專利名稱：帶有錨固在鉆孔中的裝置的鉆井設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及在地下地層中鉆制一孔的擴大范圍的鉆孔(ERD)設備。
用于液態烴開采和生產目的在地層中鉆取的井孔在包括許多曲線的、傾斜的或水平的區段中非常深和幾何形狀很復雜。這種深和復雜的井孔對使用的鉆桿的要求很高。
迄今為止唯一證明了的鉆取ERD井的成功的方法是連續轉動鉆桿。但隨著擴大的范圍在鉆桿和井壁之間生成的較大的摩擦力通常會妨礙適當的井孔操作。
在一特定的范圍外，在鉆頭轉向需要的滑動模式中的鉆取更加不可能。由此，目前已研制出旋轉的可轉向的鉆井設備。由于ERD井的高傾斜性，這些設備需要長而且重的底孔組件(BHA’S)，底孔組件包括鉆桿聯軸節和重鉆桿管部件，以在鉆頭上取得用于高效率鉆井所需的重量。
這些都增加到鉆桿旋轉的表面扭矩上并導致笨重的鉆桿設計，最終到達目前可以得到的約10公里范圍的設備的機械極限。在這些井中從孔中拉出鉆桿(POOH)實際上是不可能的，這主要是因為鉆桿發生屈服。本發明提供一種ERD設備，它可以打破10公里的極限。
因此本發明涉及一種改進的ERD設備，可以在地下地層中鉆取一井孔，包括a)一鉆頭；b)一驅動鉆頭的電機；c)一連至地面的鉆管；d)一用于提供所需的鉆頭上的重量(WOB)的液壓缸體/活塞裝置，鉆管由回轉裝置聯結在所述缸體/活塞裝置的缸體和活塞中選定的一個上，使鉆管相對于所述缸體和活塞中選定的一個轉動，鉆頭聯結在缸體和活塞中的另一個上；e)用于將所述缸體和活塞中選定的一個鎖緊在井孔壁上的鎖緊裝置，鎖緊裝置可以在一配合位置和一脫開位置之間運轉。
通過操作缸體/活塞裝置以在電機驅動鉆頭時提供所需的WOB，則可以避免需要笨重的底孔組件。鎖緊裝置作用在井孔壁上提供了需要提供所需的鉆頭上的重量的作用力。此外，在鉆井過程中回轉裝置使鉆管可以連續轉動，以減小鉆管和井孔壁之間的摩擦力，否則此摩擦力會使鉆井設備卡在井孔中。在鉆取了一個完整的缸體/活塞裝置的行程后，活塞收回缸體中，鎖緊裝置脫開，而ERD設備伸入井孔中一個更深行程的長度。此后，鎖緊裝置再次配合而且鉆取繼續進行又一個缸體/活塞裝置的行程長度。
最好回轉裝置包括一井下離合器，離合器可以在一脫開位置和一配合位置之間運轉，其中在脫開位置中鉆管可以相對于所述缸體和活塞中選定的一個轉動，而在配合位置防止這種相對轉動。在鉆取過程中離合器在脫開位置中運轉以使鉆管轉動，而在ERD設備更深地移入井孔中時在配合位置中運轉。
最好所述缸體和活塞中選定的一個是缸體，而所述缸體和活塞中的另一個是活塞。
如果所述鎖緊裝置包括至少兩套徑向可延伸的鎖緊件則可以獲取適當的鎖緊，所述鎖緊件套包括一套設置在缸體前部(在鉆頭一側)的前鎖緊件和一套設置在缸體后部(在鉆管一側)的后鎖緊件。
為了使ERD設備相對于地平經度和傾斜度都能完全轉向，最好此套前鎖緊件和此套后鎖緊件中至少一個能使缸體同心或偏心定位在井孔中。
適當地此套前鎖緊件能將所述缸體的前部同心或偏心地定位在井孔中，而此套后鎖緊件能將所述缸體的后部同心或偏心定位在井孔中。通過設置鎖緊件使缸體完全同心設置在井孔中，可以鉆取一直的井孔區段。相反，通過使缸體傾斜定位在井孔中，可以鉆取一弧形井孔區段。例如可以通過偏心設置缸體的前部和同心設置后部或相反取得這種傾斜定位。可以通過在相對的徑向偏心設置前部和后部取得較大的傾斜角。
一種致動缸體/活塞裝置和鎖緊件的方法是使用鉆探泥漿作為動力源。這種致動需要鉆探泥漿的增大的流速和/或壓力以保持必要的鉆頭鉆取作用的動力。據此，最好ERD設備進一步包括一液壓泵，用于提供動力以驅動缸體/活塞裝置進行鉆取以及驅動每一個鎖緊件進行壁鎖緊作用，液壓泵由轉動的鉆管驅動。只有較低的用于產生液壓動力的轉矩由鉆管施加在液壓缸上。當鉆管驅動液壓泵時上述井下離合器脫開。
在本發明基本方式的ERD設備中，鉆頭由一抽泥漿電機驅動而所需的鉆頭上的重量由液壓缸體/活塞裝置至少軸向進給一米、最好是1-5米而提供。軸向活塞可以不會相對于缸體轉動。
此外，缸體具有由液壓致動徑向活塞形成的至少兩套鎖緊件。一套至少三個活塞位于前部鉆頭一側，一套至少三個活塞位于后部鉆管一側。通過致動這些活塞，此工具最好由連在活塞上的夾具將其本身鎖在井孔壁上。
一旦鎖住后，可以采用作用的鉆頭轉矩和鉆頭上的重力(WOB)。后一套(多套)徑向活塞將其這一側的工具在井孔中居中或將其放置在一偏心位置中。前一套(多套)徑向活塞能將這一側的工具相對于井孔軸線偏心或同心放置。
如果工具的后側相對于井孔軸線放置在一同心位置中而工具的前側相對于井孔的軸線放置在一偏心位置中，鉆頭將相對于井孔軸線處于一不對齊的位置。如果情況相反即后側和前側分別位于偏心和同心位置中，情況也是這樣。在此不對齊的位置鉆頭將在其向前運動過程中由軸向活塞以一種偏離方式作用。
在本發明ERD設備的一種改進方式中，抽泥漿電機由被來自液壓泵的油驅動的一液壓電機代替。同基本方式中一樣，在改進方式中井下離合器在其脫開位置使連續的鉆管轉動可以驅動液壓油泵。此泵提供動力以致動軸向活塞進行鉆取作用、致動徑向活塞進行壁鎖緊作用以及提供液壓動力運轉電機驅動鉆頭。在此情況下，鉆管將承受額外的需要產生液壓動力以驅動鉆頭的轉矩。
有利地可以實施兩種鉆頭轉向的方法地面控制方法和自動方法。在前一種方法中來自由ERD設備包括的傾斜計和磁強計的方位測量值由無線電遙測裝置發送至地面。通過從地面向工具發送編碼的泥漿脈沖施加方位控制。基于這些數據相應地調整缸體的不對齊和側向力以及其在鉆頭上的方向。
在后一種方法中，ERD設備最好包括一存儲器。將一預先編程的井筒路徑輸入位于工具中的存儲器中。
將來自傾斜計和磁強計的測量值與軸向活塞的行程的測量值的組合同預先編程的井筒路徑數值進行比較。如果檢測出與編程的井筒路徑有偏差，工具將自動進行由適當的液壓缸體不對齊所需的以符合預定編程的方位更正。下面參照附圖描述本發明ERD設備的操作，其中
圖1是本發明ERD設備一優選實施例的一示意圖；圖2-4示出在使用圖1的ERD設備鉆取一偏斜孔的過程中的三個典型位置。
在所有的附圖中編號的部件如下表示1.鉆管2.跨接部3.離合器4.液壓泵5.由同心活塞(未示出)驅動的側向夾具6.鉆取時的測量單元和泥漿脈沖單元7.液壓軸向位移裝置(缸體)8.由偏心活塞(未示出)驅動的側向夾具9.液壓軸向位移裝置(活塞)10.抽泥漿電機(在基本方式設備的情況下)或液壓油電機(在改進方式設備的情況下)11.鉆頭12.地下地層最好如下實施一種使用本發明的ERD設備開始鉆井過程的方法a)以較小的速度循環泥漿，帶有其夾具9的徑向活塞5，8和軸向活塞位于其收回位置以及鉆管1與井下離合器3一起在配合位置轉動；b)啟動全速泥漿循環，觸發井下電子設備6以如下開始鉆井過程c)脫開井下離合器3；d)致動帶有其夾具的徑向活塞5，8，將缸體7鎖在井孔的一編程的位置中，以取得所需的偏斜程度的鉆井；e)致動軸向活塞9，由此開始鉆井過程。
在鉆井過程進行一段時間后，最好如下結束a)收回軸向活塞9；b)收回所有的徑向活塞和夾具5，8；c)配合離合器3使整個設備轉動；d)發送一壓力脈沖至地面以觸發地面操作；e)根據活塞沖程從上方運轉降下轉動的鉆管1；f)減小泥漿循環作為一井下電子設備6的信號以監測整個循環而開始下一個鉆井行程。
當進行一個聯結即不循環泥漿而且不鉆動鉆桿時，所有的活塞5，8，9都收回或保持收回而配合離合器3。開始以低速循環泥漿并且在剩余的行程中降下旋轉的鉆桿。將減小的泥漿循環的信號發送給井下電子設備6以監測整個循環而進行下一個鉆井行程。
權利要求
1.一種用于在地下中鉆取一井孔的擴大范圍的鉆井(ERD)設備，所述的ERD設備包括a)一鉆頭；b)一驅動鉆頭的電機；c)一連至地面的鉆管；d)一用于提供所需的鉆頭上的重量的液壓缸體/活塞裝置，鉆管由回轉裝置聯結在所述缸體/活塞裝置的缸體和活塞中選定的一個上，使鉆管相對于所述缸體和活塞中選定的一個轉動，鉆頭聯結在缸體和活塞中的另一個上；e)用于將所述缸體和活塞中選定的一個鎖緊在井孔壁上的鎖緊裝置，鎖緊裝置可以在一配合位置和一脫開位置之間運轉。
2.如權利要求1所述的ERD設備，其特征在于，所述缸體和活塞中選定的一個是缸體，而所述缸體和活塞中的另一個是活塞。
3.如權利要求2所述的ERD設備，其特征在于，所述鎖緊裝置包括至少兩套徑向可延伸的鎖緊件，所述鎖緊件套包括一套設置在缸體前部(在鉆頭一側)的前鎖緊件和一套設置在缸體后部(在鉆管一側)的后鎖緊件。
4.如權利要求3所述的ERD設備，其特征在于，此套前鎖緊件和此套后鎖緊件中至少一個能使缸體同心或偏心定位在井孔中。
5.如權利要求4所述的ERD設備，其特征在于，此套前鎖緊件能將所述缸體的前部同心或偏心地定位在井孔中，而此套后鎖緊件能將所述缸體的后部同心或偏心地定位在井孔中。
6.如權利要求1-5中任一項所述的ERD設備，進一步包括用于提供動力以驅動缸體/活塞裝置進行鉆取以及驅動每一個鎖緊件進行壁鎖緊作用的一液壓泵，液壓泵由鉆管的轉動驅動。
7.如權利要求6所述的ERD設備，其特征在于，驅動鉆頭的電機是一由來自液壓泵的油驅動的液壓電機。
8.如權利要求1-7中任一項所述的ERD設備，其特征在于，液壓缸體/活塞裝置的軸向進程位于1-5米的范圍中。
9.如權利要求1-8中任一項所述的ERD設備，進一步包括用于進行方位測量的傾斜計和磁強計，測量值由無線電遙測裝置發送至地面。
10.如權利要求1-9中任一項所述的ERD設備，進一步包括一可以將一預先編程的井筒路徑輸入的存儲器。
11.如權利要求1-10中任一項所述的ERD設備，其特征在于，回轉裝置包括一井下離合器，離合器可以在一脫開位置和一配合位置之間運轉，其中在脫開位置中鉆管可以相對于所述缸體和活塞中選定的一個轉動，而在配合位置中防止這種相對轉動。
12.一種使用權利要求11所述的ERD設備開始鉆井過程的方法，此方法包括以下步驟a)以較小的速度循環泥漿，鎖緊件位于其脫開位置，缸體/活塞裝置位于其收回位置，而鉆管相對于缸體/活塞裝置轉動；b)啟動全速泥漿循環，觸發井下電子設備以如下開始鉆井過程c)脫開井下離合器；d)配合鎖緊件，從而將所述缸體和活塞中選定的一個鎖靠在井壁上；e)致動缸體/活塞裝置，由此開始鉆井過程。
13.一種結束使用如權利要求11所述的ERD設備進行鉆井的方法，包括以下步驟a)收回軸向活塞；b)脫開鎖緊裝置；c)配合離合器使整個設備轉動；d)發送一壓力脈沖至地面以觸發地面操作；e)根據活塞沖程從上方運轉降下轉動的鉆管；f)減小泥漿循環作為一井下電子設備的信號以監測整個循環而開始下一個鉆井行程。
14.一種基本參照附圖如前面所述的ERD設備。
15.一種操作基本參照附圖如前面所述的ERD設備的方法。
全文摘要
本發明提供了一種用于在地下地層中鉆取一井孔的擴大范圍的鉆井(ERD)設備。ERD設備包括:a)一鉆頭;b)一驅動鉆頭的電機;c)一連至地面的鉆管;d)一用于提供所需的鉆頭上的重量的液壓缸體/活塞裝置,鉆管由回轉裝置聯結在所述缸體/活塞裝置的缸體和活塞中選定的一個上,使鉆管相對于所述缸體和活塞中選定的一個轉動,鉆頭聯結在缸體和活塞中的另一個上;e)用于將所述缸體和活塞中選定的一個鎖緊在井孔壁上的鎖緊裝置,鎖緊裝置可以在一配合位置和一脫開位置之間運轉。
文檔編號E21B47/18GK1267353SQ98808248
公開日2000年9月20日 申請日期1998年8月19日 優先權日1997年8月19日
發明者布魯諾·百斯特 申請人:國際殼牌研究有限公司