[发明专利]用于消除钻头净扭矩和控制钻头游动的设备

说明书

技术领域

本发明通常涉及油田钻井，并且更具体地说，涉及用于钻井的自 主钻井设备和遥控钻井机器人。

背景技术

在油田操作中，通过经钻柱将扭矩和轴向力应用到钻头，钻进岩 石需要通常在钻机处提供相当大的功率水平和力。垂直井中的钻柱的下 部包括(从下到上)钻头、钻头接头、稳定器、钻铤、厚重钻杆、震击装 置和多种螺纹形式的角控制区。井底组件在下文中称作BHA，提供力 以破碎岩石并为钻机提供井的定向控制，所述力的量度称作“钻压”。在 传统钻井中，使用接合的钻杆或挠性管(coiled tubing)，BHA被降低进 入井眼中。通常，BHA包括泥浆电机、定向钻井与测量设备、随钻测 量工具、随钻记录工具和其它特定设备。由钻头、各种转换器和钻铤组 成的简单BHA相对廉价，花费几十万美元，而复杂的BHA花费该 数目的十倍以上。

BHA的钻头部件用于破碎或切割岩石。钝钻头可能导致进展失 败，而必须被更换。多种钻头通过破碎或压碎岩石或两者工作，通常在 称作旋转钻井的过程中，作为连续圆运动的部分。在旋转钻井期间，利 用经钻头循环的钻井流体去除岩屑，并从井眼向上到表面。

另一种钻井形式是使用利用井下泥浆电机旋转钻头以使井眼加深 的挠性管，其与使用接合杆钻机相比进展快。通过使用挠性管，消除了 采用旋转钻井所需的连接时间。蛇形管钻井在多种应用中较经济，诸如 钻窄井，在需要小钻机印迹的区域工作，或当重新进入井中用于油井维 修操作时。

许多钻井操作需要定向控制以将沿特定轨道的井定位在地层中。 定向控制，也称作“定向钻井”，使用特殊的BHA配置、测量三维空间 中的井眼的通路的仪器、将在井下取得的测量值通信到表面的数据链 路、泥浆电机和特殊的BHA部件和钻头实现。该定向钻机能够使用诸 如钻压和旋转速度的钻井参数以使钻头偏离离开现有井眼的轴。相反 地，在一些情况中，诸如钻进陡峭的倾斜地层或由于在传统钻井操作中 未预料的偏差，可以使用定向钻井技术以确保孔被垂直钻井。

定向控制通常通过使用井下可操纵泥浆电机中的钻头附近的弯曲 (bend)实现。当整个钻柱不旋转时，该弯曲沿与井眼的轴不同的方向指 引钻头。通过经泥浆电机抽取泥浆，钻头旋转，而钻柱本身不旋转，从 而允许钻头单独沿它指引的方向钻进。当取得特定的井眼方向时，则通 过旋转包括弯曲部件的整个钻柱，可以保持新的方向，以便：钻头不沿 离开期望的井眼轴的方向钻井，而代替地在周围扫过(sweeps around)， 使其方向与现有井眼对齐。如本领域的技术人员周知的，钻头具有从其 期望钻井方向偏离的趋势，称作“钻头游动”的现象。钻头游动源自钻头 的切割动作、重力和旋转，以及被钻的地层的不规则性。消除或至少使 钻头游动最小以确保钻井操作沿期望的方向前进是有利的。虽然钻头游 动通常是不利的，但是受控的钻头游动能够产生从已建立的钻井方向的 期望和有利的偏差。

多数井眼接近垂直并且不特别深。在这种井中，标准的线缆能够 将记录工具和其它设备运送到期望的深度。然而，石油的缺乏已导致期 望开采更难到达的地层。因此，在日益增加的频率的情况下，井眼极深 并且具有高倾斜角度。多年来，钻杆和挠性管将钻头和钻探设备运送入 井眼。一旦在所需的井下位置时，设备被期望执行复杂的任务，所述的 任务经常需要在远离井眼的表面钻井设备处实时监视与控制。

期望具有可用于开采更深和更困难的井的备选运送技术。一种这 样的技术可能是自主钻井机器人，其不使用钻杆、挠性管或其它装置连 接到表面设备。

如果将使用传统的旋转钻井技术开发钻井机器人，则钻井机器人 必须能够同时支持反作用扭矩和推进力。如果钻井机器人无法抵消反作 用扭矩，则钻井机器人将开始在井眼中旋转，从而降低了钻井操作的效 率。设计反对反作用扭矩的钻井机器人对于具有小井眼的井甚至更加困 难。在井眼中钻井机器人的穿透速度低将导致钻井机器人上扭矩减小。 然而，采用更高的穿透速度，例如使用与传统钻井技术中使用的相同的 旋转速度，可以期望：扭矩对机器人来说存在问题。