CN114761660B 定向钻孔方法和系统 （康能普视钻探解决方案控股公司）

2022.06.06PCT/EP2020/078467202WO2021/069694EN2021.04.15本发明涉及与磨料颗粒混合的钻井液的流钻头(10)旋转而通过所述钻头的磨料喷嘴的磨大部分的高浓度流部分(90h)，所述高浓度流部频率与钻头的旋转速度同步会导致在井眼(4a)2-一个或更多个磨料射流喷嘴（17a其配置为用于将与磨料在第一时间段内偏转到第一通道中的第一大部分（92m1）和在第3第二时间段内进入第一通道的磨料颗粒（92）和第在第一时间段内偏转到第一通道中和在第二时间段内偏转到第二通道中的第一大部未被偏转的少量磨料颗粒（92）与分别在第二时间段和第一时间段内进入第一通道3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，第一流部分（90h）和第二流部分间段和第二时间段定时为使得4面的表面粗糙度以及其中沿着所述各自的长度的变化8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法进一步包括将通过磨料射流喷嘴其中，重复所述激活和消除以随时间产生一系列压力脉冲时确定为使得所述一系列压力脉冲代表用于泥浆脉冲遥测单5-一个或更多个磨料射流喷嘴（17a其配置为用于将与磨料一个或更多个磨料射流喷嘴（17a）的每一个具有用于与所述中间空间流体连通的喷嘴入段内进入第一入口和在第二时间段之后的第一时间段内进入第二入口的任何钻井液（96分别在第二时间段内进入第一入口和在第二时间段之后的第一时间段内进入第二入口的13.根据权利要求12所述的定向钻孔系统（1其中，所述控制单元配置为使得716.根据权利要求11-13中的任一项所述的定向钻孔系统（1其中，在所述第一通道截面、其各自的内壁表面的表面粗糙度之间的差异，和/或其各自的截面和/或其内壁表面的表面粗糙度沿着所述其各自的长度的变化来确定的。壁表面的表面粗糙度以及其中沿着所述各自的长度的变化21.根据权利要求11-13中的任一项所述的定向钻孔系统（1其包括一个或更多个传822.根据权利要求21所述的定向钻孔系统（1其中，磨料颗粒（92）是磁性磨料其中，所述遥测控制单元配置为控制可切换磁体的激活和9-在第一时间段内，将通过所述位置的流（90）的所有磨料颗粒（92）的第一大部分-在第一时间段之后的第二时间段内，将通过所述位置的流（90）中的所有磨料颗粒具有此类弯曲轨迹的井眼的能力允许在实践中例如以非竖直方向(例如，以倾斜或者甚至据，例如井身的倾角和方位角。在临界角度和方向变化期间，边钻孔边测量的工具力——例如，除了前端刀具外，在常规聚晶金刚石复合片(polycrystallinediamond旋转钻孔设备在钻头每次旋转期间在井眼底部的选定角扇区上移除井眼底部处的预定的头施加的轻微侧向力迫使钻头朝向预期方向。当在一定的井眼长度上连续应用这种技术[0009]为了实现对钻井液流量的这种控制，US4637479建议在钻头旋转时顺序地打开和底部的预定角扇区外的喷嘴始终能够进行流体连通，同时在所述角扇区内堵塞流体连通。[0010]对于牙轮钻头，US4211292建议将喷嘴之一延伸至通常由带有流体喷射喷嘴的传统清洗喷嘴所占据的位置。这种延伸的射流喷嘴将加压流体喷射到被钻的井眼的轨距角增加井眼的选定角扇区外的井眼底部的切削并且使井在井眼底部沿中心穿过井眼的切向定向的轴线的角度位置——在井眼的选定角扇区外时，流体流量较高，而对于钻头旋转的剩余部分流量——使钻头的路径朝向选定角扇区偏离，[0012]用于直线钻孔和定向钻孔的特定系统使用与钻井液混合的磨料颗粒来去除井眼[0013]可以使用这些系统通过调节磨料射流的侵蚀力(例如，通过调节钻头旋转时磨料颗粒的速度和/或其质量流率)与钻头的旋转速度同步来实现用于所述颗粒的磁场来改善对磨料颗粒的流量的钻柱从地面供应的钻井液和磨料颗粒的新鲜混合从而通过沿着冲击区域选择性地改变侵蚀力而用于实现其定向钻孔和定向控[0021]现有技术公开了几种用于沿着冲击区域操纵磁性磨料颗粒的侵蚀力以进行定向[0022]WO2005/005767中公开的系统利用其用于磁性磨料颗粒的再循环系统的磁场来调料颗粒的数量。因此，侵蚀力沿着井眼底部的角扇区变化。在这方面还参考了WO2005/磁性磨料颗粒的定向钻孔系统中，通常将更优选地使用WO2008/119821中公开的带有静态[0024]为了解决这个问题，US2012/0255792和US20130292181建议独立于再循环系统来面捕获和释放颗粒的方式对供应浓度的所述调节以等于所述旋转频率或所述旋转频率的嘴修改(例如US4211292、GB2284837)或实施旋转式密封件和/或轴承(例如US4637479、US2012/025792、US20130292181)，和/或井下部件的不期望的高能量需求(例如WO2005/分也使用这种钻头。此外，修改传统钻头中的喷嘴将降低整体钻孔性能，堵塞喷嘴(例如[0033]本发明的第二目的是在用于定向钻孔的钻井液流体中提供磨料颗粒(例如，磁性[0034]本发明的第三目的是提供用于在定向钻孔的钻井液流体中建立磨料颗粒(例如，磁性磨料颗粒)的受控流动的系统和方法，所述系统和方法比目前已知的系统和方法更稳[0035]本发明的第四目的是提供用于在定向钻孔的钻井液流体中建立磁性磨料颗粒的[0040]-一个或更多个磨料射流喷嘴，其配置为用于将与磨料颗粒混合的钻井液的流引[0042]一个或更多个磨料射流喷嘴的每一个具有用于与所述中间空间流体连通的喷嘴[0043]-在所述钻头流体入口的上游，使与磨料颗粒混合的钻井液的流以基本恒定的供[0047]-在所述钻头流体入口的上游，随后使所述流从供应通道出口平行地通过第一通[0048]-在第一时间段内，使流经供应通道出口的流中的所有磨料颗粒的大部分偏转到二通道中对与磨料颗粒混合的所述钻井液的流动阻力之间的差导致与磨料颗粒混合的所述钻井液流过所述第一通道时的第一速度和与磨料颗粒混合的所述钻井液流过所述第二[0052]其中，所述第一速度和第二速度之间的所述差使得在第一出口和第二出口的下[0053]在第一时间段内偏转到第一通道中的大部分和在第二时间段内进入第二通道的[0054]第二时间段内进入第一通道的磨料颗粒和第二时间段后的第一时间段内进入第二通道的磨料颗粒与分别在第二时间段内和第二时间段后的第一时间段内进入第一通道[0056]第一时间段和第二时间段以及第一子通道和第二子通道的长度配置为使得当子由第一子流和第二子流的组合产生的单个流还包括与具有高颗粒浓度的流部分交替的具[0060]-在第一时间段内，使通过供应通道出口的流中的所有磨料颗粒的第一大部分偏[0061]-在第一时间段之后的第二时间段内，使通过所述供应通道出口的流中的所有磨时间段内偏转到第一通道中和在第二时间段内偏转到第二通道中的第一大部分和第二大第一通道和第二通道的钻井液一起形成第二两个通道的随后通过的剩余少量颗粒在通道出口的下游组合成低浓度流部分内的低浓度料颗粒的起始位置在由于后面的磨料颗粒的较大速度而得到补偿的第一通道和第二通道[0066]通过采用这一工作原理，本发明提供了采用其他工作原理的已知系统的替代方[0069]由于本发明提供了钻头上游——并且因此喷嘴的上游——产生的高浓度磨料颗运动——尤其是旋转——部件和促进这一运动的部件。这可以降低井下系统的整体脆弱[0073]以钻井液内交替的高浓度部分和低浓度部分形式出现的磨料颗粒浓度的变化可[0080]-一个或更多个磨料射流喷嘴，其配置为用于将与磨料颗粒混合的钻井液的流喷[0081]-钻头流体入口和所述一个或更多个磨料射流喷嘴之间的中间空间，所述一个或[0082]所述接头的井下端部连接至或可以连接至钻头，例如以[0085]根据本发明，所述接头进一步包括在其下游流体连接至接头钻头入口的调节单元，所述调节单元配置为使磨料颗粒的浓度沿着从供应通道接收的流的流部分发生变化，所述流部分随后通过接头钻头流体出口进入钻[0087]-具有对与磨料颗粒混合的钻井液的第一流动阻力的第一通道、第一入口以及流[0088]-具有对与磨料颗粒混合的钻井液的第二流动阻力的平行于第一通道布置的第二[0089]-接头钻头流体入口与第一入口和第二入口之间的颗粒偏转装置，所述颗粒偏转[0091]-在第一时间段内，将通过接头钻头流体入口从供应通道接收的所有磨料颗粒的[0092]-在第一时间段之后的第二时间段内，使通过接头钻头流体入口从供应通道接收[0093]第一通道和第二通道构造为使得第一流动阻力和第二流动阻力之间的差导致通过所述第一通道的与磨料颗粒混合的所述钻井液与通过所述第二通道的与磨料颗粒混合且在第二时间段内进入第一通道的磨料颗粒和在第二时间段之后的第一时间段内进入第段内进入第二通道的任何钻井液一起组合成所述流部分的随大部分磨料颗粒交替地通过第一通道和第二通道，产生磨料颗粒浓度交替高和低的流部[0097]-在第一时间段内，使通过供应通道出口的流中的所有磨料颗粒的第一大部分偏[0098]-在第一时间段之后的第二时间段内，使流经所述供应通道出口的流中的所有磨间段和第二时间段内进入第一通道和第二通道的任何所述钻井液一起组合成所述流部分一时间段内进入第二通道的任何钻井液一起组合成所述流部分的随磨料射流喷嘴的时间调整为钻头的旋转速度，并且因此调整为磨料射流喷嘴的旋转速度。所述控制单元配置为使得颗粒偏转装置接收到的所述控制单元的信号导致颗粒偏转装置的致动器将颗粒的所述第一大部分和第二大部分偏转到第一通道和第二通道中的时间段与钻头的旋转速度同步，以使所述流部分的随后的一个通过一个或更多个磨料射流喷嘴，同时磨料射流喷嘴与分别在第一时间段和第二时间段内进入第一通道和第二通道的任何期通过4％的造孔差异来实现所需的定向作用，即井眼一侧的岩石去除率比孔的另一侧快[0107]可以进一步通过调整大部分磨料颗粒的偏转的上游的流中磨料颗粒的浓度来调磨料浓度降低4倍或者例如通过将磨料浓度波动幅度降低4倍来将转向作用减小例如4倍。制单元可以自动响应从供应通道供应的流的磨料浓度中[0108]分别在第一时间段和第二时间段内偏转到第一通道和第二通道中的通过供应通道出口的磨料颗粒的部分确定第一流部分和第二流部分之间的磨料颗粒的浓度差。由此，[0109]如果第一大部分颗粒和第二大部分颗粒分别在第一时间段和第二时间段内偏转段内从供应通道接收的流中的至少50％并且最多100％的磨料颗粒，以便在第一出口和第流部分)中的磨料颗粒浓度高于任何磨料的偏转的上游的磨料颗粒浓度的100并且最多部分之间的磨料颗粒的浓度差优选远远小于偏转的上游的磨料颗粒浓度的200以便实高浓度流部分中的浓度应小于偏转前的流中的浓度的200而第二低浓度流部分中的浓且操作员可能希望第一流部分和第二流部分之间的浓度变化在1述值优选尽可能接近200所述值在从供应通道接收的磨料的偏转的转变为尽可能接近一流部分和第二流部分的浓度分别为从供应通道接收的流的160％和40并且浓度差为分别在第一时间段和第二时间段内交替地朝着第一通道和第二通道运动，例如滑动或枢[0118]在采用机械偏转装置的实施方案中，第一和/或第二入口可以相对于供应通道出面部分的径向相对运动导致所述集中装置出口的第一部分和第二部分的轮廓内的相应入通过使至少第一入口相对于集中装置出口的第一部分和第二部分径向运动来实现相对径在第一时间段和第二时间段内——接收高浓度的供器)可以相对于第一通道和第二通道移动，用于将高浓度颗粒和低浓度颗粒交替地导入第[0129]在集中装置出口的第一部分被集中装置出口的第二部分径向同心地包围的实施二入口的至少较小部分位于第二部分的轮廓内并且至少较大部分位于第一部分的轮廓在缆索接合第一通道的径向位置正好相反的位置处或者在相同的径向位置处作用于第一[0134]本发明进一步涉及根据上述任一实施方案的定向钻孔系统中使用的机械致动器将第一入口和第二入口正上游的流的截面上的磁场朝向第一通道和朝向第二通道交替地[0139]在随后的流部分之间产生浓度差所需的能量的量在很大程度上取决于磨料颗粒覆盖相应通道的部分中比另一通道更密集)，颗粒可定向地朝向第一通道和第二通道中的[0142]根据本发明的系统的实施方案为此目的提供了偏转装置的致动器，包括磁性开述非均匀磁场在所述截面的平面中将磨料颗粒朝向第一入口引导，并且在第二时间段内，产生的磁场的密度在覆盖第二通道的截面的部分中比在覆盖第一通道的部时间段内磁场方向之间的差异可以通过使其中的电流反向和/或其单独的可移动性来实个磁体中的不同的选定磁体运行电流。所述电流反向和/或电流的选择性运行可以通过基于控制单元的信号的电导线和机械驱动装置的所述可移动所述钻井液的流动阻力之间的差异是通过所述第一通道和第二通道在纵向方向上的其各面和/或其内壁表面的表面粗糙度沿着所述其各自的长度的变化来确定的，例如以表面轮井液的流动阻力之间的差异通过所述第一通道和第二通道在其各自的截面上的差异来确实施方案中，第一通道和/或第二通道包括沿着长度的截面面积的局部减小。在实施方案有包括钻头、调节装置以及第一通道和第二通道使用的定向传感器和其他传感器的组件，传感器放置在与钻头连接的刚性段内的下游，第一通道和第二通道的部分就不必是刚性随后在0.5秒后偏转至第一通道的第二大部分组成，所述大部分均在第一大部分通过第一[0161]在设想的实施方案中，可以在钻头旋转期间通过调整(例如，基于控制单元的信号)确定流动阻力的一个或更多个所述量来调整第一通道和第二通道的第一流动阻力和/[0164]-在所述磨料射流喷嘴和所述清洗喷嘴上游的所述第一流部分和第二流部分中，[0166]-使流的所述第一流部分和第二流部分中的钻井液流入磨料射流喷嘴和清洗喷嘴[0176]-使捕获的磨料颗粒进入所述磨料射流喷嘴上游的所述流中，例如所述钻头的上混合室。此类再循环单元的示例在先前讨论的WO2008/119821、WO2005/005767和WO2005/[0184]从表面供应的磨料颗粒的浓度范围通常为机械钻孔、没有井下再循环情况下的来设置和/或调整所述第一时间段和第二时间段的持续时间。这些测量可能包括以下一个用于确定磨料颗粒的浓度和/或流量，所述磨料颗粒在朝向喷嘴的钻井液的流中穿过钻孔通过比较两个或更多个线圈对通过线圈的颗粒数量的测量和颗粒通过两个线圈的计时来于测量定向钻孔系统中与磨料颗粒混合的钻井液的流中磨料[0210]控制单元可以连接至定向钻孔系统的一个或更多个传感器以接收由其提供的信[0211]颗粒检测尤其可以用于(例如，通过控制单元)计算磨料颗粒通过通道的速度(例[0214]调节装置可能距离钻头几米远。但是测量传感器和/或方向传感器优选地位于钻用小控制回路的浓度调节控制器的响应作为其动作[0218]在小控制回路中，浓度调节控制器将大回路的定向控制器的输出以及包括温度、流量、压力和颗粒存在检测的传感器测量(尤其以磨料颗粒的数量测量的形式)作为其输和定时确定为使得所述一系列压力脉冲代表用于泥浆脉冲遥测系统的所述井下测量之一，[0228]-遥测控制单元，其通常与具有所述第一通道和第二通道的转向接头进行有线连接收由所述一个或更多个传感器提供的所述信号的一个或更多个(例如，在物体是地下土根据所述比较的结果向颗粒偏转装置产生所第一通道中的磨料颗粒的大部分和/或偏转到第三通道中的磨料颗粒的大部分将至少部分部分磨料颗粒在时间段内偏转进的通道)的磨料颗粒与分别在所述时间段内通过这些通道[0233]对与磨料颗粒混合的钻井液的各自的流动阻力之间的差异导致与磨料颗粒混合流部分包括第二通道和第三通道中生成的降低的过使所述流通过两个子通道而将所述流分割为其中不调整颗粒浓度的子流和其中调整颗[0235]本发明还涉及根据权利要求23所述的接头和根据权利要求24所述的磨料颗粒脉[0238]图1示意性地示出了根据本发明的系统，所述系统用于在地下土层中定向钻弯曲[0239]图2示意性地示出了根据本发明的系统的实施方案，以及其机械钻头的放大图和[0245]图6示意性地示出了根据本发明的系统在第一时间段的使用期间以及偏转装置的[0248]图1高度示意性地示出了系统1在地下土层2中定向钻弯曲的井眼4a时的实施方可转向接头20，在两个实施方案的右侧以放大图示意性地示出其内部。在最左边的系统1[0251]如机械钻头10的放大图所示，钻头1[0252]磨料射流喷嘴17a配置为以磨料射流90的形式将与磨料颗粒92混合的钻井液91的流90喷射到与井眼底部4a'的冲击中。机械钻头包括布置于不同方位角位置的多个磨料射[0253]每个磨料射流喷嘴17a具有用于与中间空间流体连通的喷嘴入口，每个喷嘴入口的钻井液91进入磨料射流喷嘴和清洗喷嘴17[0255]系统1的两个实施方案进一步包括相同的接头20，所述接头的井下端部连接至钻[0257]接头20进一步包括在其下游流体连接至接头钻头入口20i的调节单元，所述调节单元配置为使磨料颗粒92的浓度沿着从供应通道接收的流90的流部分90h、90l发生变化，所述流部分随后通过接头钻头流体出口20o进入钻头流体入[0259]调节单元进一步包括接头钻头流体入口20i与第一入口和第二入口21i、22i之间[0260]颗粒偏转装置23配置为基于从控制单元接收的控制信号而在第一时间段内周期性地将从供应通道通过接头钻头流体入口20i接收的所有磨料颗粒92的第一大部分92m1偏体入口20i接收的流90中的所有磨料颗粒92的第二大部分92m2偏转到第二颗粒92的所述第一大部分92m1和通过所述第二通道22的磨料颗粒92的所述第二大部分任何所述钻井液91一起组合成第一流部分90h。未被偏转的少量磨料颗粒92与分别在第二[0265]控制单元配置为使得偏转装置23接收到的所述控制单元的信号导致偏转装置23的致动器23m将磨料颗粒92的所述第一大部分和第二大部分92m1、92m2偏转到第一通道和任何所述钻井液91一起被引导至井眼底部4a'的选定角扇区4a”，并且随后的第二流部分[0266]为了最清楚地说明原理，第一流部分90h和第二流部分的浓度之间的差异显示为这种差异将小于100以在选定部分4a”外部也仍然对井眼4a'实现一定的侵蚀，也就是[0269]磁性开关包括多个磁体23m，这些磁体在所示截面中沿着流90的外圆周布置在不内产生的磁场23B的密度在覆盖第二通道22的截面的部分中比在覆盖第一通道21的部分中动器进一步包括驱动装置(未示出)，所述驱动装置连接到磁体23m并且配置为基于从控制单元接收的信号而在各个时间段之间切换时使磁体23m作为整体沿着圆周移动。沿着圆周此产生的一个或更多个磁场从其与井眼底部4a'的所述冲击下游的流90吸引磨料颗粒92。至少指示所述第一流部分90h或所述第二流部分90l中的哪个将所述信号表示的值与由此测量的量的预定参考值进行比较，并且根据所述比较的结果，[027