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本发明涉及一种用于将流体引入形成于地下岩层中的井孔内的方法和系统。在说明书和权利要求书中所用的术语“流体”是指能够通过管形钻杆柱泵送的任何材料，例如水泥、堵漏材料或清洁流体。该流体也可以包括固体颗粒。 堵漏材料是能够用于阻塞地下岩层中的断裂的任意材料，它通常较粗大。 本发明尤其涉及在钻杆柱底端的钻头的前面将该流体引入井孔中。 在钻井操作过程中，特别是当钻油井或天然气井时，有时希望将流体泵送到井孔内。例如，当钻入断裂区域或多孔区域时，希望能够通过使用水泥和/或堵漏材料来处理损失和保持岩层强度。另一实例是对于废弃的井或井部分设置水泥塞，随后可以钻分支的井部分。 很希望能够将高密度或粘性和/或包括粗粒材料的流体通过安装有钻头的钻杆柱来泵送。普通的钻头例如多晶金刚石刀具(PDC)钻头或牙轮钻头(roller cone bits)具有钻头喷嘴。不过，流体需要压过该钻头喷嘴，且由于高剪切、快速压降和较小孔，喷嘴的堵塞危险很大。喷嘴通常包括具有喷嘴插入件的喷嘴槽道，且通过将喷嘴插入件从钻头中取出，孔基本上增大。不过，该在实际中几乎不考虑，因为这将明显削弱钻头的、用于前进到岩层中的性能。 因此，实际上将钻头从钻杆柱上取下，并用具有足够大的孔的工具代替，以便能够引导流体。因此，钻杆柱需要拉出该井孔。为了能够拉出钻杆柱，通常需要首先通过引入堵漏材料来使井孔暂时保持稳定。当在钻头(该钻头可以打开和再次关闭)上面的钻杆柱例如布置在所谓的环流阀中时，这可以通过在底部地口进行。通过在钻头上面的该路线来引入堵漏材料将可能阻塞在井孔壁和包括钻头的钻杆柱底部之间的环形空间，因此需要取出钻杆柱和其它复杂操作。通过相同的口泵送水泥是并不实际的选择，因为有使得包括钻头的钻杆柱底部粘牢在其位置处的较大危险。 当钻杆柱充分拉起时，钻头例如由注水泥插头代替，并将钻杆柱再次放低至井孔中合适深度，从而可以将流体引入井孔内。然后，当希望重新钻井时，钻杆柱需要第二次拉出井孔，从而可以再次安装钻头。 该过程浪费时间，因此并不经济。而且，引入流体例如水泥通常需要在井孔不稳定的情况下进行，且在该情况下，并不希望将钻杆柱拉出井孔。 本发明的一个目的是提供一种用于将流体引入井孔的方法，其中，流体可以安全引导通过钻杆柱，该钻杆柱具有安装在它的底端的钻头。 本发明的又一目的是提供一种用于将流体引入井孔的系统，该系统能够钻井和将流体引入井孔中，而不需要更换钻头。 为此，提供了一种用于将流体引入形成于地下岩层中的井孔内的方法，在该井孔中布置有管形钻杆柱，该钻杆柱包括在它的底端的钻头，该钻头提供有在该钻头上面的钻杆柱内部与钻头外部的井孔之间的通道，且该钻头有可除去的封闭元件，用于可选择地在封闭位置封闭该通道，还提供有流体注入工具，该流体注入工具包括工具进口和与该工具进口流体连通的工具出口，该方法包括以下步骤： 使流体注入工具从钻杆柱内部的位置通向封闭元件，并使用该流体注入工具来将该封闭元件从封闭位置除去； 使流体注入工具通向搭接(landing)位置，在该搭接位置，工具出口经过通道，且工具进口处在钻杆柱内部，并与该钻杆柱内部流体连通；以及 将流体从钻杆柱内部引入井孔，其中，该流体由工具进口接收，并通过工具出口引入该井孔。 本发明基于这样的见识，即，具有足够大通道的钻头除了钻孔外还可以用于将流体注入工具放低到钻头前面的井孔内，以便将流体引入井孔中。为了使钻头能够有效用于两个操作，通道提供有封闭元件，通过从钻杆柱内部使用流体注入工具，该封闭元件能够选择地从封闭位置除去。 在正常钻井操作过程中，钻井液通常通过在钻头中的喷嘴而从钻杆柱内部喷出。对于通道开口，不可能产生通过喷嘴的钻井液高速射流，而该高速射流为将钻井屑带离钻头和帮助岩层穿透所需。因此，对于正常钻井操作，封闭元件处于封闭位置，优选是，封闭元件提供有切割元件，在钻井操作过程中，该切割元件与在钻头上的切割元件一起形成连接钻头表面。 为了将流体引入井孔中，流体注入工具通过钻杆柱放低至钻头内，直到封闭元件，以便将该封闭元件从封闭位置除去。这优选是通过使流体注入工具与封闭元件连接来实现。然后，流体注入工具的出口可以通过通道进入在钻头前面的井孔内，而工具进口保持在钻杆柱内并与该钻杆柱内部流体连通。在该位置(该位置称为搭接位置)，钻杆柱内部和钻头外部的井孔通过通道进行流体连通。流体注入工具的长度以及工具出口的形状将根据特定用途来设计，例如引入水泥、堵漏材料或清洁流体。 应当知道，钻头喷嘴并不能认为是通道。优选是，沿通道的最小截面面积为至少5cm2，更优选是，该通道布置成使大约2.5cm(1英寸)的导管(例如流体注入工具)能够通过该通道。 美国专利No.2169223公开了一种具有中心纵向通道的鱼尾形扩口钻头。在正常工作过程中，该扩口钻头用于增加已有井孔(所谓的鼠洞)的直径。为了进行扩孔操作，通道通过塞子与钻杆柱内部封闭，该塞子可以通过金属线而退回到地面。然后，冲洗装置可以放低，以便冲洗该鼠洞。 德国专利申请No.DE19813087A1公开了一种用于旋转冲击式钻进和注射钻进的系统。该已知系统包括同心和分开的外部和内部钻杆柱，它们在端部形成钻头。内部钻杆柱沿其长度具有注入喷嘴，并可以从外部钻杆柱中滑出，以便进行高压注射钻进，最进行注水泥。 在国际专利申请WO00/17488中公开了一种具有通道和可除去的封闭元件的钻头。 本发明还提供了一种用于钻井和用于将流体注入地下岩层中的井孔内的系统，该系统包括： 管形钻杆柱，该钻杆柱有在它底端的钻头，其中，钻头提供有在钻头上面的钻杆柱内部和钻头外部的井孔之间的通道，并有可除去的封闭件，用于可选择地在封闭位置封闭通道；以及 流体注入工具，该流体注入工具包括工具进口以及与该工具进口连通的工具出口，该流体注入工具布置成使它能够从钻杆柱内部的位置通向接合位置，在该接合位置，工具出口经过通道，且工具进口处在钻杆柱内部，并与该钻杆柱内部流体连通，其中，流体注入工具具有用于将封闭元件从封闭位置除去的装置。 优选是，用于将封闭元件从封闭位置除去的装置包括连接装置，用于可选择地使流体注入工具从钻杆柱内部与处于封闭位置的封闭元件连接。 流体注入工具用于将流体从通道引向井孔内的位置，该流体将引入该井孔内。根据要引入的流体的类型，可以合适设计流体注入工具和(特别是)工具出口。 当流体是水泥或堵漏材料时，优选是，流体注入工具为注水泥插头的形式，它例如能够为100m或更大长度。当流体是堵漏材料时，该工具可以短得多，例如10-20m长。堵漏材料的实例包括玻璃纸薄片、胡桃壳、重质碳酸钙。当在井孔中有饱和盐钻井泥浆时，甚至可以使用盐。 流体注入工具可以特别有伸缩形式，从而能够在操作时增加长度。该伸缩形式的工具可能不如普通插头坚固，不过，因为该工具设计成布置在钻杆柱内，与放低到井孔内的普通插头相比，该工具能够受到更好的保护，因此也可以采用这种形式。 流体也可以是清洁流体。该清洁流体例如为水或盐水，但是也可以包括酸(例如5％的盐酸或醋酸)、细小悬浮颗粒(例如碳酸钙、赤铁矿)、聚合物或其它化学药剂，它们与水和/或油混合。清洁流体例如可以用于从井孔壁上除去泥饼，或者用于清洁钻头表面。这时，工具出口为喷射喷嘴形式，喷射喷嘴指向合适方向，或者为可旋转布置。 优选是，流体注入工具还具有搭接部件(landing member)，该搭接部件布置成当流体注入工具处于搭接位置时封闭通向钻头喷嘴的通道。因此，当流体通过通道和流体注入工具从钻杆柱引入井孔内，搭接部件防止钻头喷嘴堵塞。 下面将参考附图更详细地介绍本发明，附图中： 图1示意表示了用于本发明的钻头； 图2示意表示了本发明的一个实施例；以及 图3示意表示了本发明的还一实施例。 参考图1，下面介绍本发明的基本特征。图1示意表示了旋转钻头1的纵剖图，该钻头1是采用本发明的合适实施例。图中所示的钻头1在井孔2中，且在钻头本体6的上端处安装在钻杆柱3的底端上。钻井1的钻头本体6具有中心纵向通道8，该中心纵向通道8提供钻杆柱3的内部3a和钻头1外部的井孔2之间的流体连通，特别是用于工具通过，如后面更详细介绍。钻头喷嘴布置在钻头本体6中。为了清楚，图中只表示了一个具有插入件9的喷嘴。该喷嘴9通过喷嘴槽道9a与通道8连接。 钻头1还具有可去除的封闭元件10，在图1中，该封闭元件10表示为相对于通道8处于封闭位置。本实施例的封闭元件10包括中心插入部分12和锁住部分14。该插入部分12提供有在它的前端的切割元件16，其中，在封闭位置中，该切割元件16布置为与在钻头本体6的前端处的刀具18一起形成连接的钻头表面。插入部分也可以提供有喷嘴(未示出)。而且，钻头本体6的插入部分和配合表面合适形成为能够从钻杆柱3和钻头本体6向插入部分12传递钻井力矩。 固定安装在插入部分12的后端上的锁住部分14具有基本柱状体形状，并以狭窄间隙延伸入钻头本体6中的中心纵向孔20中。该孔20形成通道8的一部分，它也提供与插入部分12中的喷嘴的流体连通。 通过锁住部分14，封闭元件10可拆卸地安装在钻头本体6上。封闭元件10的锁住部分14包括基本柱形的外套筒23，该外套筒23以狭窄间隙沿孔20延伸。密封环24布置在环绕外套筒23的外周的槽中，以便防止流体沿该锁住部分14的外表面连通。插入部分12与套筒23的底端连接。该锁住部分14还包括内套筒25，该内套筒25滑动装入外套筒23内。该内套筒25偏压成使它的上端26抵靠由靠近套筒23上端的内缘形成的内凸肩28。偏压力由部分压缩的螺旋弹簧30施加，该螺旋弹簧30将内套筒25推离插入部分12。内套筒25在它的底端提供有环形凹口32，该环形凹口32布置成包围弹簧30的上部。 外套筒23具有凹口34，锁定球35布置在该凹口34内。锁定球35的直径大于套筒23的壁厚，且各个凹口34布置成松弛地保持各个球35，这样，它能够径向向套筒23内和外移动有限距离。图中表示了两个锁定球35，不过，应当知道，可以布置更多锁定球。 在如图1所示的封闭位置中，锁定球25由内套筒25径向向外推，并与在钻头本体6中环绕孔20布置的环形凹口36对齐。这样，封闭元件25还提供有环形凹口37，在封闭位置，该环形凹口37相对于凹口36朝着钻杆柱3的方向纵向偏移。 内缘29布置成在流体注入工具40的底端与连接装置39配合，该连接装置39作为使封闭元件离开封闭位置的装置。图中只表示了流体注入工具40的底部。连接装置39提供有多个支脚50，这些支脚50从流体注入工具40的外周纵向向下延伸。为了清楚，图中只表示了两个支脚50，但是应当知道，可以布置更多支脚。各支脚50在其底端提供有卡爪51，这样，由卡爪51在位置52处确定的外径超过由支脚50在位置54处确定的外径，也超过缘29的内径。而且，优选是，缘29的内径也大于或大约等于由支脚50在位置54处确定的外径，且外套筒23的内径小于或近似等于由卡爪51在位置52处确定的外径。而且，支脚50布置成使它们能够如箭头所示向内弹性变形。卡爪51的外侧部边缘56和缘29的上侧内边缘倾斜。应当知道，包括连接装置39的流体注入工具40的底端可以形成用于除去封闭装置的单独辅助工具。该辅助工具可以布置成使它可释放地安装在流体注入工具上。 如图1所示具有处于封闭位置的封闭元件10的钻头1具有普通PDC钻头的形状和全部功能，因此能够以与本领域公知相同的方式来用于正常的钻井操作。 当希望将流体引入在钻头1下面的井孔2内时，钻头首先布置在高于井孔底部一定距离处。然后，封闭元件10可以被从钻头1中的封闭位置向外除去。 为此，流体注入工具40沿钻头本体6中的通道8从在钻杆柱3内部的位置降低，直到连接装置39与封闭元件10的锁住部分14的上端啮合。卡爪51滑入外套筒23的上缘29内。支脚50向内变形，这样，卡爪可以充分滑入上缘29内，直到它们与内套筒25的上端26啮合。通过进一步向下推，将迫使内套筒25在外套筒23内向下滑动，且进一步压缩弹簧30。当在内套筒25的上端26和凸肩28之间的空间变大到足以使卡爪51进入时，支脚50向外卡住，从而将流体注入工具锁在封闭元件上。 当支脚向外卡住时内外套筒之间的位置近似与当凹口37与球35对齐时内外套筒之间的位置相同，因此，封闭元件10从钻头本体6上松开。当进一步向下推动流体注入工具时，封闭元件将被整个从孔20中推出。 当封闭元件完全从孔20中推出时，流体注入工具40的直径确定流体是否能够通过在辅助工具40的外径和孔20之间的环形孔流通。优选是，流体注入工具布置成没有这样的孔，或者阻挡通过该孔的流体连通。 下面将参考图2和3更详细地介绍通过流体注入工具将流体装入井孔内。连接装置39与封闭元件的锁住机构配合，这样，封闭元件10在从封闭位置除去之后仍然保持与流体注入工具40连接。这使得当希望时能够在注入流体之后很容易地使封闭元件返回到封闭位置。这可以通过使流体注入工具40退回，直到封闭元件的锁定球35再次锁入钻头本体6的环形凹口36中而实现，而连接装置39能够与封闭元件10脱开。应当知道，在某些用途中，退回可能并不需要，例如当不希望在流体注入之后继续钻井时。因此，流体注入工具的底端可以简单地将封闭元件推出，或以其它方式将封闭元件从封闭位置除去，同时使它自身并不与封闭元件连接。 下面参考图2，图中示意表示了本发明的实施例，该实施例特别适于将水泥注入井孔中。该实施例基于参考图1所述的钻头，与图1中相同的参考标号用于表示相同目标。本实施例的流体注入工具是注水泥工具60。 与钻杆柱3的底端相连的钻头1表示在井孔2中。如图2所示，封闭元件10通过注水泥工具60而从封闭位置向外除去，如参考图1所述。连接装置也布置成防止流体从导管63的内部向插入部分14中的喷嘴流通。 注水泥工具60还包括注水泥插头62。该插头62包括大约50m长的基本圆柱形导管63，其中，工具进口65和工具出口66分别布置成靠近上端和底端。工具出口为环绕导管63的外周布置的狭槽形式。一个工具进口布置在流体注入工具的顶端，这样，它能够接收来自注水泥插头的球或塞入物，其它进口也可以布置成狭槽。 注水泥工具60还包括搭接部件69，该搭接部件69成环形环绕导管63安装，并在工具进口65和工具出口66之间。搭接部件具有搭接表面70，该搭接表面70与钻头的搭接座72配合，这样，当搭接部件69靠在搭接座72上时，流体沿槽道9a到喷嘴9的通道被阻塞。 在如图2中所示的搭接位置时，工具进口65在通道6内，且工具出口66经过钻头处在钻头前面的井孔中。 多个承杯74环绕导管63的外周安装，并防止流体流入在导管63和通道壁之间的环形空间中，该通道经过工具进口65的位置。而且，流体注入工具60提供有：破裂片或安全片75，该破裂片或安全片75只要它不被破坏就将封闭导管63；打捞颈76，通向地面的金属线可以安装在该打捞颈76上；以及捕捉器或搭接座77，它布置成截留容纳于导管63中的球或塞入物，同时不会阻塞在工具进口65和工具出口66之间的流体连通。 例如，钻头1的外径可以为21.6cm(8.5英寸)，通道的直径为6.4cm(2.5英寸)。这时，流体注入工具的导管63的外径可以为5.1cm(2英寸)。 在正常操作过程中，具有处于封闭位置的封闭元件10的钻头1可以用于在井孔2中钻井。在钻井过程中，钻井液沿钻杆柱向下流通，通过钻头喷嘴9进入井孔，并向上到达地面，从而带走钻井岩屑。应当知道，在钻井过程中，流体注入工具位于地面，但是应当知道，该工具也可以放置在钻头上面的钻杆柱中。 下面我们考虑当注意到钻井液明显损失时的情况，该损失将由于钻入断裂/多孔岩层而引起。希望通过用水泥阻塞流入断裂岩层的流体流而处理该损失。 这时，钻头的旋转停止，且当需要时使钻杆柱的较短部分后退，以便使钻头前面的井孔中有足够空间。注水泥工具60通过向下泵送而进行布置，或者通过用金属线安装在打捞颈76上而经过钻杆柱3放低。连接装置在底端61与封闭元件10的锁住部分14连接，并使封闭元件从钻头本体6上松开。通过进一步向下推动或泵送流体注入工具，直到使搭接部件69搭接在搭接座72上，从而可以使封闭元件从封闭位置完全除去，这时，将阻塞通向槽道9a的开口。 然后，例如通过施加超压来破坏破裂片75，水泥能够在钻杆柱的内部向下流通，且当需要时球或塞入物在前面。水泥的底部到达钻头1，并流入通道8中，在该通道8中，它由工具进口65接收，然后经过钻头，并在导管63内进一步前进，直到它到达工具出口66。在该工具出口处，水泥引入井孔中。球或塞入物截留在捕捉器77中。井的吹出防止器必须关闭，以便使水泥能够压入岩层中。当在导管63和井孔壁之间的环形空间内的水泥的顶部大约到达钻头本体6的表面的高度时或更早时候，停止水泥的泵送。包括钻头1和注水泥工具60的钻杆柱3充分升高，以便保证插入部分高于水泥。钻杆柱和流体注入工具通过使钻井液流通来进行清洁，同时使水泥凝固。水泥的硬化可以通过使流体注入工具向下到水泥塞上而进行测试。 当水泥充分硬化时，流体注入工具可以退回，以便将封闭元件10重新锁定在封闭位置。然后，水泥可以钻出。当处理了流体损失时，流体注入工具可以退回到地面，并可以继续钻井。应当知道，用于该注水泥用途的钻头优选是提供有封闭元件，该封闭元件的直径比井孔小得多。这样，注水泥工具也可以很容易退出，同时不会干扰水泥凝固。与普通的注水泥方式不同，钻杆柱并不需要在处理损失的整个操作中拉出井孔，也不需要首先通过堵漏材料来使井孔稳定。 流体注入工具还可以具有用于在将水泥引入井孔之前处理该水泥的装置，以便影响硬化过程。本领域技术人员应当知道，加入水泥中的添加剂可以用于在井下条件下激发反应，该反应将起动硬化。流体注入工具可以包括用于添加剂的储罐，该储罐布置成在混合物引入井孔内之前使添加剂与从钻杆柱接收的水泥混合。也可以是，添加剂已经以封装形式包含在从钻杆接收的水泥中。这时，流体注入工具可以包括剪切装置，该剪切装置使封装的添加剂破裂，从而使它们能够与水泥反应。 应当知道，也可以并不将水泥塞钻出，而是在该塞下面的井孔部分也可以放弃。这时，可以以偏斜方向继续钻井，或者整个钻杆柱可以退回到地面。 适于将堵漏材料引向钻头前面的实施例看起来基本与图2中示意表示的实施例类似，其中，主要区别是插头62通常更短，例如10-20m。 在如图2所示的实施例的另一用途中，流体注入工具可以在地面预装有流体，其中工具出口封闭。在将工具放低至搭接位置时，工具出口打开，并将流体推入或泵送到井孔内。流体例如可以包括两种分开的组分，它们在混合后形成聚合物或弹性体。当在将混合物引入井孔中之前的较短时间内进行混合时，聚合物塞可以布置在井孔内，例如聚胺酯塞。 在又一用途中，通过使两种形成水泥的流体组分只在钻杆柱外部的井孔中接触，从而将水泥塞设置在井孔中，其中，第一流体组分通过如前所述的流体注入工具引入井孔内，且第二组分向下泵送到井孔和钻杆柱之间的环形空间中。当钻井液在井下急剧损失的情况下，这特别有利。一方面，可以不需要向上拉动钻杆柱的时间或太高危险；另一方面，该损失使流体能够在钻杆柱的内部和外部向下泵送，而不需要附加措施来防止积累过大压力。还一优点是，在两种形成水泥的组分接触之后，水泥几乎立即凝固，而没有在钻杆柱中过早固化的危险。这样，注水泥的操作危险和所需时间都进一步降低。 两种组分的水泥系统已经由本领域公知，例如见B.E.Nelson的书“Well Cementing”，Elsevier Science，1990，SchlumbergerEducational Services，TSL-4135/ICN-015572000，6-11.3(6.13页)，或者美国专利No.5447197和5547506。 优选是，水泥浆作为第一水泥形成组分通过流体注入工具引入，并与基于水或油的第二水泥形成组分接触，该第二水泥形成组分促使该水泥浆凝固。作为第一组分的水性Portland水泥浆与作为第二组分的、与Bentonite混合的柴油通过接触形成非常粘稠的胶接块。应当知道，在本文中，两种组分的水泥系统也考虑有机和无机的两种组分系统，当两种组分接触时，它们能够几乎同时形成固体块，例如两种组分的(环氧)树脂、聚酯、硅橡胶以及碳酸钙/硅酸钠。 参考图3，图中示意表示了本发明的还一实施例。该实施例适于清洁在钻头前面的井孔壁。图3的实施例与图2中所示实施例类似，与图1和图2中相同的参考标号用于表示相同目标。与图2的实施例的主要区别在于流体注入工具40并不包括注水泥插头，而是包括射流清洁工具。该射流清洁工具76包括径向布置在导管63壁中的一个或多个喷嘴78，其中，喷嘴78可旋转地布置在两个旋转接头80之间，这样，当流体在压力下通过喷嘴注入到井孔内时引起旋转。 射流清洁工具例如可以与钻井操作一起使用，以便从井孔壁上除去泥饼，或者清洁钻出的开口孔部分上面的壳体部分，衬管悬挂器、封隔器或其它隔离装置将安装在该部分处。钻井停止，射流清洁工具通过钻杆柱进行布置并泵出，从而使封闭元件从封闭位置松开并除去，类似于参考图1和2所述的封闭元件的松开。清洁流体沿钻杆柱向下流通，进入钻头1的通道8中，在该通道8中，清洁流体由工具进口65接收，并通过导管63导向钻头的前面。流体在高速下通过喷嘴78引入井孔中，从而清洁井孔壁。还有，对于该清洁操作，不需要将钻杆柱从井孔中拉出。 在射流清洁工具的不同实施例中(未示出)，喷嘴可以布置成沿其它方向喷射流体射流。当钻头表面由钻井屑堵塞(成球)的情况下，这例如可以很有用，从而不会严重影响正常钻井操作。 更短型的射流清洁工具可以用于清洁钻头表面，在该射流清洁工具中，在搭接位置时喷嘴指向钻头表面。 在参考图1-3所述的实施例中，通过将封闭元件从钻头本体上完全拆下，可以将封闭元件从封闭位置除去。不过，应当知道，封闭元件可以以其它方式从封闭位置除去，例如通过枢轴转动机构，其中，封闭元件打开通道，但是保持与钻头连接。 |
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