СИСТЕМА СВЯЗИ ДЛЯ СКВАЖИН С БОЛЬШИМ ОТХОДОМ
COMMUNICATION SYSTEM FOR EXTENDED REACH WELLS

ССЫЛКА НА СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ
[1] Данная заявка испрашивает приоритет по заявке U.S. №13/472852, выложена 16 мая 2012 г., которая полностью включена в данном документе в виде ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[2] В бурении и заканчивании скважин с большим отходом их могут строить за пределами практической досягаемости гибкой насосно-компрессорной трубы, линий управления и других систем связи управления и мониторинга. Данные скважины с большим отходом могут иметь боковые или горизонтальные отходы более 10000 футов (3050 м), некоторые превышают даже 40000 футов (12200 м) с применением современной технологии. В результате забойные данные, важные для эффективного выполнения работ на забое, такие как температура, давление, расход, соотношение нефть/вода и т.д., нельзя измерить и передать на поверхность. Кроме того, скважинными устройствами, например как муфтами, штуцерами, клапанами, пакерами, регуляторами притока и т.д., операторы на поверхности не могут дистанционно управлять. Отрасли нужны системы, обеспечивающие передачу данных для мониторинга и управления устройствами в скважинах и стволах скважин с большим отходом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[3] Забойная система связи для ствола скважины с большим отходом, включающая в себя блок оператора, функционально выполненный с возможностью обеспечения по меньшей мере одного из дистанционного мониторинга и управления по меньшей мере одним устройством, установленным в стволе скважины с большим отходом; первый коммуникатор, установленный в наклонно-направленном с большим зенитным углом удлинении ствола скважины и выполненный с возможностью приема или передачи сигнала, по меньшей мере сигнала с или на по меньшей мере одно устройство; и второй коммуникатор, пространственно удаленный от ствола скважины, причем первый коммуникатор и второй коммуникатор установлены по существу в вертикальной плоскости, проходящей вдоль длины наклонно-направленного с большим зенитным углом удлинения, второй коммуникатор функционально поддерживает связь для передачи сигналов как с первым коммуникатором, так и с блоком оператора для обеспечения передачи сигналов между первым коммуникатором и блоком оператора через второй коммуникатор.
[4] Способ заканчивания скважины с большим отходом, включающий в себя размещение первого коммуникатора в стволе скважины с большим отходом; размещение устройства в стволе скважины с большим отходом, причем устройство поддерживает связь для передачи сигналов с первым коммуникатором; размещение второго коммуникатора, пространственно удаленного от ствола скважины, причем второй коммуникатор поддерживает связь для передачи сигналов с блоком оператора скважины; и поддержание связи между устройством и блоком оператора через первый и второй коммуникаторы.
[5] Способ передачи данных на забое в стволе скважины с большим отходом, включающий в себя поддержание связи между блоком оператора скважины и первым коммуникатором, установленным в наклонно-направленном с большим зенитным углом удлинении ствола скважины, через второй коммуникатор, причем первый коммуникатор по существу расположен в одной плоскости со вторым коммуникатором, плоскость проходит вертикально и вдоль наклонно-направленного с большим зенитным углом удлинения, второй коммуникатор пространственно удален от ствола скважины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[6] Следующие описания не следует считать ограничивающими. На прилагаемых чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.
[7] На Фиг. 1 схематично показана забойная система связи для ствола скважины с большим отходом.
[8] На Фиг. 2 показано сечение системы в общем по линии 2-2 на Фиг. 1.
[9] На Фиг. 3 показан вид сверху системы в общем по линии 3-3 на Фиг. 1.
[10] На Фиг. 4 схематично показана система согласно другому варианту осуществления, раскрытому в данном документе.
[11] На Фиг. 5 схематично показана система Фиг. 4, имеющая первый изолирующий хвостовик, стыкующийся со вторым изолирующим хвостовиком.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[12] Подробное описание вариантов осуществления устройства и способа представлено в данном документе в виде примера и без ограничений описанием и прилагаемыми фигурами.
[13] На Фиг. 1 показaна система связи 10 для обеспечения передачи данных в стволе скважины или скважине 12. В одном варианте осуществления ствол 12 скважины является стволом скважины с большим отходом, имеющим вертикальную секцию 14 и наклонно-направленный отвод или удлинение 16 с большим зенитным углом. Термин "наклонно-направленный с большим зенитным углом" означает, что удлинение 16 бурится со значительным уходом от вертикали. Удлинение 16 может буриться в направлении, которое в общем является горизонтальным, как боковой ствол, перпендикулярный вертикальной секции 14 и т.д. или который иначе приближается или аппроксимируется с таким направлением. По данной причине наклонно-направленное с большим зенитным углом удлинение 16 может альтернативно называться горизонтальным или боковым удлинением 16, хотя понятно, что фактическое направление удлинения 16 может меняться в различных вариантах осуществления. Фактическая вертикальная глубина (TVD) ствола 12 скважины определяется вертикальной секцией 14, и горизонтальная или наклонная глубина или смещение (HD) определяется длиной удлинения 16 (как указано выше, "горизонтальная" глубина может не принадлежать строго горизонтальному направлению и может вместо этого принадлежать другому направлению, отклоняющемуся от вертикали), при этом общая глубина скважины является эквивалентом суммы фактической вертикальной глубины и горизонтальной глубины. В одном варианте осуществления общая глубина скважины составляет по меньшей мере 10000 футов (3050 м), что представляет практическое ограничение для применения гибкой насосно-компрессорной трубы и линий управления в данном типе скважины. Как отмечено выше, общая глубина может превышать 40000 футов (12200 м). Фактическая вертикальная глубина для типичных скважин с большим отходом на основе современной технологии составляет около 3000-10000 фут (915-3050 м), хотя можно использовать другие глубины , например, требуемые по геологическим условиям.
[14] Ствол 12 скважины выполняется проходящим через геологическую среду или пласт 18 от поверхности 20. Например, пласт 18 может являться участком геологической среды, содержащей включения, промывочный раствор, скальную породу, песок и т.д., и поверхность 20 может являться участком поверхности геологической среды либо на земле или на дне водоема. В одном варианте осуществления поверхность 20 является океанским дном, т.е. границей ила. Трубную колонну 22 устанавливают проходящей через ствол 12 скважины, например, для получения текучих сред, таких как углеводороды. В показанном варианте осуществления блок 24 управления, мониторинга или оператора установлен на или вблизи устья, входа или оборудования устья ствола 12 скважины. Например, блок 24 может включать в себя или быть включенным в состав оборудования устья скважины, буровой установки, блоков управления оператора, связанного оборудования и т.д., которые обеспечивают управление и/или контроль скважинных инструментов, устройств, параметров, условий и т.д. Вне зависимости от конкретных вариантов осуществления операторы системы 10 поддерживают связь сигналами и/или передачей данных с блоком 24, например, с помощью различных вычислительных устройств, панелей управления, дисплеев, систем мониторинга и т.д., известных в технике. Естественно, блок 24 управления, мониторинга или оператора может располагаться в других местах для обеспечения управления на забое скважины и/или мониторинга, указанного выше (например, как рассмотрено более подробно ниже и показано на Фиг. 4 и 5).
[15] Множество устройств 26 включено в состав ствола 12 скважины по его длине. Устройства 26 показаны схематично и могут включать в себя любые комбинации инструментов, устройств, компонентов или механизмов, выполненных с возможностью приема и/или передачи сигналов для ведения работ любой фазы жизненного цикла ствола 12 скважины, в том числе, например, бурения, заканчивания, эксплуатации и т.д. Устройства 26 могут включать в себя датчики (например, для мониторинга давления, температуры, расхода, состава воды и/или нефти, диэлектрических свойств или сопротивления скважинных текучих сред и т.д.), штуцеры, клапаны, муфты, регуляторы притока, пакеры или другие управляемые элементы и т.д., а также комбинации, включающие в себя любое из вышеупомянутого. Например, в одном варианте осуществления устройства 26 являются пакерами, которые можно дистанционно устанавливать в рабочее положение для цементирования с помощью блока 24 оператора. Устройства 26 могут дополнительно содержать датчики для мониторинга такого цементирования. Разумеется, можно вести мониторинг любых других работ, например гидроразрыва пласта, добычи и т.д., или контролировать устройства, применяемые в данных работах.
[16] В традиционных скважинах общая глубина делает оправданным устройство беспроводной и/или проводной связи даже с самыми удаленными местами работы в таких скважинах. Вместе с тем в случае скважин с большим отходом невозможно или практически неосуществимо на основе современной технологии поддерживать связь с удаленными местами проведения работ, например, в конце или даже в средней части имеющей глубину 40000 футов (12200 м) горизонтальной или близкой к горизонтальной скважине с большим отходом. Для большинства ситуаций глубина около 10000 футов (3050 м) представляет практически предел для спуска в скважину гибкой насосно-компрессорной трубы, линий управления или других систем связи. Предпочтительно, настоящее изобретение, раскрытое в данном документе, обеспечивает передачу сигналов между устройствами, блоками, коммуникаторами и т.д. (например, между устройствами 26 и блоком 24), что невозможно с применением для передачи известных систем.
[17] Один или несколько забойных коммуникаторов 28 оборудуют вдоль колонны 22 для создания перемычки на разрыве связи между устройствами 26 и блоком 24. Коммуникаторам 28 присвоены индивидуальные ярлыки коммуникаторов 28a, 28b, 28c и т.д. Коммуникаторы 28 показаны схематично и могут содержать любое устройство, компоновку, систему и т.д. для обеспечения связи через геологическую среду 18. Например, коммуникаторы 28 могут включать в себя передатчики, приемники, приемопередатчики, антенны, расстановки электродов, электрические катушки и т.д. для поддержания электромагнитной связи через геологическую среду 18. Коммуникаторы 28 можно устроить согласно любым известным методикам электромагнитной телеметрии, например, пропуская ток через по меньшей мере участок трубной колонны 22 и геологическую среду 18 для замыкания цепи и обеспечения передачи сигналов в форме импульсов тока или т.п., подлежащих приему и раскодированию, интерпретации или преобразованию в данные. Любое подходящее число устройств 26 и/или коммуникаторов 28 можно включить в состав вдоль ствола 12 скважины, и система 10 на Фиг. 1 показaна только как один пример. В одном варианте осуществления единицы устройств 26 интегрированы с единицами коммуникаторов 28. Источник электропитания, например батарея, коллектор рассеянной энергии, тепловой элемент, химический состав, вступающий в реакцию со скважинными текучими средами или в скважинных условиях и т.д., может включаться в цепь для питания устройств 26 и/или коммуникаторов 28 и 30.
[18] Для преодоления проблем скважин с большим отходом и обеспечения связи между блоком 24, который доступен операторам на поверхности, и устройствами 26 в стволе 12 скважины система 10 включает в себя один или несколько коммуникаторов 30 на или вблизи поверхности 20 (коммуникаторы 30 с индивидуальными ярлыками коммуникаторов 30a, 30b, 30c и т.д.). Хотя они удалены от блока 24 управления/мониторинга, в показaнном варианте осуществления, поскольку коммуникаторы 30 установлены на или вблизи поверхности 20, относительно простой задачей является обеспечение связи операторов и/или компоновки 24 с помощью проводных или беспроводных систем, например с прокладкой кабеля по морскому дну. Даже если коммуникаторы 30 на поверхности зарыты на некоторую глубину от поверхности 20 (для защиты коммуникаторов, для установления лучшей связи с забойными коммуникаторами 28 и т.д.), все равно такой вариант является относительно простым и недорогим в сравнении с прокладкой линии управления или другой системы связи длиной в десятки тысяч футов. Таким образом, при пространственном удалении от ствола 12 скважины (например, без установки на оборудование устья скважины или устье ствола 12 скважины) коммуникаторы 30 относительно легко устанавливаются и могут поддерживать связь как с забойными устройствами 26 (через забойные коммуникаторы 28), так и с блоком 24 управления/мониторинга на поверхности, при этом обеспечивая требуемое управление и мониторинг работ на забое.
[19] В показанном варианте осуществления коммуникаторы 28 и 30 расположены парами, т.е. с коммуникатором 28a, соответствующим коммуникатору 30a, коммуникатором 28b, соответствующим коммуникатору 30b, и т.д. Такие пары можно не использовать в других вариантах осуществления, хотя расположение коммуникаторов 28 и 30 в парах обеспечивает выполнение относительно короткого пути связи для поддержания лучшей связи между ними, как рассмотрено более подробно ниже. Устройства 26 могут соответствовать одной или нескольким парам коммуникаторов 28 и 30 или одно или несколько устройств может соответствовать каждой паре коммуникаторов 28 и 30 для конечного обеспечения связи между забойными устройствами 26 и блоком 24 управления/мониторинга.
[20] В одном примере варианта осуществления устройства 26 включают в себя один или несколько пакеров и один или несколько датчиков, связанных с ними. Датчики можно использовать для информирования операторов скважины о скважинных условиях вблизи каждого из пакеров. Если условия соответствуют некоторым критериям, может потребоваться оставление некоторых пакеров не приведенными в рабочее положение, например не отсекающими гидростатическое давление. Если скважинные условия соответствуют другим критериям, может потребоваться изоляция некоторых зон или интервалов и операторы могут использовать коммуникаторы 28 и 30 для передачи сигналов с блока 24 оператора для приведения в действие выбранных пакеров. Таким образом, настоящее изобретение можно применять, обеспечивая операторам выборочную изоляцию конкретных зон в скважине или требуемых областей в режиме реального времени в ответ на условия в скважине. Другой пример включает в себя цементирование в скважине с большим отходом, где забойные устройства 26 в форме датчиков транслируют информацию по давлению в цементе и т.п. Разумеется, можно применять комбинации указанного и другие варианты, например, упомянутое выше выборочное приведение в действие пакеров можно в плановом порядке применять в цементировании для создания эффективного цементного крепления по длине ствола 12 скважины.
[21] Коммуникаторы 30 устанавливают относительно забойных коммуникаторов 28 так, что расстояние между ними является достаточно коротким для обеспечения связи через геологическую среду 18, например, с помощью электромагнитной телеметрии. Места для установки коммуникаторов 30 можно лучше понять из Фиг. 1-3. На Фиг. 2 и 3 показано, что плоскость 32 определяется горизонтальным удлинением 16 ствола 12 скважины. Иначе говоря, плоскость 32 проходит вдоль длины удлинения 16 и вертикально, как показано. В идеале установка коммуникаторов 30 на самых коротких возможных расстояниях от соответствующих коммуникаторов 28 обеспечивает наилучшую передачу сигнала между ними. В большинстве случаев указанное должно получаться при расположении обоих коммуникаторов 28 и 30 в плоскости 32, когда коммуникаторы 30 расположены по вертикали над коммуникаторами 28. Неизбежно вместе с тем возникновение некоторого отклонения или несовпадения, например, поверхность 20 не является плоской, местоположение горизонтального удлинения 16 относительно поверхности 20 можно вычислять, обнаруживать или определять только с некоторой погрешностью, природные свойства геологической среды 18 мешают электромагнитной телеметрии или прохождению других сигналов и т.д. Даже принимая указанное во внимание, согласно настоящему изобретению коммуникаторы 28 и коммуникаторы 30 следует устанавливать по существу в плоскости 32. Термин "по существу в" плоскости 32 означает, что коммуникаторы 28 и 30 располагаются в плоскости 32 или иначе - примыкающими сбоку к плоскости 32, смежно или вблизи плоскости 32, например, по любым из причин, рассмотренных выше. Дополнительное указание по установке коммуникаторов 30 относительно коммуникаторов 28 приведено ниже.
[22] Согласно вариантам осуществления, показанным на Фиг. 1-3, коммуникаторы 30 можно устанавливать в некотором объемe, определенном коммуникаторами 28 (и/или стволом 12 скважины). Например, на Фиг. 2 и 3 показано, что определен объем 34 в форме треугольной призмы, имеющей гребень, образованный линией в плоскости 32, соединяющей забойные коммуникаторы 28 (то есть проходящей горизонтально вдоль удлинения 16 ствола 12 скважины). Основание объема 34 в форме треугольной призмы расположено на поверхности 20 и имеет форму прямоугольной площади 36, показанной на Фиг. 3. Также объем 34 определяется углом θ на гребне (т.е. на забойных коммуникаторах 28), который устанавливает размеры прямоугольной площади 36, которая образует основание объема 34. Угол θ устанавливается относительно одной или нескольких вертикальных линий или осей, лежащих в плоскости 32 и проходящих от гребня, например, забойных коммуникаторов 28. Констатируем, что угол θ может также соответствовать площади 38 круга, который обеспечивает еще более точное совмещение забойных коммуникаторов 28 и коммуникаторов 30 на поверхности, как рассмотрено ниже. При установке коммуникаторов 30 в объемe 34 можно надежно поддерживать связь между забойными коммуникаторами 28 и блоком управления и/или мониторинга. В предпочтительных вариантах осуществления максимальный угол θ должен составлять около 15 градусов для обеспечения надлежащей связи между забойными коммуникаторами 28 и коммуникаторами 30 на поверхности, также обеспечивая корректировки или отклонения, например, вследствие конкретной имеющейся геометрии или других факторов, рассмотренных выше.
[23] На Фиг. 1 и 3 показано, что определяется конусообразный объем 40, соответствующий каждому из коммуникаторов 28 (объем 40a, соответствующий коммуникатору 28a, объем 40b, соответствующий коммуникатору 28b, и т.д.). Объемы 40 образуют часть объема 36 в форме призмы, причем каждый имеет основание, образованное кругом 38, таким образом создавая более точное совмещение коммуникаторов 28 и 30. В качестве одного конкретного примера, гребень для конусообразного объема 40a устанавливается на коммуникаторе 28a и основание объема 40a образуется на поверхности 20 кругом 38a. Угол α, образованный в плоскости, перпендикулярной плоскости 32, можно использовать для описания конусообразного объема 40a (например, поворачивая угол α вокруг вертикальной оси 42, лежащей в плоскости 32 и проходящей от коммуникатора 28a). Альтернативно, угол θ можно аналогично использовать для определения площадей 38. В одном варианте осуществления площади, образующие основания объемов, могут быть эллипсоидальными, образованными с учетом углов α и θ, или они могут иметь другую форму. Объемы 40b, 40c и т.д. для других коммуникаторов 28 можно определять аналогично изложенному выше. В предпочтительных вариантах осуществления максимальный угол должен составлять около 15 градусов.
[24] Крепление ствола скважины с большим отходом традиционными способами является нецелесообразным, поскольку силы трения на хвостовике становятся непреодолимо высокими при спуске хвостовика в ствол скважины. Другими словами, хвостовики слишком трудно продавливать на глубину десятков тысяч футов в ствол скважины. Система 100 согласно одному варианту осуществления, показанная на Фиг. 4 и 5, обеспечивает выполнение крепления ствола 12 скважины. В данном варианте осуществления относительно короткие секции хвостовика или изолирующие хвостовики 102 спускаются в ствол 12 скважины на трубной колонне 22, которая может являться колонной капремонта, бурильной колонной и т.д. На Фиг. 4 первый изолирующий хвостовик 102a показан на конце горизонтальной или наклонно-направленной секции 16 ствола 12 скважины. После установки хвостовика в нужном месте колонну 22 можно убирать.
[25] Когда колонна 22 удалена, изолирующий хвостовик 102a полностью отсоединен от колонны 22 и, таким образом, связь с хвостовиком 102a невозможна с помощью обычного средства. Соответственно, хвостовик 102a оборудуется забойным коммуникатором 28y, что обеспечивает поддержание связи с коммуникатором 30y на поверхности (коммуникаторы 28y и/или 30y устроены согласно описанию, приведенному выше, и показаны на Фиг. 1-3). Таким образом, предпочтительно настоящее изобретение обеспечивает поддержание связи с забоем, даже если компонент, на котором коммуникатор 28 и/или устройство 26 установлены, физически отсоединен от оборудования устья скважины, как показано на Фиг. 4. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 4, блок 104 мониторинга, управления и/или оператора устанавливается на поверхности 20. Блок 104 в общем напоминает блок 24, рассмотренный выше, т.е. поддерживает связь с забоем для обеспечения управления и/или мониторинга забойных устройств, но установлен на расстоянии от оборудования устья скважины или устья ствола скважины. При выставлении блока 104 в общем вдоль плоскости 32, но на расстоянии от оборудования устья скважины более короткие кабели или менее громоздкие беспроводные компоновки можно применять для поддержания связи с соседними коммуникаторами (например, коммуникатором 30y, смежным коммуникатором на поверхности 30z и т.д.) вместо прокладки кабелей или ретрансляции беспроводных сигналов по всему расстоянию обратно к оборудованию устья скважины.
[26] Если требуется крепление по всей длине ствола 12 скважины, следующий изолирующий хвостовик или секцию хвостовика, например второй изолирующий хвостовик 102b, можно спустить в ствол 12 скважины и состыковать с первым изолирующим хвостовиком 102a. Колонну 22 можно убрать и данный процесс можно повторить десятки или даже сотни раз, сколько необходимо, например, для полного крепления или оборудования хвостовиком всей длины ствола 12 скважины, начиная от конца ствола скважины и проводя работы в направлении оборудования устья скважины или устья.
[27] Поскольку изолирующие хвостовики или секции хвостовика, например позиции 102a и 102b, могут иметь длину в тысячи или десятки тысяч футов в стволе 12 скважины, для операторов на поверхности может являться затруднительным или невозможным обеспечить точную стыковку хвостовиков. Например, у оператора может отсутствовать возможность определения факта прохождения стыковки между хвостовиками 102a и 102b, прихвата колонны 22 или следующего хвостовика 102b или их блокирования препятствием в стволе 12 скважины. Предпочтительно согласно варианту осуществления Фиг. 4 и 5 изолирующие хвостовики 102a и/или 102b оборудованы механизмом 106 обнаружения стыковки. Например, механизм 106 может являться простой электромеханической защелкой, которая вдавливается или приводится в действие вторым хвостовиком 102b, когда последний вставляется в первый хвостовик 102a. Разумеется, секции хвостовика могут включать в себя различные другие детекторы или датчики, установленные в одной или обеих стыкующихся секциях хвостовика для установления, что стыковка между двумя секциями хвостовика достигнута. Например, механизм 106 может альтернативно включать в себя: радиочастотную метку и считывающее устройство; элемент наведения магнитного поля (например, постоянный магнит) и магнитный фиксатор или датчик магнитного поля (например, датчик на основе эффекта Холла); датчик движения; источник света и фотоэлемент и т.д. Источник электропитания, например батарея, коллектор рассеянной энергии, тепловой элемент, химический состав, вступающий в реакцию со скважинными текучими средами или в условиях в скважине и т.д., может включаться в состав изолирующих хвостовиков 102 для электропитания механизмов 106, коммуникатора 30y и т.д. После обнаружения стыковки с механизмом 106 передается сигнал на забойный коммуникатор 28y, который интегрирован в или иначе соединен с механизмом 106. Сигнал затем транслируется коммуникатором 28y через геологическую среду 18 на коммуникатор 30y на поверхности и с коммуникатора 30y на блок 104 оператора, например, где оператор может принять аудиовизуальное или другое подтверждение стыковки хвостовиков.
[28] Хотя изобретение описано ниже на примере предпочтительных вариантов осуществления, специалисту в данной области техники понятно, что можно выполнять различные изменения и замены эквивалентными элементами без отхода от объема изобретения. В дополнение, можно выполнять многочисленные модификации для приспособления идей изобретения к конкретной ситуации или материалу без отхода по существу от его объема. Поэтому изобретение не ограничено конкретными раскрытыми вариантами как наилучшими предложенными вариантами осуществления данного изобретения, но изобретение должно включать в себя все варианты осуществления, охваченные объемом формулы изобретения. Также в чертежах и описании раскрыты примеры вариантов осуществления изобретения и, хотя применены конкретные термины, они, если иное специально не указано, используются только в своем общепринятом и описательном смысле и не для ограничения объема изобретения. Кроме того, использование терминов первый, второй и т.д. не указывает порядка или важности, здесь термины первый, второй и т.д. используются для придания отличия элементам друг от друга. Кроме того, использование неопределенных артиклей и термина и т.д. не указывает на ограничения количества, но указывает на присутствие по меньшей мере одной указанной позиции.