[发明专利]调整钻压和平衡相位的系统和方法

说明书

本发明公开了使井下切削工具之间的压重分布平衡的系统和方法。一种系统包括：钻头(102)，所述钻头(102)被布置在所述井底钻具组件(100)的远端处；第一传感器接头(112a)，所述第一传感器接头(112a)被布置成靠近所述钻头并且被配置来监测对应于所述钻头的一个或多个操作参数；扩孔钻(104)，所述扩孔钻(104)在所述井底钻具组件上与所述钻头轴向偏离；第二传感器接头(112b)，所述第二传感器接头(112b)被布置成靠近所述扩孔钻并且被配置来监测所述扩孔钻的一个或多个操作参数；以及通信模块(114)，所述通信模块(114)可通信地联接至所述第一传感器接头和所述第二传感器接头，并且被配置来当所述钻头和所述扩孔钻的所述一个或多个操作参数超过预先确定的操作阈值时，传达一个或多个校正动作信号。

技术背景

本公开涉及在地下地层中钻探井眼，并且更具体地，涉及使各个井下切削工具之间的压重和液压能量分布平衡的系统和方法。

出于各种目的，包括例如石油和天然气开采以及地热开采，在地下地层中形成井眼。此类井眼通常使用一个或多个钻头形成，钻头如固定切刀钻头(即“刮刀”钻头)、滚动切刀钻头(即“凿岩”钻头)、孕镶金刚石钻头、以及可包括例如固定切刀和滚动切刀两者的混合型钻头。钻头直接或间接地联接至钻柱或工作管柱的一端，钻柱或工作管柱包围从地表延伸到井眼中的端对端连接的一系列细长管状节段。各种工具和部件(包括钻头)常常被布置或以其它方式联接在钻柱位于井眼底部处的远端处。工具和部件的这种组件通常被称为“井底钻具组件”(BHA)。

为了形成井眼，使钻头旋转并且其相关联的切刀或研磨结构将地层材料切削、粉碎、剪切和/或研磨掉，从而促进钻头向地下地层中前进。在一些情况下，通过从地表使钻柱旋转来使钻头在井眼内旋转，同时将流体如钻井液从地表泵送到钻头。钻井液在钻头处通过布置在其中的一个或多个喷嘴离开钻柱，并且可用于冷却钻头并且通过限定在钻柱与井眼的暴露表面之间的环空将钻探微粒冲回到地表。然而，在其它情况下，可通过使钻头联接至井下马达(例如，泥浆马达)来使钻头旋转，井下马达还联接至钻柱并且被设置成相对靠近钻头。从地表泵送的钻井液可为井下马达提供动力以使钻头旋转，并且随后从钻头的喷嘴离开并且通过环空循环回到地表。

为了扩大井眼的直径，“扩孔钻”装置(也被称为“扩眼装置”或“扩眼器”)可作为BHA的一部分与钻头结合使用。扩孔钻通常沿BHA的长度与钻头轴向偏离并且在钻头的井孔上行。在操作中，钻头用作导向钻头以在地下地层中形成导向孔，并且当BHA向地层中前进时，扩孔钻跟随钻头穿过导向孔以扩大井眼的直径。

在钻探井眼时，轴向力或压重通过钻柱从地表施加到钻头和扩孔钻上，从而使得切削工具向地层中前进。这种力通常被称为“钻压”(WOB)和“扩孔钻压”(WOR)。利用钻头和扩孔钻的有效钻探可显著地影响性能和向地层中的钻速(ROP)。然而，在同时使用WOB和WOR时，管理它们可能是非常困难的。可能存在若干以下情境：可能妨碍钻探效率，从而不仅造成低ROP而且还造成井下工具的过早磨损。例如，井眼可能延伸穿过不同的地层或地质材料层，并且每种地层可能表现出不同的物理性质。一些地层可能相对松软且易于钻通，而其它地层相对坚硬且难以钻通。当井眼前进穿过相对坚硬的地层并且进入下面的较松软地层中时，钻头将快速地将材料从较松软地层移除，同时扩孔钻继续在较坚硬地层中更缓慢地铰大井眼。因此，WOB与WOR之间的比率可能变得不合期望且在扩孔钻与钻头之间不均衡地分布。

压重分布的不平衡还可能导致在钻柱中产生振动。例如，如果扩孔钻压高于钻压，那么在扩孔钻下方靠近钻头处可能存在自由悬管质量块，从而可能在钻柱中引起剧烈振动。钻头和扩孔钻上的不平衡力还可能导致激振力反相和过度振动。例如，虽然钻柱可能正在以特定频率振荡，但钻头与扩孔钻之间的不平衡压重可能导致每个切削结构以不同相位进行旋转。而且，当钻头和扩孔钻的相位显著不同步时，每个切削结构处的激振力增强并且所产生的振动可能不利地影响ROP并且可能损坏BHA的重要部件。

发明概述

本公开涉及在地下地层中钻探井眼，并且更具体地，涉及使各个井下切削工具之间的压重和液压能量分布平衡的系统和方法。