双BHA钻井系统.pdf

双 BHA 钻井系统
    【技术领域】
     本发明涉及用于将侧向井眼钻进到包围主井眼的地层内的设备和方法。背景技术 近年来， 已经在多个位置钻多侧向井 ( 从主井眼延伸的多口较小的井眼 )。这样 做的主要动机是提供与储层的接触， 同时最小化总的钻井成本。还由于海上平台中的底座 的有效性被限制而使用多侧向井。在大多数情况下， 钻多侧向井通过多次起下钻而需要复 杂的操作， 从而浪费大量钻井时间。侧向井的固井也是一个复杂的操作 ： 与母井 (parent well) 的连接是限定侧向井的质量和控制开采的方法的关键因素。
     近年来已经研发了利用来自钻机的较少支撑更加快速钻小侧向井的多种技术。 多 个方法已经提出了通过从由钢丝电缆操作的系统钻侧向井。根据这种方法， 在没有钻柱 或挠性管作为与地面的连接件的情况下可以钻侧向井。在 EP1559864、 WO2004072437 和 WO2004011766 中可以找到这种技术的示例。丛式钻井工具还被公知为用于钻延伸的孔眼 ( 通常比几厘米的直径长 1 米 )。
     现有技术系统的一个示例是来自 Corpro Systems 有限公司的由主底部钻具组合 (BHA) 操作的 SCORE100 工具。主 BHA 包括改良的钻铤， 所述钻铤包括一体式造斜器。当专 用钻铤在主井眼中位于需要的深度处时， 专用小直径 BHA 可以下放在钢丝电缆上的主钻柱 内。这种小 BHA 包括取心筒、 用于旋转取心筒的小钻进马达、 锚件、 用于产生向前运动 ( 穿 透深度 (ROP) 和钻压 (WOB)) 的推进系统、 和用于使流动转向到小马达内的膨胀式封隔器。 这种系统则可以自身固定到钻铤内， 并且通过产生 WOB 的升降系统向前推动自身。地面泵 产生起动小马达并且清洁小侧向井的泥浆流。在开始轴向移动时， 在主 BHA 外通过一体式 造斜器推动小 BHA 的末端， 然后所述末端进入裸眼井， 然后进入地层。侧向井的轴线通常相 对于主井的轴线倾斜 3-6 度。这种系统可以钻进达到 100 英尺的小井眼。通常， 这种系统 用于取心。钢丝电缆和工具具体地为 ROP 和 WOB 提供井下过程控制。所述钢丝电缆和工具 还控制系统在钻铤内的固定以确保爬行运动。当完成侧向井和取心过程时， 利用钢丝电缆 打捞小 BHA。钻铤窗孔通常被通过小 BHA 钻出的铝球塞住。EP1247936 说明了这种技术的 其它细节。
     本发明的目的是提供一种可以有效地用于钻侧向井并且不需要用于部署小 BHA 的这种显著的中断的技术。
     发明内容
     本发明提供了一种钻井设备， 所述钻井设备包括 ：
     钻铤， 所述钻铤形成主钻具组合的一部分， 并且钻铤在其侧部具有向外开口的沟 槽； 和
     副钻具组合， 所述副钻具组合包括 ：
     管状钻柱， 所述管状钻柱在一端连接到钻铤 ；钻进马达， 所述钻进马达安装在钻柱内 ；
     钻头， 所述钻头安装在钻柱的另一端， 并且连接到钻进马达，
     其中， 副钻具组合安装在钻铤内以可在第一位置与第二位置之间移动， 在所述第 一位置， 钻头位于沟槽内， 在所述第二位置， 钻头从钻铤侧部内的沟槽侧向突起。
     在本发明的一个具体的优选实施例中， 副钻具组合包括活塞， 所述活塞可滑动地 安装在钻铤内， 管状钻柱在一端连接到活塞， 并且在钻铤内延伸， 使得在第一位置与第二位 置之间的移动期间， 活塞在钻铤内被推进。
     优选地， 沟槽具有倾斜下端， 所述倾斜下端倾斜到钻铤的外表面。 沟槽能够以连接 到钻铤的钻具的工具面为参考， 使得将工具面定向在具体方向用于以相对应的方式定向沟 槽。钻铤可以具有滑阀， 所述滑阀能够在第一位置与第二位置之间移动， 在所述第一位置， 沟槽被遮盖， 在所述第二位置， 沟槽打开。
     所述设备还可以包括缩进系统， 所述缩进系统用于将副钻具组合从第二位置移动 到第一位置。
     传动轴优选地被设置成延伸通过钻柱以将钻头连接到钻进马达。 钻头可以包括支 承外壳 ( 可以是弯外壳 )， 所述支承外壳包括钻头与传动轴之间的连接件。 支承外壳还可以 包括诸如类似于 LWD 或 MWD 传感器的测量装置。 活塞通常还包括减压阀， 所述减压阀用于在不需要移动活塞的情况下允许流体沿 着钻铤通过。
     钻进马达可以包括调节器， 所述调节器根据马达转速控制旁路的打开。尤其优选 的是钻进马达可以包括报警器 (siren)， 所述报警器包括连接到活塞的定子和临近定子安 装并且连接到钻头的转子。在这种情况下， 转子可以通过扭簧连接到钻头。还优选的是提 供相对于定子将转子推进到打开位置的装置 ( 例如， 磁体 )。
     压力检测器可以被设置成用于检测由于报警器的操作而产生的压力脉冲并且生 成信号， 并且控制系统被设置成用于使用信号以控制副钻具组合的操作。
     活塞优选地包括在不需要移动活塞的情况下允许流体沿着钻铤通过的旁路。
     在一个实施例中， 设置用于当副钻具组合朝向第二位置移动时调节转子和定子的 角位置的装置。 所述装置可以包括在钻铤内的限定凸轮面的沟槽， 当副钻具组合移动时， 转 子定位键沿着所述凸轮面滑动。
     钻铤可以包括可操作夹紧装置， 所述可操作夹紧装置可以作用在副钻具组合上， 使得 ： 可操作夹紧装置将副钻具组合夹紧到钻铤的操作允许钻铤移动以移动副钻具组合， 且可操作夹紧装置松开副钻具组合的操作允许主钻具组合和副钻具组合独立移动。 在一个 实施例中， 夹紧装置包括一对枢转的偏心体， 所述偏心体作用在副钻具组合上。
     优选的是设置用于限制由副钻具组合的操作产生的扭矩的装置。 这些装置可以包 括： 在钻柱上的细长键， 所述细长键接合在钻铤内相对应的沟槽内 ； 钻柱的在钻进马达上 方的延伸部， 所述延伸部包括在钻柱上的细长键， 所述细长键接合在钻铤内相对应的沟槽 内； 或具有非圆形部分的钻柱， 所述非圆形部分滑动通过相应成形的密封件。
     连接点可以设置在副钻具组合上， 用于连接收回线以将副钻具组合从第二位置移 动到第一位置。
     还可以设置第二活塞旁路和阀装置， 以将钻铤内的流体流引导到活塞的下侧， 从
     而将副钻具组合从第二位置移动到第一位置。
     根据另一个实施例的钻具组合还包括控制机构， 所述控制机构可操作以迫使副钻 具组合从沟槽出来。在这种情况下， 副钻具组合可以通过铰链连接到钻铤并且钻柱是柔性 的。
     在可选的实施例中， 副钻具组合包括位于钻铤内的管内爬行器装置， 管状钻柱在 一端连接到管内爬行器装置， 并且在钻铤内延伸 ； 其中， 在第一位置与第二位置之间的移动 期间， 管内爬行器装置在钻铤内被推进。
     在上述钻具组合中， 其中主钻具组合被构造成在套管内钻窗孔， 副钻具组合可以 通过窗孔被推进。
     一种使用上述钻井设备钻井眼的方法， 所述方法包括以下步骤 ：
     钻主井眼 ；
     将钻井设备定位在主井眼内的预定位置处 ；
     操作副钻具组合以远离第一位置推进钻头并且侧向钻进到包围主井眼的地层内 并形成侧向井眼 ； 以及
     将副钻具组合收回到第二位置。 主钻具组合可以用于钻主井眼。
     所述方法还包括以下步骤 ： 在副钻具组合钻入地层的同时， 推进钻铤。 在这种情况 下， 这可以包括在副钻具组合钻入地层的同时， 在主井眼内将钻铤交替地推进和缩进一短 距离。
     在主井已经下有套管的情况下， 所述方法优选地包括以下步骤 ： 在操作副钻具组 合之前使用主钻具组合在套管内开窗孔， 以通过窗孔钻入到地层内。
     本发明基于安装在主 BHA( 主钻具组合 ) 内的小 BHA( 副钻具组合 ) 的组合。主 BHA 允许以大致传统的方式钻井。主 BHA 可以包括诸如旋转导向系统或马达、 MWD 和 / 或 LWD 装置等的装置。主 BHA 包括专用钻铤， 所述专用钻铤包括小 BHA。具体地， 专用钻铤包 括窗孔或沟槽， 从而允许小 BHA 从主 BHA 的内部孔移动到外侧。改良的造斜器可以集成在 开窗钻铤内。
     在钻侧向井期间， 主 BHA 类似静止。小 BHA 包括马达 ( 优选地为导向马达 )， 可以 将所述小 BHA 向前推并且使所述小 BHA 进入地层。通过适当的导向， 则可以远离主井钻小 侧向井。通常以滑动模式执行钻进。当完成侧向井钻进时， 小 BHA 缩进到主 BHA 内。然后， 主 BHA 在主井内重新开始正常操作 ( 例如， 钻得更深 )。
     在优选的方案中， 实施是基于机械系统的。
     还可以在套管井中操作双 BHA 系统。在这种情况下， 第一钻头被磨铣钻头替换以 在套管内开窗。则可以在不需要起下钻的情况下， 小 BHA 可以钻侧向井。
     基本原理的具体修改包括 ：
     - 小 BHA 可以装有仪器， 使得远离主井可以执行测井。
     - 由于此双 BHA， 因此可以改进并且开发多储层应用。
     - 可以实施特殊汇接点 (junction) 以在开采的流体进入侧向井并且流入到主井 的同时确保从主井到侧向井的循环。 这种技术对于稠油应用和在地层内开采的流体的特殊 处理尤其有用。
     附图说明
     图 1 和图 2 显示使用本发明钻进的侧向井 ； 图 3 和图 4 显示根据本发明的设备的第一实施例 ； 图 5 和图 6 显示图 3 和图 4 的实施例的部分的细节 ； 图 7 显示根据本发明的设备的第二实施例 ； 图 8 显示图 7 的报警器的俯视图 ； 图 9 显示对于图 7 的报警器来说打开百分比与旋转的图 ； 图 10 显示对于图 7 所示的报警器来说平均时间打开百分比与马达 RPM 的图 ； 图 11 显示对于图 7 所示的报警器的平均时间压差 ( 压差 ) 与马达 RPM 的图 ； 图 12 显示对于不同的马达曲线 RPM 与 WOB 的图 ； 图 13 显示对于根据本发明的设备的第三实施例中的报警器来说调制信号与时间 图 14 显示了根据本发明的设备的第三实施例的一部分 ； 图 15 显示根据本发明的设备的第四实施例 ； 图 16 显示根据优选的方法的本发明的实施例的操作 ； 图 17 显示根据本发明的设备的第五实施例 ； 以及 图 18 和图 19 显示利用根据本发明的设备所钻的井眼轨迹。的图 ；
     具体实施方式
     本发明的目的是提供一种不需要在 ( 侧向井和 / 或主井的 ) 连续钻井操作之间进 行起下钻的情况下从主井 12 钻多口小侧向井 10 的系统 ( 参见图 1 和图 2)。
     侧向井 10 的长度通常在 15-100 英尺的范围内， 而直径从 1.5 英寸变化到 3.5 英 寸， 并且垂直间隔 14 可以小于 1 米。侧向井的轨迹的半径通常恒定， 以达到几乎垂直于主 井的方向 ： 在这种情况下， 侧向井的曲率半径通常从 10 到 50 英尺， 这使得远离主井的钻进 深度 16 达到 20m( 参见图 1)。对于其它应用， 侧向井轨迹可以是直线 ( 参见图 2)， 且轴线 与主井 12 在 2-7 度的度数 18 之间。
     主 BHA 基于要实现的目标主要由传统的部件构造而成。从底部开始， BHA 显而易 见包括钻头。所述钻头可以包括旋转导向系统或导向马达、 稳定器和柔性接头。对于钻井 目标来说如果需要的话， 还可以增加 MWD 和 LWD 测井仪。小 BHA 系统包括在如图 3 中所示 的专用钻铤中。
     双 BHA 包括主 BHA 20 和小 BHA 22。主 BHA 20 钻主井 24， 而小 BHA 22 钻侧向井。 双 BHA 的一些部件直接包括在主 BHA 20 中。具体地， 具有侧窗 28 的专用钻铤 26 允许小 BHA 22 从主 BHA 20 移动出来和进入主井 24 的侧面的裸眼井 24 和地层 30 内。这种开窗钻 铤 26 具有外沟槽 32， 所述外沟槽在其下端终止于倾斜滑块 ( 或造斜器 )34。窗孔 28 的工 具面通常以主 BHA 20 的 MWD 工具面为参考， 以允许在侧钻开始之前将它定向在正确的方向 上。
     小 BHA 22 是在主 BHA 20 内滑动的连续系统。所述小 BHA 的下末端在开窗钻铤 26 的外沟槽 32 内。所述小 BHA 通过开窗钻铤 26 的外沟槽 32 的顶部处的轴向滑动密封件 34从主 BHA 20 的内部穿到外部。小 BHA 22 从下往上包括 ：
     钻头 36 ；
     钻进马达 38， 所述钻进马达可以通过延伸的传动轴 39 以旋转地方式驱动钻头 36 ；
     钻柱 40 ；
     可以将小 BHA 22 推出钻铤 26 的系统 ： 在此实施例中， 所述系统是具有流动旁路 43 的液压活塞 42， 但是还可以是以下所述的机械系统 ：
     - 控制单元 44， 所述控制单元 44 允许控制小 BHA 22 的操作 ( 此控制单元可以是 机械或电机械的 ) ；
     - 当需要时允许小 BHA 22 缩进到主钻铤 26 内的系统 ： 在这种情况下， 设置钢丝 钻杆吊钩 46 以允许钢丝通过打捞工具抓所述钢丝钻杆吊钩并且向后拉所述钢丝钻杆吊钩 ( 如下所述其它方法也是可以的 ) ； 和
     - 锁住系统 ( 未示出 )， 所述锁住系统允许当将要停止小 BHA 22 时将小 BHA 22 锁 定在主 BHA 20 中。
     在使用中 ( 参见图 4)， 当沿着主 BHA 20 泵送钻井液时， 由于此活塞上的流体压力 产生用于小 BHA 22 的 WOB， 因此通过滑动活塞 42 向前推动小 BHA 22。小 BAH22 的钻头 36 通过倾斜表面 ( 或造斜器 )34 初始被侧向推动。在一些位移之后， 小 BAH22 的前端位于地 层 30 内并且以滑动模式用作导向马达。然后， 所述小 BAH22 的前端确立角度并且侧向轨迹 远离主井 24 移动。
     小 BHA 22 包括被改良的导向马达。钻头 ( 直径通常为 1.5-3.5 英寸 ) 连接到钻 头盒 / 支承外壳 48( 类似于传统的小导向马达的钻头盒 / 支承外壳 )。在支承外壳 48 上 方， 还安装了弯外壳， 使得马达在所需的方向上对侧向井 50 进行导向。在弯外壳 48 位于包 括主井 24 的平面内的情况下， 侧向井 50 的平面还包括主井 24。在这种弯外壳定位的情况 下， 钻头仅仅需要考虑当将在井中定位钻铤时开窗钻铤 26 的方位角 ： 系统然后将在相同的 平面内钻侧向井 50。
     在弯曲外壳 48 上方， 安装钻柱 40 以将马达部分 38 连接到支承外壳 48 内的轴。 这 可以达到 30 米长 ( 或更长 )。利用这种延长部， 马达动力部分 38 保持在主 BHA 20 内并且 没有沿着侧向井 50 的锐曲线弯曲。通过这种设计， 马达 38 没有受到井眼弯曲率的影响。
     延伸的传动轴 39 可 ( 侧向 ) 弯曲以跟随井眼弯曲率。此外， 所述延伸的传动轴替 换转子与钻头驱动轴之间传统的万向接头。这种轴可以由钛制成以支撑弯曲 ( 在旋转时具 有相关联的疲劳 ) 以及来自钻进扭矩的应力水平。马达 38( 由于马达 38 两端的流体压力 差 ) 还产生向下力。这种力还施加到延伸的传动轴 39， 并且往往在轴内产生弯折， 因此， 所 述轴还必须在其长度上被径向轴承 ( 未示出 ) 支撑。还可以需要扭曲衰减系统 52( 参见图 5) 对延伸轴 39 内的扭曲共振进行衰减。
     为了允许较大的 ( 紧密的 ) 井曲率， 支承外壳 48 相对较短。然而， 如果需要的话， 所述支承外壳还可以包括小外壳 56 以支撑一些测量装置。
     通过这种马达系统， 将以滑动模式钻侧向井 50。所述侧向井将具有几乎相同的造 斜率。在一些情况下， 适当的是钻几乎平行于主井 24( 仅具有几度偏角 ) 的侧向井 50。在 本申请中， 可以使用直管式发动机 ( 在外壳 48 中没有弯曲 )。通过一体式造斜器 34 的斜率实现偏斜。
     延伸的马达包括在支承外壳 48 与马达动力部分 38 之间的钻柱 40。钻柱 40 通常 具有 1.2-2.5 英寸的直径。此钻柱不旋转， 所述钻柱仅为钻头 36 传递 WOB。扭矩通过在内 部延伸的传动轴 39 传递。钻柱 40 可弯曲以在最小化与地层 30 的接触的同时以弯曲的方 式通过。在一些应用中， 这种管可以是钛或用于高柔性的复合材料 ( 纤维和环氧树脂 )。可 以考虑椭圆形部分以传递适当的 WOB， 并且确保在曲率平面内的更侧向的柔性。
     显而易见， 马达 38 和钻柱 40 必须足够小以在主钻铤 26 内滑动。如果主 BHA 20 的直径为 6.75 英寸， 则钻柱 40 可以为 2 又 3/8 英寸或 2 又 7/8 英寸。其它尺寸可以是适 当的。
     如图 6 中所示， 专用钻铤 26 允许小 BHA 22 从主 BHA 20 移动出来。这种钻铤具有 外沟槽 32， 所述外沟槽在其底部终止于倾斜表面 ( 一体式造斜器 )34。沟槽的顶部具有小 轴向孔和密封件 34 以允许小 BHA 22 滑动通过。钻头 36、 马达支承外壳和弯外壳 48 当没 有钻进到地层 30 时通常保持在沟槽 32 内， 而钻柱 40 在开窗钻铤 26 的滑动密封区 34 内滑 动。此密封件 34 可以以其最简单的形式形成紧密配合孔。这确保在钻铤 26 内流动的泥浆 58 被迫朝向主钻头 ( 未示出 ) 向下。任选的可捞取塞 60 可以设置在密封部分 34 内。 支承部分 ( 或弯外壳 )48 的具体接触表面在倾斜表面 34 上滑动， 以将外壳 48 推 到钻铤 26 的外部 ( 并且迫使钻头 36 进入地层内 )。这种过程提供最小化导向 ( 滑动 ) 表 面的磨损的优点。因为钻头齿由于与金属导向表面的接触而不会破坏， 因此这种导向方法 还可与岩石钻头一起使用。
     当小 BHA 22 完全缩进时， 钻头 36 则接合在钻铤 26 内的沟槽 32 中， 使得所述钻头 不能径向移动。钻头 36 位于并保持在主钻铤 26 的直径内。这避免了当主 BHA 20 在主井 24 内移动或旋转时钻头 36 与地层壁接触。外钻铤沟槽 32 延伸几米。当钻柱 40 在侧向井 50 内接合时， 主 BHA 20 可以在主井 24 内轴向移动几米， 而对钻柱 40 来说却没有切断的风 险。
     在这种原理中， 用于小 BHA 的钻压通过施加到滑动活塞 42 的压力生成。这种活塞 在钻铤 26 的孔内滑动并且连接到小 BHA 22 的顶部。活塞 42 还具有流动旁路 43 以确保在 将压力保持在活塞 42 上的同时流体仍然可以沿着主 BHA 20 流动。基于所述设计， 作用在 活塞上的流体压力可以作用在 10-15 平方英寸的表面上。因此， 在滑动活塞 42 两端可以出 现达到 500PSI。这种组合然后可以生成达到 5000-7500 磅的较大的向下力。因为与所考虑 的钻头尺寸 ( 直径为 25-35 英寸 ) 相比这非常大， 因此在大多数情况下需要低压力。
     通过上述设计， 可以预料的是通常 30％的总流动将通过马达 38( 当钻侧向井 50 时 )。如果马达 38 停止， 小 BHA 22 两端的压降增加并且通过滑动活塞 42 的流动旁路端口 43 的流动将会增加 ： 这表示压力增加， 然后 WOB 因此也增加。这使得当在停止时难以潜在 地控制小 BHA 22， WOB 甚至稍微增加， 从而进一步阻碍钻头， 并且保持停止状态。为了避免 这种情况， 可以将流量控制阀安装在滑动活塞内以确保当马达 RPM 下降 ( 或发生停止 ) 时 WOB 减小。
     图 7 显示在本发明中使用的马达部分的具体优选形式的一部分。马达 38 包括用 于钻井应用的典型的 Moineau 型马达。这种马达的转子 ( 未示出 ) 驱动旋转阀 62， 所述旋 转阀包括类似于通常用于 MWD 遥测技术的报警系统的转子 64 和定子 66。此旋转阀 62 位于
     旁路 70 内， 所述旁路连接到活塞 42， 并且定子 66 固定到所述旁路。 所述旋转阀通过控制流 动通过旁路 70 的流体量来控制活塞 42 两端的压降。施加到滑动活塞 42 的表面的压力产 生用于小 BHA 22 的 WOB。报警器 62 的转子 64 通过扭簧 68 连接到马达 38。此外， 报警器 62 的转子 64 和定子 66 具有磁体 72、 74( 参见图 8)， 所述磁体往往通过推动转子 64 的叶片 以与定子 66 的叶片对齐而不是位于定子 66 的开口内而保持报警器打开。当马达 38 以恒 定速度旋转时， 报警器转子 64 因为位于打开位置而具有不稳定旋转 ( 参见图 9)。具体地， 当马达 38 没有旋转时， 报警器 62( 由于连接弹簧 68 的扭曲 ) 打开。
     因为这种特性， 报警器 62 的时间平均打开 (time-averaged opening) 从当没有旋 转时的 100％变化到高速下的近似 50％ ( 参见图 10)。流动转换 (flowswitching) 通常可 以从 10 赫兹变化到 75 赫兹。然而， 由于小 BHA 的惯性， 流动转换的最高频率优选的是允许 更容易的 WOB 的时间平均。
     如图 11 中所示， 报警器 62 两端的 “时间平均” 压降随马达 RPM 变化。所述压降可 以通过报警器 62 的机械设计 ( 弹簧 68 的刚度、 转子 64 的质量、 磁体的力等 ) 来调节。图 10 显示低时间平均打开 ( 即， 更高的马达和转子 RPM) 产生更高的 WOB( 图 11)。
     高 WOB 的作用是降低马达 38 的 RPM。如果 RPM 足够低， 则报警器 62 将自动减小 WOB( 图 10 和图 11)， 使得得到平衡以允许马达停留在适当的 RPM 下。如果马达接近失速状 态， 则 RPM 非常低并且报警器重新打开， 以及 WOB 急剧下降。总之， 马达将会具有取决于传 统的马达曲线 (RPM 与流量 ) 的操作点。RPM 响应还取决于钻头特征以及岩石特性。 在图 12 中对两种情况示出了马达曲线和控制函数的组合。如图所示， 控制曲线显 示当 RPM 为零时 ( 在马达的失速点处 )WOB 仍然存在。这是由于流体压力仍然施加在钻铤 窗内的滑动密封件的部分上， 从而向前推 BHA。控制函数曲线应该尽可能地水平 ： 与滑动密 封区相比， 报警器的控制表面应该更大。此外， 与小 BHA( 小马达和小钻头 )22 两端的压降 相比， 由报警器 62 产生的压力脉冲应该更高。例如， 小 BHA 22 的压降大约为 500PSI ； 报警 器的压力脉冲为 1000PSI。控制表面与密封区的比可以为 2， 从而为操作提供四倍力比。
     如果在没有与控制系统解开的情况下马达在失速位置处被阻塞， 则如下所述需要 使小 BHA 22 离开井底以允许马达 38 重新启动。
     进行控制的另一种方法是使用离心调节器。马达 38 可以被布置成从所述马达的 上端驱动离心调节器， 所述上端连接到流动旁路端口。在高 RPM 下， 调整器闭合流动旁路端 口， 这增加了滑动活塞两端的压降， 从而增加具有降低 RPM 作用的 WOB。当马达 RPM 降低时 产生反作用 ： 离心调节器使阀的开度更大， 从而降低活塞两端的压降， 由此减小 WOB。这种 WOB 减小允许马达增加 RPM 以得到所述马达适当的操作点。
     提出的调节系统都是自动调节的。所述调节系统不需要人的干预。
     还可以在主 BHA 20 中使用夹紧装置以可操作地夹紧小 BHA 22 来控制 WOB。在这 种结构中， 主 BHA 20 将小 BHA 22 向前推动通常 1 米或 2 米的距离。这通过仅向下作用的 夹紧系统来实现 ： 当主 BHA 20 向下移动时， 所述主 BHA 夹住小 BHA 22 ； 并且两个 BHA 20、 22 一起移动。( 通常 ) 在 1 米或 2 米的行程之后， 大 BHA 20 向上移动 1 米或 2 米 ： 夹紧系统 在此移动期间松开小 BHA 22。由于马达两端的流体压力， 小 BHA 22( 通常与底部上的钻头 一起 ) 保持在其深度。当主 BHA 20 已经上升适当的距离 (1 米或 2 米 ) 时， 所述主 BHA 然 后再次向下移动， 使得所述主 BHA 再次夹紧小 BHA 22。通过这种设计， 主 BHA 20 必需上下
     移动较短的行程 ( 通常为 1 米或 2 米 )。当所述主 BHA 每次向下移动时， 小 BHA22 也向下移 动。
     必须通过控制单元使夹紧系统无效以在钻井操作结束时允许小 BHA22 缩进到主 BHA 20 内。
     夹紧系统可以由两个偏心器 ( 例如， 套管井牵引车的接触通路 ) 组成。这些偏心 器优选地与钻柱具有均匀的接触面积以避免局部变形。
     当以滑动模式钻进时， 重要的是确保马达 38 在其正确的 RPM 下运行。为了解决此 问题， 可以使用通过报警器对钻井液中的声信号进行调制。调制信号的频率与马达 RPM 直 接成比例。在地面处， 检测此信号并且所述信号的频率是马达 RPM 的测量值。如果此信号 表示马达正在错误地运行时， 钻头可以采取适当的校正动作。
     用于 WOB 调节的报警器可以起到到地面的信号发生器的作用， 或者专用报警器可 以安装在到达系统的总流中， 或安装在分流 ( 例如， 马达两端的流动 ) 中。
     同样重要的是在钻侧向井期间确定是否实现穿透深度。基于所使用的控制系统， 可以获得此信息。例如， 如果在侧向井钻进期间钢丝连接到小 BHA 22 的顶部， 通过钢丝的 移动检测侧向井穿透深度。另一种方法是将 WOB 控制系统的报警器定子的角位置改变与 180 度信号调制 ( 这对应于两个相邻叶片之间的角距离的一半 ) 相对应的角度。这种改变 将在信号 vs 时间曲线图 ( 图 13) 中表现为急剧的信号变化 X。这种角位移可以通过改变 主钻铤 26 内的沟槽 76 的路径而获得， 定子的反向扭矩键 78 在所述沟槽内滑动， 且沟槽 76 限定凸轮面。 键槽 76 由例如 0.5 英尺的直线段形成， 所述直线段由将沟槽偏移适当距离 80 以给出定子的角位移以及由此给出信号的倾斜部分连接 ( 图 14)。因此， 对于小 BHA 22 的 每一个 0.5 英尺的穿透深度都会出现峰值 X。可能需要的是使机械相位可选地移动到右侧 和左侧以避免系统大的机械旋转。 另外的方法需要检测小 BHA 是否在其位移行程的端部。一种简单的方法是提供活 塞与所述活塞在其内滑动的孔之间的间隙， 使得当活塞到达间隙时活塞两端的压降急剧下 降： 这可以在地面处观察到。通过将主 BHA 下放小位移 ( 例如 1 英尺 ) 来重新接合活塞， 以 重新在孔中接合活塞并重新确立压降。通过连续移动， 钻机可以完全确认行程检测结束。
     基于设计， 滑动活塞的冲程可以小于一个钻铤长度 ( 例如 10m) 或者达到 30m 或 30m 以上。
     滑动活塞 42 可以由在主钻铤 26 的孔内直接滑动的实心活塞组成。所述滑动活塞 可以通过诸如衬垫或 O 形环的橡胶元件进行密封， 或者所述滑动活塞可以插入在孔内， 且 留有小间隙 ： ( 当间隙内有压降时 ) 这种小间隙则用作流动节流器。为了更灵活， 活塞可以 具有在钻铤孔内滑动的橡胶皮碗。这种橡胶皮碗可以适应钻铤之间较窄的销直径。因为橡 胶皮碗不在钻铤销部分内时可以适应大直径， 因此这种系统提供更好地密封和可能更大的 WOB。
     马达 38 产生用于小 BHA 22 的钻进扭矩。显而易见具有必须传递给主钻铤 26 而 同时允许小 BHA 22 在主 BHA 20 内的轴向移动的反扭矩。对此三个系统被认为是尤其优选 的：
     - 钻柱 40( 在其长度上 ) 具有长键， 所述长键在主钻铤 26 的导向系统的槽内滑动。
     - 小管在马达 38 的上方连接。这种管具有等于钻柱 40( 或小 BHA 22 的最大可钻
     进长度 ) 的长度。这种管与在主钻铤 26 的孔内的小 BHA 22 一起轴向移动。这种管在其整 个长度上具有键槽。( 当它缩进在主钻铤 26 时 ) 键在马达 38 的正上方的位置处连接到主 钻铤 26。
     - 椭圆形形状钻柱 40。这种椭圆形形状形成与主钻铤 26 的导向系统相同的形状。 这种形状允许扭矩从小 BHA 22 传递到主钻铤 26。当椭圆限定好时可以进行密封。
     当小 BHA 22 完全缩进时， 必须停止驱动马达 38 的液体流。这通过小 BHA 22 的 顶部处的密封系统来实现 ： 当完全缩进时， 密封块位于连接到小 BHA 22 的流动通道的顶部 处， 使得可以没有流动。
     需要的是小 BHA 22 可以缩进在主 BHA 20 内。多个系统可以用于这种操作。
     一种系统基于与打捞工具一起使用的钢丝。钢丝被下放在钻柱内 ： 打捞工具抓取 滑动活塞 42( 参见图 3) 的顶部上的专用钩子 46。 然后， 向上拉钢丝 ： 这确保在主 BHA 20 内 的缩进。在完全缩进之后， 松开打捞工具， 然后从钻柱移除钢丝。在整个小侧向井的钻进期 间， 可以将钢丝连接到小 BHA22。
     另一种方法是使用系统内的压差以生成用于使小 BHA 22 缩进的向上力。图 15 中 示出了这种系统。利用这种系统， 可以根据流动瓣 (flow flap)82 的位置使 WOB 活塞 42 的 喷嘴中的流动反向。当流动瓣 82 打开时， 泥浆的一部分流动通过马达通道 84( 并且驱动钻 头 36 旋转 )。主流通过主旁路端口 86 和副旁路端口 88 进入到主 BHA 20。这种流动在被 向下推动的 WOB 活塞 42 两端产生压差 ( 并且向下推动钻头 36)。流动瓣 82 可以通过控制 单元 44 打开和闭合。当片 82 闭合时， 小流动将经由旁路连接件 90 向上移动。此流动然后 向上通过副旁路 88， 并且最后向下沿着马达通道 84 流动到马达 38 和钻头 36 ； 然而， 这种流 动是可忽略的。主流在主 BHA 20 两端产生压差。这种压力此刻产生到滑动活塞 42 上的向 上力， 使得小 BHA 22 在主 BHA 20 内被向后拉。
     当使用双流动瓣系统时反向效应甚至可以更强 ： 流动瓣的第二部分 ( 未示出 ) 允 许通过主旁路 86 的流动被切断。两个瓣总是在相反的位置 ( 一个打开， 另一个闭合 )。
     在本发明中可以应用多种控制单元技术。 一种方法是使用钢丝以控制锁定件和流 动瓣阀 82。在开始工作时， 在适当的次序之后可以拉钢丝以解开小 BHA 并且切换流动瓣阀 82。在工作结束时， 可以使用同一钢丝以使小 BHA 22 缩进并且再次切换流动瓣阀 82， 以及 重新将小 BHA 22 锁在主 BHA20 中。
     可选地， 控制单元 44 可以基于液压和机械指令。可以采取不同的方法 ：
     - 具有 J 形槽机构的滑动工作筒， 所述滑动工作筒在旋转的情况下以交错的方式 上下移动。
     - 可以压缩或者不取决于是否已经首先建立了泥浆流的滑动工作筒。
     - 用于通过伸缩片确保套筒的制动 (drag) 的旋转。 如果泥浆流以适当的次序被起 动， 则只可以实现旋转。
     - 通过流量变化设定的液压钻头。 这种系统通常在流动周期开始时操作。 然后， 通 过从没有流动到高流动到中间流动 ( 或不同的次序 )， 预定定时允许系统开始钻侧向井或 停止钻井。
     利用这种系统， 容易判定是否小 BHA 22 应该在缩进和锁定模式或用于钻进的释 放模式。液压机械控制单元的主要优点是简单的设计、 维护和操作。电气控制系统也是可以的。 电气控制系统可以基于用于进行设定和控制的双向遥 测技术。 电气控制系统可以通过电钢丝电缆进行控制。 这提供了充分的灵活度和高数据率 ： 如果在钻侧向井的同时执行测量， 这是有用的。
     钻侧向井花费一些时间 ( 从几分钟到 1 小时 )。在此期间， 主 BHA 20 可以在左侧 处于静态模式。这十分危险， 因为卡钻的风险是不可忽略的。为了最小化这种风险， 系统被 设计成允许主 BHA 20 在主井 24 内连续移动。主 BHA 20 可以向上 20A 和向下 20B 移动短 距离 ( 通常在几米的范围内 )。由于钻铤 26 内的外沟槽 32， 这种移动是允许的。在小 BHA 22 不需要来自倾斜板 34 的侧推 ( 钻头 36 完全接合在地层 30 内 ) 时， 由于钻头 36 此刻在 侧向井 50 内进行自动导向， 因此主 BHA 20 可以缓慢向下移动。显而易见的是主 BHA 20 的 向下移动受限于钻铤沟槽 32 的上端。还应该注意的是如果钻铤沟槽 32 的侧壁被除去， 主 BHA 20 还可以稍微左右 ( 通常为 45 度 ) 振荡。钻井液流动通过主 BHA 钻头 ( 未示出 )， 使 得在主井 24 的整个长度上可以确保良好的循环。这还起到了限制卡钻的风险的作用。这 种循环还起到了将在侧向井内生成的钻屑提升到地面的作用。
     在小侧向井中， 将钻井液循环速度保持在适当的速度下以在侧向井的整个长度上 将钻屑提升到主井。小 BHA 还可以上下移动用于在侧向井内清洁钻屑并且限制卡钻的风 险。
     如果小 BHA 卡在侧向井内， 则可以向上拉主 BHA 以在主井与侧向井之间的交叉点 处切断小 BHA。这允许使主 BHA 自由， 从而限制损失。
     小 BHA 可以支持各种类型的测量 ( 例如， 方向和倾角、 局部电阻率、 井间电阻率、 井 间声速等 )。
     通过一些设计修改， 小 BHA 可以通过主钻柱利用钢丝进行打捞。小 BHA 底部周围 的可打捞塞 60( 图 6) 允许从钻头到流动瓣阀和控制单元的所有部分被打捞出。 打捞小 BHA 的能力允许替换坏掉的小 BHA 或用于将其它工具安装在侧向井内的窗孔打开。这些其它工 具可以是机械或电的。所述工具可以通过钢丝或钢丝电缆被下放。这些工具中的一些允许 在侧向井中进行技术介入 ( 例如， 简单完井的充填 ) 或 ( 通过微电缆测井仪 ) 在小侧向井 中进行测井。
     图 17 显示本发明的具有简单设计的又一个实施例。小 BHA 90 包括在钻铤 94 的 外沟槽 92 内， 并且通过铰链 96 连接。小 BHA 90 还是柔性的。当要钻侧向井时， 机械控制 机构 98 将小 BHA 90 的前端推到外侧。同时， 钻井液流开始通过小马达 100。当小 BHA 90 开始进入地层内时， 主 BHA 102 缓慢向前移动， 从而确保小 BHA 90 移动进入到地层内。如 果小 BHA 90 具有弯外壳， 则将远离主井对侧向井进行导向。
     本发明的又一个实施例是在主 BHA 内使用管内爬行器或牵引机以推进小 BHA。可 以从主钻柱内的钢丝电缆操作这种系统。控制单元将钻井液流朝向小 BHA 引导。因为这种 系统可以移动长距离， 因此这种系统是柔性的。 作为电控制单元的替代物， 所述电控制单元 还可以基于 MWD 和旋转导向系统技术。当使用钢丝电缆时， 在侧向钻井之前下放电缆 ( 并 且任选地， 控制单元 )， 并且在操作结束时收回所述电缆。
     可以在下套管井中使用上述双 BHA 系统的变形。在本申请中， 主 BHA 钻头然后由 开窗铣磨钻头 ( 和造斜器 ) 替换。
     另一个实施例包括两个小 BHA， 且一个具有磨铣钻头， 另一个具有钻进钻头。控制单元的设置会稍微更加复杂， 以避免两个小 BHA 的设置之间的混淆。事实上， 这种系统具有 三个可能的钻头要部署 ：
     a) 两个缩进的小 BHA， 主 BHA 上的钻进 / 磨铣钻头 ；
     b) 顶部为以钻进模式的小 BHA， 底部缩进 ； 和
     c) 顶部为缩进的小 BHA， 底部为磨铣模式的小 BHA。
     侧向井可以具有比图 1 和图 2 更加复杂的形状。在一个实施例中， 这例如通过引 导反扭矩延伸部的键的沟槽的特殊形状机械实现。
     对于一些现场应用来说， 侧向井 104 可能需要具有图 18 中所示的 S 形状。这确保 侧向井的端部近似平行于主井 106。 为了提供这种轨迹， 小 BHA 的工具面在位移的中间处旋 转 180 度。运动反应通过上 “反” 扭矩延伸部传递给钻铤， 并且键槽在钻铤中盘旋 180 度。 当来自 “反” 扭矩延伸部的键到达此位置时， 小 BHA 被迫自行半转。螺旋的螺距优选地延伸 几米的距离以避免小 BHA 的另一末端处的弯外壳的高度扭曲。
     对于其它应用来说， 有益的是如图 19 中所示在主井 106 周围钻螺旋状侧向井 108。 为了实现此图案， 连续调节弯外壳方位角以远离马达当前的平面操纵所述马达。为了实现 这种工具面设定， 引导 “反” 扭矩延伸部的反扭矩键的键槽设置有适当的螺旋。 例如， 可以在 具有 5 米半径 15 米螺距的 “圆柱面” 上钻侧向井。这表示该井相对于主井倾斜 45 度。每 一次旋转需要大约 21 米的位移， 并且侧向井可以转两圈。