利用旋轉外殼和選擇性可偏移驅動軸的定向鉆井的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]本公開大體涉及鉆井操作,并且更具體涉及利用旋轉外殼和選擇性可偏移驅動軸的定向鉆井。
[0002]由于鉆井操作變得更復雜并且碳氫化合物儲層相應地變得更難以到達,對將鉆井組件垂直且水平地精確定位在地層中的需要增加。這種操作的一部分需要使鉆井組件轉向,以避免特殊地層或橫穿感興趣地層。使鉆井組件轉向包括改變鉆井組件/鉆頭指向的方向。通常,這利用接觸井筒壁以迫使鉆井組件在井筒內偏離中心或使鉆井組件的一部分維持在靜止位置的接合機構來實現。不幸地,這些接合機構可能造成問題,特別是當它們必須穿過對于鉆井操作期間的安全至關重要的重要機構、諸如防噴裝置時。
【附圖說明】
[0003]本公開的一些具體示例性實施例可以通過部分地參考以下描述和附圖來理解。
[0004]圖1是圖示根據本公開的方面的示例鉆井系統的示意圖。
[0005]圖2是圖示根據本公開的方面的示例鉆井系統的示意圖。
[0006]圖3是圖示根據本公開的方面的示例鉆井系統的示意圖。
[0007]圖4是圖示根據本公開的方面的示例鉆井方法的流程圖
[0008]雖然本公開的實施例已經進行描繪和描述并參考本公開的示例性實施例進行限定,但是這種參考不意指對本公開進行限制,并且不推斷這種限制。所公開的主題容許本領域技術人員想到且具有本公開的益處的在形式和功能上的相當多的更改、改變和等同物。本公開的描繪和描述的實施例僅僅是示例,并未窮舉本公開的范圍。
【具體實施方式】
[0009]本公開大體涉及鉆井操作,并且更具體涉及利用旋轉外殼和選擇性可偏移驅動軸的定向鉆井。
[0010]在本文中詳細地描述了本公開的圖示性實施例。為了清晰,不是實際實施方式的所有特征都會在此說明書中進行描述。當然,應理解,在任何這種實際實施方式的開發中,必須作出多種特定實施方式的決定,以實現特定實施方式的目標,所述實施方式將會從一種實施方式改變為另一種實施方式。此外,應意識到,這樣的開發努力將會是復雜且耗時的,但仍將是本領域技術人員從事的具有本公開的益處的日常工作。
[0011]為了便于本公開的更好理解,給出了某些實施例的以下示例。以下示例絕不應當理解為限制或限定本公開的范圍。本公開的實施例可以應用于水平的、垂直的、偏離的、多側的、U形管連接、交叉、旁通(中深卡緊接合板鉆進并回到下面的井中)或要不然任何類型中的地下地層中的非線性井筒。實施例可以應用于注入井和生產井,包括自然資源生產井、諸如硫化氫井、碳氫化合物井或地熱井;以及用于過江隧道的井筒結構、及用于近地表結構目的的其它這種隧道井筒、或用于輸送流體、諸如碳氫化合物的井筒U形管管道。在下面關于一種方式描述的實施例不意欲進行限制。
[0012]根據本公開的方面,在本文中描述了用于控制鉆井組件在井筒內的方向的系統和方法。一種示例系統包含外殼和可偏移驅動軸,所述可偏移驅動軸耦接到鉆頭并且至少部分地設置在外殼內。如在本文中描述的,如果驅動軸的縱向軸線配置為偏離轉向組件的縱向軸線,那么驅動軸可以是可偏移的。可偏移驅動軸的偏移角度可以對應于鉆井組件的鉆井角度。所述系統還可以包括馬達,所述馬達耦接到外殼,當激活時,使外殼相對于鉆柱獨立地旋轉。如將會在下面描述的,通過使外殼在鉆井操作期間相對于鉆柱獨立地反向旋轉,可偏移驅動軸和鉆頭的角度位置可以保持對地靜止,而不需要外殼接合井筒壁。
[0013]圖1是圖示根據本公開的方面的示例鉆井系統100的示意圖。鉆井系統100包括鉆架102,所述鉆架102安裝在地表101處并且定位在地下地層103內的井筒104上方。在示出的實施例中,鉆井組件105可以定位在井筒104內,并且可以耦接到鉆架102。鉆井組件105可以包含鉆柱106和底孔組件(BHA) 107。鉆柱106可以包含螺紋連接的多個區域。BHA107可以包含鉆頭109、測量同時鉆井(MWD)裝置108和轉向組件114。轉向組件114可以控制井筒104正在鉆進的方向。鑒于本公開,本領域技術人員應意識到,井筒104將會沿垂直于鉆頭109的刀面110的方向鉆進,所述方向對應于鉆頭的縱向軸線116。相應地,控制井筒104鉆進的方向可以包括,控制鉆頭109的縱向軸線116相對于轉向組件107的縱向軸線115的角度,以及控制鉆頭109相對于轉向組件107的角定向。
[0014]根據本公開的將會在下面描述的方面,轉向組件114可以包括可偏移驅動軸(未示出),所述可偏移驅動軸引起鉆頭109的縱向軸線116偏離轉向組件114的縱向軸線115。同樣,轉向組件114可以包括反向旋轉外殼(例如,參見圖2,元件201),所述反向旋轉外殼維持鉆頭109相對于轉向組件114的角定向。轉向組件114可以從地表處的控制單元113接收控制信號,以確定鉆井方向。控制單元113可以包含具有處理裝置和存儲裝置的信息處理系統,并且可以經由遙感勘測系統與轉向組件114通信。在某些實施例中,如將會在下面描述的,控制單元113可以向轉向組件傳輸控制信號,以改變鉆頭109的縱向軸線115,以及控制轉向組件114的某些部分的反向旋轉,從而將刀面維持在對地靜止位置。此外,其它BHA107部件,包括MWD裝置108,可以與控制單元113通信,并從控制單元113接收指令。
[0015]在某些實施例中,鉆柱106可以旋轉以對井筒104鉆進。鉆柱106的旋轉轉而可以使BHA107和鉆頭109以與鉆柱106相同的旋轉方向和速度旋轉。該旋轉可以引起轉向組件114圍繞其縱向軸線115旋轉,并且引起鉆頭109圍繞其縱向軸線116和轉向組件114的縱向軸線115旋轉。鉆頭109圍繞其縱向軸線116的旋轉是期望的,以引起鉆頭109切入地層,但是在某些情況下,鉆頭109圍繞轉向組件114的縱向軸線115的旋轉不是期望的,因為它改變了鉆頭109相對于轉向組件114的角定向。例如,當鉆頭109的縱向軸線116偏離轉向組件114的縱向軸線115時,如其在圖1中,鉆頭109可以圍繞轉向組件114的縱向軸線115旋轉,防止鉆井組件以特定角度和方向鉆進。
[0016]圖2是圖示根據本公開的方面的示例轉向組件200的示意圖,所述轉向組件200可以部分地用來在鉆井操作期間維持鉆頭軸線相對于轉向組件的縱向軸線200的角定向。如將會在下面描述的,轉向組件200可以包括外殼201,所述外殼201可以反向旋轉,以將鉆頭軸線維持在相對于轉向組件200的縱向軸線的特定(對地靜止)角定向。轉向組件200可以包含可偏移驅動軸202,所述可偏移驅動軸202至少部分地設置在外殼201內并耦接到鉆頭203。如果驅動軸的縱向軸線配置為偏離轉向組件的縱向軸線,驅動軸可以是可偏移的。此外,即使在給定時刻驅動軸可以與轉向組件的縱向軸線對齊并且因此不偏移,驅動軸也可以是可偏移的。馬達204可以耦接到外殼201,并且當激活時,使外殼201相對于工具套圈205獨立地旋轉。工具套圈205可以直接或間接地耦接到鉆柱,使得當鉆柱沿第一方向以第一速度旋轉時,工具套圈205與鉆柱一起、即沿第一方向以第一速度旋轉。
[0017]可偏移驅動軸202可以直接或間接耦接到工具套圈205。外殼201可以緊鄰工具套圈205的端部定位,并且可旋轉地獨立于工具套圈205。在某些實施例中,馬達204可以包含電動或液壓馬達,所述馬達204可以至少部分地設置在工具套圈205內。液壓馬達可以包括泥漿馬達,所述液壓馬達使用通過轉向組件的向下的流體流、諸如鉆井泥漿產生扭矩。如在圖2中可以看出的,馬達204可以具有輸出軸206,所述輸出軸206耦接到外殼201并使外殼201旋轉。在某些實施例中,馬達204可以從設置在工具套圈205內的電源、諸如電池或井下泥漿流發電機(未示出)或從耦接到工具套圈205的BHA元件接收電能。在某些其它實施例中,馬達204可以由鉆井泥漿直接驅動。如將會在下面描述的,馬達204可以設置在工具套圈205內或在工具套圈外部、諸如在外殼201內。
[0018]如可以看出,可偏移驅動軸202可以至少部分地設置在外殼201內。可偏移驅動軸202可以經由焦點207固定在外殼201內,焦點207可以包含軸承/密封件,并且可以維持可偏移驅動軸202的某一區域在外殼201內沿著轉向組件200的縱向軸線208居中。在焦點207之間的可以是偏移機構209,所述偏移機構209在外殼201內圍繞可偏移驅動軸202設置。偏移機構209可以使可偏移驅動軸202的一部分偏離轉向組件200的縱向軸線208,這結合可偏移驅動軸202在焦點207處的居中部分可以在可偏移驅動軸202中產生偏移角度210。
[0019]在某些實施例中,偏移機構209可以可旋轉地固定在外殼201內,并且維持可偏移驅動軸202的偏移角度210和預定的角度。在這樣的實施例中,偏移機構209可以包含盤狀件,所述盤狀件可旋轉地固定在外殼201內,具有偏心孔,所述偏心孔從轉向組件200的縱向軸線208偏移預定的距離。偏移距離可以表示為可偏移驅動軸202在偏移機構209內的部分從轉向組件200的縱向軸線208移位的徑向距離。偏移距離結合偏移機構209相距焦點207中的至少一個的距離可以限定偏移角度210。在其它實施例中,偏移機構209可以包含可變偏移機構,允許偏移角度210在外殼201內是可改變的。例如,在某些實施例中,偏移距離可以在井下改變,以改變可偏移驅動軸202的偏移角度210。偏移距離可以利用例如額外的井下馬達或致動器(未示出)而在井下改變,所述井下馬達或致動器可以響應于來自地表的控制信號而改變偏移距離。鑒于本公開,本領域技術人員應意識到,可偏移驅動軸202的偏移角度210可以引起鉆頭203的縱向軸線212相對于轉向組件200的縱向軸線208的偏移。相應地,通過改變偏移角度210,鉆頭203的縱向軸線212將會變化,正如利用轉向組件200鉆進的井筒的偏移角度也會變化。
[0020]在鉆井操作