СИСТЕМА БУРИЛЬНОГО ЯСА С ОБРАТНЫМ КЛАПАНОМ
DRILLING JAR SYSTEM WITH CHECK VALVE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом относится к нефтепромысловому оборудованию и, в частности, к скважинным инструментам, буровым системам и способам бурения для бурения скважин в земле. Более конкретно, настоящее изобретение относится к усовершенствованию систем и способов для освобождения прихваченной бурильной трубы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Во время бурения нефтяной или газовой скважины или т. п. встречаются ситуации, когда компонент бурильной колонны заклинивает в стволе скважины. Когда статическое усилие, необходимое для перемещения бурильной колонны превышает возможности установки или предел прочности на разрыв, бурильная труба прихватывается, и больше невозможно перемещать или вращать ее. Яс представляет собой приспособление, предварительно расположенное внутри бурильной колонны для освобождения какой-либо части бурильной колонны, которая может оказаться прихваченной.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее варианты осуществления описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
На фиг. 1 представлен частичный вид в вертикальном разрезе буровой системы, в которой использована бурильная колонна с бурильной трубой, яс, ускорительный механизм и обратный клапан, расположенный между бурильной трубой и ясом, согласно одному варианту осуществления;
На фиг. 2 представлен упрощенный разрез в осевом направлении яса по фиг. 1;
На фиг. 3A представлен упрощенный разрез в осевом направлении ускорительного механизма по фиг. 1, показанного в ненагруженном состоянии без приложенного усилия;
На фиг. 3B представлен упрощенный разрез в осевом направлении ускорительного механизма по фиг. 3A, показанного в нагруженном состоянии с приложенным усилием;
На фиг. 4 представлен упрощенный разрез в осевом направлении обратного клапана согласно одному варианту осуществления, отображающий ротор и статор, которые совместно образуют регулируемое седло клапана для создания осевого обратного усилия в ответ на дросселирование потока текучей среды через него;
На фиг. 5A представлен упрощенный поперечный разрез по линии 5A–5A по фиг. 4, отображающий детали ротора обратного клапана по фиг. 4;
На фиг. 5B представлен упрощенный поперечный разрез по линии 5B–5B по фиг. 4, отображающий детали статора обратного клапана по фиг. 4;
На фиг. 6 представлен частичный вид в вертикальном разрезе буровой системы, в которой использована бурильная колонна типа труба в трубе, яс, ускорительный механизм и обратный клапан, расположенный между бурильной трубой и ясом, согласно одному варианту осуществления, с деталями бурильной колонны типа труба в трубе, показанной в увеличенном разрезе для ясности;
На фиг. 7A представлен упрощенный разрез в осевом направлении устройства для отведения потока по фиг. 6, показывающий каналы для перекрестного соединения кольцевого зазора скважины с внутренней трубой;
На фиг. 7B представлен упрощенный поперечный разрез устройства для отведения потока по фиг. 7A, выполненный по линии 7B–7B по фиг. 7A, показывающий каналы для перекрестного соединения кольцевого зазора скважины с внутренней трубой;
На фиг. 8A представлен упрощенный разрез в осевом направлении двойного обратного клапана восходящего/нисходящего потока согласно одному варианту осуществления, для использования в буровой системе типа труба в трубе по фиг. 6, отображающий внутренний узел ротора и статора, для дросселирования восходящего потока и кольцевой узел ротора и статора, для дросселирование нисходящего потока;
На фиг. 8B представлен упрощенный поперечный разрез двойного обратного клапана по фиг. 8A, выполненный по линии 8B–8B по фиг. 8A, и
На фиг. 9 представлена схема последовательности действий способа бурения скважины в соответствии с вариантом осуществления, демонстрирующая использование буровой системы по фиг. 1-8B для увеличения эффективности операций работы ясом.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В данном описании номера позиций и/или буквенные обозначения могут повторяться в различных примерах. Данное повторение делается с целью простоты и ясности и само по себе не определяет отношение между различными рассматриваемыми вариантами реализации изобретения и/или конфигурациями. Кроме того, термины пространственного расположения, такие как «под», «ниже», «нижний», «над», «выше», «выше по стволу скважины», «ниже по стволу скважины», «расположенный выше по течению», «расположенный ниже по течению» и т. п., могут быть применены в данном документе для удобства описания положения одного элемента или связи признака с другим элементом (элементами) или признаком (признаками), как показано на чертежах. Термины пространственного расположения также охватывают различные ориентации устройства во время его применения или эксплуатации в дополнение к ориентации, изображенной на чертежах.
На фиг. 1 представлен частичный вид в вертикальном разрезе буровой системы 20, содержащей оборудование 90 низа бурильной колонны согласно одному варианту осуществления. Буровая система 20 может содержать буровую установку 22, такую как наземная буровая установка, показанная на фиг. 1. Тем не менее, принципы настоящего изобретения могут быть применены в связи с буровыми установками 22, развернутыми на шельфовых платформах, полупогружных платформах, буровых судах или любых других буровых системах для формирования ствола скважины.
Буровая установка 22 может быть расположена вблизи устья 24 скважины или на определенном расстоянии от него. Буровая установка 22 может содержать поворотный стол 38, двигатель 40 привода ротора и другое оборудование, связанное с вращением бурильной колонны 32 в стволе 60 скважины. Кольцевой зазор 66 образован между наружной стороной бурильной колонны 32 и внутренним диаметром ствола 60 скважины. В некоторых случаях буровая установка 22 также может содержать верхний приводной двигатель или блок 42 верхнего привода. Противовыбросовые превенторы (явно не показаны) и другое оборудование, связанное с бурением ствола скважины, также могут быть установлены в устье 24 ствола скважины.
Нижний конец бурильной колонны 32 содержит оборудование 90 низа бурильной колонны, которое содержит на дальнем конце вращательное буровое долото 80. Буровой раствор 46 может закачиваться из резервуара 30 с помощью одного или более буровых насосов 48 через трубопровод 34 в верхний конец бурильной колонны 32, простирающейся от устья 24 скважины. Затем буровой раствор 46 течет через продольную внутреннюю часть 33 бурильной колонны 32, через оборудование 90 низа бурильной колонны и выходит из насадок, сформированных во вращательном буровом долоте 80. В нижнем конце 62 ствола 60 скважины буровой раствор 46 может смешиваться с буровым шламом, а также с другими скважинными флюидами и выбуренной породой. Затем смесь бурового раствора поступает вверх через кольцевой зазор 66 для возврата бурового шлама и другой выбуренной породы со ствола скважины на поверхность. По трубопроводу 36 текучая среда может возвращаться в резервуар 30, но могут быть предусмотрены различные типы сетчатых фильтров, фильтров и/или центрифуг (явно не показаны) для удаления бурового шлама и другой выбуренной породы со ствола скважины для возвращения бурового раствора в резервуар 30. В качестве трубопроводов 34 и 36 могут применяться различные типы труб, трубок и/или шлангов.
Согласно варианту осуществления оборудование 90 низа бурильной колонны содержит внутрискважинный забойный двигатель 82, который может иметь изогнутый корпус. Оборудование 90 низа бурильной колонны также может содержать различные инструменты 91, обеспечивающие получение каротажных данных или данных измерений и другой информации о низе ствола 60 скважины. Данные измерений и другая информация могут быть переданы с конца 62 ствола 60 скважины с применением способов выполнения измерений в процессе бурения и преобразования в электрические сигналы на поверхности скважины, помимо прочего, для контроля работы бурильной колонны 32, оборудования 90 низа бурильной колонны и связанного с ним вращательного бурового долота 80.
Бурильная колонна 32 содержит яс 100 для освобождения прихваченной трубы. Яс 100 может быть расположен в оборудовании 90 низа бурильной колонны или в другом месте на бурильной колонне 32. В некоторых вариантах размещения в бурильную колонну 32 может быть включено множество ясов 100. В случае множества ясов 100, предпочтительно, чтобы ясы 100 не были расположены в непосредственной близости друг к другу, поскольку такое расположение может вызывать излишние нагрузки в процессе операций работы ясом. Предпочтительно поддерживать расстояние между множеством ясов 100 в 1500 футов (457,2 м). В бурильную колонну 32 также может быть включена одна или больше бурильных труб 108, а в некоторых вариантах размещения бурильные трубы 108 могут быть расположены над ясом 100. Однако одна или больше секций тяжелой бурильной трубы может быть заменена бурильными трубами 108.Две преобладающие причины того, что бурильная колонна может оказаться прихваченной, включают в себя механическое прихватывание и прихватывание под действием перепада давлений. Механическое прихватывание вызвано физическим препятствием или ограничением между частью бурильной колонны и стенкой ствола скважины, например, когда рыхлый пласт, выбуренная земляная порода или другой шлам скапливается в кольцевом зазоре между бурильной колонной и стволом скважины, или когда форма или размер ствола скважины и форма или размер бурильной колонны несовместимы. Другие причины помех могут включать в себя ствол недостаточного размера, заклиненную бурильную колонну, неустойчивые пласты, залежи, изломы траектории и искривленную обсадную трубу. Прихватывание под действием перепада давлений вызвано тем, что гидростатическое давление в столбе бурового раствора больше, чем поровое давление в проницаемом пласте, и оно плотно прижимает бурильную колонну до прихватывания со стенкой ствола скважины.
Яс предварительно расположен в бурильной колонне 32 для освобождения какой-либо части бурильной колонны 32, которая может оказаться прихваченной. Яс 100 действует по принципу запасенной потенциальной энергии. Потенциальная энергия, доступная для яса 100, поступает от сил сверхрастяжения (растяжения) или резкого сжатия (сжатия), прилагаемых к бурильной трубе на поверхности. Работа ясом представляет собой процесс динамической передачи энергии упругой деформации или сжатия, запасенной в бурильной колонне, к ясу, преобразующему эту энергию в кинетическую энергию, которая концентрируется в точке, где прихвачена труба.
Яс 100 может содержать оправку, скользящую внутри гильзы, и фиксирующий механизм. Оправка действует, как молот, а гильза действует, как наковальня. Фиксирующий механизм ограничивает перемещение оправки перед ее беспрепятственным высвобождением (т. е., "выстреливанием"), таким образом, чтобы в бурильной колонне запасалась достаточная потенциальная энергия, и передавалась к оправке, чтобы после "выстрела" вызывать быстрое перемещение оправки и соударение гильзы.
Яс 100 может быть ясом двустороннего действия, который может обеспечивать усилие работы яса как в восходящем, так и в нисходящем направлениях. Отдельные действия работы ясом в восходящем или в нисходящем направлениях могут быть выполнены в любой последовательности; то есть, только вверх, только вниз или попеременно вверх и вниз. Яс 100 может перемещаться в бурильной колонне 32 либо с натяжением, при котором оправка полностью выдвинута, либо со сжатием, при котором оправка полностью втянута. В любом положении перемещение оправки предотвращается, пока работа ясом не будет необходимой. При работе под натяжением оператор должен вначале приложить сжатие к бурильной колонне 32, чтобы "зарядить" оправку в положение, обеспечивающее быстрый выстрел оправки в восходящем направлении. Следовательно, при работе под сжатием оператор должен вначале приложить натяжение к бурильной колонне 32, чтобы "зарядить" оправку для выстрела в нисходящем направлении.
Во время действия, чтобы выстрелить яс 100 в восходящем направлении, оператор прилагает сверхрастяжение к верхней части бурильной колонны 32, тогда как нижний конец бурильной колонны 32, который прихвачен, остается неподвижным. Усилие восходящего натяжения приложено непосредственно к оправке. Однако поскольку фиксатор в ясе 100 ограничивает восходящее перемещение оправки в процессе фазы нагружения, бурильная труба физически растянута и запасает энергию упругой деформации.
По истечении заданного времени или после достижения заданного усилия яс 100 выстреливается: Фиксирующий механизм срабатывает, позволяя оправке беспрепятственно и быстро ускоряться в восходящем направлении под воздействием растягивающего усилия, приложенного к ней с помощью растянутой бурильной колонны 32. Бурильная труба, таким образом, вводится в движение, и, вследствие большой массы бурильных труб 108 или тяжелой бурильной трубы, включенной в бурильную колонну 32 непосредственно над ясом 100, импульс внезапно усиливается. В конце восходящего перемещения оправка соударяется с гильзой. Данное соударение создает импульс, и кинетическая энергия движущейся бурильной колонны передается как ударная волна, которая проходит вверх и вниз по бурильной колонне, чтобы высвобождать прихваченный участок бурильной колонны. После выстрела бурильная колонна 32 должна опускаться до тех пор, пока вес бурильной колонны не создаст достаточное сжимающее усилие на ясе 100, для повторной установки оправки для другого цикла работы ясом в восходящем направлении. В качестве альтернативы яс 100 может мгновенно выстреливаться в нисходящем направлении.
Чтобы выстрелить яс 100 вниз, вместо сверхрастяжения, прилагаемого к бурильной трубе, вес бурильной колонны 32 по меньшей мере частично высвобождается буровой установкой 22, подавая резкое усилие сжатия к оправке. Фиксатор в ясе 100 ограничивает нисходящее перемещение оправки в процессе данной фазы нагружения. По истечении заданного времени или после достижения заданного усилия яс 100 выстреливается: Фиксирующий механизм срабатывает, позволяя оправке беспрепятственно и быстро ускоряться в нисходящем направлении под воздействием веса бурильной колонны. Бурильная труба, таким образом, вводится в движение, и, вследствие большой массы бурильных труб 108 или тяжелой бурильной трубы, как правило, включенной в бурильную колонну непосредственно над ясом 100, импульс внезапно усиливается. В конце нисходящего перемещения оправка соударяется с гильзой. Данное соударение создает импульс, и кинетическая энергия движущейся бурильной колонны 32 передается как ударная волна, которая проходит по бурильной колонне 32, чтобы высвобождать прихваченный участок. После выстрела бурильная колонна 32 должна подниматься до тех пор, пока достаточное натяжение не переустановит оправку для другого цикла работы ясом в нисходящем направлении, или яс 100 может мгновенно выстреливаться в восходящем направлении.
Яс 100 может представлять собой один из двух типов на базе фиксирующего механизма: механического и гидравлического. Механические ясы приводят в действие, используя ряд пружин, замков и роликов с механизмом расцепления. Механический яс выстреливают в восходящем направлении при заданном растягивающем усилии и в нисходящем направлении при заданном усилии сжатия, которое обычно превышает усилия, достигаемые в процессе бурения. Выстрел не зависит от фазы нагружения. Гидравлический яс, с другой стороны, действует за счет движения поршня, протягиваемого через гидроцилиндр, заполненный текучей средой. Текучая среда проходит от одной стороны поршня до другой через проходное отверстие, пусковой клапан или подобное ограничительное устройство, которое вначале ограничивает поток для создания времени задержки в продолжение фазы нагружения, а затем беспрепятственно открывает путь движения потока для срабатывания фиксирующего механизма и выстреливания яса. В некоторых гидравлических ясах нагнетательный поршень должен проходить заданное расстояние, чтобы обойти ограничение или открыть пусковой клапан. Встроенный механизм задержки предназначен, чтобы обеспечить оператору достаточное время для приложения необходимого усилия растяжения или сжатия к бурильной колонне, до устранения ограничения потока или открывания пускового клапана. Таким образом, изменение дозированного расхода текучей среды из-за ограничения влияет на величину соударения.
Обратный клапан 112 включен в бурильную колонну 32 и может быть расположен в оборудовании 90 низа бурильной колонны в или в другом месте в бурильной колонне 32. В некоторых вариантах расположения обратный клапан 112 расположен над ясом 100. Кроме того, множество обратных клапанов 112 может быть включено в бурильную колонну 32, особенно, когда множество ясов 100 включено в бурильную колонну 32. Обратный клапан 112 будет более подробно описан далее.
Перепускной клапан 118 может быть включен в бурильную колонну 32 и может быть расположен в оборудовании 90 низа бурильной колонны в или в другом месте в бурильной колонне 32. Перепускной клапан 118 может быть расположен вместе с обратным клапаном 112 и, естественно, может быть смонтирован в общем узле с обратным клапаном 112. Кроме того, множество перепускных клапанов 118 может быть включено в бурильную колонну 32, особенно, при вариантах расположения, в которых множество обратных клапанов 112 включено в бурильную колонну 32. Перепускной клапан 118 будет более подробно описан далее.
Ускорительный механизм 122 при необходимости может быть расположен в оборудовании 90 низа бурильной колонны или в другом месте в бурильной колонне 32. Ускорительный механизм 122 может быть расположен над ясом 100. Кроме того, множество ускорительных механизмов 122 может быть включено в бурильную колонну 32, особенно, при вариантах расположения, в которых множество ясов 100 включено в бурильную колонну 32. Ускорительный механизм 122 будет более подробно описан далее.
Фиг. 2 представляет собой разрез в осевом направлении рабочей части гидравлического яса 100 двустороннего действия в соответствии с вариантом осуществления, который упрощен для упрощения иллюстрирования действия яса. Как показано на фиг. 2, яс 100 расположен для соединения с бурильной колонной 32 (фиг. 1). Хотя это не показано, яс 100 может содержать путь движения потока для бурового раствора для его прохождения через приспособление. Яс 100 может содержать оправку 200, скользящую внутри гильзы 202. Гильза 202 заполнена текучей средой. Оправка 200 действует, как поршень и как молот с двумя головками. Верхний конец 206 гильзы 202 действует как наковальня для работы ясом в восходящем направлении, а нижний конец 208 гильзы 202 действует как наковальня для работы ясом в нисходящем направлении. Оправка 200 соединена посредством соединительного стержня 203 с верхним концом 211 яса 100, а гильза 202 соединена с нижним концом 213 яса 100.
Фиксирующий механизм 204, который в варианте осуществления, показанном на фиг. 2, содержит внутренние выступающие заплечики, создающие помеху текучей среде в гильзе 202, действует для обеспечения задержки движения оправки 200 внутри гильзы 202, чтобы создавать фазу нагружения для нарастания сверхрастяжения или резкого сжатия в бурильной колонне. Фиксирующий механизм 204 создает помеху текучей среде в оправке 200, что замедляет начальный ход оправки 200. Вблизи конца как восходящего хода, так и нисходящего хода фиксатор 204 больше не создает помех текучей среде; поршень перемещается от ограниченной области в более широкую область, позволяя текучей среде под давлением свободно течь по оправке 200. Давление в оправке 200 выравнивается, и оправка 200 может беспрепятственно ускоряться под воздействием потенциальной энергии, запасенной в бурильной колонне в продолжение фазы нагружения, быстро соударяться с верхним концом 206 гильзы или нижним концом 208 гильзы, как молот ударял бы по наковальне. Это ударное действие общеизвестно как выстреливание яса.
Время, необходимое для выстреливания яса 100, и интенсивность, с которой выстреливается яс 100, зависит от величины приложенного растяжения или сжатия. Сверхрастяжение или сверхсжатие влияет на расход текучей среды в гильзе 202 за оправкой 200 из-за помехи, создаваемой фиксатором 204. Хотя выстрел яса может создаваться низким приложенным усилием, увеличенное сверхрастяжение или резкое сжатие обеспечивает более быстрый и более интенсивный выстрел яса.
Оправка 200 и гильза 202 могут иметь шлицевый или многоугольный профиль 220 поперечного сечения, что позволяет оправке 200 передавать крутящий момент бурильной колонны через яс 100 с минимальным люфтом и без влияния на величину или задержку времени операции работы ясом.
Как показано на фиг. 1 и 2, два параметра работы ясом определяют возможность высвобождения прихваченной трубы: ударное усилие и импульс. Ударное усилие определяют как пиковое усилие, вызванное соударением оправки 200 с гильзой 202, тогда как импульс является мерой изменения количества движения вследствие работы ясом. Как ударное усилие, так и импульс зависят, в первую очередь, от количества бурильных труб 108 над ясом 100. Меньшее количество бурильных труб 108 приводит к увеличенному ударному усилию, а большее количество бурильных труб 108 дает больший импульс. Ударное усилие, создаваемое ясом 100, ограничено доступным сверхрастяжением или сниженной нагрузкой. Сверхрастяжение может приближаться к пределу текучести бурильной колонны 32, а доступная сниженная нагрузка может быть намного меньшей, чем общий вес бурильной колонны, вследствие ограничений выпучивания. Максимальный эффект может быть достигнут путем оптимизации как размещения яса 100, так и количества бурильных труб 108 в бурильной колонне 32.
Кроме того, перепад давления между внутренней частью 33 бурильной колонны 32 и кольцевым зазором 60 действует на уплотненную область поперечного сечения оправки 200, что может создавать усилие открытия давлением, которое принуждает оправку 200 выдвигаться. Во время штатного бурения усилие открытия давлением не оказывает влияния на нагрузку на долото. Однако при работе яса в восходящем направлении усилие открытия давлением должно добавляться к сверхрастяжению для получения действительного растяжения на ясе 100, а при работе яса в нисходящем направлении усилие открытия давлением должно вычитаться из сниженной нагрузки для получения действительного сжатия на ясе 100. Соответственно, усилие открывания давлением может быть использовано, чтобы способствовать работе ясом в восходящем направлении, благодаря увеличению расхода бурового насоса, что увеличивает усилие открывания давлением.
Может существовать случай, в котором бурильная колонна 32 слишком короткая для обеспечения эффективной работы ясом. То есть, бурильная колонна 32 может быть слишком короткой для обеспечения соответствующего растяжения при сверхрастяжении, или она может быть слишком легкой для обеспечения соответствующей резкой нагрузки, особенно если вместо бурильных труб 108 используется тяжелая бурильная труба. Ускорительный механизм 122 может быть включен в бурильную колонну 32 для значительного увеличения ударного воздействия и импульса яса. Использование ускорительного механизма 122 может фактически удваивать ударное усилие яса 100. Более того, ускорительный механизм 122 может снимать напряжение из-за операций работы ясом с оборудования на поверхности. Ускорительный механизм 122 может быть использован во всех типах скважин, хотя ускорительный механизм 122 может быть особенно полезен в крутонаклоненных и горизонтальных скважинах, интервалах с вязкотекучим солевым раствором и в других областях с высокой вероятностью прихватывания под действием перепада давлений.
Фиг. 3A и 3B представляют собой вид поперечных сечений ускорительного механизма 122 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Ускорительный механизм 122 содержит внутреннюю оправку 300, установленную с возможностью скольжения внутри наружного стакана 302. Внутренняя оправка 300 содержит поршень 304, скользящий внутри цилиндра 306. Цилиндр 306 заполнен текучей средой 308, которая может быть, например, кремнийсодержащей текучей средой. Однако вместо текучей среды 308 может быть использована пружина. На фиг 3A к ускорительному механизму 122 не приложена нагрузка. Когда растягивающая нагрузка приложена к ускорительному механизму 122, как показано на фиг. 3B, оправка 300 и поршень 304 смещаются в стакане 302 и цилиндре 306, соответственно, что приводит к сжатию текучей среды 308 и запасанию потенциальной энергии.
Когда яс 100 выстреливается, запасенная в ускорительном механизме 122 потенциальная энергия также высвобождается. Потенциальная энергия, запасенная в ускорительном механизме 122 и высвобождаемая из него, ускоряет рабочую массу бурильной колонны 32 над ясом 100 намного более эффективно, чем энергия, запасенная в растянутой бурильной колонне, поскольку ускорительный механизм 122 устраняет трение и торможение в скважине, создаваемое на сотнях метров бурильной трубы.
Как показано на фиг. 1, обратный клапан 112 расположен над ясом 110 и действует для усиления нисходящего яса. Обратный клапан 112 расположен в нисходящем пути потока бурового раствора 46 через бурильную колонну 32. Обратный клапан может быть избирательно дросселирован, когда буровой раствор циркулирует вниз через бурильную колонну 32 и вверх через кольцевой зазор 66 ствола 60 скважины с помощью буровых насосов 48. Дросселируемый обратный клапан 112 в изоэнтальпическом процессе создает падение давления на седле обратного клапана 112. Разность давлений действует на седло таким образом, что обратный клапан 112 прилагает направленное вниз усилие дросселирования, действующее на верхнюю часть яса 100. Направленное вниз усилие дросселирования пропорционально площади поперечного сечения седла, на которое действует разность давлений. Направленное вниз усилие дросселирования слагается с резкой нагрузкой, и может быть применено для увеличения интенсивности нисходящей работы ясом или для переустановки яса 100 для восходящей работы ясом. Направленное вниз усилие дросселирования может быть изменено путем как изменения степени дросселирования обратного клапана 112, так и увеличения производительности буровых насосов 48.
Фиг. 4 представляет собой вид поперечного сечения обратного клапана 112 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг. 5A и 5B представлены поперечные разрезы ротора и статора, соответственно, обратного клапана 112, которые вместе образуют седло обратного клапана 112. Как показано на фиг. 4–5B, обратный клапан 112 содержит трубчатый корпус 400, образующий осевой путь 402 потока. Верхний и нижний концы корпуса 400 могут включать соединительные устройства для сборки обратного клапана внутри бурильной колонны 32 или оборудования 90 низа бурильной колонны (фиг. 1).
Седло клапана образовано ротором 404 и статором 406. Ротор 404 характеризуется наличием формы кольца с дуговидными лопатками 410, образованными в нем, которые образуют дуговидные каналы 412 потока через него. Статор 406, по существу, аналогичен ротору 404, имея дуговидные лопатки 414 и каналы 416 потока. Статор 406 закреплен в корпусе 402. Ротор 404 установлен с возможностью вращения в корпусе 402 и примыкает к статору 406. Приводной механизм 420 выполнен с возможностью работы для дросселирования обратного клапана 112, т. е., для избирательного позиционирования с возможностью поворота ротора 404 между полностью открытым положением, в котором каналы 412 и 416 потока выровнены, и закрытым положением, в котором лопатки 410, по существу, закрывают каналы 16 потока, так, чтобы блокировать поток текучей среды.
1
2
S
T
Вследствие дросселирования ротора 404 и статора 406, давление P выше по течению от ротора 404 больше, чем давление P ниже по течению от статора 406. Площадь A седла представляет сбой объединенную площадь лопаток 410 ротора и лопаток 414 статора, подверженную действию потока, который изменяется при поворотном позиционировании ротора 404. Усилие дросселирования F определяется по формуле:
(Уравнение 1).
Приводной механизм 420 может представлять собой обмотку электромагнита, серводвигатель или аналогичное устройство позиционирования, и может содержать подшипниковый узел. Система 424 управления управляет приводным механизмом 420. При необходимости обратным клапаном 112 можно управлять с поверхности с помощью телеметрической системы. Обратный клапан 112 может быть программируемым таким образом, что при получении команды дросселирования он дросселируется в течение заданного периода, а затем снова открывается автоматически. Обратный клапан 112 может содержать один или большее количество датчиков 426, таких как передатчик, акселерометр или датчик осевой деформации, для измерения растяжения и сжатия. Датчик 426 позволяет обратному клапану 112 автономно определять, когда происходит работа ясом в восходящем и нисходящем направлении. Обратный клапан 112 также может быть выполнен с возможностью альтернативного дросселирования закрывания и открывания в автоматическом режиме на базе входного сигнала от датчика 426 для повторной работы ясом и/или переустановки. Хотя это не показано, клапан 112 может содержать приводимую в действие давлением обходную линию, которая будет действовать в случае отказа клапана 112 в закрытом состоянии. В вариантах расположения, в которых множество обратных клапанов 112 включено в бурильную колонну 32 (фиг. 1), каждый обратный клапан 112 может быть независимо управляемым с поверхности с помощью телеметрической системы.
Возвращаясь к фиг. 1, в механически прихваченной трубе может возникнуть ситуация, в которой обычная циркуляция бурового раствора может пропасть вследствие закупорки кольцевого зазора 66. Без циркуляции бурового раствора дросселирование обратного клапана 112 будет оказывать слабое действие. Соответственно, перепускной клапан 118 может быть расположен непосредственно под обратным клапаном 112 и использоваться для отвода потока текучей среды из бурильной колонны 32 в кольцевой зазор 66, таким образом, обеспечивая поток через обратный клапан 112. Перепускным клапаном 118 можно независимо управлять с поверхности с помощью телеметрической системы или им можно управлять, например, с помощью системы 424 управления обратного клапана 112.
На фиг. 6 представлен частичный вид в вертикальном разрезе буровой системы 20’, содержащего оборудование 90’ низа бурильной колонны согласно одному варианту осуществления, в котором вместо обычной бурильной колонны 32 по фиг. 1 использована бурильная колонна 32’ типа труба в трубе по способу бурения компании Reelwell. Бурильная колонна 32’ содержит внутреннюю трубу 110, установленную коаксиально с внешней трубой 120. Внутренняя труба 110 и внешняя труба 120 могут быть эксцентрическими или концентрическими. Кольцевой канал 53 потока образован между внутренней трубой 110 и внешней трубой 120, а внутренний канал 54 потока образован во внутренней части внутренней трубы 110. Кроме того, кольцевой зазор 66 образован между наружной стороной бурильной колонны 32’ и внутренней стенкой ствола 60 скважины. Устройство 210 для отведения потока, размещенное рядом с дальним концом бурильной колонны 32’, связывает по текучей среде кольцевой зазор 66 с внутренним каналом 54 потока.
Как и буровая система 20 по фиг. 1, буровая система 20’ по фиг. 6 может содержать наземную буровую установку 22, морскую платформу, полупогружную платформу, буровое судно или т. п. Буровая установка 22 может быть расположена вблизи устья 24 скважины и может содержать поворотный стол 38, двигатель 40 привода ротора и другое оборудование, связанное с вращением бурильной колонны 32’ в стволе 60 скважины. В некоторых случаях буровая установка 22 может содержать верхний приводной двигатель или блок 42 верхнего привода. Устье 24 скважины также может быть оборудовано противовыбросовым превентором (явно не показан), а также другим оборудованием, связанным с бурением ствола скважины.
Нижний конец бурильной колонны 32’ содержит оборудование 90 низа бурильной колонны, которое содержит на дальнем конце вращательное буровое долото 80. Буровой раствор 46 может закачиваться из резервуара 30 с помощью одного или более буровых насосов 48 через трубопровод 34 в верхний конец бурильной колонны 32’, простирающейся от устья 24 скважины. Затем буровой раствор 46 протекает через кольцевой канал 53 потока между внутренней трубой 110 и внешней трубой 120, через оборудование 90’ низа бурильной колонны и выходит из насадок, сформированных во вращательном буровом долоте 80. В нижнем конце 62 ствола 60 скважины буровой раствор 46 может смешиваться с буровым шламом, а также с другими скважинными флюидами и выбуренной породой. Затем смесь бурового раствора поступает вверх через кольцевой зазор 66, через устройство 210 для отведения потока, и вверх через внутренний канал 54 потока, образованный внутренней трубой 110, для возврата бурового шлама и другой выбуренной породы на поверхность. По трубопроводу 36 текучая среда может возвращаться в резервуар 30, но могут быть предусмотрены различные типы сетчатых фильтров, фильтров и/или центрифуг (явно не показаны) для удаления бурового шлама и другой выбуренной породы со ствола скважины для возвращения бурового раствора в резервуар 30. В качестве трубопроводов 34 и 36 могут применяться различные типы труб, трубок и/или шлангов.
Фиг. 7A и 7B представляют собой вид поперечных разрезов, соответственно, устройства 210 для отведения потока. Как показано на фиг. 7A и 7B, устройство 210 для отведения потока расположено между внутренней трубой 110 и внешней трубой 120. Прокладки 320 могут быть расположены в верхней и нижней части устройства 210 для отведения потока для предотвращения попадания потока из кольцевого пространства между внутренней трубой 110 и внешней трубой 120 в центральную часть внутренней трубы 110. Устройство 210 для отведения потока расположено между внутренней трубой 110 и внешней трубой 120 таким образом, чтобы поддерживать соответственное угловое выравнивание. Во время эксплуатации буровой раствор 46 (фиг. 36) протекает через кольцевой канал 53 потока между внутренней трубой 110 и внешней трубой 120 и через серповидные каналы 211 внутри устройства 210 для отведения потока. Одновременно буровой раствор и выбуренная земляная порода из кольцевого зазора 66, образованного между стволом 60 скважины и внешней трубой 120 поступает во внутреннюю трубу 110 через пересекающиеся каналы 212. Внутренняя труба 110 закрыта или закупорена возле устройства 210 для отведения потока или непосредственно ниже него, таким образом, что текучая среда из кольцевого зазора 66 может поступать только вверх по внутренней трубе 110.
На фиг. 8A и 8B представлены разрезы в осевом и поперечном направлении, соответственно, узла 412 двойного обратного клапана согласно одному варианту осуществления, который может подходить для использования в буровой системе 20’ по фиг. 6 типа труба в трубе. Как показано на фиг. 6, 8A и 8B, обратный клапан 412 содержит внутренний трубчатый элемент 510, установленный коаксиально с наружным трубчатым элементом 520. Внутренний трубчатый элемент 510 и наружный трубчатый элемент 520 расположены для соединения внутренней трубы 110 и внешней трубы 120, соответственно, бурильной колонны 32’, таким образом, что внутренняя часть 554 внутреннего трубчатого элемента 510 сообщается по текучей среде с внутренним каналом 54 потока, а кольцевая область 553 снаружи внутреннего трубчатого элемента 510 и внутри наружного трубчатого элемента 520 сообщается по текучей среде с кольцевым каналом 53 потока. Узел 412 двойного обратного клапана расположен над устройством 210 для отведения потока таким образом, что буровой раствор течет вниз в кольцевой области 553, а буровой раствор, выбуренная земляная порода и пластовый флюид течет вверх через внутреннее пространство 554 внутреннего трубчатого элемента 510.
Узел 412 двойного обратного клапана содержит обратный клапан 480 восходящего потока, расположенный во внутренней части 554, и обратный клапан 482 нисходящего потока, расположенный в кольцевой области 553. Обратные клапаны 480, 482 восходящего потока и нисходящего потока могут быть управляемыми независимо друг от друга.
Обратный клапан 480 восходящего потока имеет седло клапана, образованное ротором 502 и статором 506. Ротор 502 характеризуется наличием формы кольца с дуговидными лопатками, образованными в нем, которые образуют дуговидные каналы потока через него. Статор 506, по существу, аналогичен ротору 404, имея дуговидные лопатки 503 и каналы 516 потока. Статор 506 закреплен во внутреннем трубчатом элементе 510. Ротор 504 установлен с возможностью вращения во внутреннем трубчатом элементе 510 и примыкает к статору 506. Приводной механизм 530 выполнен с возможностью избирательного позиционирования с возможностью поворота ротора 502 между полностью открытым положением, в котором каналы потока выровнены, и закрытым положением, в котором лопатки ротора, по существу, закрывают каналы 516 потока, так, чтобы блокировать восходящий поток текучей среды.
Аналогично, обратный клапан 482 нисходящего потока имеет седло клапана, образованное ротором 503 и статором 507. Ротор 503 характеризуется наличием формы кольца с дуговидными лопатками 505, образованными в нем, которые образуют дуговидные каналы 509 потока через него. Статор 507, по существу, аналогичен ротору 503, имея дуговидные лопатки и каналы потока. Статор 507 закреплен между внутренним трубчатым элементом 510 и наружным трубчатым элементом 520. Ротор 503 установлен с возможностью поворота между внутренним трубчатым элементом 510 и наружным трубчатым элементом 52 рядом со статором 507. Приводной механизм 534 выполнен с возможностью избирательного позиционирования с возможностью поворота ротора 503 между полностью открытым положением, в котором каналы потока выровнены, и закрытым положением, в котором лопатки 505 ротора, по существу, закрывают каналы потока статора, так, чтобы блокировать нисходящий поток текучей среды.
Приводные механизмы 530 и 534 могут включать в себя обмотки электромагнита, серводвигатели или аналогичные устройства позиционирования. Система 540 управления управляет приводным механизмом 530 и 534. В одном варианте размещения узлом 412 двойного обратного клапана можно управлять с поверхности с помощью телеметрической системы. Узел 412 двойного обратного клапана может быть программируемым таким образом, что при получении команды дросселирования дросселируется в течение заданного периода, а затем снова открывается автоматически. Однако узел 412 двойного обратного клапана может также содержать один или большее количество датчиков 542, таких как передатчик, акселерометр или датчик осевой деформации, для измерения растяжения и сжатия. Датчик 542 позволяет узлу 412 двойного обратного клапана автономно определять, когда происходит работа ясом в восходящем и нисходящем направлении. Узел 412 двойного обратного клапана также может быть выполнен с возможностью альтернативного дросселирования и открывания обратных клапанов 480, 482 восходящего потока и нисходящего потока в автоматическом режиме на базе входного сигнала от датчика 542 для повторной работы ясом и/или переустановки. В вариантах расположения, в которых множество узлов 412 двойных обратных клапанов включено в бурильную колонну 32, каждый узел 412 двойного обратного клапана может быть независимо управляемым с поверхности с помощью телеметрической системы.
В механически прихваченной трубе может возникнуть ситуация, в которой обычная циркуляция бурового раствора может пропасть вследствие закупорки кольцевого зазора 66. Без циркуляции бурового раствора дросселирование обратных клапанов 480, 482 восходящего потока и нисходящего потока будет оказывать слабое действие. Соответственно, перепускной клапан 413 может быть расположен непосредственно под самым нижним узлом 412 двойного обратного клапана в бурильной колонне 32’. Перепускной клапан 413 может использоваться для отвода потока текучей среды из кольцевого канала 53 потока во внутренний канал 54 потока, тем самым обеспечивая восходящий поток и нисходящий поток через все узлы 412 двойных обратных клапанов. Перепускным клапаном 413 можно независимо управлять с поверхности с помощью телеметрической системы или им можно управлять, например, с помощью системы 540 управления узлом 412 двойного обратного клапана 413.
Во время циркуляции бурового раствора обратный клапан 482 нисходящего потока может быть открыт, а обратный клапан 480 восходящего потока дросселирован, для создания перепада давления через обратный клапан 480 восходящего потока, что создает направленное вверх усилие растяжения в узле 412 двойного обратного клапана. Указанное направленное вверх усилие растяжения может быть использовано вместо прилагаемого на поверхности сверхрастяжения или в дополнение к нему, для "заряжания" или выстреливания яса 100 в восходящем направлении. Аналогично, обратный клапан 480 восходящего потока может быть открыт, а обратный клапан 482 нисходящего потока дросселирован, для создания перепада давления через обратный клапан 482 нисходящего потока, что создает направленное вниз усилие сжатия в узле 412 двойного обратного клапана. Указанное направленное вниз усилие сжатия может быть использовано вместо прилагаемого на поверхности сверхсжатия или в дополнение к нему, для "заряжания" или выстреливания яса 100 в нисходящем направлении. Следовательно, такое устройство обеспечивает усиленный эффект работы ясом и более быстрое и более эффективное повторное фиксирование яса 100.
Хотя буровые системы 20, 20’ описаны в данном документе, как использующие буровой раствор 46, такой как жидкий буровой раствор, системы также могут быть использованы с воздухом или газом. Вследствие способности газов к расширению такая система может обеспечивать дальнейшее усовершенствование работы ясом.
На фиг. 9 представлена схема последовательности действий способа для усиления эффективности работы ясом согласно одному варианту осуществления, в котором использована буровая систем 20’ по фиг. 6, включающая в себя бурильную колонну 32’, снабженную бурильной трубой типа труба в трубе, яс 100 и узел 412 двойного обратного клапана, расположенный между бурильной трубой и ясом 100. Как было проиллюстрировано выше применительно к фиг. 2, яс содержит оправку 200, которая установлена с возможностью скольжения в гильзе 202. Как показано на фиг. 2, 6 и 9, если необходимо установить поток бурового раствора с достаточным расходом, на этапе 600 перепускной клапан 413 открывается для соединения кольцевого канала 53 потока с внутренним каналом 54 потока. На этапе 602 к насосам 48 бурового раствора подается энергия для циркуляции бурового раствора 46 через бурильную колонну 32’.
Затем, как показано на любом из этапов 610, 620, 630, и 640, буровой раствор избирательно дросселируется с помощью обратного клапана, чтобы создавать перепад давления на обратном клапане. Перепад давления создает осевое усилие, передаваемое к ясу 100, который принуждает оправку 200 перемещаться относительно гильзы 202. Например, путем дросселирования обратного клапана 482 нисходящего потока оправка 200 может быть принуждена перемещаться в нисходящем направлении, чтобы "заряжать" яс 100 для последующего выстреливания вверх, как показано на этапе 610 или для выстреливания яса 100 вниз, если яс 100 работает при растяжении, как показано на этапе 630. В качестве альтернативы, обратный клапан 480 восходящего потока может быть дросселирован для принуждения оправки 200 перемещаться в восходящем направлении, чтобы "заряжать" яс 100 для последующего выстреливания в нисходящем направлении, как показано на этапе 640, или для выстреливания яса 100 в восходящем направлении, если яс 100 работает при сжатии, как показано на этапе 620.
При работе ясом в восходящем направлении, после "заряжания" яса 100 на этапе 610, на этапе 615, обратный клапан 482 нисходящего потока открывается, а обратный клапан 480 восходящего потока дросселируется, для выстреливания яса 100 в восходящем направлении. При необходимости или по желанию прилагают поверхностное сверхрастяжение. Данный процесс дросселирования обратного клапана 482 нисходящего потока для "заряжания" яса 100, а затем дросселирования обратного клапана 480 восходящего потока для выстреливания яса 100, затем может повторяться так часто, как это необходимо.
Аналогично, для работы ясом в нисходящем направлении, после "заряжания" яса 100 на этапе 640, на этапе 645, обратный клапан 480 восходящего потока открывается, а обратный клапан 482 нисходящего потока дросселируется, для выстреливания яса 100 в нисходящем направлении. При необходимости или по желанию растяжение бурильной колонны ослабляют на поверхности для приложения дополнительного усилия сжатия к ясу 100. Данный процесс дросселирования обратного клапана 480 восходящего потока для "заряжания" яса 100, а затем дросселирования обратного клапана 482 нисходящего потока для выстреливания яса 100, затем может повторяться так часто, как это необходимо.
Буровая система 20’ также может быть использована для попеременного выстреливания яса 100 в восходящем и нисходящем направлении. Если яс 100 вначале работает в скважине под сжатием, затем яс 100 вначале "заряжают" для выстреливания в восходящем направлении. Соответственно, на этапе 620, обратный клапан 482 нисходящего потока открывается, а обратный клапан 480 восходящего потока дросселируется для приложения растягивающего усилия к ясу 100. При необходимости на поверхности может быть приложено сверхрастяжение. После выстреливания яса 100 в восходящем направлении, на этапе 625 обратный клапан 480 восходящего потока открывается, а обратный клапан 482 нисходящего потока дросселируется, для приложения усилия сжатия к ясу 100. При необходимости растяжение бурильной колонны может быть ослаблено на поверхности для приложения дополнительной нагрузки сжатия к ясу 100. После работы ясом в нисходящем направлении процесс повторяется. Если яс 100 вначале работает в скважине под растяжением, процесс для попеременного выстреливания в нисходящем и восходящем направлении, по существу, такой же, как показано на этапах 630 и 635, за исключением того, что яс 100 вначале выстреливают в нисходящем направлении.
Итак, были описаны буровая система, узел для соединения с бурильной трубой, а также способ бурения ствола скважины. Варианты осуществления буровой системы могут, в основном, иметь: бурильную колонну, расположенную в стволе скважины, образующем трубопровод для потока бурового раствора, бурильную колонну, содержащую бурильную трубу, яс, соединенный с бурильной трубой и снабженный оправкой, установленной с возможностью скольжения в гильзе, и обратный клапан, подсоединенный между бурильной трубой и ясом, работающий для дросселирования потока бурового раствора; установку, расположенную на поверхности земли, несущую бурильную колонну и действующую с возможностью вращения бурильной колонны; и систему управления, функционально связанную с обратным клапаном, таким образом, чтобы избирательно дросселировать поток бурового раствора; в силу чего дросселирование потока бурового раствора создает перепад давления через обратный клапан и осевое усилие, которое передается к ясу таким образом, чтобы принуждать оправку перемещаться относительно гильзы. Варианты осуществления узла для соединения с бурильной трубой могут, в основном, иметь: обратный клапан, установленный для сообщения по текучей среде с бурильной трубой и для дросселирования потока бурового раствора; яс, соединенный с обратным клапаном и снабженный оправкой, установленной с возможностью скольжения внутри гильзы; и систему управления, функционально связанную с обратным клапаном так, чтобы избирательно дросселировать поток бурового раствора; посредством чего дросселирование потока бурового раствора создает перепад давления через обратный клапан и осевое усилие, передаваемое к ясу, чтобы принуждать оправку перемещаться относительно гильзы. Варианты осуществления способа бурения ствола скважины, в основном, включают: создание бурильной колонны, содержащей бурильную трубу, яс и обратный клапан, расположенный между бурильной трубой и ясом, содержащим оправку, установленную с возможностью скольжения в гильзе; создание потока бурового раствора через бурильную трубу и обратный клапан; и избирательное дросселирование потока посредством обратного клапана, чтобы создавать перепад давления через обратный клапан, перепад давления, создающий осевое усилие, которое передается к ясу таким образом, чтобы принуждать оправку перемещаться относительно гильзы.
Любой из вышеупомянутых вариантов осуществления может включать в себя любой из следующих элементов или характеристик, по отдельности или в сочетании друг с другом: обратный клапан, расположенный над ясом; избирательное дросселирование потока в нисходящем направлении, так, чтобы создавать резкое усилие сжатия, передаваемое к ясу; избирательное дросселирование потока в восходящем направлении, так, чтобы создавать усилие растяжения, передаваемое к ясу; усилие, передаваемое к ясу, способствует «заряжанию» яса; усилие, передаваемое к ясу, способствует выстреливанию яса; отведение потока ниже по течению от обратного клапана из бурильной колонны в кольцевой зазор ствола скважины; бурильная труба включает в себя внутреннюю трубу, расположенную внутри внешней трубы; отведение потока в нисходящем направлении во внешней трубе в восходящее направление во внутренней трубе; обратный клапан, соединенный с бурильной трубой так, чтобы дросселировать поток в нисходящем направлении для создания резкого усилия сжатия, передаваемого к ясу; обратный клапан, соединенный с бурильной трубой так, чтобы дросселировать поток в восходящем направлении для создания усилия растяжения, передаваемого к ясу; усилие, передаваемое к ясу, способствует «заряжанию» яса; усилие, передаваемое к ясу, способствует выстреливанию яса; перепускной клапан, соединенный с обратным клапаном и действующий для отвода потока ниже по течению от обратного клапана из бурильной колонны в кольцевой зазор ствола скважины; и перепускной клапан, соединенный с обратным клапаном и действующий для отвода потока в нисходящем направлении во внешней трубе в восходящее направление во внутренней трубе.
Реферат изобретения служит исключительно для предоставления способа, с помощью которого при беглом ознакомлении быстро определяют характер и сущность технического описания, и он отображает только один или большее количество вариантов осуществления.
Хотя подробно проиллюстрированы различные варианты осуществления, изобретение не ограничивается представленными вариантами осуществления. Для специалистов в данной области техники будут очевидны возможные усовершенствования и доработки представленных выше вариантов осуществления. Эти усовершенствования и доработки не отступают от сущности и входят в объем настоящего изобретения.