МОДУЛЬНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВРАЩАТЕЛЬНЫЙ ПРИВОД, ОТКЛОНЯЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ И УПРАВЛЯЕМАЯ ВРАЩАТЕЛЬНАЯ БУРОВАЯ СИСТЕМА С МОДУЛЬНЫМ ПРИВОДОМ
MODULAR CONTROLLED ROTARY DRIVE, DEFLECTING TOOL AND CONTROLLED ROTARY DRILLING SYSTEM WITH MODULAR DRIVE

Область изобретения
[0001] Настоящее изобретение, в целом, относится к бурению скважин, например, при разведке и добыче углеводородов. Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройствам управления и приводам управления для направления буровых снарядов.
Уровень техники
[0002] Скважины, также часто называемые буровыми скважинами или буровыми, создают для различных целей, в том числе при разведывательном бурении для определения положения подземных месторождений различных природных ресурсов, при добыче для извлечения таких ресурсов и в строительных проектах для монтажа подземного оборудования. То, что все скважины расположены вертикально под буровой платформой, является обычным заблуждением; многие задачи требуют бурения скважин с отклоненной вертикальной или горизонтальной геометрией. Хорошо известным способом, используемым для бурения горизонтальных, отклоненных вертикальных и других сложных скважин является направленное бурение. Характерным примером направленного бурения является процесс бурения скважины, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть маршрута скважины в земле имеет направление, отличное от строго вертикального, то есть ее ось расположена под углом к вертикальной плоскости (известно как «отклонение от вертикали») и направлена в азимутальной плоскости.
[0003] В традиционных способах направленного бурения обычно для достижения требуемой геометрии скважины используют бурильные установки, толкающие или направляющие последовательность соединенных бурильных труб с направляемыми буровыми долотами на их дальнем конце. При разведке и добыче лежащих под поверхностью месторождений углеводородов, таких как нефть и природный газ, направленные скважины обычно бурят посредством вращающегося бурового долота, закрепленного на одном из концов компоновки низа бурильной колонны, или «КНБК». Управляемая КБНК может содержать, например, гидравлический забойный двигатель (ГЗД) или «объемный двигатель», воротник бура, расширитель, амортизатор и устройство расширения для увеличения диаметра скважины. Для управления изгибом КНБК к ней может быть прикреплен стабилизатор, направляющий буровое долото в требуемом направлении (по наклону и азимуту). КНБК, в свою очередь, прикреплена к нижней части колонны труб, часто содержащей соединенные трубы или относительно гибкий «наматываемый» трубопровод, также известный как трубопровод из безмуфтовых длинномерных труб. Эту систему для направленного бурения, то есть взаимодействующие колонну труб, буровое долото и КНБК, можно назвать «бурильной колонной». Когда в бурильной колонне используют соединенные трубы, буровое долото можно повернуть за счет поворота соединенных труб на поверхности, за счет работы гидравлического забойного двигателя, содержащегося в КНБК, или обоими способами. Напротив, бурильные колонны, в которых используются длинномерные безмуфтовые трубы, обычно вращают буровое долото посредством гидравлического забойного двигателя в КНБК.
[0004] Направленное бурение обычно требует управления и изменения направления скважины по мере бурения. Часто целью направленного бурения является достижение бурильной колонной точки в целевом подземном местоположении или пласте. Например, направлением бурения можно управлять для направления скважины в сторону желаемого целевого местоположения, для горизонтального управления скважиной с целью удержания ее внутри требуемой продуктивной зоны или для коррекции нежелательных или излишних отклонений от желаемого или заранее заданного пути. Многократные корректировки направления скважины часто требуются в процессе бурения либо для осуществления планируемой смены направления, либо для компенсации нежелательных или непреднамеренных отклонений скважины. Причиной нежелательного отклонения могут быть различные факторы, включая, но не ограничиваясь этим, характеристики пласта, в котором осуществляется бурение, компоновку бурильного оборудования и способ, по которому производится бурение скважины.
[0005] Доступны различные варианты обеспечения управляемости бурильного инструмента для управления и изменения направления скважины. В сфере применения направленного бурения, например, одним из вариантов является присоединение изогнутого корпуса или кривого переводника к концу бурильной колонны в качестве отклоняющего инструмента ниже бурового двигателя. Когда необходимо отклонение, вращение секции бурильных труб бурильной колонны может быть сдержано, а буровой двигатель может быть ориентирован в требуемом направлении и использоваться как для бурения, так и для отклонения в режиме «скользящего» бурения. Когда отклонение не требуется, бурильная колонна и буровой двигатель могут вращаться вместе в режиме «вращательного бурения». Преимуществом этого варианта является его относительная простота. Однако один из недостатков этого варианта заключается в том, что отклонение ограничено только режимом скользящего бурения. Кроме того, из-за наличия изогнутого бурового двигателя может быть ухудшена прямолинейность скважины. Более того, так как бурильная колонна не вращается во время скользящего бурения, она более подвержена прихвату в скважине, особенно при увеличении угла отклонения скважины от вертикали, в результате чего уменьшается скорость проходки.
[0006] Направленное бурение может также выполняться посредством управляемой вращательной буровой системы, в которой вся бурильная колонна приводится во вращение с поверхности, за счет чего, в свою очередь, вращается компоновка низа бурильной колонны, в том числе буровое долото, соединенное с концом бурильной колонны. В управляемой вращательной буровой системе бурильная колонна может вращаться при отклонении бурового инструмента, ориентируемого или толкаемого в требуемое направление (напрямую или косвенно) отклоняющим устройством. Некоторые управляемые вращательные буровые системы содержат компонент, который не вращается относительно бурильной колонны, чтобы обеспечить опорную точку для требуемого направления и место для монтажа отклоняющего устройства (устройств). В качестве альтернативы, управляемые вращательные буровые системы могут быть «полностью вращающимися». Некоторые преимущества управляемых вращательных буровых систем в том, что они могут обеспечивать относительно высокую точность отклонения и не требуют работы в режиме скользящего бурения для обеспечения возможности отклонения. Кроме того, обычно они имеют более высокую скорость проходки при меньшем износе бурового долота и обсадных труб. Однако управляемые вращательные буровые системы являются относительно сложными устройствам и обычно более дороги, чем их традиционные аналоги.
[0007] В третьем варианте направленное бурение может быть осуществлено посредством сочетания вращательного управляемого бурения и скользящего бурения. В таком случае вращательное управляемое бурение обычно выполняют до того момента, когда потребуется коррекция или изменение направления скважины. В этот момент вращение бурильной колонны останавливают и начинают скользящее бурение с использованием забойного двигателя. Несмотря на то, что использование сочетания скользящего и вращательного бурения может обеспечить приемлемое управление направлением скважины, остаются множество проблем и недостатков, связанных со скользящим бурением.
[0008] Предпринимались различные попытки предложить управляемые вращательные буровые системы, лишенные указанных недостатков. Множество примеров управляемых вращательных буровых устройств, известных из уровня техники, раскрыты в патенте США №6769499 на имя Эдварда Дж. Каргилла (Edward J. Cargill) и др., и в патенте США №7413034 на имя Кеннеди Киркхоупа (Kennedy Kirhope), каждый из которых включен в настоящий документ посредством ссылки в полном объеме и для любых целей. Однако во многих из этих описанных конфигураций обслуживание отдельных приводов часто требует открытия отклоняющего инструмента, что обычно является очень сложным и затратным по времени процессом. Открытие внутренней гидравлики отклоняющей системы также обычно нежелательно из-за коррозии, вызываемой окружающей средой, и других вредных воздействий. Кроме того, после замены, каждый из приводов должен быть протестирован на платформе для того, чтобы убедиться в правильном функционировании, что увеличивает простои и стоимость ремонта. Остается потребность в улучшенных и упрощенных конфигурациях роторных управляемых систем бурения, которые уменьшают затраты на обслуживание и время простоев, упрощают монтаж и тестирование и сводят к минимуму подверженность инструмента воздействию окружающей среды.
Сущность изобретения
[0009] Аспекты настоящего изобретения относятся к модульному управляемому вращательному приводу, который объединяет все компоненты, необходимые для обеспечения функционирования отклоняющего привода в едином картридже, который устанавливают на внешней стороне отклоняющего инструмента. В некоторых конфигурациях модульный привод является автономным устройством с насосом, резервуаром для текучей среды, поршнем для компенсации давления, соленоидным управляющим клапаном и приводным поршнем, которые объединены в общем корпусе. За счет того что внешние соединения ограничены только электрическим управлением, в модульном приводе уменьшено количество точек утечки и обеспечена возможность наполнения маслом и поверки картриджей, «на складе». Раскрытая выше конструкция также обеспечивает простоту замены отдельных приводов снаружи отклоняющего инструмента, причем подсоединяются только электрическое управление и обратная связь по положению. Модульный привод также обеспечивает преимущества и возможности гидравлического привода без осложнения в виде обслуживания «на буровой установке», которое часто связано с направленными управляющими системами существующего уровня техники. Еще одним преимуществом является возможность иметь запас готовых сменных картриджей приводов, на которые могут быстро и легко быть заменены используемые картриджи для быстрого возвращения отклоняющего инструмента в состояние готовности в скважине. Изоляция гидравлической сети также способствует упрощению изменения давления в системе. Также преимуществом является возможность использования большего количества универсальных картриджей для пропорционального применения в инструментах большего размера.
[0010] Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения относятся к отклоняющему инструменту, используемому при бурении скважин. Отклоняющий инструмент может использоваться, например, для бурения вертикальных и/или не вертикальных скважин. Отклоняющий инструмент является гидромеханическим устройством с множеством независимых, приводимых в действие отдельно и разнесенных по окружности модульных приводов. Отклоняющий инструмент предназначен для встраивания в бурильную колонну. Отклоняющий инструмент может быть встроен в бурильную колонну в нескольких различных конфигурациях, в зависимости, например, от предполагаемой сферы применения при бурении. В некоторых конфигурациях отклоняющий инструмент имеет конфигурацию компонента бурового двигателя. Отклоняющий инструмент также может быть приспособлен для использования в виде компонента управляемой вращательной буровой системы. В некоторых конфигурациях отклоняющий инструмент может быть адаптирован для использования в виде полностью вращающейся управляемой вращательной буровой системы.
[0011] Аспекты настоящего изобретения относятся к модульному приводу, используемому для направления бурильной колонны, которая содержит корпус и приводной вал. Модульный привод содержит картридж, выполненный с возможностью соединения с внешней поверхностью корпуса бурильной колонны. В картридже содержится резервуар для текучей среды. Гидравлический приводной поршень, по меньшей мере, частично расположенный в картридже с возможностью поступательного перемещения, может перемещаться между первым и вторым положением. Гидравлическая система управления также содержится в картридже и обеспечивает сообщение по текучей среде резервуара для текучей среды с приводным поршнем. Гидравлическая система управления выполнена с возможностью управления перемещением приводного поршня между первым и вторым положением таким образом, что приводной поршень выборочно изменяет положение приводного вала и тем самым изменяет направление бурильной колонны.
[0012] В соответствии с другими аспектами настоящего изобретения, предложен отклоняющий инструмент, используемый для направления бурильной колонны при бурении скважины в земном пласте. Бурильная колонна содержит приводной вал и наклонный диск. Отклоняющий инструмент содержит трубчатый корпус с внешней поверхностью и канал в корпусе, выполненный с возможностью пропускания через него приводного вала. Отклоняющий инструмент также содержит несколько модульных приводов, разнесенных по окружности по внешней поверхности корпуса. Каждый из модульных приводов содержит: картридж, соединенный с внешней поверхностью корпуса; резервуар для текучей среды, изолированный в корпусе картриджа; гидравлический приводной поршень, расположенный, по меньшей мере, частично внутри картриджа с возможностью поступательного перемещения, причем приводной поршень имеет возможность перемещения между неактивированным и активированным положениями; и гидравлическую систему управления, изолированную внутри картриджа и соединяющую по текучей среде резервуар для текучей среды с приводным поршнем. Гидравлическая система управления выполнена с возможностью управления перемещением приводного поршня между неактивированным и активированным положениями таким образом, что приводной поршень выборочно изменяет положение приводного вала и тем самым изменяет направление бурильной колонны.
[0013] Управляемая вращательная буровая система имеет признаки в соответствии с аспектами настоящего изобретения. Управляемая вращательная буровая система содержит бурильную колонну и трубчатый корпус, соединенный с дистальным концом бурильной колонны. Трубчатый корпус имеет внешнюю поверхность и канал в корпусе. Приводной вал, проходящий через трубчатый корпус, содержит несколько наклонных поверхностей. Буровое долото соединено с возможностью вращения с трубчатым корпусом посредством приводного вала. Управляемая вращательная буровая система также содержит контроллер отклонения и несколько модульных приводов, разнесенных по окружности по внешней поверхности корпуса. Каждый из модульных приводов содержит: картридж, соединенный с внешней поверхностью корпуса; электрический соединитель, обеспечивающий электрическое соединение модульного привода с контроллером отклонения; резервуар для текучей среды, изолированный в корпусе картриджа; гидравлический приводной поршень, расположенный, по меньшей мере, частично внутри картриджа с возможностью поступательного перемещения, причем поршень имеет возможность перемещения между неактивированным и активированным положениями; и гидравлическую систему управления, изолированную внутри картриджа и гидравлически соединяющую резервуар для текучей среды с приводным поршнем. Гидравлическая система управления выполнена с возможностью управления перемещением приводного поршня из неактивированного положения в активированное положение таким образом, что приводной поршень выборочно давит на одну из наклонных поверхностей приводного вала и тем самым изменяет направление бурильной колонны.
[0014] Вышеприведенная сущность изобретения не имеет своей целью представление всех вариантов осуществления каждого аспекта настоящего изобретения. Напротив, сущность изобретения, приведенная выше, раскрывает примеры некоторых не существовавших ранее аспектов и признаков, изложенных далее. Вышеуказанные признаки и преимущества и другие признаки и преимущества настоящего изобретения, должны быть очевидны из нижеследующего подробного раскрытия примеров осуществления и вариантов настоящего изобретения, рассмотренного совместно с прилагаемыми чертежами и пунктами формулы.
Краткое описание чертежей
[0015] На фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация примера управляемой вращательной буровой системы в соответствии с аспектами настоящего изобретения.
[0016] На фиг. 2 представлена схематическая иллюстрация примера компоновки низа бурильной колонны КНБК в соответствии с аспектами настоящего изобретения.
[0017] На фиг. 3 представлен вид в аксонометрии, иллюстрирующий характерный пример компоновки вращательного отклоняющего инструмента со снятой крышкой для лучшей видимости установленного снаружи модульного управляемого вращательного привода в соответствии с аспектами настоящего изобретения.
[0018] На фиг. 4 представлен другой вид в аксонометрии, иллюстрирующий вариант осуществления компоновки вращательного отклоняющего инструмента фиг. 3 со снятыми частями внешнего корпуса для лучшей видимости четырех модульных приводов, разнесенных по окружности.
[0019] На фиг. 5 представлена иллюстрация в аксонометрии примера модульного управляемого вращательного привода в соответствии с аспектами настоящего изобретения.
[0020] На фиг. 6 представлена иллюстрация в аксонометрии поперечного разреза модульного управляемого вращательного привода по линии 5-5 Фиг. 5.
[0021] На фиг. 7 представлена принципиальная схема четырехосевой модульной управляемой вращательной приводной системы в соответствии с аспектами настоящего изобретения.
[0022] Несмотря на то, что настоящее изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, в качестве примера на чертежах показаны конкретные варианты осуществления, которые будут детально описаны в настоящей заявке. Должно быть ясно, однако, что настоящее изобретение не должно быть ограничено конкретными описанными формами. Напротив, настоящее изобретение должно покрывать все модификации, аналоги и альтернативы, соответствующие сущности и объему настоящего изобретения, определяемому прилагаемой формулой изобретения.
Подробное раскрытие изобретения
[0023] Несмотря на то, что настоящее изобретение может быть осуществлено в множестве различных форм, на чертежах показаны и далее подробно раскрыты варианты осуществления настоящего изобретения, учитывая, что настоящее описание должно рассматриваться как описание примеров принципов настоящего изобретения и не имеет целью ограничение более широких аспектов настоящего изобретения только проиллюстрированными вариантами осуществления. В связи с этим, элементы и ограничения, раскрытые, например, в разделах «Реферат», «Сущность изобретения» и «Подробное раскрытие изобретения», но явно не раскрытие в формуле изобретения, не должны быть включены в формулу, отдельно или совместно, как подразумеваемые, предполагаемые или другим образом. В целях настоящего подробного описания, если не указано отдельно, единственное число включает в себя множественное число, и наоборот; слова «и» и «или» должны быть оба одновременно конъюнктивными и дизъюнктивными; слово «все» означает «любой и все»; слово «любой» означает «любой и все»; и слово «содержит» означает «содержит, не ограничиваясь этим». Более того, слова, означающие приближенность, такие как «около», «почти», «по существу», «приблизительно» и т.п., могут в настоящей заявке использоваться в значении «составляет, около, или составляет около», или «в пределах 3-5% от», или «в пределах допустимой погрешности изготовления» или, например, любого логического сочетания этих значений.
[0024] Обратимся к чертежам, на которых одинаковые ссылочные номера относятся к одинаковым компонентам на нескольких видах, где на фиг. 1 показан пример системы направленного бурения в соответствии с аспектами настоящего изобретения, в целом обозначенной номером 10. Большинство представленных здесь принципов раскрыты в отношении операций бурения для разведки и/или добычи подземных месторождений углеводородов, таких как нефть и природный газ. Однако описанные принципы этим не ограничены и могут быть применены в других сферах применения бурения. В этой связи аспекты настоящего изобретения не обязательно ограничены компоновкой и компонентами, представленными на фиг. 1 и 2. Например, большинство признаков и аспектов, раскрытых в настоящей заявке, могут быть применены в сфере горизонтального бурения или в сфере вертикального бурения без отступления от предполагаемого объема и сущности настоящего изобретения. Кроме того, нужно понимать, что чертежи не обязательно выполнены в масштабе и представлены исключительно для описательных целей; поэтому размеры и ориентация элементов и относительные размеры и ориентация, представленные на чертежах, не должны рассматриваться как ограничивающие. Дополнительную информацию, касающуюся систем направленного бурения, можно найти, например, в патентной заявке США №2010/0259415 А1 на имя Майкла Стрэчана (Michael Strachan) и др. под названием «Способ и система для прогнозирования производительности буровой системы с несколькими режущими структурами» (Method and System for Predicting Performance of a Drilling System Having Multiple Cutting Structures), которая включена в настоящий документ посредством ссылки в полном объеме и для любых целей.
[0025] Направленная буровая система 10, пример которой представлен на фиг. 1, содержит вышку или «буровую вышку» 11, как чаще всего этот элемент называют в области техники, опирающуюся на пол 12 буровой вышки. Пол 12 буровой вышки поддерживает роторный стол 14, приводимый в движение с требуемой скоростью вращения, например, первичным двигателем (не показан) через цепной привод. Роторный стол 14, в свою очередь, сообщает необходимый вращательный момент бурильной колонне 20. Бурильная колонна 20, содержащая секцию 24 бурильных труб, проходит от роторного стола 14 вниз в направленную скважину 26. Как показано на чертежах, скважина 26 может проходить по многомерному пути или «траектории». Трехмерное направление нижней части 54 скважины 26 на фиг. 1 обозначено вектором 52 направления.
[0026] К дистальному, нижнему концу бурильной колонны 20 прикреплено буровое долото 50. При вращении, например, посредством роторного стола 14, буровое долото 50 осуществляет разламывание и, в целом, размельчение геологического пласта. Бурильная колонна 20 прикреплена к «буровой лебедке» подъемника 30, например, посредством келли-штанги 21, вертлюга 28 и троса 29 с помощью системы блоков (не показана). Буровая лебедка 30 может содержать различные компоненты, в том числе барабан, один или большее число двигателей, понижающий редуктор, главный тормоз и дополнительный тормоз. В некоторых вариантах осуществления при бурении буровая лебедка 30 может быть задействована для управления давлением на буровое долото 50 и скоростью проникновения бурильной колонны 20 в скважину 26. Принцип работы буровой лебедки 30, в целом, известен, и поэтому здесь подробно не раскрывается.
[0027] При операциях бурения из емкости 32 для бурового раствора в скважину 26 через бурильную колонну 20 буровым насосом может под давлением с циркуляцией подаваться соответствующая буровая текучая среда (обычно в данной области техники называемая буровым раствором) 31. Буровой раствор 31 может содержать, например, буровой раствор на водной основе (БРВО), который обычно содержит смесь на основе воды и глины, буровой раствор на углеводородной основе (БРУО), у которого жидкой основой является производная нефти, такая как дизельное топливо, синтетический буровой раствор (СБР), у которого жидкой основой является синтетическое масло, а также газированные буровые растворы. Буровой раствор 31 выходит из бурового насоса 34 и попадает в бурильную колонну 20 через трубопровод 38 для текучей среды (обычно называемый «растворной линией») и келли-штангу 21. Буровой раствор 31 выходит из нижней части 54 скважины через отверстие или форсунку в буровом долоте 50 и движется в «восходящем» направлении в сторону поверхности через кольцевое пространство 27 между бурильной колонной 20 и стенками скважины 26. Когда буровой раствор 31 достигает роторного стола 14, его сбрасывают по возвратному трубопроводу 35 в емкость 32 для бурового раствора. Различные поверхностные датчики 48, размещенные соответствующим образом на поверхности скважины 26, работают отдельно или вместе со скважинными датчиками 70, 72, размещенными в скважине 26, для предоставления информации о различных параметрах, относящихся к бурению, таких как величина потока текучей среды, давление на буровое долото, нагрузка на крюк и так далее, значение которых описано более подробно ниже.
[0028] Поверхностное управляющее устройство 40 может получать сигналы от поверхностных и скважинных датчиков и устройств через датчик или преобразователь 43, который может быть расположен на жидкостном трубопроводе 38. Поверхностное управляющее устройство 40 может обеспечивать обработку таких сигналов в соответствии с заложенными в поверхностное управляющее устройство 40 программными командами. Поверхностное управляющее устройство 40 может предоставлять оператору требуемые параметры бурения и другую информацию посредством одного или более устройств 42 вывода, таких как дисплей, монитор компьютера, динамики, световые индикаторы и так далее, которые могут быть использованы оператором для управления процессом бурения. Поверхностное управляющее устройство 40 может содержать компьютер, запоминающее устройство для хранения данных, записывающее устройство и другие известные на данный момент и разработанные в будущем периферийные устройства. Поверхностное управляющее устройство 40 может также содержать модели и может обрабатывать данные в соответствии с запрограммированными командами и отвечать на команды пользователя, вводимые через подходящее вводное устройство 44, которое может представлять собой клавиатуру, сенсорный экран, микрофон, компьютерную мышь, джойстик и так далее.
[0029] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения вращающееся буровое долото 50 присоединено к дальнему концу управляемой компоновки низа бурильной колонны (КНБК) 22. В приведенном примере осуществления КНБК 22 присоединена между буровым долотом 50 и секцией 24 бурильных труб бурильной колонны 20. КНБК 22 может содержать систему измерения во время бурения (ИВБ), обозначенную в целом номером 58 на фиг. 1, с различными датчиками для предоставления данных о формации 46 и скважинных параметрах бурения. Датчики ИВБ в КНБК 22 могут содержать, не ограничиваясь этим, устройство измерения удельного сопротивления пласта рядом с буровым долотом, устройство измерения гамма-излучения для измерения интенсивности гамма-излучения пласта, устройства для определения отклонения от вертикали и азимута бурильной колонны и датчики давления для измерения давления бурового раствора в скважине. ИПБ может также содержать дополнительные/альтернативные чувствительные устройства для измерения ударов, вибрации, момента, телеметрии и другие. Упомянутые выше устройства могут передавать данные скважинному передатчику 33, который, в свою очередь, передает данные наверх поверхностному управляющему устройству 40. В некоторых вариантах осуществления КНБК 22 может также содержать систему для каротажа во время бурения (КВБ).
[0030] В некоторых вариантах осуществления для передачи данных от скважинных датчиков и устройств при осуществлении бурения может быть использован метод телеметрии по гидроимпульсному каналу связи. Примеры способов и устройств для телеметрии по гидроимпульсному каналу связи раскрыты в патенте США №7,106,210 В2 на имя Кристофера А. Голлы (Christopher A. Golla) и др., который полностью включен в настоящий документ посредством ссылки. Другие способы телеметрии, которые могут быть использованы без отступления от предполагаемого объема настоящего изобретения, включают в себя, среди прочих, электромагнитную телеметрию, акустическую телеметрию и проводную телеметрию по бурильной колонне.
[0031] В трубопроводе 38 подачи бурового раствора может быть расположен преобразователь 43 для детектирования импульсов бурового раствора, соответствующих данным, переданным скважинным передатчиком 33. Преобразователь 43, в свою очередь, генерирует электрические сигналы, например, в ответ на вариации давления бурового раствора, и передает эти сигналы поверхностному управляющему устройству 40. В качестве альтернативы, могут быть использованы другие методы телеметрии, такие как электромагнитный и/или акустический метод или любой другой подходящий известный на данный момент или разработанный позднее метод. Например, для связи между поверхностными и скважинными устройствами может использоваться бурильная колонна с проходящим по ней проводом. В другом примере могут использоваться сочетания описанных выше методов. Как показано на фиг. 1, поверхностный приемопередатчик 80 взаимодействует со скважинным инструментом, используя, например, любой из описанных методов передачи, такой как метод телеметрии по гидроимпульсному каналу связи. За счет этого может быть обеспечена двусторонняя связь между поверхностным управляющим устройством 40 и скважинным инструментом, описанным ниже.
[0032] В соответствии с аспектами настоящего изобретения, КНБК 22 может обеспечивать полностью или частично необходимую нагрузку на буровое долото 50 для пробивания пласта 46 (называемую «осевой нагрузкой на долото») и обеспечивает необходимое управление направлением бурения скважины 26. В вариантах осуществления, представленных на фиг. 1 и 2, КНБК 22 может содержать буровой двигатель 90 и первый и второй стабилизаторы 60 и 62, разнесенные в продольном направлении. По меньшей мере один из стабилизаторов 60, 62 может представлять собой настраиваемый стабилизатор, работа которого способствует управлению направлением скважины 26. В КНБК управляемой направленной буровой системы 10 могут быть использованы опциональные радиально регулируемые стабилизаторы, посредством которых регулируют угловое положение КНБК 22 относительно оси скважины 26. Радиально настраиваемый стабилизатор обеспечивает диапазон настройки направления более широкий, чем обеспечиваемый традиционными стабилизаторами фиксированного диаметра. Эта возможность настройки может существенно сократить время бурения за счет того, что КНБК 22 может быть отрегулирована в скважине, без необходимости извлечения наверх для внесения изменений. Однако даже радиально регулируемый стабилизатор обеспечивает только ограниченный диапазон коррекции направления. Дополнительную информацию, касающуюся регулируемых стабилизаторов и их использования, можно найти в публикации патентной заявки США №2011/0031023 А1 на имя Клайва Д. Менезеса (Clive D. Menezes) и др. под названием «Устройство для бурения скважины, соответствующая система и способы» (Borehole Drilling Apparatus, Systems, and Methods), которая в полном объеме включена в настоящий документ посредством ссылки.
1
2
1
1
[0033] Как показано в варианте осуществления на фиг.2, расстояние между буровым долотом 50 и первым стабилизатором 60, обозначенное L, может быть параметром, от которого зависят характеристики изгиба КНБК 22. Аналогично, расстояние между первым стабилизатором 60 и вторым стабилизатором 62, обозначенное L, может быть другим параметром, от которого зависят характеристики изгиба КНБК 22. Отклонение бурового долота 50 КНБК 22 является нелинейной функцией от расстояния L, то есть относительно небольшое изменение L может значительно повлиять на характеристики изгиба КНБК 22. В положении Р стабилизатора, за счет наличия радиально подвижных лезвий стабилизатора, на буровом долоте 50 может быть индуцирован угол опускания или подъема, например А или В. При осевом перемещении стабилизатора 60 из положения Р в Р′ отклонение бурового долота 50 может быть увеличено с А до А′ или с В до В′. Стабилизатор с возможностью одновременно осевой и радиальной регулировки может существенно увеличить диапазон регулировки направления, уменьшая тем самым время, необходимое для изменения конфигурации КНБК 22. В некоторых вариантах осуществления стабилизатор может иметь возможность осевого перемещения. Положение и настройка второго стабилизатора 62 обеспечивает дополнительную возможность регулировки КНБК 22 для достижения необходимого изгиба КНБК 22, обеспечивающего достижение требуемых кривизны и направления скважины. По существу, второй стабилизатор 62 может иметь такое же функциональное назначение, что и у первого стабилизатора 62. Несмотря на изображение в двух измерениях, надлежащая регулировка лезвий стабилизатора может также обеспечивать поворот КНБК 22 в трех измерениях.
[0034] На фиг. 3 показана часть системы 100 бурильной колонны такого типа, который используют для бурения скважины в земном пласте. Система 100 бурильной колонны на фиг. 3 представлена компоновкой низа бурильной колонны КНБК 110 и компоновкой вращательного отклоняющего инструмента, обозначенного в целом номером 112. Система 100 бурильной колонны на фиг. 3 может быть выполнена в различных формах, опциональных конфигурациях и альтернативах по функциональному назначению, в том числе тех, что раскрыты выше в отношении направленной буровой системы 10, пример которой представлен на фиг. 1 и 2, и поэтому может содержать любые из соответствующих опций и признаков. Кроме того, показаны и будут более подробно раскрыты ниже только некоторые компоненты системы 100 бурильной колонны. Тем не менее, описанные здесь системы бурильной колонны, в том числе соответствующие конфигурации КНБК и отклоняющего инструмента, могут содержать множество дополнительных, альтернативных и других хорошо известных периферийных компонентов, без отступления от предполагаемого объема и сущности настоящего изобретения. Так как эти компоненты хорошо известны из уровня техники, они не будут далее описаны более подробно.
[0035] В варианте осуществления, представленном на фиг. 3, отклоняющий инструмент 112 выполнен в виде части бурового двигателя 114, содержащего корпус 116 двигателя и приводной вал 118 двигателя (фиг. 4, также называемый в настоящем документе «приводным валом»). В этом примере каркас отклоняющего инструмента 112 является частью приводного агрегата, в котором размещены механизм отклонения привода и электронный блок (например, контроллер 160 отклонения, представленный на фиг. 7). Также должно быть ясно, что механизм отклонения и электроника могут быть выполнены с возможностью полной замены снаружи отклоняющего инструмента 112, причем необходимую механическую прочность обеспечивает каркас инструмента. В качестве альтернативы, отклоняющий инструмент 112 может иметь конфигурацию в виде компонента управляемой вращательной буровой системы такого типа, в котором отклоняющий инструмент 112 соединен с бурильной колонной с возможностью вращения. В этой конфигурации корпус 116 является частью отклоняющего инструмента 112, который может быть выполнен с опциональным устройством зацепления в скважине, служащим для предотвращения вращения отклоняющего инструмента 112 при вращении бурильной колонны. Опционально, отклоняющий инструмент 112 может иметь конфигурацию в виде компонента полностью вращающейся управляемой вращательной буровой системы, которая может быть такого типа, в котором отклоняющий инструмент 112 неподвижно соединен с бурильной колонной.
[0036] Буровое долото 50 с возможностью вращения (например, буровое долото 50 на фиг. 1) расположено на дистальном конце системы 100 бурильной колонны и выступает из продолговатого трубчатого корпуса 116, представленного на фиг. 3. Трубчатый корпус 116 функционально закреплен или соединен другим образом, например посредством верхнего переходника (не показан), с дистальным концом буровой трубы или колонны бурильных труб (например, той, которая может быть частью участка 24 бурильных труб фиг. 1). Нижний переходник (или «переходник долота») 120 соединяет приводной вал 118 компоновки 114 забойного двигателя с буровым долотом. Благодаря использованию инструмента измерения во время бурения (ИВБ), такого как ИПБ 58 на фиг. 1, бурильщик направленного бурения может направлять буровое долото в целевую зону. Как видно на фиг. 4, на приводном валу 118 вблизи корпуса 116 под углом установлен наклонный диск 122. Функцией наклонного диска 122 является отбор механической мощности от приводного вала 118 для обеспечения гидравлической энергией модульных приводов 124A-D, как будет более подробно раскрыто ниже.
[0037] Двигательная узел 114 на фиг. 3 может являться гидравлическим забойным двигателем (ГЗД) в сборе, типа гидравлических забойных двигателей серий SperryDrill или SperryDrill XL/XLS, предлагаемых компанией Халлибертон, г. Хьюстон, штат Техас. В этом примере двигательный узел 114 ГЗД содержит многоступенчатый статор (не показан) с внутренним проходом, в котором расположен многоступенчатый ротор (не показан). Узел 114 ГЗД работает по принципу Муано - по существу, когда жидкость под давлением поступает в узел ГЗД и далее через последовательность спиралевидных каналов между статором и ротором, она воздействует на ротор, вызывая нутацию и вращение ротора в статоре. Вращение ротора генерирует вращательное приводное усилие для бурового долота, как более подробно раскрыто ниже.
[0038] Дистальный конец ротора соединен с вращающимся буровым долотом через приводной вал 118 и переходник 120 долота так, что эксцентрическое усилие от ротора передается в виде концентрического усилия на долото. Таким образом, узел 114 ГЗД может обеспечить механизм приведения в действие бурового долота, который, по меньшей мере частично, а в некоторых случаях - полностью, независим от какого-либо вращательного движения бурильной колонны, вызванного, например, вращением верхнего привода вышки и/или роторного стола 14 пола 12 буровой вышки на фиг. 1. Направленное бурение может быть также осуществлено посредством вращения бурильной колонны 100 при одновременной подаче мощности на узел 114 ГЗД, за счет чего увеличивается доступный момент и скорость бурового долота. Буровое долото может быть выполнено в различных вариантах, в том числе в виде бурового долота со вставными алмазами и специализированного долота, имеющего компактную поликристаллическую алмазную (КПА) конструкцию, например, таких как долота серий FX™ и FS™, предлагаемых компанией Халлибертон, г. Хьюстон, штат Техас.
[0039] Внешняя поверхность 117 корпуса 116, показанного на фиг. 3, образует множество продолговатых углублений 119, проходящих параллельно друг другу и продольно по отношению к бурильной колонне 100. В представленном варианте осуществления в корпусе 116 имеются четыре углубления 119, причем только два из них видны на чертежах, а еще два углубления расположены на сторонах корпуса 116, противоположно показанным углублениям. В каждое из углублений 119 вставлен модульный привод 124, который используется для направления бурильной колонны 100 в процессе бурения, как будет более подробно раскрыто ниже. Как видно на фиг. 4, на внешней поверхности корпуса 116 имеются четыре модульных привода 124А, 124B, 124С и 124D, разнесенные по окружности на равные расстояния друг от друга. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления все модульные приводы 124A-D идентичны по конструкции. Для прикрытия и защиты каждого из модульных приводов 124A-D может быть использован опциональный щиток 126 привода. Несмотря на то, что показаны четыре модульных привода 124A-D, компоновка 112 вращательного отклоняющего инструмента может содержать большее или меньшее количество приводов, чем показано.
[0040] Каждый модульный привод 124A-D содержит, соответственно, картридж 128А, 128B, 128С и 128D, выполненный с возможностью соединения с внешней поверхностью корпуса 116. Как видно на фиг. 5 и 6, например, картридж 128 содержит продолговатый трубчатый корпус с выполненным в нем окном 130 и парой поршней 132 и 134, расположенных с возможностью поступательного перемещения по меньшей мере частично внутри картриджа 128. Первый поршень 132 (также называемый здесь поршнем насоса) выступает из верхнего продольного конца продолговатого трубчатого корпуса 128, тогда как второй поршень (также называемый здесь приводным поршнем) поступательно перемещается по и частично перекрывает окно 130, например, при перемещении из неактивированного положения в активированное положение. Окно 130 выполнено с возможностью помещаться на выступающей радиально наружу от приводного вала 118 наклонной поверхности 140 вала, которая лучше всего видна на фиг. 4, и охватывать ее. Наклонные поверхности 140 вала могут быть установлены на приводном валу 118 через подшипник 142. Для механического соединения каждого из картриджей 128А-D с корпусом 116 и/или приводным валом 118 могут быть использованы дополнительные крепежные средства. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления желательно, чтобы картриджи 128A-D были соединены с корпусом 116 разъемным соединением, например, для простоты установки и возможности обслуживания.
[0041] В показанном примере первый поршень 132 обращен «вверх по стволу скважины» и перемещается, по существу, прямолинейно вдоль общей оси со вторым поршнем 134, который направлен и, по существу, перемещается прямолинейно «к забою». Поршни 132 и 134 имеют возможность перемещения из соответствующих «неактивированных» положений (например, 132′ и 134′ на фиг. 6) в соответствующие «активированные» положения (например, 132” и 134” на фиг. 6) и обратно. Каждый из модульных приводов 124A-D касается части наклонного диска 122. Например, поршень 132А насоса первого привода 124А показан на фиг. 4 изначально взаимодействующим с верхней центральной частью наклонного диска 122; поршень 132B насоса второго привода 124B изначально взаимодействует с правой частью наклонного диска 122, которая приблизительно на 90 градусов по часовой стрелке смещена от положения, где первый привод 124А касается наклонного диска 122; поршень 132С насоса третьего привода показан на фиг. 4 изначально взаимодействующим с левой частью наклонного диска 122, которая приблизительно на 90 градусов против часовой стрелки смещена от первого привода 124А; и поршень 132D насоса четвертого привода 124D показан на фиг. 4 изначально взаимодействующим с нижней центральной частью наклонного диска 122, которая приблизительно на 180 градусов по часовой стрелке смещена от положения, где первый привод 124А касается наклонного диска 122. Опциональная муфта 148, которая показана в одном из примеров в виде цилиндрической полимерной крышки, соединенной с дистальным концом поршня 132 ближе к наклонному диску 122, выполняет функцию распределения нагрузки, вызванной углом наклонного диска.
[0042] На фиг. 3 и 4 показана типовая система отклонения по осям X и Y. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления требуются по меньшей мере два модульных привода 124 на каждую плоскость. В качестве примера, но не ограничения, приведение в действие первого модульного привода 124А толкает или другим образом двигает приводной поршень 134А к забою так, что наклонная поверхность поршня 134А давит вниз на соответствующую наклонную поверхность 140 вала, изменяя таким образом направление приводного вала 118. Приводной поршень противоположного привода той же плоскости, то есть четвертого модульного привода 124D в этом примере, одновременно втягивается посредством соответствующих возвратных пружин. При этом действие первого модульного привода 124А вызывает отклонение или направление другим образом приводного вала 118 и, как следствие, системы 100 бурильной колонны, вертикально вниз вдоль оси Y Фиг. 4. Для отклонения или направления другим способом системы 100 бурильной колонны вертикально вверх вдоль оси Y на фиг. 4, четвертый модульный привод 124D приводят в действие и позволяют при этом приводному поршню первого модульного привода 124А втянуться. Для отклонения или направления другим способом системы 100 бурильной колонны вправо (например, в сторону нижнего левого угла на фиг. 4), второй модульный привод 124B приводят в действие и позволяют при этом приводному поршню третьего модульного привода 124С втянуться. Напротив, для отклонения или направления другим способом системы 100 бурильной колонны влево (например, в сторону правого верхнего угла на фиг. 4), третий модульный привод 124С приводят в действие и позволяют при этом приводному поршню второго модульного привода 124B втянуться.
[0043] В областях применения, где требуются большие усилия (например, для инструментов большего размера), в системе 100 бурильной колонны могут быть использованы дополнительные и/или модульные приводы 124 большего размера. Например, большие усилия могут быть достигнуты за счет использования дополнительных модульных приводов 124, которые слегка выходят из плоскости главных модульных приводов 124 (например, четырех, показанных на фиг. 4) и воздействуют на дополнительные наклонные поверхности 140 вала. Также предполагается возможность изготовления компоновки 112 вращательного отклоняющего инструмента, использующей для обеспечения возможности управления направлением менее чем четыре модульных привода 124. Направление отклонения может определяться толканием или движением вала в желаемом направлении отклонения, как описано выше, или изгибом вала между сферическими опорами, в случае чего работа приводов такова, что отклонение происходит в направлении, противоположном направлению толкания.
[0044] Первая возвратная пружина 136 смещает первый поршень 132 в сторону неактивированного положения 132′, тогда как вторая возвратная пружина 138 смещает второй поршень 134 в сторону неактивированного положения 134′. Компоновка 112 вращательного отклоняющего инструмента может иметь «нормально открытую» конструкцию. В качестве не ограничивающего примера, вторая возвратная пружина 138 смещает приводной поршень 134 в сторону неактивированного положения 134”. В этой опциональной конфигурации, при деактивации или приведении в нерабочее состояние другим образом одного из модульных приводов 124, соответствующий приводной поршень 134 смещается в сторону от наклонной поверхности 140 вала и в сторону неактивированного положения 134′ посредством возвратной пружины 138, и наклонная поверхность приводного поршня 134 не прилагает отклоняющего усилия на приводной вал 118 через наклонную поверхность 140 вала. За счет того что все неактивированные модульные приводы 128 смещены в сторону от отклоняющего взаимодействия с приводным валом 118, компоновка 112 вращательного отклоняющего инструмента имеет нормально открытую «отказоустойчивую» конфигурацию, которая позволяет быть уверенным, что система отклонения по умолчанию возвращается в прямое положение, например, в случае отказа электроники управления отклонением. Первая возвратная пружина 136 показана вставленной в боковое окно 144 картриджа 128 и установлена снаружи от масляной среды 146 для того, чтобы максимизировать полезный объем масла внутри картриджа 128.
[0045] В соответствии с аспектами описанных принципов, каждый отдельный модульный привод 124 содержит все механические и гидравлические компоненты, необходимые для работы в качестве гидравлического управляемого вращательного привода, например, в одной плоскости. На фиг. 7, например, каждый из модульных приводов 124A-D содержит соответствующий картридж 128A-D, из которого выходят соответствующие противоположные поршни 132A-D и 134A-D. Первые («насосные») поршни 132A-D выходят из соответствующих продольных «верхних» концов картриджей 128A-D для выборочного взаимодействия с наклонным диском 122, тогда как вторые поршни 134A-D расположены по меньшей мере частично внутри картриджей 128A-D и имеют возможность поступательного перемещения для выборочного нажатия на приводной вал 118 (например, через сопрягаемые наклонные поверхности 140 вала) для смещения вала 118 (например, напрямую или посредством изгиба), вызывающего изменение направления бурения. Первые возвратные пружины 136A-D смещают первые поршни 132A-D в сторону неактивированных положений, а вторые возвратные пружины 138A-D смещают вторые поршни 134A-D в сторону неактивированных положений. В целом, модульные приводы 124A-D на фиг. 5 могут быть по конструкции идентичны друг другу и, по меньшей мере в некоторых вариантах осуществления, могут иметь различные формы, опциональные конфигурации и альтернативы по функциональному назначению, раскрытые выше в отношении системы 100 направленного бурения, пример которой представлен на фиг. 3 и 4 (и наоборот).
[0046] Гидравлические системы управления, каждая из которых соответственно обозначена номером 150А, 150 В, 150С и 150D на фиг. 7, содержатся внутри и, в некоторых вариантах осуществления, гидравлически изолированы внутри каждого картриджа 128A-D. Также внутри картриджей 128A-D содержатся и, в некоторых вариантах осуществления, гидравлически изолированы внутри, резервуары 152A-D (также называемые «расширительными емкостями»). Гидравлические системы 150A-150D управления гидравлически соединяют резервуары 152A-D текучей среды с поршнями 132A-D, 134A-D и управляют потоком текучей среды между ними. В некоторых не ограничивающих примерах каждая из гидравлических систем 150А-150D управления Фиг. 7 содержит гидравлические трубопроводы 154A-D для гидравлического соединения отдельных компонентов гидравлических систем 150А-150D управления и распределения гидравлической текучей среды между ними. Насос 156A-D, который содержит поршень 132А-С насоса, выполнен с возможностью перемещения текучей среды и, таким образом, увеличения давления текучей среды на приводной поршень 134А-С. Однонаправленные входной и выходной клапаны 166A-D (например, тарельчатые клапаны) расположены между поршнями 132A-D насосов и резервуарами текучей среды 152A-D.
[0047] Гидравлические системы 150A-150D управления выполнены с возможностью регулирования или управления другим способом перемещением приводных поршней 134A-D между соответствующими неактивированными и активированными положениями таким образом, чтобы изменять направление бурильной колонны 100, например, как описано выше в отношении фиг. 3 и 4. В соответствии с показанным примером осуществления изобретения, каждая гидравлическая система 150A-150D управления содержит предохранительный клапан 158A-D (например, установленный на максимальное давление в системе) и аккумулятор/компенсатор 162A-D, выполненный для уменьшения или устранения гидростатического давления. Для управления давлением текучей среды на приводные поршни 134A-D могут быть использованы узлы 164A-D клапанов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) в виде конфигурации с управляемыми ШИМ тарельчатыми клапанами, давление в которых спускают от высокого к низкому. Методы ШИМ могут применяться для осуществления сброса, управляемого соленоидным клапаном одностороннего действия, в резервуар, и, соответственно, для управления давлением в системе и передвижением приводных поршней 134A-D. В альтернативных конфигурациях для управления давлением текучей среды могут использоваться гидрораспределители многостороннего действия или другие известные средства. По меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления модульные приводы 124A-D отличаются отсутствием гидравлического соединения с участком бурильных труб бурильной колонны 100 для получения из нее бурового раствора. В этой связи, хотя каждый из приводов 124A-D взаимодействует с приводным валом 118 для осуществления смены направления бурильной колонны 100, гидравлические системы 150A-D управления могут работать независимо друг от друга.
[0048] Система 100 бурильной колонны также содержит механизм отклонения и электронный блок привода, схематически представленные контроллером отклонения (или «управляющей системой») 160 на фиг. 7. Каждый модульный привод 124A-D содержит соответствующий электрический соединитель (или «коннектор») 168A-D, который получает сигналы от картриджа 128A-D и/или передает ему сигналы. Электрические соединители 168A-D, которые могут содержать многоконтактные соединители с гибкими выводами, обмотанные контакты, беспроводные соединения и/или другие известные соединения, необходимы для электрического соединения модульных приводов 124A-D, а именно гидравлических систем 150A-D управления, с контроллером 160 отклонения. В качестве не ограничивающего примера, каждый электрический соединитель 169A-D обеспечивает соединение с питанием ШИМ и заземлением ШИМ к узлу 164A-D клапанов с ШИМ, а также сигнальное соединение потенциометра (ПОТ), питание потенциометра (ПОТ) и заземление потенциометра (ПОТ) датчика положения 170А-170С. Датчик положения может представлять собой линейный потенциометр, интегрированный в картридж 128A-D и выполненный с возможностью ретрансляции или передачи другим образом сигналов, обозначающих данные обратной связи по положению, связанные с бурильной колонной 100.
[0049] Объединение всех компонентов, необходимых для выполнения готового привода в виде отдельного картриджа и использование внешней «управляющей системы» для электрического управления состоянием привода обеспечивает несколько преимуществ по сравнению с управляемыми вращательными системами, известными из уровня техники. Например, по меньшей мере, некоторые из описанных здесь конфигураций позволяют осуществлять обслуживание гидравлических управляемых систем на платформе без необходимости подвергать гидравлику привода воздействию окружающей среды. Установка нового/сменного картриджа позволяет быстро и просто вернуть функционирование отклоняющего инструмента в состояние «как новый». Кроме того, стандартизация картриджей может обеспечить возможность уменьшения многообразия складских запасов, оптимизацию конструкции картриджа и возможность предоставления поставщиком готовых герметичных сборок, заправленных маслом, протестированных и готовых к монтажу.
[0050] Несмотря на то, что были проиллюстрированы и описаны конкретные варианты реализации и области применения настоящего изобретения, должно быть ясно, что настоящее изобретение не ограничено точными конструкциями и компоновками, описанными в настоящей заявке, и что из приведенных выше описаний должны быть очевидны различные модификации, изменения и вариации, не отступающие за объем и сущность настоящего изобретения, как они определены прилагаемой формулой.