[发明专利]用于定向钻井的可调式稳定器

说明书

本发明一般地涉及定向钻井设备，用于钻定向井眼。更具体地说，涉及由一根钻柱携带的用于使钻井方向离开铅直方向的稳定器组件。

定向钻取石油烃类的最早的各种努力均采用机械式造斜器，用以使一根在原先铅直井筒之中的旋转着的钻柱偏离铅直方向。使用造斜器的主要缺点是，一旦钻柱被造斜器推出或偏离，就失去了对钻头和钻柱的方向控制。此外，造斜器操作费时，因而成本高。

另一种定向钻井方法采用一种连接于下孔马达或涡轮的弯形或可弯的附件。该弯形附件具有一形成在其中的弯头，用以定位钻头，使钻头离开钻柱的其余部分的铅直轴线若干度。一下孔马达联接在弯形附件与钻头之间，或者装进弯形附件自身里面。钻柱和下孔马达可以旋转，以使钻头破碎地层并以与已有井眼相同的角度和方位一直向前钻进。当希望改变钻进方向时，钻柱停止转动，而由钻进马达使钻头转动。这种作业模式称作“滑动”模式，因为钻柱相对于井眼侧壁滑动而非转动。在井眼的偏出部位上，钻柱经受与井眼侧壁的摩擦接触，足以使其难以向钻头施加有效的载荷，导致与旋转钻井模式相比钻进速度下降。弯形附件或马达定向钻井设备与方法的一些实例披露在以下美国专利之中：Walker的1994年5月17日第5311953号；Prevedel等人的1992年8月18日第5139094号；以及Beimgraben的1991年9月24日第5050692号。

在另一种定向钻井系统与方法中，一对稳定器配置在钻柱之中，并在钻头上方间隔开来。上部稳定器与近钻头稳定器之间的直径差别，无论是可调式的还是固定式的，以及稳定器之间的间距，都可提供促进钻头偏离井眼铅直轴线的侧向力。这种稳定器装置既可用于旋转钻井，也可用于下孔马达这两种配置。如果各稳定器都是可调式的并应用于地面旋转钻井，每一稳定器翼片必须从稳定器主体伸出相同的距离以保持对称，并避免偏心和相关的剧烈运转。如果钻进是用一种钻井马达实现的，在处于钻井马达上方的上部稳定器就没有这种限制，因为它是不转动的。各种稳定器结构的一些实例可在以下各美国专利中找到：Underwood等人的1994年7月26日第5332048号；Rosenhauch等人的1994年3月15日第5293945号；Askew等人的1993年1月26日第5181576号；以及Swietlik的1988年7月1日第4754821号。

在可调式稳定器方面的一种变形是，提供具有固定式稳定器翼片的稳定器主体，但带有在钻柱或稳定器附件与固定式稳定器主体之间活动的活塞，以便在上下稳定器之间引起偏心，并造成侧向偏移力。这些配置要求钻柱每转一周有多次活塞启动，并因而存在机械和可靠性能方面的一些缺点。这种配置的一些实例可在以下美国专利中找到：Shirley的1991年8月13日第5038872号和Fields的1971年7月20日第3593810号。

因而，需要一种定向钻井装置或系统，其带有高效的旋转钻柱，可使司钻在钻井作业期间能够精确地控制钻头的轨迹。

本发明的总的目的是提供一种经过改进的装置，用于操纵一根在井眼中的旋转钻柱。

本发明的这一和其他目的是这样实现的：提供一种用于在接近钻头处装进钻柱的稳定器附件；一稳定器主体可转动地安装于此稳定器附件，当钻柱转动时，稳定器主体相对于井眼保持基本上静止不动；至少一个稳定器翼片安装于稳定器主体，此稳定器翼片可以沿径向从稳定器主体伸出，并与井眼侧壁顶触。

按照本发明的优选实例，至少三个稳定器翼片在稳定器周边上间隔开来。每一稳定器翼片可以独立于其他而可选择地伸出和缩进。

按照本发明的优选实例，每一稳定器翼片装在稳定器主体上的一条纵向槽孔之中，此槽孔具有一倾斜的底部，以致稳定器翼片与稳定器主体之间的相时纵向运动可导致稳定器翼片的伸出或缩进。一马达联接于每一稳定器翼片与稳定器主体之间，以造成其间的相对纵向运动。

按照本发明的优选实例，稳定器附件包括一在与钻头相对的一端处的固定式稳定器。一丝杠把马达联接到稳定器翼片上，马达使丝杠转动而引起相对的纵向运动。

在附图中：

图1是一井眼的一纵向剖视图，表明按照本发明的转向装置；

图2是图1经过改进的转向装置稳定器部分的立视图；

图3是图2稳定器部分的一纵向剖视图；

图4A-4D是沿着图1的剖面线4-4切取的井眼和转向装置的横截面视图；

图5是表示图1转向装置的可调式稳定器的操纵和控制流程图。