利用水压伺服循环的旋转导向钻井系统方案

United States Patent(美国专利)

专利号：6，109，372 专利日期：2000年8月29日 利用水压伺服循环的旋转导向钻井系统 参考书目 概要

定向钻井主动控制旋转导向钻井系统包括管状旋转工具束套，在其附近旋转固定着一个非旋转滑动套筒，在钻井过程中非旋转滑动套筒与多个弹性耦合组件相结合以维持滑动套筒与钻孔壁的耦合连接关系。偏移心轴被一肘接头支撑在工具束套内作枢轴运动，并且由工具束套旋转驱动。偏移心轴下端从工具束套伸出且适宜于支撑钻头。为了获得旋转钻头的控制导向，钻具的定向是由导航传感器自动检测的，并且偏移心轴维持与地球的相对位置不变以及通过应答导航传感器确定其在肘接头周围的方向而选择性地相对于工具束套轴向倾斜。定位在工具束套内的交流发电机和水压泵是通过流动钻井液驱动的电源来驱动发电和产生水压的，以便为工具的电子组件及水压系统组件的运转提供电源。通过应答伺服阀的工具位置信号驱使的水压汽缸和活塞组件控制相对于工具束套的偏移心轴的角坐标。水压活塞被伺服控制以应答导航感应器的信号输入和其它的对水压位置控制系统提供实时位置信号的工具位置感应系统。

发明背景

1．发明领域 此发明主要与定向钻井的方法和设备有关，特别是石油生产钻井，并且特别涉及主动控制旋转导向钻井系统。主动控制旋转导向

钻井系统可以直接连接到旋转钻井绳/柱上或可以连接在旋转钻柱里与泥浆马达或推进器或弹性潜水器装配在一起，以便能够进行偏离井眼部分和分支井眼的钻井。此发明还涉及到能够对钻进中的井眼的精确定向控制的方法和设备。此发明也涉及到主动控制旋转导向钻井系统结合液压励磁[通电]定位机械装置以完成偏移心轴的轴线和在偏移心轴旋转过程中钻头的自动的与地球的相对位置不变的定位，并且钻头由旋转钻柱和马达而驱动。此发明进一步涉及到使用与主动控制旋转导向钻井系统相结合的联结方法以便在钻井过程中维持钻具与井眼壁的联结。

2．相关技术的描述

油气井经常含有一个定向钻井的地下油气层，也就是相对于垂直方向按一个角度倾斜，而且伴随倾斜有一特别的航向罗盘方向或方位角。虽然可以在任意预期的位置开钻含有偏离部分的油井，诸如水平井眼方向或偏离主井眼的分支井，例如，相当数量的海洋环境下的偏离井钻井。从某种意义上说，在海洋钻井中，许多偏离井是从单一的海上生产平台开钻以使井眼的底部分布在大片的生产层区，而钻台则典型地定位在此生产油层的中心位置的上方，并且每口井的井口则定位在钻台的结构上。

在钻进中的油井遇到复杂的钻井轨道情况下，当钻头通过工具束套旋转过程中，由该发明旋转导向钻具提供的操纵钻头的性能能够使钻井工作人员迅速地将钻进中的井眼从一个地下油层导航到另一个地下油层。此发明工具的旋转导向钻具能够从倾斜的角度和方位角的角度来操纵井眼的导向，以便使两个或更多的地下油藏区可以被钻进的井眼可控性地交叉钻探到。

定向钻井典型的步骤是利用传统的旋转钻井技术将钻柱和钻头从初始的垂直的井眼移开，并且运转在泥浆马达中。在驱动钻头的钻柱的下端有一弯曲卡箍以适应钻井液的循环。弯曲卡箍提供一弯曲角度以便使在弯曲点下面的、响应钻头旋转轴的轴线有一“工具面角度”。工具面角度或简单的称“工具面”确定方位角或航向罗盘方向，当泥浆马达运作时，偏离井眼部分将以此方位角钻进。当工具面通过缓慢旋转的钻柱和通过观察各种导向设备的输出信号而确立后，泥浆马达和钻头被降下，并与非旋转钻柱维持所选工具面，而且钻井液泵，“泥浆泵”被供能以促进钻井液流动通过钻柱和泥浆马达，从而对泥浆马达输出转动轴和固定到其上的钻头赋予旋转运动。弯曲角度的存在可使钻头弯曲钻进到确立预期的井筒倾斜度。为了钻出沿预期的倾斜度和方位角的井筒部分，钻柱将会旋转以便其旋转重叠在泥浆马达输出转动轴旋转的上面，这样可以使弯曲部分仅仅绕井筒的轴线轨道旋转，以便钻头可以按所确立的任意倾斜度和方位角一直向前钻进。如果理想的话，当井筒最大深度接近使井筒弯曲到水平位置并可以水平延伸进入或通过生产区时就可以使用同样的定向钻井技术。假如各种井眼参数显示与工程计划不一致的话，随钻测量系统(MWD)通常包含在泥浆马达上方的钻柱内以监控井眼的钻探过程，以便建立正确的测量数据。

当井筒部分与非旋转钻柱和由钻井液操纵的泥浆马达一起钻探时可能会引起各种各样的问题。由泥浆马达操纵引起的反作用扭矩可以引起工具面逐渐发生变化以至于使井眼不能按预期的方位角逐步加深。如果方位角不正确的话，井筒可能会延伸至太靠近另一井筒的位置，从而

可能会错过理想的“地下目标”，或者由于“漫游”井筒产生超长度钻进。这些不利因素都可能引起井筒钻探费用过分提高，并且可减少从地下生产层的排出效率。而且，非旋转钻柱可以使摩擦力增大以至对“钻头重量”的控制减小，并且钻头的穿透速度降低，这样就导致钻井费用充分地提高。当然，非旋转钻柱比起旋转钻柱更有可能卡在井筒里，特别是在钻柱延伸至有浸透性的生产区的位置，有浸透性的生产区可以引起在井筒壁上形成大量的泥浆块。

此发明专利与美国专利No.5,113,953相比有了显著的提高，因为涉及钻铤的钻头转动轴或心轴的角度是可变的而不是固定的。与此发明专利有关的其它专利是英国专利GB2172324B, GB2172325B和GB217738B。’738专利命名为“控制井眼钻探中的钻井轨迹”且揭示一个具有四个制动器(44)的控制稳定器(20)。制动器是弹性软管形状，弹性软管可选择性地膨胀以对钻铤施加一横向的/侧面的力，如图22所示，以便使钻铤偏斜并因此改变钻探中的井眼轨迹。’324专利揭示了一个含有稳定器18和20的导向钻具，并且带有一个位于两者之间的控制组合部件(22)，以便有效地控制钻井管道(10)的偏斜并改变钻进中井眼的轨迹。’325专利揭示了一具有外壳/套(31)的导向钻具，外套包含感应装置，并且在钻井过程中通过井壁接触组件(33)被维持基本上固定不动。 涉及井壁接触组件的钻井管道(10)的移动是通过对四个制动器(44)中的每一个以控制的方式施加不同的压力而完成的。根据’325专利，钻头的导向是通过自动检测旋转工具束套的位置而生成导航信号实现的。

相反，本发明专利是通过液压维持连接在钻头上的偏移心轴的纵向轴保持与地球的相对位置不变以及确定在旋转工具束套内的枢轴底座的方向而获得钻头导向的。偏移心轴在旋转过程中通过旋转导向钻具的液压增能导向系统保持按预期的倾斜度和方位角定位以便沿着预期的轨迹操纵井眼。一个基本上非旋转的滑动套筒用来提供导航传感器，电子装置/组件和遥感勘测系统的外壳，并且在钻井过程中维持与地层的连接关系。滑动套筒以旋转关系支撑在旋转工具束套的一个部分的周围，并且通过多个从滑动套筒中径向向外突出的弹性刀片与钻进中的井眼壁维持机械联结和基本上非旋转关系。

本发明专利还可以与可控泥浆马达、推进器设备、弹性潜水器及在其中的任何联合装置连接装配在一起。另外，此专利的主动/有效控制旋转导向钻井系统能够使定向可控钻井通过旋转钻柱、泥浆马达或两者兼备而选择性地供以动力，并且在钻井过程中提供精确的钻头重量和钻头方向的精确度的控制。

与本专利相关的另一专利是美国专利No.5,265,682。’682专利揭示的是一个通过推动器维持井下仪器预装件处于横向稳定方向。横向稳定仪器用于调整对一组持续激活的促进钻头在预期方向的径向活塞的流体压力。’682专利的钻头导向系统与本专利的导向系统最显著的不同是利用不同的方法使钻头按预期的方向偏离。’682专利描述的机械装置利用反作用于井筒壁的活塞在井筒内以预期的横向方向对钻头施加压力。因为’682专利的导向钻井系统的液压组件暴露在钻井液中且旋转工具的旋转缓冲器也暴露地与井壁接触，所以这样的钻具的使用