[發明專利]用于泥漿馬達的鎖緊離合器

有效

• 申請號: 200880131936.0
• 申請日: 2008-09-10
• 公開（公告）號: CN102209832A
• 公開（公告）日: 2011-10-05
• 發明（設計）人: 詹姆士·愛德蒙德·拜洛泰;朗斯·D·昂德吾德
• 申請（專利權）人: 史密斯運輸股份有限公司
• 主分類號: E21B4/02
• 分類號: E21B4/02;F03B13/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 孫紀泉

背景技術

通常執行地下鉆井操作以定位(勘探)或回收(開采)地下烴沉積物。這些操作中的大部分包括用于驅動被稱為鉆柱的多個相互連接的鉆桿的基于海上或陸地的鉆機。鉆機地面處的大型馬達將扭矩和旋轉施加到鉆柱，并且鉆柱部件的重量提供向下的軸向力。在鉆柱的遠端處安裝本領域的技術人員所公知的鉆井設備集合作為底部鉆具組合(“BHA”)。典型地，BHA可以包括鉆頭、鉆鋌、扶正器、擴眼器、泥漿馬達、旋轉導向儀、隨鉆測量傳感器以及在地下鉆井中有用的任何其它裝置。

當大多數鉆井操作沿垂直方向開始時，井眼沒有始終沿著所述井眼的整個深度保持該垂直軌跡。通常，由于鉆柱具有沿著最小阻力的路徑的自然趨勢，因此地下地層中的變化可能導致井眼偏離垂直方向。例如，如果遇到軟的容易鉆孔的地層凹穴，則BHA和連接的鉆柱可能會偏轉，并且與相對較硬的地層相比更容易前進到該較軟的地層中。雖然鉆柱和BHA部件在較短的長度處相對不易彎曲，但是鉆柱和BHA部件在較長的長度上變得略微易彎曲。當井眼軌跡偏差典型地表現為每鉆一百英尺角度的角度改變量(即，“造斜”)時，肉眼難以覺察到井斜。然而，超過幾千英尺的距離上的井斜可能是顯著的。

此外，應該理解的是許多井眼軌跡如今理想的是包括規劃的井斜。例如，在生產層包括水平巖層的地層中，水平地鉆出穿過該巖層的單個偏斜孔與幾個垂直孔相比可以提供更有效的生產量。此外，在一些情況下，優選的是鉆出單個垂直主井，并且具有從所述垂直主井分支出來的幾個水平井以充分地到達和開發地層的所有烴沉積物。因此，相當多的時間和資源已經致力于開發和優化定向鉆井能力。

典型的定向鉆井方案包括BHA中的各種機構和設備以選擇性地使鉆柱從其初始軌跡轉向。一種這樣的方案包括使用將彎外殼裝置與底部鉆具組合結合的泥漿馬達。在標準的旋轉鉆井實施中，鉆柱從所述地面旋轉以將扭矩施加到鉆頭以下。另一方面，使用連接到底部鉆具組合的泥漿馬達可以從所述泥漿馬達將扭矩施加到鉆頭，從而消除對使鉆柱從所述地面旋轉的需求。雖然存在許多種泥漿馬達時，但是大多數可以被分成渦輪泥漿馬達(即，渦輪鉆具)或容積式泥漿馬達。不用考慮設計細節，大多數泥漿馬達都通過將高壓鉆井泥漿流轉換成機械能來工作。

油田應用中使用的鉆井泥漿典型地通過鉆柱的孔被以高壓抽吸到井底的鉆頭。一旦到達鉆頭處，鉆井泥漿就會通過多個噴嘴傳送到井眼，其中鉆井泥漿流冷卻、潤滑和清潔鉆屑從而遠離鉆頭的切削面。一旦鉆井泥漿被排出，則允許鉆井泥漿通過井眼(即，地層或套管柱的內徑)與鉆柱的外輪廓之間形成的環狀空間返回到地面。承載有鉆屑的鉆井泥漿返回到地面。

當使用泥漿馬達時，不需要使鉆柱旋轉以使鉆頭相對于井眼旋轉。相反，當鉆頭穿過地層時，允許位于泥漿馬達上方的鉆柱“滑動”到井眼中。如上所述，彎外殼可以和泥漿馬達一起使用以定向地鉆井眼。彎外殼除了其中包含低角度彎曲部之外可以類似于BHA的通常部分。此外，彎外殼可以為連接到泥漿馬達上方的單獨部件(即，彎接頭)，或者本身可以為馬達殼體的一部分。

通過BHA中的各種測量和遙測裝置，地面上的鉆井操作者能夠確定彎外殼中的彎頭被定向到哪個方向。鉆井操作者接著可以旋轉鉆柱，直到所述彎頭沿著期望的井斜的方向且鉆柱旋轉停止為止。鉆井操作者然后啟動泥漿馬達，并且僅通過使用泥漿馬達驅動鉆頭使得鉆柱在沒有旋轉的情況下前進(即，滑動)到BHA后面的井眼中來鉆偏斜井眼。

當換向完成且再次需要“直”軌跡時，鉆井操作者連續地旋轉整個鉆柱以消除彎外殼對鉆柱軌跡的定向影響。當再次需要改變軌跡時，鉆柱的旋轉停止，BHA再次被定向到所需方向上，并且泥漿馬達沿該軌跡鉆近，同時鉆柱的其余部分滑動到井眼中。

當鉆柱的旋轉停止且BHA的向前前進通過泥漿馬達而繼續時，通過泥漿馬達和彎外殼進行定向鉆井出現一個缺陷。在這些時段期間，鉆柱在對井眼進行鉆進時進一步地滑動到井眼中，并且不會享有能夠旋轉以防止鉆柱卡在地層中的益處。具體地，這種操作可能帶來增加使鉆柱將卡在井眼中的風險，并且將需要昂貴的打撈操作以取出鉆柱和BHA。

近年來，在致力于與沒有旋轉的鉆井有關的問題中，已經開發出旋轉導向系統(“RSS”)。在旋轉導向系統中，BHA軌跡偏轉，同時鉆柱繼續旋轉。因而，旋轉導向系統大致分為兩個類型，推進鉆頭系統和面向鉆頭系統。在推進鉆頭RSS中，一組可膨脹止推力塊從BHA側向地延伸以將鉆柱推動和偏壓到預定軌跡中。