可操纵的带有领眼钻头的旋转式钻头组件

本发明涉及一种旋转式钻头组件，用于有方向性地向地下地层钻 孔。

在现代的钻井操作中，例如当在一个油田或者气田钻井时，时常 需要在钻井过程中改变方向。通常人们希望使钻杆柱下端的钻头的行 进方向偏离钻杆柱下部的中央纵向轴线。过去为了此目的开发了几种 钻井的系统和方法。

美国专利US4,836,301公开了一种有方向性的钻井的系统和方法。 在该已知的系统中，钻头经一个万向枢轴转动系统连接到钻杆柱的下 端。钻头能够倾斜，使得钻头的纵向轴线能够与钻杆柱的下部的轴线 形成一个小的偏离角。该已知的系统还包括一个操纵装置，用于使钻 头沿着以一个轨迹的方式相对于钻杆柱的下部转动。操纵装置包括一 个流动导向装置(flow deflector)，用于提供流体动力，以使得在需要 时，倾斜的钻头相对于钻杆柱的下部有方位角地转动。

在已知系统的正常操作期间，带有钻头的钻杆柱的端部被设置成 转动的，并且钻头是倾斜的，相对于钻杆柱下部以一种轨迹的方式反 转，使得钻头的轴线保持几何静止。

已知的系统存在缺陷，其需要在钻头上有大的倾斜力，并且需要 一种复杂的坚固的机构用于万向枢轴转动装置，以同时承受倾斜力和 钻孔的力。

本领域已知的其它系统是基于钻头上方的钻杆柱的下部的弯曲， 或者是基于通过向钻头的轴施加侧向力将钻头推入所需的方向。

这些其它系统还需要复杂的和坚固的机构，以提供给钻头大的倾 斜力。

本发明的一个目的是提供一种改进的钻头和钻头组件，适于有方 向性的钻井，其机构比已知的系统简单。

另一个目的是提供一种改进的方法，用于有方向性的钻井。

为此，本发明提供一种旋转式钻头组件，用于有方向性地向地下 地层钻孔，该钻头组件包括一个钻头本体，沿着一条中央的纵向钻头 本体轴线延伸，钻头本体在其前端具有一个钻头本体表面，并且在其 相对端安装到一个钻杆柱，其中钻头本体表面的环形部分设置有一个 或者多个切削元件；一个领眼钻头，沿着一条中央的纵向领眼钻头轴 线延伸，领眼钻头部分地布置在钻头本体内，并且从钻头本体表面的 中央部分突出，领眼钻头在其前端具有一个领眼钻头表面，其设置有 一个或者多个切削元件；一个接头装置被布置成，将领眼钻头枢轴地 连接到钻头本体，使得钻头本体轴线与领眼钻头轴线能够形成一个可 变的偏转角；和一个操纵装置被布置成使领眼钻头枢轴转动，从而在 正常操作期间操纵钻孔的方向。

根据本发明钻头本体、领眼钻头和接头装置包括在一个钻头中。

还提供一种方法，用于有方向性地向地下地层钻孔，采用一个安 装在钻杆柱下端的旋转式钻头，该旋转式钻头包括一个钻头本体，其 沿着一条与钻杆柱下部同轴的钻头本体轴线延伸，在其前端具有一个 钻头本体表面，其中钻头本体表面的环形部分设置有一个或者多个切 削元件；

一个领眼钻头，沿着一条领眼钻头轴线延伸，并且从钻头本体表 面的中央部分突出，领眼钻头在其前端具有一个领眼钻头表面，其设 置有一个或者多个切削元件；该领眼钻头相对于钻头本体枢轴地布置， 使得钻头本体轴线与领眼钻头轴线能够形成一个确定的偏转角；

其中该方法包括

-沿着领眼钻头轴线以一个相对于钻头本体轴线的选定的偏转角 设置领眼钻头；

-同时将围绕领眼钻头轴线的钻孔扭矩提供到领眼钻头，和将围绕 钻头本体轴线的钻孔扭矩提供给钻头本体，和

其中使得领眼钻头轴线的空间定向，在钻头本体围绕钻头本体轴 线转动至少一圈期间保持实质上不变。

可枢轴转动的领眼钻头其表面在钻头本体前面一些距离，能够钻 出一个倾斜的导向井孔部，其中该深度大致等于领眼钻头表面与钻头 本体表面之间的距离。由于领眼钻头的尺寸较小，与直接倾斜整个钻 头相比，领眼钻头上需要较小的倾斜力。导向井孔部用作钻头本体切 凿作用的导向。导向井孔部中的领眼钻头在钻头本体上施加一个引导 力，从而引导或者操纵钻头本体包括被安装的钻杆柱进入所需的方向。 钻头本体上的引导力作用于靠近钻头本体表面，从而将钻头本体拉入 而不是推入所需的方向，这与本领域已知的有方向性的钻井系统和方 法是根本不同的。

一般来说，提供给领眼钻头的钻井扭矩能够独立于钻杆柱提供给 钻头本体的扭矩。适合地，领眼钻头由钻杆柱提供的钻井扭矩驱动。 在此情况下，如果钻一个笔直的孔，则不需要操纵，并且钻头能够类 似于传统的旋转式钻头操作。接头装置能够适当地设置，以便将钻井 扭矩从固定地连接到钻头本体的钻杆柱，传送到领眼钻头。优选地， 接头装置使领眼钻头扭矩锁定到钻头本体，使得钻头本体围绕钻头本 体轴线转动一周，导致领眼钻头围绕领眼钻头轴线转动一周。但是， 应当明白，传动机构能够设置成，使得领眼钻头以不同于钻头本体的 角速度转动。领眼钻头能够由不直接连接到钻杆柱的转动动作的不同 的动力源来驱动，例如一种钻井液马达(mud motor)。

在领眼钻头和钻头本体各围绕其相应的纵向轴线一起转动的情况 下，领眼钻头可适当地枢轴转动，使得领眼钻头轴线相对于钻头本体 轴线进行以一种轨迹运动操作，与钻头本体的转动具有相反的方向和 相同的角速度。以此方式，领眼钻头轴线能够相对于不转动的环境保 持实质上空间静止。为了允许轨迹运动，接头装置是一种球形的接头 装置，当领眼钻头轴线以一个非零的偏离角设置时，其允许领眼钻头 围绕钻头本体轴线有方位角地转动。

现在参照图1对本发明进行详细描述。

图1示意地表示根据本发明的一个旋转式钻头组件1的一个例子， 用于有方向性地向地下地层中钻孔。该钻头组件1包括一个钻头2， 其具有一个钻头本体3，钻头本体与筒状的钻杆柱5的下端固定地连 接。钻头本体3沿着一条中央的纵向钻头本体轴线8从钻杆柱5延伸， 并且其前端具有一个钻头本体表面10。钻头本体表面10设置有切削 元件，切削元件采取聚晶金刚石切削刀具12的形式，这些切削刀具 12布置在钻头本体表面10上，围绕一个中心的开口14，从而形成钻 头本体表面10的一个环形部分。切削刀具设计成适合于进行侧面的切 削。

钻头本体3设置有一个中央纵向通道16，这个中央纵向通道16 在钻杆柱5和钻头本体3的开口14之间提供流体连通。开口14旁侧 的通道16设置有一个套筒18，套筒与钻头本体3相连。另外，设置 有流体喷嘴19，它们与通道16流体连通。

钻头2还包括一个领眼钻头20，领眼钻头部分地布置在钻头本体 3内，并且从钻头本体表面10的中央部分14突出。在其前端，领眼 钻头20具有一个领眼钻头表面25，该领眼钻头表面设置有采取聚晶 金刚石切削刀具27的形式的切削元件。领眼钻头还设置有流体喷嘴 28，流体喷嘴28与通道16流体连通。领眼钻头20还具有一个保径侧 29。

领眼钻头20经一个球形的接头装置与钻头本体3相连，该接头装 置布置在套筒18的前端，并且以标号30示意地表示。球形的接头装 置30允许领眼钻头20相对于钻头本体3枢轴转动从而中央的纵向领 眼钻头轴线32与钻头本体轴线8能够形成一个非零的偏转角。在图中， 领眼钻头围绕一个垂直于纸平面的轴线(未示出)枢轴转动，并且偏转 角以符号α表示。当领眼钻头轴线枢轴转动一个非零的偏转角时，球 形的接头装置30还允许领眼钻头20围绕钻头本体轴线8转动。

球形的接头装置30还进一步设置成使领眼钻头20由扭矩锁定在 钻头本体3上，使得钻头本体3围绕钻头本体轴线8转动一圈导致领 眼钻头20围绕领眼钻头轴线32转动一圈。

基于一种本领域已知的连接接头，球形的接头装置能够适合地设 置成万向接头。公知形式的万向接头是例如万向连轴节(Hooke接头)、 Bendix-Weiss接头、Rzeppa接头、Tracta接头、或者双万向接头(double cardan joint)。万向接头的优点是领眼钻头不需要单独的驱动源以及钻 杆柱，以及领眼钻头和钻头本体共同以相同的平均角速度转动，从而 接头装置的磨蚀力保持在最小。

钻头组件1还包括操纵装置，用于操纵钻头2，该操纵装置一般 地用标号40表示。操纵装置40被布置成使领眼钻头20枢轴转动，以 便操纵钻头2。为此，操纵装置包括一个操纵杆42，从带有接头装置 30的接触装置45延伸到钻头本体3的通道16中的连杆点47。接触装 置45和连杆点47沿着领眼钻头轴线32定位。接触装置45具有轴承 的形式(未示出)，其允许领眼钻头20围绕领眼钻头轴线32相对于操 纵杆42转动。通过移动连杆点47，领眼钻头能够枢轴转动，并且由 于接触装置是轴承的形式，因此领眼钻头的指向能够独立于领眼钻头 的转动而被操纵。

为了使领眼钻头20能够钻入到某一方向，操纵杆42需要被定向， 并且连杆点47适于设置成在钻头本体3转动期间保持几何静止。定位 是通过操纵装置的一个定位杆52完成的，该定位杆52的一端连接到 连杆点47。为了补偿钻头本体3的转动，设置一个步进电动机55形 式的转动装置，其连接到定位杆52的另一端。步进电动机55的外壳 布置在一个与钻杆柱5和钻头本体3固定的定向。连杆点47能够通过 相对于钻头本体3围绕钻头本体轴线8转动定位杆52保持一个几何静 止的定位，以相反的方向和与钻头本体3的转动相同的角速度，并且 保持连杆点47与钻头本体轴线8的偏置不变。

操纵装置还包括一个方向传感器插件58，用于测量数据，以确定 钻头的实际钻井轨迹；一个包括泥浆脉冲发生器的表面联通装置插件 60；一个操纵控制插件62用于根据来自方向传感器插件60的数据、 关于钻杆柱的角速度的数据和/或从表面接收的命令控制操纵杆42的 定位和转动。

带有球形的接头装置30和附带的领眼钻头20的套筒18形成通道 16的封闭件。如图1所示，此封闭件防止经开口14从钻杆柱5的内 部接近井孔内钻头本体的外部。套筒18能够例如通过闩锁装置(未示 出)可取下地安装到钻头本体3上，该闩锁装置被布置成，使得封闭件 能够选择地连接或者脱开钻头本体。当封闭件已经取下时，井孔中的 钻头本体的外部能够从钻杆柱的内侧由开口14接近。

现在讨论图1所示的实施例的正常操作。如果要钻一个直的井孔， 领眼钻头轴线32与钻头本体轴线8对正，并且为此连杆点47移动到 钻头本体轴线8上的一个位置。通过在钻头2上施加扭矩和重力，由 于球形的接头装置30的扭矩锁定使得领眼钻头和钻头本体一起转动， 并且该钻头像具有类似的总几何轮廓的传统的钻头一样操作。特别是 在此情况下不需要由步进电动机55相对于钻头本体3转动操纵杆42。

如果要钻一个弯曲的井孔，则通过将连杆点47定位成离开钻头本 体轴线，将领眼钻头的轴线32设置成偏离钻头本体轴线8。为此，操 纵控制插件适当地操纵定位杆52使得操纵杆42具有所需的空间定向 (偏离角和方位角)。钻头本体轴线与领眼钻头轴线之间的偏离角能够 例如设置成在1到5度之间，但是，也可以是大一些或者小一些的值。

钻井扭矩被提供给钻头本体3并且同时经该球形的接头装置30提 供给领眼钻头20，使得领眼钻头由操纵杆引导进入地下地层。步进电 动机55起动，通过转动定位杆52平衡钻头本体的转动，使得操纵杆 42至少在钻头本体3的一次旋转期间保持实质上几何静止。领眼钻头 20形成一个偏离钻头本体轴线8的导向井孔部，钻头本体3继而通过 领眼钻头经该接头装置施加的一个引导力向着导向井孔部的方向操 作。领眼钻头20的保径侧29承受与导向井孔部的地下地层的接触而 产生的磨蚀力，被适当地设计成最小的磨蚀。保径侧29能够例如由金 刚石制造或者能够包括PDC(金刚石复合片)保径保护元件。

钻孔的实际方向由方向传感器插件58监控。从方向传感器插件得 到的数据和/或经表面通讯插件60从表面接收的命令由操纵插件62进 行处理。然后操纵控制插件控制操纵杆，使得符合所需的和实际的钻 孔轨迹。

钻孔的方向能够通过改变领眼钻头(操纵杆)在空间的定向(偏离角 和方位角的大小)来控制，适合于在钻头本体转动一圈以上的时间。操 纵装置能够布置成，无级地设置大小，或者在一个预定的非零偏离角 和零偏离角之间转换。预定的偏离角能够是接头装置的一个最大偏离 角。