[发明专利]用于控制在地球地层中钻井眼用的钻井系统的系统和方法

说明书

技术领域

本公开总体涉及一种用于控制在地球地层中钻井眼用的钻井系统的方法和系统。更具体地，但不是以限制性的方式，在本发明的一个实施例中，提供一种用于控制钻井眼用的钻井系统与正在被所述钻井系统钻进的井眼的内表面之间的相互作用以对钻井系统进行导向从而将井眼定向钻通地球地层的系统和方法。在本发明的一些方面中，可以控制钻井系统以使得井眼到达靶区目标。

在本发明的另一个实施例中，可以感测关于钻井系统钻井眼时所述钻井系统的功能的数据，并且可以响应于所感测的数据控制用于钻井眼的钻井系统与井眼的内表面之间的相互作用，以用于控制钻井系统的操作。在一些方面中，可以控制钻井系统与内表面之间的相互作用以用于控制钻头与地球地层的相互作用。

背景技术

在许多行业中，通常期望的是通过地球地层定向钻进一口井眼或者在地下地层中的井中取心，以便井眼和/或取心可以包围和/或通过地层内的沉积物和/或储层，以到达地层和/或类似地层内的预定目标。当在地下地层中钻井或取心时，有时期望能够改变和控制钻进方向，以例如朝向期望的靶心引导井眼，或者一旦已经到达靶心则水平控制在含有油气的区域内的方向。还期望的是当钻直井时可对偏离期望方向的井斜进行校正，或者控制井的方向以避免障碍物。

例如，在油气行业中，可以进行钻井以截取具体位置处具体的地下地层。在一些钻井过程中，为了钻期望的井眼，可以预先设计通过地球地层的钻井轨迹，并且可以控制钻井系统以与轨迹一致。在其它过程中，或者在与前述过程的结合中，在钻井过程期间，可以确定用于井眼的目标并可以监测正在地球地层内钻进井眼的进程，并且可以采用用于确保井眼到达靶区目标的步骤。此外，可以控制钻井系统的操作以提供经济钻井，所述经济钻井可以包括进行钻进以尽快钻通地球地层，进行钻进以减小钻头磨损，进行钻进以获得通过地球地层的最佳钻井和最佳钻头磨损和/或类似结果。

钻井的一个方面被称作“定向钻井”。定向钻井是有意使井眼偏离所述井眼本身所通过的路径。换句话说，定向钻井是对钻柱进行导向，使得所述钻柱沿期望的方向移动。

因为定向钻井能够从单个平台钻多口井，因此定向钻井的优势在于海上钻井。定向钻井还能够通过储层进行水平钻井。水平钻井能够使更长的井筒穿过储层，这增加了井的生产率。

定向钻井系统同样也可以用于垂直钻井操作中。通常，钻头由于被穿过的地层的不可预测的特性或钻头受到的变化力而离开设计好的钻井轨迹。当这种井斜发生时，定向钻井系统可以用于将钻头放回在规定的轨迹上。

用于井眼的定向钻进的监测过程可以包括确定钻头在地球地层内的位置、确定钻头在地球地层中的方位、确定钻井系统的钻压、确定通过地球地层的钻井速度、确定正在被钻进的地球地层的特性、确定包围钻头的地层的特性、期望确定钻头前面的地层的特性、对地球地层进行地震分析、确定邻近钻头的储层等的特性、测量井眼内和/或井眼或类似物周围的地层的压力、温度和/或类似参数。在用于井眼的定向钻进的任一过程中，不管是否在预先设计的轨迹之后、是否监测钻井过程和/或钻井条件和/或类似操作，必需能够对钻井系统进行导向。

在钻井操作期间作用在钻头上的力包括重力、由钻头产生的扭矩、施加到钻头的端部载荷、和来自钻柱组合的弯矩。这些力与正在被钻进的地层类型和地层相对于井眼的倾角一起可以在钻井过程期间产生复杂的相互作用的力系。

钻井系统可以包括“旋转钻井”系统，在所述旋转钻井系统中，包括钻头的底部钻具组合连接到可以从钻井平台被驱动/旋转的钻柱。在旋转钻井系统中，可以通过改变诸如钻压、旋转速度等因素提供井眼的定向钻井。

相对于旋转钻井，定向钻井公知的方法包括使用旋转钻井系统(RSS)。在RSS中，钻柱从地面旋转，并且井下装置使钻头沿期望的方向钻进。旋转钻柱大大减少了钻井期间钻柱悬空或卡钻的发生。

用于将斜井钻进到地球内的旋转导向钻井系统可以大致分类为“面向钻头”系统或“推进钻头”系统。在面向钻头系统中，钻头的旋转轴线沿新井的大致方向偏离底部钻具组合(“BHA”)的局部轴线。根据由上下稳定器接触点和钻头限定的常规三点几何尺寸扩展井。与钻头和下稳定器之间的有限距离相关联的钻头轴线的偏斜角产生要生成的弯曲所需的非共线条件。有许多方法可以实现此，包括在底部钻具组合中靠近下稳定器的点处的固定弯曲或在上稳定器与下稳定器之间分布的钻头驱动轴的挠曲。