鑽彎曲井眼的可導向的導向鑽頭、鑽井系統和方法

2023-06-01 07:59:11 1

專利名稱：鑽彎曲井眼的可導向的導向鑽頭、鑽井系統和方法
技術領域：
本發明涉及用於在井眼內受控導向(又被公知為「定向鑽井」)的系統和方法。
背景技術：
受控導向或定向鑽井技術通常用在油、水、和天然氣工業中以到達沒有直接位於 井口裝置下方的資源。定向鑽井的優點是公知的，並且具有到達難以垂直接近或不可能接 近的儲層的能力(例如，在油田位於城市、水體下方，或難以鑽進的地層的情況下)，和將多 個井口裝置聚集在單個平臺(例如，對於海上鑽井來說)的能力。隨著對油、水、和天然氣需求的增加，需要改進並且更加有效的設備和工藝用於從 地球採出自然資源。本發明的一方面提供一種推動鑽頭式旋轉導向方案，其中，需要雙中心鑽頭通過 完井系統接近要鑽進的區域，從而與傳統鑽頭所允許的接近約束相比可鑽更大的井。

發明內容
本發明提供用於定向鑽井的設備和方法。本發明的多個方面和實施例將被描述如 下。本發明的一個實施例提供一種鑽頭體，包括後端、引導部分和擴眼部分。後端適 於可拆卸地固定到鑽柱。引導部分位於鑽頭體的與後端相對的前端上。擴眼部分位於前端 與所述後端之間。引導部分包括至少一個導向裝置，所述至少一個導向裝置用於對鑽頭體 的引導部分進行導向，從而對整個鑽頭體進行導向。本實施例可以具有多個特徵。例如，導向裝置可以是推力塊(pad:或者伸縮片)， 例如，可移動推力塊，例如流體致動推力塊。在一些實施例中，導向裝置包括連接到可移動 推力塊的活塞和連接到活塞的致動器。如本領域技術人員所理解的，流體可以是鑽井泥漿。 在另一個示例中，導向裝置包括固定推力塊和位於固定推力塊內用於排放流體的孔口。鑽頭體還可以包括用於調節至少一個導向裝置的移動的控制裝置。控制裝置可以 包括操縱、或控制用於控制流體朝嚮導向裝置的流動的閥。閥可以被電致動和/或機械致 動。引導部分可以獨立於擴眼部分旋轉。鑽頭體可以包括用於使引導部分旋轉的諸如 流體驅動馬達的馬達。引導部分的轉速可以比擴眼部分的轉速快、慢或等於所述擴眼部分 的轉速。引導部分可以相對於擴眼部分在相同或相反的方向上旋轉。引導部分的鑽孔口徑可以小於、大於、或等於擴眼部分的鑽孔口徑。鑽頭體還可以 包括扶正環，所述扶正環與擴眼部分連接，用於受控引導部分相對於從引導部分延伸通過 後端的旋轉軸線的移動。本發明的另一個實施例提供一種在地下地層中鑽彎曲井眼的方法。該方法包括以 下步驟將鑽頭體安裝在鑽柱上；旋轉鑽柱和鑽頭，並向鑽頭體施加重量以推動鑽頭體的 引導部分抵靠地下地層，從而鑽切導向井眼；利用擴眼部分基本上同時鑽切和擴大導向井眼；以及選擇性地致動導向裝置以沿期望的方向推動導向鑽頭，從而鑽彎曲井眼。鑽頭體包 括後端，所述後端適於可拆卸地固定到鑽柱；引導部分，所述引導部分位於鑽頭體的與後 端相對的前端上；和擴眼部分，所述擴眼部分位於前端與後端之間。引導部分包括至少一個 導向裝置。


為了更加全面地理解本發明的本質和期望目的，結合附圖進行以下詳細說明，其 中相同的附圖標記在整個附圖中表示相應的部件，其中圖1顯示了可以採用本發明的井場系統；圖2A顯示了根據本發明的一個實施例的具有可導向的引導部分的鑽頭體；圖2B顯示了根據本發明的一個實施例的具有可導向的引導部分的雙中心鑽頭 體；圖2C顯示了包括活塞致動可移動推力塊的引導部分的橫截面；圖2D和2E示出了包括鉸接的、活塞致動可移動推力塊的引導部分的橫截面；圖3顯示根據本發明的一個實施例的位於井眼內的鑽頭體的橫截面；以及圖4A和圖4B示出了根據本發明的一個實施例的扶正環的頂部橫截面圖。
具體實施例方式本發明提供用於受控導向的設備和方法。更具體地，本發明提供包括具有至少一 個導向裝置的引導部分的鑽頭體，和使用這種鑽頭體的方法。這種系統不僅允許進行定向 鑽井，而且增強垂直鑽井，這是因為受控導向能力在鑽頭偏離的情況下允許鑽頭返回到期 望的路徑。鑽頭體適於在諸如油、氣、和水鑽井中的鑽井操作範圍中使用。因此，鑽頭體被設 計成裝入在通常用在油、氣、和水工業中的井場系統中。圖1示出了示例性井場系統。井場系統圖1示出了可以使用本發明的井場系統。井場可以在陸上或海上。在此示例性系 統中，井眼11以公知的方式通過旋轉鑽井形成在地下地層內。如以下所述，本發明的實施 例還可以使用定向鑽井。鑽柱12懸掛在井眼11中並具有底部鑽具組合100，所述底部鑽具組合包括在其下 端處的鑽頭105。地面系統包括定位在井眼11上方的平臺和井架組件10，其中組件10包 括轉盤16、方鑽杆17、大鉤18、和水龍頭19。鑽柱12通過轉盤16旋轉，所述轉盤通過未示 出的裝置激勵，並且在鑽柱的上端處接合方鑽杆17。鑽柱12通過方鑽杆17和水龍頭19從 連接到遊動滑車(也未示出)的大鉤18懸掛下來，水龍頭19允許鑽柱12相對於大鉤18 旋轉。如所公知的，可以可選地使用頂部驅動系統。在本實施例的示例中，地面系統還包括儲存在位於井場處的槽27中的鑽井液或 泥漿26。泵四經由水龍頭19中的埠將鑽井液沈輸送到鑽柱12的內部，從而使鑽井液 如由方向箭頭8所示向下流動通過鑽柱12。鑽井液經由鑽頭105中的埠離開鑽柱12，然 後如由方向箭頭9所示向上循環通過鑽柱12的外部與井壁之間的環空區域。以這種公知 的方式，鑽井液潤滑鑽頭105並且當鑽井液返回到槽27用於再循環時將巖屑攜帶到地面。
所圖示的實施例的井底鑽具組合100包括隨鑽測井(LWD)模塊120、隨鑽測量 (MWD)模塊130、旋轉導向系統和馬達、以及鑽頭105。如本領域所公知的，LWD模塊120容納在專用鑽鋌中，並且可以包括一個或多個已 知類型的測井儀。還要理解的是可以採用諸如由附圖標記120A表示的多於一個的LWD和 /或MWD模塊(在整個說明中，對位置120處的模塊的說明也可選地表示在位置120A處的 模塊)。LWD模塊包括測量、處理、和存儲信息的能力、以及與地面設備進行通信的能力。在 本實施例中，LffD模塊包括壓力測量裝置。如本領域所公知的，MWD模塊130也容納在專用鑽鋌中，並且可以包括用於測量鑽 柱和鑽頭的特性的一個或多個裝置。MWD儀還包括給井下系統產生電力的設備(未示出)。 這通常可以包括由鑽井液的流動供給動力的泥漿渦輪發電機，要理解的是可以採用其它電 源和/或電池系統。在本實施例中，MWD模塊可以包括一個或多個以下類型的測量裝置鑽 壓測量裝置、扭矩測量裝置、振動測量裝置、衝擊測量裝置、粘滑測量裝置、方向測量裝置和 傾角測量裝置。特別有利的是將所述系統與受控導向或「定向鑽井」相結合。在該實施例中，提供 旋轉導向子系統150(圖1)。定向鑽井是有意使井眼與其本身將採取的軌跡偏離。換句話 說，定向鑽井是對鑽柱進行導向，使得所述鑽柱沿期望的方向移動。因為定向鑽井能夠從單個平臺鑽多口井，因此定向鑽井有利於例如在海上鑽井。 定向鑽井還能夠通過儲層進行水平鑽井。水平鑽井能夠使更長的井筒穿過儲層，這增加了 井的開採率。定向鑽井系統同樣也可以用於垂直鑽井操作中。通常，鑽頭由於被穿過的地層的 不可預測的特性或鑽頭受到的變化力而離開設計好的鑽井軌跡。當這種井斜發生時，定向 鑽井系統可以用於將鑽頭返回規定的軌跡上。一種公知的定向鑽井方法包括使用旋轉導向系統(「RSS」)。在RSS中，鑽柱在地 面被旋轉，並且井下裝置使鑽頭沿期望的方向鑽進。使鑽柱旋轉在很大程度上減少了在鑽 井期間鑽柱懸空或卡鑽的發生。用於將斜井鑽進到地球內的旋轉導向鑽井系統可以大致分 類為「面向鑽頭」系統和「推進鑽頭」系統。在面向鑽頭系統中，鑽頭的旋轉軸線沿新井的大致方向偏離底部鑽具組合的局 部軸線。根據由上下扶正器接觸點和鑽頭限定的常規三點幾何尺寸擴展井。與鑽頭和下 扶正器之間的有限距離相關聯的鑽頭軸線的偏斜角產生要生成的彎曲所需的非共線條 件。有許多方法可以實現此，包括在底部鑽具組合中靠近下扶正器的點處的固定彎曲、 或在上扶正器與下扶正器之間分布的鑽頭驅動軸的撓曲。在鑽頭的理想形式中，因為 鑽頭軸線沿彎曲井的方向連續旋轉，因此，鑽頭不需要進行側向鑽切。美國專利申請出 版物 No. 2002/0011359 和 No. 2001/0052428 和美國專利 No. 6，394，193、No. 6，364，034、 No. 6，244，361、Νο· 6，158，529,No. 6，092，610 和 No. 5，113，953 中說明了面向鑽頭型旋轉導 向系統的及其操作的示例，所有這些申請通過引用在此併入。在推進鑽頭旋轉導向系統中，通常沒有具體確定的機構來使鑽頭軸線偏離底部 鑽具組合軸線。相反，通過使上下穩定器中的一個或兩個在相對於井擴展的方向被優 選定向的方向上施加偏心力或位移來實現所需的非共線條件。再次，有許多方法可以 實現此，包括非旋轉(相對於井)偏心扶正器(基於位移的方法)和沿期望的導向方向將力施加到鑽頭的偏心致動器。再次，通過在鑽頭與至少兩個其它接觸點之間產生 非共線性來實現導向。在鑽頭的理想形式中，鑽頭需要進行側向鑽切以生成彎曲井。美 國專利 No. 5，265，682、No. 5，553，678、No. 5，803，185、No. 6，089，332、No. 5，695，015、 No. 5，685，379、No. 5，706，905、No. 5，553，679、No. 5，673，763、No. 5，520，255、 No. 5，603, 385,No. 5，582，259,No. 5，778，992 和 No. 5，971，085 中說明了推進鑽頭型旋轉導 向系統及其操作的示例，所有這些申請通過引用在此併入。鑽頭體圖2A示出了用作或裝入鑽頭105內的鑽頭體200。鑽頭體200包括後端202、引 導部分204、和擴眼部分206。後端202適於直接或間接與鑽柱12連接。引導部分204位 於鑽頭體的前緣中，所述前緣與後緣相對並通常為接觸將被鑽進的地下地層的鑽頭體200 的第一部分。擴眼部分206位於引導部分204與後端206之間，並被設計成清除另外的物 質以形成井眼11。縱向軸線208被示出為說明在一些實施例中一些特徵如圖2A中所示關 於縱向軸線208對稱，但在擴眼部分具有其半徑大於導向鑽頭的刮刀片的情況下如圖2B所 示是不對稱的。引導部分204和擴眼部分206分別包括一個或多個切削表面210和209。為簡單 起見，圖2A示出了簡化的切削表面，本發明因此不局限於如所示的平滑切削表面。而是在 許多實施例中，切削表面將具有包括多個切削表面的輪廓表面。美國專利No. 1,587, 266,
No.1，758，773、No.2，074，951、No.3，367，430、No.4，408，669、No.4，440，244、No.4，635，738、No.4，706，765、No.5，040，621、No.5，052，503、No.5，765，653、No.5，992，548、No.6，298，929、No.6，340，064、No.6，394，200、No.6，926，099、
No. 7，287, 605、和No. 7，334，649中示出並說明了各種適合的切削表面，所有這些專利都通 過引用在此併入。本領域的技術人員將容易地認識到切削表面209和210的輪廓形狀本質 上可以是類似的，或者可以為不同的輪廓形狀。在一些實施例中，切削表面將包括選定硬度 的諸如多晶金剛石(PCD)的材料。另外，切削表面209和210可以由相同的材料製造而成，或者可選地，切削表面209 和210可以由不同的材料製造而成。考慮到上述，在實施本發明時可以使用各種可選的切 削表面輪廓形狀和材料，使得形狀和材料可以被選擇為滿足本發明的導向和鑽井要求。例 如，本發明的一個實施例可以採用進取性的(aggressive)導向切削表面210和較少進取性 的擴眼切削表面209。另一個實施例可以採用進取性的擴眼切削表面209和較少進取性的 導向切削部分210。通過選擇、配對、和構造各種切削表面形狀和材料，可以優化鑽頭體200的諸如耐 磨性、鑽井速度、鑽進速度、和類似特性的特性。例如，認識到擴眼部分的較大半徑可以導致 擴眼切削表面209相對於導向切削表面210載荷和旋轉速度增加，擴眼切削表面209可以 被設計成具有與導向切削表面210相比較少進取性的輪廓。較少進取性的切削表面可以包 括牙輪或齒，所述牙輪或齒與切削表面210上的類似牙輪或齒相比從切削表面209延伸較 小的距離，使得切削表面209的牙輪或齒比切削表面210的牙輪或齒接合相對較少的物質。 鑽頭體200還可以被優化以獲得在具體地質條件和地層中的理想性能。導向裝置引導部分204還包括用於對鑽頭的引導部分進行導向的一個或多個導向裝置212。一些實施例採用如這裡所述的推進鑽頭系統。在這種系統中，通過抵靠井眼11的壁 (未示出)施加力以沿井擴展的期望方向推動導向鑽頭來完成導向。輔助傳感器和數據採 集元件2 可以設置在引導部分204內以測量地層的與引導部分204接觸的區域或測量鑽 井動態數據。下面論述兩個原理性導向裝置相對於鑽頭的軸線移動的可移動推力塊(或推力 塊)和固定推力塊。要注意的是這些推力塊可以與鑽頭一起旋轉，所述推力塊可以額定地 (nominally)保持對地靜止、或與鑽頭一起旋轉和額定地保持對地靜止的一些組合。目前公 知的和隨後開發的另外的導向裝置在本發明的保護範圍，包括但不限於在本發明的導向方 面中使用流體壓力。各種裝置適於施加足以使引導部分204移動的力。這些裝置包括可移動推 力 ±夬，例如在美國專利 No. 5，265，682、No. 5，520, 255、No. 5，553，679、No. 5，582，259、 No. 5，603，385、No. 5，673，763、No. 5，778，992 和 No. 5，971，085 以及美國專利出版物 No. 2007/0251726中說明的可移動推力塊。其它適當的裝置包括活塞和/或凸輪，例如在美 國專利No5，553，678和No6，595，303以及美國專利出版物No. 2006/0157283中所述的活塞 和/或凸輪。所述專利中的每一個都通過引用在此併入。圖2C示出了位於鑽頭體200的引導部分204上的活塞致動可移動推力塊。可移 動推力塊2 通常大體上合乎引導部分204尺寸地擺放。致動器230將力施加到活塞232， 從而推動可移動推力塊228以與井壁接觸。活塞致動可移動推力塊的表示僅出於示例性目 的，並且不旨在限定保護範圍。本領域的技術人員將容易認識到用於移動推力塊的致動力 可以採取多種形式，包括上述活塞致動裝置以及來自機械、電、機電、和/或氣動/液壓技術 的許多適當的可選裝置。圖2D示出了活塞致動鉸接可移動推力塊的另一個實施例。除了可移動推力塊228 通過絞鏈234連接到引導部分204之外，可移動推力塊2 類似於圖2C中所述的系統被致 動。由絞鏈234形成的樞軸不必平行於旋轉軸線208，而是可以正交於旋轉軸線208，如圖 2E中所示。如先前所述，活塞致動鉸接可移動推力塊不旨在限定保護範圍，而是可以容易地 被如本領域技術人員所理解的適當的可選裝置代替。另外或者可選地，流體壓力可以用於直接使引導部分204移動。如圖2A中所示，導 向裝置212的一些實施例包括固定推力塊214和用於選擇性地釋放流體以對引導部分204 進行導向的一個或多個孔口 216 ；這裡，當泥漿擠出以與到地面的回流匯合時，推力塊與巖 石之間圈閉的壓力產生原動力。如這裡所述，通過鑽柱12以及鑽頭體200的內部提供流體 (一些實施例中，泥漿)。流體大致處於高壓下且基本上不可壓縮，但是這不排除使用可以 獲得所需的圈閉壓力的多相流體。當流體離開孔口 216時，流體在固定推力塊214與井壁 11之間產生壓力。在一些實施例中，固定推力塊214的尺寸被形成為與引導部分204的切削表面210 的直徑緊密匹配。越大的固定推力塊214將在推力塊214與井眼11的壁之間產生越小的 間隙，從而當從孔口 216選擇性地釋放流體時產生越大的壓力。此外，具有越大表面面積的 固定推力塊214將產生越高的壓力，因此產生越大的導向力。因此，本發明的一些實施例採 用連續固定推力塊214或不採用固定推力塊214，但是引導部分204的所有非切削部分或所 述非切削部分中的一些的尺寸被形成為具有與切削表面210相同的直徑。
固定推力塊214和可移動推力塊2 被設計成可承受相當大的力和溫度。因此， 固定推力塊214和可移動推力塊228的一些實施例由例如鋼、鈦、黃銅等的金屬構造而成。 固定推力塊214和可移動推力塊2 的其它實施例包括表面硬化或耐磨塗層，例如，包括陶 瓷鑲硬合金齒的塗層，從而提供延長的使用壽命。例如在美國專利出版物No. 2007/0202350 中說明了適當的塗層，所述專利通過引用在此併入。可以使用各種技術致動導向裝置212。在一些實施例中，通過諸如齒輪、螺紋、伺 服系統、馬達、磁體等的電裝置、機械裝置、或機電裝置致動導向裝置212。在其它實施例 中，例如通過流動通過鑽柱12的作用在旋轉閥上的泥漿來液壓致動導向裝置。例如在專利 No. 5，553，678中提供了用於致動導向裝置的適當裝置，該專利通過應用在此併入。為了沿期望的方向推動鑽頭體200，相對於導向裝置的旋轉位置選擇性地致動導 向裝置212。為了進行說明，圖3示出了地下地層內的井眼11。鑽頭體200的橫截面被提 供以說明導向裝置212的位置。在該示例中，操作者試圖使鑽頭體212(順時針方向旋轉) 朝向點302移動，該點相對於鑽頭體200的當前位置完全位於χ方向上。雖然當導向裝置 212位於井眼11的在點304與306之間的相對側時在導向裝置在任一點處被致動的情況下 導向裝置將產生具有正χ分量的力矢量，但是導向裝置如果在點308處被致動則將產生沿 χ方向的最大的力。因此，在一些實施例中，導向裝置312的致動近似是周期性的或正弦曲 線式的，其中當導向裝置通過點306時導向裝置212開始展開，在點308處到達最大展開， 而在點304處被收回。在一些實施例中，旋轉閥218(此外被稱作為星形閥)可以用於選擇性地致動導 向裝置212。美國專利No. 4，630，244、No. 5，553，678、No. 7，188，685和美國專利出版物 No. 2007/0242565中公開了適當的旋轉閥，所有專利通過應用在此併入。在一些實施例中，引導部分包括多於一個的導向裝置212。多個導向裝置212可以 關於引導部分204對稱定位。例如，導向裝置212可以定位在距離鑽頭體200的前緣和/ 或後緣的固定距離處並均勻間隔開(例如，對於具有三個導向裝置212的引導部分204來 說，關於中心間隔開120度)。在可選的實施例中，導向裝置212沒有規律地定位或聚集。再次參照圖2A，鑽頭體200還可以包括用於選擇性地致動導向裝置212的控制單 元220。控制單元220保持鑽頭體200相對於地下地層的適當角位置。在一些實施例中，控 制單元220安裝在軸承上，所述軸承允許控制單元220繞鑽柱的軸線208自由旋轉。根據 一些實施例，控制單元220包括諸如三軸加速計和/或磁強儀傳感器，用於檢測鑽頭體200 的傾角和方位。控制單元220還可以與設置在鑽頭體的元件(例如，209、210、212等)內的 傳感器通信，使得所述傳感器可以將地層特性或鑽井動態數據提供給控制單元220。地層特 性可以包括通過諸如美國專利出版物No. 2007/0154341中所述的超聲波或核成像裝置採 集的、關於相鄰地質巖系的信息，所述專利的內容由此通過引用在此併入。鑽井動態數據可 以包括鑽頭體(例如，209、210、212等)的振動、加速度、速度和溫度的測量值。這裡所述的 傳感器可以位於鑽頭體200的一個或多個區域中，包括但不限於引導部分204和擴眼部分 206。在一些實施例中，控制單元220在地面上被編程以遵循期望的傾角和方向。可以 使用MWD系統測量鑽頭體200的進程，並且通過鑽井液中的脈衝序列、通過聲學的或無線傳 輸方法、或通過有線連接將鑽頭體200的進程發送到地面上。如果改變期望的軌跡，可以根據需要發送新的指令。美國專利出版物No. 2006/0131030中說明了泥漿通信系統，該專利 通過引用在此併入。可由美國德克薩斯州的Sugar Land的斯倫貝謝技術公司的註冊商標 P0WERPULSE 獲得適當的系統。扶ιΗ 環根據本發明的一個實施例，扶正環可以簡單地為「啞鈴扶正器」，所述扶正器靠近 擴眼器定向，使得來自擴眼器的力與導向鑽頭隔離。根據可選的實施例，扶正器環可以自由 地旋轉。在可選的實施例中，如本領域技術人員所理解的，扶正器環可以移動，使得所述扶 正器環可以通過泥漿而徑向向外移動(不同於推力塊)以衰減側向鑽井運動。最後，本領 域技術人員將認識到可以部分地或完全使用對推力塊的上述說明，使得在推動導向鑽頭時 可以使用扶正環的偏心位移。在其它實施例中，鑽頭體200還包括位於引導部分204與擴眼部分206之間的扶 正環222。扶正環222可以與引導部分204或擴眼部分206連接，或者可以在引導部分204 與擴眼部分206之間自由地旋轉。在一些實施例中，扶正環調節引導部分相對於鑽頭體200 的旋轉軸線208和/或擴眼部分206的運動或彎曲。在其它實施例中，扶正環衰減由引導 部分的操作產生的振動。圖4A和圖4B示出了示例性扶正環222。扶正環包括用於容納引導部分204的孔 402。一些實施例還包括接觸引導部分204的傾斜部分404和接觸擴眼部分206的平坦部 分，用於調節彎曲。在其它實施例中，傾斜部分404呈圓形。在進一步的實施例中，傾斜部 分與內表面408之間的邊緣406被導圓或切角。在一些實施例中，扶正環222包括在傾斜部分404與部分410之間的一個或多個 孔。所述孔允許多個銷穿過扶正環222，從而以旋轉的方式連接引導部分204和擴眼部分 206。這種連接在期望部分204和206都具有相同的轉速的情況下可能是理想的。所述連 接允許部分204和206在不需要泥漿馬達的情況下旋轉。扶正環222理想地被設計成能承受相當大的力和溫度。因此，扶正環222的一些 實施例由諸如鋼、鈦、黃銅等的金屬構造而成。扶正環222的其它實施例包括耐磨塗層，例 如，含有諸如彈性體的材料的陶瓷或減震體塗層。 本發明的一些實施例被設計成能夠快速更換扶正環222。例如，扶正環222可以由 通過螺釘、螺栓、閂鎖等緊固的兩個或多個半圓形件組成。這種設計允許在不需要移除引導 部分204的情況下更換扶正環222。通過調節引導部分204的彎曲(flexation)，扶正環222傳遞因為導向裝置212 而施加到引導部分204的側向力，從而使擴眼部分206偏斜並鑽彎曲井眼。本領域的技術 人員將另外認識到還可以通過選擇性地改變引導部分相對於擴眼器的旋轉扭矩或速度和/ 或反向旋轉扭矩或速度來提供或補充導向鑽頭的導向。另外，可以調節鑽壓(WOB)以確保 引導部分和擴眼器的鑽切過程能夠合理地匹配。在進一步的實施例中，引導部分204獨立於擴眼部分206旋轉。例如，引導部分 204可以旋轉得較快、旋轉得較慢、與擴眼部分206以相同的速度旋轉。另外，引導部分204 可以與擴眼部分206以相同或相反的方向旋轉。引導部分204和擴眼部分206可以被構造 成在對具體實施例有利的任意速度(例如，在每分鐘一轉到每分鐘10，000轉之間的速度) 下旋轉。
在一些實施例中，引導部分204和/或擴眼部分206通過泥漿馬達(未示出) 旋轉。泥漿馬達是使用鑽井液的液壓馬力驅動鑽頭體的容積式鑽井馬達。美國專利 No. 6, 527,512中說明了示例性泥漿馬達，所述專利通過引用在此併入。可由美國德克薩 斯州休斯頓的 Halliburton 的 SPERRY Drilling Services 的註冊商標 SPERRY FLEX 、 SLICKBORE 、和SPERRY DRILL⑧得到泥漿馬達。另外或者可選地，引導部分204和/或擴 眼部分206可以通過鑽柱12或諸如由電池提供動力的馬達的另一個動力裝置源來旋轉。在進一步的實施例中，鑽頭體200包括一個或多個穩定推力塊224。穩定推力塊以 類似於導向裝置212的方式作用，從而支撐鑽頭體200和/或鑽柱12的後緣並防止不希望 的彎曲。如圖2A中所示，鑽頭體200a可以是雙中心鑽頭。雙中心鑽頭的特徵在於偏心擴 眼部分206a，其中，擴眼部分的第一切削表面209a比擴眼部分的第二切削表面209b更加遠 離旋轉軸線208延伸。上述說明和形成所述說明的一部分的附圖實際上是示例性的並且說明了本發明 的一些優選實施例。然而，應該認識並且了解的是所述說明不被解釋為限制本發明，這是因 為本領域的技術人員在不背離本發明的實質保護範圍、精神或意圖的情況下可以對本發明 做多種變化、修改和改變。
權利要求
1.一種鑽頭體，包括後端，所述後端適於能夠拆卸地固定到鑽柱；引導部分，所述引導部分位於所述鑽頭體的與後端相對的前端上；和擴眼部分，所述擴眼部分位於所述前端與所述後端之間，其中，所述引導部分包括至少一個導向裝置，所述至少一個導向裝置用於對所述鑽頭 體的引導部分進行導向，從而對整個所述鑽頭體進行導向。
2.根據權利要求1所述的鑽頭體，其中，所述導向裝置包括可移動推力塊。
3.根據權利要求2所述的鑽頭體，其中，所述可移動推力塊被流體致動。
4.根據權利要求3所述的鑽頭體，其中，所述流體是泥漿。
5.根據權利要求2所述的鑽頭體，其中，所述導向裝置還包括 活塞，所述活塞連接到所述可移動推力塊；和致動器，所述致動器連接到所述活塞。
6.根據權利要求1所述的鑽頭體，其中，所述導向裝置包括 固定推力塊；和位於所述固定推力塊內的孔口，所述孔口用於排放流體。
7.根據權利要求6所述的鑽頭體，其中，所述流體是泥漿。
8.根據權利要求1所述的鑽頭體，還包括控制裝置，所述控制裝置用於調節所述至少一個導向裝置的操作。
9.根據權利要求1所述的鑽頭體，其中，所述控制裝置包括閥，所述閥用於控制流體朝 向所述導向裝置的流動。
10.根據權利要求1所述的鑽頭體，其中，所述閥被電致動。
11.根據權利要求1所述的鑽頭體，其中，所述引導部分獨立於所述擴眼部分旋轉。
12.根據權利要求11所述的鑽頭體，還包括用於使所述引導部分旋轉的馬達。
13.根據權利要求12所述的鑽頭體，其中，所述馬達被流體驅動。
14.根據權利要求11所述的鑽頭體，其中，所述引導部分的轉速比所述擴眼部分的轉 速快。
15.根據權利要求11所述的鑽頭體，其中，所述引導部分的轉速比所述擴眼部分的轉速慢。
16.根據權利要求11所述的鑽頭體，其中，所述引導部分相對於所述擴眼部分沿相反 的方向旋轉。
17.根據權利要求11所述的鑽頭體，其中，所述引導部分的口徑小於所述擴眼部分的口徑。
18.根據權利要求1所述的鑽頭體，還包括扶正環，所述扶正環與所述擴眼部分連接， 用於控制所述引導部分相對於從所述引導部分延伸通過所述後端的旋轉軸線的移動。
19.根據權利要求1所述的鑽頭體，其中，所述引導部分包括第一切削表面，所述擴眼 部分包括第二切削表面，所述擴眼部分的第二切削表面被構造成與所述引導部分的第一切 削表面相比具有較少進取性。
20.根據權利要求1所述的鑽頭體，還包括傳感器，所述傳感器與所述引導部分或/和所述擴眼部分通信。
21.根據權利要求1所述的導向裝置，其中，所述導向裝置與所述鑽頭體一起旋轉。
22.根據權利要求1所述的導向裝置，其中，所述導向裝置名義上相對於所述鑽頭體對 地靜止。21.一種井場系統，包括 鑽柱；方鑽杆，所述方鑽杆連接到所述鑽柱；和 鑽頭體，包括後端，所述後端適於能夠拆卸地固定到鑽柱；引導部分，所述引導部分位於所述鑽頭體的與所述後端相對的前端上；和 擴眼部分，所述擴眼部分位於所述前端與所述後端之間，其中，所述引導部分包括至少一個導向裝置，所述至少一個導向裝置用於對所述鑽頭 體的引導部分進行導向，從而對整個所述鑽頭體進行導向。22.—種在地下地層中鑽彎曲井眼的方法，包括以下步驟 將鑽頭體安裝在鑽柱上，所述鑽頭體包括後端，所述後端適於能夠拆卸地固定到鑽柱；引導部分，所述引導部分位於所述鑽頭體的與所述後端相對的前端上；和 擴眼部分，所述擴眼部分位於所述前端與所述後端之間， 其中，所述引導部分包括至少一個導向裝置；旋轉所述鑽柱和所述鑽頭體的至少一部分，並向所述鑽頭體施加重量以推動所述鑽頭 體的引導部分抵靠所述地下地層，從而鑽切導向井眼；利用所述擴眼部分基本上同時鑽切和擴大所述導向井眼；以及選擇性地致動所述導向裝置以沿期望的方向推動所述導向鑽頭，從而鑽彎曲井眼。
23.根據權利要求22所述的方法，其中，所述導向裝置包括 可移動推力塊。
24.根據權利要求23所述的可移動的推力塊，其中，所述推力塊被流體致動。
25.根據權利要求23所述的方法，其中，所述導向裝置還包括 活塞，所述活塞連接到所述可移動推力塊；和致動器，所述致動器連接到所述活塞。
26.根據權利要求22所述的方法，其中，所述導向裝置包括 固定推力塊；和位於所述固定推力塊內的孔口，所述孔口用於排放流體。
27.根據權利要求22所述的方法，還包括以下步驟 使用控制裝置調節所述至少一個導向裝置的操作。
28.根據權利要求27所述的方法，其中，所述控制裝置包括閥，所述閥用於控制流體朝 向所述導向裝置的流動。
29.根據權利要求22所述的方法，其中，所述引導部分獨立於所述擴眼部分旋轉。
30.根據權利要求22所述的方法，還包括以下步驟 提供用於至少使所述引導部分旋轉的馬達。
31.根據權利要求22所述的方法，還包括以下步驟控制所述引導部分相對於所述擴眼部分的旋轉速度、扭矩或方向中的至少一個。
32.根據權利要求22所述的方法，還包括以下步驟提供扶正環，所述扶正環與所述擴眼部分通信，用於控制所述引導部分相對於從所述 弓I導部分延伸通過所述後端的旋轉軸線的移動。
33.根據權利要求22所述的方法，還包括以下步驟提供傳感器，其中所述傳感器與所述引導部分或/和所述擴眼部分通信。
34.根據權利要求22所述的方法，其中，所述導向裝置與所述鑽頭體一起旋轉。
35.根據權利要求22所述的方法，其中，所述導向裝置名義上相對於所述鑽頭體對地
全文摘要
本發明提供用於受控導向的設備和方法。本發明的一個實施例提供一種鑽頭體，所述鑽頭體包括後端、引導部分和擴眼部分。後端適於可拆卸地固定到鑽柱。引導部分位於鑽頭體的與後端相對的前端上。擴眼部分位於前端與所述後端之間。引導部分包括至少一個導向裝置，所述至少一個導向裝置用於對鑽頭體的引導部分進行導向，從而對整個鑽頭體進行導向。本發明的另一個實施例提供一種井場系統，所述井場系統包括鑽柱、連接到鑽柱的方鑽杆、和如上所述的鑽頭體。本發明的另一個實施例提供一種在地下地層中鑽彎曲井眼的方法。
文檔編號E21B7/06GK102149895SQ200980135488
公開日2011年8月10日 申請日期2009年7月3日 優先權日2008年7月11日
發明者傑弗裡·當頓 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司