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CN101946057A - 导向钻井系统 - Google Patents

导向钻井系统 Download PDF

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CN101946057A
CN101946057A CN2008801271094A CN200880127109A CN101946057A CN 101946057 A CN101946057 A CN 101946057A CN 2008801271094 A CN2008801271094 A CN 2008801271094A CN 200880127109 A CN200880127109 A CN 200880127109A CN 101946057 A CN101946057 A CN 101946057A
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杰弗里·C·当顿
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Prad Research and Development Ltd
Original Assignee
Prad Research and Development Ltd
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Abstract

本发明公开了一种导向钻井系统，所述导向钻井系统包括：底部钻具组合(18)，所述底部钻具组合包括上部分(22)和导向部分(24)；旋转接头(26)，所述旋转接头允许对导向部分(24)的轴线相对于上部分(22)的轴线的方位进行调节；井下马达，所述井下马达可操作以驱动导向部分(24)用于相对于上部分(22)进行旋转；和多个致动器(34)，所述多个致动器可操作以控制导向部分(24)的轴线相对于上部分(22)的轴线的方位，且致动器(34)安装在导向部分(24)和上部分(22)中的一个上，高速滑动接触形成在致动器(34)与导向部分(24)和上部分(22)中的另一个之间。

Description

导向钻井系统
技术领域
本发明涉及一种用于在井眼的形成中使用例如用于随后开采油气时使用的导向钻井系统。
背景技术
GB 2399121说明了一种导向钻井系统，在所述导向钻井系统中，底部钻具组合装有位于所述底部钻具组合的上部分与导向部分之间的旋转接头或万向接头。井下马达位于上部分中并且驱动由导向部分支承的钻头进行旋转。一系列活塞设置在上部分上，且活塞可操作以调节导向部分的轴线相对于上部分的轴线的角度。
发明内容
本发明的目的是提供一种这种通用类型的并且具有简便形式的导向钻井系统。
根据本发明，提供了一种导向钻井系统，所述导向钻井系统包括：底部钻具组合，所述底部钻具组合包括上部分和导向部分；旋转接头，所述旋转接头允许对导向部分的轴线相对于上部分的轴线的方位进行调节；井下马达，所述井下马达可操作以驱动导向部分相对于上部分进行旋转；和多个致动器，所述多个致动器可操作以控制导向部分的轴线相对于上部分的轴线的方位，且致动器安装在导向部分和上部分中的一个上，并且被布置成抵靠导向部分和上部分中的另一个而作用。
高速滑动接触可以形成在致动器与导向部分和上部分中的所述另一个之间。
高速滑动接触可以形成液压动力轴承，从而避免致动器和/或与致动器接触的表面的过度磨损。
致动器优选地包括活塞，所述活塞例如被布置成使用钻井液或钻井泥浆驱动。可以通过活塞供应流体以润滑活塞与导向部分与上部分中的所述另一个之间的接触。
可选地，滚柱轴承装置可以设置在致动器与导向部分和上部分中的所述另一个之间。柔顺材料元件可以装入到轴承装置中以适应导向部分相对于上部分绕旋转接头的角运动。
井下马达可以具有多种形式。例如，井下马达可以包括钻井液或钻井泥浆供给动力的马达、涡轮机、或电动马达。
附图说明
以下参照附图以示例的方式进一步说明本发明，其中：
图1显示装有根据本发明的一个实施例的导向钻井系统的钻机；
图2是显示图1的导向钻井系统的视图；和
图3-5说明可选的布置。
具体实施方式
图1中所示的钻机包括由位于地面的装置14支撑在井眼12内的钻柱10。钻柱10承载一系列扶正器16及其它部件，并且在所述钻柱的下端处，所述钻柱连接到底部钻具组合18并支撑所述底部钻具组合。位于地面的装置14被布置成使钻柱10和固定到所述钻柱的部件旋转，并且还被布置成沿钻柱10将钻井液20供应给位于井下的部件。
底部钻具组合18在图2中被详细示出，并且包括上部分22和导向部分24。万向接头26连接导向部分24与上部分22。万向接头26允许导向部分24相对于上部分22的方位调节至少+/-2°的角度。上部分22容纳井下马达(未示出)。马达可以具有各种形式。例如，马达可以包括钻井液或泥浆供给动力的马达、涡轮机、或电动马达。马达的转子连接到输出轴28，所述输出轴延伸通过上部分22并且可相对于所述上部分旋转，且轴28通过万向接头26将来自井下马达的旋转驱动力施加给导向部分24。钻头30连接到导向部分24。将要认识的是井下马达的操作会驱动钻头30相对于上部分22进行旋转。
在使用中，上部分22固定到钻柱10，以可与所述钻柱一起移动。钻井系统的操作使得通过钻柱10将钻压载荷施加到上部分22，且钻压载荷通过万向接头26传递给导向部分24并由此传递给钻头30。钻压载荷与由于井下马达的操作并且由于钻柱10的旋转而使钻头30旋转的结合应用从而使钻头30从正在其内形成井眼12的地层32刨削、刮削或以其它方式清除物质，从而延伸井眼12的长度。
多个致动器34安装在上部分22上，且致动器34被布置成与导向部分24的一部分接合并且可操作以控制导向部分24的轴线相对于上部分22的轴线的位置或方位。将要认识的是当致动器34安装在可与钻柱10一起旋转的上部分22的一部分上，并且致动器34倚靠在通过井下马达的操作驱动的导向部分24的一部分上时，在使用中，在致动器34与导向部分24之间具有高速滑动接触。高速滑动接触形成用于最小化致动器34和导向部分24的相关联部分的磨损的流体动力轴承。
致动器34具有一系列活塞的形式，所述一系列活塞在使用中沿设置在上部分22中的供应管线36被供应有加压流体。例如，使用可以位于井下马达上方或下方的旋转阀或一系列双稳态致动器阀可有利地控制流体沿供应管线36的供应。
虽然没有示出，但是底部钻具组合18将装有流动通道装置，藉此，钻井液可以通过底部钻具组合18被供应给钻头30以从形成在所述流动通道装置中的流动通道或喷管被输送。例如，这可以通过沿形成在轴28的通道并通过软管(所述软管通过万向接头26)将流体供应到导向部分24来实现。如此被供应的钻井液用于冲洗钻切地层物质而远离钻头，钻井液和钻切物质往往沿井眼12沿形成在钻柱10与井眼12的壁之间的环空而回流到地面或另一个适当的位置，从而远离钻头30而带走钻切物质。
导向可以使用诸如GB 2399121中所述的一些不同的技术来实现。在一种技术中，控制致动器34以将钻头30的工具面保持在期望的方位上，或者使所述工具面指向期望的方向，同时如上所述操作马达以驱动钻头30进行旋转并施加钻压载荷。在此操作期间，钻柱10可以连续或间歇旋转，将要认识的是致动器34可能需要连续或周期性调节以确保将导向部分24保持在期望的方位上。在需要井眼的相对直线段的情况下，可以操作致动器34以保持导向部分24和上部分22基本上彼此共轴。然而，即使在这种操作模式下，也有可能使井眼的形成部分例如由于钻头30移动通过不同类型的地层物质的层而将与实际直线偏离。
如同GB 2399121中所述的装置一样，扶正器可以安装在上部分和/或导向部分上，或与所述上部分和/或所述导向部分相关联，且扶正器的位置在某种程度上确定可以使用的导向技术的类型。在扶正器设置在导向部分上的情况下，所述扶正器可以位于万向接头的中心的位置的上方、位于所述万向接头的中心的位置上或位于所述万向接头的中心的位置的下方。
角度传感器(未示出)可以被设置成允许感测导向部分24相对于上部分22的角度，并从而允许对钻头指向的方向进行测量。这种信息可以在反馈回路中使用，从而控制钻井系统的操作。角度传感器可以是电感形式，例如，包括安装在导向部分24上的线圈和位于上部分24上的非共面传感器，或者反之亦然。
电缆或电线可以沿轴28和转子的长度延伸以允许与例如位于钻头30上的传感器进行电连接。集流环或电感耦合可以被设置成允许对电缆或电线进行连接。电缆或电线可以用于给传感器通电和/或从所述传感器发射信号。
虽然以上所示和所述的装置使用位于万向接头26上方的活塞形式的致动器34，但是可以将一些或所有致动器34定位在万向接头26的位置的下方和/或将所述一些或所有致动器定位在距离万向接头26不同的距离处。通过交错定位致动器34，在不必要增加底部钻具组合18的直径的情况下可以增加所设置的致动器34的数量。
在另一个实施例中，不是将致动器34安装在可与钻柱10一起旋转的上部分22的一部分上，而是致动器34可以安装在导向部分24上，以可与所述导向部分一起旋转，且在使用中致动器34倚靠在上部分22的多个部分上。
图3显示其中致动器34为活塞形式并提供流动通道40，藉此用于控制致动器34的操作的大量流体被供应给与导向部分24接触的点，从而润滑致动器与导向部分之间的高速滑动接触并增加流体动力轴承效应的修改例。
图4显示其中高速滑动轴承被滚柱轴承42替代的变形例，所述滚柱轴承包括由致动器34支承的内座圈44、和安装在导向部分24上的外座圈46。柔顺材料元件48还可以装入轴承42内以适应导向部分24绕万向接头26的角运动。
在以上所述的每一个装置中，不是使用活塞作为致动器34，而是如图5中所示可以使用导螺杆装置50。装置50每一个都包括螺杆52，所述螺杆可通过马达54旋转并且与螺纹套筒56接合，使得马达54的操作使螺杆52伸出或缩回。滚柱轴承或滑动轴承可以如上所述使用。
虽然与其中安装在上套管并且在上套管相当缓慢地旋转的装置中使用的液压驱动装置相比导螺杆装置可能具有更慢的响应速度，但是所述响应速度可能是充分的，并且用于调节导向部分方位的动力可以非常低。这种装置可能在高温应用中尤其有益。
另一种可能性包括使用液压油以使致动器活塞移动，且例如通过小功率泵供应所述油。
在以上所述的所有装置中，将要认识的是通过将致动器定位在上套管上，所述致动器仅需要在正常使用中与上套筒的旋转时被致动而不是在钻头转速下被致动，从而可以实现大量动力节省。
将要认识的是在不背离本发明的保护范围的情况下可以对以上所述装置进行大范围修改和改变。

Claims (22)

1.一种导向钻井系统，包括：
底部钻具组合，所述底部钻具组合包括上部分和导向部分；
旋转接头，所述旋转接头允许对所述导向部分的轴线相对于所述上部分的轴线的方位进行调节；
井下马达，所述井下马达能够操作以驱动所述导向部分相对于所述上部分进行旋转；和
多个致动器，所述多个致动器能够操作以控制所述导向部分的轴线相对于所述上部分的轴线的方位，所述致动器安装在所述导向部分和所述上部分中的一个上，并且被布置成抵靠所述导向部分和所述上部分中的另一个而作用。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，高速滑动接触形成在所述致动器与所述导向部分和所述上部分中的所述另一个之间。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，滚柱轴承装置设置在所述致动器与所述导向部分和所述上部分中的所述另一个之间。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述滚柱轴承装置装有柔顺材料元件。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，所述致动器包括活塞。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述活塞限定流动通道。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，所述致动器包括导螺杆装置。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述致动器在距离所述旋转接头的共同距离处彼此对齐。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，其中，所述致动器定位于距离所述旋转接头的两个或更多个距离处。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，其中，至少一个致动器定位于所述旋转接头的一侧，而至少一个致动器定位于所述致动器的另一侧。
11.根据前述根据权利要求中任一项所述的系统，其中，所述旋转接头适于允许将钻压载荷传递给所述导向部分。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括软管，所述软管被布置成允许流体通过所述万向接头被供应到所述导向部分。
13.根据权利要求5或6所述的系统，还包括阀装置，所述阀装置被布置成控制流体到所述致动器的供应。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述阀装置定位于所述马达上方。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述阀装置定位于所述马达下方。
16.根据权利要求13所述的系统，其中，所述阀装置包括旋转阀。
17.根据权利要求13所述的系统，其中，所述阀装置包括至少一个双稳态阀。
18.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述马达包括泥浆马达、涡轮机和电动马达中的一种。
19.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括角度传感器，所述角度传感器能够操作以感测所述导向部分相对于所述上部分的角度。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述角度传感器是电感形式。
21.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括扶正器，所述扶正器安装在所述导向部分上。
22.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括电导体，所述电导体延伸通过所述系统。
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