МОДУЛЬНАЯ УПРАВЛЯЕМАЯ СИСТЕМА РОТОРНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН МАЛОГО ДИАМЕТРА
MODULAR CONTROLLED SYSTEM FOR ROTARY DRILLING OF SMALL DIAMETER WELLS

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при строительстве наклонно-направленных и горизонтальных скважин на труднодоступных месторождениях, в том числе Арктическом шельфе.
Из уровня техники известно внутрискважинное роторное буровое устройство, раскрытое в патенте на изобретение Китая CN 103221626, 2015 г. Устройство содержит узел контроля, управляющую секцию, корпус, центральную ось, поршень, размещенный в управляющей секции, дозирующий буровой раствор узел, пластины, реактивную накладку, гибкие элементы, впускные и выпускные отверстия, центральный канал, втулку, поршни, смещающие средства, шарнирный элемент, компоненты и стопорные элементы. Буровой раствор, приводящий поршни в действие, течет внутри управляющей секции через дозирующий узел, который направляет раствор внутрь каналов, ведущих к соответствующим поршням. Блок управления, выполненный с возможностью вращения относительно внешнего корпуса, контролирует дозирующий узел для создания канала к необходимому поршню и выпускному отверстию, что временно выдвигает поршни в направлении, противоположном требуемому отклонению ствола скважины, тем самым отклоняя буровое долото от осевой линии ствола скважины.
Недостатком является не универсальность устройства. Из-за конструктивной сложности механического и электрического подключения модульная управляющая секция не может использоваться в компоновке с дополнительными модулями, такими как, например, модуль телеметрии, модуль каротажа и модуль обмена данными с устьем скважины, что сужает спектр решаемых устройством задач.
Из уровня техники известно устройство направленного роторного бурения для перемещения бурового долота по необходимой траектории, раскрытое в международной заявке на изобретение WO 2009070521, 2009 г. Устройство содержит компоновку низа бурильной колонны, универсальный шарнир, вал, колодки, систему дозирования и каналы для тока бурового раствора, корпус, отверстия, адаптер и пружину. Устройство направленного бурения расположено между модулем управления и долотом в отдельной компоновке. За счет поступления бурового раствора через каналы в устройстве колодки выдвигаются по направлению к стенке скважины и вместе с реактивной силой струи воды механически отталкивают устройство направленного роторного бурения от стенки скважины, изменяя направление бурения.
Недостатком известного устройства является то, что подключение к нему дополнительных модулей, например, модуля телеметрии или каротажа, возможно только с использованием модулей того же производителя, в результате чего устройство направленного роторного бурения является не универсальным и не может обеспечить решение широкого спектра задач с использованием доступных на рынке устройств.
Из уровня техники известна система направленного бурения, используемая при строительстве скважин для извлечения углеводородов, раскрытая в патенте на изобретение Великобритании GB 2455731, 2010 г. Система представляет собой компоновку низа бурильной колонны и содержит управляющий корпус, мотор, управляющий вал, основное долото, пилотное долото, набор износных накладок, крестовину, кольцевую шестерню и планетарную передачу. Согласно изобретению, пилотное долото используется для формирования пилотной скважины, а основное долото используется для формирования основной скважины, положение оси пилотного долота относительно оси основного долота изменяется для управления положением пилотной скважины относительно основной скважины.
Недостатком известной системы является ее не универсальность, вследствие того, что система крепится напрямую к колонне бурильных труб и подключение дополнительных модулей затруднительно, так как конструкция дополнительных модулей должна учитывать конструктивные особенности известной системы направленного бурения, использующей пилотное и основное долото, что сужает спектр применяемого совместно оборудования.
Известна роторная управляемая система, предназначенная для строительства скважин с искривленным профилем, раскрытая в патенте на изобретение США US 5803185, 1998 г. Система включает модуль электропитания, модулированный блок управления и блок отклонения, содержащий ряд гидравлических отклоняющих механизмов вокруг периферии устройства, каждый из которых имеет упорную лопатку, которая гидравлически перемещается наружу для отталкивания от стенки скважины. Каждый отклоняющий механизм может быть соединен через распределительное устройство с источником бурового раствора под давлением, а управление распределительным устройством производится блоком управления, чтобы модулировать давление жидкости, подаваемое на отклоняющие механизмы, когда блок отклонения вращается. Блок управления содержит стационарный вал, который устанавливается неподвижно с направлением по окружности, которое выбирается в соответствии с направлением, в котором должно управляться долото. Стационарное положение блока управления достигается за счет системы стабилизации, включающей две крыльчатки, установленные с обоих концов блока управления. Также два магнита, служат для осевой ориентации блока отклонения, чтобы модулировать давление жидкости, на необходимый гидравлический привод, когда блок отклонения вращается. Данная система взята за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существующими признаками заявляемого изобретения,- модулированный блок управления; модуль отклонения, содержащий гидравлические отклоняющие механизмы с упорными лопатками; каждый отклоняющий механизм соединен через распределительное устройство с источником бурового раствора под давлением; распределительное устройство соединено с блоком управления и выполнено с возможностью модулирования давления жидкости, подаваемого на отклоняющие механизмы при вращении модуля отклонения.
Недостатком известной роторной управляемой системы, принятой за прототип, является несовершенство конструкции модулированного блока управления. Из-за того, что модулированный блок управления расположен непосредственно в модуле отклонения и закреплен на двух подвижных опорах, связь его с дополнительными модулями, например, модулем каротажа, другими модулями отклонения, основанными на принципе «Push-the-bit» прямой коммутацией невозможна.
Задачей заявляемого изобретения является совершенствование конструкции управляемой системы роторного бурения скважин малого диаметра для повышения универсальности системы и расширения спектра оборудования, применяемого совместно.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известной модульной управляемой системе роторного бурения скважин малого диаметра, включающей модулированный блок управления, модуль отклонения, содержащий гидравлические отклоняющие механизмы с упорными лопатками, каждый отклоняющий механизм соединен через распределительное устройство с источником бурового раствора под давлением, распределительное устройство соединено с блоком управления и выполнено с возможностью модулирования давления жидкости, подаваемого на отклоняющие механизмы при вращении модуля отклонения, согласно изобретению к модулю отклонения дополнительно подключены модуль электропитания, модуль телеметрии, модуль каротажа и модуль обмена данными с устьем скважины через унифицированные переходники, при этом модуль каротажа и модуль обмена данными с устьем скважины выполнены с возможностью отсоединения от модуля отклонения с сохранением функционирования модуля отклонения, модулированный блок управления расположен в модуле телеметрии, а модуль отклонения дополнительно содержит электрические катушки и магниты.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - к модулю отклонения дополнительно подключены модуль электропитания, модуль телеметрии, модуль каротажа и модуль обмена данными с устьем скважины через унифицированные переходники; модуль каротажа и модуль обмена данными с устьем скважины выполнены с возможностью отсоединения от модуля отклонения с сохранением функционирования модуля отклонения; модулированный блок управления расположен в модуле телеметрии; модуль отклонения дополнительно содержит электрические катушки и магниты.
Подключение к модулю отклонения через унифицированные переходники модуля электропитания, модуля телеметрии, модуля каротажа и модуля обмена данными с устьем скважины обеспечивает повышение универсальности системы за счет расширения ее функциональных возможностей.
Возможность отсоединения от модуля отклонения модуля каротажа и модуля обмена данными с устьем скважины с сохранением функционирования модуля отклонения также повышает универсальность системы.
Наличие в модуле отклонения электрических катушек и магнитов позволяет создать дополнительную отталкивающую силу (помимо силы, вызванной гидравлическим давлением), тем самым усилить отталкивание от стенки скважины, стабилизируя интенсивность и повышения точности искривления ствола скважины. В результате расширяется спектр совместно используемого оборудования, в том числе оборудования, применяемого для строительства незначительно- и высокоискривленных скважин.
Расположение модулированного блока управления в модуле телеметрии и жесткое его соединение с корпусом обеспечивает возможность его прямой коммутации с дополнительными модулями с установкой постоянной связи. Благодаря этому повышается универсальность системы, расширяется спектр оборудования, применяемого совместно.
Предлагаемая система иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлен общий вид модульной управляемой системы роторного бурения скважин малого диаметра.
На фиг. 2 схематично представлен модуль отклонения модульной управляемой системы роторного бурения скважин малого диаметра.
На фиг. 3 схематично представлен модуль отклонения модульной управляемой системы роторного бурения скважин малого диаметра в разрезе.
Модульная управляемая система роторного бурения скважин малого диаметра включает модуль отклонения 1, закрепленный на модуле электропитания 2, установленного на модуле телеметрии 3, соединенного с модулем каротажа 4, модулем обмена данными с устьем скважины 5, пульсатором 6 и датчиком давления 7. Модули 1-4 соединены посредством унифицированных переходников.
В модуле телеметрии 3 расположен модулированный блок управления (на чертеже не показан).
Модуль отклонения 1 состоит из корпуса 8 с наружным диаметром не более  (120 мм). Корпус включает пустотелую трубу с проточками и вырезами для крепления внутренних элементов системы. В корпусе модуля отклонения 1 на опорах 9 через подшипники 10 закреплен блок определения местоположения и управления направлением движения бурового инструмента. Основным элементом блока определения местоположения и управления направлением движения Сурового инструмента является бесплатформенная инерциальная навигационная система 11 на базе волоконно-оптических гироскопов 12, Блок определения местоположения и управления направлением движения бурового инструмента заключен в герметичный корпус 13 для создания канала 14 движения бурового раствора между ним и корпусом 8 всего модуля отклонения 1. Для позиционирования блока определения местоположения и управления направлением движения бурового инструмента он закреплен к шаговому электродвигателю 15, способному корректировать положение и удерживать блок в неподвижном состоянии при вращении всей системы при роторном бурении. Блок определения местоположения и управления направлением движения бурового инструмента соединен через вал 16 с распределительным устройством 17 для подачи гидравлической энергии на отклоняющие механизмы 18 по каналу 19, включающие упорные лопатки, электрические катушки 20 и магниты 21, в зависимости от требуемой траектории движения бурового инструмента.
Модульная управляемая система роторного бурения скважин малого диаметра работает следующим образом.
Модуль отклонения 1, за счет гидравлической энергии, а также за счет электрической энергии, поступающей от модуля электропитания 2, направляет модульную управляемую систему роторного бурения скважин малого диаметра в направлении, заданном модулированным блоком управления. При необходимости получения геофизических данных о горных породах в компоновку модульной управляемой системы роторного бурения скважин малого диаметра может быть включен модуль каротажа 4. При необходимости получения данных о процессе бурения в реальном времени в компоновку модульной управляемой системы роторного бурения скважин малого диаметра может быть включен модуль обмена данными с устьем скважины 5, который за счет пульсатора 6, генерирующего импульсы давления к устью скважины, и датчика давления 7, принимающего сигналы перепада давления от устья скважины, выполняет обмен данными с устьем скважины.
Через проточки корпуса 8 модуля отклонения 1 протекает буровой раствор. В вырезах закрепляются внутренние элементы системы, например отклоняющие механизмы 18. Благодаря опорам 9, подшипникам 10 и электродвигателю 15 блок определения местоположения и управления направлением движения бурового инструмента находится в геостационарности.
Бесплатформенная инерциальная навигационная система 11 на базе волоконно-оптических гироскопов 12, заключенная в герметичный корпус 13, передает информацию о положении модульной управляемой системы роторного бурения скважин малого диаметра в пространстве на устье скважины. Через канал 14 буровой раствор поступает к распределительному устройству 17.
При подаче сигнала на блок определения местоположения и управления направлением движения бурового инструмента о направлении движения бурового оборудования блок при помощи электродвигателя 15 занимает соответствующее положение и остается в нем до получения новой команды, при этом распределительное устройство 17 открывает канал для подвода 19 жидкости к соответствующей лопатке отклоняющего механизма 18. Жидкость (буровой раствор) частично уходит по каналу 19 к отклоняющему механизму 18, а частично поступает к долоту. Кроме гидравлической энергии в соответствующей лопатке отклоняющего механизма 18 автоматически подводится ток возбуждения к катушке 20, которая в свою очередь при взаимодействии с магнитом 21 создает отталкивающую силу, тем самым усиливая отталкивание от стенки скважины и стабилизируя интенсивность.
Модульный принцип системы позволяет компоновать ее дополнительными модулями и исключать из компоновки неиспользуемые.
Преимущество изобретения состоит в том, что возможность включения в систему роторного бурения скважин к модулю отклонения дополнительных модулей: модуля телеметрии, модуля каротажа и модуля обмена данными с устьем скважины посредством унифицированных переходников позволяет повысить универсальность системы за счет расширения ее функциональных возможностей, расширить спектр оборудования, применяемого совместно. Кроме того, применение заявляемой системы позволяет увеличить интенсивность искривления.