用于钻出具有短曲率半径的井眼的系统和方法技术方案

提出了用于钻出包括了具有短曲率半径的部分的井眼的系统和方法。该系统包括具有马达和管状壳体的钻井组件。致动器至少被部分设置在管状壳体中，将马达耦合至管状壳体。致动器被配置为在钻井组件的直线配置和弯曲配置之间可选择性地铰接。至少一个扭矩锚被流体耦合至钻井组件的后端。提出了用于可选择性地铰接钻井组件以形成包括了具有短曲率半径的部分的井眼的方法。还提出了其他系统和方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开一般地涉及用于钻出井眼的系统和方法，更具体地，用于钻出包括了具有短曲率半径的部分的井眼。
技术介绍
传统的井下定向钻井马达经常采用脊形的弯曲的壳体，使得马达组件的顶部和底部相互成一个微小的角度，通常小于3度。该角度决定了井道的弯曲程度。旋转-导向的钻井组件利用可选择性接合的推板或可变的几何结构稳定装置，以改变马达相对于井眼的取向。在那些配置中，马达或钻头的偏心姿态决定了马达的预计路径。
技术实现思路
以下公开涉及一种改进的井下钻井系统，其能够离开预钻出的竖直井，然后继续钻出超短半径的水平井。在本公开中，井下马达被配置有柔性弯曲的壳体组件，该柔性弯曲的壳体组件允许在钻井时可选择性地改变马达的弯曲角度或造斜率。弯曲角度可以是20度或以上。同样是以可选择的方式，在马达的朝井口的上部，一个或多个抗扭矩装置与井眼壁接合，防止钻井马达的反作用扭矩被传递到承载柱。当不期望造斜角度时，马达组件默认为直井配置。该配置允许对所期望的地层进行短半径钻井。本文描述了能够钻出超短半径的井的定向钻井系统。一旦被布置到所期望的井下位置，钻井马达被设计为在直线配置和弯曲配置之间可选择性地铰接。该设计能够允许使用井下马达几何结构进行定向钻井，当为弯曲配置时，所述井下马达几何结构的形状不能经过井眼的直线段。在一些实施例中，上马达组件和下马达组件由弹性体元件连接在一起，所述弹性体元件能够在直线配置和弯曲配置之间弯曲。弹性体元件可以由纤维帘线或钢丝增强，以提供正确量的刚性，同时仍允许所期望的弯曲运动。在其他实施例中，上马达组件和下马达组件被机械地铰接，从而提供单轴线的运动。活塞被容纳在上马达组件中，推杆将活塞连接至下马达组件。通过由有目的性地增加活塞两侧的压差而引起的动作，活塞通过推杆将力施加到下马达组件。于是，推杆从中心偏移。从而，当施加力时，下马达组件相对于上马达组件弯曲。一个实施例涉及一种配置，在所述配置中，枢转的下马达组件是叶片式流体动力马达。这些马达通常具有高的功率-长度比，对于短半径钻井是理想的，特别是当动力段被配置于弯曲的井下时。叶片马达的高速、低转矩特性也非常适合于本应用。和大多数的井下马达一样，钻井流体可以是空气、气体、钻井泥浆或它们的组合。常规的钢可能太硬而不能穿过由短半径钻井系统形成的小的井眼弯曲半径。在一个实施例中，诸如橡胶管或复合管的柔性导管用于连接至钻井组件。基于弯曲穿过小的弯曲半径同时保持足够的刚性以传递为保持钻井所用的足够的钻压所必需的向下的力的能力，来选择柔性导管材料。具有适合外径的柔性导管是期望的，从而避免钻井中施加向下的力时的螺旋锁止。高速、低扭矩马达需要较少的向下的力，从而允许使用短半径的导管。在一种配置中，数百英尺的柔性导管--在常规的钻井管或螺旋管的下方延伸—被用于输送短半径钻井系统。尽管柔性导管可能适合于传递轴向推力或拉力，但是马达的反作用扭矩可能引起不可接受的扭转运动。如果没有固定恒定的工具面的能力，保持用于滑动钻井的取向将是棘手的。在一些实施例中，可以使用一个或多个抗扭矩装置来抵抗产生的钻井扭矩。抗扭矩装置可以被配置有一个或多个轴向装置，例如轴向叶片或辊，所述轴向装置可选择性地从壳体延伸，以与井眼壁接合。在钻井时，轴向装置允许相对自由的轴向向前的运动，但仍抵抗钻井组件的旋转扭矩。与任何定向钻井的操作一样，测量数据和其他相关信息必须从井下传递给表面的操作。由于钻井组件的超短半径的能力，近钻头的测量是必须的，以得到导向井所必需的有意义的数据。在一种配置中，用于测量方位角的受磁性影响的传感器可以被设置于非金属柔性导管中，所述非金属柔性导管连接井底钻具组合的部件。倾斜传感器可以优选地位于下马达组件中。测量马达组件的弯曲角度和马达速度的附加传感器对于操作者会是有帮助的。附图说明下面参考附图对本公开的示例性实施例进行详细描述，所述附图以引用的方式并入本文。图1A是根据一个示例性实施例的在预钻出的井中运行的井底钻具组合的示意性立视图，示出了一部分的剖面；图1B是根据一个示例性实施例的图1A的井底钻具组合的示意性立视图，但井底钻具组合以弯曲配置离开预钻出的井，示出了一部分的剖面；图1C是根据一个示例性实施例的图1B的井底钻具组合的示意性立视图，但井底钻具组合在离开预钻出的井后，以直线配置水平地钻井，示出了一部分的剖面；图2是根据一个示例性实施例的为直线配置的井底钻具组合的示意性立视图，示出了一部分的剖面；图3是根据一个示例性实施例的图2的井底钻具组合的示意性立视图，但是为铰接或弯曲配置，示出了一部分的剖面；图4是根据一个示例性实施例的为直线配置的钻井马达组件的示意性立视图，示出了一部分的剖面；图5是根据一个示例性实施例的图4的钻井马达组件的示意性立视图，但是为铰接或弯曲配置，示出了一部分的剖面；图6A是根据一个示例性实施例的抗扭矩装置的示意性详细视图，其中扭矩锚叶片是缩回的，示出了一部分的剖面；图6B是根据一个示例性实施例的图6A的抗扭矩装置沿线6B-6B的横截面视图，示出在其内的静止的充气元件，示出了一部分的剖面；图7A是根据一个示例性实施例的抗扭矩装置的示意性详细视图，其中扭矩锚叶片是伸展的，示出了一部分的剖面；图7B根据一个示例性实施例的图7A的抗扭矩装置的沿线7B-7B的横截面视图，示出在其内的膨胀的充气元件，示出了一部分的剖面；图8A是根据一个示例性实施例的井下系统的示意性立视图，该井下系统用于钻出包括了具有短曲率半径的部分的井眼，但是井下系统为直线配置，示出了一部分的剖面；图8B是根据一个示例性实施例的图8A的井下系统的示意性立视图，但该井下系统为弯曲配置，示出了一部分的剖面；图8C是图8A的井下系统的示意性详细视图，示出为直线配置的钻井组件，示出了一部分的剖面；图8D是图8B的井下系统的示意性详细视图，示出为弯曲配置的钻井组件，示出了一部分的剖面；图8E是图8A的井下系统中所示的至少一个抗扭矩锚的示意性详细视图；图8F是图8A的井下系统中所示的减震器的示意性详细视图，示出了一部分的剖面；和图9是用于钻出包括了具有短曲率半径的部分的井眼的示意性方法的流程图。上述附图仅是示例性的，它们的图示说明并不旨在承认或暗示对可以在其中实施不同实施例的环境、建筑、设计、配置、方法或过程的任何限制。具体实施方式在下面的对示例性实施例的详细描述中，参考了形成为该描述一部分的附图。充分详细地描述了这些实施例，使得本领域技术人员能够实施本专利技术，将理解的是，可以利用其他实施例并且在不脱离本专利技术的范围的情况下，可以做出逻辑结构、机械、电学和化学上的变化。为了避免对于本领域技术人员能够实施本文所描述的实施例所不必要的细节，该描述可能省略本领域技术人员已知的某些信息。因此，以下详细的描述并不能被视为是限制性的，并且示例性实施例的范围仅由所附的权利要求限定。在以下附图和描述中，整个说明书和附图中相同的元件通常用相同的标号或一致的数字标记。附图并不必须按比例绘制。示例性实施例的某些特征可以按比例放大的形式或以示意性的形式示出，为了清楚和简明，常规元件的一些细节没有示出。除非另有说明，任何使用用于描述元件之间相互作用的术语“连接”、“接合”、“耦合”、“附接”或任何其他术语的任何形式并不意味着将相互作用限制为元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种井下系统，用于钻出包括了具有小于21.3米的短曲率半径的部分的井眼，所述井下系统包括：具有前端和后端的钻井组件，所述钻井组件包括：具有第一纵向轴线的高速马达，其中所述高速马达的自由转动速度大于1000转/分钟，具有第二纵向轴线的管状壳体，至少被部分设置在所述管状壳体中的致动器，所述致动器将所述马达耦合至所述管状壳体，并且其中所述致动器被配置为在直线配置和弯曲配置之间可选择性地铰接，在所述直线配置中，所述马达的第一纵向轴线与所述管状壳体的第二纵向轴线实质上重合，在所述弯曲配置中，所述马达的第一纵向轴线与所述管状壳体的第二纵向轴线形成角度，其中在所述弯曲配置中，所述角度是至少4度；将所述马达流体耦合至所述管状壳体的第一柔性导管；被流体耦合至所述钻井组件的后端的至少一个抗扭矩锚，所述至少一个抗扭矩锚被配置为与井眼壁接合，使得当所述至少一个抗扭矩锚被布置在井下时，所述钻井组件的旋转运动实质上是受限的而纵向运动实质上是允许的；并且其中所述钻井组件的前端包括被耦合至所述马达的钻头。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.24 US 62/016,4851.一种井下系统，用于钻出包括了具有小于21.3米的短曲率半径的部分的井眼，所述井下系统包括：具有前端和后端的钻井组件，所述钻井组件包括：具有第一纵向轴线的高速马达，其中所述高速马达的自由转动速度大于1000转/分钟，具有第二纵向轴线的管状壳体，至少被部分设置在所述管状壳体中的致动器，所述致动器将所述马达耦合至所述管状壳体，并且其中所述致动器被配置为在直线配置和弯曲配置之间可选择性地铰接，在所述直线配置中，所述马达的第一纵向轴线与所述管状壳体的第二纵向轴线实质上重合，在所述弯曲配置中，所述马达的第一纵向轴线与所述管状壳体的第二纵向轴线形成角度，其中在所述弯曲配置中，所述角度是至少4度；将所述马达流体耦合至所述管状壳体的第一柔性导管；被流体耦合至所述钻井组件的后端的至少一个抗扭矩锚，所述至少一个抗扭矩锚被配置为与井眼壁接合，使得当所述至少一个抗扭矩锚被布置在井下时，所述钻井组件的旋转运动实质上是受限的而纵向运动实质上是允许的；并且其中所述钻井组件的前端包括被耦合至所述马达的钻头。2.根据权利要求1所述的井下系统，其中所述致动器被配置为使得对应于所述弯曲配置的角度是至少6度。3.根据权利要求1所述的井下系统，其中所述第一柔性导管容纳所述致动器的至少一部分。4.根据权利要求1所述的井下系统，其中所述马达是气动的。5.根据权利要求1所述的井下系统，其中所述马达和所述致动器是气动的。6.根据权利要求1所述的井下系统，其中所述致动器包括：活塞，其被设置在所述管状壳体中并且可操作以沿所述第二纵向轴线平动；第一联动件，其将所述马达耦合至所述管状壳体；和第二联动件，其将所述马达耦合至所述活塞。7.根据权利要求6所述的井下系统，还包括偏置元件，以将所述活塞朝向所述后端预设置。8.根据权利要求6所述的井下系统，其中所述致动器还包括：在所述管状壳体中的第一腔室和第二腔室，所述第一腔室和所述第二腔室由所述活塞隔开；从所述第一腔室延伸至所述管状壳体的外部的第一排放口；从所述第二腔室延伸至所述管状壳体的外部的第二排放口；第一阀门，其被设置在所述第一腔室中并且被流体耦合至第一排放口；第二阀门，其被设置在所述第一腔室中并且被耦合至至少经过所述活塞的流体通路，所述流体通路与所述马达流体连通。9.根据权利要求1所述的井下系统，其中所述至少一个抗扭矩锚包括：管状套管，其具有第三纵向轴线和至少一个细长孔，所述至少一个细长孔实质上平行于所述第三纵向轴线排列；被设置在所述管状套管中的至少一个叶片元件，所述至少一个叶片元件在伸展位置和缩回位置间可移动，在所述伸展位置，所述至少一个叶片元件通过所述至少一个细长孔从所述管状套管突出，在所述缩回位置，所述至少一个叶片元件不会从所述管状套管突出；和被设置在所述管状套管中的充...

【专利技术属性】
技术研发人员：约瑟夫·A·朱潘尼克，
申请(专利权)人：派恩特里燃气有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US