專利名稱：鉆井系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在地層內(nèi)鉆鑿一個井眼的鉆井系統(tǒng)，該鉆井系統(tǒng)包括一個伸入到井眼內(nèi)的鉆柱，在該鉆柱和井壁之間形成一個環(huán)形空間，該環(huán)形空間含有鉆井液。鉆柱通常具有一個用于將鉆井液泵入到環(huán)形空間內(nèi)的縱向流通道。環(huán)形空間內(nèi)的鉆井液的一個作用就是控制井壁的壓力，該井壁壓力通常保持在一個允許的上限壓力和允許的下限壓力之間；所述的上限壓力取決于巖層的破裂壓力，而所述的下限壓力取決于地層流體孔隙壓力。環(huán)形空間內(nèi)的流體壓力由環(huán)形空間內(nèi)的液柱的靜液壓重量以及動態(tài)壓力分量來確定；所述的動態(tài)壓力分量取決于環(huán)形空間內(nèi)的鉆井液從井底返回到地面的流動阻力。該壓力通常需要在鉆井液中添加選定的加重材料來進行控制。
在現(xiàn)有技術中，具體的實踐是在接近井眼壓力下限條件下鉆鑿井眼，其優(yōu)點是可以降低破壞巖層的危險。這種方法稱為平衡鉆井或者嵌平衡鉆井，其中使用比常規(guī)鉆井液輕的鉆井液。在將鉆柱從井眼中取出的起鉆時或者將鉆柱下入到井眼內(nèi)的下鉆時，需要分離各個鉆柱單根，因此無鉆井液通過鉆柱泵入到環(huán)形空間中。在鉆柱的起鉆和下鉆過程中，所產(chǎn)生的問題動態(tài)壓力由于沒有鉆井液從井底流動到地面而消失。結果環(huán)形空間中鉆井液壓力低于允許的下限，可能導致地層中的不需要的流體流入到井眼內(nèi)。
本發(fā)明的一個目的就是緩解現(xiàn)有技術中的問題，提供一種鉆井系統(tǒng)，即使對平衡鉆井或者欠平衡鉆井來說，該鉆井系統(tǒng)也可以安全使用而沒有不需要的流體流入到井眼內(nèi)的危險。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種鉆井系統(tǒng)，用于在地層內(nèi)鉆鑿一個井眼，該鉆井系統(tǒng)包括一個鉆柱，伸入到井眼中，從而在該鉆柱和井壁之間形成一個環(huán)形空間，該環(huán)形空間含有鉆井液段，而該鉆柱包括一個縱向流體通道，在該鉆柱的下端流體通道具有一個出口；泵送裝置，用于選擇性地通過所述的通道和出口將鉆井液泵入到鉆井液段；一個流體排出管線，用于將鉆井液從鉆井液段排出；其中鉆井系統(tǒng)還包括一個用于控制鉆井液段內(nèi)的流體壓力的壓力控制裝置。
通過在泵送裝置無法操作時，例如在鉆柱的起鉆和下鉆操作中，操作流體壓力控制裝置，能夠使得環(huán)形空間中的流體壓力增加到可允許的下限壓力。
合適的壓力控制裝置包括一個泵，該泵具有一個與鉆井液段流體連通的流體出口。所述的泵可以為一個變?nèi)荼美鏜oineau型，或非變?nèi)荼?，例如離心泵，泵或者可以沿著上游方向?qū)⒘黧w射入到流體排出管線內(nèi)的泵。
這種泵最好具有有利于控制泵的泵送速度的泵控制裝置。
本發(fā)明將參照附圖進行詳細描述。
附

圖1示意性表示根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例的鉆井系統(tǒng)；以及附圖2示意性表示根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例的鉆井系統(tǒng)。
附圖中類似的附圖標記表示類似的部件。
附圖1中表示一個伸入到在地層5中形成的井眼3內(nèi)的鉆柱1，該鉆柱具有一個鉆頭7和一個底部鉆具組合(BHA，未示出)。該鉆柱1由多個鉆柱管段構成，每一對相鄰的管段由可解開的接頭互相連接在一起。為清楚目的，只表示了最上的一個接頭9a、9b，這兩個接頭將最上的一個管段連接到鉆柱1的其余部分上(處于斷開狀態(tài))。在下面的敘述中，上端的鉆柱管段稱為上鉆柱段10，而鉆柱1的其余部分稱為下鉆柱段12。下鉆柱段12由一個動力卡瓦16支撐在鉆機(未示出)的機臺14上。上鉆柱段10由一個頂部驅(qū)動裝置18支撐，而該頂部驅(qū)動裝置能夠支撐整個鉆柱1并且配備有一個驅(qū)動系統(tǒng)(未示出)，用于在鉆井時旋轉鉆柱1。一個主泵19與上鉆柱段10形成流體連通，從而當接頭9a、9b處于連接狀態(tài)時穿過鉆柱1泵送鉆井液。
一個流體室20由一個設在機臺14上的支柱22支撐，該支柱22允許流體室20沿著支柱22上下移動，并且另外一個裝置(未示出)用于控制這種移動。上鉆柱段10通過流體室20的一個上開口24伸入到流體室20內(nèi)，因此上鉆柱段10的開口下端定位在流體室20的上部25。下鉆柱段12穿過流體室20的下開口26伸入到流體室20內(nèi)，因此下鉆柱段12的開口上端定位在流體室20的下部27內(nèi)。上部開口24和下部開口26具有足夠大的直徑，從而允許鉆柱接頭(通常具有比鉆柱直徑大的直徑)通過。而且，上開口24和下開口26配置有密封件29a、29b，這些密封件可以控制從而徑向向內(nèi)移動由此密封上鉆柱段10和下鉆柱段12。流體室20的下部27具有一個流體入口28，該流體入口28與一個次泵30流體連通從而當接頭9a、9b處于分開狀態(tài)時將鉆井液泵送穿過下鉆柱段12。
流體室20的上部25和下部27之間由一個閥門32形式的分隔裝置選擇性地密封。一個控制裝置(未示出)用于開關閥門32，從而在其開啟位置上閥門32允許鉆柱1穿過閥門32。而且，在閥門32的開啟位置上，流體室20的上部25和下部27互相流體連通。一對用于連接和斷開接頭9a、9b的動力鉗34、36固定到流體室20的下側。
在下鉆柱段12和井壁39及井眼套管42之間形成一個環(huán)形空間38。該環(huán)形空間38充填有鉆井液段40。環(huán)形空間38的上端由一個旋轉防噴器(BOP)46密封，該旋轉防噴器46允許鉆柱1進行旋轉和垂直移動。在環(huán)形空間38的上端設置有一條鉆井液排出管線48，利用該管線48鉆井液通過一個可控出口閥門50通到鉆井液池(未示出)中。一個第三泵52與閥門50平行設置，該泵52與排出管線48在位于閥門50和旋轉防噴器BOP 46之間的一個分支連接部54形成流體連通。該泵52用于將鉆井液從鉆井液池(未示出)泵送到環(huán)形空間38中。鉆柱1的下部設置有一個用于控制鉆井液段40的鉆井液回流到鉆柱1內(nèi)的裝置，其形式可以為一個單向閥(未示出)，用于防止回流。
在正常操作中，鉆柱1由頂部驅(qū)動裝置18旋轉從而繼續(xù)鉆鑿井眼3，此時接頭9a、9b處于連接狀態(tài)。鉆井液流通過鉆柱1和鉆頭7由主泵19泵送到環(huán)形空間38中，在該環(huán)形空間中，鉆屑進入到該鉆井液中。鉆井液流然后穿過環(huán)形空間向上流動，并借助排出管線48和閥門50排到鉆井液池中。環(huán)形空間38內(nèi)的壓力通過控制泵19的泵速和/或通過控制出口閥門50來進行控制。
當需要從井眼3中取出鉆柱時，單個的鉆柱管段需要被分開，并從鉆柱1上按照先后順序取下。這通過解開并取下最上的管段和將鉆柱1向上移動到可以取下時成為最上端鉆柱管段的一個位置上等等步驟。為了取下最上端鉆柱管段(亦即上鉆柱段10)，需要進行下列步驟。通過停止頂部驅(qū)動裝置18而停止鉆柱1的旋轉，同時利用主泵19的操作而使得鉆井液連續(xù)地循環(huán)穿過鉆柱。流體室20沿著支柱22移動，到達動力鉗34、36與接頭9a、9b等高的位置上，然后動力鉗34、36操作以打開并且部分松開接頭9a、9b之間的連接。接頭9a、9b僅僅由動力卡瓦16松開到這樣的程度即進一步的解開可以由頂部驅(qū)動裝置18來完成。然后沿著支柱22移動流體室20以將接頭9a、9b定位到流體室的下部27內(nèi)，而密封件29a、29b徑向向內(nèi)移動以密封上鉆柱段10和下鉆柱段12。次泵30開始操作從而對流體室20進行加壓。頂部驅(qū)動裝置18然后逆時針方向旋轉以進一步解開接頭9a、9b。一旦接頭9a、9b被斷開，上鉆柱段10向上移動一個較短距離從而將該上接頭9a定位在流體室20的上部25內(nèi)。閥門32關閉以在流體室20的上部25和下部27之間形成密封。同時，隨著閥門32的關閉主泵19停止而次泵30操作用于通過流體入口28將鉆井液泵送到流體室下部27，從這里穿過下鉆柱段12進入到環(huán)形空間38中。然后回縮密封件29a以取下上鉆柱段，而現(xiàn)在成為最上鉆柱段的鉆柱段被連接到頂部驅(qū)動裝置18上。重復上述的步驟以將該最上端的鉆柱段取出。通過持續(xù)地循環(huán)鉆井液通過井眼3能夠防止顆粒(例如鉆屑)在井眼內(nèi)不必要地沉積，并且可以通過控制次泵30的泵送速度和/或控制出口閥門50來控制井眼內(nèi)的流體壓力。
在接頭9a、9b斷開時如果不使用次泵30泵送鉆井液穿過下鉆柱段12，則主泵19可以用作此目的。在這種情況下，主泵19通過一個合適的導管裝置連接到流體入口28。
上述的步驟依賴于流體室20的使用，以在上鉆柱段10被斷開時通過持續(xù)循環(huán)流體穿過鉆柱1來控制井眼內(nèi)的流體壓力。在使用流體室不切實際或者不可能的情況下，另外一個步驟可以用于將上鉆柱段10連接到鉆柱1或者從鉆柱1上取下。在該步驟中(可以沒有流體室的情況下使用)，第三泵52操作以穿過由泵52、分支連接部54和出口閥門50構成的管線泵送鉆井液。通過控制第三泵52和/或控制出口閥門50可以對環(huán)形空間38內(nèi)的流體壓力進行控制。鉆柱1內(nèi)的一個單向閥用于防止鉆井液從環(huán)形空間38回流到鉆柱1內(nèi)。例如，該方法可以在鉆柱穩(wěn)定器阻止鉆柱穿過流體室時使用。
當上鉆柱段斷開時使用流體室20持續(xù)循環(huán)鉆井液穿過鉆柱1的一個優(yōu)點就是在井眼的上部中的流體保持流動，因此防止顆粒在井眼內(nèi)導致不需要的沉積。但是，一旦鉆柱被舉升到一個高度，使得鉆頭7定位到套管42內(nèi)，通過鉆柱1進行泵送的流體從鉆頭7穿過環(huán)形空間38返回到地面，因此保持井眼3內(nèi)的裸眼部分的流體處于靜止狀態(tài)。因此，作為優(yōu)選的方式，一旦鉆頭7位于套管42內(nèi)，通過次泵30泵送流體停止而第三泵52啟動用于控制井眼內(nèi)的流體壓力。該步驟的優(yōu)點是不需要使用流體室20從而可以從鉆柱上取下流體室20。
圖2中的第二個實施例與第一個實施例的不同之處在于，不是使用閥門50、第三泵52、分支連接部54結構，流體排出管線48設置有一個噴嘴60用于沿著與穿過排出管線48的鉆井液的法線方向相反的方向?qū)⒁皇淞魃淙氲搅黧w排出管線48內(nèi)。一個注射泵62設置用于通過噴嘴60將射流射入到流體排出管線48內(nèi)。
第二個實施例的常規(guī)操作類似于第一個實施例的常規(guī)操作，區(qū)別在于注射泵62操作從而沿著與穿過排出管線48的鉆井液的法線方向相反的方向?qū)怏w或者液體以可控速度利用噴嘴60射入到流體排出管線48內(nèi)。結果流體排出管線48內(nèi)的鉆井液流動阻力得到控制，因此環(huán)形空間的流體壓力也得到了控制。
權利要求
1.一種用于在地層內(nèi)鉆鑿一個井眼的鉆井系統(tǒng)，該鉆井系統(tǒng)包括一個鉆柱，伸入到井眼中，從而在該鉆柱和井壁之間形成一個環(huán)形空間，該環(huán)形空間含有鉆井液段，而該鉆柱包括一個縱向流體通道，在該鉆柱的下端流體通道具有一個出口；泵送裝置，用于選擇性地通過所述的通道和出口將鉆井液泵入到鉆井液段；一個流體排出管線，用于將鉆井液從鉆井液段排出；其中鉆井系統(tǒng)還包括一個用于控制鉆井液段內(nèi)的流體壓力的壓力控制裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的鉆井系統(tǒng)，其特征在于，所述的壓力控制裝置包括一個用于控制流體排出管線中的流動阻力的裝置。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的鉆井系統(tǒng)，其特征在于，所述的壓力控制裝置包括一個泵，該泵具有一個與鉆井液段流體連通的流體出口。
4.根據(jù)權利要求3所述的鉆井系統(tǒng)，其中，所述的泵設置有一個用于控制泵的泵送速度的裝置。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的鉆井系統(tǒng)，其特征在于，泵的流體出口通過所述的流體排出管線與鉆井液段形成流體連通。
6.根據(jù)權利要求5所述的鉆井系統(tǒng)，其特征在于，流體排出管線設置有一個噴嘴，該噴嘴與該所述的泵的一個流體出口形成流體連通；所述的噴嘴設置為可以將一束射流沿著與穿過排出管線的流體流動相反的方向射入到流體排出管線內(nèi)。
7.根據(jù)權利要求1-6中任一權利要求所述的鉆井系統(tǒng)，其特征在于，流體排出管線設置有一個可控閥門，該閥門用于控制流過流體排出管線的流動阻力。
8.根據(jù)權利要求7所述的鉆井系統(tǒng)，當引用權利要求3時，其中，流體排出管線設置有一個連接到泵的流體出口的分支連接部，該分支連接部設置在環(huán)形空間和閥門之間。
9.根據(jù)權利要求1-8中任一權利要求所述的鉆井系統(tǒng)，其中壓力控制裝置包括一個單向閥，用于防止液體從鉆井液段回流到鉆柱的流體通道內(nèi)。
10.根據(jù)權利要求1-9中任一權利要求所述的鉆井系統(tǒng)，其中，鉆柱包括一個下鉆柱段和一個上鉆柱段，所述的上鉆柱段和下鉆柱段通過一個可以折卸的接頭裝置連接，并且其中，當所述的接頭被解開時下鉆柱段的開口的上端與一個供應管線流體連通，用于通過下鉆柱段給鉆井液段提供鉆井液。
11.根據(jù)權利要求10所述的鉆井系統(tǒng)，其中，所述的供應管線通到一個流體室，該流體室具有一個下端開口，下鉆柱段以密封方式穿過該開口延伸，并且下鉆柱段的開口的上端設置在流體室內(nèi)。
12.根據(jù)權利要求11的鉆井系統(tǒng)，其中，所述的流體室設置有一個上部開口，上鉆柱段以密封方式穿過該上部開口延伸。
13.根據(jù)權利要求11或者12所述的鉆井系統(tǒng)，其中，流體室包括一個下部和一個上部，兩個部分通過一個可取下的密封裝置實現(xiàn)密封；其中，當接頭被解開時，下鉆柱段的開口的上端位于所述的流體室的下部內(nèi)，而上鉆柱段開口的下端設置在流體室的上部內(nèi)。
14.一種鉆井系統(tǒng)，基本上如附圖所示。
全文摘要
一種用于在地層內(nèi)鉆鑿一個井眼的鉆井系統(tǒng),該鉆井系統(tǒng)包括:一個鉆柱,伸入到井眼中,從而在該鉆柱和井壁之間形成一個環(huán)形空間,該環(huán)形空間含有鉆井液段,而該鉆柱包括一個縱向流體通道,在該鉆柱的下端流體通道具有一個出口;泵送裝置,用于選擇性地通過所述的通道和出口將鉆井液泵入到鉆井液段;一個流體排出管線,用于將鉆井液從鉆井液段排出;其中:鉆井系統(tǒng)還包括一個用于在泵送裝置無法操作泵送鉆井液到鉆井液段時控制鉆井液段內(nèi)的流體壓力的壓力控制裝置。
文檔編號E21B21/10GK1357076SQ00809314
公開日2002年7月3日 申請日期2000年6月19日 優(yōu)先權日1999年6月22日
發(fā)明者布魯諾·貝斯特 申請人:國際殼牌研究有限公司