使用可彎曲驅(qū)動(dòng)軸的定向鉆探控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開描述針對(duì)地下井的定向鉆探的系統(tǒng)和方法，并且更具體地，描述通過(guò)在連接至鉆頭的轉(zhuǎn)向接頭內(nèi)的軸的可選擇彎曲來(lái)控制鉆探的角度和方向。
【背景技術(shù)】
[0002]在一些常規(guī)的鉆探操作中，使用泥漿馬達(dá)來(lái)相對(duì)于鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆頭。典型的泥漿馬達(dá)是由鉆井液的流動(dòng)所驅(qū)動(dòng)的容積式液壓馬達(dá)，所述鉆井液一般稱為“泥漿”，其通過(guò)泥漿馬達(dá)被從地表向下泵送，然后到達(dá)鉆頭，其中鉆井液通過(guò)鉆頭中的噴射口流進(jìn)井孔中。鉆井液沖洗來(lái)自鉆頭的切削面的巖屑和碎屑并且將它們帶出到地表。
[0003]有時(shí)需要以一定角度或甚至水平地離開在鉆機(jī)正下方的垂直線來(lái)定向地鉆探。一種常規(guī)的定向鉆探方法是在泥漿馬達(dá)和支撐鉆頭的軸承組件上方提供小的彎曲角。如果鉆柱在鉆探時(shí)從地表旋轉(zhuǎn)，鉆頭就產(chǎn)生直的、略大的井孔。然而，在沒有地表鉆柱旋轉(zhuǎn)并且只有來(lái)自泥漿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的情況下，鉆頭將沿彎曲的方向前進(jìn)并且在彎曲的方向產(chǎn)生彎曲而離開垂直軸的井孔。
[0004]常規(guī)定向鉆探方法的一個(gè)缺點(diǎn)是由于在地表和泥漿馬達(dá)之間鉆柱的彈性旋轉(zhuǎn)變形，而不能精確地知道長(zhǎng)鉆柱的下端的旋轉(zhuǎn)位置。這種不確定性可能導(dǎo)致鉆頭在預(yù)期方向以外的橫向方向上推進(jìn)，從而需要在鉆柱的旋轉(zhuǎn)位置上作出調(diào)整，以試圖將鉆頭轉(zhuǎn)向回到預(yù)期方向。
[0005]常規(guī)定向鉆探方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是與用不具有彎接頭的鉆柱的鉆探相比，對(duì)形成典型井孔的大部分長(zhǎng)度的井孔的直線部分來(lái)說(shuō)，用具有彎接頭的鉆柱進(jìn)行鉆探的速度被降低了，這是因?yàn)?由于為了保持帶角度鉆頭的直線鉆探路徑所致的鉆柱的必要旋轉(zhuǎn)，這使得井孔的直徑必須更大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本公開描述針對(duì)地下井的定向鉆探的系統(tǒng)和方法，并且更具體地，描述通過(guò)在連接至鉆頭的轉(zhuǎn)向接頭內(nèi)的軸的可選擇彎曲來(lái)控制鉆探的角度和方向。
[0007]在某些實(shí)施方案中，公開一種裝置，其包括限定中央通道的外殼、在中央通道內(nèi)延伸的軸、布置在中央通道內(nèi)并且被配置來(lái)接收和支撐軸以供在中央通道內(nèi)旋轉(zhuǎn)的軸承，以及縱向地限定在外殼中并且被配置來(lái)響應(yīng)于經(jīng)受增大的壓力而使外殼偏轉(zhuǎn)的一個(gè)或多個(gè)壓力腔。外殼的偏轉(zhuǎn)引起軸通過(guò)與軸承的接合而相應(yīng)地偏轉(zhuǎn)。
[0008]在某些實(shí)施方案中，公開一種系統(tǒng)，其包括鉆柱、被布置在鉆柱的遠(yuǎn)端處的鉆頭，以及聯(lián)接在鉆柱和鉆頭之間并且被配置來(lái)引導(dǎo)鉆頭的轉(zhuǎn)向裝置。所述轉(zhuǎn)向裝置具有限定中央通道的外殼、在中央通道內(nèi)延伸的軸、被布置在中央通道內(nèi)并且被配置來(lái)接收和支撐軸以供在中央通道內(nèi)旋轉(zhuǎn)的軸承，以及被縱向地限定在外殼中并且被配置來(lái)在經(jīng)受增大的壓力時(shí)使外殼偏轉(zhuǎn)的一個(gè)或多個(gè)壓力腔。外殼的偏轉(zhuǎn)引起軸通過(guò)與軸承的接合而相應(yīng)地偏轉(zhuǎn)。
[0009]在某些實(shí)施方案中，公開一種使鉆頭轉(zhuǎn)向的方法。所述方法包括以下步驟:用一個(gè)或多個(gè)軸承來(lái)支撐軸以供在轉(zhuǎn)向輪轂的外殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所述一個(gè)或多個(gè)軸承布置在所述外殼內(nèi)并且介于所述軸和所述外殼之間。所述軸可操作地聯(lián)接至鉆頭。所述方法還包括以下步驟:對(duì)縱向地限定在所述外殼內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)壓力腔加壓，并由此引起所述外殼偏轉(zhuǎn)，以及通過(guò)與將橫向偏轉(zhuǎn)力從所述外殼轉(zhuǎn)移至所述軸的所述一個(gè)或多個(gè)軸承的接合而使所述軸偏轉(zhuǎn)。
[0010]在某些實(shí)施方案中，公開一種可調(diào)節(jié)彎接頭，其包括具有被配置來(lái)分別固定地聯(lián)接至鉆柱的第一元件和第二元件的第一端和第二端的外殼，和縱向地限定在外殼中并且被配置來(lái)在經(jīng)受增大的壓力時(shí)使外殼偏轉(zhuǎn)的一個(gè)或多個(gè)壓力腔。
[0011]在閱讀以下優(yōu)選實(shí)施方案的說(shuō)明后，本公開的特征對(duì)本領(lǐng)域中的技術(shù)人員而言將是顯而易見的。
【附圖說(shuō)明】
[0012]以下附圖用于說(shuō)明本發(fā)明的特定方面，并且不應(yīng)視作排他性的實(shí)施方案。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員以及受益于本公開的人員將了解，所公開的主題能夠在形式和功能上存在許多修改、變更、組合和等效形式。
[0013]圖1示出用于鉆探帶角度的井孔的常規(guī)鉆柱。
[0014]圖2示出根據(jù)本公開的某些方面，用于在可選擇的角度和取向上鉆探帶角度的井孔的具有轉(zhuǎn)向接頭的示例性鉆柱。
[0015]圖3A-圖3C是根據(jù)本公開的某些方面的示例性轉(zhuǎn)向接頭的橫截面。
[0016]圖4A-圖4B示出根據(jù)本公開的某些方面的示例性液壓套管的操作。
[0017]圖5-圖7是根據(jù)本公開的某些方面的具有轉(zhuǎn)向接頭的鉆柱的其它實(shí)施方案。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本公開描述針對(duì)地下井的定向鉆探的系統(tǒng)和方法，并且更具體地，描述通過(guò)在連接至鉆頭的轉(zhuǎn)向接頭內(nèi)的軸的可選擇彎曲來(lái)控制鉆探的角度和方向。
[0019]本文公開的示例性轉(zhuǎn)向接頭的使用提供了可區(qū)別于具有彎接頭的常規(guī)鉆柱的幾個(gè)特點(diǎn)。第一個(gè)特點(diǎn)是無(wú)需將鉆柱從地表旋轉(zhuǎn)到特定角度位置就可引導(dǎo)鉆頭在任何方向上鉆探，因此簡(jiǎn)化了鉆機(jī)的操作。另外，可定位鉆頭以在一個(gè)角度范圍內(nèi)的可選角度進(jìn)行鉆探而不是在由常規(guī)彎接頭提供的固定角度進(jìn)行鉆探，由此提供了對(duì)井孔路徑的另外控制。
[0020]所公開的系統(tǒng)和方法的另一個(gè)方面是與使用常規(guī)彎接頭鉆出的井孔相比，垂直井孔可以更小。需要時(shí)，本文公開的轉(zhuǎn)向接頭可被配置來(lái)使鉆頭與鉆柱中心線對(duì)齊，從而允許鉆頭向正下方前進(jìn)，而無(wú)需旋轉(zhuǎn)鉆柱來(lái)保持直線運(yùn)動(dòng)。假設(shè)要去除的材料量減少以得到更小直徑的井孔，鉆頭就能前進(jìn)更快。
[0021]在本公開中，短語(yǔ)“泥漿馬達(dá)”不但指代通常由該名稱所指的特定發(fā)電裝置，而且也可包括提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)在鉆柱下端的鉆頭的所有其它系統(tǒng)和方法。通過(guò)實(shí)例而不是作為限制，這包括:沿著鉆柱定位的由電或液壓流體所驅(qū)動(dòng)的其它類型的馬達(dá)，以及通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸由地表提供的動(dòng)力。
[0022]在本公開中，短語(yǔ)“鉆桿”指代用來(lái)連接地表上的鉆機(jī)和井孔內(nèi)的地下系統(tǒng)的各種各樣的管、管材和管件。
[0023]圖1示出用于鉆探帶角度的井孔22的常規(guī)鉆柱10。鉆柱10由在本實(shí)例中連接至動(dòng)力部例如泥漿馬達(dá)12的上端的相連的鉆桿11的柱組成。泥漿馬達(dá)12連接至彎接頭14，彎接頭14被配置來(lái)在鉆柱10中產(chǎn)生具有角度34的固定彎曲。在本實(shí)例中，軸承組件16接著附接至彎接頭14的下端，鉆頭組件18附接至軸承組件16的下端。
[0024]仍參見圖1，通過(guò)在鉆頭18前進(jìn)穿過(guò)地下地層20時(shí)旋轉(zhuǎn)鉆柱10，由此使鉆柱10沿著軸線30前進(jìn)，從而切削出具有直徑24的井孔，來(lái)產(chǎn)生直的、垂直井孔22。如果將鉆柱10的地表旋轉(zhuǎn)停止在如圖1所示的位置，而鉆頭18由于泥漿馬達(dá)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)而繼續(xù)切削，那么鉆柱10將沿著新路徑32前進(jìn)，如虛線箭頭所示。鉆柱10將前進(jìn)的徑向方向由彎接頭14的旋轉(zhuǎn)位置控制。因?yàn)閺澖宇^14是通過(guò)旋轉(zhuǎn)可能總共為20，000英尺或更長(zhǎng)的鉆桿11的整個(gè)長(zhǎng)度而被旋轉(zhuǎn)式地定位的，所以在彎接頭14的旋轉(zhuǎn)位置和由此鉆柱10前進(jìn)所沿的路徑32的徑向方向上可能存在一些不確定性。
[0025]圖2示出根據(jù)本公開的某些方面，用于在可選擇的角度和取向上鉆探帶角度的井孔122的具有轉(zhuǎn)向接頭110的示例性鉆柱100。在本實(shí)例中，泥漿馬達(dá)102附接至鉆桿11的柱的下端。轉(zhuǎn)向接頭110可通過(guò)軸承組件106附接至泥漿馬達(dá)102的下端，鉆頭108附接至轉(zhuǎn)向接頭110的下端。轉(zhuǎn)向接頭110的構(gòu)造相對(duì)于圖3A至圖3C更加詳細(xì)地討論。在某些實(shí)施方案中，鉆柱100可包括從地表延伸至轉(zhuǎn)向接頭110的控制線(圖2中未示出)。因?yàn)橛糜谑箍刂凭€沿井孔向下延伸以控制地下設(shè)備的方法和布置一般是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，所以在本公開中為了清楚起見在圖中省略了這些控制線。在某些實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)