
在一些情况下，套管钻探可替代地或另外地通过使用井下泥浆马达或容积式马达(PDM)而被执行，所述井下泥浆马达或容积式马达(PDM)可以是位于钻柱上的邻近于钻柱的井下端部的底孔组件(BHA)的一部分。这种马达可以邻近于套管柱的底部端部而联接到(例如，闩锁到)套管柱，并且进一步可操作地联接到钻头。可(例如，通过流过马达的泥浆)致动马达，以便将旋转施加在钻头上，而无需旋转套管柱。套管钻柱可消除将钻柱移除的需要(有时称为“抽动”或“抽出”钻柱)，以便将套管插入钻孔中(有时称为“下入钻杆”)；在钻探行进时已经将套管插入钻孔中。
发明内容
在套管或非套管钻探中的BHA可包括用于实现定向钻探(也就是，钻头的导向)的一个装置或多个装置。使钻探组件导向可用于各种原因，诸如以避免特定地层或以与感兴趣的地层相交。使钻探组件导向可包括改变钻探组件/钻头指向的方向。定向钻探装置的一个实例是旋转可导向系统(RSS)，所述旋转可导向系统(RSS)可以各种方式引起钻头的轴向偏离，诸如“摆动钻头”或“推靠钻头”。在典型的“摆动钻头”系统中，改变钻探组件/钻头指向的方向包括在连接到钻头的柔性驱动轴上施加力。在典型的“推靠钻头”系统中，改变钻探组件/钻头指向的方向包括在钻孔壁上施加力。
使钻头导向可导致钻探出与井眼的直的部分偏离的钻孔。在简化的应用中，井眼是直的垂直孔，并且钻探操作者希望钻探出偏离直的井眼的偏离孔，例如，以便随后在含油或气地层或其他地下地层中基本上水平地进行钻探。当然，所述偏离并非必须导致水平钻探，因为在定向钻探中可采用与垂直井眼的其他程度的偏离。
附图说明
通过部分地参考以下描述和附图可理解本公开的一些具体的示例性实施方案。
图1A是示出定向井眼的一个实例的其中部分被剖开的呈截面和正面形式的示意性侧视图，所述定向井眼的一个实例可根据本公开的各方面而形成。
图1B是示出根据本公开的各方面的定向钻探的一个实例的其中部分被剖开的近视侧视图。
图2A是示出根据本公开的各方面的在套管中的示例性旋转可导向系统的图。
图2B是示出根据本公开的各方面的在套管中的示例性旋转可导向系统的图。
图3是示出根据本公开的各方面的示例性旋转可导向系统的其中部分被剖开的图。
图4是示出根据本公开的各方面的在套管中的另一个示例性旋转可导向系统的图。
图5A是示出根据本公开的各方面的在套管中和钻孔内的另一个示例性旋转可导向系统的图。
图5B是示出根据本公开的各方面的RSS和套管垫的图。
图6是示出根据本公开的各方面的在套管中和钻孔内的另一个示例性旋转可导向系统的图。
图7是示出根据一些实施方案的转环的部件的横截面细节图的图。
虽然本公开的实施方案已经得以描绘和描述并且通过参考本公开的示例性实施方案来加以限定，但是所述参考并不暗示对本公开的限制，并且不能推断出这样的限制。如本领域中的技术人员以及受益于本公开的人员将想到，所公开的标的物能够在形式和功能上存在许多修改、变更和等效形式。所描绘和描述的本公开的实施方案仅为示例性的，并非详尽说明本公开的范围。
具体实施方式
本文详细描述本公开的说明性实施方案。为了清晰起见，并非实际实现形式的所有特征都在本说明书中进行描述。当然应该理解的是，在任何这种实施方案的开发中，做出许多实现特定的决定以获得特定的实现目标，这些目标因不同的实现而不同。此外，应该理解的是，这种开发努力可能是复杂的且耗时的，但是仍将是受益于本公开的本领域一般技术人员的常规任务。
为了促进更好理解本公开，给出某些实施方案的以下实施例。以下实施例决不应被理解为限制或限定本公开的范围。本公开的实施方案可适用于任何类型地层中的水平、垂直、偏斜、多边、U形管连接、交叉、绕开(钻探被卡住的落物周围并且返回井下)或其他非线性井身。实施方案可以适用于注入井和生产井，包括自然资源生产井例如硫化氢、烃类或地热井；以及用于过河隧道的钻孔建设和其他用于接近表面建设目的或用于流体比如烃类输送的U形管的管道的其他这样的隧道钻孔。下面关于一种实现描述的实施方案不欲具有限制性。
如本文所用的术语“联接(couple)”或“联接(couples)”旨在意指间接或直接连接。因此，如果第一装置联接到第二装置上，所述连接可以是通过直接连接或通过借由其他装置和连接进行的间接机械或电子连接。类似地，如本文所用的术语“可操作地联接”旨在意指能够进行特定的一个操作或多个操作的直接或间接连接，如由使用“可操作地联接”的上下文所解释。例如，钻柱可以可操作地联接到钻头，以便在钻柱旋转时将旋转力施加到钻头上。在该上下文中，那么“可操作地联接”旨在意指钻头以使施加给钻柱的旋转力传送至钻头的方式直接地或间接地联接到钻柱。作为另一个实例，钻头可以可操作地联接到BHA，以便使BHA能够实现钻头的轴向偏离—在该实例中，“可操作地联接”旨在意指钻头以使BHA能够使钻头以轴向方式(例如，相对于钻柱)偏离的方式直接地或间接地连接到BHA。
本公开一般涉及地下钻探操作，并且更具体地说涉及定向钻探操作及其工具。
在一些实施方案中，本公开提供用于实现定向钻探，具体地说在随钻套管操作和/或尾管钻探操作中的定向钻探的方法、系统和设备。根据本公开的各方面，定向钻探可通过旋转可导向系统(“RSS”)来完成，所述旋转可导向系统(“RSS”)可包括用于使钻头与钻柱的轴线以“摆动钻头”或“推靠钻头”的方式径向偏离的装置。在根据一些实施方案的随钻套管操作中，套管柱被用作钻柱(例如，替代钻杆，套管柱本身旋转并且将旋转施加给设置在套管柱的井下端部或下端处的钻头，以使得在钻探行进时，套管柱下降到钻孔中)。
根据一些实施方案的RSS可联接到钻柱，并且在涉及定向随钻套管的某些实施方案中，RSS可联接到套管柱，以使得RSS被设置在套管柱内。在一些实施方案中，RSS可以是BHA的一部分或以其他方式包括在BHA中。RSS可联接到设置在套管柱的井下端部或下端处的扩孔器和/或钻头。
根据本公开的某些实施方案可包括定向尾管钻探。“尾管”是一种特定的套管柱，其并不延伸到钻孔的顶部。因此，在根据本公开的一些方面的尾管钻探中，钻柱可包括联接到尾管的钻杆，所述钻杆进而联接到RSS(其同样地可以是BHA的一部分或以其他方式包括在BHA中)。此类实施方案的RSS可同样地设置在尾管内，并且联接到设置在尾管的井下端部或下端处的扩孔器和/或钻头。在尾管与更通用形式的套管之间的一些差异在下文更加详细地进行讨论，但是一般来说，涉及对随钻套管的实施方案的描述可等同地应用到涉及尾管钻探的特定子类别的实施方案，其中所述套管柱包括尾管柱。在一些实施方案中，套管柱可用包括钻杆和尾管的钻柱替代。
例如，图1A是示出根据本公开的各方面的定向随钻套管的图。图1A描绘了BHA100，其设置在被用作钻柱的套管柱50的下端或井下端部处。BHA 100还包括扩孔器110和钻头111，所述扩孔器110和钻头111设置在套管柱50的下端或井下端部处。尽管钻头111和扩孔器110在图1A描绘的实施方案中和在本文描绘的某些其他实施方案中被示出为独立元件，但是根据一些实施方案的钻头111本身可包括扩孔钻，和/或钻头111可包括钻孔或扩大孔以使孔基本上等于套管柱50的外径的任何合适的装置(例如，双中心钻头)。图1A的BHA100包括设置在套管柱50内的RSS 105。RSS 105可例如通过一组或多组闩锁101来联接到套管柱50。RSS 105另外地可以使得RSS105可将旋转施加给扩孔器110和/或钻头111的方式可操作地联接到扩孔器110和/或钻头111。在一些实施方案中，RSS 105还可以使施加给套管柱50的旋转能够施加给RSS 105，并且进而施加给扩孔器110和/或钻头111的方式可操作地联接到套管柱50。例如，如在下文将更加详细地解释，在一个实施方案中，套管柱50本身可(例如，由在钻机22处的顶部驱动器40)旋转，这进而将使RSS 105旋转，这进而将旋转施加给扩孔器110和/或钻头111。在也在下文中更加详细解释的另一个示例性实施方案中，RSS105的仅某一部分或一些部分可以可操作地联接到套管柱50，以使得将来自套管柱50的旋转力仅施加给RSS 105的可操作地联接部分，并且进而施加给扩孔器110和/或钻头111。在此类实施方案中，RSS 105的一些部分(例如，其外壳和设置在其上的部件)基本上不旋转。
在一些实施方案中，BHA 100可包括泥浆马达(在图1A中未示出)，所述泥浆马达可被致动或以其他方式启动，以便将旋转力施加到钻头上，如对本领域的技术人员来说本公开的好处将是显而易见的。在此类实施方案中，来自泥浆马达的旋转可以是通过旋转套管柱50而另外地或替代地施加给钻头的旋转。
在一些实施方案中，如由图1A描绘的实例，套管柱50可包括多个套管接头51。每个套管接头51可以是套管杆的串行地联接到一个或多个其他套管接头51的节段。在一些实施方案中，套管接头可以具有大致相等长度，并且包括用于在任一端上联接到其他套管接头的装置(例如，用于直接地螺纹连接到另一个套管接头的螺纹或用于连接到能够接收两个套管接头的螺纹端的套管接头连接器的螺纹)。如图1A所示，套管柱50可自钻孔60的顶部(例如，图1A的点61)延伸至钻孔60的井下点。根据本公开的某些实施方案钻探的一些井可涉及多个套管柱的使用，在这种情况下，每个套管柱将自钻孔60 的顶部延伸至井下点，所述井下点可针对每个套管柱而不同。
例如，在后续套管柱穿过先前放置的套管柱并且当孔钻探更深时进一步进入孔中的情况下，第二套管柱可自钻孔的表面延伸至更深的井下点(图1A中未示出)。多个套管柱钻探可包括通过一个或多个先前放置的套管柱来实现的两个、三个或更多个随钻套管的实例，其中在任何时间点处用作当前钻柱的所述套管具有足够小的直径以致于能够拧入穿过已经放置在钻孔中的最小直径的套管。
在一些实施方案中，套管柱50还可包括仿效图1A所示的转环70示出的转环。在一些实施方案中，转环70可包括用于以如下方式联接两个套管接头51的任何合适的机构，所述方式为不将来自在转环70之上的套管接头51的旋转力传递给在所述转环之下的一个套管接头或多个套管接头51(例如，在转环70之下的套管接头51可被认为是从套管柱50在转环70之上的部分自由地悬挂)。因此，在其中套管柱50包括转环70的实施方案中，套管柱50可被限定以包括上部区段(例如，上部区段52)和下部区段(例如，下部区段53)，其中所述上部区段包括在转环70之上的套管接头或多个套管接头，并且下部区段包括在转环70之下的套管接头或多个套管接头。在此类实施方案中，RSS 105可至少部分地设置在套管柱50的下部区段53内和/或联接到套管柱50的下部区段53。
在包括转环的一些实施方案中，套管柱50可另外地包括一个或多个扶正器125，所述一个或多个扶正器125沿套管柱50的在其内设置有RSS 105的一部分而设置。这些扶正器可帮助套管柱50在钻孔60中保持在大致中心位置。
如所指出的，转环70可包括能够以如下方式联接两个套管接头51的一个或多个机构，所述方式为不将来自转环70之上的套管接头51的旋转力传送至转环之下的一个套管接头或多个套管接头51。例如，转环70可包括一个或多个径向力轴承部件、一个或多个轴向力轴承部件和密封机构。在图7中示出根据一些实施方案的转环70的一个示例性说明，所述附图是示出根据一些实施方案的转环70的部件的横截面详细视图的图。转环70包括两个套管接头—套管柱的上部区段52的上部套管接头72和套管柱的下部区段53的下部套管接头73—借助于一个或多个径向轴承705和一个或多个止推轴承710的联接。径向轴承705充当径向力轴承部件，并且止推轴承710充当轴向力轴承部件。甚至当径向力和轴向力中的任一者或两者经由轴承在套管接头72与73之间传输时，径向轴承705和止推轴承710中的每一个能够使套管接头72和73相对于彼此旋转。转环70还可包括一个或多个轴向负载传递块720，所述一个或多个轴向负载传递块720同样地能够在两个套管接头72与73之间传递轴向(也就是，向井上或向井下)力。此外，图7的转环70还包括旋转密封件750，所述旋转密封件750用作密封机构，从而尽管在两个套管接头72与73之间存在任何间隙仍然保持套管柱内的流体完整性，在所述任何间隙内设置有各种轴承705和710。套管接头72和73在转环70处的内径(就像任何其他套管接头51的内径一样)可以足够大以容纳扩孔器110、钻头111和BHA100中的任何一个或多个通过在转环70的点处的套管接头72和73的通道。
在一些实施方案中，RSS可联接到尾管(图1A中未示出)。如以上所指出，“尾管”是特定类型的套管柱，所述套管柱并不延伸至钻孔顶部(例如，图1A中的点61)，并且代替地悬挂在沿先前定位的套管柱的某一点处。尾管可在多个套管柱中以类似于本文关于随钻套管所描述的那些的方式使用，不同的是代替使用完整的套管柱作为钻柱，在尾管钻探中，部分常规钻柱(例如，钻杆而不是套管)在钻杆的下端或井下端部处联接到尾管，并且尾管进而联接到RSS。钻探可以类似于本文所描述的随钻套管情境的方式开始和进行，不同的是当尾管钻探阶段接近完成时，尾管可在沿先前放置的套管柱的某一点处由闩锁或将尾管联接到先前放置的套管柱的其他装置接收。尾管可包括多个尾管接头(类似于包括多个套管接头的套管柱)。在一些实施方案中，尾管接头中的任意两个可由转环联接，以使得尾管包括设置在其上的转环。在此类实施方案中，尾管柱的上部区段可包括在转环之上的任何尾管接头加上钻杆，而尾管柱的下部区段可包括在转环之下的尾管接头，并且上部组件的旋转可不施加给所述在转环之下的尾管接头。因此，可在基本上不旋转尾管的下部区段的情况下旋转钻柱。
因此，尽管本文的一些实施方案可被描述为包括转环70、套管柱52的上部区段和套管柱53的下部区段，但是所述描述可在更通用的术语中称为包括转环70的钻柱，其限定钻柱在转环70之上的上部区段和钻柱在转环70之下的下部区段。钻柱可包括套管柱50(如同先前论述的实施方案和如同下文论述的一些实施方案)，或在其他实施方案中其包括钻杆和尾管。
在一些实施方案中，套管柱50或尾管柱中的任一个可包括联接到RSS 105和/或BHA 100的内部柱(例如，内部套管柱或内部尾管柱)。所述内部柱装配在套管柱50或尾管柱内，当可用时，并且容许RSS 105和/或BHA 100在完成钻探钻孔的每个区段时向上穿过套管或尾管的移除。在其他实施方案中，RSS 105和/或BHA 100可在完成钻探每个区段时经由下降到孔中并且联接到RSS 105和/或BHA100的电缆、盘管等，或通过使钻杆或其他柱进入孔中并且联接到RSS 105和/或BHA 100通过套管或尾管取回。
图1B是示出根据本公开的各方面的在摆动钻头类型的定向钻探操作中接合的图1A的钻头111和扩孔器110的图。BHA 105的包括扩孔器110和钻头111的部分自套管柱50突出。可以看到的是，扩孔器110和钻头111中的每一个的纵向钻探轴线115自钻孔的纵向轴线116以偏斜角117径向转向。如图1B所示出于说明的目的将偏斜角117夸大；不是必须(尽管可能)的是，如此大的偏斜角117用来实现定向钻探。如本文所用的“径向转向”可包括以下的一者或两者：(1)倾角，其对应于在钻孔的纵向轴线与钻头的纵向轴线之间的偏斜角(例如，如在图1B中所示，在钻孔的纵向轴线116与钻头的纵向钻探轴线115之间的偏斜角117)；和(2)方位角方向，其对应于钻头相对于钻孔的纵向轴线的角取向(也就是说，倾角偏离钻孔的纵向轴线所在的方向)。
此外，如图1B所示，套管柱250的纵向轴线大致等于钻孔的纵向轴线；因此如图1B所示，在摆动钻头形式中的定向钻探在一些实施方案中可包括钻头相对于钻孔和套管柱两者的纵向轴线250的径向转向。另一方面，根据推靠钻头类型实施方案的定向钻探可涉及钻头纵向轴线相对于套管柱轴线250的不移动，并且替代地可通过使钻头和套管柱两者以使得钻头和套管柱两者大致保持相同的纵向轴线的方式径向偏离钻孔的纵向轴线来实现。
图2示出根据本公开的一些实施方案的示例性RSS。图2的RSS包括基本上不旋转的RSS外壳201，所述不旋转的RSS外壳201借助于第一组闩锁210和第二组闩锁215来联接到套管(在此，套管53的下部区段)。因此，RSS外壳201可相对于套管53的下部区段旋转固定，以使得RSS外壳201以与套管53相同的速度和方向旋转。在一些实施方案中，一个或多个扶正器(图2中未示出)可代替第一组闩锁210和第二组闩锁215中的一组或两组使用。扶正器可允许RSS外壳201相对于套管旋转，同时仍使外壳201保持在套管内的中心(然而闩锁将RSS外壳201锁定至套管，从而防止RSS外壳201相对于套管旋转)。驱动轴314可由RSS外壳201接收并且至少部分地设置在RSS外壳201内。驱动轴314可以可操作地联接到扩孔器110和/或钻头111，以便使扩孔器110和/或钻头111能够相对于套管柱250的纵向轴线径向转向。
图3是示出接收在RSS外壳201内的驱动轴314的高度简化实例的横截面部分剖切视图的图。图3的驱动轴是挠性驱动轴314，其中上部部分由上部焦点372保持在RSS外壳201内的中心。焦点(诸如焦点372)可保持挠性驱动轴314在外壳201内的中心的部分，同时仍使驱动轴314相对于基本上不旋转的RSS外壳201旋转。图3中的焦点372是上部轴承组件。图3还包括下部焦点320，所述下部焦点320类似地将驱动轴314保持在焦点320接收驱动轴314的点的中心。图3的下部焦点320被示出为球面轴承组件320。
图3的RSS可以摆动钻头的方式操作。在导向的同时，方向控制通过以特定方向和以特定幅度在基本上不旋转的外壳201内、在上部焦点(例如，上部轴承组件372)与下部焦点(例如，球面轴承组件320)之间的点处径向地偏转旋转驱动轴314来实现。挠性驱动轴314在外壳内的径向偏转可由各种机构中的任一种实现。例如，挠性驱动轴314可由一个或多个驱动轴致动器374偏转。驱动轴致动器可包括用于偏转驱动轴314的任意合适的装置。例如，在一些实施方案中，驱动轴致动器可包括双偏心环凸轮单元。可在其他实施方案中采用其他转向机构，诸如可选择性地和独立地触发的多个致动器，以便在致动器接收轴的点处实现驱动轴自外壳201的中心的特定程度和方向的转向。
图3的驱动轴致动器374通过在驱动轴致动器374接收轴314的点处径向地偏转驱动轴314来致使驱动轴的下端322绕球面轴承组件320枢转。球面轴承组件320在轴向和径向方向上将旋转轴314限制到不旋转的外壳201，同时允许驱动轴314相对于不旋转的外壳201枢转。外壳的纵向轴线330还可等同于套管柱250的纵向轴线，并且下轴轴线324还可以是联接到驱动轴的扩孔器和/或钻头的纵向轴线。因此，上文所述的驱动轴314的偏转和枢转导致扩孔器和/或钻头的纵向轴线324自套管和RSS外壳的纵向轴线330进行径向转向。外壳的纵向轴线330与枢转轴在球面轴承组件之下的纵向轴线324的相交限定弯曲部332以用于定向钻探目的。在导向的同时，弯曲部332由驱动轴致动器374以希望的工具面和弯曲角保持。为了进行直线钻探，驱动轴致动器374被布置成使得轴的偏转减轻并且轴在球面轴承组件324之下的中心轴线与外壳330和套管250的纵向轴线对齐。
返回图2，可将一些实施方案的RSS外壳201联接到套管柱53 的位于套管柱上的转环70之下的下部的、基本上不旋转区段。如先前所述，转环70可以是能够联接两个套管接头的处于两个套管接头之间的连接，但不将旋转力自上部套管接头施加到下部套管接头。因此，套管柱的(即，位于转环70之上的)上部区段52可自例如顶部驱动器接收旋转力，而套管柱的下部区段53(即，位于转环之下的区段)不接收此类旋转力。在一些实施方案中，RSS外壳201可被全部设置在套管柱的下部区段53内并且联接到套管柱的下部区段53，如图2A所示。此外，挠性驱动轴314可在向上方向上(即，在沿套管柱朝向表面的方向上)自RSS外壳201延伸，并且以如下方式可操作地联接到套管柱在转环70之上的上部区段(图2中未示出)，所述方式为使套管柱的上部区段的旋转能够被施加给驱动轴314，并且进而被施加给驱动轴314可操作地联接的扩孔器110和/或钻头111。转环70在不将旋转力传递给RSS外壳201和套管柱53的下部区段时使导向力能够作用于套管柱53的下部区段上，从而允许套管柱自钻孔的纵向轴线径向转向。以此方式，定向钻探可在不旋转套管柱53的下部区段的情况下实现，从而防止由借助于使套管柱的上部部分旋转而使钻头旋转所产生的螺旋式影响。换言之，钻头和/或扩孔器仅可绕钻头和/或扩孔器的纵向轴线旋转，而不绕套管柱的轴线旋转。此外，在RSS和套管柱53的下部区段中的不反向旋转马达或影响反向旋转的其他装置是必需的以便防止此类部件的旋转。
在一些实施方案中，如图2B中所描绘，RSS外壳201可穿过转环70。也就是说，RSS外壳201的一部分可延伸到套管柱的上部区段52中。在此类实施方案中，除一组上部闩锁之外，一组滚柱轴承270可以如下方式将RSS外壳201联接到套管在转环70之上的上部区段52，所述方式为在将RSS外壳201基本上保持在套管的上部区段52内的中心的同时，使套管的上部区段52能够相对于RSS外壳201旋转。此类实施方案的RSS外壳201仍以例如通过下部闩锁215防止RSS外壳201相对于套管的下部区段53旋转的方式联接到套管的下部区段53。可包括一组或多组另外的下部闩锁(未示出)以将RSS 外壳201更加紧固地联接到套管的下部区段53。根据此类实施方案的RSS可有利地允许套管的不旋转下部区段53具有最小长度，这有助于减少黏/滑现象和其他钻探和/或导向困难。
此外，不旋转RSS外壳201有利地容许包括器械，由于在钻探中所遭遇的旋转速度的常规变化(这将降低许多器械测量的准确性)，因而所述器械通常必须被放置在不旋转部件上。因此，在一些实施方案中，RSS外壳201可包括设置在外壳201上的器械，诸如随钻测量(MWD)器械(其可等同地被称为随钻测井(LWD)器械)。此类MWD或LWD器械可能够感测与钻探操作相关的一个或多个参数，诸如地下地层的特性和钻柱和/或钻头的特性(例如，钻压、方位角、倾角)中的任意一个或多个。此类器械的实例包括伽马传感器、随钻压力测量工具和陀螺测量工具(例如，用于测量钻柱和/或钻头的倾角和方位角中的一者或两者的装置)。设置在RSS外壳201上的器械在一些实施方案中应使得其将不受围绕RSS的套管的不利影响。RSS外壳201的不旋转本质和/或外壳对操作联接到钻头111和/或扩孔器110的缺乏可有利地防止或至少明显地减少来自钻头111和/或扩孔器110的振动力以免被携带到器械中，因为钻头111和扩孔器110至外壳201内的驱动轴314，但不是至外壳201的操作联接导致此类力被携带经过外壳201并且到达套管柱在转环70之上的上部区段52。在一些实施方案中，相对于设置在旋转RSS上或在钻柱的其他旋转和/或振动部件上的器械而言，这可导致由器械进行的测量的准确性增加，和/或器械设备具有更长的使用寿命。
参考图4，在一些实施方案中，本公开还可包括泥浆马达401，所述泥浆马达401(例如，通过闩锁410)可操作地联接到RSS 105的驱动轴314并且联接到套管柱的上部区段52。如图4中所示，泥浆马达401可位于转环70之上，尽管在其他实施方案中，泥浆马达401可位于转环70之下。泥浆马达401无论位于何处都可以可操作地联接到RSS 105的驱动轴314。泥浆马达401可能够(例如，通过使钻探泥浆穿过马达，通过传送电子信号或通过任何其他装置)致动，以便将旋转施加给驱动轴314，并且进而施加给扩孔器110和钻头111。代替施加给驱动轴314(并且进而施加给扩孔器110和/或钻头111)的旋转力或除其之外，泥浆马达401可通过使套管柱405的上部区段旋转来提供旋转。
图5A是根据本公开的各方面的RSS的另一个示例性实施方案的横截面图。图5A的RSS可以推靠钻头的方式操作。所述RSS包括RSS外壳501，所述RSS外壳501分别由两组闩锁510和511锁定至套管505，所述两组闩锁510和511经设置靠近RSS外壳501的上端和下端中的每一个。根据一些实施方案，套管505可以是标准的套管或其可以是尾管。RSS外壳501还包括一组RSS垫515，所述RSS垫515设置在沿RSS外壳501的长度的某一点处。一组套管垫516沿套管505设置在使每个套管垫516能够被套管内的至少一个对应的RSS垫515接合的位置处。每个套管垫516在由其对应的RSS垫515接合时能够自套管的外壁向外推到钻孔中。在该配置和类似配置中，然后，本公开的一些实施方案使一个或多个RSS垫515能够致动，以便抵靠着由致动的RSS垫515接合的对应的套管垫516向外推。该导向力进而通过套管垫516(例如借助于抵靠着钻孔壁550推动的套管垫516)被传输到钻孔壁550中。该抵靠着钻孔壁550的推动导致推动(包括锁定的RSS的)套管505远离钻孔壁550的由衬垫516抵靠推动的部分，从而导致套管自钻孔的纵向轴线进行径向转向。在涉及尾管钻探(例如，其中套管505具体地是尾管)的实施方案中，套管垫516可同样地被部署在尾管上。图5B是示出根据本公开的一些方面的RSS垫—套管垫组件的的简化实例的横截面图。图5B示出RSS垫515，所述RSS垫515可操作地被致动以便在径向向外方向560上自RSS外壳501延伸，以便接合沿套管505设置的对应的套管垫516。套管垫516进而在相同的径向向外方向560上朝向钻孔壁(图5B中未示出)推动。
值得注意地，在该配置和类似配置中，RSS由于闩锁将其保持在适当位置的缘故而并不相对于套管移动，从而确保将被引导通过RSS 垫515的导向力进而传送至抵靠着钻孔壁550推动的套管垫516。此外，不像在摆动钻头的实施方案中，扩孔器和/或钻头的纵向轴线并不自套管柱(和RSS外壳)的纵向轴线转向；代替地，钻头、扩孔器(如果存在的话)、套管柱和RSS外壳的相应的纵向轴线基本上保持等同，并且相对于钻孔的纵向轴线径向转向。
在一些推靠钻头实施方案中，RSS外壳501可与套管一起旋转(虽然其相对于套管不旋转)。在此类实施方案中，然后，当套管旋转时，被致动的RSS垫515可动态地改变，以便将套管保持在径向转向位置中以用于在单个方向上导向钻头。在其他推靠钻头实施方案中，RSS外壳501和其联接的套管的一部分可基本不旋转。此类实施方案可参考图6进行描述，其中将RSS外壳501沿下部套管区段53联接到一个或多个套管接头上，包括在转环70之下沿套管柱的所有套管接头。类似于在图2A和图2B中描绘的实施方案，可将此类实施方案的RSS外壳501完全设置在转环70之下，或可以此类实施方案的RSS外壳501穿过套管的上部区段52和下部区段53的方式将其设置在套管中，同时以使套管的上部区段52能够相对于RSS外壳501旋转的方式联接到套管的上部区段52。如图6中所示，将RSS外壳501设置在套管的下部区段53中。RSS外壳501可以类似于接收先前关于一些实施方案描述的挠性驱动轴314的方式接收刚性驱动轴625。根据图6的实施方案的刚性驱动轴625可以可操作地(例如，通过闩锁620)联接到在转环70之上的上部套管区段52。刚性驱动轴625可操作地联接到上部套管区段52，以便将上部套管区段52的旋转施加给刚性驱动轴625。刚性驱动轴625可由RSS外壳501以使得(例如，由一个或多个轴承组件以类似于关于根据图2A–4的实施方案描述的方式)将刚性驱动轴625径向地保持在RSS外壳501内的中心的方式接收。刚性驱动轴625可穿过RSS外壳501并且以如下方式自RSS外壳501可操作地联接到井下的扩孔器110和/或钻头111上，所述方式为使上部套管区段52的旋转能够施加给刚性驱动轴625并且进而能够施加给扩孔器110和/或钻头111。套管柱的纵向轴线可以例如似于相对于图5A和图5B的衬垫515和516的描述所述的方式相对于钻孔的纵向轴线转向。与根据图2A–4的描述的实施方案一样，下部套管区段53的基本不旋转本质可能有利地防止在随钻套管应用中由定向导向所产生的螺旋钻探模式。同样地类似于关于其他实施方案的先前的论述，RSS外壳501的基本不旋转配置和扩孔器110和/或钻头111至刚性驱动轴625而不是至RSS外壳501的操作联接此外可使各种MWD或其他器械能够设置在RSS外壳501上，而无需担心由振动力、旋转力和其他力引起的损害作用。
此外，在包括转环70和套管垫516的实施方案中，如先前所述的套管扶正器125可能不是必须的，因为套管垫516(例如，当通过致动等不施加转向时)可起将套管大致保持在钻孔内的中心的作用。然而，即使当包括套管垫516时，一些实施方案可另外地包括沿套管柱50、沿设置RSS 105的部分或更高于套管柱定位的扶正器125。
如上所述，本公开的一些实施方案提供设置在套管或尾管内的RSS。这呈现了优于利用设置在套管之下的RSS的钻探系统和方法(诸如其中RSS被包括在设置在套管之下的BHA中的系统和方法)的若干优点。例如，导引孔(钻孔钻探到套管之下的部分)比整个RSS组件突出到套管之下，并且钻头进而突出到RSS之下的地方深得多。事实上，在其中BHA还包括设置在套管之下的器械(诸如MWD器械)的一些情况中，导引孔可以约为100英尺长或更长。该长的导引孔可防止套管或尾管被放置在已钻探区段的底部或靠近已钻探区段的底部。来自该状况的损害作用可例如包括降低套管钻孔的完整性。此外，在RSS延伸到套管之下的情况下，由于在钻探操作期间RSS与地层的接触，因而可增加RSS的磨耗及损伤(并且因此减少使用期限和/或需要更加坚固的结构)。另一方面，在根据本公开的一些实施方案中，在钻头的底部或下端与套管柱的底部或下端之间的距离可少至5英尺，或更少。在一些实施方案中，所述距离可以是10英尺或更少；在其他实施方案中，所述距离可以是小于或等于以下中的任意一个：11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29和30英尺。在一些实施方案中，所述距离可以是50英尺或更少。
因此，在一些实施方案中，本公开提供了一种方法，其包括：在钻孔中通过旋转套管柱的上部区段而基本不旋转所述套管柱的下部区段来旋转钻头，所述套管柱的上部区段可操作地联接到钻头；并且利用旋转可导向系统将钻头自钻孔的纵向轴线径向转向，所述旋转可导向系统联接到套管柱的下部区段并且至少部分地设置在套管柱的下部区段内。
在其他实施方案中，本公开提供了一种定向钻探系统，其包括：套管柱，其包括通过转环彼此联接的上部区段和下部区段；旋转可导向系统，其至少部分地设置在套管柱的下部区段内，所述旋转可导向系统包括联接到所述套管柱的下部区段上的外壳；驱动轴，其由所述外壳接收以使得其能够相对于所述外壳旋转；以及钻头，其联接到驱动轴并且设置在套管柱的下部区段的下端处；其中所述套管柱的上部区段经由驱动轴联接到钻头，以使得所述套管柱的上部区段的旋转引起钻头绕钻头的纵向轴线旋转。
在某些实施方案中，本公开提供了一种定向钻探系统，其包括：旋转可导向系统，其设置在钻孔内的套管柱内，所述旋转可导向系统包括联接到套管柱的外壳；一个或多个RSS垫，其中每个RSS垫被设置在沿所述外壳的某一点处并且能够自所述外壳朝向套管柱径向地向外延伸；以及一个或多个套管垫，每个套管垫沿套管柱设置并且能够由对应的RSS垫接合并且在远离套管柱和朝向钻孔的壁的方向上径向地向外移位；其中每个RSS垫能够被致动以便接合其对应的套管垫，从而使所述套管垫移位以使得其抵靠着钻孔壁推动。
因此，本公开非常适合于达到所提及的目的和优势以及自身固有的目的和优势。上文所公开的具体实施方案仅仅是说明性的，因为本公开可以以对受益于本文教义的本领域技术人员来说显而易见的不同但等效的方式进行修改和实践。此外，旨在不限制本文所示的构造或设计的细节，除了如以下权利要求书中所述。因此显然，可对上文所公开的具体说明性实施方案做出更改或修改，并且所有这些变化都被认为是在本公开的范围和精神内。另外，除非专利权所有人另外明确地并且清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有它们简单的、普遍的意义。如权利要求书中使用的不定冠词“一个(a/an)”在本文中定义为意为其引入的一个或一个以上元件。
Claims (20)
1.一种定向钻探方法，其特征在于，包括：
在钻孔中通过旋转套管柱的上部区段而基本不旋转所述套管柱的下部区段来旋转钻头，所述套管柱的所述上部区段可操作地联接到所述钻头；以及
利用旋转可导向系统将所述钻头自所述钻孔的纵向轴线径向转向，所述旋转可导向系统联接到所述套管柱的所述下部区段并且至少部分地设置在所述套管柱的所述下部区段内。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述套管柱的所述上部区段通过转环联接到所述套管柱的所述下部区段。
3.如权利要求1所述的方法，其中使所述钻头径向转向包括使所述钻头的所述纵向轴线和所述套管柱的所述纵向轴线自所述钻孔的所述纵向轴线径向转向。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述旋转可导向系统包括一个或多个RSS垫，每一个RSS垫接合沿所述套管柱的所述下部区段设置的套管垫，所述套管垫能够自所述套管柱径向地向外延伸到所述钻孔中；并且
其中使所述钻头径向转向还包括致动所述RSS垫中的一个或多个，以使得每个致动的RSS垫抵靠着其对应的套管垫推动，所述对应的套管垫进而抵靠着所述钻孔的壁推动。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述套管柱包括尾管柱，所述套管柱的所述上部区段包括所述尾管柱的上部区段，并且所述套管柱的所述下部区段包括所述尾管柱的下部区段；并且
其中所述尾管柱的所述上部区段通过转环联接到所述尾管柱的所述下部区段。
6.如权利要求5所述的方法，其中使所述钻头径向转向包括使所述钻头的所述纵向轴线和所述尾管柱的所述纵向轴线自所述钻孔的所述纵向轴线径向转向。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述旋转可导向系统包括一个或多个RSS垫，每一个RSS垫接合沿所述尾管柱的所述下部区段设置的套管垫，所述套管垫能够自所述尾管柱径向地向外延伸到所述钻孔中；并且
其中使所述钻头径向转向还包括致动所述RSS垫中的一个或多个，以使得每个致动的RSS垫抵靠着其对应的套管垫推动，所述对应的套管垫进而抵靠着所述钻孔的壁推动。
8.如权利要求1和5中任一项所述的方法，其中使所述钻头径向转向包括径向地偏转驱动轴的设置在所述旋转可导向系统内以便指向所述钻头的至少一部分。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述旋转可导向系统包括能够径向地偏转所述驱动轴的至少一部分的一个或多个驱动轴致动器。
10.如权利要求1和5中任一项所述的方法，其还包括使用设置在所述旋转可导向系统的外壳上的器械来感测与所述钻探操作有关的一个或多个参数。
11.一种定向钻探系统，其特征在于，包括：
套管柱，其包括通过转环彼此联接的上部区段和下部区段；
旋转可导向系统，其至少部分地设置在所述套管柱的所述下部区段内，所述旋转可导向系统包括联接到所述套管柱的所述下部区段的外壳；
驱动轴，其由所述外壳接收以使得其能够相对于所述外壳旋转；以及
钻头，其联接到所述驱动轴并且设置在所述套管柱的所述下部区段的下端处；
其中所述套管柱的所述上部区段经由所述驱动轴联接到所述钻头，以使得所述套管柱的所述上部区段的旋转引起所述钻头绕所述钻头的纵向轴线旋转。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述旋转可导向系统还包括：
上部焦点，其设置在所述外壳内并且使所述驱动轴的上部部分基本上保持在所述外壳内的中心；
下部焦点，其设置在所述外壳内并且使所述驱动轴的下部部分基本上保持在所述外壳内的中心；以及
驱动轴致动器，其设置在所述外壳内、在所述上部焦点与所述下部焦点之间，所述驱动轴致动器能够在所述驱动轴的所述上部部分与所述下部部分之间的某一点处径向地偏转所述驱动轴。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述钻头在其绕所述钻头的所述纵向轴线旋转的同时并不绕所述套管柱的纵向轴线旋转。
14.如权利要求11所述的系统，其中所述外壳和所述套管柱的所述下部区段中的每一个在所述钻头旋转时基本上不旋转。
15.如权利要求14所述的系统，其还包括设置在所述外壳上的随钻测量器械。
16.如权利要求11所述的系统，其中在所述钻头的下端与所述套管柱的所述下端之间的距离是20英尺或更少。
17.如权利要求11所述的系统，其中所述套管柱是尾管柱。
18.一种定向钻探系统，其特征在于，包括：
旋转可导向系统，其设置在钻孔内的套管柱内，所述旋转可导向系统包括联接到所述套管柱的外壳；
一个或多个RSS垫，其中每个RSS垫被设置在沿所述外壳的某一点处并且能够自所述外壳朝向所述套管柱径向地向外延伸；以及
一个或多个套管垫，每个套管垫沿所述套管柱设置并且能够由对应的RSS垫接合并且在远离所述套管柱和朝向所述钻孔的壁的方向上径向地向外移位；
其中每个RSS垫能够被致动以便接合其对应的套管垫，从而使所述套管垫移位以使得其抵靠着所述钻孔壁推动。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述套管柱是尾管柱。
20.如权利要求18所述的系统，其中在钻头的下端与所述套管柱的下端之间的距离是20英尺或更少。
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