连续旋转式钻井系统和使用方法 |
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| 申请号 | CN201380012037.X | 申请日 | 2013-03-01 | 公开(公告)号 | CN104350230A | 公开(公告)日 | 2015-02-11 |
| 申请人 | 沙特阿拉伯石油公司; | 发明人 | S·周; | ||||
| 摘要 | 钻井系统(20)具有 钻柱 (26)，该钻柱由通过连接器(56)接合在一起的连续油管的管状段(54)构成。连接器能够在 锁 定构造和解锁构造之间选择性地改变。当处于解锁构造时，相邻的管状段相对于彼此旋转，而当处于锁定构造时，管状段旋转地连接。连接器包括与各管状段连接的 离合器 部件，离合器部件能够轴向地滑入到形成在相邻管状段中的狭槽中，以旋转地锁定相邻的段。方 钻杆 补心和转盘(36)旋转钻柱；并且注入头(28)用于插入钻柱，使钻柱穿过方钻杆补心和转盘到达井筒(40)中。在钻柱插入穿过方钻杆补心和转盘的同时，连接器设置成锁定构造，使得从转盘向下的所有管状段被旋转地连接。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种在地下地层42中形成井筒40的方法，包括： |
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| 说明书全文 | 连续旋转式钻井系统和使用方法技术领域背景技术[0002] 生产碳氢化合物的井筒在地面下延伸并且与圈闭有碳氢化合物的地下地层相交。井筒通常通过位于钻柱末端的钻头形成，其中由位于井筒开口上方的驱动系统旋转钻柱和钻头。在钻头上通常设置有切割元件，当钻头旋转时，切割元件刮削井筒的底部并且挖出物料，从而使井筒变得更深。通常沿钻柱向下泵送钻井液并且将钻进液从钻头引入到井筒中。 钻井液在钻柱和井筒壁之间的环形缝隙向上回流到井筒。在挖掘的同时所产生的切削物随着循环的钻井液一起沿井筒被向上运载。 [0003] 钻柱通常由管状段构成，管状段通过接合相邻段的端部上的螺纹进行连接以形成螺纹连接。随着井筒加深并且在其中接纳更多的钻柱，将新的管状段连接到钻柱的上端。在常规的钻具操作中，每当向钻柱添加管状段时，钻柱的旋转暂时中止。当钻柱不旋转时，存在钻柱的一部分会附着到井筒侧壁的风险。 发明内容[0004] 本文描述了用于形成井筒的示例性方法和系统。在一个实例中，公开了一种在地下地层中形成井筒的方法，该方法包括提供由管状段构成的管状钻柱。管状钻柱还包括轴向地连接相邻段的连接器。连接器能够选择性地在解锁构造和锁定构造之间改变，在解锁构造中，相邻的管状段能够相对于彼此旋转，在所述锁定构造中，相邻的管状段彼此旋转地连接。该方法还包括：将连接器中的至少一部分从解锁构造变成锁定构造，以形成管状钻柱的大致旋转结合部。管状钻柱的大致旋转结合部插入到井筒中并且旋转，以便当钻头设置在管状钻柱的端部上时，从地下地层移除切削物，以形成井筒。在实例中，通过布置在井筒开口上方的旋转驱动系统来旋转钻柱。该方法还可以包括：对管状钻柱施加向下的力，以将管状钻柱更深地推进到井筒中。该方法可以任选地包括：在一时间段内，暂时中止管状钻柱的旋转结合部的旋转，以便管状钻柱保持不与井筒的壁部粘合。在实例中，管状钻柱的旋转结合部中止旋转的时间段比向螺纹管状的管柱添加管接头的时间段短。在实例中，该方法还包括：从井筒拉动管状钻柱，以及将连接器从锁定构造变成解锁构造。任选地，管状钻柱可以布置和储存在卷筒上。 [0005] 本文还公开了一种用于在井筒中使用的组件，该组件包括由沿轴向连接的管状段构成的钻柱以及能够在解锁构造和锁定构造之间改变的位于相邻管状段之间的连接器。在该实例中，当解锁时，与解锁的连接器相邻的管状段能够相对于彼此旋转。而且，当处于锁定构造时，与锁定的连接器相邻的管状段彼此旋转地连接。该组件还包括位于管状段的钻柱的端部上的钻地钻头，当钻头接触地下地层、扭矩施加到钻柱上、并且位于钻头和扭矩施加到钻柱上的位置之间的所有连接器处于锁定构造时，钻头在地层中挖掘井筒。任选地，可以包括注入头，该注入头轴向地将力施加在钻柱中，以对着地下地层推进钻头。在可选方案中，钻柱的一部分能够缠绕到卷筒上。位于被施加扭矩且与钻头相对的一侧的钻柱上的所有连接器可以处于解锁构造。在一个可选的实施例中，一对相邻的管状段限定了上管状段和下管状段，其中上管状段包括销部，该销部插入到下管状段中的盒部中。该实例可以进一步包括位于销部的外表面上的凹槽，该凹槽与盒部的内表面上的凹槽对准；以及设置在凹槽中的支承件，当将上管状段和下管状段中的一个在轴向上相对于另一个被推动时，该支承件与销部和盒部中的至少一个干涉接触。连接器能够任选地包括扭矩传递离合器，扭矩传递离合器选择性地在第一管状段的外表面上的第一狭槽内轴向地移动，并且移动到在与第一管状段相邻的第二管状段的外表面上的第二狭槽中。在该实例中，扭矩传递离合器由舌状部构成，当连接器处于锁定构造时，该舌状部轴向地插入第二狭槽中的，从而将第一和第二管状段旋转地连接。该组件可以任选地进一步包括附加的扭矩传递离合器，该扭矩传递离合器在第一和第二管状段的相应外表面上的狭槽内滑动并且与第一和第二狭槽成角度地间隔开。可以任选地包括销，该销设定在第一或第二管状段中的一个的侧壁中，该销选择性地移动成与扭矩传递离合器干涉接触，以将连接器保持在锁定构造中。可以在钻柱的外表面上可选地包含旋钮，以用于选择性地移动销。 [0006] 本文还公开了一种用于在地下地层中形成井筒的系统，该系统由钻柱构成，该钻柱由轴向连接的管状段构成，以便施加到管状段的钻柱中的单个管状段的基本上所有的轴向力传递到相邻的管状段。该系统包括位于钻柱上的连接器，该连接器用于将邻接的管状段选择性地旋转连接并且用于将邻接的段选择性地旋转分离。还包括位于钻柱的端部上的钻地钻头，该钻地钻头用于在地层中挖掘井筒。在系统的示例性实施例中，扭矩施加到钻柱上的位置，并且钻柱的具有钻头的端部与该位置之间的各个邻接的管状段旋转地连接，钻头旋转以用于挖掘井筒。附图说明 [0007] 为了获得和详细地理解本发明的上述特征、方面和优点以及显而易见的其它方面，参考附图所示的实施例对上面所简要描述的本发明进行更多特定描述，其中，附图构成本说明书的一部分。然而，值得注意的是，附图仅示出本发明的优选实施例，因此，不应视为对本发明范围的限制，因为本发明可能包括其它同等有效的实施例。 [0008] 图1是根据本发明的具有形成井筒的钻柱的钻井系统的示例性实施例的局部侧剖视图。 [0009] 图2-4是根据本发明的将图1的钻柱馈送到图1的井筒中的实例的侧剖视图。 [0010] 图5是根据本发明的从图1的井筒中抽出图1的钻柱的实例的面剖视图。 [0011] 图6是根据本发明的图1中的钻柱中的处于解锁构造的连接器的实例的侧剖视图。 [0012] 图7是根据本发明的图1中的钻柱中的处于锁定构造的连接器的实例的侧剖视图。 [0013] 图7A是根据本发明的图7的连接器的侧视图。 [0014] 图8是根据本发明的图1的钻柱中的连接器的实例的轴向剖视图。 [0015] 图8A是根据本发明的图8的连接器的一部分的侧剖视图。 [0016] 图8B是根据本发明的图8的连接器的一部分的侧视图。 [0017] 图9A-9C是根据本发明的图1的钻柱的各段之间的连接器从锁定构造变成解锁构造的实例的轴向剖视图。 [0018] 图10A和10B是根据本发明的图1的钻柱中的连接器从锁定构造变成解锁构造的实例的侧剖视图。 [0019] 图11A-11C是根据本发明的图1的钻柱的各段之间的连接器从锁定构造变成解锁构造的实例的侧剖视图。 具体实施方式[0020] 在图1中以局部侧剖视图示出了钻井系统20的示例性实施例。钻井系统20包括竖直钻井井架22，其显示为具有安装在钻台24上的下端。可以储存在卷筒27上的连续油管26馈送到注入头28中，注入头28被示出在井架22的一侧上安装在钻台24上方一定距离处。可选地，连续油管26可以是彼此连接的各段，这将在下文更详细说明。注入头28插入油管26使该油管26穿过如图所示安装在井口32上的防喷器(BOP)30；其中BOP30和井口32这两者都布置在钻台24的下方。弯曲的鹅颈管34引导连续油管26进入注入头28的上端。系统20还包括如图所示设置在钻台24上的方钻杆补心36，其中方钻杆补心36将旋转力传递到连续油管26上。布置在油管26的下末端上的钻头38随连续油管26的旋转而旋转。井筒40被示出是通过向下推动旋转的钻头38穿过井口32下方的地层42而形成的。因此，在实例中，带有钻头38的连续油管26限定了用于地下挖掘的钻柱。图1进一步图示了用于将流体从BOP30引导到振动筛46的任选的回流管线44。 [0021] 图2示意性地图示出了包括注入头驱动器48的连续油管26的一部分的细节。图2的注入头驱动器48是注入头28(由虚线轮廓表示)的一部分，并且示出为向下推动连续油管26穿过钻台24。图2的注入头驱动器48的实例包括驱动带50，驱动带50沿着大致平行于钻柱26的轴线AX的横向距离接触连续油管26的外表面。带50缠绕到轴向间隔开的辊52上，辊52抵靠连续油管26驱动带50。辊52可以由注入头28中的电动机(未示出)提供动力或者任选地可以由增压流体提供动力。图2的连续油管26的示例性实施例被示出由一系列具有连接器561-3的管状段541-4构成，连接器561-3布置在各相邻管状段541-4之间。如下文将更详细讨论的那样，连接器561-3可以选择性地从解锁构造移动到锁定构造，在解锁构造中相邻的段541-4可以相对于彼此旋转，在锁定构造中相邻的段541-4可以彼此旋转地连接。 [0022] 图中示出了设置在钻台24中的转盘58的实例，该转盘58提供了用于使连续油管26沿如箭头A所示的示例方向旋转的旋转力。方钻杆支腿60示意性地设置为示出旋转力如何从转盘58传递到方钻杆补心36的一个实例。轴向孔61设置为贯通方钻杆补心36，并且连续油管通过轴向孔61插入。连续油管26的外周和孔61的内周成形为连续油管26与方钻杆补心36旋转地连接。因此，在连续油管26插入孔61中的状态下旋转方钻杆补心36使得连续油管26旋转。在图2的实例中，段543插入穿过孔61，当方钻杆补心36旋转时，段543旋转。连接器562处于将段542和543旋转地连接的锁定构造。因此，旋转的段543如图所示由于其插入到旋转的方钻杆补心36中而使段542旋转。在该实例中，在段542下方的任何段(例如，在段542的远离转盘58的一侧)也旋转，因为连接器561以及位于连接器561下方的所有其它连接器处于锁定位置。然而，连接器563处于解锁构造，使得处于连接器563上方的段544与段543分离。因此，在该实例中，段544并不会由于方钻杆补心36使段543旋转而旋转(即，段544并不随着段543的旋转而旋转)。 [0023] 现在参照图3的实例，注入头驱动器48已经将钻柱26沿箭头AD的方向向下推离其在图2的位置。随时间推移，连接器563到达方钻杆补心36并且设定成锁定构造，以将段543和544旋转地连接。将连接器561-3从解锁构造切换到锁定构造(并且反之亦然)可以在现场手动完成。切换连接器561-3的构造所需的短时间段明显比在常规钻具操作期间以常规螺纹连接添加钻柱段所花费的时间量少。因此，利用本发明所实现的显著优势包括减少钻井时间以及降低井筒中卡管的风险。图4示出了在比图2或图3晚的时间点钻井系统20的操作的实例，从而描绘了穿过钻台24馈送连续油管26的连续性的实例。示例性段54m被方钻杆补心36接合并且通过连接器56m连接到段54m+1。图4的示例性实施例中进一步示出了段54m-1通过连接器56m-1与段54m的下端连接。在图4的实例中，符号m大于3。 [0024] 图5示出了钻井系统20的侧剖面实例，其中连续油管26从井筒40(图1)沿箭头AU的方向被向上拉动并且穿过方钻杆补心36。在井筒40内移开之后，连续油管26能够储存回卷筒27(图1)上。在实例中，使注入头驱动器48的方向改变为与图1-3的方向相反的方向以将连续油管26上移。在图5的实例中，示出段54n被方钻杆补心36接合且通过连接器56n与段54n+1连接，其中段54n+1位于方钻杆补心36之上以及注入头驱动器48之下。在图5的实施例中进一步示出了通过连接器56n+1与段54n+1的上端连接的段54n+2和通过连接器56n-1与段54n的下端连接的段54n-1。在图5的实例中，连接器56n处于解锁构造，使得随着段54n沿箭头A的方向旋转，而段54n+1与段54n旋转地分离并且不受段54n的旋转的影响。在与图2-4的实例所示的操作相反的步骤中，当在方钻杆补心36上方拉动时，连接器 56n从锁定构造变成解锁构造。当将连续油管26从井筒40(图1)移除时，可能需要连续油管26连续旋转，以防止钻柱26卡在井筒40中。 [0025] 图6和图7示出了示例性钻柱26的侧剖视图中的详细实例以及钻柱26的相邻段54o、54o+1如何通过连接器56o旋转地连接。参照图6，钻柱26中的轴向孔62延伸贯通段 54o，54o+1并且在整个54o，54o+1中孔62的直径保持基本相同。段54o+1的下端具有减小的直径，其限定了环状销64，环状销64被示出轴向向下延伸经过段54o的上端。销64被示出插入到盒66中，盒由段54o的上端具有增大的内径的位置限定。离合器部件67被示出以邻接销64的上端的方式设置在段54o+1的径向外表面上。离合器部件67设定在狭槽68中，狭槽68沿着段54o+1的外径的一部分形成并且沿径向向内延伸。类似地，狭槽69沿着段54o的外径的一部分形成；狭槽69位于段54o+1的上端上并且与狭槽68对准。在图6的实例中进一步示出了一系列环状通道70，环状通道70被示出具有大致圆形的截面并且沿着销64和盒66的相应的径向内外表面之间的界面轴向间隔开。因此，在实例中，每个通道70的大约一半形成在销64中，而通道70的对应另一半形成在盒66中。球形支承件72被示出设置在通道70内，并且在销64与盒66之间的界面中设置有任选的密封件74。在图6的实例中，连接器56o处于解锁构造(离合器部件67仅在狭槽68内，而未延伸进入狭槽69)，从而允许段54o、54o+1之间的相应旋转。 [0026] 在图7的实例中，连接器56o被示出处于锁定构造，使得段54o与段54o+1旋转地连接。在所示的实施例中，离合器部件67具有下端，随着离合器部件67部分地移出狭槽68，下端已经轴向地移入到狭槽69中。在图7A中示出了离合器部件67和段54o的实例的侧视图；其中离合器部件67的下端沿轴向向下悬垂，以限定被示出插入到狭槽69中的舌状部75。舌状部75和狭槽69两者的相应轴向侧处于彼此接触干涉的状态。而且，舌状部75和狭槽69两者的相应轴向侧与钻柱26的轴线AX大致平行(图7)。因此，当段54o旋转时，舌状部75和狭槽69两者的相应轴向侧之间的接触将旋转力从段54o传递到离合器部件67，然后传递到段54o+1；这样进而使得段54o+1旋转。此外，在图6和图7的实例中，支撑件72和通道70为在下方延伸的连续油管26的长度提供轴向支撑。而且，当段54o，54o+1不旋转连接时，支承件72的存在减小了段54o，54o+1之间的旋转摩擦。减小旋转摩擦能够增大施加到钻头38上的旋转扭矩(图1)，否则钻柱26的相邻的且旋转分离的段之间的摩擦阻力会消耗旋转扭矩。 [0027] 图8是沿着图6的线8-8截取的连续油管26的实例的轴向剖视图。在图8的实例中，连续油管26的外周被示出为具有六边形形状，但是还可以具有其它构造。因此，在该实例中，如上文参照图2所论述的那样，孔61具有适合于将连续油管26的六边形外表面旋转接合的形状。在图8的示例性实施例中，通道70为大致圆形并且绕轴线AX同轴地形成在段54o的主体中。端口76被示出从其外表面径向向内形成在段54o的侧壁中，并且与环状通道70相交。支承件72可以通过插入穿过端口76而引入通道70中。插塞78被示出插入到端口76中以将支承件72保持在通道70中。图8A是沿图8的线8A-8A截取的侧剖视图，其示出了以邻接支承件72的方式保持在段54o中的插塞78；并且示出了插塞78能够与端口76螺纹接合。而且，支承件72被示出沿着段54o的销64和盒部66之间的界面设置，以向支承件72下方的油管钻柱26(图6)提供轴向支撑。在图8B中提供了段54o的侧视图，并且示出了相邻插塞78的实例，插塞78在通道70的各轴向位置处彼此成角度地间隔开(图8)。 [0028] 图9A至9C示出了用于保持离合器部件67的实例的锁定机构，并且描绘了从锁定构造变成解锁构造的锁定机构。在处于锁定构造时，离合器部件67的一部分处于狭槽69中。沿着图7的线9A-9A截取的图9A示出了形成在段54o中的细长通路80的实例。通路80是穿过段54o的与轴线AX大致垂直的侧壁的弯曲路径。通路80的端部终止于狭槽69的一个轴向侧。细长销82设置在通路80内并且由致动器84驱动，该细长销还被示出布置在段54o的侧壁中。在图9A的实例中，致动器84位于通路80的端部处，该端部与通路80和狭槽69的相交处相对。销82的与致动器84相对的端部被示出延伸到形成于离合器部件 67的一侧中的开口85中。虽然销84延伸穿过通路80且进入开口85，但销84在离合器部件67中的干涉能够防止离合器部件67沿轴向从其锁定位置移动到解锁位置。 [0029] 图9B示出了致动器84的实例，致动器84已经将销82从离合器部件67中的开口85缩回，从而允许离合器部件从锁定位置轴向移动到解锁位置。应当指出，虽然在下文中提供了致动器84的细节，但是致动器的元件不限于本文所示的实施例，而是可以通过本领域技术人员来实现。图9C示出了离合器部件67的实例，离合器部件67已经沿轴向从狭槽 69滑出，以使相邻的段现在可以相对于彼此旋转。在实例中，用于保持离合器部件67的锁定机构包括销82和致动器84中的一个或多个，并且在实例中，连接器56o包括离合器部件 67、销82和致动器84中的一个或多个。 [0030] 图10A和10B示出了用于旋转地接合和分离段54o，54o+1的离合器部件67A的可选实例的侧剖视图。在图10A中，离合器部件67A包括支腿86，其沿轴向悬垂而远离离合器部件67A的具有舌状部75的部分。所示出的支腿86的实例具有面向设置成从狭槽68径向向外的段54o+1的内表面。此外，轮廓87设置在支腿86的面向狭槽68的表面上并且其形状设置成与止动件88的外表面的形状匹配。图10A的止动件88具有大致圆柱形主体，其具有锥形的上部。止动件88的圆柱形主体被示出设置在形成于段54o+1的外表面上的开口90中，并且锥形的上部从开口90径向向外伸出。此外，在图10A的实例中，开口90在段54o+1的狭槽68与肩部91之间的部分上从段54o+1的外表面径向向内悬垂。肩部91面向下并且限定在段54o+1的外表面沿径向向内伸出的位置处。现在参照图10B，肩部91被示出为设置有止挡部，当离合器部件67A移入解锁构造时，支腿86的上端设置为抵靠止挡部。在图 10B中进一步显示出，止动件88被支腿86的内表面沿径向向内挤压，并且设定在开口90内的弹性部件(未示出)对着止动件88施加径向向外的挤压力，以使止动件88与轮廓87接合。因此，在图10B的实例中，止动件88和轮廓87提供了用于将离合器部件67A保持在解锁位置的保持装置。再次参照图10A，销82被示出设置在离合器部件67A中的开口85内，以帮助将离合器部件67A保持在锁定位置。而在图10B的示例性实施例中，销82已经从开口85移除，从而允许离合器部件67A完全滑回到狭槽68中。 [0031] 现在参照图11A-C，以侧剖视图示出了致动器84的示例性实施例。沿着图9A的线11A、11B-11A、11B截取的图11A和图11B示出了致动器84如何从开口85收回销82的实例。如图所示，示例性致动器84包括旋钮元件92，旋钮元件92是绕与其接触销82的端部相对的端部旋转锚定的细长部件。在实例中，旋钮元件92与销82所在的通路80对准。弹簧94被示出设置在通路80内并且用于沿远离离合器部件67的舌状部75的方向对销82施加偏置力。因此，如图11B所示，沿箭头AR的方向旋转旋钮部件92能够使旋钮部件92移动为不与销82接触并且移除旋钮部件92可能施加到销82上的任何保持力。移动旋钮部件92能够允许弹簧94轴向伸长并且从开口85内将销82推入通路80的不再由旋钮部件 92占据的部分中。参照沿图9C的线11C-11C截取的图11C的实例，将销82从开口85内分离能够允许离合器部件67的轴向移动，以使离合器部件67的舌状部75从狭槽68内移动，从而旋转地释放相邻的段54o，54o+1(图10A)。旋钮元件92的致动可以通过位置邻近方钻杆补心36(图1)的操作员手动执行。开发出的用于旋转地连接和分离相邻段的方法和装置在本领域技术人员的能力范围内。旋钮元件92能够防止在系统处于使用中时意外解锁连接。 |
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