CN101443526B - 方向控制钻井*** - Google Patents
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Abstract
一种钻井***，包括：非旋转运送***；连接到所述非旋转运送***并且包括锚件的工具，当所述工具位于井眼中时可通过所述锚件将所述工具锚定在位；连接到所述工具的钻头；用于转动所述钻头的电机；以及设置在所述工具与所述钻头之间的方向控制***；其中，在使用时，使所述钻井***位于井眼中，所述方向控制***可***作以使所述钻头移离所述井眼的轴线。
Description
技术领域
本发明涉及一种适合于钻出地下井眼的钻井***。特别地，本发明涉及这样一种钻井***，该***在钻井进行时通过控制***钻进的方向使得井眼的轨迹被控制并且发生偏离。
背景技术
在钻出地下井眼的过程中，影响任务是否成功的一个重要因素在于花费时间在正确方向上操纵钻井以及适当到达终点。频繁地改变轨迹会引起井眼弯曲度的增加，从而增加了进出井眼所需的力，并且还会增加到达相同目标所需要钻进的总距离。
使用从下部钻具组合(BHA)到表面的电缆的钻井提供了以下多个优点：可以减少钻井成本以及减少工作位置的设备和人员。然而，这样也会减少用于钻井的可用动力。2004年8月26日公布的WO2004072437A(SERVICESPETROLIERSSCHLUMBERGERETAL)公开了这种***的示例。这种***通常具有单独的驱动***，用于钻头的轴向驱动(推力，WOB(钻压))和旋转。
这种动力的减小需要通过在钻头上施加低于一般的力和转矩、以及控制穿透率(ROP)或实时钻进而优化钻井过程。
传统的钻井主要使用两种操纵机构：表面可调节电机外壳以及旋转式可操纵组件(参见2000年7月25日公布的US6092610(SCHLUMBERGERTECHNOLOGYCORPORATION))，然而这两种机构都不被看作是低功率非旋转工具的良好匹配。表面可调节电机外壳需要多次起下钻，这增加了花费在井上的总时间并且增加了弯曲度。旋转式可操纵工具依赖于工具，该工具转动用于操纵机构。
发明内容
本发明的目的是提供一种钻井***，该***在与非旋转运送件例如电缆和挠性管一起使用时能够控制钻井的方向。在本发明的内容中，非旋转运送件是指不能用于沿着井将转动传递到下部钻具组合的部件。
本发明提供了一种井维修***，包括：
非旋转运送***(conveyancesystem)；
连接到所述非旋转运送***并且包括锚件的工具，当所述工具位于井眼中时可通过所述锚件将所述工具锚定在位；
连接到所述工具的可更换操作头；
用于转动所述可更换操作头的电机；以及
设置在所述工具与所述可更换操作头之间的方向控制***；其中，在使用时，使所述***位于井眼中，所述方向控制***可***作以使所述可更换操作头移离所述井眼的轴线，从而在井壁或套管处进行各种操作。
井维修***包括钻井***，其中操作头包括钻头。操作头还包括套管铣削工具，或者设定变向器或斜向器以将工具导引到侧向井眼中的***。
在一个实施例中，所述方向控制***包括定位在所述工具与所述操作头之间的至少三个滑动件，各个滑动件沿着径向方向突出可调节量；各个滑动件的突出在使用时被调节，从而与井眼壁接触并沿着所需方向移动所述操作头。所述滑动件优选地在它们的外端部被成形为能够在使用期间沿着井眼壁滑动。
在该实施例中，所述操作头和所述滑动件优选地通过挠曲部与工具分开。
在另一个实施例中，所述方向控制***包括位于工具中的万向接头以及位于工具中的方向控制机构，所述操作头通过所述万向接头被连接，所述方向控制机构可***作以调节操作头轴线相对于工具轴线的角度以及调节操作头轴线的方位角方向。
优选地，轴在所述操作头与所述方向控制机构之间延伸经过所述万向接头。
方向控制机构的一个实施例包括一对相互接合的偏心环，其中的一个偏心环连接到所述工具、并且另一个偏心环连接到所述轴，所述环的相对旋转允许调节所述操作头轴线的角度，以及共同旋转允许调节所述操作头轴线的方位角方向。在一个特别优选的实施例中，第一外环连接到所述工具，以及置于所述第一外环内的第二内环连接到所述轴。
在第二实施例中，方向控制机构包括至少三个活塞，所述至少三个活塞作用在连接到所述轴的头部，所述活塞可***作以调节操作头轴线相对于工具轴线的角度以及调节操作头轴线的方位角方向。
在该第二实施例的变体中，活塞在径向方向上起作用，从而调节轴的位置。
在第三实施例中，所述方向控制机构包括至少三个可膨胀囊，所述至少三个可膨胀囊绕着所述轴位于所述工具内，所述囊可膨胀以作用在所述轴上并且调节所述轴的位置。
用于旋转操作头的电机最好定位在操作头和工具之间。
优选地，方向控制机构包括单独机构，用于分别控制旋转和平移。
一般地，所述工具包括轴向驱动***，用于给所述操作头施加推力。轴向驱动***的优选形式是推挽式牵引件，所述牵引件具多对锚件，当所述牵引件沿着井眼移动时，所述锚件交替地部署。牵引件锚件可以提供锚定，所述工具通过所述锚定被定位在井眼中的适当位置。
非旋转运送***包括例如电缆或者挠性管。
本发明的概念可以广泛地应用于井维修***，包括：
非旋转运送***；
连接到所述非旋转运送***并且包括锚件的工具，当所述工具位于井眼中时可通过所述锚件将所述工具锚定在位；
连接到所述工具的可更换操作头(钻头、磨头、喷头等)；
用于转动所述可更换操作头的电机；以及
设置在所述工具与所述可更换操作头之间的方向控制***；其中，在使用时，使所述***位于井眼中，所述方向控制***可***作以使所述可更换操作头移离所述井眼的轴线，从而在井壁或套管处进行各种操作。
一种使用根据本发明的***在套管中开设窗口的方法，所述***具有铣削工具作为所述操作头，所述方法包括：
将工具定位且锚定在所述套管中靠近窗口的所需位置；
使用电机转动所述铣削工具；以及
操作所述方向控制机构，从而使旋转的铣削头移离工具轴线紧靠所述套管、并且开设具有预定形状和尺寸的窗口。
优选地，所述方法包括操作所述方向控制机构从而在铣削所述套管的同时使所述铣削工具在轴向方向和方位角方向移动。所述方法还包括在开设窗口之后释放锚件以及从所述套管退出所述***。
根据本发明的***的一个优选实施例使用对于旋转操作头的位置和方向的控制来使操作头相对于套管中已存在的窗口定位，展开锚件从而将工具锚定在位，并且还用于解锁以及回退和收回斜向器或导向器。
附图说明
图1显示了根据本发明一个实施例的钻井***的示意图；
图2和图3显示了本发明第一实施例的侧视图和横截面图；
图4和图5显示了本发明第二实施例的侧视图和横截面图；
图6-9显示了用于图4和图5的实施例的方向控制机构的横截面图；
图10和图11显示了本发明第三实施例的侧视图和横截面图；
图12和图13显示了本发明第四实施例的侧视图和横截面图；
图14和图15显示了本发明第五实施例的侧视图和横截面图；
图16显示了本发明第六实施例的示意图；
图17显示了本发明第七实施例的示意图；
图18-20显示了本发明第八实施例的示意图；
图19显示了沿着图18中A-A的示意图；
图20显示了图18和19中的套管，本发明的实施例被去除；以及
图21-24显示了本发明第九实施例的示意图。
具体实施方式
图1显示了根据本发明一个优选实施例的大体典型钻井***。该***包括井下钻井单元，该井下钻井单元包括携带有钻头12的旋转驱动***10。包括轴向驱动***的工具14被定位在旋转驱动***10的后面并且经由控制部16和非旋转运送件18(例如电缆或者带有电缆的挠性管)而连接到地面。
旋转驱动***10包括电动机，钻头12通过该电动机被转动。电机的功率取决于其尺寸，尽管对于多种应用，电机的功率不会超过3kW。
在使用中，钻井***进入到井眼20中，直到钻头12到达底部。通过使用旋转驱动***10使钻头12旋转以及通过使用工具14中的轴向驱动***使钻头前行进入到地层中，钻井继续进行。通过控制***16来控制钻头的旋转和前行，控制***16又可被从地面进行控制或者以独立地方式有效地运行。
在一个优选实施例中，轴向驱动***包括使用推挽原理、具有一对锚件的牵引件。这允许了套管拉动和钻进的分离，从而有助于钻头上重量的精确控制。欧洲专利申请no.04292251.8以及PCT/EP04/01167中描述了一种适当的牵引件形式。
图1显示了一种适用于钻出直井眼的直线配置中的钻井***的部件。为了改变井眼的轨迹、或者从已有井眼钻出新的侧向井眼，需要使钻头12从工具14的轴线偏移。本发明通过两个称为“摆动钻头”和“推进钻头”的方法中的一个而实现所述偏移。
在“推进钻头”中，向钻井***施加非对称力从而在所需方向上驱使钻头12。图2显示了根据本发明实施例的这种***的示意图。
该实施例使用了锚状组件22，该锚状组件22位于工具14下方并且靠近钻头12，从而在优选方向上推动钻头12。组件22操作从而施加力，并且随着施加的力该力又驱使钻头12在相反方向上钻进。使用这种方法所需的力并不需要很大，但是需要与工具其它部分的转矩解耦。例如，可以通过使用具有低刚性模量的挠曲部24实现。
该组件22在工具的外径上具有至少三个滑动件26(成120°)，所述各个滑动件26均单独地延伸。与地层接触的各个滑动件的端部被成形为当钻井进行时在井眼壁上滑动。通过在牵引件上设定适当的锚件以及克服由设定锚件提供的反作用推动钻头，使得钻井向前进行。为了在任意特定方向(在360°范围上)上驱使钻头12，各个滑动件26均延伸预定量从而在所需方向上提供所需合力。在图2和3中，下部活塞26a比上部活塞26b(使用更大的力)更加向外推出，由此向上推动钻头12(由此优先地构造一个角度)。
可以理解的是，可以对上述***进行改变。例如，可以在组件22中使用三个以上滑动件。并且，在上述实施例中，旋转驱动电机10靠近钻头并且在挠曲部24下方。可选择地，将电机10设置在挠曲部上方的工具14中并且使用柔性驱动轴驱动钻头。
在“摆动钻头”方法中，在工具轴线与钻头轴线之间形成可调节角度。该角度需要在方位角方向(优选0-360°)以及轴线角度(优选至少0-4°)上被控制，从而能够钻到所需弯曲曲线(例如，120°/100ft)。图4和5示意性地显示了这种***的实施例。上部工具部30类似于图1中所示的工具、并且包括具有锚件的轴向驱动***(推挽牵引件)。下部工具部32容纳有旋转钻井电机34、钻头轴36以及钻头38。下部工具部32通过轴40连接到上部工具部30，该轴40延伸经过万向接头(UJ)42。万向接头42允许反作用转矩从钻头38传递到上部工具部30(以及最终传递到锚件)，以及允许轴向推力(WOB)从牵引件传递到钻头38。万向接头42通常还允许上部工具部30与下部工具部32之间的高压线、液压流体以及循环流体的通过。方向控制机构44(下面更详细描述)被定位在上部工具部30中、并且作用在轴40上从而对钻头38导向。
方向控制机构的一个实施例包括环套环(ring-in-ring)偏移机构，其中两个相套的偏移环能够转动从而取消或增加偏移量，由此允许使轴笔直向前或者成任一所需角度指向。该角度随后需要通过使作为组件的这组环转动而被沿着所需方向定向。
环套环机构的一个示例在图6-9中显示(这种***在其它应用中的使用细节可以在2000年7月25日公布的US6092610(SCHLUMBERGERTECHNOLOGYCORPORATION)中看到)。在这个实施例中，上部工具部30旋转地连接到具有偏移内表面401的外环400，该圆形内表面的中线相对于内环406的外径偏移并且成一定角度，轴40的端部被***到该内环406中。在图6中，从外环与内环消除偏移，从而使得轴的轴线402的中心(与内环406的内径407对准)与上部工具部30的纵向轴线对准。由此，如图6和7所示，内环(轴)406的中心405与外环(上部工具部30)400的中心404重合，由此使得钻头38的轴线以及下部工具部32能够与上部工具部30相对准，从而***钻出直的井孔。
如果内环406相对于外环400旋转180°，如图8和9所示，那么外环400及内环406所形成的形状增加了外环和内环的偏移，导致经过点405的轴线402相对于外环400形成最大偏移403，由此使轴40相对于上部工具部30成最大角度定位，从而在所需方向上钻井。为了使轴40相对于上部工具部30的角度比图8和9中的环设置所产生的角度更小，将环400、406定位成可以具有在图6和7中的环的位置与图8和9中的环的位置之间的任何相对旋转定位。这样，轴40以及由此钻头38的纵向轴线相对于上部工具部30的纵向轴线的角度关系可根据定位环400、406的相对位置在0°与预定最大角度之间改变。这些环可以通过各种机械或电气装置(例如齿轮电机)而相对彼此旋转。
一旦钻头轴线的所需角度已经通过两个环的相对转动而获得，那么通过在保持它们相对位置的同时一起旋转两个环可以确定方位角方向。
用于使轴的端部偏移的另一个机构包括多个径向活塞50(至少3个用于完全的位置选择)，如图10和11所示。该机构的活塞以与上述“推进钻头”实施例的滑动件相类似的方式操作，万向接头42用于使该作用在钻头38处颠倒(向下推动轴40的端部导致钻头38升高)。
该机构的变体包括使用内部可膨胀囊52代替活塞，如图12和13所示。囊52的膨胀和缩小允许轴40移动到所需方向和角度。由于由囊所引起的运动不像活塞那样可被控制，因此可能需要设置测量装置来确定偏移的位置。
方向控制机构的另一个实施例包括使用连接到头部56的三个轴向活塞54，所述头部56又使轴40定向，如图14和15所示。在该机构中，活塞54不同程度的延伸或回缩将会影响头部的转动以及由此影响轴40偏转(例如参见图15)。
通过选择性地致动(并且测量)三个活塞54的位移，可以改变轴40的方向和斜度。通常所需的偏移为5°，在这种情况下，三个活塞的位移通常地在几毫米的量级以用于电缆钻井***。
方向控制机构的另一个实施例使两个操纵维数分开，从而允许对各个操纵维数更好控制，以及更容易地包装。图16显示了操纵机构的运动链。
该机构结合了平移和转动。为了限定方向，定向套筒58被绕着其轴线定向(0°-360°)。在该套筒中成角度α加工出孔60。一旦定向被选择，那么使用活塞62使套筒58向前或者向后移动，从而设定轴的斜度。轴通过有刻度的万向接头42连接到工具30。这种***具有以下优点：能够在所有方向上(0-360°)提供良好的定向以及提供准确的弯曲角度选择。
可以想到的是，“摆动钻头”方法需要控制方位角(即旋转)的可调节角度。通过将旋转机构(套筒58)限定到0°-360°，电缆可被简单地引导穿过平移机构(活塞62)而到达旋转机构，只要足够长度被允许完全360°的扭转。可选择地，如果使用“滑动环”在平移机构62周围获得动力和通信，那么旋转机构58可以相对于工具进行无限次数的转动。可选择地，如果电缆经过活塞62、套筒58以及轴40中的中心孔而引导穿过平移机构(活塞62)到达旋转机构58，那么旋转机构58可以相对于工具进行无限次数的转动。例如，在没有滑动环或者没有经过中心孔的布线(线缆穿过)的实施例中，如果旋转机构已经处于360°以及需要向右侧另外旋转20°，那么旋转机构需要向左侧旋转340°(360-20)而达到新的所需角度。这会增加被钻井眼弯曲度以及增加对于小的方向变化所需的时间。
定向及斜度的管理是完全独立地、并且可被单独的(电气和/或水力)***所驱动。由于活塞62具有长的行程，因此在套筒中选择小的倾斜角度会产生容易的致动管理。该方法具有如下机械优点：通过设计能够在下端产生高侧向力；允许施加高的钻头侧向力；或者在操纵机构下方提升另外的分量。
图17显示了在本发明中使用的操纵机构的另一个实施例。在这种情况下，该机构包括绕着工具轴线成120°设置的三个轴向活塞以及气缸装置70(为了清楚仅显示一个)。汽缸连接到下部工具部30、以及活塞设置成在轴向方向上起作用，每个活塞都连接到关联的楔块72(具有倾角β)，楔块72作用在轴40的端部，该轴40又以与图12和16的实施例类似的方式延伸经过万向接头42。通过调节各个楔块72的位移，可以调节轴40的定向。
通过上述所有实施例，钻头都可以被铣削工具102所替代从而在套管中切出窗口，如图18-20所示。***进入到套管100中。在铣削操作期间使用方向控制机构和牵引件来调节铣刀102的位置，从而在沿着选择出来的轨迹并保持适应铣刀切削参数的切口深度的同时切开套管以开设任意所需形状和尺寸的窗口103。图20显示了在套管中切出的窗口103(为了清楚期间***被省略)。
为了在铣削加工期间使工具稳定，方向控制机构还被用于以控制的力靠着套管的内孔施加接触垫，从而避免振动并且设定精确的切口深度。这种***提供了以下优点：由于提供了从套管到侧向井眼的平滑过渡，因此能够使窗口的形状和尺寸适应任何特定要求。
在另一个实施例中，钻头被设置工具所替换，从而安装斜向器或导向器，如图21-24所示。***进入到套管100中并且在窗口103的前面(图21)。方向控制机构、牵引件和旋转头105被用于将斜向器106的底部定位在窗口103的下端(图22)。随后使用工具以展开及锚定斜向器106(图23)，接下来使斜向器106与设置工具的锁定件104松开(图24)。相反的操作顺序用于收回斜向器。这种***允许将导向器或斜向器相对于已经存在的窗口设定在精确的位置及定向。
尽管上述实施例涉及某些具体应用，但是可以理解的是，钻头可以被其它操作头所替换，同时仍然具备相似的作用。例如，可以使用定向***加工内孔轮廓或塞子，以去除下套管井中剥落的沉积物，设定封隔器、塞子或阀，致动阀或阻塞，或者定位喷嘴从而通过高压或高流喷射或去除来进行清洁。在所有情况下，都可以使用本发明中所限定的精确方向控制以达到整个目的。
可以不脱离本发明的范围而进行进一步的改变。
Claims (10)
1.一种井维修***，包括：
非旋转运送***；
连接到所述非旋转运送***并且包括锚件的工具，当所述工具位于井眼中时可通过所述锚件将所述工具锚定在位；
连接到所述工具的可更换操作头；
用于转动所述可更换操作头的电机，所述电机位于所述可更换操作头与所述工具之间；
设置在所述工具与所述可更换操作头之间的方向控制***；所述工具包括用于给所述可更换操作头施加推力的轴向驱动***，所述方向控制***包括位于所述工具中并且所述可更换操作头通过其被连接的万向接头、以及位于所述工具中的方向控制机构，所述方向控制机构可***作以调节操作头轴线相对于工具轴线的角度以及调节操作头轴线的方位角方向；以及
在所述可更换操作头与所述方向控制机构之间延伸经过所述万向接头的轴，其中，在使用时，使所述井维修***位于井眼中，所述方向控制***能够***作以使所述可更换操作头移离所述工具的轴线，从而在井壁或套管处进行各种操作。
2.如权利要求1所述的井维修***，其特征在于，所述方向控制***包括一对相互接合的偏心环，其中的一个偏心环连接到所述工具、并且另一个偏心环连接到所述轴，所述环的相对旋转允许调节所述操作头轴线的角度，以及共同旋转允许调节所述操作头轴线的方位角方向。
3.如权利要求2所述的井维修***，其特征在于，连接到所述工具的偏心环是第一外环，以及连接到所述轴的偏心环是置于所述第一外环内的第二内环。
4.如权利要求1所述的井维修***，其特征在于，所述方向控制机构包括至少三个活塞，所述至少三个活塞作用在连接到所述轴的头部，所述活塞可***作以调节操作头轴线相对于工具轴线的角度以及调节操作头轴线的方位角方向。
5.如权利要求4所述的井维修***，其特征在于，所述活塞沿着径向方向作用以调节所述轴的位置。
6.如权利要求1所述的井维修***，其特征在于，所述方向控制机构包括至少三个可膨胀囊，所述至少三个可膨胀囊绕着所述轴位于所述工具内，所述囊可膨胀以作用在所述轴上并且调节所述轴的位置。
7.如权利要求1所述的井维修***，其特征在于，所述方向控制机构包括用于调节操作头轴线相对于工具轴线的角度的机构、以及用于调节操作头轴线的方位角方向的机构。
8.一种使用如前述任一权利要求所述的井维修***在套管中开设窗口的方法，所述井维修***具有铣削工具作为所述可更换操作头，所述方法包括：
将工具定位且锚定在所述套管中靠近窗口的所需位置；
使用电机转动所述铣削工具；以及
操作所述方向控制***，从而使旋转的铣削工具的头移离工具轴线紧靠所述套管、并且开设具有预定形状和尺寸的窗口。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括操作所述方向控制***从而在铣削所述套管的同时使所述铣削工具在轴向方向和方位角方向移动。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，还包括在开设窗口之后释放锚件以及从所述套管退出所述井维修***。
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