[发明专利]具有地层接口构件和控制系统的井下旋转式钻井设备

说明书

技术领域

本公开总体涉及用于定向钻井孔的系统和设备，具体是用于石油和天然气井。

背景技术

当前在钻通向地下地层中的石油和天然气井中使用的旋转式可导向系统（RSS）普遍使用在钻井钻头上方作为从表面进行控制的完全独立的钻具进行操作的钻具。比如通过对井孔壁施加横向力以使钻井钻头相对于井孔中心线偏转的导向衬垫或反作用构件，这些钻具被用于使钻柱在离开竖直取向或其他期望的井孔取向的期望的方向上导向。大多数的这些常规系统复杂且成本高，并且由于电池和电子限制具有有限的运行时间。它们在钻具的零件损坏时还要求将整个钻具从井场运输到维修和维护工厂。大多数的当前使用的设计需要对于钻具的大的压力下降以使钻具工作良好。当前还没有允许在钻头处进行直接控制的在RSS控制系统和地层接口反作用构件之间的易于分离的接口。

存在主要两类用于定向钻井的旋转式可导向钻井系统。在“摆动钻头”钻井系统中，改变钻井钻头相对于钻柱的中心线的取向以获得期望的井孔偏差。在“推靠钻头”系统中，横向或侧向力（在通常情况下在处于钻井钻头上方几英尺处的点处）被施加到钻柱，由此使钻头从井孔的局部轴线偏转以获得期望的偏差。

当前用于定向钻井的旋转式可导向系统（RSS）集中在坐置在钻井钻头上方并且在钻头上方几英尺处以恒定的力推动钻头或者摆动钻头以使钻头在期望的方向上导向的钻具上。推靠钻头系统更简单且更具鲁棒性，但由于所施加的侧向力距离钻头几英尺且因而需要施加比较大的力使钻头偏转，而有局限性。由于基本的物理学原因，随着侧向力和钻头之间的距离增加，引起给定的钻头偏转所必需的侧向力（因此，在钻头方向上的给定变化）会增加。

现有技术的RSS系统的示例可以在以下美国专利中找到：第4,690,229号（Raney）；第5,265,682号（Russell等）；第5,513,713号（Groves）；第5,520,255号（Barr等）；第5,553,678号（Barr等）；第5,582,260号（Murer等）；第5,706,905号（Barr）；第5,778,992号（Fuller）；第5,803,185号（Barr等）；第5,971,085号（Colebrook）；第6,279,670号（Eddison等）；第6,439,318号（Eddison等）；第7,413,413,034号（Kirkhope等）；第7,287,605号（Van Steenwyk等）；第7,306,060号（Krueger等）；第7,810,585号（Downton）；和第7,931,098号（Aronstam等），以及国际申请第PCT/US2008/068100号（Downton），以国际公开号第WO2009/002996A1号公开。

当前使用的RSS设计在通常情况下要求对于钻头的大的压力下降，这样由于用于使钻井流体循环通过设备的泵送马力要求提高，而限制在给定的井中的液压能力。摆动钻头系统可以提供优于推靠钻头系统的性能优势，但它们需要复杂且高成本的钻井钻头设计；而且，它们会容易出现在井孔中的钻头稳定性问题，使它们一致性较小且难以控制，尤其是在钻井通过软地层时。

推靠钻头系统在通常情况下需要使用在钻具的上方运行的子过滤器以将碎片保持在设备的关键区域之外。在当前的推靠钻头钻具设计中，如果允许大的碎片（如岩石）或大量的井漏材料（如钻井流体）进入阀布置，通常导致阀故障。然而，子过滤器也容易出现问题；如果井漏材料或岩石进入并堵住子过滤器，可能必须要从井孔移除（或“松开”）钻柱和钻头以对过滤器进行彻底清理。

由于上述原因，需要一种旋转式可导向推靠钻头钻井系统和设备，所述旋转式可导向推靠钻头钻井系统和设备能够使钻井钻头偏转至期望的程度，与常规的推靠钻头系统相比对钻柱施加更低的侧向力，同时与使用已知系统所产生的压力下降相比产生钻具的更小的压力下降。还需要一种旋转式可导向推靠钻头钻井系统和设备，所述旋转式可导向推靠钻头钻井系统和设备能够在无需结合子过滤器使用的情况下可靠地工作。

当前在使用中的推靠钻头RSS设计在通常情况下结合整体的RSS控制系统或用于控制RSS钻具的操作的设备。因此，无论何时期望改变钻井钻头的尺寸，必须使整个RSS设备与钻柱断开，用新的替换它。这导致与钻头更换相关的费用增加和时间损失。因此，还需要一种推靠钻头RSS设计，其中RSS控制设备易于与导向机构分离，并能够以多种钻井钻头尺寸被使用。