用于使井下切削工具液压平衡的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在地下地层中钻探井眼，并且更具体地，涉及使各个井下切削工具之 间的压重和液压能量分布平衡的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 出于各种目的，包括例如油和天然气开采以及地热开采，在地下地层中形成井眼。 此类井眼通常使用一个或多个钻头形成，钻头如固定切刀钻头（即"刮刀"钻头）、滚动切刀 钻头（即"凿岩"钻头）、孕镶金刚石钻头、以及可包括例如固定切刀和滚动切刀两者的混合 型钻头。钻头直接或间接地联接至钻柱或工作管柱的一端，钻柱或工作管柱包围从地表延 伸到井眼中的端对端连接的一系列细长管状节段。各种工具和部件（包括钻头）常常被布 置或以其它方式联接在钻柱位于井眼底部处的远端处。工具和部件的这种组件通常被称为 "井底钻具组件"（BHA)。
[0003] 为了形成井眼，使钻头旋转并且其相关联的切刀或研磨结构将地层材料切削、粉 碎、剪切和/或研磨掉，从而促进钻头向地下地层中前进。在一些情况下，通过从地表使钻 柱旋转来使钻头在井眼内旋转，同时将流体如钻井液从地表泵送到钻头。钻井液在钻头处 通过布置在其中的一个或多个喷嘴离开钻柱，并且可用于冷却钻头并且通过限定在钻柱与 井眼的暴露表面之间的环空将钻探微粒冲回到地表。然而，在其它情况下，可通过使钻头联 接至井下马达（例如，泥浆马达）来使钻头旋转，井下马达还联接至钻柱并且被设置成相对 靠近钻头。从地表泵送的钻井液可为井下马达提供动力以使钻头旋转，并且随后从钻头的 喷嘴离开并且通过环空循环回到地表。
[0004] 为了扩大井眼的直径，"扩孔钻"装置（也被称为"扩眼装置"或"扩眼器"）可作 为BHA的一部分与钻头结合使用。扩孔钻通常沿BHA的长度与钻头轴向偏离并且在钻头的 井孔上行。在操作中，钻头用作导向钻头以在地下地层中形成导向孔，并且当BHA向地层中 前进时，扩孔钻跟随钻头穿过导向孔以扩大井眼的直径。
[0005]在钻探井眼时，轴向力或压重通过钻柱从地表施加到钻头和扩孔钻上，从而使得 切削工具向地层中前进。这种力通常被称为"钻压"（WOB)和"扩孔钻压"（WOR)。利用钻头 和扩孔钻的有效钻探可显著地影响性能和向地层中的钻速（ROP)。然而，在同时使用WOB和 TOR时，管理它们可能是非常困难的。可能存在若干以下情境：可能妨碍钻探效率，从而不 仅造成低ROP而且还造成井下工具的过早磨损。例如，井眼可能延伸穿过不同的地层或地 质材料层，并且每种地层可能表现出不同的物理性质。一些地层可能相对松软且易于钻通， 而其它地层相对坚硬且难以钻通。当井眼前进穿过相对坚硬的地层并且进入下面的较松软 地层中时，钻头将快速地将材料从较松软地层移除，同时扩孔钻继续在较坚硬地层中更缓 慢地绞大井眼。因此，WOB与WOR之间的比率可能变得不合期望且在扩孔钻与钻头之间不 均衡地分布。
[0006]扩孔钻与钻头之间的不平衡压重分布可在每个切削工具处导致不平衡切肩生成， 这可能导致钻头泥包，因为未能有效冲走的切肩将趋于在切削工具周围聚结。在钻探操作 中，如以上简单提及的，使用钻井液来将切肩从切削工具上冲走，钻井液从地表注射到井眼 中并且最终通过限定在切削工具中的一个或多个喷嘴从每个切削工具喷射出。因为钻头和 扩孔钻中的每一个中的喷嘴尺寸是在下入井眼中之前选定的，所以分流穿过扩孔钻和钻头 的液压流速以及因此施加到它们的液压能量也是固定的。
[0007] 每个切削工具处消耗的液压能量主要是基于钻头和扩孔钻处的喷嘴上的压降以 及这些切削工具之间的压力平衡，这是因为这些工具是沿BHA串联布置的。在同时使用扩 孔钻和钻头时管理穿过它们的钻井液的液压流速可能是相当困难的。然而，当得到有效管 理时，钻探效率提高，从而增大向地下地层中的钻速。
【发明内容】
[0008] 本公开涉及在地下地层中钻探井眼，并且更具体地，涉及使各个井下切削工具之 间的压重和液压能量分布平衡的系统和方法。
[0009] 在一些实施方案中，公开了一种井底钻具组件并且所述井底钻具组件可包括：第 一传感器接头，所述第一传感器接头被配置来监测钻压；第二传感器接头，所述第二传感器 接头与第一传感器接头轴向偏离并且被配置来监测扩孔钻压；以及通信模块，所述通信模 块可通信地联接至第一传感器接头和第二传感器接头，并且被配置来：接收并处理钻压和 扩孔钻压，并且当钻压与扩孔钻压之间的比率超过预先确定的操作阈值时，调整对钻头和 扩孔钻中的至少一个的液压能量输入。
[0010] 在其它实施方案中，公开了一种钻探井眼的方法。所述方法可包括：利用被布置成 靠近钻头的第一传感器接头来监测钻压，钻头被布置在井底钻具组件的远端处；利用被布 置成靠近扩孔钻的第二传感器接头来监测扩孔钻压，扩孔钻沿井底钻具组件与钻头轴向偏 离；利用可通信地联接至第一传感器接头和第二传感器接头两者的通信模块来接收表示钻 压和扩孔钻压的信号；以及当钻压与扩孔钻压之间的比率超过预先确定的操作阈值时，调 整对钻头和扩孔钻中的至少一个的液压能量输入。
[0011] 在又其它实施方案中，公开了另一种钻探井眼的方法。所述方法可包括：利用被布 置成靠近钻头的第一传感器接头来监测钻压，钻头被布置在井底钻具组件的远端处；利用 被布置成靠近扩孔钻的第二传感器接头来监测扩孔钻压，扩孔钻沿井底钻具组件与钻头轴 向偏离；利用可通信地联接至第一传感器接头和第二传感器接头两者的通信模块来接收表 示钻压和扩孔钻压的信号；当钻压与扩孔钻压之间的比率超过预先确定的操作阈值时，传 达一个或多个校正动作信号；以及响应于一个或多个校正动作信号来调整对钻头和扩孔钻 中的至少一个的液压能量输入。
[0012] 在阅读以下对优选实施方案的描述之后，本公开的特征对本领域中的技术人员而 目将是显而易见的。
【附图说明】
[0013] 以下附图用于说明本公开的特定方面，并且不应被视作排它性实施方案。如本领 域中的技术人员以及受益于本公开的人员将了解，所公开的主题能够在形式和功能上存在 许多修改、变更、组合和等效形式。
[0014] 图1是根据一个或多个实施方案的下降到代表性井眼中的示例性井底钻具组件 的正视图。
[0015] 图2A、图2B和图2C是示出在钻探井眼时可能遇到的三种不同钻探情境的示意图。
[0016] 图3A和图3B是根据一个或多个实施方案的示例性可调喷嘴的连续截面图。
[0017]图4A是示出根据一个或多个实施方案的在钻头处需要增加液压能量的情境的图 解。
[0018] 图4B是示出根据一个或多个实施方案的在扩孔钻处需要增加液压能量的情境的 图解。
【具体实施方式】
[0019] 本公开涉及在地下地层中钻探井眼，并且更具体地，涉及使各个井下切削工具之 间的压重和液压能量分布平衡的系统和方法。
[0020] 钻探超大位移延伸井并使位移延伸到更大深度既需要改进的模型又需要对钻探 操作进行综合分析。钻探效率对于超长井而言是重要问题，并且优化和监测各种切削工具 的工作效率对于井的成功完成是重要的。本文所公开的实施方案可证明有利于实时地监测 井下钻探操作，并且响应于检测到的井眼情况而有效地管理提供给每个切削工具的液压能 量。因此，可明智地管理每个切削工具处的液压能量和液压流速，从而提高钻探钻速和整体 钻探效率。
[0021] 图1是根据一个或多个实施方案的示例性井底钻具组件（BHA) 100在下降到代表 性井眼108中时的正视图。如图所示，BHA 100可包括沿从地表（未示出）延伸的钻柱106 轴向间隔的钻头102和扩孔钻104。钻头102和扩孔钻104可被配置来将井眼108钻探到 或以其它方式切削到地下地层110中，以便从其中抽取一种或多种碳氢化合物。当钻柱106 使BHA 100前进到地下地层110中时，钻头102可形成具有第一直径的井眼108,并且扩孔 钻104可跟随钻头102将井眼的尺寸扩展到第二直径，其中第二直径大于第一直径。BHA 100可通过例如从地表使钻柱106旋转来在井眼内旋转。然而，在其它实施方案中，在不脱 离本公开的范围的情况下，井下马达或泥浆泵（未示出）同样可用于使BHA 100旋转。
[0022] 虽然未明确示出，但本领域的技术人员将容易理解，BHA 100还可包括各种其它类 型的钻探工具或部件，如但不限于转向单元、一个或多个稳定器、一个或多个力学和动力学 工具、一个或多个钻铤、一个或多个震击器、一个或多个加速器以及一个或多个加重钻杆节 段。
[0023] BHA 100还可包括联接至钻柱106或以其它方式形成钻柱106的一部分的第一传 感器接头112a和第二传感器接头11