[發(fā)明專利]用于定向鉆的裝置和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201280022929.3
• 申請日: 2012-05-11
• 公開（公告）號: CN103703207A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 托雷·克瓦爾維克
• 申請（專利權(quán)）人: 2TD鉆孔有限公司
• 主分類號: E21B7/06
• 分類號: E21B7/06
• 代理公司: 北京康信知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11240
• 代理人: 余剛;李靜

本發(fā)明涉及一種在定向鉆（directional?drilling，定向鉆孔，定向鉆取）中使用的鉆柱區(qū)段。

當(dāng)對油井和/或天然氣井進行鉆井時，往往有必要使鉆井工具從工具的鉆井方向引導(dǎo)至所需方向。這正是例如就可具有從豎直方向的實質(zhì)性偏差的定向井而言的情況。

在鉆井過程中使用連接至鉆柱的鉆頭是常見的，鉆柱和鉆頭通過可位于表面處的驅(qū)動單元而圍繞它們的縱向軸向軸線旋轉(zhuǎn)。

鉆井工具的方向控制可通過對鉆頭施加徑向力而實現(xiàn)，該徑向力設(shè)計成驅(qū)動鉆頭以相對于鉆頭的中心軸線具有一定偏差的期望方向上鉆井。鉆井工具也可具有設(shè)置于其中的對鉆頭處于正在鉆入的地面上的位置給出反饋的陀螺儀、一個或多個加速度計或一個或多個磁強計。

關(guān)于定向鉆，通常的一般認識是它可以兩種方式來進行：通過所謂的“擺動鉆頭（point-the-bit）”的方式，其中鉆頭在期望的鉆井方向上且以相對于鉆頭的中心軸線的期望角度圍繞一點“傾斜”；或者通過所謂的“推動鉆頭”的方式，其中鉆頭被側(cè)向推動。

在US6,092,610中記載了“擺動鉆頭”解決方案的實例。該解決方案的缺點是其需要鉆頭軸的軸承以與鉆柱相同的速度并且在與鉆柱相反的方向上連續(xù)旋轉(zhuǎn)。在US6,581,699B1中記載了“擺動鉆頭”解決方案的另一個實例。該解決方案的缺點是除了由于軸彎曲的同時的旋轉(zhuǎn)而引起的疲勞的問題的可能性之外，其還需要極大的力以便使鉆柱彎曲。

在WO2008/156375中記載了一種已知的“推動鉆頭”裝置，其中使用三個轉(zhuǎn)向本體以將鉆頭推動到期望的方向上，所述轉(zhuǎn)向本體在周緣方向上布置在鉆井工具的周圍并且在徑向方向上可移動。然而，可單獨移動的三個轉(zhuǎn)向本體可能在操作過程中出現(xiàn)問題，例如在可移動轉(zhuǎn)向本體周圍的密封件處的泄漏。

此外，WO96/31679教導(dǎo)了使用兩個偏心軸來調(diào)節(jié)鉆井偏差。利用該解決方案，不可能在重的（pregnant）或加重的（weighted）側(cè)20的相反方向上實現(xiàn)良好的調(diào)節(jié)。這意味著，該文獻中所教導(dǎo)的工具在使用中相當(dāng)不靈活。

從GB2334601也已知一種工具，其中偏心軸用于調(diào)節(jié)鉆井工具的偏差和方向。這是“擺動鉆頭”解決方案，其借助于位于兩個穩(wěn)定單元之間的偏心環(huán)的而使鉆柱彎曲。

WO2005/099424記載了一種旋轉(zhuǎn)齒輪機構(gòu)，該旋轉(zhuǎn)齒輪機構(gòu)用于控制鉆井工具的偏離和方向。該文獻教導(dǎo)了使用偏心軸來確定偏離的大小和方向。然而，該設(shè)備被構(gòu)造成不可能單獨地調(diào)節(jié)方向和偏離；如果調(diào)節(jié)方向，則也必須對偏轉(zhuǎn)進行調(diào)節(jié)，或者反之亦然。

因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于在使用“推動鉆頭”裝置時控制定向鉆的角度和偏離的新的且有效的裝置，該裝置布置成使得方向和偏離即使在鉆柱旋轉(zhuǎn)時也能連續(xù)調(diào)節(jié)。

該目的通過根據(jù)獨立權(quán)利要求的鉆柱區(qū)段來實現(xiàn)。本發(fā)明的其他實施例在從屬權(quán)利要求中披露。

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于接收鉆頭的鉆柱區(qū)段。該鉆柱區(qū)段適于用于鉆孔中的定向鉆中，其中鉆頭的中心軸線保持與鉆孔的中心軸線平行，并且其中，定向鉆以鉆頭通過確定鉆頭的鉆井方向和角偏離的調(diào)節(jié)機構(gòu)而平行位移的方式進行。

鉆柱區(qū)段包括包住用于在鉆井過程中調(diào)節(jié)鉆井方向和角偏離的調(diào)節(jié)機構(gòu)的外部殼體。調(diào)節(jié)機構(gòu)包括具有第一軸向中心軸線的外軸，該外軸被布置成能相對于外部殼體旋轉(zhuǎn)。外軸還構(gòu)造成具有軸向偏心第一孔，該軸向偏心第一孔平行于第一中心軸線的第一孔軸線。鉆柱區(qū)段還包括具有第二軸向中心軸線的內(nèi)軸，該內(nèi)軸能旋轉(zhuǎn)地布置在第一孔中并且構(gòu)造成具有用于使驅(qū)動鉆頭的驅(qū)動軸通過的軸向偏心第二孔。該第二孔具有平行于第二中心軸線的第二孔軸線。

此外，鉆頭的中心軸線能夠相對于外部殼體進行平行位移，并且當(dāng)鉆柱區(qū)段在使用時外部殼體與鉆孔或鉆孔殼體抵接。因此，外部殼體適于與鉆孔（borehole）或孔套（borecasing）抵接。

外部殼體可構(gòu)造成具有用于鉆井流體的回流的返回通道。外部殼體可為具有在所述鉆柱區(qū)段的軸向方向上的軸向延伸部（extent）以適于與鉆孔或井套抵接的套筒狀設(shè)計。

利用用于定向鉆的該裝置，無需外部的活動部件，不存在隨之而來的密封件泄漏的可能性。該解決方案還給予外部殼體對地層的更大接觸面，這在軟地層中鉆井時可以是有利的。此外，由于新的解決方案具有一體形成于穩(wěn)定器中的轉(zhuǎn)向器，因而鉆頭振動將更小，因而獲得更高品質(zhì)的鉆孔。