钻井系统 技术领域 本发明涉及一种钻井系统， 并且具体地涉及一种用于在井眼的形成中使用以便随 后采出碳氢化合物的钻井系统。
背景技术 通常在井眼的形成中所使用的导向钻井系统的一种形式包括携带偏置单元的钻 柱或钻杆。偏置单元可操作以相对于井眼的相邻部分将钻杆保持在期望的偏心位置中。钻 杆通常还携带被布置成驱动钻头以进行旋转的井下马达。 偏置单元和马达通常使用沿钻杆 在压力下被供应的钻井液或泥浆以液压的方式被供给动力。
在使用中， 通过钻杆将钻压 (WOB) 施加到钻头载荷与钻头的旋转一起用于使钻头 从井眼的端部凿、 刮或磨物质， 从而增加井眼的长度。
偏置单元的操作可以用于对钻头进行导向， 使得可沿着期望的轨迹钻井眼。
发明内容 本发明的目的是提供一种钻井系统的可选形式。
根据本发明的， 提供了一种钻井系统， 所述钻井系统包括 ： 连接到牵引单元的可旋转 钻杆 ； 和导向钻井系统， 所述导向钻井系统连接到牵引单元， 并且可通过牵引单元进行移动。
这种布置的优点在于 ： 在使用中， 如果期望， 钻杆可以连续旋转， 从而减少钻杆卡 钻的风险， 同时牵引单元提供可用于旋转导向钻井系统的稳定平台。
有利地， 旋转导向系统包括井下马达。
牵引单元的设置用于限制或控制钻杆与旋转钻井系统之间的移动和力的传递。 具 体地， 牵引单元对由电动机的运转产生的力起反作用， 而不是将此载荷传递给钻杆。同样 地， 钻头产生的反作用扭矩也没有传递给钻杆， 从而减少了所述钻杆的振动。
牵引单元和旋转导向钻井系统可以例如使用通过钻杆供应的流体以液压的方式 供给动力。可选地或者另外地， 钻杆的旋转和 / 或钻杆传递的钻压载荷可以用于给这些部 件提供动力。此外， 所述牵引单元和旋转导向钻井系统可以以电的方式被供给动力。牵引 单元和旋转导向钻井系统没有必要使用同一动力源。
牵引单元可以装有例如用于将所述牵引单元的移动转换成液压能或反之亦然的 能量转换装置。可以通过位于地面或井下的控制单元自动控制这种装置， 或者可以手动控 制所述装置。
传感器可以设置在牵引单元上， 或者在别处设置在钻杆与钻头之间以允许进行随 钻测量。例如， 牵引单元与井眼壁之间的接合可以用于指示井眼的稳定性参数中的井眼的 形状和直径， 并且提供随钻测量的压力。
附图说明
以下参照附图以示例的方式说明本发明， 其中 ：图 1 是根据本发明的实施例的钻井系统的一部分的示意图 ； 和 图 2 是类似于图 1 的显示了可选结构的视图。具体实施方式
图 1 中所示的钻井系统包括连接到钻杆 12 的下端的牵引单元 10。钻杆 12 沿井 眼 14 的长度延伸到地面。钻杆 12 被布置成在使用中从地面旋转， 并且被布置成供应有加 压钻井液或泥浆。通常， 钻杆 12 缓慢旋转以避免卡钻。
钻杆 12 可以具有多种形式。例如， 钻杆 12 可以包括挠性管或另一种管道装置。
牵引单元 10 设置有联接装置 16， 藉此， 钻杆 12 连接到牵引单元 10。联接装置 16 被布置成允许将通过钻杆 12 供应的泥浆供应给牵引单元 10。联接装置 16 还被布置成 ： 在 正常使用中， 不会将钻杆 12 的旋转传递给牵引单元 10， 但是期望时， 可以切换联接装置 16 的操作模式使得牵引单元 10 与钻杆 12 一起旋转或以比钻杆 12 低的速度旋转。便利地， 传 感器可操作以监测钻杆与牵引单元之间的相对运动， 并且存储此信息或将此信息发送给控 制单元， 其中， 所述控制单元可以例如用于以抑制不期望的移动或振动的方式控制系统的 操作。 通过允许钻杆 12 独立于牵引单元 10 旋转， 如果期望， 钻杆 12 可以连续旋转， 从而 减小钻杆 12 卡钻的风险。此外， 钻杆 12 的旋转可以用于搅拌沿井眼通过的流体， 从而减小 岩屑形成在所述井眼内。虽然联接装置 16 允许独立旋转， 但是所述联接装置优选地是可锁 定的， 使得钻杆 12 可以用于将扭矩施加给牵引单元 10， 用于例如在钻杆在某一位置卡住或 被限制住的情况下释放所述钻杆。 所述系统优选地被构造成在电源故障的情况下默认这种 设置。
牵引单元 10 支撑有利地为泥浆动力马达形式的井下马达 18。 泥浆动力马达 18 的 输出被发送到导向控制单元 20， 所述导向控制单元又连接到钻头 22。将要认识的是， 在使 用中， 马达的操作迫使钻头 22 旋转， 同时导向控制单元 20 控制被钻头 22 占据的方位或位 置， 藉此在使用中控制井眼延伸的方向。
当牵引单元 10 支撑马达 18、 导向控制单元 20 和钻头 22， 且如下所述能够用于将 钻压 (WOB) 载荷施加到钻头 22， 而不是使用钻杆 12 支撑这些部件并且施加这些载荷时， 与 通常相比， 钻杆 12 的壁可以更薄， 并且所述钻杆的直径可增加， 却足够坚固以支撑其自身 重量、 承受所施加的流体压力、 并且支承在用于拉牵引单元 10 的情况下所施加的载荷。
齿轮箱可以被设置成允许增加钻头 22 的旋转速度。流体联结器或行星齿轮箱或 等速齿轮箱可以被设置成调节扭矩和旋转速度， 由此将动力提供给钻头 22。
牵引单元 10 借助于内部牵引系统抓住井眼 14 的壁并可沿井眼 14 的长度移动。 牵 引系统可以是基于蠕动的系统， 或者可选地， 所述牵引系统可以包括轨道、 轮子、 差压活塞、 滚螺旋管 (rolling toroid) 或螺钉操作的装置。此外， 这些技术的任意组合可以用于驱动 牵引单元 10 相对于井眼 14 移动。将要认识的是 ： 在使用中， 牵引单元 10 的牵引系统的操 作可以用于将 WOB 载荷施加到钻头 22， 并且钻压载荷的施加与钻头 22 的旋转一起使钻头 22 从井眼 14 的端部刮、 磨、 或凿物质， 从而沿被导向控制单元 20 控制的方向增加或延长所 述井眼的轴向长度。牵引单元 10 根据控制系统中所含有的规则控制钻头的推进。可以选 择所述规则以考虑钻头的类型、 地层的特征、 钻井和井眼条件和泥浆系统， 且规则根据从适
当的传感器获得的信息运行。单元 10 还通过控制马达 18 的操作来控制钻头 22 的钻进速 度以及控制旋转速度。通常通过沿着钻杆 12 与井眼 14 的壁之间限定的环形通道朝向地面 移动的钻井液或泥浆的回流将由钻头 22 移除的物质从井眼 14 的下端冲掉。
联接装置 16 的设置与牵引单元 10 的牵引系统结合将马达和钻头所产生的反作用 力传递给地层， 而不是传递给钻杆 12， 从而减小所述钻杆的振动。
泥浆致动的、 轴向伸出活塞 24( 参见图 2) 可以设置在牵引单元 10 上以将 WOB 载 荷施加到钻头 22 并控制所述 WOB 载荷， 和 / 或防止马达 18、 导向控制单元 20 和钻头 22 的 轴向振动， 例如， 所述轴向振动可能发生在用于施加 WOB 载荷的钻杆中。可以通过位于井下 或地面的计算机使用位于井下的定量阀控制活塞 24， 所述定量阀通过使用适当的传感器的 输出被控制。在这样的布置中， 牵引单元 10 的牵引系统对由活塞 24 施加的载荷起反作用。
在 WOB 载荷总体上由牵引单元 10 施加， 或由这种活塞 24 施加， 或通过这些作用的 组合施加的情况下， 可根据考虑了诸如总的钻井速度、 岩石类型、 钻头设计、 主要冲击和振 动条件、 和钻头振动的因素的控制算法的输出便利地控制所施加的 WOB 载荷的大小。
所设计的是， 用于牵引单元 10 和包括马达 18 以及导向控制单元 20 的导向钻井系 统的主动力源将使用通过钻杆 12 输送的泥浆供应而以液压的方式被驱动。可以通过使用 泥浆供应以驱动涡轮机， 所述涡轮机又驱动发电机而生成电力。 然而， 将要认识的是可以使 用可选的驱动技术。例如， 钻杆 12 相对于牵引单元 10 的旋转可以转换成电能或液压能， 通 过使用相对旋转以驱动发电机或驱动泥浆马达以对井下流体进行增压从而施加液压动力。 通过控制发电机的操作， 钻杆的扭转载荷可以被控制， 并且如果期望可以用于将信号发送 到地面。 如果期望， 可以积极地驱动钻杆的下端以增强这种作用。 可选地， 由钻杆 12 施加的 钻压载荷可以用于提供动力。又一个可选的方案是通过电缆有线钻杆、 或可以携带强电流 导体的组合管提供电力。然而， 也可以使用这些技术的任意组合。在设置能量转换系统的 情况下， 可以通过位于井下的控制器或位于地面的控制器自动控制所述能量转换系统。此 外， 可以通过位于地面的操作者部分地或全部手动控制所述能量转换系统。
如上所述， 牵引单元 10 可以沿井眼 14 的长度被驱动， 或者克服移动而保持在井眼 14 内的期望位置中， 并且可以用于将 WOB 载荷施加到钻头 22。牵引单元 10 的牵引系统还 可以用于防止牵引单元 10 相对于井眼 14 旋转运动。将要认识的是对牵引单元 10 相对于 井眼 14 的轴向位置的监测可以用于提供钻头 22 的位置的指示。此外， 通过监测牵引单元 10 与井眼 14 的壁的接合， 可以监测井眼 14 的直径和形状， 并且可以得到压力随钻测量值。 对泥饼的变形的监测可以用于确定井眼 14 的稳定性参数。
如上所述， 钻井液或泥浆的回流可以用于冲走通过钻头 22 移除的物质。如果期 望， 牵引单元 10 可以形成对井眼 14 的壁的压力密封， 从而阻塞回流。通道或阀可以设置在 牵引单元 10 中以在这种情况下控制流体的回流。
导向钻井系统可以具有多种形式。例如， 导向控制单元 20 可以包括偏置单元， 所 述偏置单元可操作以将沿期望方向的侧向作用载荷施加到钻头 22， 从而在期望的方向上推 动所述钻头。可选地， 导向控制单元 22 可以装有弯套， 以及可操作以将弯套定向在期望的 方向上从而使得钻头 22 指向期望的方向的机构。其它系统是可以的。例如， 可以使用非旋 转滑动套筒旋转导向系统， 或者可以使用装有推进钻头、 面向钻头、 或结合导向原理的其它 导向钻井系统。钻头 22 可以具有多种形式。例如， 钻头 22 可以包括传统的旋转拖曳型钻头。然 而， 可以使用其它形式的钻头。
有线钻杆系统可以用于允许地面与牵引单元 10 之间的数据通信。如上所述， 这种 系统也可以或可选地用于将电力供应给牵引单元 10。
理想的是， 可以沿钻杆的长度装入一个或多个另外的类似牵引单元 ( 如图 2 中所 示 ) 以有助于在扩展范围应用中进行控制。优选地， 将优选地使用有线钻杆连接件以实现 必要的通信速度来一致地控制牵引单元， 从而实现上述优点。
总之， 牵引单元 10 提供了一种用于钻井和操纵的稳定基础。因此， 可以实现更高 水平的 ROP， 并且可以更加精确地控制导向。因此增加了由于提高了对钻头 22 的 WOB、 扭矩 和旋转速度的控制而增加了瞬时速度， 并且通过避免或减小当从不是很稳定的平台进行钻 井时所产生的问题的停机恢复时的时间， ROP 改进是直接的。
将要认识的是在不背离本发明的保护范围的情况下可以对上述布置做多种修改 和改变。