[发明专利]用于钻探和取样的方法和装置

说明书

本发明涉及钻井操作，尤其是涉及一种通过使用高压喷射切割和逆循环流体控制技术钻取岩芯和/或在地下岩层上钻探很小直径的井孔的方法和装置。

本发明涉及一种用于快速钻探很小直径的井孔和/或扩展井孔的方法和装置，该操作过程最适于勘探地下石油、天然气、地下水和矿物资源。所揭示的方法和装置为取得相当低廉的、有效的小直径资源勘探提供技术的和操作的基础，仅当可以获得的地下产品值得扩大这种井孔时，才选择的使用井孔扩大钻孔法钻探。

很久以来，尤其是石油和天然气工业一直希望把小孔钻探和取样技术用作钻探工具，把它作为一种减少钻探昂贵的常用的大直径深井的昂贵的地质勘探操作过程的装置，以便证实地下资源的地质和商业前景。该技术在P.Moore等1965年发表的“钻探操作手册”第12-1-12-7页和S.H.Walker等1989年发表在石油工程师协会的论文等19525号“勘探和开采钻探的革新方法：小孔高速钻探系统”中已讨论过。

小孔钻探在技术上已是可以的，但由于已提供的方法有某些限制，因此不能为工业上操作应用。例如，差的全面穿透率和逆井控制问题影响小孔钻探作为勘探技术。由于小环状缝隙的清理是小孔钻探所不可避免的，因此在压力控制发生意外时，流体体积和压力问题可能非常严重。而且，当减小孔直径时，总的较小的钻头支承表面和在均匀控制加到这种钻头上的重量方面固有的操作困难限制了机械钻头的使用。当机械钻头用于小孔钻探操作时这些因素导致钻头过早损坏和导致产生差的经济效益。

在七十年代和八十年代初，与机械钻头一起使用的高压射流切割技术的钻探系统被提出，收到很大的效益，引起钻探业的注视。在这时期，石油和天然气工业投资了大量的资金、时间和人力，试图通过使用高压射流切割技术改进钻探穿透率，这些尝试在W.C.Maurer  1988年发表的“先进的钻探技术”一文第14章中有讨论。

当用高压射流钻探的油田作业进步时，显然以高压泵送、用常用的“泥浆”作为钻探流体的单流体钻探系统不是可行的。这是由于常用的钻探泥浆的内在磨粒的性质造成的，钻探泥浆在高压下使钻头和流体传送系统产生过度磨损，这些结论在J.Reichman等1978年发表的“用于地热勘探和钻探的高压喷水取样设备的研究和发展-最后的报告“能量报告部分中有讨论。

在致力于克服用于高压喷射钻探的常用磨料流体所固有的缺点的过程中，提出在同时采用二种不同的流体：用于喷射钻探的无磨料高压流体和在钻探操作中其他功能所必需的常用低压磨料钻探流体。例如，在Reichman的美国专利第4，691，790和4，624，327号和在Curlett的美国专利第4，836，305和4，683，944号中指出最小磨料高压流体与低压常用的钻探泥浆一起采用作为复合成分的钻探流体系统的组成部分将使井孔穿透率增加。实验室的试验和实际油田的操作都已证明了这种常用的、直接循环形式的高压喷射钻探系统的生命力，例如参看Drilling  1989年3/4月发表的“高压钻探系统使ROPS增加二倍且减少钻头磨损”和W.C.Maurer等发表在石油工程师协会的论文第15615号上的“高压、高速PDC钻头的实验室试验”。为了实现复合流体高压喷射钻探系统，曾设计过多导管钻管。Curlett的第4，836，305号专利揭示一种具有局部逆循环的套装的多管状钻管结构。Reichman的专利指出一种双同轴钻管杆柱的更工业化的方法。而且，使用双同轴钻管杆柱在已有技术中是众所周知的，例如在Henderson的美国专利第3，208，539和3，552，779号;Fergu-son的美国专利第1，585，969号;Wells的美国专利第2，786，652号;Yarbrough的美国专利第3，268，017号;Elenburg的美国专利第3，596，720号;Claringbull的美国专利第4，319，784号和Reichman等的美国专利第4，691，790号中都作了说明。

随着双同轴钻具的出现，逆循环钻探和取样技术更广泛地应用，和最初被用来以岩芯和/或更大的钻探样品的形式取回足够的有地层学正确程度的地质信息。在石油和天然气工业中可接受的用法在H.Henderson等于1960年1月发表在《世界石油》上的“新钻探技术获得100%的连续岩芯”中有讨论。双导管逆循环钻探在矿业中通常也用于过载测量。这些逆循环系统过去使用低压钻探流体和常用的钻探技术。然而，当除常用的井孔泥浆以外的流体泵入井孔，尤其用于钻探深井时，使用逆循环有明显的优点。