用于钻柱的导向系统的制作方法
【专利说明】用于钻柱的导向系统
[0001]本文件基于并且要求享有2014年7月7号提交的美国临时专利申请系列N0.62/021，470，以及2015年5月11日提交的美国非临时专利申请系列N0.14/709,421的优先权，它们通过引用整体被结合于此。
【背景技术】
[0002]在许多油气井应用中，通过将位于钻柱上的钻井组件送到井下而实现对井眼的钻探。采用旋转导向钻井系统通过控制钻井泥浆到达设置在导向钻井系统上的多个致动器活塞的输送而对倾斜或定向井眼进行钻探。致动器活塞设置在旋转导向钻井系统的外直径上并且沿着该外直径被致动，并且钻井泥浆到达钻头的主流被引导穿过中心孔。
【发明内容】
[0003]总体来说，一种系统和方法提供了一种结构上更加合理的可用于定向钻探井眼的导向系统。在某些实施例中，成旋转导向系统的形式的导向系统具有多个可滑动地安装在机械结构中的致动器活塞。该机械结构包括具有将一部分钻井泥浆送到所述多个致动器活塞的端口的径向内部部分。该机械结构还具有径向外部部分，其设置成在该机械结构的径向内部部分和径向外部部分之间限定出纵向地延伸通过旋转导向系统的主流通道。通过引导钻井泥浆的主流沿着径向外围路径而可形成具有较小的径向尺度的较大流动面积，并且该机械结构的径向外部部分可以制作成更坚固并且更能抗扭矩。
[0004]然而，可以进行多种修改而不会实质性地脱离本公开的教导范围。因此，这些修改被看作是包括在权利要求所限定的本公开的范围之内。
【附图说明】
[0005]在后面将参照附图对本公开的某些实施例进行描述，其中，相同的参考标记指代相同的元件。然而，可以理解的是，附图示出了这里描述的各种实施方式，但并不是用于限定这里描述的各种技术的范围，附图包括:
[0006]图1为根据本公开的实施例的具有设置在井眼中的钻柱的井系统的一个例子的示意图；
[0007]图2为根据本公开的一个实施例的用于定向钻探井眼的旋转导向系统的一个例子的横截面视图；以及
[0008]图3为根据本公开的一个实施例的图1所示的但是沿着沿旋转导向系统的轴线延伸的平面所作的一个例子的横截面视图。
【具体实施方式】
[0009]在后面所作的描述中，给出了许多具体细节，以帮助理解本公开的某些实施例。然而，本领域技术人员可以理解的是，本公开的系统和/或方法在实施时也可以不具有这些细节并且描述的实施例可以具有多种变型或改进。
[0010]本公开总体涉及一种提供改进的导向系统的系统和方法，所述导向系统例如是可以用于定向钻井的改进的旋转导向系统。旋转导向系统采用多个可滑动地安装在机械结构中的致动器活塞。在某些应用中，所述多个致动器活塞可以被用于选择性地移动用于控制钻井方向的导向垫。例如，导向垫可以选择性地被致动，以控制沿着期望的轨迹钻探倾斜井眼。
[0011]该机械结构包括可包含端口和相关的阀系统以传送一部分钻井泥浆到所述多个致动器活塞的径向内部部分。该机械结构还具有径向外部部分和提供活塞通道的中间部分，致动器活塞在所述活塞通道中往复运动。该机械结构被形成为限定纵向延伸穿过位于径向内部部分和径向外部部分之间的旋转导向系统的主流通道。通过引导钻井泥浆的主流沿着径向外围路径流动，可以形成具有较小的径向尺度的较大流动面积并且该机械结构的径向外部部分可以制作得更强硬并且更抗扭矩。
[0012]旋转导向系统的外半径从抗扭矩的观点看是一个结构上显著大的面积。这里描述的实施例利用在该较大半径上形成机械结构的材料的结构特性。这里描述的结构还允许体积相对大的部件被串在旋转导向系统的中心线上而不会产生有害作用。例如，流动分配阀系统和致动器活塞可以被设置在一起，位于旋转导向工具的中心线附近。
[0013]根据本公开的一个实施例，阀定子壳体及其流动分配通道在旋转导向工具的中心线上或附近与机械结构组合或整合到一起。在该例子中，流动分配通道使得从阀到致动器活塞的流动进而驱动旋转导向系统导向垫，例如，钻头推垫。该系统对活塞通道进行定位和定向以使它们在工具的中心线上或附近延伸进入机械结构。这种方法与传统的将致动器活塞和活塞通道设置在旋转导向系统的外半径处的操作具有差别。
[0014]通过形成这样的机械结构以及将部件设置在工具的中心线上或附近，可以保留外半径上的材料以提高抗扭刚度。此外，该机械结构将钻井泥浆流转移到径向外部通道从而形成具有较小/较短的流动通道径向尺寸的较大的流动面积。较大的流动面积可有益于减小侵蚀。此外，该机械结构使得阀和致动器活塞之间具有非常短的连接通道/端口结构，从而可实现对入口流量和排放流量进行更好的控制。
[0015]总体上参照图1，示出了可采用这里描述的实施例的井场系统的一个例子。该井场可以是陆上或海上井场。在井场系统中，通过钻井在地下地层中形成井眼20。形成井眼20的钻井方法可以包括但不限于旋转和定向钻井。钻柱22悬置在井眼20中并且具有底部钻具组合(BHA) 24，在底部钻具组合的下端具有钻头26。
[0016]地面系统的一个实施例包括设置在井眼20上方的平台和井架组件28。组件28的一个实例包括旋转台30、方钻杆32、钩34以及转环36。钻柱22被旋转台30所转动，所述旋转台30通过在钻柱22的上端与方钻杆32接合的适配系统(未示出)驱动。钻柱22通过方钻杆32和转环36悬挂在钩34上，所述钩附接到游车(未示出)上，所述转环允许钻柱22相对于钩34旋转。顶部驱动系统可以用在其它实施例中。
[0017]地面系统的一个实施例还包括钻井流体38，例如泥浆，其储存于形成在井场的坑40中。栗42通过转环36中的一个或多个端口将钻井流体38传送到钻柱22的内部，使得钻井流体如方向箭头44所示的那样向下流动穿过钻柱22。钻井流体通过钻头26中的一个或多个端口离开钻柱22，并且接着如方向箭头46所示，向上循环通过钻柱22的外部和井眼的壁之间的环形区域。按照这种方式，钻井流体对钻头26进行润滑并且随着其返回坑40用于再循环而将地层切肩和微粒物质传送到地面。
[0018]在图示的实施例中，底部钻具组合24包括一个或多个随钻测井(LWD)模块48/50、一个或多个随钻测量(MWD)模块52、一个或多个旋转导向系统和马达(未示出)以及钻头26。还可以理解，在多个实施例中，例如可以在48和50的位置上采用多于一个的LWD模块和/或多于一个的MWD模块。
[0019]LWD模块48/50被容置在一种类型的钻铤中，且包括用于测量、处理以及存储信息，还有与地面设备通信的能力。LWD模块48/50还可包括压力测量装置和一个或多个测井工具。
[0020]MWD模块52也被容置在一种类型的钻铤中，且包括一个或多个用于测量钻柱22和钻头26的特性的装置。MWD模块52还可包括一个或多个用于为井下系统发电的装置。在一个实施例中，发电装置包括由钻井流体的流动提供动力的泥浆涡轮发电机(也被称作“泥浆马达”)。在其它实施例中，也可以采用其它供电和/或电池系统来产生电能。
[0021]MWD模块52还可包括一个或多个下面类型的测量装置:钻压测量装置、扭矩测量装置、振动测量装置、冲击测量装置、粘滑测量装置、方向测量装置以及倾角测量装置。
[0022]在一个运行实例中，图1的井场系统与受控的导向或“定向钻井”结合使用。定向钻井是使井眼从其自然行进的路径故意发生偏移。换句话说，定向钻井为对钻柱22进行导向以使其沿着期望的方向移动。定向钻井例如在海上钻井中是非常有用的，因为它能够使得从一个平台钻多个井。定向钻井还能够实现穿过储层的水平钻井。水平钻井使井眼具有更长的长度横越储层，这提高了井的生产率。
[0023]定向钻井系统还可以用在垂直钻井操作中。通常钻头会从计划的钻井轨迹转向，这是由于正被穿入的地层的不可预知的性质或者钻头经历的变化的力所造成的。当这样的偏移发生时，可以使用定向钻井系统使钻头返回其规定的路线上。
[0024]定向钻井可以使用旋转导向系统(“RSS”)。在采用图1所示的用于定向钻井的井场系统的一个实施例中，设置导向工具或者子系统54。导向工具54可包括RSS。在RSS中，钻柱可以从地面和/或井下位置被旋转，并且井下装置使得钻头沿着期望的方向钻井。旋转钻柱可以大大减少在钻井过程中钻柱被挂起或卡住情况的发生。用于钻在地层中倾斜的井眼的旋转导向钻井系统可通常被归类为“指向式钻头(point-the-bit) ”系统或者“推靠式钻头(push-the-bit) ”系统。
[0025]在“指向式钻头”旋转导向系统的一个例子中，钻头的旋转轴线沿着新孔的大致方向而与底部钻具组合的局部轴线相偏离。该孔按照由上方和下方稳定器触点和钻头所限定的通常的三点式几何结构行进。钻头轴线的偏斜角度与钻头和下方稳定器之间的有限距离相结合产生了用于生成的曲线的非共线条件。这可以通过多种不同的方式来实现，包括在下方稳定器附近的底部钻具组合的一个点上的固定弯曲或者在上方和下方稳定器之间分布的钻头驱动轴的挠曲。在其理想的形式中，钻头不必向侧面切削，因为钻头轴线沿着弯曲孔的方向连续地旋转。在美国专利N0.6，394，193 ；6, 364,034 ；6, 244, 361 ；6, 158, 529 ；6，092，610 ;和 5，113，953 ;以及美国专利公开 N0.2002/0011359 和 2001/0052428 中描述有“指向式钻头”类型的旋转导向系统及它们的操作的实例。
[0026]在“推靠式钻头”旋转导向系统的实例中，不需要有具体指定的机构来驱动钻头轴线从局部底部钻具组合轴线发生偏移。相反的是，通过使上方或下方稳定器或者两者同时沿着相对于孔延伸方向进行定向的方向施加偏心力或位移来实现。这可以采用多种不同的方式实现，包括非旋转(相对于孔)偏心稳定器(基于位移的方法)以及沿着期望的导向方向向钻头施加力的偏心致动器。通过在钻头和至少两个其它触点之间创建非共线性来实现导向。在其理想的形式中，钻头不必侧向切削以生成弯曲孔。在美国专利N0.6，08