在常规的钻井中，使用的钻柱包括在其下部端的钻头，在钻头上  施加重量的情况下通过旋转钻柱实现向地层的钻进。为了能够进行定 向钻井，必须使用特殊的所谓的底部钻具组合，它形成钻柱的下部。
为了适合于定向钻井，底部钻具组合至少必须包括钻头，钻井转向系 统和测量系统。该钻头形成钻柱的下部端，并设有向地层推进的切割 件。钻井转向系统的作用是向希望的方向指引或推动钻头。为此，目 前使用两种不同的方法，一方面是旋转转向系统(rotary steering system)，其中向希望的方向偏斜钻头的旋转，同时从地面旋转整个钻 柱，或另一方面是泥浆马达与弯接头或弯外壳结合，其中通过泥浆马 达的作用仅旋转钻柱的下部端。测量系统可以包括随钻测量(MWD) 系统和/随钻测井(LWD)系统，用于在钻井操作的过程中测定方向的 参数和/或测量地层或井眼中的参数。
为了优化从地层生产油或气定向钻井变得越来越重要。一个例子 是所谓的“延伸达到(Extended Reach)”的井。它们是这样的井，一 般从井口横向延伸到2公里或更多，具有大的角度或水平偏移。在钻 这样的井眼时，会遇到很多情况和问题，需要在钻柱的下部端处理特 殊设备和工具。如果预先已知需要这样的特殊设备，有时将它们包括 在底部钻具组合中。例如，测量系统包括非常特殊的测井工具，以测 量周围地层或井眼内的特定的参数。
这样，定向钻井使用的底部钻具组合发展到高度复杂的程度。由 于其高成本，在井眼中损失底部钻具组合的危险明显增加。另外，不 可能包括在未知的情况下所需要的所有设备，例如，在遇到突然的泥 浆漏失时，可能希望密封住在井眼和钻头附近的周围地层之间的流体 的流通，但是通常用已就位的底部钻具组合不可能办到这点。
通常，不希望将整个钻柱拉出到地面，来替换底部钻具组合，例 如用流体注入工具(如固井工具或注入已丢失的循环材料的工具)，或 一般任何其它辅助工具。在钻柱中的拉回和抽回动作是很费时间的， 在一个延伸达到井中这是要费几天的事情。在一些关键情况，将整个 钻柱拉出到地面实际上完全不可行的。

本发明的目的是提供一种使用适合定向钻井的底部钻具组合来钻 井眼的方法，其中辅助工具能够布置在钻柱的下部端位置，特别是钻 头前钻柱外的位置。
本发明的另一目的是提供一种在这种方法中使用的底部钻具组 合。
根据本发明，提供一种向地层钻井的方法，它使用一种管状钻柱， 管状钻柱下部端包括一种底部钻具组合，所述井底钻具组合包括钻头 钻井转向系统和测量系统，其中：所述钻柱包括从所述底部钻具组合 上方的钻柱内的第一位置到第二位置的一个辅助工具通道，在第二位 置至少部分辅助工具在所述底部钻具组合下方钻柱之外，所述通道能 够可选择地关闭，并且所述方法包括步骤：
-钻井使得所述钻柱前进到地层中，直到满足工具操作条件；
-打开通道；
-使得辅助工具从第一位置穿过所述通道到第二位置，以及在第二 位置操作所述辅助工具。
本发明还提供一种适合定向钻井到地下地层的系统。所述系统包 括管状钻柱，在管状钻柱下部端包括底部钻具组合，所述底部钻具组 合包括钻头、钻井转向系统和测量系统，所述底部钻具组合设有纵向 的内通道，使得所述钻柱形成从所述底部钻具组合上方的钻柱内的第 一位置到第二位置的一个辅助工具的通道，在所述第二位置至少部分 所述辅助工具在所述底部钻具组合下方的钻柱外，所述部分具有至少 5cm的最大直径，并且其中所述底部钻具组合包括适于可选择地关闭 所述通道的可取下的关闭件。
本发明还包括一种可安装到管状钻柱上的底部钻具组合，所述底 部钻具组合包括钻头、钻井转向系统和测量系统。并且所述底部钻具 组合设有至少部分辅助工具的纵向的内通道，所述部分具有至少5cm 的最大直径。
根据本发明的具体的方面，提供一种泥浆马达，泥浆马达包括管 状定子和设置在管状定子内的转子；和钻头轴，钻头轴设置成由所述 转子驱动并适合向钻头传递转矩，其中所述转子可卸下地连接到钻头 轴，使得在与所述钻头轴分开后所述转子能够沿纵向从所述定子中取 下。
因此，本发明提供一种能够进行定向钻井操作方法和装置，其中 在钻进过程中辅助工具能够穿过所述钻柱，使得至少其下部端达到所 述钻头前的井眼中的位置。因此，在多数情况，用相对简单的底部钻 具组合足以开始钻进，因为在任何希望的时候，特殊的工具能够被带 到所述底部钻具组合上，而不需要从井眼拉出钻柱。业已发现，有用 的辅助工具在完全通过底部钻具组合的该部分应具有5cm(2英寸) 的直径。一般意义上，在本说明书和权利要求中使用的直径的表述是 指一维的最大截面延伸。优选地，所述通道使得具有6cm或2.5英寸 直径的工具能够通过，其中所述工具基本是圆柱形的，并具有比2米 长，常常是5米或更长的长度。这里的直径是指完全通过通道的部分 的最大直径。固井工具(cementing tools)例如能够具有延伸到50或 100米长的井眼的注水泥插头(stinger)。一般钻头具有15到30.5cm 之间的直径，或6到12英寸的直径，优选地是8.5英寸的直径。
对于没有定向井钻进功能的常规旋转钻井实例，在过去提出了在 钻头前的井眼中进行测井操作的几个系统。
美国专利说明No.5244050公开了一种钻头，其内设有测井或取样 工具通过的通道。通过在钻头本体的面上的偏心开口所述通道向钻头 外打开。能够用封闭件可选择地封闭该开口，在开口的区域中没有设 置切割件或锥辊(roller cones)，因此，钻井性能受到影响。
在出版号为WO 00/17488的国际专利申请公开了钻井和测井系 统。该系统包括在下部端带有钻头的常规的管状旋转钻柱。该钻头内 部形成测井工具线的通道，并且在通道的下部端该钻头设有可取下的 封闭件。
但是，这些系统迄今仅用于与常规的旋转钻井方法结合使用，其 中适于定向钻井的底部钻具组合没有被使用过。
本发明是基于这样的认识，即能够这样设计适合定向钻井的底部 钻具组合，以使在钻井操作过程中辅助工具能够通过，以达到钻头前 的井眼。人们认识到与本领域的一般想法不同，能够向底部钻具组合 提供所有基本元件形成纵向通道，该通道足够大，允许例如2.5英寸 长棒形工具穿过8.5英寸的钻柱和底部钻具组合，而不影响该组合的 实际应用性能。
能够这样设计该钻头，使得它的外形与常规的钻头，如PDC或锥 辊钻头相同，因此，提供同样的钻井性能。后者在定向钻井中是特别 重要的。
已知MWD系统由内部带悬挂装置的管状套环(tubular collar) 构成，其中能够设置地面可回收的探头。但是，标准的MWD的管状 套环在探头回收后一般仅提供1.5英寸或更小的通道，对于本发明来 说这是不够的。但是，能够特别设计MWD工具，其中使得在管状套 环中的悬挂装置的内径最大化，以能够使得如2.5英寸的工具通过。
已知的钻井转向系统也提供不足的内径，这种不足的内径用于泥 浆马达驱动系统以及旋转转向系统。但是，已经发现能够设计提供足 够大通道的这两种系统。
附图说明
下面参照附图详细说明本发明。
图1是本发明实施例的示意图；
图2是图1的MWD测量系统的示意图；
图3是图1的钻井转向系统的示意图；
图4是图1钻头的示意图；
图5是通过底部钻具组合伸到在钻柱前的井眼的测井工具的示意 图。
在各图中使用的相同标记指示相同或相似的部件。

参见图1，此图示出井眼1，它从地面(未示出)伸到地表下的地 层2。井眼1偏离竖直方向，其中为了清楚起见图中的弯曲度被夸大 了。图中所示的井眼的至少下部由管状钻柱5的操作而形成。钻柱5 的下部端被称为底部钻具组合8，它包括钻头10、钻井转向系统12和 测量系统15。底部钻具组合设有通道20，它在底部钻具组合上方的钻 柱内的第一位置28与在钻头10前和底部钻具组合下方的钻柱5外的 井眼1中的第二位置30之间形成辅助工具25的通道的一部分。应理 解，辅助工具25的上部能够保留在钻柱中，如悬挂在底部钻具组合中 或甚至在其上方。对于本发明，辅助工具的下部足以达到井眼的第二 位置30。
在本说明书和权利要求中，术语“上部”和“上方”是指在工作 过程中，相对较靠近钻柱的地面端的位置和方向，术语“下部”和“下 方”是相对较靠近井眼端的位置。术语“纵向”是指基本沿钻柱的轴 线的方向或方位。
钻头10设有可拆卸连接的插入件35，在下面将参照图4更详细 说明。当插入件在封闭位置即如图所示连接到钻头时，它形成可选择 为能取下的通道20的封闭件。
图1还示出设置在辅助工具25的上部端的转移工具38，它的作 用是从地面向底部钻具组合8配置辅助工具25，例如通过泵送。例如， 在联合王国专利申请No.GB2 357 787 A中公开的转移工具能够用于这 个用途。在本申请提交日尚未出版的一起待审查欧洲专利申请No.EP 03076115.9中公开了与本发明结合使用的特别合适的泵送工具。
参见图2，该图简要示出图1的测量系统15。这个实施例的测量 系统是MWD系统，它包括管状接头或管状套环51和长棒形的探头 55。管状接头51的上部端可连接到延伸到地面的钻柱5的上部，下部 端可连接到转向系统12。探头55装有测量仪器，伽马射线仪56、包 括确定井眼的斜度和方位的地磁仪和加速度计的定向工具57、蓄电池 组58、和与地面通信的泥浆脉冲器。管状套环51也能够装有测量仪 器。在管接头51的内圆周上设置环形的台阶65，在其上能够悬挂钻 头。探头的外表面设有缺口67，在缺口67上设置与环形台阶配合的 键69。缺口67使得钻井流体能够流动通过MWD仪，并且也导致泥 浆流动穿过脉冲器段59。探头55的上部端设置成连接装置72，如连 接颈(fishing neck)或锁闩连接器，它与能够从地面降下的并连接到 连接装置的线缆工具或泵送工具配合。因此探头能够被向上拉或泵送， 以便从管状套环51取出探头55。MWD系统的尺寸确定为使得在取 出探头55后管状套环51的内部提供根据本发明的适当尺寸的通道 20，以使得至少辅助工具的下部通过。
也可以选择设计一种管状MWD系统，其中所有的组件布置在具 有需要的截面的中心纵向通道周围。具体地，能够设置泥浆脉冲器， 泥浆脉冲器包括在通道周围的环形的橡胶部件，橡胶部件能够膨胀， 使得橡胶部件延伸到通道，从而产生泥浆脉冲。
应理解的是，除了泥浆脉冲器外也能够使用通信装置，如电磁通 信装置。
参见图3，此图示出图1的钻井转向系统12的一个实施例，其形 式为与弯外壳105相结合的泥浆马达104。弯外壳在上部端和下部端 之间表示成夸大的角度，其量级实际上通常为3度以下。弯外壳105具 有可与普通的钻柱相比的内部。泥浆马达104的上部端直接或间接连 接到测量系统15的下部端。
泥浆马达是液压马达，它将从地面泵送的钻井泥浆的液压能转换 成钻头上的机械能。这使得钻头能够旋转，而不需要钻柱旋转。图3 示意出的泥浆马达是所谓的正排量式马达，它基于Moineau原理工作。 该原理认为，带有一个或多个叶片的标记为106的螺旋形的转子，当 偏心置于比转子多一个的叶片的定子108内，并且使流体泥浆流过在 定子和转子之间的环腔时旋转。
该旋转被传递到管状的钻头轴110到能够连接钻头的下部端112。 为了向钻头轴110传递该旋转，转子106的下部端通过连接装置115连 接到传递轴118的一端。传递轴穿过弯外壳105，并在另一端上通过 连接装置120连接到钻头轴。传递轴能够是用能够抗扭力的钛等材料 制造的柔性轴。另外，连接装置115和120可以设置为万向接头。通 过轴承125，钻头轴110被悬挂在与定子108连接起来或制成一体的 钻头轴管状套环123中。密封127设置在钻头轴110和钻头轴管状套 环123之间。
本实施例的泥浆马达转向系统与已知的系统不同之处是，设置连 接装置120，在向上的力施加到转子106时，松开传递轴118和钻头 轴110之间的连接。例如，该连接装置可以形成为在传递工具的下部 端和钻头轴的上部上的配合的花键。能够由纵向的拉/推而工作的适当 的锁闩机构是另一个选择。为了能够在转子106上施加向上的力，转 子的上部端设置为诸如连接颈或锁闩连接器的连接装置130，它与能 够从地面放下来的工具配合，该工具连接到该连接装置并被向上拉出 或泵送，以便松开在连接装置120处的连接。
钻头轴110的上部端132是漏斗形的，在转子106再次降入到定 子108中时，将传递工具118的下部端引向连接装置120。穿过钻头 轴110的壁，设置钻井液的流体通道135。当转子106通过连接装置 120连接到钻头轴110时，在钻井操作中能够使钻井流体循环。
适当地，也设置一种装置(未示出)，在转子106已与钻头轴110 分开时，它将钻头轴110锁定在钻头轴管状套环123中。
应理解的是，确定定子108和钻头轴110的最小内径，至少对辅 助工具下部端提供足够大的纵向通道以形成本发明的图1通道20的一 部分。
可选的钻井转向系统一般称之为旋转转向系统。旋转转向系统能 够绕过弯曲传递在地面施加到钻柱的旋转力。它一般由具有普通钻柱 尺寸的外部管状心轴构成。小直径的钻管(drill pipe)段穿过该心轴 的内部。在旋转转向系统上方的钻柱或底部钻具组合连接到这个内部 的钻杆的上部端。钻头连接到钻杆的下部端。心轴包括在内部的钻杆 上施加横向力的装置，按照希望使得钻井方向偏斜。为了与本发明结 合使用，旋转转向系统的内钻杆必须允许辅助工具通过。
参见图4，该图简要示出图1的旋转钻头10的一个实施例的纵向 剖面。钻头10示出在井眼2中，在此实施例中并连接到图3的钻头轴 110的下部端。如下面进一步详细说明的，钻头10的钻头体206具有 中心纵向通道20，用于辅助工具从钻柱3的内部207通向钻头10外 的井眼1、30。钻头喷嘴布置在钻头体206上。为了清楚起见，仅示 出一个带有插入件209的喷嘴。喷嘴209通过喷嘴通道209a连接到通 道20。
钻头10还设有可取下的封闭件35，在图4中示出封闭件35相对 于通道20处于其封闭位置。此例的封闭件35包括中心插入部分212 和锁闩部分214。插入部分212的前端设有切割件216，其中该切割件 的布置使得其在封闭位置，与在钻头体206前端上的割刀218一起， 形成结合钻头面。插入部分也可以设有喷嘴(未示出)。另外，该插入 部分和钻头体206的配合面适当地成形，使得能够从钻头轴110和钻 头体206向插入部分212传送钻进转矩。
锁闩部分214固定安装到插入部分212的后端，基本上为圆柱 形，以窄的间隙延伸到钻头体206的中心纵向内孔220中。内孔220形 成通道220的一段，它也提供向插入部分212中的喷嘴的流体连通。
通过锁闩部分214，封闭件35可取下地安装到钻头体206上。封 闭件35的锁闩部分214包括沿内孔220以窄的间隙延伸的基本上为 圆柱形的外套筒223。在沿外套筒223的外周边的槽中，布置密封环 224，防止沿锁闩部分214的外表面的流体连通。插入部分212连接到 套筒223的下部端。锁闩部分214还包括内套筒225，其滑动配合到 外套筒223里。内套筒225被偏置，其上部端226紧靠在套筒223 的上部端附近由内缘229形成的向内的台阶228上。部分压缩的螺旋 弹簧230施加偏置力。所述弹簧将内套筒225推离插入部分212。在 内套筒225的下部端上设置环形凹槽232，凹槽232布置成接纳弹簧 230的上部。
外套筒223设有凹槽234，其中布置锁定球235。锁定球235具 有比套筒223的壁厚度大的直径。并且每个凹槽234布置成松散地保 持各球235，使得它能够沿径向移动进入套筒223和从套筒223移动 离开有限的距离。该图中示出锁定球235，但是应理解，能够布置多 个锁定球。
在图4所示的封闭位置中，锁定球235被内套筒225径向向外推， 与在内孔220周围的钻头体206中设置的环形凹槽236对准。这样， 封闭件35相对于钻头10锁定。内套筒225还设有环形凹槽237，它 在该封闭位置在钻头轴110的方向上相对于凹槽236纵向错位。
在打开工具240的下部端，内缘229设置成与连接装置239配合。 连接装置239设有从打开工具240的圆周纵向向下延伸的多个支腿 250。为了清楚起见仅示出两个支腿250，但是很明显能够设置多个支 腿。每个支腿250的下部端上设置止动爪251，使得在位置252，由 止动爪251限定的外径超过在位置254上由支腿250限定的外径，并 且也超过缘229的内径。另外，缘229的内径优选地大于或约等于在 位置254处支腿250限定的外径，外套筒223的内径小于或约等于在 位置252处止动爪251限定的外径。而且，这样设置支腿250使得它 们如箭头所示可向内弹性变形。止动爪251的外侧下部边缘256和缘 229的上部内侧圆周257上形成倒角。
打开工具240的外径显著小于内孔220的直径。
现在说明图1-4的实施例的正常操作。
如图2所示当MWD探头55悬挂在管状套环51中时，如图3所 示当转子106布置在泥浆马达104的定子108中时，和如图4所示当 插入件35被锁闩到钻头体206上时，能够使用钻柱5向地层2钻井眼 5。辅助工具通常储存在地面，但是也能够储存在钻柱中的一个侧部袖 珍心轴中。因此，能够使用钻柱向希望的方向钻进井眼。探头55，转 子106和插入件35一起形成通道20的封闭件。
在钻井操作过程中，能够遇到需要在钻头前的井眼中即在位置30 操作辅助工具的情况。在本说明书和权利要求中这称为工具操作状态。 一些例子是：发生泥浆漏失，这要求注入流体如丢失的循环材料或水 泥；在开放的井眼中进行清洁，希望进行特殊测井、测量，流体取样 或取芯操作，希望钻先导孔。
然后停止钻井，将钻柱上提一定距离，产生在位置30处的辅助工 具的足够空间，并且打开通道。为此，将MWD探头55和转子106 回收到地面，如通过使用其下部端带有连接器装置的连接工具，能够 通过钻柱向下泵送探头55和转子106和再用电缆拉出。能够以连续的 步骤完成MWD和转子的回收。也能够这样布置探头的下部端，使得 它能够连接到在转子106的上部端处的连接装置130，以致同时回收 它们两个。
然后，打开工具240开展工作，穿过钻柱内部，使得从钻头体206 向外取出封闭件35。打开工具240适于形成辅助工具25的下部端。 辅助工具适合于用连接到其上部端的传递工具38，从地面通过泵送开 展工作。辅助工具穿过钻柱，和底部钻具组合8的通道20，即连续地 通过MWD管状套环51和泥浆马达的定子108，直到钻头10的上部 端，使得连接装置239接合到封闭件35的锁闩部分214的上部端。止 动爪251滑动到外套筒223的上缘229中。支腿250向内变形，使得 止动爪能够完全滑动到上缘229中，直到它们接合内套筒225的上部 端226。通过进一步的向下推压，内套筒225在外套筒223内被推向 下滑动，进一步压缩弹簧230。在内套筒225的上部端和台阶228之 间的空间变得足够大来容纳止动爪251的长度时，支柱250向外弹出， 从而将打开工具锁闩到封闭件上。
在内外套筒的大约相同的相对位置上，即支柱向外弹出的地方， 凹槽237与球235对准，从而将封闭件35从钻头体206的锁闩中脱 离。在进一步的向下推打开工具时，封闭件从内孔220中被整个推出。
在将封闭件完全从内孔220推出时，通道20被打开。
通过进一步推进打开工具240，在打开工具的上部端处的辅助工 具25的下部进入到钻头外的开放的井眼中，并且能够在这里操作它。 在此实施例中，辅助工具是足够长的，使得它穿过整个的底部钻具组 合，并保持与底部钻具组合上方的传递工具38的连接。这使得能够通 过线缆或反向的泵送直接回收辅助工具。
图5示出具有测井工具260的情况中的钻头10的下部端，测井工 具260下部261已穿过该通道。在测井工具260的下部端处的打开工 具240使封闭件35从封闭位置向外移动。
在266上示出测井工具的几个传感器或电极。它们可以是由电池 作动力来动作，或通过延伸到地面的电缆来动作。数据能够存储在工 具中或数据被传送到地面。测井工具260还包括具有一个联顶面 (landing surface)的联顶部件(未示出)，它与底部钻具组合8的联 顶座合作。
例如，钻头10能够具有21.6cm(8.5英寸)的外径，通道的直径为 6.4cm(2.5英寸)。从钻柱伸出来到开放井眼中的测井工具的下部261， 在这种情况下基本是圆柱形的，并具有相对均匀的5cm(2英寸)的 外径。
在辅助工具在井眼中30处操作完成后，能够通过向上提传递工具 38将钻柱收回。然后插入件35重新连接到钻头体206。打开工具240 与插入件35脱开，并且辅助工具260能够完全回收到地面。转子106 和MWD探头55能够分别降入到泥浆马达中和MWD的定子108中， 使得封闭件重新封口，能够恢复钻井。如果发生以下的工具操作，其 中特别是能够使用不同的辅助工具整个循环能够再次开始。在定向钻 井操作中以这种方式得到的灵活性是本发明的特别的优点。
在本申请提交时未出版的待审查的欧洲专利申请No.03250243.7 中，介绍了一种可选的连接到插入部分上和从钻头体取下该插入部分 的钻头体、插入部分和辅助工具的另一钻头组合。这个可选的组合的 优点是在分开和重新连接时使锁闩机构稳固地和故障防护(fail-safe) 地操作。