СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ЗАТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА ВОКРУГ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИНЫ
METHOD AND DEVICE FOR ANNULAR SPACE SEALING AROUND DRILL STRING DURING WELL DRILLING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для герметизации затрубного пространства вокруг бурильной колонны (трубы) при бурении скважины, как с обсаженным, так и необсаженным стволом.
Уровень техники
На момент написания данной заявки не существует поставляемых на рынок инструментов, обеспечивающих возможность полной или частичной герметизации пробуренной скважины в необсаженном стволе в процессе бурения без использования сложной электроники, устройств, работающих от аккумуляторной батареи, или сигналопроводящей трубы.
Компания X Drilling Tools выпускает инструмент под названием LossMaster™, который содержит якорь и пакер бурильной колонны для герметизации между бурильной колонной и обсадной трубой, но не в необсаженном стволе. Инструмент применяет плашки, активируемые шарами, для прикрепления инструмента к обсадной трубе, а затем использует вес для расширения пакера.
Кроме того, известны пакеры для затрубного пространства (ПЗП), расширяющиеся при заполнении цементом, которые применяются для изолирования зон между обсадной трубой и стволом скважины при добыче, но не при бурении.
Традиционные методы также не позволяют осуществлять связь с инструментами/датчиками выше и ниже уплотнения после его установки.
Поэтому целью настоящего изобретения является предложение способа и устройства для герметизации затрубного пространства вокруг бурильной колонны при бурении скважины, которые помогают решать названные выше проблемы, даже если поместить устройство выше пульсатора системы для измерений во время бурения (ИВБ) и/или турбины, что может обеспечить измерение давления под пакером/уплотнительным элементом.
Сущность изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается способ герметизации затрубного пространства вокруг бурильной колонны при бурении скважины, включающий в себя следующие шаги:
обеспечивают пакер в сдутом состоянии на бурильной колонне при бурении скважины;
открывают одно или более окон указанного пакера при помощи клапана, активируемого шарами; и
обеспечивают циркуляцию буровой текучей среды для надувания указанного пакера через указанные одно или более окон, чтобы, тем самым, создать уплотнение в затрубном пространстве вокруг бурильной колонны.
Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают простой и дешевый способ герметизации затрубного пространства вокруг бурильной колонны при бурении скважины. Данный способ может использоваться для быстрого решения проблем при их возникновении, например, вследствие массивных потерь, притока (т.е. выброса) или перетока текучей среды между двумя сегментами скважины. В частности, способ может использоваться для кардинального улучшения ситуации с контролем скважины при бурении на участках с узким рабочим «окном» в обсадной колонне.
По существу, способ может использоваться для быстрой и легкой установки временного барьера или пробки в стволе скважины, если такая необходимость возникнет в процессе бурения, чтобы можно было надлежащим образом оценить ситуацию в скважине и принять решение о том, следует ли произвести ремонт или окончательно ликвидировать скважину.
Предпочтительно, способ может использоваться в необсаженном стволе, так как он не требует заякоривания бурильной колонны перед установкой пакера. Способ также включает в себя только простой механически активируемый клапан, который можно легко приводить в действие при циркуляции буровой текучей среды, так как один или более шаров могут быть спущены через бурильную колонну вместе с буровой текучей средой. Кроме того, применение буровой текучей среды (которая уже будет циркулировать в бурильной колонне в рамках процесса бурения) для гидравлического надувания пакера повышает скорость и эффективность способа. Кроме того, способ можно реализовать, оставляя внутренний канал бурильной колонны, по существу, открытым для доступа в скважину. Это позволяет кабелям для связи или управления беспрепятственно проходить через этот канал. Альтернативно, кабели могут быть встроены в стенку бурильной колонны/инструмента в зоне пакера.
Способ может дополнительно включать в себя шаг закрытия указанного одного или более окон после того, как пакер будет надут. Шаг закрытия указанного одного или более окон может включать в себя использование клапана, активируемого шарами. Это может быть дополнительный клапан, активируемый шарами, отличный от упомянутого выше, или дополнительный вариант использования того же клапана, активируемого шарами, и в этом случае данный шаг может включать в себя увеличение давления на клапане, активируемом шарами. Таким образом, для открытия и закрытия одного или более окон для пакера может предусматриваться единственный клапан, активируемый шарами.
Шаг обеспечения пакера в сдутом состоянии на бурильной колонне при бурении скважины может содержать оснащение бурильной колонны инструментом, содержащим наружный корпус, который имеет одно или более окон для пакера и поддерживает пакер; и внутреннюю гильзу, образующую клапан, активируемый шарами. Гильза может содержать поперечное седло клапана с одним или более отверстиями, выполненными с возможностью приема одного или более шаров, и продольный корпус с по меньшей мере одним сквозным отверстием в нем, которые выполнены с возможностью совмещения с одним или более окнами в корпусе инструмента для надувания пакера. Корпус инструмента может содержать одно или более дополнительных окон, расположенных выше по потоку от пакера, чтобы обеспечить возможность пропускания потока в затрубное пространство над пакером.
Шаг открытия одного или более окон для указанного пакера может включать в себя сбрасывание одного или более шаров в бурильную колонну таким образом, чтобы один или более шаров находились в одном или более отверстиях в седле клапана. Способ может дополнительно включать в себя увеличение давления над седлом клапана (например, посредством увеличения скорости потока буровой текучей среды в бурильной колонне, либо это может происходить естественным образом вследствие того, что поперечные отверстия в гильзе закрыты шарами) для принудительного перемещения гильзы вниз по потоку внутри корпуса инструмента. Когда по меньшей мере одно сквозное отверстие в теле гильзы совмещено с одним или более окнами в корпусе инструмента, это приводит к тому, что буровая текучая среда, циркулирующая по бурильной колонне, будет протекать в пакер для надувания пакера под воздействием перепада давления. После того, как пакер будет надут, градиент давления выше и ниже седла клапана может вызывать перемещение гильзы дальше вниз по потоку внутри корпуса инструмента для закрытия одного или более окон для пакера и/или открытия одного или более окон в корпусе инструмента выше по потоку от пакера, чтобы обеспечить возможность втекания в затрубное пространство над пакером. В качестве дополнительного или альтернативного варианта, перемещение гильзы для закрытия окон для пакера и открытия окон для затрубного пространства можно инициировать сбросом одного или более дополнительных шаров. Один или более дополнительных шаров могут иметь размер, отличный от размера первоначальных одного или более шаров (например, дополнительный (дополнительные) шар (шары) могут быть больше).
Способ может дополнительно включать в себя измерение давления выше по потоку и/или ниже по потоку от пакера. Давление можно измерять при помощи известных датчиков.
Предпочтительно клапан, активируемый шарами, может приводиться в действие множеством относительно небольших шаров (например, по сравнению с диаметром бурильной колонны), поскольку их циркулирование по бурильной колонне вместе с буровой текучей средой легче обеспечить, чем циркулирование большого шара. Более конкретно, применение небольших шаров обеспечит возможность прохождения через инструменты, такие как инструмент для измерений во время бурения (ИВБ), который может располагаться выше по потоку от пакера.
В некоторых вариантах осуществления измерительный инструмент, такой как инструмент ИВБ или инструмент для каротажа во время бурения (КВБ) могут располагаться ниже по потоку от пакера. В этом случае нет необходимости в том, чтобы один или более шаров, необходимых для приведения в действие клапана, активируемого шарами, проходили через измерительный инструмент, и поэтому размер одного или более шаров, соответственно, не ограничен (так, например, может использоваться один большой шар). Однако в этом случае желательно обеспечить канал связи и/или управления через бурильную колонну от измерительного инструмента до поверхности. Таким образом, существующий инструмент (для установки пакера) может содержать канал связи и/или управления, проходящий через него (например, через внутренний канал инструмента или встроенный в стенку инструмента).
В некоторых вариантах осуществления два или более пакеров могут применяться и приводиться в действие в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения. В этом случае измерительный инструмент (например, инструмент ИВБ) может быть предусмотрен между двумя или более пакерами.
Для герметизации внутреннего канала бурильной колонны может быть предусмотрен клапан одностороннего действия (например, поплавковый). Клапан одностороннего действия может располагаться выше по потоку от пакера.
Бурильная колонна может быть выполнена таким образом, что верхнюю секцию, расположенную выше по потоку от пакера, можно отсоединить и поднять из скважины. Отсоединение верхней секции может быть достигнуто посредством дополнительного увеличения давления в бурильной колонне или посредством применения дополнительного клапана, активируемого шарами (например, при помощи большего шара). Компоновка низа бурильной колонны (КНБК) вплоть до пакера включительно может быть оставлена в скважине, а скважина зацементирована.
Может оказаться желательным сдуть или разрушить пакер (например, если ситуация в скважине под контролем). Это может быть выполнено посредством изменения градиента давления в зоне пакера или посредством разрушения пакера (например, при помощи подъема или вращения бурильной колонны). После того, как пакер сдут/разрушен, бурение может продолжаться и/или бурильная колонна (включая КНБК) может быть поднята на поверхность.
Пакер может быть расположен на максимальном расстоянии приблизительно 20 м от бурового долота.
В соответствии со вторым аспектом изобретения предлагается устройство для герметизации затрубного пространства вокруг бурильной колонны при бурении скважины, содержащее:
наружный корпус, поддерживающий пакер и заключающий в себе одно или более окон для него; и
внутреннюю гильзу, содержащую поперечное седло клапана с одним или более отверстиями, выполненными с возможностью приема одного или более шаров для активации шарами, и продольный корпус с по меньшей мере одним сквозным отверстием в нем, которое выполнено с возможностью совмещения с одним или более окнами в наружном корпусе для надувания пакера при активации. Наружный корпус может содержать одно или более дополнительных окон, расположенных выше по потоку от пакера, чтобы обеспечить возможность пропускания потока в затрубное пространство над пакером.
Устройство может содержать канал связи и/или управления, проходящий через него (например, через внутренний канал наружного корпуса или встроенный в стенку наружного корпуса).
Устройство может содержать клапан одностороннего действия (например, поплавковый) для герметизации внутреннего канала наружного корпуса.
Устройство может содержать механизм отсоединения, выполненный с возможностью отсоединения устройства от бурильной колонны.
Устройство настоящего изобретения может рассматриваться в качестве переводника пакера бурильной колонны или инструмент для установки пакера в бурильной колонне.
Краткое описание чертежей
Конкретные варианты осуществления изобретения будут теперь раскрыты со ссылкой на прилагаемые чертежи в качестве примера, на которых
на фиг. 1 показан вид в поперечном разрезе продольной части ствола скважины, обеспеченного устройством для герметизации затрубного пространства вокруг бурильной колонны при бурении скважины в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения в первом положении;
на фиг. 2 показан ствол скважины, представленный на фиг. 1, после того, как устройство было перемещено во второе положение для надувания пакера;
на фиг. 3 показан ствол скважины, представленный на фиг. 2, после того, как устройство было перемещено в третье положение для герметизации надутого пакера;
на фиг. 4 показан вид в поперечном разрезе продольной части ствола скважины, обеспеченного устройством для герметизации затрубного пространства вокруг бурильной колонны при бурении скважины в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения в первом положении;
на фиг. 5 показан ствол скважины, представленный на фиг. 4, после того, как устройство было перемещено во второе положение для надувания пакера;
на фиг. 6 показан ствол скважины, представленный на фиг. 5, после того, как устройство было перемещено в третье положение для герметизации надутого пакера.
Подробное раскрытие некоторых вариантов осуществления изобретения
На фиг. 1, 2 и 3 проиллюстрированы способ и устройство/инструмент 10 для герметизации затрубного пространства 12 вокруг бурильной колонны 14 при бурении скважины в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Способ включает в себя обеспечение пакера 16 в сдутом состоянии на бурильной колонне 14 при бурении скважины, как показано на фиг. 1; открытие окон 18 для пакера 16 при помощи активируемого шарами клапана 20 и циркулирование буровой текучей среды 22 для надувания пакера 16 через окна 18, чтобы, тем самым, создать уплотнение в затрубном пространстве 12 вокруг бурильной колонны 14, как показано на фиг. 2. Способ дополнительно включает в себя закрытие окон 18 для пакера 16 после того, как он был надут, и открытие дополнительных окон 24, чтобы обеспечить возможность втекания в затрубное пространство 12 над пакером 16, как показано на фиг. 3.
Более конкретно, на фиг. 1 показано устройство 10 в первом положении, в котором пакер 16 не установлен и происходит бурение. Устройство 10 содержит наружный корпус 26, который поддерживает пакер 16 и заключает в себе окна 18 для пакера и окна 24 для затрубного пространства. Активируемый шарами клапан 20 образован внутренней гильзой, содержащей поперечное седло 28 клапана, имеющее отверстия 30, выполненные с возможностью приема шаров 32 для активации шарами (см. фиг. 2 и 3). Клапан 20 также содержит продольный корпус 34 со сквозными отверстиями 36, который являются совмещаемыми с окнами 18 для пакера в наружном корпусе 26 для надувания пакера 16 при активации.
В положении, показанном на фиг. 1, для буровой текучей среды 22 (например, бурового раствора) обеспечивается возможность циркулирования по всей длине буровой колонны 14, так как она может протекать через не перекрытые отверстия 30 в седле 28 клапана.
На фиг. 2 показано устройство 10 во втором положении после того, как шары 32 были сброшены, чтобы заполнить отверстия 30, а клапан 20 был перемещен в нижнем направлении вследствие возросшего давления сверху до совмещения сквозных отверстий 36 с окнами 18 для пакера. Пакер 16 затем надувают буровой текучей средой 22, расширяя пакер 16 таким образом, чтобы он образовал уплотнение между бурильной колонной 14 и необсаженным стволом 38 скважины. В этом варианте осуществления пакер 16 может быть надут существующей буровой текучей средой 22 из затрубного пространства или буровой колонны 14 ниже седла 28 клапана, или давление выше седла 28 клапана может быть увеличено таким образом, чтобы сдвинуть седло 28 клапана и восстановить циркуляцию через клапан 20. Альтернативно, седло 28 клапана может быть предусмотрено в основании клапана 20, ниже сквозных отверстий 36.
После того, как пакер 16 будет надут, давление в системе поднимают для сдвигания клапана 20 в нижнее положение для закрытия окон 18 для пакера и, тем самым, удержания пакера 16 в полностью надутом состоянии в соответствии с фиг. 3 (т.е. вследствие того, что сквозные отверстия 36 больше не совмещены с окнами 18 для пакера). Кроме того, на этом этапе корпус 34 гильзы перемещают ниже дополнительных окон 24 в корпусе 26 инструмента таким образом, что буровая текучая среда 22 может циркулировать вниз по бурильной колонне 14 и наружу в затрубное пространство 12 над пакером 16. В этом положении скважина ниже пакера 16, по существу, герметизирована, так как пакер 16 герметизирует затрубное пространство, а седло 28 клапана герметизирует внутренний канал бурильной колонны 14.
На фиг. 4, 5 и 6 показан второй вариант осуществления настоящего изобретения, который аналогичен раскрытому выше, поэтому в соответствующих случаях будут использоваться такие же позиционные обозначения. Основное различие между устройством 40 на фиг. 4, 5 и 6 и устройством на фиг. 1-3 заключается в местоположении и конфигурации седла 28' клапана. Во втором варианте осуществления седло 28' клапана предусмотрено на нижнем по потоку конце относительно корпуса 34 клапана и выполнено с возможностью приема единственного большого шара 32' (отметим, что соответствующее отверстие в седле 28' клапана не показано на чертежах).
Как и выше, способ, проиллюстрированный на фиг. 4-6, включает в себя обеспечение пакера 16 в сдутом состоянии на бурильной колонне 14, как показано на фиг. 4. Шар 32' затем сбрасывают в седло 28' клапана и, после поднятия давления в бурильной колонне 14 выше седла 28' клапана, окна 18 для пакера 16 открываются (посредством совмещения со сквозными отверстиями 36 в корпусе 34 клапана). Буровая текучая среда 22 затем циркулирует, надувая пакер 16 через сквозные отверстия 36 и окна 18, образуя уплотнение в затрубном пространстве 12 вокруг бурильной колонны 14, как показано на фиг. 5. Способ дополнительно включает в себя закрытие окон 18 для пакера 16 после того, как он был надут (путем перемещения сквозных отверстий 36 в нижнем направлении), и открытие дополнительных окон 24 в корпусе 26 инструмента, чтобы обеспечить возможность втекания в затрубное пространство 12 над пакером 16, как показано на фиг. 6.
Хотя это не показано ни в одном из вариантов осуществления, при необходимости устройство 10, 40 может быть отсоединено от верхней части бурильной колонны 14, чтобы обеспечить возможность извлечения верхней части и закрытия ствола скважины посредством цементирования. Альтернативно, пакер 16 может быть разрушен или сдут после использования, чтобы бурение могло продолжаться. Кроме того, следует понимать, что в вариантах осуществления настоящего изобретения может быть предусмотрен канал связи и/или управления, проходящий через устройство 10, 40 (например, встроенный в стенку наружного корпуса 26) таким образом, чтобы давление можно было измерять ниже пакера и передавать данные о нем на поверхность.
Способ и устройство, раскрытые в настоящем документе, могут далее быть описаны в следующих пронумерованных параграфах.
1. Способ герметизации затрубного пространства вокруг бурильной колонны при бурении скважины, содержащий следующее:
обеспечивают пакер в сдутом состоянии на бурильной колонне при бурении скважины;
открывают одно или более окон для указанного пакера при помощи клапана, активируемого шарами; и
обеспечивают циркуляцию буровой текучей среды для надувания указанного пакера через указанные одно или более окон, чтобы, тем самым, создать уплотнение в затрубном пространстве вокруг бурильной колонны.
2. Способ согласно параграфу 1, дополнительно содержащий шаг закрытия указанных одного или более окон после того, как пакер будет надут.
3. Способ согласно параграфу 2, в котором шаг закрытия указанных одного или более окон включает в себя использование клапана, активируемого шарами.
4. Способ согласно параграфу 3, в котором для открытия и закрытия одного или более окон для указанного пакера предусмотрен единственный клапан, активируемый шарами.
5. Способ согласно любому предшествующему параграфу, в котором шаг обеспечения пакера в сдутом состоянии на бурильной колонне при бурении скважины включает в себя оснащение бурильной колонны инструментом, содержащим наружный корпус, который заключает в себе одно или более окон для пакера и поддерживает пакер; и внутреннюю гильзу, образующую клапан, активируемый шарами.
6. Способ согласно параграфу 5, в котором гильза содержит поперечное седло клапана с одним или более отверстиями, выполненными с возможностью приема одного или более шаров, и продольный корпус с по меньшей мере одним сквозным отверстием в нем, которое выполнено с возможностью совмещения с одним или более окнами в корпусе инструмента для надувания пакера.
7. Способ согласно параграфу 5 или 6, в котором корпус инструмента содержит одно или более дополнительных окон, расположенных выше по потоку от пакера, чтобы обеспечить возможность втекания в затрубное пространство над пакером.
8. Способ согласно параграфу 6 или 7, дополнительно содержащий сбрасывание одного или более шаров на седло клапана и увеличение давления над седлом клапана для принудительного перемещения гильзы вниз по потоку внутри корпуса инструмента для открытия одного или более окон для пакера.
9. Способ согласно параграфу 7, дополнительно включающий в себя использование градиента давления выше и ниже седла клапана после того, как пакер был надут, чтобы вызвать перемещение гильзы дальше вниз по потоку внутри корпуса инструмента для закрытия одного или более окон для пакера и/или открытия одного или более дополнительных окон в корпусе инструмента выше по потоку от пакера, чтобы обеспечить возможность втекания в затрубное пространство над пакером.
10. Способ согласно любому предшествующему параграфу, дополнительно содержащий измерение давления выше по потоку и/или ниже по потоку от пакера.
11. Способ согласно любому предшествующему параграфу, в котором клапан, активируемый шарами, приводят в действие множеством шаров, при этом каждый шар имеет диаметр, меньший, чем половина диаметра внутреннего канала бурильной колонны.
12. Способ согласно любому предшествующему параграфу, в котором обеспечивают канал связи и/или управления через бурильную колонну от измерительного инструмента до поверхности.
13. Способ согласно любому предшествующему параграфу, в котором два или более пакеров применяют и приводят в действие в соответствии с параграфом 1.
14. Способ согласно параграфу 13, в котором между двумя или более пакерами предусматривают измерительный инструмент.
15. Способ согласно любому предшествующему параграфу, в котором для герметизации внутреннего канала бурильной колонны выше по потоку от пакера предусмотрен клапан одностороннего действия.
16. Способ согласно любому предшествующему параграфу, включающий в себя отсоединение и извлечение верхней секции бурильной колонны, причем верхняя секция бурильной колонны находится выше по потоку от пакера.
17. Способ согласно любому предшествующему параграфу, содержащий сдувание или разрушение пакера после использования.
18. Устройство для герметизации затрубного пространства вокруг бурильной колонны при бурении скважины, содержащее:
наружный корпус, поддерживающий пакер и заключающий в себе одно или более окон для него; и
внутреннюю гильзу, содержащую поперечное седло клапана с одним или более отверстиями, выполненными с возможностью приема одного или более шаров для активации шарами, и продольный корпус с по меньшей мере одним сквозным отверстием в нем, которое выполнено с возможностью совмещения с одним или более окнами в наружном корпусе для надувания пакера при активации.
19. Устройство согласно параграфу 18, в котором наружный корпус содержит одно или более дополнительных окон, расположенных выше по потоку от пакера, чтобы обеспечить возможность втекания в затрубное пространство над пакером.
20. Устройство согласно параграфу 18 или 19, содержащее проходящий через него канал связи и/или управления.
21. Устройство согласно любому из параграфов 18-20, содержащее клапан одностороннего действия для герметизации внутреннего канала наружного корпуса.
22. Устройство согласно любому из параграфов 18-21, содержащее механизм отсоединения, выполненный с возможностью отсоединения данного устройства от бурильной колонны.
Специалистам в данной области понятно, что в раскрытые выше варианты осуществления могут быть внесены различные модификации без отступления от объема настоящего изобретения, определяемого формулой изобретения. Кроме того, признаки, раскрытые в связи с одним вариантом осуществления, могут быть смешаны и сопоставлены с признаками, раскрытыми в связи с другим вариантом осуществления.