CN109642451A - 利用倾斜分解装置来钻井偏斜井筒的钻井组件 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于钻井井筒的钻井组件，所述钻井组件在一个实施方案中包括转向单元和机电致动装置，所述转向单元包括在所述分解装置中的倾斜装置，所述机电致动装置具有在所述分解装置上施加轴向力以关于所述倾斜装置沿选定方向倾斜所述分解装置的施力构件。在一个实施方案中，所述致动装置将旋转运动转换成施力构件的轴向移动，以在所述分解装置上施加轴向力，从而关于所述倾斜装置倾斜所述分解装置。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年7月14日提交的美国申请第15/210735号的权益，所述美国申请的全部内容通过引用并入文中。
背景技术
1.技术领域
本公开总体上涉及钻井井筒，并且具体地涉及利用机电致动装置来倾斜分解装置以钻井偏斜井筒的钻井组件。
2.背景技术
井或井筒经形成以用于从留存有烃(石油和天然气)的地下地层区域中生产这类烃。为了钻井偏斜井筒，底部承载钻井组件(也称为井底组件或“BHA”)的钻柱被输送到井筒中。通过旋转钻柱和/或通过钻柱中的钻井电动机来旋转附接到钻井组件底部的钻头，以分解地层岩石，从而钻井井筒。目前形成的相当大部分井筒是偏斜的和/或水平的井筒。出于本公开的目的，“偏斜井筒”是指任何不垂直的井筒或其部分。钻井组件中的转向装置通常用于倾斜钻井组件的下部或部分以形成偏斜井筒。转向装置使钻井组件的下部或部分倾斜选定量并沿选定方向倾斜以形成井筒的偏斜部分。已经提出了安置在钻井组件中的各种类型的转向装置，所述转向装置倾斜钻井组件本身的一部分并且用于钻井偏斜井筒。最近，在转让给本申请的受让人的美国专利9,145,736中公开了钻井组件中使钻头关于钻头中的接头倾斜的液压转向装置。钻井组件还包括用于提供与地层、钻井参数和钻井组件取向相关的信息的各种传感器和工具。控制单元或控制器通常用于响应于从这类传感器获得的一个或多个参数来控制钻井组件或钻头的倾斜。
本文的公开内容提供一种钻井组件，其中机电致动装置关于钻头中的接头倾斜以钻井偏斜井筒。
发明内容
在一个方面，公开了一种用于钻井井筒的钻井组件，所述钻井组件在一个实施方案中包括转向单元和机电致动装置，所述转向单元包括在所述分解装置中的倾斜装置，所述机电致动装置具有在所述分解装置上施加轴向力以关于所述倾斜装置沿选定方向倾斜所述分解装置的施力构件。在一个实施方案中，致动装置将旋转运动转换成施力构件的轴向移动，以在所述分解装置上施加轴向力，从而关于所述倾斜装置倾斜所述分解装置。
在另一个方面，公开了一种形成井筒的方法，所述方法在一个实施方案中包括：输送钻井组件到末端具有分解设备的井筒中，其中所述分解装置包括倾斜装置，所述倾斜装置被构造成使所述分解装置关于所述倾斜装置倾斜；包括施力构件的机电致动装置，所述施力构件在所述分解装置上施加力以关于所述倾斜装置倾斜所述分解装置；以及旋转所述钻井组件以旋转所述分解装置，使所述施力构件往复运动，从而在所述分解装置上施加力，使所述分解装置关于所述倾斜装置倾斜，以便形成所述井筒的偏斜部分。
已相当广泛地概括设备和方法的某些特征的实例，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。当然，存在下文将描述并且将构成权利要求的主题的另外特征。
附图说明
为了详细理解本文公开的设备和方法，应参考其附图和详述，其中相同元件通常给定为相同附图标号，并且其中：
图1示出了根据本公开的一个非限制性实施方案的示例性钻井系统的示意图，所述钻井系统可利用用于关于钻头中的接头倾斜钻头的转向单元来钻井偏斜井筒；
图2示出了根据本公开的非限制性实施方案的转向装置的示意图，所述转向装置选择性地倾斜钻头中的接头；以及
图3示出了根据本公开的非限制性实施方案的图2的转向装置，所述转向装置包括用于改变或调节转向装置的旋转构件的倾斜角度的装置。
具体实施方式
图1是示例性钻井系统100的示意图，所述钻井系统可在钻井系统的钻井组件中利用转向单元或转向装置以钻井垂直和偏斜的井筒。偏斜井筒是任何非垂直的井筒。钻井系统100被示出为包括形成于地层119中的井筒110(也称为“井筒”或“井”)，所述井筒包括其中安装有壳体112的上部井筒部分111和用钻柱120钻井的下部井筒部分114。钻柱120包括管状构件116，所述管状构件在其底端承载钻井组件130(也称为“井底组件”或“BHA”)。管状构件116可以是通过连接管段而制成的钻杆。钻井组件130可联接到附接到其底端的分解装置，例如钻头155。钻井组件130还包括多个装置、工具和传感器，如下所述。钻井组件130还包括用于钻井偏斜井筒的转向单元150(也称为转向装置或转向组件)，所述方法在本领域中通常被称为地质导向。在一个非限制性实施方案中，转向单元150包括机电致动单元或设备160，所述单元或设备关于钻头155中的倾斜装置165倾斜钻头155。通常，致动单元160倾斜倾斜装置165，这又使钻头155的下部或部分155a沿着所需或选定的方向倾斜选定量，如参考图2-3更详细地描述。
参考图1，钻柱120被示出为由地表167处的示例性钻机180输送到井筒110中。为了便于说明，图1中所示的示例性钻机180是陆地钻机。本文公开的设备和方法也可以与海上钻机一起使用。联接到钻柱120的旋转台169或顶部驱动器169a可用于旋转钻柱120和钻井组件130。地表167处的控制单元(也称为“控制器”或“地表控制器”)190(可以是基于计算机的系统)可用于接收并处理由各种传感器和工具发送的钻井组件130中的数据(稍后描述)和用于控制钻井组件130中各种装置和传感器(包括转向单元150)的选定操作。地表控制器190可以包括处理器192、数据存储装置(或计算机可读介质)194，用于存储处理器192可访问的数据和计算机程序196、用于在钻井井筒110期间确定各种感兴趣参数，以及用于控制钻井组件130中的各种工具的选定操作和钻井井筒110的操作。数据存储装置194可以是任何合适的装置，包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、磁带、硬盘和光盘。为了钻井井筒110，钻井液179在压力下被泵送到管状构件116中，所述流体穿过钻井组件130并在钻头155的底部110a处排出。钻头155将地层岩石分解成钻屑151。钻井液179经由钻柱120与井筒110之间的环形空间(也称为“环带”)127与钻屑151一起返回到地表167。
仍然参考图1，钻井组件130还可包括一个或多个井下传感器(也被称为随钻测量(MWD)传感器和随钻测井(LWD)传感器或工具，统称为井下装置并由附图标号175表示，以及至少一个控制单元或控制器170，用于处理从传感器175接收的数据。井下装置175可包括用于提供与各种钻井参数有关的测量的传感器，包括但不限于加速、振动、地磁场、涡旋、粘滑、扭矩、弯曲、流速、压力、温度和钻压。钻井组件130还可包括工具，包括但不限于电阻率工具、声学工具、伽马射线工具、核工具、井下取样工具，取芯工具和核磁共振工具。这类装置在本领域中是已知的，因此文中不详细描述。钻井组件130还包括发电装置186和合适的遥测单元188，所述遥测单元可以利用任何合适的遥测技术，包括但不限于泥浆脉冲遥测、电磁遥测、声学遥测，以及有线管道。这类遥测技术在本领域中是已知的，因此文中不详细描述。如上所述，钻井组件130还包括转向单元或部分或组件150，其使得操作者能够使钻头155在所需方向上转向以钻井偏斜井筒。诸如稳定器162和164的稳定器与转向部分150一起提供以便稳定转向部分。诸如稳定器166的附加稳定器可用于稳定钻井组件130。井下控制器170可包括处理器172(例如微处理器)、数据存储装置174以及处理器172可访问的程序176。控制器170与地表控制器190通信，以控制钻井组件中的工具和装置的各种功能和操作。在钻井期间，转向单元150控制钻头155的倾斜和方向，如参考图2-3更详细地描述。
图2示出根据本公开的一个非限制性实施方案的转向单元150的示意图，所述转向单元包括致动装置或单元160以用于在钻头155中关于倾斜设备165倾斜诸如钻头155的分解装置。包括倾斜装置的钻头在本文中也称为“可倾斜钻头”。在图2的实施方案中，钻头155可包括钻头主体202，所述钻头主体202联接到钻头轴204。钻头轴204可以利用连接器206紧固在钻头主体202中。环形间隙207将钻头轴204的至少一部分与连接器206分开。间隙207提供用于倾斜钻头主体202的空间。钻头轴204可以具有端部212，所述端部212被构造成连接到与致动装置160相关联的外壳或子部231。例如，端部212可以是螺纹接头213。
在一些实施方案中，致动装置160可被视为被选择性地连接到钻头155，因为钻头155可从外壳231中移除，而无需拆卸或者以其他方式干扰致动装置160。在图2的实施方案中，当致动装置160在联接到钻头轴204的连接器206上施加力时，在关于定位在钻头主体202内部的支撑结构214发生钻头倾斜。钻头轴204可构造为通用型、卡登型接头、同动接头、等速接头、万向接头、虎克式接头、U形接头、使用弹性构件的接头，或适于传递扭矩同时能够经受大的铰接角度的任何其他接头。在一种配置中，扭矩传递元件216(其可以是球形构件)将钻头轴204旋转地锁定到钻头主体202。因此，钻头轴204与钻头主体202一起旋转。在图2的实施方案中，倾斜装置165被示出为包括钻头轴204、支撑结构214、扭矩传递元件216和连接器206。倾斜装置165还可被视为包括接头(钻头轴204、支撑结构214和扭矩传递元件216或另一种合适结构的组合)和调节器的装置，所述调节器包括与致动装置接触的邻接元件，例如连接器206，其中在邻接元件上施加力使得钻头155沿着所需方向关于接头倾斜选定角度。另外，图2的实施方案中的倾斜165位于钻头155中或集成到钻头155中。在钻井期间，钻井液179经由孔217供应到钻头155。在受压下从地表供应的钻井液179经由通道220从钻头本体202中排出，以便冷却和润滑钻头面201并将钻屑151(图1)从井筒底部110a(图1)移动到地表167。因为钻井液179处于相对高的压力，所以可以使用密封元件来防止钻井液179侵入钻头主体202的内部。例如，密封件222可用于围绕包括钻头轴204与钻头主体202的配合表面的区域224提供不透流体的密封或含润滑剂腔室。区域224可以填充有油脂、油或其他合适的液体以润滑所述区域并使钻井液179或其他不当材料引起的污染最小化。
现在参考图1和2，在一个非限制性实施方案中，致动装置160可被安置在外壳231中并联接到倾斜装置165。致动装置160可以是将旋转运动转换成线性或轴向运动或移动以在倾斜装置165上施加力的装置。在图2的实施方案中，致动装置160被示出为包括旋转或可旋转构件，其可以是在面或外表面262a上具有倾斜262的斜盘260。联接到旋转构件260的电动机(例如电动机270)被构造成使旋转构件260沿顺时针和逆时针方向旋转。在一个实施方案中，电动机270可将旋转构件260在相对于钻井组件130的旋转方向的方向上旋转到钻井组件130(图1)的至少转速。致动装置160还包括一个或多个施力构件，例如杆272，其一端272a与旋转构件表面262a接触，而另一端272b联接到倾斜装置165的连接器206的端部206a。安置在外壳231内部的密封构件(诸如管件245)将电动机270与流体179密封。
现在参考图1和2，为了钻井井筒的偏斜部分，钻井组件130以选定的旋转速度(rpm)旋转(通常顺时针)。在图2的转向装置的构造中，电动机270使旋转构件260在相反方向上(即逆时针方向)以基本上与钻井组件130的rpm相同的rpm旋转。这类方法保持旋转构件260以及钻头相对于井筒110的对地静止或基本上对地静止的倾斜角度。随着钻井组件130旋转，施力构件272归因于旋转构件260的倾斜262而轴向移动，从而在倾斜装置165的连接器206的端部206a上施加轴向力，藉此使钻头155关于倾斜装置165沿钻井组件130的轴线218倾斜。旋转构件260的面与施力构件272之间的摩擦可以通过位置280处位于两者之间的轴承(例如轴向滚针或滚柱轴承)减小。轴承可以是任何合适的轴承，包括但不限于聚合物滑动轴承、金刚石涂层滑动轴承、轴向滚针轴承、轴向滚珠轴承和轴向滚柱轴承。
在一些实施方式中，施力构件272横贯分离外壳231和连接器206的圆周间隙216。间隙219的宽度可以是限制钻头主体202的倾斜的幅度或烈度的因素。为了控制钻头倾斜，可以在钻头主体202上形成肩件230。肩件230可以部分地横跨间隙219延伸，以减小有效间隙宽度，并因此限制倾斜的幅度。在一些实施方案中，肩件230可为可调节的。施力构件272可以是诸如杆的刚性构件，所述构件接合并在连接器206的端部206a上施加倾斜力。或者，构件272可以是非刚性构件。它可以包含一个或多个弹性部分，或者它可以是包括刚性构件和弹簧的组件。弹簧可以由金属制成，或者可以是将加压流体用作弹性元件的活塞/气缸组件。构件272的一个或多个弹性部分可以被预压缩，例如使用通过构成钻头轴204与外壳231之间的螺纹连接而产生的轴向力。构件272的弹性刚度限制了由电动机270产生的用于旋转旋转构件260的扭矩。因此，作用在可倾斜钻头主体202上的外力不能阻止旋转构件260的旋转，只要电动机270的最大扭矩的大小设定成适当地高，就可以克服由施力构件270的弹性部分推动旋转构件260产生的最大力。如本文所用，术语倾斜力是指在钻头主体202上施加的指定方位角位置的力，所述力推动钻头主体202沿所需方向倾斜。这里的施力构件可以是刚性或非刚性构件。在一个实施方案中，施力构件是具有预压缩力的预压缩构件，所述预压力至少部分地由将分解装置连接到包含致动装置的外壳引起的轴向力产生。
仍然参考图1和2，只要通过使旋转构件的逆时针旋转速度与上述钻井组件130的顺时针旋转速度匹配而保持旋转构件对地静止，钻井组件130将形成井筒110的具有基本上恒定的曲率半径的非笔直部分。钻井路径曲率半径的变化可以通过转向装置的操作的占空比类型来实现。这可以通过有意地改变或变化旋转构件260的旋转方向来实现，从而导致产生小于最大曲率的曲率，包括钻井基本上笔直的井筒。
图3示出转向装置300的替代实施方案。转向装置300包括钻头155中的倾斜装置165和致动装置360。致动装置360还包括在其面262a上具有倾斜的旋转构件260和被构造成在钻井组件130(图1)旋转时旋转旋转构件260以保持这类构件对地静止或基本对地静止的电动机270，如参考图2描述。联接到旋转构件260的一个或多个施力构件272以参考图2描述的方式在倾斜装置165上施加力。在图2所示的实施方案中，旋转构件260示出为相对于轴线218处于垂直位置。在图3的实施方案中，致动装置360还包括用于主动地改变旋转构件260相对于其垂直位置或另一初始位置的倾斜角度的机构或装置。在一个实施方案中，这类机构包括电动机310，所述电动机驱动或操作联接到倾斜角度调节构件380的倾斜角度调节驱动器320，以便调节或改变旋转构件260的倾斜角度。构件380也可以是旋转构件，例如联接到旋转构件260的旋转斜盘。电动机310被构造成移动驱动器320以增加和/或减小旋转构件260的倾斜角度，以便增加或减小钻头155的倾斜。在钻井操作期间，钻柱120在一个方向上以特定rpm旋转，并且电机270使旋转构件260在相反方向上基本上以与钻柱120的rpm相同的rpm旋转，以便保持旋转构件260相对于井筒基本上对地静止。施力构件272在钻头155上施加轴向力以使钻头155关于倾斜装置165倾斜。电动机310选择性地操作驱动器320以改变旋转构件260并因此改变钻头155的倾斜。旋转构件260的倾斜角度修改也可以通过使用任何其他合适的装置来实现，包括但不限于通过使用一个或多个压电致动器、形状记忆合金装置以及阀和液压活塞装置。旋转构件260的反向旋转也可以通过使用其他装置来实现，包括但不限于使用供应有来自液压泵的加压流体的液压电动机。
返回参考图1-3，在转向装置的任何实施方案中，钻井组件130中的控制器(诸如井下控制器170)，可被编程以通过分别控制电机270和310的操作，改变或调节旋转构件260的旋转速度并调整旋转构件260的倾斜角度。井下控制器170可响应于一个或多个井下测量的感兴趣参数或响应于存储在井下存储器中或从地表传输的一个或多个参数来控制转向装置300。感兴趣参数可以包括但不限于预存储的或预定的钻井路径、从定向传感器获得的参数，包括加速度计、陀螺仪和磁力计以及任何地层评估传感器。另外，控制器170和190可彼此通信以控制转向装置的任何参数，包括根据本文公开的实施方案形成的致动装置160和360。
前述公开涉及某些示例性非限制性实施方案。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”。另外，摘要不应用于限制权利要求的范围。
Claims (15)
1.一种用于钻井井筒的设备，其包括：
包括倾斜装置的分解装置，所述倾斜装置被构造成关于所述倾斜装置倾斜所述分解装置；以及
包括至少一个施力构件的机电致动装置，所述施力构件在所述分解装置上施加力以关于所述倾斜装置倾斜所述分解装置。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述机电致动装置将旋转运动转换成所述至少一个施力构件的轴向移动，所述轴向移动在所述分解装置上施加轴向力以关于所述倾斜装置倾斜所述分解装置。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述机电致动装置包括旋转构件，所述旋转构件具有与所述至少一个施力构件接触的倾斜，其中所述旋转构件使所述施力构件往复运动以在所述分解装置上施加所述力。
4.如权利要求1-3中任一项所述的设备，其中，所述至少一个施力构件选自由以下各项组成的组：刚性构件；非刚性构件；包括弹性部分的构件；具有预压缩力的预压缩构件，所述预压缩构件至少部分地由将所述分解装置连接到包含所述致动装置的外壳引起的轴向力产生。
5.如权利要求3所述的设备，其还包括位于所述旋转构件与所述至少一个施力构件之间的轴承，以减小所述旋转构件与所述施力构件之间的摩擦。
6.如权利要求3或5所述的设备，其中，所述旋转构件被调适以在与所述分解装置的旋转方向相反的方向上旋转。
7.如权利要求3、5或6所述的设备，其中，所述旋转构件包括在其与所述至少一个施力构件接触的面上的倾斜，并且其中，所述旋转构件的所述倾斜在所述井筒的钻井期间至少部分地限定所述旋转构件的所述倾斜。
8.如权利要求3-7中任一项所述的设备，其还包括控制器，所述控制器改变所述旋转构件的旋转速度以改变所述分解装置的所述倾斜。
9.如权利要求3-8中任一项所述的设备，其还包括改变所述旋转构件的所述倾斜角度以改变所述分解装置的所述倾斜的装置。
10.如权利要求3所述的设备，其中所述旋转构件是旋转斜盘，所述旋转斜盘被调适以在与所述分解装置的旋转方向相反的方向上旋转，以保持所述分解装置相对于所述井筒对地静止或基本对地静止的所述倾斜。
11.如权利要求3-10中任一项所述的设备，其还包括控制器，所述控制器改变所述旋转构件的占空比以改变所述井筒的半径的曲率。
12.一种钻井井筒的方法，其包括：
输送钻井组件到端部具有分解装置的井筒中，其中所述分解装置包括倾斜装置和机电致动装置，所述机电致动装置包括至少一个施力构件，所述施力构件在所述分解装置上施加力以关于倾斜装置倾斜所述分解装置；旋转所述钻井组件以旋转所述分解装置；以及
启动所述机电致动装置以使至少一个施力构件往复运动，以在所述分解装置上施加力，从而关于所述倾斜装置倾斜所述分解装置，以便形成所述井筒的偏斜部分。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述致动装置包括旋转构件，所述旋转构件具有与所述至少一个施力构件接触的倾斜，其中所述旋转构件的所述倾斜至少部分地限定所述分解装置的所述倾斜。
14.如权利要求12或13所述的方法，其还包括在与所述钻井组件的旋转方向相反的方向上以与所述钻井组件基本上相同的旋转速度旋转所述旋转构件，以保持所述分解装置的所述倾斜对地静止或基本对地静止。
15.如权利要求12或13所述的方法，其还包括改变所述旋转构件的占空比以改变所述井筒的曲率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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