专利名称：极小半径井眼的钻削方法
技术领域：
本发明涉及一种向地球岩层钻削井眼的方法。在钻井工业中，通常从一个主井眼钻出一个或多个枝井眼，以从一个地面位置到达含烃岩层的不同区域。由于采用的钻柱的操作限制，这样的枝井眼以极小曲率偏离主井眼。一旦枝井眼被钻入很薄的烃流体含有层，就难以或不可能从位于该岩层的一个位置上从主井眼开始钻削枝井眼，并且继续在该岩层内钻井。
本发明的一个目的是提供一种改进的钻削井眼的方法，其克服了传统钻井方法的上述缺点。
按照本发明，提供了一种向地球岩层钻削井眼的方法，其采用了一钻柱，该钻柱具有一上部和一下部，该下部比上部更柔软，该方法包括钻出井眼的第一段，从所述井眼的第一段钻出井眼的第二段，所述第二段以选定倾斜角度相对于第一段延伸，其中，在钻削第二段的过程中，钻柱在井眼中下降，方式是，钻柱的上部保留在第一段，而钻柱的下部延伸至井眼的第二段。
因此，井眼的第二段可以较大曲率钻削，因为钻柱的下部较柔软。较不柔软的钻柱的上部保留在井眼的第一段，因此，没有必要弯曲至钻柱下部所需的弯曲程度。
在本发明的方法的有趣实施例中，钻柱上部设有井下马达，在钻削井眼的第二段的过程中，井下马达转动钻柱的下部。
适当的情况是，井眼的第一段本质上是直的，井眼的第二段是弯曲段。例如，井眼的第一段可以形成主井眼，井眼的第二段可以形成主井眼的枝井眼。
下面结合附图对本发明进行详细说明，其中图1是用于本发明方法的钻井系统的一个实施例的示意图；图2是图1中横截面2-2的示意图3是图1中局部A的纵向截面示意图；图4是用于本发明方法的钻井系统的另外一个实施例的示意图；图5是用于本发明方法的钻井系统的再另外一个实施例的示意图；和图6是如图5所示的实施例的变种示意图。
在附图中，类似的附图标记涉及类似的元件。
在图1中，示出了从地面(未示出)向地球岩层2延伸的主井眼1，该地球岩层2包括油承载层4和顶部岩层6，该顶部岩层6位于油承载层4的上方。油承载层4和顶部岩层6之间的界面由附图标记7表示。枝井眼8从主井眼1的分枝点10横向地向油承载层4延伸，分枝点10位于顶部岩层6的下方。枝井眼8具有开始的弯曲段8a和随后的直线段8b。主井眼1设有井眼套管12，该井眼套管12设有通向枝井眼8的开口14。
用于本发明方法中的系统包括从地面上的钻机(未示出)向主井眼1延伸的空心钻柱16，该空心钻柱16由上钻柱部分16a和下钻柱部分16b构成，下钻柱部分16b比上钻柱部分16a更柔软。上钻柱部分包括设置于主井眼1内的液压井下马达18。下钻柱部分16b包括从该马达18向枝井眼8延伸的柔杆组件22。该柔杆组件22的曲率由于其柔软性相对于传统钻柱的允许曲率比较高。造斜器23在分枝点10的下方固定设置在套管12内，从而把柔杆组件22导入枝井眼8内。
再看附图2和3，柔杆组件22包括柔性驱动轴24，其与井下马达的输出轴(未示出)相连接，用于驱动钻头26。柔性空心定向轴28围绕驱动轴24延伸，而柔性软管30围绕定向轴28延伸。在附图中，附图标记32表示枝井眼8的侧壁。定向轴28的一端固定在马达壳体(未示出)上，另外一端通过轴承部分(未示出)与钻头26相连接，以允许钻头26相对于定向轴28转动。轴承部分这样设置，使钻头26的转动轴线相对于定向轴28的纵向轴线倾斜。例如，柔性驱动轴和/或柔性定向轴可以由具有低弹性模量的钛制成，或由柔性层组件制成。
在图4中，示出了用于本发明方法中的另外一个系统40，其中采用了空心钻柱16。空心壳体42设置于主井眼1内，该空心壳体42具有导向通道44，该导向通道44包括上部纵向段46和下部弯曲段48，该下部弯曲段48通向枝井眼8。弯曲段48具有窗口14对面的出口50。上钻柱部分16a包括液压井下马达52，该液压井下马达52可滑动地设置于导向通道44内。类似于根据图1、2、3说明的柔杆组件22的柔杆组件54与马达52相连接，途经导向通道44、穿过出口50延伸至枝井眼8内。柔杆组件54按与上述根据柔杆组件22说明的相同方式和相同功能与马达52和钻头26相连接。
壳体42的下端设有支撑形面，该支撑形面与支撑元件56的对应支撑形面相配合，支撑元件56以任何适当方式固定在套管12内。壳体42和支撑元件56的支撑形面是这样的，该套管在主井眼1内可以不同的方位角定位在支撑元件上。壳体42在主井眼内可以和钻柱16一起运动，在该状态下，该壳体在马达的下端附近悬挂在一肩台上。
在图5中，示出了用于本发明方法中的再另外一个系统60，其中采用了空心钻柱16。该系统60在一定程度上类似于如图4所示的系统40，不同的是，钻柱16由地面支撑的空心元件62导向，而不是由空心壳体42导向。空心元件62设置于主井眼1内，具有导向通道64，该导向通道64包括上部纵向段66和下部弯曲段68，该下部弯曲段68通向枝井眼8。弯曲段68具有窗口14对面的出口50。类似于如图4所示的实施例，上钻柱部分16a包括液压井下马达52和柔杆组件54，该液压井下马达52可滑动地设置于导向通道64内，而柔杆组件54与马达52相连接，穿过导向通道64和出口50延伸至枝井眼8内。
例如，空心元件52可以是传统的钻井套管，或传统的从地层生产碳氢流体的生产管道。
在图6中，示出了如图5所示的实施例的变化，其中，导向通道64的下部弯曲段68由造斜器70构成，该造斜器70固定安装在导向通道64内。
在如图1所示的系统的正常操作过程中，钻出主井眼1，安装套管12，把造斜器23定位在理想位置。在套管上铣出窗口14之后，把钻柱16下降至主井眼1内，直至驱动装置18位于如图1所示的位置。然后，钻头26定向，以钻出开始的弯曲段8a，方法是使定向轴28转动一选定角度，直至钻头26的切削表面处于理想方向。开始钻削枝井眼8时，首先通过钻柱16泵出钻井流体，以操作井下马达18，从而通过驱动轴24驱动钻头26，而定向轴28保持静止。同时，钻柱16逐渐从地面下降，以使马达18以下降方向穿过主井眼1移动。结果，柔杆组件22由造斜器23导向，穿过窗口14，直至钻头26与岩层相接触。继续下降井下马达，使钻头26进入岩层，从而钻出枝井眼8的开始的弯曲段8a。当弯曲分枝井眼段8a处于本质上水平方向时，定向轴28通过从地面转动整个钻柱16在进一步钻削过程中继续转动。因此，钻头26的切削表面方向不断变化，从而钻削出枝井眼8的直线段8b。
在枝井眼8完成钻削之后，钻柱16和造斜器23被返回地面，此时，在主井眼1和/或枝井眼8内安装适当的生产设备，以从枝井眼8生产原油。
如图4所示的实施例的正常操作与如图1所示的实施例的正常操作极其相似，不同的是，井下马达52由导向通道44的上部段46导向，柔杆组件54由导向通道44的弯曲段48沿枝井眼8的方向导向。另外，在开始钻削枝井眼8之前，空心壳体42根据理想的方位方向在支撑元件56上定向。如果需要，在钻削了枝井眼8之后，空心壳体42可以重新定向，以根据另外一个理想的方位方向钻削另外一个枝井眼。
如图5所示的实施例的正常操作与如图4所示的实施例的正常操作极其相似，不同的是，井下马达52由导向通道64沿垂直方向导向，柔杆组件54由导向通道64的弯曲段68沿枝井眼8的方向导向。出口50的理想的方位方向通过从地面转动空心元件62而实现。类似于如图4所示的实施例，空心元件62在钻削了枝井眼8之后可以重新定向，以根据另外一个理想的方位方向钻削另外一个枝井眼。
如图6所示的实施例的正常操作与如图5所示的实施例的正常操作类似。
在如图5所示的实施例的一个变种中，井下马达52和地面设备之间的钻柱16的空心部分由一缆绳(未示出)替代，该缆绳适当地连接至地面上的起吊装置(未示出)上，以在主井眼1和枝井眼8内升降钻柱16。在这样的应用中，井下马达52在其上部具有液体出口(未示出)，在操作过程中，钻井液体通过空心元件62泵送至马达52。所产生的作用在马达上的压力差用于产生对钻柱的向下推力，以产生WOB，并且克服作用在柔杆组件上的摩擦力。对于这两种结构，即空心钻柱结构和缆绳结构，钻井液体的返回流都从钻头流入空心元件与套管12和/或开口孔之间的环形空间。
在上述方法中，枝井眼从主井眼钻出，枝井眼以极小的半径偏离主并眼。该过程允许枝井眼在位于顶部岩层的位置开始，其优点是，在主井眼和枝井眼之间的汇集处没有必要采取严格的密封要求，因为顶部岩层防止原油运移至地面。
权利要求
1.一种向地球岩层钻削井眼的方法，其采用了一钻柱，该钻柱具有一上部和一下部，该下部比上部更柔软，该方法包括-钻出井眼的第一段；-从所述井眼的第一段钻出井眼的第二段，所述第二段以选定倾斜角度相对于第一段延伸，其中，在钻削第二段的过程中，钻柱在井眼中下降，方式是，钻柱的上部保留在第一段，而钻柱的下部延伸至井眼的第二段。
2.如权利要求1所述的方法，其中，井眼的第一段本质上是直的，井眼的第二段是弯曲段。
3.如权利要求2所述的方法，其中，井眼的第一段形成主井眼，井眼的第二段形成主井眼的枝井眼。
4.如权利要求1-3其中之一所述的方法，其中，钻柱下部通过设置在井眼的第一段内的造斜器从井眼的第一段被引导至井眼的第二段。
5.如权利要求1-3其中之一所述的方法，其中，钻柱下部通过设置在井眼的第一段内的空心元件从井眼的第一段被引导至井眼的第二段，所述空心元件具有一通道，钻柱在该通道内延伸，所述通道具有通向井眼的第二段的下端部。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述空心元件是从地面向井眼的第一段延伸的钻井套管和生产管道其中之一。
7.如权利要求1-6其中之一所述的方法，其中，钻柱上部设有井下马达，在钻削井眼的第二段的过程中，井下马达转动钻柱的下部。
8.如当权利要求7引用权利要求5时所述的方法，其中，井下马达是位于所述通道内的液压马达；该马达由从该通道泵出的液体流驱动。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述液体流对井下马达施加一向下的力，从而在钻削井眼的第二段的过程中，沿向下方向移动钻柱。
10.如权利要求7-9其中之一所述的方法，其中，钻柱下部设有钻头，该钻头相对于钻柱下部的纵向轴线倾斜；定向轴在井下马达和钻头之间延伸，以在井眼内对钻头定向；该方法进一步包括使定向轴转动一选定角度，从而在井眼的第二段中根据钻削井眼的第二段的理想方向对钻头定向。
11.如权利要求10所述的方法，其中，定向轴是空心轴，钻柱下部穿过该空心轴延伸。
12.上述本质上结合
的方法。
全文摘要
一种向地球岩层钻削井眼的方法，其采用了一钻柱，该钻柱具有一上部(16a)和一下部(16b)，该下部比上部更柔软，该方法包括钻出井眼的第一段；从所述井眼的第一段钻出井眼的第二段，所述第二段以选定倾斜角度相对于第一段延伸。在钻削第二段的过程中，钻柱在井眼中下降，方式是，钻柱的上部保留在第一段，而钻柱的下部延伸至井眼的第二段。
文档编号E21B7/06GK1503874SQ02808672
公开日2004年6月9日 申请日期2002年4月23日 优先权日2001年4月23日
发明者彼得鲁斯·C·克里塞尔斯, 彼得鲁斯 C 克里塞尔斯 申请人:国际壳牌研究有限公司