弯曲钻进设备

本发明涉及油气井钻进的一般问题，特别是涉及在地表 钻弯曲井孔所用的设备和方法。

横向井孔，或“横向平井”可用来抽吸比用其它的方法回 收的更多的原油。例如，通过横断裂缝，渗入油层断层和排出 上浸物，可使用横向平巷来导出原油。横向重新完井也能够 解决生产中的问题，如水锥、气锥和过多的从油水界面下方 延伸的液力裂缝切入的水。而且，横向重新完井与完善的回 采技术结合，能产生双重效益，解决了地层问题，通过重新完 井注油井接触未清除的油，和通过将现有的油井型式转变为 线驱动构造来改变清除的方向。最后，横向重新完井方法能 够利用现有的生产结构，现有井孔的资源，已知的油源的位 置和第二和第三代回采技术。

广泛使用横向重新进入的一个主要障碍是横向钻进和 完井的成本必须保持尽可能的低。在成熟领域的经济评估要 求其成本大大低于最经常用来钻新的水平井的方法。这样， 极需一种可靠的降低成本的钻进系统，该系统可利用现有的 设备和评估的成本结构以及维修服务。

除经济上的限制之外，还有技术上的限制。对于一个技 术上是成功的弯曲钻进系统，最好必须钻一个曲率半径均匀 的弧形，并且向着所要求的方向弯曲。这是因为它特别需要：

·将钻进装置的端部放置在一个准确的深度区间，以便 横向平井进入所要求的作业区。

·把横向平井布置在这样的方向，该方向由井间隔、所 需的清除形式或其它地质上原因来确定。

·建立一个光滑的井孔，以便于横向钻井和完井。

旋转式可控制的钻进系统是一种弯曲钻进系统。该系统 的井下部件一般包括弯曲组件、柔性钻套环和定向装置。弯 曲组件较短，并与柔性接头协同工作，柔性接头被推到井孔 的一侧，以便使钻头倾斜。定向设备通常包括一个用于磁性 定向的标准螺鞋。这个基本系统的概念已提出几十年了,但， 确立角度和控制方向这两个问题限制了它在商业上的成功。

授予Warren等人的美国专利US5,213,168公开了一种 改进的弯曲钻进装置，始终如一的操作性能部分是通过使钻 头稳定地始终指向弯曲的通道，并重新设计了钻头，从而使 它仅在所指定的方向上切削而获得的。特别是，通过使用一 种“低摩擦导向器”技术而获得了改进的钻头稳定性(参见授 予Brett等人和转让给Amoco公司的美国专利US5,010,789 和US5,042,596)。钻头切削件的设置使得横向力朝向钻头 侧面或导向器部分上的光滑的衬套。该衬套与孔壁接触，并 将复位力传递给钻头。该复位力随钻头一起旋转，并始终推 着钻头的一侧(即没有导向切削结构的一侧)靠在孔壁上。当 使用这样的钻头时，通过使钻头始终指向弯曲井孔的切线方 向，该弯曲钻进装置就能钻出一个弯曲的井孔。该钻进装置 钻进顺利，井孔的直径均匀，钻进效果不会随着岩性的改变 而改变。而且，这种装置的生产成本，包括抗旋转钻头的生产 成本大大低于使用泥浆泵的基钻进装置的成本。

当钻头在导向孔内绕其中心转动时，柔性接头的偏心位 置使除钻头工作面之外的一切部位上的钻头轴线相对于井 孔中心线发生倾斜。在钻头工作面上，钻头的中心线指向弯 曲中心线的切线方向。如果井孔的曲率发生变化并变得小于 所需要的曲率的话，那么该钻头轴线将指向井孔倾斜角的上 方，从而增大曲率。如果曲率变得大于所需的曲率，那么相反 的情况就发生。因此，当钻头工作面中心线和井孔曲率对准 时，平衡才稳定。而且，当钻头沿弯曲路线向前钻进时，钻头 的倾斜角始终在变化，所以钻头倾斜的方向始终使井孔保持 沿着所需的弯曲路线，而不需要钻头向旁边切削。

尽管美国专利US5,213,168比现有技术有更多的优 点，但实践已证明仍然有改进的余地。

本发明的主要目的是提供改进的小半径和大半径侧向 钻进系统。

本发明的一个具体的目的在于提供一种具有改进的万 向接头或柔性接头的弯曲钻进装置。

本发明的另一个目的在于提供一种更耐用的弯曲钻进 装置。

本发明又一个目的在于提供一种与传统钻头共同使用 的改进的弯曲钻进装置。

本发明再一个目的是提供一种低成本，包括双中心抗旋 转钻头的小半径侧向钻进系统。

本发明还有一个特别的目的在于提供一种在弯曲钻进 装置中使用的改进的钻头。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于弯曲钻进装 置的钻头。所述弯曲钻进装置连接在用于钻一个弯曲地下井 孔的旋转钻具上，该井孔有一底部、一壁、一内径和一外径。 该钻进装置包括与用于给钻具导向穿过弯曲井孔的钻具连 接的弯曲导向装置，改进的旋转钻头和一个设在钻具两端的 中间，离钻头有一定距离的柔性接头。改进的钻头具有：一个 设置在钻头纵轴线附近，用来与钻具下端连接的主体部分； 一个侧面部分，它设置在钻头纵轴线附近，从主体延伸出来， 并且有上下端；一个设置在钻头纵轴线附近并从侧面部分延 伸出来的工作面部分；和多个装在钻头上，并在钻头的下端 产生一个作用在钻头下端上的横向力的切削件，所述横向力 随着钻头在井孔中的转动而转动。特别是，改进的钻头在其 侧面设有用于在钻进过程中始终与井孔保持接触的，并承受 来自孔壁的反作用力的支撑装置，该支撑装置与作用在钻头 上的横向力相对应，并且它被指向靠近钻头侧面的上端。反 作用力和横向力形成了钻头上的下方力矩，该下方力矩的方 向与具有指向柔性接头的分力的上方力矩方向相反。支撑装 置上端的位置在离钻头工作面予定轴向距离的位置上，这 样，上方和下方力矩的量值要比支撑装置设置在比预定的轴 向距离大的位置上时所产生的上方和下方力矩的量值小。

在本发明的另一个实施例中，钻头的切削件包括两组切 削件。其中一组切削件设置在靠近钻头侧面部分的下端，第 二组切削件设置在靠近钻头侧面部分的上端。其中第一组切 削件离钻头纵轴线的径向距离小于第二组切削件离钻头纵 轴线的径向距离。

在本发明的另一个实施例中，用扩孔装置将标准钻头主 体部分与弯曲钻进装置的保持器连接起来。该扩孔装置有一 下端和一上端，并在它的下端带有反作用件，在它的上端带 有扩孔件。反作用件在钻进过程中始终与井孔壁的一部分接 触，并承受来自井孔的反作用力，它与来自切削件的横向力 相对应。反作用件从钻头的纵轴线向径向延伸到不超过由切 削件所切削的孔。扩孔装置把由切削件所切的孔扩大，其位 置在反作用件前方最大角度180°处。

本发明的许多优点和特点从下面对本发明的实施例和 附图的详细说明中将看得更清楚。

图1A为本发明的弯曲钻进装置的一个实施例的示意 图，它适于应用在钻弯曲半径大的弯曲孔；

图1B、1C、1D和1E为本发明的弯曲钻进装置的另一个 实施例的部分示意图，它适合应用在钻弯曲半径小的弯曲 孔；

图2为与图1A至1D中类似的传统的弯曲钻进装置下 端的放大截面图，其中弯曲导向装置设在柔性接头上方；

图3为设置在图1A所示弯曲钻进装置端部的钻头的 侧视示意图；

图4为图3中所示钻头的仰视图；

图5为本发明的弯曲钻进装置的又一实施例的示意图；

图5A和5B为图5所示弯曲导向装置中沿线5A—5A 截开的两个位置(在高侧和其左方90°侧)的剖面图；

图5C为图5上端所示装置的改进的柔性接头的放大剖 视图；

图5D至5E为图5C所示改进的柔性接头沿剖面线 5D—5D和5E—5E剖开的剖视图；

图6为图5所示的沿6—6线剖开的剖视图；和

图7为本发明的弯曲钻进装置的又一个实施例的示意 图。

虽然本发明可以有许多不同形式的实施例，但图中只表 示了几个实施例，这里也只描述本发明的几个典型的实施 例。但要理解，这里公开的是说明本发明原理的例子，而不是 将本发明局限于几个实施例。

参阅图1A，弯曲钻进20连接在旋转钻头22和钻具24 之间，它用来钻弯曲的油气井的孔26。该孔26具有一个内 径Ri、一个外径Ro和一个曲率半径Rc。所述弯曲钻进装置 20由一般的旋转驱动源来驱动(为简便起见，驱动源未在图 中示出，且为普通专业技术人员所熟悉)，它用于在地下土层 中钻一个具有孔壁28的孔26。旋转驱动源可以是市场上买 得到的带有用于连接市场上买得到的钻头的钻具的钻机。该 装置20可以用在任何场合(如：水井、蒸汽井、地下采矿等) 钻一个弯曲的孔26。它也可以用来从一个基本垂直的孔出 发钻一个弯曲的孔26。

该弯曲钻进装置20包括：一个弯曲导向装置34，它与 钻具24连接；钻头22；支撑装置48；和接触装置或孔配合装 置50。

为了钻一个弯曲的孔26，必需使钻头轴线31相对于孔 26的纵向轴线产生一个偏角30并保持住，而且还要在孔中 控制该偏角的方位的方向。弯曲导向装置34用来产生并保 持由钻具24向孔的外径Ro方向偏转所产生的偏角。

钻头22有一主体部分36，一从主体部分延伸出来的导 向部分40，一从导向部分延伸出来的工作面部分42，多个切 削元件44，和用来产生沿净不平衡力向量Fi(见图4)方向的 净不平衡力的不平衡力装置46，所述向量Fi在钻进过程中 基本与钻头纵向轴线31垂直。

支撑装置48位于弯曲钻进装置20上的切削元件44附 近，它与由钻头纵轴线31和净不平衡力向量Fi所构成的力 平面相交，并在钻进过程中基本与孔壁28保持接触。

孔配合装置50用于接触或配合孔壁28，并支承钻进过 程中孔壁28上的净不平衡力Fi的径向分力。

参阅图2，弯曲导向装置34包括一个设置在一套筒或 偏心套筒98内的能转动的心轴86，和一个柔性球接头装置 186。该心轴86有一个上孔端88，一个下孔端90，一根纵向 或转动轴线92和一个内部流体通道94。所述套筒98有上 孔端100、下孔端102、一根纵向轴线104(也见图5A和5B) 和一个在上下孔端之间延伸的通道106。该通道106可以以 一个相对于套筒轴线104偏斜的角度延伸穿过套筒98，以 便使心轴86的转动轴线92相对于套筒轴线产生偏斜。套筒 98包括孔配合装置50，它用来防止在钻进过程中套筒与心 轴86一起转动。孔配合装置50主要包括大钉、刀片、线状或 刷状件、或其它产生摩擦的装置，在钻进过程中，所述产生摩 擦的装置将与孔壁28配合，以防止当钻头22、钻具24和心 轴86转动(通常从孔26顶部向下看到顺时针方向)时套筒 98的转动，并且允许套筒在心轴反向(通常为反时针)转动 时随心轴转动。(参见Warren等人发明的，转让给Amoco公 司的美国专利US5,213,168)。

所述装置20所以用在钻大、中、小弯曲半径的弯曲孔。 当横向钻进时，倾斜弯化率通常是根据孔Rc(见图1A)的半 径来描述的。它不同于常规钻进方法，在常规的方法中，弯曲 孔常用每100英尺增大或减小的度数来描述。小半径曲线一 般半径小于150英尺。中等半径大约为150至300英尺，大 半径曲线的半径都超过300英尺。为了比较，每100英尺增 加5度约等于1000英尺半径的曲线。各种曲率(小、中、大) 中没有哪一种本质上比其它的要好。根据用于给定井的对象 和场地的限制，某一曲率常常比另一种曲率更合适。但是，作 为一个总的原则，小半径曲线常常更适用于油层再采，因为 在套管座与作业区之间开孔的地方最小。半径越小，从套管 中取出部件的需要也越小。小半径的曲线也允许将防水泵放 置在靠近产油区的位置。另外，曲线越短，需要穿过作业区上 方的地层就愈少。这样可以将与有暴露在不稳定油页岩上的 开孔、油层上的天然气囊和其它采油区联系在一起的问题减 少到最低限度。当曲线半径变小时，所能钻进的侧向平井的 长度也越短。小半径曲线也限制了所采用的完井方式。例如， 通常给30英尺半径的曲线下套管将是不现实的。

通过在钻具的两端之间增加一个柔性接头186，能够提 高钻具24的柔软性和该装置20钻小半径曲线孔的能力。所 述柔性接头186可以是关节接头，或其它能够产生偏斜30 的任何形式的万向接头，以加大曲部分Rc的半径和通过偏 斜所传递的扭力、推力和拉力。

其它的改变弯曲孔26的弯曲部分Rc半径的装置或方 法是改变钻头22与柔性接186之间的长度L(见图1A)。使 用一个或多个隔离件178就能够做到这一点。参阅图2，弯 曲钻进装置20有一个可拆卸地连接在钻头22与心轴86下 端90之间的隔离件178。它提供了一个改变钻头22与心轴 86下端90之间的距离L的方便的装置，而不需要修改钻头 或心轴。隔离件178可设计成能更快更便宜地制造成各种长 度。这样就允许把其它需要更昂贵和费时的制造工艺的部件 (如钻头22，心轴86等)制造成统一的规格，而不需要昂贵 的定货制造了。

再来看钻头22，钻头主体部分36设置在钻头纵向轴线 31的周围，用于容纳穿过钻具24和弯曲导向装置34的旋 转驱动源。主体36包括一个能够用已知方法将其连接到钻 具24上的其它部分的连接件38(如：一套形件或销形件，参 见图2的下端)。钻头纵轴线31延伸穿过钻头22主体36的 中心。这里所使用的术语“径向”是指从钻头纵轴线31垂直 向外确定或测定的位置，如图3和4所示。术语“侧向”是指 从钻头纵轴线31横着向外，但不一定与钻头纵轴线31垂 直，所确定或所测定的位置或方向。术语“轴向”或“纵向”是 指沿钻头轴线31或与轴线共同延伸所确定或所测定的位置 或方向。

钻头22的导向装置40一般为筒形，并有一个基本与钻 头轴线31平行的轴线。由于该导向装置基本上为筒形，因此 它在一个从钻头轴线31到导向装置外表面48径向向外确 定的导向半径Rg，如图2所示。换句话讲，导向部分40沿着 圆周线与钻头22的工作面部分42相交，所述圆周线是确定 钻头半径Rg的地方。导向部分40从主体36开始延伸，并最 好包括多个外槽52或通道57(见图4)。所述外槽50或通道 57一般与钻头轴线31平行，以便于从孔26的孔底将岩屑、 钻井泥浆和碎石取出。

钻头22的工作面部分42有一个弯曲轮廓(即，当从与 钻头轴线垂直的方向看，工作面部分的横截面有一个凹面轮 廓)。例如，当从立体图侧面看，工作面部分42有一球形、抛 物线形或其它的弯曲形状(见图2和3)。但这种外形不受限 制。例如，工作面部分42可以是平的，或可以有一个用于提 取岩芯样的轴向延伸的空腔。

钻头22的许多切削件44固定在钻头外部，这些切削件 44从钻头外表面凸出，并彼此有一定间距。钻头22最好包 括至少一个导向切削件56，它与钻头工作面部分42上的切 削件44有一间隔，并被固定在导向部分40上，而且从导向 部分上凸起。

各切削件最好是安装在支撑部分上，硬质合金支撑部分 (见图4)上的聚晶金刚石复合材料。当然，切削件可以是其 它材料，如天然金刚石和热稳定聚晶金刚石材料。各切削件 44和56都有一个分别设置在钻头主体工作面部分42或导 向部分40中的底部。各切削件44和56有一个用于接触所 切削的地下土层材料的切削刃。

弯曲钻进装置20最好包括用于产生一个净不平衡力Fi 的装置46，所述净不平衡力Ri是沿着净不平衡力向量的方 向上产生的，净不平衡力向量基本上垂直于钻头在钻进过程 中的纵向轴线31。在继续描述之前，最好说明一下净不平衡 力装置46的优选的元件和性能，钻进过程中作用在钻头22 上的各种力和这些力是怎样产生的，以及这些力是怎样作用 在弯曲钻进装置20中的。

不平衡力装置46可以由钻头22或钻具24中的不平衡 重量，套在钻头或钻具上的偏心套筒或环，或类似的能产生 净不平衡力向量Fi的机构所组成。不平衡力装置46的不平 衡力最好由切削件44和56所产生，包括一径向不平衡力和 一周向不平衡力。换句话说，净不平衡力向量Fi能够看成一 个径向不平衡力向量和一个周向不平衡力向量的合力或两 者的合成矢量。

当切削件44和56产生不平衡力时，净不平衡力向量Fi 的大小和方向将根据切削件的位置和方位来确定(例如：切 削件44和56在钻头22上的特殊布置和钻头的形状，因为 钻头的形状对切削件的位置有影响)。方位包括切削件的纵 向前角和旁锋刀面角。向量Fi的大小和方位也受每个切削 件44和56的具体的设计(如：形状、尺寸等)、作用在钻头 22上的重量载荷、转速和所钻进的地下土层的物理特性的 影响。钻头上的重量载荷是由旋转驱动源(即钻具)所施加的 纵向或轴向力，该力直接作用在钻头22的工作面部分42 上。地下钻头通常要承受10,000磅以上的重量载荷。

在任何情况下，切削件44和56的位置要布置成所产生 的净不平衡力向量Fi使支撑面48在钻进过程中与孔壁28 接触，使所产生的净径向不平衡力向量有一个平衡方向，并 使所产生的净径向不平衡力向量随扰动位移而基本回复到 平衡方向。本发明的这些方面和作用在钻头上的相关的力， 在美国专利US5,213,168；US5,131,478；US5,010,789和 US5,042,596中都有说明，这些专利都转让给了Amoco公 司。

如图4所示，切削件在工作面部分上沿径向直线布置。 但，这是为了用图进行说明，而不是为了限制本发明。例如， 切削件可以沿工作面部分作非线性布置，以便形成一个或多 个弯曲的形状(未示出)，或者可以在工作面部分上无规则不 均匀地布置切削件(未示出)。所有切削件都会产生一个净不 平衡力向量Fi，该向量Fi在钻进过程中基本上与钻头纵轴 线31垂直。

参阅图3和4，支撑装置或滑动面48设置在钻头切削 件附近，以便与由净不平衡力向量Fi和钻头纵轴线31所形 成的力平面相交。支撑面48的位置最好在钻头22上或靠近 钻头22(例如：在钻环上或在接在钻头上的稳定器上，专业 技术人员看了本说明书就能明白)。支撑面48最好设置在钻 头22的导向部分40上的基本上没有连续的切削件的区域。 没有切削件的区域最好在钻头22工作面42上延伸。

没有切削件的区域包括导向部分40和工作面部分42 的一个基本上连续的区域，工作面部分42没有切削件44和 56以及磨损表面。没有切削件的区域与由钻头纵轴线31和 净不平衡力向量Fi构成的力平面相交，并布置在该力平面 周围。上述力平面是一个用于作参考基准的概念，这一概念 有利于解释说明钻头22和弯曲钻进装置20上的净不平衡 向量Fi的作用。例如，该力平面位于图3图纸的平面上，并 从钻头纵轴线31向外延伸，穿过支撑面48。当如图4所示 从纵向看钻头22时，这一力平面与图面垂直，具有与净不平 衡力向量Fi相对应的凸出部分。所述力平面的概念有助于 理解不平衡力向量的作用，这是因为净不平衡力向量并不总 是与导向部分40相交。在一些情况下，所述的力向量Fi可 以从钻头工作面部分40上的或其附近的轴线31正对着孔 壁28径向向外延伸，而不穿过导向部分40。即使在这些情 况下，净不平衡力向量Fi仍将指向并位于钻头22上的穿过 导向部分40的径向平面上。

支撑表面48设置在力平面没有切削件部分的周围，用 于在钻进时基本上连续地接触孔壁28。支撑面48也可以包 括一个或多个滚柱、滚珠轴承或其它低摩擦负荷的支撑面。 支撑面48最好包括一个基本光滑的耐磨滑动面48，它设置 在力平面附近的切削件缺少部分上，以便在钻进时与孔壁 28滑动接触。最佳滑动面48与由钻头纵轴线31和净不平 衡力向量Fi构成的力平面相交。

滑动或支撑面48构成了基本上连续的、其面积等于或 小于没有切削件部分的区域。这里的支撑面48设置在导向 部分40上。支撑面48可以是与钻头22的其它部分相同的 材料，或者是相对较硬的材料，如硬质合金。另外，支撑面48 可以包括一个能增强其支撑面和提高其寿命的抗磨层或金 刚石渗透层、多个金刚石柱镶嵌物、多个薄的金刚石垫、或类 似的镶嵌物或渗透层。

支撑面48直接与孔壁28接触。通过钻头将钻井泥浆泵 入并通过钻头22的导向部分在孔中朝上循环，因此给支撑 面48一些润滑。尽管如此，支撑面48与孔壁28仍基本上要 保持接触。因此，如上所述，低摩擦耐磨层对于支撑面48是 常常需要的。

支撑面的具体的尺寸和形状要根据具体的钻头设计和 使用的情况来确定。支撑面或滑动面48最好沿基本是在导 向部分40的整个纵向长度延伸，而围绕圆周面的延伸长度 不大于其50％。滑动面48可以绕导向面的约20％—50％的 圆周上延伸。滑动面或支撑面48绕导向圆周面上的延伸长 度最少为30％左右。

优选的滑动面48要足够大，所以当该滑动面作用在孔 壁28上时，所施加的力大大地低于孔壁地层材料的压缩强 度。这样就能够使滑动面48不挖入和不破碎孔壁28，而如 果挖入孔壁就会导致钻头产生不必要的旋转运动和孔26尺 寸过大。滑动面48的尺寸要足够大，以便在不平衡力由于地 下地层材料的硬度变化和孔26内的其它扰动力而移动时， 仍能将净不平衡力向量Fi围住。通常，滑动面48的尺寸可 以这样选择，即，在钻头切削刃磨损时，仍使净不平衡力向量 Fi继续被滑动面所包围。

参阅图1B，用于钻小半径的弯曲井孔的最好的改进型 式包括附加在钻具上的柔性或活节钻管段84，它紧接在弯 曲钻进装置20的上方。该活节钻管段84通常包括几段具有 万向接头85之类的管段，正如专业技术人员所公知的一样。 设置了活节段84就不会降低该装置20钻小半径弯曲井孔 的能力，(也就是说，传统的钻具常不具有足够的柔性以便在 小半径井孔中移动，因此它不能用来钻小半径的井孔)。活节 钻管段84最好从弯曲钻进装置20穿过井孔的弯曲部分向 孔上延伸。

活节钻套环常被称为“摆动管”。这些钻套环设计成从钢 制钻套环上切下的一串互锁的凸出结构。每一个这样的钻套 环84都装有高压液软管和密封组件。以往，这些钻套环只在 用于转动穿过小半径弯曲井孔时方选用，但也不理想，因为 在压力载荷下这些钻套环倾向于拉直，使钻具转动困难，使 调整偏斜套的程序复杂，而且不易控制。当设计和制造得好 时，钢制钻套环是非常结实的，并且使用寿命长，但也存在一 些严重问题。此外，不论摆动管如何制造，它都有些难以控 制，这是因为它不能在钻塔中立起。这就导致在钻进和倾斜 时要增加提升和放下的时间。由于必须安装液压套管以便于 钻井液的循环，从而限制了能够穿过钻具的测量仪器的尺 寸。也限制了系统的压力值。

由于在发生偏转并转动一周时，各段钻套环的挠性变化 很大，因此摆动管常造成钻进困难。在半径为30英尺的弯曲 井中转动的60至100段钻套环的总效果能够产生很大的转 矩振动。使各段钻套环向管子长度的下方偏置或“定相”，能 够减少上述问题，但有些偏置实际上扩大了这种效果。

由于各段钻套环的“斜度”而常发生定向的问题，摆动管 在制造过程中通过用割炬所切割的切口而获得挠性，但，同 一个特征使得各段钻套环能相对地滑动和移动，特别是当钻 管在弯道中偏转时更是如此。在弯道中60至100段段钻套 环的倾斜能够产生导致严重定向错误的长期的转动中止。

另一个替代摆动管的方案是使用连续的套管，这些套管 是由高强度、低模量材料，如钛或石墨玻璃纤维复合材料(见 图1D)制造的。这些材料能够提供足够的强度而不会产生在 更普通的材料，如钢或铝中常发生的严重的强度问题。

大部分金属件在高于它们的屈服强度50％的循环载荷 作用下将不能正常工作，这是因为腐蚀和表面凹凸(凹口)加 速了疲劳断裂的发展。因此，看来只有钛能提供在小半径钻 进中使用的足够的抗疲劳强度。另一方面，复合材料具有更 好的抗疲劳断裂性能和较低的成本。因此，尽管钛件的应力 略小于复合材料中的，但实际上复合材料可以具有较高的疲 劳寿命。

复合钻管84(见图1D)是摆动管的一种替代方案。复合 管沿管体间隔设置有耐磨套，以防止与井孔全部接触。最好 的耐磨套的间隔能通过有限元分析来确定。重量轻、没有活 节的复合管比摆动管更易操作。钻进较顺利，重量减轻了，力 矩的传递改善(由较高的穿透速度所证实)，而且定向更准 确。另外，复合管的使用更方便。

从用复合管作试验中可看出，在没有不希望有的活节套 环工作的情况下，弯曲钻进能进行得有效而准确。这就使得 要研究一下，是不是能重新设计摆动管，以使它接近复合管 的特性。建造了一个装置来分析动态的摆动管特性。该装置 由22英尺的4.5英寸套管弯成每英尺2度(即，28英尺的 半径)的弧线，用它钻出一个3.94英寸的井孔，在该井孔中， 摆动管能够偏斜和转动。该装置通过电动机和液压缸同时给 摆动管提供旋转和轴向载荷。在套管上切一个窗口，以便直 接观看装活节的各段钻套环。液体的压力、钻头上的载荷和 电机的电流(力矩)记录在长图记录纸上，然后将图形数字 化，以便用于数据分析。结果显示：

·在转过一整转过程中，各段中挠性的变化使得所述管 反复地伸缩(即，管子一会长，一会短)。

·各段的前边缘的圆形表面，在施加力矩时使得驱动凸 部“重叠”在被驱动凸部上，这进一步使管伸长。

·一旦力矩卸载(通过关掉钻机平台马达)，管就松开， 并且轴向载荷明显地下降。

用小塑料管模型作试验表明，理想的摆动管应设计成能 够从凸部到凸部平稳地传递轴向载荷，如果可能，同时将力 矩从两个驱动凸部传递到两个被驱动凸部。另外，当处在拉 力下而始终能对中的能力对于定向来说将是十分有利的。

实验证明弧形表面的样式不能满足传递力矩的标准。 但，如果让两个驱动凸部同时传递力矩，方形边缘的样式就 能满足力矩标准。同样，平的凸部顶面和前边缘能平稳地传 递轴向载荷。

根据燕尾形的对中性能好并且有所需要的平的凸部边 缘(见图1C)，试验了一种燕尾形钻套环。一个零相位的20 英尺接头取得了令人振奋的结果，但很明显，各段钻套环必 须定好相，以便使活节钻套环更顺利地运转。不象现有技术 中的那样，每段钻套环仅倾斜几度，而是以频繁地重复的方 式，以减少横向倾斜的扩大。这种改进是引人注目的，实际 上，在各种轴向载荷作用下都能顺利地转动。由于燕尾形的 设计，摆动管的特性得到很大改善。

燕尾形设计使得摆动管能用于小半径弯曲钻进，并得到 很高的评价。但是为了用该系统达到更高的目标，例如较长 的横向平井，复合管的潜在优点可能取代低成本的钢摆动 管。

很早就注意到，改变弯曲井孔26的弯曲半径的一种装 置或方法，是改变钻头22与心轴86的下端90之间的一个 或许多间隔件178(见图1A)的长度L。所述间隔件178连接 在钻头22和心轴86的下端90之间，可以拆卸。在钻水平井 孔段时，常常必须校正倾斜度或方向。横向孔愈长，而且作业 区愈薄，愈是需要也愈是能够进行这种校正。通常，对横向部 分的方向或倾斜度的校正必须在比在小半径井孔中使用的 更长的弯曲部分中进行。小半径井孔部分的曲率通常是每 100英尺200°。一般的校正约为每100英尺10°。为了达到特 定曲率的弯曲钻进装置的设计是由它的特征长度和偏斜套 的偏心率来控制或确定的。例如，如果小半径弯曲钻进装置 的特征长度为16英寸，偏心率为0.625英寸，那么，为了加 大曲率半径，就必须大大加长其特征长度，或大大减小其偏 心率。如果长度保持在16英寸，那么，为了将曲率增大到每 100英尺10°，就必须将偏心率降到0.037。这个数值小于井 孔直径的正常变化，并很可能使所述钻进装置的钻进状态无 法予测。换句话说，通过降低偏心率来达到缩小曲率是不可 行的。

然而，却能够增加特征长度来达到减小曲率的目的。如 果偏心率保持在0.625英寸，那么特征长度需要加长到104 英寸。虽然具有这些尺寸的装置的钻进状态是能够予测的， 但是，在进入横向或水平段井孔之前必须通过的这段小半径 弯曲段的弧线太长了，以致于这种装置不能通过这段弧线。

解决此难题的一个方法是制造一个柔性间隔件178。如 图1E所示，通过使用类似于图1D中的管84所使用的玻璃 纤维/硬质合金复合管来制造间隔管178就可以解决这个问 题。这样该钻进装置具有足够的柔性以通过这段弧线，而仍 具有足够的刚性，以保持钻头适当的方向。换句话说，在钻头 上方有复合管178的弯曲钻具，有足够的柔性通过弧线段， 并仍具有为钻头导向的适当的刚性。

使用具有凸部结构的活节套环也可能获得相同的效果， 在施加压力时，所述凸部能刚性地锁定在其位置上。通过使 用高强度钢或钛制造的间隔件，也可能获得这样的柔性，这 些材料具有足够的柔性，而不会在通过弯曲井孔段时超过其 屈服强度。

柔性件或方向接头的作用是当钻小半径圆弧时允许钻 头22在井孔26中足够地倾斜。它必须能够传递：朝向钻头 的轴向推力、钻头卡住时向上拉的拉力和使钻头转动的力 矩。柔性接头也必须转动平稳，在压力载荷作用下能弯曲、在 力矩载荷作用下不会被拉直，和以最小的泄漏传送流体。

美国专利US5,213,168中公开了一种先进的柔性接 头。该接头包括两个力矩传递齿，这两个齿在球和止推套的 中心上方附近啮合，在钻进装置转动时，球和止推套能稍稍 摆动，以保持两个齿的啮合。如果齿上的载荷正处在球中心 的正上方时，则摆动最小。这种接头的强度高，用于小半径弯 曲钻进时的操作性能好。在此以前的柔性接头不能证明是满 意的，因为它们无论是在压力还是力矩载荷的作用下都倾向 于被拉直。

图5、5C、5D和5E中所示的是一种改进的柔性或万向 接头286。这种接头包括一个承载套管250和一个插管252。 该万向接头286通过钻具传递轴向力和力矩，同时让钻井液 通过该接头的中心进行循环。

承载管250包括一第一端254、一相对端256和穿过端 部254和256延伸的孔258。承载管250一般为圆筒形，它有 一延伸到两端254和256的纵向轴线259，还包括一个设置 在孔258中并从承载管第一端254延伸出来的承载件或球 销262。承载管250的相应的端部256用来连接钻具、钻套 环、弯曲钻进装置或类似装置。孔258最好与承载件262中 的孔265连通，以便流过流体。如图所示，承载件262的一端 有一轴263。该轴263用来把承载件连接在承载管250中。

插管252包括第一端264、一相对端266和一穿过所述 两端的孔268。插管252设计和布置成可借助于支撑保持器 278和保持螺母290将承载管250的承载件262安装在它 的第一端264的孔268中。插管252最好为圆筒形，并具有 一根延伸到两端264和266的纵轴线269。插管的相对端 266可以在插管252与之相连接的钻管、钻套环、心轴或类 似的装置中形成。

插管252包括一个设置在插管252的孔268中的止推 套或止推轴承表面274。球销262包括一个用于接触止推支 承表面274，和在承载管250与插管252之间传递推力的止 推承载面276，为了将作用在钻头上的重力从钻具传递到弯 曲钻进装置保持器上去，必须有承载面276。

过去使用小半径钻进装置的实践表明，柔性接头必须具 备这样的性能，即，在轴向压力或力矩作用下也不会被拉直。 而且，力矩的传递最好尽可能离开接头的中心线远些。这里 的压力载荷是通过止推套274和球销262来传递的。拉伸载 荷由轴承保持器278和球销262来传递。止推套274和球销 262最好用不同的金属或材料制造，以便使摩擦减少到最低 限度。密封件280(如O型密封环)帮助限制钻井液穿过球销 262和止推套274的中心进入井孔中。

图5和5C所示的一种改进的柔性接头286的新特点是 将力矩传递横穿过接头286的方法。参阅图5E，通常将6个 金属球260放置在球销262和止推套274中的互补的球形 座或凹槽270和272中，以便于平稳地传递力矩。这些凹槽 或座270和272的形状是这样的，当接头偏向任何方向时 (在设计限度之内)，所有的球都均匀受力。特别是，球销262 中的座270基本上为球形，以便将球260保持在相对于球销 端部的“球”心的适当位置上。但是，相邻的座272的形状最 好不是完全互补的球形(即，是椭圆形的)，以便能让插管 252相对于承载管250作有限的相对转动(如几度右左)。具 体的说，止推承载面276和止推支撑面274是这样设计和布 置的，当接触到止推支撑面时，止推承载面274能借助于力 矩传递球260绕枢轴中心292转动，该枢轴中心是共面的， 或径向重合的(相对于承载管250和插管252的纵轴线259 和269)。

改进的万向接头286的另一个独特的地方是把球销 262固定在承载管250(见图5D)上的方法。具体说，使用了 一个扁键294和一组定位销296。扁键294是为了防止球销 262相对于承载管250的轴向运动的。借助于4个销子或转 动定位销296来提供扭转刚性，定位销296设置在球销262 的销轴端299与承载管250的主体之间的槽298中。密封件 280用于保持压力。

如图5C所示，止推承载面276和止推支撑面274最好 是配合的凸凹面，以便当承载管250和插管252之间传递轴 向推力时，便于枢轴转动。如图5C所示，止推承载面276为 凸形，而止推支撑面为凹形，不过面274和276中无论那一 个都可以是凸面，而另一个则为凹面。在一个标准的柔性接 头286中，止推承载面276和轴承保持器278构成了一个用 于球销262的球端的球形凹座。

柔性接头286可以设置在两个弯曲导向装置34中的任 一个中，并当导向装置为配合装置50时，通常布置在弯曲导 向装置的同一端上。承载管250或插管252可以用来将柔性 接头186连接到心轴86上。在图2中，配合装置50和柔性 接头186设置在心轴86的下孔口端90。插管的下端布置成 朝向心轴86的下孔口端。在图5中，接触装置50的位置与 图2相反。

参阅图2，钻头22上的切削件44在井孔中产生一个横 向力。该力FC由作用在滑动套48上的反作业力FR相对抗， 该滑动套在钻头22的底部稍上方。试验数据说明作用在滑 动套48上的作用力FR作用在或指向该套的顶端(即，因为 磨损，大多发生在该套的上端)。由于切削力FC和反作用力 FR在沿着钻头22的轴线31方向不是作用在相同的轴向位 置上，因此，所形成的力矩将给万向接头186造成一个横向 力FL(即，由于万向接头是钻具中最紧凑的非刚性部件)。具 体说，横向/侧向力FL试图将球162推出它的座176，因此引 起接头的磨损和钻头22轴线31的频繁移动。这种移动足以 影响到弯曲钻进装置所钻的曲率半径FC。

万向接头186上的横向力FL通过减少切削力FC和套 的反作力FR的轴向分开距离，能够减到最小。在钻进装置 中，在未发生故障之前，两个力FC和FR之间的轴向分开距 离对于3—15/16英寸直径的钻头来说估计约为3英寸。具 有靠近钻头端部的导向器的相同直径的钻头具有较好的性 能。

由力FR和FC所形成的力矩也能够通过将部分切削力 FC沿轴向分配在套48上面以及套的下面来降低。图3和4 中示出了这种情况。用这种构思所设计的钻头22′，对于所 有实际上的目的来说，能够消除由力FR和FC构成的力矩对 万向接头设计的限制。

参阅图3，钻头22′有一个附加的优点，即，在该钻头使 用在紧配(如小半径)孔中时，能使间隙问题减少到最小。更 详细的说，一旦钻头22′被拉动一段约等于套48的长度时， 钻头就移入直径比钻头的最大直径部分稍大些的井孔中。这 就提供了足够大的间隙，所以，即使钻头22′稍有倾斜，或者 在它上方带着一些岩屑的话，钻头被卡在井孔26中的可能 性也很小。

再参阅图3，钻头22′绕中心线或轴线31转动，该轴线 由切削件5a和6a和滑动套48确定。标准切削件56a和56b 径向布置得离钻头22′的中心线31的距离比滑动套48更远 (即RC大于RP)。这样，当钻头22′转动时，标准切削件56a 和56b钻削出一个孔，其直径为半径RC的两倍(即2RC)。而 且，一旦钻头22′拉动的距离稍大于滑动套的长度，钻头就 移入井孔中比最大直径RP加RC还稍大一些的部分中。在一 种设计中，井孔直径和钻头22′的有效直径之间的差约为1/ 16英寸。这就提供了一个足够大的间隙，即使占头22′稍微 倾斜一些或在它上方带着岩屑，也不大可能被卡在井孔中。

参阅图5，类似的弯曲钻进装置的测试说明，使用这种 弯曲钻进装置能将井孔的倾斜以每100英尺5°的速度增加 到35°。但是，在倾斜度达到35°之后，任何试图用钻进装置 的偏心率使钻进从弯曲面转过90°来的努力(即为了改变井 孔的方向)都没有成功。一旦偏心套筒98定向之后，钻进重 新开始时，(在有些情况下甚至在钻进重新开始之前)套筒就 转动，于是接头的位置就在曲线的外面。这种转动似乎是由 产生力矩的重力和弯曲力所共同造成的，参见图5A和5B， 它使得套筒98在上边向右或向左偏时发生不稳定。虽然在 没有弯曲的井孔中接触力减小了，但作用在钻进装置上的重 力有时也足以妨碍使套筒维持在所要求的方向上。

通过在钻进装置中增加第二柔性或万向接头，以及在两 个接头之间的间隔件和稳定器，就能够减少弯曲力和重力。 图7示出了这种情况。来自接头上方套环的弯曲力和重力都 由稳定器58承受。因此，它们不会产生力矩来使套筒98转 动。来自接头下面的钻进装置部件的重力将仍由偏心套筒 98承受。偏心套筒98两侧的锋利的轴向对准的弹簧加压的 刀片51进一步帮助偏心套筒保持其方向。

在两个柔性接头286和286′之间的间隔件278的长度 根据套筒98的偏心程度来决定。在一种情况下，间隔件278 的长度可以这样选择，以便在接头处的最大弯曲度约为一 度。间隔件278的倾斜度提供了一个附加好处，即，作用在钻 头上的重力(WOB)将使径向分力指向偏心套筒98的后部， 这样有利于将它控制在原来的位置上。在偏心套筒底侧上加 上锋利的沿轴向的凸脊，可以增强这种效果。

当使用弯曲钻进装置时，如图1和2所示的一样，当使 钻进装置20脱离井孔时，有时要受到相当大的阻力。一般认 为这是由于拉着不转动的套筒98穿过有较厚滤饼的渗水 区。在套筒98上方不远处增加一个转动稳定器58，就成为 一种在钻具转动时将滤饼除掉的装置。通过使钻井液循环和 在钻具穿过任何可能有厚的滤饼的渗水区时使钻具转动，能 进一步减少这种提升阻力。

对315/16英寸的小关径弯曲钻进工具和8英寸大 半径钻进工具，即，对与图1A和1B所示的类似工具的测试 说明，在钻一个受控弯曲井孔时防止钻头旋转是非常有利 的。这是美国专利US5,213,168的技术主题。这些试验还说 明当钻进装置从井孔中提出时，图3和4中的钻头的障碍将 减少。如果在弯曲钻进装置中使用标准钻头时能够至少实现 一些抗转动钻头或双中心钻头的优点，将是很有利的。

为此目的，一个办法就是使用一个与位于钻头上方的扩 孔装置(如：PDC或滚子扩孔器)组合的标准钻头。图5和6 示出了这样一个装置。在标准钻头22″的上方设有一个扩孔 装置60(如：PDC或滚子扩孔器)。这种组合既能稳定地防止 旋转，同时又有双中心扩孔的好处。在这个例子中，旋转的钻 头22″有一个设置在纵轴线31周围，用于与弯曲导向装置 34连接(通过间隔器70和72)的主体部分36，有一个导向 部分40，一个工作面部分42和设置在工作面上的切削装 置。切削装置随着钻头在井孔中的转动，对钻头产生一个横 向力；但是，对于标准的或传统的钻头22″来说，这个力是很 小的。扩孔装置60的主体62携带了一个反作用件64和一 个扩孔件66。

扩孔件66的位置在反作用件64的上方。扩孔件66相 对于纵向轴线31在钻头切削件上方的一定轴向距离上沿径 向延伸。扩孔件66的位置在反作用件64前方最大为180° 处。扩孔件66与井孔壁接触，并对井孔产生一个横向力。通 常，扩孔件66所产生的横向力大于由钻头22″所产生的任何 类似的力(即：净横向力的位置似乎仅仅是来自扩孔件)。

反作用件64的位置在钻头22″的导向部分的上方。该反 作用件64在钻进过程中基本上与井孔壁28连续接触，并承 受来自井孔的力，该力与由于扩孔件66以及钻头22″产生的 净横向力相对应。反作用件64从纵轴线31向外的延伸不超 过由钻头切削件切削的孔。反作用力和横向力形成了一个下 方的力矩，该力矩与带有指向柔性接头的分力的上方的力矩 方向相反。反作用件64可以包括一个非切削的滑动件或滚 柱。

扩孔件66最好设置在比从钻头到柔性接头286的距离 更靠近钻头22″的位置上，以便使上方和下方的力矩小于扩 孔件设置在离钻头轴向较远的地方时的上、下方力矩。换句 话说假如扩孔件66被设置在远离钻头的地方，上、下方的力 矩就要大得多。扩孔件66最好设置在反作用件的前方，最少 60°(见图6)。

如图6所示，扩孔件66包括一个径向设置的臂67和设 置在臂上的多个切削件68。如图6所示，反作用件64包括 一个套；而在某些设计中，多个套64a和64b(虚线所示)可 能更好。在工作中，扩孔装置60将井孔扩大了一点，以便在 从井孔中提升钻具时形成一个间隙。它也提供了一个用于驱 动工具克服“低摩擦”反作用力64的径向力，以便使钻头的 转动减到最小。

从以上陈述中可以看到，对于专业技术人员来说大量的 改变，替换和修改是显而易见的。因此，本说明书只是为了作 出说明，并教导专业技术人员实施本发明的方法。可以作出 各种改变，材料可以替换，也可以利用本发明的各种特点。例 如：图5和7中的钻头可以用一个牙轮钻头。此外，一些标准 的PDC阻力钻头可以有一个导向衬套，该衬套用于图5和7 所示的装置中时起低摩擦反作用件的作用，因此，不必在扩 孔装置上单独设置反作用件。因此，在不脱离由权利要求书 限定的本发明的范围的情况下，可以作出各种修改，替换和 变化等。当然，权利要求书的目的是要覆盖包含在权利要求 书范围内的所有改进型。