[发明专利]模块化旋转式可导向致动器、导向工具、及具有模块化致动器的旋转式可导向钻井系统

说明书

技术领域

本公开大体涉及例如在烃类勘探和开采中的井孔的钻进。具体来说，本公开涉及对钻井组件进行定向的导向设备和导向致动器。

背景技术

通常称为“井眼”和“钻孔”的井孔是为了多种目的而产生，包括为多种自然资源的地下储藏进行定位的钻井勘探，为提取这些储藏的矿业操作，以及为安装地下设施的建筑项目。通常的误解是所有的井孔都是与钻井架竖直对齐的；然而，许多应用需要具有竖直偏移和水平几何结构的井孔的钻井。用于钻取水平、竖直偏移、和其它复杂井孔的一种已知技术是定向钻井。定向钻井通常表现为一种钻井工序，其特征为地下井孔的进程的至少一段处于并非完全竖直的方向-即其轴线与竖直平面成一定角度(称为“竖直偏移”)，且沿方位角平面定位。

常用的定向钻井技术通常由钻井装置操作，钻井装置推动或导向一系列相连的钻杆且在其远端具有可定向的钻头，从而实现井孔的几何形状。在地下烃类储藏(例如石油和天然气)的勘探和采收中，定向井孔通常是由附接到底部钻具组合(或称BHA)的一端的可旋转的钻头钻成。可导向BHA可包括，例如正排量马达(PDM)或“泥浆马达”、钻铤、铰刀、冲击器、以及扩大井眼的井底扩孔工具。稳定器可附接到BHA以控制BHA的弯曲以使钻头指向所需方向(倾角和方位角)。BHA转而附接到管件组件的底部，管件组件通常包括连接管或相对柔性的“可缠绕”管件，也称为“盘绕管件”。这种定向钻井系统–即操作性互相连接的管件、钻头、及BHA–可称为“钻柱”。当连接管被应用于钻柱时，可通过从地面旋转连接管，或通过操作BHA中包含的泥浆马达，或通过二者旋转钻头。与之相反，采用盘绕管件的钻柱大体是经由BHA中的泥浆马达旋转钻头。

定向钻井通常需要随着井眼的钻进而控制和改变井眼的方向。定向钻井的目的通常是使钻柱到达目标地层终点中的位置。例如，钻井方向可控制为将井眼引导至所需目标终点，从而将井眼控制为水平以使其保持在所需产油层中，或者将不想要或不需要的偏移更正为需要的或预定的路径。钻井操作中通常需要频繁调整井眼的方向，或是为了适应计划中的方向变化，或是为了补偿井眼的非计划或不期望的偏移。不期望的偏斜可由多种因素导致，一些非限制性示例包括正被钻井的地层的特性、底部钻具组合的组成、及井眼进行钻井的方式。

多种选择可用于为钻井工具提供导向性能，从而控制和改变井眼的方向。例如在定向钻井应用中，一个选择是将弯壳或弯头井底钻井马达附接到钻柱的一端作为导向工具。在需要导向时，钻柱的钻杆段可保持不旋转，而钻井马达可指向所需方向并按“滑动钻进”模式进行钻井和导向操作。在不需要导向时，钻柱和钻井马达可按“旋转钻进”模式一同旋转。此种选择的一个优点是其相对简单。然而此种选择的一个缺点是，导向通常受到滑动钻井模式的限制。此外，旋转钻井模式中的井孔的平直度会受到弯曲钻井马达的影响。而且，由于钻柱在滑动钻井中不旋转，其更易受到井眼中的粘着的影响，特别是当井眼对竖直方向的偏转角度增加时，导致穿透速率的降低。

定向钻井也可由“旋转式可导向”钻井系统实现，其中整个钻柱从地面进行旋转，钻柱转而旋转连接到钻柱端部的底部钻具组合(包括钻头)。在旋转式可导向钻井系统中，在钻柱可旋转的同时，钻井工具被指向或被导向装置推向所需方向(直接或间接)而进行导向。一些旋转式可导向钻井系统包括相对于钻柱不旋转的部件，从而为导向装置的所需方向和安装位置提供参照点。可选地，旋转式可导向钻井系统可为“完全旋转”。旋转式可导向钻井系统的一些优点是它们可提供较高的导向精确度，且它们不需要按滑动钻井模式操作以提供导向性能。此外，穿透的速率趋于更大，而钻头和套管的磨损通常会减少。然而，旋转式可导向钻井系统是比较复杂的设备，且趋于比它们的常规同等设备更加昂贵。

作为第三种选择，定向钻井可通过使用旋转式可导向钻井和滑动钻井的组合来实现。旋转式可导向钻井会以通常方式执行，直到需要井眼的方向改变时为止。此时，钻柱的旋转停止，而通过使用井底马达的滑动钻井开始。虽然使用滑动和旋转钻井的结合能够对井眼的方向进行令人满意的控制，还是会遇到与滑动钻井相关的许多问题和缺点。