[发明专利]钻探地下钻孔的设备和方法

说明书

发明描述

本发明涉及一种钻探地下钻孔的设备和方法，具体但不排他地为了从地下储油池抽取碳氢化合物。

通常利用被称为钻杆的在最下端具有钻头的钢管来进行钻孔或钻井。可以利用地上钻井马达使整个钻杆旋转，或者可以利用安装在钻杆中钻头正上方的流体动力马达与钻杆无关地使钻头旋转。当进行钻孔时，泥浆流用来将由钻孔过程产生的岩屑携带到钻孔外。泥浆通过吸入管路被沿钻杆向下泵送以穿过钻头，并且泥浆经由钻杆的外径和钻孔之间的环形空间(通常称为环形)返回到地面。泥浆流还用来冷却钻头并且给钻孔增压，因此基本上防止了来自于由钻孔穿透的地层的流体流入钻孔。泥浆是一个非常宽泛的钻探术语，并且在本文中它被用来描述在钻孔期间所用的任何流体或流体混合物，并且涵盖从空气、氮气、空气或氮气中的雾化流体、具有空气或氮气的泡沫流体、充气流体或氮化流体到具有固体颗粒的油或水的很重的混合物的宽泛范围。

需要相当大的压力以沿着该流径驱动泥浆，并且为了实现该泥浆驱动，通常利用一个或更多个容积泵将泥浆泵入钻杆中，所述一个或更多个容积泵经由管和歧管(被称为立管管汇)连接至钻杆。当以恒速操作时，泵每单位时间转移恒定体积的泥浆。结果，假如发生一些情况改变了泥浆沿着钻杆的流速，假如泵以恒速操作，则钻杆中泥浆的压力将改变。

例如，假如钻杆中发生堵塞，则钻杆中的压力将迅速增大。另选地，假如钻工用太多的重量将钻头驱动到被钻的地层中，则这本身能导致钻杆中泥浆压力的增大，因为钻头的流出物向环形内的流出被限制。钻杆中压力增大的另一个常见原因是当利用向下钻进的钻井马达时。假如钻头处的扭矩超过马达的功率，则马达失速，这导致竖管压力增大，因为通过失速状态下的马达减小了流体流动。在这一阶段，钻工必须注意不要仅仅拾起钻头以减小允许马达重新启动的扭矩，而是他还必须减小钻杆中的压力，使得马达不会在重新启动时超速。

假如钻杆中的泥浆压力变得太高，则钻井马达可能失效和/或钻杆壁可能受损。为了防止这种失效和/或受损，所述泵或每个泵均设有被称作爆脱阀的安全阀。假如钻杆中的压力超过预定水平，则爆脱阀或爆脱阀中的至少一个将被启动。这使钻孔过程停止并且解除了钻杆中的过压。在可以重新开始钻孔之前，必须手动复位每个启动的阀。应当理解，这对钻孔过程具有高度破坏性，因此希望避免钻杆压力的波动，这种波动可能导致一个或更多个爆脱阀的启动。

为了避免这些，钻孔操作员已知通常借助于设置在立管管汇中的压力计来监控钻杆中的泥浆压力，并且改变泵的操作速度以便将钻杆中的泥浆压力维持在可接受的水平。以这种方式操作钻孔系统的缺点在于它易受人为误差的影响并且依靠操作员对压力的突然上升作出迅速的反应，并且即使操作员快速反应，但因为泵的固有惯性，在泵减速到希望的速度之前并且在泵速变化开始向下钻进之前，存在不可避免的时间延迟。

还应当理解，钻孔中的井底泥浆压力取决于泥浆通过钻杆的流动。假如因为钻杆的堵塞、过多的重量施加于钻头或者马达的失速而使流动减小，则井底泥浆压力将减小。假如钻孔中的泥浆压力变得太低，则这可能导致来自地层的烃类产品的无意释放。

在避免这些的尝试中，还已知通过向从钻孔的环形退出的泥浆施加反压来控制钻孔中的泥浆压力。例如在US 2007/0151762中公开了这种系统。传统上，来自环形的泥浆沿着回流管路流过一个过滤器(滤网)或一系列过滤器并且流入泥浆储槽。在US 2007/0151762中阐述的第一个提议中，在回流管路和泥浆储槽之间延伸的管路中设置第二泵，并且该泵被控制以向回流管路中的泥浆施加一定程度的反压，所述回流管路是将井底压力维持在期望值所需的。假如不需要反压，则回流管路和反压泵之间的阀被关闭。该提议当然具有需要第二泵的缺点，这增加了系统的成本和复杂性。

在US2007/0151762中所公开的第二提议克服了该问题，在该第二提议中利用现有的主钻井用泥浆泵施加反压。在该情况下，提供从吸入管路到回流管路的管路，并且提供反压控制阀来控制通过该附加管路的流体的流动。反压控制阀的打开导致一定比例的泥浆由主钻井用泥浆泵泵送以防止泥浆流入钻杆而被代替引向回流管路，其中泥浆增大了回流管路中的反压。因此建议可以利用该阀控制井底压力。以这种方式控制井底压力，虽然理论上可能，但是实践中非常难以实现，至少在任何精度上并且在合理时间表内是困难的。打开反压控制阀不但具有增大回流管路中的反压的效果，而且具有减小进入钻杆的泥浆的压力的效果，并且该组合效果意味着打开阀的效果不能直接预知，并且很可能的是，将需要反压控制阀的多次反复和调节以实现希望的井底压力。