[發明專利]用于控制在地球地層中鉆井眼用的鉆井系統的系統和方法

無效

• 申請號: 201410032693.2
• 申請日: 2008-08-12
• 公開（公告）號: CN103774990A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 阿什利·約翰遜;沃特·阿爾德雷德;杰弗里·唐頓;賴得·布阿勒格;科扎爾·豪格沃爾德斯泰德;邁克爾·謝帕德
• 申請（專利權）人: 普拉德研究及開發股份有限公司
• 主分類號: E21B7/06
• 分類號: E21B7/06;E21B17/10
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 湯雄軍

技術領域

本公開總體涉及一種用于控制在地球地層中鉆井眼用的鉆井系統的方法和系統。更具體地，但不是以限制性的方式，在本發明的一個實施例中，提供一種用于控制鉆井眼用的鉆井系統與正在被所述鉆井系統鉆進的井眼的內表面之間的相互作用以對鉆井系統進行導向從而將井眼定向鉆通地球地層的系統和方法。在本發明的一些方面中，可以控制鉆井系統以使得井眼到達靶區目標。

在本發明的另一個實施例中，可以感測關于鉆井系統鉆井眼時所述鉆井系統的功能的數據，并且可以響應于所感測的數據控制用于鉆井眼的鉆井系統與井眼的內表面之間的相互作用，以用于控制鉆井系統的操作。在一些方面中，可以控制鉆井系統與內表面之間的相互作用以用于控制鉆頭與地球地層的相互作用。

背景技術

在許多行業中，通常期望的是通過地球地層定向鉆進一口井眼或者在地下地層中的井中取心，以便井眼和/或取心可以包圍和/或通過地層內的沉積物和/或儲層，以到達地層和/或類似地層內的預定目標。當在地下地層中鉆井或取心時，有時期望能夠改變和控制鉆進方向，以例如朝向期望的靶心引導井眼，或者一旦已經到達靶心則水平控制在含有油氣的區域內的方向。還期望的是當鉆直井時可對偏離期望方向的井斜進行校正，或者控制井的方向以避免障礙物。

例如，在油氣行業中，可以進行鉆井以截取具體位置處具體的地下地層。在一些鉆井過程中，為了鉆期望的井眼，可以預先設計通過地球地層的鉆井軌跡，并且可以控制鉆井系統以與軌跡一致。在其它過程中，或者在與前述過程的結合中，在鉆井過程期間，可以確定用于井眼的目標并可以監測正在地球地層內鉆進井眼的進程，并且可以采用用于確保井眼到達靶區目標的步驟。此外，可以控制鉆井系統的操作以提供經濟鉆井，所述經濟鉆井可以包括進行鉆進以盡快鉆通地球地層，進行鉆進以減小鉆頭磨損，進行鉆進以獲得通過地球地層的最佳鉆井和最佳鉆頭磨損和/或類似結果。

鉆井的一個方面被稱作“定向鉆井”。定向鉆井是有意使井眼偏離所述井眼本身所通過的路徑。換句話說，定向鉆井是對鉆柱進行導向，使得所述鉆柱沿期望的方向移動。

因為定向鉆井能夠從單個平臺鉆多口井，因此定向鉆井的優勢在于海上鉆井。定向鉆井還能夠通過儲層進行水平鉆井。水平鉆井能夠使更長的井筒穿過儲層，這增加了井的生產率。

定向鉆井系統同樣也可以用于垂直鉆井操作中。通常，鉆頭由于被穿過的地層的不可預測的特性或鉆頭受到的變化力而離開設計好的鉆井軌跡。當這種井斜發生時，定向鉆井系統可以用于將鉆頭放回在規定的軌跡上。

用于井眼的定向鉆進的監測過程可以包括確定鉆頭在地球地層內的位置、確定鉆頭在地球地層中的方位、確定鉆井系統的鉆壓、確定通過地球地層的鉆井速度、確定正在被鉆進的地球地層的特性、確定包圍鉆頭的地層的特性、期望確定鉆頭前面的地層的特性、對地球地層進行地震分析、確定鄰近鉆頭的儲層等的特性、測量井眼內和/或井眼或類似物周圍的地層的壓力、溫度和/或類似參數。在用于井眼的定向鉆進的任一過程中，不管是否在預先設計的軌跡之后、是否監測鉆井過程和/或鉆井條件和/或類似操作，必需能夠對鉆井系統進行導向。

在鉆井操作期間作用在鉆頭上的力包括重力、由鉆頭產生的扭矩、施加到鉆頭的端部載荷、和來自鉆柱組合的彎矩。這些力與正在被鉆進的地層類型和地層相對于井眼的傾角一起可以在鉆井過程期間產生復雜的相互作用的力系。

鉆井系統可以包括“旋轉鉆井”系統，在所述旋轉鉆井系統中，包括鉆頭的底部鉆具組合連接到可以從鉆井平臺被驅動/旋轉的鉆柱。在旋轉鉆井系統中，可以通過改變諸如鉆壓、旋轉速度等因素提供井眼的定向鉆井。

相對于旋轉鉆井，定向鉆井公知的方法包括使用旋轉鉆井系統(RSS)。在RSS中，鉆柱從地面旋轉，并且井下裝置使鉆頭沿期望的方向鉆進。旋轉鉆柱大大減少了鉆井期間鉆柱懸空或卡鉆的發生。

用于將斜井鉆進到地球內的旋轉導向鉆井系統可以大致分類為“面向鉆頭”系統或“推進鉆頭”系統。在面向鉆頭系統中，鉆頭的旋轉軸線沿新井的大致方向偏離底部鉆具組合(“BHA”)的局部軸線。根據由上下穩定器接觸點和鉆頭限定的常規三點幾何尺寸擴展井。與鉆頭和下穩定器之間的有限距離相關聯的鉆頭軸線的偏斜角產生要生成的彎曲所需的非共線條件。有許多方法可以實現此，包括在底部鉆具組合中靠近下穩定器的點處的固定彎曲或在上穩定器與下穩定器之間分布的鉆頭驅動軸的撓曲。