ТРУБНЫЙ КОМПОНЕНТ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ
DRILL STRING TUBULAR COMPONENT

Настоящее изобретение относится к устройству и способу придания подвижности буровому шламу в стволе скважины.
В бурении ствола скважины породоразрушающее долото устанавливается на конце бурильной колонны, содержащей звенья труб, соединенные концами. Бурильная колонна обычно вращается целиком расположенной на поверхности буровой установкой, вращая долото для выполнения проходки пласта. Во время бурения при разрушении долотом пласта вырабатываются обломки породы и грунта (буровой шлам). Данный буровой шлам требует удаления с граничной поверхности между долотом и пластом, и подачи на поверхность. Обычно шлам удаляют, перекачивая буровой промывочный раствор вниз по внутреннему каналу бурильной колонны, раствор выходит через буровое долото и поднимается обратно вверх по кольцевому пространству между колонной и стволом, суспендируя шлам в потоке текучей среды и унося его от бурового долота на поверхность с одновременной смазкой и охлаждением бурового долота при проходке пласта. Обычной проблемой является осаждение бурового шлама из суспензии во время его подачи вверх в кольцевом пространстве, которое может мешать перемещению бурильной колонны и поэтому замедлять или останавливать бурение. Указанное в частности создает проблемы в наклонно-направленных скважинах и в направленном бурении, где ствол скважины проходит горизонтально, а не вертикально, и обычными являются длинные горизонтальные секции в тысячи футов длиной (100 фут = 305 м), которые страдают от осаждения шлама и скопления его слоя на нижней стороне ствола скважины.
Существующие мероприятия для сохранения шлама в виде суспензии включают в себя применение крыльчаток различных конструкций, прикрепленных к наружной поверхности бурильной колонны, которые вращаются с бурильной колонной и поддерживают суспендирование шлама.
Согласно настоящему изобретению создан трубный компонент бурильной колонны в форме трубного изделия, имеющего центральный канал, проходящий вдоль оси трубного изделия, и два конца, причем трубный компонент имеет трубные замки на каждом конце для соединения трубного компонента в бурильной колонне, использующейся в бурении ствола скважины в пласт, трубный компонент имеет устройство для придания подвижности буровому шламу в нефтяной или газовой скважине, содержащий следующее:
- по меньшей мере одну радиальную крыльчатку в форме радиального выступа, проходящего от трубного компонента, причем радиальный выступ выполнен с возможностью приложения радиального напора к потоку шлама в буровом промывочном растворе, проходящем через кольцевое пространство между трубным изделием и стволом, так что шлам, проходящий по радиальному выступу, поджимается в радиальном направлении от наружной поверхности трубного компонента; и
- первую и вторую аксиальные крыльчатки в форме радиальных выступов, проходящих радиально от трубного компонента, причем первая и вторая аксиальные крыльчатки созданы на местах на трубном компоненте аксиально отнесенных от радиальной крыльчатки так, что радиальная крыльчатка расположена аксиально между аксиальными крыльчатками, причем аксиальные крыльчатки выполнены с возможностью приложения аксиального напора к текучим средам, проходящим через кольцевое пространство между трубным изделием и стволом, и при этом направление аксиального напора, приложенного к текучей среде первой аксиальной крыльчаткой, является противоположным направлению аксиального напора, приложенного к текучей среде второй аксиальной крыльчаткой.
Обычно радиальная крыльчатка может содержать несколько радиальных выступов. В некоторых вариантах осуществления с несколькими радиальными выступами радиальные выступы могут являться разнесенными по периметру вокруг оси трубного компонента.
При необходимости каждая аксиальная крыльчатка может содержать несколько радиальных выступов, например, 2, 3, 4 или больше радиальных выступов можно создавать на каждой аксиальной крыльчатке. В некоторых аксиальных крыльчатках с несколькими радиальными выступами, радиальные выступы могут являться разнесенными по периметру вокруг оси трубного компонента, обычно согласованными друг с другом на одном аксиальном месте вдоль оси трубного компонента.
Каждая из аксиальных крыльчаток может в общем содержать по меньшей мере одну винтообразную часть, проходящую винтом вокруг трубного компонента, обычно иметь несколько винтообразных частей, и при необходимости винтообразные части могут являться разнесенными по периметру вокруг оси трубного компонента, обычно согласованными друг с другом на одном аксиальном месте вдоль оси трубного компонента.
Обычно винтообразные компоненты в первой и второй аксиальной крыльчатках проходят в соответствующих противоположных направлениях, например, винтообразные компоненты на первой аксиальной крыльчатке могут проходить по часовой стрелке, и компоненты на второй аксиальной крыльчатке могут проходить против часовой стрелки или наоборот.
Изобретением также создан способ придания подвижности буровому шламу при бурении нефтяной или газовой скважины, причем способ содержит включение в состав бурильной колонны трубного компонента бурильной колонны, причем трубный компонент бурильной колонны имеет устройство для придания подвижности буровому шламу в нефтяной или газовой скважине, содержащее следующее:
по меньшей мере одну радиальную крыльчатку в форме радиального выступа, проходящего от трубного компонента бурильной колонны, причем радиальный выступ выполнен с возможностью приложения радиального напора к потоку шлама в буровом промывочном растворе, проходящем через кольцевое пространство между трубным компонентом и стволом, так что шлам, проходящий по радиальному выступу поджимается в радиальном направлении от наружной поверхности трубного компонента,
- первую и вторую аксиальные крыльчатки в форме радиальных выступов, проходящих радиально от трубного компонента, причем первая и вторая аксиальные крыльчатки созданы на аксиально разнесенных друг от друга местах на трубном компоненте и относительно радиальной крыльчатки так, что радиальная крыльчатка расположена аксиально между аксиальными крыльчатками;
при этом способ содержит:
- проход текучих сред вдоль радиальной крыльчатки и отвод текучих сред, проходящих по радиальной крыльчатке, радиально наружу от наружной поверхности трубного компонента; и
- приложение аксиального напора к текучим средам, проходящим через кольцевое пространство между трубным компонентом и стволом с помощью аксиальных крыльчаток, при этом направление аксиального напора, приложенного к текучим средам первой аксиальной крыльчаткой, является противоположным направлению аксиального напора, приложенного к текучим средам второй аксиальной крыльчаткой.
Радиальная крыльчатка может при необходимости иметь наклонную площадку.
Текучие среды, проходящие аксиально вверх в кольцевом пространстве между бурильной колонной и стволом скважины обычно встречают наклонную площадку и отводятся наклонной площадкой радиально от наружной поверхности трубного компонента. Отвод текучих сред радиально наружу от наружной поверхности трубного компонента обычно перемещает текучие среды в зону кольцевого пространства с большей турбулентностью и/или более быстрым потоком. Буровой шлам, присутствующий в текучих средах, проходящих по наклонной площадке при этом также отводится в зоны турбулентного потока и его способность к осаждению из суспензии при этом уменьшается.
Обычно аксиальные крыльчатки поджимают текучую среду к радиальной крыльчатке для отвода в радиальном направлении от оси трубного компонента.
Радиальная крыльчатка обычно имеет по меньшей мере одну лопасть, проходящую радиально от корня радиально близкого к наружной поверхности трубного компонента к обычно плоской наружной кромке, радиально отнесенной от оси трубного изделия. Плоская наружная кромка обычно имеет диаметр больше диаметра корня. При необходимости можно создавать несколько лопастей. Лопасть (лопасти) в обычно образуют каналы потока текучей среды между смежными лопастями, выполненные с возможностью направления потока текучих сред в кольцевом пространстве между трубным изделием и стволом скважины.
Лопасть (лопасти) радиальной крыльчатки обычно выставлены по оси трубного изделия и являются прямыми. Каналы также обычно выставлены по оси трубного изделия и лопастей и также являются прямыми. Дно каналов обычно плавно переходит в радиально проходящие стенки лопастей.
Боковые стенки лопастей могут при необходимости образовываться плоскими поверхностями вблизи наружной поверхности, обычно проходящими в общем перпендикулярно оси трубного изделия. Стороны лопасти в корневой части каждой лопасти и переход между лопастью и дном канала могут при необходимости представлять собой изогнутую поверхность, проходящую между в общем перпендикулярными сторонами лопасти и дном канала, при этом создается обращенная к периметру наклонная площадка, обычно проходящая в общем перпендикулярно относительно лопасти. Обычно наклонные площадки на каждой стороне канала обращены друг к другу, и при необходимости обращены в направлении вращения. Обычно текучая среда, проходящая через каналы между лопастями, поджимается вверх по наклонным площадкам в радиальном направлении, благодаря вращению радиальной крыльчатки вместе с вращением бурильной колонны, к которой трубное изделие прикреплено, и таким образом отводится радиально наружу от оси трубного изделия.
Обычно лопасть может иметь наклонные поверхности на своих боковых сторонах. При необходимости лопасть может иметь наклонные поверхности на своих аксиальных сторонах со стороны устья и со стороны забоя в дополнение к или вместо проходящих по периметру наклонных площадок.
Наклонные площадки в общем имеют сужающийся профиль, с первым концом, имеющим зону малого радиуса вблизи номинального наружного диаметра трубного компонента в данной точке, так что на первом конце наклонная площадка не отклоняет текучие среды радиально в кольцевом пространстве, но обеспечивает по существу беспрепятственный проход вверх аксиального потока всех текучих сред по кольцевому пространству и на наклонную площадку. Второй конец наклонной площадки в общем имеет диаметр больше диаметра первого конца, достаточный для отвода текучих сред, проходящих по или поверх наклонной площадки (обычно параллельно оси трубного изделия) радиально наружу от оси трубного изделия в зону кольцевого пространства, в которой имеется более турбулентный поток, чем в зоне кольцевого пространства непосредственно радиально смежной с наружной поверхностью трубного изделия. Второй конец может иметь отличающиеся радиальные размеры, зависящие от имеющегося кольцевого зазора между трубным компонентом и стволом скважины, который, как понятно специалисту в данной области техники, должен являться различным в различных ситуациях, но обычно наклонная площадка имеет достаточный радиальный размер для эффективного отклонения по существу всех текучих сред, проходящих по наклонной площадке, в наружный кольцевой зазор между трубным изделием и стволом скважины.
Между первым и вторым концами наклонной площадки диаметр наклонной площадки обычно постепенно увеличивается. Увеличение диаметра между концами наклонной площадки может являться линейным или ступенчатым, но особенно предпочтительно, если поверхность наклонной площадки образована гладкой кривой вместо ряда ступеней или прямой линии, поскольку поток текучей вверх по наклонной площадке тогда ускоряется в радиальном направлении с наибольшей интенсивностью и поэтому отводится по большей части из зоны малого радиуса вблизи поверхности трубного изделия, на которой обычно действует более ламинарный поток, в зону кольцевого пространства высокоскоростного потока и высокой турбулентности с большим радиусом. Поверхность наклонной площадки может являться прямой или криволинейной.
Поверхность наклонной площадки может иметь различные углы наклона. Наклонная площадка может иметь малый угол наклона на своем первом конце и более крутой угол наклона на своем втором конце, для захвата большей части текучих сред и начала их поджатия радиально перед увеличением радиального напора, приложенного к текучим средам ближе ко второму концу наклонной площадки. Переход между входным малым углом наклона наклонной площадки на нижнем конце со стороны забоя наклонной площадки к более крутому углу на конце со стороны устья может представлять собой гладкую кривую или резкое изменение угла наклона в конкретной аксиальной точке на наклонной площадке или происходить на небольшом аксиальном отрезке. Входной малый угол наклона на конце со стороны забоя может составлять 0-5 градусов, при необходимости 10-30 градусов. Более крутой угол наклона поверхности наклонной площадки на конце со стороны устья может составлять 18-60 градусов.
Самая удаленная радиально от осевой линии поверхность лопасти обычно имеет плоскую зону со стороны устья наклонной площадки со стороны забоя, которая может иметь различные углы наклона, например, плоскую ровную секцию параллельную номинальной наружной поверхности трубного изделия. При необходимости плоская зона может являться не параллельной оси трубного изделия T, и может при необходимости сужаться от меньшего диаметра на своем конце со стороны забоя к несколько большему диаметру на своем конце со стороны устья. В общем плоская зона имеет угол конусности, например, 1-5 градусов.
При необходимости радиальная крыльчатка может иметь несколько наклонных площадок. Радиальная крыльчатка может обычно иметь аксиальную наклонную площадку со стороны забоя на нижнем конце, сужающуюся от малого радиуса к большому радиусу, и аксиальную наклонную площадку со стороны устья, расположенную на своем конце со стороны устья, в общем сужающуюся от большого радиуса к малому радиусу, при необходимости, обратно к номинальному радиальному диаметру трубного изделия. При необходимости наклонная площадка со стороны устья и наклонная площадка со стороны забоя могут быть разделены, обычно плоской зоной.
Наклонная площадка со стороны устья может при необходимости иметь угол или конфигурацию аналогичную наклонной площадке со стороны забоя. Наклонная площадка со стороны устья обычно имеет более крутой угол, чем наклонная площадка со стороны забоя.
Радиальная крыльчатка расположена при необходимости по существу на равном расстоянии от первой и второй аксиальных крыльчаток.
Первая и вторая аксиальные крыльчатки с каждой стороны радиальной крыльчатки могут при необходимости включать в себя наклонные площадки (обычно на лицевых сторонах смежных выступов) для передачи радиального напора на текучие среды, проходящие вверх в кольцевом пространстве.
Винтообразные части первой и второй аксиальных крыльчаток обычно включают в себя радиально проходящие поверхности, обычно перпендикулярные оси трубного изделия и номинальной наружной поверхности трубного изделия для передачи аксиального напора на текучие среды, проходящие по ним, и поджатия текучих сред в направлении к радиальной крыльчатке. Обычно винтообразные части первой и второй аксиальных крыльчаток расположены на наружных концах первой и второй аксиальных крыльчаток. Обычно первая и вторая аксиальные крыльчатки имеют аксиальные части, которые обычно созданы на обращенных внутрь сторонах выступов, и проходят непосредственно от винтообразных частей. Обычно на первой и второй аксиальных крыльчатках соответствующие радиальные выступы образуют каналы, проходящие между смежными по периметру радиальными выступами. При необходимости каналы первой и второй аксиальных крыльчаток проходят между винтообразными и аксиальными частями, так что канал также является частично винтообразным, обычно на своем наружном конце, и частично аксиальным, обычно на своем обращенном внутрь конце. Соответственно, каждый канал имеет винтообразную наружную часть и аксиальную внутреннюю часть, расположенные на внутренних концах первой и второй аксиальных крыльчаток, более близких к радиальной крыльчатке, так что текучие среды, проходящие через каналы, отводятся наружными винтообразными частями и поджимаются, проходя через внутренние аксиальные части в общем по прямой линии к радиальной крыльчатке.
Первая и вторая аксиальные крыльчатки таким образом обе поджимают текучие среды аксиально к радиальной крыльчатке, расположенной между первой и второй аксиальными крыльчатками, которая поджимает текучие среды радиально наружу в зону высокоскоростного и высоко турбулентного потока в кольцевом пространства, при этом шлам сохраняется суспендированным в текучих средах.
При необходимости винтообразные участки проходят прямолинейно. При необходимости винтообразные участки (или их части) могут проходить по дугам окружности. Обычно винтообразные участки на соответствующих первой и второй аксиальных крыльчатках поджимают текучие среды в противоположных аксиальных направлениях, в общем к выступам с наклонными участками.
Обычно радиальные и аксиальные крыльчатки создаются на соответствующих муфтах, которые соединены с наружной поверхностью трубного изделия. Соответствующие муфты можно создавать для первой и второй аксиальных крыльчаток и для радиальной крыльчатки. Крыльчатки (например, муфты) можно аксиально разносить друг от друга по длине трубного изделия или располагать аксиально смежными друг с другом.
При необходимости несколько радиальных выступов создано на каждой крыльчатке (например, на каждой муфте). В общем 2, 3, 4, 5 или больше радиальных выступов создают на каждой крыльчатке. В общем радиальные выступы на каждой из крыльчаток создают на одинаковых местах (например, на той же муфте) вдоль оси трубного изделия, и расставляют с интервалами по периметру (например, разносят по периметру вокруг муфты) вокруг оси трубного изделия.
Обычно первая и вторая аксиальные крыльчатки в общем по периметру согласованы друг с другом, при этом аксиальные участки обычно создают с одинаковой ориентацией по окружности.
Обычно первая и вторая аксиальные крыльчатки могут быть аксиально отнесены от радиальной крыльчатки по длине трубного изделия. Альтернативно, первая и вторая аксиальные крыльчатки могут являться аксиально смежными с радиальной крыльчаткой и по существу не иметь аксиального разноса по длине с каждой из сторон от радиальной крыльчатки.
Обычно радиальная крыльчатка по периметру для исключения аксиального совмещения выполнена вразбежку относительно первой и второй аксиальных крыльчаток, так что каналы в радиальной крыльчатке обычно совмещаются с радиальными выступами на первой и второй аксиальных крыльчатках.
Обычно трубный компонент включают в состав бурильной колонны и соединения являются в общем обычными замковыми муфтами и ниппелями, подходящими для передачи крутящего момента в обычных бурильных колоннах. В общем, трубное изделие выполнено с возможностью выдерживать и передавать крутящий момент, возникающий в обычных бурильных колоннах.
Обычно трубное изделие входит в состав компоновки низа бурильной колонны (КНБК), и может содержать секции толстостенной бурильной трубы для компоновки, расположенной вблизи долота во время бурения, но варианты осуществления могут альтернативно или в дополнение входить в состав колонн бурильных труб или других трубных изделий над КНБК.
Трубный компонент может входить в состав бурильной колонны, как переводник, либо в одном или в нескольких местах с расстановкой со случайными или равными интервалами по длине колонны. Схема с аксиальной крыльчаткой, радиальной крыльчаткой и аксиальной крыльчаткой может применяться один раз на трубном изделии или несколько раз, так что в трубной свече, выполненной с возможностью скрепления в бурильной колонне схема может при необходимости повторяться, при необходимости можно иметь два или больше двух повторов в трубной свече.
Обычно трубное изделие имеет опорные поверхности, при необходимости содержащие упрочненные материалы для опирания на поверхность ствола скважины, и отвода радиальных выступов от внутренней поверхности ствола скважины, так что они могут вращаться с колонной и не зацеплять выступов на поверхности ствола скважины. Обычно опорные поверхности расположены на муфтах, которые расположены аксиально разнесенными по трубному изделию, и могут обычно располагаться на противоположных наружных концах муфт, несущих аксиальные крыльчатки. Обычно муфты имеют радиальный размер больше, чем аксиальные и радиальные крыльчатки, и отводят радиальные выступы радиально от стенки ствола скважины.
При необходимости муфты могут иметь винтообразные пазы которые могут действовать в качестве мешалок, подающих дополнительный напор в текучие среды обычно в аксиальном направлении. Данные пазы можно ориентировать в любом винтовом направлении, и пазы на каждой из муфт можно при необходимости ориентировать в противоположных направлениях.
В другом аспекте изобретением создан трубный компонент бурильной колонны в форме трубного изделия, имеющего центральный канал, проходящий вдоль оси трубного изделия, и два конца, причем трубный компонент имеет трубные замки на каждом конце для соединения трубного компонента в бурильной колонне, использующейся в бурении ствола скважины в пласт, причем трубный компонент имеет устройство для придания подвижности буровому шламу в нефтяной или газовой скважине, при этом устройство содержит по меньшей мере одну радиальную крыльчатку в форме радиального выступа, проходящего от трубного компонента бурильной колонны, причем радиальный выступ выполнен с возможностью приложения радиального напора к потоку шлама в буровом промывочном растворе, проходящем через кольцевое пространство между трубным изделием и стволом, так что шлам, проходящий по радиальному выступу, поджимается в радиальном направлении от наружной поверхности трубного компонента.
В другом аспекте изобретением также создан способ придания подвижности буровому шламу при бурении нефтяной или газовой скважины, содержащий включение в состав бурильной колонны трубного компонента бурильной колонны, причем трубный компонент бурильной колонны имеет устройство для придания подвижности буровому шламу в нефтяной или газовой скважине, при этом устройство содержит по меньшей мере одну радиальную крыльчатку в форме радиального выступа, проходящего от трубного компонента бурильной колонны, причем радиальный выступ выполнен с возможностью приложения радиального напора к потоку шлама в буровом промывочном растворе, проходящем через кольцевое пространство между трубным изделием и стволом, так что шлам, проходящий по радиальному выступу, поджимается в радиальном направлении от наружной поверхности трубного компонента, причем способ содержит проход текучих сред по радиальной крыльчатке и отвод текучих сред, проходящих по радиальной крыльчатке, радиально наружу от наружной поверхности трубного компонента.
Варианты осуществления изобретения обеспечивают с помощью профиля наружной поверхности трубного изделия перемешивание и ускорение прохода бурового шлама в кольцевую зону высокоскоростного потока. Любая часть шлама, которая остается в кольцевой зоне низкоскоростного ламинарного потока вблизи корпуса трубного изделия над выступом со стороны забоя должна ускоряться аксиально к выступу с наклонной площадкой, который дополнительно ускоряет проход бурового шлама в высокоскоростной поток радиально снаружи от выступа. Любой шлам, который проходит по выступу с наклонной площадкой и все равно остается в нижнем потоке внутренних слоев кольцевого пространства должен ускоряться аксиально обратно к забою скважины к верхней поверхности выступа с наклонной площадкой благодаря профилю выступа со стороны устья, который имеет ориентацию, противоположную ориентации профиля со стороны забоя. Данная противоположная ориентация создает более эффективную турбулентную зону, препятствующую осаждению каких-либо обломков породы вокруг инструмента и поднимающую больше бурового шлама в верхнюю кольцевую зону, при этом шлам сохраняется в суспензии. Любой шлам, выпадающий радиально назад к трубному изделию и способный восстанавливать слой шлама должен ускоряться вновь в направлении радиально наружу от трубного изделия к зоне высокоскоростного потока.
Варианты осуществления изобретения обеспечивают захват и перемешивание слоев бурового шлама в более агрессивном режиме, создавая лучше промытый ствол.
Первая и вторая аксиальные крыльчатки, расположенные на противоположных концах радиальной крыльчатки, перемещают шлам в противоположных аксиальных направлениях друг к другу, так что когда трубное изделие вращается в своем нормальном направлении по часовой стрелке (если смотреть сверху) во время обычных операций вращательного бурения, напор в аксиальном направлении от каждой аксиальной крыльчатки поджимает текучую среду и шлам внутрь к радиальной крыльчатке. При этом шлам блокируется в зоне кольцевого пространства между двумя аксиальными крыльчатками, и поскольку аксиальные крыльчатки прикладывают аксиальный напор в противоположных направлениях друг к другу, пробку из бурового шлама, захваченного между ними можно вытащить, продолжая вращение и поднимая колонну из скважины. Данная методика весьма удовлетворительно работает в горизонтальных секциях скважины, и также предпочтительна, поскольку более крупные частицы, которые быстрее выпадают в осадок и которые труднее суспендировать, можно физически вытаскивать из скважины в пробке без обязательного их удержания в суспензии и вместо удаления их из кольцевого пространства в процессе промывки, суспендированными в текучей среде. Наконец, данный признак блокирование и вытаскивания можно использовать для перемещения пробки из более крупных частиц в другую секцию ствола скважины, в которой можно иметь более высокую скорость потока, например вертикальную секцию скважины, где можно проще повторно суспендировать более крупные частицы для обычного извлечения в виде суспензии.
Различные аспекты настоящего изобретения можно реализовать на практике индивидуально или в комбинации с одним или несколькими другими аспектами, что понятно специалисту в данной области техники. Различные аспекты изобретения можно создавать при необходимости в комбинации с одним или несколькими применяемыми при необходимости признаками других аспектов изобретения. Также применяемые при необходимости признаки, описанные для одного варианта осуществления, можно в общем комбинировать индивидуально или вместе с другими признаками в различных вариантах осуществления изобретения.
Различные варианты осуществления и аспекты изобретения подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые Фигуры. Другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения становятся понятными из описания в целом, включающего в себя Фигуры, показывающего ряд примеров вариантов осуществления и аспектов и вариантов реализации. Изобретение также допускает другие и отличающиеся варианты осуществления и аспекты, и несколько его деталей можно модифицировать в различных направлениях без отхода от сущности и объема настоящего изобретения. Соответственно, чертежи и описания следует рассматривать, как иллюстративные и не ограничительные. Кроме того, терминология и фразеология, используемая в данном документе используется только для описания и не предполагает ограничения объема. Такие слова, как "включающий в себя", "содержащий", "имеющий", "имеющий в составе" или "включающий в состав" и их вариации имеют широкий смысл и охватывают предметы, указанные за ними, не указанные эквиваленты и дополнительные предметы и не исключают другие дополнения, компоненты, числа или этапы. Аналогично термин "содержащий" считается синонимом терминов "включающий в себя" или "имеющий в составе" для юридического применения.
Любое рассмотрение документов, актов, материалов, устройств, статей и т.п. включено в описание только для создания контекста настоящего изобретения. Не предполагается и не представляется, что любые или все из данных позиций образуют часть основы известной техники или являются общеизвестными в области техники настоящего изобретения.
В данном описании если составу, элементу или группе элементов предшествует переходная фраза "содержащий", понятно, что мы также предполагаем аналогичные состав, элемент или группу элементов с переходными фразами "состоящий по существу из", "имеющий в составе", "выбранный из группы, состоящей из", "включающий в себя", или "являющийся" с предыдущим указанием состава, элемента или группы элементов и наоборот.
Все численные величины в данном описании понимаются как написанные со словом "около". Все элементы, или любые другие компоненты, описанные в данном документе в единственном числе, следует понимать включающими в себя множественное число и наоборот.
На прилагаемых чертежах показано следующее.
На Фиг.1 показан вид сбоку трубного компонента бурильной колонны согласно изобретению.
На Фиг.2 показан с увеличением фрагмент Фиг.1.
На Фиг.3a-h показаны сечения по линиям C-C, D-D, E-E, F-F, G-G-, H-H-. J-J- и K-K соответственно Фиг.2.
На Фиг.4 показан вид сбоку аналогичный показанному на Фиг.1, где трубный компонент бурильной колонны повернут на 60 градусов.
На Фиг.5, 6, и 7 показаны в изометрии муфты с аксиальной и радиальной крыльчаткой трубного компонента Фиг.1.
На Фиг.8 показан вид сбоку в изометрии трубного компонента Фиг.1, используемого в бурильной колонне для обеспечения подвижности шлама в стволе скважины.
На Фиг.9 показан вид с торца устройства Фиг.8.
На Фиг.10 показан вид в изометрии с другой стороны устройства Фиг.8 с потоком текучей среды.
На Фиг.11 показан с увеличением фрагмент устройства Фиг.10.
Как показано на чертежах, трубный элемент бурильной колонны содержит центральное трубное изделие T, с концами со стороны забоя и со стороны устья (см. Фиг.1), и на данных концах имеет соответствующие замковую муфту и замковый ниппель для соединения в бурильной колонне. Обычно трубное изделие устанавливают в компоновке низа бурильной колонны (КНБК) смежной с буровым долотом, и трубное изделие T может, если необходимо, являться утяжеленной бурильной трубой или толстостенной бурильной трубой, известной для такого варианта применения. Замковая муфта и замковый ниппель на концах трубного изделия T обычно имеют наружный диаметр больше номинального наружного диаметра трубного изделия T на отрезке между двумя концами. В показанном примере номинальный наружный диаметр центральной секции трубного изделия T составляет обычно 5-7/8”(149 мм). Трубное изделие T обычно является толстостенной бурильной трубой на 5-7/8”(149 см).
На наружной поверхности трубного изделия T имеются обычно три муфты с радиальными выступами. На конце со стороны забоя, по меньшей мере одна первая аксиальная крыльчатка имеется на первой муфте 10. На конце со стороны устья вторая аксиальная крыльчатка имеется на второй муфте 20. Между первой и второй муфтами 10, 20 имеется по меньшей мере одна радиальная крыльчатка на третьей муфте 30. Муфты 10, 20, 30, можно при необходимости отдельно выполнять с помощью обработки на металлорежущих станках массивных заготовок, например, и затем прикреплять к трубному изделию T, или можно при необходимости выполнять в виде интегральной части трубного изделия T с получением обработкой на металлорежущих станках трубного изделия и муфт из одного компонента. В описанном варианте осуществления муфты 10, 20 и 30 выполнены интегральными с трубным изделием T.
Первая аксиальная крыльчатка имеется на первой муфте 10 на конце со стороны забоя трубного изделия T, муфта 10 в общем имеет три разнесенных по периметру радиальных выступа 11. Больше или меньше трех выступов можно создавать при необходимости. Радиальные выступы проходят радиально от наружной поверхности трубного изделия T в общем в перпендикулярном направлении. Радиальные выступы 11 имеют аксиальную часть 11a, которая проходит параллельно оси X трубного изделия (см. Фиг.1), и винтообразную часть 11h, которая проходит винтом от конца со стороны забоя аксиальной части, с которой соединяется. Винтообразная часть 11h проходит в направлении по часовой стрелке на виде с конца инструмента со стороны устья, что в технике обычно называют правой винтовой линией.
Муфта 10 в общем имеет форму усеченного конуса и относительно небольшой наружный диаметр на своем конце со стороны устья, который постепенно увеличивается до большего диаметра на конце со стороны забоя. Радиальные выступы 11 каждый имеет в общем выпуклую радиально самую удаленную от осевой линии поверхность, которая сужается в общем по аксиальной прямой линии согласно форме усеченного конуса муфты 10 от конца со стороны устья к концу со стороны забоя, который имеет диаметр больше, чем конец со стороны устья. Конец муфты 10, со стороны устья сужается в общем до наружного диаметра трубного изделия T, как и плоские наружные поверхности радиальных выступов 11.
Радиальные выступы 11 разнесены по периметру вокруг муфты 10, как лучше всего показано в сечениях 3f и 3g. Боковые стенки выступов 11 обычно в общем перпендикулярны оси трубного изделия на радиально самых дальних от осевой линии кромках выступов, и в общем меняют угол с уменьшением своего радиуса.
По периметру смежные радиальные выступы 11 образуют каналы 12 между собой. Каналы 12 имеют аксиальную часть 12a, образованную между смежными аксиальными частями 11a радиальных выступов, и винтообразные части 12h, образованные между винтообразными частями радиальных выступов. Поэтому путь каналов 12 в общем следует пути радиальных выступов 11 в муфте 10.
Каналы 12 имеют в общем выпуклое дно, проходящее между сторонами выступов 11, как лучше всего показано в сечениях 3f и 3g; дно в общем следует по выпуклому наружному периметру трубного изделия T, но в других вариантах осуществления изобретения дно канала может иметь другую форму, например, быть выпуклым или плоским. В аксиальном направлении дно канала может при необходимости являться в общем параллельным оси трубного изделия T. Вместе с тем, в альтернативных вариантах осуществления дно канала не обязательно должно являться параллельным оси трубного изделия T, можно применять другие конфигурации, например, дно канала может при необходимости сужаться в аксиальном направлении от конца со стороны устья в концу со стороны забоя аналогично наружной поверхности выступов 11.
Переход по периметру между дном канала и в общем перпендикулярными боковыми стенками радиальных выступов 11 обычно имеет форму наклонной площадки, которая при необходимости может являться дугообразной наклонной площадкой, переходящей в направлении периметра от в общем горизонтальной конфигурации на уровне дна, в общем к вертикальной конфигурации при встрече в общем с вертикальными боковыми стенками радиальных выступов 11. Между боковыми стенками выступов 11 и дном канала 12 наклонная площадка может обычно следовать гладкой кривой, хотя в некоторых конфигурациях изобретения наклонная площадка может являться сглаженным рядом прямых линий или ступеней. В настоящем варианте осуществления переходные части канала между в общем горизонтальным выпуклым дном и в общем вертикальными боковыми стенками имеет форму гладкой вогнутой кривой. На наружном (со стороны забоя) конце канала 12, переход между боковыми стенками выступов 11 и дном канала 12 в общем сливается с концевой стенкой канала 12, образуя чашу в конце канала 12. Концевая стенка канала в общем проходит по периметру по прямой линии в общем перпендикулярной оси трубного изделия T. Переходы между дном чаши и боковой и концевой стенками в общем следуют по гладкой кривой, хотя в некоторых конфигурациях сглаженный ряд прямых линий или ступеней может применяться.
На конце со стороны забоя муфты 10 за чашей на конце канала 12 наружный диаметр муфты 10 увеличивается ступенчато на износной полосе 14. Износная полоса 14 обычно имеет каналы 14c, которые проходят винтообразно в виде правой винтовой линии через износную полосу 14, в общем параллельно каналам 12 и радиальным выступам 11 на муфте 10. Износная полоса 14 может в общем иметь покрытие из твердого износостойкого состава, такого как поликристаллический материал, или карбид вольфрама и т.д., для противодействия абразивным повреждениям во время вращения трубного изделия T. Износная полоса 14 в общем имеет наружный диаметр (7-1/2” в данном примере (190 мм) больше диаметра других компонентов муфты 10, и функционирует, как отводящее устройство, которое радиально отводит компоненты муфты 10 меньшего диаметра от поверхности стенки ствола скважины в процессе работы.
Вторая аксиальная крыльчатка, созданная второй муфтой 20 на конце со стороны устья трубного изделия T, имеет конструкцию в общем аналогичную первой муфте 10, но обычно расположена с противоположной ориентацией, в общем зеркальной по отношению к первой муфте 10. Вторая муфта 20 также имеет три разнесенных по периметру радиальных выступа 21. В некоторых вариантах осуществления вторая муфта 20 может иметь конфигурацию аналогичную первой муфте, но в данном варианте осуществления конфигурации отличаются. Радиальные выступы 21 проходят радиально от наружной поверхности трубного изделия T в общем в перпендикулярном направлении. Радиальные выступы 21 имеют аксиальную часть 21a, которая проходит в общем параллельно оси X трубного изделия (см. Фиг.1), и винтообразную часть 21h, которая проходит винтообразно от конца со стороны устья аксиальной части, с которой она соединяется. Винтообразная часть 21h проходит в направлении против часовой стрелки, если смотреть с конца со стороны устья, инструмента, или по левой винтовой линии, например, противоположно винтообразным частям 11h первой муфты 10. Вторая муфта 20 также в общем имеет форму усеченного конуса и имеет относительно небольшой наружный диаметр на своем конце со стороны забоя, который постепенно увеличивается к своему концу большего диаметра со стороны устья. Радиальные выступы 21 каждый имеет одинаковую самую удаленную радиально от осевой линии поверхность, которая сужается согласно имеющей форму усеченного конуса муфте 20, но в направлении, отличающемся от первой муфты 10, от конца со стороны забоя к концу со стороны устья, который имеет диаметр больше диаметра конца со стороны забоя. Конец со стороны забоя муфты 20 сужается до диаметра в общем аналогичного наружному диаметру трубного изделия T, как и выпуклые наружные поверхности радиальных выступов 21.
Радиальные выступы 21 в общем разнесены по периметру вокруг муфты 20, как лучше всего показано в сечениях 3b и 3c. Боковые стенки выступов 21 обычно являются в общем перпендикулярными оси трубного изделия на радиально самых дальних от осевой линии кромках выступов, и обычно меняют угол, когда их радиус уменьшается.
По периметру смежные радиальные выступы 21 образуют каналы 22 между собой. Каналы 22 имеют аксиальную часть 22a, образованную между смежными аксиальными частями 21a радиальных выступов, и винтообразные части 22h, образованные между винтообразными частями радиальных выступов. Поэтому, путь каналов 22 в общем следует пути радиальных выступов 21 в муфте 20, и образует зеркальное отображение каналов 12 в первой муфте 10.
Каналы 22 имеют в общем выпуклое дно, как лучше всего показано в сечениях 3b и 3c, которое в общем следует выпуклому наружному периметру трубного изделия T. В аксиальном направлении дно канала может при необходимости являться в общем параллельным оси трубного изделия T. Вместе с тем, в настоящем варианте осуществления дно канала 22 в общем не строго параллельно оси трубного изделия T, но вместо этого сужается в аксиальном направлении от конца со стороны забоя к концу со стороны устья аналогично наружной поверхности муфты 20 и противоположно относительно первой муфты 10.
Переход между дном канала и в общем перпендикулярными боковыми стенками радиальных выступов 21 обычно имеет форму наклонной площадки, которая при необходимости может являться дугообразной наклонной площадкой, переходящей от в общем горизонтальной конфигурации на уровне дна, в общем к вертикальной конфигурации при встрече в общем с вертикальными боковыми стенками радиальных выступов 21. Между боковыми стенками выступов 21 и дном канала 22, наклонная площадка может обычно являться гладкой кривой, проходящей по периметру, хотя в некоторых конфигурациях изобретения наклонная площадка может являться сглаженным рядом прямых линий или ступеней. В настоящем варианте осуществления переходные части канала между плоским дном и вертикальными боковыми стенками имеет форму гладкой кривой.
На конце со стороны устья муфты 20 наружный диаметр в общем увеличивается ступенчато на износной полосе 24. Износная полоса в общем имеет каналы 24c, которые проходят винтообразно в виде винта левого вращения через износную полосу 24, в общем параллельно каналам 22 и радиальным выступам 21 на муфте 20. Износная полоса 24 может в общем иметь покрытие из твердого износостойкого состава, такого как поликристаллический материал, или карбид вольфрама и т.д., для противодействия абразивным повреждениям во время вращении трубного изделия T. Износная полоса 24 в общем имеет наружный диаметр больше диаметра других компонентов муфты 20, и функционирует, как отводящее устройство, которое радиально отводит компоненты муфты 20 меньшего диаметра от поверхности стенки ствола скважины в процессе работы.
Третья муфта 30 расположена между первой и второй муфтами 10, 20, в общем на равном расстоянии от них. Следует отметить что аксиальные крыльчатки, создаваемые на первой и второй муфтах, можно исключить в некоторых вариантах осуществления изобретения, или альтернативно, можно создать одну аксиальную крыльчатку ниже радиальной крыльчатки созданной на третьей муфте 30. Третью муфту 30 можно обычно выполнять, как моноблок, аналогично первой муфте и соответственно прикрепленной. Третья муфта 30 может в общем являться фрезерованной или литой, как первая и вторая муфты 10, 20, или при необходимости может выполняться, как интегральная часть трубного изделия T. В данном примере третья муфта 30 выполнена как интегральная часть наружной поверхности трубного изделия T фрезерованием аналогично первой и второй муфтам 10, 20.
При необходимости несколько третьих муфт 30 можно создавать между располагающимися со стороны забоя и устья первой и второй муфтами 10, 20. При необходимости в случае создания нескольких третьих муфт, две третьих муфты могут иметь одинаковую ориентацию или противоположную ориентацию относительно друг друга.
Третья муфта 30 в настоящем примере обычно имеет наружный диаметр 7,25” (184 мм) в самой широкой точке. Третья муфта 30 имеет три разнесенных по периметру радиальных выступа 31. Радиальные выступы 31 каждый выполнен из наклонной площадки 31d со стороны забоя, наклонной площадки 31u со стороны устья, и плоской зоны 31p, расположенной между располагающимися со стороны забоя и устья наклонными площадками. При необходимости плоская зона является не параллельной оси трубного изделия T, и сужается от более узкого диаметра на конце со стороны забоя до несколько большего диаметра на конце со стороны устья. Плоская зона обычно сужается между концом со стороны забоя и концом стороны устья под углом 1 или 2 градуса относительно оси трубного изделия T. Выступы 31 в общем имеют ширину на периферии около 2” (51 мм) и аксиальную длину приблизительно 7,6” (193 мм).
Обычно наклонная площадка 31 со стороны забоя имеет сужающийся профиль с начальным диаметром на своем конце со стороны забоя близким к наружному диаметру трубного изделия T, который постепенно увеличивается в общем прямолинейно к плоской секции 31p. Аналогично наклонная площадка 31u со стороны устья в общем уменьшается от своего максимального наружного диаметра на своем переходе от плоской секции 31p до конца меньшего диаметра наклонной площадки 31u со стороны устья, в общем прямолинейно, и в общем к меньшему диаметру, по существу аналогичному наружному диаметру трубного изделия T. Радиальные выступы 31 в общем расположены по периметру муфты 30 через равные интервалы, как лучше всего показано на Фиг.3e, и в общем выставлены по оси X трубного изделия T. Между смежными по периметру парами радиальных выступов 31 создан канал 32. Каналы 32 в общем проходят аксиально, параллельно оси X трубного изделия и радиальным выступам 31. Дно канала 32 является обычно выпуклым аналогично выпуклой наружной поверхности трубного изделия T, но в аксиальном направлении дно канала 32 обычно не параллельно оси X трубного изделия. Вместо этого, дно канала 32 в общем сужается в форме наклонной площадки от малого наружного диаметра на своем конце со стороны забоя (обычно со стороны забоя наружный диаметр дна канала 32 приближается к номинальному наружному диаметру трубного изделия T). Конец со стороны устья дна канала 32 поэтому обычно имеет наружный диаметр больше, чем у конца со стороны забоя, и дно канала обычно проходит в общем по прямой в аксиальном направлении линии между концами со стороны забоя и со стороны устья, так что выпуклая наклонная площадка (или секция в форме усеченного конуса), имеющая угол наклона по меньшей мере 1 градус относительно оси трубного изделия T, создается дном канала 32.
Обращенные по окружности стороны радиальных выступов 31 на третьей муфте 30 обычно параллельны друг другу, и в общем перпендикулярны оси X трубного изделия T. Аналогично переходам между сторонами и дном каналов 12 в первой муфте 10 переходы между дном канала 32 и боковыми стенками радиальных выступов 31 обычно имеют форму вогнутой кривой, как лучше всего видно на Фиг.3e.
Поэтому, в направлении периметра дно канала 32 обычно переходит от своей в общем выпуклой центральной секции дна к вогнутой переходной секции с гладкой кривой (или рядом плоских площадок или ступеней как описано выше), переходящих в общем в вертикальные боковые стенки радиальных выступов 31.
В настоящем варианте осуществления вогнутые переходы могут продолжаться по существу на всю радиальную глубину боковых стенок радиальных выступов 31, и по существу только самая удаленная радиально от осевой линии верхняя часть боковых стенок может являться перпендикулярной оси X.
Как показано на чертежах, первая и вторая муфты 10, 20 имеют в общем аналогичную конструкцию, и при необходимости в данном варианте осуществления устанавливаются противоположно друг другу так что винтообразные части выступов 11, 21 и каналы 12, 22 установлены с противоположной ориентацией относительно друг друга. В работе, как показано на Фиг.8-11, трубное изделие T обычно включено в состав бурильной колонны вблизи компоновки низа бурильной колонны в зоне расчетного скопления слоя бурового шлама C в стволе. На Фиг.8 схематично показано трубное изделие T, спущенное в наклонно-направленный ствол В скважины, в котором буровой шлам C, произведенный буровым долотом, расположенным ниже трубного изделия Т в стволе В скважины, скопился в слое шлама C на нижней стороне ствола B скважины. Шлам C при этом свободно не циркулирует в стволе В скважины, и препятствует продвижению бурильной колонны в пласт. Бурильная колонна вращается по часовой стрелке, если смотреть сверху ствола в направлении стрелки на Фиг.8. Отметим, что на Фиг.10 и 11 показана противоположная сторона трубного изделия T, и поэтому направление стрелки на Фиг.11 другое. Вращение бурильной колонны и трубного изделия T в направлении по часовой стрелке, показанное на Фиг.8 и 11, вращает все муфты 10, 20, 30 вместе с трубным изделием T. На конце со стороны забоя винтообразная часть 11h радиальных выступов 11 на первой муфте 10 взаимодействует со шламом C в слое на нижней стороне ствола B скважины и обычно поджимает шлам с помощью винтообразных каналов 12h в аксиальном направлении в и через канал 12h и в аксиальную часть канала 12a благодаря черпающему действию винтообразных частей 11h. Буровой шлам при этом поджимается аксиально вверх в стволе В скважины, в направлении в общем параллельно оси X трубного изделия T и к третьей муфте 30.
Буровой шлам C проходит через каналы 32 между радиальными выступами 31 на третьей муфте 30, и в результате вращения муфты 30 вместе с трубным изделием T буровой шлам, проходящий через каналы 32, взаимодействует с наклонными площадками на боковых стенках, и поджимается радиально наружу от муфты 30 радиальными выступами 31. Радиальное давление, передаваемое на буровой шлам, перемещает его от наружной поверхности трубного изделия и в зону F высокой турбулентности, показанную на Фиг.9, 10 и 11. Вогнутая переходная наклонная площадка между дном и сторонами канала поддерживает в значительной степени скорость движения бурового шлама при изменении направления и обеспечивает его отвод радиально наружу от трубного изделия с максимальной величиной имеющегося радиального напора. Буровой шлам, отводящийся радиально наружу от третьей муфты 30 входит в зону F высокоскоростного турбулентного потока и таким образом быстро подается вверх по стволу B скважины, от компоновки низа бурильной колонны. Буровой шлам, отводящийся в зону F высокоскоростного турбулентного потока таким способом имеет хорошие шансы оставаться суспендированным в буровом промывочном растворе и более низкие шансы на осаждение из суспензии и создание дополнительного слоя шлама в зоне со стороны устья ствола B скважины.
Аксиальное сужение третьей муфты 30 от малого диаметра на конце со стороны забоя до большего диаметра на конце со стороны устья также отводит шлам к быстро текущей фазе F текучей среды, и передает дополнительный радиальный напор на шлам, проходящий третью муфту 30, что улучшает действие радиального напора. Кроме того, располагающиеся со стороны забоя и устья наклонные площадки 31d, 31u на третьей муфте также улучшают действие радиального напора третьей муфты, обеспечивая то, что больше шлама, поступающего на наклонные площадки во время вращения бурильной колонны поджимается радиально от оси трубного изделия в более быстрый поток текучей среды.
Любой шлам, который проходит аксиально через каналы 32 без значительного радиального отклонения обычно встречает расположенную со стороны устья вторую муфту 20 над третьей муфтой 30. Буровой шлам, встречающийся со второй муфтой 20, проходит вверх по аксиальным каналам 22a между радиальными выступами 21a, но когда встречает винтообразные части 22h каналов между винтообразными частями 21h радиальных выступов, шлам в общем поджимается вниз в стволе В скважины против главным образом направленного вверх потока, полученного в результате работы винтообразных частей 21h на второй муфте с противоположной ориентацией по отношению к винтообразным частям 11h на первой муфте 10. Когда шлам поджимается второй муфтой 20 против преобладающего направления потока, избыточная турбулентность создается в зоне между третьей муфтой 30 и второй муфтой 20, делающая возможным ожижение любого бурового шлама в данной зоне и его поджатие радиально в зону F высокоскоростного потока, как показано на Фиг.10 и 11. Любой буровой шлам, поджимаемый аксиально в сторону забоя ствола В скважины к третьей муфте 30 в результате аксиального напора, созданного радиальными частями 21h на второй муфте 20, отводится обратно к третьей муфте 30 для создания дополнительного радиального напора, что также обеспечивает в большой степени поддержание шлама C суспендированным и создает напор радиально в фазу F высокоскоростного потока текучей среды. Большой угол на вводном конце со стороны устья третьей муфты 30 имеет более агрессивное действие напора на текучие среды для ускорения обратного падения шлама, который прошел обратную циркуляцию из зоны потока между второй и третьей муфтами, к нижней стороне ствола и обеспечивает для большего объема шлама достижение зоны F высокоскоростного потока текучей среды, и его поддержание в суспендированном состоянии. Ввод со стороны забоя на третьей муфте имеет уменьшенный угол конуса для содействия ускорению перемещения шлама в сторону устья от нижней первой муфты 10.
Модификации и улучшения можно включать в состав без отхода от объема изобретения.