[发明专利]定向钻井

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于控制在地下地层中钻出井孔的钻井方向的方法，以及涉及一种用于定向钻出井孔的系统。

背景技术

在形成井孔的过程中，常常期望控制钻井方向，以便提供沿着预定轨迹的井孔。定向机械钻井的共同技术使用了像弯曲的特形接头(sub)、泥浆马达和旋转密封的设备，以仅仅将钻柱的下部部分以及钻头设置为在特定方向上钻井。机械钻井使用了具有机械切削器（诸如牙轮或者多晶金刚石）的钻头，所述机械切削器通过在井孔底部处和在侧面处进行压碎和/或刮擦而产生碎屑。

最近以来，旋转导向系统（RSS）已经被开发出，其可在整个钻柱旋转的情况下操作。已知的RSS方法使用复杂的弯曲机构而将机械钻头指引到期望的方向上，或者使用可膨胀的推压垫将钻头推压到特定侧面。用于定向钻井的机械钻头的侧面切削能力于是允许井孔在期望的方向上偏斜。例如，聚晶金刚石复合片（PDC）钻头不仅在前端部上具有切削器，而且在侧面上具有切削器。

一些定向钻井的系统和方法使用了钻头，其中喷嘴特别适于获得定向钻井效果。

在US4211292中公开了一种牙轮钻头，该牙轮钻头在通常由传统清洗喷嘴所占据的位置处具有带有流体射流喷出喷嘴的喷嘴延伸部。该延伸的射流喷嘴将压力流体喷射到正在钻的井孔的测量角部（gage corner）上。在一个钻头旋转的预定部分间隔期间将压力流体选择性地引导到射流喷出喷嘴，以增加对井孔的特定方位角扇区中的测量角部的切削，从而使井孔朝着该扇区偏斜。

GB2 284 837公开了另一种牙轮钻头，其中，三个喷嘴中的一个被改变，以将流引导到工作面的角部，以使得钻井流体的流动相对于钻头不对称。钻井流体的流动被脉冲化，以使得该流动在某一方位角位置中高，而对于旋转的剩余部分低，从而优先地在选定方向上钻井。

US4637479公开了另一种牙轮钻头，该牙轮钻头被修改以使得其与流体引导装置密封地协作，该流体引导装置用于将流体流通过喷嘴仅仅持续地排出到井孔的选定扇区中。在钻柱随着钻头一起旋转期间，井孔的选定扇区外面通过一个或两个喷嘴的流体连通总是被阻塞，并且由此钻头的改向得以实现。

US2006/0266554公开了一种用于在特定方向上调整固体的方法和系统。该系统包括喷射装置，所述喷射装置用于产生包含流体和一些量的磨料颗粒的混合物的磨料射流。磨料射流的侵蚀能力可通过调整磨料的动能而被调整。这可通过下述方式来实现：通过调整磨料颗粒的质量流量，例如通过调整磨料射流中的磨料颗粒的数量；或者通过调整磨料颗粒的速度，例如通过调整流体在喷射装置中的加速压降；或者通过它们的组合。

已知的方法需要对于传统钻头进行相当大的修改，诸如对喷头修改或者实施旋转密封。这些修改是不期望的，因为其减小司钻对钻头的选择机会，并且对于井轨迹的直线部分也需要使用这种钻头。对于传统钻头中喷嘴的修改由于会阻塞喷嘴还降低了整体钻井性能。旋转密封是易损件，由此在钻孔设备中不是一种期望的选择。

现在需要一种耐用的定向钻井方法和系统。

发明内容

根据本发明，提供了一种控制在地下地层中钻出井孔的钻井方向的方法，所述方法包括：

－提供管状钻柱；

－提供钻头，所述钻头连接到钻柱的下端部，所述钻头包括形成钻头端面的机械切削装置，包括用于喷射钻井流体的多个喷嘴，所述多个喷嘴布置在相对于钻头端面的不同方位角位置处，以及包括处于钻头的进口端口与多个喷嘴之间的中间空间，每个所述喷嘴具有用于与中间空间流体连通的喷嘴进口，在钻头旋转期间喷嘴进口之一相继地从所述中间空间延伸；

－当使包含固体的钻井流体经由钻柱流过多个喷嘴时，使钻头旋转从而加深井孔；以及

－当使钻头旋转时，改变流过多个喷嘴的钻井流体部分的固体含量，以使得在相应喷嘴在井孔底部的选定的第一角形扇区中时流过每个喷嘴的钻井流体部分的固体含量与当所述喷嘴处于井孔底部的选定的第二角形扇区中时流过相应喷嘴的钻井流体部分的固体含量相比相对增加。

本发明是基于由申请人所获得的下述见解的：流过每个喷嘴的流体流中的固体含量影响钻井性能，并且从多个钻头喷嘴喷射出的流体的均匀固体分配的变形使得实现了定向钻井效果。固体通过侵蚀而对钻井进度作出贡献，所以不平衡将导致对于井孔底部的不同扇区中的钻井进度作出不同的侵蚀贡献。