[发明专利]导向钻井方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于在地层中钻井筒的导向钻井方法和系统。所述方法和系统可用于定向钻探地下井筒，所述地下井筒用作用于生产烃和/或用于将增产液注入含烃流体的储层中的井筒。

背景技术

通常使用具有旋转钻头和钻柱组件的旋转钻井系统钻探井筒，通过位于地面上的旋转顶驱系统使钻柱组件旋转。可选地或另外，井底钻井马达可设置在位于钻头附近的井底钻具组合(BHA)中，以使钻头相对于钻柱旋转。

通过将钻头的刀具面定位在井底的倾斜位置上来引导钻头；通过致动旋转驱动器和井底马达，钻头将进行两种方式叠加的旋转运动，钻探竖直或笔直部分，但是，如果旋转驱动器的旋转运动是暂时的，那么将以选定的角方位钻探中断的弯曲井筒部分。以这种方式，对弯曲部分和笔直的竖直部分、倾斜和/或水平部分钻出井筒轨迹。

钻柱可长达10千米，包括通过螺纹联接件相互连接的10-15米长的钻管部分。

顶驱系统提供转矩给钻柱以使钻柱旋转，钻柱可扭转，使得顶驱最多旋转30转，从而，如果钻柱长达10千米，可引起钻头的粘滑运动，那么钻头开始旋转之前顶驱已经转动30圈；从而，钻柱扭转，转矩可在最小值和最大值之间以正弦曲线方式动态循环。顶驱系统包括顶驱转体或转盘。钻柱将旋转运动传递给钻头。通常，钻柱也将钻井液传递给钻头以冷却钻头，将钻屑输送到地面，用作其他有益的用途。为了钻探笔直部分之前或之后的弯曲井筒部分，实际的做法是，联合地面上的旋转驱动器，使用配置有井底马达(其驱动钻头)的钻柱，由于钻头具有倾斜的或斜刀具面，因此钻头相对于井筒中心轴线和井筒底部定位在倾斜或斜的位置上。

旋转导向系统(RSS)适用于用于引导钻头沿计划的轨迹钻井的行业。大多数现有的RSS定向钻井系统通过调节流经泥浆泵的钻井液流，或通过调节钻头喷嘴中的泥浆流，使用一些井下机械致动方式，如，选定的朝向井筒地层的定向力。这些机械致动式定向钻井系统承受磨损，通常在高温、高压、高振动的井底环境下出现故障。这导致要花费高昂的代价将整个钻柱拉出，以在地面维修或更换出现故障的机械部件。

美国专利第4485879号涉及一种用于通过钻柱下端处的井底马达在地下地层中定向钻井的方法。井底马达使钻头旋转，同时将预定重量施加在钻头上，从而引起井底马达的通常直的轴线弯曲。同时，钻柱在其不旋转的选定时段之前或之后的时段内旋转。这种方法的缺点涉及钻柱和井壁之间的摩擦力，该摩擦力在钻柱不旋转的期间相对高。

专利文献第WO-2011130159-A2号公开了一种方法，该方法控制用于在地下地层中形成孔眼的钻头的钻井方向，所述方法包括：在旋转钻井期间改变钻头的速度，使得钻头在旋转周期的第一部分期间以第一速度运行，在旋转周期的第二部分期间以第二速度运行，其中，第一速度高于第二速度，其中，在旋转周期的第二部分期间以第二速度运行，将引起钻头改变钻井方向。该公开出版物还公开了，在地下地层中钻井期间，在井内更新(downhole updates)之间评估井底钻具组合的刀具面，其包括以下步骤：对钻柱进行编码，在地层中以校正模式运行钻柱，以构建钻柱在钻井作业期间在地层中的扭曲模型，测量钻柱在地层表面处的旋转位置，和，根据钻柱在地面处的旋转位置和钻柱扭曲模型评估井底钻具组合。

美国专利第US-7766098号和第US-7588100号公开了一种用于控制通过旋转钻头的切削作用而被钻进的井筒方向的系统和方法，其中，通过改变马达的旋转速度或通过改变钻柱旋转速度而周期性地改变钻头旋转速度，从而实现所述的切削作用。该公知系统的缺点是，尤其对于较深的井筒而言，由于钻头的扭转振动和扭曲，钻头的速度变化响应与地面处的旋转速度变化的差异通常十分大，从而导致不能控制钻井方向。

国际专利申请第WO2011/081673号公开了一种方法，用于在钻头轴线相对于钻柱轴线定位在合适的方位角方向上时，通过周期性地增加钻头旋转速度而引导钻头。

美国专利申请第US2009/0057018号公开了另一种定向钻井系统，其中，通过周期性地改变钻柱的旋转速度和/或BHA中的井底钻井马达的旋转速度，来引导倾斜钻头，BHA装配有随钻测量(MWD)BHA方位传感器。

美国专利申请第US2009/0065258号公开了一种定向钻井方法，其中，在每圈转动期间改变钻柱的旋转速度，对于多圈转动的每圈而言，改变钻柱旋转速度的方式大致类似，以引起钻柱底部处的倾斜钻头来钻探具有选定方位的斜井筒部分，通过使用随钻测量方位传感系统测量所述选定方位。