ДВОЙНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БУРИЛЬНАЯ ТРУБА
DOUBLE ELECTRIC DRILL PIPE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к области бурения наклонно-направленных скважин. В данном изобретении представлен новый дизайн двойной электрической бурильной трубы с тремя жилами силового кабеля проложенными в межтрубье с пружинно-прижимными элементами и контактными полосами размещенными в двухупорном замковом соединении, предназначенных для надежного токоподвода к электродвигателю и являясь одновременно электрическим каналом связи для передачи скважинных данных с высокой скоростью.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Из существующего уровня техники известны бурильные трубы с кабелем для передачи телеметрического сигнала или как их часто называют «Интеллигентные трубы». Такие трубы позволяют передавать огромный пакет данных в режиме реального времени между скважинным и наземным оборудованием в обоих направлениях. Скорость передачи данных составляет 2.000.000 бит/с, в то время как широко известный гидроимпульсный канал связи способен передавать только 12 бит/с. Скорость передачи данных с помощью электромагнитной телеметрии составляет не более 100 бит/с. Мгновенное обновление скважинных данных на устье позволяет точно оценить литолого-петрофизические свойства горных пород и динамику бурения. Данный тип труб может также использоваться для бурения скважин с отрицательным дифференциальным давлением, когда гидростатическое давление столба жидкости меньше пластового. Рабочим типом флюида для бурения в этом случае являются: пены, аэрированные жидкости и газы, которые улучшают не только коллекторские свойства продуктивного пласта, но и увеличивают механическую скорость проходки скважины. Другим преимуществом таких труб является толерантность к материалам для борьбы с поглощением бурового раствора [Michael J, Jellison, SPE, Grand Prideco, and David R. Hall, IntelliServ: Intelligent Drill Pipe Creates the Drilling Network, SPE paper 80454, 15-17 April 2003, pgs. 1-8].
Буровые трубы для телеметрии являются пассивной линией связи, т.е. не требуют электропитания с устья скважины. Технология заключается в бесконтактной передаче данных с одной индукционной катушки на другую. Выполненная в форме кольца катушка, идеально подходит для резьбового соединения бурового замка и не требует специального ориентирующего устройства. Бесконтактная передача данных через индукционные катушки позволили внедрить данную технологию в двухупорный буровой замок типа «Grant Prideco ХТ57». Двухупорный буровой замок необходим для создания высокого крутящего момента затяжки резьбового соединения. Надежное уплотнение двух торцевых упоров «металл с металлом» обеспечивается за счет гладкости соприкасающихся поверхностей. При скручивании бурового замка индукционная катушка, установленная в пазу внутреннего упора ниппельного конца, сближается с катушкой, размещенной в муфтовом конце другой бурильной трубы. Проходящий сигнал через катушку в виде невысокого переменного тока создает электромагнитное поле. Катушка на отправляющей стороне активирует (индуцирует) ток на принимающей стороне, в результате чего происходит передача данных по электромагнитному полю. Чтобы свести к минимуму потери мощности электромагнитного поля, катушки размещаются как можно ближе друг к другу. Бронированный коаксиальный кабель вставляется в маленького диаметра защитную трубку, выдерживающую высокие давления, и которая размещена вдоль внутренней стенки бурильной трубы. Защитная трубка вставляется в корпуса бурильных замков, являясь мостом для коаксиального кабеля, который соединяет две индукционные катушки. Основная цель защитной трубки - это сохранение прочности коаксиального кабеля при растяжении, вращении и изгибании бурильной трубы, а также герметизации кабеля от бурового раствора [Reeves, М.; Mcpherson, J.; Zaeper, R. and others: High-speed drillstring telemetry network enables new real-time drilling and measurement technologies, IADC/SPE paper 99134, February 21-23, 2006, pgs. 1-6].
Несмотря на все достоинства, бурильные трубы для телеметрии имеют несколько недостатков. Новые бурильные трубы должны быть оборудованы двухупорными буровыми замками с индукционными катушками и соединенными между собой коаксиальным кабелем, проходящим внутри защитной трубки, что в свою очередь способствует резкому удорожанию производства такого типа бурильных труб для направленного бурения.
Высокоскоростная связь бурильных труб для телеметрии между скважинным и наземным оборудованием становится возможной благодаря автономному интерфейсному устройству, или как его часто называют, усилителю сигнала. Каждый усилитель сигнала оснащен встраиваемой литиевой батареей, рассчитанной на питание автономного устройства не более 60 дней. Чтобы обеспечить приемлемое качество передачи данных, усилитель сигнала размещается с интервалом 300-600 метров вдоль бурильной колонны. Ограничение литиевой батареи по температуре и по времени работы является еще одним недостатком бурильных труб для телеметрии. Часто возникающие проблемы с повреждением индукционной катушки при скручивании бурильных труб увеличивают время спуско-подъемных операций (СПО). Кроме того, на буровой площадке требуется постоянное присутствие специально обученного персонала для контроля поверхности индукционной катушки и обеспечения соосности ниппельного конца с муфтой при наращивании. Как показывает практика, метод передачи высокоскоростного потока данных по такому типу бурильных труб применим в случаях с незначительной мощностью продуктивного пласта, где требуется высокоточное соблюдение истинной вертикальной глубины при бурении горизонтальных скважин [Reeves М. Е.; Payne L. М.; Ismayilov A. G. and others: Intelligent drill string field trials demonstrate technology functionality, IADC/SPE paper 92477, February 23-25, 2005, pgs. 1-12].
Из другого уровня техники известна бурильная труба с токоподводом для электробура, предназначенная для передачи высокого напряжения электродвигателю, который приводит в движение долото на забое скважины. Токоподвод представляет собой секционный трех-двухжильный кабель, закрепленный в центре бурильных труб. В случае использования двухжильного кабеля в качестве третьей жилы применяется стальная бурильная колонна. Соединение контактных элементов происходит автоматически при свинчивании бурильных труб, при этом контактный стержень входит в муфту с небольшим натягом. Резиновое тело муфты плотно обжимает стержень, обеспечивая герметичность соединения от проникновения бурового раствора, создавая надежную замкнутую электрическую цепь. Кроме этого, токоподвод используют для двухсторонней связи скважинной и наземной аппаратуры без ограничения по глубине скважины и по скорости передачи данных, а также он служит для питания электрической энергией забойных датчиков. Штепсельные разъемы токоподвода, дают возможность беспрепятственного выполнения СПО, а также кратковременного или постоянного вращения бурильной колонны. Бурильные трубы с токоподводом выпускаются диаметром 114,3 и 139,7 мм с высаженными наружу концами. Трубы изготавливаются из стали групп прочности Д и Е.
К недостаткам можно отнести размещение силового кабеля внутри бурильных труб в среде бурового раствора. Это приводит к невозможности проведения некоторых скважинных операций, например, спуск ловильного инструмента вовнутрь бурильной колонны, внутритрубная перфорация и др. Кроме этого, размещение силового кабеля внутри бурильных труб вызывает дополнительное сопротивление движению бурового раствора. В процессе бурения под воздействием высоких давлений и температур, штепсельные соединения с недостаточной герметичностью вызывают электрические пробои, приводящие к потере связи со скважинным оборудованием [Калинин А. Г. Бурение нефтяных и газовых скважин: Учебник университет. - М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2008, стр. 178-184].
Наиболее близким к заявленному техническому решению является дизайн двойной бурильной трубы с токоподводом для электродвигателя с размещенным шинопроводом в межтрубном пространстве и встроенными электрическими контактами в буровые замки. Три медных шинопровода укладываются в нише между внутренним диаметром бурильной трубы и внешним диаметром вставной трубки. Дополнительно в межтрубное пространство устанавливается тоненькая трубочка (байпасная линия) для отвода промывочной жидкости в случае попадания ее в контактную зону. После фиксации жил шинопровода межтрубные пустоты заполняются вулканизированной резиной для прочности конструкции. «Grant Prideco ХТ-М» был взят за основу дизайна бурового замка.
Два прототипа буровых замков были изготовлены и протестированы. Первый прототип бурового замка выполнен с одним внешним упорным торцом и короткой конусной носовой частью. В носовой части выточены канавки для размещения трех электрических контактных колец. В муфтовом конце бурового замка выточено конусное углубление для размещения трех аналогичных внешних медных колец. Далее к этим кольцам припаиваются соответствующие медные шинопроводы, соединенные с другими медными кольцами. Вся электрическая часть размещается в токонепроводящем изоляционном материале. Для предотвращения попадания бурового раствора в контактную зону предусмотрены четыре торцевых уплотнения в виде резиновых колец. Второй прототип выполнен в виде двухупорного замкового соединения с удлиненной цилиндрической носовой частью. В данном соединении отсутствуют резиновые торцевые уплотнения, а герметичность достигается за счет гладких поверхностей «металл с металлом». Данный прототип имеют аналогичное размещение трех медных колец в удлиненной ниппельной и муфтовой части замкового соединения. При скручивании замкового соединения в обоих прототипах медные кольца совпадают друг с другом, создавая непрерывную электрическую цепь. Для герметизации резьбового соединения и создания хорошей изоляции электрическим контактам применяют токонепроводящую густую трубную смазку.
Первый прототип бурового замка был испытаны путем циркуляции 5% соленого раствора под давлением 680 атм. В результате выполнения эксперимента не было обнаружено никаких протечек раствора, влияющих на качество передачи электрического напряжения. Затем были сняты торцевые уплотнения и проведен заново тест под давлением. Прототип прошел успешно тест, хотя в начале эксперимента, были зафиксированы незначительные изменения напряжения. При раскручивании замкового соединения в контактной зоне присутствовали капли воды.
Выполнение испытаний под высоким давлением для второго прототипа - не проводилось. Замковое соединение было скручено от руки без необходимого момента затяжки для двухупорного бурового замка. При циркуляции соляного раствора с небольшим давлением через буровой замок были продемонстрированы преимущества байпасной линии. К преимуществам второго прототипа можно также отнести больший проходной внутренний диаметр за счет удлиненной формы носа и возможности нарезания повторной резьбы.
Данные прототипы, несмотря на положительные экспериментальные данные, не нашли своего коммерческого применения. Кроме этого, из-за невозможности создания надежного прижимного эффекта между контактными элементами происходят значительные потери напряжения в каждом замковом соединении [Paul Lurie, BP Exploration; Philip Head, XL Technology Ltd.; Jackie E. Smith, Weatherford: Smart drilling with Electric Drillstring, SPE/IADC 79886, 19-21 February 2003, pgs. 1-13].
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель изобретения - создать надежный токоподвод к забойному электродвигателю и использовать данный электрический канал связи для высокоскоростной коммуникации со скважинными приборами, за счет уложенных в нише между бурильной трубой и внутренней трубкой трех медных жил силового кабеля, к концам которых прикрепляются V-образные пружинно-прижимные элементы и контактные полосы, вмонтированные под углом 120° относительно друг друга, во внешние упоры ниппельного и муфтового концов двухупорного бурового замка с герметичным уплотнением «металл с металлом».
Другая цель изобретения - создать электрическую бурильную трубу с буровыми соединительными замками, которые были бы стандартных габаритных размеров и смогли бы одновременно повысить стойкость к критическим механическим буровым нагрузкам, а также смогли бы удовлетворить оптимальные гидравлические свойства бурового раствора.
Устройство состоит из стандартной бурильной трубы с приварными двухупорными буровыми замками, вставной внутренней трубки с конусными посадочными местами, трех жил силового кабеля, соединенных соответственно с тремя пружинно-прижимными элементами и тремя контактными полосами. Дизайн двухупорных замков с уплотнением «металл с металлом» рассчитан на передачу высокого крутящего момента по бурильной колонне с постоянным вращением при бурении сверхглубоких направленных скважин. Внутренняя трубка, на нижнем конце которой имеется конусный штуцер и на верхнем конце которой расположена конусная гильза с посадочной шайбой, служит для герметизации межтрубного пространства. В кольцевое пространство между бурильной трубой и внутренней трубкой укладываются три жилы изолированного медного кабеля. Для крепления и создания дополнительной жесткости внутренней трубке межтрубные пустоты заполняются заливочным электро-, теплоизоляционным компаундом, при застывании который образует прочную металлопластиковую конструкцию. Чтобы обеспечить надежный токоподвод к электродвигателю во внешних торцевых упорах ниппельной и муфтовой части бурового замка монтируются три пружинно-прижимных элемента и три контактные полосы, размещенные под углом 120°. Контактные элементы и контактные полосы соединяются между собой при помощи жил кабеля. При скручивании бурового замка пружинно-прижимные элементы скользят по внешнему упору муфтового соединения до достижения необходимого крутящего момента. Для того чтобы, обеспечить точное совпадение пружинно-прижимных элементов и контактных полос на теле бурильного замка с наружной стороны сделаны три маркировки, в виде штриховых полосок.
Указанный технический результат достигается тем, что при сборке колонны, между торцами бурильных труб, создается герметичное соединение   «металл с металлом», в торце которого размещены контактные элементы для передачи высокого напряжения. Благодаря дизайну двухупорного бурового замка, возможно не только, передать высокий крутящий момент долоту, но также создать надежный электрический контакт для токопод-вода к забойному электродвигателю.
Для более полного понимания настоящего изобретения ниже приведено подробное описание устройства со ссылкой на прилагаемые чертежи.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 изображена двойная электрическая бурильная труба, целиком и продольный разрез.
На фиг. 2 представлено контактное соединение двухупорного бурового замка, продольный разрез.
На фиг. 3 показан вид поперечного сечения двойной электрической бурильной трубы.
На фиг. 4 представлен передний вид ниппельного двухупорного бурового замка.
На фиг. 5 изображен передний вид муфтового двухупорного бурового замка.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 изображена двойная электрическая бурильная труба, состоящая из тела бурильной трубы 1 с приварными ниппельным 2 и муфтовым 3 двухупорными бурильными замками и вставной внутренней трубки 4, трех медных жил кабеля 5, размещенных в межтрубном пространстве, соединенных, соответственно с пружинно-прижимными элементами 6 и контактными полосами 7. Нижний конец внутренней трубки выполнен в виде конусного штуцера 8, а верхний конец имеет верхнюю посадочную шайбу 9 и конусную гильзу 10. Конусный штуцер и конусная гильза входят плотно в посадочные места бурильной трубы, создавая герметическое межтрубное пространство. Внутренняя трубка фиксируется от осевого перемещения внутри бурильной трубы за счет создаваемого усилия от внутреннего упора ниппельного конца на посадочную шайбу во время скручивания замкового соединения.
Во внешнем упорном торце ниппельного бурового замка размещаются пружинно-прижимные контактные элементы под углом 120 градусов относительно друг друга. С другой стороны, во внешнем упорном торце муфтового бурового замка выточены углубления для установки контактных электрических полос. Для соединения контактных элементов между собой, по длине бурового замка с небольшим углом наклона просверлены три отверстия для прокладки трех изолированных медных кабелей. Жилы кабеля, выйдя из отверстий буровых замков, размещаются свободно в нише между бурильной трубой и внутренней трубкой. Для жесткости и фиксации внутренней трубки неподвижно относительно бурильной трубы межтрубное пространство заполняется специальным компаундом, который при застывании создает прочную металлопластиковую конструкцию.
На фиг. 2 представлен двухупорный буровой замок с электрическим контактным соединением в сборе. При свинчивании бурильных труб происходит автоматическое соединение контактных элементов, не требующее специального ориентирующего оборудования. Силовые жилы кабеля 5 с одной стороны припаиваются к контактным полосам 7, а с другой стороны имеют рельефную структуру для возвратно-поступательного движения пружинно-прижимного элемента 6, обеспечивая стабильную непрерывную электрическую цепь. Для удержания контактов в постоянном соприкосновении существует пружинный механизм 11, стремящийся вытолкнуть прижимной элемент наружу. Каждый контактный элемент изготавливается из высокопрочного медного сплава, например металлокерамики, способного выдерживать многоразовые нагрузки при свинчивании и развенчивании бурового замка. Чтобы создать изоляцию контактным элементам в теле бурильной трубы применяют вставки 12 из токонепроводящего кремнийорганического материала или из другого материала. Для герметичности резьбового соединения и создания хорошей изоляции электрическим контактам применяют токонепро-водящую трубную смазку.
На фиг. 3 представлен вид поперечного сечения двойной электрической бурильной трубы. Три медных жилы кабеля 5 укладываются в нише между внутренним диаметром бурильной трубы 1 и вставной трубкой 4 под углом 120 градусов. Выбор толщины кабеля напрямую зависит от потребляемой силы тока электродвигателя, как правило применяют медную жилу площадью сечения 16 и 25 мм2, которые удовлетворяют рабочим характеристикам современных вентильных электродвигателей (ВЭД). Изоляция жил кабеля 13 выполнена из полиэтилена высокой плотности и дополнительной оболочки из термоэласто-пласта, выдерживающая высокую температуру нагрева до 160°С. Для предохранения кабеля и фиксации внутренней трубки неподвижно внутри буровой трубы, межтрубные пустоты заполняются заливочным электро-, теплоизоляционным компаундом 14, который при застывании создает прочную металлопластиковую конструкцию.
На фиг. 4 и фиг. 5 изображены фронтальные виды ниппельного 2 и муфтового 3 концов двухупорного бурового замка. Три V-образных пружинно-прижимных медных элемента 6 расположены под углом 120° относительно друг друга. Наличие внутренней пружины обеспечивает им свободное перемещение вдоль своей оси. Муфтовое замковое соединение оборудовано тремя контактными полосами 7 с V-образными углублениями. При скручивании бурового замка пружинно-прижимные элементы скользят по V-образной выточке контактных полос, создавая непрерывную электрическую цепь. Чтобы обеспечить совпадение контактных элементов при скручивании труб, на наружную часть бурильного замка нанесены штриховые полосы 15 (см. фиг. 1). При совпадении штриховых полос гарантируется непрерывный электрический контакт. Однако следует учесть, что допустимые значения крутящего момента бурильной колонны не должны превышать момента затяжки резьбовых соединений. В противном случае, во время повышенных крутящих моментах и высоком коэффициенте трения при бурении, может произойти «докрепление резьбы», т.е. до-затягивание ее. По этой причине, контактные полосы сделаны с удлиненной площадью возможного соприкосновения по длине окружности, обеспечивая достаточный запас для скольжения пружинно-прижимного элемента. Если вдруг все же происходит «докрепление резьбового соединения», то оно незначительно и лежит в приделах контактной площади элемента.
Приведенные выше подробные описания и чертежи являются иллюстративными и демонстрируют некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения. Должно быть ясно, что можно выполнять модификации и изменения устройства, описанного выше, в широком диапазоне без отхода от объема изобретения.
Особенностью двухупорного замка является конструкция дополнительного внутреннего упора. При затяжке соединения, вначале входят в контакт основные внешние упорные торцы, а при дальнейшем довинчивании замкового соединения с помощью автоматического ключа бурильщика (АКБ), входят в контакт внутренние упорные торцы. Поэтому, в результате наличия дополнительной площади упорного торца достигается возможность передачи высокого крутящего момента по колонне бурильных труб. Данный замок, в зависимости от диаметра, позволяет выдерживать моменты свинчивания до 30% выше, чем стандартные буровые замки (с одним упорным торцом). Данный профиль резьбы совместим с различными типами бурового инструмента.
Кроме этого, при создании дизайна двойной электрической бурильной трубы, исходили из возможности проведения ловильных работ и беспрепятственного спуска геофизических приборов вовнутрь бурильной колонны. Это стало возможным за счет использования одинакового диаметра внутренней трубки по всей бурильной колонне, что также стало благоприятным явлением для снижения турбулентности бурового раствора.
На сегодняшний момент создание и испытание прототипа электрической бурильной трубы в лабораторных условиях обсуждается в международном формате с Китайским Геологическим Университетом в Пекине и китайской компанией «The Sunʹs World Oil and Gas Engineering and Technology Со.». Проведение опытно-промышленных испытаний будут напрямую зависеть от полученного результата экспериментальных данных в лаборатории.
Использование внутренней трубки привело к уменьшению внутреннего диаметра бурильной трубы, а значит и к возрастанию давления на трение в колонне бурильных труб. Поэтому, традиционно применяемые бурильные трубы диаметром 88,9 и 127,0 мм, следует поменять на трубы большего диаметра 114,3 и 139,7 мм с комбинированной высадкой наружных концов. Больший наружный диаметр бурильных труб способствует снижению скручивающих и осевых нагрузок на бурильную колонну, а также повышает механическую скорость проходки за счет увеличения массы труб.
Для бурения горизонтальных скважин с высокой интенсивностью набора кривизны в сложных геологических условиях необходимо использовать трубы группы прочности G105 и S135 с приделом текучести 931 МПа и более. Кроме того, к изготовлению электрических бурильных труб предъявляются дополнительные требования. Например, покрытие внутреннего диаметра трубы защитным слоем, армирование буровых замков износостойкой наплавкой 16, применение удлиненных буровых замков и другие требования.
Перед спуском инструмента на буровой площадке необходимо проводить следующие превентивные меры. На мостках, двойные электрические бурильные трубы подвергаются профилактическому осмотру, проверке работоспособности пружинно-прижимных элементов, наличию идеального состояния поверхности контактных полос и измерению сопротивления изоляции. Трубы с дефектами к бурению не допускаются. При спуске и подъеме контактные элементы следует тщательно промывать и смазывать токонепроводящей смазкой, а также проверять сопротивление изоляции. Вследствие загрязнения электрических контактов - омическое сопротивление изоляции резко снижается. В случае резкого падения сопротивления изоляции спуск инструмента прекращают и выбраковывают трубы с низким значением по изоляции. Если сопротивление изоляции после отвинчивания очередной трубки резко возрастает, то место плохого электрического контакта обнаружено - в отвинченной трубе. Трубу с поврежденными электрическими элементами удаляют с устья буровой.