用于在地层中钻井眼的装置和方法
【专利摘要】公开了一种利用钻井液的反循环在地层内钻孔的装置和方法。管状钻杆延伸进入地层。连接至钻杆的井底钻具组合包括用于挖掘地层的钻头。井下马达适于从延伸进入地层的电缆接收电力。井下泵由该马达驱动，并构造成从围绕钻杆的环状空间向钻杆的内部反循环钻井液。通过井下泵将钻井液在钻杆内向上泵送，以通过钻杆的内部空间将挖掘的钻屑向上携带。
【专利说明】用于在地层中钻井眼的装置和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本发明涉及并要求在先提交的美国临时申请S.N.61/556，986的优先权，该临时申请于2011年11月8日向美国专利商标局提交。
【技术领域】
[0003]本发明涉及一种采用钻井液的反循环来钻井的方法和装置。
【背景技术】
[0004]当进行钻井以形成深井时，从地表向下泵送至地层裸井的钻井液或钻井泥浆的压力会很高。通常最好保持钻井液/泥浆的重力超过地层压力，从而防止气体从井眼“井涌”或流入。而且，泵入钻柱的摩擦压力可能会相当大。因此，需要施加压力以使钻井液和钻屑通过钻柱出来而流入裸井，并且以适当的速度经过环形空间向上流动。
[0005]在该方法中施加的压力太大会引起其他问题。即施加在地表的所述流体压力同样也施加至地层中的裸井。施加至地层裸井上的大压力会导致地层断裂，使得随后钻井液突然流失至地层中。所述钻井液至地层中的突然流失会产生严重的后果。在某些情况下，存在非常狭窄的压力“窗口 ”，从而在钻井过程中该压力可恰当地施加，而非施加太大或太小的压力。即过量施加的压力会导致地层断裂。另一方面，不足量的压力则不能正确地向上携带钻屑经过环形空间至地表。因此，存在一个压力“窗口”，在钻井时，工程师必须观察该窗口来计划所施加的压力。
[0006]有时，将许多循环材料或球丸加至钻井液中，所述材料离开钻头并且粘附至地层以防止该钻井液流失至地层中。但是，在开采作业中，所述材料会破坏地层，从而削弱地层向井眼中生产油气的能力。所述对地层的破坏是不期望的，因此通常最好不使用所述材料。
[0007]在泥浆重力“窗口 ”范围内的操作使得工程师能提高钻井效率，并且能在可能最佳深度处设定套管。如果套管设定得太浅，则造井成本会增加，同时钻井深度也受限。有时，这可能导致开采效率变低。在其他情况下，可能不能达到目标地层。所期望的是采用拓宽或打开该窗口的技术。
[0008]传统钻井采用旋转牙轮钻头来挤压岩石，使岩石破裂成钻屑。然而，脉冲功率钻井是通过将电压施加至岩石的地层内来构造井眼的方法，该方法会导致岩石在拉张而非挤压时破裂。在脉冲功率钻井中采用的高电压脉冲会在岩石上引起电弧，从而导致岩石在电压碎的过程中破裂。此类钻井技术的一个示例是Moeny等的美国专利公开文本N0.US2009/0050371 Al (见“Moeny”)。在该申请中，钻井液沿钻柱向下流动，并且通过电极附近的钻头中的通道流出，然后向上流到环形空间内的钻井装置外，从而将岩石钻屑带至地表(US 2009/0050371 Al，第 0109 段)。
[0009]尤其期望一种能降低地层破坏的风险并且能允许在深井钻井中使用减小的井底压力的技术或装置。极其期望一种能通过钻井液减小流速的流动来使钻屑被带至地表的钻井技术。[0010]本发明旨在改进的钻井装置和方法。
【发明内容】
[0011]提供了一种利用钻井液的反循环来在地层中钻井眼的装置和方法。该装置采用工具从延伸至井底钻具组合的元件的电缆或采用“有线钻杆”来传送井下电力的供应，其中该“有线钻杆”能通过结合到钻杆主体中的电导体来传导井下电能。该装置包括延伸进入地层的管状钻杆，该钻杆具有内部空间及在钻杆外部的环形空间。井底钻具组合连接至该钻杆，并包括挖掘地层以形成钻屑的钻头。提供井下马达，该井下马达适于从延伸进入地层的电缆或者所利用来供应电力的有线钻杆接收电力。井下泵由该马达驱动，并且能够使钻井液和钻屑向上经过钻杆的内部空间而反循环。
[0012]在本发明的一个实施例中，该装置包括用于从钻井液移除挖掘的钻屑然后使钻井液向下经过钻杆外部的环状空间再循环的机构。钻头可包括旋转牙轮钻头。在其他应用中，该装置可具有一个或多个构造成利用施加的脉冲功率来用脉冲电压挖掘地层的电极。井下泵可为正排量泵。在一些应用中，例如某些脉冲功率钻头应用，钻头可不旋转。
[0013]在本发明的一些实施例中，钻杆的内部空间的横截面面积小于环状空间的横截面面积，从而使钻井液的流动速度最小化，该流动速度是将挖掘的钻屑经过钻杆的内部空间向上携带所必需的。
[0014]在本发明的一个实施例中，可提供井下发电机，用于向钻头施加脉冲功率。钻井液可包括低水平导电性的电绝缘成分。在一些应用中，钻井液包括碳基材料。
[0015]披露一种利用钻井液的反循环在地层内钻孔的方法。该方法包括将管状钻杆延伸进入地层，该钻杆具有内部空间及在该钻杆外部的环状空间，并且具有靠近井眼顶部的近端以及带有附接的井底钻具组合的远端。电缆或有线钻杆延伸进入井下，以向井下装置提供电力。该井底钻具组合可包括钻头。在钻孔提供泵及马达，该泵由马达驱动。该泵与钻杆的内部流体连通。该泵可能使钻井液从钻杆的环状空间向内部空间循环。可将具有钻屑的钻井液经过钻杆的内部空间向上泵送。在本发明的一些实施例中，可在井眼顶部附近将挖掘的钻屑从钻井液中移除，并且经过环状空间向下再循环钻井液。可采用控制系统来控制电极的脉冲重复速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]提供各图来示出本发明的具体实施例，但是本发明不仅限于在附图中示出的实施例，而是可扩至钻井领域内的技术人员将理解的其他变型。
[0017]图1示出了本发明采用脉冲功率钻头的一个实施例的示意图；
[0018]图1A示出了图1的装置所采用的脉冲功率钻头的透视图；
[0019]图2示出了本发明具有采用旋转牙轮钻头的钻井装置的替代实施例；以及
[0020]图2A示出了该旋转牙轮钻头更详细的视图。
【具体实施方式】
[0021]本发明可采用利用反循环钻孔的脉冲功率钻孔装置或旋转牙轮钻孔装置。反循环钻孔指的是其中钻井液向下通过环形空间至钻柱或钻杆外然后朝井眼的上端向上通过钻杆而循环的钻孔。
[0022]文本中使用的“钻孔”被定义为通过地层基质挖掘或者破裂及掘进。文本中使用的“钻头(bit)”或“钻头(drill bit)”被定义为用于在如岩石的基质上进行切割、钻井、钻孔或破裂动作的工具的工作部或端部。文本中使用的术语“脉冲功率”在当电能被储存(例如在电容器或电感器中)然后被释放时其发生作用，以产生在峰值功率的电流脉冲。
[0023]参考图1，披露了用于进入地层20的井眼19的钻孔装置18。管状钻杆22设有在杆内的内部空间24，以及在钻杆22外的环状空间26。井底钻具组合28连接至钻杆22，并且在钻井的过程中被定位在井眼19的下部。钻头30构造成接触并且破裂地层20的岩石。图1示出了脉冲功率钻头30，但是如文本中将进一步说明的，也可以采用其他钻头。钻井液在逆流方向循环，从而使带有钻屑的钻井液沿方向箭头40流动，然后再沿方向箭头32流动。通过钻头30将钻屑挖下，然后通过钻井液沿箭头32将钻屑向上传送至井眼19。设置电缆36以向井下马达34提供稳定的电源，该马达34驱动井下泵38来使钻井液移动。
[0024]图1A示出了钻头30的透视图，在图1A的实施例中钻头为脉冲功率钻头30。对于钻探较大的孔而言，尤其是如果主要考虑的因素是对孔的方向的控制时，可采用锥形钻头。此类钻头30可包括一组或多组用于产生电压碎弧的电极，并且还可选择性地包括机械齿来辅助该电压碎过程。如图2A所述，该锥形电压碎钻头的一个实施例具有一组同轴地布置在钻头上的电极。在该实施例中，锥形钻头30包括中央电极48、周围电极44、壳体42、以及用于钻削岩石的机械齿46。电极之一或者两个可以是可挤压的。周围电极可具有机械切割齿50，该机械切割齿50插入地面来消除电压碎过程所产生的粗糙岩石组织。在本发明的该具体实施例中，孔的内部由钻头30的电压碎部(例如电极48及44)来钻削，孔的外部由机械齿46来钻削。由于在钻头周界附近速度高，机械齿的钻井效率高，因此导致高的钻井速度，但是在钻头中央速度低，因而钻井效率低。中央电极48相对于基环电极44的几何布置为锥形。应当认识到，在本发明的实践中可采用多种类型的脉冲功率钻头构型，且本发明不限于仅在图1A中示出的构型。Moeny等的美国专利公开N0.US 2009/0050371 Al (见“Moeny”)描述了在脉冲功率钻井的应用中可采用的多种不同的实施例及技术说明，在此以参考的方式并入。此外，也可采用其他的脉冲功率钻井装置和技术。如文本中结合图2及2A将进一步说明的，本发明的其他实施例可采用不利用脉冲功率的旋转牙轮钻头。
[0025]图2示出了本发明的钻井装置60的替代实施例，其采用旋转牙轮钻头来破裂岩石，以通过挤压在地层77内的岩石来形成钻孔。在本实施例中，管状钻杆52包括内部空间72以及在钻杆52外部的环状空间70。电力缆线54延伸进入井眼53内，并且向井下马达56提供电力，该井下马达56驱动输送钻井液的井下泵58。井底钻具组合62定位在钻杆52的端部，并包括钻头64。在图2的实施例中，钻头64为旋转牙轮钻头。采用反循环方法来使钻井液沿方向箭头66循环，然后循环进入钻杆52的内部空间72。钻井液获取由钻头64产生的岩石钻屑，然后沿着方向箭头68和箭头74在反循环流动方向上将钻屑在钻杆52内向上传输。
[0026]图2A示出了旋转牙轮钻头64，在本具体实施例中其为三牙轮式钻头64。该钻头64具有与地层77的岩石接触的齿76。
[0027]如上所述，在本发明的第一个实施例中，如图1和IA所示，钻头设置在安置一组或多组电极的地方。在该具体实施例中，电极安置成使得在它们之间形成间隙，并且将电极安置在钻头上使得其沿钻头的表面定向。在它们之间电流经由矿物质(如岩石)传输的电极不在岩石的对面。同样，在本实施例中，不需要将所有的电极与被施加电流的矿物质接触。
[0028]图1-1A所示的实施例的电极安置在钻头上，并且布置成使得在岩石内产生电压碎弧。高电压脉冲重复地施加至钻头，以产生重复的电压碎挖掘结果。例如,可采用带一个或多个电极组的平头柱形钻头来完成电压碎钻井。作为一个示例，该电极能以同轴构型布置。
[0029]电压碎钻井方法不需要旋转钻头，但是在一些情况下，需要钻头旋转。在不需要机械齿的情况下，电压碎钻井方法能在钻头的边缘之外挖掘孔。此外，通过在钻头的前部布置许多电极组并改变不同电极组的脉冲重复速度或脉冲能量。
[0030]在本说明书中未具体示出或说明的但是在本发明的整体精神和范围内的其他布置中可实现本发明。
【权利要求】
1.一种利用钻井液的反循环在地层中钻井眼的装置，该装置包括: (a)管状钻杆，其延伸进入地层，并具有内部空间以及在该钻杆外部的环状空间； (b)井底钻具组合，其连接至钻杆，并包括挖掘地层以形成钻屑的钻头； (C)井下马达，其适于从延伸进入地层的电缆接收电力；以及 (d)井下泵，其由该井下马达驱动，并被构造成用于通过钻杆的内部空间向上反循环钻井液以及钻屑。
2.根据权利要求1所述的装置，其还包括用于从钻井液中移除挖掘的钻屑并且使钻井液通过钻杆外部的环状空间向下再循环的机构。
3.根据权利要求1所述的装置，其中钻头包括旋转牙轮钻头。
4.根据权利要求1所述的装置，其中钻头包括一个或多个构造成施加脉冲电压以利用脉冲功率挖掘地层的电极。
5.根据权利要求1所述的装置，其中井下泵为正排量泵。
6.根据权利要求1所述的装置，其中钻头不旋转。
7.根据权利要求1所述的装置， 其中钻杆的内部空间的横截面面积小于环状空间的横截面面积，从而使钻井液的流动速度最小化，该流动速度是通过钻杆的内部空间向上携带挖掘的钻屑所需要的。
8.根据权利要求1所述的装置，其还包括用于向钻头施加脉冲功率的井下发电机。
9.根据权利要求1所述的装置，其中钻井液包括低水平导电性的电绝缘成分。
10.根据权利要求9所述的装置，其中钻井液包括碳基材料。
11.一种利用钻井液的反循环在地层中钻孔的方法，该方法包括如下步骤: (a)将管状钻杆延伸进入地层，该钻杆具有内部空间及在该钻杆外部的环状空间，并且具有靠近井眼顶部的近端以及带有附接的井底钻具组合的远端，该井底钻具组合包括钻头; (b)利用钻头挖掘地层以形成钻屑； (C)在井下提供泵及马达，该泵由马达驱动并且与钻杆的内部流体连通； (d)使钻井液从钻杆的环状空间向内部空间循环；以及 (e)通过钻杆的内部空间向上泵送具有钻屑的钻井液。
12.根据权利要求11所述的方法，其还包括步骤: (f)在井眼顶部附近从钻井液中移除挖掘的钻屑；以及 (g)通过环状空间向下再循环钻井液。
13.根据权利要求11所述的方法，其中钻头包括一个或多个电极，并且其中挖掘步骤(b)包括将脉冲电压施加至一个或多个电极上来挖掘地层。
14.根据权利要求11所述的方法，其中泵为正排量泵。
15.根据权利要求11所述的方法，其中钻头为旋转牙轮钻头，该方法包括旋转该旋转牙轮钻头来挖掘地层的附加步骤。
16.根据权利要求11所述的方法，其中钻杆的内部空间的横截面面积小于环状空间的横截面面积，从而使钻井液的流动速度最小化，该流动速度是通过钻杆的内部空间向上携带挖掘的钻屑所需要的。
17.根据权利要求13所述的方法，其还包括用于向钻头施加脉冲电压的井下发电机。
18.根据权利要求13所述的方法，其中钻井液包括低水平导电性的电绝缘成分。
19.根据权利要求18所述的方法，其中钻井液包括碳基材料。
20.根据权利要求13所述的方法，其中采用控制系统来控制电极的脉冲重复速度。
【文档编号】E21B21/12GK103917736SQ201280054790
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年11月6日 优先权日:2011年11月8日
【发明者】G·T·阿米斯特德, H·A·伯杰龙 申请人:雪佛龙美国公司