盤管鑽井系統的製作方法

2023-10-06 11:46:54 1

專利名稱：盤管鑽井系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種盤管鑽井系統，並且本發明已經被特別地設計成不僅 僅用於在地下採礦的情況下鑽基本上水平的鑽孔。
背景技術：
在採礦操作中，存在許多需要從地下鑽機將水平鑽孔鑽到基本上水平 的礦層中的情況。這樣的例子包括但不限於從地下礦層採集地質樣品，以及瓦斯抽放例如從地下煤層抽放沼氣。這些技術統稱為"順層(in-seam) 鑽井"。順層鑽井是地下採礦的成本很高的部分，特別是在煤礦開採中，設置 順層鑽機需高成本並且井下(downhole)電機和勘測工具系統的使用具有 高風險。目前的順層鑽機通常使用帶有分節連接的部件的傳統的鑽杆，每鑽三 米通常需要人工處理鑽管和水旋轉接頭連接是勞動非常密集的。現有的順 層鑽井系統的正常操作人員通常是每班三人並存在很大的風險，通過減少 總體地下人員以及簡化在這種情況下使用的鑽機，將獲得成本收益。盤管的使用在鑽井操作中已經公知一段時間了 ，所述盤管包括盤巻且 邊緣悍接到連續管中的壁較薄的帶狀金屬條，所述連續管能夠傳遞縱向推 力，同時足夠柔軟從而能夠巻繞到巻筒上或者通過彎曲部周圍。盤管操作 初始為現有的油井和氣井的維修(處理、再激勵和維護)而開發。連續的 巻形管道允許快速插入和收回井下工具，並使得這些操作能夠在不需要傳 統的維修機的情況下完成。盤管鑽井(CTD)已經使用了一段時間，通常 用於基本上垂直的小口徑井(通常為氣井)的安置，雖然CTD技術最近已 經用於深方向水平井。然而，通常難以控制CTD機中鑽頭的方向，本發明 以使得成本有效且在地下採礦情況下精確布置CTD鑽機的方式解決了這 個問題。作為盤管的替換，也公知的是使用複合管，這些替換在這個說明書中 通常描述為半剛性管道。發明內容因此，本發明提供了一種用於鑽地下孔的鑽機，該鑽機包括巻繞到巻 筒上的一定長度的半剛性管道，巻筒可旋轉地安裝在巻筒框架中並被布置 使得半剛性管道可以從巻筒展開並通過噴射器單元配置到鑽孔中，巻筒框 架又被可旋轉地安裝在支撐架中，使得框架可控制地圍繞軸線旋轉，該軸 線垂直於巻筒的旋轉軸線並平行於通過噴射器單元配置的半剛性管道的 軸線或者基本上與通過噴射器單元配置的半剛性管道的軸線一致-所述鑽機進一步包括安裝在半剛性管道的端部的鑽井組件，並結合有 偏移特徵，在鑽井操作期間，隨著半剛性管道被噴射器單元推進，所述偏 移特徵使得鑽井組件偏離直路徑，由此通過使巻筒框架相對於支撐架旋轉 來實現半剛性管道圍繞它的縱軸線旋轉，從而控制偏離方向。優選地，所述噴射器單元包括向管道提供推力的牽引機單元，從而在 鑽井期間將管道和所連接的鑽井組件推到鑽孔中。優選地，所述噴射器單元也可操作成向管道施加張力，從而在需要時 從孔中收回管道和鑽井組件。優選地，所述鑽井組件包括傳統的井下馬達。優選地，所述井下馬達被布置成驅動PCD鑽頭，並且所述鑽井組件還 包括勘測和地質感測封裝件。優選地，所述偏移特徵包括彎曲子殼，該彎曲子殼被布置使得鑽頭的 軸線偏離在鑽孔中的盤管的縱軸線。優選地，所述半剛性管道通過外圍密封被配置到鑽孔中，使得在鑽井 操作中鑽孔流體被恆定地加壓。


不排除可落入本發明範圍內的任何其它形式，現在將參照附圖只通過示例的方式描述本發明的優選形式，其中圖l是位於地下層鑽井位置的根據本發明的鑽機的示意性正視圖；圖2是與圖1中所示的鑽機相似的鑽機的透視圖，示出了巻筒框架和支撐架；圖3是示出在鑽孔的端部處於操作中的鑽井組件的穿過由根據本發明 的設備鑽的地下鑽孔的正視圖。優選實施方式根據本發明的CTD(盤管鑽井)系統是軌道安裝高移動性的鑽井單元。 該單元通常包括鑽井單元l，鑽井單元1安裝在驅動軌道單元2上，從而在 採礦位置內移動布置，採礦位置通常可包括採礦路徑，採礦路徑具有位置 鄰近礦層4的底層3，期望在礦層4鑽基本上水平的鑽孔5。路徑的頂部以6示出。安裝在鑽井單元1上的巻筒7容納巻繞到巻筒上的盤管8。液壓馬達25 使巻筒旋轉，以根據需要從巻筒上供給管道以及將管道收回到巻筒上。使 馬達轉動的液壓動力由電動液壓動力組提供，該電動液壓動力組位於如9 所示的鑽井單元上或者位於單獨的墊木附近。通過管道矯直機和/或張緊器單元10以及通過噴射器(牽引機)單元11來從巻筒上供給盤管8。噴射器單元ll將推力提供到管道，從而在鑽孔 過程中將管道和所連接的井下組件(下面將進一步描述)推到鑽孔5中。 噴射器單元ll也能夠向管道施加張緊力，從而當需要時從孔中收回管道和 井下組件。管道巻筒7安裝在框架12內，框架12能夠圍繞軸線旋轉，該軸線垂直 於巻筒旋轉軸線13並平行於噴射單元11的軸線和如鑽孔5所代表的初始鑽 井方向或者與噴射單元11的軸線和如鑽孔5所代表的初始鑽井方向一致。 受驅動馬達26影響的巻筒框架關於這個軸線的旋轉導致管道在鑽孔5內旋轉，從而允許如下所述地控制井下組件的方位(鐘面)。井下組件由驅動PCD鑽頭15的傳統的井下馬達14、通過勘測地質感測連接子部分(sub) 18和抽排子部分19連接到井下馬達的彎曲的子殼16以及勘測和地質感測電子隔箱17構成。井下組件通常由連接到盤管21的端部的BHA子部分20完成。 可以在勘測組件的任一側使用適當截面的非磁性杆，以使由DHM和盤管導致的地球磁場扭曲最小化。多圈電引線通常插入通過管道的整個長度，將井下勘測和地質感測封裝件連接到測量孔(up hole)顯示器和數據測井系統(未示出)，從而使 得數據能夠在井下和測量孔組件之間連續實時流動。勘測系統可以進行井下組件的傾斜、方位角和工具面(斜度、偏轉和 滾動)的測量。這個數據與從巻筒7上的編碼器獲得的測量供應到鑽孔5中 的管道的量的距離數據相結合使得能夠推算鑽孔軌道。彎曲的子部分16提供導致鑽井組件偏離直線路徑的偏移特徵，通過使 巻筒框架12相對於支撐架22旋轉而使盤管5圍繞它的縱軸線旋轉來控制偏 離方向。以這種方式，可以從鑽機l精確地控制鑽頭的偏離方向。可以以兩種模式之一進行鑽井操作旋轉，用於鑽孔的較直部分；滑 動，用於改變井下軌道。在旋轉模式中，巻筒框架12以穩定的速率(通常 達到10r.p.m)圍繞它的軸線(與牽引機單元ll的軸線一致)旋轉。這使 得盤管5、 21以及在圖3中所示的井下組件以相同的速率旋轉。同時，鑽機泵(未示出)通過盤管5向井下馬達14提供加壓的鑽井流 體(通常為水)，從而使得鑽頭以大約350r.p.m旋轉。通過由噴射機單元 11提供到管道5的推力，將鑽杆推進到地層中。以這種方式，鑽孔以穩定 的速率並且在基本上垂直的方向上推進到礦層4中。當希望校正或改變當前鑽孔軌道時，停止巻筒框架12的旋轉，並且鑽 井模式改變到滑動。在滑動模式下，巻筒框架定位在軸向位置，該位置導 致井下組件(特別是彎曲子部件16)呈現特定的面角度。彎曲子部分對鑽 井軌道的效果在於它導致鑽井產生曲孔，該孔轉向由井下馬達部分和子部 分的縱軸線限定的內部角度。以這種方式，通過操作人員使巻筒框架12圍 繞它的軸線旋轉到期望的位置來適當地定位彎曲子殼可以控制井下的軌 道。為了便於鑽機的操作，單元1被定位得靠近礦層4的事先已經將豎管23短距離地安裝到礦層中並在此處灌漿以形成穩定的確保水密的鑽孔入口 點的面。豎管具有T形管24， T形管24是來自鑽孔的巖屑和廢水的出口點。在豎管端部的密封膠皮組件提供管道和豎管之間的水密封，使得管道移入 和移出豎管，同時鑽孔流體被加壓。與傳統的從車道鑽到未開採的煤層中的分段的杆相關的問題是在鑽 杆周圍的鑽孔壁的塌陷，導致杆被粘住以及井下設備潛在損失。這個問題 通常由向煤層內的高應力和/或削弱區鑽進"欠平衡"導致，由此鑽孔流體壓 力顯著低於地層壓力。盤管鑽井系統的顯著優點在於，在豎管中的穿過密 封膠皮形式的外圍密封體的管道的連續長度允許在鑽井操作中以及當將 底孔組件運行到鑽孔中和運行出鑽孔時對鑽孔流體恆定加壓。較高的鑽孔 流體壓力有助於支撐鑽孔壁，因此使得塌陷可能性降低。利用分段的杆維 持鑽孔加壓是很困難的，這是因為每當需要增加杆或從鑽杆上去除杆時， 需要斷開鑽杆與供給泵的連接。以這種方式，在地下位置可以採用相對簡單的鑽井系統以成本有效地 鑽地下孔，所述相對簡單的鑽井系統使用的人力降低並且操作快速且簡 單。盤管鑽井系統提供比傳統的鑽井系統另外的優點是因為沒有杆連接 因而是連續的鑽井過程，所以實現了每班更快的鑽井速率。因為不需要杆處理，所以需要更少的人員來進行鑽井和收回操作。盤管鑽井系統釆用已試驗的且已測試的傳統的井下馬達(DHM)技術。連續的盤管長度允許鑽機和井下勘測傳動裝置之間的引線連接，因此 在提供高的數據傳輸速率的同時井下部件成本更低。連續鑽井系統(不需要改變杆)有助於潛在井下加壓系統的集成，這 將有利於鑽過"軟"煤區。
權利要求
1.一種用於鑽地下孔的鑽機，該鑽機包括卷繞到捲筒上的一定長度的半剛性管道，捲筒可旋轉地安裝在捲筒框架中並被布置使得半剛性管道可以從捲筒展開並通過噴射器單元配置到鑽孔中，捲筒框架又被可旋轉地安裝在支撐架中，使得框架可控制地圍繞軸線旋轉，該軸線垂直於捲筒的旋轉軸線並平行於通過噴射器單元配置的半剛性管道的軸線或者基本上與通過噴射器單元配置的半剛性管道的軸線一致所述鑽機進一步包括安裝在半剛性管道的端部的鑽井組件，並結合有偏移特徵，在鑽井操作期間，隨著半剛性管道被噴射器單元推進，所述偏移特徵使得鑽井組件偏離直路徑，由此通過使捲筒框架相對於支撐架旋轉來實現半剛性管道圍繞它的縱軸線旋轉，從而控制偏離方向。
2. 根據權利要求l所述的鑽機，其中，所述噴射器單元包括向管道提 供推力的牽引機單元，從而在鑽井期間將管道和所連接的鈷井組件推到鑽 孔中。
3. 根據權利要求2所述的鑽機，其中，所述噴射器單元也可操作成向管道施加張力，從而在需要時從孔中收回管道和鑽井組件。
4. 根據前述權利要求中任一權利要求所述的鑽機，其中，所述鑽井組件包括傳統的井下馬達。
5. 根據權利要求4所述的鑽機，其中，所述井下馬達被布置成驅動PCD鑽頭，並且所述鑽井組件還包括勘測和地質感測封裝件。
6. 根據前述權利要求中任一權利要求所述的鑽機，其中，所述偏移 特徵包括彎曲子殼，該彎曲子殼被布置使得鑽頭的軸線偏離在鑽孔中的盤 管的縱軸線。
7. 根據前述權利要求中任一權利要求所述的鑽機，其中，所述半剛 性管道通過外圍密封被配置到鑽孔中，使得在鑽井操作中鑽孔流體被恆定 地加壓。
全文摘要
一種用於將地下鑽孔(5)鑽到礦層(4)中的鑽機，該鑽機使用由牽引機單元(11)從捲筒(7)供給的盤狀金屬管道(8)來向鑽頭提供推力。鑽頭具有給出偏離角的彎曲子組件，通過使框架(12)中的捲筒(7)圍繞鑽孔(5)中的管道的軸線旋轉來使鑽孔中的盤狀金屬管道旋轉從而控制所述偏離角。
文檔編號E21B7/04GK101223334SQ200680026368
公開日2008年7月16日 申請日期2006年7月20日 優先權日2005年7月20日
發明者蒂莫西·格雷戈裡·漢密爾頓·邁耶, 鄧肯·麥克唐納 申請人:Cmte開發有限公司;Aj盧卡斯煤炭技術有限公司