专利名称：盘管钻井系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种盘管钻井系统，并且本发明已经被特别地设计成不仅 仅用于在地下采矿的情况下钻基本上水平的钻孔。
背景技术：
在采矿操作中，存在许多需要从地下钻机将水平钻孔钻到基本上水平 的矿层中的情况。这样的例子包括但不限于从地下矿层采集地质样品，以及瓦斯抽放例如从地下煤层抽放沼气。这些技术统称为"顺层(in-seam) 钻井"。顺层钻井是地下采矿的成本很高的部分，特别是在煤矿开采中，设置 顺层钻机需高成本并且井下(downhole)电机和勘测工具系统的使用具有 高风险。目前的顺层钻机通常使用带有分节连接的部件的传统的钻杆，每钻三 米通常需要人工处理钻管和水旋转接头连接是劳动非常密集的。现有的顺 层钻井系统的正常操作人员通常是每班三人并存在很大的风险，通过减少 总体地下人员以及简化在这种情况下使用的钻机，将获得成本收益。盘管的使用在钻井操作中已经公知一段时间了 ，所述盘管包括盘巻且 边缘悍接到连续管中的壁较薄的带状金属条，所述连续管能够传递纵向推 力，同时足够柔软从而能够巻绕到巻筒上或者通过弯曲部周围。盘管操作 初始为现有的油井和气井的维修(处理、再激励和维护)而开发。连续的 巻形管道允许快速插入和收回井下工具，并使得这些操作能够在不需要传 统的维修机的情况下完成。盘管钻井(CTD)已经使用了一段时间，通常 用于基本上垂直的小口径井(通常为气井)的安置，虽然CTD技术最近已 经用于深方向水平井。然而，通常难以控制CTD机中钻头的方向，本发明 以使得成本有效且在地下采矿情况下精确布置CTD钻机的方式解决了这 个问题。作为盘管的替换，也公知的是使用复合管，这些替换在这个说明书中 通常描述为半刚性管道。发明内容因此，本发明提供了一种用于钻地下孔的钻机，该钻机包括巻绕到巻 筒上的一定长度的半刚性管道，巻筒可旋转地安装在巻筒框架中并被布置 使得半刚性管道可以从巻筒展开并通过喷射器单元配置到钻孔中，巻筒框 架又被可旋转地安装在支撑架中，使得框架可控制地围绕轴线旋转，该轴 线垂直于巻筒的旋转轴线并平行于通过喷射器单元配置的半刚性管道的 轴线或者基本上与通过喷射器单元配置的半刚性管道的轴线一致-所述钻机进一步包括安装在半刚性管道的端部的钻井组件，并结合有 偏移特征，在钻井操作期间，随着半刚性管道被喷射器单元推进，所述偏 移特征使得钻井组件偏离直路径，由此通过使巻筒框架相对于支撑架旋转 来实现半刚性管道围绕它的纵轴线旋转，从而控制偏离方向。优选地，所述喷射器单元包括向管道提供推力的牵引机单元，从而在 钻井期间将管道和所连接的钻井组件推到钻孔中。优选地，所述喷射器单元也可操作成向管道施加张力，从而在需要时 从孔中收回管道和钻井组件。优选地，所述钻井组件包括传统的井下马达。优选地，所述井下马达被布置成驱动PCD钻头，并且所述钻井组件还 包括勘测和地质感测封装件。优选地，所述偏移特征包括弯曲子壳，该弯曲子壳被布置使得钻头的 轴线偏离在钻孔中的盘管的纵轴线。优选地，所述半刚性管道通过外围密封被配置到钻孔中，使得在钻井 操作中钻孔流体被恒定地加压。
不排除可落入本发明范围内的任何其它形式，现在将参照附图只通过示例的方式描述本发明的优选形式，其中图l是位于地下层钻井位置的根据本发明的钻机的示意性正视图；图2是与图1中所示的钻机相似的钻机的透视图，示出了巻筒框架和支撑架；图3是示出在钻孔的端部处于操作中的钻井组件的穿过由根据本发明 的设备钻的地下钻孔的正视图。优选实施方式根据本发明的CTD(盘管钻井)系统是轨道安装高移动性的钻井单元。 该单元通常包括钻井单元l，钻井单元1安装在驱动轨道单元2上，从而在 采矿位置内移动布置，采矿位置通常可包括采矿路径，采矿路径具有位置 邻近矿层4的底层3，期望在矿层4钻基本上水平的钻孔5。路径的顶部以6示出。安装在钻井单元1上的巻筒7容纳巻绕到巻筒上的盘管8。液压马达25 使巻筒旋转，以根据需要从巻筒上供给管道以及将管道收回到巻筒上。使 马达转动的液压动力由电动液压动力组提供，该电动液压动力组位于如9 所示的钻井单元上或者位于单独的垫木附近。通过管道矫直机和/或张紧器单元10以及通过喷射器(牵引机)单元11来从巻筒上供给盘管8。喷射器单元ll将推力提供到管道，从而在钻孔 过程中将管道和所连接的井下组件(下面将进一步描述)推到钻孔5中。 喷射器单元ll也能够向管道施加张紧力，从而当需要时从孔中收回管道和 井下组件。管道巻筒7安装在框架12内，框架12能够围绕轴线旋转，该轴线垂直 于巻筒旋转轴线13并平行于喷射单元11的轴线和如钻孔5所代表的初始钻 井方向或者与喷射单元11的轴线和如钻孔5所代表的初始钻井方向一致。 受驱动马达26影响的巻筒框架关于这个轴线的旋转导致管道在钻孔5内旋转，从而允许如下所述地控制井下组件的方位(钟面)。井下组件由驱动PCD钻头15的传统的井下马达14、通过勘测地质感测连接子部分(sub) 18和抽排子部分19连接到井下马达的弯曲的子壳16以及勘测和地质感测电子隔箱17构成。井下组件通常由连接到盘管21的端部的BHA子部分20完成。 可以在勘测组件的任一侧使用适当截面的非磁性杆，以使由DHM和盘管导致的地球磁场扭曲最小化。多圈电引线通常插入通过管道的整个长度，将井下勘测和地质感测封装件连接到测量孔(up hole)显示器和数据测井系统(未示出)，从而使 得数据能够在井下和测量孔组件之间连续实时流动。勘测系统可以进行井下组件的倾斜、方位角和工具面(斜度、偏转和 滚动)的测量。这个数据与从巻筒7上的编码器获得的测量供应到钻孔5中 的管道的量的距离数据相结合使得能够推算钻孔轨道。弯曲的子部分16提供导致钻井组件偏离直线路径的偏移特征，通过使 巻筒框架12相对于支撑架22旋转而使盘管5围绕它的纵轴线旋转来控制偏 离方向。以这种方式，可以从钻机l精确地控制钻头的偏离方向。可以以两种模式之一进行钻井操作旋转，用于钻孔的较直部分；滑 动，用于改变井下轨道。在旋转模式中，巻筒框架12以稳定的速率(通常 达到10r.p.m)围绕它的轴线(与牵引机单元ll的轴线一致)旋转。这使 得盘管5、 21以及在图3中所示的井下组件以相同的速率旋转。同时，钻机泵(未示出)通过盘管5向井下马达14提供加压的钻井流 体(通常为水)，从而使得钻头以大约350r.p.m旋转。通过由喷射机单元 11提供到管道5的推力，将钻杆推进到地层中。以这种方式，钻孔以稳定 的速率并且在基本上垂直的方向上推进到矿层4中。当希望校正或改变当前钻孔轨道时，停止巻筒框架12的旋转，并且钻 井模式改变到滑动。在滑动模式下，巻筒框架定位在轴向位置，该位置导 致井下组件(特别是弯曲子部件16)呈现特定的面角度。弯曲子部分对钻 井轨道的效果在于它导致钻井产生曲孔，该孔转向由井下马达部分和子部 分的纵轴线限定的内部角度。以这种方式，通过操作人员使巻筒框架12围 绕它的轴线旋转到期望的位置来适当地定位弯曲子壳可以控制井下的轨 道。为了便于钻机的操作，单元1被定位得靠近矿层4的事先已经将竖管23短距离地安装到矿层中并在此处灌浆以形成稳定的确保水密的钻孔入口 点的面。竖管具有T形管24， T形管24是来自钻孔的岩屑和废水的出口点。在竖管端部的密封胶皮组件提供管道和竖管之间的水密封，使得管道移入 和移出竖管，同时钻孔流体被加压。与传统的从车道钻到未开采的煤层中的分段的杆相关的问题是在钻 杆周围的钻孔壁的塌陷，导致杆被粘住以及井下设备潜在损失。这个问题 通常由向煤层内的高应力和/或削弱区钻进"欠平衡"导致，由此钻孔流体压 力显著低于地层压力。盘管钻井系统的显著优点在于，在竖管中的穿过密 封胶皮形式的外围密封体的管道的连续长度允许在钻井操作中以及当将 底孔组件运行到钻孔中和运行出钻孔时对钻孔流体恒定加压。较高的钻孔 流体压力有助于支撑钻孔壁，因此使得塌陷可能性降低。利用分段的杆维 持钻孔加压是很困难的，这是因为每当需要增加杆或从钻杆上去除杆时， 需要断开钻杆与供给泵的连接。以这种方式，在地下位置可以采用相对简单的钻井系统以成本有效地 钻地下孔，所述相对简单的钻井系统使用的人力降低并且操作快速且简 单。盘管钻井系统提供比传统的钻井系统另外的优点是因为没有杆连接 因而是连续的钻井过程，所以实现了每班更快的钻井速率。因为不需要杆处理，所以需要更少的人员来进行钻井和收回操作。盘管钻井系统釆用已试验的且已测试的传统的井下马达(DHM)技术。连续的盘管长度允许钻机和井下勘测传动装置之间的引线连接，因此 在提供高的数据传输速率的同时井下部件成本更低。连续钻井系统(不需要改变杆)有助于潜在井下加压系统的集成，这 将有利于钻过"软"煤区。
权利要求
1.一种用于钻地下孔的钻机，该钻机包括卷绕到卷筒上的一定长度的半刚性管道，卷筒可旋转地安装在卷筒框架中并被布置使得半刚性管道可以从卷筒展开并通过喷射器单元配置到钻孔中，卷筒框架又被可旋转地安装在支撑架中，使得框架可控制地围绕轴线旋转，该轴线垂直于卷筒的旋转轴线并平行于通过喷射器单元配置的半刚性管道的轴线或者基本上与通过喷射器单元配置的半刚性管道的轴线一致所述钻机进一步包括安装在半刚性管道的端部的钻井组件，并结合有偏移特征，在钻井操作期间，随着半刚性管道被喷射器单元推进，所述偏移特征使得钻井组件偏离直路径，由此通过使卷筒框架相对于支撑架旋转来实现半刚性管道围绕它的纵轴线旋转，从而控制偏离方向。
2. 根据权利要求l所述的钻机，其中，所述喷射器单元包括向管道提 供推力的牵引机单元，从而在钻井期间将管道和所连接的钴井组件推到钻 孔中。
3. 根据权利要求2所述的钻机，其中，所述喷射器单元也可操作成向管道施加张力，从而在需要时从孔中收回管道和钻井组件。
4. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的钻机，其中，所述钻井组件包括传统的井下马达。
5. 根据权利要求4所述的钻机，其中，所述井下马达被布置成驱动PCD钻头，并且所述钻井组件还包括勘测和地质感测封装件。
6. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的钻机，其中，所述偏移 特征包括弯曲子壳，该弯曲子壳被布置使得钻头的轴线偏离在钻孔中的盘 管的纵轴线。
7. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的钻机，其中，所述半刚 性管道通过外围密封被配置到钻孔中，使得在钻井操作中钻孔流体被恒定 地加压。
全文摘要
一种用于将地下钻孔(5)钻到矿层(4)中的钻机，该钻机使用由牵引机单元(11)从卷筒(7)供给的盘状金属管道(8)来向钻头提供推力。钻头具有给出偏离角的弯曲子组件，通过使框架(12)中的卷筒(7)围绕钻孔(5)中的管道的轴线旋转来使钻孔中的盘状金属管道旋转从而控制所述偏离角。
文档编号E21B7/04GK101223334SQ200680026368
公开日2008年7月16日 申请日期2006年7月20日 优先权日2005年7月20日
发明者蒂莫西·格雷戈里·汉密尔顿·迈耶, 邓肯·麦克唐纳 申请人:Cmte开发有限公司;Aj卢卡斯煤炭技术有限公司