СИСТЕМА ДЛЯ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ РОТОРНЫМ СПОСОБОМ С АКТИВНЫМ СТАБИЛИЗАТОРОМ
SYSTEM FOR DIRECTIONAL DRILLING BY ROTARY METHOD WITH ACTIVE STABILIZER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение в основном относится к системе для наклонно-направленного бурения, а, в частности, к системе для наклонно-направленного бурения роторным способом с активным стабилизатором.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Нефтяные или газовые скважины часто имеют подземные участки, которые нужно бурить наклонно-направленным способом.  Системы для наклонно-направленного бурения роторным способом, также называемые «роторными управляемыми системами» («РУС»), разработаны для наклонно-направленного бурения с непрерывным вращением с поверхности, и могут использоваться для бурения скважины вдоль предполагаемого направления и траектории посредством управления направлением бурения бурильной колонны во время ее вращения.  Таким образом, системы для наклонно-направленного бурения роторным способом широко используются в таких вариантах применения как: обычные наклонно-направленные скважины, горизонтальные скважины, многоствольные скважины и т. д. Обычно существует два типа систем для наклонно-направленного бурения роторным способом: системы «с отклонением долота» и системы «с направлением долота», причем системы с отклонением долота имеют высокую интенсивность набора угла, но образуют неровную траекторию бурения и шероховатые стенки скважины, при этом системы с направлением долота образуют относительно более ровную траекторию бурения и стенки скважины, но имеют относительно более низкую интенсивность набора угла.
В системах с отклонением долота используется принцип приложения поперечной силы к бурильной колонне для оказания давления на долото, чтобы отклонить ее от центра скважины для изменения направления бурения.  Буровые характеристики существующих систем с отклонением долота в значительной мере зависят от состояния стенок скважины.   Неоднородность пласта и вибрации бурового долота во время бурения могут привести к образованию шероховатой стенки скважины и неровной траектории бурения.  Таким образом, сложно достичь высокой точности управления направлением бурения.  Шероховатая стенка скважины может привести к трудностям во время проведения работ по обсаживанию (цементированию скважины), спуско-подъемных работ.  Бурение скважины точно по желаемой траектории с высоким качеством при максимальной скорости вращения бурового инструмента всегда является сложной задачей.
Соответственно, существует необходимость в создании новой системы для наклонно-направленного бурения роторным способом для решения по меньшей мере одной из вышеупомянутых технических задач.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Буровая система содержит вращающуюся бурильную колонну для соединения с буровым долотом для бурения скважины, по меньшей мере один неподвижный стабилизатор, закрепленный на бурильной колонне, и активный стабилизатор.  Неподвижный стабилизатор имеет наружную поверхность для контакта со стенкой скважины.  Активный стабилизатор содержит корпус и множество исполнительных механизмов, соединяющих корпус и бурильную колонну, и выполнен с возможностью воздействия на бурильную колонну, чтобы отклонять ее от центра скважины со смещением.  Корпус имеет внешнюю поверхность для контакта со стенкой скважины, внутреннюю поверхность, обращенную к бурильной колонне, и по меньшей мере одну направляющую часть, выступающую из внутренней поверхности к бурильной колонне.  Каждая направляющая часть образует по меньшей мере одну канавку.  Буровая колонна содержит по меньшей мере одну скользящую часть, каждая из которых выполнена с возможностью скольжения внутри одной из по меньшей мере одной канавки, образованной в корпусе активного стабилизатора, чтобы ограничивать относительное перемещение между бурильной колонной и активным стабилизатором вдоль осевого направления бурильной колонны и управлять относительным перемещением между бурильной колонной и активным стабилизатором вдоль радиального направления по существу перпендикулярного осевому направлению бурильной колонны.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Вышеуказанные и другие аспекты, признаки и преимущества данного изобретения станут более очевидными в свете последующего подробного описания при рассмотрении вместе с прилагаемыми чертежами, на которых:
на фиг. 1 схематически проиллюстрирован вид сбоку системы для наклонно-направленного бурения роторным способом, содержащей бурильную колонну, неподвижный стабилизатор и активный стабилизатор;
на фиг. 2 проиллюстрировано первое положение активного стабилизатора и бурильной колонны, показанных на фиг. 1;
на фиг. 3 проиллюстрировано второе положение активного стабилизатора и бурильной колонны, показанных на фиг. 1;
на фиг. 4 схематически проиллюстрирован вид в поперечном разрезе активного стабилизатора, который может быть использован в системе для наклонно-направленного бурения роторным способом, аналогичной системе, показанной на фиг. 1, в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения;
на фиг. 5 проиллюстрирован частичный продольный разрез, иллюстрирующий соединение активного стабилизатора, показанного на фиг. 4, с бурильной колонной.
на фиг. 6 схематически проиллюстрирован вид в поперечном разрезе активного стабилизатора, который может быть использован в системе для наклонно-направленного бурения роторным способом, аналогичной системе, показанной на фиг. 1, в соответствии с другим вариантом реализации данного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Один или более вариантов реализации данного изобретения будут описаны ниже.  Если не указано иное, технические и научные термины, используемые в данной заявке, имеют то же значение, которое обычно понимается специалистами в области техники, к которой относится данное изобретение.  Термины «первый», «второй» и тому подобное, используемые в данной заявке, не обозначают какой-либо порядок, количество или важность, а скорее используются для различения одного элемента от другого.  Кроме того, термины в единственном числе не указывают на ограничение количества, а скорее указывают на наличие по меньшей мере одного из объектов, на который ссылаются.  Термин «или» подразумевает включение и означает любой, некоторые или все из перечисленных пунктов.  Использование в данной заявке терминов «включающий», «содержащий» или «имеющий» и их вариаций подразумевает включение элементов, перечисленных далее, и их эквивалентов, а также дополнительных элементов.  Термин «связанный» или «соединенный» или тому подобное не ограничивается физическим или механическим соединением, но может быть связан электрически, прямым или косвенным образом.
Варианты реализации данного изобретения относятся к системе для наклонно-направленного бурения роторным способом для направленного бурения скважины или ствола скважины.  Система для наклонно-направленного бурения роторным способом содержит активный стабилизатор и скользящий механизм. Активный стабилизатор содержит корпус, который может контактировать со стенкой скважины, и множество исполнительных механизмов, которыми можно управлять, чтобы отклонять буровое долото системы для наклонно-направленного бурения роторным способом для перемещения относительно корпуса активного стабилизатора, ограничивая перемещение посредством скользящего механизма.  Когда корпус активного стабилизатора контактирует со стенкой скважины, к корпусу активного стабилизатора прикладывается поперечная сила, чтобы содействовать отклонению бурового долота от центра скважины посредством исполнительных механизмов и тем самым изменять направление бурения во время бурения.
роторным способом используется для направленного бурения скважины 200 в земной поверхности.  Система 100 для наклонно-направленного бурения роторным способом содержит бурильную колонну 110, приводимую в движение с поверхности посредством роторного стола 121 (или вместо этого посредством верхнего привода), и соединена с буровым долотом 140 на ее дальнем конце.  Буровое долото 140 обладает режущей способностью и при вращении способно резать и продвигаться вглубь геологического пласта.  Буровая колонна 110 обычно является трубчатой.  Компоновка 130 низа бурильной колонны (КНБК) образует секцию бурильной колонны 110 ближнего конца вниз по стволу скважины, в которой обычно размещаются модули управления измерениями и/или другие устройства, необходимые для управления системой для наклонно-направленного бурения роторным способом.  Длина бурильной колонны 110 может увеличиваться по мере ее продвижения вглубь геологического пласта посредством присоединения к ней дополнительных секций бурильной колонны.
В дополнение к роторному столу 121 для обеспечения движущей силы для вращения бурильной колонны 110 система 100 для наклонно-направленного бурения роторным способом может дополнительно содержать буровую вышку 123 для поддержания бурильной колонны 110 и трубу 125 для бурового раствора для передачи бурового раствора из резервуара 202 для бурового раствора к бурильной колонне 110 посредством бурового насоса (не показан).  Буровой раствор может служить смазочной жидкостью и многократно циркулировать из резервуара 202 для бурового раствора через буровую трубу 125, бурильную колонну 110 и буровое долото 140 под давлением в скважину 200 для удаления шлама (кусков породы), которые образуются во время бурения, обратно в резервуар 202 для бурового раствора для повторного использования после отделения и удаления шлама из бурового раствора, например, посредством фильтрации.
Для обеспечения управления направлением во время бурения система 100 для наклонно-направленного бурения роторным способом может содержать активный стабилизатор 150, который выполнен с возможностью стабилизировать бурильную колонну 110 от нежелательной радиальной вибрации, чтобы удерживать бурильную колонну 110 в центре скважины 200 в случае, когда бурение осуществляют вдоль прямого направления, а также вызывать отклонение бурильной колонны 110 от центра буровой скважины 200, подлежащей бурению, чтобы изменить направление бурения в случае, когда необходимо изменить направление бурения во время бурения.  Как проиллюстрировано на фиг. 2, в случае, когда система для наклонно-направленного бурения роторным способом осуществляет бурение в прямом направлении, центральная ось бурильной колонны 110 по существу совпадает с центральной осью 205 скважины 200 около положения активного стабилизатора 150, причем внешняя поверхность активного стабилизатора 150 контактирует с внутренней поверхностью скважины 200, чтобы уменьшить или предотвратить нежелательную радиальную вибрацию.  Когда необходимо изменить направление бурения во время бурения, активный стабилизатор 150 может отклонять бурильную колонну 110, чтобы вызвать отклонение центральной оси бурильной колонны 110 от центра скважины с требуемым смещением около положения активного стабилизатора 150 и удерживать смещение во время вращения бурильной колонны 110.  Как проиллюстрировано на фиг. 3, активный стабилизатор 150 упирается во внутреннюю поверхность скважины 200, чтобы обеспечить приложение поперечной силы F к бурильной колонне 110, чтобы отклонить бурильную колонну 100 для осуществления отклонения центральной оси бурильной колонны 110 около положения активного стабилизатора 150 от центральной оси 205 скважины 200 с требуемым смещением D вдоль требуемого направления.
Во время бурения может иметь место непрерывный контакт между активным стабилизатором 150 и внутренней поверхностью буровой скважины 200, и, следовательно, бурильная колонна 110 может непрерывно отклоняться активным стабилизатором, чтобы отклонить ее так, чтобы изменить направление бурения, когда это необходимо.  Кроме того, шероховатость скважины оказывает влияние в меньшей степени, причем активный стабилизатор 150 также может функционировать в качестве общего стабилизатора для стабилизации бурильной колонны 310 от нежелательной радиальной вибрации во время бурения.
Возвращаясь к фиг. 1, система 100 для наклонно-направленного бурения роторным способом может дополнительно содержать один или более неподвижных стабилизаторов 170, закрепленных на бурильной колонне 110.  В некоторых вариантах реализации изобретения один или более неподвижных стабилизаторов закреплены для предотвращения относительного перемещения между стабилизаторами 170 и бурильной колонной 110.  В некоторых вариантах реализации изобретения один или более фиксированных стабилизаторов 170 находятся над активным стабилизатором 150, то есть дальше от бурового долота 140 на дальнем конце бурильной колонны 110, по сравнению с активным стабилизатором 150.  Неподвижный стабилизатор 170 имеет внешнюю поверхность для контакта со стенкой скважины 200 и может стабилизировать бурильную колонну 110 от радиальной вибрации во время бурения, чтобы удерживать бурильную колонну 110 в центре скважины 200.  В некоторых вариантах реализации изобретения фиксированный стабилизатор 170 содержит кольцевую конструкцию, имеющую наружный диаметр немного меньше диаметра скважины.  Активный стабилизатор 150 и ближайший неподвижный стабилизатор 170 могут быть соединены посредством в незначительной степени гибкой конструкции 180, например, секции колонны с более тонкой стенкой, по сравнению с другими секциями бурильной колонны 110.  Секция колонны между двумя стабилизаторами может в незначительной степени изгибаться при изменении направления бурения, что может увеличить интенсивность набора угла и плавность траектории бурения.
На фиг. 4 и 5 проиллюстрирован активный стабилизатор 350, который может использоваться в системе для наклонно-направленного бурения роторным способом, такой как система 100, показанная на фиг. 1.  Активный стабилизатор 350 содержит корпус 351, имеющий внешнюю поверхность 352 для контакта со стенкой подлежащей бурению скважины, и внутреннюю поверхность 353, обращенную к бурильной колонне 310.  Активный стабилизатор 350 дополнительно содержит множество исполнительных механизмов 354, соединяющих корпус 351 и бурильную колонну 310.  В конкретном варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 4, имеются три таких исполнительных механизма 354.  Каждый из исполнительных механизмов 354 содержит цилиндр 355, соединенный с возможностью вращения с одной частью бурильной колонны 310 и корпусом 351 посредством первого шарнирного соединения 356, и поршень 357, соединенный с возможностью вращения с другой частью бурильной колонны 310 и корпусом 351 посредством второго шарнирного соединения 358.  Поршень 357 приводится в движение гидравлической системой и выполнен с возможностью перемещения внутри цилиндра 355.  Следовательно, как и в случае с каждым исполнительным механизмом 354, цилиндр 355 вращается вокруг первого шарнирного соединения 356, поршень 357 вращается вокруг второго шарнирного соединения 358, причем поршень 357 выполнен с возможностью перемещения внутри цилиндра 355.  Множество исполнительных механизмов 354 выполнено с возможностью вызывать отклонение бурильной колонны 310 от центра скважины со смещением и стабилизировать бурильную колонну 310 от нежелательной радиальной вибрации во время бурения.
Корпус 351 активного стабилизатора 350 дополнительно содержит по меньшей мере одну направляющую часть 359/360, выступающую от внутренней поверхности 353 к бурильной колонне 310, причем каждая направляющая часть 359/360 образует по меньшей мере одну канавку 361/362.  Буровая колонна 310 содержит по меньшей мере одну скользящую часть 363/364, каждая из которых выполнена с возможностью скольжения внутри одной из по меньшей мере одной канавки 361/362, образованной в корпусе 351 активного стабилизатора 350, чтобы ограничивать относительное перемещение между бурильной колонной 310 и активным стабилизатором 350 вдоль осевого направления бурильной колонны 310 и управлять относительным перемещением между бурильной колонной 310 и активным стабилизатором 350 вдоль радиального направления по существу перпендикулярного осевому направлению бурильной колонны 310.  В некоторых вариантах реализации изобретения по меньшей мере одна скользящая часть 363/364 выступает наружу из внешней поверхности бурильной колонны 310.  В некоторых вариантах реализации изобретения скользящая часть 363/364 является скользящим диском.  В некоторых вариантах реализации изобретения канавка 361/362 является кольцевой канавкой.
В некоторых вариантах реализации изобретения корпус 351 активного стабилизатора 350 содержит кольцевую конструкцию 365, имеющую наружный диаметр немного меньше диаметра скважины, подлежащей бурению.  Внешняя периферийная поверхность кольцевой конструкции 365 контактирует со стенкой скважины, чтобы содействовать отклонению бурового долота от центра скважины посредством исполнительных механизмов.  В некоторых вариантах реализации изобретения кольцевая конструкция 365 имеет противоположные первый и второй осевые концы 366 и 367, и по меньшей мере одна направляющая часть содержит первую направляющую часть 359 между первым осевым концом 366 кольцевой конструкции 365 и множеством исполнительных механизмов 354, и вторую направляющую часть 360 между вторым осевым концом 367 кольцевой конструкции 365 и множеством исполнительных механизмов 354, вдоль осевого направления кольцевой конструкции.
По меньшей мере одна направляющая часть на корпусе 351 активного стабилизатора 350 и по меньшей мере одна скользящая часть на бурильной колонне 310 согласованы друг с другом, чтобы управлять движением между активным стабилизатором 350 и бурильной колонной 310.  Благодаря такому скользящему механизму возможно точное управление движением и перемещением активного стабилизатора, при этом могут быть уменьшены нежелательные колебания и вибрации.
В состав системы для наклонно-направленного бурения роторным способом может быть включен один или более модулей управления измерениями и/или других устройств для приведения в действие и управления множеством исполнительных механизмов.  Например, может использоваться гидравлическая система для приведения в действие множества исполнительных механизмов, измерительный модуль для непрерывного измерения или оценки смещений множества исполнительных механизмов, измерительный модуль для непрерывного измерения направления бурения бурового долота во время бурения и/или контроллер для согласованного управления множеством исполнительных механизмов на основе измерения или оценки смещений множества исполнительных механизмов.  В некоторых вариантах реализации изобретения модуль измерения в процессе бурения (ИПБ) используется для непрерывного измерения положения и направлений (указания направления движения) долота, причем результаты измерения могут использоваться для согласованного управления гидравлическими поршнями для изменения направления бурения для достижения высокого качества бурения.
На фиг. 6 проиллюстрирован другой активный стабилизатор 450, который может использоваться в системе для наклонно-направленного бурения роторным способом, такой как система 100, показанная на фиг. 1.  Так же как и активный стабилизатор 350, активный стабилизатор 450 содержит корпус 451, имеющий внешнюю поверхность 452 для контакта со стенкой подлежащей бурению скважины и внутренней поверхностью 453, обращенной к бурильной колонне 410, и множество приводов 454, соединяющих корпус 451 и бурильную колонну 410.
Каждый из исполнительных механизмов 454 содержит первый соединительный элемент 455, соединенный с возможностью вращения с корпусом 451 посредством первого шарнирного соединения 456, второй соединительный элемент 457 и третий соединительный элемент 458, соединенные с возможностью вращения с бурильной колонной 410 посредством второго шарнирного соединения 459, и третьего шарнирного соединения 460, соответственно.  Первый, второй и третий соединительные элементы 455, 457, 458 соединены посредством четвертого шарнирного соединения 461.  Третий и четвертый шарнирные соединения 460, 461 выполнены с возможностью перемещения в направлении друг к другу или друг от друга.  В некоторых вариантах реализации изобретения третий соединительный элемент 458 содержит цилиндр и поршень, выполненный с возможностью перемещения внутри цилиндра.  Множество исполнительных механизмов 454 выполнено с возможностью вызывать отклонение бурильной колонны 410 от центра скважины со смещением и стабилизировать бурильную колонну 410 от радиальной вибрации во время бурения.  Благодаря непрерывному и согласованному управлению множеством исполнительных механизмов 454 для отклонения бурильной колонны 310, направление бурения может быть изменено в соответствии с заданной траекторией.
Так же как и активный стабилизатор 350, активный стабилизатор 450 также содержит скользящий механизм, содержащий по меньшей мере одну направляющую часть на корпусе 451 активного стабилизатора 450 и по меньшей мере одну скользящую часть на бурильной колонне 410, которая согласует их друг с другом, чтобы направлять движение между активным стабилизатором 450 и бурильной колонной 410.  Конкретный способ реализации скользящего механизма может быть таким же, как в активном стабилизаторе 350, и по этой причине не будет повторяться.
Хотя изобретение было описано со ссылкой на предпочтительный вариант реализации изобретения, для специалистов в данной области техники должно быть очевидно, что могут быть сделаны различные изменения и эквиваленты могут быть заменены их элементами без отклонения от объема изобретения. Кроме того, может быть сделано множество модификаций для адаптации конкретной ситуации или материала к идеям изобретения, не выходя за пределы его существенного объема. Следовательно, предполагается, что изобретение не ограничивается конкретным вариантом реализации изобретения, описанным как наилучший способ, предполагаемый для осуществления этого изобретения, но что изобретение будет включать в себя все варианты реализации, попадающие в объем прилагаемой формулы изобретения.