CN1101096A - 钻短曲率半径的井孔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钻短曲率半径井孔的方法，特别是在 竖直井底部形成小曲率半径水平辅助井的方法和设 备。它包括一连续供给泥浆的导管、一井下驱动马 达、一个钻头、一个自定子延伸至钻头的支撑元件、一 可转动地支撑钻头的轴承组件和在马达定子与支撑 元件之间的一个肘部。

Description

本发明涉及用于钻短曲率半径井孔的设备和方法，特别是，并不排除用于在普通竖直井的井底形成水平井孔。

在已存在的竖直井的底部形成水平井孔是最近才出现的技术。在很多情况下运用这种技术可以提高或恢复已丧失的产量。可以看出，形成一个或多个这样的水平井孔可以增强地下产油区与竖直井的联系。

在很多情况下，这样的水平井孔都是采用传统钻井技术来完成的，这种技术是使钻头逐渐弯曲转向，最终从初始垂直方位移至需要的水平方向。然而，传统的技术需要的曲率半径为几百英尺，这就需要钻进相当长的长度，而且还需要精心监测钻头的位置，以便适当引导井孔朝向需要的位置发展。

因此需要一种实现短曲率半径的技术出现。一般希望井孔的曲率半径应小于一百英尺，而且最好小于二十英尺。这样一个非常短的曲率半径使得要达到水平方向所需钻进的长度相当短。这样短的曲率半径一般不需要使用昂贵的监测设备，只需要适当导向并设计钻头位置，由于距离短，也有可能利用地质学的测定线作为向导。

一直都试图取得这样短的钻进半径，但由于方向控制问题、方位角与曲率比之间的关系问题，至今也未取得成功。

本发明的一个目的在于提供一种对于在垂直方向和水平方向之间生成一个弯曲部分的同时，形成竖直井的辅助水平段非常有用的方法和设备，这种弯曲部分在能够对方位角和弯曲比率形成良好控制的同时是相当小的，最好等于或小于十二英尺。

下面结合附图对本发明的一个或多个实施例进行描述。

图1是根据本发明的钻具的垂直横剖面视图，图中示出了钻具的第一部分;

图2是同一钻具的垂直横剖面视图，图中示出了钻具的上部;

图3是相似于图1的垂直横剖面视图，图中示出了处于倾斜位置的钻具的下部;

图4是穿过现有的垂直井的垂直横剖面视图，图中示出了图1所示钻具的侧面，及其在竖直井中的工作状态;

图5是相似于图4的视图，图中示出了有利于图解的较小角度，它表示了图4所示步骤之后的步骤;

图6是相似于图4和5的又一视图，图中示出了操作过程的下一个步骤;

图7是相似于图4、5和6的另一视图，图中示出的井孔接近了水平方向。

图1和图2结合在一起示出了形成现有竖直井的水平辅助段的过程中使用的钻具的主要部件。为便于图解，连接在钻具下端的钻头在图1中省略，而表示在图3中。

该钻具包括一连接元件10，在其一端具有一内连接螺纹，用于与图4、5和6中所示的标号为12的连续钻井液供给导管连接。钻井液可以是泥浆或其它已知可以使用的液体。在连接元件10的相反一端形成标号为13的铰接连接，它包括在连接元件10上的一球面14和一相似表面的支座15。一个横向销16可控制连接元件10相对于支座15绕销轴16的轴线产生枢轴运动。支座和连接元件是中空的，并可传导经供给导管12来的钻井泥浆。限制元件17允许连接元件10的枢轴运动从初始轴线方向沿箭头18指示的方向运动，而防止相反方向的任何运动。

支座15进一步与普通泥浆（moineau）泵/马达装置20的上部19连接。这种装置包括一具有圆柱形外表面的圆柱形定子21和安装在定子内部的转子22，转子可通过圆柱形定子随钻井泥浆的纵向流动相对定子转动。转子包括一明显示于图2底部的一输出轴23，该轴也示于图1的顶部，并将两幅图连接起来。泥浆（moineau）泵/马达的结构是公知的并且很容易在市场上买到。转矩的大小可以根据需要改变泥浆（moineau）泵的长度从而调整转子叶片的数量来改变。圆柱形转子的下端与另一个相似于支座15的支座24相连接。支座24由本申请的平的弹簧薄片25所改进，该弹簧薄片一端焊接在支座24上，并由此向后沿着圆柱形定子延伸至套筒25A，该套筒在靠近定子上端处包围着定子。套筒25A可沿着定子的纵向滑动，从而将弹簧薄片从图2所示的展开位置压缩至贴平在圆柱形定子侧壁上的压缩位置。弹簧薄片由可在井侧壁上提供弹簧偏压推力的弹簧钢制成，从而形成如图2所示的展开位置。也可以使用其它型式的弹簧（未示出）。

在轴23的下端设有一第一方向联轴节26，该联轴节将轴23的下端和中间联接轴27连接起来。在中间联接轴27的下端设有一第二配对的方向联轴节26A，它将联接轴与钻头驱动轴28连接起来。万向联轴节26和26A采用的是普通结构，在现有技术中是公知的，其细节就不在这里描述了。这对匹配的万向联轴节与轴27配合允许圆柱形定子的纵向轴线相对于后面将详细描述的钻头驱动轴28的纵向轴线倾斜摆动。此外联轴节和中间联接轴允许偏心摆动运动，这种运动是公知的泥浆（moineau）泵/马达的结构所造成的。

上联轴节26安装在支座24内。下联轴节26A安装在第二个相似的支座29内。支座24和29分别包括一个基本上是球形的旋转表面30，该表面允许每一个支座相对于插入的联接套筒31产生枢轴运动。旋转作用由柱销32所限制形成绕横向轴线的枢轴运动，柱销32将套筒31和支座连接成在保持连接的同时允许其绕柱销枢轴运动。柱销安装在联接套筒的外表面上，并与支座24和29的球形表面的内表面相啮合。

两个支座24和29与联接套筒13构成肘节部分，该部分允许产生从图1所示轴线对准位置到图3所示倾斜位置的枢轴运动。枢轴运动的大小由各部分的几何结构限定，最大角度为图3所示方向的近似15°。一个附加的可移动限制元件（图中未示出）可防止变曲超出零度角或图1所示的轴线对准位置。装上限制元件后，包括枢轴运动未端位置的其它位置，都不会产生与图3所示方向相反方向的枢轴运动。

在支座29的未端固定安装有钻头支承套筒34，其内安装有钻头支承轴28。套筒和轴都采用对现有技术领域的普通技术人员来说是公知的传统结构。一般来说，轴28包括一段实际上是中空的轴段28A，该段限定了一段可使钻井液通过的纵向导管。在轴的上端包括一横向段28B，它允许沿着转子和联接轴外侧来的钻井液径向向内流动，通过开口孔进入轴中空段28A的内部，轴中空段28A安装在轴承35上，这些轴承设在轴中空段与套筒34的内表面之间。轴承包括三个分隔开的轴承组件，通过采用固定的滚珠轴承在所需方向上传递作用力，这些组件在径向及两个止推轴承方向上形成支承方向，锁紧螺母36在位于中空轴段28A外侧或下端与套筒34的下端之间的位置锁定这些轴承。为实现装配，将套筒34制成许多由螺纹拧在一起的段。轴承装置在轴和套筒34内表面之间的环形腔37内。在该腔37内注满了油液以在油压下维护轴承运行。一环形活塞40围绕着轴并在轴和套筒之间形成密封，活塞40的一个表面压紧油液，另一个表面，即上表面压紧钻井泥浆，从而将油液与钻井泥浆密封隔开并供给油液压力。

在轴的下端设有一个钻头连接元件，它带有内螺纹并与钻头固定连接。用于中空轴段28A的端盖由标号41表示，借助密封环42将端盖与套筒34封隔开。

一个适用的钻头如图3所示，它属于已在工业中熟知的类型。这种类型的钻头可以从初始直径D扩张至膨胀直径E。钻头由标号43表示，扩张由一对翼板44和45实现。图中示出的翼板44处于缩回钻头中空壳体中的收缩位置，翼板45处于伸出位置。钻头包括与中空轴段28A的中空内部相连接的中空的内部46，可在其内部容纳并传送钻井泥浆。钻头主体的每一个端面及每一个翼板44和45都包括一系列由标号47表示的切削齿，及与切削齿连在一起的钻井泥浆输送孔48，在钻进操作中，钻井泥浆以传统方式通过孔48清除切削下的材料。在来自钻井泥浆的压力或来自被钻进材料的啮合压力或二者兼有的压力作用下，翼板44和45可从收缩位置移至扩张位置。在初始的收缩位置，钻头的外侧直径D基本等于或稍大于定子外侧直径，实际上定子直径为三至四英寸。在扩张位置，直径E将为六至八英寸。

现在参见图4至图7，在附图中表示了使用上述工具的方法。图4示出了普通井孔50，其中设有生产套管51。套管从图示标号为52的地面位置延伸至图示标号为53的底部。

套管从上部的开采设备延伸至开采石油的地下开采区。井孔和套管的长度一般在一千至五千英尺之间，在很多情况下也可能达到一万英尺。如果由于种种原因造成生产井的损坏或发生阻碍，一般不希望采用放弃生产井的简单做法，因为打这样深度的井的花费是相当高的。本发明的方法就是提供这样一种从竖直井派生出一个或多个辅助井段的技术，它从竖直井的垂直轴线径向向外延伸，由于从竖直段到水平段的曲率半径相当小，所以仍保留在开采区域内。只要钻进很小的长度，就可以将竖直井和开采区域内的各个位置连接起来。

在本发明方法的第一个步骤中，先用一个塞状元件54塞在井的底部，塞状元件是从地面插入的并且位于被损坏区域或类似区域之上的位置。

在本方法的第二个步骤中，使用从地面上送入井中的铰孔钻在井孔中形成扩孔55。铰孔钻的结构是公知的，这种钻用于钻穿套管，切入套管周围的材料中，形成的圆柱形扩孔的直径要刚好大于套管的外表面。在这样一个例子中，套管的直径是4英寸，壁厚是1/4英寸，则套管的外侧直径近似为4.5英寸，使用铰孔钻扩孔后形成的孔的内径是6-6.5英寸。扩孔段的长度一般足以容纳从钻头到连接元件10的整个钻具。

在第三个步骤中，水泥57从塞子上方沿扩孔段的一部分引入井孔中，以形成初始钻进的基层。水泥的多少取决于注入水泥所采用的工艺。在图4中，水泥上部由标号56表示。如图所示，邻近扩孔段下端有结构变化的水泥57沿整个扩孔段向上延伸，并被钻头43钻开。

在本方法的下一个步骤中，如前所述的钻具被从地面上的以标号59表示的控制和支撑装置通过初始的井孔送至扩孔部分55。由于这种运动，随着套筒25A向上滑移，弹簧25基本上被压平，贴在圆柱形定子21的侧壁上。此时，钻的翼板44和45收缩回来，当钻头沿着套管的内壁滑动时，由于没有钻井泥浆的压力，翼板保持在收缩位置。

当钻具处于图4所示位置时，可以注意到，随着钻具进入到扩孔段55，弹簧25的作用使铰接段58朝向扩孔段的一侧倾斜。

在图4所示的位置中，铰接部分58向一侧倾斜，钻头的纵轴60倾斜于圆柱形定子的纵轴61，更重要的是相对于井孔的纵轴倾斜。在肘部的外表面和扩孔内表面之间的直径差所允许的移动量当然根据所选的直径和从肘部至钻头间的钻头段长度而变化。在这样一个例子中，当钻头段的长度是3英尺，轴线60相对井孔垂直轴线的角度为3°至5°时，允许的移动距离是2至3英寸。

沿导管12供入的钻井泥浆使转子在圆柱定子中开始转动并驱动钻头绕其轴线转动。同时，泥浆驱使钻头扩展到如图所示的膨胀位置。在膨胀位置通常可选择钻头的直径E近似等于扩孔段55的直径。

钻头的运动开始钻过进入扩孔段的水泥57。由于钻的轴线60倾斜于井孔，钻头趋于沿着这一轴线钻进，最终朝外移动穿过扩孔部分的侧壁，如图5所示。随着这种朝向侧外方向位移的增加，肘部段58的角度从由各元件的向何特性限定的小于最大角度的初始位置逐渐增加。如图5所示，钻头的位置逐渐朝外移动，角度也逐渐增加至图5所示的最大位置。

一达到最大角度，钻头开始连续切出一个弯曲的钻孔，井孔从垂直方向至水平方向弯曲并形成圆环形通过。初始的通道并不是完全的圆环形，由于角度逐渐增加，故角度一达到最大位置，通道便形成圆环状，通道的半径将根据前述各元件的几何特性而变化。由于有维持在图6所示位置的趋势，转向作用要加强。在那个位置，肘部58与弯曲井孔的外表面保持接触。如果由于材料的变化和密度改变或其它原因使钻头趋于向上移动，从而减小曲率半径，这将引起肘部58离开井孔的侧壁，这是因为实际的曲率大于肘部可能产生偏离的最大角度。肘部作用在侧壁上的压力一减小，作用在钻头上的向下的力就趋向于增加，曲率就趋向于减小或者曲率半径增大。同样，如果由于形成的井孔的曲率减小而使肘部作用于侧壁上的压力增加，这将趋于在钻头施加一个作用力，该力使钻头向上转。该转向力由作用在钻头中心顶点的力三角形构成。三角形的一条边由自连接元件10至钻头延伸的直线构成。三角形的第二条边由肘节与井孔侧壁的接触点和钻头中必的连接直线构成。可以理解，三角形第一条边构成的全部的作用力使肘部离开侧壁。在肘部顶着侧壁时且压力达到最大时三角形第二条边构成全部的作用力。当产生转向作用时，一个或其它的作用力增加，从而使自动转向结构起作用。实际上，一旦达到最大的肘部偏离量，由于自动转向作用，井孔的曲率半径就保持在一个由前述结构的几何特性决定的最小值上。在前述的一个钻头直径E为6.5英寸、钻头段的长度为3英尺的例子中，弯曲孔的曲率半径为18英尺。

钻头直径的选择与钻头段的长度、泥浆马达的长度和肘部的最大角度有关，应使圆柱形定子的泥浆马达正好能沿着弯曲段通过，而不会因在同一时刻与井孔两侧啮合而卡住。由于泥浆马达成为设备中最长的部分，这一长度取决于希望实现最小曲率半径的钻头的直径和构件的几何特性。泥浆马达还有一个肘节部，以减小由浆马达的部分长度所要求的直径。

位于连接元件10的第二肘部在穿过弯曲的井孔时，允许轻微的弯曲，以减少作用在泥浆供给导管上的应力。

方位角的方向通过控制作用在钻头上的力矩来控制，以保持肘部的轴线与所希望的方位角度相垂直。

一旦所定方向从初始井孔的垂直方向至所希望的水平方向上穿过整个曲率，便可将钻具提上来并换上普通钻具继续在水平方向上作业。由于钻具不再需要跟随曲率变化而可以直接在水平直线上钻进，这样的钻具具有比初始直径D而不是膨胀直径E减小了直径的钻头。该方向可由钻头支撑元件的外表面上的补偿元件来控制，以保持钻头轴线呈水平。

此外，也可以使用采用上述钻具的同样的钻井设备，但在这种情况下，应增加一个导向元件65，它被安装在钻头段并位于靠近肘部58的钻头的下方。该导向元件65的高度与钻头外侧边的半径和钻头支撑段的外表面之差相等，以便保持钻头的轴线直接对准井孔的中必线，这样从上述弯曲段未端开始钻出一个直线辅助井孔。通过改变补偿元件或改变钻头压力，可以向上或向下实现井孔方向的微小变化。为完成向下弯曲，可去掉防止肘部在相反方向上弯曲的收缩元件。

采用上述方法可以钻出在初始垂直段和水平段之间曲率半径达到最小的辅助井段，所谓最小一般要小于30英尺，最好可达到20英尺。这样，不需要复杂的和非常昂贵的监测设备，就可将钻进控制在开采区域内。

根据本发明上面的描述还可做出各种改进，在不偏离本发明实质精神和范围的条件下各种不同的实施例都在权利要求书限制的范围内，说明书中的全部内容仅用于解释本发明，但并不限制本发明。

Claims (10)

1、一种形成竖直井的基本水平的辅助井段的方法，其特征在于下述步骤：

竖直井井下钻具包括一连续供给泥浆的导管，一个井下驱动马达，该马达包括一个具有纵轴的普通圆柱形定子和装在定子内并绕其轴线转动的转子，一钻孔用钻头，一个自定子延伸至钻头的圆柱形钻头支撑元件，一可旋转地支撑钻头的轴承装置，该装置装在钻头支撑元件上并绕钻头的纵轴转动，和一个用于驱动所述的钻头将转子的旋转运动传递给钻头的驱动元件；

在钻头支撑元件和定子之间设有一个单一的肘部，只有该部分允许钻具仅在单一的肘部处相对圆柱形定子基本上绕一条垂直于定子纵轴的横轴从第一对中位置仅沿一个方向从对中位置经一个逐渐增大的角度向第二位置弯曲，在所述第一对中位置上钻头的轴线基本上与圆柱形定子的轴线对齐，而在第二位置上钻头的轴线偏离，圆柱形定子的轴线达到最大角度且于该位置处限定最大角度；

将钻具相对于竖直井设置成肘部和钻头位于轴向隔开的位置；

在所述的钻具上设置一弹簧以便在所述的一个方向上施加给钻具一个作用力，从而移动单一的肘部使其一侧与扩孔段表面接触，并使钻头与所述一侧相反的侧面接触，这样就使钻头的轴线倾斜于圆柱形定子的轴线，也就使得钻头的轴线倾斜于井的纵轴；

驱动所述转子旋转，使钻头沿着上述钻头的轴线钻出所述的辅助井孔，这样既可随着钻头向前移动，钻尖轴线与圆柱形定子轴线之间的角度达到最大角度，从而形成了弯曲形状的辅助井孔位置；

钻头的的切割直径要大于圆柱形定子和钻头支撑元件的外径的量使得钻头支撑元件和圆柱形定子能跟着钻头通过弯曲的辅助井孔；

借助定子直接对单一的肘部施加压力，以便当钻头轴线和定子轴线之间的角度基本保持在所述最大角度上时，基本保持肘部与扩孔段表面的接触来制钻头转向以基本上为部分圆形的形状形成所述弯曲的辅助井孔。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括下述步骤：所述钻头在径向方向上从第一收缩位置外展至第二扩张位置，在第一位置上钻头可沿套管滑动，而第二位置用于钻出直径大于套管的辅助井孔。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于：钻头根据钻井泥浆的压力外展。

4、如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：弹簧产生的力作用于钻具，从而移动肘部与扩孔的表面接触，所述的弹簧安装在井具有与所述一侧相对的一侧上，以便在与所述的一侧相对的一侧上与井壁相接触，所述弹簧可被压靠在钻具的所述一侧上。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于：弹簧由一端可在钻具上纵向滑动的弹簧薄片组成，以便增加或减小弹簧薄片距钻具的最大间隔。

6、如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于;最大角度为15°。

7、如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于：还包括一个设在供给导管和圆柱形定子之间的第二肘部，第二肘部允许圆柱形定子相对于供给导管绕一条与上述第一肘部的弯曲轴线相平行的弯曲轴线弯曲，第二肘部弯曲的方向与所述第一肘部弯曲的方向相同，这样就允许第一和第二肘部通过弯曲的井孔。

8、如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于：通过控制钻头上的力矩保持肘部的轴线与所希望的方位相垂直来控制钻进的方位。

9、如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于：弯曲的辅助段井孔的半径小于20英尺。

10、如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于：竖直井包括一竖直开采井，该井从开采井的地面一端延伸至地下开采区;还包括从开采区延伸至地面上的套管，这一方面包括在靠近井底但与其相隔的位置上堵塞开采井套管，并在靠近井底处于其中钻一圆柱形扩孔段，形成的扩孔段穿过套管以限定一个内径大于套管外径的表面。

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