Способ и устройство для измерения при бурения
DRILLING PROCESS AND DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] В одном варианте выполнения предложенное изобретение относится к устройству для измерения и к соответствующему способу измерения, в частности, к устройству для измерения при бурении и к способу измерения, подходящему для бурильного устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Термин "устройство для измерения при бурении" означает, что бурильная машина во время бурения непрерывно собирает информацию о пробуриваемой скважине или бурильной коронке, например, об азимутальном угле, напряжении, давлении на коронку, эксплуатационных условиях бурильной коронки, а также о состоянии окружающей породы, и затем данную информацию передает на сторону управления, что позволяет данной стороне действовать в качестве основы для вырабатывания управляющего сигнала. Соответственно, устройство для измерения при бурении является ключевым для реализации технологии вращательного бурения.
[0003] Большинство устройств для измерения при бурении расположены в воротнике бура, причем их основные компоненты представляют собой различные датчики, расположенные в данном воротнике. Однако, поскольку окружающая порода является чрезвычайно сложной и твердой, крайне важным становится уплотнение корпуса устройства для измерения при бурении. Хорошо уплотненный корпус обеспечивает защиту датчиков от проникновения буровых жидкостей, песков или других подобных веществ, что, следовательно, улучшает точность измерения датчиками и продлевает срок их эксплуатации. Как изображено на фиг. 1, в известном уровне техники на цилиндрической периферийной боковой поверхности 14 устройства 10 для измерения при бурении выполнена осевая канавка 11, и после установки датчика 12 в устройстве, размещают крышку 13 на канавке для уплотнения. Описанная конструкция устройства для измерения при бурении обеспечивает удобство монтажа и технического обслуживания датчика 12. Однако данная конструкция имеет сложную структуру, и уплотнительный эффект и точность не могут быть гарантированы.
[0004] Таким образом, существует необходимость в устройстве для измерения при бурении, подходящего для бурильного устройства, и соответствующего способа изготовления данного устройства для решения вышеуказанных технических проблем.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Исходя из вышеописанных технических проблем, в одном аспекте предложенное изобретение относится к устройству для измерения при бурении, содержащему основание, имеющее ось вращения и выполненное с возможностью осевого присоединения между буровой трубой и бурильной коронкой бурильного устройства. Основание имеет первую и вторую концевые поверхности на своих двух осевых концах, соответственно, и цилиндрическую периферийную боковую поверхность, проходящую между первой и второй концевыми поверхностями. Основание ограничивает по меньшей мере одну регистрирующую камеру, имеющую отверстие на по меньшей мере одной поверхности из концевых поверхностей. Основание также содержит проход, выполненный с возможностью обеспечения жидкостного сообщения между буровой трубой и бурильной коронкой. Устройство для измерения при бурении содержит также по меньшей мере один датчик, расположенный в регистрирующей камере, причем датчик и регистрирующая камера выполнены с возможностью получения данных о бурении и передачи этих данных в блок управления бурением. Указанное устройство для измерения при бурении также содержит уплотнительный элемент, выполненный с возможностью уплотнения регистрирующей камеры на указанной по меньшей мере одной поверхности из концевых поверхностей.
[0006] В другом аспекте предложенное изобретение относится к способу, включающему проектирование заданной траектории бурения, ведущей к добываемому углеводороду; бурение скважинного ствола бурильным устройством, содержащим устройство для измерения при бурении, на основании заранее заданной траектории бурения; извлечение бурильного устройства из скважинного ствола; и получение углеводорода из данного скважинного ствола. Этап бурения скважинного ствола бурильным устройством, содержащим устройство для измерения при бурении, включает получение данных о бурении при помощи устройства для измерения при бурении, передачу данных о бурении в блок управления бурением, и калибровку направления бурения бурильного устройства на основании данных о бурении и заранее заданной траектории бурения. Указанное устройство для измерения содержит основание, имеющее ось вращения и выполненное с возможностью осевого присоединения между буровой трубой и бурильной коронкой бурильного устройства. Основание имеет первую и вторую концевые поверхности на своих двух осевых концах, соответственно, и цилиндрическую периферийную боковую поверхность, проходящую между первой и второй концевыми поверхностями. Основание ограничивает по меньшей мере одну регистрирующую камеру, имеющую отверстие на по меньшей мере одной поверхности из концевых поверхностей. Основание также содержит проход, выполненный с возможностью обеспечения жидкостного сообщения между буровой трубой и бурильной коронкой. Кроме того, указанное устройство для измерения также содержит по меньшей мере один датчик, расположенный внутри регистрирующей камеры. Указанное устройство для измерения также содержит уплотнительный элемент, выполненный с возможностью уплотнения регистрирующей камеры на указанной по меньшей мере одной поверхности из концевых поверхностей.
[0007] В другом аспекте предложенное изобретение относится к способу изготовления устройства для измерения при бурении, включающему обеспечение наличия основания, имеющего ось вращения и выполненного с возможностью осевого присоединения между буровой трубой и бурильной коронкой бурильного устройства и имеющего первую и вторую концевую поверхность на своих двух осевых концах, соответственно, и цилиндрическую периферийную боковую поверхность, проходящую между первой и второй концевыми поверхностями; формирование по меньшей мере одной регистрирующей камеры в указанном основании, имеющей отверстие на по меньшей мере одной поверхности из концевых поверхностей; формирование прохода в указанном основании, обеспечивающего возможность жидкостного сообщения между буровой трубой и бурильной коронкой; расположение по меньшей мере одного датчика в регистрирующей камере через отверстие регистрирующей камеры; и уплотнение регистрирующей камеры на указанной по меньшей мере одной поверхности из концевых поверхностей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Предложенное изобретение станет более понятными при рассмотрении следующего описания вариантов выполнения изобретения, приведенного со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
[0009] на фиг. 1 схематично изображено известное из уровня техники устройство для измерения при бурении;
[0010] на фиг. 2 схематично изображена система направленного бурения, выполненная в соответствии с одним конкретным вариантом выполнения предложенного изобретения;
[0011] на фиг. 3 изображено, в состоянии сборки, устройство для измерения при бурении, выполненное в соответствии с одним конкретным вариантом выполнения предложенного изобретения;
[0012] на фиг. 4 изображена конструкция устройства для измерения при бурении, выполненного в соответствии с одним конкретным вариантом выполнения предложенного изобретения;
[0013] на фиг. 5 изображено поперечное сечение устройства для измерения при бурении, показанное на фиг. 4;
[0014] на фиг. 6 схематично изображены тензодатчики устройства для измерения при бурении, показанного на фиг. 4;
[0015] на фиг. 7 изображено поперечное сечение устройства для измерения при бурении, выполненное соответствии с другим конкретным вариантом выполнения предложенного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] Далее в настоящем документе приведено подробное описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения. Следует отметить, что для простоты и краткости в подробном описании вариантов выполнения в настоящем документе невозможно подробно описать все признаки практических вариантов выполнения. Следует также понимать, что для достижения конкретной цели разработчика, а также для соблюдения некоторых ограничений, связанных с системой или бизнесом, в процессе практической реализации любого варианта выполнения, как и в процессе инженерного или опытно-конструкторского проектирования, обычно принимается ряд решений, которые также могут варьироваться в одном или другом варианте выполнения. Кроме того, может быть также учтено, что несмотря на то, что в подобном процессе разработки работы могут быть сложными и затратными по времени, некоторые вариации, например, в конструкции, изготовлении и производстве, вносимые на основе технического содержания, раскрытого в настоящей заявке, являются всего лишь обычными техническими средствами в рассматриваемой области техники для специалистов средней квалификации в данной области техники, относящимися к содержанию, раскрытому в рассматриваемом изобретении, и не должны рассматриваться как недостаточное раскрытие рассматриваемого изобретения.
[0017] Если не указано иное, то все технические или научные термины, используемые в формуле изобретения и описании, имеют одинаковое значение, как обычно понимается специалистом средней квалификации в данной области техники, к которой принадлежит предложенное изобретение. Термины "первый", "второй" и другие подобные термины, используемые в описании и формуле изобретения, не означают какого-либо последовательного порядка, номера или значимости и используются только для различения разных компонентов друг от друга. Кроме этого, единственное число обозначает не ограничение количества, а наличие по меньшей мере одного элемента. Термины "содержит", "содержащий", "включает", "включающий" и другие подобные термины, используемые в настоящем документе, означают, что элемент или объект, стоящий перед "содержит", "содержащий", "включает", "включающий", распространяется на все элементы или объекты и их проиллюстрированные эквиваленты, стоящие после "содержит", "содержащий", "включает", "включающий", но не исключает других элементов или объектов. Термин "связанный" или "соединенный" или другой подобный термин не ограничен физическим или механическим соединением, а также не ограничен непосредственным или опосредованным соединением.
[0018] В настоящей заявке термины "может", "возможно", "выполнен с возможностью", "мог бы" указывают на возможность события в случае некоторых обстоятельств и имеют определенное свойство, признак или функцию, и/или путем комбинирования с квалифицируемым глаголом обозначают по меньшей мере одну способность, функцию или вероятность. Соответственно, использование "может" указывает на то, что модифицируемые термины являются очевидно соответствующими, подходящими или применимыми. Однако, в то же время, учитывая наличие некоторых ситуаций, модифицируемый термин может не быть соответствующим, подходящим или применимым. Например, в ряде случаев можно ожидать появление результата или выполнения, хотя при этом в других случаях результат или выполнение могут не возникнуть. В вариантах выполнения данное различие описано в терминах, означающих "может".
[0019] В одном аспекте выполнения предложенное изобретение относится к устройству для измерения при бурении в системе направленного бурения. На фиг. 2 схематично изображена система направленного бурения, содержащая буровую установку 33, буровую трубу 31 и бурильную коронку 32. Устройство 20 для измерения при бурении расположено между буровой трубой 31 и бурильной коронкой 32 для регистрации информации о буровой трубе и бурильной коронке и передачи этой информации обратно на сторону управления, что позволяет данной стороне действовать в качестве основы для вырабатывания управляющего сигнала.
[0020] На фиг. 3 изображено, в состоянии сборки, устройство для измерения при бурении, выполненное в соответствии с одним конкретным вариантом выполнения предложенного изобретения. Со ссылкой на фиг. 3, устройство 20 для измерения при бурении выполнено с возможностью осевого присоединения между буровой трубой 31 и бурильной колонкой 32 бурильного устройства и соосно как с указанной буровой трубой, так и с указанной бурильной колонкой. В одном варианте выполнения изобретения устройство 20 представляет собой, по существу, цилиндрическое тело. При работе бурильного устройства устройство 20 вращается вместе с буровой трубой 31 и бурильной коронкой 32, измеряет различные параметры для буровой трубы и бурильной коронки в реальном времени посредством датчика (датчиков) 24, расположенных в нем, генерирует данные о бурении и передает их в блок управления бурением. Затем в соответствии с указанными данными блок управления бурением управляет направлением бурения, скоростью бурения и другими подобными параметрами бурильного устройства.
[0021] На фиг. 4 изображена конструкция устройства для измерения при бурении, выполненного в соответствии с одним конкретным вариантом выполнения предложенного изобретения. Как изображено на фиг. 4, устройство 20 для измерения содержит основание 21, имеющее ось 211 вращения и имеющее первую и вторую концевые поверхности 212, 213 на своих двух концах, соответственно, и цилиндрическую боковую поверхность 214, проходящую между первой и второй концевыми поверхностями 212, 213. В одном варианте выполнения предложенного изобретения ось 211 вращения представляет собой не сплошной вал, а геометрическую прямую линию, вокруг которой вращается основание 21.
[0022] В одном варианте выполнения одна поверхность из указанных концевых поверхностей представляет собой плоскость и расположена под углом к цилиндрической боковой поверхности 214. Кроме этого, в одном варианте выполнения основание 21 представляет собой, по существу, цилиндрическое тело таким образом, что две концевые поверхности выполнены кольцевыми и перпендикулярными оси 211 вращения.
[0023] На двух осевых концах основания 21 выполнены две соединительных части, обеспечивающие присоединение основания 21 между буровой трубой 31 и бурильной коронкой 32. В частности, основание 21 имеет первую соединительную часть рядом с первой концевой поверхностью и вторую соединительную часть рядом со второй концевой поверхностью, причем указанные части используются для соединения с буровой трубой 31 и бурильной коронкой 32, соответственно.
[0024] Со ссылкой на фиг. 3, в одном варианте выполнения предложенного изобретения первая соединительная часть представляет собой выступающую часть 215, выступающую от первой концевой поверхности 212. На криволинейной поверхности выступающей части 215 выполнена охватываемая резьба 2151, а на буровой трубе 31 выполнена охватывающая резьба 311 для соответствия охватываемой резьбе 2151, обеспечивающие возможность соединения основания 21 и буровой трубы 31 с помощью резьб 2151 и 311. Вторая соединительная часть представляет собой углубленную часть 216, углубленную вовнутрь от второй концевой поверхности 213. На внутренней стенке углубленной части 216 выполнена охватывающая резьба 2161, а на бурильной коронке 32 выполнена охватываемая резьба 321 для соответствия выступающей части 2161, обеспечивающие возможность соединения основания 21 и бурильной коронки 32 с помощью резьб 2161 и 321.
[0025] В одном варианте выполнения предложенного изобретения выступающий участок 215 может представлять собой, цилиндрическое тело или усеченный конус, как изображено на фиг. 3 и 4, без ограничения указанным. Выступающий участок может представлять собой цилиндрическую полость с закрытой половиной или полость в виде усеченного конуса, как изображено на фиг. 3 и 4, без ограничения указанным.
[0026] В данном варианте выполнения основание 21 соединено с буровой трубой 31 и бурильной коронкой 32 резьбовым образом, однако данное соединение не ограничено резьбовым типом. Так, основание 21 может быть также соединено с буровой трубой 31 и бурильной коронкой 32, другим образом, например, защелками, болтами или другими подобными приспособлениями.
[0027] Основание 21 ограничивает проход 23, выполненный в нем для жидкостного сообщения между буровой трубой 31 и бурильной коронкой 32. Как изображено на фиг. 4 и 5, в одном варианте выполнения проход 23 проходит через основание 21 вдоль оси 211 вращения и выполнен в виде цилиндрической полости, соосной с основанием 21.
[0028] Как показано на фиг. 3, основание 21 также ограничивает по меньшей мере одну регистрирующую камеру 22, выполненную в нем для размещения датчика (датчиков) 24 устройства для измерения при бурении. Регистрирующая камера 22 имеет по меньшей мере одно отверстие 221 на первой концевой поверхности 212. Отверстие регистрирующей камеры расположен, в соответствии с известным уровнем техники как изображено на фиг. 1, расположено на цилиндрической периферийной боковой поверхности. В этом случае обеспечено удобство монтажа и технического обслуживания датчика 12. Однако, вследствие наличия сборочных единиц, например крышки 13 возле датчика 12, между сборочными единицами или между сборочными единицами и основанием могут возникать непредсказуемые и крайне неустойчивые внутренние силы, которые могут резко снижать точность измерения датчика 12. Кроме того, поскольку между крышкой 13 и отверстием канавки 11 выполнено сложное соединение, уплотнительная функция оборудования не может быть гарантирована. В отличие от этого, в предложенном изобретении отсутствует отверстие на цилиндрической периферийной боковой поверхности 214, и датчик 24 расположен рядом со средним, в осевом направлении, участком основания 21. Таким образом, при расположении датчика 24 в камере 22 через отверстие 221 конструкция возле поперечного сечения датчика 24, перпендикулярного оси 211 вращения, является простой и устойчивой, и отсутствуют какие-либо другие сборочные единицы, за исключением основания 21, взаимодействующие с датчиком. В результате отсутствуют какие-либо неопределенные или неустойчивые внутренние силы, влияющие на точность измерения датчика 24, что, следовательно, значительно повышает точность измерений датчика 24.
[0029] При дальнейшем рассмотрении фиг. 3, по меньшей мере один датчик 24 расположен внутри камеры 22. В одном варианте выполнения указанный датчик может представлять собой тензокомпонент, трехмерный (3D) акселерометр или их комбинацию. Кроме того, в зависимости от требований, указанный датчик может представлять собой датчик другого типа или комбинацию датчиков другого типа, без ограничения, однако, этим датчиком или комбинацией.
[0030] Со ссылкой на фиг. 4 устройство для измерения при бурении также содержит уплотнительный элемент 26, расположенный на концевой поверхности и выполненный с возможностью уплотнения регистрирующих камер 22. В одном варианте выполнения уплотнение 26 содержит крышку 261 и уплотнительную прокладку 262 на указанной по меньшей мере одной концевой поверхности. Уплотнительная прокладка 262 расположена между крышкой 261 и указанной по меньшей мере одной концевой поверхностью для улучшения уплотнительного эффекта крышки 261.
[0031] Со ссылкой на фиг. 4 и 5, дополнительно, в одном варианте выполнения четыре цилиндрические регистрирующие камеры 22 проходят через цилиндрическое основание 21 вдоль направления оси 211 вращения. Каждая камера из камер 22 имеет два отверстия 221, 222, расположенных на первой и второй концевых поверхностях 212, 213, соответственно. Каждая поверхность из концевых поверхностей 212, 213 расположена вместе с крышкой 261 и уплотнительной прокладкой 262, каждая из которых выполнена кольцевой, для закрытия четырех отверстий на каждой концевой поверхности и устранения влияния на работу соединительных частей 215, 216 и прохода 23.
[0032] В одном варианте выполнения предложенного изобретения каждая камера из регистрирующих камер 22 имеет форму в соответствии с цилиндрической периферийной боковой поверхностью, обеспечивающую возможность полного использования внутреннего пространства основания 21, и увеличения внутреннего объема камеры 22. Со ссылкой на фиг. 4 и 5, основание ограничивает четыре цилиндрические регистрирующие камеры 22 между внешней областью прохода 23 и цилиндрической периферийной боковой поверхностью 214 основания 21, расположенные равномерно вокруг прохода 23, причем каждая камера из указанных четырех камер имеет поперечное сечение в форме длинного искривленного эллипса.
[0033] В одном варианте выполнения предложенного изобретения датчик 24 содержит по меньшей мере два тензокомпонента 25. Как изображено на фиг. 4-6, каждый компонент из тензокомпонентов 25 содержит первый, второй и третий тензодатчики, расположенные на внутренней стенке регистрирующей камеры 22 вдоль трех различных направлений, для измерения давления, момента, боковой силы или другого подобного параметра бурильной коронки. Посредством подобной комбинации тензокомпонентов могут быть отделены друг от друга различные силы и моменты на бурильной коронке, что дополнительно повышает точность измерения.
[0034] В одном варианте выполнения предложенного изобретения первый, второй и третий тензодатчики 251, 252, 253 установлены на стороне внутренней стенки регистрирующей камеры 22 рядом с цилиндрической периферийной боковой поверхностью 214. Как изображено на фиг. 5, каждый датчик из тензодатчиков испытывает на стороне возле цилиндрической периферийной боковой поверхности 214 объем деформации больший, чем на другой стороне, обеспечивая, таким образом, возможность увеличения коэффициента сигнал-шум тензокомпонента 25 и повышения точности измерения.
[0035] На фиг. 6 схематично изображены тензодатчики 25 устройства для измерения при бурении. Как изображено на фиг. 6, первый и второй тензодатчики 251, 252 расположены симметрично относительно третьего тензодатчика 253. В одном варианте выполнения предложенного изобретения угол между первым тензодатчиком 251 и третьим тензодатчиком 253 составляет примерно 45 градусов, обеспечивая, таким образом, угол между первым тензодатчиком 251 вторым тензодатчиком 252 примерно 90 градусов, что упрощает расчеты и повышает точность результатов измерения.
[0036] В одном варианте выполнения предложенного изобретения датчик 24 также содержит по меньшей мере одну пару трехмерных акселлерометров, причем каждая пара трехмерных акселлерометров расположена симметрично относительно оси 211 вращения основания, и путем комбинации из двух трехмерных акселерометров параметры движения и параметры вибрации вращения бурильной коронки отделены друг от друга. В частности, путем сложения сигналов каждой пары трехмерных акселерометров центробежное ускорение двух трехмерных акселерометров уравновешивается для устранения негативного воздействия, создаваемого центробежным ускорением одиночного трехмерного акселерометра, обеспечивая повышение точности измерения устройством 20 для измерения при бурении вибрации. Кроме того, скорость вращения бурильной коронки может быть измерена более точно посредством вычитания сигналов каждой пары трехмерных акселерометров.
[0037] В одном варианте выполнения предложенного изобретения трехмерные акселерометры могут быть выполнены как единое целое или заменены тремя одномерными акселерометрами или одним двухмерным акселерометром и одним одномерным акселерометром.
[0038] Со ссылкой на фиг. 7, в одном варианте выполнения предложенного изобретения устройство 20 для измерения при бурении содержит два трехмерных акселерометра 271, 272, расположенных вдоль одной линии, проходящей через ось 211 вращения, и удаленных на одинаковое расстояние от оси 211 вращения.
[0039] Датчик 24 и регистрирующая камера 22 использованы для получения данных о бурении и передачи данных в блок управления бурением, при этом данные о бурении передают посредством кабелей, ультразвуковой волны, акустических сигналов или радиочастотных сигналов. В одном варианте выполнения питание может быть подано в датчик 24 посредством кабелей или аккумуляторов в камере 22.
[0040] В другом аспекте предложенное изобретение относится к способу получения углеводорода с помощью бурильного устройства, содержащего предложенное устройство для измерения при бурении, включающему: проектирование заранее заданной траектории бурения, ведущей к добываемому углеводороду; бурение скважинного ствола бурильным устройством, содержащим устройство для измерения при бурении, на основании заранее заданной траектории бурения; извлечение бурильного устройства из скважинного ствола; и получение углеводорода из скважинного ствола.
[0041] В свою очередь, этап бурения скважинного ствола бурильным устройством, содержащим устройство для измерения при бурении, включает получение данных о бурении при помощи устройства для измерения при бурении, передачу данных о бурении в блок управления бурением и калибровку направления бурения бурильного устройства на основании данных о бурении и заранее определенной траектории бурения.
[0042] В одном варианте выполнения предложенного изобретения этап передачи данных по бурению включает передачу посредством кабелей, ультразвуковой волны, акустических сигналов или радиочастотных сигналов.
[0043] В одном варианте выполнения предложенного изобретения указанный способ также включает этап, на котором данные о бурении кодируют до их передачи.
[0044] В другом аспекте предложенное изобретение относится также к способу изготовления устройства для измерения при бурении, включающему обеспечение основания, имеющего ось вращения, выполненного с возможностью осевого присоединения между буровой трубой и бурильной коронкой бурильного устройства и имеющего первую и вторую периферийную концевую поверхности на своих двух осевых концах и цилиндрическую периферийную боковую поверхность, проходящую между первой и второй концевыми поверхностями; формирование по меньшей мере одной регистрирующей камеры в указанном основании, имеющей отверстие на по меньшей мере одной поверхности из концевых поверхностей; формирование прохода в указанном основании, выполненного с возможностью обеспечения жидкостного сообщения между буровой трубой и бурильной коронкой; размещение по меньшей мере одного датчика в регистрирующей камере через отверстие регистрирующей камеры; и уплотнение регистрирующей камеры на указанной по меньшей мере одной поверхности из концевых поверхностей.
[0045] В одном варианте выполнения предложенного изобретения указанный способ также включает формирование первой соединительной части рядом с первой концевой поверхностью и формирование второй соединительной части рядом со второй концевой поверхностью для соединения основания с буровой трубой и бурильной коронкой бурильного устройства.
[0046] Несмотря на то, что в настоящем документе описаны конкретные варианты выполнения изобретения, специалистам очевидно, что могут быть произведены различные модификации и вариации. Соответственно, следует отметить, что формула изобретения включает все модификации и вариации в пределах фактической идеи и объема правовой охраны изобретения.