CN105874145B - 导向钻井方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种导向钻油/气井方法，其包括：‑使装配有钻柱旋转调节系统的顶驱调节钻柱(1)的上端在其每圈转动期间的旋转速度，以朝弯曲的操作方向引导具有倾斜刀具面的钻头(10)；‑使随钻测量装置(MWD)将井底钻具组合(BHA)的钻柱10下端的每圈转动分成多个角区间，将BHA转过这些角区间所花费的时间的平均百分比传递给调节系统，从而将关于弯曲的操作方向的角方位的实时信息提供给调节系统，消除了将校正模型、正保持的转矩和/或钻柱阻力测值提供给调节系统，以估计钻柱静态和动态扭曲量对钻柱上端和钻头的角方位之差的影响的需要。
Description
技术领域
本发明涉及用于在地层中钻井筒的导向钻井方法和系统。所述方法和系统可用于定向钻探地下井筒，所述地下井筒用作用于生产烃和/或用于将增产液注入含烃流体的储层中的井筒。
背景技术
通常使用具有旋转钻头和钻柱组件的旋转钻井系统钻探井筒，通过位于地面上的旋转顶驱系统使钻柱组件旋转。可选地或另外，井底钻井马达可设置在位于钻头附近的井底钻具组合(BHA)中，以使钻头相对于钻柱旋转。
通过将钻头的刀具面定位在井底的倾斜位置上来引导钻头；通过致动旋转驱动器和井底马达，钻头将进行两种方式叠加的旋转运动，钻探竖直或笔直部分，但是，如果旋转驱动器的旋转运动是暂时的，那么将以选定的角方位钻探中断的弯曲井筒部分。以这种方式，对弯曲部分和笔直的竖直部分、倾斜和/或水平部分钻出井筒轨迹。
钻柱可长达10千米，包括通过螺纹联接件相互连接的10-15米长的钻管部分。
顶驱系统提供转矩给钻柱以使钻柱旋转，钻柱可扭转，使得顶驱最多旋转30转，从而，如果钻柱长达10千米，可引起钻头的粘滑运动，那么钻头开始旋转之前顶驱已经转动30圈；从而，钻柱扭转，转矩可在最小值和最大值之间以正弦曲线方式动态循环。顶驱系统包括顶驱转体或转盘。钻柱将旋转运动传递给钻头。通常，钻柱也将钻井液传递给钻头以冷却钻头，将钻屑输送到地面，用作其他有益的用途。为了钻探笔直部分之前或之后的弯曲井筒部分，实际的做法是，联合地面上的旋转驱动器，使用配置有井底马达(其驱动钻头)的钻柱，由于钻头具有倾斜的或斜刀具面，因此钻头相对于井筒中心轴线和井筒底部定位在倾斜或斜的位置上。
旋转导向系统(RSS)适用于用于引导钻头沿计划的轨迹钻井的行业。大多数现有的RSS定向钻井系统通过调节流经泥浆泵的钻井液流，或通过调节钻头喷嘴中的泥浆流，使用一些井下机械致动方式，如，选定的朝向井筒地层的定向力。这些机械致动式定向钻井系统承受磨损，通常在高温、高压、高振动的井底环境下出现故障。这导致要花费高昂的代价将整个钻柱拉出，以在地面维修或更换出现故障的机械部件。
美国专利第4485879号涉及一种用于通过钻柱下端处的井底马达在地下地层中定向钻井的方法。井底马达使钻头旋转，同时将预定重量施加在钻头上，从而引起井底马达的通常直的轴线弯曲。同时，钻柱在其不旋转的选定时段之前或之后的时段内旋转。这种方法的缺点涉及钻柱和井壁之间的摩擦力，该摩擦力在钻柱不旋转的期间相对高。
专利文献第WO-2011130159-A2号公开了一种方法，该方法控制用于在地下地层中形成孔眼的钻头的钻井方向，所述方法包括：在旋转钻井期间改变钻头的速度，使得钻头在旋转周期的第一部分期间以第一速度运行，在旋转周期的第二部分期间以第二速度运行，其中，第一速度高于第二速度，其中，在旋转周期的第二部分期间以第二速度运行，将引起钻头改变钻井方向。该公开出版物还公开了，在地下地层中钻井期间，在井内更新(downhole updates)之间评估井底钻具组合的刀具面，其包括以下步骤：对钻柱进行编码，在地层中以校正模式运行钻柱，以构建钻柱在钻井作业期间在地层中的扭曲模型，测量钻柱在地层表面处的旋转位置，和，根据钻柱在地面处的旋转位置和钻柱扭曲模型评估井底钻具组合。
美国专利第US-7766098号和第US-7588100号公开了一种用于控制通过旋转钻头的切削作用而被钻进的井筒方向的系统和方法，其中，通过改变马达的旋转速度或通过改变钻柱旋转速度而周期性地改变钻头旋转速度，从而实现所述的切削作用。该公知系统的缺点是，尤其对于较深的井筒而言，由于钻头的扭转振动和扭曲，钻头的速度变化响应与地面处的旋转速度变化的差异通常十分大，从而导致不能控制钻井方向。
国际专利申请第WO2011/081673号公开了一种方法，用于在钻头轴线相对于钻柱轴线定位在合适的方位角方向上时，通过周期性地增加钻头旋转速度而引导钻头。
美国专利申请第US2009/0057018号公开了另一种定向钻井系统，其中，通过周期性地改变钻柱的旋转速度和/或BHA中的井底钻井马达的旋转速度，来引导倾斜钻头，BHA装配有随钻测量(MWD)BHA方位传感器。
美国专利申请第US2009/0065258号公开了一种定向钻井方法，其中，在每圈转动期间改变钻柱的旋转速度，对于多圈转动的每圈而言，改变钻柱旋转速度的方式大致类似，以引起钻柱底部处的倾斜钻头来钻探具有选定方位的斜井筒部分，通过使用随钻测量方位传感系统测量所述选定方位。
公知的MWD系统包括测斜仪和/或磁场探测器，以提供BHA和钻头相对于地球重力场和地磁场和/或相对于钻柱轴线的三维方位，但是不表示BHA转过角区间所花费的时间的平均百分比，所述时间平均百分比是钻头引导过程的相关特性。
需要一种改进的导向钻井方法和系统，其能克服现有缺点，通过检测BHA转过角区间所花费的时间的百分比来避免构建钻柱扭曲模型的需要，所述时间百分比是钻头引导过程的相关特性。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于在地层中钻井筒的导向钻井方法，所述方法包括以下步骤：
-使钻柱旋转调节系统调节钻柱在其每圈转动期间的旋转速度；
-使随钻测量装置(MWD)将重复测得的、井底钻具组合(BHA)在钻柱和钻头之间的方位值，传递给钻柱旋转调节系统，以将具有倾斜刀具面的钻头朝倾斜的钻井方向引导；
-其中，MWD将BHA的每圈转动分成多个角区间，将BHA转过这些角区间所花费的时间的平均百分比传递给钻柱旋转调节系统，以将关于倾斜钻井方向的角方位的信息提供给调节系统。
通过将BHA转过这些角区间所花费的时间的平均百分比传递给钻柱旋转调节系统，以将关于倾斜钻井方向的角方位的信息提供给调节系统，可达到不再需要根据力矩和/或阻力测值以及校正模型来评估钻柱的静态和动态扭曲量的目的。但根据统计基础确定扭曲和振动结果，即，地面上的驱动系统的方位和BHA方位之间的相位偏差和噪声，可用0-360度范围内的数值表示静态方位，用合适数值表示噪声和焦距损失量或调节强度损失量。
在某实施例中，涉及BHA转过选定角区间所花费的时间的平均百分比测值的数据暂时存储在嵌入MWD中的计算机装置中，MWD将以选定的时间间隔(如，1至10分钟)传递表示所测数据的信号。这可通过使用包含在BHA中的泥浆脉冲遥测系统来实现。可选地，可使用电磁或声学遥测系统或有线钻管。MWD可以每秒3至60次的速度测量BHA的方位。
合适地，钻柱上端部分的每圈转动也被分成多个角度部分或区间，其中，对旋转速度的调节的特征在于主函数，主函数表示钻柱上端部分转过这些角度部分或角区间所花费的时间的平均百分比，而第二函数可表示BHA转过这些角区间所花费的时间的平均百分比(以及相关步骤)。所述主函数和第二函数可相互比较，可根据所述比较结果来调整对钻柱旋转速度的调节。
主函数可用统计参数A、B和C合适表示，其中，参数A界定钻柱上端部分在主函数为最小时的旋转位置，参数B界定主函数的所述最小值和最大值之差，参数C界定钻柱上端部分的某一旋转角度范围，主函数在该旋转角度范围内的平均值小于在钻柱上端部分的剩余旋转角度范围内的平均值。
此外，第二函数可用统计参数P、Q和R合适表示，其中，参数P界定BHA在第二函数最小时的旋转位置，参数Q界定第二函数的所述最小值和最大值之差，参数R界定BHA的某一旋转角度范围，第二函数在该旋转角度范围内的平均值小于在BHA的剩余旋转角度范围内的平均值。
这些参数有利地用于调整对钻柱上端部分在每圈转动期间的旋转速度的调节。例如，可根据参数P调节参数A，可根据参数Q调节参数B，和/或可根据参数R调节参数C。
对于18-180RPM(转数/每分)范围内的合适的地面驱动速度，可以大于每圈10次更新的速度测量BHA方位，从而，每分钟提供180至1800个样本，即，每秒3至30次更新。在一个实施例中，嵌入式计算机系统(其可以是BHA中的专用MWD部分)以每秒30次更新的速度测量和存储刀具面相对于斜面和地磁场的瞬时方位。以低得多的速度运算用参数P、Q和R表示的统计摘要并将其传递给地面。
为了准确控制钻井轨迹，可通过随钻测量装置(MWD)，优选用三维方式测量井底钻具组合的方位。在一个实施例中，MWD是一种改进的现有装置，其适于具有增加的采样率和执行所需的统计计算。
通过使用泥浆脉冲遥测系统，将表示统计参数P、Q和R的信号有利地传递到地面。
在另一实施例中，钻柱上端具有第一机械阻抗，驱动系统(即，顶驱或转盘和相关设备)具有与第一机械阻抗不同的第二机械阻抗，使得固定的扭矩波可存在于钻柱中；该方法包括，在扭转波的高频带范围内调节驱动系统的机械阻抗，以最小化所述差异。以这种方式，可实现下述目的：阻止扭转波在地面处(即，与驱动系统交界处)反射，使得防止出现不适宜的粘滑现象，从而防止钻头交替循环地出现高速旋转和完全停止的现象。
欧洲专利申请第13179337.4号中描述了一种合适的方法，其调节驱动系统的机械阻抗以减小工具柱中的扭转振动，该方法在作必要修改的情况下可适用于根据本发明的方法，包括以下步骤：
-指示驱动系统使钻柱以设定的旋转速度(Ωr)旋转；
-确定钻柱的旋转速度(ωr)；
-确定钻柱和驱动系统交界处或附近的转矩(T)；
-确定钻柱在所述交界附近的部分的钻柱阻抗(ζ)；
-通过使用确定出的转矩(T)乘以确定出的钻柱阻抗(ζ)之积，来计算旋转校正信号；
-通过使用旋转校正信号校正设定的旋转速度(Ωr)，以提供已被校正的设定的旋转速度信号(Ωr,cor)；
-用已被校正的设定的旋转速度信号减去所测的旋转速度(ωr)，以将被校正两次的设定的旋转速度信号(Ωr,2cor)提供给驱动系统。
校正所述的设定的旋转速度的步骤可合适地包括，用预定因数乘以设定的旋转速度，用已做倍数乘积处理的设定的旋转速度(2*Ωr)减去旋转校正信号，以提供被校正的设定的旋转速度信号(Ωr,cor)。预定因数例如可以是2。
为了迫使钻柱最终以合适的设定速度RPM旋转，可通过在比预期的最长粘滑时段更长的时间尺度(其可以大致在1至10秒范围内)内，让驱动系统输出阻抗与钻柱阻力不匹配的方式，对已被校正两次的设定转速再进行一次校正。钻柱旋转速度可被调节至所需合适的设定速度，而不管需要通过驱动系统提供的静转矩如何。
根据本发明的方法可用于将钻头向含烃流体的地层内的钻探目标引导，钻头一到达钻探目标，井筒可被转变为从其中生产出烃流体的烃流体生产井。
根据本发明，还提供了一种导向钻井系统，其包括：
-钻柱旋转调节系统，其被配置成调节钻柱在其每圈转动期间的旋转速度；
-随钻测量装置(MWD)，其被配置成将重复测得的、井底钻具组合(BHA)在钻柱下端和具有倾斜刀具面方位的钻头之间的方位测值传递给调节系统，以将钻头朝合适方向引导；
-其中，MWD被配置成将BHA的每圈转动分成多个角区间，确定BHA转过各角区间所花费的时间的平均百分比，以将关于钻头操作方向的信息传递给调节系统。
在所附的权利要求书、摘要和下面对非限制性实施例的详细说明中，描述了根据本发明的方法和系统的这些和其他特征、实施例和优点，非限制性实施例在附图中示出，在说明书中使用的参考数字标记表示附图中所示的相应参考数字标记。
不同附图中的类似的参考数字标记表示相同或类似的客体。本领域的技术人员可以不同方式组合附图中所示和/或说明书、摘要和/或权利要求书中所述的客体和其他特征。
附图说明
下面将参照示意性的附图，通过实例更详细地描述本发明，附图如下：
图1示出了用于使用在本发明的方法的实施例中的钻井组件；
图2更详细地示出了钻柱的下端部分；
图3示出了表示钻柱在表面处的旋转速度与旋转角度之间的关系的曲线图；
图4示出了蜘蛛网图，其表示钻柱上的某点转过一圈的各个角部分所花费的时间的百分比；
图5示出了柱状图，其表示钻柱上端部分上的某点转过一圈的各个角度部分所花费的时间的百分比；和
图6示出了柱状图，其表示BHA上的某点转过一圈的各个角度部分所花费的时间的百分比。
具体实施方式
在下面对所示的实施例进行的详细描述和附图中，类似的参照数字标记与类似部件相关。
表述“刀具面方向”在被使用在说明书和权利要求书中时，表示垂直于钻头刀具面的方向。当钻柱绕其中心纵轴线旋转时，该方向通常与钻柱的钻探方向一致。
图1和2示出了钻柱1，钻柱1从位于地面4上的钻机2延伸入正被钻入地下地层7中的地下井筒6。钻柱1包括一系列相互连接的钻管，钻柱1的下端连接到包括钻头10的井底钻具组合(BHA)8上。BHA可包括下列部件中的一个或多个：相对重的钻铤12、随钻测量(MWD)单元14、嵌入式计算机装置15、泥浆脉冲遥测装置16、弯接头18和用于使钻头10相对于钻柱1旋转的井底马达20。井底马达20可以是涡轮马达或容积式马达。井底马达20可以是基础设计，可以常速运行。
钻柱1的上端连接到驱动系统上，通常连接到顶驱22上，顶驱22被设置成使钻柱绕其纵轴线旋转。顶驱22通过连接件23连接到计算机控制装置24上，计算机控制装置24适于调节顶驱在每圈转动期间的速度。可不使用顶驱22，而使用任何合适的驱动系统(例如，方钻杆滚子补心或转盘系统)来使钻柱1旋转。泥浆泵26通过管道28连接到钻柱1上，以将钻井液泵送到钻柱1中，从而驱动井底马达20。控制系统30设置在钻机2处，用于控制泥浆泵26的操作。另外，计算机系统31被设置成根据被装入计算机中的合适的钻井轨迹以及下文所述的井底测量数据控制钻井方向。
MWD单元14以传统方式包括三个垂直的磁强计(未示出)和三个垂直的加速计(未示出)，以测量重力矢量和地磁场矢量的三个分量。但是，可使用其他合适的传感器(如，陀螺仪)。
可与MWD装置14一体形成的嵌入式计算机装置15适于对MWD装置14所测的数据执行一些统计计算，后面将对此进行更详细的描述。
泥浆脉冲遥测装置16设置有可调节钻井液在钻柱1内部的流量的阀，以在钻柱中产生压力脉冲，压力脉冲沿钻柱内的流体柱向上传播。压力脉冲由地面处的传感器检测。
弯接头18具有上端管状部分32和下端管状部分34，下端管状部分34相对于上端管状部分以倾斜角α倾斜地延伸(图2)。具有钻头10的井底马达20连接到弯接头的下端管状部分34上并与其对准。因此，钻头10的倾斜的刀具面方向相对于上端管状部分32和钻铤12的中心纵轴线以角度α倾斜。不使用弯接头和笔直的井底马达，可使用具有弯曲壳体的井底马达。
图3示出了钻柱1的上端部分36(图1)的旋转速度与钻柱上端部分36的旋转角度之间的关系曲线图，旋转速度用转数/每分(rpm)表达。在顶驱22的每圈转动期间，顶驱22的速度通过计算机控制装置24调节，使得钻柱上端部分36在该圈转动的第一角区间θ1以第一速度38旋转，在该圈转动的第二角区间θ2以第二速度40旋转，其中，第一速度小于第二速度。请注意，在图3中，两次示出角区间θ1，但事实上，区间θ1每360度重复一次，仅由区间θ2中断，区间θ2可以或不可以与从360度过渡至0度的过渡区间重叠。
图4示出了蜘蛛网图，其表示钻柱上端部分36的一圈转动，该圈转动被分成均匀的角度部分，这些部分用数字0-15表示。在每个部分0-15中，钻柱上端部分36转过所述角度部分所花费的时间的平均百分比用虚线区域41表示。虚线区域41的径向尺寸表示所述的时间平均百分比。在当前的实例中，每个部分以22.5°的角度延伸，从而钻柱上端部分大约用转一圈的时间的80％转过部分0-5和10-15，大约用转一圈的时间的20％转过部分6-9。
图5示出了具有水平轴和竖直轴的曲线图，水平轴表示钻柱上端部分36的旋转角度(θ)，其用上述角度部分0-15表达，竖直轴表示钻柱上端部分36转过每个角度部分所花费的时间的平均百分比(％时间)。％时间和θ之间的函数关系的特征为参数A、B和C，其中，参数A界定主函数最小时上端钻柱部分的旋转位置，参数B界定所述最小值和主函数的最大值之差，参数C界定钻柱上端部分的旋转角度范围，主函数在该范围内的平均值小于在钻柱上端部分的剩余旋转角度范围内的平均值。
图6示出了具有水平轴和竖直轴的曲线图，水平轴表示井底钻具组合8的旋转角度其用BHA的一圈转动的均匀角区间0-15表示，竖直轴表示BHA转过每个角区间所花费的时间的平均百分比(％时间)。％时间和之间的函数关系的特征为参数P、Q和R。在此，参数P可界定在第二函数最小时BHA的旋转位置，参数Q界定第二函数的最小值和第二函数的最大值之差，参数R界定BHA的旋转角度，第二函数在该旋转角度范围内的平均值小于在BHA的剩余旋转角度范围内的平均值。在本实例中，BHA转动一圈的角区间0-15的编号与钻柱上端部分36转动一圈的角部分0-15的编号相同。但是，可合适地选择角间隔的数字不同于角部分的数字。
操作期间，当泥浆泵26由控制系统30操作以通过管道28将钻井液泵送到钻柱1中时，钻柱1可被降低到井筒6中。泥浆可驱动井底马达20。钻头10从而可绕其中央纵轴线旋转，中央纵轴线与刀具面方向一致，刀具面方向相对于弯接头18上方的钻柱1的纵轴线以倾斜角α倾斜。钻柱10从而倾向于在倾斜的刀具面方向上钻探，如果顶驱是静止的，将导致钻探弯曲的井筒部分。
在井底马达20操作的同时，钻柱1可通过顶驱22绕其纵轴线旋转。井底马达20的平均速度和顶驱22的平均速度大致相同。钻头10的速度可受井底马达20的速度和表面处的顶驱22的速度之和控制，例如在30至200RPM之间。应该注意的是，钻柱的直径尺寸相对于其长度十分小，因此，钻柱在井筒6中起到细长主体的作用。据此，钻柱1的纵轴线1可以是弯曲形状。
计算机控制装置24在钻柱的每圈转动期间调节顶驱22的速度，使得钻柱上端部分36在每圈转动的第一角区间θ1期间以第一速度38(图3)旋转，在每圈转动的第二角区间θ2期间以第二速度40旋转，第一速度小于第二速度。因此在每圈转动期间，BHA的旋转速度也受调节，从而在每圈转动的第一角区间期间的旋转速度小于在每圈转动的第二角区间期间的旋转速度。因此，钻头10在第一角区间期间进行钻井所花费的时间多于其在该圈转动的第二角区间进行钻井所花费的时间。因此，钻头10在第一角区间期间钻探的弯曲井筒部分朝平均刀具面方向偏离。但是，由于钻柱1在井筒6中的摩擦损失、钻头切削阻力、钻柱机械阻抗和钻柱扭转振动，BHA的瞬时旋转速度与钻柱上端部分36的瞬时旋转速度明显不同。从而，BHA的角区间的大小和相位与钻柱上端部分36的角区间θ1、θ2明显不同。为了能充分控制钻井方向，下面将对该过程进行解释。
当钻柱1通过顶驱22旋转时，计算机系统31确定出钻柱上端部分36转过图5中所示的各个角部分0-15所花费的时间的平均百分比(％时间)，计算出％时间和θ之间的函数关系中的参数A、B和C。计算机系统31可从驱动顶驱的计算机控制装置24直接接收用于这些计算所需的输入信息。
在高速下，如每隔16毫秒，运行MWD单元14，以测量BHA的方位。嵌入式计算机装置15针对BHA的各个角区间0-15，确定出相应角区间中的测定方位的平均值。根据这些平均值，嵌入式计算机装置15确定出BHA转过图6中所示的每个角区间0-15所花费的时间的平均百分比(％时间)，计算出％时间与之间的函数关系、以及相应的参数P、Q和R。泥浆脉冲遥测装置16将表示参数P、Q和R的泥浆脉冲信号传递给表面处的压力传感器(未示出)，压力传感器检测这些信号，将电压信号传递给对这些信号数码化的计算机系统31。如果需要，当使用0-255的比例和足够大的冗余度(用于传输误差核查和校正)时，例如可将所测数据压缩成5字节数据。
计算出的参数P、Q和R用于测量BHA的平均刀具面方向。参数P是用于钻头10的刀具面方向和钻柱上端部分的旋转位置A所表示的方向之间的相位偏差的测值，在旋转位置A上主函数最小(图5)。参数Q是用于已达到的BHA调制强度的测值，参数R是用于刀具面方向焦距(focus)的测值。随着时间的推移，通过使用由MWD单元14传输到地面的数据，计算出所达到的钻井轨迹，然后将该钻井轨迹与计划的井眼轨迹作比较。如果已达到的轨迹偏离计划的轨迹，那么，可通过调节参数A、B和C中的至少一个参数来改变钻井方向。可调节参数A来调节钻头10的平均刀具面方向。在定向钻井期间可调节参数B和C来调节井眼曲率(也称之为造斜率)。已经进行了一种或多种调节之后，继续进行钻井，随后以上述方式再次确定参数P、Q和R。如果要求，可对参数A、B和C中的至少一个参数进行另外的调节，以遵循计划的井眼轨迹。
在有益的实施例中，首先以图3所示的模式调节钻具的设定转速RPM，但是不改变许多圈转动期间的长期的平均转速值。之后，进一步调节设定值，以在地面处达到匹配的钻管阻力。因此，最终的实际顶驱(或转盘)速度根据传统钻具的设定值、和能实现前述定向钻井的调节而变化，最终根据可用于消除沿钻柱向上传播的扭转波在地面处的反射的其他调节而变化，使得钻柱的持续的扭转波不会得以实现，从而减弱钻柱的扭转振动。
因此，本发明的钻井方法涉及一种测量和控制过程，其消除例如根据扭矩和阻力测值、加模型估测钻柱扭曲量的需要。但是，使用来自于MWD的测量数据来确定这种扭曲结果，即，钻柱上端部分的方位与BHA的方位之间的相位偏差，其用0-360度范围内的数值表示。
本发明的另一优点是，与所谓的滑动钻井相比，降低了钻柱和井筒壁之间的摩擦。在后面的方法中，钻柱在斜度钻井期间不旋转，钻头仅通过井底马达旋转。在本发明的方法中，钻柱总是在旋转，从而大大降低了钻柱和井筒壁之间的摩擦力。
此外，通过本发明的方法，钻柱钻井的速度远高于传统钻井方法的钻井速度，原因在于，钻柱的旋转速度受顶驱的旋转速度和井底马达的旋转速度之和控制。以这种方式，钻柱的旋转速度例如可达到50至200rmp，或者甚至更高。
从而，根据本发明的方法通过稳健的井底系统，能实现定向钻井，还能实现弯曲度小的垂直钻井，这种井底系统不具有现有的系统和方法中所需的易出现故障的机械致动器。因此，将能实现持续使用的时间更长、对于每个已被钻探的井部分而言要求的行程更短的钻井系统。除了泥浆遥测系统(其可由固态井下通讯方法取代)、电源(其可由电池取代)和井底马达以外，实现了一种全固态系统。井底马达规格可大大放宽。作为能量动力的顶驱和井底马达之间的动力平衡可朝适宜的操作条件转变，可能导致顶驱动力更大和井底马达动力更小。
导向钻油和/气井方法的一些特点和优点总结如下：
-钻柱旋转调节系统周期性地调节钻柱1在其每圈转动期间的旋转速度，以沿弯曲轨迹操纵具有倾斜刀具面的钻头10，所述弯曲轨迹被确定为偏斜的操作方向。
-随钻测量装置(MWD)将井底钻具组合(BHA)的钻柱10下端的每圈转动分成多个角区间，将BHA转过这些角区间所花费的时间的平均百分比传递给调节系统，从而将关于弯曲的偏斜操作方向的角方位的实时信息提供给调节系统，消除了将校正模型、正保持的转矩和/或钻柱阻力测值提供给调节系统，以估计钻柱静态和动态扭曲量对钻柱上端和钻头的角方位之差的影响的需要。
本发明不限于上述实施例，其中，在所附的权利要求书和摘要的范围内，可构想出各种改进。本说明书、权利要求书和摘要中所述的各实施例的特征例如可以各种方式组合。
Claims (14)
1.一种用于在地层中导向钻井的方法，所述方法包括：
-使钻柱旋转调节系统调节钻柱在其每圈转动期间的旋转速度；
-使随钻测量装置(MWD)将重复测得的、在钻柱和钻头之间的井底钻具组合(BHA)的方位值传递给钻柱旋转调节系统，以将具有倾斜刀具面的钻头朝偏斜的钻井方向引导；
-其特征在于，所述随钻测量装置将井底钻具组合的每圈转动分成多个角区间，将所述井底钻具组合转过这些角区间所花费的时间的平均百分比传递给钻柱旋转调节系统，以将关于偏斜的钻井方向的角方位的信息提供给所述钻柱旋转调节系统；
其中，钻柱上端部分的每圈转动被分成多个角部分，旋转速度的调节界定主函数，该主函数表示钻柱上端部分转过各角部分所花费的时间的平均百分比。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述井底钻具组合包括使钻头绕旋转轴线旋转的井底马达，所述旋转轴线相对于钻柱旋转轴线以锐角定位，以使钻头的刀具面在井筒内的方位倾斜；所述随钻测量装置以选定的时间间隔将表示检测到的所述井底钻具组合转过各角区间所花费的时间的平均百分比的信号传递给位于地面上的钻柱旋转调节系统。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，将检测到的、所述井底钻具组合转过各角区间所花费的时间的平均百分比暂时存储在所述随钻测量装置的计算机存储器中。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述随钻测量装置以1至10分钟的时间间隔将所述信号传递到地面。
5.根据权利要求2-4中的任一权利要求所述的方法，其中，通过使用设置在所述井底钻具组合中的泥浆脉冲遥测系统，所述随钻测量装置将所述信号传递到地面。
6.根据权利要求1-4中的任一权利要求所述的方法，其中，所述随钻测量装置以每秒3至60次的速度检测所述井底钻具组合转过各角区间所花费的时间的平均百分比。
7.根据权利要求1－4中的任一权利要求所述的方法，其中，由所述随钻测量装置检测的、所述井底钻具组合转过各角区间所花费的时间的平均百分比界定第二函数，所述方法还包括以下步骤：将所述主函数和第二函数相互比较，根据比较结果调整对钻柱旋转速度的调节。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，主函数用参数A、B和C表示，其中，参数A界定钻柱上端部分在主函数最小时的旋转位置，参数B界定主函数的最小值和最大值之差，参数C界定钻柱上端部分的某一旋转角范围，主函数在所述旋转角范围内的平均值小于在钻柱上端部分的剩余旋转角范围内的平均值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，第二函数用参数P、Q和R表示，其中，参数P界定所述井底钻具组合在第二函数最小时的旋转位置，参数Q界定第二函数的最小值和最大值之差，参数R界定所述井底钻具组合的某一旋转角范围，第二函数在由参数R所界定的所述井底钻具组合的所述旋转角范围内的平均值小于在所述井底钻具组合的剩余旋转角范围内的平均值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，使用至少一个统计特性来调整对钻柱旋转速度的调节的步骤包括：根据参数P调节参数A和/或根据参数Q调节参数B和/或根据参数R调节参数C。
11.根据权利要求1-4中的任一权利要求所述的方法，其中，所述随钻测量装置用三维方式测量所述井底钻具组合的方位和钻柱操作方向。
12.根据权利要求1-4中的任一权利要求所述的方法，其中，钻柱上端具有第一机械阻抗，驱动系统具有不同于第一机械阻抗的第二机械阻抗，使得钻柱中能够存在固定的扭转波；所述方法还包括以下步骤，在扭转波的高频带范围内调节所述驱动系统的机械阻抗，以通过下述方式来最小化第一机械阻抗与第二机械阻抗的差异：
-指示驱动系统使钻柱以设定的旋转速度(Ωr)旋转；
-确定钻柱的旋转速度(ωr)；
-确定钻柱和驱动系统交界处或附近的转矩(T)；
-确定钻柱在所述交界附近的部分的钻柱阻抗(ζ)；
-通过使用确定出的转矩(T)乘以确定出的钻柱阻抗(ζ)之积，来计算旋转校正信号；
-通过使用旋转校正信号校正设定的旋转速度(Ωr)，以提供已被校正的设定的旋转速度信号(Ωr,cor)；
-用已被校正的设定的旋转速度信号(Ωr,cor)减去所测的旋转速度(ωr)，以将被校正两次的设定的旋转速度信号(Ωr,2cor)提供给所述驱动系统。
13.根据权利要求1-4中的任一权利要求所述的方法，其中，使用所述方法将钻头向含烃流体的地层内的钻探目标引导，钻头一到达钻探目标，井筒就转变成从之中生产出烃流体的烃流体生产井。
14.一种用于将井筒钻入地层中的导向钻井系统，其包括：
-钻柱旋转调节系统，该钻柱旋转调节系统被配置成调节钻柱在其每圈转动期间的旋转速度；
-随钻测量装置(MWD)，该随钻测量装置被配置成将重复测得的、在钻柱下端和具有倾斜刀具面方位的钻头之间的井底钻具组合(BHA)的方位的测值传递给所述钻柱旋转调节系统，以将钻头朝合适方向引导；
-其特征在于，所述随钻测量装置被配置成将所述井底钻具组合的每圈转动分成多个角区间，确定所述井底钻具组合转过各角区间所花费的时间的平均百分比，以将关于钻头操作方向的信息传递给所述钻柱旋转调节系统；
其中，在所述钻柱旋转调节系统中，钻柱上端部分的每圈转动被分成多个角部分，旋转速度的调节界定主函数，该主函数表示钻柱上端部分转过各角部分所花费的时间的平均百分比。
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