用于井下液压喷射喷嘴的导向系统和可操纵钻孔挖掘设备技术方案

本文提供了用于井下液压喷射喷嘴的导向系统以及可操纵钻孔挖掘设备。该导向系统包括至少三条纵向定向且导电的致动器线以及液压喷射喷嘴；致动器线中的每一条均固定至柔性管状主体的远端致动器线中的每一条均被构造成响应于接收电流而进行收缩；以及液压喷射喷嘴固定至柔性管状主体的远端。可操纵钻孔挖掘设备包括管状主体、液压喷射喷嘴、位于管状主体的远端附近的一个或多个地理空间IC芯片、一组数据线、一组电力线以及一组致动器线；该管状主体的尺寸被设置成沿钻孔传输喷射流体，该主体具有近端和远端；以及该液压喷射喷嘴设置在该管状主体的远端，且被构造成响应于喷射流体的传输挖掘地层中的岩石基质，作为钻孔。

【技术实现步骤摘要】
用于井下液压喷射喷嘴的导向系统和可操纵钻孔挖掘设备本申请是申请日为2016年1月29日专利技术名称为“用于井下钻探装置的可操纵液压喷射喷嘴和导向系统”的申请号为201680018738.8(国际申请号为PCT/US2016/015786)的专利技术专利申请的分案申请。关于联邦赞助研究或开发的声明不适用。合作研究协议当事方的姓名不适用。相关申请的声明本申请要求2015年7月29日提交的美国临时专利申请号62/198,575的权益。该美国临时专利申请题为“DownholeHydraulicJettingAssembly,andMethodforFormingMini-LateralBoreholes”。本申请还要求2015年2月24日提交的相同题目的美国临时专利申请号62/120,212的权益。本申请还提交作为2015年2月3日提交的美国专利申请号14/612,538的部分继续申请案。该美国专利申请题为“MethodofTestingaSubsurfaceFormationforthePresenceofHydrocarbonFluids”。该美国专利申请又是2015年3月31日授权的美国专利号8,991,522的分案。这些申请全部通过引用合并至本文。
本公开内容涉及完井领域。更具体地，本公开内容涉及通过使用液压喷射组件从现有钻井孔生成小直径钻孔进行完井以及烃生产地层的增产。本公开内容还涉及在一次起下钻中受控地生成多个延伸入地下地层数英尺的横向钻孔。
技术介绍
本部分旨在介绍本技术的选定方面，这些方面可能与本公开内容的各种实施方案相关联。相信这种讨论有助于提供便于更好地理解本公开内容的特定方面的一种框架。相应地，应理解的是，本部分应从这个角度理解而并不一定是对现有技术的承认。技术讨论在钻探油井和气井时，使用在钻柱下端处向下推动的钻头穿过地表形成近似竖向的钻井孔。在钻探至预定井底(bottomhole)位置后，移除钻柱和钻头，并用套管柱内衬钻井孔。因此在该套管柱与由钻井孔穿进的地层之间形成环形区域。特别地，在竖向钻井孔或水平井的竖向段中，为了沿着钻井孔的部分或全部的长度用水泥填充或“挤满”整个环形体积，进行了固井作业。水泥和套管的组合加固了钻井孔，并促进层位封隔(zonalisolation，层间隔离)以及随后在套管后面的可能的成烃产区的某些段的完井。在最近的二十年里，钻探技术的发展已经使得油气操作员经济地“开钻(kick-off)”，并使钻井孔轨迹从大体竖向的定向转向大体水平的定向。现在，这些钻井孔中每个的水平“支柱”通常超过一英里的长度。这显著增加了钻井孔向目标含烃地层(或“产区”)的暴露。例如，对于具有100英尺的(竖向)厚度的给定目标产区，一英里的水平支柱暴露于水平钻井孔的产区是常规竖向钻井孔的100英尺暴露的产区的52.8倍。图1A提供了在水平定向上已经完工的钻井孔4的截面视图。可以看出，已从地表1，穿过数个地层2a、2b……2h且下至生烃地层3形成钻井孔4。地下地层3对于油气操作员而言表示“产区”。钻井孔4包括在产区上方的竖向段4a，以及水平段4c。水平段4c限定柱脚跟部4b和柱脚尖部4d以及在它们之间的延伸穿过产区3的长形支柱。随着钻井孔4的完工，具有逐渐变小的外径的若干套管柱已用水泥固定于钻井孔4中。这些套管柱包括表面套管柱6，并且可以包括一个或多个中间套管柱9，以及最后包括生产套管12。(没有示出最浅且直径最大的套管(其被称为导管)，该套管是与表面套管分隔开的且直接位于表面套管上方的短管段。)表面套管6的主要功能之一是隔离且保护较浅的含淡水的地下水层不被任何钻井孔流体污染。因此，导管和表面套管6几乎始终完全通过水泥固定7回地面1。重复若干次钻探且然后粘接逐渐变小的套管柱的过程，直到井到达完钻井深。在一些情况下，最后的套管柱12是衬里，即，未约束回地面1的套管柱。被称为生产套管的最后的套管柱12还通常通过水泥固定13到位。在水平完工的情况下，生产套管12可被水泥固定，或者可以使用外部套管封隔器(“ECP”)、膨胀封隔器或它们的一些组合而提供层位封隔。完井中可以包括额外的管状主体。这些管状主体包括放置在生产套管或衬里内的一个或多个生产油管柱(图1A未示出)。在竖向完井中，每个油管柱从地面1延伸至靠近生产区段3的指定深度，并且可以附接至封隔器(未示出)。封隔器用于封闭生产油管柱与周围的套管12之间的环形空间。在水平完井中，生产油管通常(通过封隔器或不通过封隔器)布置于钻井孔4的柱脚跟部4b处或附近。在一些情况下，产区3不能有效地使流体流至地面1。当发生这种情况时，操作员可以安置人造举升设施(图1A未示出)作为钻井孔完工的一部分。人造举升设施可以包括井下泵，所述井下泵经由在油管内延伸的一系列抽油杆连接至地面泵送单元。可替代地，可以在生产油管的底端处放置电力驱动的潜水泵。还可以采用气举阀、液力喷射泵、柱塞举升系统或各种其他类型的人造举升设施和技术，以辅助流体流至地面1。作为完工过程的一部分，井口装置5安装在地面1处。井口装置5用于控制钻井孔压力并且指引地面1处的生产流体的流动。还可以设置流体聚集和处理设施(图1A未示出)，诸如管、阀、分离器、脱水器、气体脱硫单元以及油水储罐。产区完工后，安装任何必要的井下管件、人造举升设施和井口装置5，然后可以开始生产作业。使钻井孔压力保持受控，并适当分离和分配产出的钻井孔流体。在美国，现在钻探的许多井主要是用以从之前被认为是难以穿进而不能以经济可行的量产出烃的产区中开采油和/或天然气，以及可能的液化天然气。这种“紧实”或“非常规”的地层可能是砂岩、粉砂岩或者甚至是页岩地层。可替代地，这种非常规地层可以包括煤层甲烷。在任何情况下，“低渗透率”通常指岩石层段具有低于0.1毫达西的渗透率。为了增强特别是低渗透率地层中烃的开采，之后(即，在对生产套管或衬里进行穿孔后)在产区的完工中可以采用增产技术。这种技术包括液力压裂和/或酸化。另外，为了创建一个或多个新定向或水平完工的钻孔，可以从主要的钻井孔形成“开钻”钻井孔。这允许井沿着地下地层的平面穿进，以增加对于产区的暴露。在地层的天然或液力导致的压裂平面为竖向的情况下，水平完工的钻井孔允许生产套管横穿或“找到(source)”多个压裂平面。相应地，竖向定向的钻井孔通常限制于每个产区的单个液力导致的压裂平面，而水平钻井孔可以沿水平支柱4c在多个位置或“阶”中进行射孔并液力压裂。图1A示出了沿钻井孔4的水平段4c的一系列压裂半平面16。压裂半平面16表示将与射孔/压裂作业有关地形成的裂缝的定向。根据地质力学的原理，压裂平面将通常沿垂直于岩石基质中的最小主应力面的方向形成。更简单地说，在大多数钻井孔中，当钻井孔的水平段位于地面下3,000英尺以下并且有时浅至1,500英尺时，岩石基质将沿竖线分裂。在这种情况下，液力裂缝将趋于从钻井孔的射孔15沿垂直于最小主应力面的竖向椭圆平面蔓延。如果已知最小主应力面的定向，则水平钻井孔4的支柱4c的纵向轴线理想地定向成与其平行，使得多个裂缝平面16将贯穿正交于或近似正交于钻井孔的水平支柱4c的钻井孔，如图1A所示。通过计算下述各项来优化产区3内沿水平支柱4c的射孔的和压裂的层段的期望密度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于井下液压喷射喷嘴的导向系统，所述液压喷射喷嘴被构造成挖掘岩石，以形成长形钻孔，并且所述导向系统包括：至少三条纵向定向且导电的致动器线，其中，所述致动器线中的每一条均固定至柔性管状主体的远端，并且所述致动器线中的每一条均被构造成响应于接收电流而进行收缩；以及液压喷射喷嘴，所述液压喷射喷嘴固定至所述柔性管状主体的所述远端；并且其中，所述致动器线中的每一条均被构造成与所接收的电流的量成比例地进行收缩，使得被指引通过所述致动器线中的一条或多条的不同量的电流将因此对所述液压喷射喷嘴引起弯曲力矩，所述弯曲力矩足以重新定向所述液压喷射喷嘴的主体，从而相对于所述管状主体改变所述液压喷射喷嘴的轨迹。

【技术特征摘要】
2015.02.24 US 62/120,212;2015.07.29 US 62/198,575;1.一种用于井下液压喷射喷嘴的导向系统，所述液压喷射喷嘴被构造成挖掘岩石，以形成长形钻孔，并且所述导向系统包括：至少三条纵向定向且导电的致动器线，其中，所述致动器线中的每一条均固定至柔性管状主体的远端，并且所述致动器线中的每一条均被构造成响应于接收电流而进行收缩；以及液压喷射喷嘴，所述液压喷射喷嘴固定至所述柔性管状主体的所述远端；并且其中，所述致动器线中的每一条均被构造成与所接收的电流的量成比例地进行收缩，使得被指引通过所述致动器线中的一条或多条的不同量的电流将因此对所述液压喷射喷嘴引起弯曲力矩，所述弯曲力矩足以重新定向所述液压喷射喷嘴的主体，从而相对于所述管状主体改变所述液压喷射喷嘴的轨迹。2.根据权利要求1所述的导向系统，其中：所述管状主体为柔性喷射软管；所述至少三条致动器线围绕所述喷射软管的所述远端的圆周等距间隔；以及所述液压喷射喷嘴是具有向前排放端口的液压喷嘴。3.根据权利要求2所述的导向系统，其中：所述液压喷嘴的主体包括管状定子主体和管状转子主体，所述管状转子主体位于所述定子主体的钻孔内，并且沿所述喷嘴的纵向轴线形成钻孔；并且所述液压喷嘴还包括：一个或多个轴承，所述一个或多个轴承位于所述定子主体和所述转子主体之间，以适应所述转子主体和所述定子主体之间的相对旋转移动；电磁线圈，所述电磁线圈被设计成响应于电流引发所述转子主体和所述定子主体之间的相对旋转移动；以及近端，所述近端被构造成密封地连接至所述喷射软管的所述远端并且接收喷射流体；并且其中，所述排放端口被构造成输送高压喷射流体以侵蚀井下岩石基质。4.根据权利要求3所述的导向系统，还包括：与所述至少三条致动器线中的每一条相关联的电力线，其中，每条电力线向与其相关联的致动器线输送电流，其中，所述电力线中的每一条均沿所述喷射软管内的腔或护层定位；用于在井下生成电流的电池组；微处理器，所述微处理器用于根据用于所述钻孔的确定的地理轨迹分布所述电流；以及设置在所述液压喷射喷嘴的所述主体上的至少一个地理空间芯片，所述至少一个地理空间芯片被配置成沿所述喷射软管将地理位置数据信号传输回去。5.根据权利要求4所述的导向系统，其中：所述喷射软管的长度为至少25英尺。6.根据权利要求5所述的导向系统，其中：所述喷射软管和液压喷嘴是用于在地下地层内从主钻井孔中形成横向钻孔的液压喷射组件的一部分，所述喷射软管和所述液压喷嘴形成用于所述液压喷射组件的内部系统；所述液压喷射组件还包括外部系统，所述外部系统包括：第一长形管状主体，所述第一长形管状主体限定外导管，所述外导管具有上端、下端以及在上端和下端之间的内部钻孔，所述上端被构造成可操作地附接至用于将所述组件伸入所述钻井孔中的油管运送媒介；第二长形管状主体，位于所述外导管的所述钻孔内并限定喷射软管承载件，所述喷射软管承载件的尺寸被设置成可滑动地接收所述喷射软管并且在所述喷射软管和周围的所述喷射软承载件之间形成微环隙，所述微环隙的大小被设置成在所述组件的操作期间当所述喷射软管在所述喷射软管承载件内滑动时防止所述喷射软管弯曲；上密封组件，所述上密封组件在上端处连接至所述喷射软管并且密封所述微环隙；以及设置在所述外导管的所述下端下方的造斜器构件，所述造斜器构件具有拱形造斜器面；其中，所述组件被构造成(i)通过转移力将所述喷射软管转移出所述喷射软管承载件并抵靠所述造斜器面，到达钻井孔出口的期望点，(ii)在到达钻井孔出口的所述期望点时，指引喷射流体通过所述喷射软管和连接的所述喷射喷嘴，直到形成出口，(iii)继续喷射，形成穿进所述产区内的岩石基质中的横向钻孔，然后(iv)在形成横向钻孔后，将所述喷射软管拉回入所述喷射软管承载件中。7.一种可操纵钻孔挖掘设备，包括：管状主体，所述管状主体的尺寸被设置成沿钻孔传输喷射流体，所述主体具有近端和远端；液压喷射喷嘴，所述液压喷射喷嘴设置在所述管状主体的所述远端，且被构造成响应于所述喷射流体的传输挖掘地层中的岩石基质，作为钻孔；位于所述管状主体的所述远端附近的一个或多个地理空间IC芯片，所述地理空间IC芯片提供表示所述液压喷射喷嘴的位置、方位、定向或它们的组合的地理位置数据；一组数据线，该组数据线被构造成沿所述管状主体将所述地理位置数据从所述地理空间IC芯片传输至(i)地面的操作员，(ii)沿钻井孔的微处理器或(iii)这二者；一组电力线，该组电力线沿所述管状主体的至少一部分延伸；以及一组致动器线，每条致动器线位于对应电力线的远端处，其中，每条致动器线均被构造成响应于通过所述电力线的电流的不均衡分布进行与通过所述对应电力线输送的电流成比例地收缩，向所述液压喷射喷嘴的所述主体施加弯曲力矩。8.根据权利要求7所述的可操纵钻孔挖掘设备，其中，所述液压喷射喷嘴是钻头或喷射喷嘴。9.根据权利要求8所述的钻孔挖掘设备，其中：所述致动器线包括至少三条电线，所述至少三条电线围绕所述喷射软管的所述远端等距间隔并由包括镍和钛的材料制造；并且所述设备还包括电流调节器，所述电流调节器被配置成调节通过所述电力线中的每条到达所述致动器线的电流。10.根据权利要求9所述的钻孔挖掘设备，其中，所述电力线中的每条均包括电线。11.根据权利要求10所述的钻孔挖掘设备，其中：所述管状主体是柔性喷射软管；并且所述液压喷射喷嘴是液压喷嘴，所述液压喷嘴包括：管状定子主体；管状转子，所述管状转子位于所述定子主体的所述钻孔内并且还沿所述喷嘴的所述纵向轴线形成钻孔；一个或多个轴承，所述一个或多个轴承位于所述定子主体和所述转子主体之间用以适应所述转子主体和所述定子主体之间的相对旋转移动；电磁线圈，所述电磁线圈响应于电流在所述转子主体和所述定子主体之间引起相对旋转移动；近端，所述近端被构造成密封地连接至所述喷射软管的远端并且接收喷射流体；以及位于所述转子主体的远端的排放槽，所述排放槽被构造成以规定喷射角度输送高压喷射流体以侵蚀挖掘岩石基质。12.根据权利要求11所述的钻孔挖掘设备，其中，所述IC芯片位于所述定子主体上。13.根据权利要求12所述的钻孔挖掘设备，其中所述喷射软管的长度为至少25英尺；所述喷射软管位于长形管状喷射软管承载件内，所述喷射软管承载件的尺寸被设置成可滑动地接收所述喷射软管，并且在所述喷射软管和周围的所述喷射软管承载件之间形成微环隙，所述微环隙的大小被设置成在所述钻孔挖掘设备的操作期间在所述喷射软管在所述喷射软管承载件内滑动时防止所述喷射软管弯曲。14.根据权利要求13所述的钻孔挖掘设备，还包括：上密封组件，所述上密封组件在上端处连接至所述喷射软管并且密封所述微环隙；喷射软管封隔段，所述喷射软管封隔段连接至所述喷射软管承载件的...

【专利技术属性】
技术研发人员：布鲁斯·L·兰德尔，
申请(专利权)人：特种油管有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US