CN106030022B - 双循环流体锤钻井系统 - Google Patents

Abstract

一种双循环流体锤钻井系统(10)具有联接到钻柱(14)的流体锤(12)。系统(10)利用第一流体(16)和第二流体(18)。第一流体(16)被输送通过钻柱(14)以驱动流体锤(12)或者向流体锤(12)供给动力。第二流体(18)也被输送通过钻柱(14)但是与第一流体(16)隔离，所以它们在钻柱(14)内不会混合。第二流体(18)穿过锤钻(12)的锤钻头(38)并被引导以从钻头面(20)流出。因此，当系统(10)在使用时，第二流体(18)将流动流过钻头面(20)。第一流体(16)也在锤钻(12)处离开钻井系统(10)。然而，第一流体(16)离开钻头面(20)的上游或上孔。

Description

双循环流体锤钻井系统

技术领域

公开一种用于在地面钻孔的系统和方法，例如，用于但不限于油气探测或生产。

背景技术

在油气探测和生产中，通常使用流动的不可压缩流体驱动的井下马达来旋转附接的钻头。流体经常但非必要地为高比重流体，诸如钻井泥浆。泥浆（或其它不可压缩流体）还可以用于将开凿物从孔清除并提供井下压力控制。另外，如果需要的话，有时可能增加通过井下马达的泥浆的体积流率来压井（kill a well）。然而，就在坚硬材料中钻取特别是定向的井（即，非垂直孔）而言，存在局限性。这种局限性由于不能在钻头上应用足够的井下下拉或钻压（WOB）来破裂岩石并以经济的速率推进钻井而产生。

在坚硬材料中穿孔的局限性可通过使用锤钻而克服。锤钻由流体驱动。空气为常用的驱动流体。然而，空气不能实现对井下和地面压力的控制。而且，经常不可能根据当前井下环境提供具有期望压力和容积的空气，以形成足够的压力差来有效地驱动锤。

代替空气，水和诸如钻井泥浆的添加物可用于驱动锤。这能够实现提供较高的钻井压力以抵抗高的地面压力。然而，由于其固有属性，泥浆快速磨损锤的内表面，导致需要频繁替换。平稳推进（tripping）钻柱涉及非常耗时的过程。而且，在危险的超压条件的情况下，常规锤钻不能实现充分的体积流率来压井（即，快速溢出井来控制或停止气体的流动和其它危险的井下条件）。

发明内容

宽泛而言，公开一种钻井系统和方法，其中第一流体被用来操作潜孔锤，而第二流体被用来辅助钻井过程。流体彼此隔离同时向孔下流动。由第二流体提供的辅助可包括但不限于下列中的任一个或组合：从孔中冲洗钻井开凿物；控制孔中的井下压力条件；在锤钻头面处冲洗开凿物并提供润滑；以及压井。当钻井涉及碳氢化合物时，井下压力的控制包括提供过平衡压力条件、欠平衡压力条件或平衡压力条件。

钻井系统包括锤被附接到其的钻柱。钻柱被配置为提供彼此流体隔离的第一流体流动路径和第二流体流动路径。这使得能够优化流体以用于它们特定的目的。例如，用于操作钻井工具钻的第一流体可提供为就工具的动力、速度、效率和寿命而言对于操作钻井工具最佳的流体。另一方面，在第二流体自身或者与操作工具以后被排出到所钻孔中的第一流体混合，用于清除钻井开凿物、维持孔稳定性以及提供期望的井下压力条件等方面，第二流体可被优化。第二流体可选择的参数或特性包括但不限于：上向钻孔速度、粘性和比重。

第一流体可表示为“动力流体”，因为这是提供动力至潜孔锤钻并驱动潜孔锤钻的流体。动力流体流动通过锤钻的端口配置装置（porting arrangement）以使循环冲击锤钻的钻头的活塞往复运动。在各个实施例中，第一流体可包括液体、气体或其组合，诸如但不限于：水、油、空气、氮气或其混合物。

第二流体具有在各种环境下或者可同时执行或者可单独执行的多种功能。例如，第二流体可作用为冲洗流体以将开凿物从孔中冲洗且特别从钻头的钻头面冲洗。第二流体还可用于控制井下压力。为此，第二流体还可表示为，或作用为，“冲洗流体”或“控制流体”。第二流体在大多数情况下为液体，诸如但不限于：水、钻井泥浆或水泥。在水被用作第二流体的情况下，如果水自身携带大量极小的颗粒物，对锤的运行寿命没有重大影响。

在一方面，提供一种双循环流体锤钻井系统，包括：

钻柱，钻柱被配置为分别将第一流体和第二流体向孔下传送，钻柱具有上孔端部和相对的下孔端部；以及

锤钻，锤钻包括具有钻头面的钻头，锤钻被联接到钻柱的下孔端部，其中当钻头面与正钻取的孔的趾部（toe）接触时，第一流体提供动力来驱动锤钻并且第二流体被引导流动流过钻头面。

在一实施例中，第二流体被引导流动通过钻头。

在一实施例中，钻头被提供有通往钻头面的通道，并且第二流体被引导流动通过通道。

在一实施例中，第一流体被引导流动流过钻头的外表面至由钻井系统正钻取的孔中。

在一实施例中，第一流体的一部分被引导流动通过钻头中的通道。

在一实施例中，第一流体以围绕第二流体的大致环状流形态流动流过钻头面，从锤钻流动至孔中。

在一实施例中，钻柱包括用于传送第一流体的第一流体流动路径和用于引导第二流体的第二流体流动路径，其中第二流体流动路径沿钻柱的中心轴线行进。

在一实施例中，第一流体流动路径为环状路径。

在一实施例中，钻柱包括：一个或多个双壁管道，每个双壁管道具有外壁和内壁，外壁围绕内壁，其中环状空间由内壁和外壁形成并形成在内壁与外壁之间，环状空间构成用于第一流体和第二流体中一个的流动路径，并且内壁形成用于第一流体和第二流体中另一个的中心流动路径。

在一实施例中，双循环流体锤包括被布置为联接到钻柱的上孔端部的旋转头部，旋转头部被布置为向锤钻提供扭矩。

在第二方面，公开一种利用包括具有钻头面的钻头的流体操作的锤钻在地面钻孔的方法，方法包括：

将第一流体和第二流体的分离流输送通过钻柱；

通过穿过锤钻的第一流体的流动来驱动联接在钻柱的下孔端部处的流体操作的锤钻；以及

在钻头面与正钻取的孔的趾部接触的情况下，引导第二流体的流以流动通过钻头并流动流过钻头面。

在一实施例中，方法可包括使得第一流体能够流过钻头的外表面流出锤。

在一实施例中，方法可包括输送第二流体通过钻柱中的中心流动路径。

在一实施例中，方法可包括输送第一流体通过钻柱中的环状流动路径。

在每个实施例中，方法包括通过改变第一流体和第二流体中的一个或两者的物理特性来调节井下压力。

在一实施例中，方法包括调节第二流体的比重和粘性中的一个或两者。

在一实施例中，调节井下压力包括动态调节井下压力来在孔中提供期望的压力条件。

在一实施例中，方法包括以在孔中提供欠平衡压力条件的方式动态调节井下压力。

在一实施例中，方法包括以在孔中提供过平衡压力条件的方式动态调节井下压力。

在一实施例中，方法包括以在孔中提供平衡压力条件的方式动态调节井下压力。

在一实施例中，方法包括将第一流体和第二流体提供为具有不同比重的流体。

在一实施例中，方法包括将第一流体和第二流体提供为具有不同粘性的流体。

在一实施例中，方法包括在相同的压力下提供第一流体和第二流体。

在第三方面，公开一种双循环流体锤钻井系统，包括：

钻柱，钻柱被布置为形成彼此流体隔离的第一流体流动路径和第二流体流动路径，钻柱具有上孔端部和相对的下孔端部；

锤钻，锤钻被联接到钻柱的下孔端部，锤钻具有钻头和钻头面，锤钻与第一流体流动路径流体联通，其中锤钻由流动通过第一流体流动路径的第一流体操作；以及

其中第二流体流动路径被布置为，在钻头面与正钻取的孔的趾部接触情况下，第二流体流动通过钻头并流过钻头面。

在第四方面，公开一种钻取用于探测或生产碳氢化合物的孔的方法，方法包括：

将具有钻头和钻头面的流体操作的锤钻联接到钻柱的下孔端部；

利用联接到钻柱的上孔端部的机器来向锤钻施加扭矩并向流体操作的锤钻提供下拉或拉起；

将第一流体输送通过钻柱以操作锤钻；以及

将第二流体与第一流体隔离地输送通过钻柱，其中在钻头面与钻取的孔的趾部接触的情况下，第二流体流动通过钻头并流过钻头面。

在一实施例中，方法还包括独立于操作锤钻，来修改第二流体的一种或多种特性以控制井下压力条件。

附图说明

尽管任意其它形式可落入如发明内容中提出的系统和方法的范围内，但是现在将参照附图仅通过示例的方式描述特定实施例，附图中：

图1为双循环流体锤钻井系统的实施例的示意性图示。

具体实施方式

图1为公开的双循环流体锤钻井系统10（下文中一般称为“系统10”）的实施例的示意性图示。系统10包括联接到钻柱14的流体锤12。系统10利用两种流体，第一流体16用端部带指示流动方向箭头的虚线表示，第二流体18用端部带指示流动方向箭头的实线表示。第一流体16被输送通过钻柱14以驱动流体锤12或向流体锤12供给动力。第二流体18也被输送通过钻柱14但是与第一流体16隔离，所以它们不会在钻柱14内混合。第二流体18穿过锤钻12并被引导以从所述锤钻12的锤钻头的钻头面20流出。因此，当系统10在使用时，第二流体18将流动流过钻头面20。第一流体16也在锤钻12处离开钻井系统10。然而，第一流体16离开钻头面20的上游或上孔。

由于两种分离的流体16和18的流动，流体锤12在本说明书中有时称为双循环流体锤或DC流体锤。

借助利用两种分离的流体16和18的系统10，能够满足其它冲突的钻井要求。这些包括但不限于下列内容。就锤钻12的效率和寿命方面而言，第一流体16可被选择作为操作锤12的最佳流体。维持锤钻12处于良好的工作状态对使停机时间达到最小是非常重要的，否则就需要更换锤钻12。流体16不需要具有对于控制井下压力条件而言重要的或相关的任何属性。这使得流体16以及其压力和流动速率/流量的选择纯粹基于锤钻12本身所期望的操作特性和性能。

因此，流体16可为气体或液体（即，可压缩或不可压缩流体），诸如空气，如果孔深和压力差使得空气能够以足够的压力和流动速率/流量被输送以操作锤钻12。替代地，第一流体可为液体（即，不可压缩流体），诸如但不限于水。在操作或供给动力至锤钻12的第一流体16的语境中的术语“水”意指清洁的水或具有可接受的少量小颗粒物的相对清洁的水。例如，水具有5μ纯度。这将与脏水或泥浆区分开来，脏水或泥浆本质上为与显著大量相对大的颗粒物混合的水。确实已知使用泥浆来驱动流体锤。然而，这种锤具有短的使用寿命，因为泥浆对于锤的内部设备且特别是端口表面具有研磨作用。这导致性能的快速降级并需要经常地更换锤12。

与第一流体16隔离地流动的第二流体18可被选择为具有控制井下条件、向钻头面20提供润滑并从孔H冲洗开凿物的特性。这种流体可为但不限于气体、水、脏水、钻井泥浆、钻井添加物、润滑剂以及这些中两个或更多个的组合。

尽管第一流体16在控制井下压力条件方面不重要，但是当选择第二流体18以使流体16和18的混合物提供期望的井下压力条件时可考虑第一流体16的密度和粘性。因此，本领域技术人员可考虑选择或修改第二流体18的特性以提供期望的井下条件，但是不要求第一流体16的任何改变。

更详细地着眼于系统10，钻柱14由首尾相连的多个双壁管道22（仅示出一个）构造。每个双壁管道22具有外壁24和内壁26。环状流动路径28被限定在壁24与壁26之间。在该实施例中，第一流体16流过环状路径28。第二壁26位于并保持在外壁24内并为第二流体18限定流动路径30。

锤钻12一般为普通构造，具有下端连接有驱动部件34（drive sub）的外管32。活塞36、钻头38和内管40构成锤钻12的重要部件。活塞36在内管40上往复运动。内管40另外延伸至钻头38的通道42中。通道42具有处于上游的中心部分，其在井下部分分成数个分支43。分支43通往钻头面20。

驱动部件34使得施加到钻柱22的扭矩能够传递到钻头38。锁定环（未示出）也可与驱动部件34和钻头38关联以保持钻头38不从锤钻12的端部掉下。

在操作中，第一流体16流动通过环状路径28并通过形成在活塞36与外管32的内表面之间的锤钻12端口配置装置（未示出）。随着流体16流动通过端口配置装置，其促使活塞36往复运动。活塞因此在内管40上上下滑动，循环撞击锤钻头38。流体16流出锤钻12并从驱动部件34的端部流过锤钻38的外表面44。

第二流体18沿流动路径30流动通过内管26并进入内管40中。在包括排污（blowdown）期间的锤钻12正常操作中，由于内管40延伸至通道42中，流体18被引导流动流过钻头面20。这借助于通往钻头面20的通道42。因此，流体18在钻头面20与正钻取的孔H的趾部46之间的位置处离开锤钻12。流体18随后与流体16一起向上流动至表面（未示出）。

扭矩可通过连接到钻柱14的上孔端部的机器施加到锤钻12并特别施加到钻头38。该机器例如可为钻塔或桅杆上的钻头，或回转台。系统10可在陆地或海上钻机上使用。

在检测到危险状态的情况下，能够提供足够容量和流速的第二流体18以压井。这被提出，是由于与仅利用沿第一流体箭头16描绘的路径流动单一流体的传统流体锤相比，第二流体18被输送的方式提供了显著更多的液体容量。

如上文明显地表明，系统10实现利用包括具有钻头面20的钻头38的流体操作的锤钻12在地面钻孔的方法，其中第一流体16和第二流体18的分离流被通过钻柱14输送。流体16、18可利用双循环流体入口转环（swivel）泵送至钻柱的上孔端部中。在该方法中，第一流体流动至并供给动力至在钻柱14的下孔端部处联接的锤钻12。当锤钻12被供给动力时，活塞36往复运动以循环冲击锤钻头38。该冲击由钻头面20传递到孔H的趾部46。

该方法还包括引导第二流体18流动通过锤钻12并流过钻头面20。第二流体随后向孔上流动，将开凿物从孔中冲洗。第一流体从钻头面20的上游的驱动部件34的端部离开锤12。因此，第一流体16以围绕流过钻头面20的第二流体18的大致环状流形态，从锤钻12流动至孔H中。两个流体16和18当向孔H下流动时彼此分离但是当在钻柱14的外部沿孔上行时混合。

以上描述的系统10和相关钻井方法的实施方式特别适合于坚硬的地面构造中的油气作业。尽管权衡钻井工具的寿命、控制井下压力的能力和维持孔稳定性等方面，在钻取油气中没有获得青睐，但是系统和方法的特定实施例使得利用以潜孔锤为形式的井下钻井工具，特别适合于在坚硬材料中钻井。例如，为了用临界压力钻井，当使用常规DTH锤时，可能需要用相对高比重的流体操作锤。这将需要使用泥浆或料浆来驱动锤。然而，由于其本性，泥浆或料浆将包含研磨并磨损锤的颗粒。结果，需要更经常地平稳推进钻柱以便替换磨损的锤。当孔为数千米深时，钻柱的平稳推进可能花费或超过24小时。然而，如果使用较低比重的工作流体，则可能丧失提供特定压力条件的能力。所述系统和方法的实施例使得工作和冲洗流体的参数和特性能够单独提供并控制，由此使得能够最大化井下工具的最佳效率和寿命，且同时也提供对井下压力和孔稳定性的控制。

锤钻12在物理形式上可能类似于反循环钻。但是，要注意的是，目前公开的系统和方法，锤钻12不是，也不按照反循环锤钻那样操作。在反循环锤钻中，单一流体被用于驱动锤钻。流体操作锤钻的活塞并在驱动部件与钻头的头部之间处流出。流体于是向上流回钻头和钻柱中的通道，将钻取开凿物运送到表面。

当前公开的系统和方法的实施例基于将完全独立于第一（动力）流体的第二（控制）流体沿井下方向输送通过锤钻和关联的钻头的完全相反的原理。第一流体（操作锤钻）和第二流体两者通过孔与钻柱的外表面之间的环状区域流动到表面。

当前公开的系统10和方法的实施例使用两个分离的流体一直流至钻柱14以及井的底部。因此，控制流体18与动力流体16混合，在钻头面或在井的底部处排放，实现具有最佳效果和安全性的良好控制，而且实现两种流体在钻头面处的混合。

控制流体18的目的仅仅是为了良好控制和钻井开凿物输送。动力流体16的唯一目的在于操作流体锤12。动力流体18与控制流体16之间的比率可在10/90与30/70之间。也就是10%的动力流体16和90%的控制流体18。这意味着例如在使用5.5英寸钻管钻取8.5英寸井期间，一个实施例公开的流体锤12将使用10%至30%的总井容积用作动力流体16。

着眼于流体容积和压力方面，举例来说，期望用于钻井以及提升钻井开凿物的流体总体积为在5000psi的压力下每分钟泵送1000升。流体锤12将每分钟使用该总体积中的100至300升。控制流体在大约4000psi下泵送并且流动速率将为每分钟900至700升。

因此，公开的流体锤12的实施例对比于正常操作的水锤是非常有效率的。在可比的井下环境和深度中，正常操作的水锤将典型地使用超过1000升每分钟并高达2000升每分钟。这基本多于公开的系统和方法的实施例的100-300升每分钟。

现有技术的单一管水锤的本性和设计限制锤可钻取的深度并引起高等级的磨损。由于公开的流体锤12和关联的方法的实施例使用少得多的水容积来操作，并利用第二/控制流体流来满足开凿物运输以及良好控制的需要，公开的流体锤可比标准水锤钻井深得多。另外地，公开的双循环流体锤12在两次维护或替换之间能够进行更长时间的钻井作业。对于控制流体18没有限制，因为其不需要穿过水锤内部的引起活塞36的往复运动的限制部。而且重要地，对另外的单一管水锤产生磨损的泥浆和其它添加物不需要穿过DC流体锤12。与单一管/单一流体常规水锤相比，这又增加了公开的DC流体锤12的延长的寿命。

虽然已经描述了系统和方法的特定实施例，但是应理解，所述系统和方法可以以其他形式具体化。例如，流体16可流动通过中心路径30且第二流体可流动通过环状路径28，然而这需要转换接头（cross over sub）来接通锤12的端口以驱动活塞36，并引导第二流体流动通过通道42。

在后面所附权利要求书中以及在前述描述中，除了上下文由于明确的语言或必要的暗示另有所指处，词语“包括”及诸如“包含”或“含有”的变型以包括的含义被使用，即，特指所阐述的特征的存在，但是不排除存在或增加如本文所公开的系统和方法的各个实施例中的另外特征。

Claims (25)

1.一种双循环流体锤钻井系统，用于在地面钻孔，包括：

钻柱，钻柱被配置为分别将第一流体和第二流体向孔下传送，钻柱具有上孔端部和相对的下孔端部；以及

锤钻，锤钻包括驱动部件及具有钻头面的钻头，锤钻被联接到钻柱的下孔端部；

其中当钻头面与正钻取的孔的趾部接触时，第一流体提供动力来驱动锤钻，并在钻头的外表面和驱动部件的内表面之间流动，从驱动部件的端部离开锤钻；并且第二流体被引导流动流过钻头面；第一和第二流体两者通过形成在孔的内表面与钻柱的外表面的环状区域被引导向上流回正钻取的孔。

2.根据权利要求1所述的系统，其中第二流体被引导流动通过钻头。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中钻头被提供有通往钻头面的通道，并且第二流体被引导流动通过通道。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其中第一流体被引导流动流过钻头的外表面至由钻井系统正钻取的孔中。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其中当流体流过钻头面时，第一流体作为围绕第二流体流动的环状流从锤钻流动至孔中。

6.根据前述权利要求1或2所述的系统，其中钻柱包括用于传送第一流体的第一流体流动路径和用于引导第二流体的第二流体流动路径，其中第二流体流动路径沿钻柱的中心轴线行进。

7.根据权利要求6所述的系统，其中第一流体流动路径为环状流动路径。

8.根据权利要求1或2所述的系统，其中钻柱包括：

一个或多个双壁管道，每个双壁管道具有外壁和内壁，外壁围绕内壁，其中环状空间由内壁和外壁形成并形成在内壁与外壁之间，环状空间构成用于第一流体和第二流体中一个的流动路径，并且内壁形成用于第一流体和第二流体中另一个的中心流动路径。

9.根据前述权利要求1或2所述的系统，包括被布置为与钻柱的上孔端部联接并向钻柱施加扭矩的机构。

10.一种利用包括具有钻头面的钻头的流体操作的锤钻在地面钻孔的方法，方法包括：

将第一流体和第二流体的分离流输送通过钻柱；

通过穿过锤钻的第一流体的流动来驱动联接在钻柱的下孔端部处的流体操作的锤钻；

使第一流体从钻头的外表面和锤钻的驱动部件之间流出锤钻，其中第一流体从驱动部件的端部离开锤钻；在钻头面与正钻取的孔的趾部接触的情况下，引导第二流体以流动通过钻头并流动流过钻头面；以及

在钻孔时，形成钻柱的外表面和孔的内表面之间的环状区域；和

引导第一流体和第二流体两者通过环状区域向上流回正钻取的孔。

11.根据权利要求10所述的方法，包括输送第一流体通过钻柱中的环状流动路径。

12.根据权利要求10或11所述的方法，包括输送第二流体通过由环状流动路径围绕的中心流动路径。

13.根据权利要求10或11所述的方法，包括通过改变第一流体和第二流体中的一个或两者的物理特性来调节井下压力。

14.根据权利要求10或11所述的方法，包括调节第二流体的比重和粘性中的一个或两者。

15.根据权利要求10或11所述的方法，包括动态调节井下压力以在孔中形成期望的压力条件。

16.根据权利要求15所述的方法，其中期望的压力条件为以下之一：欠平衡条件、过平衡条件和平衡条件。

17.根据权利要求10或11所述的方法，包括将第一流体和第二流体提供为具有不同比重的流体。

18.根据权利要求10或11所述的方法，包括将第一流体和第二流体提供为具有不同粘性的流体。

19.根据权利要求10或11所述的方法，包括在相同压力下提供第一流体和第二流体。

20.根据权利要求10或11所述的方法，包括独立于操作锤钻，修改第二流体的一种或多种特性以控制井下压力条件。

21.根据权利要求10或11所述的方法，其中输送第一流体包括将第一液体作为第一流体而输送。

22.根据权利要求10或11所述的方法，其中输送第二流体包括将第二液体作为第二流体而输送。

23.根据权利要求21所述的方法，其中输送第一液体包括输送水。

24.根据权利要求22所述的方法，其中输送第二液体包括输送下列液体的一种或含有其中一种或几种的混合物：水、钻井泥浆或水泥。

25.根据权利要求10或11所述的方法，其中第一流体和第二流体以在10/90到30/70之间的比率被输送。

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