用于对井下旋转钻井系统进行液压导向的方法和设备

摘要

本发明公开了一种用于以液压的方式控制钻头或包括钻头的底部钻具组合的方向的方法，所述底部钻具组合包括侧向孔口，所述侧向孔口可以被选择性地打开和闭合，以使钻井液的一部分从钻柱流出进入到侧向孔口与侧向井壁或井孔内壁之间的窄间隙内，从而产生侧向液压力，由此在与通过侧向孔口的流体流相反的方向上推动钻头或底部钻具组合。用于完成这种液压导向的设备可以使孔口的末端移动靠近井壁，从而增加所产生的侧向液压动力。此方法还可以适于推进钻头井眼推力块以最小化所述推力块与井眼的接触，同时增加由所述推力块和井眼的接合获得的侧向力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种定向旋转钻井方法和设备，具体地，本发明涉及一种用于通过选择性地调节流动通过邻近钻头主体的孔口的一部分钻井液以施加侧向液压力并利用机械导向件最小化与井眼的接触而使钻头沿期望的轨迹移动的方法和设备。

背景技术

申请人已知的所有方法使用与井眼进行机械接触的一些方式以实现对钻具期望的导向，或者当在面向钻头方法的情况下，通过偏移钻头轴线相对于钻具的其余部分的角度来实现所述导向。因为通常需要可选设计的要求，因此使流体流动通过变化的流动几何形态(孔口、弯管、窄通道、管道等)所需的通常作为压力损失而被描述的流体压力通常被认为对变化的流动条件具有副作用。在所述方法和设备中使用相同变化的流体流动条件，以在钻具两侧之间产生压差并从而在钻具上获得可用于沿给定方向对工具进行导向的期望的侧向力。已经试图使用不同于本发明的并且不旨在使用钻具周围的液压差用于沿优选的方向对工具进行导向的变化的定向流体流。参见作为这种类型的流体引导系统的示例的美国专利No.4,836,301，该专利使用面向钻头导向方法和系统使用钻具内的变化方向的钻井液流以生成液压力，从而沿给定方向倾斜钻头轴线。

发明内容

本发明描述了一种用于对钻头进行液压导向的方法，所述方法提供以下步骤：设定与提供钻头的底部钻具组合的纵向轴线的倾斜方向；以及打开在所选择的层段处的一个或多个侧向孔口以使来自钻头的钻井液转向，从而在与倾斜方向相反方向上提供用于使钻头朝向设定的方向向前前进所需的发动液压力(motive hydraulic force)。所述方法还可以包括以下步骤：调节孔口的远侧末端与万向节套筒之间的间隙，以增加可被施加以使底部钻具组合沿相反的方向移动的力。

此方法还可以提供以下步骤：确定用于以当前在定向钻井方案中所用的方式使钻头向前前进以及将来自孔口的钻井液流朝向井眼的侧向壁移动的方向。

在使用面向钻头定向钻井设备的情况下，此方法可以包括以下步骤：确定用于钻头的向前前进以及将来自孔口的钻井液流引导到连接到钻头的万向节套筒以使钻头沿设定的方向移动的方向。因为由通过侧向孔口的钻井液流施加的侧向液压力是从孔口的远侧末端到相对的井壁的距离的函数，因此此方法还可以提供以下步骤：调节孔口的远侧末端与井壁之间的间隙以增加可被施加以使底部钻具组合沿相反的方向移动的液压力，或者使钻井液的一部分转向通过旋转导向钻头系统的侧向推力块以将附加力引导在侧向井壁上。

用于实施本发明的方法的定向钻井底部钻具组合是底部钻具组合，所述底部钻具组合具有绕所述底部钻具组合沿圆周方向间隔开的一个或多个侧向孔口、和启动阀，所述启动阀用于选择性地打开和闭合所述侧向孔口以在所述定向钻井底部钻具组合上提供侧向液压力。定向钻井底部钻具组合还可以提供在底部钻具组合中的钻头和用于感测和控制通过侧向孔口的钻井液流的控制单元，所述钻头和控制单元控制钻井时组件的移动。这可以从地面由数据的采集和传输或使用自动导向技术以根据传感器输入控制方向来进行控制。

定向钻井底部钻具组合可以整体地位于邻近钻井马达定位的控制单元中。可选地，定向钻井底部钻具组合可以通过在每一个控制推力块中设置孔口以选择性地并且侧向强制使钻井液抵靠井眼移动从而最小化推力块的磨损以获得定向控制而适于标准推进钻头钻井钻具组合。

另外，所述方法还可以包括以下步骤：使钻井液的一部分转向通过旋转导向钻头系统的侧向推力块以将附加力引导在侧向井壁上，或者使钻井液的一部分转向通过一个或多个侧向孔口以引导钻头和整个钻井BHA沿钻井BHA的纵向轴线直线向前。此方法还可以通过使用控制模块/单元测量和处理BHA的方向、方位和钻井参数，并且使用所述信息控制侧向孔口的打开和闭合以获得期望的钻井方向来完成。

本发明还包括定向钻井底部钻具组合，所述定向钻井底部钻具组合包括：底部钻具组合；一个或多个侧向孔口，所述一个或多个侧向孔口绕所述底部钻具组合沿圆周方向间隔开；和启动阀，所述启动阀选择性地打开和闭合所述侧向孔口以在所述定向钻井底部钻具组合上提供侧向液压力。此实施例还可以实施为：底部钻具组合中包括钻头和控制单元，或底部钻具组合包括邻近钻井马达定位的控制单元，或侧向孔口位于钻头主体内。

此实施例的设备还可以提供侧向孔口，所述侧向孔口位于钻头组件的井径规部分内、或位于钻头与控制单元之间单独的BHA部分内、或位于为控制单元的整体部分的部分内。另外，此设备可以提供在连接到面向钻头钻井钻具组合中的钻头的万向节套筒的内部从而允许液压使套筒沿期望的方向移动的侧向孔口。定向钻井底部钻具组合可以实施为：底部钻具组合包括推进钻头钻井钻具组合且侧向孔口位于控制推力块内，或底部钻具组合包括用于调节侧向孔口的远侧末端与井壁或万向节套筒之间的间隙以增加能够被施加以使所述底部钻具组合沿相反的方向移动的力的机构。

本发明的定向底部钻具组合设备还可以设置提供用于使钻井液的一部分转向通过侧向孔口以引导钻头和整个钻井BHA沿钻井BHA的纵向轴线直线向前的机构的底部钻具组合。最后，本发明的底部钻具组合可以包括用于测量和处理BHA的方向、方位和钻井参数的控制模块/单元并且使用所述信息控制所述侧向孔口的打开和闭合以获得期望的钻井方向。

提出的钻具导向方法和设备的可能益处/优点如下：

·更加简单的工具设计-消除当前用于获得对钻井工具进行导向的推进钻头力所需的诸如夹板组件、抛掷器、推力块、活塞、环形孔、表面硬化、螺母和螺栓及其它部件的多个部件、组件以及制造过程。

·由于流体仅接触磨蚀井眼，因此可消除或最小化外偏置或导向单元部件的磨损。

·因为用于产生侧向液压力的流体将吸收许多冲击载荷从而增加BHA可靠性，因此显著减小钻井底部钻具组合(BHA)上的冲击载荷。

·因为更少的部件以及制造过程，因此使得新偏置或导向单元的成本相当低。

·因为没有偏置或导向单元部件与井眼接触(没有当前需要被定期更换的夹板组件、抛掷器、推力块、活塞、环形孔、螺母和螺栓等等)，因此维修与保养的数量级降低。

·平滑的井眼-没有推力块刮井眼。

·更快的钻进速度并且钻井时间减少-因为偏置或导向单元与井眼没有进行机械接触从而在对BHA进行导向时没有损耗扭矩，因此更多的扭矩可用于进行钻井。

·提高了钻井操作的可靠性-更少的部件，以及在BHA外部移动部件，在井中部件中没有损耗等。

·因为用于进行导向的侧向力仅被分布为压力并且分布在更大的井眼区域上，因此可提高通过更软地层进行导向。

·由于消除弹性体部件，因此提高了在更高温度下进行操作的可能性。

可通过将液压力施加到工具的一侧来实现对钻具的导向，从而实现沿相对侧方向对工具进行导向。钻井液(泥浆)的一部分被转向通过多个侧向孔口并且通过工具导向部分与井眼之间的窄间隙。每次仅打开在工具一侧的孔口，以在工具-井眼环空中提供所述工具一侧与工具的相对侧之间的压差，从而在工具上产生侧向液压力，所述侧向液压力沿相对侧向方向对工具进行导向。压差主要通过将一定量(流量)的钻井液推动通过工具与井眼之间的紧密间隙所需的压力来获得。推动流体通过窄工具-井眼间隙所需的压力由钻具的内部与外部之间的压差来提供。新方法需要控制钻井泥浆的一部分流动通过导向系统并通过窄的环形间隙流出进入到工具-井眼环空中。

附图说明

图1是位于钻头内的侧向孔口排列的示意图；

图2是位于底部钻具组合内的侧向孔口排列的示意图；

图3是使靠近侧向井筒壁的孔口的远侧末端移动的调节孔口主体的示意图；

图4是使用来自孔口的液压力以抵靠钻头的旋转臂移动流体的面向钻头旋转导向系统的示意图；

图5是定向钻井控制推力块的主体内的孔口排列的示意图；

图6是说明在不同流量下环形间隙与侧向液压力之间的预期关系的图表；和

图7是说明了在不同间隙距离下侧向流量与侧向液压力之间的预期关系的图表。

具体实施方式

如图1中所示，这里说明了用于在不需要使工具导向部分与井眼100进行机械接触的情况下对井下钻具进行液压导向的方法。可以通过使在工具的一侧强制流出的一部分钻井液转向到工具10的侧向边缘与井眼100之间的相对较小的环形间隙h内来获得井下工具上的大致侧向液压力。如图1的示意图中清楚地所示，基于流动的几何形态(间隙宽度h和长度、侧向流体出口孔的尺寸等)，工具内部与工具外部之间的压差、流体特性及其它因素，以此方式在工具-井眼环空110中的工具/钻头50周围产生的压差可以产生较大的侧向力。以此方式在工具和/或钻头50上产生的侧向力可以足以提供对井下钻井系统的导向。可以通过使用类似于目前的偏置单元或导向单元设计但是代替目前的推力块-活塞组件而具有多个侧向孔口40(在横截面图中仅示出所述侧向孔口中的一个)的设计来获得侧向力。侧向孔口40出口区域需要充分靠近井壁或井孔内壁100以确保侧向孔口40位于其内的工具主体10的侧向边缘与井眼100之间的充分小间隙h，从而在工具-井眼环空110中在工具周围提供充分压差。还可以利用放置在紧接于钻头50本身的井径规10内的侧向孔口40来获得侧向力，其中，在钻井期间更加易于保持工具50与井眼110之间的较小间隙h(间隙越小，液压侧向力越大)。

当包括侧向孔口的整个钻井BHA在钻井期间旋转时，仅当侧向孔口中的一个或多个侧向孔口与钻井方向期望的变化近似相反时所述一个或多个侧向孔口才打开，同时所有其它侧向孔口闭合，直到所有其它侧向孔口变得与当整个BHA绕其纵向轴线旋转时的钻井方向期望的变化近似相反。可以通过使用用于打开和闭合传统的偏置单元或导向单元的导向推力块的流体通路的现有方法并且利用执行必需测量并提供控制和导向作用的传统的控制单元来实现和控制侧向孔口的相应打开和闭合，或这些孔口的钻井液通路的打开和闭合。例如，在与钻井BHA相同的转速但在相反的方向上旋转的反向旋转阀可以用于打开和闭合侧向孔口的钻井液通路，从而保持流动通过侧向孔口的流体对地静止，即，与地球在相同的相对方向/方位，同时钻井BHA的其余部分相对于地球旋转。流动通过侧向孔口的钻井液沿与钻井方向的期望变化相反的侧向方向上保持对地静止。

还可以通过诸如由实时测量相对BHA位置和定向的控制单元控制的活塞或阀机构的其它装置或通过其它方式实现侧向孔口的期望打开和闭合或这些孔口的流体通路的期望打开和闭合。

所述方法和机构还可以用于引导钻井BHA以沿其纵向轴线以直线的方式直线向前钻进。例如，上述旋转阀可以用于将钻井液流引导到一个或多个侧向孔口，以获得期望的侧向液压力和在相反方向上的相对应的钻头移动。当旋转阀不是保持对地静止而是所述旋转阀与BHA的其余部分完全或部分地一起旋转，或者部分地相对于BHA进行反向旋转时，在钻井液相对于地球在不同的方位的同时钻井液被有效地引导到侧向孔口，从而绕井眼在所有方向施加侧向液压力，并因此沿其纵向轴线引导钻井BHA指向向前。引导BHA以直线向前钻进的另一个方法是同时打开所有侧向孔口或闭合所有侧向孔口，同时沿直线钻进并且当BHA开始偏离直线轨迹时切换回到导向模式。

在如图4中所示的另一个实施例中，提出的方法可以用于通过将钻井液的一部分排放到钻具一侧的在井下工具本身的两个组成部件之间(例如，利用万向接头UJ连接在一起的工具内主体52与外套筒53之间)的工具-井眼环空内实现钻井工具51的导向，其中外套筒53连接到钻头轴54，而套筒53和钻头轴线相对于工具内主体轴线的、提供对钻头的期望导向的角偏移可通过类似的液压力获得。通过仅当侧向孔口与当BHA旋转时钻井方向的期望变化相反时打开侧向孔口，并且通过使用用于控制打开和闭合侧向孔口的上述方法中的一个，外套筒53和钻头轴线相对于BHA的其余部分保持角偏移，所述角偏移沿在期望的钻井方向上保持对地静止的角偏移的方向对工具进行导向。

当前的定向钻井系统使用具有弯接头的井下泥浆马达或具有导向部分的旋转导向系统(RSS)以产生2-D或3-D井眼轨迹。RSS系统相对于泥浆马达系统具有许多优点，并且当前最大程度地用于钻井应用。当前的RSS系统使用推进钻头或面向钻头方法以实现对钻具的期望导向。

当前大多数钻井市场被使用推动钻头技术的系统覆盖，所述推动钻头技术使用机械推力块200，所述机械推力块的示例在图5中被部分示出，所述机械推力块从钻具径向延伸并且推挤井眼100以在工具上获得侧向力，所述侧向力又迫使钻头沿作用于工具上的侧向力的相同的方向进行钻进。这些推力块系统的主要问题在于由于与井眼100的接触而产生的高磨损，这又产生高制造和修理成本，因此使得整体维修输送的成本更高。这里所提出的新方法最小化与井眼的机械接触，以便进行导向。

压降试验数据显示可以通过当前使用的钻具的内部与外部之间的压差并且利用钻井液的当前综合流量来获得大压差并因此获得大侧向力。图6和图7概述了这种关系。

可以通过将液压力施加到工具的一侧从而在相反的方向上获得对工具的导向来实现对钻具或钻头的导向。可以使用图2说明提出的本发明的原理。钻井液(泥浆)的一部分被转向通过侧向孔口(Q_s)并且进入到工具导向部分11与井眼100之间的窄间隙(h)内。对于侧向流体流(Qs)来说，每次仅打开工具一侧的孔口40以提供所述一侧与工具的相对侧之间的压差(P₁-P₂)，从而在工具和钻头上产生侧向液压力(F_s)，所述侧向液压力在与侧向流Q_s的相反的方向上对工具和钻头进行导向。压差主要通过将一定量的钻井液(以流体流量Qs)推动通过工具与井眼之间的紧密间隙(图2中的尺寸h)所需的压力来获得。由钻具的内部P₀和外部P₂之间的压差提供将流体推动通过窄工具-井眼间隙h所需的压力。

在另一个实施例中，如图1中所示，可以在钻头50的相邻侧向侧部迫使钻井液的一部分Q_s侧向排放到钻头井径规部分10与井眼100之间的更加紧密的环形间隙h内。依此方式，可以在较少的流体损耗的情况下获得用于对钻头进行导向的更高的侧向液压力F_s。此外，因为这种系统将消除对井下工具的整体单独的导向部分/模块的需要，因此这种系统不是很复杂。例如，诸如旋转阀的流动控制机构可以是控制单元的一部分，而用于导向的侧向孔口可以是钻头组件的一部分。通常，在钻头与控制单元之间具有单独的导向部分/模块，例如，偏置单元。如果在钻井期间图1中的工具50或图2中的工具11与井眼100之间的环形间隙(h)太大，或者所述环形间隙显著变化，图3中示出其示例的修改的孔口主体可以用于提供自动调节紧密环形间隙(h)。可调节接头(adapter)的内端部的流体压力p₀将径向向外推动接头300，从而在所述过程中减小环形间隙(h)。当环形间隙h足够小使得在接头300的外端上(在间隙h中)产生流体压力，所述流体压力在接头端部上产生向内的力，所述向内的力等于来自内部流体压力的在接头上的向外的力，接头达到平衡状态，从而产生可以小于先前示例所述的环形间隙的环形间隙(h)。可调节间隙(h)的尺寸主要取决于接头的几何尺寸、流体流的几何形态、和钻具的内部与外部之间的压差。因此，可以通过仔细指定和控制这些参数来获得和保持期望的自动调节环形间隙h。当接头300不用于导向时，并且为了防止所述接头从BHA径向突出太多，可以使用弹簧、或弹性体或其它装置以将接头保持在BHA中的最内部的位置，所述弹簧、或弹性体或其它装置的示例在图3中被示出。在另一个实施例中，提出的方法可以用于通过在井下工具本身的组成部件之间(例如，如图4中所示，利用万向接头(UJ)连接在一起的工具内主体52与外套筒53之间)在钻具的一侧排放钻井液的一部分来实现对钻具的导向，其中外套筒53连接到钻头轴54，其中套筒和钻头轴线相对于工具内主体轴线的、提供对钻头的期望导向的偏移角可由类似的液压力来获得。图4中的具体设计原理可以被优化以进一步限制套筒与工具内主体之间的流体的流出，从而增加两个部件之间的压力(p₁)，因此增加差压(p₁-p₂)并增加用于进行导向的液压侧向力F_s。

如图5中所示，提出的方法还可以与现有的钻具设计一起使用以最小化磨损和工具震动和振动。可以将少量钻井液在压力下通过推力块-井眼界面210处的推力块200进行排放，以在推力块上产生液压力F_s，或者消除推力块200与井眼100之间的机械接触。因为当将推力块推挤在井眼上时有源推力块与井眼之间的间隙非常小或者基本上不存在，因此仅需要排放少量的钻井液以获得推力块200与井眼100之间的相对较大的液压侧向力，并因此最小化或消除推力块200与井眼100之间的机械接触。

图6和图7中示出了与这里所述的导向方法相关联的侧向液压力的估计值。根据当水被泵送通过具有相同整体流体排出面积(所有喷嘴孔口的总面积)的井下喷嘴时测量的压降数据，估算工具与井眼之间的环形间隙h的、用于计算这些侧向液压力的压力。对于相同的总流动面积来说，环形间隙内的压力分布被认为与通过井下喷嘴的测量的压降相对应，即，环形间隙h中的流体流需要相同的压力，以当流体流动通过相同流动面积的喷嘴(总的喷嘴孔口面积)时可获得相同的流量。因为环形间隙h内的流动面积随着与侧向孔口的距离逐渐增加，因此在与侧向孔口的不同径向距离下估算间隙中的压力，并且侧向力被计算为每一个离散压力和相对应的工具面积的乘积的总和。虽然这些压力-力估计值基于来自不同流动系统的试验数据，但是所述压力-力估计值提供所研究的环形间隙h中的压力分布和钻井系统上的侧向液压力F_s的近似值。

如由图6和图7所示，对于许多实际流量和环形间隙来说，可以获得比在图6和图7中被显示为标准推力块系统的相应的商业钻井系统的推力块力更高的侧向液压力，这取决于被钻进的井眼尺寸以及其它因素。对于图6和图7中的示例，通过侧向孔口的实际流量(侧向流量)可以大约为100gpm，而实际环形间隙h可以大约为2mm，但是其它侧向流量和环形间隙同样可以是切实可行的。例如，利用图3中所示的方法和机构可以使得紧密环形间隙h是切实可行的，从而更进一步增加侧向液压力，并减小用于对钻井BHA进行有效导向所需的侧向流量。

另外，为了在环形间隙h中获得更高的压力，并因此获得用于对钻具进行液压导向的更高的侧向力，可以改变环形流的几何形态，使得对于相同的额定环形间隙h和相同的侧向流体流量Q_s来说，在靠近和远离侧向孔口的环形间隙中都可获得更高的压降。例如，可以在不同方向的多个点处的局部环形间隙内排放侧向流，以在更大的环形间隙区域中产生更高的压降和更高的压力，从而产生更大的侧向力(例如，相同环形间隙中的多个侧向流将克服彼此流动，从而可以在流体离开环形间隙区域之前产生更高的压降)。诸如不是限制性地包括改变流动和工具几何形状、流体特性、和压差的其它方法可以被替代，用于更加优化钻具上的液压侧向力，从而在最小中断的情况下对通过钻头的流体流提供充分导向。

已经公开了多个实施例及其替换物。虽然上述公开包括实施发明人所构思的本发明的最佳实施方式，但是不是已经公开了所有可能的替换物。为此，本发明的保护范围和限制不限于上述公开，而是相反旨在由所附权利要求限定和解释。