[发明专利]抗涡动的钻头、井场系统及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于防止钻头和/或井底组件在井眼内钻探时产生涡动和其他偏斜的系统和方法。

背景技术

钻头涡动和偏斜在钻探工业中存在巨大问题。石油、天然气、水和其他自然资源通常位于地下4000-10000英尺处。这样，即使井产生了一度偏差，也可使得钻探距离、时间和成本明显增加。

在一些应用中，钻机寻求垂直井眼。光滑的垂直孔眼便于使较大的套管以最小的间隙行进，且在随后的阶段中、在建井操作过程中提供了使用额外的套管柱的可能性。偏斜并回到垂直状态的井眼会丧失这种选择。附加地，如果从单个平台钻探多个井眼，则偏斜可引起钻柱冲突。

即使在受控导向或定向钻探应用场合中，可能也非常希望保持期望的轨迹，例如，当钻探到陡倾斜岩层或活动构造区中的破裂岩石下方的目标时。

另外，钻头涡动，一种钻头的转动中心偏离其几何中心的情况，会导致多种问题。这些问题包括会产生非圆柱形的孔、井眼偏斜和过大的钻头磨损。

传统的抗涡动钻头试图通过刀具-岩石的相互作用产生不平衡侧力来降低涡动。该不平衡力只有在切割动作平稳和连续且刀具未被用坏和损坏的情况下才具有可预测的幅度和方向。这些条件中没有任何一个条件会规律地发生，这是因为切割动作通常是不连续的过程，而不是连续过程(当刀具产生碎片而不是连续的岩屑时)。当岩石通过铲凿动作去除时，幅度和方向不恒定，也不可预测。

因此，一直迫切需要用于防止涡动和偏斜的装置和方法。

附图说明

为了更全面地理解本发明的特征和期望目标，请参看下面结合附图所作的详细描述，其中，在所有附图中，相同的附图标记均表示相同或相应的部件。附图包括：

图1示出了可应用本发明的井场系统；

图2A示出了位于井眼内的根据本发明的钻头；

图2B示出了根据本发明的钻头；

图3A示出了居中地位于井眼内的钻头的横截面；以及

图3B示出了在井眼内偏心设置的钻头的横截面。

具体实施方式

本发明提供了用于防止钻头和/或井底组件在井眼内钻探时产生涡动和其他偏斜的装置和方法。

在此提供的本发明适用于钻探操作例如石油钻探、天然气钻探和水钻探的范围。同样地，钻头体被设计成应用于井场系统中，所述井场系统通常用于石油、天然气和水工业中。图1中示出了示例性井场系统。

图1示出了可应用本发明的井场系统。井场可以是陆地上的或海底上的。在该示例性系统中，井眼11以众所周知的方式通过旋转钻井形成在地下的地层中。本发明的多个实施例也可使用定向钻探，这将在下面进行描述。

钻柱12悬置在井眼11内，且具有井底组件100，所述井底组件100在其下端包括钻头105。地面系统包括定位在井眼11上方的平台和钻塔组件10，所述组件10包括转台16、方钻杆(kelly)17、钩18和旋转接头19。钻柱12通过转台16转动，所述转台由未示出的装置驱动，且在钻柱的上端处接合方钻杆17。钻柱12通过方钻杆17和旋转接头19悬置于加装到游动滑车(也未示出)的钩18，所述旋转接头19允许钻柱相对于钩转动。众所周知，可替代性地使用顶驱系统。

在该实施方式的示例中，地面系统还包括储存在形成于井场处的坑27中的钻井流体或泥浆26。泵29经由旋转接头19中的端口将钻井流体26给送到钻柱12的内部，从而，使得钻井流体如方向箭头8所示向下流经钻柱12。钻井流体经由钻头105中的端口排出钻柱12，然后通过钻柱的外侧与井壁之间的环形区域向上循环，如方向箭头9所示。以该众所周知的方式，钻井流体润滑钻头105，并在它返回到坑27以再循环时将岩屑上送到地面。

示出的实施例的井底组件100包括随钻测井(LWD)模块120、随钻测量(MWD)模块130、旋转导向系统(roto-steerable system)和电机以及钻头105。

LWD模块120如现有技术中所公知的那样容纳在一种特殊类型的钻铤中，且可包含一种或多种现有类型的测井工具。还可以理解，可采用一个以上的LWD和/或MWD模块，例如如图中的附图标记120A所示(在整个申请中，对附图标记120的位置处的一个模块的描述同样适用于附图标记120A的位置处的一个模块)。LWD模块具有用于测量、处理和储存信息以及用于与地面仪器通信的能力。在本实施例中，LWD模块包括压力测量装置。