专利名称：用下井马达的可控制方向的钻孔的制作方法
技术领域：
本发明涉及在地层结构中钻孔的方法及装置。更具体地，本发明涉及用钻孔组件允许控制钻头的方向到要求的地下的目标区的钻孔方法及装置。需要这种控制钻头方向的典型应用是例如海上钻井，其中要从海上平台到地层结构中含烃类区域的多个位置钻出多个偏开的井孔。另外需要应用可控制方向的钻头的应用包括钻出水平的或高度倾斜的井孔钻到这种含烃类区。
EP-571045-A1公开了一种在地层结构中钻孔的方法，使用一个钻孔组件，包括延伸进孔中的钻具组，包括一外壳及转动钻头的驱动轴的下井马达，该驱动轴有相对钻具组下部的纵轴线有倾斜方向，马达外壳以允许钻孔组件绕所述的纵轴线转动的方式与钻具组下部连接，钻具组件还包括控制马达外壳绕所述的纵轴线相对钻具组的转动的控制装置。在该已知方法中，使用具有可调弯头的外壳的下井马达，因而在钻直线段时，弯头调到弯曲角为零，而在钻曲线段时，弯头调节成弯角与要求的孔的弧度相当。在钻曲线段前，马达外壳相对钻具组绕选定数量的增量的角度台阶转动以便把马达外壳定向在要求的地平经度方向。
本发明的目的是提供一种在地层结构中钻孔的方法，其马达外壳不需设可调节弯头，而用下井马达钻出曲线段及直线段。
本发明的另一个目的是提供一种在地层结构中钻孔的钻孔组件，其马达外壳不需设可调节弯头，而用下井马达钻出曲线段和直线段。
因此按照本发明的方法包括通过致动所述的控制装置使马达外壳连续绕所述的纵轴线并相对于钻具组转动同时操作下井马达使钻头转动，钻出所述的孔的直线段的步骤。连续转动马达的外壳保证马达的倾斜的驱动轴的方向连续改变因而钻头在地层中进行无优先的方向。结果，在外壳连续转动时，钻头钻出孔的直线段。
按照本发明的钻孔组件包括一种在地层结构中钻孔的钻孔组件，包括延伸进孔中的钻具组，一个下孔马达，其包括一个外壳和一个用来转动钻头的驱动轴，该驱动轴的方向相对钻具组下半部的纵轴线倾斜，马达外壳与钻具组下半部连接成使得马达外壳可绕所述的纵轴线转动，钻孔组件还包括控制马达外壳绕所述的纵轴线和相对钻具组转动的控制装置，及钻出孔的直线段的装置，其是通过致动控制装使马达外壳连续绕所述的纵轴线和相对钻具组转动同时操作下井马达使钻头转动而钻出孔的直线段。
下面参照附图更详细地说明本发明，附图中
图1示意地示出了本发明方法用的钻井组件的下部的正视图。
图1示出的钻井组件伸进地层3中形成的孔1中。在图1中只示出该组件的下部，该组件包括成管5形状的钻孔的钻具组，其直径较小，例如为约50mm，在降到孔1中以前管5以圈卷形式储存在位于地表面的卷轴上。当钻孔进展时，管5从卷轴上退卷下来，逐渐降到孔1中。管5也称为卷管，而用这种管钻孔也称为“卷管钻孔”。带有外壳7的下井钻孔马达6位于钻具组件的下端，马达6驱动带有钻头9的驱动轴8，在钻井时，钻头9切入孔底11的岩石中。下井马达6是Moineau型的液压马达，其在可操纵的钻井中是熟知的。驱动轴8和钻头9安排成相对外壳7倾斜，因而卷管5的下端部的纵轴线13与驱动轴8的纵轴线17成一角度15。纵轴线13和17有一交点19位于低于马达的外壳7的地方。下井马达6设有多个稳定片21以使钻井组件的下部稳定及对中在孔1中。
下井马达6通过有外壳26及输出轴27的电动机23与卷管5相连，外壳25的上端与卷管5的下端固定连接，而输出轴27的下端与下井马达的外壳7的上端固定地连接。电动机23的输出轴27可相对电动机23的外壳25绕轴27的纵轴线转动。一孔(未示出)延伸通过电动机23内部，该孔提供了在卷管和下井马达6的流体进口之间的液流通道。因此，当通过卷管5泵入钻井流体以驱动下井马达6时，钻井流体通过电动机23的孔流到下井马达16的进口。电能通过延伸穿过保护钢套29内部的电源线供给电动机23，该钢套29沿着卷管5刚性地连到地面。在地面电源线与被合适的控制系统控制的电源(未示出)相连。电动机23还设有一方向指示器(未示出)以提供相对于卷管5，输出轴27的角度方向的指示，以及下井马达6的方向。该方向指示器通过延伸穿过钢套29的合适的信号线把代表输出轴27方向的信号提供给地面的操作者。
在钻井组件正常操作中，如下钻出基本是直线的孔部。钻井流体通过卷管5泵入，通过电动机23的孔到下井马达6的流体进口。因而操作下井马达6驱动驱动轴8及钻头9。在操作下井马达6的同时，在地面的控制系统使电源把电能供给电动机23，电动机23的输出轴27的受控的速度连续转动，因而下井马达6的外壳也以同样受控的速度转动。因此钻头9在孔1中绕两个轴线13，17转动。因为钻头9绕轴线13的转动，钻头9在孔1中的方向连续改变，因此没有优先的方向使钻头9扩深孔1。因此，钻头9钻出基本沿轴线13指向的直线段。应该注意如果地层结构3是各向异性的或非均质的，以这种方式钻出的孔部会发生与直线方向的偏移。但是例如用已知的遥测方法以规则的间隔测量孔1的方法，并且如果需要钻出一段短的曲线段(如下所述)就可纠正这种方向偏移。
当在钻出一个直线孔段后钻出一个曲线孔段，钻井如下进行。首先在地面的控制系统供给电能操作电动机23使输出轴27绕着与孔1中下井马达6的外壳7的选定方向相当的选定的角度转动，马达外壳7的该方向确定钻曲线孔段进行的方向。为了达到外壳7要求的方向，使方向指示器给地面操作者提供输出轴27的方向指示。在要求的方向达到后，电动机23停止工作，并通过卷管5和电动机孔23把钻井流体泵入下井马达的流体进口使下井马达6工作以便转动驱动轴8和钻头9。因此在下井马达6的外壳7不动而钻头9转动的情形下钻孔。由于钻头9相对钻头组件下部的纵轴线13倾斜，因此孔1沿钻头9的倾斜方向扩深因而钻出一个弯曲的孔段。
当发现孔1的方向是沿着要求的进程的方向，钻井应沿直线方向继续进行，电动机23再工作同时连续转动马达外壳7并操作下井马达6以便使钻头9转动。为了达到在地层结构3中的目标区，钻井操作者可重复上述程序交替钻出直线孔段及曲线孔段。
在钻井中，由于作用在卷管5上的反作用扭矩，卷管扭曲，扭曲的程度取决于各种因素，如卷管的直径及壁厚，压在钻头上的重量，驱动下井马达的流体压力，或卷管和孔壁间的摩擦力的值。代替上述的通过操作电动机来确定下井马达的方向，可通过改变卷管的扭角或通过电动机工作与改变扭角的结合来确定下井马达的方向，改变扭角可通过例如调节压在钻头上的重量或调节驱动下井马达的钻井流体的压力来实现。
代替用电动机转动驱动钻井钻头的下井马达的外壳，可用以控制方式操作液压马达或任何其它的合适的马达。
最好所述的控制装置不包括控制马达外壳绕所述的纵轴线相对于钻具组的转动的装置，该转动是由于孔中转动钻头的反作用扭矩作用施加反作用扭矩力形成的。
综上所述，上述方法及系统使用了一卷管，一下井马达和控制下井马达外壳转动的第二马达，这种方法和系统不需要在地面转动的钻具组，而可钻出一个直线孔段及一曲线孔段。
权利要求
1.一种在地层结构中钻出孔的方法，使用一个钻孔组件，包括延伸进孔中的钻具组，包括一外壳及转动钻头的驱动轴的下井马达，该驱动轴有相对钻具组下部的纵轴线有倾斜方向，马达外壳以允许钻孔组件绕所述的纵轴线转动的方式与钻具组下部连接，钻具组件还包括控制马达外壳绕所述的纵轴线相对钻具组的转动的控制装置，所述的方法包括通过致动所述的控制装置使马达外壳连续绕所述的纵轴线并相对于钻具组转动同时操作下井马达使钻头转动，钻出所述的孔的直线段。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的钻直线段的孔的步骤与另一个钻所述孔的曲线段交替进行，所述的钻孔的曲线段通过致动控制装置防止马达外壳绕所述的纵轴线及相对钻具的转动，而操作下井马达使钻头转动。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于在钻所述的曲线段步骤之前，致动所述的控制装置使马达外壳绕与钻头相对于孔的预定的方向的一个角度转动。
4.按照权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于所述的控制装置不包括控制所述的马达绕所述的纵轴线和相对于钻具组的转动的装置，该转动是由在孔中转动钻头的反作用扭矩作用施加到马达外壳上的反作用力矩的力引起的。
5.按照权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于所述的控制装置包括一个液压马达与一个电动机的组中的一个。
6.按照权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于所述的钻具组形成一绕在卷轴上的卷管，当钻孔进行时，卷管上卷盘上退卷下来而降到孔中。
7.一种在地层结构中钻孔的钻孔组件，包括延伸进孔中的钻具组，一个下孔马达，其包括一个外壳和一个用来转动钻头的驱动轴，该驱动轴的方向相对钻具组下半部的纵轴线倾斜，马达外壳与钻具组下半部连接成使得马达外壳可绕所述的纵轴线转动，钻孔组件还包括控制马达外壳绕所述的纵轴线和相对钻具组转动的控制装置，及钻出孔的直线段的装置，其是通过致动控制装置使马达外壳连续绕所述的纵轴线和相对钻具组转动同时操作下井马达使钻头转动而钻出孔的直线段。
8.按照权利要求7的钻孔组件，其特征在于还包括用通过致动所述的控制装置防止马达外壳绕所述的纵轴线相对于钻具组转动同时操作下井马达使钻头转动而钻出孔的曲线段的步骤与钻出孔的直线段的步骤交替的装置。
9.按照权利要求8的钻孔组件，其特征在于还包括在钻出曲线段前，致动所述的控制装置使马达外壳绕与钻头相对于孔的一个选定的方向相当的一角度转动的装置。
10.按照权利要求7-9中任一项的钻孔组件，其特征在于所述的控制装置不包括控制马达外壳绕所述的纵轴线相对于钻具组的转动的装置，该转动是由于在孔中转动钻孔的反作用力矩作用施加到马达外壳上的反作用力矩力引起的。
11.按照权利要求7-10中任一项的钻孔组件，其特征在于所述的控制装置包括液压马达和电动机一组中的一个。
12.按照权利要求7-11中任一项的钻孔组件，其特征在于所述的钻具组形成绕在卷轴的卷管，组件还包括在钻孔进行时，把卷管从卷轴上退卷下来和降到孔中的装置。
13.参照附图如上述的方法。
14.参照附图如上述的钻孔组件。
全文摘要
一种在地层结构中钻出孔的方法,使用一个钻孔组件,包括延伸进孔中的钻具组(5),包括一外壳(7)及转动钻头(9)的驱动轴(8)的下井马达,该驱动轴有相对钻具组下部的纵轴线有倾斜方向。马达外壳以允许钻孔组件绕所述的纵轴线转动的方式与钻具组下部连接。钻具组件还包括控制马达外壳绕所述的纵轴线相对钻具组的转动的电动机(23)。所述的方法包括:通过致动所述的控制装置使马达外壳连续绕所述的纵轴线并相对于钻具组转动同时操作下井马达使钻头转动,钻出所述的孔的直线段。
文档编号E21B7/06GK1171142SQ95197026
公开日1998年1月21日 申请日期1995年12月20日 优先权日1994年12月21日
发明者奥尔本·M·富尔 申请人:国际壳牌研究有限公司