专利名称：具有独立喷射泵的浅孔钻进总成的制作方法
技术领域：
本发明涉及油田钻井装置和方法，特别涉及通过用固定在内套管部分上的喷射泵总成人工提升钻用冲洗液和地层泥浆(formationfluid)而在平衡钻井状态下进行导入的设备和方法，同时用穿过喷射泵总成的钻头和钻杆进行钻井。
背景技术：
为了由地下岩层开采流体如油、煤气和水，要在含水区域内钻井。大多数井通常是采用钻探设备、钻头、钻杆和泵钻出来的，泵用于使流体循环流入和流出已经钻出的孔。钻探设备旋转并向下移动钻杆和钻头以穿透岩石。钻用冲洗液有时称为钻井泥浆，通过泵被向下输送到钻杆而流过钻头，以便在其钻开岩石时对钻头的动作起到冷却和润滑的作用。此外，钻用冲洗液排出由钻杆的旋转动作产生的岩石颗粒，称为钻屑。钻屑随着钻用冲洗液流回地面以供分离和再使用而被卷入到钻用冲洗液流中。钻用冲洗液流还有第二种用途，即通过施加的重力防止了岩层向井中的渗漏。当钻用冲洗液柱的重力用于防止渗漏时，钻用冲洗液柱的流体静压超过岩层内所具有的压力，该钻井状态称为不平衡钻井。
钻进时所要求的状态是，要防止钻用冲洗液渗入周围岩石和污染蓄池。其它所要求的状态是使任何液体如来自正在钻进的蓄池中的油流入钻头以上的井身中，以便在钻进过程中实现开采。这两种状态可以这样来实现，即通过降低底孔压力，或者换句话说，通过降低井身中液柱所施加的静水压力而使其低于岩层中所形成的孔隙水压力(pore pressure)。降低井身中的底孔压力同时在低于岩层压力的状态下钻进以实现上述任一目的的过程称为低压钻井(under balanceddrilling)。
普通低压钻井有意识地地减小井身中的流体密度。在普通低压钻井中，该流体密度的减小引起液柱静水压力低于正在钻进的岩层的孔隙压力。当密度减小导致了液柱静水压力低于正在钻进的岩层的孔隙压力时，蓄池中的流体会流入正在钻进的井身。低压钻井在油、气开采工业非常受欢迎，因为它不会使钻用冲洗液渗入周围岩石和破坏储槽的渗透性。
在钻井过程中，一般通过将密度小的介质如空气、氮、废气或天然气注入沿钻杆向下压入的冲洗液中而实现低压状态。注入的气体与钻用冲洗液混合而减小其密度，由此降低钻杆和井身壁之间的环腔内所形成的静水压力。同心套管技术是一种通用方法，它通过利用悬挂在开采套管内的井身中的第二套管柱而将气体输送到井底。注入的气体通过由两个套管柱构成的外环腔向下流向井底。当通过钻杆输送的钻用冲洗液通过第二或同心套管柱和钻杆之间的内环腔向上流动时，该钻用冲洗液和任何开采的流体与注入的气体混合。该过程可以反向，使得内环腔用于注入，而外环腔用于井的排流。使用气体作为减小密度的介质有明显的缺点。首先，如果使用空气，则带来下井着火的危险或腐蚀问题。其次，如果使用惰性气体，如氮气，则费用很高。另外，地面上各种气体所需要的压缩费用也是非常高的。
其它降低底孔压力的方法是，采用喷射泵和动力液体通过人工方式引起冲洗液由井内上升的而将其从井内排出。喷射泵的使用在停止钻进动作的开采作业中是很常见的。在这种情况下，已经抽出钻杆和钻头，并将喷射泵放入到管柱端部的井内。地面泵沿管道向下并通过喷射泵的喷嘴、喉部和扩散器来输送高压动力液体。动力液体的压力由喷嘴转换成动能，形成了极高速度的液流喷射。通过由喷嘴流入喷射泵喉部的高速动力液体，钻用和开采用冲洗液被吸入喷射泵的喉部。钻用和开采用冲洗液在流过扩散器时与动力液体混合。当这些液体混合时，扩散器将高速混合的液体转变成增压液体。增压液体具有足够的能量，以便通过开采套管和将喷射泵送入井内的管之间的环腔使其流向地面。
尽管喷射泵用于通过降低开采井中的底孔压力而从井内排出流体，但是如果喷射泵与钻进作业结合，则低压钻井的优点会更显著。可以在沿着孔向下插入钻柱并操作钻头时采用喷射泵实现低压状态。通过使用动力液体如水而可以避免采用气体的缺点，由此提高安全性和降低费用。已经作了多种将喷射泵放入钻头的尝试。但是，当喷射泵放置在钻头内时，钻用冲洗液在流入喷射泵喷嘴之前起两个作用并且成为动力液体。当动力液体和钻用冲洗液是同一种液体并流入喷射泵的喷嘴时，钻用冲洗液的过度磨损性会引起喷射泵过早地磨损。
需要对现有技术进行的改进是与同心套管柱连接的喷射泵，它会在使钻柱独立于喷射泵工作时实现人工提升。需要对现有技术进行的进一步改进是连接于同心套管柱的喷射泵，它会在动力液体流过喷射泵的喷嘴后使动力液体与钻用冲洗液分离。
发明概述满足上述需要的本发明是浅孔钻进总成(DHDA)，它用于通过液力喷射泵来引起钻用和开采冲洗液的人工提升，液力喷射泵连接于同心套管柱和钻柱，钻柱包括钻头和穿过喷射泵的钻柱。在该设计中，动力液体流过喷射泵的喷嘴后，钻用冲洗液和开采用冲洗液不与动力液体混合。喷射泵连接同心套管柱的内套管部。喷射泵由喷嘴、喉部和扩散器组成。喷射泵总成还包括囊件，该囊件膨胀以使钻用冲洗液改道流动而由内环腔流向喷射泵的喉部。
附图简要说明
图1是CCJP和(DHDA)优选实施例的视图，示出了未膨胀的囊件。膨胀囊件的位置由点划线表示。
图2是沿图1中线2-2的CCJP和(DHDA)优选实施例的横截面图，示出了喷射泵、钻用冲洗液腔、内环腔和外环腔。
图3是沿图1中线3-3的DHDA优选实施例的横截面图，示出了喷射入口、钻用冲洗液腔、内环腔和外环腔。
图4是沿图1中线4-4的DHDA优选实施例的横截面图，示出了囊弯头部、囊壳、钻用冲洗液腔、内环腔、外环腔、和钻柱。
图5是沿图1中线5-5的DHDA优选实施例的横截面图，示出了囊件、囊入口、囊弯头部、囊管、内环腔、外环腔和钻柱。
图6是沿图2中线6-6的DHDA优选实施例的横截面图，示出了膨胀的囊和钻用冲洗液腔延伸至泵室。
图7是DHDA的另一实施例，示出了泵和泵壳的单独结构。
图8是沿图7中线8-8的DHDA另一实施例的横截面图，示出了喷嘴、扩散器、泵室、内环腔和外环腔。
图9是DHDA的详视图，示出了喷射泵、喉部和扩散器。
图10是DHDA另一实施例的横截面图，其中钻用冲洗液腔内壁和钻用冲洗液腔外壁起扩散器作用。
图11是用于操作DHDA的地面设备的示意图。
优选实施例描述如图1所示，井身160与开采套管120成直线排列，套管将外环腔210与土壤130分开。封隔器140张开以装配开采套管120。内套管150与开采套管120同心，并且其直径小于开采套管120的直径。内套管150由表面向下延伸并固定于封隔器140。内套管150和开采套管120构成外环腔210，外环腔210向上延伸至地面并在封隔器140的底部被封闭。外环腔210装有动力液体100，由地面将该动力液体100压入。钻柱110插入内套管150内部，在钻柱110和内套管150之间形成内环腔230。钻用冲洗液101由地面流过钻柱110的中部而流向井身160的底部，接着向上流过钻柱110和开采套管120之间的环腔形区域。当钻用冲洗液101流到封隔器140时，其向上流过内环腔230。钻用冲洗液101可以在钻柱110和内环腔230之间反向流动。
DHDA300固定于内套管150上并位于封隔器140之上。当使用在此处时，术语喷射泵表示具有喷嘴、喉部和扩散器的装置，它由动力液体向钻用和开采用冲洗液传递能量，以通过人工由内井提升和排出钻用和开采用冲洗液，由此减小喷射泵之上的同心套管柱和钻杆之间的环腔内组合液柱重量。钻用冲洗液流入壳体310通过螺纹安装在内套管150上，并由内套管150向上和向外延伸。钻用冲洗液流入壳体310的直径与内套管150的直径大致相同，使得如果需要的话，钻用冲洗液流101可以通过内环腔230连续向上流到地面。钻用冲洗液流入壳体310还包含钻用冲洗液入口240，钻用冲洗液入口240是钻用冲洗液流入壳体310中的孔，该孔使钻用冲洗液101流入钻用冲洗液腔242。钻用冲洗液腔242是环腔形区域，钻用冲洗液11由钻用冲洗液入口240流过该环腔形区域而流向泵室216。
如图4所示，由外侧的钻用冲洗液腔外壁312形成钻用冲洗液腔242，钻用冲洗液腔外壁312通过螺纹安装在钻用冲洗液流入壳体310上并由其向上延伸。由囊壳318、钻用冲洗液腔内壁314和泵壳320内部形成钻用冲洗液腔242。钻用冲洗液腔内壁314沿着钻用冲洗液腔242向上延伸并焊接在囊壳318上。囊壳318将囊件316固定住，并包括位于囊件316上下端的一对圆筒，圆筒的直径与钻用冲洗液腔内壁314的内壁直径相同。当用于此处时，术语囊件表示这样的部件，该部件由第一位置向第二位置膨胀以接触钻柱，并使回流的液体转向而流过喷射泵。囊壳318的下圆筒焊接到钻用冲洗液流入壳体310上。囊壳318的上圆筒焊接到钻用冲洗液腔内壁314的内壁上。
囊件316为圆筒形并与囊壳318互锁。囊件316的直径与钻用冲洗液腔内壁314的直径相同。囊件316由膨胀材料制成，如橡胶，它在膨胀时，由钻用冲洗液腔内壁314向着钻柱110向内膨胀。囊管332通过螺纹安装在钻用冲洗液流入壳体310内。囊管332向上延伸穿过钻用冲洗液腔242，并通过螺纹拧在囊弯头部334内。囊弯头部334焊接在钻用冲洗液腔内壁314上。如图1和5所示，囊入口222供动力液体流过囊弯头部334和囊件316之间的钻用冲洗液腔内壁314。动力液体100由外环腔210流过囊管332、囊弯头部334和囊入口222而到达囊件316。当动力液体100的压力升高时，动力液体100将充满囊填充区224，囊件316会膨胀直到其接触钻柱1 10为止。当囊件316接触钻柱110时，囊件316使钻用冲洗液101的流动在内环腔230内转向，并迫使钻用冲洗液流101流过钻用冲洗液入口240而流入钻用冲洗液腔242。
如图2所示，泵壳320通过螺纹拧在钻用冲洗液腔内壁314和钻用冲洗液腔外壁312上。当钻用冲洗液腔242分成四部分向上延伸穿过泵壳320，如图6所示。钻用冲洗液101向上流过钻用冲洗液腔242而进入泵室216。泵室216是环腔形区域，其内侧由泵322形成，外侧由泵壳320形成。泵室216中的钻用冲洗液101围绕泵322并由泵喷嘴214形成的动力液体100吸入喉部217。
如图3所示，泵壳320包括四个泵入口，供动力液体100由外环腔210流向泵322。DHDA300包括四个泵322，每个泵拧入泵壳320。每个泵322都是圆筒形的，并具有固定式连接泵322上端的泵嘴214。泵嘴214呈锥形，其上端具有孔以使动力液体100由泵322流入喉部217。
如图9所示，动力液体100和钻用冲洗液101在喉部217混合起来以形成废液(effluent)102。废液102向上流过喉部217并流入扩散器218。扩散器218是在扩散器壳324中的锥形孔，扩散器壳324通过螺纹拧入泵壳320内。废液102由扩散器218向上流动并流入废液腔244。废液腔244是环腔形区域，其外侧由内套管接头326形成，内侧由钻柱110形成。内套管接头326通过螺纹拧在泵壳320和内套管150上。废液由废液腔244向上流动而流入内环腔230内并继续流向地面。
CCJP和(DHDA)300仅在囊件316如图6所示进行膨胀时工作。当囊件316不膨胀时，钻用冲洗液101向上流动，流过内环腔230而不流入钻用冲洗液入口240。当动力液体100的压力增大以使囊件316膨胀而靠在钻柱110上时，将不再允许钻用冲洗液101通过内环腔230向上流动，而是迫使其流入钻用冲洗液入口240。如图10所示，显示了DHDA 300的另一个实施例，其中囊管332向上延伸，泵322与钻用冲洗液入口240结合。图10中实施例的有益之处是减少了所需部件的数量。还可以通过使DHDA300的部件为单一结构而获得其它实施例。在图7中，喷射泵322和泵壳320是单一的。此外，喷射泵的数量应该不限于优选实施例中给出的数量。图8是DHDA 300的另一种实施例，它采用了6个泵。图8也是向着扩散器下面看到的喷射泵的俯视图，示出了喷射泵嘴、喉部和扩散器。
引起钻用和开采用冲洗液101上升以将其排出的方法，包括通过喷嘴喷出动力液体100，使得当动力液体由喷嘴喷出时，产生吸入钻用和开采用冲洗液101的压差。动力液体进入扩散器，动力液体在此处与钻用冲洗液和开采用冲洗液混合。当动力液体处与钻用冲洗液和开采用冲洗液腔混合时，高速度的动力液体将钻用冲洗液和开采用冲洗液变成合成增压液体，该合成增压液体现在具有了流向地面的能量。该过程通过减小DHDA300之上的液体柱的静水重力而减小了废液102的压力。静水重力的减小反过来减小了DHDA300下面井身160中的压力，并使蓄池中的开采用冲洗液流入井身160中。可以在钻井过程中使用该引起上升的方法，该方法适用于内套管150而不是钻柱110。
图11示出了地面设备，需要该地面设备采用同心喷射泵来钻低压井。所示的一些设备，如钻塔400、钻用冲洗液泵402和泥浆罐/固体控制设备406，用于大多数普通钻井作业中。还示出了其它用于平衡钻井的设备，如四相(油、水、钻屑和煤气)分离器404、火把烟囱405、储油罐409、采出的水储存罐408和钻用冲洗液储罐407。需要操作同心喷射泵的辅助地面设备是动力液体泵401和动力液体过滤设备403。需要独立的泵以迫使动力液体100沿着环腔向下流动。不能使用钻用冲洗液泵402的原因有两个。第一个原因是，动力液体泵401需要在比钻用冲洗液泵402高得多的压力下工作。第二个原因是，需要过滤动力液体100，使得该动力液体不会过早地腐蚀DHDA 300中的喷嘴。通过钻用冲洗液泵402沿着钻柱110向下泵送和循环的钻用冲洗液101中包含由正在钻进的岩石中产生的“钻屑”，因此称为泥浆，而且不适于流过小的喷射泵嘴。
根据上述说明，对本领域的技术人员来说显而易见，要设计本发明部件的优选尺寸关系，包括尺寸、材料、形状、机构、功能和作业方式、装配和使用的变化，本发明目的是要包括与附图中示出的和说明书中描述的内容等同的装置和方法。
权利要求
1.一种浅孔钻井总成(DHDA)，包括一具有喷射泵的喷射泵总成和一连接于钻杆的钻头，其中钻头独立于所述喷射泵总成进行工作。
2.如权利要求1所述的组合喷射泵和钻头，还包括钻用冲洗液流入壳体，所述钻用冲洗液流入壳体固定于同心套管柱部分的内套管。
3.如权利要求1所述的组合喷射泵和钻头，还包括钻用冲洗液入口。
4.如权利要求1所述的组合喷射泵和钻头，还包括钻用冲洗液腔。
5.如权利要求1所述的组合喷射泵和钻头，还包括囊壳。
6.如权利要求1所述的组合喷射泵和钻头，还包括泵壳。
7.如权利要求1所述的组合喷射泵和钻头，还包括囊件。
8.如权利要求1所述的组合喷射泵和钻头，还包括封隔器。
9.如权利要求1所述的组合喷射泵和钻头，还包括动力液体。
10.一种装置，包括一同心套管柱部分，具有内柱部分和外柱部分；一喷射泵总成，固定于所述内柱部分；一喷射泵，固定于所述喷射泵总成；一钻柱部分，穿过所述喷射泵总成；一钻头，固定于所述钻柱部分；其中，动力液体流过喷射泵，向钻用冲洗液和开采用冲洗液施加冲量，使井身中所装的液柱的静水压力减小；以及其中钻头独立于喷射泵总成进行工作。
11.如权利要求10的装置，还包括固定于喷射泵总成的封隔器部件。
12.如权利要求10的装置，还包括固定于喷射泵总成的囊件，其中所述囊件由第一位置向接触钻柱的第二位置膨胀，由此使钻用冲洗液流入喷射泵总成。
13.如权利要求10的装置，还包括囊件膨胀总成，其中所述囊件膨胀总成使用高压液体来使囊件膨胀。
14.如权利要求10的装置，还包括其中动力液体是水。
15.如权利要求10的装置，其中所述喷射泵还包括一喷嘴，所述喷嘴适于通过螺纹与所述喷射泵结合，使得可以将所述喷嘴拆下而由其它喷嘴替换；以及一扩散器，所述扩散器适于通过螺纹与所述喷射泵结合，使得可以将所述扩散器拆下而由其它扩散器替换。
16.一种装置，由下列组成一喷射泵，具有喷嘴、喉部和扩散器；一同心套管柱，具有内套管部分和外套管部分；一固定于所述喷射泵的囊件，其中所述囊件使钻用冲洗液流入所述喷射泵；一钻柱，穿过所述喷射泵；一钻头，连接所述钻柱；一动力液体；一钻用冲洗液；其中所述喷射泵固定于内套管部；其中，动力液体和钻用冲洗液直到动力液体流过所述喷嘴后才混合；以及其中所述喷射泵利用动力液体引起钻用冲洗液的上升。
17.如权利要求16所述的装置，还包括固定于所述喷射泵的囊膨胀总成，其中所述囊膨胀总成用高压液体来使囊件膨胀。
18.如权利要求16所述的装置，所述动力液体选自由水、油和柴油组成的一组。
19.如权利要求16所述的装置，其中所述喷嘴适于通过螺纹与所述喷射泵结合，使得可以将所述喷嘴拆下而由其它喷嘴替换；以及所述扩散器适于通过螺纹与所述喷射泵结合，使得可以将所述扩散器拆下而由其它扩散器替换。
20.一种装置，由下列组成一喷射泵，具有喷嘴、喉部和扩散器；一多个同心套管部分，每个所述同心套管部分由内套管部分和外套管部分构成；其中所述喷射泵固定连接于所述内套管部分；一固定于所述喷射泵的囊件，其中所述囊件使钻用冲洗液流入所述装置；一囊膨胀总成，其中囊膨胀总成使用动力液体膨胀所述囊。
21.如权利要求20所述的装置，其中所述动力液体选自由水、油和柴油组成的一组。
22.如权利要求20所述的装置，其中所述喷嘴适于通过螺纹与所述喷射泵结合，使得可以将所述喷嘴拆下并由另一个喷嘴替换；以及所述扩散器适于通过螺纹与所述喷射泵结合，使得可以将所述扩散器并由另一个扩散器替换。
23.一种引起钻用冲洗液上升的方法，包括使用多个同心套管，包括至少一个内套管部分和一个外套管部分；将喷射泵连接到所述内套管部分上；以及采用所述喷射泵将增压液体注入钻用和开采用冲洗液。
24.如权利要求23所述的方法，还包括使钻用冲洗液改道而流入所述喷射泵。
25.如权利要求23所述的方法，还包括采用增压液体使囊件膨胀。
26.如权利要求23所述的方法，其中所述注入步骤还包括使降低所述钻用冲洗液中的压力。
27.如权利要求23所述的方法，其中所述注入步骤还包括在井身中产生低压钻井状态。
28.一种系统，包括一多个同心套管，由至少外套管部分和内套管部分组成；一喷射泵，固定连接于所述内套管；一钻塔，其中所述钻塔可以将钻杆和套管插入井身并能旋转钻杆；一钻用冲洗液泵，其中所述钻用冲洗液泵使钻用冲洗液进行循环而由地面流向井身底部并流回到地面；一动力液体泵，其中所述动力液体泵使高压液体增压，所述高压液体通过喷射泵向下注入外环腔并注入返回地面的钻用和开采用冲洗液。
全文摘要
本发明公开了一种浅孔钻进总成(DHDA)，该总成在钻进作业中，通过连接于同心套管柱的单个或多个液力喷射泵进行人工提升钻用和开采冲洗液而使其离开井身；DHDA包括穿过喷射泵总成的钻柱和钻头，使得动力液体在流过喷射泵喷嘴后与钻用或开采用冲洗液分离；喷射泵总成连接于同心套管柱；喷射泵还包括囊件，该囊件膨胀以使钻用或开采用冲洗液改道而由内环腔或回流环腔流入喷射泵总成；喷射泵总成的目的是，通过人工提升和排出冲洗液，由此将井身内的液体水平面降低到一点，在该点，由井身底部附近的液柱施加的静水压力低于正在钻进的岩层的孔隙水压力，由此形成低压状态。
文档编号E21B33/127GK1407207SQ02141569
公开日2003年4月2日 申请日期2002年9月3日 优先权日2001年9月4日
发明者威廉·詹姆斯·休斯, 吉米·乔西·伦弗罗 申请人:休斯Ubhd器具有限责任公司