钻探系统的制作方法

本发明涉及一种钻探系统，特别是用于钻穿大型/大体积材料(bulkmaterial)的钻探系统。

背景技术：

钻探钻孔是许多行业采用的技术。石油和天然气勘探是建立在有效和准确钻探钻孔基础上的行业。石油和天然气可以从它们被限制在其中的源材料(诸如岩层)中提取。在大多数情况下，这些燃料的来源位于地表以下数公里处，并且只能通过使用大型大功率钻探系统才能获得。

历史上，钻探系统的钻柱在操作期间保持基本竖直的轨迹。这种竖直取向在充分开采选定区域的能力上造成了许多限制。其中一个限制是，在最初决定从何处开始钻探时，很大程度上竖直的钻探方向几乎没有误差余地/幅度。如果出现有关最佳提取区域位置的新信息，则必须拆下整个钻柱并重新开始该过程。考虑到大型钻探项目的运营每天都要承担巨大的费用，这就带来了巨大的成本影响。在最近的一些海洋钻探案例中，每日成本可能远远高于陆地钻探。人们经常发现，在钻穿大体积物料的过程期间，除非特别设计了定向控制功能，否则很难控制钻头的方向。因此，在钻探过程期间，由于缺乏定向控制，误差余地地进一步缩小。然而，在上述情况下，极有可能由于地球表面以下岩石成分的重大变化而发生意外的错向。显然，含有源燃料丰富的地层总是成一定角度，这样竖直钻探路径就不能使钻孔最大限度地暴露在富含燃料的地层中。

为了克服这些限制，在钻探过程期间提供定向控制机构已成为惯例。在许多应用中，希望通过引导钻头朝向更优的原材料来源来偏离钻孔的方向。有时需要控制钻头的钻探方向，以实现偏离的钻孔。在其他情况下，最好控制钻头的钻探方向，以保持钻孔笔直。在油井或气井钻探的情况下，为了优化钻孔与理想的富燃料地下地层的接触，通常会偏离竖直取向。

在井下钻柱构造中，通常使用钻探泥浆作为润滑剂来增强钻头通过总是的坚硬岩层的旋转动作。随着钻柱的运行，钻探泥浆与提取的钻孔材料一起返回地面。返回的钻探泥浆的成分可以提供有关钻头相对于所选源材料的定位的信息。但是，这仅提供了延迟的位置信息，在某些情况下可能会为时过晚，导致不及时释放高压气体和石油。这样的反冲可能会对操作人员造成危险，对装置造成损害并且使操作推迟很长一段时间。在极端情况下，可能会发生井喷。最近，使用从位于钻头处或其附近的传感器收集的信息来完成对钻头的主动控制。这为操作者提供了基于钻头相对于所需源材料的定位的更准确和即时的反馈。

通常使用机械方法将钻头重定向到产生的钻孔的更理想路径。在某些情况下，在钻头的主轴线和钻柱之间引入一个角度以便偏离钻井。在其他情况下，推压钻孔壁的垫块的组合被用于将钻头推向期望的方向。诸如此类的机械方法经常遭受机械故障。这种机械故障可能由于多种原因而发生，例如由于疲劳、卡滞、磨损、撕裂、运动部件卡住和其他机械故障模式。

作为对常规钻探的改进，出现了涉及用高能电涌脉冲处理大体积物料的新技术(us3500942a；us4741505a；us5896938a；us6164388a；和wo3069110a1)。这通过弱化钻头处的大体积材料的完整性来影响钻头穿过大体积材料的运动。由于规避了上述多种机械故障模式，因此高能电涌为常规钻探系统提供了有效的补充。然而，明显缺乏使用高能电涌来准确地控制钻探系统中的钻头的方向的有效方法。

因此，期望提供一种增强的钻探系统，该钻探系统经由非机械方式实现钻头通过大体积材料的准确的方向控制，同时提供有关钻头定位的实时反馈。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种钻探系统，包括：驱动机构；具有大体积材料钻头的大体积材料钻柱；该钻头具有一个或多个输出能量释放端口；该钻探系统还包括：感测部分；被布置为检测来自钻头感测部分的输入参数的输入部分以及被布置为控制到端口的输出能量的控制器；其中控制器被进一步布置为：

(i)确定向其提供输出能量的一个或多个端口；

(ii)控制输出能量的释放；

因此输出能量释放被非均匀地施加到大体积材料上，并且用于控制钻头方向。

本发明不使用引导钻头的传统机械方法。与传统方法相比，这种方法具有很大的优势，传统方法由于疲劳、卡滞、磨损、撕裂、运动部件卡住和其他机械故障模式而受到机械故障的影响。

本发明的钻探系统以利于钻头准确转向的方式，向邻近钻头的大体积材料提供高能(或高能量)脉冲。在本发明的优选实施例中，高能脉冲被提供到钻头的期望端口，使得高能脉冲以非均匀的方式被施加到大体积材料的表面。更优选地，控制器用于将高能脉冲的提供同步到钻头的选择端口，使得高能脉冲在钻头的期望旋转点处释放。在期望的旋转点处从钻头的选择端口释放的高能脉冲提供了在大体积材料上的能量释放的非均匀施加。在大体积材料表面上施加释放的非均匀性导致钻头表面处的大体积材料的期望部分的机械完整性弱化。在弱化大体积材料的期望部分之后，使用本发明的钻探系统继续钻探被倾斜以沿着阻力最小的路径——这是机械完整性最弱的钻头表面处的大体积材料的区域。大体积材料的新弱化部分提供阻力最小的路径，因此提供转向的方向，以便使用本发明的钻探系统继续钻探。因此，通过以非均匀的方式连续地弱化大体积材料的期望部分从而使得钻探系统能够沿着提供最小的运动阻力的选定路径，钻探系统准确地以期望方向转向通过大体积材料。

在本发明的优选实施例中，通过接收与钻头周围环境的特性相关的实时传感器信息来引导钻头的位置调整。可选地，传感器可以被布置成提供关于接近期望原材料的信息。如果传感器被布置成能够检测原材料，本发明可以可选地用于避免井涌和防止井喷的发生。

能量到钻头的端口的传输优选地经由钻柱完成。该传输可能源自地面以上的源，也可能来自作为底部钻具组合(bha)一部分的位于井下的源。可以想到另外的实施例，其中能量源可以位于井下，但是可以不包括在bha中。优选地，远离地面并且靠近钻头的钻柱端部包括能量传递构件，该能量传递构件被布置为利于在期望的能量传递构件与钻头上的期望端口对准时将高能脉冲传输到钻头的端口。优选地，控制器被布置成检测钻头相对于能量传递构件的静态位置的旋转位置。与钻头相对于期望能量传递构件的静态位置的旋转位置有关的信息优选地可由控制器经由感测部分和输入部分访问。在一个优选的实施例中，向钻头端口提供高能脉冲被同步以在钻头端口与靠近钻头的钻柱端部的能量传递构件对准时发生。

在本发明的优选实施例中，钻探系统进一步包括处理部分，该处理部分被布置成处理来自输入部分的参数并且将指令提供给控制器。

将处理部分并入本发明的可选实施例中，提供了由控制器提供并由感测部分和输入部分通知的转向调整的自动化。这种自动化可以消除在及时解释感测部分提供的信息时可能发生的人为错误。感测部分优选地提供与钻头的特性相关的信息，包括旋转速度，其能够以对于人类解释而言太快的比率提供。因此，优选地，控制器的动作的至少一部分通过使用处理部分而被自动化。

根据本发明的优选实施例，钻柱被布置成向钻头提供流体流，并且其中钻头还包括至少一个喷射部分，该喷射部分被布置成提供从钻头流出的流体。

优选地，钻柱被布置成向钻头提供钻探流体流，以使钻头的旋转动作得到润滑。这种钻探流体也可以作为钻探装置的冷却剂，因为摩擦力可以产生大量的热量。钻探流体可以任选地允许从钻孔中清除钻屑并且将其运至地面。当以足够的密度提供时，钻探流体的另一个优点是产生的静水压力水平等于或大于所钻探的大体积材料的地层中可能存在的地层流体的静水压力水平。钻探流体的成分优选地可以根据所钻探的大体积材料的成分来适合钻探操作。优选地，与被钻探的大体积材料的成分有关的信息由感测部分提供，并且可以包括被钻探的大体积材料的密度、孔隙率和阻力。该信息可以通知提供给钻孔的钻探流体的密度的调整，以抵消地层流体的高压。如果地层流体的高压超过钻探流体提供的压力，则有可能发生井涌，或在极端情况下发生井喷。上述事件对钻探操作具有潜在的灾难性影响。沿钻柱向下流动的钻探流体的能量可以被可选地利用，以向到钻头的高能脉冲的传输提供能量。在更优选的实施例中，钻头包括喷射部分，喷射部分接收来自钻柱的钻探流体并且将从钻头流出的钻探流体提供到钻孔内。

限定了另一优选实施例，其中钻柱包括涡轮。

在优选实施例中在钻柱内结合涡轮机使得能够在钻柱内利用能量来提供用于将高能脉冲传输至钻柱端口所提供的能量的至少一部分的源。在钻柱中使用涡轮可选地提供能量回馈，使钻探操作更加经济和高效。涡轮优选位于井下。更优选地，涡轮包含在底部钻具组件中。

在本发明第一方面的优选实施例中，输出能量在至少两个端口之间释放。

输出能量优选地以非均匀的方式施加到大体积材料的表面，以使钻头能够转向。输出能量的非均匀施加取决于以下因素的组合：释放输出能量的端口的选择；以及在钻头的期望旋转点处发生的能量释放的同步。如果仅使用一个端口在钻头的期望旋转点处释放高能脉冲，则脉冲之间的间隔最大。在优选实施例中，可以通过从两个或多个期望端口释放能量来缩短脉冲之间的间隔。

这为调整大体积材料的弱化率提供了便利，以根据大体积材料的特性考虑所需的弱化程度。因此，可以控制调整大体积材料的弱化率以适合不同形式的大体积材料，这些大体积材料的特性可以由感测部分检测。如果在整个期望的钻探轨迹中检测到大体积材料是均匀的，则使用两个或更多端口在期望旋转点处更频繁地释放输出能量可以被用于调整钻探比率和钻探转向比率。因此，如有必要，可以提供钻头方向的更好和附加的调整。通过限制释放输出能量的端口数量来调整能量释放比率也可以被用于增加或减少钻探比率，以更好地适应所钻探的大体积材料的成分。这允许在各种大体积材料成分中进行钻探。

优选地，感测部分包括以下范围的至少一个：加速计、陀螺仪、电磁传感器、罗盘、辐射传感器、伽马射线传感器、温度传感器、压力传感器、振动传感器、声波传感器、声学传感器、位置传感器、旋转传感器、孔隙度传感器、密度传感器、阻力传感器、位置传感器、位移传感器、旋转传感器、频率传感器。

感测部分可以提供钻头的特性和钻头周围环境的特性的实时更新。这些特性优选地包括钻头的取向；钻头的旋转速度；钻孔的方向；钻头的速度和/或速率；以及钻头上端口的空间配置。感测部分可以实时提供的环境特性优选地包括温度；压力；振动数据；声波数据；声学数据；辐射数据。为了确定能量脉冲的正确比率(其用于提供足够的转向)，因此有必要定期接收钻头定位反馈以及钻头周围环境的特性。该数据可以用于确定周围大体积材料的成分，并且因此可以用于估计钻头与期望原材料的接近度。结合诸如压力、温度和振动的附加数据，确定与期望原材料的接近度能够在检测发生井涌或井喷的可能性中使用，并且可以用于相应地通知对钻探比率或钻头方向的所需调整。感测信息同样可以用于检测与不期望的材料或位置的接近度，并且因此可以用于及时提供关于对钻探比率或钻头转向方向的必要调整的信息。

输出能量优选地包括来自以下范围的至少一个：电、电磁、光、激光、辐射、声学、等离子体、振动。

多种不同形式的能量中的一种可以从钻头上的端口被释放，因此可以根据不同的钻探环境和大体积材料的不同成分，以及不同钻探操作之间的描述因素，定制钻探操作。

优选地，所述端口包括来自所述范围的至少一个：电极、天线、光学端口、换能器(声能端口)。

能量端口优选地可以是从电极、天线或光学端口中选择的一个。如果光辐射被用作能量，则激光或光纤激光器可以被用于传输光辐射。在使用放电的情况下，电极可以用作能量端口，并且这些电极可以具有保护电极，以更好地以期望的方式引导放电。保护电极可以是电极周围的导电环的形式。保护电极上的电位可以被调整，以将放电引导朝向大体积材料。该能量可以任选地从至少一个井下位置或至少一个地面位置产生或者产生并传输。可选地，脉冲可以包括从井下位置和地面位置的组合产生的或者产生并传输的能量。

在优选实施例中，输出能量源至少是来自以下范围的一个：通过钻头或靠近钻头的流体流、钻柱中的涡轮。

能量释放优选地可以被调整，以更好地适应正在钻探的大体积材料。这可以通过调节释放的强度、频率或占空比来实现。释放还可能产生局部等离子体。流体可以被用于冷却或润滑钻头。一种流体——其可以可选地是用于冷却或润滑钻头的相同流体——甚至可以用于从钻孔中清除钻屑。当流体用于从钻孔中清除钻屑时，其中相同的流体也可以用于冷却或润滑钻头，该流体优选地提供从端口释放能量所需的能量的至少一部分。钻探流体可以被设计成利于或实现能量释放或能量传递。这可以通过调整与钻探流体有关的参数来实现，诸如电导率、折射率和/或吸收率等。可以通过使用涡轮发电机系统协助提供从端口释放能量所需的能量的至少一部分。利用来自这种流体流的能量的一些附加模式也将是明显的。优选地，支撑钻头的钻柱是中空的，允许流体的流动。

优选地，输出能量被存储在以下范围中的至少一个中：电容器、超级电容器、电池。

被供应以在向钻头端口提供高能脉冲中使用的能量优选地通过使用至少一个电容器来获得。更优选地，该能量可以从超级电容器获得。更优选地，该能量通过使用电池来获得。一种最优选的布置结合了电容器、超级电容器和/或电池技术的使用，以提供的可用能量的最佳途径。该能量还可以可选地用于向钻探系统的至少一部分提供动力。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于钻探大体积材料的方法，其中该方法包括根据本发明第一方面的钻探系统的至少一个实施例。

根据本发明的第三方面，提供了一种被布置成传输高能脉冲的光纤封装件。

优选地，本发明第三方面的光纤封装件被布置成提供光能量的高能脉冲。在优选实施例中，光纤封装件被布置成在恶劣应用中使用。可选地，光纤封装件包括适于高温和高压环境的光纤涂层。光纤涂层可以包括聚合物涂层，例如，其中聚合物涂层包括聚酰亚胺。优选地，光纤封装件还包括递送光学元件。可选地，递送光学元件可以采用简单的劈开端部的形式。可选地，递送光学元件可以包括光学窗口。优选地，光学窗口包括用于聚焦的透镜。优选地，光学窗口透镜用于聚焦或准直至少一个光能流。优选地，光学窗口还包括适合于在井下钻探应用期间出现的恶劣环境的材料。这些材料可以至少在一部分中包括二氧化硅、蓝宝石和类金刚石碳(dlc)。

在一个优选的实施例中，根据本发明的第二方面的钻探大体积材料的方法包括使用至少一个根据本发明的第三方面的光纤封装件。

优选地，本发明的第三方面的光纤封装件用于将高能光脉冲沿着钻柱传输到靠近钻头的钻柱端部，并且可选地可以被包括在钻头的端口内。可以想到替代实施例，其中根据本发明第三方面的光纤封装件可以用于感测部分的至少一部分中。

详细说明

现在将仅通过示例方式并参考附图来描述具体实施例，其中：

图1示出根据本发明第一方面的钻头的优选实施例；

图2示出了根据本发明第一方面的钻探系统的一部分的剖面图，该部分具有包括钻头的钻柱；

图3示出了与钻头连接的接近钻头的钻柱末端的剖视图，包括用于经由能量传递构件向钻头发送高能脉冲的传输线；以及

图4示出了靠近钻头的钻柱端部的分解图，其中旋转钻头的端口以及静态钻柱的能量传输线和能量传输构件对齐。

参考图1，示出了一个优选实施例，其中钻头10包括一系列带齿14的切割器12。齿14使得能够对大体积材料进行最佳钻探，并且在图1所示的实施例中，齿14由碳化硅组成。其他多晶材料可以提供穿过大体积材料的最佳钻探，并且可以形成齿14的一部分或钻头10的另一部分。以下替代实施例是可用的，其中齿14不由碳化硅或其他多晶材料组成。

如图1所示，端口16位于钻头10周围，从该端口可以发生能量释放。在图1所示的实施例中，端口16采用电极、天线和光学端口的形式。可选替代实施例显然包括这些端口16的各种组合，因而可选替代实施例可以包括所描述的端口16的一种、两种或所有三种类型。端口16采用电极、天线和光学端口的形式，这意味着这些端口16的能量释放可以可选地呈现从电、电磁、光、激光、辐射或声学的范围中选择的形式。因此，在使用中，这些端口16的选择被优化，以适合要钻探的大体积材料的成分。感测部分18(图2)可以用于确定钻头10的特性以及钻头10周围环境的特性。优选地，要感测的钻头10的特性包括钻头10的取向、钻头10的旋转速度、钻探的方向、钻头10的速度和/或速率以及钻头10上端口16的空间配置。感测部分18可以实时提供的环境特性优选地包括温度、压力、振动数据、声波数据、声学数据、辐射数据。此外，钻头10优选地还包括喷射部分20，其被布置成向钻头10提供流体流。优选地，来自喷射部分20的流体流用于向钻头10提供冷却和润滑作用。更优选地，来自喷射部分20的流体流用于从钻孔26移除钻屑，从而清理钻头10的路径。

参照图2，钻探系统22包括驱动机构38、钻柱24和钻头10，并且被用于钻探钻孔26。在使用中，钻头10将以期望的旋转速度旋转，移动通过待钻探的大体积材料28。钻头10的期望旋转速度将由驱动机构38实现。从图2中位于钻柱上的井下位置的感测部分18到输入部分30获得的特性被用于确定钻头10相对于期望的钻探取向和方向的钻探取向和方向。控制器32被布置成控制驱动机构38和向端口16提供输出能量。来自感测部分18的信息被用于通知钻头10的方向的改变，以便钻头10符合期望的钻探方向。控制器32被用于确定能量脉冲到钻头10的端口16的比率。根据要钻探的大体积材料28的成分和要使用的对应能量形式，来选定期望的端口16。改变钻孔探方向以及因此改变钻头10的取向是通过在要钻探的大体积材料28的部分34处从端口16发射高能脉冲来实现的。根据期望的钻探方向来选定要钻探的大体积材料28的部分34。高能脉冲被定时因而提供将重复的高能脉冲应用于待钻探的大块材料28的相同部分34的脉冲比率。当钻头10到达期望的旋转点时，从钻头10的期望的端口16定时发生重复脉冲。仅影响要钻探的大体积材料28的期望部分34是高能脉冲的非均匀施加的示范说明。高能脉冲的这种非均匀施加非均匀地弱化了大体积材料28，因为仅弱化了大体积材料28的期望部分34。然后，鼓励钻头10继续钻探穿过阻力最小的路径，该路径是大体积材料28的新弱化部分34。因此，钻头10的轨迹的对应变化提供了钻头10的有效转向。这样，通过以非均匀方式(即通过使用能量释放)弱化大体积材料来引导钻探过程。

在使用中，感测部分18向输入部分30提供信息，该信息可以用于通知对大体积材料28的期望区域的准确追踪。感测部分18还提供关于钻头10的特性的及时反馈，有助于早期检测与钻头10相关的问题，这些问题可以包括钻头10的特性或将要钻探的周围大体积材料28的特性。接近期望的原料时，大体积材料28的成分可能改变，并且钻头10周围环境的性质可能改变。如果是这样，则这些变化将由感测部分18检测，并且用于通知钻头10的轨迹、钻探比率或两者的变化。感测部分18检测到的特性可以任选地包括周围大体积材料的孔隙率、密度、压力和阻力，以便通知钻探通过大体积材料的方法或方向。这些特性也可以用于检测井涌的可能性。在极端情况下，可能会检测到井喷的可能性，并且可以延迟或预防这种灾难性事件。实施例将是设想到的，其中感测部分可以至少部分地位于钻头上或接近钻头。

在替代实施例中，处理部分36可以用于处理由感测部分18感测并提供给输入部分30的信息。然后，处理部分36优选地向控制器32提供经处理的信息。然后，提供给控制器32的经处理信息优选地被用于控制对驱动机构38的调整或向端口16提供输出能量的方式。以这种方式，替代实施例可以结合控制器32对由感测部分18提供的信息的自动响应。

输入部分30、控制器32、处理部分36、驱动机构38可以位于要钻探的大体积材料的表面上，如图2所示，或者可以位于井下并且与钻柱和钻头10位于同一位置。

参照图3，示出了包括本发明的第二方面和第三方面的组合的另一可选实施例。示出了钻柱24靠近钻头10的端部25，其被剖开以露出传输线40，该传输线40负责将包括光能的高能脉冲传输到钻头10。在静态钻柱24的传输线40和旋转钻头10的端口16之间的接口上传输能量可能需要能量传输构件42。传输线40和能量传输构件42包括光纤封装件的一部分，其中传输线40包括光纤并且能量传输构件42包括光学窗口。在图3所示的实施例中，将光能脉冲传输到钻头10的期望端口16将需要在能量传输构件42和期望端口16之间的接口上进行传输。因此，能量传输要求检测期望端口16与能量传输构件42的对准，其中钻头10的该旋转位置的检测由感测部分18提供。如图4所示，当期望端口16与能量传递构件42对准并且能量在接口上传输并且从端口16传出时，大体积材料28的期望部分(例如图2所示的34)被弱化。因此，钻头10的轨迹穿过提供最小阻力的大体积材料28的部分34，因此改变了钻探方向。

虽然上述实施例中提供的应用主要涉及原材料的提取和开采，但是可以想到附加实施例，其中本发明对钻探大体积材料的应用与原材料的提取或开采无关。其他应用可以包括从期望区域挖掘大体积材料。

图1所示的实施例包括与钻头中心等距放置的喷射部分。本发明的以下实施例是可用的，其中没有喷射部分，或者至少一个喷射部分位于钻头上的任何位置。

应当理解，上述实施例仅以示例的方式给出，并且可以对其进行各种修改而不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围。