CN108278082B - 具有主动型稳定器的旋转导向钻井系统 - Google Patents

Abstract

一种钻井系统，其包括可旋转钻柱、固定型稳定器及主动型稳定器，其中钻柱用于连接用来钻井孔的钻头，固定型稳定器固定于所述钻柱上并具有用于接触所述井孔的壁面的外表面，主动型稳定器包括主体和连接该主体和所述钻柱的驱动器。该驱动器能够驱动所述钻柱偏离所述井孔的中心一定位移。所述主体具有用于接触所述井孔的壁面的外表面、面向所述钻柱的内表面、及从该内表面突伸出的至少一个导引部，每个所述导引部形成有至少一个凹槽。所述钻柱包括至少一个滑动部，每个滑动部可在所述凹槽中的一个内滑动，以限制在所述钻柱的轴向方向上的所述钻柱和主动型稳定器之间的相对运动，并引导在垂直于所述轴向的径向上的所述钻柱和主动型稳定器之间的相对运动。

Description

具有主动型稳定器的旋转导向钻井系统

发明领域

本发明一般地涉及一种导向钻井系统，更具体地涉及一种具有主动型稳定器的旋转导向钻井系统。

背景技术

油井或气井通常具有需要导向钻探的地下部分。旋转导向钻井系统(Rotarysteerable system，简称为“RSS”)被设计来通过从表面连续旋转而导向钻取，可用来旋转并控制钻柱而沿预定方向和轨迹钻出井眼。因此，旋转导向钻井系统广泛地用于诸如常规导向井、水平井、分支井等。通常，存在两种类型的旋转导向钻井系统：“推靠式”(Push-the-Bit)系统和“指向式”(Point-the-Bit)系统，其中推靠式系统具有高的造斜率，但会形成不平滑的钻井轨迹和粗糙的井壁，而指向式系统可形成相对平滑的钻井轨迹和井壁，但具有相对较低的造斜率。

推靠式系统使用向钻具施加横向力使钻头偏离井孔中心从而改变钻进方向的原理。现有的推靠式系统的钻井质量受井壁条件的影响很大。地层不均和钻孔期间的钻头振动可能导致粗糙的井壁和不平滑的钻井轨迹。因此，其难以实现很高的控制精度。粗糙的井壁可能导致在固井(钻孔下套管)、下钻和起钻作业时发生困难。如何在完全旋转钻具的同时沿着预期的轨迹钻出高质量的钻孔，始终是一个挑战。

因此需要提供一种新型旋转导向钻井系统，以解决上述技术问题中的至少一个。

发明内容

一种钻井系统，其包括可旋转钻柱、至少一个固定型稳定器、以及主动型稳定器。其中，所述钻柱用于连接用来钻井孔的钻头，所述固定型稳定器固定于所述钻柱上并具有用于接触所述井孔的壁面的外表面，所述主动型稳定器包括主体和连接该主体和所述钻柱的复数个驱动器。该复数个驱动器能够驱动所述钻柱偏离所述井孔的中心一定的位移。所述主体具有用于接触所述井孔的壁面的外表面、面向所述钻柱的内表面、及从该内表面突伸出的至少一个导引部，每个所述导引部形成有至少一个凹槽。所述钻柱包括至少一个滑动部，每个滑动部可在所述至少一个凹槽中的一个凹槽内滑动，以限制在所述钻柱的轴向方向上的所述钻柱和所述主动型稳定器之间的相对运动，并引导大致垂直于所述钻柱的轴向的径向上的所述钻柱和所述主动型稳定器之间的相对运动。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，其中：

图1是一种包括钻柱、固定型稳定器和主动型稳定器的旋转导向钻井系统的侧面示意图。

图2显示了图1所示的钻柱和主动型稳定器的第一位置状态。

图3显示了图1所示的钻柱和主动型稳定器的第二位置状态。

图4是根据本发明一个实施例的一种可用于类似于图1中所示的旋转导向钻井系统的主动型稳定器的横截面示意图。

图5是局部纵向截面示意图，显示了图4所示的主动型稳定器如何连接到钻柱上。

图6是根据本发明另一个实施例的一种可用于类似于图1中所示的旋转导向钻井系统的主动型稳定器的横截面示意图。

具体实施方式

一个或多个本公开的实施例将在下文中进行描述。除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“一个”和“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或”等词语表示包括性的，并且是指所列出的项目中的一个或全部。“具有”、“包括”或“含有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”、“联结”或类似词语并不局限于物理或机械连接，也可指直接或间接的电连接。

本发明的实施例涉及一种用于导向钻孔或井的旋转导向钻井系统。所述旋转导向钻井系统涉及主动型稳定器和导滑机制。所述主动型稳定器包括主体和复数个驱动器，其中所述主体可接触所述井孔的内壁，所述复数个驱动器可被控制用来推动所述旋转导向钻井系统的钻头移动，使得该钻头在所述导滑机制的限制下作出相对于所述主动型稳定器的主体的运动。当所述主动型稳定器的主体接触孔壁时，在驱动器的作用下，该壁对所述主动型稳定器的主体施加一侧向力，以协助所述驱动器将钻头推离所述井孔的中心，从而在钻井过程中改变钻井方向。

参照图1，一种旋转导向钻井系统100用于向地下导向钻孔200。该旋转导向钻井系统100包括钻柱110，该钻柱110可由旋转台121(或由顶部驱动代替)从地面驱动旋转，并且钻柱110在其末端处与钻头140连接。钻头140具有切割能力，并且一旦旋转，其可切割并进入到地层中。钻柱110通常是管状的。底部钻具组合(Bottom Hole Assembly，BHA)130形成了钻柱110的井下近末端部分，其通常容纳用于控制旋转导向钻井系统所需的测量控制模块和/或其它装置。随着钻柱进一步深入地层中，可通过在钻柱110上连接更多钻柱段而增加钻柱110的长度。

除了用于提供动力以旋转钻柱110的旋转台121之外，旋转导向钻井系统100还可包括用于支持钻柱110的塔架123、以及用于将泥浆从泥浆池202通过泥浆泵(未示出)输送到钻柱110的泥浆管125。泥浆可以用作润滑流体，其在压力下可从泥浆池202，通过泥浆管125、钻柱110和钻头140到钻孔200反复循环，以将在钻井过程中产生的钻屑(岩石碎块)带回到地面，过滤后的泥浆流到泥浆池202中，将被循环利用。

为了在钻井时实现方向控制，旋转导向钻井系统100可包括主动型稳定器150，当钻孔是沿着直线方向进行时，该主动型稳定器150能够在钻孔过程中稳定住钻柱110以避免非预期的径向摆动，以将钻柱110保持在孔200的中心，当钻孔过程中需要改变钻进方向时，该主动型稳定器150能够驱动钻柱110偏离所钻的孔200的中心以改变钻进方向。如图2所示，当旋转导向钻井系统沿直线方向钻孔时，在主动型稳定器150的位置，钻柱110的中心轴线基本上与孔200的中心轴线205重合，且主动型稳定器150的外表面接触孔200的内表面以减少或防止非预期的径向振动。当在钻孔过程中需要改变钻进方向时，主动型稳定器150可以推动钻柱110，以使钻柱110的中心轴线在主动型稳定器150附近以期望的位移偏离所述井孔的中心，并在钻柱110旋转过程中保持该偏离的位移和偏离的方向。如图3所示，主动型稳定器150支撑在孔200的内表面向钻柱施加横向力F，因此主动型稳定器150推动钻柱110，以使钻柱110的中心轴线在主动型稳定器150附近以期望的位移D和方向偏离孔200的中心轴线205。

在钻孔过程中，主动型稳定器150和钻孔200的内表面之间可能有持续接触，因此主动型稳定器可持续推动钻柱110以便在需要时改变钻孔方向。此外，所述钻孔过程受孔的粗糙度的影响较小，且主动型稳定器150还可在钻孔时作为普通稳定器，起到减少或防止非预期径向振动的作用。

回到图1，旋转导向钻井系统100还可包括固定在钻柱110上的一个或多个固定型稳定器170。在一些实施例中，所述固定型稳定器170和钻柱110之间不发生相对运动。在一些实施例中，所述一个或多个固定型稳定器170在主动型稳定器150上方，即，比主动型稳定器150更远离位于钻柱110末端的钻头140。固定型稳定器170具有外表面，其用于接触孔200的内壁，并可以在钻孔过程中稳定钻柱110以避免径向振动，从而将钻柱110保持在孔200的中心。在一些实施例中，固定型稳定器170包括环形结构，该环形结构具有略小于孔径的直径。主动型稳定器150与距其最近的固定型稳定器170可以通过略带弹性的柔性结构180连接，比如，该柔性结构180可为一段管壁比钻柱110的其他部分的管壁更薄的管柱段。在改变钻孔方向时，所述两个稳定器之间的管柱段可以稍微弯曲，这可以提高造斜率和钻孔轨迹的平滑度。

图4和图5显示了一种可用于类似于图1所示系统100的旋转导向钻井系统中的主动型稳定器350。该主动型稳定器350包括主体351，该主体351具有用来接触所钻的孔的内壁的外表面352、以及面向钻柱310的内表面353。主动型稳定器350还包括连接主体351和钻柱310的复数个驱动器354。在如图4所示的具体实施例中，有三个这样的驱动器354。每个驱动器354包括通过第一枢轴接头356可旋转地连接到钻柱310和主体351之一的缸体355、以及通过第二枢轴接头358可旋转地连接到钻柱310和主体351中另外之一的活塞357。该活塞357由液压系统驱动并且可在缸体355内移动。因此，对于每个驱动器354而言，缸体355可围绕第一枢转接头356旋转，活塞357可绕第二枢转接头358旋转，且活塞357可在缸体355内移动。所述复数个驱动器354能够在钻孔过程中驱动钻柱310偏离井孔中心，以及稳定钻柱310以避免非预期的径向振动。

所述主动型稳定器350的主体351还包括从内表面353向钻柱310突出的至少一个导引部359/360，其中每个导引部359/360形成有至少一个凹槽361/362。所述钻柱310包括至少一个滑动部363/364，每个滑动部能够在形成于所述主动型稳定器350的主体351中的至少一个凹槽361/362中的一个凹槽内滑动，以约束钻柱310与主动型稳定器350之间的沿钻柱310轴向的相对运动，并引导钻柱310和主动型稳定器350之间的沿大致垂直于所述轴向的径向方向的相对运动。在一些实施例中，所述至少一个滑动部363/364从钻柱310的外表面向外突出。在一些实施例中，所述滑动部363/364是滑动盘。在一些实施例中，所述凹槽361/362是环形凹槽。

在一些实施例中，主动型稳定器350的主体351包括环形结构365，该环形结构365的外径略小于钻井时的井孔的直径。所述环形结构365的外周面接触孔壁，以协助所述驱动器推动钻头使其偏离孔的中心。在一些实施例中，所述环形结构365具有相对的第一和第二轴向端部366和367，且所述至少一个导引部包括第一导引部359和第二导引部360，其中，在所述环形结构的轴向上，第一导引部359位于所述环形结构365的第一轴向端部366和所述复数个驱动器354之间，第二导引部360位于所述环形结构365的第二轴向端部367和所述复数个驱动器354之间。

位于主动型稳定器350的主体351上的至少一个导引部和位于钻柱310上的至少一个滑动部彼此协调以引导主动型稳定器350和钻柱310之间的运动。通过这种导滑机制，可以精确地控制主动型稳定器的运动和位移，并且可以减少不必要的摇动和振动。

在旋转导向钻井系统中可包括一个或多个测量控制模块和/或其他装置，用来驱动和控制所述复数个驱动器。例如，可包括用来驱动所述复数个驱动器的液压系统、用来连续测量或估算驱动器的位移的测量模块、用来在钻井时连续测量钻头的钻进方向的测量模块、和/或用来基于驱动器的位移的测量或估算结果协调地控制所述复数个驱动器的控制器。在一些实施例中，随钻测量(Measurement While Drilling，MWD)模块用于连续测量钻头位置和方向(姿势)，测量结果可用于协调地控制液压活塞以改变钻孔方向，以达到高的钻井质量。

图6显示了另一种可用于类似于图1所示系统100的旋转导向钻井系统中的主动型稳定器450。与主动型稳定器350类似，主动型稳定器450包括主体451，主体451具有用于接触所钻的孔的内壁的外表面452和面向钻柱410的内表面453，主动型稳定器450还包括连接主体451和钻柱410的复数个驱动器454。

所述复数个驱动器454中的每一个驱动器分别包括通过第一枢转接头456可旋转地连接到主体451的第一连接件455、以及分别通过第二枢转接头459和第三枢转接头460可旋转地连接到钻柱410第二连接件457和第三连接件458。所述第一、第二和第三连接元件455、457、458通过第四枢转接头461相连接。第三和第四枢转接头460、461可相对移动以相互靠近或相互远离。在一些实施例中，第三连接件458包括缸体和可在缸体内移动的活塞。所述复数个驱动器454能够驱动钻柱410使以一定的位移偏移井孔的中心，并在钻井时稳定钻柱410避免径向摆动。通过连续且协调地控制所述复数个驱动器454以驱动钻柱410使其产生偏离，可根据预定轨迹改变钻孔方向。

与前述主动型稳定器350类似，主动型稳定器450也具有导滑机制，其包括在主动型稳定器450的主体451上的至少一个导引部和在钻柱410上的至少一个滑动部，所述导引部和滑动部相互协调以引导主动型稳定器450和钻柱410之间的相对运动。导滑机制的具体实施方式与主动型稳定器350中的相同，因此这里不再重复。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以做出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (11)

1.一种钻井系统，其包括：

可旋转钻柱，其用于连接用来钻井孔的钻头；

至少一个固定型稳定器，其固定在所述钻柱上并具有用于接触所述井孔的壁面的外表面；及

主动型稳定器，其包括：主体，其具有用于接触所述井孔的壁面的外表面、面向所述钻柱的内表面、及从所述内表面突伸出的至少一个导引部，每个导引部形成有至少一个凹槽；及连接所述主体和所述钻柱的复数个驱动器，所述复数个驱动器能够驱动所述钻柱偏离所述井孔的中心一定的位移；

其中，所述钻柱包括至少一个滑动部，每个滑动部可在所述至少一个凹槽中的一个凹槽内滑动，以限制在所述钻柱的轴向方向上的所述钻柱和所述主动型稳定器之间的相对运动，并引导在大致垂直于所述钻柱的轴向的径向上的所述钻柱和所述主动型稳定器之间的相对运动。

2.如权利要求1所述的系统，其中，每个所述驱动器包括缸体和活塞，其中所述缸体可旋转地连接到所述钻柱和所述主动型稳定器的主体中的一个，所述活塞旋转地连接到所述钻柱和所述主动型稳定器的主体中的另一个，所述活塞可在所述缸体内移动。

3.如权利要求1所述的系统，其中，每个所述驱动器中包括第一、第二和第三连接件，其中所述第一连接件通过第一接头可旋转地连接到所述主动型稳定器的主体，所述第二连接件和第三连接件分别通过第二接头和第三接头可旋转地连接到所述钻柱，所述第一、第二和第三连接件通过第四接头相连接，且所述第三和第四接头可相对移动以相互靠近或相互远离。

4.如权利要求3所述的系统，其中，所述第三连接件包括缸体和可在所述缸体内移动的活塞。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述主动型稳定器的主体包括环形结构，该环形结构包括相对的第一和第二轴向端部，所述至少一个导引部包括第一导引部和第二导引部，在所述环形结构的轴向方向上，所述第一导引部位于所述环形结构的第一轴向端部和所述复数个驱动器之间，所述第二导引部位于所述环形结构的第二轴向端部和所述复数个驱动器之间。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个滑动部从所述钻柱的外表面向外突伸。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述主动型稳定器的最大直径略小于所述井孔的直径。

8.如权利要求1所述的系统，其进一步包括液压系统，用来驱动所述复数个驱动器。

9.如权利要求1所述的系统，其进一步包括控制器，用来基于对所述复数个驱动器的位移的测量或估算来协调地控制所述复数个驱动器。

10.如权利要求1所述的系统，其进一步包括测量模块，用来在钻井孔过程中连续测量所述钻头的钻进方向，以控制所述钻进方向。

11.如权利要求1所述的系统，其中，所述主动型稳定器和与其最近的固定型稳定器通过柔性结构连接。