CN102725476B - 通过电流体动力学推进力来泵送泥浆 - Google Patents

Abstract

在双梯度钻井操作中，一段立管套管推动钻泥从海底向上，以减小与泵送钻泥通过立管套管(102)相关的排出压力。这段立管套管(130)可使用电磁体(132)、两个或更多电极(134)或者电磁体与电极的组合来推动具有电流体动力学性质的钻泥通过该立管套管。

Description

通过电流体动力学推进力来泵送泥浆

技术领域

本发明大体上涉及使用电流体动力学(electrohydrodynamic)泵送材料通过管状件且特别是使用电流体动力学泵送钻泥通过管状件的方法和设备。

背景技术

在地球钻探操作(如用于矿物开采的钻井)中，钻泥通过钻柱泵送出且从钻头附近的点进入井眼中。钻泥润滑钻头的切割表面，并且还将废石从钻头向上通过井眼朝着表面移动。当钻泥上升至表面时，石块和其它磨料悬浮在钻泥中。

对于海上井而言，在钻井期间将材料(如钻泥和悬浮在钻泥中的切屑)从地球深处上移需要将该材料上移通过两个梯度。第一梯度是从钻头到海底的距离，并且第二梯度是从海底向上通过立管或套管到钻机。深水中的钻井操作有时被称为“双梯度钻井”。

在双梯度钻井操作中，随着钻泥被泵送到表面，静态排出压力(head pressure)逐渐增大。需要很大的压力来逆着钻头移动钻泥向上通过井眼。在深水钻井操作中排出压力进一步增加，因为当泥浆从泥水分界线(mudline)井口罩向上移至水面上的钻机时，钻泥还必须克服立管中的静态排出压力。克服排出压力所需的高注入压力可能导致对立管的破坏或对岩层的破坏。双梯度钻井操作可以使用单独的泥浆返回线来移动钻泥通过海向上到达钻机，并因此减小立管上的排出压力。

如果钻泥从海底通过立管或通过旁路向上泵送到钻机，则岩层中的排出压力可能减小。已经尝试了各种常规的泵送技术，以泵送钻泥向上通过立管，或者以泵送钻泥通过平行于该立管延伸的外部旁通管。不幸的是，钻泥中的岩石和磨料对与常规泵相关的密封件和移动零件有非常大的破坏性，导致了频繁的泵失效。不需要常规泵的泵送钻泥通过立管的方法是所期望的。

发明内容

一段立管可具有一个或更多电磁体、一个或更多电极或者它们的组合，其可用于从海底井口罩朝着海面泵送钻泥向上通过立管柱。在一示例性实施例中，一段立管上配置有电绝缘衬里和卷绕铁套筒的圆形铜线圈，当用电流供能时，其围绕流体柱(如钻泥)形成磁场。这段立管还具有水平相对的电极，用于在磁场部位向流体(如钻泥)提供电荷。当用电充电并经受磁场时，流体可能表现为电枢，并且因此，该组件可起到连续线性电动机的作用，推着流体柱向上通过立管。

由于流体中的电流体动力学性质，诸如钻泥的流体可以由磁场和电荷来推进。钻泥可由膨润土构成。膨润土粘土化学性质在三铝水矿层中具有电不平衡，其导致薄片像磁体一样，在其中心有较强的正(+)电荷，而在薄片表面上有负(-)电荷。

脉冲电可能导致卷绕铁套筒的铜线圈产生磁场，该磁场可能对钻泥(电流体动力学流体)施力并因此推进钻泥通过立管。钻泥的推进可以释放岩层上的至少其中一些井下压力。

附图说明

为了获得且能够更详细地理解其中本发明的特征、优点和目的以及其它将变得显而易见的方式，通过参照本发明的实施例而可能具有上文简要概括的本发明的更加特定的描述，这些实施例图示在形成该说明书的一部分的附图中。然而，要注意的是，附图仅仅示出本发明的优选实施例，并且因此不应被视为其范围的限制，因为本发明可承认其它同样有效的实施例。

图1是具有磁电驱动器(magneto drive)的泵送设备的示例性实施例的局部截面图。

图2是图1的泵送设备的磁电驱动器的实施例的详细截面图。

图3是图2的磁电驱动器的电极的示例性实施例的沿着3-3线截取的横截面图。

图4是具有磁电驱动器的泵送设备的备选实施例的局部截面图。

图5是图4的磁电驱动器的沿着5-5线截取的截面图。

图6是图4的磁电驱动器的线圈的从6-6线显示的侧视图。

图7是图6的线圈的沿着7-7线截取的截面图。

图8是在双梯度钻井应用的单独泥浆返回线中使用的磁电驱动器的示例性实施例的局部截面图。

具体实施方式

现在，将参照示出本发明的实施例的附图在下文中更加完整地描述本发明。然而，本发明可能以很多不同的形式体现，并且不应该被解释为限于本文阐述的所示实施例。而是，提供这些实施例，使得该公开将是详尽和完整的，并且将把本发明的范围完整地传达给本领域技术人员。相似的数字始终指示相似的元件，并且，如果使用的话，则最初符号表示备选实施例中的类似元件。

参照图1，立管连接器100形成立管102的下端。立管102从海底通过海向上上升到终点(未显示)。终点(未显示)通常在表面钻机(未显示)上，但是可以在其它部位。井眼导管104附接至外井口罩105并与其连通。井眼导管104延伸至外井口罩105之下的地中。内井口罩107处于井眼套管109的上端。立管连接器100紧固至内井口罩107的上端。一个或更多定心器106可能在立管连接器100处位于立管102的孔内。一个或更多防喷器108可能包括在立管102中，并且在该示例中，它们处于下端。

位于钻柱120的一端的钻头118穿过立管102、泥水分界线套管挂100以及井眼套管109，以将井眼进一步钻入地球深处。钻头118的旋转从地球切割岩石。钻柱120是具有钻柱孔122的导管，其形成在钻柱120的长度上延伸的通道。钻泥124从表面钻机(未显示)被泵送通过钻柱孔122到达钻头118。钻泥124在钻头118处离开钻柱孔122，并用于冷却和润滑钻头118的切割表面。钻泥在压力下通过钻柱孔122 被注入。当额外的钻泥124通过钻柱孔122被泵送时，钻泥124通过井眼套管109上升且然后通过立管102，当它朝表面移动时在钻柱的外部行进。当钻泥124通过井眼和立管102上升时，它携带着切屑和其它固体(如岩石和废石)朝着表面通过井眼套管109和立管102。

钻泥124可为具有电流体动力学性质的胶状悬浮体。由于其电流体动力学(“EHD”)性质，钻泥124可由磁场或电流来推进。在一示例性实施例中，钻泥124是包括膨润土(bentonite)和水的膨润土基浆料。膨润土可具有其原始体积的10倍到20倍的膨胀特性。在一示例性实施例中，钻泥124中使用的膨润土包括29.8%的硅、10.6%的铝、2.6%的铁、1.45%的镁、0.69%的钙、1.80%的钠、0.42%的钾、1.19%的氢、51.5%的氧，以及92.0%的钠蒙脱石、4.0%的石英，3.0%的长石(钠长石)和1.0%的黑云母的矿物成分。膨润土粘土化学性质可能具有电流体动力学性质，其中，三水铝矿层中的电不平衡导致固体物质(薄片)像磁体那样，在其中心有较强正(+)电荷且在薄片表面有负(-)电荷。具有电流体动力学性质的其它胶状悬浮体可用于钻泥124。重晶石和其它重金属也可出现在钻泥124中。因此，钻泥124可为用作电流体动力学活性组分的胶状流体。

参照图2，磁电驱动器130是立管套管的一段，其可使用电磁体132和电极134来产生磁场和电荷。由于钻泥124的EHD性质，磁场和电荷可在特定方向上推进钻泥124。由于它的重金属含量，因而钻泥124内的重晶石也可由磁场或电流推进，并且因此有助于钻泥124的推进。

磁电驱动器130可能是形成立管102的一部分的管状区段，并且可以沿着立管102位于任何位置，包括例如在立管连接器100的正上方。沿着套管102可使用多个磁电驱动器130。磁电驱动器130可以为任何长度。在一示例性实施例中，磁电驱动器130可以为10英尺长。假设立管102的标准段为70英尺长，当立管套管从井口罩107(图1)上升至海面(未显示)时，磁电驱动器130可以沿着立管套管例如每70英尺或每140英尺进行定位。在一些实施例中，两个或更多磁电驱动器130可连结在一起而在立管102的两个管段之间形成双联泵。在一些实施例中，一个或更多磁电驱动器(如磁电驱动器130)可位于井眼内，以泵送流体向上通过井眼。代替常规泵送技术或此外，可使用磁电驱动器，如磁电驱动器130。

参照图2，在示例性实施例中，磁电驱动器130包括驱动器套管136，其可能是具有外径和内孔的管状部件，例如金属管。驱动器套管136可包括凸缘端142。螺纹144可用于将凸缘端142连结到驱动器套管136并进行密封。可以移开凸缘端142，以允许诸如电极134和电磁体132的构件到驱动器套管136中的安装。驱动器套管136的一些部分可具有凹部146。凹部146是驱动器套管136的内径中的环状凹槽，其中，凹部146的内径大于驱动器套管136的其它部分的内径148。全部或一部分电磁体132可适配在凹部146内。在一些实施例中，凹部146的ID是足够大的，以至于电磁体132的ID可与驱动器套管136的ID 148齐平。

在构件被安装至驱动器套管136中之后，凸缘端142可被螺纹接合至驱动器套管136。可使用其它的技术和装置，以便于构件到驱动器套管136中的安装。磁电驱动器130可通过任何种类的方法连接到其它立管102元件。在一些实施例中，连结部件(如带有开孔152的凸缘150)可用于用螺栓将磁电驱动器130附接至邻近的立管102元件。凸缘端142也具有用于螺栓连接至其它立管102元件的开孔。

电磁体132包括线圈156，该线圈可环绕驱动器套管136的孔。在一些实施例中，线圈156可能卷绕套筒158。线圈156具有可能与驱动器套管136的孔的轴线垂直的线匝。线圈156是线或重复地卷绕成大体环状构造的其它薄的导电材料。线圈156可以是铜线，但是也可由其它导电材料构成。线圈156的铜线可涂覆有绝缘涂层(如油漆)，以防止每匝线圈156靠着相邻匝的线圈156发生短路。

套筒158可由铁、钢或任何其它种类的适于电磁支持线圈156的含铁材料构成。电力施加至电磁体132而形成磁场160。本领域普通技术人员将会意识到用于在中心孔中形成磁场160的电磁体的特性。

在一些实施例中(未显示)，线圈156卷绕驱动器套管136的外径表面。在这些实施例中，驱动器套管136可能起套筒的作用，或者除了由驱动器套管136提供的任何支撑以外，可使用单独的套筒158。

直流(“DC”)电流可施加至线圈156而产生磁场160。至少一部分磁场160位于驱动器套管136的孔内。磁场160可具有特定向量。施加至电磁体132的电的极性可形成该向量并导致磁场向量上移通过磁电驱动器130的中心孔。磁场160可推进具有EHD性质的钻泥124向上通过磁电驱动器130。施加至线圈156的电流可以是恒定电流以形成恒定磁场，或者可以是脉冲DC电流以形成脉冲磁场。

衬里(liner)166可覆盖磁电驱动器130的内径表面的全部或部分。衬里166可由非导电材料(例如橡胶或陶瓷)构成。其它绝缘或半导电材料可用于衬里166。衬里166可提供绝缘，以防止出现在钻泥124内的电流靠着磁电驱动器130的内径148放电。

电极134可包括相对的阳极168和阴极170。如图2和图3中所示，阳极168和阴极170(共同地“电极”)是对磁电驱动器130的一部分加衬的相对的半圆柱形板。在一些实施例中，电极168和170的内径172从磁电驱动器130的内径148向内突出。电极168、170的圆形部分174可以在顶部和底部从内径148过渡到电极168、170的内径172。绝缘间隔条176可位于阳极168和阴极170的相对边缘之间。阳极168和阴极170各自延伸小于180度，导致了各自填充有间隔条176的两个垂直间隙180度分离。在一些实施例中，未使用绝缘间隔条176。电极可具有任意形状，并且可包括翅片(未显示)。

正电流可施加到阳极168且负电流或接地可施加到阴极170。导电介质(如钻泥124)可位于阳极168和阴极170之间并与之相接触。电流因此通过钻泥124并对钻泥124的至少位于阳极168和阴极170之间的部分进行充电。

电源连接器180可位于磁电驱动器130上，用于向电磁体132和电极134提供电力。电源连接器180可为诸如在Abbey的名称为“Electrical Penetrator Connector”美国专利6,932,636中描述的一种的类型，该专利通过引用而包括在本文中。在一些实施例中，电源连接器180可具有4根或更多导线(未显示)，例如用于电磁体132和电极134中的每一个的正连接和负连接。在其它实施例中，对于每一个所需的电连接而言，可使用单独的电源连接器180。

正导线和负导线从电源连接器180连接到电磁体132的线圈156的末端。类似地，正连接可向电极134的阳极168提供电力，而负连接可向电极134的阴极170提供电力。电源连接器180的导线(未显示)可穿过驱动器套管136，并且一根或更多导线可穿过衬里166。除了每根线的绝缘以外，可使用绝缘体182，以防止导线(未显示)接触驱动器套管136。在示例性实施例中，连接器180适用于远程操作机车(“ROV”)，其中，当磁电驱动器130浸没在海水中时，ROV能够将电力电缆附接至连接器180。用于提供电流的电源(未显示)可位于海面上方，例如在钻机(未显示)上。电缆(未显示)可从电源(未显示)延伸到电源连接器180。

通过电源连接器180施加的电压可以是任何电压。在一些实施例中，电压可为400-600伏特和400-600安培。施加至电磁体132的电压可能与施加至电极134的电压相同或不同。电压和电流强度可能显著高于或显著低于示例性实施例的范围。

用于钻泥的膨润土粘土的三水铝矿层中的电不平衡，以及悬浮在钻泥124中的任何重晶石或其它重金属，导致钻泥124在暴露于磁场或电压时表现得像磁体或含铁材料。因此，诸如磁电驱动器130的磁电驱动器表现为线性电动机，其中钻泥124充当电枢(armature)。实际上，钻泥124是表现为电枢且变成连续线性电动机的流体，该连续线性电动机推动钻泥124柱向上通过立管102并因此减轻了井下地层上的静水压差。

在使用电磁体132和电极134两者的实施例中，钠基膨润土和重晶石浆料或钻泥124可能由通过浆体横向扩散的大电流强制着向上移动通过磁电驱动器130。在驱动器套管136和电流成直角时，电流可与磁场反应。

参照图4和图5，鞍形磁电驱动器184可为用于推进电流体动力学钻泥124通过立管102(图1)的备选实施例。鞍形磁电驱动器184包括用于产生磁场188的鞍形线圈186 。当从侧面观察时，鞍形线圈186可具有带有圆角的大体矩形形状，如图6中所示。在一些实施例(未显示)中，鞍形线圈186可具有不同的形状，如卵形或椭圆形。当从上方观察时，鞍形线圈的轮廓可为大体上弯曲的或弧形的，如图5和图7中所示，从而允许整个矩形体大体上匹配立管190的外形。每个鞍形线圈基本位于立管190的一侧或一个半球上，使得每个鞍形线圈并未径向横过大于立管190周线的180度。一对鞍形线圈186可位于立管190的孔内，或者可定位成使得鞍形线圈186和芯202形成立管190的侧壁的一部分。鞍形线圈186可被放置成彼此相对，有径向间隙位于它们之间。

参照图6和图7，鞍形线圈186具有由三边托盘192限定的周边。托盘192具有面向立管190的内部的底部194、面向鞍形线圈186的内部空间的内边缘196、以及限定了鞍形线圈186的周边边缘的外边缘198。线圈绕组200可为单根导线，其放置在托盘192中且在托盘192中绕着鞍形线圈186的矩形形状重复地环绕或卷绕。诸如油漆的绝缘护套可覆盖线圈绕组200，以防止每匝线圈靠着相邻匝的线圈发生短路。鞍形线圈186的“跑道形”或“鞍形”形状可产生磁场188，如横向磁场，其中磁场线垂直于磁体的长尺寸并因而垂直于立管190的轴线。

连接器201可用于将电从立管190外部的电缆(未显示)传导到线圈绕组200。与电源连接器180一样，电缆可由远程操作机车(未显示)附接到电源连接器201。当被供能时，线圈绕组200产生磁场188。在优选实施例中，使用DC电来对线圈绕组200供能。

如在图6中最佳显示的，由内边缘196限定的鞍形线圈186的内部可由芯202填充。芯202可以是由铁或一些其它导电材料构成的大体光滑的板，其具有大体上匹配立管190的轮廓的成形形状。芯202和托盘192可由一整块材料构成，或者芯202可为沿着底部194或内边缘196被焊接或以其它方式连接到托盘192的单独件。如在图5中最佳显示的，在一些实施例中，芯202的内径比鞍形托盘192的内径更小，使得芯202比托盘192向立管190的孔中突入更大距离。在该实施例中，芯202的内径可与电极206的内径大体相同。一对鞍形线圈186可沿着侧壁定位。

参照图4和图5，鞍形磁电驱动器184还可包括电极206。电极206可为基本上位于鞍形线圈186之间的一对导电表面，每个电极具有比鞍形线圈186的轴向长度(在图4中最佳显示出)稍长的轴向长度。如图5中所示，当从上方观察时，每个电极206可具有弧形轮廓，其中，电极206对立管190的内径的一部分加衬。电极206可能是铜或任何其它导电材料。连接器208可用于将电从电缆(未显示)传至电极206。优选地，DC被连接至电极206。正电流可被连接到一个电极206，并且负电流到相对的电极206，从而建立阳极和阴极。绝缘间隔件(未显示)可位于每个电极206和诸如立管190或鞍形线圈186的任何相邻导电构件之间，以防止电极206将电传导到相邻的导电构件。

密封件210可用于密封和保护鞍形线圈186的构件。优选地，密封件210是非导电的大体防水的材料，例如橡胶。密封件210可封闭托盘192并因此密封线圈绕组200。密封件210还可密封和保护芯202的表面和电极206的部分。

为了操作鞍形磁电驱动器184，电通过连接器180传到鞍形线圈186的线圈绕组200，同时钻泥124位于立管190中。线圈200绕组产生磁场188。同时，电通过连接器208传送而对电极206供能。电流从带正电的电极206通过钻泥124传到带负电的电极206。磁场188推进带电的钻泥通过立管190。

参照图8，磁电驱动器可用于在任何类型的立管或井眼应用中推进钻泥，包括例如双梯度钻井(“DGD”)系统220。图8显示了DGD系统220的示例性实施例，其中磁电驱动器222被用于钻出海底井眼224。立管226从海底井口罩228延伸至钻机230。钻柱232下降通过立管226到达井眼224。防喷器(“BOP”)234是将向上流动的钻泥转移到泥浆返回线236的旋转BOP。一个或更多磁电驱动器222，例如鞍形磁电驱动器184或磁电驱动器130，可沿着泥浆返回线236定位。

在操作中，钻泥被向下泵送通过钻柱232并用于润滑钻头238。钻泥返回上升通过井眼224并向上通过井口罩228传至BOP 234。BOP 234将钻泥转移到泥浆返回线236。磁电驱动器222被供能，并且推进钻泥向上通过泥浆返回线236到达钻机230。代替常规泵送技术或此外，可以使用磁电驱动器222。

虽然仅仅本发明的形式中的一些显示或描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言应当显而易见的是，它并不这样被限制，而是在不脱离本发明的范围的情况下可允许各种改变。

Claims (18)

1.一种用于将钻井流体从海床通过立管向上泵送到钻井平台的设备，所述钻井流体具有电流体动力学(EHD)特性，所述设备包括：

管状区段，其在上下端具有固定到所述立管的外部凸缘，所述管状区段还具有中心孔，所述钻井流体适于穿过该中心孔而流动；

线圈，其安装至所述管状区段，并且适于在电通过所述线圈时产生电磁场，其中，所述电磁场的至少一部分位于所述管状区段的所述中心孔内；以及

阳极和阴极，其安装至所述管状区段的所述中心孔，用于将电压电势施加至流动通过所述孔的所述钻井流体。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电磁场垂直于所述管状区段的轴线。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述线圈并未径向地横过大于所述管状区段的周线的180度。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述线圈与所述管状区段的轴线是同心的，并且所述阴极和阳极从所述线圈径向向内定位。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括位于所述线圈与所述阴极和阳极之间的电绝缘材料。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述阴极和阳极具有周向中点，并且所述阴极的中点从所述阳极的中点为180度。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述阴极和所述阳极是部分圆筒形的，适于与所述钻井流体接触，并且位于所述中心孔的相对侧。

8.一种用于泵送钻井流体的海上钻井的设备，所述钻井流体具有电流体动力学(EHD)特性，所述设备包括：

钻井流体返回线路，其包括连接到海底井口的底端以及位于钻井平台的顶端；

钻井流体泵，其位于钻井平台上用于将钻井流体通过钻柱向下泵送入井中且推进钻井流体向上进入所述钻井流体返回线路；

管状区段，其连接到所述钻井流体返回线路且具有中心通道，所述钻井流体穿过所述中心通道而流动；

阴极，其连接到所述管状区段并形成所述中心通道的内径表面的一部分；

阳极，其连接到所述管状区段，与所述阴极在周向上间隔开，并且形成所述中心通道的内径表面的一部分，用于将电压电势施加至流动通过所述通道的所述EHD流体；

电线圈，其位于所述中心通道的包括所述阴极和阳极的部分上，其中，所述电线圈适于在电施加至所述电线圈时在所述通道内产生磁场；以及

电源连接，其用于向所述阳极、阴极和线圈中的每一个提供电。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述钻井流体包括膨润土。

10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述线圈包括在所述中心通道的外部形成鞍状物的线匝，并且其中，所述鞍状物并未径向地横过大于所述中心通道的周线的180度。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述磁场垂直于所述管状区段的轴线。

12.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括在所述线圈与所述阴极和阳极之间隔开的圆筒形电绝缘体。

13.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述阴极和阳极具有周向中点，并且所述阴极的中点从所述阳极的中点为180度。

14.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述阴极和所述阳极是部分圆筒形的，适于与所述EHD流体接触，并且位于所述孔的相对侧。

15.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述电源连接包括沿着所述管状区段的外部行进的电力电缆。

16.一种用于泵送钻井流体方法，所述钻井流体具有电流体动力学(EHD)特性，所述方法包括：

(a)提供从钻井平台延伸到海床的立管；

(b)提供管状部件，所述管状部件具有线圈以及安装在其相对侧的一对电极；以及将所述管状部件安装在所述立管中；

(c)将钻井流体通过钻柱泵入井内；以及将所述钻井流体流回到井进入所述立管中的所述管状部件；

(d)将电力施加到所述线圈以施加电磁场至流动通过所述管状部件的所述钻井流体；

(e)将电压施加到所述电极以将电压电势施加至流动通过所述电磁场的所述钻井流体，从而将动力施加至所述钻井流体使所述钻井流体向上流过所述立管到达所述钻井平台。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，步骤(e)包括施加直流电力至所述线圈。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括将多个所述管状部件安装到所述立管内。