ЭЛЕМЕНТ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ
DRILL STRING ELEMENT

Изобретение относится к элементу бурильной колонны для встраивания в бурильную колонну, прежде всего для горизонтально- или наклонно-направленого бурения (ГНБ или ННБ), для разработки скважины вдоль буровой трассы, прежде всего для прокладывания трубопровода, выполненному с имеющей форму трубы основной частью с двусторонними соединительными элементами для соединения элемента бурильной колонны с бурильной колонной, причем элемент бурильной колонны имеет внутреннее пространство, посредством которого является транспортируемым (-ой) буровой раствор для промывки скважины и для отгрузки отделенного посредством соединенной с бурильной колонной бурильной головки бурового шлама, по меньшей мере с одним соединенным с внутренним пространством отверстием в стенке основной части, посредством которого, по меньшей мере, часть протекающего через внутреннее пространство бурового раствора попадает в кольцевое пространство между стенкой скважины и основной частью.
Из ЕР 0360321 известен способ бурения и прокладывания (горизонтально-направленного бурения), в рамках которого для бестраншейного прокладывания трубопровода под преградой от исходного пункта к конечному пункту с помощью бурильной головки и бурильной колонны вдоль заданной линии бурения производят лидерную скважину. Бурильную головку приводят в действие посредством вращения бурильной колонны. Затем к лидерной бурильной колонне на целевой стороне прикрепляют очиститель, который соединен с прокладываемым трубопроводом. Очиститель приводят в действие посредством вращения бурильной колонны. Подачу очистителя при одновременном протягивании трубопровода производят посредством вытягивания лидерной бурильной колонны.
При лидерном способе ГНБ лидерную бурильную головку с помощью ее направления посредством буровых штанг продвигают вдоль запланированного хода трассы. Буровую суспензию с помощью направленного через бурильную колонну отверстия прокачивают к лидерной бурильной головке. Там с буровой суспензией смешивается отделенный лидерной бурильной головкой буровой шлам. Затем эта суспензия с буровым шламом протекает через пробуренную скважину назад к исходному пункту или же к входному пункту скважины. Поскольку диаметр бурильной головки немного превышает внешний диаметр буровых штанг, между скважиной и буровой штангой имеется кольцевое пространство. В этом кольцевом пространстве образуется поток, с помощью которого происходит отведение бурового шлама из скважины.
В кольцевом пространстве имеются обусловленные формой проточного канала зоны, в которых скорость потока приближается к нулю; в этих зонах несомый потоком буровой шлам откладывается, и образуется так называемый слой бурового шлама. Последствием этих отложений является увеличенный крутящий момент вращающейся бурильной колонны в результате ее трения относительно слоя бурового шлама на подошве скважины. Кроме того, свободное поперечное сечение потока подвержено уменьшению, а скорость потока - увеличению, что, тем самым, приводит к более высокому падению давления во время протекания обратного потока к начальной стороне скважины. Это падение давления подлежит компенсации посредством промывочного насоса, что ведет к увеличенному уровню давления при выходе буровой суспензии на лидерной бурильной головке. Более высокое давление бурового раствора при выходе бурового раствора на бурильной головке может, в свою очередь, вести, в зависимости от залегающей поблизости горной породы или же ее свойств, к разламыванию горной породы. Это влечет за собой опасность образования незаданных путей бурового раствора непосредственно к поверхности, в большинстве случаев, перпендикулярных горизонтальной буровой оси, через которые в этом случае буровой раствор бесконтрольно выходит.
Наряду с экологическим аспектом незаданного выхода бурового раствора, также и бурение должно быть прервано, поскольку контролируемое вынесение бурового шлама более не является возможным. Так называемая промоина может быть отремонтирована только с большими затратами посредством введения присадок в буровой раствор или цементирования местоположения промоины.
На практике, в большинстве случаев сначала рассчитывают критическое давление бурового раствора посредством того, что расчет давления накладывают на имеющиеся геологические данные. Максимальные значения не могут быть превзойдены. Посредством датчиков давления за бурильной головкой обеспечена возможность измерения давления и наблюдения за ним. Целью изобретения является предоставление элемента бурильной колонны и оснащаемой им бурильной колонны, с помощью которого обеспечена возможность удержания давления в кольцевом пространстве ниже рассчитанных границ или же удержания превалирующего в бурильной колонне или же в кольцевом пространстве давления на возможно низком уровне посредством того, что, например, обеспечен перенос отложенного бурового шлама снова в поток или же предотвращено отложение бурового шлама.
Соответствующая изобретению цель достигнута в элементе бурильной колонны для встраивания в бурильную колонну для разработки скважины вдоль буровой трассы, прежде всего для прокладывания трубопровода, выполненном с имеющей форму трубы основной частью с двусторонними соединительными элементами для соединения элемента бурильной колонны с бурильной колонной и имеющем внутреннее пространство, обеспечивающее транспортировку бурового раствора для промывки скважины и для выноса отделенного посредством соединенной с бурильной колонной бурильной головки бурового шлама, по меньшей мере с одним соединенным с внутренним пространством отверстием в стенке основной части, посредством которого, по меньшей мере, часть протекающего через внутреннее пространство бурового раствора попадает в кольцевое пространство между стенкой скважины и основной частью, причем на внешней стенке над отверстием расположено по меньшей мере одно тело, в котором, по меньшей мере, частично расположен проточный канал, причем проточный канал имеет по меньшей мере один поточный путь и гидравлически соединен с отверстием посредством входного отверстия, и причем проточный канал на его обращенной от отверстия стороне имеет по меньшей мере одно выходное отверстие, и причем сечение в свету отверстия и/или входного отверстия является меньшим или большим, чем сечение в свету выходного отверстия, и причем выходное отверстие расположено по существу на одной оси со средней осью элемента бурильной колонны. Предлагаемый в изобретении элемент бурильной колонны предназначен для встраивания в колонну для горизонтально-направленного бурения (ГНБ), причем сечение в свету отверстия или входного отверстия и выходного отверстия является регулируемым, для чего по меньшей мере в двух из числа отверстия и входного отверстия в пределах проточного канала и/или выходного отверстия в каждом случае расположено по меньшей мере одно сопло и/или дроссельная шайба, причем по меньшей мере два сопла и/или дроссельные шайбы выполнены сменными, с возможностью выбора сопла или дроссельной шайбы так, чтобы в точке монтажа элемента бурильной колонны в находящейся в скважине бурильной колонне буровой раствор поступал в кольцевое пространство в каждом случае с заданным объемным расходом и/или давлением, устанавливаемым(-и) в зависимости от геологических свойств залегающей поблизости горной породы.
Предусмотрение двух различных сечений в свету, в рамках которого сечение в свету отверстия и/или входного отверстия является меньшим, чем сечение в свету выходного отверстия, делает возможным обеспечение низкого уровня давления на выходной части сопла особо простым способом. Этим обеспечена менее значительная скорость потока бурового раствора при выходе. За счет этого выход бурового раствора является менее агрессивным. При высоком уровне давления во внутреннем пространстве бурильной колонны, и, тем самым, на выходной части сопла имеется опасность распространения скважины посредством выходящего бурового раствора. Неожиданным образом было обнаружено, что таким образом обеспечена возможность щадящего введения выходящего бурового раствора в кольцевое пространство особо простым способом.
Предусмотрение двух различных сечений в свету, в рамках которого сечение в свету отверстия и/или входного отверстия является большим, чем сечение в свету выходного отверстия делает возможным обеспечение высокого уровня давления на выходной части сопла особо простым способом. Этим обеспечена более значительная скорость потока бурового раствора при выходе. За счет этого выход бурового раствора является более агрессивным. Это применимо при целенаправленном вымывании бурового шлама, прежде всего в том случае, когда при этом горную породу в скважине разрабатывают таким образом или же горная порода стенки скважины образована таким образом, что при высоком уровне давления во внутреннем пространстве бурильной колонны, и, тем самым, на выходной части сопла отсутствует опасность распространения скважины посредством выходящего бурового раствора.
Другой аспект изобретения предусматривает, что сечение в свету отверстия, входного отверстия и/или выходного отверстия является регулируемым. Таким образом, требуемые параметры бурового раствора являются особо просто настраиваемыми/регулируемыми.
Другой аспект изобретения предусматривает, что в отверстии, входном отверстии, в пределах проточного канала и/или в выходном отверстии расположены по меньшей мере одно сопло и/или дроссельная шайба, причем, предпочтительно, по меньшей мере одно сопло и/или дроссельная шайба выполнены сменными. Посредством сопла/дроссельной шайбы требуемые параметры дозирования могут быть предоставлены особо простым образом. Посредством замены сопла/сопел требуемые в рабочей точке элемента бурильной колонны параметры могут быть заданы особо простым образом. За счет этого различные уровни давления в пределах бурильной колонны могут быть выровнены в зависимости от длины бурения особо простым способом.
Другой аспект изобретения предусматривает, что выходное отверстие расположено на обратной стороне боковой поверхности тела. При этом выходное отверстие, предпочтительно, расположено на обратной боковой поверхности таким образом, что выходящая из выходного отверстия буровая суспензия с буровым шламом попадает на приемно-передаточную поверхность на теле и покидает ее на заднем конце 20, где выходящая там буровая суспензия оказывается захваченной, и, тем самым, вновь вовлеченной в общий поток буровой суспензии в кольцевом пространстве 102 и, соответствующим образом, переданной в направлении В течения из скважины 100 наружу.
Другой аспект изобретения предусматривает, что выходное отверстие расположено по существу на одной оси с центральной осью элемента бурильной колонны.
Таким образом, буровой раствор подают вдоль бурильной колонны, что приводит к перемещению бурового шлама, прежде всего в случае его отложения. Кроме того, избегают расширения скважины в результате непосредственного воздействия выпускаемого бурового раствора на стенку скважины.
Другой аспект изобретения предусматривает, что по меньшей мере одно тело, предпочтительно, простирается на основной части таким образом, что внешний радиус основной части участками увеличивается и присутствует эксцентрик, посредством которого бурильная колонна при бурении является время от времени приподнимаемой. Эксцентрически выполненный элемент бурильной колонны обеспечивает при каждом обороте приподнятие бурильной колонны. За счет приподнятая поперечное сечение потока в верхнем участке скважины получает уменьшение, что приводит к устремлению бурового раствора вдоль подошвы скважины. За счет этого отложенный буровой шлам вновь переходит в буровой раствор.
Другой аспект изобретения предусматривает, что на теле предусмотрена боковая поверхность, которая выполнена в виде приемно-передаточной поверхности для отложенного на подошве скважины бурового шлама, причем боковая поверхность, предпочтительно, выполнена в форме винтовой линии относительно оси скважины. За счет этого принимают и вновь передают в буровой раствор отложенный буровой шлам.
Другой аспект изобретения предусматривает, что в теле поверх отверстия и/или входного отверстия расположено технологическое отверстие, в котором, предпочтительно, предусмотрена фланцевая заглушка в качестве запорного элемента. За счет этого особо простым способом обеспечена возможность проведения замены сопла/дроссельной шайбы или же их регулировки.
Соответствующая изобретению цель согласно следующему решению в отношении элемента бурильной колонны достигается тем, что во внешней стенке расположено по меньшей мере одно тело, которое простирается на основной части таким образом, что внешний радиус основной части участками увеличивается и присутствует эксцентрик, посредством которого бурильная колонна при бурении является время от времени приподнимаемой относительно подошвы скважины. Эксцентрически выполненный элемент бурильной колонны обеспечивает при каждом обороте приподнятие бурильной колонны. Посредством приподнятая поперечное сечение потока в верхнем участке скважины получает уменьшение, что приводит к устремлению бурового раствора вдоль подошвы скважины. За счет этого отложенный буровой шлам вновь омывается буровым раствором, и вследствие этого, вновь попадает в буровой раствор.
Другой аспект изобретения предусматривает, что по меньшей мере под одним телом подразумевают точно одно или два тела, предпочтительно противоположных друг другу.
Другой аспект изобретения предусматривает, что в стенке основной части предусмотрено по меньшей мере одно соединенное с внутренним пространством отверстие, через которое, по меньшей мере, часть протекающего через внутреннее пространство бурового раствора попадает в кольцевое пространство между стенкой скважины и основной частью, что над отверстием расположено тело, в котором, по меньшей мере, частично расположен проточный канал, что проточный канал имеет по меньшей мере один поточный путь и гидравлически соединен с отверстием посредством входного отверстия, что проточный канал на его обращенной от отверстия стороне имеет по меньшей мере одно выходное отверстие, и, что сечение в свету отверстия и/или входного отверстия является меньшим, чем сечение в свету выходного отверстия.
Другой аспект изобретения предусматривает, что сечение в свету отверстия, входного отверстия и/или выходного отверстия является регулируемым. Другой аспект изобретения предусматривает, что в отверстии, входном отверстии в пределах проточного канала и/или в выходном отверстии расположены по меньшей мере одно сопло и/или дроссельная шайба, причем, предпочтительно, по меньшей мере одно сопло и/или дроссельная шайба выполнены сменными. Другой аспект изобретения предусматривает, что выходное отверстие расположено по существу на одной оси с центральной осью элемента бурильной колонны. Другой аспект изобретения предусматривает, что на теле предусмотрена боковая поверхность, которая выполнена в виде приемно-передаточной поверхности для отложенного на подошве скважины бурового шлама, причем боковая поверхность, предпочтительно, выполнена в форме винтовой линии относительно оси скважины.
В дополнение необходимо отметить, что формулировки "и/или", "и" и "или" следует понимать в качестве связываний соответствующих признаков.
В последующем, решения изобретения описаны в подробностях посредством предпочтительного варианта осуществления в сочетании со следующим чертежом.
При этом показано:
Фиг. 1 - первый пространственный вид соответствующего изобретению элемента бурильной колонны,
Фиг. 2 - пространственный вид сбоку фиг. 1,
Фиг. 3 - пространственный вид нижней стороны фиг. 1,
Фиг. 4 - вид фиг. 3 с отмеченным видом по сечению,
Фиг. 5 - вид по сечению соответствующего изобретению элемента бурильной колонны согласно фиг. 1, разрезанный как указано на фиг. 4,
Фиг. 6 - пространственный вид соответствующего изобретению элемента бурильной колонны в представленной в разрезе скважине, и
Фиг. 7 - диаграмма падения давления в кольцевом пространстве в зависимости от объемного расхода или же длины скважины.
Фиг. 1-6 показывают элемент бурильной колонны 10 согласно изобретению с основной частью 11, которая выполнена в форме трубы. Основная часть 11 имеет на ее переднем конце 12 штыревой соединительный элемент 13, а на ее заднем конце 14 - гнездовой соединительный элемент 15, которые в каждом случае снабжены соответствующей винтовой резьбой (не представлено).
На внешней стенке 16 основной части 11 расположено тело 17, которое выполнено по типу винтовой линии. В предпочтительном варианте осуществления тело 17 приварено к основной части 11. Однако его расположение на основной части 11 посредством других известных специалистам разновидностей соединений также является возможным. Тело 17 имеет на своей боковой поверхности 18 приемно-передаточную поверхность 19, с помощью которой при вращении бурильной колонны (направление вращения А), и, тем самым, также при вращении элемента 10 происходит принятие находящегося на подошве 101 скважины 100 в кольцевом пространстве 102 между внешней стенкой 16 основной части 11 и стенкой 103 скважины бурового шлама (не представлен) от подошвы скважины 101, и его перемещение при вращении элемента 10 бурильной колонны прочь вдоль приемно-передаточной поверхности 19 от подошвы 101 до заднего конца 20 приемно-передаточной поверхности 19, где буровой шлам покидает приемно-передаточную поверхность 19 и вновь подводится в буровой раствор в направлении В потока с целью его отгрузки из скважины 100 через кольцевое пространство 102. Прием бурового шлама производят на вершине 21 приемно-передаточной поверхности 19.
Основная часть 11 имеет внутреннее пространство 22, как это представлено на фиг. 5. Через внутреннее пространство 22 буровой раствор транспортируют от насоса (не представлен) к бурильной головке (не представлена) навстречу направлению В течения. В бурильной головке буровая суспензия выходит и принимает в себя освобожденный бурильной головкой буровой шлам, а затем транспортирует его через кольцевое пространство 102 в направлении В течения или же из скважины 100. Для обеспечения возможности целенаправленного увеличения объемного расхода в кольцевом пространстве 102, в основной части 11 предусмотрено отверстие 23, которое впадает в проточный канал 24. Проточный канал 24 имеет входное отверстие, которое находится на одной прямой с отверстием 23. Альтернативно, имеется возможность наделения входного отверстия и отверстия 23 различными сечениями в свету. В отверстии 23 предусмотрено сопло 26, которое задает сечение в свету отверстия 23 или же, в этом случае, входного отверстия.
Проточный канал 24 простирается в пределах стенки 27 основной части 11 и/или в теле 17 до выходного отверстия 28. В выходном отверстии 28 также расположено сопло 29, которое задает сечение в свету выходного отверстия 28. Альтернативно, вместо сопел также могут быть предусмотрены дроссельные шайбы.
Выходное отверстие 28 расположено в расположенной на обратной стороне боковой поверхности 30 тела 17. При этом предусмотрено его расположение в осевом направлении относительно середины скважины. При этом смещение в радиальном направлении также является возможным, например, когда стенка скважины не подвержена разрушению в результате воздействия подаваемой струи буровой суспензии.
Входное отверстие 25 или же проточный канал 24 в области входного отверстия 25 простирается вплоть до верхней стороны 31 тела 17 для предоставления доступа к входному отверстию 25 или же отверстию 23, посредством чего сопло 26 может быть заменено. В этом технологическом отверстии 32 расположена фланцевая заглушка 33. Она может быть демонтирована для предоставления возможности замены сопла 26.
При этом выходное отверстие 28 с соплом 29 расположено на обратной боковой поверхности 30 таким образом, что выходящая из сопла 29 буровая суспензия увлекает с собой буровой шлам, который был принят приемно-передаточной поверхностью 19 и покинул ее на заднем конце 20, и, тем самым, вновь вводит его в общий поток буровой суспензии в кольцевом пространстве 102, и соответствующим образом, транспортирует наружу из скважины 100 в направлении В течения.
Если в бурильной колонне расположено несколько элементов 10 бурильной колонны, является возможным оснащение каждого/некоторых элементов 10 бурильной колонны индивидуальным комплектом сопел, состоящим из сопел 26 и 29, для соответственного приспособления в этом случае передачи буровой суспензии в скважине 100 к отдельному месту монтажа.
Посредством предусмотрения в бурильной колонне нескольких элементов 10 бурильной колонны объемный расход в кольцевом пространстве может быть точным образом увеличен. Это представлено на фиг. 7 пилообразной кривой. За счет этого является возможным уменьшение падения давления в кольцевом пространстве, что при рассмотрении в целом, приводит к тому, что к бурильной головке должен быть предоставлен лишь небольшой объемный расход в кольцевом пространстве, благодаря чему величина падения давления может быть снижена, а мощность насоса уменьшена.
Начиная от бурильной головки объемный расход в кольцевом пространстве 102 получает увеличение на каждом элементе 10 бурильной колонны на предварительно заданную величину объемного расхода. Представленная на фиг. 7 пилообразная кривая служит лишь для ориентации, для пояснения того, в каком пункте в каждом случае элемент 10 бурильной колонны встроен в бурильную колонну. Падение давления не может быть считано по этой кривой.
В представленном на фиг. 7 примере в бурильной колонне применены четыре элемента 10 бурильной колонны при полной буровой длине в 1 500 метров. Сечения в свету/сопла 26, 29 отдельных элементов 10 бурильной колонны выбраны/отрегулированы при этом таким образом, что на каждом элементе 10 бурильной колонны через выходные отверстия 28 в каждом случае производится выдача 200 литров в минуту. К бурильной головке как таковой подведен объемный расход 1000 литров в минуту. Это в итоге дает суммарный объемный расход в 1 800 литров в минуту. Неожиданным образом было обнаружено, что согласно кривой "суммарное падение давления" в кольцевом пространстве дает в итоге различие давления 1,8 бар при полной буровой длине в 1500 м. Неожиданное уменьшение давления в кольцевом пространстве величиной почти 2 бар значительно уменьшает опасность получения промоины. Одновременно значительно уменьшен износ, а энергетические издержки существенно снижены за счет уменьшенной мощности насоса.