專利名稱：抗渦動的鉆頭、井場系統(tǒng)及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于防止鉆頭和/或井底組件在井眼內(nèi)鉆探時產(chǎn)生渦動和其他偏斜的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
鉆頭渦動和偏斜在鉆探工業(yè)中存在巨大問題。石油、天然氣、水和其他自然資源通常位于地下4000-10000英尺處。這樣，即使井產(chǎn)生了一度偏差，也可使得鉆探距離、時間和成本明顯增加。在一些應(yīng)用中，鉆機(jī)尋求垂直井眼。光滑的垂直孔眼便于使較大的套管以最小的間隙行進(jìn)，且在隨后的階段中、在建井操作過程中提供了使用額外的套管柱的可能性。偏斜并回到垂直狀態(tài)的井眼會喪失這種選擇。附加地，如果從單個平臺鉆探多個井眼，則偏斜可引起鉆柱沖突。即使在受控導(dǎo)向或定向鉆探應(yīng)用場合中，可能也非常希望保持期望的軌跡，例如， 當(dāng)鉆探到陡傾斜巖層或活動構(gòu)造區(qū)中的破裂巖石下方的目標(biāo)時。另外，鉆頭渦動，一種鉆頭的轉(zhuǎn)動中心偏離其幾何中心的情況，會導(dǎo)致多種問題。 這些問題包括會產(chǎn)生非圓柱形的孔、井眼偏斜和過大的鉆頭磨損。傳統(tǒng)的抗渦動鉆頭試圖通過刀具-巖石的相互作用產(chǎn)生不平衡側(cè)力來降低渦動。 該不平衡力只有在切割動作平穩(wěn)和連續(xù)且刀具未被用壞和損壞的情況下才具有可預(yù)測的幅度和方向。這些條件中沒有任何一個條件會規(guī)律地發(fā)生，這是因?yàn)榍懈顒幼魍ǔＪ遣贿B續(xù)的過程，而不是連續(xù)過程(當(dāng)?shù)毒弋a(chǎn)生碎片而不是連續(xù)的巖屑時)。當(dāng)巖石通過鏟鑿動作去除時，幅度和方向不恒定，也不可預(yù)測。因此，一直迫切需要用于防止渦動和偏斜的裝置和方法。


為了更全面地理解本發(fā)明的特征和期望目標(biāo)，請參看下面結(jié)合附圖所作的詳細(xì)描述，其中，在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記均表示相同或相應(yīng)的部件。附圖包括圖1示出了可應(yīng)用本發(fā)明的井場系統(tǒng)；圖2A示出了位于井眼內(nèi)的根據(jù)本發(fā)明的鉆頭；圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明的鉆頭；圖3A示出了居中地位于井眼內(nèi)的鉆頭的橫截面；以及圖;3B示出了在井眼內(nèi)偏心設(shè)置的鉆頭的橫截面。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了用于防止鉆頭和/或井底組件在井眼內(nèi)鉆探時產(chǎn)生渦動和其他偏斜的裝置和方法。在此提供的本發(fā)明適用于鉆探操作例如石油鉆探、天然氣鉆探和水鉆探的范圍。同樣地，鉆頭體被設(shè)計(jì)成應(yīng)用于井場系統(tǒng)中，所述井場系統(tǒng)通常用于石油、天然氣和水工業(yè)中。圖1中示出了示例性井場系統(tǒng)。圖1示出了可應(yīng)用本發(fā)明的井場系統(tǒng)。井場可以是陸地上的或海底上的。在該示例性系統(tǒng)中，井眼11以眾所周知的方式通過旋轉(zhuǎn)鉆井形成在地下的地層中。本發(fā)明的多個實(shí)施例也可使用定向鉆探，這將在下面進(jìn)行描述。鉆柱12懸置在井眼11內(nèi)，且具有井底組件100，所述井底組件100在其下端包括鉆頭105。地面系統(tǒng)包括定位在井眼11上方的平臺和鉆塔組件10，所述組件10包括轉(zhuǎn)臺 16、方鉆桿(kelly)17、鉤18和旋轉(zhuǎn)接頭19。鉆柱12通過轉(zhuǎn)臺16轉(zhuǎn)動，所述轉(zhuǎn)臺由未示出的裝置驅(qū)動，且在鉆柱的上端處接合方鉆桿17。鉆柱12通過方鉆桿17和旋轉(zhuǎn)接頭19懸置于加裝到游動滑車(也未示出)的鉤18，所述旋轉(zhuǎn)接頭19允許鉆柱相對于鉤轉(zhuǎn)動。眾所周知，可替代性地使用頂驅(qū)系統(tǒng)。在該實(shí)施方式的示例中，地面系統(tǒng)還包括儲存在形成于井場處的坑27中的鉆井流體或泥漿26。泵四經(jīng)由旋轉(zhuǎn)接頭19中的端口將鉆井流體沈給送到鉆柱12的內(nèi)部，從而，使得鉆井流體如方向箭頭8所示向下流經(jīng)鉆柱12。鉆井流體經(jīng)由鉆頭105中的端口排出鉆柱12，然后通過鉆柱的外側(cè)與井壁之間的環(huán)形區(qū)域向上循環(huán)，如方向箭頭9所示。以該眾所周知的方式，鉆井流體潤滑鉆頭105，并在它返回到坑27以再循環(huán)時將巖屑上送到地示出的實(shí)施例的井底組件100包括隨鉆測井(LWD)模塊120、隨鉆測量(MWD)模塊 130、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(roto-steerable system)和電機(jī)以及鉆頭105。LffD模塊120如現(xiàn)有技術(shù)中所公知的那樣容納在一種特殊類型的鉆鋌中，且可包含一種或多種現(xiàn)有類型的測井工具。還可以理解，可采用一個以上的LWD和/或MWD模塊， 例如如圖中的附圖標(biāo)記120A所示(在整個申請中，對附圖標(biāo)記120的位置處的一個模塊的描述同樣適用于附圖標(biāo)記120A的位置處的一個模塊)。LWD模塊具有用于測量、處理和儲存信息以及用于與地面儀器通信的能力。在本實(shí)施例中，LffD模塊包括壓力測量裝置。MWD模塊130也如現(xiàn)有技術(shù)中所公知的那樣容納在一種特殊類型的鉆鋌中，且可包含一個或多個用于測量鉆柱和鉆頭的特性的裝置。MWD工具還包括用于向井底系統(tǒng)產(chǎn)生電能的裝置(未示出)。這通常可包括由鉆井流體流驅(qū)動的泥漿渦輪發(fā)電機(jī)，可以理解，也可采用其他電能和/或電池系統(tǒng)。在本實(shí)施例中，MWD模塊包括以下類型的測量裝置中的一種或多種鉆壓測量裝置、扭矩測量裝置、振動測量裝置、沖擊測量裝置、粘滑測量裝置、 方向測量裝置和傾斜測量裝置。該系統(tǒng)的特別有利的應(yīng)用是與受控導(dǎo)向或“定向鉆探”相結(jié)合。在該實(shí)施例中，設(shè)有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向子系統(tǒng)150(圖1)。定向鉆探有意地使井眼偏離自然所取的路徑。換言之，定向鉆探對鉆柱進(jìn)行導(dǎo)向，使得鉆柱沿期望的方向行進(jìn)。定向鉆探例如在海底鉆探中是有利的，這是因?yàn)樗軌蚴乖S多井從單個平臺鉆探。定向鉆探還使得能夠進(jìn)行通過儲層的水平鉆探。水平鉆探能夠使更長的井眼穿過儲層， 這增大了井的產(chǎn)率。定向鉆探系統(tǒng)還可用于垂直鉆探操作中。通常，鉆頭會由于穿過的地層的不可預(yù)測的特性或鉆頭經(jīng)受的力的變化而偏離計(jì)劃的鉆探軌跡。當(dāng)出現(xiàn)這種偏離時，定向鉆探系統(tǒng)可用于將鉆頭帶回到計(jì)劃軌跡上。
現(xiàn)有的定向鉆探方法包括使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(“RSS”)。在RSS中，鉆柱從地面轉(zhuǎn)動，且井底裝置使得鉆頭沿期望方向鉆探。轉(zhuǎn)動鉆柱大大地降低了鉆柱在鉆探過程中擱淺或卡住的發(fā)生。用于在地中鉆探偏斜井眼的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆探系統(tǒng)通?？煞譃椤皵[動鉆頭”系統(tǒng)或“推進(jìn)鉆頭”系統(tǒng)。在擺動鉆頭系統(tǒng)中，鉆頭的轉(zhuǎn)動軸線偏離新井孔的走向上的井底組件的局部軸線。井孔根據(jù)由上、下穩(wěn)定器接觸點(diǎn)和鉆頭限定的常規(guī)三點(diǎn)幾何關(guān)系延伸。與鉆頭與下穩(wěn)定器之間的有限距離關(guān)聯(lián)的鉆頭軸線的偏斜角度導(dǎo)致要產(chǎn)生的曲線所需的非共線條件。具有許多種可實(shí)現(xiàn)此點(diǎn)的方式，包括在井底組件中的與下穩(wěn)定器接近的點(diǎn)處的固定彎曲部或分布在上、下穩(wěn)定器之間的鉆頭驅(qū)動軸的撓曲。在其理想化的形式下，鉆頭不需要向側(cè)旁切割，這是因?yàn)殂@頭軸線在彎曲井孔的方向上連續(xù)地轉(zhuǎn)動。擺動鉆頭型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的多種示例以及它們?nèi)绾尾僮髅枋鲇诿绹鴮＠暾埞_No. 2002/0011359 ；2001/0052428和美國專利 No. 6，394，193 ；6，364，034 ；6，244，361 ；6，158，529 ；6，092，610 ；以及 5，113，953 中，它們均通過引用包含在此。在推進(jìn)鉆頭旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)中，通常不具有特別確定的機(jī)構(gòu)來使鉆頭軸線偏離局部井底組件軸線；相反，必需的非線性條件通過使上、下穩(wěn)定器中的任一個或兩者沿一個方向施加偏心力或移位實(shí)現(xiàn)，所述方向優(yōu)選相對于孔的延伸方向定向。此外，具有許多種可實(shí)現(xiàn)此點(diǎn)的方式，包括不轉(zhuǎn)動的(相對于井眼)偏心穩(wěn)定器(基于位移的方法)和沿期望的導(dǎo)向方向向鉆頭施加力的偏心致動器。而且，導(dǎo)向通過在鉆頭與至少兩個其他的接觸點(diǎn)之間產(chǎn)生非共線性實(shí)現(xiàn)。在其理想化的形式下，鉆頭需要向旁側(cè)切割，以產(chǎn)生彎曲的井孔。推進(jìn)鉆頭型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的多個示例和它們?nèi)绾尾僮髅枋鲇诿绹鴮＠鸑o. 5，265, 682 ； 5，553，678 ；5，803，185 ；6，089，332 ；5，695，015 ；5，685，379 ；5，706，905 ；5，553，679 ； 5，673，763 ；5，520，255 ；5，603，385 ；5，582，259 ；5，778，992 ；5，971，085 中，它們均通過引用包含在此。在此所述的本發(fā)明的特殊的實(shí)施例提供了用于降低渦動和/或偏斜的鉆頭105和井底組件100?？箿u動鉆頭圖2B示出了鉆頭105。鉆頭105包括后端202和切割部分204。后端202適于直接或間接地與鉆柱12連接。切割部分204包括一個或多個肋206A、206B、206C和206D。肋 206包括規(guī)準(zhǔn)區(qū)段208，所述規(guī)準(zhǔn)區(qū)段208與已通過刀具210鉆出的井眼的壁接觸。盡管僅在肋206B上示出了刀具210，但刀具210也可構(gòu)造在多個或所有肋206上，因?yàn)檫@對特殊的鉆探情形是有利的。在本發(fā)明的實(shí)施例中，一個或多個孔眼212位于鉆頭105的外部?？籽?12可位于規(guī)準(zhǔn)區(qū)段208上或肋206之間的凹部214中?？籽?12使得流體沈可從鉆柱12的內(nèi)部排出鉆頭，以獲得穩(wěn)定和降低渦動。附加孔眼可位于鉆頭105上，例如位于前端216上，以像現(xiàn)有技術(shù)中所公知的那樣進(jìn)行潤滑和去除巖屑。在一些實(shí)施例中，鉆頭105包含單個孔眼212。鉆井流體沈從該孔眼212流動，且接觸井眼11的壁，從而產(chǎn)生與孔眼212和規(guī)準(zhǔn)區(qū)段208的方位大致垂直的側(cè)力。該力產(chǎn)生抗渦動作用。在一些實(shí)施例中，孔眼212與大部分的刀具210大致相反地定位。例如，如果刀具210沿著鉆頭105縱向地設(shè)置，則孔眼212可相對于刀具210成大約180°定位。在這種實(shí)施例中，從孔眼212釋放的鉆井流體產(chǎn)生了側(cè)力，該側(cè)力朝刀具210的方向推動鉆頭。該實(shí)施例⑴使得在刀具210與井眼11的壁之間產(chǎn)生增大的接觸，和/或(2)平衡由刀具210 與井壁之間的接觸產(chǎn)生的側(cè)力。在其他實(shí)施例中，孔眼212定位在大部分的刀具210之后的近似90°處。作為該原理的圖示，請考慮圖2A所示的情形。鉆頭105在井眼11中逆時針轉(zhuǎn)動。刀具210將要碰撞到從井壁220突出的凸出部218。如果凸出部218是特別堅(jiān)固的材料，凸出部將至少在與刀具210首次接觸時會一時保持完好。作用于鉆頭105上的轉(zhuǎn)動力將使鉆頭105沿負(fù)Y方向移動，直到保徑墊(gauge pad)206A接觸井壁220。然而，如果孔眼212位于保徑墊206A 上，則鉆井流體26將產(chǎn)生沿正Y方向的力，從而，抵抗鉆頭105偏心移動的趨勢。然而，正 Y方向上的力移動整個鉆頭105，從而給刀具210提供了附加力，且有助于井眼的前行形成。其他刀具210和孔眼212的結(jié)構(gòu)形式也位于這些發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，由鉆頭105 的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生且與多個刀具210接觸的總的力矢量可使用已知的公式和技術(shù)計(jì)算?？籽?12 可被構(gòu)造成抵消最可能的力矢量。通過利用來自孔眼212的鉆井流體沈的液壓作用力，鉆頭105產(chǎn)生更可預(yù)測的和恒定的不平衡力，以降低和/或防止鉆頭渦動。如果給定了端口的位置，則就會知道不平衡力的方向。不平衡力的幅度是孔眼212與井壁220之間的距離、井眼中的鉆井流體沈與鉆柱12中的鉆井流體沈之間的壓差和孔眼212的幾何特征(例如，形狀和尺寸)的函數(shù)。而且，對刀具210的磨損和損壞不應(yīng)影響側(cè)力的幅度和方向。在一些實(shí)施例中，孔眼212的外部由凸出的環(huán)部或其他幾何結(jié)構(gòu)特征圍繞著，以便在鉆井流體沈從孔眼212排出時產(chǎn)生更大的液壓壓力。這種結(jié)構(gòu)特征和/或整個規(guī)準(zhǔn)部分206可被覆蓋有耐磨損材料或硬面材料、例如多晶金剛石(P⑶)或完全由這種材料制成。自穩(wěn)定鉆頭和井底組件本發(fā)明的另一個實(shí)施例利用一個或多個孔眼212穩(wěn)定井眼內(nèi)的鉆頭105和/或井底組件(BHA)。圖3A示出了鉆頭105的橫截面，其具有通常繞著鉆頭105的圓周間隔開(例如相對于中心間隔開120° )布置的三個保徑墊206A、206B、206C，每個保徑墊分別具有相應(yīng)的孔眼212A、212B、212C。鉆井流體26 (通過粗線表示)從鉆頭105內(nèi)流過孔眼212A、212B、 212C。圖3A中示出的鉆頭105總體上居中地位于井眼11內(nèi)。因此，由鉆井流體產(chǎn)生的任何液壓作用力將彼此抵消。然而，如果鉆頭105如圖;3B所示地偏離中心，則由來自孔眼 212A的鉆井流體沈產(chǎn)生的力矢量的幅度將會隨著孔眼212A與井壁220之間的空間的減小而增大。因此，由孔眼212B和212C產(chǎn)生的任何力矢量將減小，這會產(chǎn)生將鉆頭遠(yuǎn)離壁220 推動的凈力矢量(通過箭頭222表示)。在一些實(shí)施例中，向一個或多個孔眼的流動流動通過一個或多個閥(阻塞閥)限制。可以通過管件或其他裝置將每個孔眼連接到單個閥。更優(yōu)選地，每個孔眼通過單獨(dú)的閥獨(dú)立地調(diào)節(jié)。獨(dú)立地調(diào)節(jié)確保，流到特殊的孔眼212的鉆井流體沈的體積不會增大到超過期望的閾值而剝奪其他孔眼212或其他端口(例如位于鉆頭105的前邊緣216上的端口)的需求。盡管圖3A和:3B中的實(shí)施例示出了具有三個孔眼212的鉆頭105，但在此描述的本發(fā)明可通過任何數(shù)目的孔眼212利用流體，以穩(wěn)定鉆頭105和井底組件。例如，具有單個孔眼的鉆頭105將產(chǎn)生與具有三個孔眼的鉆頭105類似的作用。當(dāng)鉆頭105轉(zhuǎn)動時，由單個孔眼產(chǎn)生的力的幅度在將孔眼傳送通過鉆頭105較接近井壁220的區(qū)域時會增大。該增大的力將會促使鉆頭105返回中心。而且，具有兩個、三個、四個、五個或六個等多個孔眼的鉆頭和井底組件處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。在此描述的原理可應(yīng)用于沿著井底組件100的外部和鉆柱12的其他部分設(shè)置的穩(wěn)定墊。穩(wěn)定墊與保徑墊類似地作用，以最小化井底組件和鉆柱的移動。在這種實(shí)施例中， 一個或多個孔眼添加給一個或多個穩(wěn)定墊，以便可使鉆井流體26可如此所述地作用?？箿u動和自穩(wěn)定組合鉆頭在此描述的抗渦動和自穩(wěn)定鉆頭的原理可組合產(chǎn)生這樣的鉆頭105，所述鉆頭 105產(chǎn)生凈非平衡側(cè)力來降低渦動，同時還提供一個或多個孔眼來修正相對于井眼11的中心的漂移。在這種實(shí)施例中，多個孔眼212中的一個孔眼的橫截面積較大，以產(chǎn)生不平衡側(cè)力。前面的說明書以及構(gòu)成說明書的一部分的附圖僅是示例性的，且說明了本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到和理解，該描述并不認(rèn)為是限制本發(fā)明，這是因?yàn)閷τ诒绢I(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的基本范圍、精神或意圖的情況下可以進(jìn)行多種改變、修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種鉆頭，包括與鉆柱流體連通的內(nèi)腔；以及位于鉆頭的外部上的第一保徑墊，所述第一保徑墊具有與所述內(nèi)腔流體連通的第一孔眼，其中，所述鉆頭被構(gòu)造成使流體連續(xù)地從第一孔眼流動。
2.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于，流體流動足以促使鉆頭遠(yuǎn)離井眼的壁。
3.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于，鉆頭還包括一個或多個刀具。
4.如權(quán)利要求3所述的鉆頭，其特征在于，第一保徑墊與大部分刀具大致相反地定位。
5.如權(quán)利要求3所述的鉆頭，其特征在于，第一保徑墊相對于鉆頭的轉(zhuǎn)動方向位于大部分刀具之后的大約90°處。
6.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于，所述鉆頭還包括 用于調(diào)節(jié)從第一孔眼的流體流動的第一閥。
7.如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于，所述鉆頭還包括位于鉆頭的外部上的第二保徑墊，所述第二保徑墊具有與內(nèi)腔流體連通的第二孔眼。
8.如權(quán)利要求7所述的鉆頭，其特征在于，第一閥調(diào)節(jié)從第一和第二孔眼的流體流動。
9.如權(quán)利要求7所述的鉆頭，其特征在于，所述鉆頭還包括 用于調(diào)節(jié)從第二孔眼的流體流動的第二閥。
10.一種井場系統(tǒng)，包括 鉆柱；接合到鉆柱的方鉆桿；以及鉆頭，所述鉆頭包括 與鉆柱流體連通的內(nèi)腔；以及位于鉆頭的外部上的第一保徑墊，所述第一保徑墊具有與所述內(nèi)腔流體連通的第一孔眼，其中，所述鉆頭被構(gòu)造成使流體連續(xù)地從第一孔眼流動。
11.一種在地下地層中鉆出彎曲井眼的方法，所述方法包括 將鉆頭安裝在鉆柱上，所述鉆頭包括與鉆柱流體連通的內(nèi)腔；以及位于鉆頭的外部上的第一保徑墊，所述第一保徑墊具有與所述內(nèi)腔流體連通的第一孔眼，其中，所述鉆頭被構(gòu)造成使流體連續(xù)地從第一孔眼流動； 大致同時地轉(zhuǎn)動鉆柱和通過鉆柱向鉆頭泵送流體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種抗渦動的鉆頭、井場系統(tǒng)及其使用方法。本發(fā)明的一個實(shí)施例提供了一種鉆頭(105)，所述鉆頭包括與鉆柱流體連通的內(nèi)腔；以及位于鉆頭的外部上的第一保徑墊(206A)。第一保徑墊具有與所述內(nèi)腔流體連通的第一孔眼(212)。所述鉆頭被構(gòu)造成使流體連續(xù)地從第一孔眼流動。
文檔編號E21B7/06GK102232138SQ200980147754
公開日2011年11月2日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者K·豪格瓦爾德斯泰德, O·辛特, R·布阿萊格 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司