CN107466334A - 用于钻探定向井的自动调节定向钻探设备和方法 - Google Patents

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Abstract

在一个非限制性实施方案中公开的一种用于钻探井筒的曲线段和直线段的设备包括钻探组件，所述钻探组件被构造成在其一端处包括可通过所述钻探组件中的驱动器并且通过所述钻探组件的旋转而旋转的钻头，并且其中所述钻探组件包括：偏转装置，所述偏转装置(i)当所述钻探组件基本上旋转固定以允许通过由所述驱动器而使所述钻头旋转来钻探所述井筒的曲线段时，使所述钻探组件的一段在所选择的平面内倾斜；以及(ii)当所述钻探组件旋转以允许钻探所述井筒的直线段时矫直所述钻探组件的所述段。

Description

用于钻探定向井的自动调节定向钻探设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年3月24日提交的美国申请号14/667026的权益，所述申请以引用的方式整体并入本文。
背景技术
1.公开领域
本公开总体上涉及钻探定向井筒。
2.技术背景
使用钻柱在地下地层中钻探井筒或井(又称为钻孔)以用于烃(油气)的生产，所述钻柱包括附接到钻杆底部的钻探组件(通常称为“井底组件”或“BHA”)。附接到钻探组件的底部的钻头通过从地面旋转钻柱和/或通过驱动器(诸如钻探组件中的泥浆马达)来旋转。钻探井筒的曲线段和直线段(定向钻探)的常见方法使用固定弯曲AKO泥浆马达来向钻头提供所选择的弯曲以形成井的曲线段。为了钻探曲线段，停止从地面的钻柱旋转，AKO的弯曲被定向成所希望的造斜方向并且钻头通过泥浆马达来旋转。一旦曲线段完成，包括弯曲的钻探组件从地面旋转以钻探直线段。此类方法产生不均匀的钻孔。钻孔品质随着弯曲增加而下降，从而引起像钻孔盘旋的影响。其他归因于弯曲组件旋转的负面钻孔品质影响包括钻探超过规定尺寸的钻孔、钻孔崩落和重量转移。此类设备和方法与不具有AKO的钻探组件相比还在泥浆马达部件上诱导高应力和振动，并且由于随着钻探组件旋转而接触钻孔的弯曲在钻探组件与钻孔之间形成高摩擦。因此，通过减小AKO弯曲角度来减小最大造斜率(build rate)以减小钻探组件中的泥浆马达和其他部件上的应力。此类方法导致额外钻探井筒的时间并且因此可驱使花费更高。因此，希望提供用于在钻探组件弯曲的情况下钻探曲线井筒段并且在钻探组件没有弯曲的情况下钻探直线段以减小钻探组件部件上的应力的钻探组件和方法。
本公开提供用于钻探井筒的设备和方法，其中钻探组件包括偏转装置，所述偏转装置自动调节以提供用于钻探曲线段所希望的倾斜并且在钻探组件旋转用于钻探直线井筒段时自己矫直。
发明概要
一方面，在一个非限制性实施方案中公开的用于钻探井筒的曲线段和直线段的设备包括钻探组件，所述钻探组件被构造成在其一端处包括可通过钻探组件中的驱动器并且通过从地面位置旋转钻探组件而旋转的钻头，其中钻探组件包括偏转装置，所述偏转装置(i)当钻探组件基本上固定以允许通过由驱动器而使钻头旋转来钻探井筒的曲线段时，使钻探组件的一段相对于所选择的轴线或在所选择的平面内倾斜；以及(ii)当钻探组件旋转以允许钻探井筒的直线段时矫直下段。
另一方面，在一个非限制性实施方案中公开的钻探井筒的方法包括：将钻探组件输送到井筒中，所述钻探组件包括：驱动器，所述驱动器用于使钻头旋转；偏转装置，所述偏转装置当钻探组件基本上固定时使钻探组件相对于所选择的轴线或在所选择的平面内倾斜并且当钻探组件旋转时矫直钻探组件；维持钻探组件基本上固定以使得钻探组件能够接纳倾斜；在钻头上施加重量；以及通过驱动器旋转钻头以钻探井筒的曲线段
已相当广泛地概括钻探装置的更重要特征的实例，以便可更好地理解其随后的详述，并且以便可了解对本领域的贡献。存在下文将描述并且将构成权利要求的主题的另外特征。
附图简述
为了详细理解本文公开的设备和方法，应该参考其附图和详述，其中相同元件通常给定为相同数字，并且其中：
图1示出根据本公开的一个非限制性实施方案的井筒曲线段中的钻探组件，所述钻探组件包括用于钻探井筒的曲线段和直线段的偏转装置或机构；
图2示出当钻探组件的下段倾斜时图1的钻探组件的偏转装置；
图3示出当钻探组件的下段笔直时图1的钻探组件的偏转装置；
图4示出偏转装置的非限制性实施方案，所述偏转装置包括发起钻探组件诸如图1所示的钻探组件中的倾斜的施力装置；
图5示出液压偏转装置的另一个非限制性实施方案，所述液压偏转装置发起钻探组件诸如图1所示的钻探组件中的倾斜；并且
图6A和图6B示出减小或控制钻探组件的倾斜率的阻尼器诸如图2-5所示的阻尼器的某些细节。
附图详述
在多个方面，本公开提供包括偏转装置的钻探组件或BHA，所述偏转装置发起倾斜以使得能够钻探井筒的曲线段并且自己矫直以使得能够钻探井筒的直线(垂线和切线)段。这样一种钻探组件防止或减少钻孔盘旋，在钻探直线段期间减小钻探组件与井筒之间的摩擦，减小钻探组件的部件诸如井底驱动器(诸如泥浆马达)上的应力，而且允许简单定位钻探组件以用于定向钻探。这样一种钻探组件允许当钻探组件旋转时在钻探组件没有弯曲的情况下钻探直线段，并且允许当钻探组件固定(未旋转)同时钻头用井底驱动器来旋转时钻探曲线段。在多个方面，这样的钻探通过以下方式来实现：当钻柱并且因此钻探组件固定(未旋转)时使用自动调节铰接接头形成钻探组件中的倾斜，并且当钻探组件旋转时使用阻尼器来维持钻探组件笔直。在其他方面，当钻探组件未旋转时，可使用施力装置诸如弹簧或液压装置通过将力施加到铰链方向中来发起倾斜。
图1示出井筒101的曲线段中的钻探组件100。在非限制性实施方案中，钻探组件100包括用于钻探井筒101的曲线段和直线段的偏转装置(本文又称为柔性装置或偏转机构)120。钻探组件100还包括井底驱动器或驱动器，诸如具有定子141和转子142的泥浆马达140。转子142被耦合到传动装置诸如柔性轴143，所述柔性轴143被耦合到设置在轴承组件145中的另一个轴146。轴146被耦合到钻头147。钻探组件100还包括钻头147，所述钻头147在钻探操作期间当泥浆马达140的转子142旋转时由于钻探液诸如泥浆的循环而旋转。钻探组件100被连接到钻杆148，所述钻杆148从地面旋转以使钻探组件100并且因此钻头147旋转。在图1所示的具体钻探组件构造中，钻头147可通过使钻杆148并且因此钻探组件100和/或泥浆马达140旋转来旋转。当流体通过钻探组件100循环时，转子142使钻头147旋转。钻探组件100还包括偏转装置120。虽然在图1中偏转装置120示出在泥浆马达140(驱动器)下方并且耦合到下段，诸如设置在轴承段145上方的外壳或管状物160，但是偏转装置120还可位于驱动器140上方。在本文公开的偏转装置120的各种实施方案中，外壳160沿着所选择的平面倾斜所选择的量以使钻头147沿着所选择的平面倾斜，从而允许钻探曲线钻孔段。如后面参考图2-6所述，当钻探组件120固定(未旋转)或基本上旋转固定时，发起倾斜。然后通过由泥浆马达140在不使钻探组件120旋转的情况下使钻头旋转来钻探曲线段。当钻探组件旋转时，下段160矫直，这允许钻探直线井筒段。因此，在多个方面，当钻杆148并且因此钻探组件基本上旋转固定并且通过驱动器140来旋转钻头147时，偏转装置120提供钻探组件100中的允许钻探曲线段的所选择的倾斜。然而，当钻探组件100诸如通过从地面旋转钻杆148来旋转时，倾斜矫直并且允许钻探直线钻孔段，如参考图2-6更详细地描述。在一个实施方案中，稳定器150被提供在柔性装置120下方(柔性装置120与钻头147之间)，其发起偏转装置120中的弯曲力矩并且还当钻探组件100未旋转时维持倾斜并在钻探曲线钻孔段期间在钻头上施加重量。在另一个实施方案中，除了发起偏转装置120中的弯曲力矩并且在钻探曲线钻孔段期间维持倾斜的稳定器150以外或在没有所述稳定器150的情况下，稳定器152可被提供在偏转装置120上方。在其他实施方案中，多于一个稳定器可被提供在偏转装置120上方和/或下方。可进行建模以确定用于最佳操作的稳定器的位置和数量。
图2示出用于钻探组件诸如图1所示的钻探组件100中的偏转装置120的非限制性实施方案。参考图1和图2，在一个非限制性实施方案中，偏转装置120包括枢轴构件，诸如具有垂直于钻探组件100的纵向轴线214的轴线212的销钉210，围绕所述枢轴构件，钻探组件100的下段290的外壳270相对于围绕由轴线212限定的平面的传动装置143倾斜或偏斜所选择的量。外壳270在直端止动件282与斜端止动件280之间倾斜，从而限定最大倾斜。当下段290的外壳270在相反方向上倾斜时，直端止动件282限定钻探组件100的直线位置，其中倾斜为零。在这样一个实施方案中，外壳270仅沿着特定平面或径向方向倾斜。一个或多个密封件(诸如密封件284)被提供在外壳270内部与钻探组件100的另一个构件之间以通过外部环境(诸如钻探液)将外壳270的内段密封在密封件284下方。
仍然参考图1和图2，当在钻头147上施加重量同时钻杆148基本上旋转固定时，将围绕销钉210的销钉轴线212发起外壳270的倾斜。柔性装置120下方的稳定器150发起偏转装置120中的弯曲力矩，而且还当钻杆148并且因此钻探组件120基本上旋转固定(未旋转)时维持倾斜并在钻探曲线钻孔段期间在钻头147上施加重量。类似地，除了稳定器150以外或在没有所述稳定器150的情况下，稳定器152也发起偏转装置120中的弯曲力矩并且在钻探曲线钻孔段期间维持倾斜。在一个非限制性实施方案中，阻尼装置或阻尼器240可被提供以减小或控制当钻探组件100旋转时倾斜增加速率。在一个非限制性实施方案中，阻尼器240可包括活塞260和通过管线260a与活塞260流体连通的补偿器250以减小或控制倾斜速率。在外壳270上施加力F1将引起外壳270并且因此下段290围绕销钉轴线212倾斜。在外壳270上施加与力F1方向相反的力F1’引起外壳270并且因此钻探组件100矫直。阻尼器还可用于在钻探组件100从地面旋转期间使外壳270的矫直位置稳定。参考图6A和图6B更详细地描述阻尼装置240的操作。然而，可使用任何其他合适的装置来减小或控制围绕销钉210的钻探组件100弯曲速率。
现在参见图1-3，当钻杆148基本上旋转固定(未旋转)并且在钻头147上施加重量时，偏转装置将围绕枢轴轴线212在枢轴210处发起钻探组件100的倾斜。通过井底驱动器140进行的钻头147旋转将引起钻头147发起对曲线段的钻探。随着钻探继续，施加在钻头147上的连续重量将持续使倾斜增加，直到倾斜达到由斜端止动件280限定的最大值。因此，一方面，曲线段可通过将枢轴210包括在钻探组件100中使用由斜端止动件280限定的倾斜来钻探。如果如图2所示阻尼装置240被包括在钻探组件100中，钻探组件100围绕枢轴210倾斜将引起区段290中的外壳270在活塞260上施加力F1，从而引起流体261(诸如油)通过导管或通路260a从活塞260转移到补偿器250。可限制流体261从活塞260到补偿器250的流动以减小或控制倾斜增加速率并且避免下段290突然倾斜，如参考图6A和图6B更详细地描述。在图1和图2的具体图示中，钻头147将向上钻探曲线段。为了在钻探曲线段之后钻探直线段，钻探组件100可旋转180度以消除倾斜，然后再从地面旋转以钻探直线段。然而，当基于稳定器150和/或152的位置和井通路旋转钻探组件100时，井筒中的弯曲力作用在外壳270上并且施加与力F1方向相反方向的力，从而使外壳270并且因此钻探组件100矫直，这允许流体161从补偿器250流动到活塞260，引起活塞向外移动。可不限制这种流体流动，这允许外壳270并且因此下段290快速矫直(没有明显延迟)。活塞260的向外移动可通过定位与活塞260或补偿器250力连通的弹簧来支持。直端止动件282限制构件270的移动，从而引起只要钻探组件100被旋转，下段290保持笔直。因此，图1和图2所示的钻探组件100的实施方案提供当钻探组件120固定(未旋转)或基本上固定时自动发起倾斜并且当钻探组件100旋转时自我矫直。虽然图1所示的井底驱动器140被示为泥浆马达，但是可使用任何其他合适的驱动器来使钻头147旋转。图3示出处于直线位置的钻探组件100，其中外壳270靠在直端止动件282之上。
图4示出偏转装置420的另一个非限制性实施方案，所述偏转装置包括施力装置诸如弹簧450，其在下段290的外壳270上持续施加径向向外的力F2以向下段290提供或发起倾斜。在一个实施方案中，弹簧450可放置在外壳270内部与传动装置143外部的外壳470之间。在这个实施方案中，弹簧450引起外壳270围绕枢轴210径向向外倾斜高达至由斜端止动件280限定的最大弯曲。当钻探组件100固定(未旋转)或基本上旋转固定时，在钻头147上施加重量并且通过井底驱动器140使钻头旋转，钻头147将发起对曲线段的钻探。随着钻探继续，倾斜增加至其由斜端止动件280限定的最大水平。为了钻探直线段，从地面旋转钻探组件100，这引起钻孔在外壳270上施加力F3，从而压缩弹簧450以使钻探组件100矫直。当通过施加力F3来压缩弹簧450时，外壳270使活塞260上的压力解除，这允许流体261从补偿器250流回到活塞260而没有如参考图6A和图6B更详细地描述的明显延迟。
图5示出发起钻探组件100中的所选择的倾斜的液压施力装置540的非限制性实施方案。在一个非限制性实施方案中，装置540包括活塞560和补偿装置或补偿器550。钻探组件100还可包括阻尼装置或阻尼器，诸如图2所示的阻尼器240。阻尼装置240包括图2所示并且参考图2所述的活塞260和补偿器250。装置540可被放置成与装置240成180度。活塞560和补偿器550彼此液压连通。在钻探期间，流体512a(诸如钻探泥浆)在压力下流过钻探组件100，并且通过钻探组件100与井筒之间的环形物返回到地面，如由流体512b所示。钻探组件100中流体512a的压力P1比环形物中流体512b的压力P2大(通常20-50巴)。当流体512a流过钻探组件100时，压力P1作用在补偿器550上并且对应地作用在活塞560上，同时压力P2作用在补偿器250上并且对应地作用在活塞260上。大于压力P2的压力P1在活塞560上形成压差(P1–P2)，所述压差足以引起活塞560径向向外移动，这使外壳270向外推动以发起倾斜。如参考图6A和图6B更详细地描述，限制器562可被提供在补偿器550中以减小或控制倾斜速率。因此，当钻杆148基本上旋转固定(未旋转)时，活塞560通过限制器562缓慢渗出液压流体561直到达到完全的倾斜角度。可选择限制器562以形成高流动阻力从而防止快速的活塞移动，这可在钻探组件的工具面波动期间存在以使倾斜稳定。压差活塞力通常在泥浆循环期间存在，并且限制器562限制倾斜速率。当钻探组件100旋转时，外壳270上的弯曲力矩迫使活塞560缩回，这使钻探组件100矫直，并且然后只要钻探组件100旋转，维持其笔直。阻尼装置240的阻尼速率可被设定成高于装置540速率的值，以便在钻探组件100旋转期间使矫直的位置稳定。
图6A和图6B示出阻尼装置600的某些细节，所述阻尼装置600与图2、图4和图5中的装置240相同。参考图2与图6A和图6B，当外壳270在活塞660上施加力F1时，其将液压流体(诸如油)从与活塞660相关的室662移动到与补偿器620相关的室652，如箭头610所示。限制器611限制流体从室662至室652的流动，这增加活塞660与限制器611之间的压力，从而限制或控制倾斜速率。随着液压流体持续流过限制器611，倾斜继续增加至由图2所示并且参考图2所述的斜端止动件280限定的最大水平。因此，限制器611限定倾斜增加速率。参考图6B，当如箭头F4所示，力F1从外壳270中释放时，补偿器620上的力F5使流体通过止回阀612绕过限制器611从室652移动回到活塞660的室662，这使外壳270能够移动到其直线位置而没有明显延迟。卸压阀613可被提供为安全特征件以避免超过液压元件设计规格的过度压力。
因此，在多个方面，本文所述的钻探组件包括偏转装置，所述偏转装置：(1)当钻探组件未旋转并且钻头通过井底驱动器(诸如泥浆马达)来旋转时，提供倾斜以允许钻探曲线或铰接钻孔段；并且(2)当钻探组件被旋转成允许钻探直线钻孔段时倾斜自动矫直。在一个非限制性实施方案中，机械施力装置可被提供成发起倾斜。在另一个非限制性实施方案中，液压装置可被提供成发起倾斜。阻尼装置可被提供成当钻探组件旋转时帮助维持倾斜笔直。阻尼装置还可被提供成当快速的力施加到倾斜上时(诸如在工具面波动期间)支持钻探组件的铰接位置。另外地，限制器可被提供成减小或控制倾斜速率。因此，在各种方面，当钻探组件未旋转时，钻探组件自动铰接成倾斜或铰链位置，并且当钻探组件旋转时自动实现直线或基本上直线的位置。出于本公开的目的，基本上旋转固定通常意指钻探组件不通过从地面旋转钻柱148来旋转。短语“基本上旋转固定”和术语固定被认为是等同的。而且，“直线”段旨在包括“基本上直线”段。
前述公开涉及某些示例性实施方案和方法。各种修改对本领域那些技术人员来说应是明显的。旨在所附权利要求书的范围内的所有此类修改由前述公开涵盖。权利要求中所使用的词语“包括(comprising)”和“包括(comprises)”应解释为意指“包括但不限于”。

Claims (15)

1.一种用于使用钻探组件钻探井筒的设备，所述钻探组件具有耦合到钻头的下段，其中当所述钻探组件旋转时，所述钻头通过所述钻探组件中的驱动器来旋转，其中所述钻探组件的特征在于：
偏转装置，所述偏转装置当所述钻探组件基本上旋转固定时，使所述钻探组件的所述下段和所述钻头在所选择的平面内倾斜以钻探所述井筒的曲线段；并且其中
当所述钻探组件旋转以钻探比所述曲线段更直的所述井筒段时减小所述倾斜。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述偏转装置的进一步特征在于将所述倾斜限制到所选择的角度的端部止动件。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中所述钻探组件的所述下段在所述所选择的平面内围绕枢轴连接件倾斜。
4.如权利要求1至3中任一项所述的设备，其中所述偏转装置的进一步特征在于用于形成所述倾斜的施力装置。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述施力装置选自由以下组成的组：(i)在所述下段上施加力的弹簧；以及(ii)响应于压差在所述下段上施加力的液压装置。
6.如权利要求1至4中任一项所述的设备，其中所述偏转装置具有偏离所述钻探组件的纵向轴线定位的枢轴轴线以当轴向负荷施加在所述偏转装置上时发起所述倾斜。
7.如权利要求1至4中任一项所述的设备，其中所述偏转装置的进一步特征在于减小所述倾斜速率的阻尼器。
8.如权利要求7所述的设备，其中当所述钻探组件基本上旋转固定时，所述阻尼器减小所述倾斜的变化。
9.一种钻探井筒的方法，其特征在于：
输送在其端部处具有钻头的钻探组件，其中所述钻探组件包括：驱动器，所述驱动器使所述钻头旋转；偏转装置，所述偏转装置当所述钻探组件基本上旋转固定时使耦合到所述钻头的所述钻探组件的下段在所选择的平面内倾斜并且当所述钻探组件旋转时从所述倾斜矫直所述段；
维持所述钻探组件基本上旋转固定以使得所述钻探组件的所述下段能够倾斜；以及
在所述钻头上施加重量同时通过所述驱动器使所述钻头旋转以钻探所述井筒的曲线段。
10.如权利要求9所述的方法，其进一步特征在于：使所述钻探组件旋转以减小所述倾斜并且通过使所述钻探组件旋转并在所述钻头上施加重量来钻探比所述曲线段更直的所述井筒段。
11.如权利要求9或10所述的方法，其进一步特征在于：在所述偏转装置中提供端部止动件以在钻探所述曲线段期间将所述倾斜限制到所选择的角度。
12.如权利要求9至11中任一项所述的方法，其进一步特征在于：提供阻尼器，当所述钻探组件基本上旋转固定时，所述阻尼器减小所述倾斜的速率。
13.如权利要求9至12中任一项所述的方法，其进一步特征在于：在所述偏转装置中提供施力装置，当所述钻探组件基本上旋转固定时，所述施力装置在外壳上施加力以发起所述倾斜。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述施力装置选自由以下组成的组：(i)在所述下段上施加力的弹簧；以及(ii)响应于压差在所述下段上施加力的液压装置。
15.如权利要求13所述的方法，其还包括提供选自由以下组成的组的稳定器：(i)在所述偏转装置下方的稳定器；(ii)在所述偏转装置上方的稳定器；以及(iii)在所述偏转装置下方的稳定器和在所述偏转装置上方的稳定器。
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