具有钻进控制的液压钻井方法

摘要

本发明提供了一种用于液压钻井的系统和方法。具有孔的造斜器可密封地接合在工作柱的远端部处。具有钻管和用于使钻井流体流入钻管中的流通装置的钻井设备可连接至连接柱的端部并且向下插入到工作柱中，以使得钻管延伸穿过造斜器装置中的孔。然后，加压钻井流体可注入到形成于工作柱与连接柱之间的环形空间中，以使得加压钻井流体流过流通装置进入钻管中并且从钻管的远端部排出而作为切割射流。

权利要求

1.一种液压钻井系统，该系统包括：

用于沿井眼向下放置的工作柱，所述工作柱具有远端部、近端部和内表面；

造斜器，所述造斜器设在工作柱的远端部处并且具有孔；

连接柱，所述连接柱设置成在工作柱内部穿过，所述连接柱是连续的，具有内孔，且在连接柱与工作柱的内表面之间形成环形空间，连接柱具有近端部和远端部；以及钻井设备，所述钻井设备与连接柱的远端部连接，所述钻井设备具有与钻管的近端部连接的流通装置，所述钻管具有在钻管的远端部处开放的内孔，所述流通装置具有至少一条使环形空间与钻管的内孔流体连通的管道，所述钻管穿过造斜器的孔，其特征在于，在将加压钻井流体引入环形空间中时，钻井流体能够通过流通装置进入钻管，并且从钻管的远端部排出，其中流通装置与连接柱的内孔流体连通，从而允许附加流体通过连接柱的内孔流入以在进入钻管的内孔之前在流通装置中与来自环形空间的钻井流体混合。

2.如权利要求1所述的液压钻井系统，所述液压钻井系统还包括下密封元件，所述下密封元件邻近工作柱的远端部并且密封地接合在工作柱的内表面与造斜器之间。

3.如权利要求2所述的液压钻井系统，所述液压钻井系统还包括上密封元件，所述上密封元件邻近工作柱的近端部并且密封地接合在工作柱的内表面与连接柱之间。

4.如权利要求3所述的液压钻井系统，所述液压钻井系统还包括端口，所述端口设在上密封元件下方以用来允许钻井流体流过环形空间。

5.如权利要求1所述的液压钻井系统，其中在钻管的远端部上设有钻头。

6.如权利要求5所述的液压钻井系统，其中钻头包括喷嘴。

7.如权利要求1所述的液压钻井系统，其中在钻管前进穿过造斜器中的孔时，造斜器改变钻管的方向。

8.如权利要求7所述的液压钻井系统，其中钻管的方向从相对于井眼基本上轴向改变成相对于井眼基本上横向。

9.如权利要求1所述的液压钻井系统，其中连接柱是包括多根杆的杆柱。

10.如权利要求9所述的液压钻井系统，其中连接柱的近端部能够与在钻机上的绞车连接。

11.如权利要求10所述的液压钻井系统，其中钻机的绞车能够控制钻管前进穿过造斜器或者从造斜器撤回。

12.如权利要求1所述的液压钻井系统，其中连接柱是连续管。

13.如权利要求1所述的液压钻井系统，其中连接柱是连续杆。

14.如权利要求1所述的液压钻井系统，其中在流通装置与连接柱的内孔之间设有单向阀。

15.一种液压钻井方法，该方法包括：

在工作柱的远端部处使造斜器与工作柱的内表面密封地接合，所述造斜器具有贯穿其中的孔；

提供一种钻井设备，该钻井设备具有：

钻管，所述钻管具有内孔、近端部和远端部；和

流通装置，所述流通装置具有至少一条管道，所述至少一条管道在将钻井设备插入工作柱中时使得由工作柱的内表面形成的环形空间与钻管的内孔流体连通；

将钻井设备与连接柱连接并且将钻井设备向下插入工作柱中；

将钻管的至少一部分插入穿过造斜器；以及

将加压钻井流体引入由工作柱和连接柱形成的环形空间中，加压钻井流体穿过流通装置进入钻管中并且从钻管的远端部排出；

设置穿过连接柱的内孔，连接柱的内孔与流通装置流体连通；以及使附加流体流过连接柱的内孔以与来自环形空间的钻井流体混合。

16.如权利要求15所述的方法，还包括使用与所述连接柱的上端部连接的钻机绞车控制钻管前进穿过造斜器或者从造斜器撤回。

17.如权利要求15所述的方法，其中第一密封件在工作柱的远端部处设置在造斜器与工作柱的内表面之间。

18.如权利要求17所述的方法，其中第二密封件在工作柱的近端部处设置在连接柱与工作柱的内表面之间。

19.如权利要求15所述的方法，其中实施所述方法用于钻出井眼，所述井眼是竖直井眼、偏斜井眼和水平井眼中的一种。

20.如权利要求15所述的方法，其中钻头设置在钻管的远端部上。

21.如权利要求20所述的方法，其中钻头包括喷嘴。

22.如权利要求15所述的方法，其中在钻管延伸穿过造斜器时，造斜器改变钻管的方向。

23.如权利要求15所述的方法，其中从钻管的远端部排出的钻井流体被引导成相对于井眼方向基本上横向，以形成相对于井眼基本上横向取向的第二钻孔。

24.如权利要求15所述的方法，其中附加流体是水、酸、氯化钾、磨蚀浆液和氮中的至少一种。

说明书

具有钻进控制的液压钻井方法

技术领域

[0001] 本发明总体涉及液压钻井设备和方法，特别地涉及一种用于为液压钻井的向下钻进提供钻井流体的系统和方法。

背景技术

[0002] 在液压钻井操作中，高压钻井流体通过钻头排出以作为高速切割射流，该高速切割射流将其所指向的材料切掉从而形成钻孔。随着去除材料，钻头前进从而使钻孔延伸进入地层中。钻头通常附接至管状工作柱，高压流体供给至管状工作柱，并且由流体施加在工作柱和钻头上的力沿向前方向驱动它们。钻头前进的速度受到附接至工作柱并且以受控速度放出的缆索限制。

[0003] 限制缆索的使用具有某些局限性和缺点。它不仅需要缆索自身，而且需要用于该缆索的滚筒或存放卷筒以及用于控制缆索放出速度的制动器或一些其它装置。在显著的张力作用下，缆索(不管是阻止钻柱前进还是用来收回钻柱)将拉伸，从而难以精确地控制钻柱的钻进速度。还存在缆索可能断裂的可能性，这将必须停止钻井操作以收回钻头，修理缆索，以及在缆索断裂时钻头由于与地层碰撞而受损的情况下可能还需要修理或更换钻头。

[0004] 在美国专利5,255,750中描述的方法通过形成“液压制动器”而解决了上述问题中的至少一些问题，该液压制动器利用了一组双重作用密封件，一重作用在于密封钻井设备的外直径(OD)，第二重作用在于将钻井设备密封在钻井设备长度的连续圆筒内。在这些密封件之间，固定尺寸的孔口安装用于允许捕获在这些密封件内的流体逸出，从而降低流体体积并且允许钻井设备以受控的钻进速度运动。

[0005] 该密封件/孔口系统的使用具有若干局限性和缺点。这些密封件必须在恶劣的充满颗粒物的环境中工作，该环境通常为油井或气井钻井操作，并且在一些情况中密封件的泄漏将使得该系统失效。孔口在高温高压下操作的同时还必须保持非常精确的尺寸和形状，并且孔口允许磨蚀材料穿过而不会受到消蚀。钻井设备的长度和连续圆筒的组合必须在操作之前计划好并且不能改变，否则密封件将不会同时就位。另外，一旦将孔口选择为给出所期望的钻进速度，在没有将整个钻井设备带到地面并且对该孔口进行物理改变的情况下，不能改变该速度以用于更快或更慢的钻进速度。

[0006] 另外，采用密封件/孔口方法，必须使用单件设备来将钻井设备从地面下降到用于安放密封件的位置中。这需要具有控制缆索和钻井设备放出速度的能力的缆索和滚筒。一旦钻井设备已经完成了其液压钻井操作，必须采取一种方法以将钻井设备撤回到原始井(至少)中或者经过所有路途回到地面以修理密封件或改变孔口。

发明内容

[0007] 在第一方面中，提供了一种液压钻井系统。该系统包括：用于沿井眼向下安放的工作柱，该工作柱具有远端部、近端部和内表面；造斜器，该造斜器设在工作柱的远端部处并且具有孔；连接柱，该连接柱设置成穿过工作柱内部，该连接柱在连接柱与工作柱的内表面之间形成环形空间，连接柱具有近端部和远端部；以及钻井设备，该钻井设备与连接柱的远端部连接，该钻井设备具有与钻管(drill tubing)的近端部连接的流通装置，该钻管具有在钻管的远端部处开放的内孔，所述流通装置具有至少一条使得环形空间与钻管的内孔流体连通的管道，钻管穿过造斜器的孔。在将加压钻井流体引入环形空间中时，钻井流体可通过流通装置进入钻管，并且从钻管的远端部排出。

[0008] 在另一个方面中，提供了一种液压钻井的方法。该方法包括：在工作柱的远端部处使造斜器装置与工作柱的内表面密封地接合，该造斜器具有贯穿其中的孔；提供一种钻井设备，该钻井设备具有：具有内孔、近端部和远端部的钻管；和流通装置，该流通装置具有至少一条在将钻井设备插入工作柱中时使得由工作柱的内表面形成的环形空间与钻管的内孔流体连通的管道；将钻井设备与连接柱连接并且将钻井设备向下插入工作柱中；将钻管的至少一部分插入穿过造斜器；以及将加压钻井流体引入环形空间中，该加压钻井流体穿过流通装置进入钻管中并且从钻管的远端部排出作为切割射流。

附图说明

[0009] 参照附图，其中相同的附图标记在这些视图中表示相同部件，在这些附图中以举例的方式而不是以限定的方式详细地说明了本发明的几个方面，附图中：

[0010] 图1为根据本发明的钻井设备的一个实施例的示意性正视图；

[0011] 图2为根据本发明另一个方面的钻井设备的另一个实施例的示意性正视图；以及[0012] 图3为流通装置的示意图。

具体实施方式

[0013] 下面结合附图给出的详细说明旨在说明本发明的各个实施例，而并不旨在代表只是由本发明人想到的实施例。该详细说明包括具体细节，以用于提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员而言显而易见的是，在没有这些具体细节的情况也可以实施本发明。

[0014] 图1显示出在一个方面中的钻井设备。在图1中，该设备被显示为与用阴影线示出的横向钻孔11的钻出相关，该横向钻孔在地层中从主钻孔12延伸。主钻孔12可以是竖直的、偏斜的或水平的，并且可以是从地面延伸的钻孔或者从其横向延伸的钻孔。

[0015] 钻井设备10可以包括在主钻孔12中延伸的管状工作柱14。造斜器18可与钻柱的下端部连接。造斜器18包括贯穿其中而形成的孔18a，以便允许钻管16运动穿过该孔18a。在一个方面中，可在孔中设置辊子以帮助钻管16穿过孔18a。孔18a用来使穿过其中前进的任何钻管16弯曲，并且将它从工作柱14的长轴线向外引导。

[0016] 钻井设备10还包括钻管16。该钻管16可在工作柱14内轴向运动，并且钻管16的远端部部分包括钻头17。内孔16a穿过钻管16，并且在钻头17处开放。钻头17可以具有任意合适的设计，并且在一个实施例中，它包括喷嘴，该喷嘴从其内孔向其外表面开放并且用来产生出能够破碎地层材料的切割射流，例如在美国专利4,787,465、4,790,394和6,206,112中所公开的喷嘴。

[0017] 除了产生切割射流之外，如例如在美国专利4,763,734中所述的，钻井流体在钻头17上施加力，该力沿着向前方向驱动钻管16和钻头17远离地面而进入主钻孔12中。

[0018] 为了用来钻出钻孔，在造斜器18的孔18a中设置横向钻管16。通过使钻管16前进穿过造斜器18的孔18a，钻管16的远端部部分可以被引导离开主钻孔12以形成横向钻孔11。可以在孔18a中设置密封件26以便控制(例如阻止)流体流动穿过钻管16与造斜器孔18a之间的界面。

[0019] 流通装置60在横向钻管16的上端部处。该流通装置60包括至少一个管道62，该至少一个管道在第一端部处在流通装置60的外表面上开放并且延伸以通入横向钻管16的内孔16a。管道62使得接触流通装置60的外表面的任意流体可流通至钻管16的内孔16a并且从中流到钻头17(参见箭头F)。

[0020] 流通装置60和横向钻管16可通过安装在包括杆(比如抽油杆)64柱的连接柱65上而设置在柱中并且在其中轴向运动。如所能意识到的，抽油杆在油井操作中例如用来驱动井下泵等。杆64可包括标准形式的抽油杆、光杆等。杆64可以为实心杆或者在本发明的任意情况中用来设置并且控制钻管16的运动而不是输送流体。杆64可被连接以形成柱，以使得流通装置60可被下降至在工作柱14内的选定位置。可以将杆64添加至柱的上端部64a以延长柱的长度。

[0021] 这些杆64柱的上端部64a可从工作柱14的顶部(例如在地面处)延伸。上密封元件66可以在工作柱14与杆64之间形成密封，以使得围绕着杆64/流通装置60/钻管16与工作柱14的内壁形成密封的环形空间68。如前面所指出的一样，环形空间68在其下端部处由密封件26密封。穿过上密封元件66的杆64可以是光杆以保持杆64与上密封元件66之间的密封。在一个方面中，可能期望在杆64柱的上端部64a附近使很多段杆64是光杆。

[0022] 杆64柱的上端部64a可以与包括制动器72的钻机绞车70连接。比如钻机吊卡和游动滑车73的装置将杆钻柱64固定至绞车70。

[0023] 制动器72可以以各种方式操作。如果期望避免制动器72的手动操作，则制动器72可以包括自动或远程操作系统。在一个实施例中，例如，制动器72可以通过自动系统操作，该自动系统监测绞车70中的张力并且操作制动器72以将张力保持在选定的范围内。制动器72可以例如由马达操作。张力可例如通过安装在钻井绳、绞车70等上的张力计来进行监测。这些张力读数可以自动地或者通过人工监测地反馈给用于制动器马达的控制器并且给控制器发出指令。

[0024] 根据本发明一个方面的方法包括：使工作柱14下入现有的竖直、偏斜或水平井眼12中。在工作柱14的底部处，可设置造斜器18，该造斜器用来使钻井设备10例如沿着径向方向偏离现有井眼12的长轴线。

[0025] 钻井设备10从地面插入工作柱14内。钻井设备10包括一段钻管16，其中钻头17附接至钻管16的远端部并且流通装置60附接至钻管16的上端部。通过补充比如抽油杆的杆64接头来将该钻井设备10下放到钻井12中，每次连接使得钻井设备10进一步前进到现有井眼12中。

[0026] 造斜器18包括密封件26，该密封件形成用来密封抵靠在钻管16的外直径上，并且保持环形空间68中的压力密封，同时允许钻管16向前运动穿过密封件26。

[0027] 一旦钻头17进入密封装置16，在地面设施处结合有地面密封装置66，并且杆64经由常规工具保持与钻井钻机或修井设备游动滑车连接。高压流体比如通过端口74在地面密封件66下方注入到系统中。该高压流体沿着工作柱14向下泵送并且在流通装置60处进入钻井设备10。

[0028] 一旦在钻井设备10内，流体流向钻头17，在钻头处压力使得有效地产生出在钻井设备10上向下拉的力。流体还离开钻头17作为高速切割射流，该高速切割射流被导向要被切除的地层以形成横向孔11。

[0029] 由高压力形成的该向下力受到已经结合到在操作中所用的钻机绞车70中的制动器72的阻挡。通过释放制动器72上的压力，钻机操作人员允许整个钻井设备10向前运动并且以所期望的任何速度穿透地层。

[0030] 在钻井设备10已经完成规定的横向孔11时，可通过使用绞车70使钻井设备立即撤回以将该设备向后拉动穿过造斜器装置18。如果期望的话，可使造斜器18重新取向，并且如果钻井设备10还没有就位的话，则钻井设备可重新设置到底部密封件26中，并且可钻出另一个横向孔(未示出)。该过程可重复进行多次。

[0031] 该装置和方法可以具有许多重要的特征和优点。它允许使用杆64来展开和撤回钻井设备10。杆64在许多油田中是廉价并且充足的。杆64可用来使钻井设备10“工作”以提供实现所期望的横向孔11的长度的增大可能性。还有，本发明允许使用钻机的绞车70和制动器72(在操作中已经需要)来限制和控制钻井设备10的钻进速度。

[0032] 图2显示出另一个方面的钻井设备110。管状工作柱114可被插入到主钻孔112中。造斜器18可以在工作柱114的下端部处连接，并且可具有穿过造斜器18的孔118a。

[0033] 钻井设备110可具有可插入穿过造斜器118的孔118a的钻管116。造斜器118的孔118a在穿过造斜器118时可改变钻管116的方向。孔118a可用来使钻管116从工作柱114的长轴线向外弯曲。钻头117可设在钻管116的远端部上。钻头117可以具有包括喷嘴的任意合适设计，以产生出期望的切割射流。

[0034] 流通装置160可设在钻管116的上端部处。流通装置160可具有一条或多条管道162，该一条或多条管道使钻管116的孔116a与由工作柱114形成的环形空间流体连通。

[0035] 流通装置160可与由连续杆、连续的连续管(coil tubing)等构成的连续连接柱150的远端部连接。出于说明的目的，连续指的是与由多根端对端连接的杆形成的连接柱相比向下穿过主钻孔115的连接柱的长度沿着其长度方向没有断开。保持着连接柱150和鹅颈管153的卷轴152可在地面处设有喷射头154，以便将连接柱150供给到工作柱114中。
封井器(stripper)156可设在工作柱114的顶端部处，以便在工作柱114与连接柱150之间形成密封。

[0036] 钻井设备110可用来通过使用连接柱150来使钻管116前进穿过造斜器118并且横向出来进入横向钻孔111中以便钻出横向钻孔111。通过控制连接柱150穿过喷射头154并且沿着工作柱114向下的量，可控制钻管116的头部117的前进/钻进。

[0037] 钻井流体可泵送到形成在连接柱150与工作柱114之间的环形空间中，并且可比如通过端口174在该环形空间中加压。环形空间中的加压钻井流体可穿过流通装置160中的其中一条管道162进入钻管116的孔116a而作为切割射流从钻头117排出。在从钻头117排出的切割射流切入横向钻孔111中时，连续管喷射头154可用来使连接柱150沿着工作柱114向下前进，并且由此使钻管116前进穿过造斜器118并且进一步进入横向钻孔
111。

[0038] 图2所示的钻井设备110可采用流经工作柱114与连接柱150之间的环形空间中以产生切割射流的一种类型钻井流体。但是，在一些情况中，可能期望将附加流体与钻井流体混合。图3显示出另一个方面的流通装置260。在所用的连接柱150为具有内孔150A的连续管时，流通装置260可以与图2所示的钻井设备110一起使用，以便给用来液压钻出横向钻孔111的钻井流体添加附加流体。

[0039] 流通装置260具有很多条通向内部通道264的管道262。流通装置260的底端部可与钻管116连接，并且内部通道264可与钻管116的孔116a流体连通。管道262使工作柱114与连接柱150之间的环形空间与内部通道264以及钻管116的孔116a流体连通。在环形空间填充有加压钻井流体时，加压钻井流体可通过流通装置260中的管道262进入钻管116，进入流通装置260的内部通道264中，然后进入钻管116的孔116a中。

[0040] 在连接柱150的孔150a与内部通道264之间可设置单向流量阀266。与钻井流体不同的附加流体可沿着连接柱150的孔150a向下通过，在那里它可通过单向阀266并且进入流通装置260的内部通道264。该附加流体可以是与钻井流体不同的任意合适的流体，该附加流体包括但不限于：水、酸、氯化钾、磨粉浆、氮、其它化学药剂或材料等中的一种或组合。

[0041] 这样，可以设置从地面通过连接柱150的孔150a进入到流通装置260的直接管道以与通过管道262进入流通装置260的钻井流体混合。单向阀266可允许附加流体向下穿过连接柱150的孔150a而进入内部通道164，但防止钻井流体从内部通道164进入连接柱150的孔150a。

[0042] 在一个方面中，在附加流体和钻井流体在内部通道264中混合时，单向阀266和/或管道262可布置成使得附加流体比如通过文丘里效应与钻井流体混合。

[0043] 例如，如果所用的附加流体是用于钢套管的射流钻井或者岩石的磨蚀辅助切割的磨蚀液，则可将磨蚀液输送穿过连接柱150的孔150a以在流通装置260中与钻井流体混合。通过调节相应的压力和流量，可获得对于射流钻井而言视为最佳的混合物。所期望的高压和流量的主要源将进入，作为从工作柱114与连接柱150之间的环形空间穿过流通装置260的流通管道262的钻井流体，在该连接柱处，摩擦冲击将明显低于在连接柱150的更小直径的孔150a内发现的摩擦。通过来自环形空间的钻井流体的明显更高压力以及流量使从连接柱150进入流通装置260的磨蚀液增加，由此在钻头117处以所需的压力和流量输送附加流体和钻井流体的所需泥浆。在只需要磨蚀浆液在钢套管中切出孔的情况中，一旦决定钻头117已经穿透套管，则将中断从连接柱150流出的泥浆流。然后，可以在没有设置为通过连接柱150的附加流体的磨蚀添加剂的情况下继续进行钻井过程。

[0044] 在喷射钻井过程由于特别难以切割岩石而碰到困难的情况下，通过在钻井流体作为切割射流排出之前只是开始使附加流体沿着连接柱150向下流动以与钻井流体混合，从而可以将附加流体(比如磨蚀液)通过管道262重新引入到进入流通装置260的钻井流体中。

[0045] 一旦横向钻孔111已经实现其进入地层的目标钻进(例如30米、50米、100米)，则流通装置260可允许引入附加流体(比如酸或其它化学药剂等)以通过将附加流体和钻井流体的混合物注入到横向钻孔111中来帮助推进横向钻孔111。在钻头117将已经处于横向钻孔111的底端处时，不需要任何起下钻(tripping)。通过调节附加流体和钻井流体的压力、流量和化学药剂，可实现对新钻出的横向钻孔111进行酸化处理或化学处理。

[0046] 在另一个方面中，附加流体和钻井流体的协作与对在工作柱114与主钻孔112的套管之间的回流的密封相组合允许进行挤酸。

[0047] 在再一个方面中，可以调整压力和流量，并且通过连接柱150引入其它所期望的元素(包括水、酸、砂子或其它支撑剂)作为附加流体，以用于从横向钻孔111的底端进行液压裂化或酸裂化。在这个方面中，钻管116在钻头117附近可配备有可膨胀封隔器，这将使钻头区域与横向钻孔111和主钻孔112的其余部分密封。

[0048] 所公开的实施例的前述说明用来使得本领域技术人员能够制造或使用本发明。对那些实施例作出的各种变型对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且在此所限定的一般原理可以适用于其它实施例而不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明并不旨在局限于在此所示的实施例，而是旨在符合与权利要求书一致的全部范围，其中成单数形式(例如采用冠词“a”或“an”)的元件并不旨在表示“一个且只有一个”(除非特别指明)，而是表示“一个或多个”。对于本领域普通技术人员已知或随后逐渐知晓的与在整个公开中所描述的各个实施例的元件等同的所有结构和功能旨在由权利要求书的要素所涵盖。而且，不管这些公开内容在权利要求中是否有明确记载，在此所公开的任何内容对公众来说都不是专用的。