ГРАВИМЕТРИЧЕСКОЕ СРЕДСТВО И СПОСОБ ОРИЕНТАЦИИ ОБСАДНЫХ КОЛОНН
GRAVIMETRIC MEANS AND METHOD FOR ORIENTATION OF CASING STRINGS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к скважинному оборудованию и, в частности, к системам и способам ориентирования скважинных труб при помощи силы тяжести.
[0002] В нефтегазовой промышленности углеводороды могут добываться через стволы скважин относительно сложной формы, пересекающие один или более подземных пластов. Некоторые скважины могут представлять собой многоствольные скважины, в которых один или более боковых стволов скважины отходят от основного ствола. Многоствольные скважины нередко содержат одно или более отверстий или отводов из обсадной колонны, предусмотренных на скважинных трубах, позволяющих создавать соответствующие боковые стволы скважины. Для целей точного ориентирования разветвленных отверстий внутри ствола скважины используются приборы измерений во время бурения (MWD, measuring while drilling) или другие известные устройства индикации ориентации импульсами давления. Вместе с тем на больших глубинах импульсы давления, генерируемые обычными приборами MWD, становятся все больше затухающими при сужении обратного потока, таком как в кольце между внутренней рабочей колонной и наружной обсадной колонной или колонной-хвостовиком. В результате этого в системе может возникнуть значительное количество шумового давления вследствие разнообразных сужений в обратном потоке. Такие условия затрудняют обнаружение и интерпретацию данных, передаваемых импульсами давления, на поверхности скважины.
[0003] Кроме того, типовые приборы MWD не должны цементироваться; также они представляют слишком большую ценность, чтобы их можно было бурить. Кроме того, приборы MWD не обеспечивают прохождения через них пробок для целей отсоединения работающих приборов, установки подвесок для труб, пакеров и т.д. Более того, при необходимости раздельного спуска прибора MWD в скважину и поднятия из нее для таких операций необходимы дополнительные затраты времени и средств. Кроме того, спуск приборов MWD в сильно отклоненные или горизонтальные стволы скважин на кабеле или закачивание приборов в забой представляет разнообразие дополнительных технических трудностей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0004] Приведенные ниже фигуры включены для иллюстрации некоторых аспектов настоящего изобретения и не должны рассматриваться в качестве исчерпывающих вариантов реализации изобретения. Раскрываемый объект изобретения допускает значительные модификации, изменения, комбинации и эквиваленты по форме и функции без отклонения от объема настоящего изобретения.
[0005] Фиг.1 иллюстрирует вид в поперечном разрезе типовой скважинной системы, которая может заключать в себе принципы настоящего изобретения в соответствии с одним или более вариантами реализации.
[0006] Фиг.2 иллюстрирует вид в поперечном разрезе скважинной системы на Фиг.1 во время типовой эксплуатации в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения.
[0007] Фиг.3 иллюстрирует вид в поперечном разрезе скважинной системы на Фиг.1 после операции цементирования и во время последующей операции бурения в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения.
[0008] Фиг.4 иллюстрирует вид в поперечном разрезе устройства индикации ориентации по Фиг. 1-3 в увеличенном масштабе в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения.
[0009] Фиг. 5A и 5B иллюстрируют соответственно вид с торца и изометрический вид устройства ориентации по Фиг.4 согласно одному или более вариантам реализации изобретения.
[0010] Фиг.6 иллюстрирует поэтапные виды с торца первого и второго каналов потока образца устройства ориентации по Фиг.4 во время операций ориентации в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения.
[0011] Фиг.7 иллюстрирует поэтапные виды с торца первого и второго каналов потока другого образца устройства ориентации во время операций ориентации в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения.
[0012] Фиг.8 иллюстрирует изометрический вид в поперечном разрезе части устройства индикации ориентации в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] Настоящее изобретение относится к скважинному оборудованию и, в частности, к системам и способам ориентирования скважинных труб при помощи силы тяжести.
[0014] Варианты реализации изобретения, раскрываемые в данной заявке, являются средствами угловой ориентации различных скважинных приборов или конструкций при помощи замеров давления текучей среды. Приводится описание устройства индикации ориентации, которое включает проточный канал и устройство ориентации, которое снабжено свободно вращающийся в нем грузом эксцентрика. Бурильщик может вращать колонну обсадных труб, находясь в позиции на поверхности скважины, и таким образом вращать устройство индикации ориентации. Во время вращения устройства индикации ориентации груз эксцентрика свободно вращается и удерживает устройство ориентации указывающим на верхнюю сторону ствола скважины, одновременно изменяя скорость потока через проточный канал. Путем наблюдения за заранее заданным перепадом давления в устройстве индикации ориентации, бурильщик может знать, что тот или иной скважинный прибор или конструкция, связанные с колонной обсадных труб, имеют надлежащую ориентацию в стволе скважины.
[0015] Раскрытые в настоящей заявке варианты реализации изобретения могут быть особенно полезны для угловой ориентации отверстия, используемого при создании многоствольной скважины. Следует, однако, понимать, что ориентация других скважинных приборов и конструкций, таких как, кроме прочего, защелочные соединения и устройства выравнивания, может выполняться аналогичным образом, но не ограничивается этим. Описанное в настоящей заявке устройство индикации ориентации может оказаться полезным для сокращения времени бурения путем снижения продолжительности спуска в скважину. Например, в некоторых случаях благодаря устройству индикации ориентации отпадет необходимость выполнения двух спусков в скважину.
[0016] Следует понимать, что различные варианты реализации изобретения, описанные в данной заявке, могут быть использованы в различных видах ориентации, например наклонной, перевернутой, горизонтальной, вертикальной и т.д., а также в различных конфигурациях, без отхода от принципов настоящего изобретения. Варианты реализации изобретения описаны единственно в качестве примеров полезных применений принципов изобретения, которое не сводится к каким-либо конкретным деталям этих вариантов реализации.
[0017] В последующем подробном описании типовых вариантов реализации изобретения для удобства ссылок на прилагаемые чертежи используются термины направления, такие как «выше», «ниже», «верхний», «нижний» и т.д. Как правило, «выше», «верхний», «вверх» и им подобные термины относятся к направлению к поверхности земли относительно ствола скважины, а «ниже», «нижний», «вниз» и им подобные термины относятся к направлению от поверхности земли относительно ствола скважины.
[0018] Обратившись к Фиг.1, можно увидеть иллюстрацию типовой скважинной системы 100, которая может заключать в себе принципы настоящего изобретения в соответствии с одним или более вариантами реализации. Как описано в данной заявке, скважинная система 100 (далее называемая «система 100») может быть использована для индикации ориентации внутри скважины скважинного прибора или конструкции в стволе скважины 102 в режиме реального времени. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения скважинным прибором или конструкцией может быть отверстие 104, используемое при бурении ответвления ствола скважины (на фигуре не показан), пересекающего основной ствол скважины 102. Однако, как будет описано далее, ориентация других скважинных приборов и/или конструкций может быть достигнута при помощи системы 100 без отхода от принципов настоящего изобретения.
[0019] В системе 100 следует выполнить азимутальную ориентацию отверстия 104 относительно ствола скважины 102. Как изображено на Фиг.1, ствол 102 скважины проходит от в основном вертикальной части до в основном горизонтальной части, и отверстие 104 изображено как в основном расположенное внутри или иным образом проходящее к его горизонтальной части. Необходимая ориентация отверстия 104 в данном примере - вертикально вверх относительно ствола скважины 102 или, иначе говоря, к «верхней стороне» ствола скважины 102. Отверстие 104 сопряжено в или со скважинной трубой 106, такой как колонна-хвостовик, колонна обсадных труб либо труба, трубопровод или канал любого другого типа, о которых специалистам в данной области техники известно, что они помещаются в ствол 102 скважины. Во время эксплуатации скважинная труба 106 совершает вращательное движение внутри ствола скважины 102 до достижения отверстием 104 правильной ориентации внутри него (т.е. по направлению к верхней стороне).
[0020] Система 100 может также включать устройство индикации ориентации 108, взаимосвязанное с или иным способом образующее составную часть скважинной трубы 106. Как описано в данной заявке, устройство индикации ориентации 108 (далее называемое «устройство 108») может быть использовано для ориентирования отверстия 104 (или любых других скважинных приборов и/или конструкций) до необходимой угловой ориентации, например, по направлению к верхней стороне ствола скважины 102. Тем не менее, следует понимать, что отверстие 104 может быть сориентировано по другой угловой ориентации, отличной от вертикальной, с соблюдением принципов настоящего изобретения. Например, отверстие 104 может быть ориентировано в направлении вниз или, если необходимо, в любом другом угловом направлении относительно ствола скважины 102. Коротко говоря, это может быть выполнено посредством регулировки азимутального выравнивания отверстия 104 с устройством 108.
[0021] В проиллюстрированном варианте реализации изобретения на Фиг.1 азимутальное выравнивание может быть выполнено посредством одного или более устройств выравнивания 110 еще до спуска скважинной трубы 106 в ствол скважины 102. Как проиллюстрировано, устройство выравнивания 110 может быть также взаимосвязано с или иным способом образовывать составную часть скважинной трубы 106. Хотя это не проиллюстрировано особо, в некоторых вариантах реализации изобретения устройство выравнивания 110 может быть вдоль оси взаимосвязано между отверстием 104 и устройством 108. Как, однако, будет понятно в дальнейшем, регулирование азимутального выравнивания между устройством 108 и любым скважинным прибором или конструкцией, подлежащим ориентированию в стволе скважины 102, может быть выполнено также и другими средствами. Например, регулирование азимутального выравнивания между устройством 108 и любым скважинным прибором или конструкцией может быть выполнено посредством использования устройства азимутального выравнивания, которое образует часть самого устройства 108, или в виде части скважинного прибора или конструкции, подлежащим ориентированию, и т.д.
[0022] Как указано выше, различные скважинные приборы или конструкции, не связанные с отверстием 104, могут быть дополнительно или в качестве альтернативы ориентированы относительно ствола скважины 102 посредством использования устройства 108, описываемого в настоящей заявке. Например, еще одной конструкцией, которая может быть ориентирована относительно ствола скважины 102, может быть защелочный профиль 112, используемый для крепления и ориентирования отклоняющего клина (не показан), который может быть впоследствии установлен в скважинной трубе 106. Как известно в данной области техники, отклоняющий клин может быть использован для отклонения одной или более фрез или буровых долот сквозь отверстие 104 для бурения бокового или ответвляющегося ствола скважины, отходящего от основного ствола 102 скважины. Устройство 108 может быть выполнено с возможностью пересечения оси или иным образом охвата защелочного профиля 112 и таким образом его защиты от скопления обломков, цемента или других видов засорения, которые в противном случае препятствовали бы надлежащему креплению или присоединению к нему отклоняющего клина.
[0023] Еще один скважинный прибор или конструкцию, которые могут быть ориентированы относительно ствола скважины 102, может представлять собой центрирующий инструмент 114. Центрирующий инструмент 114 может быть использован для ориентирования и размещения устанавливаемого впоследствии оборудования для заканчивания скважины относительно отверстия 104, ствола скважины 102 и/или скважинной трубы 106. Другой тип центрирующего устройства 116 может быть использован для азимутального ориентирования центрирующего инструмента 114 относительно устройства 108 и отверстия 104 и/или защелочного профиля 112 до или во время монтажа скважинной трубы 106 в стволе скважины 102.
[0024] Как изображено на Фиг.1, для спуска скважинной трубы 106 в ствол скважины 102 может быть использована колонна рабочих труб 118. На нижнем конце рабочей колонны 118 находится раскрепляющее устройство 120, используемое для установки подвесного устройства хвостовика 122 в верхнем конце скважинной трубы 106. Колонна-хвостовик или колонна обсадных труб 124 может быть установлена в стволе скважины 102 над подвесным устройством хвостовика 122 и зацементирована в ствол. Колонна обсадных труб 124 может выступать наружу до позиции на поверхности.
[0025] Перед закупориванием затрубного пространства 126 между подвесным устройством хвостовика 122 и колонной 124 обсадных труб в скважинную трубу 106 может быть введена текучая среда 128, такая как буровой раствор, рассол или другая промывочная текучая среда. Текучая среда может циркулировать через рабочую колонну 118, скважинную трубу 106, цементирующий поплавковый клапан 130 и выходить через башмак 132 обсадной колонны на нижнем конце скважинной трубы 106. Текучая среда 128 может выходить через башмак обсадной колонны 132 в затрубное пространство 134, образуемое скважинной трубой 106 и стволом скважины 102, и может возвращаться к позиции на поверхности скважины по затрубному пространству 126. По причинам, более подробно поясняемым далее, устройство 108 может иметь такую конфигурацию, чтобы быть наиболее суженным участком для текучей среды в вышеописанной линии циркуляции для текучей среды 128. Как, например, проиллюстрировано на фигуре, устройство 108 может включать в себя или иным образом образовывать проточный канал 136, проходящий через него, а также иным образом помещает части скважинной трубы 106 выше и ниже устройства 108 в сообщении по текучей среде.
[0026] Во время циркуляции текучей среды 128 через скважинную трубу 106 можно осуществлять текущий контроль за относительным перепадом давления внутри устройства 108 через проточный канал 136 или иным образом наблюдать за ним с удаленного местоположения, такого как буровая вышка. Например, для определения давления, прилагаемого к рабочей колонне 118, и давления в колонне обсадных труб 124 на буровой вышке могут быть использованы один или более манометров или датчиков давления (не показаны), находящихся на поверхности земли или в подводном устье скважины. Измеренный перепад давления может быть полезен для определения момента, когда отверстие 104 (или защелочное соединение 112 или центрирующий инструмент 114) находится в положении заранее заданной или необходимой угловой ориентации либо вблизи него внутри ствола скважины 102.
[0027] В типовой эксплуатации уменьшение перепада давления внутри устройства 108 при определенной скорости потока текучей среды 128 фиксируется с позиции на поверхности скважины как индикация того, что достигнута необходимая азимутальная ориентация отверстия 104 (или защелочного соединения 112, или центрирующего инструмента 114) относительно ствола скважины 102. Рабочая колонна 118 используется для вращения скважинной трубы 106 в стволе скважины 102 до тех пор, пока не будет зафиксировано уменьшение перепада давления, при котором вращение скважинной трубы 106 может быть прекращено. В некоторых вариантах реализации изобретения, когда зафиксировано уменьшение перепада давления, скважинная труба 106 может быть дополнительно провернута на заранее заданное количество оборотов в целях достижения определенной заранее заданной ориентации отверстия 104 (или защелочного соединения 112, или центрирующего инструмента 114). Как будет понятно в дальнейшем, заранее заданное количество оборотов наиболее вероятно будет определяться изменением давления, так как вследствие скручивания длинномерных труб оно представляет собой ненадежный способ ориентации приборов. Иначе говоря, поворот на 90° с поверхности не всегда обеспечивает какую-либо определенную ориентацию возле отверстия 104. Вместо этого для определения момента, когда достигнута надлежащая угловая ориентация, можно следить за давлением.
[0028] Преимущество этого в том, что текучая среда 128 может непрерывно прокачиваться через скважинную трубу 106 и рабочую колонну 118 с одновременным вращением скважинной трубы 106 и осуществлением текущего контроля за перепадом давления с позиции на поверхности скважины. Непрерывная прокачка или циркуляция текучей среды 128 может способствовать предотвращению застревания скважинной трубы 106 и рабочей колонны 118 внутри ствола скважины 102. В частности, текучая среда 128, циркулирующая через затрубное пространство 126, 134 на позицию на поверхности скважины, может уподобляться гидростатическому подшипнику, позволяющему скважинной трубе 106 и рабочей колонне 118 свободно вращаться относительно ствола скважины 102 даже в их сильно отклоненных частях.
[0029] Кроме того, путем непрерывной прокачки текучей среды 128 и вращения скважинной трубы 106 в рабочей колонне 118 можно осуществлять непрерывный текущий контроль за захваченным крутящим моментом. Например, если скважинная труба 106 поворачивается на небольшое угловое расстояние после окончательного регулирования, такой небольшой поворот можно зафиксировать на поверхности по изменению давления в буровом стояке. В случае если он зафиксирован, скважинная труба 106 и рабочая колонна 118, если необходимо, могут быть переориентированы до достижения правильной угловой ориентации.
[0030] Обратившись теперь к Фиг.2, а также ссылаясь на Фиг.1, можно увидеть типовое представление системы 100 после того, как скважинная труба 106 была повернута до достижения необходимой угловой ориентации отверстия 104, при этом текучая среда 128 непрерывно циркулирует по скважинной трубе 106. В такой конфигурации площадь сечения потока проточного канала 136, проходящего через устройство 108, значительно увеличена. В результате этого перепад давления текучей среды 128 внутри устройства 108 значительно уменьшается, при том что текучая среда перемещается при той же скорости потока, первоначально представленной в конфигурации, изображенной на Фиг.1. Как указано выше, такое уменьшение перепада давления может быть зафиксировано с удаленной позиции на поверхности скважины в качестве положительной индикации того, что необходимая угловая ориентация отверстия 104 достигнута.
[0031] Вместе с тем в других вариантах реализации изобретения уменьшение перепада давления может обозначать, что другие скважинные приборы или конструкции, такие как защелочное соединение 112 и/или центрирующий инструмент 114, находятся в соответствующем необходимом положении(-ях) ориентации. Еще в других вариантах реализации изобретения уменьшение перепада давления может обозначать, что все необходимые скважинные приборы или конструкции находятся в их соответствующих необходимых положениях ориентации. На Фиг.2, например, все конструкции 104, 112, 114 изображены как находящиеся в необходимой угловой ориентации, когда перепад давления внутри устройства 108 уменьшен.
[0032] Увеличенная площадь сечения потока проточного канала 136 не только способствует уменьшению перепада давления, зафиксированного внутри устройства 108, но также обеспечивает другие преимущества системы 100. Например, увеличенная площадь сечения потока позволяет обеспечить свободное прохождение цементного раствора с включениями любых увлекаемых им крупных осколков щебня или комьев через устройство 108. Таким образом, нет необходимости в снятии устройства 108 со скважинной трубы 106 или в бурении через него, прежде чем будет произведен цементаж скважинной трубы 106 в стволе скважины 102. Специалистам в данной области техники это сразу станет понятно как значительное эксплуатационное и дающее экономию времени преимущество системы 100. Более того, увеличенная площадь сечения потока через устройство 108 может обеспечить прохождение через устройство таких объектов, как пробки, шары и т.д., в целях срабатывания приборов ниже устройства 108, если это необходимо.
[0033] Обратившись теперь к Фиг.3, а также ссылаясь на Фиг. 1 и 2, можно увидеть типовое представление системы 100 после операции цементирования в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения. Как проиллюстрировано на фигуре, теперь в затрубном пространстве 126 и 134 находится цемент 138, и подвесное устройство хвостовика 122 таким образом закреплено в колонне обсадных труб 124 на постоянной основе. Следует отметить, что цемент 138 поступал через устройство 108 без необходимости снятия устройства со скважинной трубы 106. Посредством использования одной или более цементировочных пробок 140 и соответствующих шаров (не показаны) устройство 108 было снято с места его присоединения к скважинной трубе 106 и продвинуто к нижней части скважинной трубы 106 до его соприкасания с заливочной муфтой 130.
[0034] В частности, цементировочные пробки 140 могут быть сопряжены с подвесным устройством хвостовика 122. После введения шара соответствующего размера внутрь рабочей колонны 118 (Фиг.1 и 2) нижняя цементировочная пробка 140 может быть прокачана с подвесного устройства хвостовика 122 через скважинную трубу 106 раствором цемента 138 до касания устройства 108. Цемент 138 может перекачиваться через устройство 108 до закачки надлежащего объема цемента 138 в затрубное пространство 126, 134. На этом этапе при помощи буферной текучей среды, предназначенной для срезания верхней цементировочной пробки 140 с подвесного устройства хвостовика 122, может быть опущен еще один шар (не показан). Верхняя цементировочная пробка 140 прокачивается к устройству и помещается поверх нижней цементировочной пробки 140. Повышение гидравлического давления буферной текучей среды в скважинной трубе 106 может привести к срезанию или сламыванию одного или более крепежных устройств (не показаны), сопряженных с устройством 108, таким образом, отсоединяя устройство 108, благодаря чему оно может быть продвинуто вниз по стволу до соприкасания с заливочной муфтой 130.
[0035] После операции цементирования, изображенной на Фиг.3, буровое долото 142 может быть спущено в скважинную трубу 106 на бурильной колонне 144 и использовано для бурения через устройства 108 (вместе с цементировочными пробками 140), заливочной муфты 130 и башмака обсадной колонны 132 в целях удлинения ствола скважины 102. Внутренние компоненты устройства 108 могут быть изготовлены из относительно поддающихся бурению сквозь себя и немагнитных материалов (таких как алюминий, эластомеры, пластмасса, композитные материалы и т.д.), с тем чтобы ствол скважины 102 можно было беспрепятственно удлинить, а также чтобы получившиеся обломки можно было беспрепятственно вывести циркуляцией из ствола скважины 102.
[0036] Обратившись теперь к Фиг.4, можно увидеть представление вида в поперечном разрезе устройства индикации ориентации 108 в увеличенном масштабе в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения. Сходные цифровые обозначения на Фиг.4, используемые в предыдущих фигурах, обозначают те же компоненты, детально вновь не указываемые. Как проиллюстрировано на фигуре, устройство 108 может содержать корпус 402, и устройство ориентации 404, подвижно смонтировано внутри корпуса 402. Корпус 402 может представлять собой удлиненный, в основном цилиндрический элемент, закрепляемый внутри скважинной трубы 106 на защелочном профиле 112 или рядом с ним. Корпус 402 может быть изготовлен из материала, легко поддающегося фрезерованию или бурению, с тем чтобы его можно было легко пробурить, как показано на Фиг.3 выше. Например, по меньшей мере в одном варианте реализации изобретения корпус 402 может быть изготовлен из алюминия. В других вариантах реализации изобретения корпус 402 может быть изготовлен из композитного материала.
[0037] Защелочный профиль 112 может иметь специальный профиль или конструкцию, выполненную с возможностью для сопряжения с защелкой на нижней части отклоняющего устройства (не показана). Защелочное соединение 112 может иметь угловое выравнивание с отверстием 104 (Фиг.1-3), с тем чтобы, когда спускаемый впоследствии отклоняющий клин будет помещен на защелочное соединение 112 и повернут так, чтобы прийти в зацепление в нужном положении, он бы указывал в правильном угловом направлении для надлежащего вывода фрез и/или буровых долот из отверстия 104. Однако во время вышеописанной операции цементирования в профилях защелочного соединения 112 зачастую могут оставаться частицы цемента и другие обломки, и цемент может в них затвердеть. В результате этого во время спуска отклоняющего клина в забой могут возникнуть затруднения в определении места и крепления отклоняющего клина его соответствующей защелкой к защелочному соединению 112.
[0038] Однако в соответствии с настоящим изобретением устройство 108 может быть выполнено с возможностью охватывать в осевом направлении или иным образом накрывать защелочное соединение 112 и таким образом служить преградой, в основном предотвращающей попадание каких-либо обломков и/или цемента в профили защелочного соединения 112. Как будет понятно в дальнейшем, такая преграда позволит выполнить надлежащее размещение отклоняющего клина и его закрепление к защелочному соединению 112 без помех, представляемых обломками и/или цементом.
[0039] Для этого каждый торец корпуса 402 может быть закреплен в скважинной трубе 106 при помощи соответствующих уплотнительных устройств, проиллюстрированных как верхнее уплотнительное устройство 406a и нижнее уплотнительное устройство 406b. Верхнее и нижнее уплотнительные устройства 406a, b могут быть выполненным с возможностью изолирования защелочного профиля 112 во время эксплуатации, особенно во время операции цементирования, описанной выше. Для этого верхнее и нижнее уплотнительные устройства 406a, b могут быть изготовлены из эластичного материала, который может соприкасаться с внутренней стенкой скважинной трубы 106 и герметизировать ее. В некоторых вариантах реализации изобретения верхнее и нижнее уплотнительные устройства 406a, b могут представлять собой цементировочные пробки, включающие в себя или иным образом образующие ряд скребков 408, которые имеют конфигурацию, предназначенную для их герметизирующего соприкасания с внутренней стенкой скважинной трубы 106. Скребки 408 могут иметь конфигурацию, обеспечивающую герметизацию внутренней стенки скважинной трубы 106, но при этом с возможностью выхода уже в забое небольшого количества текучей среды под давлением. Например, сборка устройства 108 выполняется на поверхности при атмосферном давлении, а после помещения устройства 108 в забой может образоваться большой перепад давления вследствие захвата воздуха между уплотнительными устройствами 406a, b, смежными в осевом направлении. Так как скребки 408 полугибкие, захваченный воздух имеет возможность выхода в осевом направлении через скребки 408 в целях уравнивания давления, благодаря чему предотвращается вероятное возникновение гидравлического замка в устройстве 108.
[0040] В других вариантах реализации изобретения скребки 408 могут быть заменены одной или более манжетами поршней или аналогичными приспособлениями. Еще в других вариантах реализации изобретения верхнее и нижнее уплотнительные устройства 406a, b могут включать одно или более уплотнительных колец круглого сечения, выполненных с возможностью обеспечения уплотнения, которое в основном изолирует защелочный профиль 112.
[0041] Корпус 402 может быть дополнительно закреплен внутри скважинной трубы 106 при помощи одного или более крепежных устройств 410, проиллюстрированных как первое крепежное устройство 410a и второе крепежное устройство 410b. Одно из первого и второго крепежных устройств 410a, b или оба эти устройства могут быть выполнены с возможностью крепления ими корпуса 402 в скважинной трубе 106 в осевом направлении и удержания его от вращения во время введения устройства 108 в ствол скважины 102 (Фиг.1-3). Соответственно, первое и/или второе крепежное устройство 410a, b могут быть установлены на корпусе 402 совместно с одним или более устройствами выравнивания 110, 116 (Фиг.1-3) и использованы для способствования азимутальному выравниванию устройства 108 с одним или более скважинными приборами или конструкциями (т.е. отверстием 104, профилем 112 и/или центрирующим инструментом 114 с Фиг.1-3), подлежащими ориентированию в стволе скважины 102.
[0042] Первое крепежное устройство 410a может представлять собой съемное устройство или механизм, такие как срезной штифт, усеченное кольцо или любое подобное устройство, предназначенное для его срезания или иного вида сламывания при восприятии заранее заданной осевой нагрузки. Как указано выше, заранее заданная осевая нагрузка может быть приложена посредством использования одной или более цементировочных пробок 140 (Фиг.3). Когда первое крепежное устройство 410a сломано, устройство 108 может свободно двигаться в осевом и радиальном направлениях в скважинной трубе 106.
[0043] Второе крепежное устройство 410b может содержать или же охватывать выступ 412, прикрепляющийся к корпусу 402, и съемное устройство 414, такое как срезной штифт или усеченное кольцо, которым выступ 412 крепится к скважинной трубе 106. Аналогично первому крепежному устройству 410a, срезной штифт или кольцо 414 могут быть предназначены для их срезания или иного вида сламывания при восприятии заранее заданной осевой нагрузки, оказываемой цементировочной пробкой 140 (Фиг.3). В других вариантах реализации изобретения выступ 412 может быть выполнен с возможностью его сламывания при восприятии заранее заданной осевой нагрузки. В таких вариантах реализации изобретения выступ 412 может быть изготовлен из мягкого материала, такого как латунь, низкоуглеродистая сталь и т.д., и выступ 412 может быть выполнен с возможностью его сламывания вследствие напряжения в момент соприкасания цементировочной пробки 140 с устройством 108 под заранее заданной осевой нагрузкой.
[0044] Корпус 402 может дополнительно образовывать или иным образом формировать первый канал потока 416, имеющий сообщение по текучей среде со вторым каналом потока 418, образованным продольно через устройство ориентации 404. Проточный канал 136 через устройство 108 может быть образован комбинированием первого и второго каналов потока 416. Когда первый и второй каналы потока 416, 418 в основном выровнены, площадь сечения потока проточного канала 136 увеличивается и перепад давления текучей среды 128, замеренный на поверхности, соответственно уменьшается. В некоторых вариантах реализации изобретения, описанных выше, такое уменьшение перепада давления может быть положительной индикацией того, что необходимая угловая ориентация отверстия 104 была достигнута (Фиг.1-3).
[0045] Однако в других вариантах реализации изобретения уменьшение перепада давления может быть индикацией того, что необходимая угловая ориентация отверстия 104 не была достигнута. В таких вариантах реализации изобретения увеличение перепада давления может вместо этого включать в себя положительную индикацию того, что необходимая угловая ориентация отверстия 104 была достигнута надлежащим образом без отхода от объема изобретения.
[0046] Устройство ориентации 404 может быть закреплено внутри корпуса 402 таким образом, чтобы иметь способность свободно поворачиваться вокруг оси вращения 420. В частности, устройство ориентации 404 может включать одну или более втулок или подшипников, закрепляющих устройство ориентации 404 для предотвращения осевых перемещений, однако при этом позволяющих ему поворачиваться вокруг оси вращения 420. Например, в проиллюстрированном вариант реализации изобретения устройство ориентации 404 может содержать по меньшей мере один упорный подшипник 422 и один или более радиальных подшипников 424 (проиллюстрированных как первый и второй радиальные подшипники 424a и 424b). Упорный подшипник 422 может иметь конфигурацию, обеспечивающую закреплeние устройства ориентации 404 для предотвращения осевых нагрузок и иным образом обеспечения возможности устройству ориентации 404 поворачиваться вокруг оси вращения 420, одновременно соприкасаясь в осевом направлении с корпусом 402. Хотя упорный подшипник 422 изображен на Фиг.4 как находящийся на торце устройства ориентации 404 со стороны устья скважины, специалистам в данной области техники будет сразу понятно, что он может быть сходным образом помещен на торце устройства ориентации 404 со стороны забоя без отхода от объема изобретения.
[0047] Работа радиальных подшипников 424a, b обеспечивает возможность поворачивания устройства ориентации вокруг оси вращения 420, одновременно соприкасаясь с корпусом 402 по радиусу. В некоторых вариантах реализации изобретения стопорное кольцо 426 может разделять устройство ориентации 404 и корпус 402 на торце устройства ориентации 404 со стороны забоя. Стопорное кольцо 426 может быть выполнено с возможностью закреплeния им второго радиального подшипника 424b в устройстве ориентации 404 и иным образом удержания устройства ориентации 404 на месте в осевом направлении. Кроме того, стопорное кольцо 426 может быть выполнено с возможностью подвижного соприкасания устройства ориентации 404 с корпусом 402.
[0048] Подшипники 422, 424a, b могут быть изготовлены из материала, легко поддающегося бурению, таким образом, чтобы их можно было беспрепятственно разбурить, как показано на Фиг.3 выше. Например, подшипники 422, 424a, b могут быть изготовлены, кроме прочего, из олова, бронзы, оловосодержащей бронзы, латуни, меди, алюминия, пластмассы (например, с тефлоновым (TEFLON) покрытием или импрегнированным ПЭЭК), стеклонаполненного тефлона (TEFLON), композитных материалов, керамики, керамики с защитным покрытием или из комбинации любых из этих материалов. В других вариантах реализации изобретения подшипники 422, 424a, b могут быть изготовлены из любого материала, легко поддающегося механической обработке и в то же время прочного и иным образом устойчивого к износу.
[0049] По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения один или все подшипники 422, 424a, b могут быть гидравлическими подшипниками, например гидродинамическими подшипниками или гидростатическими подшипниками. В таких вариантах реализации изобретения для уменьшения осевого усилия вследствие перепада давления к нижнему торцу устройства ориентации 404 может быть приложено гидродинамическое давление сверху над устройством ориентации 404. Подобным же образом гидродинамическое давление над устройством ориентации 404 может быть использовано для создания жидкостной подушки по наружному диаметру устройства ориентации 404. В других вариантах реализации изобретения специальная емкость (не показана) для масла или другой рабочей жидкости может быть включена в устройство 108 или быть иным образом выполнена с возможностью обеспечения подачи в гидравлический подшипник(-и) необходимой жидкости-понизителя трения для их надлежащего функционирования. В таких вариантах реализации изобретения гидродинамическое давление бурового раствора или цемента может служить для целей запрессовки масла из емкости или иным способом поддержания его наличия в надлежащих местах в гидравлическом подшипнике(-ах).
[0050] Как будет понятно в дальнейшем, расположение подшипников 422, 424a, b, проиллюстрированное на Фиг.4, является всего лишь одним из примеров снижения трения между устройством ориентации 404 и корпусом 402 и, следовательно, не должно рассматриваться как ограничивающее настоящее изобретение. Специалисты в данной области техники без затруднений смогут понять несколько вариантов того, где могут быть расположены или иным образом помещены подшипники 422, 424a, b, с тем чтобы получить те же результаты снижения трения.
[0051] Устройство ориентации 404 может дополнительно включать груз эксцентрика 428. Груз эксцентрика 428 является «эксцентрическим» в том смысле, что его вес радиально смещен от оси вращения 420, вокруг которой поворачивается устройство ориентации 404. В этом варианте реализации изобретения ось вращения 420 также соответствует оси вращения скважинной трубы 106 внутри ствола скважины 102. Так как центр масс груза эксцентрика 428 радиально смещен от оси вращения 420, он будет постоянно смещаться силой тяжести в свое самое нижнее положение относительно оси вращения 420. Таким образом, в наклонно-направленных стволах скважин груз эксцентрика 428 будет постоянно стремиться к самому нижнему положению в устройстве 108 вне зависимости от азимутальной ориентации устройства 108 и скважинной трубы 106.
[0052] Обратившись ненадолго к Фиг.5A и 5B, а также ссылаясь на Фиг.4, можно увидеть проиллюстрированные соответственно вид с торца и изометрический вид устройства ориентации 404 согласно одному или более вариантам реализации изобретения. Как проиллюстрировано на фигуре, устройство ориентации 404 включает в целом цилиндрический корпус 502 с первым торцом 504a и вторым торцом 504b. Фиг.4B изображен вид второго торца 504b корпуса 502. Первый торец 502a может иметь образуемый им закругленный буртик 506, предназначенный для помещения на него частей упорного подшипника 422 или первого опорного подшипника 424a с Фиг.4, либо обоих этих подшипников. Второй торец 504b может образовывать кольцевой канал 508, предназначенный для помещения на него стопорного кольца 426 и частей второго радиального подшипника 424b.
[0053] Корпус 502 может дополнительно образовывать или включать в себя второй канал потока 418 и полость 510, предназначенную для помещения в нее и иным образом удержания груза эксцентрика 428. Корпус 502 может быть изготовлен из легко поддающегося бурению материала, имеющего свойства устойчивости к износу и коррозии во время эксплуатации. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения корпус 502 может быть изготовлен из алюминия или любого легкого по весу материала, достаточно устойчивого к износу и коррозии. В некоторых вариантах реализации изобретения корпус 502 может иметь покрытие или быть анодированным для повышения его износо- и коррозионностойкости и иным образом уменьшения трения.
[0054] Груз эксцентрика 428 может быть вставлен или иным образом помещен внутри полости 510 и выполнен с возможностью обеспечения того, чтобы устройство ориентации 404 оставалось ориентированным в поле тяготения земли. Таким способом второй канал потока 418 может постоянно перемещаться или иным образом располагаться по направлению к верхней стороне ствола скважины 102 (Фиг. 1-3). Груз эксцентрика 428 может быть изготовлен из материала высокой плотности, легко поддающегося бурению. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения, груз эксцентрика 428 может быть изготовлен из автоматной латуни, хорошо поддающейся механической обработке и обладающей высокой плотностью (например, большей, чем у алюминия, из которого может быть изготовлен корпус 502).
[0055] Обратимся снова к Фиг.4, также ссылаясь на Фиг. 1-3, где можно видеть типовую работу устройства 108. Так как устройство 108 является элементом, представляющим собой наибольшее препятствие для потока в циркуляции потока текучей среды 128, любые изменения перепада давления внутри устройства 108 могут быть зафиксированы с удаленного местоположения. Например, разницу между давлением, прилагаемым с поверхности для обеспечения циркуляции текучей среды 128 с определенной скоростью потока, и давлением в обратном потоке текучей среды 128 на поверхности можно без затруднений отслеживать на предмет изменений перепада давления. Как будет сразу понятно специалистам в данной области техники, чем больше ограничена площадь сечения потока через проточный канал 136, тем большее приложение давления потребуется для обеспечения циркуляции текучей среды 128 с определенной скоростью потока. С другой стороны, чем меньше ограничена площадь сечения потока через проточный канал 136, тем меньшее приложение давления потребуется для обеспечения циркуляции текучей среды 128 при той же скорости потока.
[0056] До введения устройства 108 в забой может быть выполнено азимутальное выравнивание устройства 108 с отверстием 104, для чего необходима индикация ориентации в стволе скважины 102. В данном примере первый канал потока 416 будет ориентирован в основном с отверстием 104, так как индикация ориентации необходима, если отверстие находится в положении вертикально вверх относительно ствола скважины 102. В результате этого положительная индикация будет получена, когда сила тяжести действует на устройство ориентации 404 так, что она выравнивает первый и второй каналы потока 416, 418 и таким образом обеспечивает наибольшую площадь сечения потока для проточного канала 136.
[0057] Такое азимутальное выравнивание первого канала потока 416 относительно отверстия 104 может быть легко достигнуто при помощи устройства выравнивания 110 или любого другого пригодного устройства выравнивания. Аналогично, если необходимо, первый канал потока 416 может быть выставлен по азимуту с защелочным соединением 112 или центрирующим инструментом 114 при помощи одного из устройств выравнивания 110, 116.
[0058] В качестве альтернативы, если в использовании устройств выравнивания 110, 116 нет необходимости или оно не представляется возможным, может быть произведено снятие показаний относительной азимутальной ориентации между первым каналом потока 416 и отверстием 104 (или защелочным соединением 112 и/или центрирующим инструментом 114), когда устройство 108 встроено в скважинную трубу 106. Таким способом ориентация отверстия 104 (или защелочного соединения 112 и/или центрирующего инструмента 114) будет известна, когда ориентация первого канала потока 416 вниз обозначена индикацией уменьшения перепада давления внутри устройства 108.
[0059] После того как устройство 108 встроено в скважинную трубу 106, а относительная ориентация между первым каналом потока 416 и отверстием 104 (или защелочным соединением 112 и/или центрирующим инструментом 114) должным образом отрегулирована или по меньшей мере известна, скважинная труба 106 спускается в ствол скважины 102. Следует учесть, что эти действия могут выполняться одновременно, например, если участок скважинной трубы 106 между устройством 108 и отверстием 104 (или защелочным соединением 112 и/или центрирующим инструментом 114) слишком длинный для их одновременной установки в скважине.
[0060] Когда скважинная труба 106 находится на необходимой глубине в стволе скважины 102, текучая среда 128 может циркулировать с определенной скоростью потока, а зафиксированный перепад давления отмечается на поверхности. В процессе циркуляции текучей среды 128 скважинные трубы 106 вращаются, то открывая, то закрывая проточный канал 136 по мере действия силы тяжести на груз эксцентрика 428 устройства ориентации 404 и поворачивания первого и второго каналов потока 416, 418 относительно друг друга. В частности, определение пошагового уменьшения перепада давления внутри устройства 108 в процессе вращения скважинной трубы 106 будет означать, что первый и второй каналы потока 416, 418 постепенно выравниваются и, следовательно, перемещают отверстие 104 ближе к какой-либо конкретной или необходимой ориентации. С другой стороны, постепенное увеличение перепада давления внутри устройства 108 в процессе вращения скважинной трубы 106 будет означать, что первый и второй каналы потока 416, 418 постепенно теряют выравнивание и, следовательно, удаляют отверстие 104 от какой-либо конкретной или необходимой ориентации. Соответственно, величина перепада давления внутри устройства 108 представляет собой индикацию того, на какую величину азимутальная ориентация отверстия 104 отличается от какой-либо конкретной или необходимой азимутальной ориентации.
[0061] В некоторых вариантах реализации изобретения может потребоваться дополнительное вращение скважинной трубы 106, например, для достижения другой азимутальной ориентации отверстия 104 (или защелочного соединения 112 и/или центрирующего инструмента 114). Дополнительное вращение скважинной трубы 106 может быть также произведено для компенсации аккумулированного крутящего момента в скважинной трубе 106 или рабочей колонне 118, или компенсации трения между стволом скважины 102 и скважинной трубой 106 или рабочей колонной 118 иным образом.
[0062] После выполнения правильного ориентирования скважинной трубы 106 и отверстия 104 (или защелочного соединения 112 и/или центрирующего инструмента 114) цемент 138 может подаваться через устройство 108, заливочную муфту 130 и башмак обсадной колонны 132, а затем в затрубное пространство 126, 134.
[0063] С целью лучшего понимания настоящего изобретения приведен следующий пример типового варианта реализации изобретения. Следующий пример не следует воспринимать в качестве ограничения или определения объема изобретения.
5
8
[0064] Для данного примера, ссылаясь на Фиг.1-4, можно увидеть, что устройство 108 используется внутри ствола скважины 102 для ориентирования отверстия 104 по направлению к верхней стороне ствола скважины 102. Предполагается, что устройство 108 устанавливается на скважинной трубе 106 диаметром 24,4475 см (9/ дюймов), а вес циркулирующей текучей среды 128 составляет 10 фунтов на галлон. Скорость циркуляции текучей среды 128 во время ориентирования отверстия 128 по направлению к верхней стороне составит приблизительно 6 баррелей в минуту (баррелей/мин), или 252 галлонов в минуту (гал/мин). Также предполагается, что определяемое повышение давления с позиции на поверхности скважины (например, повышение давления в стояке или давления на выкиде насоса) величиной приблизительно 6,8948 бар (100 фунт/кв. дюйм) должно быть достигнуто, когда отверстие 104 будет находиться в надлежащей ориентации.
[0065] Перепад давления внутри устройства 108 будет использован для определения момента, когда отверстие 104 находится в пределах +/- 30° от верхней стороны ствола скважины 102. Формула для определения перепада давления внутри устройства 108 может быть аналогична формуле для перепада давления в насадке:
Формула (1)
[0066] где ΔP - это перепад давления внутри устройства 108, Q - скорость потока (в литрах в минуту (галлонах в минуту)), MW - вес раствора (т.е. вес текучей среды 128) в тоннах на кубический метр (фунтах на галлон), а TFA - общая площадь сечения потока в кв. см. (кв. дюймах). Во время циркуляции бурильщику будет неизвестна только TFA, которая может быть определена измерением перепада давления с поверхности. Во время вращения бурильщиком скважинной трубы 106 колебания давления в бурильной трубе могут быть зафиксированы и внесены в записи. Когда TFA уменьшается или иным образом ограничивается, давление, определяемое с поверхности, возрастает, и, наоборот, когда TFA увеличивается, давление, определяемое с поверхности, соответственно уменьшается.
3
2
2
2-
2
2
2-
2
2
[0067] Как указано ниже в Таблице 1, скорость потока поддерживается на постоянном уровне 953,92 л/мин (6 баррелей/мин) (252 гал/мин), а вес раствора - на постоянном уровне 1,198 тонн/м (10 фунт/гал). Взятые вместе, они иллюстрируют, что для получения изменения перепада давления приблизительно с 0,1379 бар (2 фунт/кв. дюйм) до приблизительно 6,8948 бар (100 фунт/кв. дюйм) (фактические значения: 0,1376808 бар (1,99689 фунт/кв. дюйм) и 6,5371801 бар (94,81378 фунт/кв. дюйм) потребуется изменение TFA приблизительно на 10,4839 см (1,625 дюйм) (16,9355 см6,4516 см=10,4839 см (2,625 дюйм1 дюйм=1,625 дюйм)).
ΔP (фунт/кв. дюйм)
ΔP (бар)
Скорость потока (баррелей/мин)
Скорость потока (литров/мин)
Вес раствора (фунт/гал)
Вес раствора (тонн/куб. м)
Диаметр (дюйм)
Диаметр (см)
TFA (дюйм<sup>2</sup>)
TFA (см<sup>2</sup>)
TFA<sup>2</sup>
TFA<sup>2</sup>
1517,021
104,5949571
6
953,92
10
1,198
0,5
1,27
0,1963495
1,2667684
0,038553
1,604702266
621,3716
42,8420805
6
953,92
10
1,198
0,625
1,5875
0,3067962
1,9793264
0,094124
3,917732855
299,6584
20,6607275
6
953,92
10
1,198
0,75
1,905
0,4417865
2,8502298
0,195175
8,123809818
161,7481
11,1521433
6
953,92
10
1,198
0,875
2,2225
0,6013205
3,8794793
0,361586
15,05035993
94,81378
6,5371826
6
953,92
10
1,198
1
2,54
0,7853982
5,0670750
0,61685
25,67524933
59,19178
4,0811312
6
953,92
10
1,198
1,125
2,8575
0,9940196
6,4130169
0,988075
41,12678514
38,83573
2,6776304
6
953,92
10
1,198
1,25
3,175
1,2271846
7,9173042
1,505982
62,68370525
26,52532
1,8288572
6
953,92
10
1,198
1,375
3,4925
1,4848934
9,5799383
2,204908
91,77521705
18,72865
1,2912955
6
953,92
10
1,198
1,5
3,81
1,7671459
11,4009185
3,122805
129,9809424
13,59747
0,9375129
6
953,92
10
1,198
1,625
4,1275
2,073942
13,3802442
4,301236
179,030935
10,10926
0,6970092
6
953,92
10
1,198
1,75
4,445
2,4052819
15,5179167
5,785381
240,8057389
7,671255
0,5289146
6
953,92
10
1,198
1,875
4,7625
2,7611654
17,8139347
7,624034
317,3362693
5,925862
0,4085740
6
953,92
10
1,198
2
5,08
3,1415927
20,2682995
9,869604
410,8039631
4,649816
0,3205937
6
953,92
10
1,198
2,125
5,3975
3,5465636
22,8810097
12,57811
523,5406059
3,699486
0,2550707
6
953,92
10
1,198
2,25
5,715
3,9760782
25,6520661
15,8092
658,028496
2,980005
0,2054642
6
953,92
10
1,198
2,375
6,0325
4,4301365
28,5814686
19,62611
816,9003498
2,427233
0,1673519
6
953,92
10
1,198
2,5
6,35
4,9087385
31,6692173
24,09571
1002,939325
1,99689
0,1376808
6
953,92
10
1,198
2,625
6,6675
5,4118842
34,9153121
29,28849
1219,079019
ТАБЛИЦА 1
[0068] Обратившись к Фиг.6, можно увидеть поэтапную иллюстрацию видов с торца первого и второго каналов потока 416, 418 во время типовой операции ориентации в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения. В данном примере и варианте реализации изобретения второй канал потока 418 устройства ориентации 404 может иметь радиус 6,35 см (2,5 дюймов), таким образом, обеспечивая TFA, соразмерную с таким радиусом, когда первый и второй каналы потока 416, 418 выровнены в осевом направлении. Как в целом описано выше, тогда как вращение скважинной трубы 106 осуществляется с поверхности, устройство ориентации 404 может быть выполнено с возможностью его поворота вокруг оси вращения 420 относительно скважинной трубы 106. Воздействие силы тяжести на груз эксцентрика 428 удерживает второй канал потока 418 в верхней стороне ствола скважины 102 в процессе вращения скважинной трубы 106.
2
2
2
2
[0069] Глядя справа налево на Фиг.6, можно увидеть, что площадь сечения потока (или TFA из Формулы (1) выше) постепенно увеличивается по мере отхода первого канала потока 416 во время его вращения от нижней стороны ствола скважины 102 (справа) до положения, обращенного к верхней стороне ствола скважины 102 (слева), где он в целом выравнивается со вторым каналом потока 418. Когда первый и второй каналы потока 416, 418 разнесены на 180°, как проиллюстрировано справа на Фиг.6, полученная в результате этого площадь сечения потока составляет примерно 6,6897 см (1,0369 дюймов), что вызывает соответствующий большой перепад давления на поверхности. Однако когда первый и второй каналы потока 416, 418 выровнены в осевом направлении, как проиллюстрировано слева на Фиг.6, полученная в результате этого площадь сечения потока составляет примерно 31,669 см (4,9087 дюймов), что вызывает соответствующий небольшой перепад давления на поверхности. На основании Таблицы 1 выше перепад давления при таком сценарии достигает примерно 6,20528 бар (90 фунт/кв. дюйм), а перепад давления внутри устройства 108 производит соответствующую реакцию повышения давления на поверхности.
[0070] Обратившись теперь к Фиг.7, а также ссылаясь на Фиг.6, можно увидеть поэтапную иллюстрацию видов с торца первого и второго каналов потока 416, 418 во время операции ориентации в соответствии с одним или более дополнительными вариантами реализации изобретения. Тогда как первый и второй каналы потока 416, 418, изображенные на Фиг.6, имеют в основном округлую форму, специалистам в данной области техники будет сразу понятно, что первому и второму каналам потока 416, 418 могут придаваться или иным образом конфигурироваться другие формы или конструкции. Например, как проиллюстрировано на Фиг.7, первый канал потока 416 может иметь дугообразную форму или форму многоугольника, а второй канал потока 418 может быть в основном округлой формы, однако включать дугообразный вырез (как проиллюстрировано наверху второго канала потока 418).
[0071] Регулируя размеры первого и второго каналов потока 416, 418, расстояние между ними и их форму, можно соответственно изменять профиль давления (т.е. изменение давления в зависимости от угла ориентации и/или площади сечения потока). В примере, проиллюстрированном на Фиг.7, первому и второму каналам потока 416, 418 придается такая форма, при которой они имеют максимальную площадь сечения потока, будучи выровнены в верхней стороне ствола скважины 102. Как указано выше, это может оказаться предпочтительным во время операций цементирования, когда меньшая площадь сечения потока может быть восприимчива к закупориванию щебнем из цемента или другими видами засорения. Соответственно, необходимый перепад давления будет иметь место, если отверстие 104 находится под углом 180° к нижней стороне ствола скважины 102.
[0072] В примере с Фиг.7 перепад давления остается постоянным приблизительно при 3,24054 бар (47 фунт/кв. дюйм) между 60° и -60°. Однако перепад давления уменьшается, если отверстие 104 ориентировано под углами в пределах +/-60°. В предпочтительном варианте реализации изобретения может быть рекомендован перепад давления с ориентацией отверстия 104 под углами в пределах +/-30°.
[0073] Примеры с Фиг. 6 и 7 указывают, что посредством изменения площади сечения потока первого и второго каналов потока 416, 418 при различных угловых положениях могут быть созданы различные перепады давления. Следует отметить, что вышеприведенные профили перепада давления рассматриваются как «идеальные», однако фактические профили могут отличаться от них по причине их различных свойств и параметров, включая, кроме прочего число Рейнольдса, эффект Коанда и т.д. Однако в конечном итоге бурильщику может не потребоваться определение или иное обнаружение точного значения перепада или роста давления, а необходимо будет лишь фиксировать внезапное изменение давления в процессе вращения скважинной трубы 106 внутри ствола скважины 102.
[0074] Обратившись теперь к Фиг.8, опять же ссылаясь на Фиг.4, можно увидеть проиллюстрированный изометрический вид в поперечном разрезе части устройства индикации ориентации 108 в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения. Как проиллюстрировано на фигуре, часть торца корпуса 402, находящаяся в забое, изображена как охватываемая нижним уплотнительным устройством 406b. Устройство ориентации 404 на Фиг.8 не показано для целей наглядности. В некоторых вариантах реализации изобретения нижний торец устройства 108 может включать ряд зубцов 802. В частности, торец корпуса 402, находящийся в забое, может содержать установленные на нем зубцы 802. В некоторых вариантах реализации изобретения зубцы могут включать в себя профилированные кромки, зубчатые зацепления или зазубрины, предназначенные для сцепления или захвата в осевом направлении находящихся рядом объектов или конструкций.
[0075] Во время эксплуатации зубцы 802 могут оказаться эффективным средством для предотвращения вращения устройства 108 во время его бурения буровым долотом 142 (Фиг.3). В частности, как показано выше, после операции ориентации устройство 108 может быть продвинуто внутрь ствола скважины 102 (Фиг. 1-3) до касания заливочной муфты 130 (Фиг. 1-3) или связанной с ней муфты с обратным клапаном. По окончании последующей операции цементирования буровое долото 142 используется для бурения через устройства 108 и заливочной муфты 130. Зубцы 802 могут иметь конфигурацию, обеспечивающую захват и зацепление иным образом с заливочной муфтой 130 или связанной с ней муфтой с обратным клапаном таким образом, чтобы в основном предотвращать вращение устройства 108 в скважинной трубе (Фиг. 1-3) и иным образом невозможность его бурения. В некоторых вариантах реализации изобретения заливочная муфта 130 или связанная с ней муфта с обратным клапаном могут иметь соответствующие сопрягаемые зубцы или профили для повышения зажимного воздействия.
[0076] По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения корпус 402 может включать в себя выступающую в осевом направлении часть (не показана), простирающуюся в забой с нижнего уплотнительного устройства 406b. В таких вариантах реализации изобретения зубцы 802 могут в качестве альтернативы или в дополнение к нему быть установлены на наружной поверхности выступающей части по радиусу и иметь конфигурацию, обеспечивающую зацепление по радиусу с сопрягающимися зубцами или профилями, установленными на внутренней по радиусу поверхности заливочной муфты 130. В некоторых видах использования обломки или другие виды засорения внутри ствола скважины 102 препятствуют приведению в зацепление в осевом направлении зубцов 802 с заливочной муфтой 130. В таких видах эксплуатации установленные по радиусу зубцы 802 на выступающей части могут иметь конфигурацию, обеспечивающую сопряжение с заливочной муфтой 130 и невозможность вращения устройства 108 в процессе его бурения. Такие расположенные по радиусу зубцы 802 могут иметь шестиугольный или другой многоугольный профиль, имеющий конфигурацию, обеспечивающую его помещение на соответствующий охватывающий сопрягаемый многоугольный профиль в заливочной муфте 130 или связанной с ней муфте с обратным клапаном.
[0077] Аналогично зубцам 802 для корпуса 402, в некоторых вариантах реализации изобретения устройство ориентации 404 может также содержать на своем торце, находящемся в забое, замковый профиль или зубчатый профиль для обеспечения невозможности в том числе и его вращения во время его бурения буровым долотом 142 (Фиг.3). Для этого может потребоваться удержание в положении «вращения» устройства 108 срезным фиксатором до его отсоединения срезанием, как показано выше, и продвижения к заливочной муфте 130 или связанной с ней муфте с обратным клапаном. На этом этапе или после приложения заранее заданной величины веса от бурового долота 142 устройство ориентации 404 может быть отсоединено срезанием и перемещено в положение «застопорено», где оно не сможет вращаться.
[0078] Теперь может быть полностью понятно, что вышеописанное изобретение предоставляет множество преимуществ в данной области техники по азимутальной ориентации конструкции в стволах скважин. В частности, устройство 108, система 100 и сопутствующие им способы обеспечивают удобное, экономичное и точное выполнение азимутальной ориентации конструкций различных типов в наклонно-направленных стволах скважин. Одним из преимуществ использования устройства 108 является то, что перепады давления, фиксируемые в качестве индикации ориентации устройства 108, являются в основном постоянными, а не носят характер импульсов давления, которые могут сильно затухать в скважинах большой глубины.
[0079] Варианты реализации изобретения, раскрываемые в данной заявке, включают:
[0080] A. Устройство индикации ориентации, включающее корпус, образующий первый канал потока и устанавливаемый внутри скважинных труб; устройство ориентации, подвижно смонтированное внутри корпуса и образующее второй канал потока в сообщении по текучей среде с первым каналом потока; и груз эксцентрика, установленный внутри устройства ориентации и имеющий центр масс, радиально смещенный от оси вращения устройства ориентации, а также выполненный с возможностью удержания им устройства ориентации указывающим одно направление при вращении корпуса и скважинной трубы, при этом по мере вращения корпуса первый и второй каналы потока постепенно выравниваются либо теряют выравнивание.
[0081] B. Скважинная система, включающая скважинную трубу, способную выдвигаться внутрь ствола скважины и содержащую соединяемую с ней внутрискважинную конструкцию; устройство индикации ориентации, установленное внутри скважинной трубы и содержащее корпус, образующий первый канал потока и выставляемый по азимуту с внутрискважинной конструкцией, устройство ориентации, подвижно смонтированное внутри корпуса и образующее второй канал потока в сообщении по текучей среде с первым каналом потока, и груз эксцентрика, установленный внутри устройства ориентации и имеющий центр масс, радиально смещенный от оси вращения устройства ориентации таким образом, что груз эксцентрика удерживает устройство ориентации указывающим направление к верхней стороне ствола скважины, при этом текучая среда циркулирует через скважинную трубу и устройство индикации ориентации в процессе вращения скважинной трубы внутри ствола скважины, и при этом по мере вращения скважинной трубы первый и второй каналы потока постепенно выравниваются либо теряют выравнивание и таким образом генерируют перепад давления в устройстве индикации ориентации, который может быть измерен для определения, перемещена ли внутрискважинная конструкция до необходимой угловой ориентации внутри ствола скважины.
[0082] C. Способ, включающий введение скважинных труб в ствол скважины, при этом скважинная труба содержит соединяемую с ней внутрискважинную конструкцию и устройство индикации ориентации, установленное внутри скважинной трубы, причем устройство индикации ориентации содержит корпус, образующий первый канал потока, устройство ориентации, подвижно смонтированное внутри корпуса и образующее второй канал потока в сообщении по текучей среде с первым каналом потока, и груз эксцентрика, установленный внутри устройства ориентации и имеющий центр масс, радиально смещенный от оси вращения устройства ориентации; удержание устройства ориентации указывающим заранее заданною ориентацию ствола скважины, в то время как на груз эксцентрика действуют силы тяжести; циркуляцию жидкости через скважинную трубу и устройство индикации ориентации; измерение перепада давления, генерируемого в устройстве индикации ориентации во время циркуляции жидкости; вращение скважинной трубы внутри ствола скважины во время циркуляции жидкости и таким образом постепенное выравнивание или потерю выравнивания первого и второго каналов потока; а также измерение изменения в перепаде давления в устройстве индикации ориентации в процессе вращения скважинной трубы и таким образом определение, перемещена ли внутрискважинная конструкция до необходимой угловой ориентации внутри ствола скважины.
[0083] Каждый из вариантов реализации изобретения A, B, и C может иметь один или более следующих дополнительных элементов в любой комбинации: Элемент 1, дополнительно содержащий верхнее уплотнительное устройство, установленное на торце корпуса со стороны устья скважины, и нижнее уплотнительное устройство, установленное на торце корпуса со стороны забоя, при этом верхнее и нижнее уплотнительные устройства выполнены с возможностью их герметизирующего соприкасания с внутренней стенкой скважинной трубы. Элемент 2, в котором по меньшей мере одно из верхнего и нижнего уплотнительных устройств представляет собой цементировочную пробку, обеспечивающую один или более скребков, выполненных с возможностью их соприкасания с внутренней стенкой скважинной трубы. Элемент 3, дополнительно содержащий одно или более крепежных устройств, прикрепляющих корпус к скважинной трубе по меньшей мере в одном из следующих: вдоль оси или вращательно. Элемент 4, в котором одно или более крепежных устройств содержат выступ, прикрепляемый к корпусу, и съемное устройство, прикрепляющее выступ к скважинной трубе. Элемент 5, дополнительно содержащий упорный подшипник, выполненный с возможностью обеспечения закреплeния устройства ориентации против осевых нагрузок внутри корпуса, и по меньшей мере один опорный подшипник, выполненный с возможностью обеспечения поворота устройства ориентации вокруг оси вращения относительно корпуса. Элемент 6, в котором сечение профиля первого и второго каналов потока имеет по меньшей мере одну из следующих форм: округлую, дугообразную, многоугольную, либо комбинацию любой из этих форм. Элемент 7, в котором торец корпуса со стороны забоя содержит некоторое количество установленных на нем зубцов.
[0084] Элемент 8, в котором внутрискважинная конструкция представляет собой по меньшей мере одно из следующих: отверстие, защелочное соединение или центрирующий инструмент. Элемент 9, в котором необходимой угловой ориентацией является верхняя сторона ствола скважины. Элемент 10, в котором устройство индикации ориентации дополнительно содержит верхнее уплотнительное устройство, установленное на торце корпуса со стороны устья скважины, и нижнее уплотнительное устройство, установленное на торце корпуса со стороны забоя, при этом верхнее и нижнее уплотнительные устройства выполнены с возможностью их герметизирующего соприкасания с внутренней стенкой скважинной трубы. Элемент 11, дополнительно содержащий защелочный профиль, установленный на скважинной трубе, при этом устройство индикации ориентации расположено таким образом, что защелочный профиль вставлен на оси между верхним и нижним уплотнительными устройствами. Элемент 12, в котором уменьшение перепада давления внутри устройства является индикацией того, что необходимая угловая ориентация была достигнута. Элемент 13, в котором увеличение перепада давления внутри устройства является индикацией того, что необходимая угловая ориентация была достигнута.
[0085] Элемент 14, в котором введение скважинной трубы в ствол скважины предваряется азимутальным измерением или азимутальным выравниванием устройства индикации ориентации с внутрискважинной конструкцией. Элемент 15, в котором измерение изменения в перепаде давления в устройстве индикации ориентации содержит выявление уменьшения перепада давления для индикации того, что внутрискважинная конструкция перемещена в положение необходимой угловой ориентации внутри ствола скважины. Элемент 16, в котором измерение изменения в перепаде давления в устройстве индикации ориентации содержит определение увеличения перепада давления, указывающего на то, что внутрискважинная конструкция перемещена в положение необходимой угловой ориентации внутри ствола скважины. Элемент 17, дополнительно содержащий закачку цементного раствора через устройство индикации ориентации для операции цементирования в стволе скважины, отсоединение устройства индикации ориентации от скважинной трубы при помощи одной или более цементировочных пробок, продвижение устройства индикации ориентации в забой скважины и бурение через устройство индикации ориентации по завершении операции цементирования. Элемент 18, в котором устройство индикации ориентации дополнительно включает верхнее уплотнительное устройство, установленное на торце корпуса со стороны устья скважины, и нижнее уплотнительное устройство, установленное на торце корпуса со стороны забоя, при этом способ дополнительно включает установку устройства индикации ориентации в скважинной трубе таким образом, чтобы верхнее и нижнее уплотнительные устройства охватывали в осевом направлении защелочный профиль, предусмотренный на внутренней стенке скважинной трубы, и соприкасание внутренней стенки скважинной трубы с верхним и нижним уплотнительными устройствами.
[0086] Следовательно, раскрытые системы и способы хорошо подходят для достижения целей и получения преимуществ, указанных выше, а также присущих им. Конкретные варианты реализации, раскрытые выше, являются лишь иллюстрацией, поскольку идеи настоящего изобретения могут быть модифицированы и реализованы и другими, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, у которых есть возможность ознакомиться с настоящим описанием. Кроме того, какие-либо ограничения в отношении подробностей разработки или конструкции, приведенных в данной заявке, не налагаются, за исключением тех, что описаны в приведенной ниже формуле изобретения. Таким образом, следует понимать, что те или иные иллюстративные варианты реализации изобретения, раскрытые выше, могут быть изменены, скомбинированы или модифицированы, при этом считается, что все подобные изменения находятся в пределах объема настоящего изобретения. Системы и способы, иллюстративно описанные в настоящей заявке, могут быть соответствующим образом реализованы при отсутствии любого элемента, явным образом не описанного в данном документе, и/или любого необязательного элемента, описанного в данном документе. Несмотря на то что сочетания и способы описаны при помощи терминов «содержащие», «вмещающие» или «включающие» различные компоненты или этапы, сочетания и способы могут также «состоять главным образом из» или «состоять из» различных компонентов и этапов. Все числа и диапазоны, описанные выше, могут варьироваться на некоторую величину. В каждом случае описания числового диапазона с нижним пределом и верхним пределом конкретно описывается любое число и любой включенный диапазон, попадающие в объем указанных характеристик. В частности, каждый диапазон значений (в виде «от около a до около b», или, что то же самое, «приблизительно от a до b», или, что то же самое, «приблизительно от a-b»), описанный в данном документе, следует понимать как описывающий каждое число и диапазон, входящие в более широкую область значений. Кроме того, термины в формуле изобретения использованы в их общепринятом обычном значении, если обратное в явном виде не указано заявителем. Кроме того, применяемая в формуле изобретения форма единственного числа предполагает наличие одного или большего количества выражаемых в ней элементов. При наличии противоречий в использовании слова или термина в настоящем описании и одном или большем количестве патентов или других документов, которые могут быть включены в настоящее описание посредством ссылки, следует принимать определения, соответствующие настоящему описанию.
[0087] Как использовано в данной заявке, выражение «по меньшей мере один из», предшествующее последовательности наименований, со словами «и» или «или» для отделения любого наименования в перечислении, изменяет перечисление в целом, а не каждый элемент перечисления (т.е. каждое наименование). Выражение «по меньшей мере один из» допускает значение, включающее по меньшей мере одно из любого наименования, и/или по меньшей мере одно из наименований в любой комбинации наименований, и/или по меньшей мере одно из каждого наименования. Для примера: в выражениях «по меньшей мере один из A, B и C» или «по меньшей мере один из A, B или C» имеется в виду только A, только B или только C; любая комбинация A, B и C и/или по меньшей мере одно из A, B и C.