[发明专利]钻探系统

说明书

本发明描述了一种大体积材料钻探系统，该钻探系统被布置成经由非机械方式允许钻头穿过大体积材料的准确方向控制，同时提供钻头定位的实时反馈。一种钻探系统(22)，包括：大体积材料钻头(10)；感测部分(18)，用于释放输出能量的一个或多个端口(16)。该钻探系统还包括：输入部分(30)，其被布置成检测来自感测部分的输入参数；控制器(32)，其被布置成控制端口的输出能量；其中该控制器进一步被布置成确定向其提供输出能量的一个或多个端口；其中该控制器进一步被设置以控制所述输出能量的释放；其中该输出能量释放被非均匀地施加到大体积材料；其中该输出能量的释放用于控制钻头方向。本发明的目的是防止机械磨损，同时提供钻头通过大体积材料的有效转向。

技术领域

本发明涉及一种钻探系统，特别是用于钻穿大型/大体积材料(bulk material)的钻探系统。

背景技术

钻探钻孔是许多行业采用的技术。石油和天然气勘探是建立在有效和准确钻探钻孔基础上的行业。石油和天然气可以从它们被限制在其中的源材料(诸如岩层)中提取。在大多数情况下，这些燃料的来源位于地表以下数公里处，并且只能通过使用大型大功率钻探系统才能获得。

历史上，钻探系统的钻柱在操作期间保持基本竖直的轨迹。这种竖直取向在充分开采选定区域的能力上造成了许多限制。其中一个限制是，在最初决定从何处开始钻探时，很大程度上竖直的钻探方向几乎没有误差余地/幅度。如果出现有关最佳提取区域位置的新信息，则必须拆下整个钻柱并重新开始该过程。考虑到大型钻探项目的运营每天都要承担巨大的费用，这就带来了巨大的成本影响。在最近的一些海洋钻探案例中，每日成本可能远远高于陆地钻探。人们经常发现，在钻穿大体积物料的过程期间，除非特别设计了定向控制功能，否则很难控制钻头的方向。因此，在钻探过程期间，由于缺乏定向控制，误差余地地进一步缩小。然而，在上述情况下，极有可能由于地球表面以下岩石成分的重大变化而发生意外的错向。显然，含有源燃料丰富的地层总是成一定角度，这样竖直钻探路径就不能使钻孔最大限度地暴露在富含燃料的地层中。

为了克服这些限制，在钻探过程期间提供定向控制机构已成为惯例。在许多应用中，希望通过引导钻头朝向更优的原材料来源来偏离钻孔的方向。有时需要控制钻头的钻探方向，以实现偏离的钻孔。在其他情况下，最好控制钻头的钻探方向，以保持钻孔笔直。在油井或气井钻探的情况下，为了优化钻孔与理想的富燃料地下地层的接触，通常会偏离竖直取向。

在井下钻柱构造中，通常使用钻探泥浆作为润滑剂来增强钻头通过总是的坚硬岩层的旋转动作。随着钻柱的运行，钻探泥浆与提取的钻孔材料一起返回地面。返回的钻探泥浆的成分可以提供有关钻头相对于所选源材料的定位的信息。但是，这仅提供了延迟的位置信息，在某些情况下可能会为时过晚，导致不及时释放高压气体和石油。这样的反冲可能会对操作人员造成危险，对装置造成损害并且使操作推迟很长一段时间。在极端情况下，可能会发生井喷。最近，使用从位于钻头处或其附近的传感器收集的信息来完成对钻头的主动控制。这为操作者提供了基于钻头相对于所需源材料的定位的更准确和即时的反馈。

通常使用机械方法将钻头重定向到产生的钻孔的更理想路径。在某些情况下，在钻头的主轴线和钻柱之间引入一个角度以便偏离钻井。在其他情况下，推压钻孔壁的垫块的组合被用于将钻头推向期望的方向。诸如此类的机械方法经常遭受机械故障。这种机械故障可能由于多种原因而发生，例如由于疲劳、卡滞、磨损、撕裂、运动部件卡住和其他机械故障模式。

作为对常规钻探的改进，出现了涉及用高能电涌脉冲处理大体积物料的新技术(US3500942A；US4741505A；US5896938A；US6164388A；和WO3069110A1)。这通过弱化钻头处的大体积材料的完整性来影响钻头穿过大体积材料的运动。由于规避了上述多种机械故障模式，因此高能电涌为常规钻探系统提供了有效的补充。然而，明显缺乏使用高能电涌来准确地控制钻探系统中的钻头的方向的有效方法。

因此，期望提供一种增强的钻探系统，该钻探系统经由非机械方式实现钻头通过大体积材料的准确的方向控制，同时提供有关钻头定位的实时反馈。

发明内容