УСТРОЙСТВО И СПОСОБ БУРЕНИЯ С НЕПРЕРЫВНЫМ ВРАЩЕНИЕМ БУРА И НЕПРЕРЫВНОЙ ПОДАЧЕЙ БУРОВОГО РАСТВОРА
DEVICE AND METHOD OF DRILLING WITH CONTINUOUS BIT ROTATION AND CONTINUOUS DRILL MUD SUPPLY

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству для буровой установки, предназначенной для получения скважины в подземной структуре, при этом буровая установка содержит первую буровую машину с верхним приводом, установленную с возможностью вертикального перемещения вдоль направляющей, вторую буровую машину, более конкретно установленную между первой буровой машиной и скважиной с возможностью вертикального перемещения вдоль направляющей и снабженную поворотным столом, который может выдерживать вес бурильной колонны, привод вращения, предназначенный для непрерывного вращения бурильной колонны, жидкостную камеру, которая обеспечивает жидкостное соединение между концом бурильной колонны и блоком подачи бурового раствора, при этом жидкостная камера содержит проходные отверстия для бурильной колонны, в которых установлены устройства, обеспечивающие герметичный затвор для закрытия указанных отверстий для бурильной колонны, и приводной трубный ключ, предназначенный для непрерывного вращения элемента, соединенного с бурильной колонной, и установленный в жидкостной камере. Кроме того, изобретение относится к способу бурения с непрерывным вращением бура и непрерывной подачей бурового раствора.
Уровень техники
При подземном бурении, в частности при поисково-разведочном и промышленном бурении для добычи нефти и газа, по мере углубления скважины постоянно присоединяют новые секции буровой трубы. Во время каждой такой операции вращение бурильной колонны прекращают, и в большинстве применяемых способов одновременно прекращают циркуляцию бурового раствора на то время, пока производится удлинение бурильной колонны. Недостаток такого перерыва вращения и циркуляции бурового раствора хорошо известен специалистам в данной области техники. Транспортировка обломков выбуренной породы из скважины прекращается, поэтому обломки выбуренной породы начинают опускаться и могут оседать в горизонтальных частях скважины. Это может приводить к потерям времени, поскольку перед возобновлением операции бурения необходимо производить циркуляцию бурового раствора для очистки скважины. Кроме того, во время прекращения вращения бурильной колонны возрастает опасность застревания бурильной колонны в скважине вследствие скопления опускающихся обломков выбуренной породы и увеличения трения о стенку породы из-за разности давлений между скважиной и окружающей ее породой. Еще один недостаток заключается в том, что прекращение циркуляции бурового раствора приводит к изменениям давления бурового раствора, и, если его давление выходит за критические пределы, пластовая жидкость может поступать в скважину или буровой раствор может выходить в породу, при этом обе ситуации являются нежелательными.
Из NO 326427 известно устройство для верхнего привода, в котором приводной вал, обеспечивающий разъемное соединение с ведущей шестерней и с первым концом буровой трубы, снабжен центральным сквозным каналом, предназначенным для жидкостного соединения между блоком подачи бурового раствора и жидкостным каналом в буровой трубе. Кожух первого и второго разъемного приводного вала или кожух бурильной колонны, соответственно, герметичное уплотнение и клапан, установленный в открытой позиции, чтобы обеспечить проход через буровую трубу или приводной вал, образуют первую и вторую камеру. Входное отверстие для бурового раствора расположено во второй камере и предназначено для обеспечения жидкостного соединения между блоком подачи бурового раствора и корпусом муфты. Таким образом, обеспечивается возможность непрерывной циркуляции бурового раствора, однако, при установке новой секции буровой трубы вращение бурильной колонны приходится прекращать.
GB 2399112 описывает способ и устройство для установки соединительных компонентов труб во время бурения без остановки вращения бурильной колонны или циркуляции жидкости через бурильную колонну. Это обеспечивается в результате взаимодействия между верхним приводом и поворотным столом. Устройство для циркуляции, присоединяемое к резьбовой части компонентов труб, используется для циркуляции жидкости, когда верхний привод отсоединен от бурильной колонны.
US 6412554 описывает систему для непрерывной циркуляции жидкости к бурильной колонне и через бурильную колонну, например, через гибкие длинномерные трубы или через бурильную колонну, состоящую из свинченных вместе трубных секций. Указанная система содержит верхнюю и нижнюю камеры, имеющие сквозные отверстия для прохождения бурильной колонны, в которых установлены уплотняющие устройства, плотно прилегающие к бурильной колонне.
Система содержит также устройства для вращения и осевого перемещения бурильной колонны или компонентов труб относительно камер.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения заключается в том, чтобы исключить или уменьшить по меньшей мере один из недостатков известного уровня техники или по меньшей мере обеспечить полезную альтернативу известному уровню техники.
Указанная задача решена при помощи устройства и способа, представленных ниже в данном описании и прилагаемой формуле изобретения.
Изобретение обеспечивает устройство для буровой установки, которое создает возможность как непрерывного вращения бурильной колонны, так и непрерывной циркуляция бурового раствора, таким образом, бурение части скважины может производиться непрерывно. Изобретение способствует повышению производительности труда при бурении скважины. Согласно изобретению используются две буровые машины, установленные над буровой площадкой симметрично ее центральной оси, при этом первая, верхняя буровая машина представляет собой верхний привод известного уровня техники и выполняет основные действия операции бурения, включая вращение бурильной колонны, подачу бурового раствора в бурильную колонну, перемещение бурильной колонны в осевом направлении, а также вращение секции буровой трубы относительно бурильной колонны во время сборки бурильной колонны, а вторая, нижняя буровая машина снабжена устройством, которое может подвешивать и одновременно вращать бурильную колонну, обеспечивая, кроме того, подачу бурового раствора в бурильную колонну.
Обе буровые машины содержат устройство, предназначенное для вертикального независимого перемещения вдоль направляющих в буровой вышке, проходящих вверх от буровой площадки или т.п. Буровые машины могут присоединяться к одной и той же группе направляющих.
Первая буровая машина имеет приводной вал, который проходит вертикально вниз и в практических целях обычно снабжен насадкой. В дальнейшем описании термин "приводной вал" во всех случаях включает приводной вал, имеющий физическое удлинение при помощи съемной насадки или выполненный как один цельный элемент. Если удлинение приводного вала является принципиально важным, используется термин "насадка приводного вала".
Вторая буровая машина имеет центральное сквозное отверстие и содержит поворотный стол, предназначенный для непрерывного вращения бурильной колонны, и устройство для подвешивания бурильной колонны, например, в виде, так называемого, "клинового захвата". Над поворотным столом установлен привод вращения, который обеспечивает разъемное соединение с частью бурильной колонны. Приводной трубный ключ, предназначенный для непрерывного вращения, установлен над приводом вращения в жидкостной камере. Жидкостная камера имеет верхнее и нижнее отверстие, центры которых расположены на оси бурильной колонны и которые обеспечивают сквозное прохождение буровой трубы, при этом оба отверстия снабжены герметичными уплотнениями, окружающими бурильную колонну или секцию бурильной колонны. Кроме того, верхнее отверстие снабжено запорным клапаном, который может закрывать указанное отверстие, а в открытой позиции создает сквозной проход через секцию бурильной колонны. Жидкостная камера содержит устройство, предназначенное для подачи бурового раствора под давлением, а также для слива бурового раствора из жидкостной камеры. Жидкостная камера предпочтительно снабжена вентиляционным каналом, который предназначен для ввода воздуха или другого газа в жидкостную камеру и вывода из нее.
Процесс бурения выполняется следующим образом:
а) Первая буровая машина вращает бурильную колонну и подает буровой раствор в центральное отверстие бурильной колонны известным способом до тех пор, пока не потребуется удлинять бурильную колонну при помощи новой секции трубы. Секция трубы подвешивается в поворотном столе. Часть приводного вала первой буровой машины или, возможно, насадка приводного вала (называемая далее для упрощения "приводным валом") проходит в жидкостную камеру и охватывается приводным трубным ключом. Герметичные уплотнения окружают бурильную колонну и приводной вал.
б) После адаптации скорости вращения привода к скорости вращения бурильной колонны привод вращения и бурильная колонна соединяются вместе, при этом бурильная колонна продолжает вращаться. Затем первая буровая машина может быть отсоединена, поскольку вращение бурильной колонны обеспечивается нижней буровой машиной.
в) После адаптации скорости вращения приводного трубного ключа к скорости вращения бурильной колонны он входит в зацепление с приводным валом. Герметичные уплотнения активируются.
г) В результате синхронизированного функционирования привода вращения и приводного трубного ключа резьбовое соединение между приводным валом и бурильной колонной прерывается, в то же самое время в жидкостной камере создается повышенное давление. Поскольку буровой раствор может поступать в бурильную колонну из жидкостной камеры, подача бурового раствора в первую буровую машину прекращается.
д) Приводной вал отсоединяется от приводного трубного ключа и при вертикальном перемещении первой буровой машины выходит из запорного клапана, который является закрытым до тех пор, пока верхнее герметичное уплотнение не будет дезактивировано и приводной вал не выйдет из верхнего отверстия жидкостной камеры.
е) Вращение и вертикальное перемещение бурильной колонны, а также подача бурового раствора обеспечиваются нижней буровой машиной, в то время как новая секция бурильной колонны присоединяется к приводному валу первой буровой машины.
ж) Секция бурильной колонны вводится в верхнее отверстие жидкостной камеры. Герметичное уплотнение активируется. Запорный клапан открывается, и секция бурильной колонны перемещается вниз в жидкостную камеру для фиксации в приводном трубном ключе с целью соединения с бурильной колонной во время синхронизированного вращения привода вращения и приводного трубного ключа, в то же время начинается подача бурового раствора через первую буровую машину, а подача бурового раствора через жидкостную камеру прекращается.
з) Вращение, вертикальное перемещение и подача бурового раствора обеспечиваются первой буровой машиной, поскольку привод вращения нижней буровой машины отсоединен от бурильной колонны, жидкостная камера находится в режиме слива, а герметичные уплотнения дезактивированы.
и) Операции а)-з) повторяются до тех пор, пока не будет закончен процесс бурения.
Первый аспект изобретения более конкретно относится к устройству, описанному в пункте 1 прилагаемой формулы изобретения. Альтернативные варианты осуществления описаны в пунктах 2-9 прилагаемой формулы изобретения.
Второй аспект изобретения более конкретно относится к способу, описанному в пункте 10 прилагаемой формулы изобретения.
Третий аспект изобретения относится к применению жидкостной камеры, которая может быть закрыта и в которой установлен приводной трубный ключ, для подачи бурового раствора в бурильную колонну при помощи буровой машины, снабженной поворотным столом.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено описание примера предпочтительного осуществления изобретения, иллюстрированного прилагаемыми чертежами, на которых представлены:
фиг.1 - вид сбоку буровой установки, содержащей две взаимодействующие буровые машины, при этом нижняя буровая машина показана в разрезе;
фиг.2 - блок подачи бурового раствора, соединенный с буровыми машинами, в уменьшенном масштабе;
фиг.3-7 виды сбоку различных операций непрерывного процесса бурения, при этом стрелками и черной заливкой обозначен активный компонент и путь прохождения бурового раствора, в частности:
фиг.3 - бурильная колонна, управляемая при помощи нижней буровой машины, и секция бурильной колонны, готовая к присоединению к первой буровой машине;
фиг.4 - секция бурильной колонны, соединенная с первой буровой машиной и введенная в верхнее отверстие жидкостной камеры, содержащее герметичное уплотнение;
фиг.5 - секция бурильной колонны, проходящая через запорный клапан жидкостной камеры и соединенная с приводным трубным ключом, приведенным во вращение;
фиг.6 - секция бурильной колонны, отсоединенная от приводного трубного ключа и соединенная с бурильной колонной, которая отсоединена от поворотного стола и приводится в движение первой буровой машиной, при этом происходит слив бурового раствора из жидкостной камеры; и
фиг.7 - бурильная колонна, приводимая в движение первой буровой машиной и свободно вращающаяся относительно нижней буровой машины.
Осуществление изобретения
На чертежах ссылочным номером 1 обозначен известный, по существу, верхний привод, называемый также далее первой буровой машиной. Он традиционно снабжен приводным валом 11 и насадкой 12 приводного вала, а также содержит входное отверстие 13 для бурового раствора и присоединен к буровой вышке 2 с возможностью перемещения в вертикальном направлении вдоль направляющей 21. Буровая машина 1 расположена симметрично относительно центральной оси 62 скважины 6.
Между первой буровой машиной 1 и скважиной 6 установлена вторая буровая машина 3, присоединенная ко второй буровой вышке 4 с возможностью перемещения в вертикальном направлении вдоль направляющей 41.
Бурильная колонна 5 проходит вниз в скважину 6 (см. фиг.2) и состоит из множества секций 52 бурильной колонны, присоединяемых при помощи резьбового соединения к концу 51 бурильной колонны 5. Секция 52 бурильной колонны содержит направляющую трубу 521, часть 521а которой имеет многоугольное поперечное сечение, обеспечивающее разъемное соединение со второй буровой машиной 3. Бурильная колонна 5 снабжена бурильной головкой 53.
Скважина 6 проходит от устья 61 скважины вниз, в подземную структуру 63.
Буровые машины 1, 3 имеют жидкостное соединение с блоком 7 подачи бурового раствора, который содержит насос 71 для бурового раствора, линию 72 подачи, предназначенную для подачи бурового раствора под давлением в бурильную головку 53 через буровые машины 1, 3 и центральное отверстие в бурильной колонне 5, напорную линию 73, которая обеспечивает жидкостное соединение насоса 71 для бурового раствора с резервуаром 74 для бурового раствора, и обратную линию 75, которая соединяет устье 61 скважины и резервуар 74 для бурового раствора.
Линия 72 подачи содержит первую линию 721, снабженную первым запорным клапаном 723 для регулирования подачи бурового раствора в первую буровую машину 1, и вторую линию 722, снабженную вторым запорным клапаном 724 для регулирования подачи бурового раствора во вторую буровую машину 3. Сливная линия 76 соединяет вторую буровую машину с резервуаром 74 для бурового раствора.
Вторая буровая машина 3 содержит поворотный стол 31, снабженный клиновым захватом 311, который предназначен для подвешивания бурильной колонны 5 в поворотном столе 31, по существу, известным способом. Привод вращения 32, соединенный с поворотным столом 31, обеспечивает разъемное соединение с многоугольной частью 521a направляющей трубы 521 для вращения бурильной колонны 5 вокруг ее центральной оси, когда бурильная колонна подвешена в поворотном столе 31. Над поворотным столом 31 установлен приводной трубный ключ 33, обеспечивающий непрерывное вращение. Приводной трубный ключ 33 расположен в жидкостной камере 34, в которой предусмотрены нижнее и верхнее отверстия 341 и 343 для бурильной колонны, соответственно. Каждое из отверстий 341 и 343 для бурильной колонны снабжено герметичным уплотнением 342 и 344, соответственно, которое создает окружающую опору для части бурильной колонны 5, секции бурильной колонны 53 или насадки 12 приводного вала первой буровой машины, чтобы закрывать отверстия 341, 343 для бурильной колонны. Между жидкостной камерой 34 и верхним герметичным уплотнением 344 установлен запорный клапан 345, который в открытой позиции обеспечивает проход через секцию 52 бурильной колонны и по меньшей мере нижнего конца присоединенной насадки 12 приводного вала.
Жидкостная камера 34 содержит также входное отверстие для бурового раствора 35, которое имеет жидкостное соединение со второй линией 722. Дренажное отверстие 351 жидкостной камеры, которое можно закрывать, предназначено для слива бурового раствора из жидкостной камеры 34 в резервуар 74 при помощи сливной линии 76. Вентиляционный канал 352 жидкостной камеры расположен в верхней части жидкостной камеры 34 и предназначен для вентиляции воздуха и других газов в жидкостной камере 34, когда жидкостная камера заполняется буровым раствором или освобождается от него.
Поворотный стол 31, привод вращения 32, приводной трубный ключ 33 и отверстия 341, 343 в жидкостной камере для бурильной колонны образуют центральное отверстие 36, которое проходит сквозь вторую буровую машину 3 и центр которого расположен на центральной оси 62 скважины 6.
Когда процесс бурения выполняется с применением буровой установки согласно изобретению, бурильная колонна 5 вращается и перемещается в первую фазу при помощи первой буровой машины 1, при этом бурильная колонна 5 проходит через центральное отверстие 36 второй буровой машины 3 и свободно перемещается относительно второй буровой машины 3 (см. фиг.7). Буровой раствор циркулирует через входное отверстие 13 для бурового раствора первой буровой машины 1 в бурильную головку 53 и возвращается в резервуар 74 для бурового раствора через межтрубное пространство 54 (см. фиг.2), устье 61 скважины, обратную линию 75 и необходимое технологическое оборудование (не показано), которое, как известно, применяется для обработки бурового раствора. Вторая буровая машина 3 перемещается в вертикальном направлении в верхнюю исходную позицию.
Когда многоугольный участок 521a направляющей трубы 521, расположенной в верхней части бурильной колонны 5, входит в привод вращения 32 второй буровой машины 3, направляющая труба приводится во вращение вместе с бурильной колонной 5 и соединяется с бурильной колонной 5. Бурильная колонна 5 подвешивается в поворотном столе 31 при помощи клинового захвата 311, по существу, известным способом. Приводной трубный ключ 33 вращается вместе с бурильной колонной 5 и соединяется с насадкой 12 приводного вала, проходящей через приводной трубный ключ. При этом вращение бурильной колонны может осуществляться второй буровой машиной 3, поскольку ведущая шестерня первой буровой машины 1 отсоединена.
В следующей фазе нижнее и верхнее герметичные уплотнения 342, 344, а также отверстие 351 жидкостной камеры закрываются, а буровой раствор подается в жидкостную камеру 34, при этом соответствующий запорный клапан 724 в линии 72 подачи открывается. При снижении скорости вращения приводного трубного ключа 33 относительно привода вращения 32 соединение между насадкой приводного вала и бурильной колонной разрывается, и буровой раствор подается через жидкостную камеру 34 и открытый конец 51 бурильной колонны. Подача бурового раствора в первую буровую машину 1 прекращается, поскольку соответствующий запорный клапан 723 в линии 72 подачи закрывается. Вращение и перемещение бурильной колонны 5 в это время осуществляется второй буровой машиной 3.
При этом первая буровая машина 1 отводится от второй буровой машины 3, поскольку запорный клапан 345 второй буровой машины 3 закрывается, как только насадка 12 приводного вала выходит из центрального канала запорного клапана 345, в то время как верхнее герметичное уплотнение 344 продолжает герметично охватывать насадку 12 приводного вала. После этого верхнее герметичное уплотнение 344 отводится назад, и насадка 12 приводного вала выходит из второй буровой машины 3 для соединения со следующей секцией 52 бурильной колонны (см. фиг.3).
Первая буровая машина 1 перемещается в направлении второй буровой машины 3 до тех пор, пока нижний конец секции 52 бурильной колонны не будет окружен верхним герметичным уплотнением 344, которое затем активируется и плотно охватывает секцию 52 бурильной колонны (см. фиг.4). После этого запорный клапан 345 открывается, и первая буровая машина 1 и приводной трубный ключ 33 начинают вращаться вместе с бурильной колонной 5. Подача бурового раствора в первую буровую машину 1 открывается (см. фиг.5). Скорость вращения приводного трубного ключа 33 по отношению к приводу вращения 32 увеличивается, поскольку ведущая шестерня первой буровой машины 1 отсоединяется, при этом секция 52 бурильной колонны перемещается в направлении конца 51 бурильной колонны 5 и соединяется с бурильной колонной 5. Закрытие соответствующего запорного клапана 724 прекращает подачу бурового раствора в жидкостную камеру 34.
Привод вращения 32, приводной трубный ключ 33 и клиновой захват 311 отсоединяются от удлиненной бурильной колонны 5, поскольку работает первая буровая машина 1. Буровой раствор сливается из жидкостной камеры 34 через дренажное отверстие 351 жидкостной камеры и сливную линию 76, а герметичные уплотнения 342, 344 отводятся от бурильной колонны 5.
Это процесс повторяется до тех пор, пока бурильная головка не достигнет требуемой позиции.
Для специалистов в данной области техники очевидно, что буровую установку согласно изобретению можно оснастить соответствующими средствами мониторинга и управления для синхронизации различных операций, описанных выше.