НАПРАВЛЕННОЕ БУРЕНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ КОРПУСА И СЕЛЕКТИВНО ОТКЛОНЯЮЩЕГОСЯ ПРИВОДНОГО ВАЛА
DIRECTIONAL DRILLING USING ROTARY HOUSING AND SELECTIVELY DEFLECTING DRIVING SHAFT

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится в общем к операциям бурения скважин и - конкретнее к направленному бурению с применением вращающегося корпуса и селективно отклоняемого приводного вала.
С усложнением операций бурения и соответствующим повышением трудности достижения углеводородных коллекторов увеличивается потребность точного определения местоположения бурильной компоновки как по вертикали, так и по горизонтали. Часть данной операции требует управления направлением движения бурильной компоновки, либо для предотвращения проходки конкретных пластов или для пересечения продуктивных пластов. Управление направлением движения бурильной компоновки включает в себя изменение направления, в котором нацелена бурильная компоновка/буровое долото. Обычно указанное выполняется с применением механизмов, входящих в контакт со стволом скважины для отклонения бурильной компоновки от центральной осевой линии в стволе скважины или для удержания участка бурильной компоновки в стационарном положении. К сожалению, данные механизмы, входящие в контакт, могут создавать проблемы, в частности, когда должны проходить через важные механические устройства, например, противовыбросовые превенторы, которые могут являться важными для обеспечения безопасности во время операций бурения.
ЧЕРТЕЖИ
Некоторые специфические являющиеся примером варианты осуществления изобретения можно понять из следующего описания и прилагаемых чертежей.
На фиг. 1 показана схема примера буровой системы согласно аспектам настоящего изобретения.
На фиг. 2 показана схема примера буровой системы согласно аспектам настоящего изобретения.
На фиг. 3 показана схема примера буровой системы согласно аспектам настоящего изобретения.
На фиг. 4 показана блок-схема последовательности операций примера способа бурения согласно аспектам настоящего изобретения.
Хотя изобретение показано и описано в виде являющихся примерами вариантов осуществления, данные примеры не налагают ограничений на изобретение, и никаких таких ограничений не предполагают. Изобретение может претерпевать значительные модификации, замены и иметь эквиваленты по форме и функциям, понятные специалисту в данной области техники, применяющему данное изобретение. Показанные и описанные варианты осуществления изобретения являются только примерами и не исчерпывают объема изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится в общем к операциям бурения скважин и, конкретнее, к направленному бурению с применением вращающегося корпуса и селективно отклоняющегося приводного вала.
Иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения подробно описаны в данном документе. Для ясности описываются не все признаки фактической реализации. Понятно, что при разработке любого такого фактического варианта осуществления могут приниматься решения, зависящие от реализации, для достижения конкретных целей последней, которые могут меняться в вариантах реализации. Кроме того, понятно, что такая разработка может являться сложной и затратной по времени, но представлять собой рутинное мероприятие для специалиста в данной области техники, применяющего настоящее изобретение.
Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены примеры его конкретных вариантов осуществления. Никоим образом нельзя считать данные примеры ограничивающими или определяющими объем изобретения. Варианты осуществления настоящего изобретения можно применять в горизонтальных, вертикальных, наклонно-направленных, с боковыми стволами, с п-образными компенсаторами, пересечениями, байпасами (бурится в обход прихваченного на промежуточной глубине инструмента с входом обратно в ствол) или иных нелинейных стволах скважин в подземных пластах любого типа. Варианты осуществления можно применять в нагнетательных скважинах, и эксплуатационных скважинах, в том числе эксплуатационных скважинах добычи минерального сырья, например сероводорода, углеводородных или геотермальных скважинах, а также при строительстве стволов скважин для туннелей при переходе рек и других скважин для строительства туннелей вблизи поверхности или скважинных п-образных трубопроводов, используемых для транспортировки текучих сред, например, углеводородов. Варианты осуществления, описанные ниже, не являются ограничительными в отношении реализации.
Согласно аспектам настоящего изобретения в данном документе описаны системы и способы управления направлением движения бурильной компоновки в стволе скважины. Один пример системы содержит корпус и отклоняющийся приводной вал, соединенный с буровым долотом и по меньшей мере частично установленный в корпусе. Как описано в данном документе, приводной вал можно выполнить отклоняющимся, если продольная ось приводного вала выполнена с возможностью отклонения от продольной оси компоновки управления направлением движения. Угол отклонения отклоняющегося приводного вала может соответствовать углу бурения бурильной компоновки. Система может также включать в себя двигатель, соединенный с корпусом, который, когда приведен в действие, независимо вращает корпус относительно бурильной колонны. Как описано ниже, с помощью независимого встречного вращения корпуса относительно бурильной колонны во время операций бурения угловое положение отклоняющегося приводного вала и бурового долота можно сохранять геостационарным, при этом не требуется входа в контакт корпуса со стенкой ствола скважины.
На фиг. 1 показана схема примера буровой системы 100 согласно аспектам настоящего изобретения. Буровая система 100 включает в себя буровую установку 102, смонтированную на поверхности 101 над стволом 104 скважины в подземном пласте 103. В показанном варианте осуществления бурильная компоновка 105 устанавливается в стволе 104 скважины и может соединяться с буровой установкой 102. Бурильная компоновка 105 может содержать бурильную колонну 106 и компоновку 107 низа бурильной колонны (КНБК). Бурильная колонна 106 может содержать множество деталей, свинченных между собой. КНБК 107 может содержать буровое долото 109, устройство 108 измерений во время бурения (MWD) и компоновку 114 управления направлением движения. Компоновка 114 управления направлением движения может управлять направлением бурения ствола 104 скважины. Как понятно специалисту в данной области техники в отношении данного изобретения, ствол 104 скважины должен буриться в направлении, перпендикулярном торцу 110 инструмента, которым является буровое долото 109, такое направление соответствует продольной оси 116 бурового долота. Соответственно, управление направлением движения, в котором бурится ствол 104 скважины, может включать в себя регулирование угла между продольной осью 116 бурового долота 109 и продольной осью 115 компоновки 107 управления направлением движения, и регулирование угловой ориентации бурового долота 109 по отношению к компоновке 107 управления направлением движения.
Согласно аспектам настоящего изобретения, описанным ниже, компоновка 114 управления направлением движения может включать в себя отклоняющийся приводной вал (не показан), который обеспечивает отклонение продольной оси 116 бурового долота 109 от продольной оси 115 компоновки 114 управления направлением движения. Аналогично, компоновка 114 управления направлением движения может включать в себя корпус встречного вращения (см., например, фиг. 2, элемент 201), который удерживает угловую ориентацию бурового долота 109 по отношению к компоновке 114 управления направлением движения. Компоновка 114 управления направлением движения может принимать управляющие сигналы с блока 113 управления на поверхности для определения направления бурения. Блок 113 управления может содержать систему обработки информации с обрабатывающим и запоминающим устройством и может поддерживать связь с компоновкой 114 управления направлением движения с помощью системы телеметрии. В некоторых вариантах осуществления, как описано ниже, блок 113 управления может передавать управляющие сигналы на компоновку управления направлением движения для изменения положения продольной оси 115 бурового долота 109, а также для управления встречным вращением участков компоновки 114 управления направлением движения для удержания торца инструмента в геостационарном положении. Кроме того, другие компоненты КНБК 107, в том числе устройство 108 измерений во время бурения, могут поддерживать связь с блоком 113 управления и принимать команды с него.
В некоторых вариантах осуществления бурильная колонна 106 может вращаться для бурения ствола 104 скважины. При вращении бурильная колонна 106 может в свою очередь вращать КНБК 107 и буровое долото 109 в одном направление вращения с бурильной колонной 106 и со скоростью вращения, равной скорости вращения бурильной колонны 106. Такое вращение может обеспечивать вращение компоновки 114 управления направлением движения вокруг ее продольной оси 115 и вращение бурового долота 109 вокруг его продольной оси 116, а также продольной оси 115 компоновки 114 управления направлением движения. Вращение бурового долота 109 вокруг его продольной оси 116 требуется для проходки пласта буровым долотом 109, но вращение бурового долота 109 вокруг продольной оси 115 компоновки 114 управления направлением движения может являться нежелательным в некоторых случаях, поскольку изменяет угловую ориентацию бурового долота 109 по отношению к компоновке 114 управления направлением движения. Например, когда продольная ось 116 бурового долота 109 смещена от продольной оси 115 компоновки 114 управления направлением движения, как показано на фиг. 1, буровое долото 109 может вращаться вокруг продольной оси 115 компоновки 114 управления направлением движения, исключая точное бурение бурильной компоновкой под нужным углом и в нужном направлении.
На фиг. 2 показана схема примера компоновки 200 управления направлением движения согласно аспектам настоящего изобретения, которую можно применять, отчасти, для удержания угловой ориентации оси бурового долота относительно продольной оси компоновки 200 управления направлением движения в операциях бурения. Как описано ниже, компоновка 200 управления направлением движения может включать в себя корпус 201, которому можно сообщать встречное вращение для удержания оси бурового долота с точной (геостационарной) угловой ориентацией по отношению к продольной оси компоновки 200 управления направлением движения. Компоновка 200 управления направлением движения может содержать отклоняющийся приводной вал 202, по меньшей мере частично установленный в корпусе 201 и соединенный с буровым долотом 203. Приводной вал может являться отклоняющимся, если продольная ось приводного вала выполнена с возможностью отклонения от продольной оси компоновки управления направлением движения. Дополнительно, приводной вал может являться отклоняющимся, даже если в заданное время может выставляться соосно с продольной осью компоновки управления направлением движения и при этом не смещаться. Двигатель 204 может соединяться с корпусом 201 и при активировании независимо вращать корпус 201 относительно утяжеленной бурильной трубы 205 инструмента. Утяжеленная бурильная труба 205 инструмента может соединяться, напрямую или не напрямую, с бурильной колонной так, что, когда бурильная колонна вращается в первом направлении с первой скоростью, утяжеленная бурильная труба 205 инструмента вращается с бурильной колонной, т.e. в первом направлении с первой скоростью.
Отклоняющийся приводной вал 202 может напрямую или не напрямую соединяться с утяжеленной бурильной трубой 205 инструмента. Корпус 201 может устанавливаться вблизи конца утяжеленной бурильной трубы 205 инструмента и может вращаться независимо от утяжеленной бурильной трубы 205 инструмента. В некоторых вариантах осуществления двигатель 204 может представлять собой электрический или гидравлический двигатель, который может по меньшей мере частично располагаться в утяжеленной бурильной трубе 205 инструмента. Гидравлические двигатели могут включать в себя гидравлические забойные двигатели, генерирующие крутящий момент с использованием потока текучей среды, например, бурового раствора, проходящего вниз через компоновку управления направлением движения. Как показано на фиг. 2, двигатель 204 может иметь выходной вал 206, соединенный с корпусом 201 и вращающий его. В некоторых вариантах осуществления, двигатель 204 может принимать электроэнергию источника питания, например, батарей или забойного гидравлического генератора (не показано), установленных в утяжеленной бурильной трубе 205 инструмента, или от элемента КНБК, соединенного с утяжеленной бурильной трубой 205 инструмента. В некоторых других вариантах осуществления двигатель 204 может приводиться в действие напрямую буровым раствором. Как описано ниже, двигатель 204 может располагаться в утяжеленной бурильной трубе 205 инструмента или за пределами утяжеленной бурильной трубы инструмента, например, в корпусе 201.
Как можно видеть, отклоняющийся приводной вал 202 может по меньшей мере частично устанавливаться в корпусе 201. Отклоняющийся приводной вал 202 может крепиться в корпусе 201 в точках 207 центрирования, которые могут содержать подшипники /уплотнения и могут удерживать участок отклоняющегося приводного вала 202 по центру в корпусе 201 вдоль продольной оси 208 компоновки 200 управления направлением движения. Между точками 207 центрирования может располагаться отклоняющий механизм 209, установленный вокруг отклоняющегося приводного вала 202 в корпусе 201. Отклоняющий механизм 209 может создавать отклонение участка отклоняющегося приводного вала 202 от продольной оси 208 компоновки 200 управления направлением движения, что в комбинации с центрованными участками отклоняющегося приводного вала 202 в точках 207 центрирования, может создавать угол 210 отклонения в отклоняющемся приводном вале 202.
В некоторых вариантах осуществления отклоняющий механизм 209 может вращательно крепиться в корпусе 201 и поддерживать угол 210 отклонения отклоняющегося приводного вала 202 и заданный угол. В таких вариантах осуществления отклоняющий механизм 209 может содержать диск, вращательно закрепленный в корпусе 201, с эксцентричным отверстием, смещенным на заданное расстояние от продольной оси 208 компоновки 200 управления направлением движения. Расстояние отклонения можно определить как величину радиального отклонения участка отклоняющегося приводного вала 202 в отклоняющем механизме 209 от продольной оси 208 компоновки 200 управления направлением движения. Расстояние отклонения в комбинация с расстоянием между отклоняющим механизмом 209 и по меньшей мере одной из точек 207 центрирования может определять угол 210 отклонения. В других вариантах осуществления отклоняющий механизм 209 может представлять собой регулируемый отклоняющий механизм, обеспечивающий изменение угла 210 отклонения в корпусе 201. Например, в некоторых вариантах осуществления расстояние отклонения может меняться на забое скважины для изменения угла 210 отклонения отклоняющегося приводного вала 202. Расстояние отклонения может меняться на забое с применением, например, дополнительного забойного двигателя или исполнительных механизмов (не показано), которые могут менять расстояние отклонения в ответ на управляющий сигнал с поверхности. Как понятно специалисту в данной области техники, рассматривающему данное изобретение, создание угла 210 отклонения отклоняющегося приводного вала 202 может создавать отклонение продольной оси 212 бурового долота 203 относительно продольной оси 208 компоновки 200 управления направлением движения. Соответственно, при изменении угла 210 отклонения меняется положение продольной оси 212 бурового долота 203, а также угол отклонения ствола скважины, который бурится с компоновкой 200 управления направлением движения.
Во время операций бурения бурильная колонна, соединенная напрямую или не напрямую с утяжеленной бурильной трубой 205 инструмента, может вращаться в первом направлении 211 на первой скорости, при этом обеспечивая вращение отклоняющегося приводного вала 202 и бурового долота 203 также в первом направлении 211 с первой скоростью. Конкретно, буровое долото 203 может вращаться вокруг своей продольной оси 212 и продольной оси 208 компоновки 200 управления направлением движения. Для поддержания угловой ориентации оси бурового долота 203 относительно продольной оси 208 компоновки 200 управления направлением движения корпус 201 может вращаться во втором направлении 213 относительно утяжеленной бурильной трубы 205 инструмента, противоположном первому направлению 211 со второй скоростью одинаковой с первой скоростью. Благодаря встречному вращению корпуса 201 относительно утяжеленной бурильной трубы 205 инструмента корпус 201, регулируемый отклоняющий механизм 209 и буровое долото 203 могут оставаться геостационарными, т.e. по существу стационарными по отношению к стволу скважины с угловой ориентацией относительно продольной оси 208 компоновки 200 управления направлением движения. Соответственно, угловая ориентация продольной оси 212 бурового долота 203 относительно продольный оси 208 компоновки 200 управления направлением движения может поддерживаться, обеспечивая бурение бурильной компоновкой в направлении продольной оси 212 бурового долота 203, а не в направлении продольной оси 208 компоновки управления направлением движения.
На фиг. 3 показана схема другого примера компоновки 300 управления направлением движения согласно аспектам настоящего изобретения. Аналогично компоновке 200 управления направлением движения фиг. 2 компоновка 300 управления направлением движения может содержать корпус 301 независимого вращения и отклоняющийся приводной вал 302, который соединен с буровым долотом 303 и по меньшей мере частично установлен в корпусе 301. Дополнительно, двигатель 304 может соединяться с корпусом 301, в том числе через выходной вал 306 от двигателя 304. Компоновка 300 управления направлением движения может дополнительно содержать утяжеленную бурильную трубу 305 инструмента, соединенную с отклоняющимся приводным валом 302 и установленную вблизи конца корпуса 301. В отличие от компоновки 200 управления направлением движения, где отклоняющийся приводной вал 202 соединен напрямую с утяжеленной бурильной трубой 205 инструмента, отклоняющийся приводной вал 302 может соединяться не напрямую с утяжеленной бурильной трубой 305 инструмента через карданный вал 310. Как понятно специалисту в данной области техники для данного изобретения, утяжеленная бурильная труба 305 инструмента может соединяться с отклоняющимся приводным валом 302 так, что когда утяжеленная бурильная труба 305 инструмента вращается в первом направлении с первой скоростью, отклоняющийся приводной вал 302 вращается в первом направлении с первой скоростью.
Как можно также видеть, компоновка 300 управления направлением движения может иметь отклоняющий механизм 309 и точку 307 центрирования, установленные вокруг отклоняющегося приводного вала 302 в корпусе 301. Как понятно специалисту в данной области техники, для данного изобретения угол отклонения отклоняющегося приводного вала 302 можно также определять по отношению расстояния отклонения отклоняющегося приводного вала 302 от продольной оси 308 компоновки 300 управления направлением движения к расстоянию между механизмом 309 и точкой 307 центрирования.
Согласно аспектам настоящего изобретения в данном документе описан способ управления направлением движения бурильной компоновки в стволе скважины, в котором можно применять компоновки управления направлением движения, аналогичные описанным выше и показанным на фиг. 2 и 3. На фиг. 4 показана блок-схема последовательности операций одного являющегося примером способа. Этап 401 может включать в себя позиционирование отклоняющегося приводного вала в стволе скважины. Отклоняющийся приводной вал может соединяться с буровым долотом и по меньшей мере частично устанавливаться в корпусе. В некоторых вариантах осуществления отклоняющийся приводной вал может соединяться с утяжеленной бурильной трубой инструмента, и корпус может устанавливаться вблизи конца утяжеленной бурильной трубы инструмента. Этап 402 может включать в себя вращение отклоняющегося приводного вала и бурового долота в первом направлении с первой скоростью. Отклоняющийся приводной вал и буровое долото могут вращаться бурильной колонной. Этап 403 может включать в себя вращение корпуса во втором направлении противоположном первому направлению со второй скоростью. В некоторых вариантах осуществления вторая скорость может быть одинаковой с первой скоростью для поддержания угловой ориентации бурового долота относительно продольный оси корпуса. В некоторых вариантах осуществления корпус может вращаться с помощью двигателя, соединенного с корпусом. Двигатель может устанавливаться в утяжеленной бурильной трубе инструмента и включать в себя выходной вал, который вращает корпус относительно утяжеленной бурильной трубы инструмента. Двигатель может представлять собой электрический двигатель или гидравлический двигатель.
В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно содержать изменение угловой ориентации бурового долота с помощью вращения корпуса в первом направлении с первой скоростью. Вместо вращения корпуса во втором направлении со второй скоростью, вместе с тем, корпус может вращаться в первом направлении с первой скоростью до достижения буровым долотом заданной угловой ориентации относительно продольной оси компоновки управления направлением движения. Корпус может также вращаться во втором направлении или первом направлении с любой скоростью, отличающейся от первой скорости, для изменения угловой ориентации. Когда заданная угловая ориентация достигнута, корпус может вращаться во втором направлении со второй скоростью для поддержания заданной угловой ориентации бурового долота.
В некоторых вариантах осуществления угол отклонения отклоняющегося приводного вала может фиксироваться в корпусе. Данное можно выполнять, применяя отклоняющий механизм, описанный выше, или другой механизм, что понятно специалисту в данной области техники в отношении данного изобретения. В некоторых других вариантах осуществления способ может включать в себя изменение угла отклонения отклоняющегося приводного вала в корпусе. Данное можно также выполнять с помощью регулируемого отклоняющего механизма, аналогичного описанному выше.
Как понятно специалисту в данной области техники, в отношении данного изобретения компоновка управления направлением движения и способ, описанный в данном документе, обеспечивают создание управляемой по направлению движения бурильной компоновки с диаметром, по существу, одинаковым с диаметром бурильной колонны. С исключением любых наружных выступающих частей, например, исполнительных механизмов и т.п., компоновка управления направлением движения, описанная в данном документе, может проходить через важное скважинное оборудование, например противовыбросовые превенторы, без его повреждения. Поэтому, настоящее изобретение успешно адаптируется для решения упомянутых задач и реализации указанных преимуществ и в других аспектах. Частные варианты осуществления, раскрытые выше, являются только иллюстративными, поскольку настоящее изобретение можно модифицировать и практически реализовать отличающимися, но эквивалентными способами, понятными специалисту в данной области техники, использующему идеи, изложенные в данном документе. Кроме того, не налагается ограничений по деталям конструкции или конструктивным решениям, показанным в данном документе, кроме указанных в формуле изобретения, приведенной ниже. Поэтому очевидно, что частные иллюстративные варианты осуществления, раскрытые выше, можно менять или модифицировать, и все такие вариации рассматриваются относящимися к объему и сущности настоящего изобретения. Также термины в формуле изобретения имеют свое простое общепринятое значение, если иное ясно и четко не указано заявителем. Неопределенные артикли "a" или "an", примененные в формуле изобретения, означают в данном документе один или больше одного элемента, который предваряют. Дополнительно, термины "соединение" или "соединенный" или любая обычная вариация их применения в подробном описании или формуле изобретения не ограничивается прямым соединением. Два элемента могут соединяться не напрямую и считаться соединенными в объеме подробного описания и формулы изобретения.