УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ БУРЕНИЕМ ИЛИ КОЛОНКОВЫМ КАРОТАЖЕМ И УСТАНОВКА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО
DRILLING OR CORING CONTROL DEVICE AND PLANT CONTAINING SUCH DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к установкам для бурения или колонкового каротажа, в частности к установкам для бурения нефтяных скважин.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройствам, крепящимся к буровым или каротажным установкам с тем, чтобы управлять процессом бурения посредством измерения параметров скважины.
Уровень техники
Бурение или каротаж скважин выполняют обычно посредством бура, который соединен с расположенным на поверхности управляющим двигателем посредством буровой колонны. По мере введения бура в скважину буровые трубы добавляют к буровой колонне.
Целесообразно иметь максимальное количество информации, касающейся бурения или каротажа, в частности среды, которую бурят, и работе бура и его режущей головки. Информация, касающаяся среды, которую бурят, включает, в частности, тип породы, состав бурового шлама, наличие нефти или других жидкостей. Информация, касающаяся бура и его режущей головки, включает его мгновенную скорость вращения, изменение скорости вращения, расположение режущей головки относительно стенки пробуренной скважины, изменение скорости вращения и глубины прохода в скважине, боковые и осевые удары, которым подвергается бур, и закручивание бура.
Эта информация или параметры бурения могут сохраняться в ходе процесса бурения или каротажа и, по мере надобности, использоваться для анализа проблем, которые могут возникнуть в ходе бурения или каротажа (таких как, например, моментальное и непредвиденное снижение скорости проникновения режущей головки в породу или необычно сильный износ режущей головки), или для обеспечения условий проведения другой операции бурения или каротажа.
Для получения вышеупомянутой информации или параметров буровые установки снабжают соответствующим измерительным оборудованием, при этом его располагают в буровой колонне или буровой головке.
Так в документе BE-1007274 описан бур, режущая головка которого содержит акселерометры, распределенные должным образом так, чтобы определять вибрации, которым она подвергается в ходе бурения. В этом известном буре акселерометры расположены на буровой головке, а это означает, что можно получить параметры только от этой конкретной буровой головки, оборудованной этими приборами.
В документе US-4303994 описана буровая установка, содержащая бур, буровую колонну и измерительные приборы, которые установлены в буровой колонне. Согласно этому документу измерительные приборы размещены на верхней части буровой колонны, но информация о том, как их поместить в буровую колонну, не приводится. Размещение измерительных приборов в верхней части буровой колонны имеет недостаток, что выполненные измерения не учитывают локальных деформаций в нижней части буровой колонны, между измерительными приборами и буром. Эти деформации представляют собой, в частности, изгиб и скручивание, параметры которых изменяются с течением времени в ходе процесса бурения. Из этого следует, что иногда имеются значительные расхождения между результатами измерений, зафиксированными приборами, и действительным состоянием бура и его режущей головки. Кроме того, в собранном виде измерительные приборы имеют относительно большую длину, так что их обычно невозможно разместить между буром и нижележащим двигателем.
Кроме того, известные измерительные приборы, описанные в вышеупомянутых документах, в основном являются нестандартным оборудованием, но в каждом случае должны быть приспособлены к используемому буру или буровой колонне. Это усложняет конструкцию данных приборов, создает препятствия для массового производства и увеличивает их стоимость.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является преодоление недостатков известных измерительных приборов, описанных выше.
В частности, задачей настоящего изобретения является создание автономного измерительного прибора, который может быть легко снят с буровой установки и заменен в случае его повреждения.
Другой задачей настоящего изобретения является создание измерительного прибора, который может быть помещен в буровую установку с тем, чтобы избежать любых расхождений между результатами сделанных измерений и мгновенными характеристиками бура и его буровой головки.
Также задачей настоящего изобретения является создание измерительного прибора стандартной конструкции, который, следовательно, может быть запущен в массовое производство, и может иметь среднюю стоимость.
Кроме этого задачей настоящего изобретения является создание измерительного прибора, который является достаточно компактным, чтобы поместиться в непосредственной близости от бура (или его режущей головки), между буром и нижележащим двигателем.
Итак, настоящее изобретение относится к устройству, содержащему оборудование для измерения параметров процесса бурения или каротажа с помощью бура, прикрепленного к концу буровой колонны, в котором измерительное оборудование помещено, по меньшей мере, в одну камеру, сделанную в муфте, которая размещается между двумя трубами буровой колонны или между буром и трубой буровой колонны.
В установке, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, конструкция бура не имеет значения, и им может быть любой известный бур, используемый для бурения или каротажаугольных пластов, нефтяных скважин, газовых скважин или артезианских скважин. Бур обычно содержит режущую головку и переходник, прикрепленный к режущей головке. Переходник предназначен для крепления бура к буровой колонне.
Как обычно режущая головка содержит режущие кромки, которые сталкиваются с породой скважины в ходе бурения. С точки зрения настоящего изобретения конструкция режущей кромки не имеет значения, и эта кромка может быть выполнена в виде стационарных кромок или шаровых конусных кромок, или стационарных кромок и шаровых конусных кромок. Примерами стационарных кромок являются кромки, выполненные по технологии поликристаллического алмазного сжатия (PDC), кромки из термически стабильного искусственного алмаза (TSD) и «импрегнированные» кромки. Переходник удерживает режущую головку и содержит муфту, предназначенную для съемного присоединения его к буровой колонне. Муфта является стандартной, например, выполненной в соответствии со стандартом Американского нефтяного института (API), хотя это не существенно с точки зрения настоящего изобретения.
Буровая колонна работает в качестве механического соединительного средства между буром, расположенным внизу скважины, и электродвигателем. Последний может располагаться внизу скважины или на поверхности. Буровую колонну обычно формируют из набора буровых труб. Трубы присоединяют одну к другой по мере продвижения бура в ходе бурения скважины. Скважина может быть вертикальной, наклонной, горизонтальной или с изгибом, или может иметь любой профиль, определяемый пробуренным отверстием. Для соединения труб они снабжены муфтами, которые, в основном, являются стандартными. Эти муфты имеют резьбовые концевые фитинги, которые накручиваются в соответствующие секционированные концевые фитинги. Они соответствуют стандарту Американского нефтяного института (API).
Измерительное оборудование используют для записи и измерения параметров бурения, таких как мгновенная скорость вращения бура и изменение скорости его вращения во времени, положение бура в скважине, механические усилия, каким он подвергается в скважине, в частности величина и направление осевых и боковых усилий в месте контакта со стенкой скважины, и электрическая проводимость буровой шихты (этот список взят в качестве примера и является не полным). Номенклатура измерительного оборудования не имеет значения с точки зрения настоящего изобретения и может содержать акселерометры, магнетометры, термометры, манометры, электроды для измерения электрического сопротивления, измерители механического напряжения или любые другие измерительные приборы, предназначенные для измерения физических или химических параметров и применяемые в измерительном оборудовании для буровых и каротажных установок. Дополнительная информация об измерительном оборудовании, которое может быть использовано в настоящем изобретении, может быть получена, в частности, из документов BE 1007274 и ЕР 0377235. Измерительное оборудование может содержать автономное записывающее устройство. В частности, оно может быть присоединено к записывающему и анализирующему устройству, расположенному на поверхности. В настоящем описании понятие «измерительное оборудование» включает источник питания измерительных приборов в составе указанного измерительного оборудования. Этот источник питания может содержать одну или более электрическую батарею, а также электронные компоненты, необходимые для обычной работы измерительных приборов.
В соответствии с настоящим изобретением измерительное оборудование помещено, по меньшей мере, в одну камеру, выполненную в муфте, расположенной между двумя трубами буровой колонны или между буром и трубой буровой колонны.
Муфта представляет собой механическую соединительную часть, которая обеспечивает механическое соединение между двумя трубами буровой колонны или между трубой буровой колонны и буром. Следовательно, муфта предназначена для присоединения соединительной части к буровой колонне. Подробное описание этой муфты будет приведено ниже.
Муфта может иметь такую форму, которая необходима для ее введения в буровую колонну или между буровой колонной и буром. Размеры ее должны соответствовать каналу шахты, независимо от процесса бурения и скорости продвижения бура в шахту. Предпочтительно, чтобы эта форма была цилиндрической с отверстием вдоль оси, необходимым для циркуляции буровой жидкости, в частности бурового раствора.
Камера, выполненная в муфте, должна иметь размеры, достаточные для установки измерительного оборудования. Это может быть одиночная камера или две и более камеры. Муфта и камера (камеры) имеют такую форму, чтобы предотвратить образование разбалансировки, когда муфту, загруженную измерительным оборудованием, вставляют в буровую колонну.
Камера в муфте обычно открыта к периферии муфты с тем, чтобы разместить в ней измерительное оборудование. Камера (или каждая камера) может быть закрыта любым подходящим средством, способным обеспечить герметичное уплотнение и противостоять давлению бурового раствора. Это средство может быть неразъемным и содержать панель, приваренную или прикрепленную к муфте. Согласно настоящему изобретению желательно, чтобы это средство было бы съемным.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения муфта является цилиндрической, а камера сформирована в канавке на периферии муфты. В этом случае одиночная камера и канавка являются кольцевыми. Если муфта содержит несколько камер, то они могут быть сформированы в канавках, которые расположены одинаково на периферии муфты. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения, который описан, канавка, или канавки, может быть закрыта любым подходящим известным средством. В соответствии с настоящим изобретением использована оболочка, размещенная вокруг муфты. В данном предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения оболочку и способ ее крепления выбирают так, чтобы противостоять давлению бурового раствора.
Преимущество описанного выше устройства согласно настоящему изобретению заключается в его компактности и малом объеме, что позволяет все измерительное оборудование разместить в одной канавке или в ограниченном числе канавок, расположенных на периферии муфты. Эта компактность позволяет разметить устройство в непосредственной близости от бура, в идеальном случае между буром и нижележащим электродвигателем.
В одном конкретном варианте выполнения устройства согласно настоящему изобретению элементы измерительного оборудования размещены в канавке в направлении, перпендикулярном оси симметрии муфты. В общем случае в данном варианте выполнения настоящего изобретения измерительное оборудование содержит, по меньшей мере, два элемента, которые размещены в канавке или в каждой канавке.
В настоящем описании термин «расположены» предполагает расположение в радиальном направлении муфты или канавки. Среди двух установленных элементов один, расположенный дальше от оси вращения муфты, помещен на верху другого элемента.
В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения два элемента измерительного оборудования содержат, по меньшей мере, один тензодатчик, который расположен на дне канавки, и электронную схему, расположенную над тензодатчиком. В этом варианте выполнения тензодатчик представляет собой измерительный прибор, предназначенный для измерения механического напряжения, возникающего при растяжении, сжатии, изгибе или скручивании, которым подвергается муфта при ее нормальной эксплуатации в буровой или каротажной установке. Такие измерительные приборы известны в данной области техники. Здесь и далее для упрощения термин «тензодатчик» будет использован для прибора, предназначенного для измерения механических напряжений.
Отличием только что описанного предпочтительного варианта выполнения настоящего изобретения является то, что тензодатчик помещен в проток, выполненный на дне канавки. Канавка и проток выполнены кольцевыми.
Еще одним отличием только что описанного предпочтительного варианта выполнения настоящего изобретения является то, что элемент, расположенный над тензодатчиком, дополнительно к электрической схеме содержит электрический генератор. В данном варианте выполнения настоящего изобретения электрический генератор содержит набор ячеек, которые расположены в съемном модуле. Ячейки могут быть съемными в модуле или помещены в муфту из смолы.
В особо предпочтительном варианте выполнения описанного выше настоящего изобретения электронная схема расположена на скобе, которая охватывает с двух сторон тензодатчик. Этот вариант улучшает конструкцию устройства и делает оптимальным размещение измерительного оборудования в канавке.
В устройстве согласно настоящему изобретению необходимо обратить внимание на такое расположение различных элементов измерительного оборудования в муфте и такой способ их крепления, которые не нарушали бы точность измерений, выполняемых тензодатчиком. Для этой цели при использовании скобы для удерживания электронной схемы, как описано выше, рекомендуется такое крепление скобы к муфте, чтобы муфта могла бы свободно деформироваться под действием осевого растягивающего усилия, и/или осевого сжимающего усилия, и/или изгибающего усилия, и/или скручивающего усилия. Как вариант подобный результат может быть получен при использовании материала малой жесткости для изготовления скобы.
В устройстве согласно настоящему изобретению измерительное оборудование может включать дополнительно к тензодатчику другие измерительные приборы, такие как акселерометры, магнетометры, термометры, манометры и электроды измерения сопротивления.
Как указано выше, муфту вставляют либо между двумя трубами буровой колонны и обеспечивают их соединение, либо между буровой трубой и буром и, следовательно, обеспечивают их соединение. Поэтому муфта снабжена фланцами, сделанными для обеспечения таких соединений. Эти фланцы могут быть такого типа, как описаны для стыковки друг с другом труб буровой колонны, и могут содержать резьбовой конец и секционированный конец. Предпочтительно, чтобы они были стандартными, например, соответствующими стандарту Американского нефтяного института (API). В данном варианте выполнения настоящего изобретения резьбовой конец муфты навинчивают в соответствующую секционированную часть одной трубы буровой колонны, а ее секционированный конец навинчивают в соответствующий резьбовой конец другой трубы буровой колонны или в резьбовой конец переходника бура. В данном варианте выполнения настоящего изобретения муфта (и измерительное оборудование, которое размещено в ней) может быть расположена, если необходимо, в любом месте вдоль буровой колонны. Желательно установить его в непосредственной близости от бура с тем, чтобы предотвратить искажение результатов измерений из-за местных деформаций буровой колонны. Особенностью настоящего изобретения является возможность введения в буровую колонну в любой момент дополнительного измерительного оборудования, предназначенного, например, для выполнения дополнительных измерений, или в случае случайного повреждения измерительного оборудования внизу скважины в ходе бурения. Имея очень малые размеры, оборудование в соответствии с настоящим изобретением теперь может быть размещено в непосредственной близости от режущей головки бура или режущей поверхности, в идеальном случае между буром и нижележащим электродвигателем или любым другим буровым устройством, предназначенным для направленного бурения, таким как недавно появившиеся управляемые буровые системы.
Устройство согласно настоящему изобретению содержит стандартную часть, в которой расположено измерительное оборудование, необходимое для буровых шахтных установок, в любом подходящем месте в непосредственной близости от бура или в буровую колонну. Оно может быть установлено в виде одного образца или нескольких образцов в буровую колонну и может быть также извлечено вместе с измерительным оборудованием, чтобы применяться в другом буровом оборудовании.
В одном конкретном варианте выполнения настоящего изобретения муфту крепят непосредственно и съемным способом к режущей головке бура. В этом варианте выполнения муфта содержит переходник, предназначенный для присоединения бура к буровой колонне. На одном конце муфты установлен съемный крепящий элемент, предназначенный для крепления к режущей головке бура, а на другом конце имеется стандартный фланец, служащий для соединения с буровой колонной. Элемент, предназначенный для крепления режущей головки, должен гарантировать жесткое соединение. Для этой цели муфта может быть присоединена к режущей головке болтами. Элемент, служащий для присоединения муфты к буровой колонне, обычно содержит резьбовой концевой фитинг, закручивающийся в соответствующий секционированный концевой фитинг трубы буровой колонны. Предпочтительно, чтобы он был стандартным, например, в соответствии со стандартом Американского нефтяного института. В данном варианте выполнения настоящего изобретения использование болтов или винтов для крепления муфты к режущей головке имеет то преимущество, что позволяет легко снять и поставить муфту без применения специального инструмента и, следовательно, выполнить эти операции непосредственно на рабочем месте. Для сравнения укажем, что узел, в котором муфта должна быть вкручена в режущую головку, подразумевает наличие высокого крутящего момента, который обеспечивают специальные машины.
Описанный вариант выполнения настоящего изобретения имеет то преимущество, что измерительное оборудование располагается на буре, в непосредственной близости от режущей головки и буровой поверхности скважины. В результате, при прочих равных условиях достигается оптимальная надежность измерений, которые не искажаются местными деформациями буровой колонны.
В конкретном варианте выполнения настоящего изобретения муфта устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, образует одно целое с буром.
Итак, настоящее изобретение относится также к буру, содержащему, как правило, режущую головку и резьбовой переходник, предназначенный для присоединения его к буровой колонне, в котором резьбовой переходник представляет собой муфту, соответствующую настоящему изобретению.
Настоящее изобретение относится также к установке бурения и/или каротажа, содержащей бур и буровую колонну, причем установка содержит устройство, соответствующее настоящему изобретению
В установке, соответствующей настоящему изобретению, устройство может быть размещено между двумя трубами буровой колонны или между трубой и переходником режущей головки. Хотя это абсолютно не существенно для выполнения настоящего изобретения, желательно прибор расположить в непосредственной близости от бура.
В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения бур выполнен в соответствии с настоящим изобретением, в котором устройство содержит переходник, предназначенный для крепления режущей головки к буровой колонне.
Краткое описание чертежей
Отличия и подробности настоящего изобретения станут более понятными из нижеследующего описания прилагаемых чертежей, на которых показано несколько конкретных вариантов выполнения настоящего изобретения.
На фиг.1 в осевом сечении показан первый конкретный вариант выполнения прибора в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 показан разрез в плоскости II-II по фиг.1.
На фиг.3 показан разрез в плоскости III-III по фиг.1.
На фиг.4 показан прибор в направлении стрелки IV по фиг.3.
На фиг.5 показан вид сбоку прибора, представленного на фиг.1-4.
На фиг.6 показан в продольном сечении один вариант выполнения бура в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.7 показан разрез в плоскости VII-VII по фиг.6.
На фигурах одинаковыми ссылочными позициями обозначены одни и те же элементы.
Осуществление изобретения
Устройство, выполненное согласно настоящему изобретению и показанное на фиг.1-5, содержит муфту 1, расположенную симметрично вдоль оси X. Один конец 2 муфты 1 имеет форму усеченного конуса и резьбу, тогда как на другом конце 3 выполнено секционированное отверстие 4 в форме усеченного конуса. В резьбовой конец 2 вкручивают соответствующее секционированное отверстие трубы буровой колонны (не показана) буровой или каротажной установки. Секционированное отверстие 4 накручивают на соответствующий резьбовой конец другой трубы буровой колонны или на резьбовой конец переходника бура (не показан). Резьбовые концевые фитинги 2 и секционированные концевые фитинги 4 выполнены в соответствии со стандартом API (Американский нефтяной институт).
Между концами 2 и 3 муфты имеется кольцевая канавка 5, образующая камеру, которая может быть закрыта цилиндрической оболочкой 6. На дне канавки 5 имеется кольцевой проток 24. В кольцевой канавке 5 помещено указанное измерительное оборудование, в целом обозначенное позицией 7. Измерительное оборудование 7 содержит тензодатчики (не показаны), которые расположены в протоке 24 вокруг цилиндрического осевого сердечника 9 муфты. В идеальном случае в протоке 24 размещают во взаимно перпендикулярных направлениях два или три тензодатчика. Тензодатчики присоединены посредством электрических разъемов; к электронной схеме 25 (печатная плата), расположенной на скобе 8, прикрепленной болтами 22 к осевому сердечнику 9 муфты 1. Скоба 8 изготовлена из алюминия, так что ее жесткость оказывается достаточной, чтобы предотвратить деформацию муфты 1 в ходе обычного бурения или каротажа. Питание электронной схемы 25 обеспечивается от набора батарей 10. Они расположены в кольцевом модуле 26, который вставлен в кольцевую канавку 5 вдоль расширенной части скобы 8. Кольцевой модуль 26 привинчен к осевому сердечнику 9 муфты несколькими болтами 28 (фиг.2).
Измерительное оборудование 7 далее содержит дополнительные измерительные приборы (не показаны), которые расположены на скобе 8 или в канавке 5, а также соответствующую электронную схему 27, расположенную в канавке 5. Дополнительные измерительные приборы обеспечивают запись рабочих параметров бурения или каротажа и могут, например, содержать обычные акселерометр, магнетометр, термометр, манометр и электрод измерения электрического сопротивления (список не полный). Электронные схемы 25 и 27 используют для записи и обработки физических и, возможно, химических величин, измеренных с помощью тензодатчиков (расположенных в протоке 24) и дополнительных измерительных приборов. Они могут содержать также регулирующий элемент (не показан) для автоматического запуска измерений или для автоматического перевода их в режим ожидания. Этот регулирующий элемент, известный в данной области техники, обычно содержит часы и детектор, фиксирующий движение бура, который запрограммирован записывать состояние перемещения или состояние механической деформации бура в определенные моменты времени (например, его скорость вращения или крутящий момент) и устанавливать приборы в режим ожидания, когда бур находится в исходном состоянии, или включать приборы, когда бур перемещается или находится под действием механического напряжения.
Оболочка 6 изготовлена из высокопрочной стали, благодаря чему при обычном бурении или каротаже может противостоять давлению бурового раствора. Она прикреплена к муфте 1 болтами 13. 0-образное кольцо 14 герметизирует камеру 5. Крепление оболочки 6 болтами 13 выполнено так, что дает оболочке достаточную степень свободы, благодаря чему не возникает дополнительной деформации муфты 1 в ходе обычного бурения или каротажа.
Съемное герметичное уплотнение 12 обеспечивает доступ к электронной схеме 25, расположенной в кольцевой канавке 5.
Внутренний сердечник 9 снабжен осевым каналом 11, который проходит вдоль расширенных концов или концевых фитингов 2 и 3 муфты 1. Когда муфта 1 установлена в буровую колонну буровой или каротажной установки, ее продольный канал 11 расположен вдоль расширения соответствующих каналов буровой колонны и обеспечивает циркуляцию буровой или каротажной жидкости.
Муфту 1 вставляют между двумя трубами буровой колонны буровой или каротажной установки или между буром и первой трубой буровой колонны. Для этого резьбовой концевой фитинг 2 муфты навинчивают в соответствующий секционированный концевой фитинг трубы буровой колонны, а его секционированный концевой фитинг 3 навинчивают на резьбовой концевой фитинг бура или другую трубу буровой колонны.
Бур, выполненный в соответствии с настоящим изобретением и показанный на фиг.6 и 7, содержит режущую головку 15, снабженную продольными лопатками 16, несущими режущие кромки 17. Режущие головки такого типа известны в технике бурения скважин.
Режущая головка 15 прикреплена к переходнику 18 рядом болтов 19, которые проходят сквозь кольцевой фланец 20 переходника 18. Сборка каналов и ребер 21 усилена креплением режущей головки 15 к переходнику 18, а стык 23 в форме усеченного конуса увеличивает упругость конструкции. На заднем конце переходника 18 имеется резьбовой концевой фитинг 2, вставляемый и навинчиваемый в соответствующий секционированный концевой фитинг трубы буровой колонны. Переходник 18 имеет такую же конструкцию, как и муфта 1, описанная со ссылкой на фиг.1-3, и содержит кольцевую камеру 5, которая герметично закрыта крышкой 6 и содержит оборудование 7 для измерения рабочих параметров процесса бурения или каротажа. Что касается измерительного оборудования 7, то можно повторить выше приведенное в отношении измерительного оборудования 7 устройства, представленного на фиг.1-5.