СПОСОБЫ И УСТАНОВКИ ДЛЯ БУРЕНИЯ НА ГИБКОЙ ТРУБЕ
PROCEDURES AND DEVICES FOR DRILLING WITH FLEXIBLE PIPE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам и установкам для бурения стволов скважин и является особенно пригодным для установки для бурения, осуществляемого на гибкой трубе.
Предпосылки создания изобретения
В настоящее время при обычном бурении на гибкой трубе используют высокую гидравлическую энергию, поставляемую с поверхности по гибкой трубе, для приведения в действие бурового объемного двигателя, который, в свою очередь, приводит в движение буровое долото. При такой высокой энергии бурения необходима гибкая труба большого диаметра, для которой требуются более крупные наземные установки.
Современные способы изменения траектории при бурении на гибкой трубе обычно включают в себя фиксированный изгиб двигателя объемного вытеснения и гидравлическое или электрогидравлическое средство поворота для отклонения по азимуту. Кроме более крупного и более тяжелого требуемого наземного оборудования данный способ бурения на гибкой трубе имеет область действия, ограниченную пределом прочности гибкой трубы, при этом предполагается низкий коэффициент преобразования гидравлической энергии в проходку ствола скважины в футах.
В патенте США № 2548616 описан способ бурения скважины с трубопроводом до поверхности, по которому закачивают буровой раствор (современное бурение на гибкой трубе). Кроме того, описан вариант использования кабеля в гибкой трубе совместно с электродвигателем в забойной компоновке, приводящим в движение долото, но все же осевую силу для бурения создает трубопровод.
В Европейском патенте № ЕР 0110182 описаны установка с гидравлическим тянущим устройством/гусеничной машиной (с якорями и регулятором хода поршня), шлангокабелем от поверхности для обмена информацией и снабжения энергией электрического насоса, который приводит в движение гидравлическое тянущее устройство, и способы управления направлением бурения. Средство вращения долота описано как чисто гидравлическое (от гидравлической распределительной системы или от гидравлической линии с поверхности). Кроме того, описана гибкая труба.
В патенте США №6629570 раскрыт электродвигатель большой мощности, способный осуществлять бурение на гибкой трубе. При использовании буровой раствор протекает через двигатель с возвратом на поверхность через долото и кольцевое пространство (обычная циркуляция).
В публикации международной заявки WO 2004/011766 описана снабжаемая энергией по кабелю буровая система, в которой текучая среда, добываемая из ствола скважины, циркулирует в качестве бурового раствора. Скважинный насос используется для осуществления обычной или обратной циркуляции через скважинный буровой инструмент. Движение текучей среды к поверхности происходит по эксплуатационной насосно-компрессорной колонне вблизи кабеля.
Другие документы с описанием систем бурения на кабеле включают в себя Международные заявки WO 2004/072437 и WO 2005/071208.
Целью настоящего изобретения является создание буровой установки, не требующей гибкой трубы с большой пропускной способностью вследствие сниженных требований к гидравлической мощности и обеспечивающей для исключения прихвата эффективную очистку буровой скважины в области бурения.
В данном изобретении эта цель достигается подачей электрической энергии к буровой системе по кабелю и установкой отклонителя потока для обеспечения протекания бурового раствора вниз по наружной стороне буровой компоновки при использовании нормального потока в кольцевом пространстве выше буровой системы для хорошей транспортировки обломков выбуренной породы.
Раскрытие изобретения
Один объект изобретения представляет собой установку для бурения подземного ствола скважины, содержащую трубчатую систему транспортировки, включающую в себя электрический кабель и источник бурового раствора, приспособленный при использовании для закачивания бурового раствора с поверхности вниз внутрь трубчатой системы транспортировки с возвратом ее на поверхность через кольцевое пространство между наружной стороной трубчатой системы транспортировки и стволом скважины, буровую систему, содержащую снабжаемые электрической энергией буровой двигатель и насос, приспособленный при использовании для выкачивания текучей среды из ствола скважины снаружи буровой системы вверх по внутренней стороне буровой системы, соединитель, соединяющий буровую систему с трубчатой системой транспортировки и с электрическим кабелем, и отклонитель потока для отклонения нисходящего потока внутри трубчатой системы транспортировки в кольцевое пространство и отклонения потока, восходящего внутри буровой системы в кольцевое пространство.
Использование отклонителя потока обеспечивает создание обратной циркуляции (циркуляции бурового раствора из кольцевого пространства в забойную компоновку) в место осуществления бурения, что улучшает очистку скважины при небольших диаметрах стволов скважины и уменьшает опасность прихвата.
Предпочтительно, чтобы буровая система имела отдельные приводные устройства для осевого движения и вращения. Наиболее предпочтительно, чтобы приводное устройство для осевого движения содержало гусеничную систему. Буровым двигателем может быть электродвигатель, снабжаемый энергией по электрическому кабелю. Буровая система обычно содержит электрический насос, но может содержать струйный насос вместо насоса с электропитанием.
Обычно трубчатая система транспортировки содержит гибкую трубу, которая может быть одиночной гибкой трубой или может содержать несколько секций, соединенных концами вплотную. Поскольку буровые работы осуществляются буровой системой, нет необходимости ни в создании трубчатой системой транспортировки крутящего момента для вращательного бурения, ни в большой осевой жесткости для передачи нагрузки на долото, необходимой для бурения.
В наиболее предпочтительном варианте отклонитель потока образует часть соединителя. В качестве варианта отклонитель потока расположен в трубчатой системе транспортировки выше соединителя.
При использовании отклонитель потока может направлять часть бурового раствора вниз по наружной стороне буровой системы и остаток бурового раствора обратно на поверхность по наружной стороне трубчатой системы транспортировки. В связи с этим обратная циркуляция по буровой системе сменяется обычной циркуляцией по трубчатой системе транспортировки, что позволяет улучшать транспортировку обломков выбуренной породы из основной части ствола скважины. Отклонитель потока может быть приспособлен для отклонения потока из внутренней части буровой системы в кольцевое пространство выше места, где он отклоняет поток из трубчатой системы транспортировки в кольцевое пространство.
Согласно одному осуществлению оборудование дополнительно содержит струйную промывочную систему, включающую в себя одно или несколько сопел, приспособленных для направления струй бурового раствора внутрь ствола скважины для удаления накопившихся осадков. Предпочтительно, чтобы сопла были регулируемыми для изменения направления потока бурового раствора.
В этом осуществлении отклонитель потока может направлять буровой раствор в сопла для струйной промывки и дополнительно содержать клапан, регулируемый для изменения количества бурового раствора, направляемого через сопла, и количества бурового раствора, направляемой в кольцевое пространство.
Установка может дополнительно содержать способную вращаться коронку, приводимую в движение двигателем, предназначенную для использования при расширении ствола скважины снизу вверх. Турбина, приводимая в движение потоком бурового раствора из трубчатой системы транспортировки, может быть соединена с приводом коронки через систему зубчатых колес. Электрический генератор может быть соединен с турбиной, и электродвигатель может быть соединен с коронкой через систему зубчатых колес, при этом выходная мощность генератора используется для снабжения энергией электродвигателя и привода коронки.
Другой объект изобретения представляет собой способ бурения подземного ствола скважины с использованием установки, содержащей трубчатую систему транспортировки, включающую в себя электрический кабель и источник бурового раствора, буровую систему, содержащую снабжаемые электрической энергией насос и буровой двигатель, соединитель, соединяющий буровую систему с трубчатой системой транспортировки, с помощью которого насос и двигатель соединены с электрическим кабелем, и отклонитель потока, при этом способ содержит следующие этапы:
закачивание промывочной жидкости с поверхности вниз внутрь трубчатой системы транспортировки с возвратом ее на поверхность через кольцевое пространство между наружной стороной трубчатой системы транспортировки и стволом скважины;
использование снабжаемого электрической энергией насоса буровой системы для выкачивания бурового раствора из ствола скважины снаружи буровой системы вверх по внутренней стороне долота и буровой системы;
отклонение нисходящего потока бурового раствора внутри трубчатой системы транспортировки в кольцевое пространство и отклонение восходящего потока бурового раствора внутри буровой системы в кольцевое пространство с использованием отклонителя потока;
использование бурового двигателя для бурения ствола скважины, используя буровую систему.
Предпочтительно, чтобы способ содержал отклонение части бурового раствора вниз по наружной стороне буровой системы и остатка бурового раствора обратно к поверхности по наружной стороне трубчатой системы транспортировки.
Также предпочтительно, чтобы способ дополнительно содержал направление струй бурового раствора из одного или несколько сопел струйной промывочной системы внутрь ствола скважины для удаления накопившихся осадков. Сопла потока могут быть регулируемыми для изменения направления потока бурового раствора.
Буровой раствор можно отклонять в сопла для струйной промывки, используя отклонитель потока и регулируя клапан для изменения количества бурового раствора, направляемого через сопла, и количества бурового раствора, направляемого в кольцевое пространство.
Способ может дополнительно содержать расширение ствола скважины снизу вверх путем использования буровой системы. Расширение ствола скважины снизу вверх можно выполнять, используя вращающуюся коронку, приводимую в движение буровым двигателем и/или гидравлической системой.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 иллюстрирует операцию бурения с использованием установки согласно первому осуществлению изобретения.
Фиг. 2 представляет детальный вид соединения и отклонителя потока из фиг.1.
Фиг. 3 иллюстрирует операцию бурения с использованием установки согласно второму осуществлению изобретения.
Фиг. 4 представляет детальный вид струйных промывочных сопел и получающаяся в результате картина закрученных потоков согласно третьему осуществлению изобретения.
Варианты осуществления изобретения
Операцию бурения, показанную на фиг.1, проводят, используя известную буровую установку 10 с гибкой трубой и инжектор/устройство 12 регулирования давления на поверхности скважины 14, и применяют ее для бурения горизонтальной скважины 16, проходящей на расстояние от основной скважины 14. Горизонтальную скважину начинают обычным образом, фрезеруя окно в обсадной колонне и осуществляя бурение в горизонтальном направлении, используя скважинный отклонитель для обеспечения отклонения в направлении бурения. Буровая установка содержит систему 18 транспортировки, несущую буровую компоновку 20 на своем нижнем конце. Система 18 транспортировки содержит гибкую трубу, имеющую электрический кабель, проходящий внутрь от поверхности. Вес инструмента выдерживает гибкая труба 18, поэтому необходимо, чтобы электрический кабель мог выдерживать только свой вес. Источник бурового раствора образует на поверхности часть установки 10, и из него буровой раствор закачивается вниз внутрь гибкой трубы.
Буровая компоновка содержит двигательную секцию 22, включающую в себя электродвигатель, обеспечивающий привод вращения для бурового долота 24. Непосредственно позади двигательной секции расположено гусеничное устройство 26, содержащее тягач для необсаженных скважин, предназначенный для обеспечения осевого движения бурового долота 24. Действуя совместно, электродвигатель и гусеничное устройство 26 обеспечивают передачу движения к буровому долоту 24, что обеспечивает выполнение бурения. Кроме того, гусеничное устройство 26 может двигаться задним ходом для вытягивания двигательной секции и долота из ствола скважины. Насосная секция 28 расположена выше гусеничного устройства 26 и снабжена электрическим насосом, установленным в ней. Канал проходит от бурового долота вверх через двигательную секцию 22 и гусеничную секцию 26 к насосу, так что при обычном использовании насос может извлекать вверх буровой раствор и обломки выбуренной породы через буровое долото 24 и внутреннюю сторону буровой компоновки 20.
Буровая компоновка 20 соединена с концом гибкой трубы посредством соединительного устройства 30. Соединительное устройство 30 обеспечивает механическое соединение между гибкой трубой и буровой компоновкой 20 и электрическое соединение между электрическим кабелем и электрическими компонентами буровой компоновки 20.
В варианте, показанном на фиг. 1, соединительное устройство 30 также содержит отклонитель потока, показанный более детально на фиг.2. Отклонитель потока образован проточными каналами 32, 34 в соединительном устройстве 30. Проточный канал 32 соединен с внутренней стороной гибкой трубы, так что буровой раствор, протекающий вниз по гибкой трубе, выпускается в кольцевое пространство, окружающее гибкую трубу и буровую компоновку, через нижние отверстия 36 в нижней части соединителя 30. Буровой раствор, выходящий из этих нижних отверстий 36, протекает в основном обратно к поверхности в кольцевом пространстве, но часть этой бурового раствора также протекает вниз по кольцевому пространству вокруг буровой компоновки 20 с извлечением вверх через долото 24 под действием насоса. Проточный канал 34 соединен с каналом, проходящим по внутренней стороне буровой компоновки 20, и выходит в кольцевое пространство через верхние отверстия 38 в верхней части соединителя 30 выше нижних отверстий 36. Поэтому любой буровой раствор и обломки выбуренной породы выпускаются через верхние отверстия 38 и переносятся обратно на поверхность в кольцевом пространстве более сильным потоком буровых растворов, выходящих из нижних отверстий 36. Таким образом, обломки выбуренной породы удерживаются вне области кольцевого пространства вокруг буровой компоновки 20, вследствие чего снижается вероятность накопления и налипания в небольшом кольцевом пространстве. Выпуск в кольцевое пространство выше буровой компоновки 20 позволяет осуществлять обычный контроль за скважиной и исключать возможность возврата углеводородов на поверхность в гибкой трубе.
Соединитель, показанный на фиг. 2, также имеет устройство расширения ствола скважины снизу вверх, содержащее способную вращаться коронку 40, установленную на верхней части соединителя 30. Коронка 40 приводится в движение турбиной и системой зубчатых колес (непоказанными), при этом турбина приводится в движение потоком бурового раствора вдоль инструмента. В варианте осуществления турбина может приводить в движение электрический генератор (генератор переменного тока) для снабжения энергией электродвигателя, предназначенного для приведения в движение коронки 40. Согласно другому варианту выполнения электрическую энергию можно получать по кабелю. При использовании коронка 40 может приводиться в действие, когда буровую компоновку 20 вытягивают из скважины, и она позволяет сглаживать все образовавшиеся кромки или выступы и позволяет без труда выводить буровую компоновку 20 из скважины с меньшей вероятностью прихвата.
На фиг. 3 показан еще один вариант осуществления изобретения, в котором для уменьшения проблем, связанных с транспортировкой обломков выбуренной породы в горизонтальном стволе 16 и возможным загрязнением коллектора в случае проникновения обломков выбуренной породы сквозь стенку ствола скважины, отклонитель потока расположен в основной скважине 14. Во время развертывания гибкую трубу разрезают, как описано в заявке № 05291698.8 на Европейский патент, и в этом месте вставляют отклонитель 42 потока. Комбинация с соединителем 44 гибкой трубы между гибкой трубой и буровой компоновкой 20 позволяет возвращать выбуренные обломки породы в основную скважину 14 (предпочтительно, в обсаженную секцию) путем выбрасывания обломков выбуренной породы от отклонителя 42 потока в кольцевое пространство. В этом месте известную систему циркуляции бурового раствора используют для транспортировки обломков выбуренной породы на поверхность. Этим способом исключается транспортировка обломков выбуренной породы в кольцевое пространство необсаженной секции горизонтальной скважины 16, и поэтому уменьшается возможность накопления слоев обломков выбуренной породы. В свою очередь, этим уменьшаются риски прихвата при вытягивании буровой компоновки 20 из скважины.
В зависимости от условий в пробуренной скважине после выполнения операции бурения при решении задачи вытягивания буровой компоновки 20 из скважины потенциально можно встретиться с проблемами. Решения зависят от условий вытягивания буровой компоновки 20 из скважины. Буровая компоновка 20 может включать в себя датчики для оценивания условий в стволе скважины в случае опасности нароста твердых частиц, который потенциально может препятствовать перемещению забойной компоновки и/или гибкой трубы в скважине. Датчики, содержащиеся в инструменте для обнаружения таких условий, включают в себя каверномер, датчики азимутальной плотности нейтронов и датчики внутреннего давления и давления в кольцевом пространстве.
При вытягивании буровой компоновки 20 назад она может тормозиться обломками выбуренной породы, оставляемыми в стволе скважины, и обломки могут в конечном счете накопиться в достаточном количестве для создания барьера, через который ее будет нельзя протащить, используя одну лишь гибкую трубу. Одно решение для такого случая заключается в промывке струями бурового раствора, выбрасываемыми назад в кольцевое пространство, при вытягивании буровой компоновки 20 из скважины, чтобы сделать обломки выбуренной породы подвижными и транспортировать их в кольцевое пространство, вследствие чего они не смогут накапливаться, создавая потенциальную проблему прихвата. Струйная промывка бурового раствора может обеспечиваться соплами, находящимися, предпочтительно, вблизи соединителя 30, но потенциально и на других частях буровой компоновки 20 или в другом месте в гибкой трубе. Одна предпочтительная форма струйного промывочного устройства показана на фиг. 4. Сопла 46 сконфигурированы для создания струйного промывочного потока со спиральным вихрем на выходе из сопла. Такие сопла известны из иных технологий очистки скважин и могут быть использованы после выполнения соответствующих изменений для такого применения.
Струйное промывочное устройство может включать в себя механизм с использованием гидравлических или электрических сигналов, который позволяет направлять регулируемый поток из сопла в окрестность обломков выбуренной породы для обеспечения дополнительной подвижности обломкам выбуренной породы или, при необходимости, создания некоторого средоточия направленной струйной промывки. При определенных условиях заданием отношения направленного наружу и направленного назад струйных промывочных потоков будет предоставляться дополнительное регулирование эффективности очистки. Как ранее упоминалось, результаты измерений, осуществляемых в инструменте (например, внутреннего давления и давления в кольцевом пространстве), могут быть использованы для определения условий, оптимальной конфигурации струй и для подтверждения эффективности операции очистки (например, по снижению эквивалентной плотности циркуляции бурового раствора).
Гидравлическая сигнализация может включать в себя такие способы, как изменения расхода и модуляция насосного агрегата с поверхности, и падения открывающих/закрывающих шаров. Электрические сигналы могут включать в себя возбуждение соленоида или использование клапанов с двумя устойчивыми состояниями (для уменьшения необходимости в большом потреблении энергии в течение продолжительного периода времени, как в случае традиционных соленоидов). Такие клапаны с двумя устойчивыми состояниями описаны в Европейском патенте № ЕР 113578.
Простого струйного смывания выступа при вытягивании (или вытаскивании) инструмента задним ходом может быть недостаточно для преодоления встречающейся «ступеньки». Разбухающие формации, например глинистые сланцы, угольная осыпь и другие такие формации, могут вызывать образование больших ступенек. В таком случае может потребоваться механическое средство для выравнивания выступа или бурения разбухшей формации (до большего диаметра, чем диаметр инструмента). Различные решения относительно фиг.2 описаны выше.
Одно решение этой проблемы заключается в использовании электродвигателя, приводящего в движение вращающуюся коронку. Однако, поскольку является доступной гидравлическая энергия потока в гибкой трубе, возможны другие способы выполнения работы по расширению ствола скважины без отбора энергии от каротажного кабеля.
Один такой способ включает в себя использование потока в гибкой трубе для приведения в движение турбины, вал которой вращает коронку-расширитель через систему зубчатых колес. Другой включает в себя использование потока в гибкой трубе для приведения в движение турбины, соединенной с генератором переменного тока для выработки электрической энергии, которая в таком случае может приводить во вращение электродвигатель, который вращает коронку-расширитель через систему зубчатых колес.
В трудных условиях, когда только один способ может оказаться медленным или малоэффективным, может быть особенно предпочтительно использовать оба способа, т.е. расширение ствола скважины снизу вверх вращающейся коронкой и струйную промывку.
В самой простой конфигурации, показанной на фиг. 2, весь поток через гибкую трубу на отклонителе потока выходит в соединитель 30 выше буровой компоновки 20 и ниже соединения гибкой трубы. Если выходные отверстия 36 предусмотрены достаточно большими и расход является достаточным, обломки выбуренной породы транспортируются в кольцевое пространство, но струйная промывка не осуществляется, и дополнительная подвижность обломков выбуренной породы не достигается. Из потока, существующего в гибкой трубе, небольшая часть протекает вниз по буровой компоновке 20, когда насос нагнетает буровой раствор через долото 24, и вверх через буровую компоновку 20 при обратной циркуляции, и затем выбрасывает ее выше выходных отверстий 36, так что небольшой поток и обломки выбуренной породы смешиваются с потоком гибкой трубы, приходящим от отклонителя потока.
Кроме того, в другом осуществлении скважинный клапан может быть включен для задания количественного соотношения потоков, разделяемых между выходными отверстиями 36 и струйными соплами 46. Помимо возможности перехода между струйной промывкой и простой циркуляцией этот клапан также может создавать импульсы давления для удаления более твердых выступов способом, аналогичным описанному в патенте США № 5944123 и патенте США № 6062311. Клапан может приводиться в действие электрически с использованием команд с поверхности или управляться гидравлически с использованием схем изменения потока (например, переключателей для струйной промывки выше определенного расхода и снижения давления).
Дополнительное преимущество, обусловленное энергией, имеющейся в буровом растворе в гибкой трубе, заключается в возможности приведения в движение струйного насоса в насосной секции 28. Этот струйный насос может заменить электродвигатель, приводящий в движение насос. При использовании струйного насоса будет немного возрастать потребность в энергии с поверхности, но будет иметься преимущество, заключающееся в том, что длина инструмента может быть значительно уменьшена (за счет насоса, трансмиссии, коробки передач, двигателя, подпитки маслом, электроники управления двигателем и приводом) при повышении надежности.
Кроме того, система с двумя насосами может быть использована для циркуляции бурового раствора по буровой компоновке и в горизонтальной скважине 16 и для действия в качестве бустера в скважине 14 для выноса обломков выбуренной породы на поверхность.
В настоящем изобретении могут быть выполнены другие изменения, остающиеся в объеме изобретения.