РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОТОКА ЧЕРЕЗ БУРОВОЙ СНАРЯД
FLOW CONTROL THROUGH DRILLING TOOL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение в целом относится к оборудованию, используемому в связи с подземной скважиной и операциями, выполняемыми в этой же связи, и в одном из примеров, описываемых ниже, предусматривает, в частности, регулирование потока через буровой снаряд.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Последние исследования угловой ориентации обсадной колонны/ колонны-хвостовика в скважине позволяют передавать на поверхность данные ориентации телеметрией импульсов давления при помощи закодированных импульсов отрицательного давления. Вместе с тем для того чтобы создать импульсы давления, необходим перепад давления между внутренней и наружной частями обсадной колонны/колонны-хвостовика. По этой и иным причинам необходимо постоянное совершенствование в области регулирования потока через буровой снаряд. Такое совершенствование может носить практический характер вне зависимости от того, выполняется или не выполняется угловая ориентация обсадной колонны/ колонны-хвостовика при помощи телеметрии импульсами давления для кодирования данных ориентации в импульсы отрицательного давления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фиг. 1 представляет собой типичный частичный вид в поперечном разрезе системы скважины и соответствующий способ, при помощи которого могут быть реализованы принципы данного изобретения.
Фиг. 2 представляет собой типичный вид в увеличенном масштабе в поперечном разрезе инструмента ограничения потока, который может быть использован в системе и способе с Фиг. 1 и при помощи которого могут быть реализованы принципы данного изобретения.
Фиг. 3 представляет собой типичный вид в поперечном разрезе инструмента ограничения потока в его конфигурации с увеличенным проходным сечением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 проиллюстрирована типичная система 10 для использования в скважине и связанный с ней способ, при помощи которого могут быть реализованы принципы данного изобретения. Вместе с тем, следует отчетливо понимать, что данные система 10 и способ представляют собой всего лишь один пример применения принципов данного изобретения на практике, и возможно большое разнообразие других примеров. Следовательно, объем данного изобретения вовсе не сводится к деталям системы 10 и способа, описываемых в данной заявке и/или иллюстрируемых чертежами.
На примере с Фиг. 1 буровой снаряд 12 помещается в ствол 14 скважины. Буровой снаряд 12 является частью обсадной колонны или колонны-хвостовика 16, образующей защитную обделку ствола 14 скважины.
Буровой снаряд 12 в данном примере включает приспособление 18 для ориентации, секцию 20 с отверстием и инструмент 22 ограничения потока. Приспособление 18 для ориентации и инструмент 22 ограничения потока используются для угловой или азимутальной ориентации заранее проделанного отверстия 24 в секции 20 с отверстием, таким образом, чтобы через это отверстие можно было пробурить боковой или горизонтальный ствол 26 скважины в необходимом направлении. В данном примере перед пробуриванием горизонтального ствола 26 скважины отверстие 24 заглушено (например, с помощью относительно легко разбуриваемого или фрезеруемого материала, такого как алюминий и/или композитный материал и т.д.).
Как проиллюстрировано на Фиг. 1, центральный, или основной ствол 14 скважины - вертикальный, а боковой или горизонтальный ствол 26 скважины отклоняется от вертикального. Вместе с тем, в других примерах ствол 14 скважины может быть горизонтальным или наклонным, а ствол 26 скважины может быть горизонтальным или вертикальным. Ствол 14 скважины может быть боковым или горизонтальным от другого ствола скважины (на чертеже не показан). Следовательно, следует отчетливо понимать, что объем данного изобретения не сводится к какой-либо конкретной детали системы 10 и способа, проиллюстрированных на Фиг. 1 или описанных в данной заявке.
Приспособление 18 для ориентации может быть такого типа, что оно выборочно разрешает прохождение потока через стенку 28 приспособления либо предотвращает его, производя, таким образом, импульсы 30 давления в проточном канале 32, проходящем продольно через обсадную колонну или колонну-хвостовик 16. Такие импульсы 30 давления могут кодироваться при помощи данных ориентации и обнаруживаться с удаленного местоположения (например, с места на поверхности при помощи датчика давления).
Данные ориентации могут быть раскодированы из обнаруженных импульсов 30 давления с удаленного местоположения, что дает возможность персоналу убедиться, что отверстие 24 находится в нужной ориентации, или определить, как следует поворачивать обсадную колонну или колонну-хвостовик 16 для достижения необходимой ориентации. Такое раскодирование может выполняться в режиме реального времени (в процессе монтажа колонны 16).
Приспособление 18 для ориентации в примере на Фиг. 1 включает датчик 34 ориентации (например, гироскоп, трехосные акселерометры, датчик гравитационного поля и т.д.), контроллер/механизм 36 управления задвижками и задвижку 38. Контроллер/механизм 36 управления задвижками управляет задвижкой 38 в ответ на замеры, производимые датчиком ориентации 34, таким образом, что замеры (данные ориентации) кодируются в импульсы 30 давления.
.
На примере с Фиг. 1 импульсы 30 давления представляют собой импульсы отрицательного давления, так как они содержат относительно краткие падения давления текучей среды в проточном канале 32. Давление текучей среды в проточном канале 32 понижается путем открытия задвижки 38, чем обеспечивается вытекание потока 40 текучей среды наружу через отверстие 42 в стенке 28 приспособления 18 для ориентации
Подходящим приспособлением для ориентации, используемым в системе 10, является приспособление для ориентации обсадной колонны (COT), которое можно приобрести в компании Intelligent Well Controls of Aberdeen (Соединенное Королевство). Вместе с тем могут быть использованы и другие приспособления для ориентации без отступления от принципов данного изобретения.
Для того чтобы открытие задвижки 38 произвело существенное понижение давления текучей среды в проточном канале 32, так чтобы его можно было обнаружить с удаленного местоположения, давление текучей среды в проточном канале должно быть значительно выше давления текучей среды снаружи колонны 16. Для этой цели в буровой снаряд 12 включен инструмент 22 ограничения потока, помещенный вниз по линии (относительно потока 40) от приспособления 18 для ориентации.
Несмотря на то, что инструмент 22 ограничения потока проиллюстрирован на Фиг. 1 как находящийся напротив секции 20 с отверстием на отдалении от приспособления 18 для ориентации, в других примерах инструмент ограничения потока может находиться между приспособлением для ориентации и секции с отверстием, инструмент ограничения потока может совмещаться с приспособлением для ориентации и/или секцией с отверстием и т.д. Таким образом, объем данного изобретения не сводится к какому-либо конкретному устройству, конфигурации или конструкции различных компонентов бурового снаряда 12.
Инструмент 22 ограничения потока ограничивает поток 40, таким образом повышая давление в проточном канале 32 вверх по линии от инструмента ограничения потока. После прохождения через инструмент 22 ограничения потока поток 40 выходит из низа (на чертеже не показан) колонны 16 и возвращается на поверхность через затрубное пространство 44, образуемое колонной и стволом 14 скважины.
Если колонна 16 имеет надлежащую ориентацию в стволе 14 скважины (например, когда отверстие 24 обращено в направлении требуемого горизонтального ствола 26 скважины), необходимо зацементировать колонну в стволе 14 скважины. Во время операции цементирования поток в канале 32 обычно не ограничивается, так как нет необходимости поддерживать перепад давления между внутренней и наружной частями колонны 16. Кроме того, во время операции цементирования требуется увеличенное проходное сечение через инструмент 22 ограничения потока, с тем чтобы цемент можно было подавать в необходимые места как можно быстрее.
Для этой цели (уменьшения ограничения потока) инструмент 22 ограничения потока имеет способность увеличения проходного сечения через регулируемый ограничитель 46 потока в приспособлении в ответ на повышения скорости потока. Кроме того, регулируемый ограничитель 46 потока может быть перенастроен таким образом, что, если скорость потока впоследствии понизится, ограничение потока снова увеличится. Благодаря этому предотвращается необратимое уменьшение ограничения потока через инструмент 22 ограничения потока вследствие самопроизвольного (или даже преднамеренного) повышения скорости потока до или во время операции ориентирования.
Помимо этого, регулируемый ограничитель 46 потока может быть изготовлен из относительно легко разбуриваемых материалов (таких как алюминий, композитные материалы и т.д.), благодаря чему по завершении операции цементирования инструмент ограничения потока 22 может быть беспрепятственно пробурен.
Снова обратившись к Фиг. 2 и 3, можно увидеть иллюстрацию более детальных типичных видов в поперечном разрезе инструмента 22 ограничения потока в увеличенном масштабе. Инструмент 22 ограничения потока может быть использован в системе 10 и способе с Фиг. 1, либо он может быть использован в других системах и способах.
В примере на Фиг. 2 и 3 ограничитель 46 регулируемого потока заключен внутри наружного корпуса 48 в сборе. Как проиллюстрировано на Фиг. 2 и 3, запирающий механизм 50, стопорное устройство 52 и клин в форме усеченного конуса 54 образуют единый узел и расположены с возможностью возвратно-поступательного перемещения во внутреннем корпусе 56. Внутренний корпус 56 содержит смещающий узел 58 и переносную конструкцию 60.
Запирающий механизм 50 имеет два положения, в которых оно блокирует (см. Фиг. 2) или разрешает прохождение (см. Фиг. 3) потока 40 через проточный канал 62, образуемый в конструкции 60. В обоих положениях запирающего механизма 50 потоку 40 разрешается пройти вдоль проточного канала 32 (проходящего продольно через инструмент 22 ограничения потока).
В положении, проиллюстрированном на Фиг. 2, поток 40 не может пройти через проходное сечение канала 62, и, таким образом, общая площадь, предусматриваемая для прохождения потока продольно через инструмент 22, уменьшена по сравнению с положением, проиллюстрированным на Фиг. 3. Таким образом, ограничение потока на Фиг. 2 увеличено по сравнению с ограничением потока на Фиг. 3.
,
.
В положении на Фиг. 2 для потока 40 предусматривается только проходное сечение f1. В положении на Фиг. 3 для потока 40 предусматривается дополнительное проходное сечение f2. Таким образом, на Фиг. 2 суммарное предусматриваемое проходное сечение - f1 а на Фиг. 3 суммарное предусматриваемое проходное сечение - этоf1+f2
Для перемещения запирающего механизма 50 из положения на Фиг. 2 в положение на Фиг. 3 скорость потока 40 увеличивают. Так как проходное сечение f1 через запирающий механизм 50 в данном примере является минимальным предусматриваемым проходным сечением канала 32, это приводит к образованию в запирающем механизме перепада давления.
Этот перепад давления смещает запирающий механизм 50 вниз (как показано на Фиг. 2) к положению на Фиг. 3. Стопорное устройство 52 фиксирует запирающий механизм 50 в его положении на Фиг. 2, до превышения скоростью потока заданного для нее уровня.
В примере на Фиг. 2 и 3 стопорное устройство 52 содержит несколько эластичных втулок 64. Каждая втулка 64 имеет выступ 66 с утолщением радиально, зацепляющийся с кольцевой канавкой 68, образуемой во внутреннем корпусе 56, с возможностью разъединения с ней.
Выступы 66 и канавка 68 имеют такую конфигурацию, что по мере увеличения смещающего усилия, действующего на запирающий механизм 50 вследствие потока 40 через проходное сечение f1, втулки 64 все больше деформируются радиально внутрь. При превышении заданной скорости потока втулки 64 деформируются настолько, что выступы 66 выходят из зацепления с канавкой 68 и запирающий механизм 50 может быть перемещен смещающим усилием в положение на Фиг. 3.
Хотя стопорное устройство 52 описано в данной заявке и проиллюстрировано в чертежах как содержащее эластичные втулки 64 и канавку 68, следует понимать, что вместо него могут быть использованы стопорные устройства других типов. Например, может быть использовано пружинное запорное кольцо. Таким образом, объем данного изобретения не сводится к использованию какого-либо конкретного типа стопорного устройства.
В положении на Фиг. 3 потоку 40 разрешается проходить через отверстия 70, образованные в гильзе 72 запирающего механизма 50, имеющую обычно трубчатую форму. Поток 40 далее может проходить через канал 62 в канал 32 ниже инструмента 22 ограничения потока.
Следует учесть, что смещение клина 54 с запирающем механизмом 50 из положения на Фиг. 2 в положение на Фиг. 3 вызывает деформацию нескольких эластичных втулок 74, сформированных на внутреннем корпусе 56, радиально наружу. Вследствие того, что изогнутые втулки 74 снаружи поддерживаются конической наружной поверхностью 54a клина 54 в положении на Фиг. 3, смещающее усилие, прикладываемое втулками на клин, смещает клин и запирающий механизм 50 продольно к положению на Фиг. 2.
,
,
Таким образом, для того чтобы поддерживать запирающий механизм в положении на Фиг. 3, продольное смещающее усилие, прикладываемое на запирающий механизм 50 вследствие прохождения потока 40 через проходное сечение f1 должно быть больше продольного смещающего усилия, прикладываемого на клин 54 втулками 74. Если скорость потока снижается ниже заданного уровня, продольное смещающее усилие, прикладываемое на клин 54 втулками 74, превысит смещающее усилие, прикладываемое на запирающий механизм 50 вследствие прохождения потока 40 через проходное сечение f1 и запирающий механизм переместится обратно в положение на Фиг. 2.
,
Таким образом инструмент 22 ограничения потока может быть «перенастроен» так, что суммарное проходное сечение через инструмент снова приравняется к f1 а ограничение потока 40 увеличится.
Если далее необходимо понизить ограничение потока 40, для того чтобы переместить запирающий механизм 50 в положение на Фиг. 3, скорость снова может быть повышена. Таким образом, ограничения потока 40 можно по необходимости повторно увеличивать и уменьшать, соответственно понижая и повышая скорость потока.
Хотя смещающий узел 58 описан в данной заявке и проиллюстрирован чертежами как содержащий эластичные втулки 74, действующие на коническую наружную поверхность 54a клина 54, следует понимать, что могут быть использованы смещающие узлы других типов. Например, могут быть использованы пружина, работающая на сжатие или пружина, работающая на растяжение. Таким образом, объем данного изобретения не сводится к использованию смещающего узла какого-либо конкретного типа.
Хотя инструмент 22 ограничения потока описан выше как используемый в операции, в которой секция 20 с отверстием имеет угловую ориентацию в стволе 14 скважины, объем данного изобретения не сводится к использованию инструмента ограничения потока для какой-либо отдельной цели. Оборудование других типов (такое как скважинные отклоняющие клинья и т.д.) может быть ориентировано в скважине с помощью инструмента 22 ограничения потока, а использовать инструмент ограничения потока в операции углового ориентирования нет никакой необходимости.
Теперь может быть понятно, что вышеописанное изобретение обеспечивает значительное совершенствование техники регулирования потока при помощи бурового снаряда. В вышеописанных примерах проходное сечение через устройство 22 ограничения потока можно повторно увеличивать и уменьшать, соответственно увеличивая и снижая скорость потока 40.
В одном из аспектов в вышеописанном изобретении для данной области техники предусмотрен инструмент 22 ограничения потока для использования в подземной скважине. В одном из примеров инструмент 22 ограничения потока может содержать: запирающий механизм 50, который можно возвратно-поступательно перемещать между первым и вторым положениями, в которых потоку 40 разрешается проходить продольно через инструмент 22 ограничения потока. В первом положении (см. Фиг. 2) первый проточный канал 32 открыт для потока 40 и запирающий механизм 50 блокирует поток 40 через второй проточный канал 62. Во втором положении (см. Фиг. 3) первый и второй проточные каналы 32, 62 открыты для потока 40. Смещающий узел 58 перемещает запирающий механизм 50 в первое положение в ответ на снижение скорости потока 40 ниже первого заданного уровня.
Инструмент 22 ограничения потока может также содержать стопорное устройство 52, которое с возможностью отсоединения удерживает запирающий механизм 50 в первом положении. Стопорное устройство 52 может разрешить смещение запирающего механизма 50 из первого положения во второе положение в ответ на повышение скорости потока выше второго заданного уровня.
Стопорное устройство 52 может содержать по меньшей мере одну эластичную втулку 64. Cмещающее устройство 58 может содержать по меньшей мере одну эластичную втулку 74.
Запирающий механизм 50 может содержать гильзу 72, и во втором положении поток 40 может проходить через стенку гильзы 72 (например, через отверстия 70).
Cмещающее устройство 58 может снаружи радиально окружать наружную поверхность 54a обычно конической формы, соединенную с запирающем механизмом 50.
В вышеописанном изобретении для данной области техники также предусмотрен буровой снаряд 12. В одном из примеров буровой снаряд 12 может содержать: приспособление 18 для ориентации, которое выборочно допускает или не допускает гидравлическое сообщение между внутренней и наружной частями бурового снаряда 12 и таким образом передает данные ориентации посредством множества импульсов 30 давления в проточном канале 32, проходящем продольно через буровой снаряд 12; и инструмент 22 ограничения потока, разрешает прохождение потока 40 через первое проходное сечение f1, если скорость потока 40 ниже первого заданного уровня, и разрешает прохождение потока 40 через второе проходное сечение f1+f2, большее первого проходного сечения f1, если скорость потока выше второго заданного уровня.
,
Инструмент 22 ограничения потока может разрешать прохождение потока через первое проходное сечение f1, но не второе проходное сечение f1+f2 если скорость потока снижается со значения выше до значения ниже первого заданного уровня.
Выше также описан способ ориентирования бурового снаряда 12 в скважине. В одном из примеров способ может содержать: протекание текучей среды через буровой снаряд 12 с некоторой скоростью потока, при этом инструмент 22 ограничения потока ограничивает поток через буровой снаряд 12, и таким образом создает перепад давления между внутренней и наружной частями бурового снаряда 12, приспособление 18 для ориентации выборочно допускает или не допускает гидравлическое сообщение через стенку 28 бурового снаряда 12, и таким образом производит кодирование данных ориентации; повышение скорости потока, и таким образом увеличение проходного сечения через инструмент 22 ограничения потока; и последующее понижение скорости потока, и таким образом уменьшение проходного сечения через инструмент 22 ограничения потока, в то время как разрешается прохождение потока через инструмент 22 ограничения потока.
Этап увеличения проходного сечения может включать перемещение запирающего механизма 50 в зависимости от смещающего усилия, прикладываемое смещающим узлом 58. Этап перемещения запирающего механизма 50 может включать деформацию по меньшей мере одной втулки 74 смещающего узла 58.
Этап уменьшения проходного сечения может включать фиксацию запирающего механизма 50 в положении, в котором проточный канал 62 заблокирован запирающим механизмом 50. Этап фиксации запирающего механизма 50 может включать зацепление по меньшей мере с одной эластичной втулкой 64 стопорного устройства 52.
Хотя выше были описаны различные примеры, причем каждый пример имеет некоторые отличительные характеристики, следует понимать, что нет необходимости использовать ту или иную характеристику одного примера исключительно с этим примером, а, напротив, любая характеристика, описанная выше и/или проиллюстрированная чертежами, может сочетаться с любым из примеров, в дополнение к любым другим характеристикам таких примеров или вместо них. Отличительные характеристики одного примера не являются взаимоисключающими по отношению к отличительным характеристикам другого примера, а, напротив, объем данного изобретения включает любое сочетание любых отличительных характеристик.
Хотя каждый пример, описанный выше, включает некоторое сочетание отличительных характеристик, следует понимать, что нет необходимости использовать все отличительные характеристики какого-либо примера, а может быть использована любая из вышеописанных характеристик без дополнительного использования любой другой конкретной характеристики или характеристик.
Следует понимать, что различные варианты реализации изобретения, описанные в данной заявке, могут быть использованы в различных ориентациях, например наклонной, обратной, горизонтальной, вертикальной и т.д., и в различных конфигурациях, без отступления от принципов данного изобретения. Варианты реализации изобретения описаны единственно в качестве примеров пригодных видов применения принципов изобретения, которое не сводится к каким-либо конкретным деталям этих вариантов реализации.
В вышеприведенном описании типичных примеров в ссылках на прилагаемые чертежи для удобства использованы термины, обозначающие направление (такие как «выше», «ниже», «верхний», «нижний» и т.д.). Однако следует отчетливо понимать, что объем данного изобретения не сводится к конкретным направлениям, описываемым в данной заявке.
Термины «включающий», «включает», «содержащий», «содержит» и аналогичные термины использованы в данном описании в неограничивающем смысле. Например, если система, способ, прибор, устройство и т.д. описаны как «включающие» ту или иную характеристику или элемент, то система, способ, прибор, устройство и т.д. могут включать эту характеристику или элемент, а могут также включать другие отличительные характеристики или элементы. Аналогично, считается, что термин «содержит» означает «содержит, но не сводится к этому».
.
Несомненно, специалист в данной области техники после тщательного изучения вышеприведенного описания типичных вариантов реализации изобретения легко поймет, что в те или иные варианты реализации изобретения могут быть внесены многие модификации, дополнения, замены, удаления и другие изменения, и такие изменения учитываются принципами данного изобретения. Например, конструкции, описываемые как собранные из отдельных частей, в других примерах могут образовывать единое целое, и наоборотСоответственно, предыдущее подробное описание следует отчетливо понимать как приведенное всего лишь в целях иллюстрации и примера, при этом принципы и объем изобретения ограничиваются единственно приложенной формулой изобретения и ее эквивалентами.