CN1098963C - 延长钻井设备以及使用该设备开始和结束钻井过程的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于在地下地层中钻取一井孔的延长钻井设备，包括：a)一钻头；b)一驱动钻头的马达；c)一连至地面的钻杆；d)一用于提供所需钻压的液压缸体-活塞组件，钻杆由回转装置联结在所述缸体-活塞组件的缸体和活塞中的一个上，使钻杆相对于所述缸体和活塞中的一个转动，钻头联结在缸体和活塞中的另一个上；e)用于将所述缸体和活塞中的一个锁紧在井孔壁上的锁紧装置，锁紧装置可以在一配合位置和一脱开位置之间运转。

Description

延长钻井设备以及使用该设备开始和结束钻井过程的方法
技术领域
本发明涉及在地下地层中钻制一孔的延长钻井(ERD)设备。
背景技术
用于液态烃开采和生产目的在地层中钻取的井孔在包括许多曲线的、倾斜的或水平的区段中非常深和几何形状很复杂。这种深和复杂的井孔对使用的钻杆的要求很高。
迄今为止唯一证明了的钻取延伸井的成功的方法是连续转动钻杆。但随着钻进距离的加大在钻杆和井壁之间生成的较大的摩擦力通常会妨碍适当的井孔操作。
到达特定的钻进距离后，在钻头转向需要的滑动模式中的钻取更加不可能。由此，目前已研制出旋转的可转向的钻井设备。由于延伸井的高倾斜性，这些设备需要长而且重的底孔组件(BHA’S)，底孔组件包括钻杆联轴节和重钻杆管部件，以获得高效率钻井所需的钻压。
这些都增加到钻杆旋转的表面扭矩上并导致笨重的钻杆设计，最终到达目前可以得到的约10公里钻进距离的设备的机械极限。在这些井中从孔中拉出钻杆(POOH)实际上是不可能的，这主要是因为钻杆发生屈服。WO94/27022公开了一种用于在地下地层中钻取一井孔的延长钻井设备，所述的延长钻井设备包括：一钻头；一驱动钻头的马达；一连至地面的细长体；一用于提供所需的钻压的液压缸体-活塞组件，细长体联结在所述缸体-活塞组件的缸体和活塞中的一个上，钻头联结在缸体和活塞中的另一个上；用于将所述缸体和活塞中的一个锁紧在井孔壁上的锁紧装置，锁紧装置可以在一配合位置和一脱开位置之间运转。本发明提供一种延长钻井设备，它可以打破10公里的极限。
发明内容
因此本发明涉及一种改进的延长钻井设备，可以在地下地层中钻取一井孔，包括：
一钻头；
一驱动钻头的马达；
一连至地面的细长体；
一用于提供所需的钻压的液压缸体-活塞组件，细长体联结在所述缸体-活塞组件的缸体和活塞中的一个上，钻头联结在缸体和活塞中的另一个上；
用于将所述缸体和活塞中选定的一个锁紧在井孔壁上的锁紧装置，锁紧装置可以在一配合位置和一脱开位置之间运转，其特征在于，细长体是一钻杆，钻杆由回转装置连结在所述缸体-活塞组件中的一个上，使钻杆相对于所述缸体和活塞中的一个转动。
通过操作缸体-活塞组件以在马达驱动钻头时提供所需的钻压，则可以避免需要笨重的底孔组件。作用在井孔壁上的锁紧装置提供了提供所需钻压需要的作用力。此外，在钻井过程中回转装置使钻杆可以连续转动，以减小钻杆和井孔壁之间的摩擦力，否则此摩擦力会使钻井设备卡在井孔中。在钻取了一个完整的缸体-活塞组件的行程后，活塞收回缸体中，锁紧装置脱开，而延长钻井设备伸入井孔中一个更深行程的长度。此后，锁紧装置再次配合而且钻取继续进行又一个缸体-活塞组件的行程长度。
最好回转装置包括一井下离合器，离合器可以在一脱开位置和一配合位置之间运转，其中在脱开位置中钻杆可以相对于所述缸体和活塞中的一个转动，而在配合位置防止这种相对转动。在钻取过程中离合器在脱开位置中运转以使钻杆转动，而在延长钻井设备更深地移入井孔中时在配合位置中运转。
最好所述缸体和活塞中的一个是缸体，而所述缸体和活塞中的另一个是活塞。
如果所述锁紧装置包括至少两套径向可延伸的锁紧件则可以获取适当的锁紧，所述两套锁紧件包括设置在缸体前部(在钻头一侧)的前锁紧件套和设置在缸体后部(在钻杆一侧)的后锁紧件套。
为了使ERD设备相对于地平经度和倾斜度都能完全转向，最好前锁紧件套和后锁紧件套中至少一个能使缸体同心或偏心定位在井孔中。
适当地，前锁紧件套能将所述缸体的前部同心或偏心地定位在井孔中，而后锁紧件套能将所述缸体的后部同心或偏心定位在井孔中。通过设置锁紧件使缸体完全同心设置在井孔中，可以钻取一直的井孔区段。相反，通过使缸体倾斜定位在井孔中，可以钻取一弧形井孔区段。例如可以通过偏心设置缸体的前部和同心设置后部或相反取得这种倾斜定位。可以通过在相对的径向偏心设置前部和后部取得较大的倾斜角。
一种驱动缸体/活塞装置和锁紧件的方法是使用钻探泥浆作为动力源。这种致动需要钻探泥浆的增大的流速和/或压力以保持必要的钻头钻取作用的动力。据此，最好的延长钻井设备进一步包括一液压泵，用于提供动力以驱动缸体-活塞组件进行钻取以及驱动每一个锁紧件进行壁锁紧作用，液压泵由转动的钻杆驱动。只有较低的用于产生液压动力的转矩由钻杆施加在液压缸上。当钻杆驱动液压泵时上述井下离合器脱开。
在本发明一个实施例的基本方式的延长钻井设备中，钻头由一抽泥浆马达驱动而所需的钻压由液压缸体-活塞组件至少轴向进给一米、最好是1-5米而提供。轴向活塞可以不相对于缸体转动。
此外，缸体具有由液压驱动径向活塞形成的至少两套锁紧件。一套至少三个活塞位于前部钻头一侧，一套至少三个活塞位于后部钻杆一侧。通过驱动这些活塞，此工具最好由连在活塞上的夹具将其本身锁在井孔壁上。
一旦锁住后，可以采用作用的钻头转矩和钻压。后一套(或多套)径向活塞将其这一侧的工具在井孔中居中或将其放置在一偏心位置中。前一套(或多套)径向活塞能将这一侧的工具相对于井孔轴线偏心或同心放置。
如果工具的后侧相对于井孔轴线放置在一同心位置中而工具的前侧相对于井孔的轴线放置在一偏心位置中，钻头将相对于井孔轴线处于一不对齐的位置。如果情况相反即后侧和前侧分别位于偏心和同心位置中，情况也是这样。在此不对齐的位置钻头将在其向前运动过程中由轴向活塞以一种偏离方式作用。
在本发明一个实施例的延长钻井设备的一种改进方式中，抽泥浆马达由被来自液压泵的油驱动的一液压马达代替。同基本方式中一样，在改进方式中井下离合器在其脱开位置使连续的钻杆转动可以驱动液压油泵。此泵提供动力以驱动轴向活塞进行钻取作用、驱动径向活塞进行壁锁紧作用以及提供液压动力运转马达驱动钻头。在此情况下，钻杆将承受额外的需要产生液压动力以驱动钻头的转矩。
有利地可以实施两种钻头转向的方法：地面控制方法和自动方法。在前一种方法中来自由延长钻井设备包括的倾斜计和磁强计的方位测量值由无线电遥测装置发送至地面。通过从地面向工具发送编码的泥浆脉冲施加方位控制。基于这些数据相应地调整缸体的不对齐和侧向力以及其在钻头上的方向。
在后一种方法中，延长钻井设备最好包括一存储器。将一预先编程的井筒路径输入位于工具中的存储器中。
将来自倾斜计和磁强计的测量值与轴向活塞的行程的测量值的组合同预先编程的井筒路径数值进行比较。如果检测出与编程的井筒路径有偏差，工具将自动进行由适当的液压缸体不对齐所需的以符合预定编程的方位更正。
附图说明
下面参照附图描述本发明延长钻井设备的操作，其中：
图1是本发明延长钻井设备一优选实施例的一示意图；
图2-4示出在使用图1的延长钻井设备钻取一偏斜孔的过程中的三个典型位置。
具体实施方式
在所有的附图中编号的部件如下表示：
1.钻杆
2.跨接部
3.离合器
4.液压泵
5.由同心活塞(未示出)驱动的侧向夹具
6.钻取时的测量单元和泥浆脉冲单元
7.液压轴向位移装置(缸体)
8.由偏心活塞(未示出)驱动的侧向夹具
9.液压轴向位移装置(活塞)
10.抽泥浆马达(在基本方式设备的情况下)或液压油马达(在改进方式设备的情况下)
11.钻头
12.地下地层
一种使用本发明的延长钻井设备开始钻井过程的方法包括以下步骤：
a)使锁紧装置位于其脱开位置，缸体-活塞组件的活塞处于其收回位置；
b)开始钻井过程：
c)使锁紧装置配合从而将所述缸体和活塞中的一个锁紧在井孔壁上；
d)驱动缸体-活塞组件，从而开始钻井过程，其特征在于，在步骤a)中，以较小的速度循环泥浆并且钻杆相对于缸体-活塞组件转动，在步骤b)中，通过全速循环泥浆开始钻井过程，从而触发井下电子设备，而且在步骤c)之前脱开井下离合器。
一种结束使用延长钻井设备进行钻井过程的方法包括以下步骤：
a)收回轴向活塞；
b)脱开锁紧装置，其特征在于
c)配合离合器使整个设备转动；
d)发送一压力脉冲至地面以触发地面操作；
e)根据活塞冲程从上方运转降下转动的钻杆；
f)减小泥浆循环作为一井下电子设备的信号以监测整个循环而开始下一个钻井行程。
当进行一个联结即不循环泥浆而且不钻动钻杆时，所有的活塞5，8，9都收回或保持收回而配合离合器3。开始以低速循环泥浆并且在剩余的行程中降下旋转的钻杆。将减小的泥浆循环的信号发送给井下电子设备6以监测整个循环而进行下一个钻井行程。

Claims (13)

1.一种用于在地下地层中钻取一井孔的延长钻井设备，所述的延长钻井设备包括：
一钻头(11)；
一驱动钻头(11)的马达(10)；
一连至地面的细长体(1)；
一用于提供所需的钻压的液压缸体-活塞组件(7，9)，细长体(1)联结在所述缸体-活塞组件的缸体(7)和活塞(9)中的一个上，钻头(11)联结在缸体(7)和活塞(9)中的另一个上；
用于将所述缸体(7)和活塞(9)中的一个锁紧在井孔壁上的锁紧装置(5，8)，锁紧装置(5，8)可以在一配合位置和一脱开位置之间运转，其特征在于，细长体是一钻杆(1)，而且钻杆(1)由回转装置(3)连接在缸体(7)和活塞(9)中的一个上，使钻杆(1)相对于缸体(7)和活塞(9)中的一个转动。
2.如权利要求1所述的延长钻井设备，其特征在于，所述缸体(7)和活塞(9)中的一个是缸体(7)，而所述缸体(7)和活塞(9)中的另一个是活塞(9)。
3.如权利要求2所述的延长钻井设备，其特征在于，所述锁紧装置(5，8)包括至少两套径向可延伸的锁紧件(5，8)，所述两套锁紧件包括设置在缸体(7)前部的前锁紧件套(8)和设置在缸体(7)后部，即在钻杆一侧的后锁紧件套(5)。
4.如权利要求3所述的延长钻井设备，其特征在于，前锁紧件套和后锁紧件套(5，8)中的至少一个能使缸体(7)同心或偏心定位在井孔中。
5.如权利要求4所述的延长钻井设备，其特征在于，前锁紧件套(8)能将所述缸体(7)的前部同心或偏心地定位在井孔中，而后锁紧件套(5)能将所述缸体(7)的后部同心或偏心地定位在井孔中。
6.如权利要求1-5中任一项所述的延长钻井设备，进一步包括用于提供动力以驱动缸体-活塞组件(7，9)进行钻取以及驱动每一个锁紧件进行壁锁紧的一液压泵(4)，液压泵(4)由钻杆(1)的转动驱动。
7.如权利要求6所述的延长钻井设备，其特征在于，驱动钻头(11)的马达(10)是一由来自液压泵(4)的油驱动的液压马达。
8.如权利要求1所述的延长钻井设备，其特征在于，液压缸体-活塞组件(7，9)的轴向进程位于1-5米的范围中。
9.如权利要求1所述的延长钻井设备，进一步包括用于进行方位测量的倾斜计和磁强计，测量值由无线电遥测装置发送至地面。
10.如权利要求1所述的延长钻井设备，进一步包括一可以将一预先编程的井筒路径输入的存储器。
11.如权利要求1所述的延长钻井设备，其特征在于，回转装置包括一井下离合器(3)，离合器可以在一脱开位置和一配合位置之间运转，其中在脱开位置中钻杆(1)可以相对于所述缸体(7)和活塞(9)中的一个转动，而在配合位置中防止这种相对转动。
12.一种使用权利要求11所述的延长钻井设备开始钻井过程的方法，此方法包括以下步骤：
a)使锁紧装置(5，8)位于其脱开位置，缸体-活塞组件(7，9)的活塞(9)处于其收回位置；
b)开始钻井过程：
c)使锁紧装置(5，8)配合从而将所述缸体(7)和活塞(9)中的一个锁紧在井孔壁上；
d)驱动缸体/活塞装置(7，9)，从而开始钻井过程，其特征在于，在步骤a)中，以较小的速度循环泥浆并且钻杆(1)相对于缸体-活塞组件转动，在步骤b)中，通过全速循环泥浆开始钻井过程，从而触发井下电子设备，而且在步骤c)之前脱开井下离合器。
13.一种结束使用如权利要求11所述的延长钻井设备进行钻井过程的方法，包括以下步骤：
a)收回活塞(9)；
b)脱开锁紧装置(5，8)；其特征在于
c)配合离合器(3)使整个设备转动；
d)发送一压力脉冲至地面以触发地面操作；
e)根据活塞冲程从上方运转降下转动的钻杆；
f)减小泥浆循环作为一井下电子设备的信号以监测整个循环而开始下一个钻井过程。
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