钻井方法

专利名称：钻井方法
技术领域：
本发明涉及一种钻井方法，例如用于进入地下地层。特别地，本发明涉及用以帮助 避免钻井设备中不期望的振动或其它形式的运动的方法和设备。
背景技术：
为了某些原因需要钻孔进入地层中，例如以便进入含水地层或含油气地层。通常 地，钻井通过在细长支撑件的前端或末端安装钻头来实现，所述细长支撑件可以采用钻柱 (drill string)的形式。钻头可以通过地面马达或使用井下马达旋转钻柱来驱动。钻头采 用多种不同的形式，并可以与扩孔装置(reamer)或其它用来扩大预钻孔的直径的切割工 具一起运行。钻井操作者在实现有效的钻井用以进入含油气地层方面面临着日益增加的挑战。 越来越多的容易进入的油气藏被用尽，并且进入新的油气藏通常要钻更深而且更坚硬的岩 石地层。另外，现在经常用单个钻机位置(drilling rig site)来进入离钻机的相当大距 离的地层，以便钻出倾斜的和甚至水平的井。这些钻井实践中的变化需要提供更长的钻柱 和更大负载量的地面马达。在钻浅的而且更长的延伸井中，操作者经常遇到的困难是旋转的钻柱会发生显著 的横向和纵向的振动。这将使钻头上方的钻柱的部分与井壁接触。所产生的摩擦力导致从 地面传递到钻头的扭矩下降，减慢钻柱的旋转，并会引起接触井壁的钻柱的部分磨损和破 坏。所述钻柱和井壁间的接触还会破坏井壁。另外，振动的存在会诱使钻柱的部分和连接 在钻柱上的工具或装置的疲劳破坏或其它破坏。当旋转的钻柱和井壁之间的摩擦达到使钻柱的较低部分或末端部分停止旋转的 水平时，钻井操作者还会面临“粘滑运动”的问题。钻柱马达会停转或延迟，或者钻柱的上 端部分在地面马达的驱动下继续旋转，直到马达施加的扭矩和储存在被扭转的钻柱中的弹 性能的总和足够克服摩擦力为止，然后钻柱再次开始旋转。在这种情况下，钻柱起初将快速 地加速到高的旋转速度，在此期间钻柱在减慢到与马达速度匹配的速度前会遭受破坏性的 振动。然而，粘滑运动的后果将通常发展成重复模式或循环。显然，这是低效的，并且加速 了钻柱部件的磨损和破坏。钻柱经历的另一种现象是涡动(whirl)。在钻柱经历的涡动中，除了钻柱关于其轴 线的旋转，钻柱的部分弯曲并且钻柱的轴线被移动离开井轴线而沿着围绕井轴线的路线。 所述路线可以基本上是环形的并与井轴线同中心，或者可以是无规则或无秩序或混乱的。 涡动可以是与钻柱的旋转方向同向的正向涡动，与钻柱的旋转方向反向的反向涡动，或者 是无秩序或混乱的。可以相信的是，涡动可以由多种条件所引起，首先由作用在钻柱的部分 上的力或者质量以初始地移动钻柱的部分离开井轴线，然后旋转的钻柱的邻接的较大直径 部分接触井壁。然后，在较大直径部分滑动接触井壁的情况下钻柱会正向涡动，在旋转的钻 柱的较大直径部分和井壁之间的接触环绕井壁向后拉钻柱的情况下钻柱反向涡动，或者钻 柱和井壁之间每次接触使钻柱激烈地从井壁上反弹离开而产生无序的涡动。
可以理解到，涡动被认为是不希望的，因为其带来当钻柱的较大直径部件接触井 壁时产生的增加的摩擦、对钻柱部件的磨损、钻柱中器械和装置的破坏、对井壁破坏的可能 性、对钻柱上的冲击载荷和在钻柱弯曲时在钻柱中引起的应力和张力。钻井工程师通过多种方法来寻求避免钻柱中过度振动、涡动和“粘滑运动”的产 生，这些方法包括选择适当的钻柱部件，例如钻头、钻铤(collar)和稳定器；选择在地面 上施加于钻柱的重量；选择施加到钻柱上的扭矩；和选择钻柱的旋转速度。如果钻柱在钻 进运行过程中开始振动，钻井工程师将实行多个步骤来寻求避免或最小化振动，例如减小 钻柱的旋转速度，或者改变施加到钻柱上的重量。然而，难以预知容易引起振动的钻柱和钻 井状态的组合，并且一旦发生这种振生，将难于停止。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种钻井方法，其中钻柱位于井中并且所述钻柱 绕轴线旋转，所述方法包括相对于钻柱的旋转轴线偏移钻柱的部分的质心，其中钻柱部分 的旋转趋向于引起钻柱沿偏移方向上朝井壁偏移或偏斜。根据本发明的第二方面，提供一种钻井设备，所述设备包括配置成相对于钻柱的 旋转轴线偏移该部分的质心的钻柱部分，其中并入所述部分的钻柱的旋转趋向于引起钻柱 沿偏移方向上朝井壁偏移或偏斜。本发明的这些方面希望促进在钻柱中产生有利的正向涡动，或者至少促进抑制反 向涡动或无序涡动，或其它形式的不希望的振动。反向涡动或无序涡动对BHA组件有很大 的破坏，并伴随有高频率的横向振动和反向弯曲压力。相反，正向涡动趋向于在钻柱的RPM 频率处发生并产生小(如果有的话)的反向弯曲应力。钻柱的旋转轴线可以与井轴线相一致，或者可以至少在初始时偏移离开井轴线 (例如在钻柱位于朝向倾斜井的较低侧或下侧的情形中)。根据本发明的另一方面，提供一种在钻井运行过程中控制钻柱的振动的方法，所 述方法包括下列中的至少一个有目的地引起钻柱末端部分中的正向涡动，和抑制反向涡 动或无序涡动。令人惊讶的是，与无涡动情形相比，有目的地引起的正向涡动导致(如果有的话) 很小的钻井效率减少，并且正向涡动可以被引起并保持在意想不到的稳定程度同时避免或 减少其它形式的涡动、粘滑运动和不希望的形式的振动的发生。所述正向涡动的发生可以 通过一组步骤进行激励，如将要被描述的。经过引起正向涡动的钻柱有力地抑制或阻止外部振动，这种外部振动在其它情况 下将趋向于引起大振幅谐振。在正确利用自然或共振频率的情况下可以引起或保持涡动，并且本发明的一个方 面包括，配置钻柱的部分和/或选择钻柱的运行参数使得钻柱的运行与钻柱该部分中的一 阶振动相联系或结合，并避免通常伴随钻柱的二阶振动。同样与引起的正向同步涡动同时 发生的一阶振动最小化其它的、不希望的振动的发生，并在钻柱组件上产生较小的应力。根据本发明的另一方面，提供一种钻井方法，包括确定将引起或保持钻柱末端的正向涡动的钻柱的配置或运行参数的至少一个；配置或运行钻柱以便实现在钻柱的末端部分引起或保持正向涡动，和抑制反向涡动或无序涡动中的至少一种。因此，操作者可以使用先前确定的一个或多个参数来有目的地引起或保持正向涡 动，优选正向同步涡动。所述一个或多个参数可以通过多种方式确定，例如通过全范围检测 和实验，或者通过设计成允许按比例放大的实验室检测。可选地，可以通过软件来开发和应 用模型。然后，钻柱的物理参数或运行参数的范围可以反馈到模型中，然后模型确定特定的 参数，如果执行该特定的参数，将导致产生所期望的正向涡动。根据本发明的另一个方面，其提供一种钻井设备，包括根据预定参数有目的地配 置的钻柱的末端部分，预定参数与下列中的至少一个相关产生或保持正向同步涡动；和 抑制反向涡动或无序涡动。因此，根据预定的运行参数操作钻柱将引起所述末端部分的正向同步涡动，或抑 制其反向涡动或无序涡动。如上文所述，钻柱的部分的质心相对于钻柱旋转轴线的偏移是一种可以用来诱发 正向涡动的机制或方法。钻柱的旋转趋向于驱动钻柱部分沿偏移方向朝向井壁。如果所得 到的钻柱的偏移是足够的，钻柱的部分将与井壁接触。钻柱部分的质心的偏移可以通过一个或多个机制或方法来实现。弯接头或其它用 于引入偏心的部件可以被设置在钻柱上以移置或偏移井中钻柱的部分的轴线，并因此相对 于钻柱的邻接部分偏移或偏置该部分的质心。当钻柱旋转时，偏心的钻柱部分将引起钻柱 的弓弯并最终导致涡动。可选地或附加地，钻柱部分可以适于弯曲或另一方面适于变形，以 在井中沿径向移动所述部分，并因此移动所述部分的质心离开井轴线和钻柱邻接部分的旋 转轴线。变形或偏移或偏置可以通过在钻柱的段中产生一阶振动来实现，所述振动可以在 钻柱部分的自然或临界频率的范围内。可以通过以特定的速度旋转钻柱来实现所述振动， 并且所述自然频率可以与特定的旋转频率有关或相结合。钻柱可以以位于所述特定的旋转 速度的预定范围内的速度旋转，并且可以是所述特定速度的70%-150%内。由于重力效 应，获得所希望的振动所需的旋转速度将受钻柱的倾斜度影响。可选地，偏移或偏离的质量可以并入到钻柱部分中。例如，钻柱部分可以是管状并 且可以具有相对较厚的壁部分，因此具有比相对的壁部分大的质量。高密度插入件可以设 置在钻柱部分的一侧。偏心加重的套或圈或筒或衬套或管接头可以安装在钻柱的部分上。实施例可以是适合于允许选择性地提供偏移，例如可以在钻柱上设置可移动的套 或筒或衬套。在一种配置中，套或筒或衬套的质量和钻柱结合使得联合的或共同的质心与 钻柱的旋转轴线一致。然而，在第二配置方式中，套或筒或衬套相对于钻柱部分是可移动 的，其中联合的或共同的质心偏移，使得钻柱的旋转在钻柱部分上产生不平衡的径向力。偏移的程度或钻柱配置方式的其它特征可以被选择成，使得引起涡动所必需的钻 柱的偏斜或偏移程度仅发生在预定的旋转速度以上。该速度可以在钻柱的正常运行参数范 围内，或者可以在正常运行参数以上。在预定的速度以上，可以引起涡动并且在钻柱部分和 井壁之间可以是滑动接触。由滑动接触带来的钻柱转动的最终的减速或制动效应可以被利 用为有用的效果。例如，在粘滑运动中，钻柱的部分将趋向于遭受高旋转速度和振动的破坏 或破损阶段。遭受的速度可以超过钻柱的安全上限。然而，在本发明的一个实施例中，当钻 柱的旋转速度接近预定的安全界限时，钻柱部分适于偏斜或偏移并开始与井壁滑动、减速
8或制动接触，并且也表现为稳定的和相对有利的振动模式。钻柱的旋转，和其它不希望的振 动模式的产生可以因此被抑制并且高速旋转和伴随的振动所带来的对钻柱和井的破坏被 避免。此外，这种效果还可以用于抑制或阻尼粘滑运动效果并抑制或阻止粘滑循环的开始。钻柱部分可以设置朝向钻柱较低端或末端部分。钻柱将包括底部钻具组合(BHA)， 其可以包括钻头，钻铤和稳定器。BHA相对较重，并且钻柱部分可以被用来引起伴随钻柱或 BHA的弓弯的旋转的BHA中的偏心，其可以发展成涡动。所述偏心可以存在于组成BHA的部 分的钻铤中，或者由位于BHA上方的钻柱部分引起的弓弯效果可以足以引起旋转BHA的至 少一部分的质心偏移，并因此保持有力的正向涡动状态。旋转的钻柱和井壁之间的接触产生反作用力，其趋向于启动不期望的运动，例如 反向涡动或无序的涡动。然而，由质心偏移和钻柱的旋转所引起的离心力的大小可以足以 保持所需要的钻柱配置和保持正向涡动。然而，如将要被描述的，本发明的其它实施例通过 多个附加的机构或改建或调整来抑制由旋转钻柱和井壁之间的接触产生的反作用力。在一 个实施例中，钻柱部分适于减小或最小化该部分和井壁之间的摩擦。这可以通过提供具有 低摩擦表面的钻柱部分的区域来实现，或者通过在所述部分的表面中包含低摩擦插入件来 实现。可选地，一个或多个轴承套可以可旋转地安装在钻柱部分上。因此，如果轴承套与钻 柱部分一起的正常旋转由于与井壁的接触而被减慢或被停止，轴承套可以相对钻柱自由地 旋转，并且钻柱被保持正向涡动中。可选地，或附加地，钻柱部分可以具有外部轮廓，该外部轮廓配置成提供和保持偏 移或偏斜并因此保持正向涡动或至少抑制其它形式运动的出现。例如，钻柱部分的特征可 以在于具有凸轮凸出部或其它径向突出物，其配置用来尾随或跟随适于在正向涡动期间与 井壁滑动接触的钻柱部分的表面区域。接触区域和井壁之间的摩擦趋向于引起钻柱围绕井 壁沿与钻柱旋转方向相反的方向旋转，并最后潜在地引起反向涡动。然而，这种旋转通过设 置凸轮凸出部而被抑制，因为沿着凸轮凸出部表面的反向旋转需要钻柱轴线沿径向向内移 动，远离井壁。这种运动与由钻柱偏离质心的旋转产生的径向向外的离心力相反，因此反向 旋转的倾向被抑制。凸轮凸出部或其它径向突出物可以设置在稳定器上。然而，与通常用以在钻井运 行中使钻柱位于井中心的常规的稳定器不同，所述稳定器可以被配置用来提供，并且在使 用中帮助保持钻柱轴线偏离或偏移离开井轴线。钻柱部分可以包括适于提供与井壁之间的延长的滑动接触而不用经受不适当的 磨损或破坏的表面区域。所述区域可以被设置有耐磨面，或耐磨插入件。通过本发明的实 施例所引起的钻柱的弓弯还导致钻柱的其它部分接触井壁，并且这些部分还可以被合适的 保护和修改。在本发明一个特定的实施例中，钻柱部分的接触区域适于提供切削或扩孔的 动作，如下所述。如将要被描述的，通过利用本发明的一个方面来增加扩眼装置的效果和切割效率 来实现有益的效果。本发明中此方面的特定实施例可以是偏心的或双中心的，并且可以在 需要将井直径扩大到大于位于倾斜井上方的外壳或套或套管的内部直径的情形中加以利 用。在这些实施例的一个中，扩眼装置设置在钻柱的前导段的上面并且用于增加前导孔的 直径。扩眼装置包括扫过井壁的扩孔部分或者翼状物。通常地，计划并假定前导段和扩孔部 分将围绕共同的轴线旋转，与被钻的井轴线相一致。然而，稳定这样的装置是困难的，扩眼操作常常要遭受不想要的和有害的振动，这大大的降低钻井效率并使钻的井的形状无法确 定。扩孔翼的切割动作被地层抑制或阻止并且本发明人的发现建议最终的反作用力将趋向 于推动装置跨过井孔，导致无序涡动或反向涡动，并降低由装置施加的横向切割力。然而， 如果装置的质心，或者与装置结合的底部钻具组合(BHA)的质心在井中沿扩孔翼的方向偏 移或偏置，由旋转所述装置所产生的离心力将趋向于保持扩孔翼接触地层，并抑制相反地 趋向于将装置推离地层或进入反向涡动的反作用力。可以通过多种方式来实现质心的偏移或偏置。在一个实施例中，装置的扩孔段或 扩孔部分，和扩孔段上方的钻柱，相对于切割段或扩孔段下部的稳定段在井中偏移。稳定段 用来使装置在前导孔中处于中心。可选地，质心的偏移可以被用来引起正向涡动，使得装置 的切割或扩孔面绕井壁扫过。在本发明其它的实施例中，扩眼装置可以有相对较大的直径，并且相对紧配合或 紧贴配合在井中。装置可以配置成引起或产生钻柱质心的偏移，使得旋转钻柱产生的离心 力朝向井壁的方向推动切割面、臂或叶片。切割面与井壁之间接触产生的反作用力，其趋向 于将装置从井壁中推离，该反作用力被旋转钻柱产生的相当大的离心力抑制，如果装置和 井壁之间的空隙允许的话，旋转钻柱可以朝向切割面弯曲。根据本发明另一方面，其提供一种用于在非垂直井中抑制涡动的设备，所述设备 包括安装在位于非垂直井中的钻柱上的非旋转体，所述非旋转体配置用来将钻柱轴线定 位在井轴线的下面。根据本发明的还一方面，其提供一种在非垂直井中抑制涡动的方法，所述方法包 括在位于非垂直井中的钻柱上安装非旋转体，由此钻柱的轴线被定位于井轴线下面。在常规钻柱配置的情况下，位于倾斜井段中的钻柱的部分将趋向于朝向井的将低 侧放置，具有钻柱的较大直径段(例如钻管接头)接触井壁。当钻柱旋转时，钻管接头与井 壁之间的相对运动趋向于引起钻柱沿钻柱旋转方向的反向方向绕井壁运动。因此，顺时针 旋转的钻柱将趋向于围绕井壁逆时针运动。这可能会发展成反向涡动，或者至少潜在的破 坏和钻柱相对于井轴线的低效运动。然而，在本发明的这些方面，非旋转体将相对运动的钻 柱和井壁分开。此外，通过朝向井的较低侧偏移钻柱的轴线，任何朝向反向涡动的趋向都需 要使钻柱从井的较低侧升起。假设存在非旋转体，这种情况最不可能。非旋转体可以适于抑制沿钻柱旋转方向的反方向上的运动。因此，非旋转体可以 包括齿和脊，它们可以配置成单方向运行。可选地，或附加地，非旋转体可以包括径向延伸 部分，由此其相对井壁在所述反方向上的旋转将趋向于从井的低侧提升非旋转体和钻柱。 因此，这种引起反向涡动所需的旋转被抑制了。本发明的这些和其它方面在后附的权利要求中被描述。需要注意的是，大多数上 文中指出的和后附从属权利要求中的多种选择和可选特征在本发明所有或多数不同的方 面中可以被联合提供。


本发明的这些和其它方面下面将通过示例并参考图进行描述，在图图1是根据本发明的实施例的钻柱末端部分的示意图；图2a和2b是图1中沿2_2线的放大的剖面10
图3和4是根据本发明的另一实施例的装置的部分的剖面图；图5是根据本发明另一方面的扩孔工具的示意图；图6是根据本发明的一个实施例运行的钻柱的部分的示意图；图7和8是图6中的钻柱的稳定器的剖面图。
具体实施例方式图1示出根据本发明一个实施例配置的钻柱10的末端或前端。所述钻柱的特征 在于底部钻具组合(bottom hole assembly, BHA)12，其包括钻头14和钻铤16。用以引起 和保持正向涡动(forward whirl)的装置18的形式的稳定器引起合并到BHA12的上方的 钻柱。再参考附图的图2a，其示出了位于井19的中央的装置18的横截面。装置18的 特征在于限定通孔(through bore) 21和环绕的壁22的圆形心轴20。孔21偏移到心轴20 一侧，因此壁22a的一侧比另一侧厚，较厚的侧还包括高密度插入件24。因此，装置18的质 心26沿箭头A的方向偏离井19的轴线28 —个距离D，其中在图2a中轴线28与心轴和钻 柱轴线29 —致。该装置的特征还在于径向地延伸的凸出部(lobe) 30，其偏离质心偏移量A。凸出部30的表面32和心轴的邻接表面34设置耐磨坚硬面。在使用中，当钻柱10旋转时，装置18的偏离的质心26在箭头A的方向上产生不平 衡的离心力。在特定的旋转速度以上，所述离心力足以在钻柱10中引起弓弯形式的变形， 如图1中点划线所指出的。这种弓弯还趋向于引起钻柱和BHA的邻接部分中相应的偏移， 显著地增加了离心效果。附图中的图2b描述了当钻柱10变为弓弯时旋转装置18在井19中的位置。装置 18沿顺时针方向和钻柱10—起旋转，但是在离心力的影响下装置18被沿径向向外推动以 与井壁滑动接触。因此装置18就扫过井19，心轴轴线29沿着大体上圆形的路线或围绕井 轴线的轨道P。这种情形被认为是正向涡动。装置18和井壁之间的接触表面之间的摩擦力产生反作用力，其趋向于径向向内 推动装置18和钻柱10，并还趋向于反向旋转装置18和钻柱10。然而，由井中钻柱的偏移产 生的显著的离心力对此进行抵抗，并且凸出部30的存在抵抗或抑制了反向旋转。特别地， 为了反向旋转，当装置18和井壁之间的接触线沿凸出部30移动时，装置18将必须从井壁 中被提升。再一次，这通过旋转的偏移钻柱10产生的非常大的离心力进行抵抗。要被注意的是，装置18相对于井19的直径被示出为相对小。实际应用中，装置18 相对于井的直径将趋向于更大，但在一些例子中，具有相对小的尺寸的装置是有利的，这允 许装置18穿过例如抽油铁管和类似物的限制，用于扩底井中。现在参见图3，其示出根据本发明的另一实施例的装置40，其用于抑制或阻止位 于倾斜或水平的井中的钻柱42中的反向的和无序涡动。在图中，钻柱42位于倾斜井44的 下侧或较低侧。装置40包括通过轴承48安装在钻柱42上的凸出部46。在没有装置40的情况下，旋转钻柱42 (顺时针旋转)的较大直径部件和井壁50 之间的接触容易引起钻柱42沿逆时针的方向绕井壁运动。这可以发展成反向涡动，或者带
11来钻柱相对井轴线的至少潜在的破坏的和无效的无序运动。然而，当装置40位于适当位置 的情况下，轴承48的出现将相关运动的钻柱42和井壁50隔开。另外，即使轴承摩擦或阻 力足以产生趋向于围绕井壁50沿逆时针纤拉钻柱的力，这种力将作用使钻柱42围绕凸出 部46枢转并使钻柱升起离开井的较低侧。当然，钻柱42的质量将使得轴承摩擦力相对于 将钻柱42保持在井的较低侧的重力是可忽略的，并且凸出部46将仅在钻柱42上旋转并将 钻柱42保持在井的较低侧。由此，抑制或阻止了反向涡动(backward whirl)或无序涡动 的发生。图4示出了装置60，其以与上述装置40类似方式运行，但其特征在于具有三个叶 片的轴承安装的稳定器62，叶片中的一个64a比其它两个叶片64b，64c短。如上文装置40 所述的那样，任何围绕井壁逆时针纤拉钻柱62的趋向将由于轴承的存在而排除。需要注意的是，可以提供与图4所示的装置60相似的没有轴承的装置，也就是，稳 定器将相对于钻柱旋转地固定并且与钻柱一起旋转。这种装置将趋向于以与上述参考图1， 2a和2b的装置18类似方式引起正向涡动。图5描述了根据本发明还一实施例的开孔装置70，所述装置70适合于安装在已经 用于产生直径为h的前导孔72的较小直径钻头(未示出)上面的钻柱上。所述装置70用 来展开前导孔72到更大的直径H。装置70包括比前导孔直径h稍小直径的圆柱形稳定段74。因此，装置70通过前 导孔72稳定。装置70包括具有切割面78的切割段76，切割段76直接位于稳定段74上 面。稳定段74的轴线80被设计成与井轴线82 —致，并与耦合或连接钻头和装置70的钻 柱段84的轴线一致。然而，切割段76的轴线86在切割面78的方向上偏离井轴线82。因 此，直接位于装置70上的钻柱段88同样是偏移的。当钻柱旋转时，切割段76的偏移和钻柱段88的偏移是以便于使装置70和钻柱段 88的质心偏移以产生离心力，其趋向于保持切割面78与井壁90接触，由此扩大井。装置70可以包括高密度插入件来进一步使装置70的质心偏移离开井轴线82朝 向切割面78。切割面78和井壁90之间的反作用力趋向于沿径向向内推切割面78，然而，离心力 具有更大的数量级，并与由稳定段74提供的稳定效果结合一起，保持切割面78与井壁90 接触。在其它实施例中，根据本发明一个实施例可以提供没有稳定段的开孔装置。这种 装置可以设置高密度插入件、偏置钻铤或稳定器，或一些其它配置，以便使装置的质心偏移 离开井轴线朝向切割面。当这种装置在钻柱上旋转时，偏移的质心产生离心力，其趋向于诱 使邻接钻柱在偏移方向上的弓弯，进一步增大离心力。这种力驱动或驱使切割面接触井壁。因此，这种装置在切割面围绕井壁扫过的情况下以正向涡动方式运行。现在参见附图的图6，其示出根据本发明的一个实施例运行的钻柱的部分；同样 对于图7和8，其为图6中钻柱的稳定器的剖面图。钻柱段100形成朝向钻柱的末端的钻柱的部分。钻柱段100通常由重的钻管形 成并直接位于底部钻具组合(BHA)上面，但可以可选地合并BHA的部分。钻柱段100的上 端和下端由稳定器或接触点101a，IOlb限定。上侧点IOla可以是常规的稳定器或钻铤接 触点，而下侧点IOlb也可以是稳定器，例如近钻头稳定器，或钻铤接触点。可选地，下侧点IOlb可以是扩孔装置，例如扩眼器。另一稳定器102，配置用来帮助引起和保持正向涡动， 其设置在钻柱段100的中点，且此稳定器102在图7和8中示出剖面图。可以发现，稳定器 102不同于常规稳定器，常规稳定器通常配置成在钻井运行中将钻柱集中到井中心。相反， 本实施例的稳定器102配置用来提供钻柱轴线相对于井轴线的偏移。实际上，如将要被描 述的，稳定器102配置用来帮助引起和保持这种偏移。如下所述，可以预先确定钻柱段100中将初始化和保持正向涡动的运行参数，然 后操作者使用操作参数来改善钻井运行的效率。特别地，确定将引起和保持正向涡动的钻 柱的旋转速度范围。在已知的钻柱段尺寸、质量和材料性质(密度，杨氏模量)的情况下，可以确定钻 柱段100的、弹性常数(k)，然后确定第一自然频率。为简明起见，第一自然频率的计算可 以假设钻柱段100包括集中的质量而不是分散的质量，并且已经发现这可以提供合理的估 计。因此，根据旋转速度，通过对弹性常数除以所述段质量的一半求平方根球场第一自然频 率。当然根据公知常识可以知道第一自然或平均频率可以通过多种不同的方法确定或得 出ο在低于自然频率的70%的速度下，难于实现和保持钻柱段100所需要的偏斜。在 高于自然频率的150%的速度下，将增加更高阶模式振动的可能性，这将趋向于破坏钻柱段 100所需要的变形。此外，对于倾斜井中的钻井操作，重力的效应也必须加以考虑，并且可 以确定用以将离心力保持在足以保持钻柱段的所需弓弯的水平的最小速度。在最小速度以 下，钻柱段100可能经历一定程度的涡动，但如果离心力不足，重力将使钻柱段100离开井 的上部面，钻柱段100将无法实现围绕井轴线的完整轨道。通过，例如输入相应的钻柱参数到计算机中或其他运行有合适软件包的装置，得 到钻柱速度范围的输出结果，可以实现决定合适的运行参数。可选地，操作者可以输入例如 包括速度范围和井的倾斜度的钻柱运行参数，，并获得钻柱段参数的输出(例如段长度)， 这有利于合适的钻柱段的设计。不同的参数可以由操作者具体地输入，或者可以从合适的 数据库或其它存储信息中找到或输入。输出的信息可以为简单的可视化显示形式，或者可 以反馈到其它钻柱运行或设计系统。在涡动过程中，稳定器102将接触井壁并因此产生一定程度的寄生摩擦。然而，已 经确定的是，寄生摩擦处于相对较低的水平，并且通过保持钻柱段处于正向涡动的有益效 果多于补偿相关的寄生摩擦。另外，虽然寄生摩擦相对低，但是其表现出，稳定器102和井 壁之间的滑动接触带来的摩擦具有阻尼或抑制循环效应(cyclic effect)的效果(例如粘 滑运动)并有利于将钻柱保持在相对恒定的速度下旋转。除了使用钻柱段100的自然频率振动来获得涡动外，稳定器102的形式也有助于 引起和保持正向涡动。在此实施例中，稳定器102是偏心的并且特征在于在稳定器的一侧 具有两个凸出部104，106。正如下面所述的，凸出部开始时帮助将钻柱段推离中心并且在旋 转钻柱中第一凸出部104有助于保持钻柱段处于正向涡动中。图7示出了处于运动中的一点的稳定器102，其中钻柱段100位于井108的居中位 置并且凸出部104，106与井壁接触。施加扭矩到钻柱中以引起顺时针旋转。井壁108和第 一凸出部104的前边缘之间的首次接触110产生趋向于将钻柱段100推离中心到点划线所 示的位置的耦合或连接。
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图8示出了钻柱旋转时的稳定器102。已经计算旋转速度与第一自然频率相一致， 使得这样钻柱段100呈现出弓弯形式(如图6中点划线所示的)，所述段的中部部分离开井 轴线的移动，在稳定点101a，IOlb相对钻柱轴线偏心，这在钻柱旋转时在段100上产生离心 力。这朝向井壁推动钻柱段100直到稳定器102与井壁接触。然后，在稳定器102轴线和 由此钻柱段100的中部的所述轴线偏离井轴线而沿着基本上圆形的轨道112的情况下，稳 定器102在如图8所示的方位中绕井壁滑动。当稳定器绕着倾斜的井移动时，离心力保持 整个轨道。摩擦力产生对稳定器102的阻力，使得稳定器102将趋向于沿井壁逆时针纤拉；如 果这种运动是不受抑制的，稳定器可能会进入反向涡动。然而，绕井运动的趋势被存在的凸 出部102所抑制。特别地，与由旋转偏移所产生的有效的离心力相反，在凸出部104之后稳 定器的反向纤拉将需要钻柱段100绕凸出部104枢转，使钻柱段100偏移离开井壁。在前 面计算得出的运行速度下，将不会发生这种移动，使得所示的稳定器的方向被保持，并且钻 柱段100保持正向涡动。稳定器102的与井壁滑动接触的部分可以用低摩擦的且耐磨精加工提供。如上所述，当钻柱段保持在正向涡动中时，其它形式的振动被避免，并且测试表明 钻柱末端的粘滑运动也被抑制或阻止，这大大的增强了钻井运行的效率。另外，钻柱和稳定 器的扫过动作还将有助于井的清洁，搅动切屑或其它不然会沉积在倾斜井低端的材料。显然，对于本领域技术人员来说，上述实施例仅仅是本发明的举例，各种不同的改 变和改进可以对其做出，而不会脱离本发明的保护范围。
权利要求
一种钻井方法，包括控制钻柱的运行以将钻柱的至少一部分保持处于正向涡动。
2.如权利要求1所述的方法，其中控制所述钻柱的运行包括在所述钻柱的所述部分开 始或启动正向涡动。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中控制所述钻柱的运行包括选择合适的钻柱配置 以保持正向涡动。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其中控制所述钻柱的运行包括选择合适的运行参 数以保持正向涡动。
5.一种钻井方法，包括选择钻柱配置和钻柱运行参数中的至少一个，以将旋转的钻柱 的中间部分偏移离开井轴线，并将所述中间部分保持在旋转方向上的轨道中。
6.如权利要求1至5中任一项所述的钻井方法，包括相对所述钻柱的邻接部分偏移所 述部分的质心。
7.如权利要求1至6中任一项所述的钻井方法，包括相对所述井轴线偏移所述部分的 质心。
8.如权利要求1至7中任一项所述的钻井方法，包括配置所述钻柱的所述部分，由此所 述钻柱的旋转产生趋向于驱动或驱使所述钻柱部分朝向所述井壁的离心力。
9.如权利要求1至8中任一项所述的钻井方法，包括在所述钻柱部分中并入偏心的质量。
10.如权利要求1至9中任一项所述的钻井方法，包括保持所述钻柱的所述部分的一部分与井壁滑动接触。
11.如权利要求1至10中任一项所述的钻井方法，包括在所述钻柱的所述部分上设置 具有径向突出物的稳定器。
12.如权利要求1至11中任一项所述的钻井方法，包括在所述钻柱部分上设置稳定器， 所述稳定器配置用来提供所述钻柱离开所述井轴线的偏移。
13.如权利要求1至12中任一项所述的钻井方法，包括在所述钻柱的所述部分引起一 阶振动。
14.如权利要求1至13中任一项所述的钻井方法，包括以与所述钻柱的所述部分的一 阶振动相关的预定的速度旋转钻柱。
15.如权利要求1至14中任一项所述的钻井方法，包括以与所述钻柱的所述部分的第 一自然频率相关的速度的70%到150%范围内的预定速度旋转所述钻柱。
16.如权利要求1至15中任一项所述的钻井方法，其中所述钻柱的所述部分在上侧和 下侧稳定器或接触点之间延伸。
17.如权利要求1至16中任一项所述的钻井方法，包括配置所述钻柱使得所述钻柱的 预定钻速将与和所述钻柱部分的第一阶自然频率相关的速度的70%到150%范围相重叠。
18.如权利要求1至17中任一项所述的钻井方法，其中所述钻柱部分被定位在朝向钻 柱末端的位置。
19.如权利要求1至18中任一项所述的钻井方法，其中所述钻柱部分包括底部钻具组 合的至少一部分。
20.如权利要求1至19中任一项所述的钻井方法，包括将所述钻柱的所述部分置于非 垂直的井中。
21.一种钻井设备，包括钻柱的一部分，所述钻柱的一部分配置用以在所述钻柱在预定 参数内运行时保持所述钻柱处于正向涡动。
22.—种钻井设备，包括钻柱部分，所述钻柱部分配置成偏移所述部分的轴线离开井轴 线，由此并入所述部分的钻柱的旋转趋向于将所述部分保持在旋转方向上的轨道中。
23.如权利要求19或22所述的钻井设备，其中所述钻柱部分配置成在所述钻柱的所述 部分中启动正向涡动。
24.如权利要求21到23中任一项所述的钻井设备，其中所述部分的质心相对所述钻柱 的邻接部分偏移或偏置。
25.如权利要求21到24中任一项所述的钻井设备，其中所述钻柱部分被配置成使得在 使用中所述部分的质心相对所述井轴线偏移或偏置。
26.如权利要求21到25中任一项所述的钻井设备，包括在所述钻柱部分中的偏心质量。
27.如权利要求21到26中任一项所述的钻井设备，其中所述钻柱的所述部分被配置成 使得所述钻柱的旋转产生趋向于驱使或驱动所述钻柱部分朝向井壁的离心力。
28.如权利要求21到27中任一项所述的钻井设备，其中所述钻柱的所述部分被配置成 保持所述部分的一部分与井壁滑动接触。
29.如权利要求21到28中任一项所述的钻井设备，包括在所述钻柱的所述部分上的具 有径向突出物的稳定器。
30.如权利要求21到29中任一项所述的钻井设备，包括偏心的稳定器，所述稳定器配 置成提供所述钻柱部分的轴线偏移离开所述井轴线。
31.如权利要求21到30中任一项所述的钻井设备，其中所述钻柱的所述部分在上侧和 下侧稳定器或接触点之间延伸。
32.如权利要求21到31中任一项所述的钻井设备，其中所述钻柱的所述部分被配置在 朝向钻柱末端的位置。
33.如权利要求21到32中任一项所述的钻井设备，其中所述钻柱的所述部分包括底部 钻具组合的至少一部分。
34.如权利要求21到33中任一项所述的钻井设备，其中所述钻柱部分包括弯接头，其 用以相对于所述钻柱的邻接部分偏移所述部分的质心。
35.如权利要求21到34中任一项所述的钻井设备，其中所述钻柱部分被配置成变形以 在井中径向地移动所述部分，并因此移动所述部分的质心远离所述井轴线和所述钻柱的邻 接部分的旋转轴线。
36.如权利要求21到35中任一项所述的钻井设备，其中所述钻柱部分配置成提供偏 移，使得用以引起正向涡动的所述钻柱部分的偏斜或移位(deflection)仅在预定旋转速 度以上发生。
37.如权利要求36所述的钻井设备，其中所述预定旋转速度被选择成在所述钻柱的正 常运行参数内。
38.如权利要求36所述的钻井设备，其中所述预定旋转速度被选择成在所述钻柱的正 常运行参数以上。
39.如权利要求21到38中任一项所述的钻井设备，其中所述钻柱的所述部分被配置成最小化所述部分的接触面和所述井壁之间的摩擦力。
40.如权利要求39所述的钻井设备，包括旋转地安装在所述钻柱的所述部分上的轴承套。
41.如权利要求21到40中任一项所述的钻井设备，其中所述钻柱部分包括配置用来提 供与所述井壁的延长接触或伸长接触的表面区域。
42.如权利要求41所述的钻井设备，其中所述表面区域包括耐磨面和耐磨插入件中的 至少一个。
43.如权利要求41或42所述的钻井设备，其中所述表面区域被配置成提供切削功能。
44.如权利要求43所述的钻井设备，其中所述表面区域形成扩眼装置的一部分。
45.如权利要求44所述的钻井设备，其中所述扩眼装置是偏心和双中心中的一个，并 被配置用来扩展较低侧的井段或井部分的直径以使其大于较高侧的井段或井部分的内部直径。
46.如权利要求44或45所述的钻井设备，其中所述扩眼装置设置在所述钻柱的前导段 的上面，并被配置用来增加前导孔的直径。
47.如权利要求44、45或46所述的钻井设备，其中所述扩眼装置包括配置用来扫过所 述井壁的扩孔段。
48.如权利要求47所述的钻井设备，其中与所述扩眼装置相关的质心在扩孔段的方向 上被偏移，由此通过旋转所述装置产生的离心力趋向于保持所述扩孔段与所述井壁接触。
49.如权利要求47或48所述的钻井设备，其中所述扩孔段相对位于所述扩孔段下面的 稳定段被偏移，所述稳定段配置成使所述扩眼装置位于所述前导孔中心。
50.一种在钻井运行中控制钻柱中振动的方法，所述方法包括至少下列其中之一在 钻柱的末端部分有目的地引起正向涡动，和抑制反向涡动或无序涡动。
51.一种钻井方法，包括确定与在钻柱的末端部分引起和保持正向涡动中的至少一个相关的钻柱配置和钻柱 运行中的至少一个参数；和执行配置所述钻柱和运行所述钻柱中的至少一个，以便实现至少下列其中之一在所 述钻柱的末端部分引起或保持正向涡动，和抑制反向涡动或无序涡动。
52.一种钻井设备，包括根据预定参数有目的的配置的钻柱的末端部分，所述预定参数 与下列中的至少一个相关保持正向同步涡动；和抑制反向涡动或无序涡动。
53.一种最小化钻柱中的粘滑运动的发生的方法，所述方法包括配置钻柱部分，使得当 所述钻柱的旋转速度接近与粘滑运动相关的预定界限时，所述钻柱部分偏斜或移位并与井 壁之间滑动、制动或减速接触。
54.一种在非垂直井中抑制涡动的设备，所述设备包括安装在位于非垂直井内的钻 柱上的非旋转体，所述非旋转体配置成将所述钻柱的轴线定位在所述井轴线下面。
55.如权利要求54所述的钻井设备，其中所述非旋转体被配置用来抑制与钻柱旋转方 向相反的方向上的运动。
56.如权利要求55所述的钻井设备，其中所述非旋转体包括径向突出物。
57.一种在非垂直井中抑制涡动的方法，所述方法包括在钻柱上安装非旋转体；和在 非垂直井中定位所述钻柱使得所述钻柱的轴线被定位在所述井轴线下面。
58.一种用于确定钻柱参数的系统，包括输入界面，其用以允许与钻柱配置和钻柱运行中至少一个相关的参数的输入； 处理器，所述处理器用来处理所述输入参数，并确定同与钻柱部分的一阶自然频率相 关的钻柱运行和钻柱配置中的至少一个相关的参数；和 输出界面，所述输出界面用来输出所确定的参数。
59.一种确定钻柱参数的方法，包括(a)获得与钻柱配置和钻柱运行中至少一个相关的输入参数；和(b)处理所述输入参数以确定同与钻柱部分的一阶自然频率相关的钻柱运行和钻柱配 置中至少一个相关的参数。
60.如权利要求59所述的方法，还包括根据步骤(b)中确定的参数运行钻柱。
61.如权利要求59或60所述的方法，还包括根据步骤(b)中确定的参数配置钻柱。
全文摘要
本发明提供一种钻井方法，包括控制钻柱的运行以保持钻柱的至少部分处于正向涡动。
文档编号E21B7/00GK101899947SQ20091024689
公开日2010年12月1日 申请日期2009年10月9日 优先权日2008年10月9日
发明者伊恩·福斯特, 艾伦·埃迪森, 阿拉斯泰尔·麦克法兰 申请人:安德格治有限公司