[0001] 本
发明涉及一种用于油气勘探和生产行业的改进的钢缆式钻井系统(wireline drilling system)，且具体涉及一种具有一体式
钻屑去除系统的钢缆式钻井系统。在本发明的具体实施方式中，钢缆式钻井系统包括：螺杆构件，其布置成将钻屑输送到一体式钻屑收集筐；和一体式牵引机，其用于运行并提供钻压(weight-on-bit)。
[0002] 发明背景
[0003] 在油气生产一段时间后，许多井遭受近钻孔
地层的破坏，这限制了未来的生产。此时，显然希望增加产量，且这需要井干预以接近和/或释放剩余的油气储量。
[0004] 通常，井干预将包括侧钻现有的井，但是这通常需用到昂贵的钻机或连续油管钻井单元(coiled tubing drilling unit)。然而，低成本的井没有经济地证明与这些井干预方法关联的成本和停机时间，并且在任何情况下即使是高成本的井也非常需要最小化停机时间。
[0005] 可选地，通过有效地替换完井来彻底改变是已知的，但可理解地，这是一道成本高的工序并且尤其当地层已被严重损坏时不保证成功。如果地层已经受损，再打孔、
酸洗和其它化学处理可能仅仅提供产量上的暂时提高，且也将是有限的功效，并且特别在化学处理情况下可能进一步损坏地层。
[0006] 环境问题为采用
水力压裂
流体或其它化学干预方法设置了许多不利因素，包括
地下水的潜在污染和对空气
质量的影响。在预测地层将如何对具体的压裂尝试产生反应方面也有困难，并且尽管缺少结论性的证据，但是担心依然关乎由流体注射到深井中诱发的
地震或地面震颤。
[0007] 在井干预操作中已经实施了
辐射钻井，其中，连续油管和喷射技术用于从现有的井眼钻出小直径的井眼以暴露干净的地层，用于提高油气产量。然而，喷射技术在钻进地层中并不总是有效的，并且连续油管单元是昂贵的。
[0008] 特别在井干预操作中，钻井技术优选的是喷射技术。然而，在钻井操作中，并且特别是当侧钻现有的井或钻出裸眼井侧向分支(open hole lateral)时，问题是固有的。一个这样的问题在于钻井钻屑的去除，钻井钻屑将另外阻挡生产，并且因此导致钻井操作产生相反效果。
[0009] 在WO2009/062726中，以一系列的步骤描述了一种从水平钻孔的工作区域去除钻屑的方法，即，将钻屑从工作面输送到钻孔工具的后面，从钻井工具的后面输送到与主井的接合部，并且从接合部输送到处理
位置。建议了从钻井工具的后面输送钻屑的多种方法，包括取回钻井工具或使用往复式输送设备。然而，所公开的输送方法似乎缺乏机械效率，并且认为，钻屑去除的效果是相应有限的。
[0010] GB2416550描述了一种钻井工具，在侧向分支井眼中，该钻井工具使用第一
泵以使流体循环来从
钻头并沿着井眼清除钻屑，并且使用第二泵使流体穿过侧向分支井眼循环以将钻屑输送出侧向分支井眼。这依赖于多个泵的系统，其本身是机械的，并且(在钢缆式操作中)将是电效率低下的。此外，不清楚随后如何从主井眼去除钻屑，或确保如何有效地去除侧向分支井眼中的钻屑以防止堵塞。
[0011] 在US7,487,846中，公开了一种钢缆式钻井方法，其中电
马达用于通过钻头使生产流体反向循环以去除钻井钻屑。在钻头中发生堵塞的情况下，可预见到反向循环的流体将搅动井底处的堵塞物并且降低钻头塞住的
风险。此外，该系统需要井处于生产中，这致使该系统在实际上可能已停止生产的情况下对于井干预操作是无效的。
[0012] 在上述公开中的每个中，钻井钻屑在钻井过程中沿着钻孔移动；但是没有公开可以如何以有效的方式从井眼流体或者实际上从井去除钻屑。
[0013] DE2808206中描述了一种钻井工具，其包括可旋转的切削构件、使流体循环的
叶轮、以及分离器，该分离器借助于
过滤器从正循环的流体分离夹带的材料，并将所述夹带的材料储存在工具中。然而，本
申请人已认识到，提供叶轮和开口以接纳夹带有钻井钻屑的流体不足以确保有效的钻屑捕获。
[0014] WO00/58602公开了一种用于清洗
套管内衬式钻孔(casing-lined borehole)的清洗工具，该清洗工具包括固体收集设备，并且US1,880,214和US2,116,359涉及从地面旋转的包括用于钻屑捕获的构造部的钻井系统。
[0015] 本发明的方面和/或实施方式的目的是提供一种用于当钻井或在井干预操作中侧钻井眼或从主井眼钻出裸眼井侧向分支时有效收集、储存和/或去除钻井钻屑的装置。从阅读下面的描述，另外的目标和目的将变得明显。
[0016] 发明概述
[0017] 根据本发明的第一方面，提供了一种钢缆式钻井系统，包括：钻井组件，其配置成钻出井眼；和一体式钻屑去除系统，其布置成收集并储存由钻井组件排出的钻屑以输送到地面，该一体式钻屑去除系统包括用来储存钻井钻屑的钻屑筐、和可旋转的螺杆构件，该可旋转的螺杆构件是可操作的以沿该一体式钻屑去除系统的至少一部分传送钻井钻屑。
[0018] 可旋转的螺杆构件可由此将钻井钻屑输送到钻屑筐和/或将钻井钻屑分布在钻屑筐内。可旋转的螺杆构件可在该系统的向上方向(即，在正钻井的井眼或侧钻的向上方向)上输送钻井钻屑。本文中的向上意在表示朝着至井眼的开口的方向或在孔
中轴向地侧钻，尽管本申请可能用于倾斜的井眼。可旋转的螺杆构件可输送钻井钻屑离开与螺杆构件流体连通的入口，以便流体和钻屑的混合物可以经由入口传递到螺杆构件，并且可由螺杆构件输送离开入口。
[0019] 一个或多个入口可以位于螺杆构件的下部部分处或接近螺杆构件的下部部分。
[0020] 注意，出于定义本发明的范围的目的，钢缆应被理解为包括钢丝(slickline)或其它柔性的运输件类型。此外，可旋转的螺杆构件将被技术人员理解为包括任何功能上等效的构件，该构件能够在旋转或者移动时沿其长度将钻屑输送到钻屑筐。这样，可旋转的螺杆构件将被理解为不严格限于螺旋螺杆，并且可以包括例如平坦部分。
[0021] 优选地，可旋转的螺杆构件包括第一部分和第二部分，第一部分布置成将钻屑分布在钻屑筐内，并且第二部分布置成将钻屑输送到钻屑筐。优选地，第一部分的直径小于第二部分的相应直径。可选择地，可旋转的螺杆构件是阿基米德螺杆。
[0022] 有利地，第二部分为锥形。优选地，钻屑去除系统的内表面是锥形的，以便与螺杆构件的锥形下部部分对应。
[0023] 优选地，钻屑去除系统包括位于螺杆构件的下部部分处或靠近螺杆构件的下部部分的一个或多个入口。最优选地，钻屑去除系统包括泵，该泵配置成使流体经由一个或多个入口在钻井组件和钻屑去除系统之间循环。泵可以是螺旋型或叶轮型。优选地，泵配置成正向循环。
[0024] 有利地，钻屑去除系统配置和/或布置成在系统的底部和顶部之间提供压力差。这种压力差降低了钻屑落回的可能性并且有助于将钻屑保持在钻屑筐中。
[0025] 优选地，钢缆式钻井系统包括通至可旋转的螺杆构件的入口，该入口可以提供井眼和可旋转的螺杆构件之间的流体连通。入口可配置成接收钻井流体和所夹带的固体的混合物，并且可以将混合物传递到暴露于螺杆构件的位置。优选地，该系统配置成将混合物传递到其通过泵循环压力暴露于螺杆构件的位置。
[0026] 入口可以设置在钢缆式钻井系统的本体构件中，并且可以位于该本体构件的直径上相对的侧部处。入口可以是部分环形的，和/或可以以与本体构件的标准径向方向倾斜的一
角度布置。入口可以由上锥形表面和下锥形表面定界。
[0027] 钻井系统可包括出口管道，该出口管道可在本体构件中轴向地定向，并且其可以穿过界定入口的开孔轴向地延伸。出口管道可以与开孔隔离，但是可以提供从开孔通向钻井系统的中心孔的循环路径。循环路径优选地经由螺杆构件穿透到其中的容积。
[0028] 优选地，钢缆式钻井系统包括过滤器，该过滤器作用为使流体进入到出口管道中，但阻止固体的通过。
[0029] 最优选地，钢缆式钻井系统还包括牵引机，该牵引机配置成选择性地接合井眼并使钢缆式钻井系统在井眼内产生轴向位移。优选地，牵引机配置成以两种或更多种不同的速度来移位钢缆式钻井系统。最优选地，
牵引车配置成提供钻压以推进钻井组件抵靠正被钻井的地层。可选择地，牵引机包括一个或多个夹紧构件。夹紧构件可以以爬行模式操作。可选地，牵引机包括一个或多个轮状部分。轮状部分可以以连续驱动模式操作。
[0030] 优选地，钢缆式钻井系统包括一个或多个铰接部分，以允许钢缆式钻井系统的纵向偏转。铰接部分可包括柔性的弹性体
橡胶区。可选择地，牵引机通过
球形接头联接到钻屑去除系统。可选地，牵引机通过柔性的长形构件联接到钻屑去除系统，该柔性的长形构件提供它们之间的轴向分离。
[0031] 优选地，钻屑筐包括配置成确定包含在其中的钻屑的量的至少一个
传感器。优选地，该至少一个传感器包括设置在钻屑筐的内表面上的由绝缘材料隔开的一对或多对
电极，该一对或多
对电极中的每一个配置成确定它们之间的
电阻率。可选择地，该至少一个传感器配置成基于钻屑筐中的钻屑的电阻率来确定地层组成。
[0032] 优选地，钻井组件包括钻井马达和由钻井马达旋转的钻头。可选择地，钻井组件包括在钻井马达和钻头之间的
齿轮箱。钻头可以是
聚晶金刚石复合片(PDC)类型或孕嵌金刚石类型。可选择地，钻井组件配置成在钻井过程中使钻头谐振或振荡。钻井组件可设置有用于此目的的谐振头。
[0033] 可选择地，钢缆式钻井系统还包括布置成使钻井组件产生离轴偏差的可调节的弯头。优选地，可调节的弯头是可控制的，以控制钻井方向。可选地或另外，钻井方向可通过调整钻头的旋转或者视情况调整谐振头来控制。
[0034] 优选地，钢缆式钻井系统还包括选自以下组的一个或多个传感器，包括：卡钳传感器，其用于确定井眼的直径；方向传感器，其用于确定钻井组件的方向；
压力传感器，其用于确定井眼中的环空压力；RPM传感器，其用于确定钻头的旋转速度；
扭矩传感器，其用于确定施加到钻头的扭矩；和钻压传感器，其用于确定钻压。
[0035] 优选地，钢缆式钻井系统还包括控
制模块，该
控制模块配置成响应于从一个或多个所述传感器接收的信息来控制钻井操作。
[0036] 根据本发明的第二方面，提供了一种钻屑去除系统，以用于收集由钻井组件排出的钻屑，以输送到地面，该钻屑去除系统包括：钻屑筐，其用来储存钻井钻屑；和可旋转的螺杆构件，该可旋转的螺杆构件是可操作的以沿其至少一部分将钻井钻屑输送到钻屑筐。
[0037] 可选择地，可旋转的螺杆构件是阿基米德螺杆。优选地，可旋转的螺杆构件包括第一部分和第二部分，第一部分布置成将钻屑分布在钻屑筐内，并且第二部分布置成将钻屑输送到钻屑筐。优选地，第一部分的直径小于第二部分的对应直径。
[0038] 有利地，第二部分为锥形。优选地，钻屑去除系统的内表面是锥形的，以便与螺杆构件的锥形下部部分对应。
[0039] 优选地，钻屑去除系统包括位于螺杆构件的下部部分处或靠近螺杆构件的下部部分的一个或多个入口。最优选地，钻屑去除系统包括泵，泵配置成使流体经由一个或多个入口在钻井组件和钻屑去除系统之间循环。泵可以是螺旋型或叶轮型。优选地，泵配置成正向循环。
[0040] 优选地，钻屑筐包括配置成确定包含在其中的钻屑的量的至少一个传感器。优选地，该至少一个传感器包括设置在钻屑筐的内表面上的由绝缘材料隔开的一对或多对电极，该一对或多对电极中的每一个配置成确定它们之间的电阻率。可选择地，该至少一个传感器配置成基于钻屑筐中的钻屑的电阻率来确定地层组成。
[0041] 本发明的第二方面的实施方式可包括本发明的第一方面或其实施方式的一个或多个特征，反之亦然。
[0042] 根据本发明的第三方面，提供了一种钻井方法，该钻井方法使用根据第一方面的钢缆式钻井系统，或者使用包括根据第二方面的钻屑去除系统的钢缆式钻井系统，包括：
[0043] 将钢缆式钻井系统运转到井眼中；
[0044] 使用钻井组件钻进地层；并且
[0045] 收集由钻井组件排出的钻屑。
[0046] 最优选地，该方法包括至少一次收回钢缆式钻井系统，以处理收集到的钻屑。可以将钻屑收集在钢缆式钻井系统的钻屑筐中。收集到的钻屑的处理可包括排空钻屑筐，或用空的钻屑筐替换满的或部分满的钻屑筐。
[0047] 优选地，该方法包括确定钻屑筐中包含的钻屑的量。优选地，该方法包括确定钻屑筐的内含物的电阻率。可选择地，该方法包括基于钻屑筐的内含物的电阻率来确定地层组成。
[0048] 优选地，该方法包括响应于确定钻屑筐中包含的钻屑的量来收回钢缆式钻井系统以处理收集到的钻屑。
[0049] 优选地，该方法包括旋转螺杆构件以将钻井钻屑输送到钻屑筐。优选地，该方法包括旋转钻屑筐内的螺杆构件以使钻屑分布在钻屑筐内。
[0050] 最优选地，该方法包括使流体经由一个或多个入口在钻井组件和钻屑去除系统之间循环。优选地，操作泵以提供正向循环。流体的循环夹带流体中的钻井钻屑，流体中的钻井钻屑随后被输送到钻屑筐。
[0051] 最优选地，该方法包括选择性地接合钢缆式钻井系统的牵引机，以使钢缆式钻井系统在井眼内产生轴向位移。优选地，该方法包括以两种或更多种不同的速度来移位钢缆式钻井系统。
[0052] 最优选地，该方法包括：使用牵引机产生轴向位移，以提供钻压来推进钻井组件抵靠正被钻井的地层。牵引机可以以爬行模式操作。可选地，牵引机可以以连续驱动模式操作。
[0053] 可选择地，该方法包括在井眼中的中间位置处使牵引机的动力消耗增加以确定最大推力。
[0054] 可选择地，该方法包括在钻井过程中使钻头谐振或振荡。可选择地，该方法包括使用谐振的或振荡的钻头使地层破裂。
[0055] 可选择地，该方法包括控制可调节的弯头，以产生钻井组件的离轴偏差。优选地，控制可调节的弯头来控制钻井方向。可选地或另外，钻井方向可以通过调整钻头的旋转或者视情况调整谐振头来控制。进一步可选地或另外，该方法包括使钢缆式钻井系统偏转以提供定向钻井。这种偏转可以通过使用造斜器实现。
[0056] 可选择地，控制钻井方向以从井眼钻出裸眼井侧向分支。
[0057] 优选地，该方法还包括响应于从一个或多个传感器接收的信息来控制钻井操作。传感器可选自包括以下传感器的组：卡钳传感器，其用来确定井眼直径；方向传感器，其用来确定钻井组件的方向；压力传感器，其用于确定井眼中的环空压力；RPM传感器，其用来确定钻头的旋转速度；扭矩传感器，其用来确定施加到钻头的扭矩；和钻压传感器，其用来确定钻压。
[0058] 可任择地，该方法包括响应于从一个或多个传感器接收的信息来停止钻井操作。另外，或可选地，该方法包括响应于从一个或多个传感器接收的信息使钢缆式钻井系统往复离开底部。可通过响应于从一个或多个传感器接收的信息中的变化或缺乏变化来重新开始或维持停止/取消钻井操作和/或井底布置。
[0059] 本发明的第三方面的实施方式可包括对应于本发明的第一方面或第二方面或其实施方式的特征的一个或多个特征，或反之亦然。
[0060] 根据本发明的第四方面，提供了一种用于钢缆式钻井系统的钻井组件，钻井组件包括钻井马达和由钻井马达旋转的钻头，以及泵，泵配置成引导流体从钻头上方的入口穿过钻头，并且使流体通过在钻井组件和井眼之间的环形空间循环。
[0061] 泵可以是螺旋型或叶轮型。
[0062] 可选择地，钻井组件包括在钻井马达和钻头之间的齿轮箱。该钻头可以是聚晶金刚石复合片(PDC)类型或孕嵌金刚石类型。可选择地，钻井组件配置成在钻井过程中使钻头谐振或振荡。该钻井组件可设置有用于此目的谐振头。
[0063] 可选择地，钻井组件还包括布置成产生钻井组件的离轴偏差的可调节的弯头。优选地，可调节的弯头是可控制的，以控制钻井方向。可选地或另外，可以通过调整钻头的旋转或视情况调整谐振头来控制钻井方向。进一步可选地，钻井方向由造斜器确定。
[0064] 优选地，钻井组件还包括一个或多个传感器，其选自包括以下传感器的组：卡钳传感器，其用来确定井眼的直径；方向传感器，其用来确定钻井组件的方向；压力传感器，其用于确定井眼中的环空压力；RPM传感器，其用来确定钻头的旋转速度；扭矩传感器，其用来确定施加到钻头的扭矩；和钻压传感器，其用来确定钻压。
[0065] 本发明的第四方面的实施方式包括对应于本发明的第一方面到第三方面或其实施方式中的任一项的特征的一个或多个特征，或反之亦然。
[0066] 根据本发明的第五方面，提供了一种井干预方法，其包括根据第三方面的钻井方法。
[0067] 可选择地，井干预方法包括从井眼钻出裸眼井侧向分支。
[0068] 优选地，井干预方法包括在钻出井眼期间或者钻出井眼之后从井中采收油气。
[0069] 本发明的第五方面的实施方式可包括对应于本发明第一方面至第四方面或其实施方式中的任一项的特征的一个或多个特征，或反之亦然。
[0070] 根据本发明的第六方面，提供了一种从井眼中钻出裸眼井侧向分支的方法，包括：
[0071] 将根据第一方面的钢缆式钻井系统运转到井眼中；
[0072] 在控制钻井组件的方向的同时钻进；并且
[0073] 收集由钻井组件排出的钻屑。
[0074] 本发明第六方面的实施方式可包括对应于本发明的第一方面到第五方面或其实施方式中的任一项的特征的一个或多个特征，或反之亦然。
[0075] 根据本发明的第七方面，提供了一种钻井方法，包括：
[0076] 将钢缆式钻井系统设置在主井眼中，该钢缆式钻井系统包括由柔性联接件连接的钻头子组件和牵引机，其中牵引机配置成选择性地接合井眼，并且使钢缆式钻井系统在井眼内产生轴向位移，并且其中柔性联接件是可操作的以将钻压从牵引机传递到钻头组件；将牵引机
定位在主井眼中并且使牵引机与井眼接合；并且，利用钻井组件来钻出侧钻井或侧向分支井。
[0077] 该方法可包括当牵引机位于主井眼中时通过钻井使侧钻井或侧向分支井的深度延伸。
[0078] 本发明的第七方面的实施方式包括对应于本发明的第一方面至第六方面或其实施方式中的任一项的特征的一个或多个特征，或反之亦然。
[0079] 根据本发明的第八方面，提供了一种钢缆式钻井系统，包括：
[0080] 通过柔性联接件连接的牵引机和钻头子组件，其中牵引机配置成选择性地接合井眼并使钢缆式钻井系统在井眼内产生轴向位移，并且其中柔性联接件是可操作的以将来自牵引机的钻压施加到钻头组件。
[0081] 优选地，钢缆式钻井系统是可操作的，以当牵引机位于主井眼中并与主井眼接合并且钻头组件正在钻进侧钻井或侧向分支井时，通过柔性联接件将钻压从牵引机组件传递到钻头组件。
[0082] 本发明第八方面的实施方式可包括对应于本发明的第一方面至第七方面或其实施方式中的任一项的特征的一个或多个特征，或反之亦然。
[0083] 根据本发明的第九方面，提供了一种钻屑去除系统，以用于收集由钻井组件排出的钻屑以输送到地面，该钻屑去除系统包括用来储存钻井钻屑的钻屑筐和可旋转的螺杆构件，该可旋转的螺杆构件是可操作的以将钻屑分布在钻屑筐内。
[0084] 本发明的第九方面的实施方式可包括对应于本发明的第一方面至第八方面或其实施方式中的任一项的特征的一个或多个特征，或反之亦然。
[0085] 在本发明的另一方面中，提供了一种钢缆式钻井系统，其包括配置成钻出井眼的钻井组件、和钻屑去除系统，该钻屑去除系统布置成收集由钻井组件排出的钻屑以输送到地面。
[0086] 优选地，钻屑去除系统包括用于储存钻井钻屑的钻屑筐。优选地，钻屑去除系统包括可旋转的螺杆构件，该可旋转的螺杆构件是可操作的以使钻井钻屑沿其至少一部分被输送到钻屑筐。可选地或另外，可旋转的螺杆构件是可操作的以将钻屑分布在钻屑筐内。
[0087] 本发明的该方面的实施方式可包括对应于本发明的第一方面至第九方面或其实施方式中的任一项的特征的一个或多个特征，或反之亦然。
[0088] 根据本发明的第十方面，提供了一种钻出井眼的方法，该方法包括：提供钢缆式钻井系统，该钢缆式钻井系统包括钻井组件和一体式钻屑去除系统，一体式钻屑去除系统包括钻屑筐和可旋转的螺杆构件；将钢缆式钻井系统运转到井眼中；钻进地层；操作钢缆式钻井系统的泵以使流体在钻井组件和可旋转的螺杆构件之间循环；操作可旋转的螺杆构件以沿一体式钻屑去除系统的至少一部分运送钻井钻屑；并且收集由钻井组件排出的钻屑。
[0089] 本发明的第十方面的实施方式可包括对应于本发明的第一方面至第九方面或其实施方式中的任一项的特征的一个或多个特征，或反之亦然。
附图简要说明[0090] 现在将参照附图(相同的附图标记用来表示相同的特征)仅通过举例来描述本发明的方面的各种实施方式，其中：
[0091] 图1以示意的形式阐示了根据本发明的实施方式的钢缆式钻井系统的钻屑去除系统；
[0092] 图2A以示意的形式阐示了根据本发明的可选的实施方式的可选的钻屑去除系统的纵向截面；
[0093] 图2B阐示了图2A的实施方式的钻屑的入口的进一步细节；
[0094] 图2C阐示了用于从图2A和2B的实施方式的入口输送钻屑的锥形螺杆的进一步细节；
[0095] 图3以示意的形式阐示了根据本发明的实施方式的用于监测包含在钢缆式钻井系统的筐内的钻屑的体积的钻屑筐传感器；
[0096] 图4以示意的形式阐示了根据本发明的实施方式的包括牵引机和钻屑去除系统的钢缆式钻井系统；
[0097] 图5以示意的形式阐示了根据本发明的实施方式的类似于图4所示的在钻井操作期间在裸眼钻孔中的钢缆式钻井系统。
[0098] 图6以示意的形式阐示了根据本发明的实施方式的类似于图4和5所示的那些系统的在钻井操作期间在套管内衬式钻孔下方的钢缆式钻井系统；
[0099] 图7是阐示了根据本发明的实施方式的示例性钻井操作的
流程图，采
用例如参照图4、图5或图6描述的钢缆式钻井系统；和
[0100] 图8A至8D分别在一对纵向截面视图和一对剖面视图中阐示了根据本发明的可选的实施方式的钢缆式钻井系统。
[0101] 优选实施方式的详细描述
[0102] 本发明的方面特别涉及钻井操作的改进以用于井干预操作，并且可以看成在钻井钻屑的有效收集、增加钻屑储存的体积和有效使用、以及从井眼去除钻井钻屑方面提供超过
现有技术的改进。所有的这些改进允许许多提升的井干预技术的实现和进行小口径钻井(slim hole drilling)，例如，一种有吸引力的并且成本有效的建议。以下实施方式用来阐示这些优点以及它们如何在实践中被实现。如以上提到的，其中对钢缆操作做出参考，这些应被理解为包括钢丝和其它柔性传输件类型。
[0103] 图1阐示了钢缆式钻井系统(未示出)的钻屑去除系统103，其包括中空的圆柱形本体构件105和螺杆构件107，螺杆构件107大体上沿中空的圆柱形本体构件105的整个长度延伸。在该实施方式中，当作为一体式构件形成时，螺杆构件107可以看作包含两个不同的部分；上部部分107a和下部部分107b。螺杆构件107的下部部分107b从略小于圆柱形本体构件105的下端部的内直径的第一直径向上逐渐变细到与螺杆构件107的上部部分107a相似的较小的直径。螺杆构件107，并且至少下部部分107b，实际上是锥形阿基米德螺杆。
[0104] 在螺杆构件107的下部部分107b附近的圆柱形本体构件105的内直径相应地从宽孔朝向圆柱形本体构件105的下端部逐渐变细至窄孔，该窄孔与螺杆构件107的下部部分107b的顶部和上部部分107a的底部一致。台肩105b设置在锥形部分105a的上方，并且在台肩105b上方提供了用于储存钻井钻屑的储存容积或钻屑筐109。螺杆构件107和圆柱形本体构件105，并且特别是相应的锥部提供了抵抗钻屑筐109内的任何钻屑的向下运动的密封或屏障。注意，因为钻井钻屑的连续向上运动将保证钻屑的极小的回流，所以密封不需要是完全的密封，同样在螺杆构件107的下部部分107b和圆柱形本体构件105的锥形部分105a之间不需要提供完全的密封。
[0105] 多个流体入口111设置在圆柱形本体构件105的锥形部分105a的下面，以接收流体和流体中夹带的任何钻屑。泵115直接位于流体入口111的下方，配置成正向循环钻井流体；钻井流体因此从入口111上方穿过入口111引入到圆柱形本体构件105中，穿过钻头(未示出)向下泵送，如由向下的箭头所示的。然后，通过泵115、螺杆构件107的旋转和由有效环形空间的增加引起的压力下降的组合作用，循环流体将朝着入口111行进回来，并吸回到钻屑去除系统103中。由钻头产生的钻屑将被夹带在循环流体中并从而输送到入口111。
[0106] 螺杆构件107的旋转(通过螺杆马达，未示出)将夹带在钻井流体中的钻井钻屑向上牵引并经由螺杆构件107的下部部分107b进入到钻屑筐109中。连续但较小直径的构造部，即设置在台肩105b附近的密封或屏障的上方的螺杆构件的上部部分107a实现钻屑朝着钻屑筐109的上端部的输送。这将防止密封或屏障处的堵塞，并且还能够比其它可能更加有效地填充钻屑筐109。流体出口113朝向钻屑筐109的所述上端部设置，以允许通过螺杆构件105的作用引入到钻屑筐中的流体退到钻孔中，如由相应箭头所示。
[0107] 还设想，螺杆构件的下部部分不一定是锥形的，并且在可选的实施方式中，螺杆构件的下部部分是固定的直径。
[0108] 螺杆构件的使用解决了由本申请人提出的问题，由泵提供的抽吸可能不足以将钻屑传递到钻屑筐中。此外，螺杆构件的使用意味着不管钢缆式钻井系统的方向，甚至当从垂直井眼钻出水平的裸眼井侧向分支时，都可以执行钻屑的收集。
[0109] 另外，有利的是，钻屑去除系统配置和/或布置成使得在系统的底部和顶部之间存在压力差，以便减小钻屑回落的可能性并且有助于将钻屑保持在钻屑筐中。
[0110] 图2A阐示了钻屑去除系统203，其类似于图1的钻屑去除系统，再次包括中空的圆柱形本体构件205和螺杆构件207，螺杆构件207大体上在中空的圆柱形本体构件205的整个长度上延伸。螺杆构件通过螺杆马达217带动旋转，如以上描述的，这引起钻井流体穿过入口211被引入(见图2B，示出了由参考字母A表示的区域的透视图)，并且夹带的钻屑首先通过螺杆构件207的下部部分207b向上引入到钻屑筐209中，并且其次通过螺杆构件207的上部部分207a向上分布在钻屑筐209内。为了阐示的目的，收集在钻屑筐中的钻屑由参考数字221标记。再次通过泵215提供正向循环，在该实施方式中，泵215包括大螺杆型泵。
[0111] 此外，在该实施方式(特别参见图2C，显示了由参考字母B表示的区域的放大视图)中可以看出，
电缆223沿着钻屑去除系统203的长度延伸，以将来自顶侧钢缆(未示出)的功率提供给泵215和/或钻井马达(未示出)，在该钻井马达下方旋转钻头(也未示出)。因此，可在下面描述的附图中找到本文涉及的但是目前仍未示出的那些特征。此外，螺杆构件207的下部部分207b可以看作是包含多个开孔，以通过入口211在泵215和钻孔之间提供流体连通，如由相应的箭头所示的。
[0112] 多个电极219显示为位于钻屑筐209的内表面上，分布在中空的圆柱形本体构件205的台肩205b和流体出口213之间。电极219配置为提供监测包含在钻屑筐209内的钻屑的体积的钻屑筐
传感器系统。
[0113] 图3更详细地阐示了以电阻率测量模式操作的钻屑筐传感器系统的示例性实施方式，其中多个电极319按已知间隔沿钻屑筐309的长度定位。
[0114] 电极319由绝缘部分327隔开，该绝缘部分327用于隔离沿着钻屑筐309的内壁的相邻电极。通过应用欧姆定律，已知
电流的施加允许测定相邻电极之间的材料的电阻率。电阻率的变化将表示钻井钻屑的(a)存在和(b)性质。当筐是空的时，电阻率将是钻井流体或钻孔完井流体的电阻率。当用钻井钻屑填充钻屑筐时，电阻率将增加。参考工具的几何常数来确定所有分布的电极319对边的电阻率值提供了钻屑筐309的充满率(fill level)的指示。由于钻屑筐的部分变得充满，并且在成对的相邻电极之间的区域相应地显示恒定的电阻率，所以这些电阻率可以用来给出钻屑和由此的正钻井的地层组成的指示。中间读数还可以提供关于组成的信息。
[0115] 除了作为运送装置和用于从地面为各种动力部件(例如牵引机、泵、螺杆和钻井组件)提供电动力的传输线的功能外，钢缆式电缆(wireline cable)还能进行系统和地面之间的双向数据传输。例如，无论是在处理后或者为了进行处理，来自电极的数据可以通过钢缆式电缆传输到地面。另外，控制
信号沿着钢缆从地面传送到井下钻井系统。因此，除了作为从地面为各种动力部件(牵引机、泵、螺杆和钻井组件)提供电动力的管道的功能之外，通过使用数据遥测的钢缆式电缆来控制和监测该系统。
[0116] 图4所示的是钢缆式钻井系统401的一种实施方式。钢缆式钻井系统包括钻屑去除系统403，其类似于上述钻屑去除系统的实施方式。在该实施方式中，提供另外的流体入口412以允许的另外的钻孔完井流体或钻井流体通过泵415(在该实施方式中为叶轮式泵)引入到工具中，并且包括橡胶弹性体的多个柔性部分428为钻屑去除系统403提供一定程度的铰接。这特别用于例如在有偏差的井眼中或者当从主井眼中钻出裸眼井侧向分支时工具需要展现一些柔性的地方的应用。
[0117] 钻井组件位于钻屑去除系统403下面，钻井组件包括由容纳在433处的钻井马达驱动的钻头431。提供可调节的弯头435(或定向接头)来允许以预定的和/或可控制的角度偏斜钻井。该弯头435，例如，允许以非常高的折线区来钻出短半径的侧向分支井。电马达(未示出)控制弯头的方向，并且提供传感器来确定方向。
[0118] 球形接头429将钻屑去除系统403连接到上方的钻井牵引机451。此外，这旨在为两者之间提供柔性铰接，并且可旋转地分离钻井牵引机451和钻屑去除系统403。该球形接头429与铰接的或柔性的部分428和牵引机451上方的另外的球形接头430结合，允许沿钻井系统401的长度的大的偏转。
[0119] 在该实施方式中，通过钢缆式电缆461从地面给钻井牵引机451提供动力。注意，钢缆式电缆461也是系统401通过其下降到井眼中并且也是可以如何收回系统401的装置。在该实施方式中，牵引机包括多个夹具453，其配置成一旦钻井系统401处于所需的位置便接合井眼。(在可选的实施方式中，牵引机可以包括多个轮状区——如下面进一步详细描述的)。
[0120] 一旦接合，则(相对于钻井系统401)向上驱动夹具453以使钻井系统401向下行进，并且为钻井操作提供钻压。当夹具453达到或接近它们的运动范围的末端时，它们从井眼脱开并返回到起始位置，在起始位置它们再次与井眼接合。该重复动作可称为爬行或行走，并且可调整夹具453的接合，使得所有夹具453一起接合和脱开，但优选地，夹具453的接合和脱开是错列的，使得提供连续的正向运动和/或钻压。钻井牵引机451能够以至少两种速度来操作，例如利用适当可变的齿轮；一种较快的速度用于使钻井系统401向下行进(例如，具有较低转矩的齿轮)和一种较低的速度用于提供钻压(例如，具有较高扭矩的齿轮)。
[0121] 由牵引机451提供的钻压同样辅以系统401本身的重量。此外，如果钻头变得卡住，需要从底部摘除，或改变钻井参数，牵引机451可以反转。牵引机451的反转操作可由从地面牵引钢缆式电缆461来辅助。
[0122] 容纳控制
电子的控制模块437位于在牵引机451和转环439(用于在钢缆式电缆461与钻井系统401之间的旋转分离)之间。除了钻屑筐传感器(未显示，但上文描述过)，还在钢缆式钻井系统401内提供了多个传感器和传感器系统，其向控制模块437提供信息。
[0123] 例如，近钻头卡钳传感器441设置在钻屑去除系统403下方，以确定钻孔的外直径。在本实施方式中，卡钳传感器441为
超声波型的，然而也可以想象到可以使用指型传感器，或任何其它合适的可选件。注意，可以基于钢缆式电缆471展开的长度(加上钻井系统401的长度)和由卡钳传感器确定的钻孔的直径来确定钻进的孔的容积。钻进的孔的容积和钻屑筐409中的钻屑量的比较可用作孔清理的测量。
[0124] 还提供了方向传感器；在本实施方式中，该方向传感器容纳在钻井马达模块433内。该方向传感器采用了三轴
加速度计来确定孔的倾斜度，然而在可选的实施方式中可以使用
陀螺仪或类似仪器。可以从该测量推导出孔的方向以及工具的方向。
[0125] 还在钻井马达模块433内提供了RPM传感器(以确定钻头的旋转速度)、扭矩传感器(以确定正施加到钻头的扭矩)和钻压(WOB)传感器(以确定钻压)。RPM、扭矩和WOB的测量允许优化钻井参数。
[0126] 此外，提供了环空压力传感器443(同样，在该实施方式中靠近钻头)，以监
测井下循环的流体的当量循环
密度。当量循环密度或ECD通过检测到的环空压力除以钻孔的实际垂直深度来确定。ECD的变化可等同于正在再循环的钻屑的量的变化。另外的益处是通过监测ECD可以确定卡管的风险，例如比预期大的ECD可以表示的是钻屑开始到从孔离开并且可以改变钻井参数和/或者流体循环以补偿。在小口径钻井的具体应用中，例如由于钻屑负载或约束，所以被监测的相应的小环空容积允许非常精确地确定ECD，对ECD的变化特别灵敏。从而，可以减少卡钻或工具落井的可能性。
[0127] 钻井系统本身包括大型电马达(其容纳在钻井马达模块433中并且通过钢缆式电缆从地面供电)和钻头431，该钻头431可以是聚晶金刚石复合片(PDC)类型或孕嵌金刚石类型，然而可以使用任何合适的钻头。通过齿轮箱(未示出)联接到该马达以控制并优化钻井参数。
[0128] 可以想象，为了降低钻压要求，可使用谐振钻头。谐振钻头还将具有另外的应用，例如用于使正在钻井的地层破裂。
[0129] 图5以示意形式(利用穿过钻屑去除系统503和钻井马达模块533的剖视图)阐示了图4所示的钢缆式钻井系统的可选实施方式。为了阐示的目的，所示钢缆式钻井系统501在裸眼(即未下套管)钻孔563中执行钻井操作。可以看到由钻头排出的钻屑521被夹带在循环流体(由相关箭头所示)中并被携带离开井底，于是它们由钻屑去除系统503捕获并储存在钻屑筐509中。
[0130] 在该特定实施方式中，牵引机551包括轮状部分553，轮状部分553接合钻孔563的壁，并提供所需的轴向位移，以便推进系统501并且视情况提供钻压，作为参照图4描述的推挽
履带式牵引机(push-pull crawler type tractor)451的替代方式。
[0131] 图6以示意形式阐示了图4和5中所示钢缆式钻井系统的另外可选的实施方式。所示的钢缆式钻井系统601在套管内衬式钻孔663下方执行钻井操作。当钻井组件631、
633在下面钻出裸眼钻孔时，轮状部分653接合套管665。长形构件667将牵引机651联接到钻屑去除系统603并且使它们之间保持固定的间隔。该构件667可以是柔性的以允许牵引机651和钻井系统601的下部部分之间的偏差(并且可能是显著偏差)，钻井系统的下部部分包括钻屑去除系统603和钻井组件631、633。当应用钢缆式钻井系统来钻出裸眼井侧向分支或侧钻现有的井时(见阴影轮廓)，这是特别有利的。
[0132] 当然，长形构件667可以用于将牵引机651直接联接到不带有钻屑去除系统603的钻井组件631、633，并且该实施方式(未示出)形成本发明的可选方面，用于钻出裸眼井侧向分支或侧钻现有的井。
[0133] 图6所示的实施方式和上面描述的(没有钻屑去除系统的)可选实施方式两者都是特别有利的，因为其允许通过钻井使侧钻或侧向分支井延伸，同时提供钻压的牵引机能够保持在主井眼中。如果主井眼已经下完套管，例如，本发明的这些实施方式可以利用改进的或至少可预测的牵引，并且也不需要运转到侧钻井或侧向分支井中。
[0134] 图7是阐示根据本发明采用钢缆式钻井系统的示例性钻井操作的流程图，例如参照图4、5或6所述。
[0135] 首先，钢缆式钻井系统下钻(RIH)到预定深度771。在此阶段，钢缆式钻井系统处于钻孔的垂直部分中。随后使牵引机的动力消耗增加(包括：接合夹具、轮状部分或类似物)，并且施加最大向下力以确定垂直孔中的最大推力773。这可用于确定井眼的偏差部分中的或者当从主钻孔钻出裸眼井侧向分支时的等同的最大推力。
[0136] 然后使牵引机从钻孔脱离，并且接着使用钢缆式电缆把钢缆式钻井系统运转到孔的底部775。当然，在井的偏差部分中，当该偏差使得钢缆式电缆和工具的重量不足提供实现移动的重力时必须采用牵引机推进钢缆式钻井系统。随后使包括钻井组件和钻屑去除系统的整个钢缆式钻井系统777的动力消耗增加。在此阶段，使用设置在钢缆式钻井系统上的各种传感器执行测量，包括ECD、扭矩和环空压力测量779。
[0137] 如前所述，通过接合牵引机并且提供钻压，然后开始钻井781。在钻井期间，流体被循环并夹带由钻头去除的钻井钻屑。如上文详细描述，这些钻屑被收集在钻屑筐中。在钻井过程中，钻屑筐的充满率以及ECD被连续监测。假定传感器读数正常，继续钻井直到钻屑筐是(例如)50％满785，此时钢缆式钻井系统从井底处的切削面撤出，并测量ECD以及钢缆
张力787。
[0138] 再次假设传感器读数正常，恢复钻井789直到钻屑筐是100％满791，此时停止钻井，并且钢缆式钻井系统再次从井底处的切削面
撤回793。一旦传感器读数已经恢复至在开始钻井之前设定的基准线值，使用钢缆式电缆将钢缆式钻井系统从孔中拉出(POOH)至地面795。在发生堵塞或卡住的情况下，POOH可借助于牵引机的操作。
[0139] 一旦撤出，钻屑筐可被清空797，并且如果需要进一步的钻井，每当需要的时候，可以从将钢缆式钻井系统运转到井底的步骤775重复该过程。
[0140] 在监测钻屑筐和ECD783期间或当监测ECD和钢缆张力787时，在任何阶段确定传感器读数异常的情况下，钢缆式钻井系统从井底处的切削面撤出直至传感器读数恢复到正常784、788。如果读数不能在预定时间段内恢复到正常，则根据需要，钢缆式钻井系统可以POOH。此外，如果确定有大量的钻屑需要清理以防止卡住钻头，则流体的循环和钻井钻屑的收集可以独立于钻井被执行。
[0141] 还设想使用钢缆式钻井工具的可调节的弯头(或定向接头)来调节钻头的方向的中间步骤。可以使用加速计或陀螺仪传感器来监测方向。调节方向将允许以预定和/或可控的角度(如前所述)偏离钻井，以允许钻出短半径的侧向分支井(例如图6中所示)。
[0142] 还设想到井眼的初始偏差可以借助于造斜器的使用。这可以是常规的造斜器，或者例如钢缆运送的造斜器。
[0143] 现在参照图8A至图8D，描述了本发明的另外的实施方式，一般标记为801。图8A和8B是钢缆式钻井系统801的相互垂直的纵向截面视图，并且图8C和8D分别是沿图8B中的线C-C’和D-D’的横截面视图。钢缆式钻井系统801类似于系统103和203，并且将从图1和图2连同附带的描述来理解。然而，系统801在其内部几何结构和循环流动路径的细节上不同。
[0144] 钢缆式钻井系统801包括局部中空的圆柱形本体构件805，该圆柱形本体构件805包含其下端部处的可旋转的钻头831。螺杆构件807在圆柱形空间813内沿着圆柱形本体构件805的长度的一部分延伸。圆柱形空间813包括在下部部分813a处的开口，并且螺杆构件807从下部部分延伸到钻屑容器(或筐)809。如前，螺杆构件807作用为在工具中通过提升动作将进入圆柱形空间813的钻井钻屑向上朝着钻屑容器输送。钻屑容器设置有压力均衡
阀810。
[0145] 本体构件805中的开孔811为井眼中的钻井钻屑和钻井流体的混合物提供了进入本体的入口路径。开孔811位于本体构件805直径上相对的侧部处，并且被纵向地移位距本体构件的下端部和钻头831相等的距离。开孔811提供在本体805外边的环形空间和至圆柱形空间813的下部部分813a的开口825之间的流体循环。开孔811与本体805的标准径向方向倾斜的一角度来布置，并且在本体的方向上具有轴向分量，从该本体的外表面朝向螺杆构件807指向向上。开孔811由上锥形表面和下锥形表面827a、827b定界，但不是圆周上连续地围绕本体。相反，开孔811在圆周方向由穿过开孔811轴向延伸的
心轴部分829定界。
[0146] 心轴部分容纳轴向定位在本体805中的出口管道817。出口管道提供从过滤器823向下延伸到中心孔819的流体路径，过滤器包括位于圆柱形空间的下部部分813a上方的筛子(screen)或网。因此出口管道817与开孔811隔离，但提供了从开孔811通过螺杆构件807穿透到其中的圆柱形空间813至中心孔819的循环路径。中心孔中的
循环泵815是可操作的，以产生开孔811和位于钻头831中的出口开孔833之间的流体循环。
[0147] 在使用中，钻头由电驱动马达(未示出)带动旋转，以延伸正在钻井的钻孔的深度。操作循环泵815以产生压差，该压差趋于将钻井流体和钻屑的混合物引入到开孔811和圆柱形空间的下部部分813a中，在那里它们
接触到螺杆构件807。螺杆构件将钻屑向上并远离入口开孔811输送到钻屑容器809。过滤器823能够使流体离开圆柱形空间813进入到出口管道中，但随着流体被提升到钻屑容器而将固体钻屑保留在圆柱形空间中。然后流体通过中心孔819和泵815再循环进入到井眼中。
[0148] 本发明的实施方式的流动几何特性配置为提供在系统分离固体和流体的有效运行方面的多个实际优势。首先，从环形到循环泵的入口路径横穿螺杆构件布置，而不是轴向接近螺杆构件，以增加接触到螺杆构件的钻屑被提升到钻屑容器中的几率。其次，由开孔811产生的入口路径以与本体的标准径向方向倾斜的一角度来定向(即，入口路径具有轴向定向分量)。这有利于提供穿过螺杆构件的较大的流动面积。
[0149] 另外，过滤器网或筛子和螺杆构件的相对定向便于通过螺杆的旋转来清洗过滤器。这是保持固体的过滤清除并在操作期间维持循环路径的有效方式。
[0150] 本实施方式的流动几何学的各种特征组合提供了用于当钻井或侧钻井眼或在井干预操作中从主井眼钻出裸眼井侧向分支时收集、储存和/或去除钻井钻屑的有效装置。
[0151] 除了本领域技术人员将容易理解的许多其它应用外，这里描述的钢缆式钻井系统发现在从现有的井增加油和气生产方面的特定效用。例如，在低成本的井中，常规的井干预方法是成问题的，因为它们不是成本有效的并需要生产的重大中断，本发明可以利用最小的停机时间快速地部署。此外，与使用本领域已知的连续油管和喷射技术的辐射钻井相比，本发明允许使用能更有效的钻井技术，并且允许使用较低成本的钢缆部署系统。
[0152] 本发明提供了一种用于油气勘探和生产行业的钢缆式钻井系统，其包含作用为在钻井操作期间去除并储存由钻头排出的钻屑的钻井钻屑去除系统。钻屑去除系统可采用具有锥形下部部分和窄的上部部分的螺杆构件，以将钻井钻屑输送到钻屑筐并将钻屑分布在其中。本发明的实施方式包括一体式牵引机，以推进钢缆式钻井系统并提供钻压，以及如果工具可能卡住也有助于收回钢缆式钻井系统。在其各种实施方式中，本发明提供或支持有效的井干预。
[0153] 在本发明的范围内可以进行如本文预期的各种
修改，且本发明的实施方式可以包括不同于明确要求的那些特征的特征组合。例如，参照图4、5、6和8所描述的钢缆式钻井系统的特征可被组合以提供另外的替代实施方式，而保持处于所附
权利要求的范围内。一个具体的例子是，钻屑去除系统的螺杆构件的下部部分在此被描述为锥形，同样地可能是固定的直径。
