井下組件、工具和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油和天然氣勘探和開發(fā)的領(lǐng)域，且具體地說，涉及井孔形成活動。更具體地說，本發(fā)明涉及用于擴井孔的擴孔刀片、組件、方法和工具以及制造這種工具的方法。
[0002]技術(shù)現(xiàn)狀
[0003]在石油和天然氣行業(yè)中，非直井使用定向鉆井技術(shù)形成。鉆井過程包括起初使用具有鉆井底部鉆具組件(BHA)的鉆柱來鉆先導(dǎo)井孔，該BHA具有在其前端的鉆頭。必須隨后使用一個或多個擴孔工具擴大該先導(dǎo)井孔以容納套管、生產(chǎn)管等，并改善井孔大小、形狀和環(huán)境。如此形成的油井接著通過安裝套管(如果可適用)、生產(chǎn)管及相關(guān)工具和在井底上打眼并刺激井底而“完成”，即做好生產(chǎn)準(zhǔn)備。
[0004]更具體地說，首先，鉆頭向下前進直到鉆頭到達目標(biāo)深度。接著拉出鉆柱且將擴孔BHA附連在鉆柱前端。接著將該擴孔BHA推到井下，在完井之前擴大并調(diào)整井孔，且隨后拉出，同時在出井的過程中擴大井孔。如上所述，這種類型的擴孔在先導(dǎo)井孔已形成之后并且實施完井之前要求特定擴孔運行，這是不方便和無效率的。需要將鉆井BHA從井孔拉出以用擴孔BHA替換該鉆井BHA會導(dǎo)致昂貴的非生產(chǎn)時間。
[0005]通常，不良井孔質(zhì)量被發(fā)現(xiàn)并可產(chǎn)生于:
[0006].油井的定向路徑和導(dǎo)向裝置的定向行為偏離于計劃路線，從而產(chǎn)生扭曲
[0007].不良鉆井實踐引起鉆頭處的振動和回旋動作
[0008]?不當(dāng)洗井引起沉積
[0009].不當(dāng)鉆井液成分不抑制在鉆井后的地層瞬態(tài)和地層膨脹的某些方面
[0010].BHA移動穿過不同地層導(dǎo)致鉆柱偏離預(yù)定路徑
[0011].鉆井工具不按規(guī)定執(zhí)行，由此鉆頭留下不當(dāng)井孔質(zhì)量，以及轉(zhuǎn)向裝置繞指定目標(biāo)路徑擺動。
[0012]?鉆穿夾層地層導(dǎo)致出現(xiàn)硬細(xì)脈
[0013]不良井孔質(zhì)量影響鉆井和完井過程，導(dǎo)致下列問題:
[0014].鉆進和起鉆過程中由于面向前后運動的鉆柱的障礙物而引起的問題
[0015].BHA的不良動態(tài)響應(yīng)
[0016]?完井結(jié)束及其正確部署的問題。
[0017]因此，為了執(zhí)行有效率的鉆井和完井過程，井孔調(diào)整是至關(guān)重要的，尤其是在來自以下范圍的復(fù)雜作業(yè)中:
[0018].多邊井
[0019].深水平井
[0020].大位移鉆井
[0021].高壓高溫井
[0022].大角度井輪廓J形輪廓、S形輪廓。
[0023]不良井孔調(diào)整在鉆井和完井過程的所有步驟中導(dǎo)致非生產(chǎn)性時間(NPT)。因此，一般實踐是，在鉆井運行之后執(zhí)行采用受控參數(shù)的專門擴孔運行，以試圖將井孔調(diào)到要求的質(zhì)量。
[0024]各種元件已包含在鉆井BHA中以在鉆井過程中改善井孔質(zhì)量。這種元件包括實際上可在鉆井過程中提供擴孔程度的固定片式擴孔器或輥式擴孔器。
[0025]文獻EP1811125公開了與鉆桿和鉆頭一起用于在巖層中鉆井的減振擴孔器。減振擴孔器包括具有鉆井液通過的貫穿孔通道的本體。該本體具有適于與鉆桿連接的圓柱形上部和直徑比上部寬的圓柱形最下擴孔部。擴孔部包括位于外表面上并沿至少磨損表面的上帶和磨損表面的下帶布置的多個磨損表面，該磨損表面的上下帶沿擴孔部軸向間隔并由中間帶分開。通過沿本體長度軸向間隔的擴孔帶的這種布置，擴孔器用于在軸向間隔位置支承抵靠井壁。擴孔器的表面支承抵靠孔壁，從而確保由工具產(chǎn)生的任何振動衰減。采用兩個或兩個以上的支承點代表磨損表面提供了擴孔器和由此鉆具組件的位置穩(wěn)定性。螺旋形凹槽在外表面上切隔并繞本體的周界均勻間隔。螺旋形凹槽用于允許在鉆井作業(yè)過程中鉆井液和從井孔收集到的夾帶巖石材料通過。為了產(chǎn)生期望的減振效果，磨損表面鑲嵌有耐磨硬質(zhì)合金粧釘陣列。然而，該工具僅具有使鉆頭的橫向運動最小且因此延長鉆頭壽命和提高機械鉆速的效果，但井孔質(zhì)量由于上述多個原因中的任一個仍然是不良的，該工具不會消除對采用專用擴孔運行的需求。
[0026]在鉆進過程中以及在POOH(起鉆)過程中，要求防止卡鉆發(fā)生并可處理諸如以下情形的影響，這些情形諸如是:
[0027]活動地層
[0028]破裂和斷裂地層
[0029]活性地層
[0030]過壓地層
[0031]洗井問題
[0032]疏松地層
[0033]鍵槽
[0034]巖架和微狗腿彎
[0035]膨脹頁巖和鹽漬地層
[0036]大量倒擴孔
[0037]井徑縮小點
[0038]文獻W02004/029402公開了擴孔器和穩(wěn)定器組合工具。該工具包括本體，在本體上設(shè)置:
[0039]穩(wěn)定器，該穩(wěn)定器包括直徑比本體大的部分并刻有一系列螺旋狀凹槽，該凹槽形成要與正在鉆的井的壁接觸的多個肋；以及
[0040]擴孔器部分，該擴孔器部分在所述穩(wěn)定器下方，包括切削裝置。
[0041 ] 可選地，三排硬質(zhì)合金刀片設(shè)置至用于輔助鉆桿撤回的穩(wěn)定器。
[0042]然而，擴孔結(jié)構(gòu)使用傳統(tǒng)全圓頂形狀的硬質(zhì)合金或具有不同材料的其它切削裝置。其缺點是通過該全圓頂形狀的硬質(zhì)合金保持的大小會因該硬質(zhì)合金在其接觸地層時開始形成磨損區(qū)而變化。這固有的缺點使得工具不能長時間保持所需標(biāo)面，且這影響鉆井作業(yè)的定向行為。
[0043]據(jù)此，本發(fā)明的目的是避免和減少以上缺點并提供與現(xiàn)有擴孔方法和工具相比更方便和更有效率的適于鉆井和擴孔的井下組件、方法和工具，以及制造這種工具的方法。
[0044]更具地說，本發(fā)明的目的是避免在鉆井之后以及完井運行之前對用以調(diào)整井孔的特定擴孔運行的需求。
[0045]本發(fā)明的另一目的是消除由于地層過度膨脹可能出現(xiàn)的任何井孔縮徑。
[0046]理想的是，通過去除巖架和微狗腿彎改善井孔形狀、直度和質(zhì)量。還要具有保持大小盡可能長的時間以進行更好的方向控制的擴孔工具。井孔的高質(zhì)量對于解決由于不良井孔質(zhì)量的完井部署問題并提高BHA動態(tài)性能是理想的。
[0047]理想的是，防止在鉆井過程中以及在POOH(起鉆)過程中發(fā)生卡鉆。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0048]在第一方面，本發(fā)明涉及擴孔工具的擴孔刀片。較佳地，擴孔工具是包括擴徑部分的工具，諸如是包括擴徑部分的擴孔器或鉆頭(也稱為鉆具)。根據(jù)本發(fā)明的擴孔刀片具有截頭圓頂形狀。較佳地，這種刀片包括從擴孔工具的刀身突出的大致圓頂狀部分，所述圓頂狀部分具有背離刀身表面的平坦頂部。
[0049]在第二方面，本發(fā)明涉及一種擴孔工具，該擴孔工具包括具有擴徑部分的本體。
[0050]較佳地，擴孔工具的擴徑部分包括具有截頭圓頂形狀的擴孔刀片。
[0051]較佳地，擴孔工具包括形成擴徑部分的一個或多個刀身，一個或多個刀身具有擴孔表面并設(shè)有擴孔刀片陣列，該擴孔表面是從擴孔工具本體基本上徑向向外面對的、刀身的外表面。有利地，在沿擴孔工具的縱向軸線觀察擴孔工具時，一個或多個擴孔表面的擴孔刀片陣列完全繞360°環(huán)繞該本體。
[0052]較佳地，擴孔刀片在所述擴孔表面上等距間隔開，從而在擴孔表面上施加相等載荷。
[0053]較佳地，擴孔工具包括形成所述擴徑部分的M個刀身，且各所述刀身在所述本體上設(shè)置成關(guān)于所述本體的縱向軸線M重旋轉(zhuǎn)對稱。
[0054]較佳地，擴孔工具的一個或多個刀身布置成在本體上形成螺旋結(jié)構(gòu)，所述螺旋結(jié)構(gòu)具有在切向于螺旋結(jié)構(gòu)的切線和螺旋結(jié)構(gòu)所在的圓柱的母線之間的預(yù)定螺旋角α。
[0055]較佳地，各個擴孔刀片以沿基本平行于所述擴孔表面的縱向軸線延伸的N個基本平行排的方式布置在擴孔表面上，各排彼此橫向間隔開預(yù)定距離R，以及其中，沿所述本體的縱向軸線在兩個相鄰排中的任意兩個最近刀片之間和在兩個相對外排中的任意兩個最近刀片之間的最短距離是完全一樣的并具有預(yù)定值Y。
[0056]較佳地，同一排中的兩個相鄰刀片間隔開預(yù)定距離L且沿所述本體的縱向軸線在同一排中的兩個相鄰刀片之間的最短距離可確定為X = Lcosa，其中距離Υ = Χ/Ν且α是所述本體的縱向軸線和所述擴孔表面的縱向軸線之間的角度。
[0057]較佳地，最靠近擴孔表面的縱向邊緣的各排與縱向邊緣偏離預(yù)定距離Ε，其中比值R/E具有預(yù)定值。
[0058]較佳地，擴孔刀片具有從所述擴孔表面突出的最外部，且所述最外部位于與所述本體的所述縱向軸線相距一徑向距離處以允許平衡鉆進和減振。
[0059]較佳地，所述擴孔表面是所述刀身的最外表面，且所述刀身還包括相對于所述擴孔表面傾斜設(shè)置的切削表面，所述切削表面設(shè)有刀具。
[0060]較佳地，所述刀具沿所述切削表面布置成與所述本體的所述縱向軸線相距第一徑向距離和第二徑向距離之間，以允許平衡鉆進和減振。
[0061]更佳地，所述刀具沿所述切削表面布置在與所述本體的所述縱向軸線相距一徑向距離處，該徑向距離小于所述擴孔刀片和所述本體的所述縱向軸線之間的所述徑向距離。
[0062]較佳地，每個刀具包括縱向軸線，且刀具定向成使得每個刀具的縱向軸線沿預(yù)定方向延伸并定位成與垂直于所述本體的所述縱向軸線的平面成預(yù)定角度，該預(yù)定角度可調(diào)整到所需值。
[0063]較佳地，擴孔工具的本體包括與底端相對的上端，所述第一端包括用于上鉆柱的連接裝置，而所述底端包括用于下鉆柱或鉆鋌或鉆頭的連接裝置。
[0064]根據(jù)第三方面，本發(fā)明涉及井下組件，包括:
[0065]用于鉆井的底部鉆具組件(BHA)，BHA包括:
[0066]具有縱向軸線的殼體，
[0067]前端和尾端，
[0068]安裝在該前端處的鉆具；
[0069]以及
[0070]如在上文中根據(jù)本發(fā)明第二方面所述的擴孔工具。
[0071 ] 較佳地，該鉆具包括縱向軸線和標(biāo)面(gauge)，標(biāo)面是法向于所述鉆具的所述縱向軸線的平面上的最大橫截面尺寸，其中根據(jù)本發(fā)明第二方面的擴孔工具的擴徑部分的直徑基本對應(yīng)于鉆具的標(biāo)面的直徑。
[0072]較佳地，井下組件的擴孔工具包括與底端相對的上端，所述第一端包括用于上鉆柱的連接裝置，而所述底端包括用于下鉆柱或鉆鋌或鉆具的連接裝置。
[0073]根據(jù)第四方面，本發(fā)明涉及一種擴孔的方法，該方法包括以下步驟:
[0074]