[发明专利]用于控制钻井工具的井下转速的方法和设备

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年4月18日提交的、名称为“Downhole RotationalRate Control System”、序列号为2,629,535的加拿大专利申请的优先权。

技术领域

本发明总体涉及钻井方法和设备，更具体地涉及用于控制和调整井孔路径的方法和设备。

背景技术

比如为了从地下岩层开采碳氢化合物或矿物，在向陆地内钻钻孔(或井孔)时，传统的实践将钻头连接到“钻柱”的下端上，然后使钻柱旋转以使钻头向下前进到陆地内以产生希望的钻孔。典型的钻柱由端对端连接的钻管部分的组件加上设置在钻管部分的底部和钻头之间的“井底组件”(“BHA”)形成。BHA典型地由选择为适合于待被钻井的井的具体要求的子组件组成，所述子组件比如为钻铤、稳定器、扩孔器和/或其他钻井工具和附件。

在传统的竖直钻井操作中，钻柱和钻头借助于与在钻孔上方竖立在地面上的钻机(或在离岸钻井操作中，在海床上支承的钻井平台或以合适方式适合的漂浮船只上的钻机)结合的“旋转台”或“顶部驱动装置”旋转。在钻井过程期间，使钻井流体(通常称为“钻井泥浆”或简称为“泥浆”)在压力下从地面通过钻柱向下泵送，离开钻头进入井孔内，且然后通过钻柱和井孔之间的环形空间(“井孔环”)向上回到地面。钻井流体将钻孔钻屑带到地面，冷却钻头，且在钻孔壁上形成保护块(以稳定且密封钻孔壁)，以及具有其他有益的功能。

作为通过旋转台或顶部驱动装置来旋转的替代，钻头也能够使用“井下马达”(替代地称为“钻井马达”或“泥浆马达”)而旋转，所述井下马达紧靠钻头上方合并到钻柱内。通过利用泥浆马达旋转钻头而不旋转钻柱的钻井技术通常称为“滑动”钻井。在特定类型的钻井操作中，通常在不同的操作阶段中使用滑动钻井和钻柱旋转二者。

井下马达的主要部件之一是动力部分，所述动力部分通常以前进腔马达(或“PC马达”)的形式提供，所述PC马达包括细长的且一般为圆柱形的定子和细长的转子，所述转子能在定子内偏心旋转。如在本领域中所众所周知的，PC马达基本上与容积泵(或“Moineau泵”)相同，但相反地运行，且因此液可称为容积马达。虽然所有这些术语因此可相互换使用，但为简单性和一致性起见，在此专利文献的全文中将使用术语“PC马达”。

PC马达的转子形成有一个或多个环绕中心轴且沿中心轴的长度延伸的螺旋翼片或凸耳。定子限定一般与转子凸耳互补的螺旋凸耳构造，但定子凸耳的数量比转子凸耳多一个。在井下马达的典型操作中，通过钻管组件向下流动的钻井流体通过PC马达转向，引起转子在定子内旋转，因此使驱动轴旋转且致使钻头旋转(钻头通过BHA和井下马达的其他部件以能操作的方式连接到驱动轴)。

竖直井孔(即希望竖直的井孔)在钻井期间会因为当遇到比如正被钻井所通过的地层中的断层或不连续的地下障碍物时钻头偏斜而与希望的竖直路径产生偏差。必须修正这样的偏差以使井孔到达希望的终点，且已知使用能定向操纵的井下马达结合定向钻井技术来修正偏差的井口路径。然而，当使用能操纵的井下马达时，由于控制钻柱的定向的难度以及使用具有此钻柱构造的滑动钻井技术的必要性，井孔可能与希望的修正路径产生偏差。因此，存在对于更简单、更可靠且更廉价的系统以及用于驱动且操纵旋转井下工具以使产生偏差的竖直井孔返回到竖直路径的相关控制机构的需求。

定向井孔(即希望井孔或井孔的部分具有非竖直路径)要求在钻井过程期间操纵以得到达到预定目标的结果井孔。使用能定向操纵的井下马达的已知定向钻井技术通常用于沿希望的三维路径引导井孔，且对由于地下障碍物和不规则性导致的井孔路径偏差进行修正。然而，如在前述具有偏差的竖直井孔的情况中，由于利用此钻柱构造控制钻柱定向的难度和使用滑动钻井技术的必要性，将能定向操纵的井下马达用于修正产生偏差的定向井孔可能是复杂的或失败的。因此，进一步存在对于更简单、更可靠且更廉价的系统以及用于驱动和操纵旋转井下工具以使产生偏差的竖直井孔返回到希望的路径的相关控制机构的需求。

与本发明的技术状态有关的现有技术文献包括如下美国专利：

3,260,318-Well Drilling Apparatus(Nelson等)

3,603,407-Well Drilling Apparatus(Clark)

3,637,032-Directional Drilling Apparatus(Jeter)

3,667,556-Directional Drilling Apparatus(Henderson)