带有流体清洁器的钻具.pdf

一种用于井下钻孔的钻具(1)，其中，流体围绕该钻具，该钻具具有壳体(15)并连接到例如钢丝的导电装置上。该钻具具有钻头(2)和用于在井下钻孔时从流体中去除例如碎片和地层块的组分的流体清洁器(3)。该流体清洁器具有腔室(4)和位于该腔室内部的用于从流体中分离出所述组分的过滤器(5)。该钻具还包括泵(8)，用于在流体再次进入井内之前将流体泵送通过所述钻头(2)内的入口(11)进入所述腔室并泵送通过所述过滤器。此外，该钻具包括用于驱动泵和钻头的驱动单元。

1.  一种用于井下钻孔的钻具(1)，流体围绕该钻具，该钻具具有壳体(15)并连接到例如钢丝的导电装置上，该钻具包括：
-钻头(2)，
-泵(8)，该泵用于通过钻具内的入口(11)泵入流体，
-驱动单元(9)，该驱动单元用于驱动泵和钻头，
-流体清洁器(3)，该流体清洁器用于在井下钻孔时从流体中去除例如碎片和地层块的组分，其中，该流体清洁器具有：
-腔室(4)，以及
-过滤器(5)，该过滤器位于腔室内部，用于从流体中分离出所述组分，
其中，所述泵(8)将流体泵送通过所述入口(11)进入所述腔室、泵送通过所述过滤器、然后泵送通过所述钻具的壳体(15)内的出口(6)流出；所述入口(11)位于所述钻头(2)内。

2.  根据权利要求1的钻具，其特征在于，所述钻头具有至少两个用于提供转动钻孔过程的钻臂(14)。

3.  根据权利要求1或2的钻具，其特征在于，所述钻头具有多个钻头刃(10)。

4.  根据前述权利要求中任一项的钻具，其特征在于，所述泵(8)是离心泵、喷射泵或活塞泵。

5.  根据前述权利要求中任一项的钻具，其特征在于，所述腔室具有与所述钻头邻接的腔室入口(14)，所述腔室入口具有至少一个单向阀(7)，所述单向阀设置成使得可打开以允许流体进入所述腔室(4)，并可关闭以阻止所述流体通过所述腔室入口(14)流出所述腔室。

6.  根据权利要求5的钻具，其特征在于，所述单向阀(7)具有至少一个片状件，所述至少一个片状件可打开以允许流体进入所述腔室(4)，并可关闭以阻止所述流体通过所述腔室入口(14)流出所述腔室。

7.  根据前述权利要求中任一项的钻具，其特征在于，所述过滤器(5)是在所述腔室内延伸的细长的过滤器，所述腔室具有长度L，所述过滤器的长度是所述腔室长度L的至少1/4。

8.  一种用于在井下钻孔时从流体中去除例如碎片和地层块的组分的钻孔系统，包括：
-根据前述权利要求中任一项的钻具(1)，以及
-例如井下牵引器的用于在井内移动所述钻具的驱动工具。

9.  一种用于例如在井下的地层等内钻井的钻孔工艺，包括以下步骤：
-引入根据权利要求1-8中任一项的钻具(1)，
-钻入地层并释放出地层组分，
-通过钻头(2)内的至少一个入口(11)吸入含有所述组分的流体，
-从所述流体中过滤出所述组分，
-通过位于所述钻具的最靠近所述钢丝(16)的端部内的钻具的至少一个出口(6)将过滤后的流体泵送回井内；
-通过位于所述钻具与所述井的地层内壁之间的间隙吸入过滤后的流体。

带有流体清洁器的钻具
技术领域
本发明涉及一种用于井下钻孔的钻具，其中，流体围绕该钻具，该钻具连接到例如钢丝/油井电缆的导电装置上。
背景技术
当井下钻孔时，需要使用钻具。也可以在已有的井中进行钻孔，以形成分支井。当对地下地层(formation)钻孔时，钻具周围的流体内充满了例如碎片和从地层释放出来的地层块等组分。如果不把碎片和地层块泵送上来，它们会干扰和破坏钻孔进程。
通常，将含有碎片和地层块的流体泵送到地面上，然后将碎片和地层块从流体里过滤出来。这个过程非常耗能，因为必须将流体一直泵送到地面上，而该泵送到地面上的流体却要再次灌入井中。
DE 2808206公开了一种在钻孔时从井下流体中过滤出碎片和地层块的尝试，其中，钻具经由钻头喷射出被过滤的流体，该钻具在其距离钢丝最近的部位具有流体入口。这样，含有碎片和地层块的流体沿钻具的侧面被加压，这导致碎片和地层块被挤在地层和钻具之间，从而使得钻具有被卡住的风险。
此外，沿钻具的侧面被加压的碎片和地层块被泵送到钻具上方。从而，碎片和地层块填充钻具上方的空间，这会阻塞钻具返回地面的通道。与使用连续油管钻井的工具相比，这个问题对于具有有限动力的钢丝起下的工具来说尤其攸关。
发明内容
本发明的一个方面是，至少部分地克服上述工具的缺点，并提供一种结构简单的改进的钻具。
这方面和从以下描述显而易见的优点由以下这种用于井下钻孔的钻具获得：流体围绕该钻具，该钻具具有壳体并连接到例如钢丝的导电装置上，该钻具包括：
-钻头，
-泵，该泵用于通过钻具内的入口泵送流体，
-驱动单元，该驱动单元用于驱动泵和钻头，
-流体清洁器，该流体清洁器用于在井下钻孔时从流体中去除例如碎片和地层块的组分，其中，该流体清洁器具有：
-腔室，以及
-过滤器，该过滤器位于腔室内部，用于从流体中分离出所述组分，
其中，所述泵将流体泵送通过所述入口进入所述腔室、泵送通过所述过滤器、然后泵送通过所述钻具的壳体内的出口流出，以及
所述入口位于所述钻头内。
在一个实施例中，所述钻头可以具有至少两个用于提供转动钻孔过程的钻臂。
在另一实施例中，钻头可以具有多个钻头刃(drilling bit)。
此外，所述泵可以是离心泵、喷射泵或活塞泵。
另外，所述腔室可以具有与所述钻头邻接的腔室入口，所述腔室入口可具有至少一个单向阀，所述单向阀设置成使得可打开以允许流体进入所述腔室，并可关闭以阻止所述流体通过所述腔室入口流出所述腔室。
在另一实施例中，钻具的单向阀可具有至少一个片状件，该片状件可打开以允许流体进入所述腔室，并可关闭以防止所述流体通过所述入口流出腔室。
在又一实施例中，所述过滤器可以是在所述腔室内延伸的细长的过滤器，所述腔室具有长度L，所述过滤器的长度是所述腔室长度L的至少1/4。
另外，所述过滤器可以与所述腔室具有相同的长度，从而过滤器完全延伸通过所述腔室。
此外，本发明涉及一种用于在井下钻孔时从流体中去除例如碎片和地层块的组分的钻孔系统，包括：
-如上所述的钻具，以及
-例如井下牵引器的用于在井内移动所述流体清洁器的驱动单元。
最后，本发明还涉及一种用于例如在井下的地层等内钻井的钻孔工艺，包括以下步骤：
-引入如上所述的钻具，
-钻入地层并释放出地层组分，
-通过钻头内的至少一个入口吸入含有所述组分的流体，
-从所述流体中过滤出所述组分，
-通过位于所述钻具的最靠近所述钢丝的端部内的钻具的至少一个出口将过滤后的流体泵送回井内；
-通过位于所述钻具与所述井的地层内壁之间的间隙吸入过滤后的流体。
附图说明
下面参照附图对本发明进行详细解释，其中：
图1示出根据本发明的钻具；
图2示出钻头；
图3示出钻头的另一实施例；
图4示出钻头的又一实施例；
图5示出钻头的再一实施例；
图6示出图1的钻具的剖视图；以及
图7示出与图6相同的剖视图。
这些图仅是示意性的，用于示例性目的。
具体实施方式
在图1中，示出在地层井下钻孔的根据本发明的钻具1。该钻具1具有钻头2，该钻头2具有若干钻头刃10和两个用于吸入流体的入口11。此外，该钻具具有流体清洁器3，该流体清洁器3定位成在流体通过壳体15上的出口6喷射出去之前清洁或过滤流体。该流体清洁器3包括流体流入其内的腔室4。在图中，流体的流动由箭头示出。
在腔室4内，用于将组分从流体中过滤出来的过滤器5设置成允许流体通过该过滤器5而组分被该过滤器5筛分出来。被分离出来的组分主要是碎片和地层块，但也可能是各种沙子、管道涂料、前次爆破残留物、井内套管上的铁锈或从井、套管或地层上剥离下来的附着物。
该钻具1的一端连接到钢丝16上，该钢丝16又连接到设置在例如地面上的石油钻塔(未示出)上的动力源上。该钻具的另一端设置有钻头2。在图1中，示出该钻头具有两个入口11；但是，入口数目可以变化。由于入口在钻具的前部设置在钻头内，流体被引导通过钻头的钻头刃10，从而在钻孔操作期间钻头刃10被冲洗。
在图1中，示出入口11基本位于钻具的前部，即，位于钻头2的前部；但是，在另一实施例中，根据钻头的设计，入口可以沿整个钻头设置，从而入口不仅位于钻头2的前部，还位于远离钻头的中心的位置。
钻具周围的流体通过钻头2内的入口11被吸入，这样地层和钻具之间的流体被向下吸入到这些入口11内。从而，由于流体通过钻头2被吸入的方向与钻具的方向相同，即，沿钻孔方向，所以钻孔操作释放出来并积聚在周围流体内的组分不再有卡在钻具和地层之间的风险。
能够进行井下流体过滤的现有技术的钻具通过位于钻具的距离钻头最远的端部中的入口吸入流体并通过钻头喷射出过滤后的流体，而迫使含有被释放出来的组分的流体沿与钻孔方向相反的方向流动。这样，由于钻具沿一个方向移动，而含有被释放出来的组分的流体沿相反方向移动，所以在钻孔操作期间，在钻孔过程中被释放出来的组分挤在钻具外壁和地层之间。这样，现有技术的钻具在钻孔时存在被卡住的风险。
腔室4具有至少一个用于过滤后的流体通过的出口6。在过滤后的流体进入钻头2内的入口11之前，钻孔碎块再次积聚在流体中。这样，必须经过钻具和井的地层内壁之间的流体基本被过滤，从而减小了钻具被卡住的风险。
钻具与地层内壁之间的最小间隙是钻头的垂直于钻孔方向的侧面与地层内壁之间的间隙。至少在某些实施例中，位于钻头后面的钻具部分的外径可以比钻头的外径小。
在一个实施例中，腔室4的腔室入口14设置有单向阀7，该单向阀7可打开以允许流体进入腔室4，并可关闭以阻止所述流体通过腔室入口14流出腔室4并通过钻头流出来。在另一实施例中，单向阀7是片状件的形式，该片状件设置成可打开以允许流体进入腔室4，并可关闭以阻止所述流体通过腔室入口14流出腔室4。该片状件可以是围绕过滤器的环的形式。该环可以分成与腔室入口14的数目相应的多个片状件。该环是由例如薄金属片、橡胶、聚合体、硅树脂或类似材料制成的柔性环。
在又一实施例中，单向阀可以是球形止回阀、隔膜式止回阀、回转止回阀、瓣阀、截止止回两用阀或其它类型的单向阀。
过滤器5设计成细长件并设置成沿腔室4的中心轴线延伸。腔室4收集利用过滤器5从流体中分离出来的碎片和地层块，并将其置于过滤器5和腔室4内部之间的空腔内。经过过滤器5的流体从出口6流出，从而流体经过过滤器5后再次回到井内。
此外，钻具包括泵8，该泵8由驱动单元9驱动。这样，流体被吸入钻头2的入口11内，进一步进入腔室入口14内，经过过滤器5和齿轮连接部12进入泵内，然后通过钻具1的壳体15内的出口流出。在该实施例中，驱动单元9是电动机，该电动机驱动泵8和钻头2。该电动机具有穿过过滤器5并驱动泵8和钻头2的轴13。该轴13通过齿轮连接部12连接到钻头2上。
在图1中，齿轮连接部示出为位于腔室和泵之间；但是，在另一实施例中，齿轮连接部可以位于腔室和钻头之间。这样，一个钻头2可以用另一钻头2替换。
钻具1可以具有各种已知的钻头2，例如图2-5中所示的。代替具有例如三个转动轮17或钻头刃排列体16的钻头2，钻具1也可以具有两个带有多个钻头刃10的转动臂14。根据钻孔操作的类型，可以选择特定的钻头2。图1所示的钻头2具有多个钻头刃10，以便切入地层并释放地层块。
泵8可以是任何类型的合适的泵。在该实施例中，泵8是单级离心泵，但在另一实施例中，泵8可以是多级离心泵、喷射泵或活塞泵。
在一个实施例中，腔室4具有与腔室4的纵向延伸范围相应的长度L。在另一实施例中，过滤器5的延伸长度是腔室4的长度L的1/4。在又一实施例中，过滤器5的延伸长度是腔室4的长度L的1/2或2/3。在再一实施例中，过滤器与腔室的长度相同。
示出腔室4在泵部分终止，从而腔室4不包括泵部分。这样，泵部分可以在垂直于钻具的延伸轴线的方向上具有较大延伸范围。但是，在另一实施例中，腔室4延伸过包括泵8的部分并包围该部分。
当例如碎片和地层块等组分从流体中分离出来后，这些组分首先沉积成一堆15，如图6所示。但是，流体会围绕该组分堆15流动，从而使该组分堆向泵8移动，如图7所示，因此组分堆15将移动。这样，腔室4的几乎全部容积都被使用，从而腔室4被碎片或其它组分填满，而过滤器5的前部没有组分。因此，在腔室4被几乎填满并必须清空之前，组分不会阻塞过滤器5。
在钻具1不能够一直浸在套管里的情况下，可以使用井下牵引器来牵引或者推动泵系统，直到泵系统位于井内的合适位置。井下牵引器是任何类型的能够在井下推动或拉动钻具的驱动工具，例如Well
为了示例性目的，流体被描述为在进入过滤器5之前含有地层块和碎片的流体。但是，流体也可以含有例如钻屑、细屑、沙子、管道涂料、前次爆破残留物、井内套管上的铁锈或从井、套管或地层上剥离下来的附着物。在本发明的范围内，流体可以是任何类型的井下流体，例如油、水、油水混合物、气或类似物。在很多钻孔操作中，流体与滤出液混合，以便改善钻孔过程。