[发明专利]用于在地层中钻井眼的装置和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本发明涉及并要求在先提交的美国临时申请S.N.61/556,986的优先权，该临时申请于2011年11月8日向美国专利商标局提交。

技术领域

本发明涉及一种采用钻井液的反循环来钻井的方法和装置。

背景技术

当进行钻井以形成深井时，从地表向下泵送至地层裸井的钻井液或钻井泥浆的压力会很高。通常最好保持钻井液/泥浆的重力超过地层压力，从而防止气体从井眼“井涌”或流入。而且，泵入钻柱的摩擦压力可能会相当大。因此，需要施加压力以使钻井液和钻屑通过钻柱出来而流入裸井，并且以适当的速度经过环形空间向上流动。

在该方法中施加的压力太大会引起其他问题。即施加在地表的所述流体压力同样也施加至地层中的裸井。施加至地层裸井上的大压力会导致地层断裂，使得随后钻井液突然流失至地层中。所述钻井液至地层中的突然流失会产生严重的后果。在某些情况下，存在非常狭窄的压力“窗口”，从而在钻井过程中该压力可恰当地施加，而非施加太大或太小的压力。即过量施加的压力会导致地层断裂。另一方面，不足量的压力则不能正确地向上携带钻屑经过环形空间至地表。因此，存在一个压力“窗口”，在钻井时，工程师必须观察该窗口来计划所施加的压力。

有时，将许多循环材料或球丸加至钻井液中，所述材料离开钻头并且粘附至地层以防止该钻井液流失至地层中。但是，在开采作业中，所述材料会破坏地层，从而削弱地层向井眼中生产油气的能力。所述对地层的破坏是不期望的，因此通常最好不使用所述材料。

在泥浆重力“窗口”范围内的操作使得工程师能提高钻井效率，并且能在可能最佳深度处设定套管。如果套管设定得太浅，则造井成本会增加，同时钻井深度也受限。有时，这可能导致开采效率变低。在其他情况下，可能不能达到目标地层。所期望的是采用拓宽或打开该窗口的技术。

传统钻井采用旋转牙轮钻头来挤压岩石，使岩石破裂成钻屑。然而，脉冲功率钻井是通过将电压施加至岩石的地层内来构造井眼的方法，该方法会导致岩石在拉张而非挤压时破裂。在脉冲功率钻井中采用的高电压脉冲会在岩石上引起电弧，从而导致岩石在电压碎的过程中破裂。此类钻井技术的一个示例是Moeny等的美国专利公开文本No.US 2009/0050371 A1(见“Moeny”)。在该申请中，钻井液沿钻柱向下流动，并且通过电极附近的钻头中的通道流出，然后向上流到环形空间内的钻井装置外，从而将岩石钻屑带至地表(US 2009/0050371 A1，第0109段)。

尤其期望一种能降低地层破坏的风险并且能允许在深井钻井中使用减小的井底压力的技术或装置。极其期望一种能通过钻井液减小流速的流动来使钻屑被带至地表的钻井技术。

本发明旨在改进的钻井装置和方法。

发明内容

提供了一种利用钻井液的反循环来在地层中钻井眼的装置和方法。该装置采用工具从延伸至井底钻具组合的元件的电缆或采用“有线钻杆”来传送井下电力的供应，其中该“有线钻杆”能通过结合到钻杆主体中的电导体来传导井下电能。该装置包括延伸进入地层的管状钻杆，该钻杆具有内部空间及在钻杆外部的环形空间。井底钻具组合连接至该钻杆，并包括挖掘地层以形成钻屑的钻头。提供井下马达，该井下马达适于从延伸进入地层的电缆或者所利用来供应电力的有线钻杆接收电力。井下泵由该马达驱动，并且能够使钻井液和钻屑向上经过钻杆的内部空间而反循环。

在本发明的一个实施例中，该装置包括用于从钻井液移除挖掘的钻屑然后使钻井液向下经过钻杆外部的环状空间再循环的机构。钻头可包括旋转牙轮钻头。在其他应用中，该装置可具有一个或多个构造成利用施加的脉冲功率来用脉冲电压挖掘地层的电极。井下泵可为正排量泵。在一些应用中，例如某些脉冲功率钻头应用，钻头可不旋转。

在本发明的一些实施例中，钻杆的内部空间的横截面面积小于环状空间的横截面面积，从而使钻井液的流动速度最小化，该流动速度是将挖掘的钻屑经过钻杆的内部空间向上携带所必需的。

在本发明的一个实施例中，可提供井下发电机，用于向钻头施加脉冲功率。钻井液可包括低水平导电性的电绝缘成分。在一些应用中，钻井液包括碳基材料。