Система и способ управления направлением бурения
DRILLING DIRECTION CONTROL SYSTEM AND METHOD

Область техники
[0001] Данное изобретение относится к системе и соответствующему способу управления направлением бурения, в частности, к роторной управляемой системе и способу для бурильной установки, имеющей бурильную трубу.
Предпосылки создания изобретения
[0002] При разведке на нефть и газ с помощью буровых скважин из-за ограничений от таких факторов как наземные условия, расположение нефтяного пласта под землей и т.д., необходимо изменять направление бурения, управлять им и продвигать бурение по заданной траектории так, чтобы буровое долото могло достигнуть нефтегазовой залежи, где могут добываться нефть и газ. Скважины, такие как обычные направленные скважины, горизонтальные скважины, разветвленные скважины, многозабойные скважины, трехмерные обходные скважины вокруг препятствий и т.д., все требуют роторно-управляемой технологии.
[0003] В последнее время с развитием нефтяной и газовой промышленности возросла потребность в разведке и добыче нефти и газа, поэтому более высокие требования предъявляются к роторным управляемым системам.
[0004] Традиционные роторные управляемые системы могут быть разделены на два типа: роторные управляемые системы с отклонением долота и с направлением долота. Роторные управляемые системы с отклонением долота имеют высокие интенсивности набора угла искривления ствола скважины, но трассы их ствола скважины не гладкие, и стенки скважины также относительно шероховаты. Роторные управляемые системы с направлением долота способны формировать относительно сглаженные трассы ствола скважины и относительно ровные стенки скважины, но имеют низкие интенсивности набора угла искривления ствола скважины.
[0005] Диапазон перемещения бурильной трубы существующей роторной управляемой системы мал и точность управления низка.
[0006] Эффекты управления направлением существующей роторной управляемой системы очень сильно подвергаются воздействию состояния стенок скважины, и неровная стенка скважины может способствовать вибрациям, дополнительно вызывая более неровную траекторию ствола скважины.
[0007] Кроме того, существующая роторная управляемая система имеет низкую надежность и короткий срок службы, и уязвима к попаданию песка и других примесей, которые могут заставить систему работать неправильно, а также вызывают резкий рост затрат на техническое обслуживание.
[0008] Следовательно, есть потребность предложить новую роторную управляемую систему и способ для управления бурильной установкой, чтобы решить вышеупомянутые технические проблемы.
Сущность изобретения
[0009] Ввиду вышеупомянутых технических проблем, с одной стороны, данное изобретение предлагает систему для управления бурильной установкой, содержащей бурильную трубу; эта система содержит кольцо и приводной механизм управления отклонением. Кольцо надето на бурильную трубу бурильной установки и имеет наружный диаметр, по существу равный внутреннему диаметру скважины, которую необходимо пробурить. Приводной механизм управления отклонением расположен между кольцом и бурильной трубой и предназначен для управления при бурении радиальным смещением бурильной трубы относительно оси скважины, которую необходимо пробурить. Приводной механизм управления отклонением содержит одно или несколько приводных устройств для соединения кольца и бурильной трубы и приведения в движение бурильной трубы в скважине. Каждое из приводных устройств содержит привод, регулируемый по длине, и соединительное звено, которое шарнирно соединено с первым концом привода.
[0010] С другой стороны данное изобретение предлагает способ бурения, включающий: во-первых, бурение скважины бурильной установкой, содержащей бурильную трубу, при котором кольцо монтируется на бурильной трубе бурильной установки, и это кольцо имеет наружный диаметр, по существу равный внутреннему диаметру скважины; во-вторых, управление бурильной установкой при бурении путем управления радиальным смещением бурильной трубы относительно оси скважины с помощью приводного механизма управления отклонением, расположенным между кольцом и бурильной трубой. Приводной механизм управления отклонением содержит одно или несколько приводных устройств, и каждое из приводных устройств содержит привод, регулируемый по длине, и соединительное звено, которое шарнирно соединено с первым концом привода.
Краткое описание чертежей
[0011] Данное изобретение может быть лучше понято в свете нижеследующего описания примеров осуществления данного изобретения, приводимого со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
[0012] Фиг. 1 - схема, на которой показана структура системы управления направлением согласно конкретной форме осуществления данного изобретения.
[0013] Фиг. 2 - схема системы управления направлением, показанной на фиг. 1, в состоянии управления.
[0014] Фиг. 3 - частичный поперечный разрез системы управления направлением, показанной на фиг. 1.
[0015] Фиг. 4 - вид в разрезе системы управления направлением, показанной на фиг. 1.
[0016] Фиг. 5 - вид в разрезе, показывающий конструкцию системы управления направлением согласно другой конкретной форме осуществления данного изобретения.
[0017] Фиг. 6 - изображение с пространственным разделением деталей привода и соединительное звена системы управления направлением, показанной на фиг. 1.
Подробное описание
[0018] Ниже подробное описание будет даваться для одной или нескольких форм осуществления данного изобретения. Следует указать, что для простоты и краткости в подробном описании форм осуществления изобретения невозможно подробно описать все особенности практических форм осуществления изобретения. Следует понимать, что в процессе практической реализации любой формы осуществления изобретения, также как в процессе инженерного проектирования или проектирования конструкции, чтобы достигнуть определенной цели разработчика и чтобы удовлетворить некоторые связанные с системой или связанные с бизнесом ограничения, обычно будет принято множество решений, который также будут различаться от одной формы осуществления изобретения к другой. Кроме того, следует также понимать, что, хотя усилия, прилагаемые в процессе такой разработки, могут быть сложными и отнимающими много времени, такие изменения, например в конструкции, технологии и производстве, на основе технического содержания, раскрытого в изобретении, являются общепринятыми для специалистов обычной квалификации в данной области техники.
[0019] Если не определено иное, все технические или научные термины, используемые в формуле и описание изобретения, должны иметь общепринятые значения, используемые в той области техники, к которой принадлежит данное изобретение. Термины "первый", "второй" и т.п. в описании и формуле изобретения не означают никакого последовательного порядка, номера или важности, а используются только для того, чтобы отличать различные компоненты. Единственное число не обозначает ограничение количества, а обозначают существование по меньшей мере одного элемента. Термины "состоит из", "состоящий из", "включает", "включающий" и т.п. подразумевают, что элементы или объекты перед словами "состоит из", "состоящий из", "включает" и "включающий" охватывают элементы или объекты и их эквиваленты, которые следуют за "состоит из", "состоящий из", "включает", "включающий", но не исключают другие элементы или объекты. Термин "связанный" или "соединенный" или подобный им не ограничен физическим или механическим соединением, но может быть соединением электрическим, прямым или косвенным соединением. Кроме того, "схема" или "система цепей" или "контроллер" или подобный им термин может включать единственный узел или набор активных элементов и пассивных элементов, прямо или косвенно соединенных вместе, таких как одна или несколько интегральных схем, для выполнения соответствующие функции согласно описанию.
[0020] Термины "могут", "могли бы", "может" и "мог" в данной заявке указывают возможность возникновения в случае некоторых условий среды иметь некоторое свойство, особенность или функцию; и/или при комбинации с подходящим глаголом, указывать одну или несколько способностей, функций или вероятность. Соответственно, использование "могут" указывает, что модифицированные термины являются соответствующими, подходящими или адекватными; в то же самое время, ввиду присутствия некоторых ситуаций, модифицированный термин может быть не соответствующим, подходящим или адекватным. Например, в некоторых случаях можно ожидать, что результат или рабочая характеристика появится; в то время как в других случаях она может не появиться. Эта различие воплощено в терминах, означающих "может".
[0021] Как показано на фиг. 1, система управления направлением, предлагаемая данным изобретением может быть адаптирована к обычным бурильным установкам. Как правило, бурильная установка содержит бурильную трубу 2 и буровое долото 5, жестко закрепленное на конце бурильной трубы 2. Во время бурения буровое долото 5 вращается вместе с бурильной трубой 2, вращательно прорезая заданный объект, чтобы формировать цилиндрическое отверстие в заданном объекте.
[0022] Как показано на фиг. 1 и 4, роторная управляемая система 6, предлагаемая данным изобретением, содержит кольцо 1 и приводной механизм 3 управления отклонением. Кольцо 1 надето на бурильную трубу 2 бурильной установки и имеет наружный диаметр, по существу равный внутреннему диаметру скважины, которую необходимо пробурить. Приводной механизм 3 управления отклонением установлен между кольцом 1 и бурильной трубой 2, чтобы управлять радиальным смещением бурильной трубы 2 относительно оси скважины при бурении. Буровое долото 5 может управляться посредством управления направлением радиального смещения. Степень смещения бурового долота 5 может управляться посредством управления величиной радиального смещения так, чтобы получать желательную интенсивность набора угла искривления ствола скважины. При помощи комбинирования этих двух операций в результате может быть получена необходимая траектория ствола скважины.
[0023] Как показано на фиг. 1, наружный диаметр кольца 1 по существу равен внутреннему диаметру скважины, которую необходимо пробурить, и ось кольца 1 по существу совпадает с осью скважины. Поэтому направление перемещения кольца 1 ограничено, и оно способно скользить только вдоль осевого направления скважины, и не может перемещаться относительно скважины в радиальном направлении, таким образом, когда приводной механизм 3 управления отклонением перемещает бурильную трубу 2 в радиальном направлении относительно кольца 1, бурильная труба 2 также перемещается в радиальном направлении относительно скважины.
[0024] Фиг. 2 - схема роторной управляемой системы в состоянии управления отклонением, в котором ось 21 бурильной трубы 2 смещена от оси 8 скважины, то есть бурильная труба 2 отклонена на радиальное смещение S относительно оси 8 скважины. В это время буровое долото, прикрепленное к концу бурильной трубы 2, также смещено от оси 8 и отклоняется к одной стороне 7 стенки скважины. Тогда направление движения бурового долота 5 также изменяется к стороне 7 вдоль направления смещения. Чем больше радиальное смещение S, тем больше будет интенсивность набора угла искривления ствола скважины.
[0025] В некоторых формах осуществления изобретения роторная управляемая система 6 является системой регулирования с обратной связью, и на основании текущего радиального смещения и заданного значения приводной механизм 3 управления отклонением способен устанавливать радиальное смещение S на заданное значение. Предпочтительно приводной механизм 3 управления отклонением устанавливает радиальное смещение S на основании разности между текущим радиальным смещением и заданным значением, причем заданное значение определяется желаемой интенсивностью набора угла искривления ствола скважины.
[0026] Как показано на фиг. 4, приводной механизм 3 управления отклонением содержит между кольцом 1 и бурильной трубой 2 одно или несколько приводных устройств 30 для соединения кольца 1 и бурильной трубы 2. В некоторых формах осуществления изобретения кольцо 1 может вращаться вместе с бурильной трубой 2 вокруг оси, но не может скользить в направлении оси относительно бурильной трубы 2.
[0027] Приводные устройства 30 управляют перемещением бурильной трубы 2 в кольце 1. Как показано на фиг. 4, каждое из приводных устройств 30 содержит привод 31 и соединительное звено 32. Привод 31 является регулируемым по длине, и соединительное звено 32 шарнирно соединено с приводом 31 на его первом конце 311.
[0028] В некоторых формах осуществления изобретения второй конец 322 соединительного звена 32 соединен с внутренней стенкой кольца 1, и второй конец 312 привода 31 соединен с бурильной трубой 2. Кроме того, как показано на фиг. 4, второй конец 322 соединительного звена 32 соединен с возможностью вращения с внутренней стенкой кольца 1 шарниром 9, и часть привода 31 жестко соединена с бурильной трубой 2.
[0029] Кроме того, взаимное расположение привода 31 и соединительного звена 32 не ограничено показанным на фиг.4, и в некоторых других формах осуществления изобретения второй конец 322 соединительного звена 32 может быть соединен с бурильной трубой 2, а второй конец 312 привода 31 может быть соединен с внутренней стенкой кольца 1.
[0030] В этой форме осуществления изобретения на основе привода 31 добавлено соединительное звено 32, чтобы выполнять комбинированное управление на бурильной трубе 32, и оба конца соединительного звена 32 соединены с возможностью вращения, например таким образом, чтобы поворачиваться шарниром 9, который увеличивает диапазон возможного радиального перемещения бурильной трубы 2 в кольце 1, таким образом улучшая точность механизма 3 управления отклонением, управляющего бурильной трубой 2.
[0031] Бурильная труба 2 не ограничена цилиндрической формой и в некоторых формах осуществления изобретения внешняя поверхность стенки бурильной трубы 2 может иметь треугольное поперечное сечение, как показано на фиг. 4. Каждый привод 31 монтируется на одной плоскости так, что приводы 31 легко конструируются и монтируются, таким образом улучшается стабильность системы.
[0032] Как показано на фиг.5, привод 31 может быть гидравлическим приводом, который содержит гидравлический цилиндр 313, монтируемый на бурильной трубе 2, и поршневой шток 315. Поршневой шток 315 имеет один конец, находящийся в гидравлическом цилиндре 313, и он может двигаться возвратно-поступательно относительно гидравлического цилиндра 313.
[0033] Кроме того, как показано на фиг. 5, гидравлический цилиндр 313 встроен в стенку бурильной трубы 2, и смонтирован касательно к бурильной трубе 2. Таким путем существенно экономится пространство, и гидравлический цилиндр 313 не подвергается действию загрязнений, тем самым значительно улучшая стабильность роторной управляемой системы.
[0034] Как показано на фиг. 3 и 6, в некоторых формах осуществления изобретения в наружной поверхности бурильной трубы 2 имеются две канавки 21. Привод 31 дополнительно содержит соединительную опору 33, два ползуна 34, и по меньшей мере две опоры 35 шарнира. Соединительная опора 33 соединена с концевой частью поршневого штока 315, и перпендикулярна к поршневому штоку 315. Два ползуна 34 соответственно присоединены к двум концам соединительной опоры 33, вставлены в две канавки бурильной трубы 2 и способны скользить в них. Каждый ползун 34 жестко крепится по меньшей мере к одной опоре 35 шарнира, шарнирно соединенной с первым концом 321 соединительного звена 32.
[0035] В некоторых формах осуществления изобретения, как показано на фиг. 3 и 6, каждый ползун 34 крепится двумя опорами 35 шарниров так, чтобы улучшить стабильность соединения. Каждая опора 35 шарнира имеет в себе опорное сквозное отверстие 351, и есть также соединяющее сквозное отверстие 3211 в первом конце 321 соединительного звена 32; первый конец 321 вставлен между двумя опорами 35 шарниров. Оси сквозных отверстий 351 и 3211 лежат на одной линии, и ось проходит через них так, что первый конец 321 и опора 35 шарнира соединены с возможностью вращения. Поршневой шток 315 приводит в движение первый конец 321 соединительного звена 32, перемещая его вдоль направления канавки 21 бурильной трубы относительно гидравлического цилиндра 313, и одновременно соединительное звено 32 также поворачивается вокруг опоры 35 шарнира, дополнительно изменяя относительные положения между бурильной трубой 2 и кольцом 1.
[0036] Приводной механизм 3 управления отклонением может содержать два или несколько приводных устройств 30. Например, в форме осуществления изобретения, которая показана на фиг. 4 и 5, приводной механизм 3 управления отклонением содержит три приводных устройства 30. Приводные устройства 30 расположены с равными интервалами так, что диапазоны возможности перемещения бурильной трубы 2 распределены равномерно, таким образом увеличивается стабильность и надежность роторной управляемой системы 6.
[0037] Как показано на фиг. 1 и 4, для предотвращения проникновения создаваемых в процессе бурения загрязнений, таких как песок, в кольцо 1 и воздействия их на работу приводного механизма 3 управления отклонением, в некоторых формах осуществления изобретения роторная управляемая система 6 дополнительно содержит две защитные крышки 4. Эти две защитные крышки используются, чтобы закрыть торцы кольца 1, чтобы срок службы привода 3 управления мог быть продлен, и стабильность роторной управляемой системы 6 могла быть улучшена.
[0038] Далее, как показано на фиг. 1, каждая защитная крышка 4 имеет форму кольца, наружный диаметр которого уменьшается от торца около кольца 1 к торцу, удаленному от кольца 1, причем максимальный наружный диаметр защитной крышки 4 меньше, чем наружный диаметр кольца 1. Такая конструкция способна существенно уменьшить сопротивление скольжению для кольца 1 в скважине, и позволить ему скользить там более плавно.
[0039] В некоторых формах осуществления изобретения, как показано на фиг. 3, защитные крышки 4 и стенка бурильной трубы 2 выполнены как одно целое, чтобы дополнительно улучшить конструкцию и процесс изготовления, а также улучшить стабильность системы.
[0040] Чтобы позволить буровому раствору в процессе бурения проходить через роторную управляемую систему 6, которая показана на фиг. 1, имеется по меньшей мере одна канавка 11 на внешней поверхности кольца 1 для пропуска бурового раствора. Канавка 11 в кольце может быть сконструирована так, чтобы быть спиральной для уменьшения сопротивления протекающему буровому раствору так, чтобы буровой раствор мог более быстро проходить через кольцо 1.
[0041] Другой аспект данного изобретения касается способа бурения с использованием роторной управляемой системы. В некоторых формах осуществления изобретения способ бурения включает: бурение скважины бурильной установкой, содержащей бурильную трубу 2 с кольцом 1, надетым на нее, причем кольцо 1 имеет наружный диаметр по существу равный внутреннему диаметру скважины; управление бурильной установкой при бурении посредством управления радиальным смещением S бурильной трубы 2 относительно оси скважины при помощи приводного механизма 3 управления отклонением, расположенным между кольцом 1 и бурильной трубой 2.
[0042] Как показано на фиг. 1, 3, 4, кольцо 1 является цилиндрическим, имеет осевую длину L и наружный диаметр, по существу равный внутреннему диаметру скважины. В результате во время бурения наружная поверхность кольца 1 контактирует с внутренней поверхностью ствола скважины. В этой форме осуществления изобретения приводной механизм 3 управления отклонением непосредственно не входит в контакт со стенкой скважины, но воздействует на нее косвенно посредством кольца так, чтобы облегчить проблемы, такие как отставание, вибрации, вызванные неровной стенкой скважины, тем самым по существу улучшая результаты управления отклонением.
[0043] Как показано на фиг. 2 и 5, в некоторых формах осуществления изобретения шаг управления радиальным смещением S бурильной трубы 2 относительно оси скважины включает подстройку длины каждого привода 31 для приведения в действие бурильной трубы 2 так, чтобы переместить ее в направлении, отличном от направления бурения. Эти три привода 31 могут быть гидравлическими приводами, длина каждого из которых может регулироваться подстройкой положения поршневого штока 315 в нем относительно гидравлического цилиндра 313 так, что гидравлические приводы действуют сообща на бурильную трубу 2, заставляя ее перемещаться в желательное положение по заданной траектории.
[0044] В процессе бурения каждое из приводных устройств 30 вращается с бурильной трубой 2, и его длина изменяется время от времени так, что бурильная труба 2 перемещается по заданной траектории в кольце 1 или сохраняет относительное положение между бурильной трубой 2 и кольцом 1.
[0045] Шаг управления радиальным смещением S включает следующее: во-первых, получение текущего радиального смещения и заданного значения; во-вторых, вычисление разности между текущим радиальным смещением и заданным значением; затем подстройку на основании этой разности радиального смещения S приводным механизмом 3 управления отклонением до тех пор, пока радиальное смещение S не станет равным заданному значению.
[0046] Хотя данное изобретение было описано в связи с конкретными формами осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что может быть сделано много модификаций и изменений. Соответственно, следует отметить, что пункты формулы изобретения предназначены для того, чтобы содержать все модификации и изменения в пределах действительной концепции и объема данного изобретения.