[發(fā)明專利]基于不平衡力測量進行控制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710007096.8
• 申請日: 2017-01-05
• 公開（公告）號: CN108278081B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 任治國;付旭;斯圖爾特·布萊克·布拉澤爾;王成寶
• 申請（專利權(quán)）人: 通用電氣公司
• 主分類號: E21B7/04
• 分類號: E21B7/04;E21B17/10;E21B47/022;E21B47/12;E21B47/00;E21B44/00;E21B44/04
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 侯穎媖

一種導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)包括可旋轉(zhuǎn)鉆柱和主動型穩(wěn)定器。可旋轉(zhuǎn)鉆柱用于連接用來沿一定軌跡鉆孔的鉆頭。主動型穩(wěn)定器包括主體和連接主體和鉆柱的驅(qū)動器，其中，主體具有用于接觸孔的內(nèi)壁的外表面，驅(qū)動器可驅(qū)動鉆柱偏離孔的中心一定的位移，以改變鉆孔方向。該導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)還包括分別用來測量方向參數(shù)和不平衡參數(shù)的方向參數(shù)測量模塊和不平衡參數(shù)測量模塊、以及用來基于測得的方向參數(shù)和不平衡參數(shù)來控制鉆孔軌跡的控制器。其中，方向參數(shù)包括孔的傾斜角和方位角中的至少一個，不平衡參數(shù)包括鉆頭附近的一測量位置的側(cè)向力、彎矩和轉(zhuǎn)矩中的至少一個，控制器包括估算器，用來基于測得的方向參數(shù)和不平衡參數(shù)和這些參數(shù)的期望值來計算所述位移所需的調(diào)整。

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明一般地涉及一種導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)和方法，更具體地涉及一種基于不平衡力測量進行控制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

油井或氣井通常具有需要導(dǎo)向鉆探的地下部分。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)(Rotarysteerable system，簡稱為“RSS”)被設(shè)計來通過從表面連續(xù)旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)向鉆取，可用來旋轉(zhuǎn)并控制鉆柱而沿預(yù)定方向和軌跡鉆出井眼。因此，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)廣泛地用于諸如常規(guī)導(dǎo)向井、水平井、分支井等。在鉆井過程中，由于各種原因，實際軌跡可能會偏離設(shè)定的預(yù)期軌跡，因而可能需要不斷調(diào)整實際軌跡以使其符合預(yù)期軌跡，這可能會導(dǎo)致鉆井過程減慢，鉆井效率降低。

通常，存在兩種類型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)：“推靠式”(Push-the-Bit)系統(tǒng)和“指向式”(Point-the-Bit)系統(tǒng)，其中推靠式系統(tǒng)具有高的造斜率，但會形成不平滑的鉆井軌跡和粗糙的井壁，而指向式系統(tǒng)可形成相對平滑的鉆井軌跡和井壁，但具有相對較低的造斜率。推靠式系統(tǒng)使用向鉆具施加橫向力使鉆頭偏離井孔中心從而改變鉆進方向的原理。現(xiàn)有的推靠式系統(tǒng)的鉆井質(zhì)量受井壁條件的影響很大。地層不均和鉆孔過程中的鉆頭振動可能導(dǎo)致粗糙的井壁和不平滑的鉆井軌跡。因此，其難以實現(xiàn)很高的控制精度。粗糙的井壁可能導(dǎo)致在固井(鉆孔下套管)、下鉆和起鉆作業(yè)時發(fā)生困難。

如何在完全旋轉(zhuǎn)鉆具的同時沿著預(yù)期的軌跡鉆出高質(zhì)量的鉆孔，始終是一個挑戰(zhàn)。

因此需要提供一種新型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)和方法，以解決上述技術(shù)問題中的至少一個。

發(fā)明內(nèi)容

一種導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)包括可旋轉(zhuǎn)鉆柱和主動型穩(wěn)定器。所述可旋轉(zhuǎn)鉆柱用于連接用來沿一定軌跡鉆孔的鉆頭。所述主動型穩(wěn)定器包括主體和連接所述主體和所述鉆柱的復(fù)數(shù)個驅(qū)動器。其中，所述主體具有用于接觸所述孔的內(nèi)壁的外表面，所述復(fù)數(shù)個驅(qū)動器能夠驅(qū)動所述鉆柱偏離所述孔的中心一定的位移，以改變鉆孔方向。所述導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)還包括在鉆孔過程中分別用來測量方向參數(shù)和不平衡參數(shù)的方向參數(shù)測量模塊和不平衡參數(shù)測量模塊、以及用來基于所述測得的方向參數(shù)和不平衡參數(shù)控制鉆孔軌跡的控制器。其中，所述方向參數(shù)包括所述孔的傾斜角和方位角中的至少一個，所述不平衡參數(shù)包括位于所述鉆頭附近的測量位置的側(cè)向力、彎矩和轉(zhuǎn)矩中的至少一個。所述控制器包括估算器，用來基于所述測得的方向參數(shù)和不平衡參數(shù)和這些參數(shù)的期望值來計算所述位移所需的調(diào)整。

一種導(dǎo)向鉆井方法包括用連接于可旋轉(zhuǎn)鉆柱上的鉆頭來沿著一定軌跡鉆井孔，其中所述可旋轉(zhuǎn)鉆柱連接有主動型穩(wěn)定器，其用來驅(qū)動所述鉆柱偏離所述井孔的中心一定的位移，以改變鉆孔方向。所述導(dǎo)向鉆井方法還包括在鉆孔過程中測量方向參數(shù)和不平衡參數(shù)，其中，所述方向參數(shù)包括所述孔的傾斜角和方位角中的至少一個，所述不平衡參數(shù)包括位于所述鉆頭附近的測量位置的側(cè)向力、彎矩和轉(zhuǎn)矩中的至少一個。所述導(dǎo)向鉆井方法還包括基于所述測得的方向參數(shù)和不平衡參數(shù)控制鉆孔軌跡，包括基于所述測得的方向參數(shù)和不平衡參數(shù)和這些參數(shù)的期望值來計算所述位移所需的調(diào)整，及驅(qū)動所述復(fù)數(shù)個驅(qū)動器運動以實現(xiàn)所述調(diào)整。

附圖說明

當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面及優(yōu)點將變得更好理解，其中：

圖1為一種包括鉆柱、固定型穩(wěn)定器和主動型穩(wěn)定器的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的側(cè)面示意圖。