СКВАЖИННОЕ ВИБРАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО С СИНУСОИДАЛЬНЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ
DOWNHOLE VIBRATION DEVICE WITH SINUSOIDAL OSCILLATIONS

Изобретение относится к устройству в составе бурильной колонны (например, средству), выполненному с возможностью создания на выходе не ударных (и предпочтительно по существу синусоидальных) вибраций.
В области бурения глубоких скважин и, в частности, горизонтальных скважин большой протяженности часто возникает необходимость применения вибрирующего механизма, который, когда требуется, приводится в действие для содействия предотвращению прихвата труб (бурильной колонны и т.д.) или по существу высвобождения прихваченной трубы. Указанное, в частности, относится к работам с большим отходом.
Задачей является создание устройства (например, средства), выполненного с возможностью включения в состав бурильной колонны и создания относительного аксиального перемещения, которое можно использовать через податливую зону для создания на выходе полезного вибрационного возбуждения.
В патентах США 7757783 и WO 2012/002827 (оба патента полностью включены в данный документ в виде ссылки) раскрыто использование групп магнитов, которые взаимодействуют, реагируя на относительное вращение, при этом относительное вращение преобразуется в относительное аксиальное перемещение по типу вибрационного устройства. В патенте США 7757783 раскрыто устройство, имеющее в составе компоновку с челноком, выполненным с возможностью челночного перемещения между комплементарными конструкциями, причем по меньшей мере одна из комплементарных конструкций создает вибрацию на выходе. Челнок несет на каждом конце группы магнитов, каждую для взаимодействия вне фазы с выделенной комплементарной группой магнитов при вращении челнока, что обуславливает генерирование вибрации аксиально относительно челночного перемещения челнока относительно комплементарных групп. В WO 2012/002827 раскрыты первая и вторая магнитные компоновки, каждая с группой магнитов, установленных на расстоянии вокруг общей оси и продольно оси. Взаимодействие между группами магнитов в проходящем продольно кольцевом пространстве между ними, возникающее вследствие относительного вращения, создает продольное перемещение относительно общей оси. Данные устройства можно использовать в изобретении.
Дополнительной и альтернативной задачей является обеспечение применения податливого приложения (приложений) вибрации на выходе устройства c работой по требованию с управлением в скважине, обеспечивающего относительное аксиальное перемещение и/или создание вибрационного устройства, управляемого относительным вращением на входе, создающего по требованию аксиальное относительное перемещение на выходе через податливые ограничители величины аксиального относительного перемещения.
Дополнительной и альтернативной задачей является обеспечение применения податливого приложения (приложений) вибрации на выходе устройства c работой по требованию с управлением в скважине, обеспечивающего относительное аксиальное перемещение и/или создание вибрационного устройства, управляемого относительным вращением на входе, создающего по требованию аксиальное относительное перемещением на выходе через податливые ограничители.
Задачей изобретения и аспектом изобретения является создание способа получения синусоидальной вибрации для предотвращения прихвата бурильных колонн (или т.п.), предпочтительно основанного на вращении первой магнитной компоновки (внутри, например, корпуса), функционально связанной со второй магнитной компоновкой так, что относительное вращение, обусловленное вращением первой магнитной компоновки любым подходящим средством (например, гидравлическим, электрическим, механическим, пневматическим и т.д.), приводит к относительному аксиальному возвратно-поступательному перемещению магнитной компоновки, причем, выполняющая возвратно-поступательное перемещение компоновка предпочтительно скрепляется с податливым элементом (например, пружиной) на любом или обоих концах, по существу такое возвратно-поступательное перемещение предпочтительно создает на выходе синусоидальную вибрацию достаточной силы для решения указанных задач.
В идеальном случае устройство данного типа должно иметь любую или несколько следующих характеристик.
• Возможность активирования "по требованию".
• В идеальном случае создавать на выходе синусоидальную вибрацию.
• Выполнение с возможностью иметь на выходе регулируемую силу вибрации (усиление по требованию).
• Возможность установки в любом месте в бурильной колонне.
• Возможность установки нескольких устройств в бурильной колонне, причем каждого, выполненного с возможностью активирования по требованию.
• Возможность приведения в действие любым подходящим средством (гидравлическим, электрическим, механическим и т.д.).
• Возможность управления с поверхности и/или внутрискважинным механизмом с обратной связью.
• Возможность использования в соединении с другими скважинными инструментами (например, бурения, фрезерования, расширения, ловильными, установки фильтра, цементирования и т.д.).
Изобретение по меньшей мере в предпочтительных формах описывает механизм для достижения любой одной или нескольких указанных выше целей.
Изобретение может относиться к вибрационному устройству, компоновке бурильной колонны, содержащей такое вибрационное устройство и/или способу использования такого устройства или компоновки бурильной колонны.
В другом аспекте изобретением является применение податливого приложения (приложений) на выходе вибрационного устройства, работающего по требованию с управлением в скважине, обеспечивающего относительное аксиальное перемещение.
В еще одном аспекте изобретением является внутрискважинная компоновка любого из видов, описанная ниже в данном документе.
В еще одном дополнительном аспекте изобретением является вибрационное устройство, работающее по требованию с управлением относительным вращением на входе, создающее аксиальное относительное перемещение на выходе через податливые ограничители величины аксиального относительного перемещения.
Предпочтительно податливые ограничители обеспечивают небольшое или нулевое перемещение до ввода в действие при росте нагрузки. Например, пружинный фал между реагирующей поверхностью и массой, которая колеблется, может являться достаточным ограничителем для соответствия критерию выходной мощности.
Хотя предлагаются механические пружинные, пневматические, магнитные, гидравлические, в виде аккумуляторов давления, эластомерные или другие подобные устройства, любое подходящее одиночное или комплексное предложение можно использовать. Как пример, подходящие пружины в качестве податливых элементов могут являться трубчатыми, в виде мехов, спиральными или другими.
В другом аспекте изобретением является устройство в бурильной колонне или подходящее для бурильной колонны, которое имеет первую магнитную компоновку, вращающуюся относительно второй магнитной компоновки любым подходящим способом, которая когда вращается, предпочтительно синхронно с бурильной колонной, обуславливает по меньшей мере по существу аксиальное возвратно-поступательное перемещение второй магнитной компоновки, вращение которой ограничивается;
совершающая колебания магнитная компоновка по меньшей мере по существу скрепляется с податливым элементом либо одним или обоими концами и связывается податливым элементом (например, пружиной), при этом обеспечивается распределение по существу синусоидальной силы вибрации на выходе на наружный корпус инструмента и любую прикрепленную со стороны устья/забоя скважинную оснастку от сжатия и растяжения податливого элемента.
В другом аспекте изобретением является устройство для установки во внутрискважинной компоновке или подходящее для использования в ней в качестве вибрационного инструмента, причем устройство имеет первую магнитную компоновку, которая должна или может вращаться относительно второй магнитной компоновки и которая при таком вращении обуславливает по меньшей мере по существу аксиальные колебания и/или возвратно-поступательное перемещение второй магнитной компоновки; в котором совершающая колебания и/или возвратно-поступательное перемещение магнитная компоновка, по меньшей мере по существу, на одном из концов или обоих концах скреплена с податливым элементом, ограничивающим ее колебания и/или возвратно-поступательное перемещение, при этом обеспечивается распределение силы синусоидальной вибрации на выходе от сжатия и растяжения податливого элемента на наружный корпус вибрационного инструмента и/или любую прикрепленную на устье и/или забое скважины оснастку.
Предпочтительно устройство является внутрискважинной компоновкой.
Предпочтительно вторая магнитная компоновка связывается для синхронного вращения с наружным корпусом вибрационного инструмента.
Предпочтительно устройством можно управлять для работы "по требованию" с помощью подходящего источника энергии, предпочтительно потока бурового раствора, источника электропитания или пневматической системы.
Предпочтительно частоту колебаний и/или возвратно-поступательного перемещения можно регулировать, управляя источником энергии на входном устройстве (например, потоком бурового раствора, подачей электропитания или подачей сжатого воздуха на входное устройство).
Предпочтительно манипуляциями со скоростью входного устройства регулируют увеличение силы.
Если необходимо, устройство приводится в действие буровым раствором (гидравлически).
Предпочтительно имеется механизм или конфигурация с байпасом (например, требующая превышения порогового расхода для активирования), которая обеспечивает проход бурового раствора без приведения в действие устройства. Например, гидравлический забойный двигатель может обеспечивать проход потока бурового раствора без включения в работу до некоторого порогового расхода, с превышением которого имеет место как проход потока через него, так и приведение в действие двигателя для подачи мощности на вход.
Если необходимо, при работе по требованию управление осуществляют с помощью изменения подачи бурового раствора/давления/электрического сигнала/сброса шара или любым другим подходящим средством для выполнения требования функционирования устройства.
Предпочтительно устройство можно устанавливать или оно может располагаться в некотором месте в бурильной колонне. Если необходимо, можно использовать несколько модулей устройства.
Если необходимо, либо вибрацию со стороны устья или вибрацию со стороны забоя скважины можно демпфировать/регулировать податливым элементом (пружиной/аккумулятором давления/эластомерами и т.д.).
Предпочтительно в устройстве используется по существу несжимаемая текучая среда в его сечении для минимизации проблем изоляции перепадов давления.
Предпочтительно такой механизм снабжен устройством компенсации давления. Предпочтительно механизм имеет несколько камер с различной вязкостью (например, с более высокой вязкостью для подшипников, и более низкой вязкостью для эффективности колебаний).
Предпочтительно устройство имеет по центру путь прохода бурового раствора, предпочтительно имеющий постоянное сечение, выполненный с возможностью работы с вязкими буровыми растворами.
Предпочтительно устройство можно устанавливать либо выше или ниже, или как выше, так и ниже источника крутящего момента (например, гидравлического забойного двигателя).
Если необходимо, силовой блок имеет выход привода вращения с двух сторон, что обеспечивает установку вибрационного устройства над вращательным силовым блоком и установку некоторого другого инструмента (например, бурового долота/фрезерного инструмента и т.д.) под силовым блоком. Альтернативно вибрационное устройство с валом выхода мощности можно использовать для передачи привода вращения с гидравлического забойного двигателя через вращающуюся магнитную компоновку на инструмент (например, буровое долото) ниже вибрационного устройства в бурильной колонне.
Предпочтительно устройство можно использовать (без ограничения этим) в соединении со следующими скважинными мероприятиями:
• переключение клапанов
• установка пробок
• промывка
• установка фильтров
• борьба с поступлением песка в фильтры
• фрезерование
• удаление отложений
• цементирование
• отбор керна
• бурение
• ловильные работы на прихваченных инструментах
• работы на каротажном кабеле.
При использовании в данном документе “устройство” в отношении вибрационного устройства является любым устройством, дискретным или не дискретным, выполненным с возможностью работы с генерированием вибрации изнутри бурильной колонны.
При использовании в данном документе “синусоидальный” включает в состав волновые формы правильной синусоиды или сходные с ней.
При использовании в данном документе “податливое приложение”, “податливый ограничитель” работает, не допуская свободного перемещения при вибрации на выходе при перемещении к концу хода и преобразуя не всю кинетическую энергию в потенциальную энергию, но вместо этого создает на выходе мощность с величиной, меняющейся близко к синусоиде или строго по синусоиде.
При использовании в данном документе термин “и/или” означает “и” или “или”, или то и другое.
При использовании в данном документе (существительное во множественном числе), следующее за существительным, включает в состав как приемлемое единственную или множественную формы данного существительного.
Предпочтительная форма изобретения описана ниже и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее:
На Фиг. 1 показано сечение первого варианта осуществления или опции компоновки, где имеется пружинный ограничитель на каждом конце.
На Фиг. 2 показано сечение второго варианта осуществления или опции компоновки, где имеется пружинный ограничитель на каждом конце.
На Фиг. 3 показано сечение третьего варианта осуществления или опции (сходного с показанным на Фиг. 1), но с пружинным ограничителем на одном конце.
На Фиг. 4 показана первая опция/вариант осуществления для установки в зоне забоя устройства по Фиг. 1, 2 или 3.
На Фиг. 5 показана вторая опция/вариант осуществления для установки в зоне забоя устройства по Фиг. 1, 2 или 3.
На Фиг. 6 показана аналогично Фиг. 4 третья опция установки устройства, где гидравлический забойный двигатель имеет два выхода мощности и располагается между вибрационным устройством и другим скважинным инструментом, таким например, как буровое долото и осуществляет привод того и другого.
На Фиг. 7 показана аналогично Фиг. 4-6 четвертая опция установки.
На Фиг. 8 показана с дополнительными подробностями Фиг. 4, где гидравлический забойный двигатель осуществляет привод вибрационного устройства вместе со скважинным инструментом, прикрепленным к вибрационному устройству или расположенным смежно с ним.
На схеме Фиг. 1 в первом варианте осуществления показано вращение первой магнитной компоновки (1), вращательным входным устройством (гидравлическим забойным двигателем или т.п.). Путь текучей среды проходит через первую магнитную компоновку. Данную компоновку можно считать ротором (1), который может вращаться, например, как показано стрелкой A. Данная магнитная компоновка (1) в свою очередь создает магнитное взаимодействие со второй магнитной компоновкой (2), вращение которой если необходимо ограничено шлицем (шлицами) (3) наружного обсадного корпуса (т.e., статором относительно бурильной колонны или корпуса) обуславливающее аксиальное колебание/возвратно-поступательное перемещение массы второй магнитной компоновки (2) (см. Стрелку B).
Колеблющаяся масса/вторая магнитная компоновка (2) физически соединяется с податливым элементом (4) (пружинами или другой податливой формой (формами) и/или материалом (материалами)) на каждом конце, который исключает/ограничивает любое столкновение между компоновками (2) и (1) и дает в результате синусоидальное или по существу в виде гармонического колебания перемещение колеблющейся массы. Равнодействующая сила гармонического колебания (или по существу синусоидальная сила) передается через упорные подшипники (5) и/или податливые элементы (4) на наружный кожух (и если необходимо любую оснастку на устье и/или забое скважины). Данную силу на выходе можно использовать для исключения трения. Податливый элемент может также по меньшей мере частично ограничивать вращение второй магнитной компоновки.
Буровой раствор имеет предпочтительно беспрепятственный проход через инструмент по указанному пути текучей среды.
Предпочтительно гидравлический забойный двигатель используется в качестве силового блока на входе и требует превышения порогового расхода для активирования устройства.
Альтернативный вариант осуществления устройства, показанного на Фиг. 1, показан на Фиг. 2. Устройство содержит внутреннюю магнитную компоновку с магнитными элементами (1a), которая образует внутренний ротор (1). Путь текучей среды проходит через внутренний ротор. Наружный кожух (3) содержит наружную магнитную компоновку с магнитными элементами (2) и (2a). Вращение наружного кожуха синхронизируется с вращением бурильной колонны. Вращение внутренней магнитной компоновки обуславливает ее магнитное взаимодействие с наружной магнитной компоновкой, вызывая аксиальное колебание/возвратно-поступательное перемещение массы внутренней магнитной компоновки (см. Стрелку B). Внутренняя магнитная компоновка физически соединяется с наружной магнитной компоновкой через податливый элемент (4) (элементы) (пружины или другая податливая форма (формы) и/или материал (материалы)) и упорные подшипники (5) на каждом конце, которые исключают любое столкновение между компоновками (1) и (3) и дает в результате синусоидальное или по существу синусоидальное перемещение колеблющейся массы внутренней магнитной компоновки. Сила на выходе (синусоидальная) передается на наружный кожух (3) через пружины (4) и упорные подшипники (5). Ограничение вращения внутренней магнитной компоновки по меньшей мере частично обеспечивается податливым элементом (элементами). В варианте осуществления на Фиг. 3 показан инструмент аналогичный варианту осуществления на Фиг. 1 за исключением того, что в данном случае колеблющаяся масса (2) имеет физическое ограничение пружиной (4) или другим податливым элементом (элементами) только на одном конце.
В данной конфигурации пружина (4) работает как на сжатие, так и на растяжение.
Пружину можно установить на любом конце.
В пяти альтернативах на Фиг. 4-8 показаны различные варианты установки в компоновке бурильной колонны устройства, показанного на Фиг. 1-3. На каждой из Фиг. 4-8 показана бурильная штанга (6), гидравлический забойный двигатель (7), вибрационное устройство (8) по изобретению (такое как устройство, показанное на Фиг. 1-3), долото, струйное сопло, и т.п. скважинный инструмент/устройство (9) геотехнических мероприятий, и, если необходимо, электродвигатель (10) и/или каротажный кабель (11).
На Фиг. 4 и 5 показано, как вибрационный инструмент (устройство) по Фиг. 1-3 можно устанавливать в забойной зоне скважины, например на гибкой насосно-компрессорной трубе, снабженных резьбой бурильных штангах, или каротажном кабеле либо над или под гидравлическим забойным двигателем.
На Фиг. 6 также показана возможность использования гидравлического забойного двигателя (7) (объемного двигателя) с валом выхода мощности на две стороны (в сторону устья и в сторону забоя скважины), обеспечивающим расположение устройства изобретения над гидравлическим забойным двигателем (в нормальных условиях должен быть ниже гидравлического забойного двигателя) для создания полезных устраняющих трение вибраций, при этом обеспечивается подача мощности гидравлического забойного двигателя в сторону забоя скважины для вращения других бурильных инструментов (например, буровых долот (9)).
На Фиг. 7 показан применяемый, если необходимо, вариант с каротажным кабелем/электродвигателем. Данный вариант обеспечивает выполнение каротажным кабелем (11) функции источника электроэнергии для питания электродвигателя (10) для приведения в действие вибрирующего устройства (8).
На Фиг. 8 показаны дополнительные подробности Фиг. 4 одного возможного варианта вибрирующего устройства (8) и бурильного инструмента (9). В данном варианте применения гидравлический забойный двигатель на выходе вращает одну магнитную компоновку (вызывающую колебание вибрационного устройства), а также обеспечивает привод вращения скважинного инструмента, например бурового долота.
Уменьшение трения оказывается предпочтительным в процессе бурения по следующим направлениям:
• Помогает в приложении осевой нагрузки на буровое долото.
• Уменьшает трение скольжения (при наведении долота бурильную колонну и компоновку часто требуется проталкивать без вращения на значительные расстояния).
• Останавливает схватывание бурового шлама и создание закупоривания/прихвата.
• Управление направлением торца инструмента (нацеливание долота в требуемом направлении).
Исследования и физические опыты в технике показывают, что ввод регулируемой вибрации является особенно эффективным для минимизации трения, и в частности мощные синусоидальные вибрации низкой частоты <50 Гц известны, как высокоэффективные для минимизации трения бурильной колонны.
В дополнение к использованию для уменьшения трения в ситуациях в забойной зоне скважины, как ясно специалисту в данной области техники, такие устройства можно использовать для исполнения ряда других функций, таких как следующие, без ограничения этим:
• ловильные работы по прихваченным инструментам
• переключение клапанов
• установка пробок
• промывка
• установка фильтров
• борьба с поступлением песка в фильтры
• фрезерование
• удаление отложений
• цементирование
• отбор керна
• бурение