使用高压、固相含量少的液体 的钻井方法和装置 本发明广泛涉及泥土层钻井方法和装置，特别涉及用高压、固相含量少的液体钻土地层采收石油的方法和装置。
使用钻井液进行旋转钻井已有很长历史。在大多数情况下，钻井液是一种稠密的形成滤饼的泥浆，用于保护并固定井壁。泥浆经泵压通过管状钻柱由钻头的水眼出来，并经钻柱与井壁之间的环空返回到地面。这种流体冷却并润滑钻头，并提供一个防止气体浪涌或井喷的静流体柱，而且在井筒侧壁的地层上形成滤饼。钻井液通过钻头水眼出来，以足够大的速度冲击井底，将钻头齿产生的钻屑快速冲刷。已知，流体的速度越高，钻井速度越快，特别是在可以用高速流体除去的软地层。
虽然已知应用较高水眼流速的泥浆水力学可有利地影响钻头的穿透速度，但一般没有把钻井液用作粉碎地层的主要手段。原因之一是常规钻井泥浆是很具磨损性地，甚至在设法减少磨量时也是如此。当磨粒存在于钻井液中，为了有效粉碎地层而产生足够的水马力所需要的压力，会使钻头上，特别是水眼部位，以及相应的钻柱组件产生极大磨损。用清水或非磨损的钻井液会解决磨损问题，但这样的钻井液的密度和特性不能代替在多孔并易于坍塌的地层中用的稠密、形成滤饼的钻井泥浆。当会遇到高压气体和需要高密度钻井液防止井喷时也不能用清水。
对于与稠密的、形成滤饼钻井泥浆一起使用高压、固相含量少的钻井液，以实现两者优点的尝试业已进行过。1960年9月6日授予Camp的美国专利2,951,680公开了一种双流体钻井系统，在此系统中，在钻头上的钻柱上可旋转地连接一可膨胀封隔器。在钻井操作中，该封隔器膨胀，在封隔器以上的钻柱和井筒壁之间的环状空间由常规钻井泥浆充满。含气体的、或低密度的钻井液被泵压穿过钻柱并由钻头水眼出来。封隔器防止钻井液和环空液体的混合。携带钻屑的钻井液通过在封隔器下面钻柱侧壁上的通道和在钻柱内形成的导管返回到地面。在钻柱中在钻头附近封隔器的存在具有设计和可靠性的问题。另外，携带钻屑的钻井液是通过钻柱中曲折的通道返回，它是容易被钻屑堵塞的。
1966年8月23授予Yarbrough的美国专利3,268,017公开了一种使用两管、同心钻柱和两种钻井液的钻井方法和装置。清水被用作钻井液，通过钻柱的内管向下泵压并从钻头出来。一种井壁包层钻井泥浆或钻井液保持在钻柱和井筒之间的环空中。携带钻屑的钻井液通过钻柱内外管之间限定的环空返回到地面。监控井壁包层钻井泥浆柱的高度，并且由于钻柱和井壁之间井壁包层泥浆柱带来的静压力变化导致的压力上升，钻井液压力提高。在钻柱中内外导管间的环空中携带钻屑的钻井液的返回，因为环空的容易阻塞和很难清理，会成为问题。另外，通过测量井眼中环空液体高度来监控环空液体产生的压力在环空液体或钻井泥浆连续被泵压到环空的情况下是极难实现的，而在钻井进程中为在井筒全长上保持环空液或钻井泥浆进行这种连续泵压是必需的。
1988年1月12日授予Stewart的美国专利4,718,503公开了一种钻井筒方法，其中一钻头连接到一对同心钻杆的下端。一种第一低粘度钻井液，如油和水，通过内钻杆向下泵压，并通过内外钻杆之间的环空返回到地面。在井筒壁和外钻杆之间形成的环空中一环空柱液或钻井泥浆柱保持静止。当需要接新钻杆时，形成滤饼的钻井泥浆被沿内钻杆泵压代替该钻井液，其中仅是该稠密的、形成滤饼的环空液或泥浆占据井筒。这样的接新钻杆段的程序极不方便，在实际中不经济。
因此需要一种经济、实用的、在环空保持稠密的、形成滤饼环空液的情况下使用密度减少的钻井液进行钻井的方法和装置。
本发明的一个总的目的是提供一种改进的用高压固相含量少的钻井液进行钻井的方法和装置，并在钻井时，在井筒和钻柱之间的环空中保持具有密度比钻井液大的环空液。
本发明的这个和其他目的是通过在井筒中下入一端部装有一钻头的钻柱实现的。固相含量少的钻井液通过钻柱泵压，并由钻头出来，其中，钻井液冲击到地层与钻头合作粉碎地层。具有比钻井液密度大的环空液被连续泵压到井筒和钻柱之间的环空中，其中环空液基本上是由地面延续到钻柱底部。钻井液和地层破碎生成的钻屑通过在钻柱中基本上没有阻碍的管状通道返回地面。环空液被保持在选择的控制压力下，在钻头上形成环空液与钻井液混合的界面，并且环空液与钻井液和钻屑一同返回，钻井液基本上被防止进入环空。
根据本发明的优选实施例，将环空液保持在选择的控制压力下的步骤进一步包括：在地面选择地节流钻井液、钻屑和环空液的返回流量，以控制跨过节流器的压力损失。在钻井进程中，钻井液也以保持钻井液和环形液之间界面的足够流量泵压到钻柱中。环空液的选择的控制压力和节流钻井液的速度被监控以保证维持在钻头上它们之间的界面。
根据本发明的优选实施例，该方法还包括，将钻井液封在地面和钻头上的钻柱中，钻井液包括在管状通道中的钻井液和钻屑。在封闭时，一定长度钻杆连接到钻柱上，然后打开钻柱继续钻井。
根据本发明的优选实施例，钻井液是清水，或澄清的钻井泥浆，而环空液是稠密、形成滤饼的钻井液。
根据本发明的优选实施例，钻柱包括多导管钻杆，它具有一传送拉力和扭矩负荷的外导管。在外导管的每端设有连接该钻杆与另外钻杆的装置。在外导管内偏心设置至少一个直径减少的导管，传送高压液。在外导管中偏心设置至少一个直径扩大的导管，并且一个关闭件设置在其中以便选择地阻塞直径扩大的导管。关闭件在打开位置基本上不使该扩大直径导管的直径变小。
参考下面的详细介绍会明确本发明的其他目的、优点和特征。
图1是根据本发明优选实施例的方法和装置示意图；
图2是说明控制本发明方法和装置过程步骤的流程图；
图3是本发明优选实施例的多导管钻杆剖面图；
图4是取自图34-4线的纵向剖面图，说明图3所示钻杆的一部分；
图5是取自图35-5线的纵向剖面图，说明图3所示钻杆的一部分；
图6A-6H应在一起参阅，是与根据本发明优选实施例的多导管钻杆一起使用的转换稳定器的一个纵剖面和几个横剖面图；
图7A-7D应在一起参阅，是与根据本发明优选实施例的多导管钻杆一起使用的转换稳定器井下总成的一纵剖面图和几个横剖面图。
现参看图，特别是图1，示出根据本发明钻井筒的方法示意图。钻柱1端部安装钻头3，下到井筒5中。减小密度的或固相含量少的钻井液经旋转关节处的钻井液入口7泵压进入钻柱1。钻井液可以是清水或澄清的钻井泥浆，但密度应小于常规钻井泥浆并应固相含量少以避免磨损。最好，钻井液是带有不大于7微米固相物质的水。最好钻井液是以20,000PSI泵压压力打到钻柱1中，以便在钻头3上产生达到3,200的水马力。加压的水经过至少一个穿过钻柱1的并与钻头流体连通的直径减小的高压导管9而穿过钻柱1输送。一个单向阀11设置在钻头3上或接近钻头3处，防止钻井液反向循环，这在下面详细介绍。
与输送高压钻井液的同时，一种稠密的形成滤饼的环空液经过在旋转防喷器15下面的环空液入口13被泵压到钻柱1与井筒5之间的环空中。当保持环空液在选择的控制压力下时，旋转防喷器15允许钻柱旋转，环空液是根据被钻地层的具体特性和其他常规因素选择的常规钻井泥浆。环空液被连续泵压到环空处维持从地面到钻头延伸的环空液柱。在钻井进程中，必须连续泵压环空液维持这一液柱。如下面将较详细介绍的，高压钻井液和环空液的压力和注入或泵压速度是被控制和监控以维持在钻头3上的钻井和环空液之间的界面，这样可基本防止钻井液进入环空，稀释稠密的形成滤饼的环空液。但是，允许一些环空液与钻井液混合，并通过返回导管17返回地面。根据本发明的方法特别适合于用常规控制和数据处理设备进行自动化和计算机控制。
高压钻井液输送到钻头3产生的水马力与钻头的常规作用结合更为有效地破碎地层。由地层破碎产生的钻屑和钻井液通过在钻柱1中基本没有障碍的管状返回通道17返回地面。“基本无障碍”一词用于表示大体是直管状的无明显流动限制的通道，它可以让大量携带钻屑的钻井液流通并当发生堵塞和止住时容易清理。基本无障碍管状通道17是与同心管装置的环空相区别的，这种环空易于堵塞，并在堵塞发生时不容易清理。在地面用在旋转关节上的节流阀件21选择节流钻井液和钻屑的返回流量，以便保证维持在钻头3上的钻井液和环空液之间的界面。
在钻柱1的大致最上端的返回导管17上设置球阀19，以便于往钻柱1上接入新钻杆。在高压导管9和返回导管17中存在的低密度钻井液特别容易由于环空液静压力或地层压力而被喷出钻柱1，特别是当没有施加泵压和当在返回导管17中没有将返回液完全节流时。当钻井停止，球阀19在地面关闭，从而将钻井液关在返回导管17中。单向阀11与在它上面的钻井液静压力结合关闭高压导管9。然后在钻柱中可以加新的钻杆。球阀可再打开重新钻井。在新钻杆连接到钻柱1之前，至少返回导管17应用液体填充，以避免当打开球阀19时大的压力浪涌。同样，可以因任何原因安全停止钻井，例如起下钻换钻头3或为其他相似目的。
图2是根据本发明方法进行钻井操作时，控制钻柱1中钻井液的流程图。在框51，钻柱1的轴向速度被监控。通过测量在大钩上的负荷和测量在钻井操作时旋转钻柱1的顶驱装置(未示出)的轴向位置来实现。根据本发明优选的实施例，当钻柱1处在与钻井操作相随的向下运动状态中，总是在泵压环空液和钻井液。显然，在与钻井相随的钻柱的向下运动当中，应该泵压环空液和钻井液。在大多数情况中，仅当钻柱1不运动，速度为零时，泵压环空液和钻井液中之一或两个都泵压才是不利的。如果钻柱速度不等于零，至少将环空液泵压到井筒中。最好，在钻柱1的速度不等于零并且在钻井的相关操作发生时，环空液作为钻柱1速度的倍数被自动泵压。最好，除了下面提出的情况之外，钻井液的泵压是由操作者手动控制。
在起下钻时，环空液以足够速度被泵压到井筒中以代替不再被钻柱占有的井筒容积。因此在所有时间井筒均在被保护状态中。
因此，在框53，如果钻柱1在运动，至少环空液被泵压到井筒。如果柱1的速度是正的，表示在钻井操作，环空和钻井液均被泵压到井筒。钻井液被泵压到钻柱1的压力足以在7,000-15,000英尺深度每平方英寸的井底面积上产生20-40水马力。基于结合图3-7D阐明的钻柱尺寸和其他操作参数，钻井液是以在地面上一致的20,000psig压力和每分钟200加仑的流量输送到钻柱1中。
只要钻柱1在轴向运动，以将环空液连续扫过钻头3处的速度将环空液泵压到环空。在正常钻井时，这将维持环空液连续流过钻头3的周边，不仅保持在井筒底部上的界面，而且还清除环空中的钻屑或其他岩屑。环空液的注入速度设定为钻柱1轴向向下速度的函数。优选的或典型的注入速度是保持环空液运动速度为钻柱1运动速度的两倍。在钻柱1运动的整个时间保持这个泵压或注入速度。
除了泵压或注入速度之外，在地面保持环空液的选择的正压力，这个压力是在紧靠旋转防喷器15下面进行监控。这个选择的压力不是单一的离散的压力，而是一个压力范围。最好在60-70psig之间。这个压力是用在防喷器15上的常规压力测量装置监控。
为了保证维持选择的正压力，在框55，环空压力经测量并与选择压力比较。如果环空压力超过选择压力，则减小环空压力。减小环空压力有三种选择：
1)打开在返回管线17上的节流器21，减少跨过节流器21上的压力损失；
2)减少钻井液的注入或泵出速度；
3)减少环空液的注入或泵出速度。打开节流阀21是将环空压力减小到选择范围内的优选办法。如果这不成功，自动地减少或限制钻井液的注入或泵压速度，尽管它是操作人员选择的注入或泵压速度。作为最后措施，将环空液的注入或泵压速度减到基于钻柱速度而选择的速度以下。因为必需保持从地面到钻头延伸的不稀释的环空液柱，所以减少或限制环空液的注入或泵压速度是减少环空压力的最后措施。作为减小环空压力的最后措施来减小环空液的注入或泵压速度将钻井液会混合并稀释环空液的危险减至最低。
在框57，如果环空压力是在选择的压力以下，在框61，提高环空压力。提高环空压力有三个选择。
1)将环空液的注入或泵压速度增加回到选择速度；
2)将钻井液的注入或泵压速度增加到操作人员选择的速度；
3)关或限制在返回管线17上的节流阀21，以增加跨过节流器21的压力损失。
如果因为某原因，注入或泵压速度不足以维持环空液的速度在钻柱1的速度以上和最好是其两倍，寻求第一方法。如果环空液的注入或泵压速度足够，可采取第二方法。但是，考虑到钻井液泵在或近于在高峰能力之下工作，大量提高注入或泵压速度可能不现实，在这时，采取第三方法关返回管线17上的节流阀21。
如果环空压力在选择范围内，不采取任何措施并连续监控钻柱1的速度和环空压力。如果钻井操作停止，和/或操作人员减小钻井液注入或泵压速度，环空压力会落下来，节流器21会自动关闭，有效地关住钻柱1和井筒，直到采取进一步行动。
图3是实行本发明方法用的优选装置的一节多导管钻杆101的剖面图。钻杆101包括一外管103，它的作用是承受在工作中施加到钻杆101上的拉力和扭矩负荷。最好外管103具有英寸的外径，由经热处理达到S135强度等级的API材料制造。在外管103内有偏心不对称设置的多个导管，用作流体的输送导管，电气导管等。
这些内导管包括一3英寸外径的返回管105，它一般相当于图1中的返回导管17。因为返回管105不是用于输送极高压力的流体和加强抗腐蚀，它是由经热处理达到L80强度等级的API材料制造。在外管103中设置的一对英寸外径的高压管107，一般是相当于图1中的高压导管9。因为高压管107必须输送极高压力流体，它们是由经热处理达到S135强度等级的API材料制造。其他的管109可以装在外管102中用于电气导管等用。管111实际上不是管，而是单向阀总成的一部分，这将在下面参照图5较详细介绍。
图4是取自图34-4线的纵向剖面图，示出根据本发明固定到一起的一对钻杆101。可以见到，外管103、返回管105和高压管107是由螺纹固定到上端件113上。上端件113是相似于常规工具接头制造的，并包括基本与返回管105对准的3英寸外径、10,000psig级底密封球阀115。球阀115具有大约英寸内径，并在返回管105中设有产生明显的障碍或带来限流作用。球阀115相当于图1中的阀或关闭件19。
外管103的下端用螺纹固定到下端件117，它也是象常规的工具接头那样制成。在下端件117上安置密封环119，其作用是将钻杆101的内部相对于返回管105和高压管107密封。多个开口环121安装在返回管105和高压管107上的圆周槽内，并由锁环123、125和外管103限制在下端件117中。开口环121和锁环123、125的作用是限制内管相对于钻杆101其余部分的轴向运动。除非钻杆101的内管在钻杆每端对轴向运动固定，内管会在工作过程中由于高压流体的作用而不当地变形。
在接钻杆101段时，内管(仅示出返回管105和高压管107)的下端安装在上端件113中，并由常规弹性密封件密封。锁环123机械地与上端件113和下端件117的带螺纹接头连接在一起。下端件117有一比上端件113节圆大的螺纹，以致锁环127由螺纹装在上端件113上时可以与下端件117完全卸开。在锁环127上的形成的螺纹在上、下端件113、117之间产生大约1百万磅的轴向接触力。最好每节钻杆101长45英尺。
图5是取自图3中5-5线的纵向剖面图，示出一单向阀，通过它在钻杆101内管105、107和外管103之间限定的环空间可以建立向下的流体连通。一个单向阀总成位于上端件113的水眼中。该单向阀包括一由弹簧圈131向上偏压的常规阀件129，允许流体通过钻杆101向下流，但不可向上流。
在下端件117设有一大体相似的单向阀装置。该单向阀总成包括一装在套筒111中的提动件133和弹簧圈135，与返回管105相似固定到下端件119。与在上端件113中的单向阀总成不一样，在下端件119中的单向阀的作用是在卸开两节钻杆时防止流体由钻杆101内损失掉。在接两节钻杆时，提动阀131的延长部与上端件113上的凸缘或凸台137接合，打开提动阀131使钻杆101的相接段的外管103内部之间流体连通。
用这单向阀装置，外管103内部或环空部分可以充灌环空液等，并且通过外管103向下的单方向的流体连通可以建立。这个流体连通对于平衡钻杆101在深度上的内、外部之间压力差是必需的。通过向钻柱101的内环空泵压少量流体，它通过单向阀向下连通以平衡压力，而实现平衡。
图6A-6H应一齐参看，是与根据本发明优选实施例的钻杆或钻柱101一起使用的转换稳定器201的剖面图。图6A是一纵向剖面图，而图6B-6H是取自图6A转换稳定器201长度上相应剖面线的横剖面图。转换稳定器201是由一整块无磁材料制造，以避免干扰随钻测(MWD)设备。转换稳定器201一般是如参照图4和5所介绍的那样连接到钻杆101一节的下端。
如图6B所示，穿过转换稳定器201形成多个水眼205、207，它们相应于钻杆101的高压管107和返回管105。如图6C所示，高压水眼207中的每一个的侧面形成转向孔211，以使水眼207之间流通高压钻井液。
如图6D所示，一个可回收塞213设在孔211下的一个水眼207中，以堵塞水眼207。在塞213下面水眼207的其余部分容纳一个常规可回收的定向MWD装置。塞213的作用是防止高压钻开液冲击MWD装置。如图6E所示，在塞213下，水眼205和207的直径减小，为另一个大致与水眼207相对的高压钻井液水眼213提供位置。如图6F所示，转向水眼215连接水眼207和213，这样使得高压钻井液通过一个水眼207和另一个水眼213输送，水眼207和213是大致彼此相对地设置的。
彼此相对地设置水眼207、213会中和水眼中输送的高压流体产生的任何弯曲力矩。如上所述，如图6G所示，另外一个水眼207容纳一个MWD装置。转换稳定器201与井下总成301的最上部连接，井下总成包括一节钻杆，如图6H所示，它大致与图4和图5所介绍的相似，但是有与转换稳定器201的水眼205、207和213相应设置的内管。
图7A-7D是根据本发明优选实施例井下总成301和钻头401的剖面图。图7A是井下总成301和钻头401的纵剖面图。图7B-7D是取自图7A总成301和钻头401长度上相应截面的横向剖面图。在图7A和7B上可见，井下总成301包括上外管303A，它如结合图4和5所述的那样，与转换稳定器201连接。一个扩大直径的下外管303B与上外管303A连接，在井下总成301中提供了较大空间。下外管303B下面有螺纹以便安装内管307和313，内管307和313保持由转换稳定器201建立的相对位置。返回管305与下外管303B密封接合，以便允许旋转并便于组装。在返回管305的侧壁上设有通道315，通道315通过单向阀总成317与下外管303B和内装管之间限定的内环空流体连通，这与结合图5介绍的相似。因此，由内环空来的流体可以从内环空泵压到返回管305，而防止返回管305的流体进入内环空。
在返回管中装有电磁驱动的瓣阀319，该阀的额定值能在阀319下面保持10,000psig压力。当起下钻时，瓣阀319关闭并截留在返回管305中的流体。在下外管303B的下部与高压管307和313流体连通的通道中设置一对单向阀321。如参照图1所述的，单向阀321阻止钻井液倒流向高压管307、313。返回管延伸部323螺纹连接到与返回管305流体连通的下外管303B的下端。
一固定刮刀式钻土层的钻头401以常规带螺纹的销箱连接方式固定到下外管303B的最下端。钻头401包括具有多个硬刮刀的钻头面403，刮刀最好是金刚石的，在钻头面403上以常规刃状分布。一返回通道405在钻头面403的偏心位置处穿过钻头401与返回管的延伸部分323和返回管305流体连通，为钻井液和钻屑和混在一起的环空液建立返回导管。
四个直径方向间隔开的高压通道407穿过钻头401，并与一大致横向通道409相交，通道409由一个带螺纹的、钎焊或焊接的塞411堵塞。由横向通道409伸出多个喷嘴413，将高压钻井液送到井底。最好，喷嘴413的总流通面积为0.040平方英寸。最好，钻头是API英寸标准钻头，与英寸外径钻杆101结合使用。
根据本发明的方法和装置具有许多优点。着重的是，本发明提供了一种用固相含量的少钻井液钻井的方法和装置，同时在钻井进程中，在环空保持一稠密形成滤饼的环空液。本方法和装置比现有的尝试在工程上更为经济实用。此外，根据本发明的方法特别适合于自动化和计算机控制。
参考本发明的优选实施例对本发明作了介绍。但本发明并不限于此，在不偏离本发明的范围和精神的情况下可以进行修改和变更。