[发明专利]用于定向钻井的方法和系统

说明书

一种用于在地层中定向钻井眼的方法，该方法包括以下步骤：使具有中央流体通道(202)的钻柱(16)和连接到所述钻柱(16)端部上的可旋转钻头(10)在井眼(3)中旋转，其中，中央流体通道用于让钻井液通过；所述钻头包括形成钻头端面(26)的机械切削构件、用于从所述钻柱接收钻井液的中间空间(32)、用于喷射钻井液的至少两个喷嘴(35,38)，其中，所述钻头端面(26)用于在所述钻头一旋转时就使井眼(3)延伸，每个喷嘴与所述中间空间(32)保持流体连通；通过钻柱的内部流体通道(202)泵送钻井液；钻井液直接驱动被设置在所述钻柱(16)的中央流体通道(202)内的第一转子部分(210)并使其相对于钻柱在第一方向上以第一旋转速度((0211)旋转，第一转子部分被设置有连接到第一转子部分(214)的井下端上的引流器(45)，用于使钻井液相对于钻柱的轴线转向；钻井液直接驱动第二转子部分(212)并使其相对于第一转子部分在与第一方向相反的第二方向上以第二旋转速度(W_3/2)旋转；控制第二转子部分(212)相对于第一转子部分的第二旋转速度(W_3/2)，从而控制第一转子部分(210)相对于钻柱的第一旋转速度(W_2/1)。

技术领域

本发明涉及用于定向钻井的方法和系统。该系统和方法例如适用于控制地下地层中的井眼的方向。井眼可用于油气开采。

背景技术

由于种种原因，需要控制钻井方向以沿预定轨迹提供井眼。“控制方向”在此表示：使井眼故意偏离其自然所处的路径。因而，井眼可包括弯曲部分，至少局部地水平延伸，而不是大致笔直向下延伸。在一些情况下，如，在陡峭倾斜地层中或不可预知的地下环境中钻井的情况下，可使用定向钻井技术以保证沿合适轨迹钻井眼。

传统地，可通过使用造斜器、定向偏置的井底钻具组合(BHA)配置、测量井眼在三维空间中的路径的仪器、将在井下测得的测量数据传输到地表的数据链路、泥浆马达和特定的BHA部件和钻头(包括旋转式可转向系统和钻头)来实现定向钻井。操作者(通常被称之为定向钻井工程师)也可充分利用钻井参数(如，钻压和旋转速度)来使钻头远离现有井眼的轴线转向。

旋转钻井可使用配置有机械刀具的旋转钻头，如，牙轮钻头或聚晶金刚石复合片钻头(PDC钻头)。钻井期间，例如通常通过使用地表处的驱动系统(如，顶驱的方钻杆(Kellyof top drive))或通过钻头附近的井下泥浆马达使整个钻柱旋转，从而使这些钻头旋转。旋转期间，这些钻头由于在井眼底部和侧部进行的压碎和/或刮擦操作而产生钻屑。

许多技术可用来完成定向钻井。普通原理是，使钻头指向想要钻进的方向。最普通的方法结合井下泥浆马达使用靠近钻头的弯接头。弯接头使钻头指向稍微偏离井眼轴线的方向。在钻柱不旋转时通过泥浆马达来泵送泥浆，钻头将旋转，在被定向的方向上钻井，该方向由弯接头部分的弯曲部而定。另一方面，通过使整个钻柱(包括弯接头部分)旋转，钻头将在周围快速移动，最终的钻井方向与井眼轴线重合，从而产生笔直轨迹。但是，使钻头在周围快速移动将通常会增加钻头磨损。

旋转式可转向系统可允许在旋转时进行转向，通常钻速更高、井眼最终更光滑。旋转可转向式系统(RSS)可在钻柱旋转时使井眼偏离。公知的旋转可转向式系统例如可使用复杂的弯曲机构使机械钻头指向固定方向，或可通过使用可膨胀式推力瓦将钻头推动到特定侧。机械钻头的侧向切削能力从而可让井眼偏离到所需方向上。例如，PDC钻头不仅前端具有刀具，侧部也具有刀具。

定向钻井可让钻孔机朝最多产的储集岩引导井眼，并让钻孔机钻水平部分。定向钻井例如在泥质岩类储集层和其他非传统烃类源中是普通的。

一些定向钻井系统和方法使用钻头，其中多个喷嘴被特别调整以获得定向钻井效果。