用于使井下切削工具液壓平衡的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在地下地層中鉆探井眼，并且更具體地，涉及使各個井下切削工具之 間的壓重和液壓能量分布平衡的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 出于各種目的，包括例如油和天然氣開采以及地?zé)衢_采，在地下地層中形成井眼。 此類井眼通常使用一個或多個鉆頭形成，鉆頭如固定切刀鉆頭（即"刮刀"鉆頭）、滾動切刀 鉆頭（即"鑿巖"鉆頭）、孕鑲金剛石鉆頭、以及可包括例如固定切刀和滾動切刀兩者的混合 型鉆頭。鉆頭直接或間接地聯(lián)接至鉆柱或工作管柱的一端，鉆柱或工作管柱包圍從地表延 伸到井眼中的端對端連接的一系列細(xì)長管狀節(jié)段。各種工具和部件（包括鉆頭）常常被布 置或以其它方式聯(lián)接在鉆柱位于井眼底部處的遠(yuǎn)端處。工具和部件的這種組件通常被稱為 "井底鉆具組件"（BHA)。
[0003] 為了形成井眼，使鉆頭旋轉(zhuǎn)并且其相關(guān)聯(lián)的切刀或研磨結(jié)構(gòu)將地層材料切削、粉 碎、剪切和/或研磨掉，從而促進(jìn)鉆頭向地下地層中前進(jìn)。在一些情況下，通過從地表使鉆 柱旋轉(zhuǎn)來使鉆頭在井眼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，同時將流體如鉆井液從地表泵送到鉆頭。鉆井液在鉆頭處 通過布置在其中的一個或多個噴嘴離開鉆柱，并且可用于冷卻鉆頭并且通過限定在鉆柱與 井眼的暴露表面之間的環(huán)空將鉆探微粒沖回到地表。然而，在其它情況下，可通過使鉆頭聯(lián) 接至井下馬達(dá)（例如，泥漿馬達(dá)）來使鉆頭旋轉(zhuǎn)，井下馬達(dá)還聯(lián)接至鉆柱并且被設(shè)置成相對 靠近鉆頭。從地表泵送的鉆井液可為井下馬達(dá)提供動力以使鉆頭旋轉(zhuǎn)，并且隨后從鉆頭的 噴嘴離開并且通過環(huán)空循環(huán)回到地表。
[0004] 為了擴(kuò)大井眼的直徑，"擴(kuò)孔鉆"裝置（也被稱為"擴(kuò)眼裝置"或"擴(kuò)眼器"）可作 為BHA的一部分與鉆頭結(jié)合使用。擴(kuò)孔鉆通常沿BHA的長度與鉆頭軸向偏離并且在鉆頭的 井孔上行。在操作中，鉆頭用作導(dǎo)向鉆頭以在地下地層中形成導(dǎo)向孔，并且當(dāng)BHA向地層中 前進(jìn)時，擴(kuò)孔鉆跟隨鉆頭穿過導(dǎo)向孔以擴(kuò)大井眼的直徑。
[0005]在鉆探井眼時，軸向力或壓重通過鉆柱從地表施加到鉆頭和擴(kuò)孔鉆上，從而使得 切削工具向地層中前進(jìn)。這種力通常被稱為"鉆壓"（WOB)和"擴(kuò)孔鉆壓"（WOR)。利用鉆頭 和擴(kuò)孔鉆的有效鉆探可顯著地影響性能和向地層中的鉆速（ROP)。然而，在同時使用WOB和 TOR時，管理它們可能是非常困難的。可能存在若干以下情境：可能妨礙鉆探效率，從而不 僅造成低ROP而且還造成井下工具的過早磨損。例如，井眼可能延伸穿過不同的地層或地 質(zhì)材料層，并且每種地層可能表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)。一些地層可能相對松軟且易于鉆通， 而其它地層相對堅(jiān)硬且難以鉆通。當(dāng)井眼前進(jìn)穿過相對堅(jiān)硬的地層并且進(jìn)入下面的較松軟 地層中時，鉆頭將快速地將材料從較松軟地層移除，同時擴(kuò)孔鉆繼續(xù)在較堅(jiān)硬地層中更緩 慢地絞大井眼。因此，WOB與WOR之間的比率可能變得不合期望且在擴(kuò)孔鉆與鉆頭之間不 均衡地分布。
[0006]擴(kuò)孔鉆與鉆頭之間的不平衡壓重分布可在每個切削工具處導(dǎo)致不平衡切肩生成， 這可能導(dǎo)致鉆頭泥包，因?yàn)槲茨苡行_走的切肩將趨于在切削工具周圍聚結(jié)。在鉆探操作 中，如以上簡單提及的，使用鉆井液來將切肩從切削工具上沖走，鉆井液從地表注射到井眼 中并且最終通過限定在切削工具中的一個或多個噴嘴從每個切削工具噴射出。因?yàn)殂@頭和 擴(kuò)孔鉆中的每一個中的噴嘴尺寸是在下入井眼中之前選定的，所以分流穿過擴(kuò)孔鉆和鉆頭 的液壓流速以及因此施加到它們的液壓能量也是固定的。
[0007] 每個切削工具處消耗的液壓能量主要是基于鉆頭和擴(kuò)孔鉆處的噴嘴上的壓降以 及這些切削工具之間的壓力平衡，這是因?yàn)檫@些工具是沿BHA串聯(lián)布置的。在同時使用擴(kuò) 孔鉆和鉆頭時管理穿過它們的鉆井液的液壓流速可能是相當(dāng)困難的。然而，當(dāng)?shù)玫接行Ч?理時，鉆探效率提高，從而增大向地下地層中的鉆速。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本公開涉及在地下地層中鉆探井眼，并且更具體地，涉及使各個井下切削工具之 間的壓重和液壓能量分布平衡的系統(tǒng)和方法。
[0009] 在一些實(shí)施方案中，公開了一種井底鉆具組件并且所述井底鉆具組件可包括：第 一傳感器接頭，所述第一傳感器接頭被配置來監(jiān)測鉆壓；第二傳感器接頭，所述第二傳感器 接頭與第一傳感器接頭軸向偏離并且被配置來監(jiān)測擴(kuò)孔鉆壓；以及通信模塊，所述通信模 塊可通信地聯(lián)接至第一傳感器接頭和第二傳感器接頭，并且被配置來：接收并處理鉆壓和 擴(kuò)孔鉆壓，并且當(dāng)鉆壓與擴(kuò)孔鉆壓之間的比率超過預(yù)先確定的操作閾值時，調(diào)整對鉆頭和 擴(kuò)孔鉆中的至少一個的液壓能量輸入。
[0010] 在其它實(shí)施方案中，公開了一種鉆探井眼的方法。所述方法可包括：利用被布置成 靠近鉆頭的第一傳感器接頭來監(jiān)測鉆壓，鉆頭被布置在井底鉆具組件的遠(yuǎn)端處；利用被布 置成靠近擴(kuò)孔鉆的第二傳感器接頭來監(jiān)測擴(kuò)孔鉆壓，擴(kuò)孔鉆沿井底鉆具組件與鉆頭軸向偏 離；利用可通信地聯(lián)接至第一傳感器接頭和第二傳感器接頭兩者的通信模塊來接收表示鉆 壓和擴(kuò)孔鉆壓的信號；以及當(dāng)鉆壓與擴(kuò)孔鉆壓之間的比率超過預(yù)先確定的操作閾值時，調(diào) 整對鉆頭和擴(kuò)孔鉆中的至少一個的液壓能量輸入。
[0011] 在又其它實(shí)施方案中，公開了另一種鉆探井眼的方法。所述方法可包括：利用被布 置成靠近鉆頭的第一傳感器接頭來監(jiān)測鉆壓，鉆頭被布置在井底鉆具組件的遠(yuǎn)端處；利用 被布置成靠近擴(kuò)孔鉆的第二傳感器接頭來監(jiān)測擴(kuò)孔鉆壓，擴(kuò)孔鉆沿井底鉆具組件與鉆頭軸 向偏離；利用可通信地聯(lián)接至第一傳感器接頭和第二傳感器接頭兩者的通信模塊來接收表 示鉆壓和擴(kuò)孔鉆壓的信號；當(dāng)鉆壓與擴(kuò)孔鉆壓之間的比率超過預(yù)先確定的操作閾值時，傳 達(dá)一個或多個校正動作信號；以及響應(yīng)于一個或多個校正動作信號來調(diào)整對鉆頭和擴(kuò)孔鉆 中的至少一個的液壓能量輸入。
[0012] 在閱讀以下對優(yōu)選實(shí)施方案的描述之后，本公開的特征對本領(lǐng)域中的技術(shù)人員而 目將是顯而易見的。
【附圖說明】
[0013] 以下附圖用于說明本公開的特定方面，并且不應(yīng)被視作排它性實(shí)施方案。如本領(lǐng) 域中的技術(shù)人員以及受益于本公開的人員將了解，所公開的主題能夠在形式和功能上存在 許多修改、變更、組合和等效形式。
[0014] 圖1是根據(jù)一個或多個實(shí)施方案的下降到代表性井眼中的示例性井底鉆具組件 的正視圖。
[0015] 圖2A、圖2B和圖2C是示出在鉆探井眼時可能遇到的三種不同鉆探情境的示意圖。
[0016] 圖3A和圖3B是根據(jù)一個或多個實(shí)施方案的示例性可調(diào)噴嘴的連續(xù)截面圖。
[0017]圖4A是示出根據(jù)一個或多個實(shí)施方案的在鉆頭處需要增加液壓能量的情境的圖 解。
[0018] 圖4B是示出根據(jù)一個或多個實(shí)施方案的在擴(kuò)孔鉆處需要增加液壓能量的情境的 圖解。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 本公開涉及在地下地層中鉆探井眼，并且更具體地，涉及使各個井下切削工具之 間的壓重和液壓能量分布平衡的系統(tǒng)和方法。
[0020] 鉆探超大位移延伸井并使位移延伸到更大深度既需要改進(jìn)的模型又需要對鉆探 操作進(jìn)行綜合分析。鉆探效率對于超長井而言是重要問題，并且優(yōu)化和監(jiān)測各種切削工具 的工作效率對于井的成功完成是重要的。本文所公開的實(shí)施方案可證明有利于實(shí)時地監(jiān)測 井下鉆探操作，并且響應(yīng)于檢測到的井眼情況而有效地管理提供給每個切削工具的液壓能 量。因此，可明智地管理每個切削工具處的液壓能量和液壓流速，從而提高鉆探鉆速和整體 鉆探效率。
[0021] 圖1是根據(jù)一個或多個實(shí)施方案的示例性井底鉆具組件（BHA) 100在下降到代表 性井眼108中時的正視圖。如圖所示，BHA 100可包括沿從地表（未示出）延伸的鉆柱106 軸向間隔的鉆頭102和擴(kuò)孔鉆104。鉆頭102和擴(kuò)孔鉆104可被配置來將井眼108鉆探到 或以其它方式切削到地下地層110中，以便從其中抽取一種或多種碳?xì)浠衔铩．?dāng)鉆柱106 使BHA 100前進(jìn)到地下地層110中時，鉆頭102可形成具有第一直徑的井眼108,并且擴(kuò)孔 鉆104可跟隨鉆頭102將井眼的尺寸擴(kuò)展到第二直徑，其中第二直徑大于第一直徑。BHA 100可通過例如從地表使鉆柱106旋轉(zhuǎn)來在井眼內(nèi)旋轉(zhuǎn)。然而，在其它實(shí)施方案中，在不脫 離本公開的范圍的情況下，井下馬達(dá)或泥漿泵（未示出）同樣可用于使BHA 100旋轉(zhuǎn)。
[0022] 雖然未明確示出，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易理解，BHA 100還可包括各種其它類 型的鉆探工具或部件，如但不限于轉(zhuǎn)向單元、一個或多個穩(wěn)定器、一個或多個力學(xué)和動力學(xué) 工具、一個或多個鉆鋌、一個或多個震擊器、一個或多個加速器以及一個或多個加重鉆桿節(jié) 段。
[0023] BHA 100還可包括聯(lián)接至鉆柱106或以其它方式形成鉆柱106的一部分的第一傳 感器接頭112a和第二傳感器接頭11