[发明专利]用于钻探地下钻孔的方法

说明书

本发明涉及一种用于钻探地下钻孔的方法，具体地但不排他地为了从地下储油池提取烃。

通常利用被称为在最低端具有钻头的钻柱的钢管来进行井眼钻探。可以利用地上钻井马达来使整个钻柱旋转，或者可以利用以流体为动力的马达或者安装在钻柱中并且位于钻头正上方的马达使钻头旋转，该钻头旋转与钻柱无关。当进行钻探时，泥浆流被用来将通过钻孔过程产生的岩屑携带到井眼外。泥浆通过吸入管路被沿钻柱向下泵送以穿过钻头，并且泥浆经由钻柱的外径和井眼之间的环形空间(通常称为环部)返回到表面。当近海钻探时，设置立管并且该立管包括较大直径管，该较大直径管围绕钻柱从井口向上延伸。立管和钻柱之间的环形空间(在下文称为立管环部)用作环部的延伸部分，并且提供用于使泥浆返回到泥浆储池的管道。

泥浆是非常宽泛的钻探术语，并且在本文中泥浆被用来描述在钻孔期间所用的任何流体或流体混合物，并且涵盖从空气、氮气、空气或氮气中的雾化流体、具有空气或氮气的发泡流体、充气流体或氮化流体到具有固体颗粒的油或水的很重的混合物的宽泛范围。

泥浆流还用来冷却钻头，并且在传统的过平衡钻井中，泥浆的密度被选择成使得泥浆在井眼的底部处产生压力(井底压力或BHP)，该压力足够高以抵消地层中的流体压力(“地层孔隙压力”)，因此基本上防止来自由井眼穿透的地层的流体流入物进入井眼。假如BHP降至低于地层孔隙压力，则地层流体(气体、油或水)的流入物能进入井眼，这被称为井涌。另一方面，假如BHP过高，则BHP可能高于地层中岩石的断裂强度。假如情况如此，则井眼的底部处的泥浆的压力使地层破裂，并且泥浆能进入地层。这种泥浆损失导致BHP瞬间降低，BHP瞬间降低能继而导致井涌形成。

传统的过平衡钻井在钻通地层时可能是特别成问题的，地层已被消耗达到一定程度以致地层压力已经降到低于最初地层压力，或者在地层将破裂的BHP(“破裂压力”)和地层压力之间具有窄的操作窗口。在这些情况下，难以避免诸如严重的井漏损失、井涌、地层损坏或地层坍塌的钻井问题。

可以通过利用被称为控制压力钻井的技术使这些问题最小化，该技术被视为用于允许BHP降低同时保持安全控制初始油藏压力的能力的工具。

在控制压力钻井中，利用压力抑制装置来封闭环部或立管环部，所述压力抑制装置诸如旋转控制装置、旋转防喷器(BOP)或者立管钻井装置。该装置包括密封件，该密封件与钻柱的外表面接合，使得基本上防止了密封件和钻柱之间的流体流动，同时允许钻柱旋转。该装置的定位不是关键的，并且对于近海钻井，该装置可以安装在立管中位于海平面处、海平面以上或海平面以下、位于海底上或设置位于井眼内。流量控制装置(通常被称为流量滑阀)提供用于使泥浆从环部/立管环部漏出的流路。在流量滑阀之后，通常存在具有至少一个可调整节流阀或阀的压力控制歧管，以控制泥浆离开环部/立管环部的流率。当在钻井期间被封闭时，压力抑制装置在井眼中产生反压，并且能通过利用压力控制歧管上的可调整节流阀或阀来控制该反压，从而控制离开环部/立管环部的泥浆流受限制的程度。

在控制压力钻井期间，操作员公知的是，在钻井期间，监控并比较进入钻柱的泥浆的流率和离开环部/立管环部的泥浆的流率，以便检测是否已经存在井涌或者钻井流体是否损失到地层。离开环部/立管环部的体积或体积流率相对于进入钻柱的体积或体积流率的突然增大表明已经存在井涌，而离开环部/立管环部的体积或体积流率相对于进入钻柱的体积或体积流率的突然下降表明泥浆已穿透地层。然后可以执行适当的控制程序。例如在US704423中描述了这种系统。

根据本发明的第一方面，提供一种使用管状钻柱来钻探地下井眼的方法，该方法包括以下步骤：将钻井流体经由所述钻柱注入所述井眼并且经由回流线路将所述钻井流体从围绕所述钻柱的所述井眼中的环形空间移除，其中所述方法还包括使所述井眼的所述环形空间中的所述流体的压力波动、以及监控所述流体沿所述回流线路的流率。

优选地所述回流线路设置有节流阀，该节流阀限制沿着所述回流线路的所述流体流，并且所述节流阀可操作以改变沿着所述回流线路的所述流体流被限制的程度，并且通过使所述节流阀振荡以交替地增大和减小沿着所述回流线路的所述流体流被限制的程度来实现所述井眼的所述环形空间中的所述流体的压力波动。

所述回流线路可以设置有主节流阀和辅助节流阀，所述辅助节流阀定位在支管中，所述支管从所述主节流阀的上游的所述回流线路延伸到该主节流阀的下游的该回流线路。在该情况下，优选地通过使所述辅助节流阀振荡以交替地增大和减小沿着所述回流线路的所述流体流被限制的程度来实现所述井眼中的所述钻井流体的压力波动。