雙bha鑽井系統的製作方法

2023-05-09 00:51:06

專利名稱：雙bha鑽井系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於將側向井眼鑽進到包圍主井眼的地層內的設備和方法。
背景技術：
近年來，已經在多個位置鑽多側向井(從主井眼延伸的多口較小的井眼)。這樣 做的主要動機是提供與儲層的接觸，同時最小化總的鑽井成本。還由於海上平臺中的底座 的有效性被限制而使用多側向井。在大多數情況下，鑽多側向井通過多次起下鑽而需要復 雜的操作，從而浪費大量鑽井時間。側向井的固井也是一個複雜的操作與母井(parent well)的連接是限定側向井的質量和控制開採的方法的關鍵因素。近年來已經研發了利用來自鑽機的較少支撐更加快速鑽小側向井的多種技術。多 個方法已經提出了通過從由鋼絲電纜操作的系統鑽側向井。根據這種方法，在沒有鑽柱 或撓性管作為與地面的連接件的情況下可以鑽側向井。在EP1559864、W02004072437和 W02004011766中可以找到這種技術的示例。叢式鑽井工具還被公知為用於鑽延伸的孔眼 (通常比幾釐米的直徑長1米)。現有技術系統的一個示例是來自Corpro Systems有限公司的由主底部鑽具組合 (BHA)操作的SC0RE100工具。主BHA包括改良的鑽鋌，所述鑽鋌包括一體式造斜器。當專 用鑽鋌在主井眼中位於需要的深度處時，專用小直徑BHA可以下放在鋼絲電纜上的主鑽柱 內。這種小BHA包括取心筒、用於旋轉取心筒的小鑽進馬達、錨件、用於產生向前運動(穿 透深度(ROP)和鑽壓(WOB))的推進系統、和用於使流動轉向到小馬達內的膨脹式封隔器。 這種系統則可以自身固定到鑽鋌內，並且通過產生WOB的升降系統向前推動自身。地面泵 產生起動小馬達並且清潔小側向井的泥漿流。在開始軸向移動時，在主BHA外通過一體式 造斜器推動小BHA的末端，然後所述末端進入裸眼井，然後進入地層。側向井的軸線通常相 對於主井的軸線傾斜3-6度。這種系統可以鑽進達到100英尺的小井眼。通常，這種系統 用於取心。鋼絲電纜和工具具體地為ROP和WOB提供井下過程控制。所述鋼絲電纜和工具 還控制系統在鑽鋌內的固定以確保爬行運動。當完成側向井和取心過程時，利用鋼絲電纜 打撈小BHA。鑽鋌窗孔通常被通過小BHA鑽出的鋁球塞住。EP1M7936說明了這種技術的 其它細節。本發明的目的是提供一種可以有效地用於鑽側向井並且不需要用於部署小BHA 的這種顯著的中斷的技術。

發明內容
本發明提供了一種鑽井設備，所述鑽井設備包括鑽鋌，所述鑽鋌形成主鑽具組合的一部分，並且鑽鋌在其側部具有向外開口的溝 槽；和副鑽具組合，所述副鑽具組合包括管狀鑽柱，所述管狀鑽柱在一端連接到鑽鋌；
鑽進馬達，所述鑽進馬達安裝在鑽柱內；鑽頭，所述鑽頭安裝在鑽柱的另一端，並且連接到鑽進馬達，其中，副鑽具組合安裝在鑽鋌內以可在第一位置與第二位置之間移動，在所述第 一位置，鑽頭位於溝槽內，在所述第二位置，鑽頭從鑽鋌側部內的溝槽側向突起。在本發明的一個具體的優選實施例中，副鑽具組合包括活塞，所述活塞可滑動地 安裝在鑽鋌內，管狀鑽柱在一端連接到活塞，並且在鑽鋌內延伸，使得在第一位置與第二位 置之間的移動期間，活塞在鑽鋌內被推進。優選地，溝槽具有傾斜下端，所述傾斜下端傾斜到鑽鋌的外表面。溝槽能夠以連接 到鑽鋌的鑽具的工具面為參考，使得將工具面定向在具體方向用於以相對應的方式定向溝 槽。鑽鋌可以具有滑閥，所述滑閥能夠在第一位置與第二位置之間移動，在所述第一位置， 溝槽被遮蓋，在所述第二位置，溝槽打開。所述設備還可以包括縮進系統，所述縮進系統用於將副鑽具組合從第二位置移動 到第一位置。傳動軸優選地被設置成延伸通過鑽柱以將鑽頭連接到鑽進馬達。鑽頭可以包括支 承外殼(可以是彎外殼)，所述支承外殼包括鑽頭與傳動軸之間的連接件。支承外殼還可以 包括諸如類似於LWD或MWD傳感器的測量裝置。活塞通常還包括減壓閥，所述減壓閥用於在不需要移動活塞的情況下允許流體沿 著鑽鋌通過。鑽進馬達可以包括調節器，所述調節器根據馬達轉速控制旁路的打開。尤其優選 的是鑽進馬達可以包括報警器(siren)，所述報警器包括連接到活塞的定子和臨近定子安 裝並且連接到鑽頭的轉子。在這種情況下，轉子可以通過扭簧連接到鑽頭。還優選的是提 供相對於定子將轉子推進到打開位置的裝置(例如，磁體)。壓力檢測器可以被設置成用於檢測由於報警器的操作而產生的壓力脈衝並且生 成信號，並且控制系統被設置成用於使用信號以控制副鑽具組合的操作。活塞優選地包括在不需要移動活塞的情況下允許流體沿著鑽鋌通過的旁路。在一個實施例中，設置用於當副鑽具組合朝向第二位置移動時調節轉子和定子的 角位置的裝置。所述裝置可以包括在鑽鋌內的限定凸輪面的溝槽，當副鑽具組合移動時，轉 子定位鍵沿著所述凸輪面滑動。鑽鋌可以包括可操作夾緊裝置，所述可操作夾緊裝置可以作用在副鑽具組合上， 使得可操作夾緊裝置將副鑽具組合夾緊到鑽鋌的操作允許鑽鋌移動以移動副鑽具組合， 且可操作夾緊裝置鬆開副鑽具組合的操作允許主鑽具組合和副鑽具組合獨立移動。在一個 實施例中，夾緊裝置包括一對樞轉的偏心體，所述偏心體作用在副鑽具組合上。優選的是設置用於限制由副鑽具組合的操作產生的扭矩的裝置。這些裝置可以包 括在鑽柱上的細長鍵，所述細長鍵接合在鑽鋌內相對應的溝槽內；鑽柱的在鑽進馬達上 方的延伸部，所述延伸部包括在鑽柱上的細長鍵，所述細長鍵接合在鑽鋌內相對應的溝槽 內；或具有非圓形部分的鑽柱，所述非圓形部分滑動通過相應成形的密封件。連接點可以設置在副鑽具組合上，用於連接收回線以將副鑽具組合從第二位置移 動到第一位置。還可以設置第二活塞旁路和閥裝置，以將鑽鋌內的流體流引導到活塞的下側，從而將副鑽具組合從第二位置移動到第一位置。根據另一個實施例的鑽具組合還包括控制機構，所述控制機構可操作以迫使副鑽 具組合從溝槽出來。在這種情況下，副鑽具組合可以通過鉸鏈連接到鑽鋌並且鑽柱是柔性 的。在可選的實施例中，副鑽具組合包括位於鑽鋌內的管內爬行器裝置，管狀鑽柱在 一端連接到管內爬行器裝置，並且在鑽鋌內延伸；其中，在第一位置與第二位置之間的移動 期間，管內爬行器裝置在鑽鋌內被推進。在上述鑽具組合中，其中主鑽具組合被構造成在套管內鑽窗孔，副鑽具組合可以 通過窗孔被推進。一種使用上述鑽井設備鑽井眼的方法，所述方法包括以下步驟鑽主井眼；將鑽井設備定位在主井眼內的預定位置處；操作副鑽具組合以遠離第一位置推進鑽頭並且側向鑽進到包圍主井眼的地層內 並形成側向井眼；以及將副鑽具組合收回到第二位置。主鑽具組合可以用於鑽主井眼。所述方法還包括以下步驟在副鑽具組合鑽入地層的同時，推進鑽鋌。在這種情況 下，這可以包括在副鑽具組合鑽入地層的同時，在主井眼內將鑽鋌交替地推進和縮進一短距離。在主井已經下有套管的情況下，所述方法優選地包括以下步驟在操作副鑽具組 合之前使用主鑽具組合在套管內開窗孔，以通過窗孔鑽入到地層內。本發明基於安裝在主BHA(主鑽具組合)內的小BHA(副鑽具組合)的組合。主 BHA允許以大致傳統的方式鑽井。主BHA可以包括諸如旋轉導向系統或馬達、MWD和/或 LWD裝置等的裝置。主BHA包括專用鑽鋌，所述專用鑽鋌包括小BHA。具體地，專用鑽鋌包 括窗孔或溝槽，從而允許小BHA從主BHA的內部孔移動到外側。改良的造斜器可以集成在 開窗鑽鋌內。在鑽側向井期間，主BHA類似靜止。小BHA包括馬達(優選地為導向馬達)，可以 將所述小BHA向前推並且使所述小BHA進入地層。通過適當的導向，則可以遠離主井鑽小 側向井。通常以滑動模式執行鑽進。當完成側向井鑽進時，小BHA縮進到主BHA內。然後， 主BHA在主井內重新開始正常操作(例如，鑽得更深)。在優選的方案中，實施是基於機械系統的。還可以在套管井中操作雙BHA系統。在這種情況下，第一鑽頭被磨銑鑽頭替換以 在套管內開窗。則可以在不需要起下鑽的情況下，小BHA可以鑽側向井。基本原理的具體修改包括-小BHA可以裝有儀器，使得遠離主井可以執行測井。-由於此雙BHA，因此可以改進並且開發多儲層應用。-可以實施特殊匯接點(junction)以在開採的流體進入側向井並且流入到主井 的同時確保從主井到側向井的循環。這種技術對於稠油應用和在地層內開採的流體的特殊 處理尤其有用。


圖1和圖2顯示使用本發明鑽進的側向井；圖3和圖4顯示根據本發明的設備的第一實施例；圖5和圖6顯示圖3和圖4的實施例的部分的細節；圖7顯示根據本發明的設備的第二實施例；圖8顯示圖7的報警器的俯視圖；圖9顯示對於圖7的報警器來說打開百分比與旋轉的圖；圖10顯示對於圖7所示的報警器來說平均時間打開百分比與馬達RPM的圖；圖11顯示對於圖7所示的報警器的平均時間壓差(壓差)與馬達RPM的圖；圖12顯示對於不同的馬達曲線RPM與WOB的圖；圖13顯示對於根據本發明的設備的第三實施例中的報警器來說調製信號與時間 的圖；圖14顯示了根據本發明的設備的第三實施例的一部分；圖15顯示根據本發明的設備的第四實施例；圖16顯示根據優選的方法的本發明的實施例的操作；圖17顯示根據本發明的設備的第五實施例；以及圖18和圖19顯示利用根據本發明的設備所鑽的井眼軌跡。
具體實施例方式本發明的目的是提供一種不需要在(側向井和/或主井的)連續鑽井操作之間進 行起下鑽的情況下從主井12鑽多口小側向井10的系統(參見圖1和圖2)。側向井10的長度通常在15-100英尺的範圍內，而直徑從1. 5英寸變化到3. 5英 寸，並且垂直間隔14可以小於1米。側向井的軌跡的半徑通常恆定，以達到幾乎垂直於主 井的方向在這種情況下，側向井的曲率半徑通常從10到50英尺，這使得遠離主井的鑽進 深度16達到20m(參見圖1)。對於其它應用，側向井軌跡可以是直線(參見圖2)，且軸線 與主井12在2-7度的度數18之間。主BHA基於要實現的目標主要由傳統的部件構造而成。從底部開始，BHA顯而易 見包括鑽頭。所述鑽頭可以包括旋轉導向系統或導向馬達、穩定器和柔性接頭。對於鑽井 目標來說如果需要的話，還可以增加MWD和LWD測井儀。小BHA系統包括在如圖3中所示 的專用鑽鋌中。雙BHA包括主BHA 20和小BHA 22。主BHA 20鑽主井24，而小BHA 22鑽側向井。 雙BHA的一些部件直接包括在主BHA 20中。具體地，具有側窗28的專用鑽鋌沈允許小 BHA 22從主BHA 20移動出來和進入主井M的側面的裸眼井M和地層30內。這種開窗鑽 鋌沈具有外溝槽32，所述外溝槽在其下端終止於傾斜滑塊(或造斜器)34。窗孔觀的工 具面通常以主BHA 20的MWD工具面為參考，以允許在側鑽開始之前將它定向在正確的方向 上。小BHA 22是在主BHA 20內滑動的連續系統。所述小BHA的下末端在開窗鑽鋌沈 的外溝槽32內。所述小BHA通過開窗鑽鋌沈的外溝槽32的頂部處的軸向滑動密封件34從主BHA 20的內部穿到外部。小BHA 22從下往上包括鑽頭36 ；鑽進馬達38，所述鑽進馬達可以通過延伸的傳動軸39以旋轉地方式驅動鑽頭 36 ；鑽柱40 ；可以將小BHA 22推出鑽鋌沈的系統在此實施例中，所述系統是具有流動旁路 43的液壓活塞42，但是還可以是以下所述的機械系統-控制單元44，所述控制單元44允許控制小BHA22的操作(此控制單元可以是 機械或電機械的)；-當需要時允許小BHA22縮進到主鑽鋌沈內的系統在這種情況下，設置鋼絲 鑽杆吊鉤46以允許鋼絲通過打撈工具抓所述鋼絲鑽杆吊鉤並且向後拉所述鋼絲鑽杆吊鉤 (如下所述其它方法也是可以的)；和-鎖住系統(未示出)，所述鎖住系統允許當將要停止小BHA22時將小BHA 22鎖 定在主BHA 20中。在使用中(參見圖4)，當沿著主BHA 20泵送鑽井液時，由於此活塞上的流體壓力 產生用於小BHA 22的W0B，因此通過滑動活塞42向前推動小BHA 22。小BAH22的鑽頭36 通過傾斜表面(或造斜器)34初始被側向推動。在一些位移之後，小BAH22的前端位於地 層30內並且以滑動模式用作導向馬達。然後，所述小BAH22的前端確立角度並且側向軌跡 遠離主井M移動。小BHA 22包括被改良的導向馬達。鑽頭(直徑通常為1. 5-3. 5英寸)連接到鑽 頭盒/支承外殼48 (類似於傳統的小導向馬達的鑽頭盒/支承外殼)。在支承外殼48上 方，還安裝了彎外殼，使得馬達在所需的方向上對側向井50進行導向。在彎外殼48位於包 括主井M的平面內的情況下，側向井50的平面還包括主井M。在這種彎外殼定位的情況 下，鑽頭僅僅需要考慮當將在井中定位鑽鋌時開窗鑽鋌26的方位角系統然後將在相同的 平面內鑽側向井50。在彎曲外殼48上方，安裝鑽柱40以將馬達部分38連接到支承外殼48內的軸。這 可以達到30米長(或更長)。利用這種延長部，馬達動力部分38保持在主BHA 20內並且 沒有沿著側向井50的銳曲線彎曲。通過這種設計，馬達38沒有受到井眼彎曲率的影響。延伸的傳動軸39可(側向)彎曲以跟隨井眼彎曲率。此外，所述延伸的傳動軸替 換轉子與鑽頭驅動軸之間傳統的萬向接頭。這種軸可以由鈦製成以支撐彎曲(在旋轉時具 有相關聯的疲勞)以及來自鑽進扭矩的應力水平。馬達38 (由於馬達38兩端的流體壓力 差)還產生向下力。這種力還施加到延伸的傳動軸39，並且往往在軸內產生彎折，因此，所 述軸還必須在其長度上被徑向軸承(未示出)支撐。還可以需要扭曲衰減系統52(參見圖 5)對延伸軸39內的扭曲共振進行衰減。為了允許較大的(緊密的)井曲率，支承外殼48相對較短。然而，如果需要的話， 所述支承外殼還可以包括小外殼56以支撐一些測量裝置。通過這種馬達系統，將以滑動模式鑽側向井50。所述側向井將具有幾乎相同的造 斜率。在一些情況下，適當的是鑽幾乎平行於主井M(僅具有幾度偏角)的側向井50。在 本申請中，可以使用直管式發動機(在外殼48中沒有彎曲)。通過一體式造斜器34的斜率實現偏斜。延伸的馬達包括在支承外殼48與馬達動力部分38之間的鑽柱40。鑽柱40通常 具有1.2-2. 5英寸的直徑。此鑽柱不旋轉，所述鑽柱僅為鑽頭36傳遞W0B。扭矩通過在內 部延伸的傳動軸39傳遞。鑽柱40可彎曲以在最小化與地層30的接觸的同時以彎曲的方 式通過。在一些應用中，這種管可以是鈦或用於高柔性的複合材料(纖維和環氧樹脂)。可 以考慮橢圓形部分以傳遞適當的W0B，並且確保在曲率平面內的更側向的柔性。顯而易見，馬達38和鑽柱40必須足夠小以在主鑽鋌沈內滑動。如果主BHA 20 的直徑為6. 75英寸，則鑽柱40可以為2又3/8英寸或2又7/8英寸。其它尺寸可以是適 當的。如圖6中所示，專用鑽鋌沈允許小BHA 22從主BHA 20移動出來。這種鑽鋌具有 外溝槽32，所述外溝槽在其底部終止於傾斜表面(一體式造斜器)34。溝槽的頂部具有小 軸向孔和密封件34以允許小BHA 22滑動通過。鑽頭36、馬達支承外殼和彎外殼48當沒 有鑽進到地層30時通常保持在溝槽32內，而鑽柱40在開窗鑽鋌沈的滑動密封區34內滑 動。此密封件34可以以其最簡單的形式形成緊密配合孔。這確保在鑽鋌沈內流動的泥漿 58被迫朝向主鑽頭(未示出)向下。任選的可撈取塞60可以設置在密封部分34內。支承部分(或彎外殼)48的具體接觸表面在傾斜表面34上滑動，以將外殼48推 到鑽鋌26的外部(並且迫使鑽頭36進入地層內)。這種過程提供最小化導向(滑動)表 面的磨損的優點。因為鑽頭齒由於與金屬導向表面的接觸而不會破壞，因此這種導向方法 還可與巖石鑽頭一起使用。當小BHA 22完全縮進時，鑽頭36則接合在鑽鋌沈內的溝槽32中，使得所述鑽頭 不能徑向移動。鑽頭36位於並保持在主鑽鋌沈的直徑內。這避免了當主BHA 20在主井 24內移動或旋轉時鑽頭36與地層壁接觸。外鑽鋌溝槽32延伸幾米。當鑽柱40在側向井 50內接合時，主BHA 20可以在主井M內軸向移動幾米，而對鑽柱40來說卻沒有切斷的風險。在這種原理中，用於小BHA的鑽壓通過施加到滑動活塞42的壓力生成。這種活塞 在鑽鋌26的孔內滑動並且連接到小BHA 22的頂部。活塞42還具有流動旁路43以確保在 將壓力保持在活塞42上的同時流體仍然可以沿著主BHA 20流動。基於所述設計，作用在 活塞上的流體壓力可以作用在10-15平方英寸的表面上。因此，在滑動活塞42兩端可以出 現達到500PSI。這種組合然後可以生成達到5000-7500磅的較大的向下力。因為與所考慮 的鑽頭尺寸(直徑為25-35英寸)相比這非常大，因此在大多數情況下需要低壓力。通過上述設計，可以預料的是通常30%的總流動將通過馬達38 (當鑽側向井50 時)。如果馬達38停止，小BHA 22兩端的壓降增加並且通過滑動活塞42的流動旁路埠 43的流動將會增加這表示壓力增加，然後WOB因此也增加。這使得當在停止時難以潛在 地控制小BHA 22，WOB甚至稍微增加，從而進一步阻礙鑽頭，並且保持停止狀態。為了避免 這種情況，可以將流量控制閥安裝在滑動活塞內以確保當馬達RPM下降(或發生停止)時 WOB減小。圖7顯示在本發明中使用的馬達部分的具體優選形式的一部分。馬達38包括用 於鑽井應用的典型的Moineau型馬達。這種馬達的轉子(未示出)驅動旋轉閥62，所述旋 轉閥包括類似於通常用於MWD遙測技術的報警系統的轉子64和定子66。此旋轉閥62位於旁路70內，所述旁路連接到活塞42，並且定子66固定到所述旁路。所述旋轉閥通過控制流 動通過旁路70的流體量來控制活塞42兩端的壓降。施加到滑動活塞42的表面的壓力產 生用於小BHA 22的W0B。報警器62的轉子64通過扭簧68連接到馬達38。此外，報警器 62的轉子64和定子66具有磁體72、74 (參見圖8)，所述磁體往往通過推動轉子64的葉片 以與定子66的葉片對齊而不是位於定子66的開口內而保持報警器打開。當馬達38以恆 定速度旋轉時，報警器轉子64因為位於打開位置而具有不穩定旋轉(參見圖9)。具體地， 當馬達38沒有旋轉時，報警器62 (由於連接彈簧68的扭曲)打開。因為這種特性，報警器62的時間平均打開(time-averaged opening)從當沒有旋 轉時的100%變化到高速下的近似50% (參見圖10)。流動轉換(flowswitching)通常可 以從10赫茲變化到75赫茲。然而，由於小BHA的慣性，流動轉換的最高頻率優選的是允許 更容易的WOB的時間平均。如圖11中所示，報警器62兩端的「時間平均」壓降隨馬達RPM變化。所述壓降可 以通過報警器62的機械設計(彈簧68的剛度、轉子64的質量、磁體的力等)來調節。圖 10顯示低時間平均打開(即，更高的馬達和轉子RPM)產生更高的WOB (圖11)。高WOB的作用是降低馬達38的RPM。如果RPM足夠低，則報警器62將自動減小 WOB (圖10和圖11)，使得得到平衡以允許馬達停留在適當的RPM下。如果馬達接近失速狀 態，則RPM非常低並且報警器重新打開，以及WOB急劇下降。總之，馬達將會具有取決於傳 統的馬達曲線(RPM與流量)的操作點。RPM響應還取決於鑽頭特徵以及巖石特性。在圖12中對兩種情況示出了馬達曲線和控制函數的組合。如圖所示，控制曲線顯 示當RPM為零時(在馬達的失速點處)W0B仍然存在。這是由於流體壓力仍然施加在鑽鋌 窗內的滑動密封件的部分上，從而向前推BHA。控制函數曲線應該儘可能地水平與滑動密 封區相比，報警器的控制表面應該更大。此外，與小BHA (小馬達和小鑽頭)22兩端的壓降 相比，由報警器62產生的壓力脈衝應該更高。例如，小BHA 22的壓降大約為500PSI ；報警 器的壓力脈衝為1000PSI。控制表面與密封區的比可以為2，從而為操作提供四倍力比。如果在沒有與控制系統解開的情況下馬達在失速位置處被阻塞，則如下所述需要 使小BHA 22離開井底以允許馬達38重新啟動。進行控制的另一種方法是使用離心調節器。馬達38可以被布置成從所述馬達的 上端驅動離心調節器，所述上端連接到流動旁路埠。在高RPM下，調整器閉合流動旁路端 口，這增加了滑動活塞兩端的壓降，從而增加具有降低RPM作用的W0B。當馬達RPM降低時 產生反作用離心調節器使閥的開度更大，從而降低活塞兩端的壓降，由此減小W0B。這種 WOB減小允許馬達增加RPM以得到所述馬達適當的操作點。提出的調節系統都是自動調節的。所述調節系統不需要人的幹預。還可以在主BHA 20中使用夾緊裝置以可操作地夾緊小BHA 22來控制W0B。在這 種結構中，主BHA 20將小BHA 22向前推動通常1米或2米的距離。這通過僅向下作用的 夾緊系統來實現當主BHA 20向下移動時，所述主BHA夾住小BHA 22 ；並且兩個BHA 20,22 一起移動。(通常)在1米或2米的行程之後，大BHA 20向上移動1米或2米夾緊系統 在此移動期間鬆開小BHA 22。由於馬達兩端的流體壓力，小BHA 22(通常與底部上的鑽頭 一起)保持在其深度。當主BHA 20已經上升適當的距離(1米或2米)時，所述主BHA然 後再次向下移動，使得所述主BHA再次夾緊小BHA 22。通過這種設計，主BHA 20必需上下移動較短的行程(通常為1米或2米)。當所述主BHA每次向下移動時，小BHA22也向下移動。必須通過控制單元使夾緊系統無效以在鑽井操作結束時允許小BHA22縮進到主 BHA 20 內。夾緊系統可以由兩個偏心器(例如，套管井牽引車的接觸通路)組成。這些偏心 器優選地與鑽柱具有均勻的接觸面積以避免局部變形。當以滑動模式鑽進時，重要的是確保馬達38在其正確的RPM下運行。為了解決此 問題，可以使用通過報警器對鑽井液中的聲信號進行調製。調製信號的頻率與馬達RPM直 接成比例。在地面處，檢測此信號並且所述信號的頻率是馬達RPM的測量值。如果此信號 表示馬達正在錯誤地運行時，鑽頭可以採取適當的校正動作。用於WOB調節的報警器可以起到到地面的信號發生器的作用，或者專用報警器可 以安裝在到達系統的總流中，或安裝在分流(例如，馬達兩端的流動)中。同樣重要的是在鑽側向井期間確定是否實現穿透深度。基於所使用的控制系統， 可以獲得此信息。例如，如果在側向井鑽進期間鋼絲連接到小BHA 22的頂部，通過鋼絲的 移動檢測側向井穿透深度。另一種方法是將WOB控制系統的報警器定子的角位置改變與 180度信號調製(這對應於兩個相鄰葉片之間的角距離的一半)相對應的角度。這種改變 將在信號VS時間曲線圖(圖13)中表現為急劇的信號變化X。這種角位移可以通過改變 主鑽鋌26內的溝槽76的路徑而獲得，定子的反向扭矩鍵78在所述溝槽內滑動，且溝槽76 限定凸輪面。鍵槽76由例如0. 5英尺的直線段形成，所述直線段由將溝槽偏移適當距離80 以給出定子的角位移以及由此給出信號的傾斜部分連接(圖14)。因此，對於小BHA 22的 每一個0. 5英尺的穿透深度都會出現峰值X。可能需要的是使機械相位可選地移動到右側 和左側以避免系統大的機械旋轉。另外的方法需要檢測小BHA是否在其位移行程的端部。一種簡單的方法是提供活 塞與所述活塞在其內滑動的孔之間的間隙，使得當活塞到達間隙時活塞兩端的壓降急劇下 降這可以在地面處觀察到。通過將主BHA下放小位移(例如1英尺)來重新接合活塞，以 重新在孔中接合活塞並重新確立壓降。通過連續移動，鑽機可以完全確認行程檢測結束。基於設計，滑動活塞的衝程可以小於一個鑽鋌長度(例如IOm)或者達到30m或 30m以上。滑動活塞42可以由在主鑽鋌沈的孔內直接滑動的實心活塞組成。所述滑動活塞 可以通過諸如襯墊或0形環的橡膠元件進行密封，或者所述滑動活塞可以插入在孔內，且 留有小間隙(當間隙內有壓降時)這種小間隙則用作流動節流器。為了更靈活，活塞可以 具有在鑽鋌孔內滑動的橡膠皮碗。這種橡膠皮碗可以適應鑽鋌之間較窄的銷直徑。因為橡 膠皮碗不在鑽鋌銷部分內時可以適應大直徑，因此這種系統提供更好地密封和可能更大的 WOB。馬達38產生用於小BHA 22的鑽進扭矩。顯而易見具有必須傳遞給主鑽鋌沈而 同時允許小BHA 22在主BHA 20內的軸向移動的反扭矩。對此三個系統被認為是尤其優選 的-鑽柱40(在其長度上)具有長鍵，所述長鍵在主鑽鋌沈的導向系統的槽內滑動。-小管在馬達38的上方連接。這種管具有等於鑽柱40(或小BHA22的最大可鑽進長度)的長度。這種管與在主鑽鋌沈的孔內的小BHA 22 —起軸向移動。這種管在其整 個長度上具有鍵槽。(當它縮進在主鑽鋌沈時)鍵在馬達38的正上方的位置處連接到主 鑽鋌26。-橢圓形形狀鑽柱40。這種橢圓形形狀形成與主鑽鋌沈的導向系統相同的形狀。 這種形狀允許扭矩從小BHA 22傳遞到主鑽鋌沈。當橢圓限定好時可以進行密封。當小BHA 22完全縮進時，必須停止驅動馬達38的液體流。這通過小BHA 22的 頂部處的密封系統來實現當完全縮進時，密封塊位於連接到小BHA 22的流動通道的頂部 處，使得可以沒有流動。需要的是小BHA 22可以縮進在主BHA 20內。多個系統可以用於這種操作。一種系統基於與打撈工具一起使用的鋼絲。鋼絲被下放在鑽柱內打撈工具抓取 滑動活塞42 (參見圖幻的頂部上的專用鉤子46。然後，向上拉鋼絲這確保在主BHA 20內 的縮進。在完全縮進之後，鬆開打撈工具，然後從鑽柱移除鋼絲。在整個小側向井的鑽進期 間，可以將鋼絲連接到小BHA22。另一種方法是使用系統內的壓差以生成用於使小BHA 22縮進的向上力。圖15中 示出了這種系統。利用這種系統，可以根據流動瓣(flow flap) 82的位置使WOB活塞42的 噴嘴中的流動反向。當流動瓣82打開時，泥漿的一部分流動通過馬達通道84 (並且驅動鑽 頭36旋轉)。主流通過主旁路埠 86和副旁路埠 88進入到主BHA 20。這種流動在被 向下推動的WOB活塞42兩端產生壓差(並且向下推動鑽頭36)。流動瓣82可以通過控制 單元44打開和閉合。當片82閉合時，小流動將經由旁路連接件90向上移動。此流動然後 向上通過副旁路88，並且最後向下沿著馬達通道84流動到馬達38和鑽頭36 ；然而，這種流 動是可忽略的。主流在主BHA 20兩端產生壓差。這種壓力此刻產生到滑動活塞42上的向 上力，使得小BHA 22在主BHA 20內被向後拉。當使用雙流動瓣系統時反向效應甚至可以更強流動瓣的第二部分(未示出)允 許通過主旁路86的流動被切斷。兩個瓣總是在相反的位置(一個打開，另一個閉合)。在本發明中可以應用多種控制單元技術。一種方法是使用鋼絲以控制鎖定件和流 動瓣閥82。在開始工作時，在適當的次序之後可以拉鋼絲以解開小BHA並且切換流動瓣閥 82。在工作結束時，可以使用同一鋼絲以使小BHA 22縮進並且再次切換流動瓣閥82，以及 重新將小BHA 22鎖在主BHA20中。可選地，控制單元44可以基於液壓和機械指令。可以採取不同的方法-具有J形槽機構的滑動工作筒，所述滑動工作筒在旋轉的情況下以交錯的方式 上下移動。-可以壓縮或者不取決於是否已經首先建立了泥漿流的滑動工作筒。-用於通過伸縮片確保套筒的制動(drag)的旋轉。如果泥漿流以適當的次序被起 動，則只可以實現旋轉。-通過流量變化設定的液壓鑽頭。這種系統通常在流動周期開始時操作。然後，通 過從沒有流動到高流動到中間流動(或不同的次序)，預定定時允許系統開始鑽側向井或 停止鑽井。利用這種系統，容易判定是否小BHA 22應該在縮進和鎖定模式或用於鑽進的釋 放模式。液壓機械控制單元的主要優點是簡單的設計、維護和操作。
電氣控制系統也是可以的。電氣控制系統可以基於用於進行設定和控制的雙向遙 測技術。電氣控制系統可以通過電鋼絲電纜進行控制。這提供了充分的靈活度和高數據率 如果在鑽側向井的同時執行測量，這是有用的。鑽側向井花費一些時間(從幾分鐘到1小時)。在此期間，主BHA 20可以在左側 處於靜態模式。這十分危險，因為卡鑽的風險是不可忽略的。為了最小化這種風險，系統被 設計成允許主BHA 20在主井M內連續移動。主BHA 20可以向上20A和向下20B移動短 距離(通常在幾米的範圍內)。由於鑽鋌沈內的外溝槽32，這種移動是允許的。在小BHA 22不需要來自傾斜板34的側推(鑽頭36完全接合在地層30內)時，由於鑽頭36此刻在 側向井50內進行自動導向，因此主BHA 20可以緩慢向下移動。顯而易見的是主BHA 20的 向下移動受限於鑽鋌溝槽32的上端。還應該注意的是如果鑽鋌溝槽32的側壁被除去，主 BHA 20還可以稍微左右(通常為45度)振蕩。鑽井液流動通過主BHA鑽頭(未示出)，使 得在主井M的整個長度上可以確保良好的循環。這還起到了限制卡鑽的風險的作用。這 種循環還起到了將在側向井內生成的鑽屑提升到地面的作用。在小側向井中，將鑽井液循環速度保持在適當的速度下以在側向井的整個長度上 將鑽屑提升到主井。小BHA還可以上下移動用於在側向井內清潔鑽屑並且限制卡鑽的風險。如果小BHA卡在側向井內，則可以向上拉主BHA以在主井與側向井之間的交叉點 處切斷小BHA。這允許使主BHA自由，從而限制損失。小BHA可以支持各種類型的測量(例如，方向和傾角、局部電阻率、井間電阻率、井 間聲速等)。通過一些設計修改，小BHA可以通過主鑽柱利用鋼絲進行打撈。小BHA底部周圍 的可打撈塞60 (圖6)允許從鑽頭到流動瓣閥和控制單元的所有部分被打撈出。打撈小BHA 的能力允許替換壞掉的小BHA或用於將其它工具安裝在側向井內的窗孔打開。這些其它工 具可以是機械或電的。所述工具可以通過鋼絲或鋼絲電纜被下放。這些工具中的一些允許 在側向井中進行技術介入(例如，簡單完井的充填)或(通過微電纜測井儀)在小側向井 中進行測井。圖17顯示本發明的具有簡單設計的又一個實施例。小BHA 90包括在鑽鋌94的 外溝槽92內，並且通過鉸鏈96連接。小BHA 90還是柔性的。當要鑽側向井時，機械控制 機構98將小BHA 90的前端推到外側。同時，鑽井液流開始通過小馬達100。當小BHA 90 開始進入地層內時，主BHA 102緩慢向前移動，從而確保小BHA 90移動進入到地層內。如 果小BHA 90具有彎外殼，則將遠離主井對側向井進行導向。本發明的又一個實施例是在主BHA內使用管內爬行器或牽引機以推進小BHA。可 以從主鑽柱內的鋼絲電纜操作這種系統。控制單元將鑽井液流朝向小BHA引導。因為這種 系統可以移動長距離，因此這種系統是柔性的。作為電控制單元的替代物，所述電控制單元 還可以基於MWD和旋轉導向系統技術。當使用鋼絲電纜時，在側向鑽井之前下放電纜(並 且任選地，控制單元)，並且在操作結束時收回所述電纜。可以在下套管井中使用上述雙BHA系統的變形。在本申請中，主BHA鑽頭然後由 開窗銑磨鑽頭(和造斜器)替換。另一個實施例包括兩個小BHA，且一個具有磨銑鑽頭，另一個具有鑽進鑽頭。控制單元的設置會稍微更加複雜，以避免兩個小BHA的設置之間的混淆。事實上，這種系統具有 三個可能的鑽頭要部署a)兩個縮進的小BHA，主BHA上的鑽進/磨銑鑽頭；b)頂部為以鑽進模式的小BHA，底部縮進；和c)頂部為縮進的小BHA，底部為磨銑模式的小BHA。側向井可以具有比圖1和圖2更加複雜的形狀。在一個實施例中，這例如通過引 導反扭矩延伸部的鍵的溝槽的特殊形狀機械實現。對於一些現場應用來說，側向井104可能需要具有圖18中所示的S形狀。這確保 側向井的端部近似平行於主井106。為了提供這種軌跡，小BHA的工具面在位移的中間處旋 轉180度。運動反應通過上「反」扭矩延伸部傳遞給鑽鋌，並且鍵槽在鑽鋌中盤旋180度。 當來自「反」扭矩延伸部的鍵到達此位置時，小BHA被迫自行半轉。螺旋的螺距優選地延伸 幾米的距離以避免小BHA的另一末端處的彎外殼的高度扭曲。對於其它應用來說，有益的是如圖19中所示在主井106周圍鑽螺旋狀側向井108。 為了實現此圖案，連續調節彎外殼方位角以遠離馬達當前的平面操縱所述馬達。為了實現 這種工具面設定，引導「反」扭矩延伸部的反扭矩鍵的鍵槽設置有適當的螺旋。例如，可以在 具有5米半徑15米螺距的「圓柱面」上鑽側向井。這表示該井相對於主井傾斜45度。每 一次旋轉需要大約21米的位移，並且側向井可以轉兩圈。
權利要求
1.一種鑽井設備，包括鑽鋌，所述鑽鋌形成主鑽具組合的一部分，並且所述鑽鋌在其側部具有向外開口的溝 槽；和副鑽具組合，所述副鑽具組合包括 管狀鑽柱，所述管狀鑽柱在一端連接到所述鑽鋌； 鑽進馬達，所述鑽進馬達安裝在所述鑽柱內； 鑽頭，所述鑽頭安裝在所述鑽柱的另一端，並且連接到所述鑽進馬達， 其中，所述副鑽具組合安裝在所述鑽鋌內以能夠在第一位置與第二位置之間移動，在 所述第一位置，所述鑽頭位於所述溝槽內，在所述第二位置，所述鑽頭從所述鑽鋌側部內的 所述溝槽側向突起。
2.根據權利要求1所述的鑽井設備，其中，所述副鑽具組合包括活塞，所述活塞可滑動 地安裝在所述鑽鋌內，所述管狀鑽柱在一端連接到所述活塞，並且在所述鑽鋌內延伸；其中，在所述第一位置與所述第二位置之間的移動期間，所述活塞在所述鑽鋌內被推進。
3.根據權利要求1或2所述的鑽井設備，其中，所述溝槽具有傾斜下端，所述傾斜下端 傾斜到所述鑽鋌的外表面。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的鑽井設備，其中，所述溝槽以連接到所述鑽鋌的 鑽具的工具面為參考，使得將所述工具面定向在具體方向用於以相對應的方式定向所述溝槽。
5.根據前述任一項權利要求所述的鑽井設備，其中，所述鑽鋌具有滑閥，所述滑閥能夠 在第一位置與第二位置之間移動，在所述第一位置，所述溝槽被遮蓋，在所述第二位置，所 述溝槽打開。
6.根據前述權利要求中任一項所述的鑽井設備，還包括縮進系統，所述縮進系統用於 將所述副鑽具組合從所述第二位置移動到所述第一位置。
7.根據前述權利要求中任一項所述的鑽井設備，其中，所述溝槽包括滑動密封件，當所 述副鑽具組合移動到其第二位置時，所述鑽柱通過所述滑動密封件突出。
8.根據前述權利要求中任一項所述的鑽井設備，還包括傳動軸，所述傳動軸延伸通過 所述鑽柱以將所述鑽頭連接到所述鑽進馬達。
9.根據前述權利要求中任一項所述的鑽井設備，其中，所述鑽頭包括支承外殼，所述支 承外殼包括所述鑽頭與所述傳動軸之間的連接件。
10.根據權利要求9所述的鑽井設備，其中，所述支承外殼還包括彎外殼。
11.根據權利要求9或10所述的鑽井設備，其中，所述支承外殼包括測量裝置。
12.根據前述權利要求中任一項所述的鑽井設備，其中，所述活塞還包括減壓閥，所述 減壓閥用於在不需要移動所述活塞的情況下允許流體沿著所述鑽鋌通過。
13.根據權利要求12所述的鑽井設備，其中，所述鑽進馬達包括調節器，所述調節器根 據馬達轉速控制旁路的打開。
14.根據前述權利要求中任一項所述的鑽井設備，其中，所述鑽進馬達包括報警器，所 述報警器包括連接到所述活塞的定子和臨近所述定子安裝並且連接到所述鑽頭的轉子。
15.根據權利要求14所述的鑽井設備，其中，所述轉子通過扭簧連接到所述鑽頭。
16.根據權利要求14或15所述的鑽井設備，還包括相對於所述定子將所述轉子推進到 打開位置的裝置。
17.根據權利要求16所述的鑽井設備，其中，所述裝置包括所述轉子和所述定子上的磁體。
18.根據權利要求14-17中任一項所述的鑽井設備，還包括壓力檢測器和控制系統，所 述壓力檢測器用於檢測由於所述報警器的操作而產生的壓力脈衝並且生成信號，所述控制 系統用於使用所述信號以控制所述副鑽具組合的操作。
19.根據前述權利要求中任一項所述的鑽井設備，其中，所述活塞包括在不需要移動所 述活塞的情況下允許流體沿著所述鑽鋌通過的旁路。
20.根據權利要求14-19中任一項所述的鑽井設備，包括用於當所述副鑽具組合朝向 所述第二位置移動時調節所述轉子和定子的角位置的裝置。
21.根據權利要求20所述的鑽井設備，其中，所述裝置包括在所述鑽鋌內的限定凸輪 面的溝槽，當所述副鑽具組合移動時，轉子定位鍵沿著所述凸輪面滑動。
22.根據前述權利要求中任一項所述的鑽井設備，其中，所述鑽鋌包括可操作夾緊裝 置，所述可操作夾緊裝置能夠作用在所述副鑽具組合上，使得所述可操作夾緊裝置將所述 副鑽具組合夾緊到所述鑽鋌的操作允許所述鑽鋌移動以移動所述副鑽具組合，且所述可操 作夾緊裝置鬆開所述副鑽具組合的操作允許所述主鑽具組合和所述副鑽具組合獨立移動。
23.根據權利要求22所述的鑽井設備，其中，所述可操作夾緊裝置包括一對樞轉的偏 心體，所述偏心體作用在所述副鑽具組合上。
24.根據前述權利要求中任一項所述的鑽井設備，還包括用於限制由所述副鑽具組合 的操作產生的扭矩的裝置。
25.根據權利要求M所述的鑽井設備，其中，所述用於限制由所述副鑽具組合的操作 產生的扭矩的裝置包括在所述鑽柱上的細長鍵，所述細長鍵接合在所述鑽鋌內相對應的溝 槽內。
26.根據權利要求25所述的鑽井設備，其中，所述用於限制由所述副鑽具組合的操作 產生的扭矩的裝置包括所述鑽柱的在所述鑽進馬達上方的延伸部，所述延伸部包括在所述 鑽柱上的細長鍵，所述細長鍵接合在所述鑽鋌內相對應的溝槽內。
27.根據權利要求M所述的鑽井設備，其中，所述用於限制由所述副鑽具組合的操作 產生的扭矩的裝置包括具有非圓形部分的鑽柱，所述非圓形部分滑動通過相應成形的密封 件。
28.根據前述權利要求中任一項所述的鑽井設備，還包括在所述副鑽具組合上的連接 點，所述連接點用於連接收回線以將所述副鑽具組合從所述第二位置移動到所述第一位置。
29.根據前述權利要求中任一項所述的鑽井設備，還包括第二活塞旁路和閥裝置，所述 第二活塞旁路和閥裝置能夠操作以將所述鑽鋌內的流體流引導到所述活塞的下側從而將 所述副鑽具組合從所述第二位置移動到所述第一位置。
30.根據權利要求1所述的鑽具組合，還包括控制機構，所述控制機構能夠操作以迫使 所述副鑽具組合從所述溝槽出來。
31.根據權利要求30所述的鑽具組合，其中，所述副鑽具組合通過鉸鏈連接到所述鑽鋌。
32.根據權利要求30或31所述的鑽具組合，其中，所述鑽柱是柔性的。
33.根據權利要求1所述的鑽井設備，其中，所述副鑽具組合包括位於所述鑽鋌內的 管內爬行器裝置，所述管狀鑽柱在一端連接到所述管內爬行器裝置，並且在所述鑽鋌內延 伸；其中，在所述第一位置與所述第二位置之間的移動期間，所述管內爬行器裝置在所述 鑽鋌內被推進。
34.根據前述權利要求中任一項所述的鑽具組合，其中，所述主鑽具組合被構造成在套 管內鑽窗孔，所述副鑽具組合能夠通過所述窗孔被推進。
35.一種使用根據前述權利要求中任一項所述的鑽井設備鑽井眼的方法，包括以下步驟鑽主井眼；將所述鑽井設備定位在所述主井眼內的預定位置處；操作所述副鑽具組合以推進所述鑽頭遠離所述第一位置並且側向鑽進到包圍所述主 井眼的地層內並形成側向井眼；以及 將所述副鑽具組合收回到第二位置。
36.根據權利要求35所述的方法，包括使用所述主鑽具組合鑽所述主井眼的步驟。
37.根據權利要求35或36所述的方法，還包括以下步驟 在所述副鑽具組合鑽入所述地層的同時，推進所述鑽鋌。
38.根據權利要求37所述的方法，還包括以下步驟在所述副鑽具組合鑽入所述地層的同時，在所述主井眼內將所述鑽鋌交替地推進和縮進一短距離。
39.根據權利要求35所述的方法，其中，所述主井已經下有套管，所述方法包括以下步驟在操作所述副鑽具組合之前使用所述主鑽具組合在所述套管內開窗孔，以通過所述窗 孔鑽入到所述地層內。
40.根據權利要求35-39中任一項所述的方法，包括以下步驟 使用所述副鑽具組合鑽具有S形狀的側向井眼。
41.根據權利要求35-29中任一項所述的方法，包括以下步驟 使用所述副鑽具組合鑽具有螺旋形軌跡的側向井眼。全文摘要
本發明公開了一種用於將側向井眼鑽進到包圍主井眼的地層內的設備和方法。提出的技術可以用於鑽側向井，而不需要用於部署小BHA的這種顯著中斷，並且基於鑽井設備的使用，所述鑽井設備包括鑽鋌，所述鑽鋌形成主鑽具組合的一部分，並且鑽鋌在其側部具有向外開口的溝槽；和副鑽具組合，所述副鑽具組合包括管狀鑽柱，所述管狀鑽柱在一端連接到鑽鋌；鑽進馬達，所述鑽進馬達安裝在鑽柱內；鑽頭，所述鑽頭安裝在鑽柱的另一端，並且連接到鑽進馬達，其中，副鑽具組合安裝在鑽鋌內以可在第一位置與第二位置之間移動，在所述第一位置，鑽頭位於溝槽內，在所述第二位置，鑽頭從鑽鋌側部內的溝槽側向突起。
文檔編號E21B7/08GK102124180SQ200780100416
公開日2011年7月13日 申請日期2007年8月30日 優先權日2007年8月30日
發明者薩米·伊斯康德爾, 賈奎斯·渥爾班 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司