CN1192796A - 用于定向钻井的可调式稳定器 - Google Patents

Abstract

一种使钻柱转向的装置,其中一稳定器主体可转动地装在稳定器附件上,在钻柱旋转时相对于井眼基本上保持静止不动。至少一个稳定器翼片装在稳定器主体上,可从稳定器主体沿径向伸出并与井眼的侧壁顶触。每一稳定器翼片可独立地从稳定器主体伸出和缩进。每一翼片均在带倾斜底部的槽孔中受到导引并由一马达沿此底部推移。马达由电池供电,电池由充电线圈充电。翼片的运动由遥测,或由MWD系统控制。

Description

用于定向钻井的 可调式稳定器

本发明一般地涉及定向钻井设备，用于钻定向井眼。更具体地说，涉及由一根钻柱携带的用于使钻井方向离开铅直方向的稳定器组件。

定向钻取石油烃类的最早的各种努力均采用机械式造斜器，用以使一根在原先铅直井筒之中的旋转着的钻柱偏离铅直方向。使用造斜器的主要缺点是，一旦钻柱被造斜器推出或偏离，就失去了对钻头和钻柱的方向控制。此外，造斜器操作费时，因而成本高。

另一种定向钻井方法采用一种连接于下孔马达或涡轮的弯形或可弯的附件。该弯形附件具有一形成在其中的弯头，用以定位钻头，使钻头离开钻柱的其余部分的铅直轴线若干度。一下孔马达联接在弯形附件与钻头之间，或者装进弯形附件自身里面。钻柱和下孔马达可以旋转，以使钻头破碎地层并以与已有井眼相同的角度和方位一直向前钻进。当希望改变钻进方向时，钻柱停止转动，而由钻进马达使钻头转动。这种作业模式称作“滑动”模式，因为钻柱相对于井眼侧壁滑动而非转动。在井眼的偏出部位上，钻柱经受与井眼侧壁的摩擦接触，足以使其难以向钻头施加有效的载荷，导致与旋转钻井模式相比钻进速度下降。弯形附件或马达定向钻井设备与方法的一些实例披露在以下美国专利之中：Walker的1994年5月17日第5311953号；Prevedel等人的1992年8月18日第5139094号；以及Beimgraben的1991年9月24日第5050692号。

在另一种定向钻井系统与方法中，一对稳定器配置在钻柱之中，并在钻头上方间隔开来。上部稳定器与近钻头稳定器之间的直径差别，无论是可调式的还是固定式的，以及稳定器之间的间距，都可提供促进钻头偏离井眼铅直轴线的侧向力。这种稳定器装置既可用于旋转钻井，也可用于下孔马达这两种配置。如果各稳定器都是可调式的并应用于地面旋转钻井，每一稳定器翼片必须从稳定器主体伸出相同的距离以保持对称，并避免偏心和相关的剧烈运转。如果钻进是用一种钻井马达实现的，在处于钻井马达上方的上部稳定器就没有这种限制，因为它是不转动的。各种稳定器结构的一些实例可在以下各美国专利中找到：Underwood等人的1994年7月26日第5332048号；Rosenhauch等人的1994年3月15日第5293945号；Askew等人的1993年1月26日第5181576号；以及Swietlik的1988年7月1日第4754821号。

在可调式稳定器方面的一种变形是，提供具有固定式稳定器翼片的稳定器主体，但带有在钻柱或稳定器附件与固定式稳定器主体之间活动的活塞，以便在上下稳定器之间引起偏心，并造成侧向偏移力。这些配置要求钻柱每转一周有多次活塞启动，并因而存在机械和可靠性能方面的一些缺点。这种配置的一些实例可在以下美国专利中找到：Shirley的1991年8月13日第5038872号和Fields的1971年7月20日第3593810号。

因而，需要一种定向钻井装置或系统，其带有高效的旋转钻柱，可使司钻在钻井作业期间能够精确地控制钻头的轨迹。

本发明的总的目的是提供一种经过改进的装置，用于操纵一根在井眼中的旋转钻柱。

本发明的这一和其他目的是这样实现的：提供一种用于在接近钻头处装进钻柱的稳定器附件；一稳定器主体可转动地安装于此稳定器附件，当钻柱转动时，稳定器主体相对于井眼保持基本上静止不动；至少一个稳定器翼片安装于稳定器主体，此稳定器翼片可以沿径向从稳定器主体伸出，并与井眼侧壁顶触。

按照本发明的优选实例，至少三个稳定器翼片在稳定器周边上间隔开来。每一稳定器翼片可以独立于其他而可选择地伸出和缩进。

按照本发明的优选实例，每一稳定器翼片装在稳定器主体上的一条纵向槽孔之中，此槽孔具有一倾斜的底部，以致稳定器翼片与稳定器主体之间的相时纵向运动可导致稳定器翼片的伸出或缩进。一马达联接于每一稳定器翼片与稳定器主体之间，以造成其间的相对纵向运动。

按照本发明的优选实例，稳定器附件包括一在与钻头相对的一端处的固定式稳定器。一丝杠把马达联接到稳定器翼片上，马达使丝杠转动而引起相对的纵向运动。

在附图中：

图1是一井眼的一纵向剖视图，表明按照本发明的转向装置；

图2是图1经过改进的转向装置稳定器部分的立视图；

图3是图2稳定器部分的一纵向剖视图；

图4A-4D是沿着图1的剖面线4-4切取的井眼和转向装置的横截面视图；

图5是表示图1转向装置的可调式稳定器的操纵和控制流程图。

现在参看各图，特别是图1，它画出了一井眼1的一纵向剖视图，井眼1中设置一转向装置。转向装置包括一稳定器附件3，通常由一带螺纹的附件连接在一通常的旋转钻柱里面(未画出)。一各种固定式或是滚动式牙轮型的钻头5固紧于稳定器附件3的最下端。一固定式稳定器7装在稳定器附件3上，并与钻头5间隔开来。一包括多个稳定器翼片11的可调式稳定器9装在稳定器附件3的下端，靠近钻头5。另外，上部稳定器7也可以是可调式稳定器，以便进一步提高按照本发明的转向装置的通用性。

图2和图3分别是按照本发明的转向装置的可调式稳定器9的立视图和纵向剖视图。一基本为圆筒形的稳定器主体13依靠轴承和密封件15联接于基本为圆柱形的稳定器附件3的外侧，这样使稳定器主体13相对于稳定器附件3转动，并把润滑油保持在其间的环形间隙之中。

按照本发明的优选实施例。至少四个稳定器翼片11A、11B、11C、11D安放在稳定器主体13上的各纵向槽孔17之中。并由一种舌-槽装置卡持在各槽孔17之中。每一纵向槽孔17具有一倾斜底部17A，形成一条坡道，其中各稳定器翼片11A-11D与坡道17A之间的相对纵向运动可导致各稳定器翼片11A-11D从稳定器主体13伸出或缩进。与每一槽孔17相关联的是半马力的电动马达19。马达19使一丝杠21转动，丝杠21啮合一装在每一稳定器翼片11A-11D上面的球形螺帽(未画出)，以引起相对纵向运动。

按照本发明的优选实施例，每一丝杠21设计得当稳定器9承受每稳定器翼片10000磅的轴向卡钻载荷时发生屈服，以使可调式稳定器9不会导致钻柱卡在井眼之中。因为每一稳定器翼片11A-11D配有其本身的马达19和丝杠21形式的致动器，所以，各稳定器翼片可以相对于稳定器主体13独立地伸出和缩进。各马达19最好是步进或伺服马达，适合于精确地控制各丝杠21的转动和每一稳定器翼片11A-11D从稳定器主体13的伸出。

一微处理器或控制单元23联接于每一马达19，以控制马达19和丝杠21的转动，从而控制各稳定器翼片11A-11D从稳定器主体13的伸出和缩进。装在稳定器主体13上的微处理器23包括一种常用的装置，用于从联接于每一马达19的各编码器读出位置数据以确定每一稳定器翼片11A-11D的伸出程度。微处理器或控制器23和各马达19都由一装在稳定器主体13上的电池25予以供电。电池25最好是用多个在稳定器附件3上沿周向间隔开来的充电线圈27通过电感耦合予以充电。各充电线圈27最好是由一装在稳定器附件3上的常用的钻井泥浆驱动式发电机或者一在钻柱上别处的单独的随钻测量(MWD)装置供电。

图4A-4D是沿着图1的剖面线4-4切取的井眼1和稳定器主体13以及各翼片11A-11D的横截面视图，图中画出了对于钻头5的轨迹具有不同影响的稳定器翼片11A-11D的各种不同状态。为方便起见，上部稳定器翼片标号为11A，右边稳定器翼片标号为11B，底部稳定器翼片标号为11C，以及左边稳定器翼片标号为11D。

在图4A中，稳定器装置9布置得可以降斜，或减小离开铅直方向的偏斜或偏转量。在这种状态中，上部稳定器翼片11A伸出在稳定器主体13之外并接触或顶触井眼1的侧壁，而底部稳定器翼片11C接近于完全缩进。按照本发明的优选实施例，对置的两个稳定器翼片11A、11C的可伸出直径大于钻头5或井眼1的标准尺寸。当然，对置的两个稳定器翼片11A、11C永不同时完全伸出，以避免卡在井眼1之中。这同样适用于对置的两个稳定器翼片11B、11D，它们在降斜状态中，伸出的程度是中等的，伸出直径小于钻头5和井眼1的标准尺寸。

在图4B中，稳定器9为一种造斜或增大离开井眼1铅直方向的偏斜或偏转量的状态。在这种状态中，底部稳定器翼片11C接近完全伸出，而上部稳定器翼片11A接近完全缩进。同样，右边和左边稳定器翼片11B和11D伸出的程度是中等的，伸出直径小于钻头5和井眼1的标准尺寸。

图4C表明处在使钻头5转向左边的状态之中的稳定器9，此时右边稳定器翼片11B接近完全伸出，而左边稳定器翼片11D是缩进的，使钻头5的方位角改变。上部和下部稳定器翼片11A、11C伸出的程度是中等的，伸出直径小于钻头和井眼标准尺寸，以便稳斜。

类似地，图4D表示处在使钻头5转向右边的状态之中的稳定器9，此时左边稳定器翼片11D接近完全伸出，而右边稳定器翼片11B接近完全缩进，同时上部和下部稳定器翼片11A、11C伸出的程度是中等的，以便稳斜。

虽然图4A-4D只画出了按照本发明的转向装置的稳定器9的四种状态，但是，由于每一稳定器翼片11A-11D是可独立于其他而伸出的，所以实际上可能存在无限种的稳定器组态和钻头轨迹。当然，通过把稳定器主体13可转动地联接于稳定器附件3可使得稳定器9实际上有无限的可调性，在钻杆转动时主体相对于井眼1基本上保持静止不动。这样就使各稳定器翼片11A-11D可差动或非对称伸出，而这又使稳定器9的各种不同组态可实现范围广泛的各种轨迹。

当然，不可能指望稳定器主体13相对于井眼侧壁完全保持静止不动。在稳定器主体13内直径与稳定器附件3外直径之间的摩擦小于各稳定器翼片11A-11D与井眼侧壁之间的摩擦，以致稳定器主体13大致上每钻进100至500英尺转动一圈。随着发生这种缓慢的转动，上部稳定器翼片11A趋于移向右边稳定器翼片11B的取向，而稳定器11C和11D也是如此。随着稳定器翼片11A-11D的取向相对于井眼1侧壁发生变化，必须作出校正以保持钻头轨迹5在所需路线上。

一种与正交的各条轴线对齐的三轴线加速度计，装在稳定器主体13上，并联接于微处理器23，以便测定稳定器主体13的倾斜角和稳定器主体13与各翼片11A-11D的转动方位。微处理器23由程序控制以自动校正稳定器主体13方位方面的变化，或者可以通过MWD装置把这种信息传送到地面以作出适当反应。如果采用MWD装置，则在稳定器主体13上装一AM无线收发机(未画出)，以形成微处理器23与MWD装置遥测部分之间的双向无线电联络，MWD又可通过几种常用的遥测或硬件技术与地面联络。

同样，有目的地改变稳定器9的组态以校正由于在地层结构和钻头5的钻凿特性等方面的意外变化而造成的不可预测的钻头轨迹变更，这常常是有好处的。因而，稳定器9的适当组态是在地面处确定的，或者预先制成程序装入微处理器23或一与微处理器23联络的、钻柱中的MWD装置。马达19、丝杠21以及稳定器翼片11A-11D随后均予以适当调节以适应所需的轨迹或轨迹的校正。

图5是一流程图，表示按照本发明的转向装置的控制时序和操作。下面参照图1-5，说明按照本发明的转向装置的操作。首先，一只钻头装进一根钻柱，钻出一段铅直井眼，直到希望开始定向钻进处的造斜或偏斜点。如果此造斜点足够浅以致不会在造斜之前或造斜之后不久就耗尽钻头的寿命，则此铅直钻柱可包括稳定器附件3以及固定式和可调式稳定器7、9。在井眼的铅直部分中，各稳定器翼片11A-11D是完全缩进的，或者位于小于钻头5和井眼1的标准尺寸的伸出位置处，此时稳定器7、9只起着扶正器的作用。

在造斜点处，稳定器9和稳定器翼片11A-11D设定为适于造斜轨迹的状态，这反映在图5的步骤101上。由于间隔开来的稳定器7、9所造成的受控不对中状况导致稳定器附件3和钻头5偏离井眼1的铅直轴线，并开始定向钻进。

如图5的步骤103所反映的那样，稳定器主体13由微处理器23单独，或与可以与地面联络的MWD装置一起，监控其相对于井眼1的转动。如果稳定器主体13的转动被检测出来，这一信息将被传输而到达或经过微处理器23，微处理器采取校正动作以重新调节稳定器翼片11A-11D的状态来补偿稳定器主体13在井眼1中的转动。

如果没有检测出稳定器主体13的转动，则在图5中步骤105处，确定是否需要轨迹改变。这样一种轨迹改变在微处理器23中编出程序，并由来自装在稳定器主体13上的加速度计的测量结果，或由来自一MWD装置的、表明轨迹改变恰当的测量数据，予以起动；或是当地面检测或监控表明轨迹改变证明是正确的时候，可以经由遥测装置从地面传输到微处理器23。

如图5的流程图所反映的那样，如果既没有检测出稳定器主体13的转动，也没有轨迹改变或校正被证明是正确的，则微处理器23继续监控这两种状况，以便在发生二者之中任一状况的情况下作出适当反应。

本发明提供与先前技术中各种转向装置和系统相比的多项优点。一个主要优点是，本转向装置适用于高效的地面转动钻井技术和与之相关的高钻进速度。按照本发明的转向装置并不要求复杂的液压和机械设备以实现在钻井作业期间钻头的偏斜或其轨迹的改变。

上面已经参照一优选实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员可在本发明的范围和精神内对其作出各种改变和修改。

Claims (17)

1.一种用于使井眼中的旋转钻柱转向的装置，此装置包括：

一稳定器附件，用于装接在钻柱上；

一稳定器主体，可转动地装在该稳定器附件上，其中该稳定器主体在该钻柱旋转时相对于井眼基本上保持静止不动；

至少一个稳定器翼片，装在稳定器主体上，此稳定器翼片可从稳定器主体沿径向伸出并与井眼侧壁顶触。

2.按照权利要求1所述的装置，还包括：

至少三个在稳定器主体周边上间隔开来的稳定器翼片。

3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，每一稳定器翼片装在稳定器主体上的一纵向槽孔之中，此槽孔具有倾斜的底部，而稳定器翼片与稳定器主体之间的相对纵向运动可导致稳定器翼片的伸出和缩进。

4.按照权利要求3所述的装置，还包括：

一联接于稳定器翼片与稳定器主体之间的马达，以便造成其间的相对纵向运动。

5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述稳定器附件包括一在与钻头相对的一端处的固定式稳定器。

6.一种用于使井眼中的旋转钻柱转向的装置，此装置包括：

一稳定器附件，用于在靠近钻头处装接在钻柱上；

一稳定器主体，可转动地装在稳定器附件上，稳定器主体在钻柱旋转时相对于井眼基本上保持静止不动；

至少一对装在稳定器主体上的基本上对置的稳定器翼片，这些稳定器翼片可独立地从稳定器主体沿径向伸出并与井眼侧壁顶触。

7.按照权利要求6所述的装置，还包括：

四个在稳定器主体周边上间隔开来的稳定器翼片。

8.按照权利要求6所述的装置，其特征在于，每一稳定器翼片装在稳定器主体上的一纵向槽孔之中，此槽孔具有倾斜的底部，而稳定器翼片与稳定器主体之间的相对纵向运动可导致稳定器翼片的伸出和缩进。

9.按照权利要求7所述的装置，还包括：

一联接于每个稳定器翼片与稳定器主体之间的马达，以便造成其间的相对纵向运动。

10.按照权利要求7所述的装置，其特征在于，稳定器附件包括一在与钻头相对的一端处的固定式稳定器。

11.一种用于使井眼中的旋转钻柱转向的装置，此装置包括：

一稳定器附件，在靠近钻头处装接在钻柱上；

一稳定器主体，可转动地装在稳定器附件上，稳定器主体在钻柱旋转时相对于井眼基本上保持静止不动，至少一条纵向槽孔制成在稳定器的外部上，此槽孔具有一倾斜的底部；

一个装在稳定器主体上的槽孔之中的稳定器翼片，此稳定器翼片可独立地通过在具有倾斜底部的槽孔之中的纵向运动而从稳定器主体沿径向伸出并与井眼侧壁顶触；

一马达，装在稳定器主体上并联接于稳定器翼片，以造成稳定器翼片在槽孔之中的纵向运动；

一电源，装在稳定器附件上，与马达电连通。

12.按照权利要求11所述的装置，还包括：

四个在稳定器主体周边上的四个纵向槽孔之中、间隔开来的稳定器翼片；以及

四个装在稳定器主体上的马达。

13.按照权利要求11所述的装置，其特征在于，一丝杠把马达与稳定器翼片相连，马达使丝杠转动，从而使稳定器翼片在槽孔之中纵向运动。

14.按照权利要求7所述的装置，其特征在于，稳定器附件包括一在与钻头相对的一端处的固定式稳定器。

15.一种使井眼中的钻柱转向的方法，此方法包括以下步骤：

把一稳定器附件装进钻头上方的钻柱，此稳定器附件包括：

一稳定器主体，可转动地装在稳定器附件上，其中稳定器主体在钻柱旋转时相对于井眼基本上保持静止不动；

至少一对稳定器翼片，装在稳定器主体上，这些稳定器翼片可独立地从稳定器主体伸出并与井眼侧壁顶触；

把钻柱下入井眼；

使钻柱旋转；以及

可选择地和独立地使每一稳定器翼片伸出和缩进，而与井眼侧壁顶触和脱离，以改变钻头的钻进方向。

16.按照权利要求15所述的方法，其特征进一步在于，使各稳定器翼片独立地伸出和缩进的步骤是经由遥测从地面上予以控制的。

17.按照权利要求15所述的方法，其特征进一步在于，使各稳定器翼片独立地伸出和缩进的步骤是由装在钻柱上的随钻测量仪器予以控制的。

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