專利名稱：用于形成地下井眼的系統和方法
技術領域：
本發明總體涉及用于從各種地下地層(諸如含烴地層)生產烴、氫和/或其它產品的系統和方法。本發明特別地涉及用于形成地下井眼的系統和方法。
背景技術：
從地下地層獲得的烴通常用作能量源、用作原料、以及用作消費品。對可用烴資源衰竭的關注和對產出烴的總體質量下降的關注導致開發出用于更有效地回收、處理和/或使用可用烴資源的方法。就地處理可用于從地下地層移出烴材料。可能需要改變地下地層中的烴材料的化學和/或物理性能以使烴材料更容易從地下地層移出。化學和物理變化可包括地層中烴材料的生成可移出流體的就地反應、成分變化、溶解度變化、密度變化、相變和/或粘度變化。流體可以是，但是不限于，氣體、液體、乳狀液、漿液和/或具有與液體流動類似的流動特性的固體顆粒流。
加熱器可設置在井眼中以在就地處理過程中加熱地層。熱可施加至油頁巖地層以熱解油頁巖地層中的油母。熱還可使地層斷裂以提高地層的滲透性。增強的滲透性可以使地層流體行進到生產井，在所述生產井流體從油頁巖地層中移出。熱源可用于加熱地下地層。電加熱器可用于通過輻射和/或傳導加熱地下地層。電加熱器可通過電阻加熱元件。
在注入井與生產井之間的油頁巖地層中獲得滲透性趨于困難，這是因為油頁巖常常是基本上不滲透的。鉆這樣的井可能費用高而且費時。很多方法已經嘗試用于連接注入井和生產井。
用于加熱器井、注入井和/或生產井的井眼可通過使鉆頭抵靠地層旋轉而鉆出。 鉆頭可通過延伸至地面的鉆柱而懸垂在井孔中。在一些情況下，鉆頭可通過在地面使鉆柱旋轉而旋轉。鉆井流體可用于在鉆井過程中沖洗井眼。井眼的沖洗可將在鉆井過程中產生的碎石和/或金屬切屑去除。在一些情況下，鉆井流體在井眼中的流體靜壓力可保持在比地層孔隙壓力高的壓力下。在其它情況下，井孔裸露部分中的壓力可保持低于地層壓力，以使得地層流體在鉆井過程中流入井眼。
傳感器可附連至鉆井系統以便在鉆井眼過程中協助確定方向、操作參數和/或操作條件。使用傳感器可減小確定鉆井系統的定位所花費的時間量。例如授予Hansberry的美國專利7，093，370描述了一種井孔導航系統，該井孔導航系統利用多個萬向節可在井孔中確定任何方位的位置和高度，該萬向節包括裝配在小直徑井孔鉆桿內的固態或其它陀螺儀和加速計。例如heper等人的美國專利申請公開2009-027041描述了一種在鉆井同時進行測量的方法，該方法包括將至少一個傳感器定位在井下；在鉆井同時從所述至少一個傳感器傳送檢測到的數據，而不在井下處理該檢測到的數據。
如上所概述的，已經做出大量努力來開發出使用導航系統和/或傳感器來在含烴地層中鉆出井眼的方法和系統。然而，目前仍然有很多鉆出井眼很難、費用高和/或費時的含烴地層。因此，仍然需要一種用于從各含烴地層中鉆出生產烴、氫和/或其它產品的改進的方法和系統。
發明內容
在此所描述的實施例總體涉及用于形成地下井眼的系統和方法。在某些實施例中，本發明提供用于處理地下地層的一種或多種系統和一種或多種方法。
在某些實施例中，本發明提供了一種用于形成地下井眼的系統，包括齒條齒輪系統，所述齒條齒輪系統包括卡盤驅動系統，其中卡盤驅動系統構造用于操作鉆柱；自動位置控制系統，所述自動位置控制系統包括至少一個與齒條齒輪系統聯接的測量傳感器，其中自動位置控制系統構造用于控制齒輪齒條系統以確定鉆柱的位置。
在某些實施例中，本發明提供了一種用于形成地下井眼的方法，包括從與自動位置控制系統聯接的至少一個測量傳感器接收關于管狀物的位置數據；基于來自測量傳感器的位置數據使用齒條齒輪系統來控制管狀物在地層中的方向。
在某些實施例中，本發明提供了一種用于形成地下井眼的系統，包括底部驅動系統，該底部驅動系統構造用于與至少部分地位于地下井眼中的鉆柱的已有管狀物聯接并且控制井眼中的鉆井操作，底部驅動系統包括構造用于在鉆井操作期間接納新管狀物的循環套筒；和頂部驅動系統，該頂部驅動系統與新管狀物聯接并且在新管狀物與已有管狀物聯接時進行對鉆井操作的控制。
在某些實施例中，本發明提供了一種向鉆柱增添新管狀物的方法，包括將新管狀物的頂端聯接至頂部驅動系統；在底部驅動系統控制鉆井操作的同時將新管狀物的底端定位在底部驅動系統的循環套筒的開口中；在鉆井操作繼續進行時，將新管狀物聯接至已有管狀物以形成聯接好的管狀物；將對鉆井操作的控制從底部驅動系統轉移至頂部驅動系統；在鉆井操作繼續進行時，將底部驅動系統沿著聯接好的管狀物朝向頂部驅動系統運動； 在鉆井操作繼續進行時，將底部驅動系統聯接至聯接好的管狀物的頂部部分；將對鉆井操作的控制從頂部驅動系統轉移至底部驅動系統；以及將頂部驅動系統與聯接好的管狀物脫開連接。
在另外的實施例中，特定實施例的特征可與其它實施例的特征組合。例如，一個實施例的特征可與任一個其它實施例中的特征組合。
在另外的實施例中，附加特征可添加到在此所述的特定實施例中。
根據下述詳細描述的有益效果和參照附圖，本發明的優點對本領域的技術人員來說可變得顯而易見，附圖中 圖1顯示了一個用于處理含烴地層的就地熱處理系統的一部分的實施例的示意圖。
圖2圖示了齒條齒輪系統的一個實施例的示意圖。
圖3A至3D圖示了連續鉆井程序的一個實施例的示意圖。
圖4圖示了圖3A至3D所示的底部驅動系統的循環套筒的一個實施例的示意圖。
圖5圖示了圖3A至3D所示的底部驅動系統的循環套筒的閥系統的示意圖。
雖然本發明易于具有多種修改和替代形式，但是其具體實施例在附圖中以示例方式進行顯示，并且可在此進行詳細描述。附圖可不按比例繪制。但是，應該理解的是，附圖和對附圖的詳細描述不旨在將本發明限制為所公開的特別形式，而是相反地，旨在覆蓋落入由所附權利要求所限定的本發明的精神和范圍內的所有修改、等同物和替代形式。
具體實施例方式下述描述總體涉及用于在地下地層中形成井眼的系統和方法。在此描述井眼用于在地層中處理烴以生產出烴產品、氫和其它產品的應用。
“API (美國石油學會)重力指標”是指在15. 5°C (60° F)時的API重力指標。API 重力指標是由ASTM方法D6822或ASTM方法D1298確定的。
“可冷凝的烴”是在25°C且在一個大氣的絕對壓力下冷凝的烴。可冷凝的烴可包括碳數大于4的烴的混合物。“不可冷凝的烴”是在25°C且在一個大氣的絕對壓力下不會冷凝的烴。不可冷凝的烴可包括碳數小于5的烴的混合物。
“流體壓力”是由地層中的流體產生的壓力。“靜巖壓力”(有時稱為“靜巖應力”) 是與覆巖塊的單位面積的重量相等的地層中的壓力。“流體靜壓力”是由水柱施加在地層中的壓力。
“地層”包括一個或多個含烴層、一個或多個非烴層、上覆巖層和/或下伏巖層。“烴層”指含烴地層中的層。烴層可含有非烴材料和烴材料。“上覆巖層”和/或“下伏巖層” 包括一種或多種不同類型的不可滲透材料。例如，上覆巖層和/或下伏巖層可包括巖石、 頁巖、泥巖或潤濕/致密的碳酸鹽巖。在一些就地熱處理過程的實施例中，上覆巖層和/或下伏巖層可包括一層或多層含烴層，其在就地熱處理的處理過程中是相對不可滲透的并且不受溫度影響，所述就地熱處理導致上覆巖層和/或下伏巖層的含烴層的性能發生顯著變化。例如，下伏巖層可含有頁巖或泥巖，但是下伏巖層在就地熱處理處理期間不允許加熱到熱解溫度。在一些情形中，上覆巖層和/或下伏巖層可以是稍微可滲透的。
“地層流體”是指存在于地層中的流體，并且可包括熱解流體、合成氣、流動的烴和水(蒸汽)。地層流體可包括烴流體以及非烴流體。術語“流動的流體”是指由于地層的熱處理而能夠流動的含烴地層中的流體。“產出流體”是指從地層移出的流體。
“熱源”是用于基本上通過傳導和/或輻射熱傳遞向地層的至少一部分提供熱的任何系統。例如，熱源可包括導電材料和/或電加熱器(諸如絕緣導體)、細長部件和/或布置在導管中的導體。熱源還可包括通過燃燒地層外部或地層中的燃料來產生熱的系統。所述系統可以是地表燃燒器、井下氣體燃燒器、無焰分布式燃燒器和自然分布式燃燒器。在一些實施例中，一個或多個熱源所提供或產生的熱可由其它能量源提供。所述其它能量源可直接加熱地層，或者所述能量可施加到直接或間接加熱地層的傳遞介質。應該理解的是，將熱施加到地層的一個或多個熱源可使用不同的能量源。因而，例如，對于給定地層，一些熱源可由導電材料、電阻加熱器提供熱，一些熱源可通過燃燒提供熱，一些熱源可由一個或多個其它能量源(例如，化學反應、太陽能、風能、生物質或其它可再生能源)提供熱。化學反應可包括放熱反應(例如氧化反應)。熱源還可包括向加熱位置(諸如加熱器井)附近和 /或周圍的區域提供熱的導電材料和/或加熱器。
“加熱器”是用于在井中或井眼附近的區域產生熱的任何系統或熱源。加熱器可以是，但不限于，電加熱器、燃燒爐、與地層中的材料或從地層產出的材料發生反應的燃燒器、 和/或它們的組合。
“重烴”是粘性的烴流體。重烴可包括高粘性烴流體，諸如重油、焦油和/或浙青。 重烴可包括碳和氫，以及較小濃度的硫、氮和氧。其它元素也可以微量存在于重烴中。重烴可根據API重力指標分類。重烴通常具有低于大約20°的API重力指標。例如，重油通常具有大約10-20°的API重力指標，而焦油通常具有10°的API重力指標。重烴的粘性在 15°C下通常大于100厘泊。重烴可包括芳香烴或其它復雜的環烴。
重烴可在相對滲透的地層中找到。相對滲透的地層可包括例如夾帶于砂或碳酸鹽巖中的重烴。相對于地層或地層的一部分，“相對滲透的”被限定為10毫達西或更多(例如 10或100毫達西)的平均滲透性。相對于地層或地層的一部分，“相對低滲透的”被限定為小于大約10毫達西的平均滲透性。1達西等于大約0.99平方微米。不可滲透層通常具有小于大約0.1毫達西的滲透性。
包含重烴的某些類型的地層還可包括，但不限于，天然礦物蠟或天然浙青巖。“天然礦物蠟”通常存在于大致管狀的礦脈中，該礦脈可具有數米寬、數千米長且數百米深。“浙青巖”包括由芳族成分構成的固態烴并且通常存在于大礦脈中。從諸如天然礦物蠟和天然浙青巖的地層中就地回收烴可包括熔融以形成液態烴和/或從地層進行烴的溶解采礦。
“烴”通常定義為主要由碳和氫原子形成的分子。烴還可包括其它元素，例如，但不限于，鹵素、金屬元素、氮、氧和/或硫。烴可以是，但不限于，油母、浙青、焦浙青、油類、天然礦物蠟和浙青巖。烴可位于大地中的礦物基體中或與礦物基體相鄰。基體可包括，但不限于，沉積巖、砂、沉積石英巖、碳酸鹽巖、硅藻土和其它多孔介質。“烴流體”是包括烴的流體。 烴流體可包括夾帶非烴流體或被夾帶在非烴流體中的流體，所述非烴流體諸如為氫、氮、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、水和氨。
“就地轉化過程”是指通過熱源加熱含烴地層以將地層的至少一部分的溫度升高到熱解溫度以上以使得在地層中產生熱解流體的過程。
“就地熱處理過程”是指使用熱源加熱含烴地層以將地層的至少一部分的溫度升高到導致含烴材料的流動流體、降粘和/或熱解的溫度以上以使得在地層中產生流動的流體、降粘的流體和/或熱解的流體的過程。
“熱解”是由于施加熱而導致化學鍵的斷裂。例如，熱解可包括僅通過熱將化合物轉變為一種或多種其它物質。熱可被傳遞到地層的一部段以發生熱解。
“熱解流體”或“熱解產品，，是指基本上在烴的熱解期間產生的流體。通過熱解反應產生的流體可與地層中的其它流體混合。混合物被認為是熱解流體或熱解產品。如在此所使用的，“熱解區”是指被反應或進行反應以形成熱解流體的地層體(例如，相對可滲透的地層，諸如浙青砂地層)。
“焦油砂地層”是烴主要以重烴和/或夾帶在礦物顆粒構架或其它主巖石(例如砂或碳酸鹽巖)的形式存在。焦油砂地層的實例包括諸如阿薩巴斯卡(Athabasca)地層、 格羅斯蒙特(Grosmont)地層和和平河(Peace River)地層的地層，三者位于加拿大艾伯塔省；和位于委內瑞拉的奧里諾科帶(Orinoco belt)的!^aja地層。
“U形井眼”是指從地層中的第一開口延伸穿過地層的至少一部分并且從地層中的第二開口穿出的井眼。在本文中，井眼可以僅大體上呈“V”形或“U”形，對于視為“U”形的井眼，“U”形的“腿”應該理解成不需要彼此平行或垂直于“U”的底部。
術語“井眼”是指通過鉆井或將管道插入地層中而在地層中形成的孔。井眼可具有基本上圓形的橫截面或其它橫截面形狀。如在此所使用的，術語“井”和“開口，，在指地層中的開口時可與術語“井眼”互換使用。
地層可通過各種方式進行處理以生產出很多不同產品。不同階段或過程可用于在就地熱處理過程中處理地層。在一些實施例中，地層的一個或多個部段可進行溶解采礦以從該部段中移出可溶的礦物。可在就地熱處理過程之前、期間或之后對礦物進行溶解采礦。 在一些實施例中，進行溶解采礦的一個或多個部段的平均溫度可保持在大約120°C以下。
在一些實施例中，地層的一個或多個部段被加熱以從該部段移出水和/或從該部段移出甲烷和其它揮發性烴。在一些實施例中，在水和揮發性烴的移出過程中，平均溫度可從環境溫度升高至大約220°C以下的溫度。
在一些實施例中，地層的一個或多個部段被加熱至允許烴在地層中運動和/或降粘的溫度。在一些實施例中，地層的一個或多個部段的平均溫度被升高至烴在該部段中的流動溫度(例如從100°C到250°C范圍內的溫度、從120°C到240°C范圍內的溫度或從150°C 到230°C范圍內的溫度)。
在一些實施例中，一個或多個部段被加熱至允許在地層中進行熱解反應的溫度。 在一些實施例中，地層的一個或多個部段的平均溫度可被升高至烴在該部段中的熱解溫度 (例如從230°C到900°C范圍內的溫度、從240°C到400°C范圍內的溫度或從250°C到350°C 范圍內的溫度)。
利用多個熱源加熱含烴地層可在熱源周圍形成熱梯度，所述熱源將地層中烴的溫度以期望的加熱速度升高至期望的溫度。溫度升高經過用于期望產品的流動溫度范圍和/ 或熱解溫度范圍的速率可影響從含烴地層產出的地層流體的質量和數量。將地層溫度緩慢地升高經過流動溫度范圍和/或熱解溫度范圍可允許從地層產出高質量、高API重力指標的烴。將地層溫度緩慢地升高經過流動溫度范圍和/或熱解溫度范圍可允許移出存在于地層中的大量烴以作為烴產品。
在一些就地熱處理的實施例中，代替將溫度緩慢地加熱經過溫度范圍的是將地層的一部分加熱到期望溫度。在一些實施例中，期望的溫度為300°C、325°C或350°C。可選擇其它溫度作為期望溫度。
疊加來自熱源的熱允許在地層中相對快速有效地建立期望溫度。從熱源輸入地層中的能量可被調節以使地層中的溫度基本上保持在期望溫度下。
流動和/或熱解產品可通過生產井從地層生產出。在一些實施例中，一個或多個部段的平均溫度被升高至流動溫度，烴從生產井生產出。在生產之后由于流動性降低到選定值以下，一個或多個部段的平均溫度可被升高至熱解溫度。在一些實施例中，在達到熱解溫度之前不進行大量生產的情況下，一個或多個部段的平均溫度可被升高至熱解溫度。包含熱解產品的地層流體可通過生產井生產出。
在一些實施例中，一個或多個部段的平均溫度可被升高至足夠高溫度，以便允許在流動和/或熱解之后進行合成氣生產。在一些實施例中，烴可被升高至足夠高溫度，以便在達到足以允許進行合成氣生產的溫度之前不進行大量生產情況下允許進行合成氣生產。 例如，合成氣可在從大約400°C到大約1200°C、大約500°C到大約1100°C或大約550°C到大約1000°C的溫度范圍內產生。合成氣產生流體(例如，蒸氣和/或水)可被引入各部段中以產生合成氣。合成氣可從生產井生產出。
溶解采礦、揮發性烴和水的移出、使烴流動、熱解烴、產生合成氣和/或其它過程可在就地熱處理過程中進行。在一些實施例中，一些過程可在就地熱處理之后進行。這些過程可包括，但不限于，從已處理的部段回收熱、將流體(例如，水和/或烴)存儲在先前已處理的部段中和/或將二氧化碳隔絕在先前已處理的部段中。
圖1圖示了用于處理含烴地層的就地加熱系統的一部分的一個實施例的示意圖。 該就地熱處理系統可包括障壁井100。障壁井用于在處理區域周圍形成障壁。所述障壁阻止流體流入和/或流出處理區域。障壁井包括，但是不限于，脫水井、真空井、俘獲井、注入井、灌漿井、冷凍井或它們的組合。在一些實施例中，障壁井100是脫水井。脫水井可去除液態水和/或阻止液態水進入待加熱的地層部分或正被加熱的地層。在圖1所示的實施例中，障壁井100顯示為僅沿熱源102的一側延伸，但是障壁井通常環繞所使用的或將要使用的所有熱源102，以加熱地層的處理區域。
熱源102設置在地層的至少一部分中。熱源102可包括導電材料。在一些實施例中，加熱器諸如是絕緣導體、導體在導管中的加熱器、地表燃燒器、無焰分布式燃燒器和/ 或自然分布式燃燒器等。熱源102還可包括其它類型的加熱器。熱源102向地層的至少一部分提供熱以加熱地層中的烴。能量可通過供給管線104供應給熱源102。供給管線104 可根據一種或多種用于加熱地層的熱源而在結構上有所不同。用于熱源的供給管線104可傳輸用于導電材料和/或電加熱器的電，可傳輸用于燃燒器的燃料或者可傳輸在地層中循環的熱交換流體。在一些實施例中，用于就地熱處理過程的電可由一個或多個核電站提供。 使用核動力可使得降低或消除從就地熱處理過程釋放的二氧化碳。
當地層被加熱時，輸入地層中的熱可引起地層擴張和地質運動。可在脫水過程之前、同時或期間打開熱源。計算機模擬可模擬響應于加熱的地層。計算機模擬可用于形成用于啟動地層中的熱源的模式和時間序列，以使得地層的地質運動不會對熱源、生產井和地層中的其它設施的功能造成不利影響。
加熱地層可引起地層的滲透性和/或孔隙率增大。滲透性和/或孔隙率的增大可通過由于水的汽化和移出、烴的移出和/或形成斷裂而使地層中的礦體減小而產生。由于地層的增大的滲透性和/或孔隙率，流體可更容易地在地層受熱部分中流動。由于增大的滲透性和/或孔隙率，地層受熱部分中的流體可運動通過地層相當長的距離。相當長的距離根據各種因素可以是IOOOm以上，該各種因素諸如是地層的滲透性、流體的性質、地層的溫度和允許流體運動的壓力梯度。流體在地層中行進相當長距離的能力允許生產井106在地層中相對遠地間隔開。
生產井106用于從地層移出地層流體。在一些實施例中，生產井106包括熱源。 生產井中的熱源可在生產井處或生產井附近加熱地層的一個或多個部分。在一些就地熱處理過程的實施例中，由每米生產井從生產井提供給地層的熱量小于由加熱地層的每米熱源提供給地層的熱量。從生產井提供給地層的熱可通過汽化和移出生產井附近的液相流體和 /或通過由形成大量和/或極微小的斷裂而增大生產井附近的地層的滲透性來增大生產井附近的地層滲透性。
多于一個熱源可定位于生產井中。在來自相鄰熱源的熱疊加加熱地層足以抵消通過利用生產井加熱地層所提供的益處時，可關閉生產井的下部部分中的熱源。在一些實施例中，生產井的上部部分中的熱源可在關閉生產井的下部部分中的熱源之后保持打開。生產井的上部部分中的熱源可阻止地層流體的冷凝和逆流。
在一些實施例中，生產井106中的熱源允許從地層中移出地層流體的汽相。在生產井處或通過生產井提供熱可用于(1)在該生產流體靠近上覆巖層在生產井中運動時抑制該生產流體的冷凝和/或逆流；(2)增加輸入到地層中的熱；(3)與沒有熱源的生產井相比提高生產井的產率；⑷抑制生產井中高碳數(C6及以上)化合物的冷凝；和/或(5)增大生產井處或生產井附近的地層的滲透性。
地層中的地下壓力可對應于在地層中產生的流體壓力。隨著地層的受熱部分中的溫度升高，受熱部分中的壓力可由于就地流體的熱膨脹、增加的流體生成和水的汽化而增大。控制從地層移出流體的速率可允許控制地層中的壓力。地層中的壓力可在很多不同的位置處確定，諸如在生產井附近或在生產井處、在熱源附近或在熱源處，或在監控井處。
在一些含烴地層中，從地層生產烴受到抑制，直到已經使地層中的至少一些烴流動和/或熱解。當地層流體具有選定質量時，地層流體可從地層產出。在一些實施例中，選定質量包括至少約20°、30°或40°的API重力指標。直到使至少一些烴流動和/或熱解， 抑制生產才可加快重烴向輕烴的轉化。抑制初期產量可使從地層產出的重烴的量最小。生產大量重烴可能需要昂貴的設備和/或縮短生產設備的壽命。
在一些含烴地層中，在地層的受熱部分中產生顯著滲透性之前，地層中的烴可被加熱到流動溫度和/或熱解溫度。最初的滲透性缺乏可抑制所產生的流體運輸到生產井 106中。在初始加熱期間，地層中的壓力在熱源102附近可增大。增大的流體壓力可通過一個或多個熱源102被釋放、監控、改變和/或控制。例如，選定的熱源102或獨立的壓力釋放井可包括允許從地層移出一些流體的壓力釋放閥。
在一些實施例中，可允許增加由在地層中產生的流動流體、熱解流體或其它流體的膨脹所產生的壓力，盡管通向生產井106的開放路徑或任何其它壓力降可能仍然不存在于地層中。可允許流體壓力朝向巖石靜壓力增加。含烴地層中的斷裂可在流體接近巖石靜壓力時形成。例如，可在地層的受熱部分中從熱源102至生產井106形成斷裂。受熱部分中斷裂的產生可釋放該部分中的一些壓力。地層中的壓力可能不得不保持低于選定壓力以便抑制不想要的生產、上覆巖層或下伏巖層的斷裂和/或烴在地層中的焦化。
在達到流動和/或熱解溫度且允許從地層進行生產之后，地層中的壓力可發生變化，用于改變和/或控制產出的地層流體的成分、用于控制地層流體中可冷凝流體相對于不可冷凝流體的百分比、和/或用于控制正在產出的地層流體的API重力指標。例如，降低壓力可導致產出較大的可冷凝流體組分。可冷凝流體組分可含有較大百分比的烯烴。
在一些就地熱處理過程的實施例中，地層中的壓力可保持足夠高以促使產出API 重力指標大于20°的地層流體。在地層中保持增大的壓力可在就地熱處理過程中抑制地層塌陷。保持增大的壓力可減少或消除對在地表處壓縮地層流體以將收集管道中的流體輸送到處理設備的需要。
令人驚訝的是，在地層的受熱部分中保持增加的壓力可允許產生質量提高且相對低分子量的大量烴。壓力可保持成使得產出的地層流體具有極小量的所選碳數以上的化合物。所選碳數可以是至多25、至多20、至多12或至多8。一些高碳數化合物可夾帶在地層內的蒸氣中并且可與蒸氣一起從地層移出。在地層中保持增大的壓力可抑制在蒸氣中夾帶高碳數化合物和/或多環烴化合物。高碳數化合物和/或多環烴化合物可在地層中在相當長時間保持為液相。相當長時間可為化合物提供足夠長的時間進行熱解以形成低碳數化合物。
相對低分子量的大量烴的產生被認為是部分地由于氫在含烴地層中的自動產生和反應。例如，保持增大的壓力可迫使在熱解過程中產生的氫進入地層內的液相。將地層的一部分加熱到熱解溫度范圍內的溫度可熱解地層中的烴以便產生液相熱解流體。所產生的液相熱解流體組分可包括雙鍵和/或基團。液相中的氫(H2)可減小所產生的熱解流體的雙鍵，從而減小由所產生的熱解流體聚合或形成長鏈化合物的可能性。另外，H2還可壓制所產生的熱解流體中的基團。液相中的吐可抑制所產生的熱解流體彼此發生反應和/或與地層中的其它化合物發生反應。
從生產井106產出的地層流體可通過收集管道108輸送到處理設備110。地層流體還可從熱源102產出。例如，流體可從熱源102產出以控制鄰近熱源的地層中的壓力。從熱源102產出的流體可通過生產管或管道輸送到收集管道108，或者產出流體可通過生產管或管道直接輸送到處理設備110。處理設備110可包括分離單元、反應單元、改質單元、燃料室、渦輪、存儲容器和/或其它用于處理產出的地層流體的系統和單元。處理設備可將從地層產出的烴的至少一部分形成運輸燃料。
很多井需要利用就地熱處理過程處理烴地層。在一些實施例中，在地層中形成豎直或基本豎直井。在一些實施例中，在地層中形成水平或u形井。在一些實施例中，在地層中形成水平井和豎直井的組合。
在地下地層中形成井眼的精確度和效率可能受到在鉆井過程中的密度和定向數據的質量影響。定向數據的質量可能由于在旋轉鉆井中振動和角加速度而降低，在旋轉鉆井段使用滑動模式鉆井期間尤其如此。
在一些實施例中，自動位置控制系統與齒條齒輪鉆井系統可用于在地層中形成井眼。自動位置控制系統和/或測量系統與齒條齒輪鉆井系統的組合的應用可允許比使用手動定位和校準裝置鉆井更精確地鉆出井眼。例如，自動位置系統可在鉆井過程中連續和/ 或半連續地進行校準。圖2圖示了包括齒條齒輪驅動系統的系統的一部分的示意圖。齒條齒輪驅動系統112包括，但不限于，齒條114、臺架116、卡盤驅動系統118和循環套筒120。 卡盤驅動系統118可保持管狀物122。齒條齒輪型系統的推/拉能力可允許足夠的力(例如，約5噸)將管狀物推到井眼中，以使得管狀物不必旋轉。齒條齒輪系統可將向下的力施加在鉆頭上。施加給鉆頭的力可以與鉆柱(管狀物)和/或接箍的重力無關。在某些實施例中，接箍的尺寸和重量由于不需要接箍的重量能夠進行鉆井操作而減小。使用齒條齒輪鉆井系統可進行對具有長水平部分的井眼鉆井，因為鉆井系統向鉆頭施加力的能力與可用于提供鉆壓的鉆柱的豎直長度無關。
齒條齒輪驅動系統112可聯接至自動位置控制系統124。自動位置控制系統IM 可包括，但不限于，旋轉導引系統、雙馬達旋轉導引系統和/或孔測量系統。在一些實施例中，測量系統包括一個或多個傳感器，包括但不限于，磁測距傳感器、非旋轉傳感器和/或斜置的加速計。在一些實施例中，一個或多個加熱器可包括在齒條齒輪驅動系統的一個或多個管狀物中。在一些實施例中，孔測量系統位于加熱器中。
在一些實施例中，孔測量系統包括一個或多個斜置的加速計。斜置的加速計的應用可允許測量地層的很淺部分。例如，地層的很淺部分可具有來自于鉆井操作和/或其它井的鋼套管柱。鋼套管可影響磁測量工具在確定鉆井過程中所引起的偏斜方向方面的應用。斜置的加速計可定位在鉆井系統(例如齒條齒輪鉆進系統)的底部鉆具組合中，其中地面作為管狀物旋轉位置的基準。將斜置的加速計定位于底部鉆具組合中可允許精確測量孔的傾斜度和方向，而不考慮附近磁性干擾源(例如，套管柱)的影響。在一些實施例中， 管狀物的相對旋轉位置通過測量和跟蹤軸的遞增旋轉進行監控。通過監控增添到已有管狀物上的管狀物的相對旋轉可獲得管狀物的更精確定位。這種監控可允許以連續的方式增添管狀物。
在一些實施例中，使用齒條齒輪系統鉆井的方法包括連續井下測量。可使用預定且恒定的電流信號來操作測量系統。在井下連續地計算距離和方向。計算結果被過濾和平均化。最佳估計最終距離和方向報告給地面。當在地面接收到時，已知的沿井孔深度和管狀物的位置可與所計算的距離和方向相組合以計算出X、Y、Z的位置數據。
在用聯結好的管子鉆井期間，停機循環、增添下一根管、重新建立循環和繼續形成孔所花費的時間可能需要相當大量的時間，尤其是在使用兩階段循環系統時。在使用手動操作技術的情況下，操縱管狀物(例如管子)在歷史上已經存在很大安全風險。連續管鉆井在消除對管狀物進行連接和手動操作的需要方面獲得一些成功；然而，不能旋轉和對實用的連續管直徑的限制可能限制其可應用的范圍。
在一些實施例中，使用鉆井程序，其中管狀物被增添到管柱上而不中斷鉆井過程。 管狀物可包括允許管狀物在壓力下進行連接的聯結好的連接。這種程序可允許利用大直徑管狀物進行連續旋轉鉆井。管狀物可包括在此所述的加熱器和/或自動位置控制系統。
連續旋轉鉆井系統可包括鉆井平臺，該鉆井平臺包括但不限于一個或多個鉆井平臺、頂部驅動系統和底部驅動系統。平臺可包括齒條以允許部件的多個獨立的橫向運動。頂部驅動系統可包括延伸的驅動分段(例如，由American Auger, West Salem, Ohio, USA制造的延伸的驅動系統)。頂部驅動系統例如可以是旋轉驅動系統或齒條齒輪驅動系統。底部驅動系統可包括卡盤驅動系統和液力系統。底部驅動系統可以與齒條齒輪驅動系統(例如圖2所示的齒條齒輪驅動系統)類似的方式操作。底部驅動系統和頂部驅動系統可交替控制鉆井操作。卡盤驅動系統可安裝在獨立的托架上。液力系統可包括但不限于一個或多個馬達和循環套筒。循環套筒可允許在管狀物與環形空間之間進行循環。循環套筒可用于打開或關閉井中各個層段的生產。在一些實施例中，系統包括管狀物操作系統。管狀物操作系統可以是自動操作的、手動操作的或它們的組合。
在一些實施例中，使用連續旋轉鉆井系統的方法包括將新管狀物增添到與底部驅動系統聯接的已有管狀物上以形成延長的管狀物。在底部驅動系統控制鉆井操作的同時進行鉆井期間，新管狀物可定位在底部驅動系統的循環套筒的開口中。新管狀物可聯接至頂部驅動系統。底部驅動系統的循環套筒可允許流體在兩個管狀物之間流動。循環套筒中的流體壓力可以處于達大約13.8MPa(2000psi)的壓力。循環套筒可包括一個或多個便于循環的改變和/或流動的閥(例如UBD循環或止回閥)。閥的使用可有助于保持系統中的壓力。施加給循環套筒中的兩個管狀物的壓力可聯接(例如，壓力配合)兩個管狀物以形成聯接好的管狀物，而不中斷鉆井過程。在將管狀物聯接在一起期間和/或之后，對鉆井操作的控制可從底部驅動系統轉移至頂部驅動系統。將鉆井操作轉移至頂部驅動系統可允許底部驅動系統沿著聯接好的管狀物向上朝向頂部驅動系統行進，而不中斷鉆井操作。底部驅動系統可附連至頂部驅動系統的驅動分段，且對鉆井操作的控制可從頂部驅動系統轉移到底部驅動系統，而不中斷鉆井操作。一旦對鉆井的控制轉移到底部驅動系統，頂部驅動系統可與管狀物斷開連接。頂部驅動系統于是可連接至另一管狀物的頂部以繼續進行該過程。
圖3A-3D圖示了連續鉆井程序的一個實施例的示意圖。圖4圖示了圖3A-3D所示的底部驅動系統的循環套筒的一個實施例的切開圖。圖5圖示了圖3A-3D所示的底部驅動系統的循環套筒的閥系統的示意圖。參照圖3A-3D，連續鉆井程序包括底部驅動系統112、 管狀物操作系統1 和頂部驅動系統130。頂部驅動系統130包括頂部循環套筒132和驅動分段134。底部驅動系統122包括底部循環套筒120和卡盤118。在一些實施例中，卡盤可以位于獨立的托架系統上。如圖3A-3D所示，頂部驅動系統130在基準線Y處，而底部驅動系統112在基準線Z處。應理解的是，基準線Y和Z僅顯示用于說明性的目的，驅動系統在程序的各階段的高度可不同于圖3A-3D所示的那些高度。
如圖3A所示，已有管狀物122聯接至底部驅動系統112的卡盤118。底部驅動系統控制將已有管狀物122插入地下地層中的鉆井操作。在鉆井操作期間，流體可通過端口 136進入底部循環套筒120并且環繞已有管狀物122流動。流體可從卡盤118和/或已有管狀物122移走熱量。底部循環套筒120可包括側部閥138(如圖5所示)。側部閥138可以是結合于側入口流止回閥端口中的止回閥。側部閥138和/或頂部閥140 (如圖5所示) 的應用可便于改變循環入口位置和便于形成加壓系統(例如，壓力達13. 8MPa)。
在底部驅動系統112的卡盤118使用已有管狀物122繼續控制鉆井時，新管狀物 142可利用管狀物操作系統1 與底部驅動系統112對準。一旦在適當位置，頂部驅動系統 130可連接至新管狀物142的頂端(例如母螺紋端)。如圖:3B所示，頂部驅動系統130將新管狀物142的下端下放和定位或下落至底部驅動系統112的循環套筒120的開口 144(如圖4所示)中。在一些實施例中，底部循環套筒120在端口 136處包括側部閥(如圖5所示)并且在開口 144(如圖5所示)處包括頂部入口閥140。使用閥138、140調節流經底部循環套筒120的流體流量可控制循環套筒中的壓力。在一些實施例中，底部循環套筒120 可包括一個或多個閥和/或與一個或多個閥協同操作。
開口 144可包括一個或多個工具接頭148參見圖4)。工具接頭148可引導新管狀物142進入循環套筒的內部部分。由于循環套筒120被加壓，工具接頭148可允許套筒中的壓力平衡。壓力平衡便于使新管狀物142運動經過頂部入口閥140并進入底部循環套筒 120 中。
一旦新管狀物142位于底部循環套筒120的腔室中，對于頂部驅動系統130，循環改變，流體通過端口 146流入頂部驅動系統130的頂部循環套筒132中。在底部循環套筒 120的腔室中，新管狀物142和已有管狀物122聯接以形成聯接好的管狀物150。聯接好的管狀物150包括新管狀物142和已有管狀物122。在形成聯接好的管狀物150之后，底部驅動系統112的卡盤118可與聯接好的管狀物150斷開連接，從而將對鉆井操作的控制讓渡給頂部驅動系統130。
在頂部驅動系統130控制鉆井操作的同時，底部驅動系統112可被致動以便沿著聯接好的管狀物150向上(如圖3C所示的箭頭)朝向頂部驅動系統130行進。當底部驅動系統112的底部循環套筒120接近頂部驅動系統130的驅動分段134時，來自頂部驅動系統130的流體可從頂部驅動系統130的頂部循環套筒132流動經過頂部閥140(如圖5所示)。底部循環套筒120可被加壓并且側部閥138(如圖5所示)可打開以提供流動。當側部閥138打開以向頂部循環套筒132提供流動時，頂部閥140(如圖5所示)可被關閉和/ 或部分關閉。通過頂部驅動系統130的循環可被減慢或停止。當通過頂部驅動系統130的循環停止時，頂部閥140可完全關閉并且所有流體可通過側部閥138從端口 136供給。當底部驅動系統112到達聯接好的管狀物150的頂部時，底部驅動系統112可接合驅動分段 134。在底部驅動系統112對鉆井操作進行控制時，聯接好的管狀物150可與驅動分段134 脫開接合并且與卡盤118接合。卡盤118將力傳遞至聯接好的管狀物150以繼續鉆井操作。
一旦與已聯接好的管狀物150脫開接合，頂部驅動系統130可相對于底部驅動系統112被升高(參見向上的箭頭)(例如直到頂部驅動系統130到達如圖3D所示的基準線 Y)。底部驅動系統112可被下放以推動聯接好的管狀物150向下進行地層(參見圖3D中的向下箭頭)。底部驅動系統112可繼續被下放(例如直到底部驅動系統112返回基準線 Z)。上述程序可重復進行若干次以便保持連續的鉆井操作。
在閱讀上述說明之后，本發明各方面的進一步修改和可替代實施例對本領域技術人員來說是顯而易見的。因此，本說明應解釋為僅為說明性的并且用于教導本領域技術人員實現本發明的一般形式。應理解，在此所示和所描述的本發明的形式應視為目前的優選實施方式。元件和材料可與在此所示和所描述的進行替換，部件和過程可顛倒，本發明的一些特征可獨立使用，在獲知本發明的上述說明的有益效果之后，所有這些將對本領域的技術人員來說是顯而易見的。可對在此所描述的元件進行改變而不偏離下述權利要求中所描述的本發明的精神和范圍。另外，應該理解的是，在此獨立描述的特征在某些實施中可進行組合。
權利要求
1.一種用于形成地下井眼的系統，包括齒條齒輪系統，所述齒條齒輪系統包括卡盤驅動系統，其中所述卡盤驅動系統構造用于操作鉆柱；和自動位置控制系統，所述自動位置控制系統包括至少一個與所述齒條齒輪系統聯接的測量傳感器，其中所述自動位置控制系統構造用于控制齒輪齒條系統以確定鉆柱的位置。
2.如權利要求1所述的系統，其中所述卡盤驅動系統構造用于保持管狀物。
3.如權利要求1所述的系統，其中所述卡盤驅動系統構造用于保持管狀物，所述管狀物包括一個或多個加熱器。
4.如權利要求1所述的系統，其中所述卡盤驅動系統構造用于保持管狀物，所述管狀物包括一個或多個加熱器，所述加熱器中的至少一個包括一個或多個磁測距傳感器和/或一個或多個非旋轉傳感器。
5.如權利要求1所述的系統，其中所述自動位置控制系統構造用于在鉆井期間連續或半連續地進行校準。
6.如權利要求1所述的系統，其中所述自動位置控制系統包括一個或多個旋轉導向系統、一個或多個雙馬達旋轉導向系統或一個或多個孔測量系統。
7.如權利要求1所述的系統，其中所述自動位置控制系統包括一個或多個孔測量系統，所述一個或多個孔測量系統包括一個或多個斜置的加速計。
8.一種用于形成地下井眼的方法，包括從與自動位置控制系統聯接的至少一個測量傳感器接收關于管狀物的位置數據；基于來自所述測量傳感器的位置數據使用齒條齒輪系統來控制管狀物在地層中的方向。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述測量傳感器包括一個或多個斜置的加速計。
10.如權利要求8所述的方法，其中在有磁干擾源的情況下，能夠獲得所述位置數據。
11.如權利要求8所述的方法，其中所述位置數據包括管狀物軸的相對旋轉數據。
12.一種用于形成地下井眼的系統，包括底部驅動系統，所述底部驅動系統構造用于與至少部分地位于地下井眼中的鉆柱的已有管狀物聯接并且用于控制井眼中的鉆井操作，所述底部驅動系統包括構造用于在鉆井操作期間接納新管狀物的循環套筒；和頂部驅動系統，所述頂部驅動系統構造用于與新管狀物聯接并且在新管狀物與已有管狀物聯接時進行對鉆井操作的控制。
13.如權利要求12所述的系統，其中所述底部驅動系統構造用于在頂部驅動系統控制鉆井操作時至少部分地向上運動到新管狀物的頂部，以及從頂部驅動系統進行對鉆井操作的控制。
14.如權利要求12所述的系統，還包括管狀物操縱系統，所述管狀物操縱系統構造用于定位新管狀物以用于與頂部驅動系統聯接。
15.如權利要求12所述的系統，其中所述頂部驅動系統包括循環套筒，所述底部驅動系統的循環套筒構造用于從頂部驅動系統的循環套筒接收流體。
16.如權利要求12所述的系統，其中所述循環套筒構造用于保持達13.SMPa的壓力。
17.一種向鉆柱增添新管狀物的方法，包括將新管狀物的頂端聯接至頂部驅動系統；在底部驅動系統控制鉆井操作的同時將新管狀物的底端定位在底部驅動系統的循環套筒的開口中；在鉆井操作繼續進行時，將新管狀物聯接至已有管狀物以形成聯接好的管狀物； 將對鉆井操作的控制從底部驅動系統轉移至頂部驅動系統；在鉆井操作繼續進行時，將底部驅動系統沿著聯接好的管狀物朝向頂部驅動系統運動；在鉆井操作繼續進行時，將底部驅動系統聯接至聯接好的管狀物的頂部部分； 將對鉆井操作的控制從頂部驅動系統轉移至底部驅動系統；以及將頂部驅動系統與聯接好的管狀物脫開連接。
18.如權利要求17所述的方法，還包括從底部驅動系統的循環套筒向底部驅動系統提供流體；和一旦新管狀物定位于底部驅動系統的循環套筒的開口中，從頂部驅動系統的循環套筒向底部驅動系統提供流體。
19.如權利要求17所述的方法，還包括在底部驅動系統的循環套筒中保持達13.SMPa 的壓力。
20.如權利要求17所述的方法，其中將新管狀物聯接至已有管狀物包括施加足夠的壓力以將所述管狀物壓力配合在一起。
全文摘要
本發明描述了用于形成地下井眼的系統和方法。該系統可包括齒條齒輪系統和自動位置控制系統。齒條齒輪系統包括構造用于操作鉆柱的卡盤驅動系統。自動位置控制系統包括至少一個與齒條齒輪系統聯接的測量傳感器。自動位置控制系統構造用于控制齒輪齒條系統以確定鉆柱的位置。
文檔編號E21B33/02GK102187052SQ200980140450
公開日2011年9月14日 申請日期2009年10月9日 優先權日2008年10月13日
發明者D·A·埃德伯里, D·C·麥克唐納德 申請人:國際殼牌研究有限公司