[发明专利]插入件和用于定向钻井的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于定向钻井的方法和系统。该系统和方法例如适用于控制地下地层中的井眼的方向。井眼可用于油气开采。

背景技术

由于种种原因，需要控制钻井方向以沿预定轨迹提供井眼。“控制方向”在此表示：使井眼故意偏离其自然所处的路径。因而，井眼可包括弯曲部分，至少局部地水平延伸，而不是大致笔直向下延伸。在一些情况下，如，在陡峭倾斜地层中或不可预知的地下环境中钻井的情况下，可使用定向钻井技术以保证沿合适轨迹钻井眼。

传统地，可通过使用造斜器、定向偏置的井底钻具组合(BHA)配置、测量井眼在三维空间中的路径的仪器、将在井下测得的测量数据传输到地表的数据链路、泥浆马达和特定的BHA部件和钻头(包括旋转式可转向系统和钻头)来实现定向钻井。操作者(通常被称之为定向钻井工程师)也可充分利用钻井参数(如，钻压和旋转速度)来使钻头远离现有井眼的轴线转向。

旋转钻井可使用配置有机械刀具的旋转钻头，如，牙轮钻头或聚晶金刚石复合片钻头(PDC钻头)。钻井期间，例如通常通过使用地表处的驱动系统(如，顶驱的方钻杆(Kelly of top drive))或通过钻头附近的井下泥浆马达使整个钻柱旋转，从而使这些钻头旋转。旋转期间，这些钻头由于在井眼底部和侧部进行的压碎和/或刮擦操作而产生钻屑。

许多技术可用来完成定向钻井。普通原理是，使钻头指向想要钻进的方向。最普通的方法结合井下泥浆马达使用靠近钻头的弯接头。弯接头使钻头指向稍微偏离井眼轴线的方向。在钻柱不旋转时通过泥浆马达来泵送泥浆，钻头将旋转，在被定向的方向上钻井，该方向由弯接头部分的弯曲部而定。另一方面，通过使整个钻柱(包括弯接头部分)旋转，钻头将在周围快速移动，最终的钻井方向与井眼轴线重合，从而产生笔直轨迹。但是，使钻头在周围快速移动将通常会增加钻头磨损。

旋转式可转向系统可允许在旋转时进行转向，通常钻速更高、井眼最终更光滑。旋转可转向式系统(RSS)可在钻柱旋转时使井眼偏离。公知的旋转可转向式系统例如可使用复杂的弯曲机构使机械钻头指向固定方向，或可通过使用可膨胀式推力瓦将钻头推动到特定侧。机械钻头的侧向切削能力从而可让井眼偏离到所需方向上。例如，PDC钻头不仅前端具有刀具，侧部也具有刀具。

定向钻井可让钻孔机朝最多产的储集岩引导井眼，并让钻孔机钻水平部分。定向钻井例如在泥质岩类储集层和其他非传统烃类源中是普通的。

一些定向钻井系统和方法使用钻头，其中多个喷嘴被特别调整以获得定向钻井效果。

美国专利第US-4211292号公开了一种具有喷嘴延伸部的牙轮钻头，喷嘴延伸部位于通常由传统冲洗喷嘴占据的位置处。被延伸的喷嘴可将加压流体喷射到正被钻进的井眼的量测角落(gage corner)上。在钻头旋转一圈的预定局部间隔期间将加压流体选择性地引导到喷射喷嘴中，以增加对井眼的一定方位角部分中的量测角落(gage corner)的切削程度，从而使井眼朝该部分偏离。

英国专利文献第GB-2284837号公开了一种牙轮钻头，在该牙轮钻头中，三个喷嘴之一被改变成将流体流引导到钻头和地层之间的分界面的角落中，使得钻井液的流动相对于钻头不对称。使钻井液流产生脉动，使得在一定方位角位置上的流量高，对于旋转的剩余部分而言流量低，以优选在选定方向上钻井。

美国专利文献第US-4637479号公开了一种牙轮钻头，其被改进成使得可与导流装置密封地相互配合，以通过喷嘴连续地将流体流仅排放到井眼的选定部分中。一种旋转盘被设置有孔以将流体引导到选定部分(包括钻头的一些流体喷嘴中的一个或两个)中。包括钻头的钻柱的旋转期间，阻止了通过井眼选定部分外侧的一个或两个喷嘴形成的流体连通，以这种方式，从而能实现使钻头转向的目的。

美国专利文献第US-5314030号公开了一种用于定向钻井的系统。钻柱上的方位传感器检测钻井方向的偏离。钻柱还包括旋转倾斜仪，该旋转倾斜仪包括机械振荡器(如，摆)。优选通过将冲洗流体引导到钻井端处，从而可使钻头转向。流体调节装置响应于来自于方位传感器的信号控制冲洗。流体调节装置可包括旋转盘或摆动阀板。在转向模式下，马达可使盘以静止管速度(still pipe rpm)旋转，使得盘相对于井眼保持静止。如果转向效果不合适，那么盘在三个流体通道之一上被停止，使得一个射流与钻柱一起旋转。在此，井眼底部的锥形部分与优选的井底冲洗一起控制侧向穿透。井眼底部的锥形部分是钻头的机械刀具的特殊锥形造成的结果。