专利名称：钻井眼的方法和混合型钻柱的制作方法
技术领域：
本发明涉及在物体中钻井眼的方法，并且涉及混合型钻柱。所述物体特别地可以是地下地层。一种特别的应用是用于在地下地层中钻出至少在下部中具有较小直径的井眼，例如，直径在3到20cm之间，例如5到12cm,比如7. 4cm (2. 9英寸)或10. 5cm (4. 125英寸)的井眼。
背景技术：
通常，井眼可通过使用传统的机械切割钻头的机械钻孔方法钻出，所述方法中使 用由连接的钻管(pipe)形成的钻柱。对于小直径井眼，也可使用所谓的柔性管，特别是可从卷轴展开的盘管，也称为盘管。与使用钻管(其中钻管必须连续地彼此联接)的钻孔操作相比较，借助于柔性管进行钻孔具有以下的优点，钻孔操作无须如此频繁地中断。当连接到卷轴时，这样的管不能旋转，并且通常井底钻具组合(bottom hole assembly)中需要由钻井液驱动的井下钻孔马达(“泥浆马达”)。通常期望定向控制，以提供沿期望轨迹的井眼。对于小直径柔性管，这样的定向控制通常通过泥浆马达与弯接头组合来获得。但是用于获得小直径孔的这样的机械钻孔方法具有几个缺点。这些缺点之ー是，相应地，泥浆马达也具有较小的尺寸，导致低效率。在定向钻孔操作过程中，高于泥浆马达的钻柱部分不旋转，这对于孔清洁和穿透不是最佳的。而且，小直径钻柱通常不够结实牢靠，经常损坏。由于钻柱的质量低，而且钻压低，这导致差的方向控制率和减小的穿透速率。对于扭矩的传递，钻柱的直径非常重要。因此，在从EP 2 108 780获知的使用连接的钻管和盘管组合的旋转钻孔法中，被视为盘管的ー个优点是，可使用比连接的钻管更大直径的盘管。这是由于盘管中没有钻具接头，所述接头比实际的钻管宽。作为传统机械切割钻头的替代，可使用流体射流钻头，其引导具有冲蚀カ的流体射流来冲击井眼壁。优选地，使用包含大量磨蚀颗粒的流体混合物。这样的射流钻孔特别适用于形成具有小直径的井眼。与机械切割钻孔法相反，不需要钻压或只需要最小的钻压来用于钻孔。例如在W0-A-2005/005767中公开了在物体中形成孔的射流钻孔系统和方法。这种已知的系统包括挖掘工具，这里也称为磨蚀射流钻头，其安装在从表面插入地下地层中的孔内的钻柱的下端。钻柱设置有纵向通道，用于将包含磨蚀颗粒的钻井液混合物输送到钻头。钻头包括射流装置，其布置用于沿喷射方向产生磨蚀射流而在冲击区域中冲击地层。磨蚀射流包含磁性磨蚀颗粒(钢砂)。提供再循环系统，其在冲蚀冲击之后，利用磁体从通到表面的返回流捕获磨蚀颗粒，并且在混合位置处，将磨蚀颗粒与通过钻柱接收的混合物再混合。磁体布置为可旋转输送带，吸引要回收的颗粒，并且将其朝向与来自表面的新鲜流体混合的混合位置输送。在已知的系统中，定向钻孔操作通过用于输送机的可控驱动装置形式的调制装置实现，其布置用于调制再循环速率，并且以该方式，调制喷射装置处的磨蚀射流中的颗粒量。当磨蚀射流沿孔中的轨迹运动时，特别是以旋转运动方式进行运动时，可选择地改变沿所述轨迹的每ー个冲击区域中的冲蚀量，并且实现定向控制。关于这点还參照了其他已知磨蚀射流钻孔系统和方法，如例如WO 00/66872，WO 2002/034653, WO2005/005766, W02008/119821, WO 2008/113843, WO 2008、113844 中所述。为了获得射流钻井中的最佳结果，磨蚀射流钻孔中钻柱的外径应具有优选在井眼直径的O. 65到O. 70倍之间范围的外径。在钻出7. 4cm (2. 9英寸)直径的孔的情况下，这将导致约5cm (2英寸)的钻柱。但是，该尺寸的连接的钻管具有较大直径的连接部。例如，2又3/8英寸钻管(6cm)的接头可具有约3. 5英寸(8. 9cm)的接头直径。虽然这可通过应用结合的管杆来避免，其中所述管杆具有较小直径的连接部，但是管杆经常损坏。特别地， 由于频繁形成和断开所述连接部，因此管杆连接部更易于损坏。第二井眼部分可特别地为具有较小直径的部分，例如，直径在3到20cm之间，特别地，在 5-16cm 之间，例如 5-12cm，例如 7. 4cm (2. 9 英寸)、10· 5cm (4. 125 英寸)或 15. 2cm(6英寸)，所述直径对应于相应的流体射流钻头的尺寸。但是柔性管，特别是盘管，在射流钻孔中的使用可能被认为具有以下缺点由于在高内部流体压カ下从卷轴展开到钻孔中而发生的变形和弯曲可能导致缩短的寿命。这由于如下的事实而加重在射流钻孔过程中施加的压カ(100巴或更高，特别是200巴或更高，例如300巴或更高)明显高于由泥浆马达驱动的传统钻孔旋转切割钻头中的压カ(通常远低于100巴)。又ー个缺点是，盘管用于不旋转钻柱，与泥浆马达相结合，以使得钻头旋转，而钻柱不旋转。对于射流钻孔，特别是磨蚀射流钻孔，优选旋转钻柱。泥浆马达的使用甚至比在机械切割钻孔中更不期望，因为如果不是实际不可能操作泥浆马达和要求的旋转密封，则高压使其很难处理。而且，期望钻柱旋转，因为这促进井眼清洁。需要用于通过射流钻孔方式来钻孔特别是用于在地层中钻出较小直径井眼的更快更经济的改进方法。
发明内容
根据本发明，提供ー种在物体中钻井眼的方法，所述方法包括提供从物体表面延伸到所述物体中的第一井眼部分；将包括流体射流钻头的第一钻柱部分下入所述第一井眼部分中，其中，所述第一钻柱部分包括一定长度的柔性管；产生流体射流，以通过冲蚀カ喷射到井眼的冲击区域上，由此加深井眼来提供第ニ井眼部分，和在提供第二井眼部分过程中，将形成第二钻柱部分的多个连接的钻管元件装配到所述一定长度的柔性管的顶部。本发明的方法使得能够获益于柔性管在磨蚀射流钻孔操作中的有利特征，同时避免缺点。从可使用传统方法钻出的第一井眼部分内，提供第二井眼部分，所述第二井眼部分可使用流体射流钻头与一定长度的柔性管一起快速并且经济地钻出，所述一定长度的柔性管在第二井眼部分加深过程中由连接的钻管元件在顶部延伸。第二井眼部分可限制于刚好所需的直径，因为没有接头必须下入该部分中。在一个优选的实施例中，流体射流为磨蚀流体射流,并且流体射流钻头为磨蚀流体射流钻头。磨蚀流体射流为包含一定浓度的磨蚀颗粒的流体混合物射流，所述磨蚀颗粒例如为钻井液中的钢砂，所述钻井液特别地为水性钻井液，例如水。使用本发明的方法，整个钻柱可旋转，这如上面所指出的是有利的。使用一定长度的柔性管避免进行连接部的处置，通常不长于15m的传统连接的钻管或管、元件需要所述连接部。所述一定长度的柔性管可包括30米长或更长，优选50米长或更长的单件管，并且可以是IOOm长或更长、200m长或更长、或甚至500m长或更长。所述一定长度的柔性管可从卷轴展开，允许有效输送到钻机位置。当第一钻柱部分下入第一井眼部分中时，所述一定长度的柔性管可连接到辅助柔性构件，例如包括缆绳或柔性管的辅助部分。以该方式，柔性管和辅助柔性构件的组件可卷绕在卷轴上，并且再次展开，因此柔性管可容易地用于并且重新用于类似的钻孔操作。适当地，在所述一定长度的柔性管上端处设置联接器。该联接器可用于连接到辅助柔性构件和/或用于将连接的钻管(第二钻柱部分)联接到柔性管(第一钻柱部分)。所述联接器可包括连接的钻管的转换接头。优选地，在表面处设置柔性管引导装置，并且联接器和柔性管 引导装置的尺寸使得联接器可经过柔性管引导装置。在一个实施例中，所述方法可还包括在所述井眼中升高装配的第一钻柱部分和第二钻柱部分；将所述连接的钻管元件从所述一定长度的柔性管分离， 将所述一定长度的柔性管卷绕在所述卷轴上。本发明还提供ー种混合型钻柱，包括一定长度的柔性管以及多个连接的钻管元件，并且还包括井底钻具组合，所述井底钻具组合包括流体射流钻头。所述连接的钻管元件优选连接到所述一定长度的柔性管的第一端。还优选地，具有射流钻头的底部钻具组合设置在所述一定长度的柔性管的第二端处。所述一定长度的柔性管可包括30m长或更长、50m长或更长、IOOm长或更长、200m长或更长、或甚至500m长或更长的单件管。用于本发明中的柔性管优选具有足够柔性以沿循钻孔轨迹，并且足够具有足够刚性以在旋转时被推动通过所述井眼。而且，其优选应具有可传递使钻柱和钻头旋转所需转矩的抗扭强度。本发明还提供一种用于通过钻井液和磨蚀颗粒混合物的磨蚀射流在地层中来钻孔的方法，包括以下步骤提供卷绕在卷轴上的一定长度的柔性管，获得所述管的自由端，将磨蚀射流钻头连接到所述管的自由端，当所述管从所述卷轴展开时，将所述一定长度的管下入井眼中，将一定长度的钻管，例如钢钻管，装配到下入所述井眼中的所述一定长度的管的顶部，旋转包括所述一定长度的钻管、所述一定长度的管和所述钻头的组件，通过所述组件提供钻井液和磨蚀颗粒混合物流，通过从所述旋转钻头排出的钻井液和磨蚀颗粒混合物射流冲蚀井眼底部。包括所述柔性管、所述ー个或多个钻管和所述钻头的组件可作为整体旋转。可应用所述一定长度的管而无需如完全由钻管构成的传统钻柱的情况那样组成大量连接部或断开大量连接部，因而加速钻孔过程。柔性管良好地适于处理施加在钻柱上来使钻头旋转的较低扭矩。而且，高压可施加在柔性管中。优选地，根据本发明的方法包括以下步骤为卷轴提供一定长度的辅助柔性构件，所述辅助柔性构件例如为卷绕在所述卷轴上的缆绳或管的辅助部分，以及连接到所述辅助柔性构件并且卷绕在所述柔性构件上的一定长度的柔性管，当将所述一定长度的管下入井眼中时，展开所述一定长度的柔性管以及所述辅助柔性构件的一部分，使所述一定长度的管与所述辅助柔性构件分离。
所述辅助柔性构件永久连接到所述卷轴，并且简化了所述管的卷绕和展开过程。该过程可通过提供在所述一定长度的管和所述辅助柔性元件之间的联接器来进ー步改善。而且，根据本发明的所述方法包括以下步骤在所述井眼中升高所述组件，使所述ー个或多个一定长度的钻管与所述管分离，将所述一定长度的管卷绕在所述卷轴上。本发明还涉及ー种混合型钻柱，包括一定长度的柔性管，以及连接到所述一定长度的管上端的至少一段一定长度的钻管。而且，本发明还涉及用于执行如前面所述的方法的安装装置，包括钻架，其设置有用于引导所述一定长度的柔性管的引导装置，用于将包括所述一定长度的管、所述至少一段一定长度的钻管和所述钻头的组件固定的固定装置，和用于升高所述组件的升高装置。
下面将进ー步通过示例并且參照附图描述本发明，其中，附图1-3在不同的操作阶段中显示了根据本发明的方法和混合型钻柱。附图中使用同样的附图标记指代相同或相似的物体。
具体实施例方式在本发明的方法的第一歩中，提供从物体表面延伸到物体中的第一井眼部分。该物体这里为地下地层，特别用于提供井眼以制造用来生产矿物烃类的井。这样的第一井眼部分从地表向下延伸，并且可例如通过传统钻孔方法提供，特别是机械钻孔，例如使用牙轮钻头或PDC钻头。上部、上方、上游、井口、下部、下方、下游、井下等在本文中參照井眼中具有射流钻头的钻柱使用，其中，上部或上面比下部或下面更靠近表面；上游和下游针对钻井液大体上向下流动通过钻柱并且向上通过与井眼壁的环形空间流动到表面而言。第一井眼部分可特别设置有完井结构，特别是套管，例如套管柱，其包括沿向井下方向直径变窄的轴向套管节段。图I中，第一井眼部分5仅示意性地显示使用单个套管节段完井。其不需要如图所示为竖直的。第一钻柱部分3下入该井眼部分中，所述第一钻柱在其下端包括流体射流钻头。第一钻柱部分包括一定长度的柔性管3a。如图I中所示，卷轴I紧邻钻机4设置，钻机4用于钻井眼5的过程中。钻机4设置有导向装置7，为盘管的一定长度的柔性管3a和辅助柔性构件8在所述一定长度的柔性管3a从卷轴I上的卷绕位置传送到第一井眼部分5的过程中在所述导向装置7上被引导。所述一定长度的柔性管3a通过联接器9连接到所述辅助柔性构件8。所述辅助柔性构件8可实现为缆绳或又一件管。在柔性管3引入井眼5中之前，射流钻头10，优选磨蚀射流钻头，已经安装到其下端。在图I中所示的位置中，柔性管3a已经完全从卷轴I展开，并且仍通过联接器9连接到辅助柔性构件8。在图I中所示的位置中，柔性管3随后通过固定装置17相对于钻机4保持固定，然后松开联接器9，将辅助柔性构件8卷绕到卷轴I上。第一钻柱部分3下入至期望深度。在很多情况下，这将是第一井眼部分5的底部，如图2中所示。但是还可能从更接近井口位置作为偏斜部分钻出第二井眼部分，例如作为多分枝井的一部分。在第一井眼部分的底部上方的侧向偏斜的第二井眼也被认为加深所述井眼。在期望深度处，钻出第二井眼部分5a通过操纵射流钻头，产生以冲蚀力喷射在井眼的冲击区域上(例如在井眼底部处)的流体射流开始。磨蚀射流钻头适当地包括ー个或多个 射流喷嘴，每ー个对着井眼中的某个区域喷射。当钻柱旋转时，获得冲击区域圆和甚至不同方式的冲蚀。优选但不是必须的，首先，将第一钻管元件，例如一件钻管连接到第一钻柱3的上端。为此目的，柔性管3仍关于钻机4保持固定，并且将一件钻管11 (參见图2)(其例如为刚性钢管)通过联接器12连接到柔性管3，所述联接器12可以与联接器9相同、类似，或为与联接器9配合操作的联接器。随着第二井眼5a部分加深，更多的钻管元件在顶部上连接，以形成第二钻柱部分11a。在钻孔过程中，包含钻井液和磨蚀颗粒的混合物通过管路13泵送到贯穿包括钻管11和柔性管3的混合型钻柱16的孔中。因而，钻管11和柔性管3表现为单个整体；由于大长度的柔性管3可引入井眼中，而无需形成连接部，因此钻孔过程大大加速。第二井眼部分5a可具有比第一井眼部分更小的直径。如果连接部不适于穿过第二井眼部分，则盘管的长度实际上决定了第二井眼部分的最大深度。第一和第二井眼部分可都为几百米长。第一和/或第二井眼部分可定向钻出。使用磨蚀射流钻孔的定向钻孔可例如如从W02005/005767所知的那样进行。第二井眼部分5a可以是裸孔部分，即没有设置有套管。在一个示例中，其直径可以是7. 4cm。返回到表面的第一井眼部分中的套管的(最小)内径可以是例如8. 9-10. 2cm,在该情况下，钻管甚至可用于钻柱的顶部部分。如果套管窄，则连接的管可用于第二钻柱部分。钻井液和粘合剂颗粒的混合物由泵4泵送；粘合剂颗粒通过混合器15添加到由泵14排出的钻井液流。在已经达到第二井眼部分5a的目标深度之后，包括通过联接器12，12a相互连接的柔性管3和钻管11的混合型钻柱16通过钻机4的升高装置18升高，随后将钻管11分离。在将最后的钻管11取下之后，将柔性管3的联接器9连接到辅助柔性构件8的相应联接器。最后，将所述辅助柔性构件8和柔性管3卷绕到卷轴I上。然后可在另ー个位置处重复整个过程，或可使用相同的第一井眼部分钻出例如分支井部分等的又一个井眼部分。该方法在必须钻出一系列相似的井，例如批量钻孔时特别有利，固定长度的盘管和标准卷轴可用于所述批量钻孔。可通常如现有技术中所知的那样操作射流钻头，主要的差别是使用本发明的混合型钻柱，并且通过本发明的混合型钻柱操作。适当的磨蚀射流钻头、系统和操作方法例如在 WO 00/66872, W02002/034653, WO 2005/005767, WO 2008/119821, W02008/113843, WO2008/113844中进行了公 开，其以引用的方式并入本文中。可使用例如WO 2002/034653,WO2005/005766，W02008/119821, WO 2008/113844中所述的再循环系统，但是这不是必须的。在一个实施例中，连接的钻管元件具有大于第二井眼部分的直径的最大直径。最大直径通常为接头处的外径。第一井眼部分中的第二钻柱部分具有大于第二井眼部分直径的最大直径。第一和第二钻柱部分之间的连接器被认为是第二钻柱部分的一部分。在一个实施例中，提供的第二井眼部分具有直到第二钻柱靠近第二钻柱部分的井ロ端部的深度，例如在井口端部的100米内，或在50米内，或10米内。然后将第二钻柱部分向上拉到表面，并且与第一钻柱部分分离，通过连接又一段一定长度的柔性管来延长第一钻柱部分，或通过使用较长长度的柔性管来代替第一钻柱部分，柔性管优选具有相同直径。于是，可通过返回到所述孔中，操作射流钻头和将连接的钻管元件的第二钻柱部分重新连接，来将第二井眼部分以相同的直径延伸到较大的深度。可重复该过程来达到较大的深度。在一个实施例中，柔性管的直径小于接头处测量的连接的钻管元件的直径。特别地，柔性管的直径可小于连接的钻管的接头直径至少12_，更特别地，至少25_，甚至更特别地，至少37mm,例如甚至至少50mm。在一个实施例中，柔性管的直径小于在接头外部测量的连接的钻管元件的直径。特别地，柔性管的直径可小于连接的钻管的接头直径至少3mm，更特别地，至少6_，甚至更特别地，至少12mm,例如甚至至少22mm,或至少25mm。本发明的ー个优点是，较小直径的柔性管可用于钻出甚至例如大于100米或大于500米，甚至大干IOOOm的伸长长度。由于不需要或只需要最小的扭矩来传递到射流钻头，因此甚至非常小的直径也不成问题，例如外径在4. 5cm和7. 5cm之间，例如外径5cm，6cm或
7.3cm的管。柔性管的直径优选在对于由流体喷射(第二井眼部分)产生的井眼部分中射流系统的液力性能的最佳范围内。特别地，柔性管的直径与该井眼部分的直径的比率优选在
O.6-0. 75范围内，更优选在O. 62-0. 72范围内，例如在O. 65-0. 7范围内。该比率的最佳值提供最佳的通过所述管到射流喷头以及流经由环形空间返回到表面的液力传递。实例例如使用传统的钻孔系统，将15. 2cm直径的始于表面的井眼设置到第一深度，并且在其中设置外径12. 7cm的套管。具有10. 5cm钻头直径的传统旋转钻孔系统可刚好操作通过这样的套管，以使直径10. 5cm的井眼延伸到第二深度。10. 5cm钻头可由7. 3cm (2又7/8英寸，接头外部)的钻柱来操作，接头直径通常为约9. 8-11. Icm例如10. 5cm。在到第二深度的延伸范围中，安装外径8. 9cm的衬管，衬管接头可能宽一点。直到第二深度的井眼代表第一井眼部分。衬管具有使得7. 4cm (2. 9英寸)的射流钻头适合通过的内径。该钻头安装在外径5. Icm (2英寸)的柔性管的下端，所述钻头操作来钻出第二井眼部分。操作旋转钻头通过外径8. 9cm的衬管特别是达到延伸长度非常困难并且低效的，因为扭矩和钻压的传递非常困难。这对于射流系统，特别是磨蚀射流系统不是问题。第二井眼部分可延伸到可以是第二深度的约两倍的第三深度。整个钻柱可被向上拉，并且具有与之前相同尺寸的 带射流钻头的柔性管可再次插入直到第三深度，并且在如之前所讨论的与连接的钻管元件连接时，操作来将第二井眼部分延伸到更大的深度。
权利要求
1.ー种在物体中钻井眼的方法，所述方法包括 提供从物体表面延伸到所述物体中的第一井眼部分； 将包括流体射流钻头的第一钻柱部分下入所述第一井眼部分中，其中，所述第一钻柱部分包括一定长度的柔性管； 产生流体射流，以通过冲蚀カ喷射到井眼的冲击区域上，由此加深井眼来提供第二井眼部分，和 在提供第二井眼部分过程中，将形成第二钻柱部分的多个连接的钻管元件装配到所述一定长度的柔性管的顶部。
2.根据权利要求I所述的方法,其中,所述流体射流为磨蚀流体射流,并且流体射流钻头为磨蚀流体射流钻头。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中，钻柱在加深所述井眼的同时旋转。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述第一井眼部分中的所述第二钻柱部分具有大于所述第二井眼部分的直径的最大直径。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，当所述第一钻柱部分下入所述第一井眼部分中吋，将所述一定长度的柔性管连接到辅助柔性构件。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述一定长度的柔性管包括在其上端处的联接器。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述联接器用于将根据权利要求6的所述辅助柔性构件和所述第二钻柱部分之ー连接到所述第一钻柱部分。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，在表面处设置柔性管引导装置，并且其中，所述联接器和所述柔性管引导装置具有的尺寸使得所述联接器可经过所述柔性管引导装置。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括 在所述井眼中升高装配的第一钻柱部分和第二钻柱部分； 将所述连接的钻管元件从所述一定长度的柔性管分离， 提供更长长度的柔性管作为第一钻柱部分，并且重复根据权利要求I所述的方法的步骤。
10.ー种混合型钻柱，包括一定长度的柔性管以及多个连接的钻管元件，并且还包括井底钻具组合，所述井底钻具组合包括流体射流钻头。
11.根据权利要求10所述的混合型钻柱，其中，所述一定长度的柔性管包括30m长或更长，优选50m长或更长的单件管。
12.根据权利要求10或11所述的混合型钻柱，其中，所述一定长度的柔性管包括30m长或更长，优选50m长或更长的单件管。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的混合型钻柱，其中，所述柔性管的外径小于所述连接的钻管元件在其接头处测量的外径，特别地，小至少12mm,更特别地,小至少25mm,甚至更特别地，小至少37mm。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的混合型钻柱，其中，所述柔性管的外径小于所述连接的钻管元件的在其接头外部测量的外径，特别地，小至少3mm，更特别地，小至少6mm,甚至更特别地,小至少12mm。
15.根据权利要求10-14中任一项所述的混合型钻柱，其中，所述一定长度的柔性管的外径在4. 5cm到12. 7cm范围内，特别地，在4. 8cm到10. 5cm范围内，更特别地，在5. Ocm到8.9cm范围内。
全文摘要
本发明提供了一种在物体中钻井眼的方法，所述方法包括提供从物体表面延伸到所述物体中的第一井眼部分(5)；将包括流体射流钻头(10)的第一钻柱部分(3a)下入所述第一井眼部分中，其中，所述第一钻柱部分包括一定长度的柔性管；产生流体射流，以通过冲蚀力喷射所述井眼的冲击区域，由此加深井眼来提供第二井眼部分(5a)，和在提供第二井眼部分过程中，将形成第二钻柱部分(11a)的多个连接的钻管元件(11)装配到所述一定长度的柔性管的顶部；本发明还提供了一种混合型钻柱(16)，其包括一定长度的柔性管(3)以及多个连接的钻管元件(11)，并且还包括井底钻具组合，所述井底钻具组合包括流体射流钻头(10)。
文档编号E21B17/20GK102667048SQ201080058357
公开日2012年9月12日 申请日期2010年12月22日 优先权日2009年12月23日
发明者J-J·布朗格 申请人:国际壳牌研究有限公司