CN106471205A - 用于钻出具有短曲率半径的井眼的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提出了用于钻出包括了具有短曲率半径的部分的井眼的系统和方法。该系统包括具有马达和管状壳体的钻井组件。致动器至少被部分设置在管状壳体中，将马达耦合至管状壳体。致动器被配置为在钻井组件的直线配置和弯曲配置之间可选择性地铰接。至少一个扭矩锚被流体耦合至钻井组件的后端。提出了用于可选择性地铰接钻井组件以形成包括了具有短曲率半径的部分的井眼的方法。还提出了其他系统和方法。

Description

用于钻出具有短曲率半径的井眼的系统和方法

技术领域

本公开一般地涉及用于钻出井眼的系统和方法，更具体地，用于钻出包括了具有短曲率半径的部分的井眼。

背景技术

传统的井下定向钻井马达经常采用脊形的弯曲的壳体，使得马达组件的顶部和底部相互成一个微小的角度，通常小于3度。该角度决定了井道的弯曲程度。旋转-导向的钻井组件利用可选择性接合的推板或可变的几何结构稳定装置，以改变马达相对于井眼的取向。在那些配置中，马达或钻头的偏心姿态决定了马达的预计路径。

发明内容

以下公开涉及一种改进的井下钻井系统，其能够离开预钻出的竖直井，然后继续钻出超短半径的水平井。在本公开中，井下马达被配置有柔性弯曲的壳体组件，该柔性弯曲的壳体组件允许在钻井时可选择性地改变马达的弯曲角度或造斜率。弯曲角度可以是20度或以上。同样是以可选择的方式，在马达的朝井口的上部，一个或多个抗扭矩装置与井眼壁接合，防止钻井马达的反作用扭矩被传递到承载柱。当不期望造斜角度时，马达组件默认为直井配置。该配置允许对所期望的地层进行短半径钻井。

本文描述了能够钻出超短半径的井的定向钻井系统。一旦被布置到所期望的井下位置，钻井马达被设计为在直线配置和弯曲配置之间可选择性地铰接。该设计能够允许使用井下马达几何结构进行定向钻井，当为弯曲配置时，所述井下马达几何结构的形状不能经过井眼的直线段。

在一些实施例中，上马达组件和下马达组件由弹性体元件连接在一起，所述弹性体元件能够在直线配置和弯曲配置之间弯曲。弹性体元件可以由纤维帘线或钢丝增强，以提供正确量的刚性，同时仍允许所期望的弯曲运动。在其他实施例中，上马达组件和下马达组件被机械地铰接，从而提供单轴线的运动。

活塞被容纳在上马达组件中，推杆将活塞连接至下马达组件。通过由有目的性地增加活塞两侧的压差而引起的动作，活塞通过推杆将力施加到下马达组件。于是，推杆从中心偏移。从而，当施加力时，下马达组件相对于上马达组件弯曲。

一个实施例涉及一种配置，在所述配置中，枢转的下马达组件是叶片式流体动力马达。这些马达通常具有高的功率-长度比，对于短半径钻井是理想的，特别是当动力段被配置于弯曲的井下时。叶片马达的高速、低转矩特性也非常适合于本应用。和大多数的井下马达一样，钻井流体可以是空气、气体、钻井泥浆或它们的组合。

常规的钢可能太硬而不能穿过由短半径钻井系统形成的小的井眼弯曲半径。在一个实施例中，诸如橡胶管或复合管的柔性导管用于连接至钻井组件。基于弯曲穿过小的弯曲半径同时保持足够的刚性以传递为保持钻井所用的足够的钻压所必需的向下的力的能力，来选择柔性导管材料。具有适合外径的柔性导管是期望的，从而避免钻井中施加向下的力时的螺旋锁止。高速、低扭矩马达需要较少的向下的力，从而允许使用短半径的导管。在一种配置中，数百英尺的柔性导管--在常规的钻井管或螺旋管的下方延伸—被用于输送短半径钻井系统。

尽管柔性导管可能适合于传递轴向推力或拉力，但是马达的反作用扭矩可能引起不可接受的扭转运动。如果没有固定恒定的工具面的能力，保持用于滑动钻井的取向将是棘手的。在一些实施例中，可以使用一个或多个抗扭矩装置来抵抗产生的钻井扭矩。抗扭矩装置可以被配置有一个或多个轴向装置，例如轴向叶片或辊，所述轴向装置可选择性地从壳体延伸，以与井眼壁接合。在钻井时，轴向装置允许相对自由的轴向向前的运动，但仍抵抗钻井组件的旋转扭矩。

与任何定向钻井的操作一样，测量数据和其他相关信息必须从井下传递给表面的操作。由于钻井组件的超短半径的能力，近钻头的测量是必须的，以得到导向井所必需的有意义的数据。在一种配置中，用于测量方位角的受磁性影响的传感器可以被设置于非金属柔性导管中，所述非金属柔性导管连接井底钻具组合的部件。倾斜传感器可以优选地位于下马达组件中。测量马达组件的弯曲角度和马达速度的附加传感器对于操作者会是有帮助的。

附图说明

下面参考附图对本公开的示例性实施例进行详细描述，所述附图以引用的方式并入本文。

图1A是根据一个示例性实施例的在预钻出的井中运行的井底钻具组合的示意性立视图，示出了一部分的剖面；

图1B是根据一个示例性实施例的图1A的井底钻具组合的示意性立视图，但井底钻具组合以弯曲配置离开预钻出的井，示出了一部分的剖面；

图1C是根据一个示例性实施例的图1B的井底钻具组合的示意性立视图，但井底钻具组合在离开预钻出的井后，以直线配置水平地钻井，示出了一部分的剖面；

图2是根据一个示例性实施例的为直线配置的井底钻具组合的示意性立视图，示出了一部分的剖面；

图3是根据一个示例性实施例的图2的井底钻具组合的示意性立视图，但是为铰接或弯曲配置，示出了一部分的剖面；

图4是根据一个示例性实施例的为直线配置的钻井马达组件的示意性立视图，示出了一部分的剖面；

图5是根据一个示例性实施例的图4的钻井马达组件的示意性立视图，但是为铰接或弯曲配置，示出了一部分的剖面；

图6A是根据一个示例性实施例的抗扭矩装置的示意性详细视图，其中扭矩锚叶片是缩回的，示出了一部分的剖面；

图6B是根据一个示例性实施例的图6A的抗扭矩装置沿线6B-6B的横截面视图，示出在其内的静止的充气元件，示出了一部分的剖面；

图7A是根据一个示例性实施例的抗扭矩装置的示意性详细视图，其中扭矩锚叶片是伸展的，示出了一部分的剖面；

图7B根据一个示例性实施例的图7A的抗扭矩装置的沿线7B-7B的横截面视图，示出在其内的膨胀的充气元件，示出了一部分的剖面；

图8A是根据一个示例性实施例的井下系统的示意性立视图，该井下系统用于钻出包括了具有短曲率半径的部分的井眼，但是井下系统为直线配置，示出了一部分的剖面；

图8B是根据一个示例性实施例的图8A的井下系统的示意性立视图，但该井下系统为弯曲配置，示出了一部分的剖面；

图8C是图8A的井下系统的示意性详细视图，示出为直线配置的钻井组件，示出了一部分的剖面；

图8D是图8B的井下系统的示意性详细视图，示出为弯曲配置的钻井组件，示出了一部分的剖面；

图8E是图8A的井下系统中所示的至少一个抗扭矩锚的示意性详细视图；

图8F是图8A的井下系统中所示的减震器的示意性详细视图，示出了一部分的剖面；和

图9是用于钻出包括了具有短曲率半径的部分的井眼的示意性方法的流程图。

上述附图仅是示例性的，它们的图示说明并不旨在承认或暗示对可以在其中实施不同实施例的环境、建筑、设计、配置、方法或过程的任何限制。

具体实施方式

在下面的对示例性实施例的详细描述中，参考了形成为该描述一部分的附图。充分详细地描述了这些实施例，使得本领域技术人员能够实施本发明，将理解的是，可以利用其他实施例并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出逻辑结构、机械、电学和化学上的变化。为了避免对于本领域技术人员能够实施本文所描述的实施例所不必要的细节，该描述可能省略本领域技术人员已知的某些信息。因此，以下详细的描述并不能被视为是限制性的，并且示例性实施例的范围仅由所附的权利要求限定。

在以下附图和描述中，整个说明书和附图中相同的元件通常用相同的标号或一致的数字标记。附图并不必须按比例绘制。示例性实施例的某些特征可以按比例放大的形式或以示意性的形式示出，为了清楚和简明，常规元件的一些细节没有示出。

除非另有说明，任何使用用于描述元件之间相互作用的术语“连接”、“接合”、“耦合”、“附接”或任何其他术语的任何形式并不意味着将相互作用限制为元件之间的直接的相互作用，还可以包括所描述的元件之间的间接的相互作用。在以下讨论和权利要求中，术语“包含”和“包括”是开放式的，从而应被解释为意味着“包括但不限于”。除非另有说明，“或者”在本文中使用时，不要求相互排他性。

现在参考附图，图1A描述了在预钻出的井9中运行的井底钻具组合10。钻头8位于略高于目标地层的位置，为钻井作准备。图1B描述了当开始钻短半径曲线时，钻井马达组件11以弯曲配置离开井眼9到地层7的上方。抗扭矩装置12被布置在钻井马达组件的朝井口的上部，以抵抗钻头8的反作用扭矩。图1C描述了水平钻井时的井底钻具组合10。钻井马达组件11被示出为直线配置。之前钻出的侧向的井眼6被示出是已经沿相反的方向钻出的。

图2描述了为直线工作模式的井底钻具组合10。为该配置时，井底钻具组合10可以容易地出入井9(图1)的直线段。这种配置也可以在井眼被设置在正确的轨道上时使用，不需要改变方位角或斜度。钻井马达组件11和抗扭矩装置12由柔性导管13连接。

图3描述了为铰接或弯曲配置的井底钻具组合10。这种配置也可以用于造斜和改变井眼的轨道。为该配置时，钻井马达组件11相对于井的之前钻出段弯曲，使得上马达组件15和下马达组件16相互成角度17。为了保持工具面(tool-face)沿恒定的方向取向，抗扭矩装置12被示出为处于激活位置，其中扭矩锚叶片18是伸展的。导管13的长度相对较短，以限制由钻井扭矩引起的“缠绕”量。

图4描述了为直线配置的钻井组件10。钻井流体通过柔性导管13到达，然后经过活塞孔19和柔性弯曲元件20，被传送到马达21。当以正常体积速率传送钻井流体时，滑动活塞24由弹簧加载球22和锁止球座23保持就位，此时经过活塞孔19的钻井流体的压差不足以克服该约束。

图5描述了为铰接或弯曲配置的钻井组件10。为了激活弯曲动作，钻井流体的传送速率被增加到某个速率点，使得经过活塞孔19的流体的压差足以使弹簧加载球22脱离锁止球座23。一旦脱离，流体压差引起活塞24向前滑动，从而通过致动器臂25向下马达组件16施加偏心力。该偏心力引起下马达组件16绕连接下马达组件16和上马达组件15的铰接轴点26枢转。

为弯曲配置时，井道被朝向弯曲方向重新定向。一旦井眼正确取向，钻井流体的传送速率减小回到正常水平。活塞孔19两侧的压差减小，弹簧27与柔性弯曲元件20的固有刚性结合，试图使上马达组件15和下马达组件16恢复为同轴地排列。

图6A描述了可以是在出井和入井的情况中的抗扭矩装置12的实施例，其中扭矩锚叶片18是缩回的。钻井流体经由柔性导管28被传送到抗扭矩装置12。在一个实施例中，充气元件29被容纳在抗扭矩装置12的外部本体中。充气元件29可以附接到一个或多个扭矩锚叶片18，使得当元件29泄气时，一个或多个叶片也缩回在抗扭矩装置12中。在另一个实施例中，弹簧力(未示出)可以作用于扭矩锚叶片18，从而正常保持扭矩锚叶片处于缩回位置。单个扭矩锚叶片18可以被取向为使得当伸展时，井底钻具组合的几何结构被进一步增强，用于超短半径钻井。可替代地，多个扭矩锚叶片18可以同心设置，以将抗扭矩装置12集中在井眼中。在任何一种配置中，可以使用多个经排列的短叶片来代替单个长叶片。多个短叶片可以提供与不规则井眼的更好的接触。

充气元件29的一端被紧固到钻井流体流经的心轴30。充气元件的另一端被附接到滑动套筒31，当充气时，所述滑动套筒31朝向该元件的固定端轴向收缩。充气压力口32位于抗扭矩装置12的上游。锁止机构(未示出)设置在紧固到充气元件29的滑动套筒31中，使得在滑动套筒脱离并且允许充气元件29膨胀之前，必须产生足够大的充气压力。这导致扭矩锚叶片18处于完全缩回位置或完全伸展位置。

图6B描述了位于井眼33中的抗扭矩装置12沿图6A的线6B-6B的横截面视图。如所示，充气元件29处于静止(实质上未充气)，扭矩锚叶片18大部分缩回在抗扭矩装置12的本体35中。

图7A描述了可以是在滑动钻井的情况中的抗扭矩装置12，其中扭矩锚叶片18是伸展的。当在钻井过程中使用柔性导管时，抗扭矩装置12是特别有用的。根据柔性导管的刚性，可以可选择性布置抗扭矩装置12，或者在马达钻井的任何时候，都可以布置抗扭矩装置12。在所布置的配置中，以一定的速率经过心轴30和其他下游限制的钻井流体在上游压力口32和井眼环形部之间产生压差，该环形部被流体连接至充气元件29的外壁。一旦压差足以使滑动套筒31脱离，使得滑动套筒31膨胀，扭矩锚叶片18则快速进入伸展位置。

图7B描述了抗扭矩装置12沿图7A的线7B-7B的横截面视图，其中充气元件29膨胀，扭矩锚叶片18处于伸展位置。扭矩锚叶片18被配置用以抵抗旋转扭矩而仍允许轴向运动。在一种配置中，刀刃37与井眼33的壁接触，从而允许向前的滑动而防止井底钻具组合的旋转。

现在主要参考图8A，示出了根据一个示例性实施例的井下系统800的示意性立视图，示出了一部分的剖面，所述井下系统800用于钻出包括了具有短曲率半径的部分的井眼。本文中所用的术语“短曲率半径”是指小于70英尺(21.3米)的曲率半径。井下系统800包括钻井组件802和至少一个抗扭矩锚804。钻井组件802被示出为铰接成直线配置，即不是铰接到弯曲位置。井下系统800还可以包括可选的减震器806，所述减震器806通常被设置在钻井组件802和至少一个抗扭矩锚804之间。采用减震器806，从而提供轴向运动缓冲；这使得当钻柱以离散增量推进时，钻头上有相对恒定的力。钻井组件802，至少一个抗扭矩锚804和可选的减震器806(当存在时)通过柔性元件808流体耦合。这种柔性元件808使得井下系统800在穿过井眼的具有短曲率半径的部分时能够铰接。柔性元件808的非限制性示例包括含有弹性材料或复合材料的管或管节段。其他类型的柔性元件808也是可能的。图8B示出了图8A的井下系统800，但钻井组件802被铰接成弯曲位置。角度810与弯曲位置有关，将参考图8D进一步描述角度810。

将理解的是，尽管图8A和图8B示出了仅具有钻井组件802、至少一个扭矩锚804、可选的减震器806的井下系统800，但是其他部件也是可能的。例如但不限制，井下系统800可以包括随钻测量(MWD)工具，所述随钻测量工具包括用于提供实时钻井信息的仪器(例如，加速度计、磁强计、伽玛传感器、钻压指示器、扭矩指示器、环空压力、铰接角度等)。随钻测量传感器可以位于钻井组件802和可选的减震器806之间，通常包括通过一个或多个柔性元件808耦合的流体。然而，通常，井下系统800可以包括其他所需的部件(例如，在形状、频率、位置等方面)以解决井眼的特性。这些部件是钻井组件802和至少一个抗扭矩锚804以外的附加部件。

现在主要参考图8C和图8D，示出了分别在图8A和图8B中所示出的钻井组件802的示意性详细立视图，示出了一部分的剖面。图8C对应于直线配置，而图8D对应于弯曲配置。钻井组件802具有前端812和后端814。钻井组件802包括具有第一纵向轴线818的马达816。钻井组件802的前端812被配置为将钻头820耦合至马达816。钻井组件802还包括具有第二纵向轴线824的管状壳体822。致动器826至少被部分设置在管状壳体822中，将马达816耦合至管状壳体822。致动器826被配置为在直线配置和弯曲配置之间可选择性地铰接，在所述直线配置中，马达816的第一纵向轴线818与管状壳体822的第二纵向轴线824实质上重合，在弯曲配置中，马达816的第一纵向轴线818与管状壳体822的第二纵向轴线824形成角度810。钻井组件802通常包括第一柔性导管828，该第一柔性导管828便于将马达816流体耦合至管状壳体822。柔性导管828容纳致动器826的不在管状壳体822中的至少一部分。

在一些实施例中，致动器826被配置为使得对应于弯曲配置的角度810是至少4度。在其他实施例中，角度810可以是4度至20度(包括这个范围内的任一数目)或甚至更大。弯曲配置使得钻井组件可以引导短曲率半径，例如，70英尺或更短的曲率半径。在一些实施例中，马达816是气动(例如，叶片式气动马达)。在这些实施例中，马达816可以是高速马达，例如，自由转动速度大于1000转每分钟的高速旋转马达。在一些实施例中，钻井组件802包括一个或多个传感器，用于监测马达816的性能。这些传感器可以包括对振动、RPM、钻井流体压力和钻井流体流速的测量。其他传感器也是可能的。在一些实施例中，诸如图8A-8F所示出的，马达816和致动器826均是气动的。在其他实施例中，马达816可以是液压驱动的，可以涉及使用钻井流体或钻井泥浆。在一些实施例中，致动器826是液压驱动的，可以涉及钻井流体或钻井泥浆(例如，参照图1-图5)。

现在主要参考图8A-图8D，致动器826包括活塞830，所述活塞830被设置在管状壳体822中并且可操作以沿第二纵向轴线824平动。致动器826可以包括第一联动件832和第二联动件834，所述第一联动件832将马达816耦合至管状壳体822，所述第二联动件834将马达816耦合至活塞830。第一联动件832为马达816提供固定枢转点835。可选地，柔性导管828可以单独作为第二联动件834的力的支点，消除对于第一联动件832的需要。在第二联动件834中，枢转点是动态的。在图8A-图8D中，示出了第一联动件832和第二联动件834使用诸如链接杆836、连接叉838和销钉840的元件。然而，该示出不用于限制。其他类型、频率和配置的元件也可以用于第一联动件832和第二联动件834。将理解的是，通常，活塞830、第一联动件832和第二联动件834被配置为允许致动器826在钻井组件802的直线位置和完全弯曲位置之间可选择性地铰接。在一些实施例中，活塞830、第一联动件832和第二联动件834被配置为使得对应于弯曲配置的角度810是至少4度。在一些实施例中，致动器826包括偏置元件842(例如，弹簧)，用于将活塞830朝向后端814、远离马达816预设置。在其他实施例中，柔性导管828提供必要的回复偏置力。

由于具有活塞830，致动器826通常包括位于管状壳体822内的第一腔室844和第二腔室846。第一腔室844和第二腔室846由活塞830隔开。在工作中，活塞830用于在沿活塞行程平动时动态地分隔第一腔室844和第二腔室846。该平动以牺牲第二腔室846的第二体积来改变第一腔室844的第一体积，反之亦然。活塞行程由第一位置和第二位置限定，在第一位置时，活塞830靠近后端814，在第二位置时，活塞830远离后端814。第一位置对应于直线位置(见图8C)，第二位置对应于完全弯曲位置(见图8D)。

在一个实施例中，致动器826还包括第一排放口848，所述第一排放口848从第一腔室844延伸到管状壳体822的外部。第一阀门850被设置在第一腔室844中，被流体耦合至第一排放口848。该流体耦合可以涉及多个管件或适配器。在一些实施例中，第一阀门850是常开的电气操作的电磁阀，由至表面的有线连接控制，或者经由其他装置远程控制。内壁854中的进入口或孔852可操作，以将第一腔室844流体耦合至第二柔性导管856。第二柔性导管856被耦合至钻井组件802的后端814，并且可操作以供应来自上游流体源的加压流体(例如，空气或钻井泥浆)。致动器826另外包括第二排放口858，所述第二排放口858从第二腔室846延伸到管状壳体822的外部。如下所述，第一排放口848、孔852和第二排放口858使得第一阀门850能够改变活塞830两侧的压差，从而使活塞830沿活塞行程平动。

第二阀门860被可选地设置在第一腔室844中，被耦合至至少经过活塞830的流体通路862。流体通路862与马达816流体连通。在一些实施例中，第二阀门860是减压阀，被配置为限制向井下传送到马达的钻井流体(例如，空气或钻井流体(钻井泥浆))的压力。在其他实施例中，第二阀门可以被配置为在上游压力足以第一次布置抗扭矩装置和限制钻井组件的旋转之前防止钻井流体流向马达。图8A-图8D示出了这些实施例中的一个示例，流体通路862可以包括柔性软管864、一系列管件866和横穿活塞830的通孔868。然而，这种示出并不用于限制。流体通路862可以由其他类型、数目和配置的元件限定。

柔性软管864将内壁854中的进入口870流体耦合至第二阀门860的入口。在工作中，当活塞830沿活塞行程平动时，柔性软管864弯曲以保持流体通路862的连续性。进入口870可操作以将加压流体从第二柔性导管856运送至柔性软管864中。第二阀门860的出口经由一系列管件866流体耦合至通孔868。由第一柔性导管828部分限定的第三腔室872可操作，以接收来自通孔868的流体并且将该流体运送到马达进入口874。第三腔室872与第二腔室846由分隔物876隔开，所述分隔物876包括通孔或通道878，以容纳活塞830的连接杆880。一个或多个密闭环882可以位于通道878中或位于连接杆880上，以限制泄漏。

在工作中，第二柔性导管856将加压流体经由进入口870和柔性软管864供应至第二阀门860。在一些实施例中，加压流体是大约为350psig的加压空气。第二阀门860处理加压流体，经过处理，将流体的供应压力降低至输送压力。然后，加压流体以输送压力离开第二阀门860，逐步横穿一系列管件866、通孔868和第三腔室872，到达马达进入口874。将理解的是，第二阀门860通常被本领域技术人员设定为产生与马达816所需的压力相匹配的输送压力。在一些实施例中，加压流体是空气，输送压力是大约90psig。马达816消耗在输送压力下的加压流体，从而使钻头820旋转(例如，气动地)。

钻井组件802的致动器826可以在直线配置或弯曲配置之间可选择性地铰接，所述弯曲配置包括一个角度，以适应短曲率半径。这种铰接通过触发第一阀门850实现，进而操作第一腔室844中的第一压力。当打开时，第一阀门850允许来自进入口或孔852的加压流体横穿第一腔室844，从第一排放口848排出。从而，第一压力大约等于外部压力。利用第二排放口858，第二腔室846中的第二压力也大约等于外部压力。因此，活塞830两侧的压差不足以阻止偏置元件842，活塞平动进入(或留在)第一位置。第一位置对应于直线配置(还是参见图3C)。

为了铰接弯曲位置，关闭第一阀门850。加压流体通过孔852进入第一腔室844，缓慢地增加作用于活塞830的第一压力。第一压力和第二压力之间的压差足以克服偏置元件842的阻挡。从而，活塞830然后平动进入(或留在)第二位置。第二位置对应于弯曲配置(还是参见图3D)。将理解的是，在工作中，供应加压流体的幅度通常比克服偏置元件842的阻挡所需的幅度高得多。这样的幅度可以提高钻井组件802可靠地进入(或留在)弯曲配置中的能力。通过周期性地循环打开和关闭第一阀门850，活塞830两侧的压差可以明显地变化至钻井流体的全压力。例如但不限制，当最初与井眼壁接合(即钻出具有短曲率半径的部分)时，第一腔室844的高压(例如，高于200psig)可以是有利的。

为了在第一位置和第二位置间移动，活塞830沿活塞行程平动。该平动使经由连接杆880耦合至活塞830的第二联动件834移位。第二联动件834的运动与被施加到马达816上的偏心点883的力同时发生。作为响应，马达816围绕第一联动件832的固定枢转点835枢转。该枢转生成第一纵向轴线818和第二纵向轴线824之间的角度810。

现在主要参考图8E，示出了图8A中所示出的至少一个抗扭矩锚804的示意性详细视图。该至少一个抗扭矩锚804被流体耦合至钻井组件802的后端814并且被配置为与井眼壁接合，使得当在井下布置至少一个抗扭矩锚804时，钻井组件802的旋转运动实质上是受限的而纵向(轴向)运动实质上是允许的。该至少一个抗扭矩锚804在特征和操作方面可以类似于图6A-图6B和图7A-图7B中所述的抗扭矩装置12。

在一些实施例中，该至少一个抗扭矩锚804包括具有第三纵向轴线886的管状套管884和至少一个细长孔888。至少一个细长孔888实质上平行于第三纵向轴线886排列。在这些实施例中，该至少一个抗扭矩锚804还包括设置在管状套管884中的至少一个叶片元件890(或其他轴向装置，诸如，辊)。该至少一个叶片元件890在伸展位置和缩回位置之间可移动，在伸展位置时，该至少一个叶片元件890通过至少一个细长孔888从管状套管884中突出，在缩回位置时，该至少一个叶片元件890不会从管状套管884中突出或至少缩回以脱离井眼壁。该至少一个抗扭矩锚804另外包括设置在管状套管884中的充气元件892。充气元件892在膨胀状态和非膨胀状态之间可加压。而且，充气元件892相对于该至少一个叶片元件890定位，使得当在膨胀状态时，该至少一个叶片元件890位于伸展位置，当在未膨胀状态时，该至少一个叶片元件890位于缩回位置。充气元件892的一部分可以耦合至该至少一个叶片元件890。在一些实施例中，第二柔性导管856将该至少一个抗扭矩锚804直接流体耦合至马达组件802的后端814(即，可选的减震器806和相应的上游柔性元件808不存在)。

现在主要参考图8F，示出了图8A和图8B中所示的可选的减震器806的示意性详细视图。可选的减震器806具有入口894和出口896。入口894通过使用第三柔性导管898流体耦合至该至少一个抗扭矩锚804。出口896通过使用第四柔性导管899流体耦合至钻井组件802的后端814。当井下系统800中存在可选的减震器806时，第四柔性导管899代替第二柔性导管856。入口894和出口896允许加压流体横穿减震器806，向下游流动至钻井组件802。可选的减震器806可操作以降低在钻出井眼的过程中产生的影响和变化。减震器806还提供了轴向运动缓冲，使得当钻柱以离散的增量推进时，钻头上的力是相对恒定的。从而，当存在时，可选的减震器806使得钻压或钻头820上的力实质上是恒定的。

现在主要参考图9，示出了一种用于钻出包括了具有短曲率半径的部分的井眼的示例性方法900的流程图。方法900包括在井眼中运行钻柱的步骤902。钻柱包括钻井组件和至少一个抗扭矩锚，钻井组件具有马达和钻头。钻井组件具有前端和后端。方法900还包括使钻井流体开始流动和使马达和钻井组件的钻头开始旋转的步骤904，钻井流体将至少一个抗扭矩锚接合在井眼壁上。当井眼壁与叶片或辊接合时，该至少一个抗扭矩锚实质上限制钻井组件的旋转运动而允许纵向(轴向)运动。然后在询问框906中做出决定，该决定是关于是否造斜，或换句话说，钻井组件是否应该倾斜或铰接，使得前端相对于后端成角度，以形成弯曲的配置，如果是，方法900继续进行到步骤908，如果不是，则方法900进行到步骤910。

在步骤908，钻井组件中的致动器被触发，以可选择性地使前端相对于后端倾斜，形成弯曲配置。这通过使用之前所述的任何示例性实施例完成。在一些实施例中，前端倾斜至少7度(诸如4度至20度的其他角度也是可以的)以实现弯曲配置--如上所述的其他角度也是可以的。在步骤910，向井下推进组件，允许钻头切割井眼。在步骤912，对井进行测量或评定，得到的数据可以用于询问914以确定钻井是否完成。如果是，该方法在916停止，如果不是，处理流程继续返回到询问框906。

在一些实施例中，方法900还包括将加压的流体通过钻柱供应至马达的步骤和用减震器抑制流体压力的变化以产生实质上恒定的钻压的步骤。在这些实施例中，减震器沿钻柱位于钻井组件和至少一个抗扭矩锚之间。

在一些实施例中，触发钻井组件中的致动器的步骤包括改变活塞两侧的压差，以使活塞沿活塞行程平动的步骤。在一些实施例中，触发钻井组件中的致动器的步骤包括改变活塞两侧的压差，以使活塞沿活塞行程平动的步骤和当改变时，使联动件移动，从而将力传递到驱动组件的前端的步骤。在这些实施例中，联动件将活塞耦合至马达上的偏心点。

在一些实施例中，启动马达的步骤包括将加压空气供应至马达。

在一些实施例中，触发钻井组件中的致动器的步骤包括改变活塞两侧的气压差，以使活塞沿活塞行程平动。在这些实施例中，启动马达的步骤包括将加压空气供应至马达。在另一些实施例中，通过一个端口排出活塞附近的气体来改变气压差。在这些实施例中，该端口与钻井组件的外部流体连通并且通过阀门可选择性地可关闭。

在一些实施例中，井下系统包括钻井组件，所述钻井组件具有致动器，所述致动器类似于之前提出的那些致动器，但配置为铰接在直线配置和完全弯曲位置之间，但也可以是在那两个端点之间的任意角度位置。

根据示例性实施例，一种用于钻出井眼的方法包括在井眼中运行钻柱，所述钻柱包括钻井组件和至少一个抗扭矩锚，钻井组件具有前端和后端。所述方法还包括将井眼壁与至少一个抗扭矩装置接合，启动与前端相关联的高速马达，以使钻头旋转。该至少一个抗扭矩锚在与井眼壁接合时，实质上限制钻井组件的旋转运动而实质上允许纵向运动。

虽然在某些示例性、非限制性实施例的的情况下公开了本发明和本发明的优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以做出多种修改、替换、置换和改变。将理解，结合任一个实施例所描述的任何特征还可以应用于任何其他实施例。

将理解，上述的益处和优点可以涉及一个实施例或几个实施例。将进一步理解，所指的“一个”对象是指那些对象中的一个或多个。

在本文中所描述的方法的步骤可以任何适合的顺序进行或在适当的情况下同时进行。在适当的情况下，上述任何示例的方面可以与所述的任何的其他实施例相结合形成更多的示例，这些示例具有可对比的或不同的特征并且解决相同或不同的问题。

将理解，仅通过示例，给出了实施例的以上描述，并且本领域技术人员可以做出多种改变。上述说明、示例和数据提供了本发明的示例性实施例的结构和应用的完整描述。虽然以上已就某一具体程度或参考一个或多个单独的实施例描述了本发明的各种实施例，但是本领域技术人员在不脱离权利要求的范围的情况下可以对所公开的实施例作出多种改变。

Claims (20)

1.一种井下系统，用于钻出包括了具有小于21.3米的短曲率半径的部分的井眼，所述井下系统包括：

具有前端和后端的钻井组件，所述钻井组件包括：

具有第一纵向轴线的高速马达，其中所述高速马达的自由转动速度大于1000转/分钟，

具有第二纵向轴线的管状壳体，

至少被部分设置在所述管状壳体中的致动器，所述致动器将所述马达耦合至所述管状壳体，并且

其中所述致动器被配置为在直线配置和弯曲配置之间可选择性地铰接，在所述直线配置中，所述马达的第一纵向轴线与所述管状壳体的第二纵向轴线实质上重合，在所述弯曲配置中，所述马达的第一纵向轴线与所述管状壳体的第二纵向轴线形成角度，其中在所述弯曲配置中，所述角度是至少4度；

将所述马达流体耦合至所述管状壳体的第一柔性导管；

被流体耦合至所述钻井组件的后端的至少一个抗扭矩锚，所述至少一个抗扭矩锚被配置为与井眼壁接合，使得当所述至少一个抗扭矩锚被布置在井下时，所述钻井组件的旋转运动实质上是受限的而纵向运动实质上是允许的；并且

其中所述钻井组件的前端包括被耦合至所述马达的钻头。

2.根据权利要求1所述的井下系统，其中所述致动器被配置为使得对应于所述弯曲配置的角度是至少6度。

3.根据权利要求1所述的井下系统，其中所述第一柔性导管容纳所述致动器的至少一部分。

4.根据权利要求1所述的井下系统，其中所述马达是气动的。

5.根据权利要求1所述的井下系统，其中所述马达和所述致动器是气动的。

6.根据权利要求1所述的井下系统，其中所述致动器包括：

活塞，其被设置在所述管状壳体中并且可操作以沿所述第二纵向轴线平动；

第一联动件，其将所述马达耦合至所述管状壳体；和

第二联动件，其将所述马达耦合至所述活塞。

7.根据权利要求6所述的井下系统，还包括偏置元件，以将所述活塞朝向所述后端预设置。

8.根据权利要求6所述的井下系统，其中所述致动器还包括：

在所述管状壳体中的第一腔室和第二腔室，所述第一腔室和所述第二腔室由所述活塞隔开；

从所述第一腔室延伸至所述管状壳体的外部的第一排放口；

从所述第二腔室延伸至所述管状壳体的外部的第二排放口；

第一阀门，其被设置在所述第一腔室中并且被流体耦合至第一排放口；

第二阀门，其被设置在所述第一腔室中并且被耦合至至少经过所述活塞的流体通路，所述流体通路与所述马达流体连通。

9.根据权利要求1所述的井下系统，其中所述至少一个抗扭矩锚包括：

管状套管，其具有第三纵向轴线和至少一个细长孔，所述至少一个细长孔实质上平行于所述第三纵向轴线排列；

被设置在所述管状套管中的至少一个叶片元件，所述至少一个叶片元件在伸展位置和缩回位置间可移动，在所述伸展位置，所述至少一个叶片元件通过所述至少一个细长孔从所述管状套管突出，在所述缩回位置，所述至少一个叶片元件不会从所述管状套管突出；和

被设置在所述管状套管中的充气元件，所述充气元件在膨胀状态和未膨胀状态之间可加压，所述充气元件相对于所述至少一个叶片元件被定位，使得在膨胀状态，所述至少一个叶片元件处于所述伸展位置，在未膨胀状态，所述至少一个叶片元件处于所述缩回位置。

10.根据权利要求1所述的井下系统，还包括第二柔性导管，所述第二柔性导管将所述至少一个抗扭矩锚流体耦合至所述钻井组件的后端。

11.根据权利要求1所述的井下系统，还包括：

具有入口和出口的减震器；

其中所述入口通过使用第三柔性导管流体被耦合至所述至少一个抗扭矩锚；并且

所述出口通过使用第四柔性导管流体被耦合至所述钻井组件的后端。

12.一种用于钻出包括了具有短曲率半径的部分的井眼的方法，所述短曲率半径小于21.3米，所述方法包括：

在所述井眼中运行钻柱，所述钻柱包括钻井组件和至少一个抗扭矩锚，所述钻井组件具有前端和后端；

将井眼壁与所述至少一个抗扭矩锚接合；

触发设置在所述钻井组件中的致动器，以可选择性地使所述前端相对于所述后端倾斜，从而形成弯曲配置；

当处于所述弯曲配置时，启动与所述前端关联的高速马达以使钻头旋转；并且

其中所述至少一个抗扭矩锚在与所述井眼壁接合时，实质上约束所述钻井组件的旋转运动而实质上允许纵向运动。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述前端倾斜至少4度以实现所述弯曲配置。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括：

将加压的流体通过所述钻柱供应至所述高速马达；

用减震器抑制流体压力的变化，以产生实质上恒定的钻压；并且

其中所述减震器沿所述钻柱被定位在所述钻井组件和所述至少一个抗扭矩锚之间。

15.根据权利要求12所述的方法，其中触发所述钻井组件中的所述致动器的步骤包括改变活塞两侧的压差，以使所述活塞沿活塞行程平动。

16.根据权利要求12所述的方法，其中触发所述钻井组件中的所述致动器的步骤包括：

改变所述活塞两侧的压差，以使所述活塞沿活塞行程平动；

使用所述活塞的运动来将力传递到所述钻井组件的前端；和

其中联动件将所述活塞耦合至所述马达上的偏心点。

17.根据权利要求12所述的方法，其中启动所述马达的步骤包括将加压空气供应至所述马达。

18.根据权利要求12所述的方法，其中触发所述钻井组件中的所述致动器的步骤包括改变所述活塞两侧的气压差，以使所述活塞沿活塞行程平动；并且

其中启动所述马达的步骤包括将加压空气供应至所述马达。

19.根据权利要求18所述的方法，其中将所述活塞附近的空气通过端口排放出来以改变气压差，所述端口与所述钻井组件的外部流体连通，并且由阀门可选择性地可关闭。

20.一种用于钻出井眼的方法，包括：

在所述井眼中运行钻柱，所述钻柱包括钻井组件和至少一个抗扭矩锚，所述钻井组件具有前端和后端；

将井眼壁与所述至少一个抗扭矩锚接合；

启动与所述前端相关联的高速马达，以使钻头旋转；并且

其中所述至少一个抗扭矩锚在与所述井眼壁接合时，实质上约束所述钻井组件的旋转运动而实质上允许纵向运动。