КЛАПАНЫ, КОМПОНОВКИ НИЗА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ И СПОСОБЫ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ПРИВЕДЕНИЯ В ДЕЙСТВИЕ ДВИГАТЕЛЯ
VALVES OF BOTTOM-HOLE ASSEMBLY AND METHOD FOR SELECTIVE ACTUATION OF MOTOR

Предпосылки изобретения
Забойные турбинные двигатели являются мощными источниками энергии, используемыми в операциях бурения для вращения бурового долота, генерирования электроэнергии и т.п. Скорость и крутящий момент, создаваемые забойным турбинным двигателем, зависят от его конструктивного исполнения и подачи промывочного раствора (бурового раствора) в забойный турбинный двигатель. Управление данными параметрами осуществляют с наземного оборудования скважины, регулируя интенсивность подачи и давление бурового раствора и корректируя осевую нагрузку на долото. Точность управления с помощью данных методик является неудовлетворительной. Двигатели могут глохнуть и скорость их может меняться вследствие нагрузки и перемещения бурильной колонны. Соответственно, существует необходимость создания устройств и способов для более надежного и точного управления работой забойного турбинного двигателя.
Сущность изобретения
Объектами настоящего изобретения являются клапаны, компоновки низа бурильной колонны и способы избирательного приведения в действие двигателя.
В одном аспекте создан клапан, содержащий цилиндр, имеющий внутреннее пространство с круглым поперечным сечением, впускное отверстие, выпускное отверстие, перепускное отверстие, первый диск, размещенный с возможностью вращения в цилиндре, и второй диск, размещенный с возможностью вращения в цилиндре и прижатый к первому диску для выборочного образования уплотнения. Первый диск и второй диск имеет дроссельное отверстие.
Клапан может иметь различные варианты осуществления. В одном варианте осуществления цилиндр образует ближний конец и дальний конец, впускное отверстие и перепускное отверстие расположены вблизи дисков и выпускное отверстие расположено на расстоянии от дисков. Диски могут иметь, по существу, круговой профиль. Дроссельное отверстие может быть ограничено круговым профилем дисков. В некоторых вариантах осуществления дроссельное отверстие имеет, по существу, секторную форму.
Первый диск может быть соединен с первым шпинделем, и второй диск может быть соединен со вторым шпинделем. Диски могут быть сжаты вместе шпинделями. Диски могут быть сжаты вместе одной или несколькими пружинами. Диски могут быть сжаты вместе с помощью одного или нескольких подшипников.
Диски могут включать в себя износостойкий материал. Первый диск может быть соединен с блоком управления. Второй диск может быть соединен с ротором в двигателе. Выпускное отверстие может сообщаться с двигателем. Впускное отверстие может сообщаться с внутренней полостью бурильной колонны. Перепускное отверстие может сообщаться с внутренней полостью бурильной колонны.
В другом аспекте создана компоновка низа бурильной колонны, содержащая двигатель, включающий в себя ротор и статор, клапан, включающий в себя цилиндр, имеющий внутреннее пространство с круглым поперечным сечением, впускное отверстие, выпускное отверстие, перепускное отверстие, первый диск, размещенный с возможностью вращения в цилиндре и имеющий дроссельное отверстие, и второй диск, размещенный с возможностью вращения в цилиндре, прижатый к первому диску для выборочного образования уплотнения и имеющий дроссельное отверстие и блок управления. Первый диск соединен с блоком управления. Второй диск соединен с ротором. Выпускное отверстие сообщено со статором.
Компоновка низа бурильной колонны может иметь различные варианты осуществления. В одном варианте осуществления впускное отверстие сообщено с источником текучей среды. Источником текучей среды может являться внутренняя полость компоновки низа бурильной колонны. Перепускное отверстие может сообщаться с внутренней полостью.
В другом аспекте изобретения создан способ избирательного приведения в действие двигателя, включающего в себя ротор и статор. Способ содержит создание клапана, включающего в себя цилиндр, имеющий внутреннее пространство с круглым поперечным сечением, впускное отверстие, выпускное отверстие, перепускное отверстие, первый диск, размещенный с возможностью вращения в цилиндре и имеющий дроссельное отверстие, и второй диск, размещенный с возможностью вращения в цилиндре, прижатый к первому диску для выборочного образования уплотнения и имеющий дроссельное отверстие, создание блока управления, соединенного с первым диском, и избирательное приведение в действие блока управления для поворота первого диска в нужное положение для обеспечения избирательной подачи текучей среды через дроссельные отверстия и к двигателю. Второй диск соединен с ротором. Выпускное отверстие сообщено с двигателем.
Описание чертежей
Для более полного понимания сущности и задач, решаемых настоящим изобретением, ниже приведено подробное описание со ссылками на приложенные чертежи. На прилагаемых чертежах одинаковыми позициями обозначены соответствующие части по всем фигурам. На чертежах показано следующее.
На фиг.1 показана система буровой площадки, в которой можно использовать настоящее изобретение.
На фиг.2A и 2B показано поперечное сечение клапана с торцовым уплотнением согласно одному варианту осуществления изобретения.
На фиг.3A-3D показано взаимодействие дисков в цилиндре согласно одному варианту осуществления изобретения.
На фиг.4 показано поперечное сечение компоновки низа бурильной колонны, включающей в себя забойный двигатель и клапан, согласно одному варианту осуществления изобретения.
На фиг.5 показан способ избирательного приведения в действие двигателя согласно одному варианту осуществления изобретения.
Подробное описание изобретения
Объектами изобретения являются клапаны, компоновки низа бурильной колонны и способы избирательного приведения в действие двигателя. Различные варианты осуществления изобретения могут быть использованы в системах буровой площадки.
Система буровой площадки
На фиг.1 показана система буровой площадки, на которой настоящее изобретение можно использовать. Буровая площадка может быть сухопутной или морской. В данном варианте системы ствол 11 скважины выполнен в подземных пластах с помощью роторного бурения хорошо известным способом. В вариантах осуществления изобретения можно также использовать наклонно-направленное бурение, как описано ниже в данном документе.
Бурильная колонна 12 подвешена в стволе 11 скважины и имеет компоновку низа бурильной колонны (КНБК) 100, которая включает в себя буровое долото 105 на своем нижнем конце. Наземная часть системы включает в себя компоновку 10 основания и вышки, установленные над стволом 11 скважины, и включающую в себя ротор 16, ведущую бурильную трубу 17, крюк 18 и вертлюг 19. Бурильную колонну 12 вращает ротор 16, приводимый в действие средством, которое не показано, и соединенный с ведущей бурильной трубой 17 на верхнем конце бурильной колонны. Бурильная колонна 12 подвешена на крюке 18, прикрепленном к талевому блоку (также не показано) через ведущую бурильную трубу 17 и вертлюг 19, что обеспечивает вращение бурильной колонны относительно крюка. Известно, что можно альтернативно использовать систему верхнего привода.
В данном варианте осуществления наземная система дополнительно включает в себя буровой раствор или промывочный раствор 26, находящийся в емкости 27 на буровой площадке. Насос 29 подает буровой раствор 26 внутрь бурильной колонны 12 через отверстие в вертлюге 19, обуславливая перемещение бурового раствора вниз через бурильную колонну 12, как показано стрелкой 8. Буровой раствор выходит из бурильной колонны 12 через отверстия в буровом долоте 105 и затем циркулирует вверх через зону кольцевого пространства между наружной поверхностью бурильной колонны и стенкой ствола скважины в направлении, показанном стрелками 9. В данном хорошо известном способе буровой раствор смазывает буровое долото 105 и уносит на поверхность выбуренную породу при возврате в емкость 27 для повторной циркуляции.
Компоновка 100 низа бурильной колонны показанного варианта осуществления включает в себя модуль 120 каротажа во время бурения, модуль 130 измерений во время бурения, роторную управляемую систему и двигатель и буровое долото 105.
Модуль 120 каротажа во время бурения размещен в известной специальной утяжеленной бурильной трубе и может содержать один или множество известных каротажных инструментов. Следует также понимать, что несколько модулей каротажа во время бурения и/или измерений во время бурения можно использовать, например, как представлено позицией 120A. Ссылки на модуль 120 могут альтернативно также означать модуль позиции 120A. Модуль каротажа во время бурения имеет возможность измерения, обработки и хранения информации, а также осуществления связи с наземным оборудованием. В настоящем варианте осуществления модуль каротажа во время бурения включает в себя устройство измерения давления.
Модуль 130 измерений во время бурения также размещен в известной специальной утяжеленной бурильной трубе и может содержать одно или несколько устройств для измерения характеристик бурильной колонны и бурового долота. Инструмент измерений во время бурения дополнительно включает в себя устройство (не показано) для генерирования электроэнергии для скважинной системы. Такое устройство может обычно включать в себя забойный турбогенератор (также известный как «забойный турбинный двигатель»), приводимый в действие потоком бурового раствора, при этом следует понимать, что и другие системы электропитания и/или батареи можно использовать. В настоящем варианте осуществления модуль измерений во время бурения включает в себя одно или несколько следующих измерительных устройств: устройство измерения осевой нагрузки на долото, устройство измерения крутящего момента, устройство измерения вибрации, устройство измерения ударной нагрузки, устройство измерения прихвата и проскальзывания, устройство измерения азимута и инклинометр.
В частности, предпочтительным является использование системы в сочетании с управлением направлением бурения или «наклонно-направленным бурением». В данном варианте осуществления создана подсистема 150 роторного управляемого бурения (фиг.1). Наклонно-направленное бурение является намеренным отклонением ствола скважины от естественной траектории. Другими словами, наклонно-направленное бурение является управлением направлением бурильной колонны так, что колонна перемещается в нужном направлении.
Наклонно-направленное бурение является, например, предпочтительным в морском бурении, поскольку обеспечивает бурение множества скважин с одной платформы. Наклонно-направленное бурение также обеспечивает горизонтальное бурение через коллектор. Горизонтальное бурение обеспечивает пересечение коллектора отрезком большей длины ствола скважины, что увеличивает дебит скважины.
Систему наклонно-направленного бурения можно также использовать в вертикальном бурении. Часто буровое долото отклоняется от заданного направления проектной траектории бурения по причине непредсказуемого характера пластов проходки или изменения сил, действующих на буровое долото. Когда такое отклонение происходит, систему наклонно-направленного бурения можно использовать для приведения бурового долота обратно на нужный курс.
Известный способ наклонно-направленного бурения включает в себя использование роторных управляемых систем. В данных системах бурильную колонну вращают с поверхности, и забойные устройства обеспечивают бурение буровым долотом в нужном направлении. Вращение бурильной колонны значительно уменьшает возможность застревания бурильной колонны или прихвата во время бурения.
Роторные управляемые системы для бурения наклонно-направленных стволов скважины в геологической среде можно в общем классифицировать как системы с направлением долота или «отклонением долота».
В системе с направлением долота ось вращения бурового долота отклоняется от локальной оси компоновки низа бурильной колонны в общем направлении нового ствола. Проводку ствола выполняют согласно обычной трехточечной геометрии, образованной верхней и нижней точками касания центратора с жесткими лопастями и буровым долотом. Угол отклонения оси бурового долота в соединении с конечным расстоянием между буровым долотом и нижним центратором обеспечивает в результате условие неколлинеарности, требуемое для создания кривой. Существует много способов достижения данного условия, включающих в себя фиксированное искривление в точке компоновки низа бурильной колонны вблизи нижнего центратора или изгиб приводного вала бурового долота между верхним и нижним центратором. В идеализированной форме, от бурового долота не требуется бокового разрушения породы, поскольку ось долота непрерывно поворачивается в направлении искривленного ствола. Примеры роторных управляемых систем с позиционированием долота и способов управления ими описаны в патентах США № 6394193, 6364034, 6244361, 6158529, 6092610, и 5113953 и публикациях патентных заявок США № 2002/0011359 и 2001/0052428.
В роторной управляемой системе с отклонением долота обычно нет специально идентифицированного механизма для отклонения оси долота от локальной оси компоновки низа бурильной колонны; вместо этого требуемое условие неколлинеарности получают, обуславливая приложение внецентренного усилия верхним и/или нижним центратором или смещение в направлении предпочтительной ориентации относительно направления продвижения ствола. Также существуют многочисленные способы, которыми указанного можно достигать, включающие в себя использование невращающихся (относительно ствола) эксцентричных центраторов (подходы на основе смещения) и эксцентричных исполнительных механизмов, прикладывающих усилие к буровому долоту для необходимого управления направлением бурения. Также управление направлением получают, создавая условие неколлинеарности между буровым долотом и, по меньшей мере, двумя другими точками касания. В идеализированной форме от бурового долота требуется боковое разрушение породы для создания искривленного ствола. Примеры роторных управляемых систем с отклонением долота и способов их работы описаны в патентах США № 6089332, 5971085, 5803185, 5778992, 5706905, 5695015, 5685379, 5673763, 5603385, 5582259, 5553679, 5553678, 5520255 и 5265682.
Клапаны с торцовым уплотнением
На фиг.2A и 2B показано поперечное сечение клапана 200 с торцовым уплотнением. Клапан 200 с торцовым уплотнением включает в себя цилиндр 202, первый диск 204a и второй диск 204b.
Цилиндр 202 имеет внутреннюю зону 206, имеющую, по существу, круглое поперечное сечение, ближний конец 208 и дальний конец 210. Цилиндр 202 также включает в себя впускное отверстие 212, выпускное отверстие 214 и перепускное отверстие 216. Впускное отверстие 212 и перепускное отверстие 216 расположены вблизи диска 204. Выпускное отверстие 214 расположено на расстоянии от диска 204.
Диски 204 имеют, по существу, круговой профиль, стыкующийся, по существу, с проходящей по окружности стенкой цилиндра 202. Диски 204 включают в себя одно или несколько дроссельных отверстий 218 для обеспечения прохода текучей среды через клапан 200 из впускного отверстия 212 в выпускное отверстие 214, когда дроссельные отверстия 218 совмещены, как показано на фиг.2B.
Как показано на фиг.2A, когда диски 204 повернуты в положение, в котором дроссельные отверстия 218 не совмещены, текучая среда не может проходить через дроссельные отверстия 218 в выпускное отверстие 214 и вместо этого проходит через перепускное отверстие 216.
Как показано на фиг.2B, когда диски 204 повернуты в положение, в котором дроссельные отверстия 218 совмещены, текучая среда может проходить через дроссельные отверстия 218 и выходит из цилиндра 202 через выпускное отверстие 214.
Дроссельные отверстия 218 могут быть ограничены круговым профилем дисков 204, как показано на фиг.2A и 2B. Альтернативно, дроссельные отверстия 218 могут иметь секторную форму, как показано на фиг.3A и 3B.
Диски 204 могут вращаться различными устройствами, включающими в себя шпиндели 220.
Альтернативно, диски 204 могут вращаться с помощью электромагнитной муфты с источником энергии, установленным вне цилиндра 202.
Диски 204 сжаты вместе для образования, по существу, непроницаемого для текучей среды уплотнения, когда дроссельные отверстия 218 не сообщаются друг с другом. В некоторых вариантах осуществления диски 204 сжаты вместе давлением, приложенным к шпинделям 220. В других вариантах осуществления диски 204 сжаты вместе с помощью одной или нескольких пружин 222 в цилиндре 202 и/или одного или нескольких подшипников или других геометрических элементов 224 в цилиндре 202.
Цилиндр 202 и диски 204 предпочтительно сконструированы и/или имеют покрытие из износостойких материалов, выдерживающих воздействие трения во время вращения дисков 204 (например, между дисками 204 и между другими дисками 204 и цилиндром 202), высоких температур и/или абразивных текучих сред (например, бурового раствора). Подходящие износостойкие материалы включают в себя, но без ограничения этим, сталь, «высокоскоростную сталь», углеродистую сталь, бронзу, медь, железо, поликристаллические синтетические алмазы, наплавки твердым сплавом, керамику, карбиды, керамические карбиды, керметы и т.п. Подходящие покрытия описаны, например, в публикации патентной заявки США № 2007/0202350.
Первый диск 204a может быть соединен с блоком 226 управления, выполненным с возможностью управления приведением в действие клапана 200. В некоторых вариантах осуществления блок 226 управления удерживает первый диск 204a под геостационарным углом при вращении бурильной колонны.
Блок 226 управления может быть установлен на подшипник, обеспечивающий его свободное вращение вокруг оси компоновки низа бурильной колонны. Блок 226 управления согласно некоторым вариантам осуществления содержит измерительное оборудование, такое как акселерометр с измерением по трем осям и/или магниточувствительные датчики для измерения угла наклона и азимута компоновки низа бурильной колонны. Блок 226 управления может дополнительно осуществлять связь с датчиками, установленными в элементах компоновки низа бурильной колонны, так что датчики могут передавать характеристики пласта или данные динамики бурения в блок управления. Характеристики пласта могут включать в себя информацию по смежным геологическим пластам, собранную ультразвуковыми или радионуклидными устройствами визуализации, такими как рассмотренные в публикации патентной заявки США № 2007/0154341, которая включена в данный документ в виде ссылки. Данные динамики бурения могут включать в себя измерения вибрации, ускорения, скорости и температуры компоновки низа бурильной колонны.
В некоторых вариантах осуществления блок 226 управления программируют на поверхности для следования нужному углу наклона и азимутальному направлению. Продвижение компоновки низа бурильной колонны можно измерять с использованием систем измерений во время бурения и передавать на поверхность с помощью последовательностей пульсаций в буровом растворе, с помощью акустического или беспроводного способа передачи или с помощью проводного соединения. Если нужную траекторию изменяют, могут быть переданы новые требуемые инструкции. Системы связи в буровом растворе описаны в публикации патентной заявки США № 2006/0131030, которая включена в данный документ в виде ссылки. Подходящие системы имеются под маркой изготовителя POWERPULSE™ в компании Schlumberger Technology Corporation of Sugar Land, Texas.
Второй диск 204b может соединяться с ротором забойного двигателя 228. Выпускное отверстие 214 может сообщаться с двигателем так, что поток текучей среды из выпускного отверстия 214 обеспечивает вращение ротора забойного двигателя 228 и поворот второго диска 204b. Забойный двигатель 228 может вращать долото, устройство управления направлением бурения и т.п. в любом необходимом направлении. Например, забойный двигатель 228 может вращать буровое долото внизу бурильной колонны в направлении, противоположном направлению вращения бурильной колонны. Впускное отверстие 212 и перепускное отверстие 216 могут сообщаться с внутренней полостью бурильной колонны для приема и выпуска текучей среды.
Забойные двигатели описаны в различных публикациях, таких как патенты США № 7442019, 7396220, 7192260, 7093401, 6827160, 6543554, 6543132, 6527512, 6173794, 5911284, 5221197, 5135059, 4909337, 4646856, и 2464011; публикациях патентных заявок США № 2009/0095528, 2008/0190669, и 2002/0122722, и William C. Lyons et al., Air & Gas Drilling Manual: Applications for Oil & Gas Recovery Wells & Geothermal Fluids Recovery Wells § 11.2 (3d ed. 2009); G. Robello Samuel, Downhole Drilling Tools: Theory & Practice for Engineers & Students 288-333 (2007); Standard Handbook of Petroleum & Natural Gas Engineering 4-276-4-299(William C. Lyons & Gary J. Plisga eds. 2006); и 1 Yakov A. Gelfgat et al., Advanced Drilling Solutions: Lessons from the FSU 154-72 (2003).
На фиг.3A-3D показано взаимодействие дисков 304 в цилиндре 302 (показан пунктирными линиями). Первый диск 304a имеет дроссельное отверстие в виде сектора, занимающего 90°, а второй диск 304b имеет дроссельное отверстие в виде сектора, занимающего 180°.
Показанные на фиг.3A первый диск 304a установлен так, что его дроссельное отверстие расположено в верхнем правом углу, и второй диск 304b установлен так, что его дроссельное отверстие расположено в верхней половине цилиндра 302, если смотреть от дальнего конца 308.
Показанный на фиг.3B второй диск 304b повернут на 90° вследствие вращения забойного двигателя (не показано). Первый диск 304a также повернут на 90° блоком управления (не показано) для поддержания совмещения дроссельных отверстий для обеспечения подачи текучей среды к забойному двигателю.
Показанный на фиг.3C второй диск 304b повернут дополнительно на 90° вследствие вращения забойного двигателя (не показано). Первый диск 304a удерживается неподвижно блоком управления (не показано). В данный момент дроссельные отверстия не совмещены и текучая среда проходит через перепускное отверстие, а не к забойному двигателю.
Показанный на фиг.3D первый диск 304a повернут на 90° блоком управления (не показано) для восстановления совмещения со вторым диском 304b, остававшимся неподвижным вследствие прекращения потока через клапан 300. В данный момент дроссельные отверстия вновь совмещены и текучая среда может проходить через клапан 300 к забойному двигателю.
Компоновки низа бурильной колонны
На фиг.4 показано поперечное сечение компоновки 400 низа бурильной колонны, включающей в себя забойный двигатель 402 и клапан 404. Забойный двигатель 402 включает в себя ротор 406 и статор 408. Клапан 404 включает в себя цилиндр 410 с внутренней зоной 412, имеющей, по существу, круглое поперечное сечение, впускное отверстие 414, выпускное отверстие 416 и перепускное 418 отверстие. Клапан 404 также включает в себя первый диск 420a и второй диск 420b, размещенные во внутренней зоне 412 цилиндра 410. Каждый диск 420 имеет дроссельное отверстие 422, и эти отверстия могут совмещаться для обеспечения прохода текучей среды (показано сплошными стрелками) из внутренней полости 424 бурильной колонны 426 через впускное отверстие 414 дроссельные отверстия 422 и выпускное отверстие 416 в забойный двигатель 402 для вращения ротора 406. Альтернативно, когда диски 420 повернуты так, что дроссельные отверстия 422 не совмещены, текучая среда (показано точечными стрелками) проходит из внутренней полости 424 бурильной колонны 426 через впускное отверстие 414 и через перепускное 418 отверстие обратно во внутреннюю полость 424 бурильной колонны 426 перед выпуском снизу бурильной колонны и/или через одно или несколько дроссельных отверстий 428, расположенных на бурильной колонне 426. Первым диском 420a может управлять блок управления 432, и второй диск 420b может быть соединен с ротором 406, как рассмотрено в данном документе. Забойный двигатель 402 может соединяться с буровым долотом, устройством управления направлением бурения и т.п. различными соединительными устройствами, включающими в себя карданный шарнир 430 и т.п.
Способ избирательного приведения в действие двигателя
На фиг.5 представлен способ 500 избирательного приведения в действие двигателя. Двигатель включает в себя ротор и статор.
На этапе S502 создают клапан. Клапан может включать в себя цилиндр с внутренней зоной, имеющей, по существу, круглое поперечное сечение, впускное отверстие, выпускное отверстие и перепускное отверстие. Клапан может также включать в себя первый диск и второй диск, размещенные во внутренней зоне цилиндра. Каждый диск имеет дроссельное отверстие, и эти отверстия могут совмещаться для обеспечения прохода текучей среды во впускное отверстие, через дроссельные отверстия и наружу через выпускное отверстие. Второй диск может быть соединен с ротором, и выпускное отверстие может сообщаться с двигателем. Клапан может представлять собой вариант осуществления клапанов, описанных в данном документе.
На этапе S504 создают блок управления. Блок управления может соединяться с первым диском.
На этапе S506 блок управления избирательно приводится в действие для поворота первого диска в нужное положение относительно второго диска для обеспечения прохода текучей среды через дроссельные отверстия и к двигателю.
Включение в виде ссылки
Все патенты, опубликованные патентные заявки и другие источники, раскрытые в данном документе, полностью включены в данный документ в виде ссылки.
Эквиваленты
Специалисты в данной области техники должны учитывать или уметь выявлять с использованием не более, чем рутинных опытов многие эквиваленты конкретных вариантов осуществления изобретения, описанных в данном документе. Такие эквиваленты заключает в себе следующая формула изобретения.