[发明专利]复合旋转导向钻井系统和方法

说明书

一种旋转导向钻井系统包括钻柱、钻头、将所述钻头连接到所述转柱的钻头驱动轴、以及连接到所述钻头驱动轴的第一偏心轮和第二偏心轮。所述钻头驱动轴通过连接器连接到所述钻柱上，并且可以绕所述连接器相对所述钻柱摆动，其中，所述连接器可从所述钻柱传递转矩到所述钻头。所述第一偏心轮和第二偏心轮可旋转使所述钻头驱动轴绕所述连接器相对所述钻柱摆动。该旋转导向钻井系统还包括控制器和安装于所述钻头驱动轴上的主动型稳定器，控制器用来控制所述第一和第二偏心轮使其协同旋转来让所述钻头驱动轴相对所述钻柱的摆动与所述钻柱的旋转大致相抵，主动型稳定器可推动所述钻头驱动轴使其产生偏离，以使所述钻头产生侧向位移和倾斜角来改变钻孔方向。

技术领域

本发明一般地涉及一种导向钻井系统和方法，更具体地涉及一种融合了“推靠式”(Push-the-Bit)和“指向式”(Point-the-Bit)功能的复合旋转导向钻井系统和方法。

背景技术

油井或气井通常具有需要导向钻探的地下部分。旋转导向钻井系统(Rotarysteerable system，简称为“RSS”)被设计来通过从表面连续旋转而导向钻取，可用来旋转并控制钻柱而沿预定方向和轨迹钻出井眼。因此，旋转导向钻井系统广泛地用于诸如常规导向井、水平井、分支井等。通常，存在两种类型的旋转导向钻井系统：“推靠式”系统和“指向式”系统。

在指向式系统中，相对于底部钻具组合(Bottom Hole Assembly，BHA)的其余部分弯曲或倾斜钻头驱动轴来改变钻头的指向。在理想化的形式下，指向式系统中的钻头不需要沿侧向进行切割，因为钻头的轴线始终与被钻取的井孔的方向一致。

在推靠式系统中，通过对钻柱施加一个侧向力(与井孔的延伸方向成一定角度的导向方向上的力)，来推动钻头偏离井孔中心。所述侧向力通常由驱动单元，比如一个或多个驱动块施加到所述钻柱上。在理想化的形式下，推靠式系统中钻头需要沿侧向进行切割以改变钻孔方向。

一般地，推靠式系统具有高的造斜率，但会形成不平滑的钻井轨迹和粗糙的井壁，而指向式系统可形成相对平滑的钻井轨迹和井壁，但具有相对较低的造斜率。如何提高用于油气开采的导向钻井过程的钻井效率、造斜率和井孔质量，始终是一个挑战。

发明内容

一种用来钻孔的旋转导向钻井系统包括钻柱、钻头、将所述钻头连接到所述转柱的钻头驱动轴、以及连接到所述钻头驱动轴的第一偏心轮和第二偏心轮。所述钻头驱动轴通过连接器连接到所述钻柱上，并且可以绕所述连接器相对所述钻柱摆动，其中，所述连接器可从所述钻柱传递转矩到所述钻头。所述第一偏心轮和第二偏心轮可旋转来使所述钻头驱动轴绕所述连接器相对所述钻柱摆动。该旋转导向钻井系统还包括控制器和安装于所述钻头驱动轴上的主动型稳定器，控制器用来控制所述第一和第二偏心轮使其协同旋转来让所述钻头驱动轴相对所述钻柱的摆动与所述钻柱的旋转大致相抵，主动型稳定器可推动所述钻头驱动轴使其发生偏离，以使所述钻头产生侧向位移和倾斜角来改变钻孔方向。

一种旋转导向钻井方法包括：用一个通过钻头驱动轴连接于钻柱上的钻头来钻孔，同时旋转所述钻柱、所述钻头驱动轴和所述钻头；转动连接于所述钻头驱动轴上的第一偏心轮和第二偏心轮，来使所述钻头驱动轴绕一连接器相对于所述钻柱摆动，其中所述连接器用来将所述钻头连接到所述钻柱，并从所述钻柱传递转矩到所述钻头；控制所述第一和第二偏心轮使其协同旋转来让所述钻头驱动轴相对所述钻柱的摆动与所述钻柱的旋转大致相抵；及通过安装于所述钻头驱动轴上的主动型稳定器来推动所述钻头驱动轴使其发生偏离，来使所述钻头产生侧向位移和倾斜角，以在钻孔过程中改变钻孔方向。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的一种复合旋转导向钻井系统的一部分的纵截面示意图，其显示了该复合旋转导向钻井系统的钻头和底部钻具组合。

图2为图1所示的A部分的放大图。