专利名称：钻井方法和磨料喷射钻井组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钻到目标中的钻井方法以及涉及一种磨料喷射钻井组件。该目标可以特别是土地层。
背景技术：
在W0-A-2005/005767中公开一种在目标中形成孔的磨料喷射钻井系统和方法。所述现有技术的系统包括挖掘工具，在此该挖掘工具被称为磨料喷射钻头，该磨料喷射钻头安装在钻柱的下端部上，该钻柱从地面插入到地下土地层的孔中。该钻柱设置有用于将
包括磨料颗粒的钻井流体混合物运输到钻头的纵向通道。该钻头包括喷射装置，该喷射装置布置为在喷射方向上产生磨料射流以对冲击区域中的土地层进行冲击。该磨料射流包含磁性磨料颗粒(钢丸)。设置再循环系统，该再循环系统在借助于磁铁进行侵蚀冲击之后，从返回到地面的返回流中获取磨料颗粒，并且将该磨料颗粒与经由钻柱接收的混合物在混合场所再次混合。该磁铁布置成可转动传送器，从而吸引要再次循环的颗粒并且通过来自地面的新流体将它们传送到混合场所。传送器装置具有螺旋地布置形成高磁场带和低磁场带的磁铁装置。磁性颗粒被两种磁场带吸引到支撑表面，并且被重新布置到高磁场带。磁铁装置与支撑表面之间的距离沿着进口到混合室的方向减小，因此支撑表面处的磁场由于高磁场带和低磁场带而增大。在传送器装置的转动期间，颗粒从进口沿着支撑表面传送到混合室，在混合室中，颗粒被顺流而下的钻井流体夹带。一种呈用于传送器的可控制驱动装置形式的调整装置布置用于调整再循环率，并且以这种方式，调整喷射装置处的磨料射流中的颗粒数量。当磨料射流沿着孔中的轨迹移动时，尤其是转动运动时，可改变沿着该轨迹的每个冲击区域中的侵蚀量并且实现定向控制。关于这一点也参见WO 2005/05766。在W0-A-2008/119821中所描述的另一种磨料喷射钻井系统和方法中，布置再循环系统装置，该再循环系统装置可在磁铁没有移动动作的情况下操作。更有益的是不使移动部分或者至少不连续移动部分在井下操作，这种静止的磁铁不能调整磨料颗粒的再循环率。
发明内容
需要一种改进的磨料喷射钻井组件和钻井方法，其中在设有最小量的移动部件或者不设有移动部件的情况下，可进行对磨料射流中的磨料颗粒浓度的调整。根据本发明，提供了一种钻到目标中的钻井方法，该方法包括-将钻柱设置在目标的井眼中，该钻柱在其下端部处包括磨料喷射钻头，该钻头包括喷射喷嘴，该钻柱为流体提供从目标表面到喷射喷嘴的通道；-将包括磁性颗粒的流体混合物经由钻柱朝向磨料喷射钻头供应，并且从所述喷射喷嘴喷出磨料射流，所述磨料射流具有冲击所述目标的侵蚀动力；-调整磨料射流中磁性颗粒的喷射浓度；其中，调整磨料射流中磁性颗粒的喷射浓度包括对沿着朝向喷射喷嘴的流体流动路径布置的收集表面处的磁场在所述磁场的第一值与第二值之间调整，在所述第一值时磁性颗粒从流体混合物收集在收集表面处，而在所述第二值时磁性颗粒从收集表面释放到流体混合物中。对磁场强度在高值与低值之间调整提供一种避免调整系统有移动部件的有效且一流的方式，在高值时，颗粒被吸弓I到收集表面，该收集表面沿着带有颗粒的流体朝向喷射喷嘴的通路布置，而在低值处，颗粒从收集表面释放。磁场可通过下述方式进行调整使磁铁相对于收集表面运动，和/或调整电磁铁的驱动电流。调整磁场可包括使用于磁性连接磁铁和所述收集表面的磁性连接器在连接位置与非连接位置之间移动。对于定向钻井操作优选的是，控制颗粒浓度以便与选定轨迹上的冲击区域的位置相关联地进行调整。特别地，可以使喷射喷嘴转动，而且磁场的调整可根据喷射喷嘴的转动而进行控制。 在一个实施例中，调整在磨料喷射钻头的上游侧接收的流体混合物中磨料颗粒的供给浓度以便调整磨料射流中的喷射浓度。喷射浓度可以是不同的，尤其是平均值较高，但是仍然取决于供给浓度，如果设有循环系统的话，该井下再循环系统设置用于在磨料颗粒从喷射喷嘴排出之后将它们沿着通道再循环到具有供给流体混合物的混合场所，其中供给浓度在混合场所的上游被适当地调整。可替代地或另外地，对于调整供给浓度，原则上可能将本发明的调整用在再循环系统内部。优选地，在设置井下再循环系统的情况下，该井下再循环系统并不用于调整再循环率。本发明还提供一种磨料喷射钻井组件，所述磨料喷射钻井组件能连接到管状的钻柱部分，并且所述磨料喷射钻井组件包括具有喷射喷嘴的磨料喷射钻头；用于包括磁性磨料的流体通向喷射喷嘴的流体通道；以及调整装置，所述调整装置用于调整在操作期间流动通过喷射喷嘴的流体中的磁性磨料颗粒的浓度，所述调整装置包括收集表面；磁性保持设备，所述磁性保持设备用于在收集表面处施加磁场，所述磁性保持设备包括磁铁装置和调整控制装置，所述调整控制装置用于使收集表面处的磁场在第一值与第二值之间选择性地改变，在所述第一值时磁性颗粒收集在收集表面处，而在所述第二值时磁性颗粒从收集表面释放。调整装置可与磨料喷射钻头集成为一体，或者可是独立件，诸如作为井下钻具组合的一部分可连接到钻柱。 在一个实施例中，磨料喷射钻井组件还包括控制单元，该控制单元用于在操作期间与磨料喷射钻头的冲击区域的位置相关联地控制磨料射流的颗粒浓度。优选地，当设置井下再循环系统时，该井下再循环系统并不适于调整再循环率，和/或该控制装置并不适于控制再循环系统的再循环率。磁铁装置可包括至少一块电磁铁，于是优选地，该调整控制装置布置用于调整电磁铁的驱动电流。可替代地或另外地，磁铁装置可包括至少一块永磁铁，于是优选地，至少一块永磁铁可相对于收集表面移动。该移动例如可以是平移移动和/或转动移动。
磁性保持设备可包括致动器，该致动器用于改变磁铁装置和收集表面的相对位置。可替代地或另外地，磁铁装置还可包括可选择地移动的磁性连接器。通道可以至少部分地是具有内环形壁和外环形壁的环形通道，而且收集表面至少部分地布置在内环形壁上。例如，磁铁可以被内环形壁围住，或者磁铁装置可被内环形壁环绕。磁铁装置可包括至少两块磁铁，所述至少两块磁铁沿着所述通道、相对于流动方向以不同的角位置定位。磁铁装置可定位在通道外面。磨料喷射钻井组件还可包括井下再循环系统，该井下再循环系统布置用于在操作 期间、在磨料颗粒从喷射喷嘴排出之后使磨料颗粒沿着所述通道再循环到混合场所，其中所述收集表面在混合场所的上游、沿着所述通道布置。在一个特定实施例中，调整装置可形成为再循环系统的一部分。然而，通过在具有来自再循环系统的返回流的混合场所的上游、沿着从地面到钻头喷嘴的流体通道布置调整装置，也就是说，使得调整装置在流体通道处而并不是在再循环系统的返回通道中具有效果，该调整变得独立于再循环系统的存在以及精确功能。术语上部、上方、上游、井上、下部、下方、下游、井下等参照在井眼中具有磨料喷射钻头的钻柱，其中上部或上方比下部或下方更加靠近地面；上游和下游是相对于通常通过钻柱向下流动以及通过与井眼壁形成的环形空间而向上流到地面的钻井流体的。磨料喷射钻井组件可以是钻井系统的一部分，该钻井系统包括钻杆串(例如抵达地面的整个钻柱)的一部分或全部，或者包括钻柱的传统部件(诸如钻柱元件、连接好的钻杆、井底钻具组合、特定功能附件(sub)(例如用于随钻测井(MWD)的附件)、稳定器等)。调整装置可与磨料喷射钻头(例如在其上部或者上游端部，尤其是在具有来自再循环系统的磨料颗粒的混合场所的上游)集成为一体。然而，还可能将调整装置布置为与磨料喷射钻头分开，例如作为磨料喷射钻头上方的钻柱的一部分，诸如在独立的钻柱兀件或附件中。适当地，在调整装置与喷射喷嘴之间沿着钻柱的距离不太大，否则当供给流体抵达磨料喷射钻头处时可部分地或完全消除对供给流体中颗粒浓度的调整。应知晓的是，在喷嘴中和通道的上游位置处可发生调整之间的某一时间滞后。适当地，该距离是IOOm或者更少，优选50m或者更少，更优选20m或者更少，以使得很好地限定在磨料喷射钻头处接收的供给浓度。该调整装置可恰好设置在磨料喷射钻头的上游或者作为井底钻具组合的一部分。磨料喷射钻井组件可还包括测量装置，该测量装置用于检测井眼中喷射喷嘴的角度取向，该调整控制装置可布置用于根据所检测到的角度取向来控制磁性保持设备。在一个实施例中，调整装置定位在钻柱中、在下部出口接头处或者上方并且朝向磨料喷射钻头。当连接好时，具有已调整的磨料颗粒供给浓度的钻井流体流进入钻头的上部进口接头。在一个实施例中，调整装置容纳在位于钻柱中的套圈中，所述套圈具有形成钻柱通道的一部分的贯通进入通道。在一个实施例中，该贯通进入通道包括环空，磁性保持设备位于由该环空的最内部壁所环绕的区域内。在一个实施例中，调整装置包括至少两块位于贯通进入通道的相对侧上的磁铁。在一个实施例中，所述磁铁包括至少一块永磁铁，并且设置包括移动器的致动装置，所述移动器执行永磁铁相对于贯通进入通道的移位。在一个实施例中，所述磁铁以在平行于贯通进入通道的位置与相对于该贯通进入通道的倾斜的位置之间可转动的方式安装。在一个实施例中，调整装置设置有顺磁性收集器，并且移动器布置成在所述磁铁与收集器之间分别形成磁性接触和断开磁性接触。在本发明的一个实施例中，用于操作磨料喷射钻井组件的方法包括以下步骤获得包括钻井流体和磨料颗粒的流动混合物；以及改变激活装置的操作以便获得顺磁性磨料颗粒的受控的吸引和/或释放。尤其是，调整装置被操作以便保持贯通进入通道内的颗粒量，随后使调整装置以脉动的方式操作，以在每个脉动期间释放保持在贯通进入通道内的磨料颗粒的一部分且仅仅一部分。在一个实施例中，该方法包括设置至少两个串联的调整装置，激活所述调整装置以便每次保持一批磨料颗粒，停用所述调整装置以便在所述多批磨料颗粒抵达喷射喷嘴处的抵达时间中获得时间差。
现在将参照附图通过举例来描述本发明，附图中 图I示意性示出了具有根据本发明的磨料喷射钻井组件的磨料喷射钻井系统；图2示出了调整装置的第一实施例；图3A、3B示出了调整装置的第二实施例；图4示出了调整装置的第三实施例；图5A、5B示出了调整装置的第四实施例；以及图6A、6B示出了调整装置的第五实施例。
具体实施例方式在附图中，相同的附图标记用于标识相同或相似的目标。如图I中所示，包括根据本发明的磨料喷射钻井组件的磨料喷射钻井系统包括在目标的井眼2中的钻柱I。该目标在这里是地下土地层5，尤其是用于提供一个用于形成用于生产出矿物烃的井的井眼。该钻柱I在地面8处、在其上端部处连接到转动驱动装置(未示出，但通过箭头10表示)，而在另一下端部处连接到套圈13，该套圈包括根据本发明的调整装置14。该套圈13还可设置有控制器单元，以使得该控制器单元位于孔的内部。可替代地，该控制器单元可在钻柱中定位在与具有磨料喷射钻头不同的位置处，或者可定位在地面8处。在套圈13的下端部处，具有喷射喷嘴18的磨料喷射钻头16连接到套圈13或者与套圈13集成为一体。该钻柱I具有用于流体的通道20，该流体通道经由套圈13的通道22和磨料喷射钻头16的通道24而与喷射喷嘴流体连通。喷嘴18倾斜地定向在中心区域中，以使得冲击区域相对于钻头16的转动轴线而偏心地设置，在这种情况下，使磨料射流在孔中转动导致射流19和冲击区域在孔中沿着基本上圆形的轨迹移动。优选地，该偏心的冲击区域与转动中心交叠，以使得该井眼的中间也经受磨料射流的侵蚀动力。喷射喷嘴18布置在可选的脚部29上方,并且相对于该系统的纵向方向以相对于转动轴线15° -30°的倾斜角倾斜，但是可使用其他角度。优选地，该倾斜角为大约21°，其对于用于通过使整个工具在井眼内部轴向转动而利用磨料侵蚀该井眼的底部来说是最优的。在本实施例中，磨料喷射钻头还包括用于磨料颗粒的再循环系统，该再循环系统总体以30表示，其具有进口 32和出口 34，该进口与磨料喷射钻头16和井眼2之间的环形空间33流体连通，该出口通到布置在通道24的混合场所37处的混合室36。可选的脚部设置为距离井眼底部一距离，并且适当地包含用于使钻井流体和切屑以经由环形空间33向上流动的缝隙。该磨料喷射钻头18可例如为例如在W02008/113843、WO 2008/113844中描述的头部。在操作中，该系统可如下工作。包括磨料颗粒(例如钢丸)的钻井流体由适当的泵(未示出)从目标的表面(例如大地表面)通过钻柱2的纵向通道20进行泵送。钻井流体的一部分或者全部被引导到喷射喷嘴18，在该喷射喷嘴处产生磨料射流19。磨料射流被喷出以冲击地层。该地层由于磨料射流19冲击地层5而在冲击区域中被侵蚀，从而加深井眼2。同时，该磨料射流绕着转动轴线转动。因而，该冲击区域在孔中沿着圆形轨迹而移 动，以使得该地层可在所有方位角处被侵蚀。通过调整磨料射流的侵蚀动力，可实现高度的定向控制。通过保持磨料射流的侵蚀动力恒定，在孔的所有侧面上均匀地侵蚀地层，因而该孔被直挖。当调整侵蚀动力时，尤其是通过调整磨料颗粒的供给浓度来调整侵蚀动力时，与射流的冲击区域的运动(例如通过旋转)不同步的调整将不导致定向作用。因而，通过相对于转动异步的调整原则上钻出直井眼段。然而，挖掘工具的转动方面的畸变或者孔区域中的岩层特性方面的变化或者其他原因可导致孔中的不均匀侵蚀。需要通过调整侵蚀动力进行方向修正以补偿该非故意的不均匀侵蚀。该磨料射流的侵蚀动力还可被调整以便有意地挖掘出弯曲的孔。当磨料射流被定向以冲击需要更大侵蚀的区域中的地层以执行方向修正时，可周期地增大该磨料射流的侵蚀动力，从而在该区域中产生更大侵蚀率。可替代地或者相组合地，当磨料射流定向用于冲击需要更小侵蚀的区域中的地层时，可减小该磨料射流的侵蚀动力。通过使得磨料颗粒在钻柱2和钻头16的每次转动时在相同的特定地点(spot)以较高浓度从喷射喷嘴10中发散出而获得定向效应。因而，该井眼底部39被不均匀地侵蚀，这导致井眼9的进一步前进将相对于井眼I的纵向方向连续偏移。可调整具有磨料颗粒的钻井流体流以便获得脉冲效应。也就是说，在钻柱I和钻头4每一整圈转动时，该射流可包含具有较高浓度的磨料颗粒的一个阶段以及具有较低浓度的磨料颗粒的至少一个阶段。还可能的是，对于每个所选定的整数圈转动仅仅提供一次较高浓度。优先侵蚀的其他方案可在布置多于一个喷射喷嘴的情况下使用。当布置多于一个喷射喷嘴时，它们适当地在井眼上提供非对称分布的冲击。浓度c的调整表示浓度取决于时间，c=c (t)。在1、2、3直到10、或20、或更多圈转动之后，该调整可具有重复时期。对于特定调整所要考虑的时间范围可以是钻柱的一圈或若干(如10、100或更多、1000或更多)圈转动的持续时间。在较长的时间下，该调整可被改变，或者甚至在某些时期被停止，以便沿着可包括直部分的期望轨迹进行钻井。因而，优选的是，该调整装置包括调整控制装置，该调整控制装置布置用于控制该调整装置，以使得磨料射流的侵蚀动力与选定轨迹上的冲击区域的位置相关联地进行调難
iF. O
为了确定冲击区域的位置，该系统可设置有位置传感器(诸如随钻测井传感器)，用于提供表示磨料射流位置的信号。为了确定穿过地层的当前钻井方向，该系统可设置有导向传感器(诸如随钻测井传感器)，用于提供表示在土地层中形成孔所沿着的方向的信号。这种导向传感器可设置为下述传感器中的一个或者其组合的形式定向传感器，其提供表不装置相对于参考向量的方向的信号；位置传感器，其提供表不相对于参考点的一个或多个位置坐标的信号；地层密度传感器，其在一距离处提供附近的地层类型或地层成分的变化的信息；或者任何其他适合的传感器。基于磨料射流的钻井系统上的机械力比基于机械岩石去除的系统的情况小得多。这具有以下优点这些传感器可布置得非常靠近挖掘工具，从而使得可能较早且准确地将信号通信到调整控制装置。这些传感器可例如与调整控制装置设置在相同室内。可替代地，磨料射流前进穿过地层的位置和/或方向可基于可在地面8上获得的 参数而被确定，该参数包括钻柱2上的扭矩和钻柱2的方位以及钻柱2的轴向位置和速度。还可经由地面处的定向系统的操作者来决定对钻井方向进行改变或者修正。在源于井下随钻测井传感器的信号的情况下，可采用多用户脉冲遥感系统或者其他合适的数据传送系统来将数据传送到地面。经由类似的数据传送装置，控制信号可被传送到井下控制装置，该井下控制装置触发期望的定向钻井修正所需的一系列控制动作。推进器(未示出)有利地设置用于将磨料喷射系统按压在孔2的底部39上。为了避免磨料喷射钻头6上的不必要磨损、系统的弯曲以及定向控制的丧失，在按压力不比在底部处保持该磨料喷射钻头16所需要的力大太多时，获得最好效果。因此，该按压力优选为仅仅足以抵消磨料射流的轴向反冲力和推进器中的摩擦力以及磨料喷射系统与孔壁之间的摩擦力。典型地，该按压力适宜地低于10kN。适当的磨料射流包括混合物，该混合物包含流体(例如钻井流体)和某一受控浓度的磨料颗粒。射流的侵蚀动力与属于夹带于混合物中的磨料颗粒中的总动力相关。这取决于磨料颗粒的质量流量以及取决于磨料颗粒速度的平方。可通过调整磨料射流中磨料颗粒的质量流量来调整磨料射流的侵蚀动力。这可最有利地通过调整混合物中的磨料颗粒的浓度来实现。当单位时间内冲击到区域上的相似颗粒的数量较大时，由于将侵蚀更多的地层，该磨料射流的总侵蚀动力增大。调整混合物中磨料颗粒的浓度并不影响钻井系统与地层之间的机械接触作用力。磨料颗粒的浓度的较小变化可足以实现定向作用，例如在调整期间颗粒的最大浓度和最小浓度之间的变化为20wt% (重量百分比)的颗粒或者更少，10wt%*更少，5wt%*更少。当这些颗粒具有基本上相同的大小/重量和/或密度时，这些附图可同样以磨料颗粒的vol% (体积百分比)来表示。仍旧参见图1，磨料颗粒可被夹带在通过挖掘孔的钻井流体的返回流中，该返回流例如通过孔I与钻井系统(2、13、16)之间的环形空间33行进。为了降低全程运输返回到地面的磨料颗粒的浓度，该钻井系统(尤其是磨料喷射钻头16)可设置有再循环装置(以30示意性示出)，该再循环装置布置成将来自冲击地层下游的返回流的磨料颗粒的至少一部分重新再循环返回到磨料射流10中。被再循环的磨料颗粒可与新的含供给浓度的磨料颗粒的钻井流体流例如在混合室中相混合，新的钻井流体流和再循环磨料颗粒都进入该混合室中以获得含喷射浓度的磨料颗粒的喷射流体混合物。该磨料颗粒优选地包括或者包含可磁化材料，即顺磁性材料或者铁磁性材料(诸如例如钢丸或钢砂)。在此这也将被表示为“磁性材料”或者“磁性颗粒”，尽管其并不需要具有永磁性。该再循环系统可包括来自在环形空间33中向上流动并且经由出口 34而将颗粒传送到混合室36的钻井流体的吸磁性磁性颗粒。通常，适当的再循环装置例如在WO2002/034653、TO 2005/005766、TO2008/119821、TO2008/113844 中有描述。根据本发明，在混合场所37的上游(也就是在混合室36上方的通道20、22、24a中)调整磨料颗粒的供给浓度。因而，射流19中磨料颗粒的喷射浓度被调整，该喷射浓度取决于供给浓度。调整装置14因此沿着钻柱的通道20、22、24布置，在图I的实施例中，布置在磨料喷射钻头16的上端部处或恰好上游。在图I的实施例中，在套圈13中进行调整，在图2-6中示出了套圈的若干个实施 例。在图2的实施例中，套圈13具有无磁性的壳体111，该套圈具有用于与钻柱的上部部分的通道20流体连通的上部进口 112，以及具有用于与磨料喷射钻头的通道24流体连通的下部出口 113。贯通进入通道22在该进口与出口之间延伸。在贯通进入通道22旁侧布置有两对电支持装置电磁铁115、116。每对电磁铁115、116沿着该贯通进入通道22的稍微倾斜定向部分定位。通过受控地激活或停用这些电磁铁来实现对流过该贯通进入通道22的磨料颗粒浓度的调整。这可通过开始或停止供给到电磁铁的电流来实现。该电流还可较平滑地变化和/或在不同的非零值之间变化，但是后者是不太优选的，因为需要来自动力源的恒定电力供给。因而，在通道22壁的收集表面处，对磁场在第一值与第二值之间调整，在第一值时，至少一些磁性颗粒从流体混合物中收集在收集表面处，而在第二值时，磁性颗粒从收集表面释放到流体混合物中。第一值是磁场的较高值而第二值是磁场的较低值。应知晓的是，收集表面上的颗粒可在流动流体的作用下沿着该表面移动，但是与较低或零磁场强度的时期相比，在较高磁场强度的时期内更多的颗粒存在于收集表面上。以114表示仅仅一个收集表面。优选地，当磁场处于其第一值时，磁性颗粒由支撑表面的大部分收集，优选由支撑表面的至少25%区域收集，更优选由支撑表面的至少50%区域收集，甚至更优选由支撑表面的至少75%区域(诸如基本上整个区域)收集。优选地，当磁场处于其第二值时，磁性颗粒从支撑表面的大部分释放，优选从支撑表面的至少25%区域释放，更优选从支撑表面的至少50%区域释放，甚至更优选从支撑表面的至少75%区域(诸如基本上整个区域)释放。优选地，当磁场处于第一值时，没有磁性颗粒或者仅仅很小部分的磁性颗粒被沿着支撑表面流动的流体重新夹带，诸如收集在支撑表面上的颗粒的不到25%于是在磁场处于其第一值期间被重新夹带。在图3A、B所示的实施例中，永磁铁117、118可用作贯通进入通道22旁侧的磁性保持设备。这些磁铁可绕着摆动轴线123摆动，以便获得图3A中和图3B中所示的不同位置。在图3A中所示的位置中，磁铁117、118可被摆动远离该贯通进入通道22，这意味着较大部分或者全部的磁性磨料颗粒将沿着通道22通过。相反地，在图3B中所示的位置中，磁铁117、118可摆动朝向并且抵靠贯通进入通道22的壁处的收集表面114，以这种方式，收集表面处的磁场较高，而且一部分或者全部的磁性磨料颗粒被收集在所述表面处。通过例如借助于机械致动器(未示出)在图3A、B中所示的位置之间进行改变，由于钻井流体流呈现出不同浓度的磨料颗粒而可以实现调整作用。图4的实施例包括电磁铁119，该电磁铁连接到所谓的顺磁性收集器120，从而共同形成了磁性保持设备。此外，箱121容纳电池或者与外部电源和电子控制单元连接的连接装置。在控制单元的作用下，该电磁铁被电池/动力源激励，从而顺磁性收集器处的磁场变得足够强，以使得磁性磨料颗粒收集到顺磁性收集器20上。通过改变该电磁铁的激活，可改变贯通进入通道14中的磁性颗粒浓度以便实现所需的调整。该顺磁性收集器可包括提供较低磁场强度的永磁铁，该磁场强度尚不足以将颗粒收集在收集表面114处，从而在这种情况下围绕着收集器120。因此，在收集表面处由电磁铁119提供的适度增加的磁场强度足以用于进行收集。图5A和5B中所示的实施例包括永磁铁119a，该永磁铁借助于磁性连接器122可 与两个顺磁性收集器120连接(图5B)或者断开连接(图5A)，从而共同形成了磁性保持设备。通过在连接器22的断开连接状态与连接状态之间进行改变，可改变贯通进入通道14中磨料颗粒的浓度。图6A、6B中所示的实施例包含永磁铁119a，该永磁铁借助于连接器122可连接到双顺磁性收集器120，从而共同形成磁性保持设备。收集器120外面的区域或环空124应该足够大以收集足够大量的磨料颗粒，以便显著地改变在钻柱的单圈转动内供给到钻头的磨料颗粒的浓度。代替电磁铁119a的是，可使用可选择地激励的电磁铁(未示出)。代替移动图5和6中的顺磁性连接器的是，电磁铁它们自身可向上和向下移动，以与顺磁性收集器连接/断开连接。可替代地或者另外地，可布置所示的两个顺磁性收集器120中的仅仅一个。同样可能有利的是，将附加的磁性导向件(未示出)安装成平行于该磁铁，以便通过开口连接器形成磁性捷径。这将避免在连接器打开时来自连接器的开口端的磁场干扰周围环空中的颗粒流动。所以，可例如通过下述方式实现调整可选择地激励的电磁铁、通过永磁铁朝向或远离收集表面的实际运动、通过将磁性导体重新定位在磁铁与流体通路的壁之间、和/或通过在一块或多块磁铁处产生(或去除)磁性捷径。如果可能的话，这些磁铁优选是永磁铁，例如，稀土永磁铁(如NdFeB或SmCo磁铁)，以便避免当它们不得不被激活时电流连续供给到这些磁铁。图5和6的实施例的优点在于需要具有电子设备的仅仅一个室；顺磁性收集器的高度处的流体经过区域很大，这降低了该装置周围的流体和颗粒的平均速度；仅仅收集器的激活或停用之间的切换需要动力，而并不是激活(停用)本身需要动力。在图5的实施例中，磁性保持设备与壳体同轴。对于制造以及对于连接到其他(电子)装置来说是有利的，该其他装置例如是测量传感器和电子控制单元。磁铁、磁性连接器和收集器的设计和材料应该彼此相配，以使得磁通量不浪费而且收集器外面的磁场强度足够大以沿着收集器暂时收集钻井流体流中的铁磁性颗粒。收集表面应该足够大，以收集足够大量的磨料颗粒，从而能够显著地改变在钻柱的一圈转动内到达钻头的颗粒的浓度。在一个示例性实施例中，钻柱的转动可典型地采用I秒。在使用井下再循环装置的情况下，泵送通过钻柱的颗粒浓度典型地处于0. 1%到4% (体积百分比)的范围内(诸如0. 4vol%到2vol%)，这是基于含水流体(诸如水)中的钢丸考虑的。每分钟泵送到钻头的每100升钻井流体于是包含高达0. 017 litres/s (升/秒)的磨料。在200升/分流体流速下和I秒的调整中，用于lvol%颗粒浓度的收集器典型地需要能够在0. 5秒期间收集0. 017升颗粒并且在另半秒期间内将其释放。当使用再循环系统时，磨料射流中的钻井流体可包含喷射浓度高达10vol% (体积比分比)，典型地高达5vol%的磁性磨料颗粒，并且平均值比供给浓度高。当没有再循环系统时，通过钻柱的供给浓度除了存在可能的改变时间延迟之外典型地与喷射浓度相同，并且可例如处于0. 5vol%到10vol%范围内，诸如2-5vol% ;例如3vol%。再循环频率例如可处于IOHz至40Hz之间。该钻柱的转动，或者至少磨料喷射钻头挖掘工具的转动可典型地在
0.3Hz到3Hz之间。可通过不是连续地调整而是例如进行仅仅两圈或每三圈相继的转动来增大钻井 轨迹的预计弯曲半径。为了获得定向控制，可通过测量钻头的喷射喷嘴相对于所期望钻井方向的角度取向而适当地触发收集器的激活和停用。用于激活(停用)的动力可以例如来自于井下电池组或者涡轮发电机或它们的组合。在一个实例中，井底构造、电池组或者涡轮、控制单元和存储器、以及传感器组件例如依照该顺序布置在调整装置(图I中的附图标记14)与混合场所37之间，或者全部都集成到磨料喷射钻头中或者集成到若干个所连接的部件中。但是，也可能没有布置再循环系统。可能期望避免同时释放所收集的所有颗粒，也就是说，避免峰值(spike)。为此，可考虑使用-调整装置，该调整装置包括多于一个彼此串联的调整设备，该调整装置具有停用时间，该停用时间可被选择以使得在所释放的多批颗粒抵达喷射喷嘴处的抵达时间之间存在时间差；例如，最靠近钻头的收集表面可以被第一个停用并且也可能被第一个激活；-旁通通路，该旁通通路确保流中的恒定比例的颗粒抵达磨料喷射钻井装置；-从收集器脉动地释放颗粒；通过仅仅非常简单地停用收集器，在收集器的顶部处释放的颗粒将被重新收集，并且由此可在很短的时间期限内释放少许脉动的数量变化的颗粒；-设计收集器，以使得其在调制循环的一部分(例如1/4)持续时间之后饱和，而在随后调整循环的随后半个循环持续时间释放颗粒；-上述选项的组合。磁通量的量从选定磁铁例如119、119a向顺磁性收集器进行改变。通过改变磁性连接器与磁铁之间的接触区域或者连接器与收集器之间的接触区域，可调整抵达收集器的磁通量，进而调整可通过收集器收集的颗粒的数量。优选地，钻头的工具面(toolface)和方向靠近钻头进行测量，并且可能需要测量大地磁场。为了在这种测量中避免磁铁在调整器中的影响，优选使得调整器离磁性传感器典型地至少Im的距离。为了使磨料浓度的调整与磨料喷射喷嘴的取向(也就是磨料喷射钻头的工具面)相匹配，调整时间不得不补偿颗粒从调整器到钻头的行进时间。在电磁铁在调整器和磨料再循环装置中都处于静止的情况下，磁铁相对于磁性传感器的相对位置可通过组件的弯曲以及通过组件转动而改变。这些影响可通过校准而大大消除。已经发现的是，颗粒沿着磁场传感器的通过干扰了它们的测量，可考虑在激活收集器之后并且在收集器充满磨料颗粒之前进行磁场测量。再者，应该考虑时间延迟(在这种情况下是关于颗粒从收集器行进到磁性传感器的时间延迟)。颗粒浓度与钻柱转动之间的关联性可通过考虑若干参数而设置。首先，钻头的转动位置至关重要。此外，钻头的转动速度起到了重要的作用。再者，通过测量流速或者通过校准用于特定流速的系统，可修正颗粒在它们的释放时间与抵达钻头的时间之间的行进时间。当调整装置容纳在磨料喷射钻头上方的钻柱中时，可能传送具有已调整的颗粒浓度的钻井流体的供给流，以便在井底获得某种期望的侵蚀效果。因而，不再必须依靠井下再循环回路的调整。
在一个实施例中，调整装置容纳在位于钻柱中的套圈内，所述套圈具有贯通进入通道，调整装置沿着该贯通进入通道布置。所述套圈可沿着钻柱定位在特定的期望位置处。然而，在套圈靠近钻头布置的情况下获得调整作用的最佳结果。调整装置可包括激活装置和至少一块磁铁，该激活装置用于影响位于贯通进入通道位置处和贯通进入通道外面的磁铁的磁场。通过适当地改变磁场，顺磁性磨料颗粒可通过获得浓度差的方式而被影响。因而，钻头被供给随着时间具有变化浓度的磨料颗粒的钻井流体流，而并不必须使磨料颗粒在井下再循环。磁铁和贯通进入通道可根据若干种可能性而布置。例如，该贯通进入通道可包括环空，在这种情况下，磁铁定位在由环空的最内壁所围绕的区域内。根据另一种可能性，该调整装置包括至少两块定位在贯通进入通道的相对侧上的磁铁。为了获得所要求的调整，可能施加在磁铁与贯通进入通道之间可移位的磁性导体。该磁性导体影响磨料颗粒所经历的磁场，这取决于所述导体的位置。其他的可能性同样存在。例如，磁铁可包括至少一块永磁铁，而激活装置可包括移动器。所述移动器用于使永久磁铁相对于贯通进入通道而移位。磁铁相对于贯通进入通道的壁的实际运动使得在贯通进入通道中经过的磨料颗粒所经历的磁场变化，从而一些颗粒被保持而其他颗粒则通过。磨料颗粒在贯通进入通道中的不同行为引起对钻井流体中颗粒浓度的调整。可用在平行于贯通进入通道的位置与相对于该贯通进入通道的倾斜位置之间可转动的方式安装磁铁。其他的移位机构(诸如滑块)也是可能的。根据另一替代方案，套圈可设有顺磁性收集器，在这种情况下，移动器被操作以用于分别在所述磁铁与收集器之间形成接触和断开接触。此外，该磁铁可包括电磁铁。通过分别激励或停用该电磁铁，可实现调整作用。本发明还涉及一种用于操作前述磨料喷射钻井的方法，该方法包括以下步骤改变激活装置的操作，以便获得顺磁性磨料颗粒的受控制的吸引和/或释放。由此，可在钻井流体流中产生多批磨料颗粒，这可提供脉冲效应。根据另一种可能性，根据本发明的方法可包括以下步骤-操作调整装置以便将一些量的颗粒保持在贯通进入通道内，-随后使得调整装置以脉动方式操作，以便在每次脉动期间释放保持在该贯通进入通道内的磨料颗粒的一部分且仅仅一部分。
通过快速脉动，一些颗粒将被释放而且也被再次吸引，这取决于脉动的持续时间。由此，每次有限量的磨料颗粒是自由的，从而导致了尺寸可被精确确定的多批磨料颗粒。可替代地，根据本发明的方法可包括以下步骤-设置至少两个串联的调整装置，-激活所述调整装置以便每次保持一批磨料颗粒，-停用所述调整装置以便在所述多批磨料颗粒抵达钻头处的抵达时间中获得时间差。举例来说，最靠近钻头的调整装置可在另一调整装置停用之前先停用。此外，根据本发明的方法可包括以下步骤 -测量流动混合物的流量或者校准用于特定流量的钻井系统，-通过调整装置对颗粒从其释放时间开始的行进时间进行修正，以及对颗粒抵达钻头的抵达时间进行修正。与本发明结合使用的井下动力系统可从加压钻井流体流中获取动力。存在于在循环通过孔的流体中的仅仅一小部分(典型地小于5%)水力能量需要获取。因而，发电机将被制造得比例如井下涡轮或者容积式马达(PDM)小得多，井下涡轮或者容积式马达目的在于转换用于驱动传统钻头的大部分可用能量。第一种类型的井下动力系统包括例如借助于涡轮或容积式马达(PDM)部分由钻井流体流驱动的发电机。所产生的电能可供给到电动马达。该电动马达23可由电子控制系统控制。多于一个涡轮/发电机模块可串联安装以转换所需要的动力。这可改善井下动力系统的定向柔性，因为这种模块化方法可通过机械构造，与具有相似额定功率的非模块化的涡轮组件相比不太硬。第二种可替代类型的井下动力系统包括可由钻井流体流驱动的无源液压马达(诸如涡轮或者无源容积式马达(PDM)部分)。设置用于控制输出轴上的动力的装置。这种装置可设置为流动控制装置(诸如调节阀)的形式，所述流动控制装置用于控制流过无源液压马达的钻井流体的流动。可替代地，发电机可围绕输出轴安装并且用作受控的制动器，该受控的制动器通过调整发电机回路中的负载而能够电子调整。该电子调节阀或者负载可由电子控制系统控制。利用磨料射流，磨料射流的侵蚀动力可经由电子控制系统进行调整。电子控制系统可布置为接收表示磨料射流的冲击区域沿着其在井眼底部上轨迹的位置的信号，其然后可用于根据沿着轨迹的位置来调整磨料射流的侵蚀动力。可直接从位于磨料喷射钻头附近的井下位置传感器接收该信号。位置传感器可适当地与电子控制系统一起被容纳。该电子控制系统可包括电子存储器模块，该电子存储器模块存储包括马达电压、电流、转动频率、温度及其他数据的数据。该数据的选择可被经由随钻测井MWD系统(当设置随钻测井MWD系统时)而传输到地面。这种随钻测井系统可通过男性对扣接管工(malestabber)而电子连接到电子控制系统。该电子控制系统可被编程，以便可保持或实现选定条件。任何电子元件可布置在常压室或者压力平衡室中。
权利要求
1.一种钻入目标中的方法，所述方法包括 -将钻柱设置在所述目标的井眼中，所述钻柱在其下端部处包括磨料喷射钻头，所述钻头包括喷射喷嘴，所述钻柱为流体提供从所述目标的表面到喷射喷嘴的通道； -将包括磁性颗粒的流体混合物经由钻柱朝向磨料喷射钻头供给，并且从所述喷射喷嘴喷出磨料射流，所述磨料射流具有冲击所述目标的侵蚀动力； -使磨料射流的冲击区域沿着井眼中的选定轨迹移动；以及 -在移动冲击区域时调整磨料射流中磁性颗粒的喷射浓度； 其中，调整磨料射流中磁性颗粒的喷射浓度包括对沿着朝向喷射喷嘴的流体流动路径布置的收集表面处的磁场在所述磁场的第一值与第二值之间调整，在所述第一值时磁性颗粒从流体混合物中收集在收集表面处，而在所述第二值时磁性颗粒从收集表面释放到流体混合物中。
2.如权利要求I所述的方法，其中，通过使磁铁相对于所述收集表面移动来调整磁场。
3.如权利要求I所述的方法,其中,通过调整电磁铁的驱动电流来调整磁场。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，调整磁场包括使用于磁性连接磁铁和所述收集表面的磁性连接器在连接位置与非连接位置之间移动。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，控制颗粒浓度以便与所述选定轨迹上的冲击区域的位置相关联地调整颗粒浓度。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，调整流体混合物中磨料颗粒的供给浓度以便调整磨料射流中的喷射浓度。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，设置井下再循环系统，用于在磨料颗粒从喷射喷嘴排出之后沿着所述通道再循环到具有供给流体混合物的混合场所，其中在混合场所的上游调整所述供给浓度。
8.一种磨料喷射钻井组件，所述磨料喷射钻井组件能连接到管状的钻柱部分，并且所述磨料喷射钻井组件包括具有喷射喷嘴的磨料喷射钻头； 用于包括磁性磨料的流体的通向喷射喷嘴的流体通道； 以及调整装置，所述调整装置用于调整在操作期间流动通过喷射喷嘴的流体中的磁性磨料颗粒的浓度， 所述调整装置包括 收集表面； 磁性保持设备，所述磁性保持设备用于在收集表面处施加磁场，所述磁性保持设备包括磁铁装置和调整控制装置，所述调整控制装置用于使收集表面处的磁场在第一值与第二值之间选择性地改变，在所述第一值时磁性颗粒收集在收集表面处，而在所述第二值时磁性颗粒从收集表面释放。
9.如权利要求8所述的磨料喷射钻井组件，其中，所述磁铁装置包括至少一块电磁铁，优选地，其中所述调整控制装置布置成调整所述电磁铁的驱动电流。
10.如权利要求8或9所述的磨料喷射钻井组件，其中，所述磁铁装置包括至少一块永磁铁，优选地，其中所述至少一块永磁铁相对于所述收集表面能移动。
11.如权利要求8-10中任一项所述的磨料喷射钻井组件，其中，所述磁性保持设备包括致动器，所述致动器用于改变所述磁铁装置与所述收集表面的相对位置。
12.如权利要求8-11中任一项所述的磨料喷射钻井组件，所述磁铁装置还包括能选择性移动的磁性连接器。
13.如权利要求8-12中任一项所述的磨料喷射钻井组件，其中，所述通道至少部分是具有内环形壁和外环形壁的环形通道，其中所述收集表面至少部分地布置在所述内环形壁上。
14.如权利要求8-13中任一项的磨料喷射钻井组件，其中所述磁铁装置包括至少两块磁铁(17、18)，所述至少两块磁铁沿着所述通道、相对于流动方向定位在不同角位置处。
15.如权利要求8-14中任一项所述的磨料喷射钻井组件，所述磨料喷射钻井组件还包括井下再循环系统，所述井下再循环系统布置用于在操作期间、在磨料颗粒从喷射喷嘴排出之后使磨料颗粒沿着所述通道再循环到混合场所，其中所述收集表面在混合场所的上游、沿着所述通道布置。
全文摘要
本发明公开了一种钻入目标中的方法，该方法包括将钻柱(1)设置在所述目标的井眼(2)中，该钻柱包括磨料喷射钻头(16)，该磨料喷射钻头包括喷射喷嘴(18)，该钻柱为流体提供了从目标表面通到喷射喷嘴的通道(20)；将包括磁性颗粒的流体混合物经由钻柱朝向磨料喷射钻头供应并且将磨料射流(19)从喷射喷嘴喷成对所述目标进行冲击；调整(14)磨料射流中的磨料颗粒的喷射浓度；对沿着朝向喷射喷嘴的流体流动路径布置的收集表面(114)处的磁场在第一值与第二值之间调整，在所述第一值时磁性颗粒从流体混合物收集在收集表面处，而在所述第二值时磁性颗粒从收集表面释放到流体混合物中。
文档编号E21B7/18GK102791952SQ201080058368
公开日2012年11月21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, P·范尼乌库普 申请人:国际壳牌研究有限公司