高狗腿導(dǎo)向工具的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]在許多類型的鉆井應(yīng)用中使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)來控制鉆井方向。在地下油氣井的鉆井期間，定向控制變得越來越流行，以更充分地開發(fā)經(jīng)儲藏。在一些情況下，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)被用于鉆井具有水平剖面和斜剖面的井。
[0002]為了在地下地層中鉆定向井眼，操作者一般采用連接至管狀鉆柱的末端的井底鉆具組合(BHA)，該管狀鉆柱由地表的鉆機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。該鉆機(jī)提供了旋轉(zhuǎn)鉆柱的動力，并且還在壓力下通過管狀鉆柱向BHA供應(yīng)鉆井流體。為了在鉆井期間實(shí)現(xiàn)定向控制，BHA可包括一個或多個鉆鋌、一個或多個穩(wěn)定器以及位于作為BHA最下方構(gòu)件的鉆頭上方的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)一般包括導(dǎo)向部段和電子部段，以及其他控制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的裝置。
[0003]旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)通常分為“指向式”系統(tǒng)或“推靠式”系統(tǒng)。在指向式系統(tǒng)中，鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸線從一般在新井方向上的鉆柱的縱軸線偏離。新井根據(jù)由上穩(wěn)定器接觸點(diǎn)和下穩(wěn)定器接觸點(diǎn)以及鉆頭限定的三點(diǎn)幾何結(jié)構(gòu)延伸。鉆頭軸線的偏向角結(jié)合鉆頭與下穩(wěn)定器之間的有限距離導(dǎo)致了非共線的條件，從而生成彎曲的井。存在許多方法可實(shí)現(xiàn)該非共線條件，包括在BHA中靠近下穩(wěn)定器的點(diǎn)處的固定彎曲，或分布于上穩(wěn)定器和下穩(wěn)定器之間的鉆頭驅(qū)動軸的撓曲。
[0004]在推靠式系統(tǒng)中，通常沒有使鉆頭軸線從鉆柱縱軸線偏離的機(jī)制。相反，所述非共線條件是通過如下來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)墊或活塞使上穩(wěn)定器和下穩(wěn)定器之一或二者施加偏心力或位移至BHA從而以期望的路徑移動鉆頭。導(dǎo)向通過例如如下來實(shí)現(xiàn)，在鉆頭與例如上穩(wěn)定器和下穩(wěn)定器等至少兩個其他觸點(diǎn)之間制造非共線條件。
[0005]盡管指向式系統(tǒng)和推靠式系統(tǒng)之間存在這些不同，但是對它們的井眼延伸性質(zhì)的分析顯示，在每種類型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的操作期間都存在著兩種類型的系統(tǒng)的不足之處。最近，已經(jīng)引入了混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，其通過設(shè)計(jì)而非環(huán)境來有意地將典型的指向式系統(tǒng)和典型的推靠式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能組合成單一系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]—般而言，本公開內(nèi)容的實(shí)施例一般性地提供了用于高狗腿嚴(yán)重度應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。根據(jù)本公開內(nèi)容的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)可包括:基本不旋轉(zhuǎn)的工具體；包括至少一個可樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可旋轉(zhuǎn)軸，其中，所述可旋轉(zhuǎn)軸至少部分地設(shè)置于所述工具體內(nèi)；以及改變所述可旋轉(zhuǎn)軸在所述工具體內(nèi)的位置的偏壓單元。所述旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)還可包括改變所述工具體在所述井眼中的位置的至少一個施力構(gòu)件。根據(jù)本公開內(nèi)容的井下導(dǎo)向馬達(dá)可包括:包括至少一個可樞轉(zhuǎn)接頭的轉(zhuǎn)子軸、導(dǎo)向馬達(dá)殼、改變所述轉(zhuǎn)子軸在所述導(dǎo)向馬達(dá)殼內(nèi)的位置的偏壓單元以及改變所述導(dǎo)向馬達(dá)殼在井眼中的位置的至少一個施力構(gòu)件。
【附圖說明】
[0007]下文將引用附圖來描述本公開內(nèi)容的一些實(shí)施例，其中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，并且:
[0008]圖1是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個或多個方面的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的圖解，其具有:基本不旋轉(zhuǎn)的工具體、具有可樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可旋轉(zhuǎn)軸以及內(nèi)部偏壓單元。
[0009]圖2A至2C是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個或多個方面的樞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的各個實(shí)施例，其可支撐基本不旋轉(zhuǎn)的工具體內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)軸。
[0010]圖3A和3B描述了根據(jù)本公開內(nèi)容的一個或多個方面的多個混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，其具有:基本不旋轉(zhuǎn)的工具體、具有可樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可旋轉(zhuǎn)軸、內(nèi)部偏壓單元以及至少一個施力構(gòu)件。
[0011 ] 圖4A和4B描述了根據(jù)本公開內(nèi)容的一個或多個方面的包括兩個偏心環(huán)的內(nèi)部偏壓單元的橫截面視圖，其描繪了將可旋轉(zhuǎn)軸分別布置于中心位置和偏心位置的內(nèi)部偏壓單
J L ο
[0012]圖5是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個或多個方面的井下導(dǎo)向馬達(dá)的圖解。
[0013]圖6A和6B描述了根據(jù)本公開內(nèi)容的一個或多個方面的多個混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，其具有:兩個基本不旋轉(zhuǎn)的工具體、具有可樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可旋轉(zhuǎn)軸、內(nèi)部偏壓單元以及至少一個施力構(gòu)件。
[0014]圖7是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個或多個方面的另一種混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的圖解，其具有:基本不旋轉(zhuǎn)的工具體、具有多個可樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可旋轉(zhuǎn)軸以及內(nèi)部偏壓單元。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下公開內(nèi)容提供了用于實(shí)現(xiàn)多個實(shí)施例的不同特征的許多不同實(shí)施例或?qū)嵗?。下文中描述了?gòu)件和布置的具體實(shí)例以簡化本公開內(nèi)容。當(dāng)然，這些僅僅是例子，而非意圖限制。此外，在多個實(shí)施例中，本公開內(nèi)容可能重復(fù)采用附圖標(biāo)記。這些重復(fù)是處于簡化和明晰的目的，并非本身指示所描述的多個實(shí)施例和/或配置之間的關(guān)系。此外，在下文的描述中，第一特征在第二特征上方或上面形成可包括其中第一特征和第二特征形成為直接接觸的實(shí)施例，也可包括其中在第一特征和第二特征之間介入附加特征從而使第一特征和第二特征不直接接觸的實(shí)施例。
[0016]在以下描述中，記載了許多細(xì)節(jié)以提供對本發(fā)明的理解。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，可在沒有這些細(xì)節(jié)的情況下來實(shí)施本公開內(nèi)容，并且可從所描述的實(shí)施例衍生出許多變型和改造。
[0017]本公開內(nèi)容總體涉及油田井下工具，并且更具體地涉及用于高狗腿嚴(yán)重度應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。隨著水平剖面的井和斜剖面的井變得越來越流行，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)提供了用于這樣的水平井和斜井的高成本效益的、高效的并且可靠的方法。一些類型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)通過在三個觸點(diǎn)處接合井眼壁來引導(dǎo)鉆頭。在常規(guī)的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的一個實(shí)施例中，第一觸點(diǎn)位于鉆頭上；第二觸點(diǎn)位于近鉆頭的、近滿規(guī)的穩(wěn)定器上；第三觸點(diǎn)位于布置于所述旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)上方的柱穩(wěn)定器上。為了維持驅(qū)動鉆頭的可旋轉(zhuǎn)軸的合適的應(yīng)力和彎矩，必須在內(nèi)部偏壓單元(其起改變可旋轉(zhuǎn)軸的位置的作用)與離鉆頭第二近的觸點(diǎn)(即，近鉆頭的穩(wěn)定器上的第二觸點(diǎn))之間提供至少“LI”的距離。此夕卜，必須在內(nèi)部偏壓單元與鉆頭上的第一觸點(diǎn)之間提供至少“L2”的距離。但是，這些距離“LI”和“L2”是該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)能夠達(dá)到的建造速率的限制因子。常規(guī)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成達(dá)到約5度至8度每100英尺的建造速度。但是，現(xiàn)在鉆探的許多水平井需要約10度至15度每100英尺的建造速率。
[0018]本公開內(nèi)容示出了幾個能達(dá)到約12度至20度每100英尺的建造速率(S卩，高狗腿嚴(yán)重度應(yīng)用)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的實(shí)施例。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的各種實(shí)施例可包括具有至少一個可樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可旋轉(zhuǎn)軸，所述可樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)例如為萬向接頭、等速接頭、肘形接頭、花鍵接頭或柔性部段，例如，設(shè)置于基本不旋轉(zhuǎn)的工具體內(nèi)。在一個實(shí)施例中，所述旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)還可包括改變所述工具體內(nèi)的所述可旋轉(zhuǎn)軸的位置、從而提供指向式導(dǎo)向能力的內(nèi)部偏壓單元。在一個實(shí)施例中，所述旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)還可包括接合井眼壁以期望的方向移動所述鉆頭并從而提供推靠式導(dǎo)向能力的至少一個施力構(gòu)件。在一個實(shí)施例中，混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)可包括指向式導(dǎo)向和推靠式導(dǎo)向二者的特征。
[0019]總體上參考圖1，示出了設(shè)置于井眼10內(nèi)的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)100的一個實(shí)施例。鉆井系統(tǒng)100包括具有設(shè)置于基本不旋轉(zhuǎn)的工具體118內(nèi)的至少一個可樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)112的可旋轉(zhuǎn)軸110，所述基本不旋轉(zhuǎn)的工具體118可任選包括抗旋轉(zhuǎn)設(shè)備124。上樞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)142和下樞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)144中的至少一個設(shè)置在所述可旋轉(zhuǎn)軸110與所述工具體118之間。內(nèi)部偏壓單元14耦接至所述可旋轉(zhuǎn)軸110，并布置于所述工具體118內(nèi)。所述可旋轉(zhuǎn)軸110在其下端處耦接至鉆頭116，并在其上端處耦接至鉆柱128。近鉆頭穩(wěn)定器120在鉆頭116上游耦接至可旋轉(zhuǎn)軸110，并且柱穩(wěn)定器122在工具體118上游耦接至可旋轉(zhuǎn)軸110。
[0020]所述旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)100通過在三個觸點(diǎn)117、121和123處接合井眼10來引導(dǎo)鉆頭116。第一觸點(diǎn)117位于鉆頭116上；第二觸點(diǎn)121位于近鉆頭穩(wěn)定器120上；第三觸點(diǎn)123位于