[发明专利]大位移井钻井设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于在地层中钻大位移井的设备和方法。

背景技术

在从地层中生产碳氢化合物流体的过程中，钻井眼以便为碳氢化合物流体提供从地下储层流到地面生产设备的管道。对于油气工业，以倾斜角度较长时间钻井和钻较深井(称为大位移井钻井或ERD)的能力变得越来越重要。ERD井通常定义为落差比(throw ratio)大约2∶1的井，其中落差比为水平深度与真垂直深度(TVD)的比值。一些大位移井(特征为超ERD井)可以具有高达6∶1的落差比。

传统地，井眼由两个阶段形成。在第一阶段，方钻杆或位于地面的转盘旋转下端连接有钻头的钻柱(或钻杆)。当钻头在地层中形成孔时，钻井泥浆通过钻柱和井壁之间的环形空间循环以便冷却钻头并将岩屑(钻井产生的岩石碎石)传送到地面。在下一个的阶段中，移出钻柱和钻头，并用通常称为套管的钢管柱嵌衬井眼。套管用于稳定新形成的井眼并便于隔离邻接含碳氢化合物地层的井眼的某些区域。一旦套管被水泥固封到井眼中，较小的钻头被插入套管并用于更深地钻入地层。然后重复本过程，设置许多段套管直到达到预定深度。当井完成时，整个套管柱类似于一个拉长的倒置的望远镜。

为了减小成本和钻井时间，经常采用通常称为“套管钻井”过程。本过程包含将钻头连接到将用于嵌衬井眼的相同管柱上。因为使用相同管柱，可以在单次起下钻过程中完成井眼形成的两个阶段。然而，井内套管的传统嵌套布置导致用于碳氢化合物流体生产的有效直径随着步进式深度增加而减小。由于钻小直径深孔变得非常具有挑战性，这成为用许多单独的套管钻深井的技术和经济问题。为了克服这个问题，油气工业已经开始试验使用新的钻井和套管技术，该技术包括径向膨胀的单独套管柱，将所述套管柱设置在井内以使有效直径最大化。WO 2004/097168 A1中描述了一种这样的技术，在此通过引用包含其内容。该技术通常称为“膨胀管”技术，消除了前述的套接影响而且可以使钻“单一直径井”成为可能，在井中，用于嵌衬井眼的套管的每一个接头具有相同的直径。

另一种最新发展是用“连续油管”替换传统钻杆。传统钻杆由相对短的刚性管组合而成，而连续油管是能够操纵钻具组合的单根柔性管。井下钻井马达用于将所需的机械能转化为使钻头旋转，夹持在井眼内部的拖拉器保持适量的钻压并保持马达的反扭矩。

即使具有钻进技术的最新发展，操作者仍遭遇大位移井的钻井和连续完井的难题。一个主要的局限性是克服钻柱旋转及钻柱在套管或地层上的滑动而产生的摩擦力。摩擦损耗如此大地减小钻压以至于钻头不能以合适的钻速钻井。需要有足够的钻压以推动钻头进入地层。因此，ERD井的最大钻井深度常常由钻压、扭矩或钻柱阻力限制。

除了摩擦问题之外，处理岩屑和导向也限制ERD井钻井。由于ERD井如此深且长，产生从井眼中清除岩屑的难题。因为常常需要操作员在井眼外起下钻多次来替换或更换设备，将钻头导向通过三维岩层的需要也耗费成本和时间。

US-A-6,467,557 B1公开了一种装置，该装置使用旋转的大位移井钻具组合克服了与大位移井钻井相关的难题。所述的钻具包括延伸通过钻孔的伸长管，被旋转用于钻孔的钻头，管上用于导引钻头的3D导向工具，和管上用于给钻头施加力的拖拉器。拖拉器包括夹持器，该夹持器呈现接合钻孔内表面并限制夹持器相对内表面的运动的第一位置，夹持器也可以呈现允许夹持器和钻孔内表面之间基本自由的相对运动的第二位置。在夹持器位置处于第一位置的同时，推进器组件使拖拉器相对夹持器移动。

WO99/09290公开了一种用于在地下地层钻井眼的大位移井钻井系统。ERD系统包括钻头；驱动钻头的马达；到地面的钻杆；用于提供所需钻压的液压缸/活塞装置，钻杆通过旋转装置连接到所述缸/活塞装置中选定的缸和活塞其中的一个上，允许钻杆相对缸或活塞其中一个旋转；钻头被连接到缸和活塞其中的另一个上；以及锁定装置，所述锁定装置抵靠井壁，用于锁定所述选定的缸和活塞其中的一个，锁定装置可在接合和脱离位置之间操作。

WO97/08418公开了一种方法和设备，用于推进具有通过通道的本体的工具。所述工具包括夹持器，所述夹持器包括至少一个夹持器部分，所述夹持器部分可以呈现接合通道的内表面并限制夹持器部分相对内表面的相对运动的第一位置。夹持器部分可也以呈现允许夹持器部分和通道内表面之间的基本自由的相对运动的第二位置。所述工具包括推进器组件，在夹持器部分处于第一位置的同时，所述推进器组件用于相对夹持器部分选择性地连续移动工具本体。