鑽井系統的製作方法

2023-07-27 02:47:51

專利名稱：鑽井系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種鑽井系統，並且具體地涉及一種用於在井眼的形成中使用以便隨 後採出碳氫化合物的鑽井系統。
背景技術：
通常在井眼的形成中所使用的導向鑽井系統的一種形式包括攜帶偏置單元的鑽 柱或鑽杆。偏置單元可操作以相對於井眼的相鄰部分將鑽杆保持在期望的偏心位置中。鑽 杆通常還攜帶被布置成驅動鑽頭以進行旋轉的井下馬達。偏置單元和馬達通常使用沿鑽杆 在壓力下被供應的鑽井液或泥漿以液壓的方式被供給動力。在使用中，通過鑽杆將鑽壓(WOB)施加到鑽頭載荷與鑽頭的旋轉一起用於使鑽頭 從井眼的端部鑿、刮或磨物質，從而增加井眼的長度。偏置單元的操作可以用於對鑽頭進行導向，使得可沿著期望的軌跡鑽井眼。

發明內容
本發明的目的是提供一種鑽井系統的可選形式。根據本發明的，提供了一種鑽井系統，所述鑽井系統包括連接到牽引單元的可旋轉 鑽杆；和導向鑽井系統，所述導向鑽井系統連接到牽引單元，並且可通過牽引單元進行移動。這種布置的優點在於在使用中，如果期望，鑽杆可以連續旋轉，從而減少鑽杆卡 鑽的風險，同時牽引單元提供可用於旋轉導向鑽井系統的穩定平臺。有利地，旋轉導向系統包括井下馬達。牽引單元的設置用於限制或控制鑽杆與旋轉鑽井系統之間的移動和力的傳遞。具 體地，牽引單元對由電動機的運轉產生的力起反作用，而不是將此載荷傳遞給鑽杆。同樣 地，鑽頭產生的反作用扭矩也沒有傳遞給鑽杆，從而減少了所述鑽杆的振動。牽引單元和旋轉導向鑽井系統可以例如使用通過鑽杆供應的流體以液壓的方式 供給動力。可選地或者另外地，鑽杆的旋轉和/或鑽杆傳遞的鑽壓載荷可以用於給這些部 件提供動力。此外，所述牽引單元和旋轉導向鑽井系統可以以電的方式被供給動力。牽引 單元和旋轉導向鑽井系統沒有必要使用同一動力源。牽引單元可以裝有例如用於將所述牽引單元的移動轉換成液壓能或反之亦然的 能量轉換裝置。可以通過位於地面或井下的控制單元自動控制這種裝置，或者可以手動控 制所述裝置。傳感器可以設置在牽引單元上，或者在別處設置在鑽杆與鑽頭之間以允許進行隨 鑽測量。例如，牽引單元與井眼壁之間的接合可以用於指示井眼的穩定性參數中的井眼的 形狀和直徑，並且提供隨鑽測量的壓力。


以下參照附圖以示例的方式說明本發明，其中
圖1是根據本發明的實施例的鑽井系統的一部分的示意圖；和圖2是類似於圖1的顯示了可選結構的視圖。
具體實施例方式圖1中所示的鑽井系統包括連接到鑽杆12的下端的牽引單元10。鑽杆12沿井 眼14的長度延伸到地面。鑽杆12被布置成在使用中從地面旋轉，並且被布置成供應有加 壓鑽井液或泥漿。通常，鑽杆12緩慢旋轉以避免卡鑽。鑽杆12可以具有多種形式。例如，鑽杆12可以包括撓性管或另一種管道裝置。牽引單元10設置有聯接裝置16，藉此，鑽杆12連接到牽引單元10。聯接裝置16 被布置成允許將通過鑽杆12供應的泥漿供應給牽引單元10。聯接裝置16還被布置成在 正常使用中，不會將鑽杆12的旋轉傳遞給牽引單元10，但是期望時，可以切換聯接裝置16 的操作模式使得牽引單元10與鑽杆12 —起旋轉或以比鑽杆12低的速度旋轉。便利地，傳 感器可操作以監測鑽杆與牽引單元之間的相對運動，並且存儲此信息或將此信息發送給控 制單元，其中，所述控制單元可以例如用於以抑制不期望的移動或振動的方式控制系統的 操作。通過允許鑽杆12獨立於牽引單元10旋轉，如果期望，鑽杆12可以連續旋轉，從而 減小鑽杆12卡鑽的風險。此外，鑽杆12的旋轉可以用於攪拌沿井眼通過的流體，從而減小 巖屑形成在所述井眼內。雖然聯接裝置16允許獨立旋轉，但是所述聯接裝置優選地是可鎖 定的，使得鑽杆12可以用於將扭矩施加給牽引單元10，用於例如在鑽杆在某一位置卡住或 被限制住的情況下釋放所述鑽杆。所述系統優選地被構造成在電源故障的情況下默認這種 設置。牽引單元10支撐有利地為泥漿動力馬達形式的井下馬達18。泥漿動力馬達18的 輸出被發送到導向控制單元20，所述導向控制單元又連接到鑽頭22。將要認識的是，在使 用中，馬達的操作迫使鑽頭22旋轉，同時導向控制單元20控制被鑽頭22佔據的方位或位 置，藉此在使用中控制井眼延伸的方向。當牽引單元10支撐馬達18、導向控制單元20和鑽頭22，且如下所述能夠用於將 鑽壓(WOB)載荷施加到鑽頭22，而不是使用鑽杆12支撐這些部件並且施加這些載荷時，與 通常相比，鑽杆12的壁可以更薄，並且所述鑽杆的直徑可增加，卻足夠堅固以支撐其自身 重量、承受所施加的流體壓力、並且支承在用於拉牽引單元10的情況下所施加的載荷。齒輪箱可以被設置成允許增加鑽頭22的旋轉速度。流體聯結器或行星齒輪箱或 等速齒輪箱可以被設置成調節扭矩和旋轉速度，由此將動力提供給鑽頭22。牽引單元10藉助於內部牽引系統抓住井眼14的壁並可沿井眼14的長度移動。牽 引系統可以是基於蠕動的系統，或者可選地，所述牽引系統可以包括軌道、輪子、差壓活塞、 滾螺旋管(rolling toroid)或螺釘操作的裝置。此外，這些技術的任意組合可以用於驅動 牽引單元10相對於井眼14移動。將要認識的是在使用中，牽引單元10的牽引系統的操 作可以用於將WOB載荷施加到鑽頭22，並且鑽壓載荷的施加與鑽頭22的旋轉一起使鑽頭 22從井眼14的端部刮、磨、或鑿物質，從而沿被導向控制單元20控制的方向增加或延長所 述井眼的軸向長度。牽引單元10根據控制系統中所含有的規則控制鑽頭的推進。可以選 擇所述規則以考慮鑽頭的類型、地層的特徵、鑽井和井眼條件和泥漿系統，且規則根據從適當的傳感器獲得的信息運行。單元10還通過控制馬達18的操作來控制鑽頭22的鑽進速 度以及控制旋轉速度。通常通過沿著鑽杆12與井眼14的壁之間限定的環形通道朝向地面 移動的鑽井液或泥漿的回流將由鑽頭22移除的物質從井眼14的下端衝掉。聯接裝置16的設置與牽引單元10的牽引系統結合將馬達和鑽頭所產生的反作用 力傳遞給地層，而不是傳遞給鑽杆12，從而減小所述鑽杆的振動。泥漿致動的、軸向伸出活塞24(參見圖2)可以設置在牽引單元10上以將WOB載 荷施加到鑽頭22並控制所述WOB載荷，和/或防止馬達18、導向控制單元20和鑽頭22的 軸向振動，例如，所述軸向振動可能發生在用於施加WOB載荷的鑽杆中。可以通過位於井下 或地面的計算機使用位於井下的定量閥控制活塞24，所述定量閥通過使用適當的傳感器的 輸出被控制。在這樣的布置中，牽引單元10的牽引系統對由活塞24施加的載荷起反作用。在WOB載荷總體上由牽引單元10施加，或由這種活塞24施加，或通過這些作用的 組合施加的情況下，可根據考慮了諸如總的鑽井速度、巖石類型、鑽頭設計、主要衝擊和振 動條件、和鑽頭振動的因素的控制算法的輸出便利地控制所施加的WOB載荷的大小。所設計的是，用於牽引單元10和包括馬達18以及導向控制單元20的導向鑽井系 統的主動力源將使用通過鑽杆12輸送的泥漿供應而以液壓的方式被驅動。可以通過使用 泥漿供應以驅動渦輪機，所述渦輪機又驅動發電機而生成電力。然而，將要認識的是可以使 用可選的驅動技術。例如，鑽杆12相對於牽引單元10的旋轉可以轉換成電能或液壓能，通 過使用相對旋轉以驅動發電機或驅動泥漿馬達以對井下流體進行增壓從而施加液壓動力。 通過控制發電機的操作，鑽杆的扭轉載荷可以被控制，並且如果期望可以用於將信號發送 到地面。如果期望，可以積極地驅動鑽杆的下端以增強這種作用。可選地，由鑽杆12施加的 鑽壓載荷可以用於提供動力。又一個可選的方案是通過電纜有線鑽杆、或可以攜帶強電流 導體的組合管提供電力。然而，也可以使用這些技術的任意組合。在設置能量轉換系統的 情況下，可以通過位於井下的控制器或位於地面的控制器自動控制所述能量轉換系統。此 外，可以通過位於地面的操作者部分地或全部手動控制所述能量轉換系統。如上所述，牽引單元10可以沿井眼14的長度被驅動，或者克服移動而保持在井眼 14內的期望位置中，並且可以用於將WOB載荷施加到鑽頭22。牽引單元10的牽引系統還 可以用於防止牽引單元10相對於井眼14旋轉運動。將要認識的是對牽引單元10相對於 井眼14的軸向位置的監測可以用於提供鑽頭22的位置的指示。此外，通過監測牽引單元 10與井眼14的壁的接合，可以監測井眼14的直徑和形狀，並且可以得到壓力隨鑽測量值。 對泥餅的變形的監測可以用於確定井眼14的穩定性參數。如上所述，鑽井液或泥漿的回流可以用於衝走通過鑽頭22移除的物質。如果期 望，牽引單元10可以形成對井眼14的壁的壓力密封，從而阻塞回流。通道或閥可以設置在 牽引單元10中以在這種情況下控制流體的回流。導向鑽井系統可以具有多種形式。例如，導向控制單元20可以包括偏置單元，所 述偏置單元可操作以將沿期望方向的側向作用載荷施加到鑽頭22，從而在期望的方向上推 動所述鑽頭。可選地，導向控制單元22可以裝有彎套，以及可操作以將彎套定向在期望的 方向上從而使得鑽頭22指向期望的方向的機構。其它系統是可以的。例如，可以使用非旋 轉滑動套筒旋轉導向系統，或者可以使用裝有推進鑽頭、面向鑽頭、或結合導向原理的其它 導向鑽井系統。
鑽頭22可以具有多種形式。例如，鑽頭22可以包括傳統的旋轉拖曳型鑽頭。然 而，可以使用其它形式的鑽頭。有線鑽杆系統可以用於允許地面與牽引單元10之間的數據通信。如上所述，這種 系統也可以或可選地用於將電力供應給牽引單元10。理想的是，可以沿鑽杆的長度裝入一個或多個另外的類似牽引單元(如圖2中所 示)以有助於在擴展範圍應用中進行控制。優選地，將優選地使用有線鑽杆連接件以實現 必要的通信速度來一致地控制牽引單元，從而實現上述優點。總之，牽引單元10提供了一種用於鑽井和操縱的穩定基礎。因此，可以實現更高 水平的R0P，並且可以更加精確地控制導向。因此增加了由於提高了對鑽頭22的W0B、扭矩 和旋轉速度的控制而增加了瞬時速度，並且通過避免或減小當從不是很穩定的平臺進行鑽 井時所產生的問題的停機恢復時的時間，ROP改進是直接的。將要認識的是在不背離本發明的保護範圍的情況下可以對上述布置做多種修改 和改變。
權利要求
一種鑽井系統，包括連接到牽引單元的可旋轉鑽杆；和導向鑽井系統，所述導向鑽井系統連接到所述牽引單元，並且能夠通過所述牽引單元進行移動。
2.根據權利要求1所述的系統，還包括井下馬達。
3.根據權利要求1或2所述的系統，其中，所述牽引單元和/或導向鑽井系統以液壓的 方式供給動力。
4.根據權利要求3所述的系統，其中，使用通過所述鑽杆供應的流體提供液壓動力。
5.根據權利要求1或2所述的系統，其中，所述鑽杆的旋轉和/或鑽杆傳遞的鑽壓載荷 用於給所述牽引單元和/或導向鑽井系統提供動力。
6.根據權利要求5所述的系統，其中，所述旋轉和/或鑽壓載荷用於生成電能和/或液 壓能。
7.根據權利要求1或2所述的系統，其中，所述牽引單元和/或導向鑽井系統以電的方 式被供給動力。
8.根據權利要求7所述的系統，其中，通過在電纜、有線鑽杆裝置、和設置在複合鑽杆 內的導體中的至少一個提供電能。
9.根據前述任一項權利要求所述的系統，還包括設置在所述牽引單元上或在別處設置 在所述鑽杆與所述鑽頭之間以允許進行隨鑽測量的傳感器。
10.根據權利要求9所述的系統，其中，所述傳感器允許監測井眼穩定性參數中所述井 眼的直徑參數和形狀參數中的至少一個。
11.根據前述任一項權利要求所述的系統，其中，所述牽引單元裝入井眼接合牽引裝置。
12.根據權利要求11所述的系統，其中，所述牽引裝置包括蠕動裝置、軌道、輪子、螺釘或壓差活塞裝置。
13.根據前述任一項權利要求所述的系統，其中，所述鑽杆與所述牽引單元之間的聯結 器是可控的。
14.根據前述任一項權利要求所述的系統，還包括設置在所述牽引單元上並且能夠操 作以移動所述導向鑽井系統的活塞。
15.根據前述任一項權利要求所述的系統，還包括沿所述鑽杆在中間定位的至少一個 另外的牽引單元。全文摘要
本發明公開了一種鑽井系統，所述鑽井系統包括連接到牽引單元(10)的可旋轉鑽杆(12)、和導向鑽井系統(18、20、22)，所述導向鑽井系統連接到牽引單元(10)並且可通過所述牽引單元進行移動。
文檔編號E21B4/18GK101918672SQ200880125158
公開日2010年12月15日 申請日期2008年11月19日 優先權日2007年11月21日
發明者傑弗裡·C·當頓, 羅伯特·阿特, 薩米·伊斯康德爾 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司