用于定向鉆井的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于定向鉆井的方法和系統(tǒng)。該系統(tǒng)和方法例如適用于控制地下地層 中的井眼的方向。井眼可用于油氣開采。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于種種原因，需要控制鉆井方向以沿預(yù)定軌跡提供井眼。"控制方向"在此表示： 使井眼故意偏離其自然所處的路徑。因而，井眼可包括彎曲部分，至少局部地水平延伸，而 不是大致筆直向下延伸。在一些情況下，如，在陡峭傾斜地層中或不可預(yù)知的地下環(huán)境中鉆 井的情況下，可使用定向鉆井技術(shù)以保證沿合適軌跡鉆井眼。
[0003] 傳統(tǒng)地，可通過使用造斜器、定向偏置的井底鉆具組合（BHA)配置、測(cè)量井眼在三 維空間中的路徑的儀器、將在井下測(cè)得的測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)降乇淼臄?shù)據(jù)鏈路、泥漿馬達(dá)和特 定的BHA部件和鉆頭（包括旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和鉆頭）來實(shí)現(xiàn)定向鉆井。操作者（通常被 稱之為定向鉆井工程師）也可充分利用鉆井參數(shù)（如，鉆壓和旋轉(zhuǎn)速度）來使鉆頭遠(yuǎn)離現(xiàn) 有井眼的軸線轉(zhuǎn)向。
[0004] 旋轉(zhuǎn)鉆井可使用配置有機(jī)械刀具的旋轉(zhuǎn)鉆頭，如，牙輪鉆頭或聚晶金剛石復(fù)合片 鉆頭（PDC鉆頭）。鉆井期間，例如通常通過使用地表處的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（如，頂驅(qū)的方鉆桿 (Kelly of top drive))或通過鉆頭附近的井下泥衆(zhòng)馬達(dá)使整個(gè)鉆柱旋轉(zhuǎn)，從而使這些鉆 頭旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)期間，這些鉆頭由于在井眼底部和側(cè)部進(jìn)行的壓碎和/或刮擦操作而產(chǎn)生鉆 肩。
[0005] 許多技術(shù)可用來完成定向鉆井。普通原理是，使鉆頭指向想要鉆進(jìn)的方向。最普 通的方法結(jié)合井下泥漿馬達(dá)使用靠近鉆頭的彎接頭。彎接頭使鉆頭指向稍微偏離井眼軸線 的方向。在鉆柱不旋轉(zhuǎn)時(shí)通過泥漿馬達(dá)來栗送泥漿，鉆頭將旋轉(zhuǎn)，在被定向的方向上鉆井， 該方向由彎接頭部分的彎曲部而定。另一方面，通過使整個(gè)鉆柱（包括彎接頭部分）旋轉(zhuǎn)， 鉆頭將在周圍快速移動(dòng)，最終的鉆井方向與井眼軸線重合，從而產(chǎn)生筆直軌跡。但是，使鉆 頭在周圍快速移動(dòng)將通常會(huì)增加鉆頭磨損。
[0006] 旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可允許在旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，通常鉆速更高、井眼最終更光滑。旋 轉(zhuǎn)可轉(zhuǎn)向式系統(tǒng)（RSS)可在鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)使井眼偏離。公知的旋轉(zhuǎn)可轉(zhuǎn)向式系統(tǒng)例如可使用 復(fù)雜的彎曲機(jī)構(gòu)使機(jī)械鉆頭指向固定方向，或可通過使用可膨脹式推力瓦將鉆頭推動(dòng)到特 定側(cè)。機(jī)械鉆頭的側(cè)向切削能力從而可讓井眼偏離到所需方向上。例如，PDC鉆頭不僅前 端具有刀具，側(cè)部也具有刀具。
[0007] 定向鉆井可讓鉆孔機(jī)朝最多產(chǎn)的儲(chǔ)集巖引導(dǎo)井眼，并讓鉆孔機(jī)鉆水平部分。定向 鉆井例如在泥質(zhì)巖類儲(chǔ)集層和其他非傳統(tǒng)烴類源中是普通的。
[0008] -些定向鉆井系統(tǒng)和方法使用鉆頭，其中多個(gè)噴嘴被特別調(diào)整以獲得定向鉆井效 果。
[0009] 美國(guó)專利第US-4211292號(hào)公開了一種具有噴嘴延伸部的牙輪鉆頭，噴嘴延伸部 位于通常由傳統(tǒng)沖洗噴嘴占據(jù)的位置處。被延伸的噴嘴可將加壓流體噴射到正被鉆進(jìn)的井 眼的量測(cè)角落（gage corner)上。在鉆頭旋轉(zhuǎn)一圈的預(yù)定局部間隔期間將加壓流體選擇性 地引導(dǎo)到噴射噴嘴中，以增加對(duì)井眼的一定方位角部分中的量測(cè)角落（gage corner)的切 削程度，從而使井眼朝該部分偏離。
[0010] 英國(guó)專利文獻(xiàn)第GB-2284837號(hào)公開了一種牙輪鉆頭，在該牙輪鉆頭中，三個(gè)噴嘴 之一被改變成將流體流引導(dǎo)到鉆頭和地層之間的分界面的角落中，使得鉆井液的流動(dòng)相對(duì) 于鉆頭不對(duì)稱。使鉆井液流產(chǎn)生脈動(dòng)，使得在一定方位角位置上的流量高，對(duì)于旋轉(zhuǎn)的剩余 部分而言流量低，以優(yōu)選在選定方向上鉆井。
[0011] 美國(guó)專利文獻(xiàn)第US-4637479號(hào)公開了一種牙輪鉆頭，其被改進(jìn)成使得可與導(dǎo)流 裝置密封地相互配合，以通過噴嘴連續(xù)地將流體流僅排放到井眼的選定部分中。一種旋轉(zhuǎn) 盤被設(shè)置有孔以將流體引導(dǎo)到選定部分（包括鉆頭的一些流體噴嘴中的一個(gè)或兩個(gè)）中。 包括鉆頭的鉆柱的旋轉(zhuǎn)期間，阻止了通過井眼選定部分外側(cè)的一個(gè)或兩個(gè)噴嘴形成的流體 連通，以這種方式，從而能實(shí)現(xiàn)使鉆頭轉(zhuǎn)向的目的。
[0012] 美國(guó)專利文獻(xiàn)第US-5314030號(hào)公開了一種用于定向鉆井的系統(tǒng)。鉆柱上的方位 傳感器檢測(cè)鉆井方向的偏離。鉆柱還包括旋轉(zhuǎn)傾斜儀，該旋轉(zhuǎn)傾斜儀包括機(jī)械振蕩器（如， 擺）。優(yōu)選通過將沖洗流體引導(dǎo)到鉆井端處，從而可使鉆頭轉(zhuǎn)向。流體調(diào)節(jié)裝置響應(yīng)于來自 于方位傳感器的信號(hào)控制沖洗。流體調(diào)節(jié)裝置可包括旋轉(zhuǎn)盤或擺動(dòng)閥板。在轉(zhuǎn)向模式下， 馬達(dá)可使盤以靜止管速度（still pipe rpm)旋轉(zhuǎn)，使得盤相對(duì)于井眼保持靜止。如果轉(zhuǎn)向 效果不合適，那么盤在三個(gè)流體通道之一上被停止，使得一個(gè)射流與鉆柱一起旋轉(zhuǎn)。在此， 井眼底部的錐形部分與優(yōu)選的井底沖洗一起控制側(cè)向穿透。井眼底部的錐形部分是鉆頭的 機(jī)械刀具的特殊錐形造成的結(jié)果。
[0013] 美國(guó)專利文獻(xiàn)第US-2007/0221409號(hào)公開了一種包括渦輪的系統(tǒng)，渦輪被設(shè)置有 受鉆井液驅(qū)動(dòng)的葉片。隨后，鉆井液的一部分被引導(dǎo)到旋轉(zhuǎn)閥中，旋轉(zhuǎn)閥包括兩個(gè)盤，所述 兩個(gè)盤包括相應(yīng)的流體孔，流體孔可被控制成被對(duì)準(zhǔn)，從而可讓流體流動(dòng)到流體噴嘴中，或 者從而不阻止流體流。通過使用旋轉(zhuǎn)閥，可通過噴嘴產(chǎn)生流體脈沖，從而沿選定方位侵蝕地 層。
[0014] 美國(guó)專利第US-7600586號(hào)公開了一種井下工具管柱部件，其具有第一轉(zhuǎn)子，第一 轉(zhuǎn)子被固定在部件的孔內(nèi)并連接到齒輪傳動(dòng)裝置上。該齒輪傳動(dòng)裝置機(jī)械連接到第二轉(zhuǎn)子 上。第二轉(zhuǎn)子與具有導(dǎo)電線圈的定子保持磁聯(lián)通，導(dǎo)電線圈與負(fù)載相聯(lián)通。傳感器收集用 來調(diào)節(jié)第二轉(zhuǎn)子和定子組件的渦輪的旋轉(zhuǎn)速度的數(shù)據(jù)，以控制千斤頂元件。千斤頂元件具 有不對(duì)稱的頂端，其用于使鉆頭轉(zhuǎn)向，從而使鉆柱轉(zhuǎn)向。
[0015] 但是，美國(guó)專利文獻(xiàn)第US-7600586號(hào)中的系統(tǒng)將在粘滑情形期間失去位置控制。 在此，"粘滑"表示在鉆井期間鉆頭粘附到地層上，從而在鉆柱繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)有效地停止旋轉(zhuǎn)。 粘附階段之后是滑動(dòng)階段，其中，鉆頭相對(duì)于鉆柱以增加的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)幾次。由于定子 聯(lián)接到鉆柱上以及第二轉(zhuǎn)子和定子之間的磁耦合，因此傳感器可失去相對(duì)于地層的合適定 位。另外，第一轉(zhuǎn)子被鉆井液驅(qū)動(dòng)，以鉆柱的速度旋轉(zhuǎn)，例如速度在40RPM至60RPM的范圍 內(nèi)。在這種相對(duì)低的速度下，難以準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)例如要求第一轉(zhuǎn)子相 對(duì)于鉆柱相對(duì)較大。
[0016] 公知的方法要求對(duì)傳統(tǒng)鉆頭進(jìn)行大量改進(jìn)，如，噴嘴改進(jìn)、使用旋轉(zhuǎn)密封件、或使 刀具形成特殊形狀。但是，對(duì)鉆頭進(jìn)行的所要求的改進(jìn)減少了鉆頭的選擇機(jī)會(huì)，這通常會(huì)增 加成本，通常是不令人滿意的。另外，為了限制鉆頭在井眼中的下入和起出，改進(jìn)的鉆頭也 將必須用于鉆筆直軌跡部分，即使鉆頭不如傳統(tǒng)鉆頭有效。旋轉(zhuǎn)密封件或閥通常易損，可嚴(yán) 重限制井下設(shè)備的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明的目的在于提供一種更穩(wěn)健和成本效益更大的定向鉆井方法和系統(tǒng)。
[0018] 本發(fā)明提供了一種用于在地層中定向鉆井眼的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[0019] -可旋轉(zhuǎn)鉆柱，該可旋轉(zhuǎn)鉆柱具有允許鉆井液流過的內(nèi)部流體通道；
[0020] -連接至所述鉆柱的一端的可旋轉(zhuǎn)鉆頭，所述鉆頭包括：機(jī)械切削構(gòu)件，其形成在 鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)使井眼延伸的鉆頭端面；用于接收來自于鉆柱的鉆井液的中間空間；用于將所 述鉆井液噴出的至少兩個(gè)噴嘴，每個(gè)噴嘴均與所述中間空間流體連通；
[0021] -第一轉(zhuǎn)子部分，其被設(shè)置在所述鉆柱的所述流體通道中，該第一轉(zhuǎn)子部分能夠相 對(duì)于所述鉆柱以第一旋轉(zhuǎn)速度在第一方向上旋轉(zhuǎn)；
[0022] -與所述第一轉(zhuǎn)子部分的井下端相連的一種引流器，其用于將所述鉆井液相對(duì)于 鉆柱的軸線轉(zhuǎn)向；
[0023] -第二轉(zhuǎn)子部分，其能夠相對(duì)于所述第一轉(zhuǎn)子部分以第二旋轉(zhuǎn)速度在與所述第一 方向相反的第二方向上旋轉(zhuǎn)；
[0024] - -種控制單元，該控制單元用于控制所述第二轉(zhuǎn)子部分相對(duì)于所述第一轉(zhuǎn)子部 分的所述第二旋轉(zhuǎn)速度，由此控制所述第一轉(zhuǎn)子部分相對(duì)于所述鉆柱的所述第一旋轉(zhuǎn)速 度。
[0025] 本發(fā)明的系統(tǒng)提供了一種工具，該工具用于引導(dǎo)與鉆柱的旋轉(zhuǎn)分離的流體流動(dòng)。 其中的控制線路通過調(diào)節(jié)提供給第二轉(zhuǎn)子的電負(fù)載來控制所述引流器的位置。該系統(tǒng)相對(duì) 簡(jiǎn)單且具有有限數(shù)目的部件（其使得所述系統(tǒng)更穩(wěn)健）。本發(fā)明的工具由于具有簡(jiǎn)單的設(shè) 置而可具有較小的直徑，從而在所述鉆柱仍保留的井眼中的情況下，能夠通過線纜實(shí)現(xiàn)該 工具的布置和更換。而此種更換則降低了操作成本且節(jié)省了時(shí)間。該系統(tǒng)可與常規(guī)的旋轉(zhuǎn) 鉆井系統(tǒng)組合使用。在定向鉆井完成時(shí)可將本發(fā)明的工具除去，從而可利用常規(guī)的系統(tǒng)以 更高的鉆速鉆進(jìn)井眼的筆直部分。另外，本申請(qǐng)還避免了鉆頭的特別復(fù)雜的設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一 步降低了成本。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提供了用于上述系統(tǒng)的一種定向鉆井工具。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的再一方面，本發(fā)明提供了一種用于在地層中定向鉆制井眼的一種方 法，該方法包括如下步驟：
[0028] -使一種鉆柱旋轉(zhuǎn)，該鉆柱具有允許鉆井液流過的內(nèi)部流體通道和連接至所述鉆 柱的處于井眼中的那一端的可旋轉(zhuǎn)鉆頭，所述鉆頭包括：機(jī)械切削構(gòu)件，其形成在鉆頭旋轉(zhuǎn) 時(shí)使井眼延伸的鉆頭端面；用于接收來自于鉆柱的鉆井液的中間空間；用于將所述鉆井液 噴出的至少兩個(gè)噴嘴，每個(gè)噴嘴均與所述中間空間流體連通；
[0029] -將鉆井液栗送通過所述鉆柱的所述內(nèi)部流體通道；
[0030] -所述鉆井液使設(shè)置在所述鉆柱的所述內(nèi)部流體通道中的第一轉(zhuǎn)子部分相對(duì)于所 述鉆柱在第一方向上以第一旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，所述第一轉(zhuǎn)子部分布置有與該第一轉(zhuǎn)子部分的 井下端相連的引流器，以相對(duì)于所述鉆柱的軸線使鉆井液偏轉(zhuǎn)；
[0031] -所述鉆井液使一第二轉(zhuǎn)子部分（其包圍所述第一轉(zhuǎn)子部分的至少一部分）相對(duì) 于所述第一轉(zhuǎn)子部分在與所述第一方向相反的第二方向上以第二旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)；以及
[0032] -對(duì)所述第二轉(zhuǎn)子部分相對(duì)于所述第一轉(zhuǎn)子部分的第二旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制，由此 控制所述第一轉(zhuǎn)子部分相對(duì)于所述鉆柱的第一旋轉(zhuǎn)速度。
[0033] 本發(fā)明基于申請(qǐng)人得到的下列深刻了解：經(jīng)過每個(gè)噴嘴的流體流影響鉆井性能， 僅需要正常流動(dòng)模式相對(duì)較小程度地偏離鉆頭噴嘴，以達(dá)到定向鉆井效果。因而，在整個(gè)旋 轉(zhuǎn)期間可保持通過特定噴嘴的流量，改變（如，根據(jù)旋轉(zhuǎn)頻率的流量調(diào)節(jié)）是足夠的。這消 除了對(duì)旋轉(zhuǎn)密封件的要求，且消除了選擇性地阻止流體流通過噴嘴的要求。這也允許使用 傳統(tǒng)鉆頭，而不用改變噴嘴配置，即，噴嘴仍可最優(yōu)地（如，對(duì)稱地）被布置，這對(duì)于特定鉆 頭配置而言是合適的。
[0034] 流體流的能夠被改變的參數(shù)可以是對(duì)鉆井性能產(chǎn)生影響的任何參數(shù)，例如：流體 流速，流體動(dòng)量，流體粘度，每個(gè)噴嘴的噴射沖擊力或每個(gè)噴嘴的液壓作用力。應(yīng)理解：流體 流的這些參數(shù)是相關(guān)的。在某實(shí)施例中，用于對(duì)流體流進(jìn)行引導(dǎo)的一種插入件被布置在鉆 頭的中間空間中。該插入件可與鉆頭一起旋轉(zhuǎn)。該實(shí)施例允許排出構(gòu)件引導(dǎo)鉆井液而與流 體引導(dǎo)部的上游端相互作用，該上游端可以接近所述鉆頭的進(jìn)入口，這樣會(huì)比與進(jìn)入鉆頭 中一定距離的中空空間中的噴嘴入口的區(qū)域直接相互作用更便利。此種引流裝置并不需要 適用于特定類型的鉆頭，且此種引流裝置可通過所述插入件來實(shí)現(xiàn)。
[0035] 在某實(shí)施例中，本發(fā)明的定向鉆井工具可被取出重新回到地表。這樣就具有了僅 在需要時(shí)進(jìn)行選擇性定向鉆井操作的能力，不需要重新獲得鉆柱以來更換鉆頭或井底鉆具 組合。
[0036] 優(yōu)選的情況為朝著所述中間空間的第一區(qū)域引導(dǎo)流體流，由此則導(dǎo)致從相應(yīng)的多 個(gè)噴嘴中噴出更高流量的流體，所述相應(yīng)的多個(gè)噴嘴在鉆頭旋轉(zhuǎn)過程中從該第一區(qū)域連續(xù) 延伸。這樣就對(duì)穿過所述多個(gè)噴嘴的流體流的參數(shù)（如流體流速，流體動(dòng)量，和/或流體粘 度）進(jìn)行了改變。對(duì)流體導(dǎo)向構(gòu)件進(jìn)行控制而使排出構(gòu)件保持相對(duì)于地層對(duì)地靜止，從而 實(shí)現(xiàn)了定向鉆井作用。
【附圖說明】
[0037] 下面將通過實(shí)例，參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖如下：
[0038] 圖1示出了井眼的截面?zhèn)纫晥D，該井眼包括本發(fā)明的系統(tǒng)的實(shí)施例；
[0039] 圖2以平面圖的形式示出了用于本發(fā)明的系統(tǒng)的電磁制動(dòng)配置的示意性截面；
[0040] 圖3A和3B示出了圖1中的井眼的截面在不同時(shí)刻的平面圖；
[0041] 圖4示出了井眼的截面?zhèn)纫晥D，該井眼包括本發(fā)明的系統(tǒng)的另一實(shí)施例；
[0042] 圖5示意性示出了圖4的