用于在地層中鉆井眼的裝置和方法
【專利摘要】公開(kāi)了一種利用鉆井液的反循環(huán)在地層內(nèi)鉆孔的裝置和方法。管狀鉆桿延伸進(jìn)入地層。連接至鉆桿的井底鉆具組合包括用于挖掘地層的鉆頭。井下馬達(dá)適于從延伸進(jìn)入地層的電纜接收電力。井下泵由該馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，并構(gòu)造成從圍繞鉆桿的環(huán)狀空間向鉆桿的內(nèi)部反循環(huán)鉆井液。通過(guò)井下泵將鉆井液在鉆桿內(nèi)向上泵送，以通過(guò)鉆桿的內(nèi)部空間將挖掘的鉆屑向上攜帶。
【專利說(shuō)明】用于在地層中鉆井眼的裝置和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本發(fā)明涉及并要求在先提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)S.N.61/556，986的優(yōu)先權(quán)，該臨時(shí)申請(qǐng)于2011年11月8日向美國(guó)專利商標(biāo)局提交。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及一種采用鉆井液的反循環(huán)來(lái)鉆井的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0004]當(dāng)進(jìn)行鉆井以形成深井時(shí)，從地表向下泵送至地層裸井的鉆井液或鉆井泥漿的壓力會(huì)很高。通常最好保持鉆井液/泥漿的重力超過(guò)地層壓力，從而防止氣體從井眼“井涌”或流入。而且，泵入鉆柱的摩擦壓力可能會(huì)相當(dāng)大。因此，需要施加壓力以使鉆井液和鉆屑通過(guò)鉆柱出來(lái)而流入裸井，并且以適當(dāng)?shù)乃俣冉?jīng)過(guò)環(huán)形空間向上流動(dòng)。
[0005]在該方法中施加的壓力太大會(huì)引起其他問(wèn)題。即施加在地表的所述流體壓力同樣也施加至地層中的裸井。施加至地層裸井上的大壓力會(huì)導(dǎo)致地層斷裂，使得隨后鉆井液突然流失至地層中。所述鉆井液至地層中的突然流失會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。在某些情況下，存在非常狹窄的壓力“窗口 ”，從而在鉆井過(guò)程中該壓力可恰當(dāng)?shù)厥┘?，而非施加太大或太小的壓力。即過(guò)量施加的壓力會(huì)導(dǎo)致地層斷裂。另一方面，不足量的壓力則不能正確地向上攜帶鉆屑經(jīng)過(guò)環(huán)形空間至地表。因此，存在一個(gè)壓力“窗口”，在鉆井時(shí)，工程師必須觀察該窗口來(lái)計(jì)劃所施加的壓力。
[0006]有時(shí)，將許多循環(huán)材料或球丸加至鉆井液中，所述材料離開(kāi)鉆頭并且粘附至地層以防止該鉆井液流失至地層中。但是，在開(kāi)采作業(yè)中，所述材料會(huì)破壞地層，從而削弱地層向井眼中生產(chǎn)油氣的能力。所述對(duì)地層的破壞是不期望的，因此通常最好不使用所述材料。
[0007]在泥漿重力“窗口 ”范圍內(nèi)的操作使得工程師能提高鉆井效率，并且能在可能最佳深度處設(shè)定套管。如果套管設(shè)定得太淺，則造井成本會(huì)增加，同時(shí)鉆井深度也受限。有時(shí)，這可能導(dǎo)致開(kāi)采效率變低。在其他情況下，可能不能達(dá)到目標(biāo)地層。所期望的是采用拓寬或打開(kāi)該窗口的技術(shù)。
[0008]傳統(tǒng)鉆井采用旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭來(lái)擠壓巖石，使巖石破裂成鉆屑。然而，脈沖功率鉆井是通過(guò)將電壓施加至巖石的地層內(nèi)來(lái)構(gòu)造井眼的方法，該方法會(huì)導(dǎo)致巖石在拉張而非擠壓時(shí)破裂。在脈沖功率鉆井中采用的高電壓脈沖會(huì)在巖石上引起電弧，從而導(dǎo)致巖石在電壓碎的過(guò)程中破裂。此類鉆井技術(shù)的一個(gè)示例是Moeny等的美國(guó)專利公開(kāi)文本N0.US2009/0050371 Al (見(jiàn)“Moeny”)。在該申請(qǐng)中，鉆井液沿鉆柱向下流動(dòng)，并且通過(guò)電極附近的鉆頭中的通道流出，然后向上流到環(huán)形空間內(nèi)的鉆井裝置外，從而將巖石鉆屑帶至地表(US 2009/0050371 Al，第 0109 段)。
[0009]尤其期望一種能降低地層破壞的風(fēng)險(xiǎn)并且能允許在深井鉆井中使用減小的井底壓力的技術(shù)或裝置。極其期望一種能通過(guò)鉆井液減小流速的流動(dòng)來(lái)使鉆屑被帶至地表的鉆井技術(shù)。[0010]本發(fā)明旨在改進(jìn)的鉆井裝置和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]提供了一種利用鉆井液的反循環(huán)來(lái)在地層中鉆井眼的裝置和方法。該裝置采用工具從延伸至井底鉆具組合的元件的電纜或采用“有線鉆桿”來(lái)傳送井下電力的供應(yīng)，其中該“有線鉆桿”能通過(guò)結(jié)合到鉆桿主體中的電導(dǎo)體來(lái)傳導(dǎo)井下電能。該裝置包括延伸進(jìn)入地層的管狀鉆桿，該鉆桿具有內(nèi)部空間及在鉆桿外部的環(huán)形空間。井底鉆具組合連接至該鉆桿，并包括挖掘地層以形成鉆屑的鉆頭。提供井下馬達(dá)，該井下馬達(dá)適于從延伸進(jìn)入地層的電纜或者所利用來(lái)供應(yīng)電力的有線鉆桿接收電力。井下泵由該馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，并且能夠使鉆井液和鉆屑向上經(jīng)過(guò)鉆桿的內(nèi)部空間而反循環(huán)。
[0012]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該裝置包括用于從鉆井液移除挖掘的鉆屑然后使鉆井液向下經(jīng)過(guò)鉆桿外部的環(huán)狀空間再循環(huán)的機(jī)構(gòu)。鉆頭可包括旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭。在其他應(yīng)用中，該裝置可具有一個(gè)或多個(gè)構(gòu)造成利用施加的脈沖功率來(lái)用脈沖電壓挖掘地層的電極。井下泵可為正排量泵。在一些應(yīng)用中，例如某些脈沖功率鉆頭應(yīng)用，鉆頭可不旋轉(zhuǎn)。
[0013]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，鉆桿的內(nèi)部空間的橫截面面積小于環(huán)狀空間的橫截面面積，從而使鉆井液的流動(dòng)速度最小化，該流動(dòng)速度是將挖掘的鉆屑經(jīng)過(guò)鉆桿的內(nèi)部空間向上攜帶所必需的。
[0014]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可提供井下發(fā)電機(jī)，用于向鉆頭施加脈沖功率。鉆井液可包括低水平導(dǎo)電性的電絕緣成分。在一些應(yīng)用中，鉆井液包括碳基材料。
[0015]披露一種利用鉆井液的反循環(huán)在地層內(nèi)鉆孔的方法。該方法包括將管狀鉆桿延伸進(jìn)入地層，該鉆桿具有內(nèi)部空間及在該鉆桿外部的環(huán)狀空間，并且具有靠近井眼頂部的近端以及帶有附接的井底鉆具組合的遠(yuǎn)端。電纜或有線鉆桿延伸進(jìn)入井下，以向井下裝置提供電力。該井底鉆具組合可包括鉆頭。在鉆孔提供泵及馬達(dá)，該泵由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。該泵與鉆桿的內(nèi)部流體連通。該泵可能使鉆井液從鉆桿的環(huán)狀空間向內(nèi)部空間循環(huán)。可將具有鉆屑的鉆井液經(jīng)過(guò)鉆桿的內(nèi)部空間向上泵送。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，可在井眼頂部附近將挖掘的鉆屑從鉆井液中移除，并且經(jīng)過(guò)環(huán)狀空間向下再循環(huán)鉆井液?？刹捎每刂葡到y(tǒng)來(lái)控制電極的脈沖重復(fù)速度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]提供各圖來(lái)示出本發(fā)明的具體實(shí)施例，但是本發(fā)明不僅限于在附圖中示出的實(shí)施例，而是可擴(kuò)至鉆井領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將理解的其他變型。
[0017]圖1示出了本發(fā)明采用脈沖功率鉆頭的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；
[0018]圖1A示出了圖1的裝置所采用的脈沖功率鉆頭的透視圖；
[0019]圖2示出了本發(fā)明具有采用旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭的鉆井裝置的替代實(shí)施例；以及
[0020]圖2A示出了該旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭更詳細(xì)的視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明可采用利用反循環(huán)鉆孔的脈沖功率鉆孔裝置或旋轉(zhuǎn)牙輪鉆孔裝置。反循環(huán)鉆孔指的是其中鉆井液向下通過(guò)環(huán)形空間至鉆柱或鉆桿外然后朝井眼的上端向上通過(guò)鉆桿而循環(huán)的鉆孔。
[0022]文本中使用的“鉆孔”被定義為通過(guò)地層基質(zhì)挖掘或者破裂及掘進(jìn)。文本中使用的“鉆頭(bit)”或“鉆頭(drill bit)”被定義為用于在如巖石的基質(zhì)上進(jìn)行切割、鉆井、鉆孔或破裂動(dòng)作的工具的工作部或端部。文本中使用的術(shù)語(yǔ)“脈沖功率”在當(dāng)電能被儲(chǔ)存(例如在電容器或電感器中)然后被釋放時(shí)其發(fā)生作用，以產(chǎn)生在峰值功率的電流脈沖。
[0023]參考圖1，披露了用于進(jìn)入地層20的井眼19的鉆孔裝置18。管狀鉆桿22設(shè)有在桿內(nèi)的內(nèi)部空間24，以及在鉆桿22外的環(huán)狀空間26。井底鉆具組合28連接至鉆桿22，并且在鉆井的過(guò)程中被定位在井眼19的下部。鉆頭30構(gòu)造成接觸并且破裂地層20的巖石。圖1示出了脈沖功率鉆頭30，但是如文本中將進(jìn)一步說(shuō)明的，也可以采用其他鉆頭。鉆井液在逆流方向循環(huán)，從而使帶有鉆屑的鉆井液沿方向箭頭40流動(dòng)，然后再沿方向箭頭32流動(dòng)。通過(guò)鉆頭30將鉆屑挖下，然后通過(guò)鉆井液沿箭頭32將鉆屑向上傳送至井眼19。設(shè)置電纜36以向井下馬達(dá)34提供穩(wěn)定的電源，該馬達(dá)34驅(qū)動(dòng)井下泵38來(lái)使鉆井液移動(dòng)。
[0024]圖1A示出了鉆頭30的透視圖，在圖1A的實(shí)施例中鉆頭為脈沖功率鉆頭30。對(duì)于鉆探較大的孔而言，尤其是如果主要考慮的因素是對(duì)孔的方向的控制時(shí)，可采用錐形鉆頭。此類鉆頭30可包括一組或多組用于產(chǎn)生電壓碎弧的電極，并且還可選擇性地包括機(jī)械齒來(lái)輔助該電壓碎過(guò)程。如圖2A所述，該錐形電壓碎鉆頭的一個(gè)實(shí)施例具有一組同軸地布置在鉆頭上的電極。在該實(shí)施例中，錐形鉆頭30包括中央電極48、周圍電極44、殼體42、以及用于鉆削巖石的機(jī)械齒46。電極之一或者兩個(gè)可以是可擠壓的。周圍電極可具有機(jī)械切割齒50，該機(jī)械切割齒50插入地面來(lái)消除電壓碎過(guò)程所產(chǎn)生的粗糙巖石組織。在本發(fā)明的該具體實(shí)施例中，孔的內(nèi)部由鉆頭30的電壓碎部(例如電極48及44)來(lái)鉆削，孔的外部由機(jī)械齒46來(lái)鉆削。由于在鉆頭周界附近速度高，機(jī)械齒的鉆井效率高，因此導(dǎo)致高的鉆井速度，但是在鉆頭中央速度低，因而鉆井效率低。中央電極48相對(duì)于基環(huán)電極44的幾何布置為錐形。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明的實(shí)踐中可采用多種類型的脈沖功率鉆頭構(gòu)型，且本發(fā)明不限于僅在圖1A中示出的構(gòu)型。Moeny等的美國(guó)專利公開(kāi)N0.US 2009/0050371 Al (見(jiàn)“Moeny”)描述了在脈沖功率鉆井的應(yīng)用中可采用的多種不同的實(shí)施例及技術(shù)說(shuō)明，在此以參考的方式并入。此外，也可采用其他的脈沖功率鉆井裝置和技術(shù)。如文本中結(jié)合圖2及2A將進(jìn)一步說(shuō)明的，本發(fā)明的其他實(shí)施例可采用不利用脈沖功率的旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭。
[0025]圖2示出了本發(fā)明的鉆井裝置60的替代實(shí)施例，其采用旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭來(lái)破裂巖石，以通過(guò)擠壓在地層77內(nèi)的巖石來(lái)形成鉆孔。在本實(shí)施例中，管狀鉆桿52包括內(nèi)部空間72以及在鉆桿52外部的環(huán)狀空間70。電力纜線54延伸進(jìn)入井眼53內(nèi)，并且向井下馬達(dá)56提供電力，該井下馬達(dá)56驅(qū)動(dòng)輸送鉆井液的井下泵58。井底鉆具組合62定位在鉆桿52的端部，并包括鉆頭64。在圖2的實(shí)施例中，鉆頭64為旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭。采用反循環(huán)方法來(lái)使鉆井液沿方向箭頭66循環(huán)，然后循環(huán)進(jìn)入鉆桿52的內(nèi)部空間72。鉆井液獲取由鉆頭64產(chǎn)生的巖石鉆屑，然后沿著方向箭頭68和箭頭74在反循環(huán)流動(dòng)方向上將鉆屑在鉆桿52內(nèi)向上傳輸。
[0026]圖2A示出了旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭64，在本具體實(shí)施例中其為三牙輪式鉆頭64。該鉆頭64具有與地層77的巖石接觸的齒76。
[0027]如上所述，在本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例中，如圖1和IA所示，鉆頭設(shè)置在安置一組或多組電極的地方。在該具體實(shí)施例中，電極安置成使得在它們之間形成間隙，并且將電極安置在鉆頭上使得其沿鉆頭的表面定向。在它們之間電流經(jīng)由礦物質(zhì)(如巖石)傳輸?shù)碾姌O不在巖石的對(duì)面。同樣，在本實(shí)施例中，不需要將所有的電極與被施加電流的礦物質(zhì)接觸。
[0028]圖1-1A所示的實(shí)施例的電極安置在鉆頭上，并且布置成使得在巖石內(nèi)產(chǎn)生電壓碎弧。高電壓脈沖重復(fù)地施加至鉆頭，以產(chǎn)生重復(fù)的電壓碎挖掘結(jié)果。例如,可采用帶一個(gè)或多個(gè)電極組的平頭柱形鉆頭來(lái)完成電壓碎鉆井。作為一個(gè)示例，該電極能以同軸構(gòu)型布置。
[0029]電壓碎鉆井方法不需要旋轉(zhuǎn)鉆頭，但是在一些情況下，需要鉆頭旋轉(zhuǎn)。在不需要機(jī)械齒的情況下，電壓碎鉆井方法能在鉆頭的邊緣之外挖掘孔。此外，通過(guò)在鉆頭的前部布置許多電極組并改變不同電極組的脈沖重復(fù)速度或脈沖能量。
[0030]在本說(shuō)明書(shū)中未具體示出或說(shuō)明的但是在本發(fā)明的整體精神和范圍內(nèi)的其他布置中可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.一種利用鉆井液的反循環(huán)在地層中鉆井眼的裝置，該裝置包括: (a)管狀鉆桿，其延伸進(jìn)入地層，并具有內(nèi)部空間以及在該鉆桿外部的環(huán)狀空間； (b)井底鉆具組合，其連接至鉆桿，并包括挖掘地層以形成鉆屑的鉆頭； (C)井下馬達(dá)，其適于從延伸進(jìn)入地層的電纜接收電力；以及 (d)井下泵，其由該井下馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，并被構(gòu)造成用于通過(guò)鉆桿的內(nèi)部空間向上反循環(huán)鉆井液以及鉆屑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其還包括用于從鉆井液中移除挖掘的鉆屑并且使鉆井液通過(guò)鉆桿外部的環(huán)狀空間向下再循環(huán)的機(jī)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中鉆頭包括旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中鉆頭包括一個(gè)或多個(gè)構(gòu)造成施加脈沖電壓以利用脈沖功率挖掘地層的電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中井下泵為正排量泵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中鉆頭不旋轉(zhuǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置， 其中鉆桿的內(nèi)部空間的橫截面面積小于環(huán)狀空間的橫截面面積，從而使鉆井液的流動(dòng)速度最小化，該流動(dòng)速度是通過(guò)鉆桿的內(nèi)部空間向上攜帶挖掘的鉆屑所需要的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其還包括用于向鉆頭施加脈沖功率的井下發(fā)電機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中鉆井液包括低水平導(dǎo)電性的電絕緣成分。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中鉆井液包括碳基材料。
11.一種利用鉆井液的反循環(huán)在地層中鉆孔的方法，該方法包括如下步驟: (a)將管狀鉆桿延伸進(jìn)入地層，該鉆桿具有內(nèi)部空間及在該鉆桿外部的環(huán)狀空間，并且具有靠近井眼頂部的近端以及帶有附接的井底鉆具組合的遠(yuǎn)端，該井底鉆具組合包括鉆頭; (b)利用鉆頭挖掘地層以形成鉆屑； (C)在井下提供泵及馬達(dá)，該泵由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)并且與鉆桿的內(nèi)部流體連通； (d)使鉆井液從鉆桿的環(huán)狀空間向內(nèi)部空間循環(huán)；以及 (e)通過(guò)鉆桿的內(nèi)部空間向上泵送具有鉆屑的鉆井液。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其還包括步驟: (f)在井眼頂部附近從鉆井液中移除挖掘的鉆屑；以及 (g)通過(guò)環(huán)狀空間向下再循環(huán)鉆井液。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中鉆頭包括一個(gè)或多個(gè)電極，并且其中挖掘步驟(b)包括將脈沖電壓施加至一個(gè)或多個(gè)電極上來(lái)挖掘地層。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中泵為正排量泵。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中鉆頭為旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭，該方法包括旋轉(zhuǎn)該旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭來(lái)挖掘地層的附加步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中鉆桿的內(nèi)部空間的橫截面面積小于環(huán)狀空間的橫截面面積，從而使鉆井液的流動(dòng)速度最小化，該流動(dòng)速度是通過(guò)鉆桿的內(nèi)部空間向上攜帶挖掘的鉆屑所需要的。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其還包括用于向鉆頭施加脈沖電壓的井下發(fā)電機(jī)。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中鉆井液包括低水平導(dǎo)電性的電絕緣成分。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中鉆井液包括碳基材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中采用控制系統(tǒng)來(lái)控制電極的脈沖重復(fù)速度。
【文檔編號(hào)】E21B21/12GK103917736SQ201280054790
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月8日
【發(fā)明者】G·T·阿米斯特德, H·A·伯杰龍 申請(qǐng)人:雪佛龍美國(guó)公司